DE GASES

CAMPO DE LA INVENCIÓN

[0001] La invención se refiere a procesos de separación de gases a base de membranas, y específicamente a procesos de separación de membranas basados en barrido para eliminar el dióxido de carbono de los gases de combustión. Más particularmente, la invención usa una etapa de captura de C02 a baja temperatura y baja presión integrada en las plantas de energía a gas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0002] A continuación se presenta información de antecedentes sobre ciertos aspectos de la presente invención, ya que pueden relacionarse con las características técnicas mencionadas en la descripción detallada, pero no necesariamente descritas en detalle. La discusión a continuación no debe interpretarse como una admisión en cuanto a la relevancia de la información para la invención reivindicada o el efecto de la técnica anterior del material descrito.

[0003] Gran parte de la electricidad del mundo es generada por centrales de carbón. Estas plantas emiten -800 g de C02 a la atmósfera por cada kilovatio de electricidad producida. Estas emisiones son un importante contribuyente al calentamiento global. El gas natural se utiliza cada vez más para reemplazar el carbón, particularmente en los Estados Unidos, donde el desarrollo de la perforación direccional y la fracturación hidráulica han producido un gran suministro de gas a bajo costo. Las centrales eléctricas de gas natural emiten -400 g de C02 a la atmósfera por cada kilovatio de electricidad producida, por lo que cambiar los combustibles del carbón por gas natural reduce las emisiones de C02 a la mitad. Sin embargo, a más largo plazo, las emisiones de las centrales eléctricas de gas natural también deberán controlarse si se quieren alcanzar los objetivos de calentamientb global.

[0004] Se están desarrollando una variedad de tecnologías para separar el C02 de los gases de combustión de las centrales eléctricas, de modo que el C02 pueda ser secuestrado. La absorción de aminas es la tecnología líder pero es costosa, produce sus propias emisiones a la atmósfera, requiere una operación y mantenimiento cuidadosos y tiene una huella muy grande. La tecnología de membranas también se está desarrollando y tiene muchos beneficios, incluidos menores costos operativos y de capital, construcción modular, huella pequeña, sin emisiones y no se requieren cambios en el ciclo de vapor de la planta de energía. Sin embargo, la tecnología no está tan desarrollada como la amina, aunque se han construido unidades de demostración que procesan hasta 20 toneladas de C02/día.

[0005] En la patente de los Estados Unidos número 7.962.020, describimos un proceso de membrana para capturar C02 del gas de combustión de la planta de energía de carbón. Estos procesos usan aire de combustión como una corriente de barrido en un contactor de membrana. El barrido de aire elimina el C02 de los gases de combustión y lo recicla a la caldera. Mediante la selectividad reciclando C02, la concentración de C02 en los gases de combustión aumenta, facilitando su separación. Estos procesos se aplicaron posteriormente a plantas de energía de turbinas de gas, tal como en la patente de los Estados Unidos N° 8.220.247.

[0006] Las plantas de energía de turbina de gas natural son máquinas costosas, grandes y altamente optimizadas. La expectativa es que solo se necesitarán modificaciones menores a las turbinas para que estos sistemas de separación de C02 puedan ser adaptados a las turbinas existentes. Sin embargo, para las nuevas plantas, la mejor esperanza de grandes reducciones en el costo de captura de C02 es integrar los procesos de captura en el diseño de la turbina.

[0007] Un proceso integrado de este tipo se describió en nuestra Patente de Estados Unidos N° 9.140.186, mostrada aquí en la Figura 4. Una corriente de entrada de aire, 406, está dirigida a un primer compresor, 401 a. Una corriente de gas comprimido, 443, se somete a combustión con una corriente de gas combustible entrante, 416 en el combustor, 402. El gas caliente a alta presión de la corriente del combustor 417, se expande a continuación a través de la turbina de gas, 403. La turbina de gas está mecánicamente vinculada al primer y segundo compresor, 401 a y 401 b, respectivamente, y un generador de electricidad, 404, por el eje 405. La corriente de gas de escape a baja presión 419 de la turbina de gas todavía está caliente y se envía a un generador de vapor de recuperación de calor, 420. Esta sección incluye una caldera que produce vapor, 421 , que puede dirigirse a una turbina de vapor (no se muestra). Una primera parte del gas que sale de la corriente del generador de vapor 425 se dirige como gas de alimentación a la etapa de separación de membrana basada en barrido, 426. [0008] La etapa 426 se lleva a cabo utilizando membranas que son selectivas a favor del dióxido de carbono sobre el oxígeno y el nitrógeno. La corriente de alimentación 425 fluye a través del lado de alimentación de las membranas, y una corriente de gas de barrido, 428, que comprende aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno fluye a través del lado del permeado. La etapa de separación de membrana divide la corriente 425 en la corriente de residuo 429, empobrecida en dióxido de carbono en comparación con la corriente de alimentación 425, y la corriente de permeado/corriente de barrido 430. La corriente de residuo forma el gas de combustión tratado producido por el proceso. La corriente de permeado/barrido, 430, que contiene al menos 10% en volumen de dióxido de carbono, se retira de la unidad de membrana y se pasa al compresor 101 a para formar al menos parte de la corriente de entrada de aire, 406, a la primera etapa de compresión 101 a. [0009] Una segunda porción de la corriente de escape de la turbina 445 se dirige al segundo compresor 401 b. La segunda corriente comprimida, 444 se dirige luego a una etapa de separación gas-membrana, 412. La etapa 412 usa membranas de sal fundidas, 446, que son selectivas al dióxido de carbono sobre oxígeno y nitrógeno, para separar la segunda corriente comprimida, 444, una corriente de permeado enriquecida en dióxido de carbono, 413, y una corriente de residuo empobrecida en dióxido de carbono, 414. La etapa 412 elimina en cualquier lugar entre al menos 50% a 80%, o incluso 90% del dióxido de carbono generado del combustor. No se requieren altos niveles de eliminación de dióxido de carbono en el paso 412 porque la corriente de residuo 414 no se ventila a la atmósfera, sino que se envía de vuelta a la turbina, 403.

