特許 6571188 加熱液体吸着剤からの二酸化炭素のサイクロン分離および回収

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6571188

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】加熱液体吸着剤からの二酸化炭素のサイクロン分離および回収

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/14 20060101AFI20190826BHJP

   B01D 19/00 20060101ALI20190826BHJP

   B01D 53/78 20060101ALI20190826BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/14 220

   B01D19/00 102

   B01D53/78ZAB

   B01D53/62

   B01D53/14 210

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-527602(P2017-527602)

(86)(22)【出願日】2015年12月9日

(65)【公表番号】特表2017-537778(P2017-537778A)

(43)【公表日】2017年12月21日

(86)【国際出願番号】US2015064592

(87)【国際公開番号】WO2016100019

(87)【国際公開日】20160623

【審査請求日】2018年12月7日

(31)【優先権主張番号】14/572,267

(32)【優先日】2014年12月16日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】511304464

【氏名又は名称】サウジ アラビアン オイル カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100104592

【弁理士】

【氏名又は名称】森住 憲一

(72)【発明者】

【氏名】アハマド・ディ・ハマド

(72)【発明者】

【氏名】アブデュル・ラーマン・ザフェル・アクラ

(72)【発明者】

【氏名】ザキ・ユスフ

(72)【発明者】

【氏名】ナイフ・エイ・ラシーディ

(72)【発明者】

【氏名】アムジャード・アル−カフタニ

【審査官】 岡田 三恵

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００７１３０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２４８６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２０２３４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−０７９０５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／１４

Ｂ０１Ｄ １９／００

Ｂ０１Ｄ ５３／６２

Ｂ０１Ｄ ５３／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＣＯ_２吸収ユニットから誘導されるＣＯ_２リッチ液体吸収剤ストリームから二酸化炭素を分離および回収する方法であって、
ａ．ＣＯ_２リッチ液体吸収剤の温度を、前記ストリームを加圧下で導管において加熱ゾーン（３０）へ通すことによってＣＯ_２収着温度から所定の脱着温度まで上昇させる工程、
ｂ．加熱加圧ＣＯ_２リッチ液体吸収剤を、概して線形流路内の吸収剤導管へ通す工程、
ｃ．加熱ＣＯ_２リッチ液体吸収剤ストリームを減圧条件下で吸収剤導管（４２）からサイクロン部材（４３）の入口部分へ導入してＣＯ_２リッチ液体吸収剤からのＣＯ_２の脱着を開始させ、その後に、液体吸収剤ストリームを、液体吸収剤の非乱流を維持しながら、減少する曲率半径で終結するサイクロン部材（４３）の螺旋セクション（４３ｂ）に通す工程、
ｄ．液体吸収剤および脱着したＣＯ_２を、密閉円筒形サイクロン垂直セクション（４７）の上部セクションへ入口（４５）より通す工程と、
ｅ．サイクロン垂直セクション（４７）の中央開口領域内の吸収剤から脱着したＣＯ_２を回収し、該ＣＯ_２をサイクロン垂直セクションの上部領域と流体連通するＣＯ_２排出ライザー出口（４４）に通す工程、
ｆ．前記サイクロン垂直セクションの底部の水平部材（４８）の下部の出口に取り付けられた再生導管（４９）を介して、サイクロン垂直セクション（４７）において前記ＣＯ_２が脱着されたＣＯ_２リーン液体吸収剤ストリームを回収する工程、および
ｇ．ＣＯ_２リーン吸収剤ストリームをＣＯ_２吸収ユニットへ再循環する工程
を含む、方法。

【請求項2】

ｈ．ライザー出口（４４）から回収したＣＯ_２を含むガスストリームを凝縮ゾーンにおいて凝縮器（７０）へ通して、水蒸気およびＣＯ_２を含む液体吸収剤から脱着した他の化合物をＣＯ_２から分離する工程、および
ｉ．凝縮ゾーンからＣＯ_２ガスの実質的に純粋なストリームを回収する工程
を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記サイクロン垂直セクション（４７）は概して円形断面である、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記円形断面の直径は均一である、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記サイクロン部材（４３）の断面積が分離器の前回転部分に入ると増大する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記サイクロン部材（４３）は、入口部分とサイクロン垂直セクション（４７）の入口（４５）との間に１５０°〜２５０°の範囲の角に外接する、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

液体吸収剤は、サイクロン垂直セクション（４７）中へ通す前に、入口（４５）に近接するサイクロン部材（４３）において下向き螺旋の経路を進む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記サイクロン部材（４３）の流路は、概して螺旋であり、入口部分（４３ａ）の入口と垂直セクション（４７）への入口（４５）との間で増大する半径の複数の近接する円弧状セクションから構成される、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

工程１（ｇ）からのＣＯ_２リーン吸収剤再生ストリームを、ＣＯ_２脱着ユニットからのＣＯ_２リッチ吸収剤との熱交換に通過させる、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

液体吸収剤がＫ_２ＣＯ_３の水溶液であり、吸収剤が工程１（ａ）において８０℃〜８５℃の範囲の温度に加熱される、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

