Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio.

Fibra sorbente, que comprende:

una fibra hueca que comprende un material sorbente;

un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca; y

una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicaciónhidráulica entre el lumen y el material sorbente.

Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio

Campo técnico

Las diversas realizaciones de la presente descripción se refieren en general a composiciones de fibras sorbentes. Más concretamente, las diversas realizaciones de la presente descripción van dirigidas a fibras sorbentes para procesos de adsorción por variación de temperatura.

Antecedentes de la invención Las plantas de carbón proporcionan la mayor parte de la energía de los Estados Unidos y son grandes fuentes localizadas de emisión de gases de efecto invernadero, tales como el dióxido de carbono (CO2) . Los países en desarrollo están construyendo rápidamente centrales eléctricas de carbón a un ritmo que añadirán considerablemente niveles atmosféricos de CO2. La manera más común de centrales eléctricas de carbón son las centrales de tipo de carbón pulverizado (PC) , que típicamente producen alrededor de 500 MW y liberan aproximadamente 9, 2 toneladas de CO2 por minuto, o 2, 2 lbm CO2/kWh (para 500 MW) . El aumento de las concentraciones de CO2 en la atmósfera terrestre agrava el efecto invernadero y da lugar a un cambio climático no deseado, con los consiguientes riesgos de fenómenos meteorológicos extremos, elevación del nivel del mar, y efectos adversos en la agricultura y la biodiversidad. Así, las plantas de carbón proporcionan los principales objetivos para la captura y retención de carbono (CCS) . Por consiguiente, existe un gran interés en procedimientos eficaces y rentables para CCS.

La infraestructura de las centrales eléctricas de PC está envejeciendo, y los procedimientos de captura de carbono actuales son prohibitivamente costosos para implementarse tal como son. Aunque las centrales eléctricas de gasificación integrada en ciclo combinado (IGCC) y las centrales de gas natural en ciclo combinado (NGCC) ofrecen una mayor eficiencia y menores emisiones, la infraestructura de las PC también requiere reajustes de la CCS para una mitigación efectiva del cambio climático. Uno de los principales obstáculos para la CCS es el coste de la captura. Para unos controles de emisiones y retención, se cree que el CO2 debe capturarse con una pureza superior a un 75% y comprimirse a una presión en la tubería (por ejemplo, aproximadamente 1500 psia) y posteriormente comprimirse a una presión de inyección (por ejemplo, aproximadamente 2300 psia) . El proceso posterior de captura de CO2 de combustión con suministros a baja presión, suministros a baja temperatura, y caudales masivos es uno de los muchos aspectos difíciles del reto de la CCS. Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema de CCS de bajo coste que pueda actualizarse sobre plantas de PC existentes, así como nuevas plantas de IGCC y NGCC. Pueden preverse también importantes aplicaciones en el sector petroquímico e industrial.

Los procesos de adsorción se utilizan ampliamente en la industria para la separación de mezclas de fluidos. Esta separación se basa en la sorción preferencial de componentes selectivos en la superficie o en el interior de las cavidades de materiales absorbentes. Para la mayoría de sistemas de separación, el material adsorbente presenta una gran área superficial para proporcionar una capacidad de adsorción razonable. Los adsorbentes utilizados comúnmente, tales como zeolitas de tamiz molecular, carbón activado, alúmina y gel de sílice, tienen áreas superficiales de por lo menos 200 m2/g.

Muchos procesos de adsorción industriales se llevan a cabo en columnas de tipo de lecho fijo. El material adsorbente (por ejemplo, gránulos, partículas) generalmente va empaquetado y e inmovilizado en un recipiente cilíndrico. A medida que la mezcla de fluido designada para la separación atraviesa la columna empaquetada, los componentes adsorbibles de la mezcla son recogidos y retenidos por el adsorbente como adsorbato, y los componentes no adsorbibles atraviesan la columna a través de los espacios vacíos que hay entre los gránulos adsorbentes.