[0010] Una desventaja de este diseño, sin embargo, es que el aire comprimido que se alimenta a la unidad de separación de gas está extremadamente caliente, a aproximadamente 500 °C. Como una cuestión práctica, esto limita las membranas permeables al C02 446, a materiales inorgánicos muy costosos, tales como cerámicas o zeolitas, que pueden soportar altas temperaturas. Si se van a usar membranas poliméricas más económicas y de menor costo, se requieren cantidades masivas de enfriamiento del gas de alimentación para llevar el gas al rango de 30-100 °C.

[0011] Por lo tanto, sería beneficioso si se desarrollara un proceso integrado de separación de gas en turbina que fuera más económico para la separación de C02. RESUMEN DE LA INVENCIÓN [0012] La invención es un proceso que implica una etapa de separación de gas de membrana basada en barrido para reducir las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas de gas. La etapa de separación de gas de membrana basada en barrido elimina el dióxido de carbono del gas de escape de la turbina y lo devuelve con la corriente de barrido entrante a un primer paso de compresión. El proceso también incluye un segundo paso de compresión, un paso de combustión y un paso de generación de electricidad/expansión.

[0013] El proceso incluye además una etapa de captura de dióxido de carbono integrada entre la primera y la segunda etapas de compresión. La etapa de captura de carbono implica tratar una corriente de gas comprimido desde la primera etapa de compresión para producir una corriente enriquecida en dióxido de carbono, que se retira del proceso, y una corriente empobrecida en dióxido de carbono, que se enruta para compresión adicional en un segundo paso de compresión antes del paso de combustión. [0014] Al integrar la etapa de captura de dióxido de carbono en el proceso de compresión de la turbina, pueden obtenerse ahorros de energía y costes considerables. El proceso de captura de dióxido de carbono podría realizarse en la corriente de gas comprimido a 30 bar, como en los procesos convencionales, pero este gas es extremadamente caliente, típicamente de 500 a 800 °C. Enfriar este gas a una temperatura suficientemente baja para una membrana convencional o un proceso de absorción o adsorción que podría tratar este gas caliente sería costoso y perdería una fracción significativa del calor requerido para impulsar el turbo expansor. Al colocar la unidad de captura de carbono en una etapa de compresión intermedia, en el rango de aproximadamente 2 a 10 bar, la cantidad de enfriamiento requerida se reduce en gran medida. El proceso de carbonato de potasio de Benfield puede operar a una temperatura de 100 a 120 °C. Algunas membranas poliméricas también pueden operar a estas temperaturas. Esto significa que solo se requeriría un enfriamiento limitado, lo que simplifica considerablemente el proceso. [0015] Por consiguiente, una realización básica de la presente invención es un proceso para controlar el escape de dióxido de carbono de un proceso de combustión, que comprende:

(a) comprimir una corriente que contiene oxígeno en un primer aparato de compresión, produciendo así una primera corriente de gas comprimido;

(b) enrutar al menos una parte de la primera corriente de gas comprimido a un aparato de separación de gas adaptado para eliminar selectivamente dióxido de carbono, produciendo de este modo una corriente enriquecida en dióxido de carbono y una corriente empobrecida en dióxido de carbono;

(c) comprimir la corriente empobrecida en dióxido de carbono en un segundo aparato de compresión, produciendo de este modo una segunda corriente de gas comprimido; (d) someter a combustión al menos una porción de la segunda corriente de gas comprimido con un combustible gaseoso en un aparato de combustión, produciendo de ese modo una corriente de gas sometido a combustión;

(e) enrutar la corriente de gas sometido a combustión como parte de una corriente de gas de trabajo a un aparato de turbina de gas mecánicamente acoplado a un generador de electricidad, y operar el aparato de turbina de gas, generando así energía eléctrica y produciendo una corriente de escape de turbina;

(f) pasar al menos una parte de la corriente de escape de la turbina a una etapa de separación de membrana, en el que la etapa de separación de membrana comprende:

(i) proporcionar una membrana que tenga un lado de alimentación y un lado de permeado, y que sea selectivamente permeable al dióxido de carbono sobre el nitrógeno y al dióxido de carbono sobre el oxígeno,

(ii) pasar la primera porción de la corriente de escape de la turbina a través del lado de alimentación,

(iii) pasar aire, aire enriquecido en oxígeno u oxígeno como una corriente de barrido a través del lado del permeado,

(iv) retirar del lado de alimentación una corriente de residuos que se agota en dióxido de carbono en comparación con la corriente de escape de la turbina, y (v) retirar del lado del permeado una corriente de permeado que comprende oxígeno y dióxido de carbono; y

(g) pasar la corriente de permeado a la etapa (a) como al menos una porción del gas que contiene oxígeno. [0016] Los pasos de compresión se pueden realizar usando compresores discretos separados o usando un solo tren o aparato de compresión, que se ha modificado para permitir que una parte del gas comprimido se elimine del aparato de compresión en una etapa intermedia en el tren. El gas también se puede introducir en el tren de compresión en una etapa de compresión adecuada. Los compresores suelen estar acoplados a una turbina de gas o turbinas, normalmente en el mismo eje.

