SEPARACIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO DE NITRÓGENO USANDO MATERIALES CON ESTRUCTURA DE IMIDAZOLATO ZEOLÍTICA.

Un procedimiento para separar CO2 de una corriente de alimentación de un procedimiento,

que comprende:

a) poner en contacto un lecho adsorbente compuesto de material de estructura de imidazolato zeolítica con una corriente de alimentación de procedimiento que comprende CO2 y N2 a una primera presión y una primera temperatura;

b) adsorber al menos una porción del CO2 en el lecho adsorbente;

c) producir una corriente de producto pobre en CO2, en el que la corriente de producto pobre en CO2 tiene una concentración de CO2 en % en volumen menor que la corriente de alimentación de procedimiento; y d) producir una corriente de producto rica en CO2 a una segunda presión y segunda temperatura, en el que la corriente de producto rica en CO2 tiene una concentración de CO2 en % en volumen mayor que la corriente de alimentación de procedimiento;

en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica tiene una estructura de armazón compuesta de un único ion metálico y cada par de vértices adyacentes conectados de la estructura de armazón está enlazado mediante los átomos de hidrógeno de un anión imidazolato o su derivado, y en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica se selecciona de ZIF-9, ZIF-1, ZIF-7, ZIF-11, y ZIF-8.

Separación de dióxido de carbono de nitrógeno usando materiales con estructura de imidazolato zeolítica.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la separación selectiva de dióxido de carbono ("CO2") de nitrógeno ("N2") en corrientes que contienen tanto dióxido de carbono como nitrógeno utilizando un material de estructura de imidazolato zeolítica ("ZIF") . Preferiblemente, la corriente a separar se alimenta al presente procedimiento en una fase sustancialmente gaseosa. En realizaciones preferidas, la actual invención se utiliza en un procedimiento para separar dióxido de carbono de corrientes de gas de combustión (por ejemplo, gas de escape) preferiblemente para el secuestro de al menos una porción del dióxido de carbono producido en procedimientos de combustión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La separación de gases es un procedimiento importante utilizado en diversas industrias, particularmente en la producción de combustibles, productos químicos, productos petroquímicos y productos de especialidad. Una separación de gases se puede lograr mediante una variedad de métodos que, ayudados por calor, sólidos, u otros medios, explotan generalmente las diferencias en las propiedades físicas y/o químicas de los componentes a separar. Por ejemplo, la separación de gases se puede lograr mediante licuefacción parcial o utilizando un material adsorbente sólido que retiene o adsorbe preferentemente un componente más fácilmente adsorbido con relación a un componente menos fácilmente adsorbido de la mezcla gaseosa, o mediante otras varias técnicas de separación de gases conocidas en la industria. Uno de tales procedimientos de separación de gases comercialmente puesto en práctica es la adsorción por variación de presión ("PSA") . Los procedimientos de PSA, cuando funcionan en ciertas condiciones, permiten que se adsorba preferentemente un componente o componentes selectivos en una mezcla gaseosa dentro de la estructura de poros de los materiales adsorbentes porosos con relación a un segundo componente o componentes en la mezcla gaseosa. La cantidad total adsorbida de cada componente en el material (es decir, la capacidad de adsorción) y la selectividad de la adsorción para un componente específico con respecto a otro componente se pueden mejorar a menudo haciendo funcionar el procedimiento en condiciones específicas de presión y temperatura, puesto que tanto la presión como la temperatura influyen en la carga de adsorción de los componentes en un grado diferente. La eficiencia del procedimiento de PSA se puede mejorar adicionalmente mediante la implementación de etapas de procesamiento, tal como el uso de una corriente o corrientes de purga que tienen una composición óptimamente escogida, presiones y temperaturas. Sin embargo, relativamente pocos materiales adsorbentes tienen selectividades de separación, capacidades de adsorción y otras propiedades beneficiosas (tales como inercia química y física, y durabilidad) para que sean capaces de funcionar como adsorbentes comercialmente viables y costosamente eficientes en un procedimiento de PSA.

Algunos materiales adsorbentes son capaces de adsorber una mayor cantidad de un componente que de otro componente en ciertas condiciones. Ciertos componentes no se pueden adsorber selectivamente, o no se pueden adsorber en un nivel aceptable que condujese a un procedimiento económicamente viable. Sin embargo, si existen diferencias considerables en las propiedades de adsorción para componentes selectivos en un material adsorbente, los procedimientos de PSA se pueden usar para separar efectivamente ciertos gases componentes de una mezcla. Por ejemplo, si una mezcla gaseosa, tal como aire, se hace pasar a cierta presión y temperatura a través de una vasija que contiene un material adsorbente que adsorbe selectivamente más oxígeno que nitrógeno, al menos una porción del oxígeno contenido en la corriente de alimentación permanecerá en el adsorbente, y el gas que sale de la vasija estará enriquecido en nitrógeno. Cuando el lecho alcanza una fracción seleccionada de su capacidad total para adsorber oxígeno, se puede regenerar mediante diversas técnicas de variación de presión, liberando de ese modo el oxígeno adsorbido (y cualesquiera otros componentes gaseosos asociados) , que entonces puede ser capturado y aislado como una corriente de producto separada. El material adsorbente que ahora se ha "desorbido" del oxígeno se puede reusar entonces, y las diversas etapas del ciclo del procedimiento de PSA se repiten para permitir un funcionamiento continuo.