再生ＣＯ_２リーン吸収剤の温度は、ＣＯ_２吸収ユニットに戻すために４０℃以下に低下する、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

サイクロン部材（４３）の流路が、入口部分（４３ａ）の入口と垂直セクション（４７）への入口（４５）との間で減少する半径によって規定された螺旋である、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体吸着剤からのＣＯ_２の分離、および大気中へのＣＯ_２の放出を防止するための隔離または他の処理のための実質的に純粋なＣＯ_２の回収に関する。

【背景技術】

【0002】

発電プラントおよび他の産業源から発生する燃焼煙道ガスから二酸化炭素を捕捉するために液体吸着剤を使用する多くの方法が開発されている。ＣＯ_２が吸収／吸着された後、脱着ユニットに移され、典型的には高温に加熱されて実質的に純粋なＣＯ_２を放出し、その後、さらなる処理のために回収することができる。典型的なＣＯ_２吸収剤は、約３０℃〜４０℃の初期温度で煙道ガスと接触し、その後、ＣＯ_２リッチ液体吸着剤の温度は、典型的に１００℃〜１２５℃の範囲に上昇してＣＯ_２ガスを脱着する。液体吸着剤温度は、熱交換器との接触によって脱着範囲まで増加させることができる。

【0003】

ＣＯ_２リッチ液体吸着剤からＣＯ_２を脱着させるのに必要なエネルギーは、発電設備内の他のシステムからの熱の形態で供給されなければならず、熱ＣＯ_２リーン吸着剤液体は、戻して煙道ガスと接触する前に再び温度を下げる必要がある。商業発電施設の研究によれば、煙道ガスからのＣＯ_２の回収および液体吸着剤のリサイクルのための最も効果的かつ効率的なシステムでさえ、大気中に放出されるＣＯ_２を減少させるＣＯ_２捕捉のない同一施設を操作するのと比べて、発電設備の全体的な効率の著しい減少をもたらす。

【0004】

したがって、現在の発電システムによって消費されるエネルギーの量および煙道ガスからＣＯ_２を捕捉し回収するために使用される液体吸着剤の再生方法に関する問題が存在する。

【0005】

米国特許第８，５１２，６６０号（’６６０特許）には、バイオガスから分離されたＣＯ_２もまた含有する液体吸着剤からメタンを選択的に回収するための圧力制御手段を有するサイクロンセパレーターを用いる方法が開示されている。スクラビング液または吸着剤を使用したメタンバイオガスからの二酸化炭素の吸収除去において、バイオガス中に存在するメタンの１０％をも吸収することができる。ＣＯ_２の放出が始まる温度を慎重に維持することにより、ＣＯ_２およびメタンリッチスクラビング溶液からのメタンのみの効果的な分離を、例えば放出ＣＯ_２の最初の１〜２％で達成され、吸収メタンの実質的に全てが液体吸着剤から放出される。この温度制御加熱の後、ＣＯ_２リッチおよびメタン含有液体吸着剤を遠心分離器に供給してメタンガスを液相から分離し、ここでメタンおよび少量の溶解ＣＯ_２が気相を経て逃げる。気相は回収され、吸収器ユニットに送られ、ここで新鮮な粗製バイオガスと混合される。その後、実質的にメタン不含ＣＯ_２リッチ液体吸着剤である遠心分離機から取り出された液相は、第２熱交換器に通され、そこで必要なＣＯ_２脱離温度まで加熱され、吸着剤は脱着ユニットで再生され、吸収ユニットに再循環される。

【0006】

’６６０特許の一実施形態では、サイクロンセパレーター内の気相の圧力が制御され、遠心分離機の温度変動および供給される液体吸着剤のガス負荷の変化を圧力コントローラーにより補うことができる。

【0007】

したがって、’６６０特許は、はるかに迅速なメタンの脱着をもたらす動力学パラメータおよび溶解度パラメータの違いに依存してバイオガスを処理するために使用されてきた液体吸収剤中のＣＯ_２から１０％程度のメタンを分離する問題に向けられている。’６６０号特許は、ＣＯ_２リッチ液体吸着剤を脱着ユニット内の十分高い温度に加熱してＣＯ_２を放出させる従来の従来技術の方法を採用している。この場合も、システムの全体的な効率を計算する際に、液体吸着剤の加熱および冷却に消費されるエネルギーをプロセスに対して充電しなければならない。

【0008】

したがって、ＣＯ_２リッチ液体吸着剤の流れを受け取り、それを現在のシステムよりも効率的に処理して、液体吸着剤からのＣＯ_２をリサイクルのための所定の濃度にストリップし、現在知られている方法を使用してできるだけ少ないエネルギー消費量で実質的に純粋なＣＯ_２流を生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許第８，５１２，６６０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

具体的には、本発明が取り組むべき課題は、所定割合の吸収ＣＯ_２を脱着するためにＣＯ_２リッチ液体吸着剤を加熱しなければならない温度を低下させ、ＣＯ_２リーン液体吸着剤をリサイクルして排ガスと接触させることができることにより、エネルギー消費を低減し、従来の燃焼排ガス中のＣＯ_２回収および回収プロセスの効率をどのように改善するかである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