[0017] Después de la compresión en la etapa (a), el gas que se va a enrutar al aparato de separación de gas generalmente estará a una presión de aproximadamente 2-10 bar, más preferiblemente de aproximadamente 2-5 bar, y a una temperatura de menos de aproximadamente 200 °C. Dependiendo de las condiciones operativas preferidas para el aparato de separación de gas, puede ser deseable enfriar la primera corriente de gas comprimido, tal como mediante intercambio de calor contra otras corrientes de proceso, antes que pase como alimentación a la etapa de eliminación/captura de dióxido de carbono. [0018] La etapa de eliminación/captura de dióxido de carbono de la etapa (b) preferiblemente comprende al menos un proceso seleccionado del grupo que consiste en absorción, adsorción, licuefacción y separación de membrana, o una combinación de estos. Más preferiblemente, la etapa de eliminación de dióxido de carbono es una etapa de separación de membrana. En este caso, se usa un aparato/unidad de separación de gas que incorpora unidades de membrana que contienen membranas selectivamente permeables al dióxido de carbono sobre nitrógeno y oxígeno. Se pueden usar varios tipos de membranas, pero se prefiere que la membrana sea una membrana polimérica.

[0019] Solamente una parte del dióxido de carbono en la corriente de gas que contiene dióxido de carbono necesita ser eliminada por el proceso de eliminación de dióxido de carbono. Algunos procesos, por ejemplo, los procesos de absorción, generalmente son más eficientes cuando eliminan el 90% o más del dióxido de carbono en la corriente de gas. En este caso, solo se necesitaría enviar una parte del gas de alimentación a la unidad de separación y el resto pasaría por alto la unidad de separación. Otros procesos, como los procesos de membrana, son más eficientes cuando la membrana elimina solo el 50% o el 60% del dióxido de carbono en el gas de alimentación. En este caso, la porción del gas de alimentación enviada a la unidad de separación sería mayor y solo una pequeña parte o ninguna del gas evitarían la unidad de separación. [0020] En el caso que se use absorción, el aparato de separación de gases incorporará típicamente una columna de lavado para poner en contacto el gas con un sorbente y una columna de separación para regenerar el sorbente y liberar una corriente de dióxido de carbono de alta concentración. Los procesos de sorción preferidos incluyen el proceso de Benfield, que usa carbonato de potasio como sorbente, y procesos a base de aminas.

[0021] La etapa (b) captura dióxido de carbono, que se elimina del proceso en forma de una corriente concentrada, que contiene típicamente más de 60% en volumen, 70% en volumen, 80% en volumen o más de dióxido de carbono. Esta secuencia puede enviarse para licuefacción, secuestro o cualquier otro uso.

[0022] En la etapa (c), la corriente empobrecida en dióxido de carbono de la etapa de eliminación de dióxido de carbono se comprime en un segundo compresor a una presión de aproximadamente 30 bar y una temperatura de aproximadamente 500 °C o más. [0023] La etapa (d) se puede llevar a cabo usando cualquier gas combustible, tal como gas natural, hidrógeno o gas de síntesis, o incluso líquido de hidrocarburo vaporizado, como combustible.

[0024] La etapa (e) es la etapa de generación de potencia en la que una turbina de gas está unida mecánicamente a los compresores y a un generador de potencia eléctrica. El gas sometido a combustión del combustor se dirige como parte de una corriente de gas de trabajo a la turbina de gas para producir un gas de escape de turbina caliente de baja presión. Opcionalmente, en ciertos aspectos, una parte de la segunda corriente comprimida puede pasar por alto la etapa de combustión y enviarse como una corriente de diluyente como parte de la corriente de gas de trabajo a la turbina.

[0025] En la etapa (f), al menos una parte del gas de escape de la turbina se pasa a través del lado de alimentación de una unidad de separación de membrana que contiene membranas selectivamente permeables al dióxido de carbono sobre nitrógeno y al dióxido de carbono sobre oxígeno.

[0026] La corriente de escape fluye a través del lado de alimentación de las membranas, y fluye un gas de barrido de aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno a través del lado del permeado, para proporcionar o aumentar la fuerza impulsora para la permeación transmembrana. La corriente de barrido recoge el dióxido de carbono que penetra preferentemente. La corriente combinada de barrido/permeado se extrae de la unidad de membrana y se dirige a la cámara de combustión para formar al menos parte del aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno suministrado a la etapa de combustión.

[0027] En ausencia de la etapa de separación de membrana basada en barrido, el aire fresco entrante al compresor y al combustor contendría el contenido atmosférico normal de dióxido de carbono (300-400 ppm). La corriente de permeado/barrido de membrana se enriquece en dióxido de carbono en 2-3 órdenes de magnitud en comparación con el aire atmosférico, y contendrá preferiblemente al menos aproximadamente 10% en volumen de dióxido de carbono, más preferiblemente al menos aproximadamente 15% en volumen de dióxido de carbono o incluso más, tal como 20% en volumen o más.

[0028] Es el gran enriquecimiento de dióxido de carbono en la corriente de aire o de oxígeno entrante provocada por la etapa (f) que permite que esta corriente de aire ajustada a la composición se aproveche como fuente de la eliminación y captura de dióxido de carbono para el proceso global.

