用于捕获感兴趣的分子的方法和相关的捕获系统与流程

背景技术：

1、二氧化碳被认为对由温室气体或“ghg”造成的全球变暖的60％负责(根据由thecommissariat général du développement durable[commissioner-general forsustainable development]在‘chiffres clés du climat france，europe et monde[keyfigures for the climate in france，europe and the world]’2019版中公布的数据)。二氧化碳(co2)是主要的温室气体，并且通过气态流出物例如工业气态流出物释放，尤其是当燃烧化石燃料以提供电力和热时。这些工业过程包括，例如，基于化石燃料的发电厂、炼钢厂、基于生物质的发电厂、天然气加工厂、合成燃料厂、精炼厂、石化厂、水泥厂和基于化石燃料的制氢厂。

2、已经探索了若干种方式来减少这些co2排放，例如更有效地使用能量、优先使用替代燃料和能源、以及碳捕获和封存(碳捕获和隔离，ccs)。提高能量效率和向可再生能量的转变将减少co2排放，但这样的措施的影响可能仅在长期才是显著的。碳捕获和储存(ccs)是在较短时间尺度内减少co2排放的有前景的技术选项。因此，根据国际能源署的路线图，到2050年，必须通过ccs消除总co2排放的20％。

3、ccs工艺涉及co2的分离(例如，与工业流出物中的其它化合物)，随后加压、运输以及封存或转化。已经开发了许多co2捕获技术，特别地用于热力发电厂或其它工业过程。事实上，估计，世界上人为二氧化碳排放的50％来自发电厂或其它工业过程中化石燃料的燃烧。此外，在一些地区，例如在欧洲，排放大量co2气体的行业基于其使用产生co2气体的原材料而被征税和/或被要求购买co2的交易权，这经常使得这些能量生产方法是不经济的。因此，当前大部分开发工作致力于从工业过程的气态流出物除去二氧化碳。

4、开发的co2捕获技术包括燃烧后捕获、燃烧前捕获、氧燃料燃烧捕获和化学循环(化学回路)燃烧捕获。多种二氧化碳分离技术可与这些选项一起使用，例如化学吸收、物理吸收、吸附和膜分离。在这些中，化学吸收技术一直是开发和实施最多的主题，使得其成为对于co2捕获的首选解决方案。

5、对石油炼制过程的一般研究中描述的传统方法(le raffinage du pétrole tome3procédés de transformation[petroleum refining volume 3transformationmethods]).p.leprince，editions technip 1998)被称为胺处理。该方法由以下构成：实现在两个步骤(或单元操作)之间的耦联(耦合)(热和材料)。第一步使用通过在相对高的压力条件下逆流接触气流的液体胺溶液(或等效碱性溶液)之间的酸/碱化学反应来选择性地捕获气态co2的化学吸收塔。第二阶段使用所谓的再生塔，其中通过供应热能并且通过调节压力至可能的最低值而使在第一阶段期间形成的胺官能和co2之间的化学络合物分解。该方法可在许多其它气体处理中使用以及用于许多其它感兴趣的分子。因此，它并不仅仅关注co2。

6、不幸地，通过化学吸收法的捕获是特别耗能的。例如，已知通过基于胺的溶液吸收co2在吸收co2气体上是非常有效的和选择性的。然而，从这样的溶液中收取co2(也称为再生步骤)是高度吸热的。因此，该再生过程需要另外的能量消耗，当该能量来自化石燃料燃烧时，这导致另外的co2气体排放或ccs能量效率的降低。

7、已经提出了许多解决方案来改善co2捕获的能量效率。不幸地，这些优化工作已经表明，难以找到将再沸器能量需求降低超过10％的经济方式(s.freguia等，aiche j.，49(7)，1676(2003))。

8、特别地，许多研究专注于优化捕获过程本身，尤其是通过使得可找到相对于计算的操作和投资成本的最佳操作条件的优化。例如，已经提出用于如下的策略：吸收塔的中间冷却，在再生塔处的多压力配置的实施，在再生塔中形成的液体的解压(减压)以形成水蒸汽和co2或将产生的蒸汽集成到压缩机系统中(m.karimi等，chem.eng.res.des.，89(8)，1229(2011))。

9、这些技术具有局限性。例如，在吸收剂的再生期间，co2压缩机的集成导致投资和能量需求增加，且因此不被认为是用于捕获co2的良好配置(m.karimi等，chem.eng.res.des.，89(8)，1229(2011))。

10、此外，用胺处理富含co2的气体必须遵守与温度不超过冒着损害化学吸收剂的风险有关的约束。例如，当在系统中使用的温度超过120℃时，可存在胺降解的加速。

11、因此，存在许多用于捕获感兴趣的分子的方法，包括使用化学吸收剂和使加载有感兴趣的分子的化学吸收剂再生。然而，与再生过程相关的成本太高。因此，需要在不对已经存在的工业过程进行重大修改的情况下具有与再生过程相关的降低的成本的用于从气态流出物捕获感兴趣的分子例如co2的新方法和系统。

