Способ очистки газовой смеси от углекислого газа
METHOD FOR PURIFICATION OF A GAS MIXTURE FROM CARBON DIOXIDE

Изобретение относится к области очистки газовых смесей от примеси диоксида углерода и может быть использовано в различных областях науки и техники.
Известны (RU, патент 2244586, опубл. 20.01.2005) поглотитель диоксида углерода из газовых смесей, получаемый пропиткой карбонатом калия пористого оксида алюминия, причем оксид алюминия предварительно обрабатывают щелочным раствором, затем в поры подготовленного таким образом оксида алюминия пропиткой вносят карбонат калия. Также известен способ удаления диоксида углерода из газовых смесей, в т.ч. для адсорбционного выделения диоксида углерода из атмосферного воздуха в циклических процессах в условиях термической регенерации либо короткоцикловой безнагревной адсорбции. Способ отличается тем, что его проводят при температуре 20-200°С и используют указанный поглотитель.
Известное техническое решение недостаточно эффективно удаляет углекислый газ.
Известен (JP, заявка 08040715, опубл. 13.02.1996) способ удаления диоксида углерода пористыми материалами (активированный уголь, оксид алюминия, цеолит, кизельгур или их смесь), на которые нанесен гидрат карбоната калия и/или натрия. Регенерацию сорбента производят паром. Активным компонентом поглотителя, обеспечивающим его высокую емкость, является диспергированный в порах матрицы карбонат щелочного металла.
Недостатком известного способа следует признать то, что поглотитель представляет собой высокореакционное соединение, способное вступать в необратимые химические взаимодействия с некоторыми носителями. Это приводит к уменьшению сорбционной емкости поглотителя в многоцикловом режиме эксплуатации.
Известен также (RU, патент 2566661, опубл. 06.06.2018) способ удаления диоксида углерода из газовых смесей путем абсорбции диоксида углерода водным раствором абсорбента моноэтаноламина МЭА - с получением насыщенного диоксидом углерода раствора абсорбента, десорбции диоксида углерода из этого насыщенного раствора абсорбента при нагреве с получением диоксида углерода и обедненного диоксидом углерода раствора абсорбента и возвращения его на стадию абсорбции, причем используют раствор абсорбента с содержанием моноэтаноламина 10-14 мас. %, степень насыщения абсорбционного раствора составляет не менее 0,65  десорбцию ведут при температуре 70-90, а указанный обедненный раствор возвращают на стадию абсорбции полностью без дополнительной очистки.
2
Известен (РСТ, заявка 2010142716, опубл. 16.12.2010) способ удаления диоксида углерода. Согласно известному способу удаления диоксида углерода из газовых смесей удаление проводят путем абсорбции диоксида углерода водным раствором абсорбента, затем проводят десорбцию диоксида углерода из насыщенного раствора абсорбента при нагреве до 120°С. Среди перечисленных абсорбентов упоминается моноэтаноламин МЭА. Выводимый из кубовой зоны десорбера поток с температурой 120°С подают в выносной кипятильник, где поддерживают температуру (130-140°С), обеспечивающую испарение абсорбента. Пары абсорбента затем возвращают в десорбер, а жидкую фазу выводят. Такой прием позволяет увеличить глубину извлечения CO. Одновременно на выходе из верха десорбера создают разряжение с помощью вакуум-насоса, либо эжектора. Диоксид углерода и пары воды выводят из верхней части десорбера и пропускают через холодильник-конденсатор. Водяной конденсат возвращают в десорбер, очищенный диоксид углерода направляют на переработку.
Недостатком известно способа следует признать его сложность.
Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога разработанного способа.
Техническая проблема, решаемая использованием разработанного способа, состоит в разработке нового подхода к проблеме очистки газовых смесей от примеси диоксида углерода.
Технический результат, достигаемый в результате разработанного способа, состоит в повышении эффективности извлечения диоксида углерода из газовых смесей.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ очистки газовых смесей от углекислого газа. Согласно разработанному способу очищаемый газовый поток подвергают барботируют с использованием рассекателя через суспензию мелкораздробленного карбоната, по меньшей мере, одного щелочноземельного металла, при одновременном перемешивании раствора суспензии в барботажной камере, фильтруют указанную суспензию, насыщенную углекислым газом, на установке динамического фильтрования через вращающийся мембранный фильтр в поле ультразвука, фильтрат помещают в камеру дегазации, а нефильтрованную часть возвращают в камеру барботажа.
Предпочтительно используют суспензию с размером частиц от 10 до 50 мкм и с содержанием твердой фазы от 5 до 10%.
Преимущественно используют поле ультразвука с частотой от 20 до 30 кГц, чтобы обеспечить преимущественную передачу акустической мощности на кавитации. В качестве рассекателя в камере барботажа используют керамику, например, на основе оксида алюминия, либо пористый титан или полимерную пленку толщиной от 50 до 500 мкм, пронизанную коническими отверстиями с диаметром узкого конца отверстия от 1 мкм до 10 мкм и диаметром выходного отверстия от 2 до 50 мкм, причем ось симметрии конических отверстий перпендикулярна плоскости пленки с отклонением от перпендикулярности не более 20 угловых градусов.