[0029] La corriente de residuo retirada por la etapa (f) (iv) forma el gas de combustión tratado producido por el proceso, y habitualmente se descarga al medio ambiente a través de la chimenea de la central eléctrica. El contenido de dióxido de carbono es preferiblemente menor que aproximadamente 5% en volumen; más preferiblemente menos de aproximadamente 2% en volumen, y lo más preferiblemente no más de aproximadamente 1% en volumen. La reducción del contenido de dióxido de carbono al 20%, 10% o menos del contenido convencional de gases de combustión de una planta de energía a gas reduce en gran medida el impacto ambiental de la planta.

[0030] El proceso de la invención se puede llevar a cabo en todos los tipos de centrales eléctricas de gas. En plantas de ciclo combinado, la corriente de gas de escape de la turbina de gas puede dirigirse a través de una operación de generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) entre los pasos (e) y (f), de modo que el gas de alimentación al paso de separación de membrana basado en barrido es el gas de escape del generador de vapor.

[0031] Si es necesario enfriar el gas de escape de la turbina antes de pasarlo a la etapa de membrana basada en barrido, esto puede hacerse por intercambio de calor o de otro modo en una etapa de enfriamiento opcional. Cualquier agua condensada puede eliminarse del proceso. [0032] O bien todo o una porción del gas de escape de la turbina se envía como alimentación a la etapa de separación de membrana basada en barrido, y la corriente de permeado/barrído resultante se devuelve al primer compresor en la etapa (a). Como con las realizaciones descritas en nuestra patente '247 anterior, una porción de la corriente de escape de la turbina se puede desviar opcionalmente y devolver al tren de compresión sin pasar a través de la etapa de separación de membrana basada en barrido. [0033] En las realizaciones discutidas anteriormente, la etapa de captura de dióxido de carbono y la etapa de combustión se realizan en serie. Es decir, la etapa de captura de dióxido de carbono ocurre antes de la etapa de combustión. Sin embargo, puede ser deseable realizar la etapa de captura de carbono y la etapa de combustión simultáneamente, en paralelo. De esta forma, se envía un gas rico en oxígeno, que típicamente contiene al menos 15% de oxígeno a la unidad de combustión, mientras que un segundo gas rico en dióxido de carbono se envía primero a la unidad de captura/eliminación de dióxido de carbono y luego se convierte en gas diluyente para el expansor de turbina. Como el gas rico en dióxido de carbono no se envía a la cámara de combustión, su contenido de oxígeno no es importante. Esto permite que las dos corrientes de gas se tomen desde lugares separados en el proceso para maximizar el contenido de oxígeno en una y maximizar por separado el contenido de dióxido de carbono en la otra. Por lo tanto, como una realización alternativa, la invención puede incluir los siguientes pasos: (a) comprimir una corriente que contiene oxígeno en una primera etapa de compresión, produciendo así una primera corriente de gas comprimido;

(b) comprimir una corriente que contiene dióxido de carbono en una segunda etapa de compresión, produciendo de ese modo una segunda corriente de gas comprimido;

(c) someter a combustión la primera corriente de gas comprimido con un combustible gaseoso en un aparato de combustión, produciendo de este modo una corriente de gas sometido a combustión;

(d) enrutar al menos una parte de la segunda corriente de gas comprimido a un aparato de separación de gas adaptado para eliminar selectivamente dióxido de carbono, produciendo de este modo una corriente enriquecida en dióxido de carbono y una corriente empobrecida en dióxido de carbono; (e) comprimir la corriente empobrecida en dióxido de carbono en una tercera etapa de compresión, produciendo de este modo una tercera corriente de gas comprimido;

(f) enrutar la corriente de gas sometido a combustión y la tercera corriente de gas comprimido como parte de una corriente de gas de trabajo a un aparato de turbina de gas mecánicamente acoplado a un generador de electricidad y operar el aparato de turbina de gas, generando energía eléctrica y produciendo una corriente de escape de turbina ;

(g) pasar una primera porción de la corriente de escape de la turbina de vuelta al segundo compresor como al menos una porción de la corriente que contiene dióxido de carbono;

(h) pasar al menos una segunda porción de la corriente de escape de la turbina a una etapa de separación de membrana, en donde la etapa de separación de membrana comprende:

(i) proporcionar una membrana que tenga un lado de alimentación y un lado de permeado, y que sea selectivamente permeable al dióxido de carbono sobre el nitrógeno y al dióxido de carbono sobre el oxígeno,

(ii) pasar la tercera porción de la corriente de escape de la turbina a través del lado de alimentación,

(iii) pasar aire, aire enriquecido en oxígeno u oxígeno como una corriente de barrido a través del lado del permeado,

(iv) retirar del lado de alimentación una corriente de residuos que se agota en dióxido de carbono en comparación con la corriente de escape de la turbina, y

(v) retirar del lado del permeado una corriente de permeado que comprende oxígeno y dióxido de carbono; y

(i) pasar la corriente de permeado a la etapa (a) como al menos una parte del gas que contiene oxígeno.