Sin embargo, los materiales adecuados que discriminan específicamente entre gases difíciles de separar de una manera tanto eficiente como efectiva (esto es, los materiales que tienen tanto una elevada selectividad de separación como una elevada capacidad de adsorción) no se encuentran fácilmente. Adicionalmente, muchos materiales adsorbentes conocidos en la técnica no se abrazan bien a los componentes adicionales en las corrientes, o son incapaces de soportar las rigurosas condiciones de presión y/o temperatura, incluyendo condiciones cíclicas, requeridas por los procedimientos. Por lo tanto, los materiales adsorbentes comercialmente adecuados, y de forma más importante comercialmente valiosos, no están muy fácilmente disponibles. Los investigadores en la industria buscan continuamente materiales adsorbentes, configuraciones del procedimiento, condiciones de funcionamiento mejorados para hacer estos procedimientos de separación económicamente viables.

En la patente U.S. nº 3.430.418 se encuentra una enseñanza anterior de un procedimiento de PSA que tiene un sistema de múltiples lechos, en la que se describe un sistema que tiene al menos 4 lechos. Esta patente ‘418 describe una secuencia de procesamiento de PSA cíclica que incluye, en cada lecho: (1) una adsorción a mayor

presión, con liberación de efluente de producto desde el extremo de producto el lecho; (2) la despresurización en cocorriente hasta una presión intermedia, con liberación de gas de espacio libre desde su extremo de producto; (3) la despresurización en contracorriente hasta una menor presión; (4) la purga; y (5) la represurización. El gas de espacio libre, liberado durante la etapa de despresurización en cocorriente, se emplea habitualmente con fines de igualación de la presión, y para proporcionar gas de purga a un lecho a su presión de desorción más baja. En la patente U.S. nº 3.738.087 se describen otros procedimientos de PSA convencionales usando tres lechos sorbentes.

Otro procedimiento de separación de gases industrialmente importante es la adsorción por variación de temperatura ("TSA") . Los procedimientos de TSA, cuando se hacen funcionar a ciertas condiciones de presión y temperatura, permiten que se adsorban selectivamente algunos componentes con relación a otros en la estructura de poros de un material adsorbente. En este procedimiento, una corriente que contiene los componentes a separar fluye a través de un material adsorbente, en el que uno o más de los componentes se adsorben selectivamente con respecto a otro componente o componentes. Durante este "paso" o "etapa" de adsorción del procedimiento de TSA, se obtiene una corriente de efluente, reducida en concentración del componente o componentes adsorbidos selectivamente. En este procedimiento, después de que el material adsorbente ha adsorbido una cierta cantidad del componente o componentes deseados, se incrementa la temperatura del adsorbente, y se libera el componente o componentes adsorbidos selectivamente o se desorben de los materiales adsorbentes y se pueden recoger, separados de la corriente de efluente, en esta etapa del ciclo global del procedimiento de TSA. Variando cíclicamente la temperatura de los lechos adsorbentes, se pueden usar procedimientos de TSA para separar componentes en una mezcla cuando se usa con un adsorbente que adsorbe selectivamente uno o más de los componentes de la corriente en la mezcla de alimentación con relación a uno o más componentes diferentes de la corriente comprendidos en la mezcla de alimentación.

Los procedimientos de PSA y TSA no necesitan ser mutuamente excluyentes. Se puede utilizar un procedimiento combinado de PSA/TSA, por ejemplo incrementando la temperatura de los materiales adsorbentes durante la etapa de purga de menor presión de un procedimiento de PSA convencional, para mejorar la desorción del componente o componentes adsorbidos selectivamente en el procedimiento. La temperatura del lecho se puede reducir entonces (o se puede dejar que se reduzca) durante la porción de adsorción del ciclo de PSA, para mejorar las características... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para separar CO2 de una corriente de alimentación de un procedimiento, que comprende:

a) poner en contacto un lecho adsorbente compuesto de material de estructura de imidazolato zeolítica con una corriente de alimentación de procedimiento que comprende CO2 y N2 a una primera presión y una primera temperatura;

b) adsorber al menos una porción del CO2 en el lecho adsorbente;