В некоторых вариантах реализации разработанного способа углекислый газ извлекают из камеры дегазации.
В основе разработанного способа положена идея процесса очистки воздуха от углекислого газа в том варианте, когда сорбирующий раствор ходит по циклу: одна и та же порция раствора многократно очищает воздух. Это называется карбонат-гидрокарбонатный цикл.
Вторая основная идея, положенная основу разработанного способа это процесс очистки жидкости от углекислого газа путем динамического фильтрования в поле ультразвука. Дело в том, что ультразвук уменьшает растворимость газов в воде: при действии ультразвука раствор как бы «вскипает» и выделяются пузырьки газа.
В способе динамического фильтрования жидкость закручивается вместе с фильтром и там в жидкости возникает эффект центрифуги. Поэтому более легкие по сравнению с жидкостью пузырьки газа прижимаются к центру, то есть к фильтру. Поэтому одновременное применение ультразвука и динамического фильтрования обеспечивает как выделение пузырьков газа, так и их отделение от основной массы жидкости. Поэтому жидкость можно снова использовать для газовой промывки.
Третья основополагающая идея - это способ дегазации жидкости. При этом удаляется как растворенный углекислый газ, так и часть углекислого газа, химически связанная в гидрокарбонаты, те самые, которые называются солями временной жесткости.
Разработанный способ заключается в том, что первоначально очищаемый поток подвергают барботажной очистке от углекислого газа путем продувания его через суспензию мелкораздробленного карбоната кальция, магния, бария или стронция или их смеси при одновременном перемешивании раствора в барботажной камере. При этом происходит частичный переход нерастворимой формы карбонатов указанных металлов в растворимую форму гидрокарбонатов по химической реакции:
Аналогично для магния, бария или стронция. Назначение суспензии состоит в том, чтобы увеличить способность жидкости (воды) растворять углекислый газ за счет реакции согласно (1) по сравнению с чистой жидкостью.
Затем производят фильтрование указанной суспензии, насыщенной углекислым газом из потока на установке динамического фильтрования типа УУДФ-1 [RU, патент 176937] через вращающийся мембранный фильтр в поле ультразвука. Под действием ультразвука растворимость газов в жидкости уменьшается в тысячи раз и при этом происходит частичное разложение гидрокарбонатов с выделением углекислого газа:
Аналогично для магния, бария или стронция.
Под действием центробежной силы более легкий по сравнению с жидкостью углекислый газ прижимается к цилиндрическому фильтрующему элементу [RU, патент 2699121], находящемуся в центре фильтровальной камеры и преимущественно проходит через фильтр. В результате проходящий через фильтр раствор (фильтрат) оказывается обогащен углекислым газом, а нефильтрованная часть раствора оказывается частично очищенной от гидрокарбонатов.
При этом производится отбор фильтрата изнутри вращающегося фильтрующего элемента, обогащенного углекислым газом и отбор основной части нефильтрованной суспензии из внешней части камеры фильтровальной установки, обедненной углекислым газом и карбонатами. Обогащенная углекислым газом часть жидкости (фильтрат) перемещают в отдельную камеру, где подвергают дегазации с извлечением углекислого газа с использованием ультразвуковой обработки, сброса давления или другим методом. При этом при необходимости углекислый газ может быть извлечен для последующего использования. После этого дегазированную часть фильтрата соединяют с основной, нефильтрованной частью жидкости и направляют в следующий цикл для очистки потока в барботажную камеру.
Технический результат достигается за счет того, что
1) Использование в качестве среды для поглощения углекислого газа дисперсии мелкораздробленного карбоната кальция увеличивает способность жидкой фазы поглощать углекислый газ за счет химической реакции согласно (1).
3
2
3
2
3
2
3
2
2) При фильтровании раствора, содержащего гидрокарбонаты Са(HCO), Mg(HCO), Sr(HCO), Ва(HCO) в поле ультразвука происходит их разложение по реакции согласно (2) с выделением углекислого газа, за счет того, что под действием ультразвука растворимость газов в жидкостях уменьшается в сотни и тысячи раз. При удалении углекислого газа из раствора происходит смещение равновесия реакции согласно (2) вправо.
3) В методе динамического фильтрования происходит частичная передача крутящего момента с фильтроэлемента на жидкость и жидкость закручивается. В результате за счет более низкой плотности по сравнению с жидкостью углекислый газ концентрируется в центре фильтровальной камеры под действием центробежной силы. Твердый осадок карбонатов, напротив, вытесняется на периферию фильтровальной камеры. Таким образом, происходит эффективная очистка основной массы жидкости от углекислого газа.
4) Обогащенный углекислым газом фильтрат дегазируют с отделением углекислого газа и возвращают в барботажную камеру для последующего насыщения углекислым газом. Таким образом реализуется цикл, итогом которого является получение потока газа, обедненного углекислым газом и газовой фазы, обогащенной углекислым газом.
5) Предложенная схема может быть использована в нециклическом режиме для очистки воды от солей временной жесткости (гидрокарбонатов) по реакции согласно (2) путем однократного пропускания через установку динамического фильтрования.