[0034] Esta realización implica tres etapas de compresión. En la primera etapa de compresión, una corriente de permeado/barrido de la etapa de separación de membrana basada en barrido se comprime como una primera corriente de entrada de aire para producir una primera corriente de gas comprimido. La primera corriente de entrada de aire se comprime a una presión de aproximadamente 30 bar y una temperatura de aproximadamente 500 °C o más. La primera corriente comprimida se envía a la cámara de combustión junto con una corriente de gas combustible. [0035] En la segunda etapa de compresión, una porción de la corriente de escape de la turbina evita la etapa de separación de membrana basada en barrido y se comprime para producir una segunda corriente de gas comprimido. La segunda corriente de gas comprimido se comprime a una presión de aproximadamente 2-10 bar, más preferiblemente alrededor de 2-5 bar. Esta corriente tendrá una temperatura de menos de aproximadamente 200 °C. La segunda corriente de gas comprimido se dirige entonces a la etapa de captura de carbono para tratamiento en un aparato de separación de gas. [0036] En la tercera etapa de compresión, el gas residual procedente de la etapa de captura de carbono se comprime para producir una tercera corriente de gas comprimido. Esta corriente se comprime a una presión de aproximadamente 30 bar y, al igual que el primer paso de compresión, tiene una temperatura de aproximadamente 500 °C o más. La tercera corriente comprimida se dirige a continuación como parte de la corriente de gas de trabajo junto con el gas sometido a combustión desde la etapa de combustión a una turbina de gas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS [0037] La Figura 1 es un dibujo esquemático de un esquema de flujo que muestra una realización básica de la invención que tiene dos etapas de compresión con una unidad de separación de gas integrada entre las etapas.

[0038] La Figura 2 es una vista ampliada de la sección de separación de gas de la invención, en la que se usa una unidad de separación de membrana selectiva de dióxido de carbono.

[0039] La Figura 3 es un dibujo esquemático de un esquema de flujo que muestra una realización de la invención que tiene tres etapas de compresión.

[0040] La Figura 4 es un dibujo esquemático de un esquema de flujo que muestra un proceso que usa dos compresores (no de acuerdo con la invención). DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

[0041] El término "gas" como se usa en el presente documento significa un gas o un vapor.

[0042] Los términos "gas de escape", "gas de combustión" y "corriente de emisiones" se usan indistintamente en este documento.

[0043] Los términos "% mol" y "% vol" se usan indistintamente en este documento.

[0044] La invención es un proceso que implica la separación de gases y la generación de energía a base de membranas, específicamente para controlar las emisiones de dióxido de carbono de centrales eléctricas alimentadas por gas, que incluyen plantas tradicionales, plantas de ciclo combinado que incorporan HRSG e instalaciones IGCC. El proceso incluye múltiples pasos de compresión, un paso de combustión y un paso de generación de electricidad/expansión, como en las plantas de energía tradicionales. El proceso también incluye una etapa de separación de membrana impulsada por barrido y una etapa de eliminación o captura de dióxido de carbono. Además de generar energía eléctrica, el proceso produce dos flujos de gas: una corriente de gases de combustión o de gases de baja concentración de dióxido de carbono que puede enviarse a la pila de la planta de energía, y una corriente de producto de dióxido de carbono de alta concentración que puede enviarse para purificación y/o secuestro

[0045] En la Figura 1 se muestra un esquema de flujo simple para una realización básica de un proceso de separación de gas y generación de energía de acuerdo con la invención. Los expertos en la técnica apreciarán que la Figura 1 y las otras figuras muestran el proceso los esquemas en este documento son diagramas de bloques muy simples, destinados a aclarar las operaciones de unidad clave de los procesos de la invención, y que los trenes de proceso reales pueden incluir pasos adicionales de un tipo estándar, tales como calefacción, refrigeración, compresión, condensación, bombeo, supervisión de presiones, temperaturas, flujos y similares. Los expertos en la técnica también apreciarán que las operaciones unitarias pueden realizarse ellas mismas en múltiples pasos o en un tren de múltiples piezas de equipo. [0046] Volviendo a la Figura 1 , se introduce aire, aire enriquecido en oxígeno u oxígeno en los procesos como la corriente 130 y fluye como una corriente de barrido a través del lado permeado de la unidad de separación de membrana accionada por barrido, 127, discutida en más detalle a continuación. La corriente de permeado, 131 , comprende tanto el gas de barrido como el dióxido de carbono que ha permeado las membranas, 128 y preferiblemente tiene un contenido de dióxido de carbono de al menos aproximadamente 10% en volumen, más preferiblemente al menos aproximadamente 15% en volumen, y lo más preferiblemente al menos alrededor de 20 vol%. La corriente 131 pasa, con la adición opcional de una porción de la corriente de escape de la turbina 120 y/o la corriente de aire de reposición 132, como la corriente de entrada de aire 135, a la etapa de compresión, 101.

[0047] La primera etapa de compresión se lleva a cabo en una o múltiples unidades de compresión, y produce una corriente comprimida, 102, a una presión moderada en la región de aproximadamente 2 a 10 bar. [0048] Típicamente, la corriente 102 está caliente, a una temperatura de aproximadamente 150-200°C. Dependiendo de la temperatura operativa del equipo de separación, la corriente 102 puede enfriarse mediante intercambio de calor, recuperación, o de otro modo en la etapa de enfriamiento opcional, 103, para producir la corriente enfriada 104. La corriente 104 se enfría preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 30-100 °C. El agua condensada como resultado del enfriamiento puede eliminarse como corriente 105.

[0049] La corriente comprimida 02 (o corriente enfriada 104) se dirige a una etapa de separación de gas, 106, donde se captura el dióxido de carbono y se elimina del proceso a través de la corriente 107.

[0050] Diversas consideraciones afectan la elección de la tecnología y la metodología de funcionamiento para la etapa 106. En estado estable, la masa de dióxido de carbono eliminada del proceso en las corrientes 107 y 129 es igual a la masa de dióxido de carbono generada por la combustión. Preferiblemente, al menos el 50%, y más preferiblemente al menos el 80% o el 90% del dióxido de carbono generado debería capturarse en la corriente 107.