12、技术问题

13、本发明的目的是弥补现有技术的缺点。特别地，本发明的一个目的是提出用于捕获感兴趣的分子的方法，其比现有技术中描述的方法消耗更少的热能，并且其特别地在再生塔的再沸器处具有降低的能量需求。本发明的另一目的是提出用于捕获感兴趣的分子的系统，其能够实施具有改善的能量效率且具有降低的设计成本的方法，尤其是借助于再沸器尺寸减小。

技术实现思路

1、为此，本发明涉及用于捕获包含在气态流出物中、优选在工业气态流出物中的感兴趣的分子的方法，所述方法实施：

2、-在至少一个吸收塔中通过液态的化学吸收剂捕获气态的感兴趣的分子以产生加载有所述感兴趣的分子的化学吸收剂的步骤；

3、-通过如下再生加载有所述感兴趣的分子的所述化学吸收剂的步骤：供应热和溶剂以使所述化学吸收剂与所述感兴趣的分子离解，并产生再生的化学吸收剂以及包含所述溶剂和所述感兴趣的分子的气体混合物；和

4、-冷凝步骤，用于由包含所述溶剂和所述感兴趣的分子的所述气体混合物形成包含所述溶剂的液相和富含所述感兴趣的分子的气相；

5、所述方法的特征在于：

6、-所述再生步骤在至少一个再生段进行；

7、-所述冷凝步骤在至少一个冷凝段进行；

8、并且特征在于，其包括在所述至少一个冷凝段的上游压缩包含所述溶剂和所述感兴趣的分子的所述气体混合物的步骤，使得所述至少一个冷凝段中的压力比所述至少一个再生段中的压力高至少2巴、优选至少2.5巴且更优选至少3巴；并且

9、特征在于，所述方法包括在所述至少一个冷凝段和所述至少一个再生段之间的热传递步骤。

10、如下文中将描述的，本发明尤其基于对于化学吸收剂的再生实施的条件和技术上的显著变化。这样的方法使得可强化化学吸收剂的再生步骤。此外，当它应用于co2捕获时，其允许同时启动co2压缩和调节步骤，且在一些实施方式中，允许完全执行所述co2压缩和调节步骤，因为其已经不含水。

11、这种新方法具有以下优点：通过经由热传递步骤使用压缩步骤的热而大大减少待供应给化学吸收剂的再生步骤的热需求。这种新方法允许对于布置再生段和冷凝段的许多可能性，条件是实施段间热传递(例如经由布置为实施所述热传递的段间热交换器(换热器))，并且在所述再生段和所述冷凝段之间实施至少2巴、优选至少3巴的压力跃变(例如经由位于所述冷凝段之前的压缩机)。

12、本发明的方法的独创特征是在冷凝段的顶部产生具有比在通常的再生塔中所用的方法的水含量低的水含量的气体。因此，除了节能之外，该方法还可使得可减少或消除对如下设备的需要：例如用于处理冷凝线路的冷却水的泵和系统，塔顶部的冷凝器，以及在一些配置中，冷凝器下游的脱水器和干燥器。

13、取决于所述方法的其它任选的特征，所述方法可任选地包括如下的一个或多个，单独地或组合地：

14、-感兴趣的分子为co2，并且溶剂为水。事实上，本发明特别适合用于co2的捕获，并且随后的调节得益于所采用的压力跃变；

15、-热供应包括在所述至少一个冷凝段和所述至少一个再生段之间传递热并将水蒸汽流注入所述至少一个再生段中的步骤。在再生期间，可使用若干热源，特别地来自热传递阶段的热。冷凝段向再生段提供热；

16、-所述至少一个冷凝段中的压力为至少等于5巴、优选至少等于10巴、更优选至少等于15巴。如将在实施例中显示的，压力跃变对本发明的性能具有明显影响；

17、-所述化学吸收剂包括选自如下的至少一种化合物：胺、氨和钾碳酸盐(碳酸钾)；

18、-所述化学吸收剂包含哌嗪，优选尤其是与至少一种胺和/或至少一种钾碳酸盐组合；

19、-所述化学吸收剂由分层溶剂组成。优选地，所述分层溶剂为两相分层溶剂。这进一步改善该方法的能量效率；

20、-所述至少一个冷凝段中的压力比所述至少一个再生段中的压力高至少5巴。如将在实施例中显示的，压力跃变对本发明的性能具有明显影响；

21、-其使用串联组织的若干(数个，多个)冷凝段，各自在比前一冷凝段的压力高的压力下操作。如将在实施例中显示的，压力跃变对本发明的性能具有明显影响；

22、-其进一步包括加热在所述至少一个冷凝段中形成的液体的步骤，所述加热经由微波辐射、太阳能或电阻来进行。

23、本发明还涉及用于捕获包含在气态流出物中、优选在工业气态流出物中的感兴趣的分子的系统，用于捕获感兴趣的分子的所述系统包括用于通过化学吸收剂捕获所述感兴趣的分子的至少一个吸收塔，其特征在于，所述系统进一步包括：

