的方法
【專利說明】使用促進傳遞膜和蒸汽吹掃從內(nèi)燃廢氣去除CO2的方法
相關申請
[0001]本申請要求2012年10月17日提交的申請序列號61/714，933的優(yōu)先權，其通過引用全文并入本文。
發(fā)明領域
[0002]本發(fā)明涉及從混合氣體去除CO2的方法，諸如從通過在移動運輸設備裝載(onboard)的內(nèi)燃機(“ICE”)產(chǎn)生的廢氣去除C02。本發(fā)明使用促進傳遞膜以便去除C02，以及蒸汽吹掃技術來促進去除由膜吸入的C02。
【背景技術】
[0003]CO2排放的控制是所有人都非常關注的問題，包括碳氫化合物或化石燃料的生產(chǎn)商以及使用這些燃料的設備的制造商和用戶。特別值得關注的是由移動來源諸如汽車、卡車、巴士、摩托車、火車、飛機、輪船等等產(chǎn)生的CO2及其向環(huán)境的釋放。由于發(fā)展中國家需要更多這樣的設備，而所謂的發(fā)達國家需要得更多，那么對于CO2影響、CH4和其他“溫室氣體”的關注也只會增加。
[0004]目前捕獲和儲存0)2以便不向環(huán)境釋放其的方法集中于化學吸收，使用胺溶液。然而，這種方法因其不環(huán)保、昂貴以及其“足跡”相對較大而難以接受。通過使用聚合物膜分離和存儲是解決問題的一個可能的方法，其避免了與使用胺溶液相關的那些問題。然而，如現(xiàn)在所討論的，伴隨這種方法的問題也是不可忽視的。
[0005]高溫環(huán)境對聚合物膜材料施加顯著的應力。盡管使用聚合物膜的氣體分離是熟知的，但由于高溫下膜的降解或失活，它們的使用已經(jīng)被限制于較低的溫度下。在高溫下，用于從氣體混合物(例如，聚氧化乙烯，或“ΡΕ0”)分離CO2的膜材料分解，無論氧和/或水是否存在于進料流中。(在例如與移動設備一起使用的ICE的運行中會出現(xiàn)的高溫下，與CO2和H2O接觸往往加速膜分解)。
[0006]盡管可以承受苛刻的環(huán)境條件的膜材料是已知的，但這些對于分離0)2或其他氣體來說都是不能令人滿意的。
[0007]目前，CO2選擇性膜是在溶液的擴散或促進傳遞機理的基礎上選擇的。前者是更傳統(tǒng)的，但受到隨著對氣體的選擇性增加其滲透率往往減小(反之亦然)的問題困擾。
[0008]促進傳遞聚合物表現(xiàn)出令人感興趣的氣體分離性能，并且在嚴苛的環(huán)境中有比一般聚合物更好的表現(xiàn)。如本文所定義的，如本文所描述的本發(fā)明中使用的被考慮用于0)2分離的促進傳遞(“FT”)聚合物是類似于玻璃、親水、熱穩(wěn)定并且機械上堅固的，具有高抗壓強度。它們結構上的關鍵在于將對0)2或其他氣體表現(xiàn)出強親和力的絡合劑或載體摻入傳統(tǒng)聚合物分子的主鏈或膜基質上。這些絡合劑/載體選擇性并且特異性地與例如氣體混合物中存在的0)2相互作用，并由此顯著增強膜對CO2的分離?？杀恍揎棡镕T聚合物的示例性聚合物類型為聚(乙烯醇)(PVA)、海藻酸鈉(SA)、聚(丙烯酸)PAA、殼聚糖(CS)、聚(丙烯酰胺)(PAAm)、聚(乙烯基)胺(PVAm)、聚醋酸乙烯、聚乙烯吡咯烷酮，聚(亞苯基醚)(PPO)及其共混物和共聚物?？梢該饺氲缴鲜鼍酆衔锏闹麈溕系膶O2具有強親和力的絡合劑或載體包括活動載體，諸如氯化物、碳酸鹽/碳酸氫鹽、氫氧化物、乙二胺、二乙醇胺、聚(酰胺胺)樹枝狀聚合物、雙氰胺、三乙胺、N，N-二甲氨基吡啶及其組合；以及固定位點載體，諸如聚乙烯亞胺、聚烯丙基胺、各種胺修飾的共聚聚酰亞胺以及其共混物和共聚物。
[0009]基于這些FT聚合物的膜可具有致密的(無孔)或薄膜復合(FT聚合物致密、薄層，沉淀在多孔膜中)形態(tài)。它們也可以被用于，例如，螺旋纏繞或板式以及框架結構中，并且膜可以是管和/或中空纖維的成束構型的形式。所得到的膜是用于從氣體混合物去除CO2的方法。