Para el procesamiento continuo de una mezcla de fluido de alimentación se utiliza un sistema de múltiples lechos en el que cada lecho pasa secuencialmente a través del ciclo de adsorción/regeneración. Comercialmente se han utilizado diversos procedimientos de regeneración, incluyendo un proceso de adsorción por cambio de presión (PSA) y un proceso de adsorción por cambio de temperatura (TSA) . En el proceso de TSA, el adsorbente saturado se regenera por purga con un gas caliente. Cada ciclo de calentamiento/enfriamiento normalmente requiere unas pocas horas hasta más de un día. En el proceso de PSA, la regeneración de adsorbente se efectúa por purga con una parte del producto de gas purificado a presión reducida. El rendimiento de la PSA generalmente es más elevado que el de la TSA, ya que en general son posibles ciclos temporales más rápidos, normalmente de minutos a horas.

Además de la capacidad de adsorción del adsorbente, la velocidad de adsorción y la caída de presión son dos factores importantes que hay que considerar en el diseño de la columna adsorbente. La caída de presión a través de la columna adsorbente debe minimizarse, ya que una elevada caída de presión del fluido puede producir el movimiento o fluidización de las partículas adsorbentes, lo que tiene como resultado un serio desgaste y pérdida de adsorbente. La tasa de adsorción tiene una importancia significativa en la eficiencia del proceso de adsorción. Esta tasa normalmente se determina por la resistencia a la transferencia de masa para el transporte de adsorbato de la fase fluida masiva a las superficies internas de las partículas adsorbentes. Una baja velocidad de adsorción, debido a una gran resistencia de transferencia de masa se traducirá en una gran zona de transferencia de masa (MTZ) dentro de la cual el adsorbente sólo se encuentra parcialmente saturado con adsorbato. El adsorbente en la zona curso arriba de la MTZ está sustancialmente saturado con adsorbato, mientras que curso abajo de la MTZ está esencialmente libre de adsorbato. A medida que el fluido continúa fluyendo, la MTZ avanza a través de la columna adsorbente en la dirección de la corriente de fluido. La etapa de adsorción debe terminar antes de que la MTZ llegue a la salida de adsorbente con el fin de evitar la ruptura de adsorbato en la corriente efluente. Una gran zona de transferencia de masa, que contiene una gran cantidad de adsorbente utilizado parcialmente, producirá, por lo tanto, una corta etapa de adsorción y un uso ineficaz de la capacidad adsorbente.

Tanto la caída de presión como la resistencia de transferencia de masa están muy influenciadas por el tamaño de las partículas adsorbentes. Cambiar el tamaño de partícula, por desgracia, tiene efectos opuestos sobre estos dos factores importantes. El espacio intersticial entre las partículas de adsorbente en el lecho fijo es proporcional al tamaño de las partículas. Como que la resistencia al flujo de fluido a través del adsorbente es inversamente proporcional al tamaño del poro del lecho compacto, el uso de pequeñas partículas adsorbentes provocará una gran caída de presión. Por esta razón, los tamaños de las partículas de adsorbentes comerciales para la operación de lecho fijo generalmente tienen un diámetro medio mayor de 2 mm.

Además, casi todas las áreas superficiales de los adsorbentes comerciales se encuentran en el interior de la partícula adsorbente. Para que se produzca la adsorción, es necesario que el adsorbato sea transportado desde la fase fluida externa a la superficie interior de la partícula. La velocidad de transporte está influenciada por dos mecanismos de transferencia de masa en serie: (a) transferencia - difusión de masa interfacial a través de la capa límite de fluido que rodea la superficie externa de la partícula adsorbente; y (b) transferencia - difusión de masa entre partículas a través del espacio de poros internos (microporos y macroporos) de la partícula a su superficie interior, donde tiene lugar la adsorción. El tamaño de la partícula tiene efectos significativos sobre las tasas de estos dos procesos de difusión. Las partículas pequeñas ofrecen grandes áreas de contacto de fluido/sólido en el lecho fijo para la transferencia de masa interfacial y reducen la longitud de la trayectoria para la difusión entre partículas. Por lo tanto, pequeñas partículas adsorbentes aumentarán la tasa de adsorción y producirá una zona de transferencia de masa estrecha para una operación de ciclos de adsorción/desorción rápida y eficiente. Así, son deseables pequeñas partículas adsorbentes para procesos de adsorción eficientes, pero el tamaño de partícula mínimo viene limitado por unas condiciones de funcionamiento hidrodinámicas aceptables del adsorbente de lecho fijo.... [Seguir leyendo]

1. Fibra sorbente, que comprende:

una fibra hueca que comprende un material sorbente; un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca; y una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y el material sorbente.

2. Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la fibra comprende, además, una matriz de polímero que comprende una pluralidad de trayectorias tortuosas, en la que el material sorbente está en comunicación hidráulica con por lo menos una parte de la trayectorias tortuosas.

3. Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho el material sorbente presenta una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 10 micras.

4. Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que el material sorbente comprende menos de aproximadamente un 80% en peso de la fibra.

5. Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que comprende una tapa extrema no porosa dispuesta en cada extremo longitudinal de la fibra y la tapa extrema no porosa no inhibe el flujo de fluido a través del lumen.

6. Contactor de adsorción a base de fibras, comprendiendo el contactor:

una cámara que comprende:

una entrada de corriente de alimentación; una salida de corriente de alimentación; una entrada de fluido de transferencia de calor; una salida de fluido de transferencia de calor; una pluralidad de fibras huecas sustancialmente alineadas, en el que cada una de las fibras huecas comprende:

una pluralidad de trayectorias tortuosas, en el que las trayectorias tortuosas están en comunicación hidráulica con la entrada de corriente de alimentación y la salida de corriente de alimentación; una pluralidad de elementos sorbentes en comunicación hidráulica con por lo menos una parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas; un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca, en el que el lumen está en comunicación hidráulica con la entrada de fluido de transferencia de calor y la salida de fluido de transferencia de calor; y una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas.

7. Contactor de adsorción a base de fibras según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que por lo menos una de la pluralidad de fibras huecas comprende, además, una tapa extrema dispuesta en un extremo longitudinal de la fibra eficaz para evitar la comunicación hidráulica entre la pluralidad de trayectorias tortuosas y un medio de transferencia de calor en por lo menos una mayoría sustancial de las fibras huecas.

8. Contactor de adsorción a base de fibras según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que comprende, además, un material aglutinante eficaz para conectar entre sí fibras adyacentes que, junto con las tapas extremas, evita la comunicación hidráulica entre el medio de transferencia de calor y la pluralidad de trayectorias tortuosas de fibras adyacentes.

9. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio, comprendiendo el procedimiento:

poner en contacto un medio con una fibra hueca que comprende una pluralidad de trayectorias tortuosas, una pluralidad de elementos sorbentes en comunicación hidráulica con la pluralidad de trayectorias tortuosas, un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca, y una capa de barrera esencialmente permeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas; y adsorber selectivamente un componente del medio con el material sorbente.

10. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que comprende, además, evitar la comunicación hidráulica entre el medio y un fluido de intercambio de calor.

11. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que comprende, además, repetir las etapas de poner en contacto y adsorción selectiva.

12. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que una duración de ciclo entre adsorciones sucesivas es menor de aproximadamente 2 minutos.

13. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el componente es CO2, el medio comprende es CO2, y nitrógeno, y el material sorbente tiene una selectividad para adsorber CO2 sobre nitrógeno mayor de cinco.

14. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el componente se selecciona de CO2, SOx, NOx, y agua.

15. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que el medio comprende una corriente de gas de escape.

16. Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el medio comprende por lo menos uno de gas de escape, gas natural, gas combustible, biogás, gas ciudad, gas residual, agua, gas de hulla, aire, u otro medio que contenga dióxido de carbono.

REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es únicamente para la comodidad del lector. No forma parte del 5 documento de la patente europea. A pesar del cuidado tenido en la recopilación de las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO niega toda responsabilidad en este sentido.

Documentos de patentes citados en la descripción

• EP 0434219 A • WO 2004024303 A

• US 5288304 A

Literatura diferente de patentes citada en la descripción • KOROS, W. J. ; D. R. PAUL. Design considerations for measurement of gas sorption in polymers by pressure decay. J. Polym. Sci.: Part B: Polym. Phys., 1976, vol. 14, 1903-7