的方法
【专利说明】使用促进传递膜和蒸汽吹扫从内燃废气去除CO2的方法
相关申请
[0001]本申请要求2012年10月17日提交的申请序列号61/714，933的优先权，其通过引用全文并入本文。
发明领域
[0002]本发明涉及从混合气体去除CO2的方法，诸如从通过在移动运输设备装载(onboard)的内燃机(“ICE”)产生的废气去除C02。本发明使用促进传递膜以便去除C02，以及蒸汽吹扫技术来促进去除由膜吸入的C02。
【背景技术】
[0003]CO2排放的控制是所有人都非常关注的问题，包括碳氢化合物或化石燃料的生产商以及使用这些燃料的设备的制造商和用户。特别值得关注的是由移动来源诸如汽车、卡车、巴士、摩托车、火车、飞机、轮船等等产生的CO2及其向环境的释放。由于发展中国家需要更多这样的设备，而所谓的发达国家需要得更多，那么对于CO2影响、CH4和其他“温室气体”的关注也只会增加。
[0004]目前捕获和储存0)2以便不向环境释放其的方法集中于化学吸收，使用胺溶液。然而，这种方法因其不环保、昂贵以及其“足迹”相对较大而难以接受。通过使用聚合物膜分离和存储是解决问题的一个可能的方法，其避免了与使用胺溶液相关的那些问题。然而，如现在所讨论的，伴随这种方法的问题也是不可忽视的。
[0005]高温环境对聚合物膜材料施加显著的应力。尽管使用聚合物膜的气体分离是熟知的，但由于高温下膜的降解或失活，它们的使用已经被限制于较低的温度下。在高温下，用于从气体混合物(例如，聚氧化乙烯，或“ΡΕ0”)分离CO2的膜材料分解，无论氧和/或水是否存在于进料流中。(在例如与移动设备一起使用的ICE的运行中会出现的高温下，与CO2和H2O接触往往加速膜分解)。
[0006]尽管可以承受苛刻的环境条件的膜材料是已知的，但这些对于分离0)2或其他气体来说都是不能令人满意的。
[0007]目前，CO2选择性膜是在溶液的扩散或促进传递机理的基础上选择的。前者是更传统的，但受到随着对气体的选择性增加其渗透率往往减小(反之亦然)的问题困扰。
[0008]促进传递聚合物表现出令人感兴趣的气体分离性能，并且在严苛的环境中有比一般聚合物更好的表现。如本文所定义的，如本文所描述的本发明中使用的被考虑用于0)2分离的促进传递(“FT”)聚合物是类似于玻璃、亲水、热稳定并且机械上坚固的，具有高抗压强度。它们结构上的关键在于将对0)2或其他气体表现出强亲和力的络合剂或载体掺入传统聚合物分子的主链或膜基质上。这些络合剂/载体选择性并且特异性地与例如气体混合物中存在的0)2相互作用，并由此显著增强膜对CO2的分离。可被修饰为FT聚合物的示例性聚合物类型为聚(乙烯醇)(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚(丙烯酸)PAA、壳聚糖(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(亚苯基醚)(PPO)及其共混物和共聚物。可以掺入到上述聚合物的主链上的对CO2具有强亲和力的络合剂或载体包括活动载体，诸如氯化物、碳酸盐/碳酸氢盐、氢氧化物、乙二胺、二乙醇胺、聚(酰胺胺)树枝状聚合物、双氰胺、三乙胺、N，N-二甲氨基吡啶及其组合；以及固定位点载体，诸如聚乙烯亚胺、聚烯丙基胺、各种胺修饰的共聚聚酰亚胺以及其共混物和共聚物。
[0009]基于这些FT聚合物的膜可具有致密的(无孔)或薄膜复合(FT聚合物致密、薄层，沉淀在多孔膜中)形态。它们也可以被用于，例如，螺旋缠绕或板式以及框架结构中，并且膜可以是管和/或中空纤维的成束构型的形式。所得到的膜是用于从气体混合物去除CO2的方法。