[0010]美國專利第8，177，885 ;8，025，715和7，694，020號具有共同的公開內(nèi)容。這些專利陳述了從氣體混合物分離co2。吹掃氣，定義為使用“空氣、富氧空氣或氧氣”而不是蒸汽。部分CO2通過穿過膜至保留側而分離，而另一部分是在捕獲步驟去除的。
[0011]在這些專利中采用的膜是利用溶液擴散機理，而不是促進傳遞膜。
[0012]Asen等人的美國專利第6，767，527號公開了使用熱蒸汽或蒸汽和二氧化碳混合氣體作為吹掃氣去除穿過膜的02。從含有CO2的氣體去除02，從而留下具有高CO 2濃度的產(chǎn)品，與本發(fā)明相反。
[0013]Morgan等人的美國專利第5，525，143號教導使用中空膜技術與吹掃氣一起，以便從氣體中去除水。同樣，使用的是經(jīng)由溶液擴散機理運行的膜。不會使用水蒸汽(蒸汽)作為吹掃氣來去除水蒸汽。
[0014]Pez等人的美國專利第4，761，164號教導裝載有固定化熔融材料的膜。所述材料可以進行可逆反應以從N2去除CO 2。未公開蒸汽吹掃和ICE。
[0015]公開的美國專利申請2011/0239700教導在穿過傳遞膜之前冷卻含有CO2的混合物。蒸汽和水蒸汽未被描述為吹掃氣，也沒有描述ICE。
[0016]上文討論的參考文獻，全部通過引用并入本文，沒有教導或表明本申請所要求權利的發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明涉及從混合氣體，諸如由在移動來源上使用化石燃料的內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣，分離0)2的方法。廢氣在適當?shù)臏囟?、壓力和流速條件下通過膜的一側(稱為“進料”或“保留”側)，以使得0)2可以選擇性地透過膜而通過。有利于其(化學勢差)的條件可以通過各種裝置建立，包括在膜的另一側(滲透側)建立真空，通過在進料或保留側對廢氣增加壓力，或者通過用氣體諸如蒸汽吹掃滲透氣體。參見例如Finkenrath等人的美國專利公開第2008/0011161號，通過引用并入，顯示蒸汽吹掃技術。蒸汽吹掃在本發(fā)明中是優(yōu)選的，但可使用任何單一的方法或其組合。
附圖簡述
[0018]圖1顯示如本文描述的使用蒸汽吹掃和聚合物的本發(fā)明的實施方案。
[0019]圖2顯示了在固定的進料壓力(1.5atm)和由Pf/Pp比描繪的不同滲透壓下(本文描述的)，使用本發(fā)明進行的-濕基-模擬的結果。
[0020]圖3顯示在不同壓力比和固定的進料壓力(1.5atm)下，在將水從滲透流清除之后的模擬結果。
[0021]圖4描繪了模擬結果以確定確保所需量的分離而需要的適當?shù)哪っ娣e。
[0022]圖5展示在相對于干燥的產(chǎn)品而言不同的蒸汽吹掃流量比以及固定的進料壓力(1.5atm)和滲透壓力(Iatm)之下進行的干基模擬的結果-即在將水從滲透流清除之后。
[0023]圖6顯示在蒸汽吹掃條件下模擬的結果，以確定確保所需的分離而需要的適當?shù)哪っ娣e。
優(yōu)選實施方案的詳述
[0024]現(xiàn)在參照圖1，說明本發(fā)明的實施方案。
[0025]發(fā)動機，例如內(nèi)燃機“ 10 ”，被配置為具有含有氧氣的空氣流“11”和碳氫化合物燃料的進料流“12”兩者。在運行中，發(fā)動機產(chǎn)生廢氣“13”(其被冷卻至適合的溫度以便正確運行膜組件)。這樣的實行在本領域中是標準的并且也用于產(chǎn)生蒸汽“14”。蒸汽生產(chǎn)可以通過利用在熱廢氣熱交換器中可獲得的熱量和/或通過利用在發(fā)動機的高溫冷卻液中可獲得的熱量來實現(xiàn)，在每種情況下都通過熱交換器的使用。廢氣被引導至FT膜“ 15”的一偵U，從其選擇性地去除C02，同時所產(chǎn)生的蒸汽被引導至膜的另一側，以去除所滲透的氣體。離開膜的蒸汽和滲透的氣體流被引導至清除段(stage) (16)，此處蒸汽-水氣體憑借熱交