煙道ガスとの接触後のＣＯ_２リッチ液体吸着剤は、液体吸着剤の温度が所定の温度、例えば好ましい一実施形態では約８５℃に上昇する加熱ゾーンを通って加圧流として流れ、次に導入される米国特許第８，３３７，６０３号明細書に開示されている一般的なタイプのサイクロン分離器内に減圧下で導入する本発明の方法およびシステムによって、上記問題は解決され、他の利点が提供される。液体／気体混合物に対する遠心力、上昇した温度および減圧の組み合わせは、放出された液体吸着剤からのＣＯ_２の比較的迅速かつ効率的な分離をもたらす。液体吸着剤は、サイクロン分離器の底部に降下し、冷却されて吸収ユニットに再循環されるＣＯ_２リーン吸着剤流として回収される。ＣＯ_２含有ガス流は、サイクロンから抜き出され、凝縮器を通過して、存在する水分および他の蒸気を除去する。その後、実質的に純粋なＣＯ_２は、貯蔵または下流のさらなる処理のために回収される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、ＣＯ_２吸収ユニットからＣＯ_２リッチ液体吸着剤流を再生し、実質的に純粋なＣＯ_２流を回収するのに使用するための本発明のシステムの実施形態の簡略化された概略図である。

【図2】図２は、本発明の方法およびシステムで使用するためのサイクロン分離器の一実施形態の簡略斜視図である。

【図3】図３Ａ−Ｆはそれぞれ、本発明で使用するためのサイクロンセパレーターシステムの一部分の実施形態の異なった向きから取られた一連の４つの上面および側面斜視図、正面図および上面図である。

【図4】図４ＡおよびＢはそれぞれ、本発明で使用されるサイクロンセパレーターシステムの簡略化された概略寸法平面図および側面図である。

【図5】図５は、実施例１からの液体吸着剤中のＣＯ_２濃度および対応するＣＯ_２吸収率のグラフプロットである。

【図6】図６は、実施例２のＣＯ_２濃度を示す、図５と対応する条件のグラフプロットである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の方法は、広範には、加圧されたＣＯ_２リッチ液体吸着剤流を、典型的には乱流条件下で加熱ゾーンに通して、その温度をＣＯ_２がシステム圧力において実質的に完全に脱着される温度よりも低い値に上昇させる工程；加熱ＣＯ_２リッチ液体吸着剤流を乱流状態から遷移ゾーン内の一般線形流れに、次に液体吸着剤に遠心力を作用させながらサイクロンを形成する下方螺旋流路内の回転流状態に移行させ、上向きのガス流路内で、液体吸着剤から脱着されたＣＯ_２、水蒸気および他の微量ガスを同時に取り出す工程；および凝縮帯域から実質的に純粋なＣＯ_２流を回収する工程を包含する。

【0014】

本発明の装置およびシステムは、少なくとも１つの熱交換器および関連する温度コントローラーを有する加熱ゾーン、この加熱ゾーンは、煙道ガス接触吸収ゾーンからＣＯ_２リッチ液体吸着剤ストリームを受け取るための１以上の入口を有し、ＣＯ_２リッチ液体吸着剤を所定温度で排出するための出口と、熱交換器の出口からの収着導管を有する；および吸着剤導管出口と流体連通する入口を有するサイクロン分離器を含む。好ましい実施形態では、サイクロンセパレーターは、加熱ゾーンから受け取った加熱ＣＯ_２リッチ液体吸着剤ストリームの乱流を最小にし、液体吸着剤ストリームを移行ゾーンより通すために構成および寸法決めされ、液体吸収剤の表面上の圧力を同時に低下させる一方、液体吸収剤を遠心力にさらす下方に螺旋状の流動ゾーンに入るときに一般線形流路から回転流動状態へと移行する。

【0015】

ＣＯ_２含有ガスおよび蒸気流と流体連通しているポンプなどの減圧手段を使用して、ストリームをサイクロン分離器の下流の凝縮領域の凝縮器に送ることができる。凝縮器は、実質的にすべての脱着水および／または液体吸着剤から持ち越された他の蒸発化合物を凝縮させるのに有効な温度に維持される。凝縮ゾーンはそれぞれ、さらなる処理のために回収される実質的に純粋なＣＯ_２流と凝縮液とを排出するための出口を含む。

【0016】

米国特許第８，３３７，６０３号（’６０３特許）に開示のサイクロンセパレーターの構成は、以下に詳細に説明するように変更すると、ＣＯ_２液体吸着剤の温度が、大気圧でＣＯ_２が脱着される温度よりも実質的に低い場合であっても、非常に効率的に加熱液体吸着剤流からＣＯ_２を効果的に脱着させて分離することができる。