24、-至少一个再生段；

25、-至少一个冷凝段；

26、-配置为维持所述至少一个冷凝段中的压力比所述至少一个再生段中的压力高至少2巴、优选至少2.5巴且更优选至少3巴的压缩机；和

27、-至少一个段间热交换器，其布置成允许在所述至少一个冷凝段和再生段之间的热传递。

28、取决于所述系统的其它任选的特征，该系统可任选地包括如下的一个或多个，单独地或组合地：

29、-其进一步包括位于所述至少一个再生段的上游的倾析器。该系统有利地包括倾析器，其可位于例如再生段上游。倾析器在系统内的使用增加其能量性能；

30、-所述压缩机为冲击波压缩机。在本发明的范围内，能够实现高于4巴、优选高于5巴且优选高于6巴的压力跃变的压缩机将是特别有利的；

31、-所述至少一个再生段和冷凝段为独立的塔的形式；

32、-所述至少一个再生段和冷凝段集成在相同的塔(同一塔)中；

33、-所述再生段和冷凝段同心地布置；

34、-其包括至少三个冷凝段；

35、-所述段间热交换器具有三重周期性最小表面(三周期极小曲面)；

36、-所述冷凝段和/或再生段的壁的至少一部分具有三重周期性最小表面；

37、-所述至少一个吸收塔被布置成允许通过液态的化学吸收剂捕获气态的感兴趣的分子以产生加载有所述感兴趣的分子的化学吸收剂；

38、-所述至少一个再生段被布置成允许通过如下再生加载有所述感兴趣的分子的所述化学吸收剂：供应热和溶剂以使经加载的化学吸收剂与所述感兴趣的分子离解，并产生再生的化学吸收剂以及包含所述溶剂和所述感兴趣的分子的气体混合物；和

39、-所述至少一个冷凝段被布置成允许冷凝以由包含所述溶剂和所述感兴趣的分子的所述气体混合物形成包含所述溶剂的液相和富含所述感兴趣的分子的气相。

40、-其被布置成使得所述感兴趣的分子为co2。

41、本发明还涉及配备有根据本发明的用于捕获感兴趣的分子的系统的工业设施(工业厂房，工厂)。

42、本发明的其它优点和特性将在参考附图阅读通过说明性和非限制性实例给出的如下描述时变得明晰：

43、图1提供根据现有技术的co2捕获系统的图示。

44、图2提供根据本发明的一个co2捕获系统的图示。

45、图3显示冷凝段40和再生段30所采用的不同配置(3a至3h)的图示。

46、图4提供同心塔的形式(4a)或使用三重周期性最小表面(4b)的根据本发明的co2捕获系统的实施方式的实例。

47、图5提供根据本发明的另一co2捕获系统的图示。

48、图6提供根据本发明的co2捕获方法的图示。

49、图7提供在实施根据本发明的方法期间交换的热量作为施加的压力跃变的函数的图示。

50、如将理解的，附图中提供的元件的比例和相对尺度旨在说明本发明的实施方式，并且不应当在限制性意义上理解。如在附图中使用的，与系统相关联的“线”指示由合适材料形成并且尺寸足以传输在线内的流体(例如，液体或气体)的管子或管道。理解，用于移动流体的一个或多个泵和/或压缩机或其它已知装置也与线和此处讨论的集成系统的部件相关联。然而，没有系统性地示出这样的装置，以允许附图更好地呈现本发明。在集成系统的附图中看见的“线”上表示的箭头指示流体的流动方向。

51、此外，参照根据本发明的实施方式的方法和设备(系统)的流程图和/或框图来描述本发明的方面。在本说明书的如下详细描述中，参考形成本说明书的一部分的附图，并且通过图示显示其中本发明的一种或多种实施方式可付诸实践的方式。对这些实施方式进行足够详细的描述以使本领域技术人员能够将本公开内容的实施方式付诸实践，并且应当理解，在不超出本公开内容的范围的情况下，可使用其它实施方式并且可实施工艺、化学和/或结构改变。

52、在附图中，流程图和功能图示出根据本发明的多种实施方式的系统和方法的可能的实施的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的各块可表示系统、装置或模块，其被布置成实施指定的一个或多个动作。在一些实施中，与块相关联的功能可以与附图中显示的顺序不同的顺序出现。例如，相继显示的两个块可实际上基本上同时实施，或者所述块有时可以相反的顺序实施，取决于所涉及的动作。