[0051] Sin embargo, no se requieren niveles muy altos de eliminación de dióxido de carbono de las corrientes de gas de entrada de alimentación 102 o 104 por separación de gas, debido a que la corriente de gas residual 108 no se ventila a la atmósfera, sino que finalmente se dirige a etapa de separación de membrana basada en barrido 127. La etapa de separación de membrana basada en barrido recicla dióxido de carbono en la corriente 131 , de modo que la concentración de dióxido de carbono en la corriente 102/104 tiende a ser relativamente alta, tal como 15% vol, 20% vol o más. Solo una porción de este dióxido de carbono en recirculación necesita ser eliminada en la corriente 07 para alcanzar los altos niveles objetivo de captura de dióxido de carbono. Esta es una ventaja significativa del proceso, ya que el paso 106 puede operarse usando opciones de bajo costo y bajo consumo de energía. [0052] La etapa 106 puede llevarse a cabo por medio de cualquier tecnología o combinación de tecnologías que pueda crear una corriente de dióxido de carbono concentrada de la corriente 102 o 104. Los métodos representativos que se pueden usar incluyen, pero no se limitan a sorción física o química, separación de membrana, compresión/condensación a baja temperatura y adsorción. Todos estos son bien conocidos en la técnica ya que se relacionan con la eliminación de dióxido de carbono de mezclas de gases de diversos tipos. Sin embargo, con base en las consideraciones discutidas anteriormente, las tecnologías preferidas son la absorción y la separación de membranas. [0053] La etapa 106 produce una corriente de dióxido de carbono concentrada, 107, que se retira del proceso. Además de cumplir los objetivos de captura preferidos especificados, esta corriente tiene una concentración de dióxido de carbono relativamente alta, y preferiblemente contiene más de aproximadamente 60 o 70% en volumen de dióxido de carbono. Más preferiblemente, esta corriente contiene al menos aproximadamente 80% en volumen de dióxido de carbono. Por lo tanto, de manera inusual, el proceso logra en un flujo tanto altos niveles de captura de dióxido de carbono como una alta concentración de dióxido de carbono.

[0054] Después de la retirada del proceso, la corriente 107 puede pasar a cualquier destino deseado. La alta concentración facilita la licuefacción, el transporte, la canalización, la inyección y otras formas de secuestro.

[0055] La corriente de gas residual, 108, de la etapa de eliminación o captura de dióxido de carbono todavía contiene dióxido de carbono, pero a una concentración más baja que la corriente de gas comprimido, 102/104. Típicamente, pero no necesariamente, esta concentración es al menos aproximadamente 5% en volumen, y puede ser hasta aproximadamente 10% en volumen o incluso más.

[0056] La corriente 108 (o corriente 136) se envía a una segunda etapa de compresión, 109. La segunda etapa de compresión se lleva a cabo en uno o múltiples compresores, y produce una segunda corriente comprimida, 109, a una presión de aproximadamente 20 bar, 30 bar, o incluso más alto. Aunque los primeros y segundos pasos de compresión en la Figura 1 se muestran usando dos compresores separados, los pasos de compresión se pueden llevar a cabo usando un único tren de compresión o aparato, que se ha modificado para permitir que una porción del gas comprimido sea introducida o eliminada el aparato de compresión en una etapa intermedia en el tren/aparato.

[0057] Opcionalmente, puede preferirse que una porción de la primera corriente comprimida 134 desvíe la etapa de enfriamiento 103 y la etapa de separación de gas 106 y se mezcle con la corriente de residuo de membrana 108 para formar la corriente de entrada de aire 136 antes de entrar en la segunda etapa de compresión 109. En un proceso de separación de membranas de gas donde la eliminación de dióxido de carbono es solo 40-70% del dióxido de carbono en el gas, el bypass se cierra. En un proceso de amina en el que la eliminación de dióxido de carbono es aproximadamente del 90%, el bypass está parcialmente abierto y solo un poco de la primera corriente comprimida va a la unidad de separación.

[0058] La segunda corriente comprimida 110 se introduce con la corriente de combustible 111 en la etapa de combustión o zona 1 12. Se puede usar gas natural, otro gas que contenga metano, gas de síntesis, hidrógeno o cualquier otro combustible capaz de someterse a combustión en el aire. La combustión produce un flujo caliente de gas a alta presión 113.

[0059] En un proceso de combustión a gas tradicional, el gas de escape del combustor contiene típicamente aproximadamente 4 o 5% en volumen de dióxido de carbono. En nuestro proceso, el dióxido de carbono se recicla a través de las corrientes 131/133/135, como se analiza con más detalle a continuación. Como resultado, la concentración de dióxido de carbono en la corriente 1 13 es más alta que en una planta tradicional alimentada con gas natural, y frecuentemente es tan alta como al menos aproximadamente 10% en volumen, o incluso al menos 15% en volumen, 20% en volumen o más. [0060] La corriente 113 se envía entonces como una corriente de gas de trabajo, 1 15, a la sección de turbina de gas, 116. Opcionalmente, una porción de ia segunda corriente comprimida, 114, se puede mezclar con la corriente 113 para formar la corriente de gas de trabajo, 5, antes de ser enviado a la sección de la turbina de gas, 116. Esta sección contiene una o más turbinas de gas comúnmente múltiples, que están acopladas por medio de un eje, 117, a los compresores 101 y 109, y al generador de electricidad, 1 18. El gas en funcionamiento impulsa las turbinas de gas, que a su vez accionan el generador y producen energía eléctrica.