c) producir una corriente de producto pobre en CO2, en el que la corriente de producto pobre en CO2 tiene una concentración de CO2 en % en volumen menor que la corriente de alimentación de procedimiento; y d) producir una corriente de producto rica en CO2 a una segunda presión y segunda temperatura, en el que la corriente de producto rica en CO2 tiene una concentración de CO2 en % en volumen mayor que la corriente de alimentación de procedimiento;

en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica tiene una estructura de armazón compuesta de un único ion metálico y cada par de vértices adyacentes conectados de la estructura de armazón está enlazado mediante los átomos de hidrógeno de un anión imidazolato o su derivado, y en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica se selecciona de ZIF-9, ZIF-1, ZIF-7, ZIF-11, y ZIF-8.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el lecho adsorbente comprende un material aglutinante seleccionado de un polímero cristalino, un polímero no cristalino, un epoxi, un termoplástico, una arcilla, un material que contiene sílice, un material que contiene alúmina, y un material que contiene titania.

3. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la relación de carga adsorbente para CO2 con respecto a N2 se mide a 301 K y 106, 6 kPa.

4. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la presión parcial de CO2 en la etapa a) es mayor que la presión parcial de CO2 en la etapa d) .

5. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica se selecciona de ZIF-9, ZIF-1 y ZIF-7.

6. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la primera presión es mayor que la segunda presión.

7. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la segunda temperatura es mayor que la primera temperatura.

8. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que el tiempo del ciclo es menor que alrededor de 1 minuto.

9. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que el procedimiento es un procedimiento de adsorción por variación, y la diferencia entre las presiones parciales de CO2 máxima y mínima logradas en el lecho adsorbente durante un ciclo es menor que 300 kPa.

10. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la presión parcial de CO2 de la corriente de alimentación de procedimiento en la etapa a) es menor que alrededor de 200 kPa.

11. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la corriente de alimentación de procedimiento comprende una corriente de gas de combustión.

12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que la corriente de alimentación de procedimiento comprende una corriente de gas de escape de un regenerador de FCC.

13. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la corriente de alimentación de procedimiento tiene un contenido de N2 de alrededor de 65 a alrededor de 85% en volumen, y la corriente de producto rica en CO2 tiene un contenido de N2 menor que alrededor de 20% en volumen.

14. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la corriente de alimentación de procedimiento tiene un contenido de CO2 de alrededor de 3 a alrededor de 25% en volumen, y la corriente de producto rica en CO2 tiene un contenido de CO2 de al menos alrededor de 50% en volumen.

15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que la corriente de alimentación de procedimiento comprende una corriente de gas producido sintéticamente, y la corriente de producto rica en CO2

tiene un contenido de N2 menor que 10% en volumen.

16. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la temperatura de la corriente de alimentación de procedimiento se reduce antes de entrar en contacto con el lecho adsorbente en la etapa a) .

17. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la corriente de alimentación de procedimiento entra en contacto con el lecho adsorbente a una presión de alrededor de 0, 1 a alrededor de 10 psig.

18. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica tiene una relación de carga adsorbente para CO2 con respecto a N2 de al menos 25.

19. Un procedimiento para separar CO2 de una corriente de alimentación de procedimiento, que comprende:

a) poner en contacto un primer lado de una membrana compuesta de un material de estructura de imidazolato zeolítica con una corriente de alimentación de procedimiento que comprende CO2 y N2 a una primera presión y una primera temperatura;

b) recuperar una primera corriente de permeado de un segundo lado de la membrana a una segunda presión y segunda temperatura, en el que la primera corriente de permeado consiste en compuestos que permean selectivamente a través de la membrana, y la primera corriente de permeado tiene una mayor concentración de CO2 en % en volumen que la corriente de alimentación de procedimiento; y c) recuperar una primera corriente de retenido;

en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica tiene una estructura de armazón en la que cada vértice de la estructura de armazón comprende un único ion metálico y cada par de vértices adyacentes conectados de la estructura de armazón está enlazado mediante los átomos de hidrógeno de un anión imidazolato o su derivado, en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica se selecciona de ZIF-9, ZIF-1, ZIF-7, ZIF-11, y ZIF-8.

20. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica tiene una relación de carga adsorbente para CO2 con respecto a N2 de al menos 25.

21. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 19-21, en el que la relación de carga adsorbente para CO2 con respecto a N2 se mide a 301 K y 106, 6 kPa.

22. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 19-21, en el que la corriente de alimentación de procedimiento comprende una corriente de gas de combustión.

23. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 19-21, en el que la corriente de alimentación de procedimiento comprende una corriente de gas de escape de un regenerador de FCC.

24. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 19-21, en el que la corriente de alimentación de procedimiento comprende una corriente de gas producido sintéticamente.

25. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 19-24, en el que el material de estructura de imidazolato zeolítica se selecciona de ZIF-9, ZIF-1, y ZIF-7.