【0017】

この有用性と’６０３特許のサイクロン分離器の改良された効率は驚くべきことである。これはまた、液滴の合体ならびに気体／油分離プラント、またはＧＯＳＰの一部として気体成分の分離を促進するための油および水混合物のコンディショニングに関する６０３特許に記載されている作動モードおよび使用の出発点でもある。貯留層岩石からの原油の生産では、原油には石油ガスが伴い、一部の水も含まれる。油、ガスおよび水からなる多相流体は、ＧＯＳＰの坑口の下流で処理され、塩が石油および精製設備に非常に腐食性があるため、できるだけ多くの水をその溶解塩で除去する。

【0018】

本発明の方法の実施においては、ＣＯ_２リッチ液体吸着剤流は、ＣＯ_２が吸着剤分子に結合されているので、実質的に気体成分なしで輸送される。この方法の第１段階では、ＣＯ_２リッチ液体吸着剤の温度が、本発明のサイクロン分離器内の減圧状態および遠心力下でＣＯ_２分子が下流に放出される所定の値まで増加する。加圧収着剤流に供給される熱量は、ＣＯ_２とプロセスで使用される特定の収着剤との間の引力結合を破壊するのに十分なエネルギーを提供するように予め決定される。サイクロン効果の適用は、流動する液体吸収剤の表面におけるＣＯ_２の蒸気圧を低下させる働きをする装置内に集中した低圧ゾーンを作り出し、一方、ＣＯ_２分子を表面から離して移動させることにより、遊離ＣＯ_２分子の液体吸着剤からの物質移動および下降するＣＯ_２希薄液体吸着剤から離れてサイクロン分離器の上部領域を出る上向き移動を促進する二重効果を提供する。

【0019】

熱交換器を通過する液体吸着剤は、その温度を所望のレベルに効率的に上昇させるために乱流状態を経験する。熱交換器から排出された加熱液体吸着剤は、好ましくは、乱流の状態から一般により直線的な流れ状態に移行する収着導管に入る。乱流の発生を最小限に抑えるために、収着導管は好ましくは、その出口に先立ってエルボーまたは鋭い曲がりを伴わない直線通路として、および加熱された吸着剤のサイクロン分離器の本体への排出として構成される。

【0020】

サイクロンセパレーターは、好ましくは、収着導管からの滑らかな移行を提供する予備回転要素を含み、それにより、加熱ＣＯ_２リッチ吸着剤の線形流れを維持し、さらに促進する。乱流条件を最小限に抑えることはＣＯ_２の分離効率を増加させ、従ってセパレーターのサイクロン部分における乱流条件の存在はＣＯ_２脱着効率を低下させることが分かった。

【0021】

当業者には理解されるように、上述の収着導管は、コスト、プラントのレイアウト、およびシステムコンポーネントの配置の考慮に基づいて、別個の長さのパイプではなく、サイクロンセパレーターの一部として製造することができる。

【0022】

加熱液体吸着剤が収着導管内の加圧状態から分離器の前回転部分内に入ると、断面積が増大し、液体表面の圧力が直ちに低下し、それにより、ＣＯ_２の脱着が促進される。液体はセパレーターの回転部分に入り、中間出口を通って垂直部分に入る。 サイクロン効果は、液体吸着剤からのＣＯ_２および水蒸気の脱着をさらに促進するように維持される。ＣＯ_２および水蒸気は、放出された他の蒸気とともに、セパレーターの垂直サイクロン部分の上部からガス蒸気排出導管を通って凝縮器に流入し、そこで水および他の蒸気が液化され、別個のものとして回収される実質的に純粋なＣＯ_２流は、隔離、貯蔵および／または他の下流の用途のために回収される。

【0023】

ＣＯ_２リーン吸収剤は、１つ以上の熱交換器を通過した後、約４０℃以下の温度で吸収ユニットに再循環される。

【0024】

より低い温度でＣＯ_２分離を行う能力は、比例したエネルギーの節約をもたらし、また、液体吸着剤の寿命およびシステム内の吸着剤の使用を延ばす。これにより、所定容積の液体吸着剤を処理するための本発明のシステムのサイズおよび関連する資本コストは、従来技術のシステムと比較して低減することができる。

【0025】

本発明は、添付の図面を参照して以下により詳細に説明される。

【0026】

図１は、ＣＯ_２吸着ユニットからＣＯ_２リッチ液体吸着剤流を再生し、実質的に純粋なＣＯ_２流を回収するのに使用するための本発明のシステムの実施形態の簡略化された概略図である。

【0027】

図２は、本発明の方法およびシステムで使用するためのサイクロン分離器の一実施形態の簡略斜視図である。

【0028】

図３Ａ−３Ｆはそれぞれ、本発明で使用するためのサイクロンセパレーターシステムの一部分の実施形態の異なった向きから取られた一連の４つの上面および側面斜視図、正面図および上面図である。