[0061] La corriente de gas de escape a baja presión de las turbinas 1 9, todavía está caliente, y opcionalmente y preferiblemente se dirige a un generador de vapor de recuperación de calor, 121. Esta sección incluye una caldera que produce vapor, 122, que se puede dirigir a una turbina de vapor (no se muestra). El gas que sale del generador de vapor, corriente 123, se enruta como gas de alimentación a la etapa de separación de membrana basada en barrido, 127. Si es necesario enfriar el gas de escape de la turbina antes de pasarlo a la unidad de membrana, esto puede hacerse por intercambio de calor o de lo contrario, en una etapa de enfriamiento, 124. Cualquier agua condensada puede eliminarse como la corriente 125. Después de pasar a través de HRSG opcional, 121 , una etapa de enfriamiento opcional, o ambas, la corriente de escape de la turbina pasa ahora como corriente de alimentación, 126m a una etapa de separación de membrana basada en barrido 127.

[0062] La etapa 127 se lleva a cabo usando membranas que son selectivas a favor del dióxido de carbono sobre el oxígeno y el nitrógeno. Se prefiere que las membranas proporcionen una selectividad de dióxido de carbono/nitrógeno de al menos aproximadamente 10, y lo más preferiblemente de al menos aproximadamente 20 en las condiciones operativas del proceso. También se prefiere una selectividad de dióxido de carbono/oxígeno de al menos 10 o 20. Es deseable una permeabilidad al dióxido de carbono de al menos aproximadamente 300 gpu, más preferiblemente al menos aproximadamente 500 gpu y más preferiblemente al menos aproximadamente 1000 gpu. La permeabilidad no afecta el rendimiento de separación, pero cuanto mayor sea la permeabilidad, se requerirá menos área de membrana para realizar la misma separación. [0063] Se puede usar cualquier membrana con propiedades de rendimiento adecuadas. Muchos materiales poliméricos, especialmente materiales elastoméricos, son muy permeables al dióxido de carbono. Las membranas preferidas para separar el dióxido de carbono del nitrógeno u otros gases inertes tienen una capa selectiva basada en un poliéter. Se sabe que varias de tales membranas tienen una alta selectividad de dióxido de carbono/nitrógeno, tal como 30, 40, 50 o superior. Un material preferido representativo para la capa selectiva es Pebax®, un material de copolímero de bloque de poliamida-poliéter descrito en detalle en la patente de los Estados Unidos 4,963,165. [0064] La membrana puede tomar la forma de una película homogénea, una membrana asimétrica integral, una membrana compuesta multicapa, una membrana que incorpora un gel o una capa líquida o partículas, o cualquier otra forma conocida en la técnica. Si se usan membranas elastoméricas, la forma preferida es una membrana compuesta que incluye una capa de soporte microporosa para la resistencia mecánica y una capa de revestimiento gomosa que es responsable de las propiedades de separación.

[0065] Las membranas se pueden fabricar como láminas planas o como fibras y se pueden alojar en cualquier forma de módulo conveniente, que incluye módulos enrollados en espiral, módulos de placa y marco y módulos de fibra hueca encapsulada. La fabricación de todos estos tipos de membranas y módulos es bien conocida en la técnica. Preferimos usar membranas de hoja plana en módulos enrollados en espiral.

[0066] El paso 127 puede llevarse a cabo en un único banco de módulos de membrana o una matriz de módulos. Una sola unidad o etapa que contiene uno o un banco de módulos de membrana es adecuada para muchas aplicaciones. Si la corriente de residuos requiere una purificación adicional, se puede pasar a un segundo banco de módulos de membrana para una segunda etapa de procesamiento. Si la corriente de permeado requiere una mayor concentración, puede pasarse a un segundo banco de módulos de membrana para un tratamiento de segunda etapa. Tales procesos de etapas múltiples o etapas múltiples, y variantes de los mismos, serán familiares para los expertos en la materia, quienes apreciarán que el paso de separación de membranas puede configurarse de muchas maneras posibles, incluyendo una etapa, etapas múltiples, pasos múltiples, o arreglos más complicados de dos o más unidades en arreglos en serie o en cascada. [0067] La corriente 126 fluye a través del lado de alimentación de las membranas, y la corriente de gas de barrido, 130, de aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno fluye a través del lado del permeado. El patrón de flujo de gas dentro de los módulos de membrana debe ser preferiblemente, aunque no necesariamente, tal que el flujo en el lado del permeado sea al menos parcial o sustancialmente en contracorriente para fluir en el lado de alimentación.

[0068] En procesos de separación de membranas de gas, la fuerza impulsora para la permeación transmembrana se suministra reduciendo la presión parcial del permeante deseado en el lado del permeado a un nivel por debajo de su presión parcial en el lado de alimentación. El uso de la corriente de gas de barrido 130 mantiene una baja presión parcial de dióxido de carbono en el lado del permeado, proporcionando asi la fuerza de accionamiento.

[0069] La presión parcial de dióxido de carbono en el lado del permeado puede controlarse ajusfando la velocidad de flujo de la corriente de barrido. Las velocidades de flujo de barrido altas lograrán la eliminación máxima de dióxido de carbono del gas de alimentación de membrana, pero una corriente de permeado diluida comparativamente de dióxido de carbono (es decir, un enriquecimiento de dióxido de carbono comparativamente bajo en el gas de barrido que sale de los módulos). Las velocidades de flujo de barrido bajas alcanzarán altas concentraciones de dióxido de carbono en el permeado, pero niveles relativamente bajos de eliminación de dióxido de carbono de la alimentación.