[0010]美国专利第8，177，885 ;8，025，715和7，694，020号具有共同的公开内容。这些专利陈述了从气体混合物分离co2。吹扫气，定义为使用“空气、富氧空气或氧气”而不是蒸汽。部分CO2通过穿过膜至保留侧而分离，而另一部分是在捕获步骤去除的。
[0011]在这些专利中采用的膜是利用溶液扩散机理，而不是促进传递膜。
[0012]Asen等人的美国专利第6，767，527号公开了使用热蒸汽或蒸汽和二氧化碳混合气体作为吹扫气去除穿过膜的02。从含有CO2的气体去除02，从而留下具有高CO 2浓度的产品，与本发明相反。
[0013]Morgan等人的美国专利第5，525，143号教导使用中空膜技术与吹扫气一起，以便从气体中去除水。同样，使用的是经由溶液扩散机理运行的膜。不会使用水蒸汽(蒸汽)作为吹扫气来去除水蒸汽。
[0014]Pez等人的美国专利第4，761，164号教导装载有固定化熔融材料的膜。所述材料可以进行可逆反应以从N2去除CO 2。未公开蒸汽吹扫和ICE。
[0015]公开的美国专利申请2011/0239700教导在穿过传递膜之前冷却含有CO2的混合物。蒸汽和水蒸汽未被描述为吹扫气，也没有描述ICE。
[0016]上文讨论的参考文献，全部通过引用并入本文，没有教导或表明本申请所要求权利的发明。
【发明内容】
[0017]本发明涉及从混合气体，诸如由在移动来源上使用化石燃料的内燃机产生的废气，分离0)2的方法。废气在适当的温度、压力和流速条件下通过膜的一侧(称为“进料”或“保留”侧)，以使得0)2可以选择性地透过膜而通过。有利于其(化学势差)的条件可以通过各种装置建立，包括在膜的另一侧(渗透侧)建立真空，通过在进料或保留侧对废气增加压力，或者通过用气体诸如蒸汽吹扫渗透气体。参见例如Finkenrath等人的美国专利公开第2008/0011161号，通过引用并入，显示蒸汽吹扫技术。蒸汽吹扫在本发明中是优选的，但可使用任何单一的方法或其组合。
附图简述
[0018]图1显示如本文描述的使用蒸汽吹扫和聚合物的本发明的实施方案。
[0019]图2显示了在固定的进料压力(1.5atm)和由Pf/Pp比描绘的不同渗透压下(本文描述的)，使用本发明进行的-湿基-模拟的结果。
[0020]图3显示在不同压力比和固定的进料压力(1.5atm)下，在将水从渗透流清除之后的模拟结果。
[0021]图4描绘了模拟结果以确定确保所需量的分离而需要的适当的膜面积。
[0022]图5展示在相对于干燥的产品而言不同的蒸汽吹扫流量比以及固定的进料压力(1.5atm)和渗透压力(Iatm)之下进行的干基模拟的结果-即在将水从渗透流清除之后。
[0023]图6显示在蒸汽吹扫条件下模拟的结果，以确定确保所需的分离而需要的适当的膜面积。
优选实施方案的详述
[0024]现在参照图1，说明本发明的实施方案。
[0025]发动机，例如内燃机“ 10 ”，被配置为具有含有氧气的空气流“11”和碳氢化合物燃料的进料流“12”两者。在运行中，发动机产生废气“13”(其被冷却至适合的温度以便正确运行膜组件)。这样的实行在本领域中是标准的并且也用于产生蒸汽“14”。蒸汽生产可以通过利用在热废气热交换器中可获得的热量和/或通过利用在发动机的高温冷却液中可获得的热量来实现，在每种情况下都通过热交换器的使用。废气被引导至FT膜“ 15”的一侦U，从其选择性地去除C02，同时所产生的蒸汽被引导至膜的另一侧，以去除所渗透的气体。离开膜的蒸汽和渗透的气体流被引导至清除段(stage) (16)，此处蒸汽-水气体凭借热交