【0029】

図４Ａおよび４Ｂはそれぞれ、本発明で使用されるサイクロンセパレーターシステムの簡略化された概略寸法平面図および側面図である。

【0030】

図５は、実施例１からの液体吸着剤中のＣＯ_２濃度および対応するＣＯ_２吸収率のグラフプロットである。

【0031】

図６は、実施例２のＣＯ_２濃度を示す、図５と対応する条件のグラフプロットである。

【0032】

図１の概略図を参照すると、本発明によるシステム１００が、適切な充填材料１２を含み、未処理の煙道ガス入口ライン１４と、低減されたＣＯ_２含有ガスを排出するための処理済み煙道ガス出口１６とを含む従来のＣＯ_２吸収ユニット１０の下流に示されている。 吸着ユニット１０は、入口１８でＣＯ_２リーン液体吸着剤を受け取り、吸着剤ポンプ２０と流体連通する吸着剤出口１９を通ってＣＯ_２リッチ液体吸着剤を排出する。吸収ゾーンにおける吸着剤の温度は、３０℃〜４０℃の範囲である。ＣＯ_２リーン吸着剤流量は、ＣＯ_２吸着量を最大にするために、ＣＯ_２捕捉部１０における燃焼ガスの流量に比例する。

【0033】

加圧ＣＯ_２リッチ液体吸着剤流は、本発明のシステム１００および加熱ゾーン３０に送られ、第１熱交換器３２に流入し、そこで、以下でより詳細に説明される通り、ＣＯ_２吸着ユニット１０へリサイクルされる、戻ってくるＣＯ_２リーン液体吸着剤流１８との熱交換によって温度が上昇する。高温吸着熱交換器３２および任意の補助交換器３６は、処理される液体吸着剤の容積および所望の昇温範囲に基づいて寸法決めされ、構成されている。これらの構成要素の設計パラメータおよび選択は、十分に当業者の能力の範囲内である。

【0034】

熱ＣＯ_２リッチ液体吸着剤は、熱交換器３２から、必要に応じて吸着剤を所望の脱着温度まで上昇させて、加熱流体入口３５および流体出口３７を有する補助熱交換器３６に送る。使用可能な任意の熱プロセス流体、例えばＣＯ_２除去前の熱煙道ガスは、吸着熱を増加させるために補助熱交換器３６を通過することができる。

【0035】

次いで、加熱吸着剤は、特別に構成されたサイクロン分離器４０に送られ、そこでは入口４２を介して開放された内部空間に導入され、下方に螺旋状の流路で遠心力を受ける。今閉じ込められていない高温液体吸着剤は、中央ライザー出口４４を介してサイクロン分離器４０の本体から出る遊離ＣＯ_２を放出する。ＣＯ_２流は、典型的には水蒸気および場合によっては液体吸着剤からの少量の他の気化化合物を含み、入口７２より導入される凝縮器７０へ通過する。実質的に純粋なＣＯ_２流が凝縮器出口７４から排出される。凝縮液は、従来のバルブおよび制御装置（図示せず）が取り付けられた液体出口７６を介して除去される。

【0036】

熱ＣＯ_２リーン液体吸着剤は、重力の影響下でサイクロン４０を通って下方に流れ、再循環ポンプ２２と流体連通する出口４９を介して排出される。上述したように、熱再循環吸着剤流１７は、熱交換器３２内のより低温のＣＯ_２リッチ吸着剤と交換され、吸収ユニット吸着剤入口１８に戻される。図１に示される通り、弁８２および三方弁８４を介してリサイクルポンプ２２と流体連結しているメークアップ吸着剤溶液用の任意の貯蔵容器８０である。

【0037】

煙道ガスおよび他の燃焼流からＣＯ_２を捕捉するための当該技術分野で知られている液体吸着剤溶液のいずれも、本発明の方法において使用することができる。液体吸着剤は有機物、例えばアミンまたはアミン含有化合物、または無機材料、例えば２０％Ｋ_２ＣＯ_３水溶液であってもよい。本発明のプロセスおよびシステムの実施には、他の既知の液体吸着剤溶液を使用できることを理解されたい。本明細書および実施例の目的のために、本発明を、水性Ｋ_２ＣＯ_３を含む吸着剤溶液を参照して説明する。記載されたシステムでは、ＣＯ_２リッチ吸着剤温度は、加熱ゾーン３０において８０℃〜８５℃の範囲に上昇する。

【0038】

吸収ユニット１０は、任意の既知の従来の設計のものでよく、本発明の一部を構成しない。ＣＯ_２を含む煙道または他の燃焼ガスは、吸収装置１０に連続的に通され、ガス流からのＣＯ_２の吸収を最適化するのに十分な滞留時間で好ましくは連続流で連続的に供給される液体吸着剤に接触する。吸収ゾーンでは、煙道ガスの入口温度は３０〜４０℃の間に維持される。ＣＯ_２リッチ吸着剤は、吸収ユニット１０を出て、本発明の再生ユニット１００に通され、吸着剤の再生前に予熱される。連続運転および高効率で約８０℃〜８５℃の温度でＣＯ_２を収着剤から分離する。本発明のシステムおよび方法は、１００℃〜１２５℃の範囲のＣＯ_２脱離温度を必要とする従来の再生プロセスのより高いエネルギー要件と比べても遜色がないと理解される。

【0039】

本発明の実施に使用するのに特に適したサイクロンセパレーターシステム４０および吸着剤再生方法は、図２にさらに示されている。この装置は、直列に、加熱ゾーン３０と、吸着剤を従来技術の方法で必要とされる温度より比較的低い温度で迅速に再生する気液分離器４０とを含む。サイクロンセパレーター４０に入る前の混合物の予熱は、液状吸着剤−ＣＯ_２結合を解放し、ＣＯ_２を脱着するのに十分なエネルギーを減圧条件下で提供するが、サイクロンセパレーターは、比較的低い温度範囲内で分離効率を高め、収着剤のリサイクルおよびＣＯ_２の回収のための滞留時間を減少させる。サイクロン分離器４０は、可動部分を有さず、本質的にメンテナンスなしで連続的に機能することができる。

【0040】

ここで、サイクロン分離器４０の簡略化した斜視図を参照すると、加熱ＣＯ_２リッチ液体吸着剤は、図示のように、直径Ｄ１に比例する断面積を有する円形の吸着剤導管４２より入る。収着導管４２の出口は、サイクロン部材４３の入口部分４３ａと流体密に関係しており、それらのそれぞれの軸は、好ましくは約０°に配向され、すなわち、加熱吸着剤の流れの長手方向または軸方向に有意な変化はなく、熱伝達ゾーン３０から収着導管４２へ、そしてサイクロンセクション４３の入口部分４３ａへと通過する。流入する流れは、それが螺旋セクション４３ｂに入るときに本質的に接線方向である。吸着剤導管４２から入口部分４３ａへの液体吸着剤の通過中の乱れは、例えばテーパー状または円錐状の接続セグメント（図示せず）によって除去または最小限にすることができる。

【0041】

サイクロン分離部材４０をより詳細に示す図３および図４を参照すると、移動する液体は遠心力に曝され、吸着剤からのＣＯ_２のより迅速かつ効率的な分離をもたらす。サイクロン内に形成された渦はサイクロンの中心に開放空間の領域を提供し、この領域は減圧であり、比較的高い密度のために収着剤がサイクロン部材の周辺に向かって移動するときにＣＯ_２の離脱を促進する。吸着剤の流れの方向は、それに作用する重力のために下向きである。放出された二酸化炭素は、サイクロンの中心に向かって、吸着剤の動きの方向の上向きおよび反対方向に移動する。サイクロン部材内の液体吸着剤の経路の長さは、吸着剤から放出されたＣＯ_２量を最大にしてＣＯ_２リーン再生流を提供するように予め決定される。

【0042】

本明細書で使用される「領域」という用語は、直線状セグメントの長手方向軸に垂直に取られた断面積、または流動吸着剤を担持するパイプまたは導管の弧状セグメントの曲率半径を意味する。参照を容易にし、サイクロン分離ユニットのさらなる説明を容易にするために、ある断面は円形であり、直径「Ｄ」を有する。一般に、パイプおよびチュービングストックは円形であるが、他の管状の形状も使用でき、対応する面積が計算される。

【0043】

図４Ａおよび４Ｂの寸法図を参照すれば、使用される記号は以下の意味を有する：Ｄは円形パイプの直径を表し、Ｓは示された位置における参照要素の断面積を表し、Ｒは参照要素の曲率半径であり、α°は示された弧で囲まれた角度であり、Ｌは参照要素の長さである。図４Ａおよび４Ｂの要素番号は明確にするために省略している。

【0044】

サイクロン分離器の好ましい実施形態を、その回転部分およびそのサイクロンの垂直部分を参照してさらに詳細に説明する。回転セクションは、（ａ）断面（Ｓ１）と断面（Ｓ２）との間に位置する制御された回転部材４３と、（ｂ）横断面（Ｓ２）と横断面（Ｓ３）との間に位置するサイクロン垂直部材４７への接続要素を含む。

【0045】

図４Ａに示される通り、図２および３Ａ〜３Ｆを参照して、Ｄ１は吸着剤導管４２の直径であり、Ｓ１は入口部分４３ａの入口の面積であり、およびＳ２は垂直部分４７への入口４５に近接する螺旋部分４３ｂの面積である。入口開口部４５の面積はＳ３として識別される。開口角α°は、サイクロン部材４３に沿ったＳ１とＳ２に対応する断面間に規定される弧を規定する。

【0046】

図４Ｂにおいて、Ｄ２は、断面Ｓ４を有する垂直断面４７の直径であり、およびＤ３は、図示の垂直および水平要素が互いに垂直である水平断面４８の直径である。ＣＯ_２排出口４４の直径はＤ４と定義される。サイクロン入口４５から垂直部４７までの垂直管の長さはＬ１であり、Ｌ２はサイクロン入口の下方から水平部材の頂点までの長さであり、Ｌ３は、垂直部材の交差部から排出導管４９の中心線への水平部材４８に沿った長さである。

【0047】

以下の表は、水性Ｋ_２ＣＯ_３液体吸着剤の処理のための本発明のシステムの特定の好ましい実施形態を表す設計パラメータおよび関係を含む。

【0048】

【表1】

【0049】

曲率半径Ｒ１は、例えばサイクロン部材４３の形状が螺旋であるか、または螺旋の一部である場合、吸着剤の経路に沿って段階的に連続的に減少または減少することができるか、またはＲ１は、収着剤を加速する滑らかな直線流路を形成するように接合された異なる曲率半径を有する２つ以上の弓状部分の形態であってよく、開口部４５に入り、垂直セクション４７の壁に沿って下降する。

【0050】

図３Ａ〜３Ｆおよび図４を参照すると、直径（Ｄ１）を有する吸着剤導管４２を介して収着ユニット１０から来るＣＯ_２リッチ混合物は、断面（Ｓ１）において接線方向にセパレーター４０に入る。入ってくる吸着剤のための入口セクション（Ｓ１）の断面積は、導管４７の面積よりも少なくとも１０％大きいことが好ましい。

【0051】

サイクロンセパレーターを通過する際に液体によって達成される回転速度は、予備回転要素の中心線の曲率半径（Ｒ１）に関係する。曲率半径（Ｒ１）は、２＜Ｒ１／Ｄ１＜６の範囲内にあることが好ましく、１５０°＜α°＜２５０°の範囲の開口角度であることが好ましい。

【0052】

前回転部４３ａからの断面（Ｓ２）からの流れは、脱着およびＣＯ_２の回収を容易にする低圧中央領域を有するサイクロンを生成する高い回転速度で連結部４３ｂを介して垂直部材４７を通ってセクション（Ｓ３）を通過する。接続要素出口セクション（Ｓ３）と入口断面（Ｓ２）との間の比は、２＜Ｓ３／Ｓ１＜５の範囲に維持されることが好ましい。

【0053】

上記の通り、本発明のシステムおよび方法は、従来技術のシステムよりも脱着中の比較的低い温度で効率的に実施する。加熱ゾーンでは、Ｋ_２ＣＯ_３吸着剤−ＣＯ_２の温度を約８０℃に上昇させ、加熱後、加熱吸着剤混合物は、中央領域のより低い圧力でサイクロン部材を通過し、ＣＯ_２の脱離を遠心力の付加的効果の下での物理的分離による加速速度にて強化する。この効果は、従来技術の方法と比較して比較的低い温度で分離効率を高めるという大きな利点を有する。これにより、脱着温度での滞留時間が短縮され、吸着剤の有効寿命が延長される。上述のサイクロン分離器４０の新規な設計パラメーターは、吸着剤からのＣＯ_２の物理的分離を強化する。より具体的には、高速回転速度の吸着剤とＣＯ_２混合物は、セクション（Ｓ３）から制御されたサイクロン垂直パイプに入り、サイクロン効果の下でＣＯ_２ガス分子が液体吸着剤から急速に分離する。

【0054】

サイクロンは、垂直部材４７の上部および下部に形成される。上部において、混合物は高いＣＯ_２濃度によって特徴付けられ、下部では、混合物はＣＯ_２リーン液体吸着剤中のより低いＣＯ_２濃度によって特徴付けられる。

【0055】

任意の水平面で測定した管状部材４７の内径（Ｄ２）は、好ましくは１．２＜Ｄ２／Ｄ１＜５の範囲にある。内径Ｄ２は、上部から下部まで一定であることが好ましい。

【0056】

垂直部材４７の上端には、０．０５＜Ｄ４／Ｄ２＜０．４の範囲の直径を有するＣＯ_２および蒸気排出導管４４が取り付けられている

【0057】

装置は、入ってくる混合物の特性に従って寸法決めされ、構成され、収着剤中のＣＯ_２の大部分が放出され、上部ＣＯ_２排出導管４４から分離器を出る。ＣＯ_２リーン吸着剤は、吸収器１０に再生するために、断面（Ｓ４）で垂直部材から、水平部材４８を通って再生導管４９へ通じる。

【0058】

垂直面内で測定した水平部材４８の直径（Ｄ３）は、好ましくは２＜Ｄ３／Ｄ１＜４５の範囲内にあり、好ましくは部材の長さにわたって一定である。 長さ（Ｌ３）は、１．２＜Ｌ３／Ｄ３＜５の範囲にあることが好ましい。

【0059】

ＣＯ濃度が低減された吸着剤、すなわちＣＯ_２リーン液体吸着剤は、エンドキャップ４８ａによってシールされた水平部材４８の下部の出口に取り付けられた再生導管４９を介してセパレーターから除去される。再生導管の内径（Ｄ５）は、好ましくは０．０５＜Ｄ５／Ｄ３＜０．４の範囲である。

【0060】

以上の説明から理解されるように、サイクロン回転部４３ｂの有効半径Ｒ１が減少して螺旋状の経路が形成され、続いて液体がシステム内を移動するにつれて、液体吸着剤に対する遠心力が増加する。吸着剤が収着導管４２の加圧状態を離れて予備回転部４３ａのより大きい断面積に入ると、ＣＯ_２の蒸気圧が増加する。ＣＯ_２がサイクロンの中央領域から抜き取られるとき、動力学は、システム内の温度および圧力の一般的な条件について平衡に達するまで、液体吸着剤からの継続的な離脱に有利に働く。

【0061】

上記の説明から、本発明は、戻し部材が液体を排出するために開いている米国特許第８，３３７，６０３号（’６０３特許）の方法および装置とは異なることが理解される。装置３０が水平重力分離容器１４の入口に配置される場合、’６０３特許の図１に示される通り、戻し部材３８が構成され、出口４０が容器１４の上流端板２０の方に向くように配置されるとき、好ましいガイドベーン効果が達成される。装置３０が鉛直重力分離器の入り口に配置される実施態様では、容器の入口および出口の位置に応じてサイクロン部材３６を任意の垂直面内に配向させることができる。本発明では、戻し部材４８は閉じられ、吸着剤は、再生導管４９を通って底部の開口部を通って排出される。

【0062】

好ましい実施態様では、サイクロンセパレーターを含む要素は、ＣＯ_２を脱着するために加えられるエネルギーを保存するために周囲雰囲気への熱損失に対して絶縁されている。加熱吸着剤を担持する要素は、吸着剤導管４２、サイクロン回転部材４３、垂直セクション４７および水平セクション４８、および熱交換器３２を通過する戻し再生導管１８を含む。システム１００は、周囲空気温度の低下と共に増加する。

【実施例】

【0063】

以下の実施例では、Ｋ_２ＣＯ_３の２０％水性吸着剤溶液を、それぞれ５．１％および１３．９％のＣＯ_２濃度を有する２つの窒素ガス混合物と接触させた。２つのＣＯ_２濃度について、一定流量の液体およびガス混合物を、それぞれ０．８５Ｌ／分および６．５Ｌ ／分に維持した。操作条件は次の通りである。
吸収体温度：３３℃；
再生器温度：約８３℃；および
ランタイム − 約１５分。

【0064】

試験結果は、供給ガス中の５％のＣＯ_２濃度に対する２５％のＣＯ_２吸収と、供給ガス中の１３．９％のＣＯ_２に対する５５％のＣＯ_２吸収を示した。試験は多数の吸収サイクルの間続けられた。試験結果の詳細な説明を図５と図６に示す。この試験は、ＣＯ_２を吸収するためにＣＯ_２吸着装置に連続的に流れるＣＯ_２リーン吸着剤を使用して、ユニットから排出される吸着剤は吸着ＣＯ_２ガスにリッチであることを示した。ＣＯ_２リッチ吸着剤は、本発明のサイクロン分離器再生ユニットに入り、ＣＯ_２を連続的に放出した。再生ユニットを出るＣＯ_２リーン吸着剤は、さらなるＣＯ吸着のために吸着ユニットに連続的に再生した。

【0065】

実施例１
点線の吸着ユニットを用いたＣＯ_２吸着試験前（領域Ｉ／ベースライン）、その間（領域ＩＩ／吸収）、およびその後（領域ＩＩＩ／ベースラインまでの）のＣＯ_２の濃度プロファイルを図５に示す。さらに、吸着率が計算され、図６の破線で表される。

【0066】

プロセス全体を多数のサイクルにわたって連続的に運転し、３３℃でＣＯ_２の吸収が吸収ユニットで起こっている間に、サイクロンセパレーター再生ユニットにおいて８３℃でＣＯ_２の脱着が行われる。温度駆動再生と物質移動駆動サイクロン効果の複合効果は、吸着剤からのＣＯ_２脱着を加速する。

【0067】

領域Ｉでは、吸収および脱着工程をバイパスし、ガス分析計に直接入るガス混合物は、ガス混合物中のＣＯ_２濃度を約５ｖｏｌ％で示した。吸収ユニットおよび再生ユニットの両方が、ガス混合物がユニットに入ることなく、定常状態を確立するために既に動作していたことに留意されたい。ガス混合物の流れが吸収装置に向かうとすぐに、試験の領域ＩＩは、図５において、ガス混合物濃度が３．８％ＣＯ_２で安定する前に、ＣＯ_２濃度が急激に減少し、３．３％ＣＯ_２で急激な変曲点が現れることを示している。領域ＩＩの終わりに、ガス混合物が吸収ユニットをバイパスし、ガス混合物の濃度が領域Ｉのレベルに戻され、それにより、領域ＩＩに現れる吸収試験結果が、収着剤中の２５％に等しい、すなわち５．１−３．８÷５．１＝０．２５であった。

【0068】

実施例２
別の代表的な試験結果が図６に示され、供給ガス混合物（領域Ｉ）が１３．９％であり、領域ＩＩのＣＯ_２濃度が５５％吸収されたことを示す。このプロセスを多数のサイクルにわたって連続的に運転し、３５℃で吸収部にＣＯ_２が吸収されている間に、再生部サイクロン分離器で８３℃でＣＯ_２の脱離が起こるようにした。ガス混合物が吸収をバイパスする領域ＩＩＩに記録されたデータから、観測されたＣＯ_２濃度は領域Ｉの濃度に匹敵する１６％のより高い濃度に戻った。この不一致は、この一連のテストの間に不完全な流れ制御に起因すると判断された。

【0069】

本発明を詳細に説明したが、特定の実施形態を示す添付の図面および実施例において、さらなる変更および変形がこの説明から当業者には明らかであり、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】