[0070] Típicamente y preferiblemente, la velocidad de flujo de la corriente de barrido debe estar entre aproximadamente 50% y 200% del caudal de la corriente de alimentación de membrana, y lo más preferiblemente entre aproximadamente 80% y 120%. A menudo, una relación de aproximadamente 1 : 1 es conveniente y apropiada.

[0071] Las presiones de gas totales en cada lado de la membrana pueden ser iguales o diferentes, y cada una puede estar por encima o por debajo de la presión atmosférica. Si las presiones son más o menos iguales, la operación de modo de barrido proporciona toda la fuerza motriz. Opcionalmente, la corriente 126 puede suministrarse a la unidad de membrana a presión ligeramente elevada, con lo que queremos decir a una presión de unos pocos bares, tal como 2 bares, 3 bares o 5 bares. Si esto requiere la recompresión de la corriente 126, una porción de la energía utilizada para los compresores se puede recuperar expandiendo la corriente de residuos, 129, en una turbina. [0072] La etapa de separación de membrana divide la corriente 126 en la corriente residual 129, que se agota en dióxido de carbono, y la corriente de permeado/barrido 131. La corriente residual forma el gas de combustión tratado producido por el proceso, y generalmente se descarga al medio ambiente a través de la pila de la planta de energía El contenido de dióxido de carbono de esta corriente es preferiblemente menor que aproximadamente 5% en volumen; más preferiblemente menos de aproximadamente 2% en volumen, y lo más preferiblemente no más de aproximadamente 1% en volumen. [0073] La corriente de permeado/barrido, 131 , que contiene preferiblemente al menos 10% en volumen de dióxido de carbono, y más preferiblemente al menos aproximadamente 15% en volumen de dióxido de carbono, se retira de la unidad de membrana y se pasa a la primera unidad de compresión, 101 para formar al menos parte del aire, aire enriquecido en oxígeno o alimentación de oxígeno.

[0074] Opcionalmente, la corriente de escape de la turbina 19 puede dividirse en una segunda porción, y la segunda porción, indicada por la línea de puntos 120, puede eludir la separación de membrana basada en barrido y enviarse con la corriente 131 como flujo 133 a la primera unidad de compresión, 101 , como al menos parte del aire, aire enriquecido en oxígeno u oxígeno.

[0075] La Figura 2 muestra un ejemplo representativo que usa separación de membrana para la etapa de eliminación de dióxido de carbono, 105, con la integración de calor utilizada para enfriar en la corriente de alimentación entrante. Los elementos similares se numeran como en la Figura 1 .

[0076] Con referencia a la Figura 2, la primera corriente comprimida 102 pasa a través de la etapa de enfriamiento 103, como se muestra en la Figura 1 , en este caso llevada a cabo en dos etapas de intercambio de calor, 103a y 103b. En la etapa 103a, la corriente 102 corre contra la corriente de residuo de membrana 108, entrando la corriente 108 en el intercambiador de calor como se indica en la posición A y saliendo en la posición B. La corriente calentada 108 se dirige luego a la segunda etapa de compresión 109 como se describió anteriormente para la Figura 1. [0077] En la etapa 103b, se proporciona un enfriamiento adicional de la corriente 102 antes que pase como la corriente enfriada 104 a la etapa de membrana, 105, que contiene membranas, 235. [0078] Una realización alternativa de la invención se muestra en la Figura 3. Aire, aire enriquecido en oxígeno u oxígeno se introduce en los procesos como la corriente 327 y fluye como una corriente de barrido a través del lado del permeado de la unidad de separación de membrana accionada por barrido, 324, discutido con más detalle a continuación. La corriente permeada, 328, comprende tanto el gas de barrido como el dióxido de carbono que ha permeado las membranas, 325, y preferiblemente tiene un contenido de dióxido de carbono de al menos aproximadamente 10% en volumen, más preferiblemente al menos aproximadamente 15% en volumen, y lo más preferiblemente al menos alrededor de 20 vol%. La corriente 328 pasa, con la adición opcional de la corriente 331 y la corriente de aire de reposición 332, como la corriente de entrada de aire 330, a la primera etapa de compresión, 301.

[0079] La primera etapa de compresión se lleva a cabo en uno o múltiples compresores, y produce la primera corriente comprimida, 302, a una presión típica de algunas decenas de bares, tal como 20 bares o 30 bares. La corriente 302 se introduce con una corriente de combustible, 304, en la etapa o zona de combustión, 303. Se puede usar gas natural, otro gas que contenga metano, gas de síntesis, hidrógeno o cualquier otro combustible capaz de someterse a combustión en el aire. La combustión produce una corriente de gas caliente a alta presión 313. [0080] En un proceso de combustión a gas tradicional, el gas de escape del combustor contiene típicamente aproximadamente 4 o 5% en volumen de dióxido de carbono. En nuestro proceso, el dióxido de carbono se recicla a través de la corriente 328/330, como se analiza con más detalle a continuación. Como resultado, la concentración de dióxido de carbono en la corriente 3 3 es más alta que en una planta de gas natural tradicional, y frecuentemente es tan alta como al menos aproximadamente 10% en volumen, o incluso al menos 15% en volumen, 20% en volumen, o más.

[0081] Una parte de la corriente de escape de turbina, 329, se envía a una segunda etapa de compresión, 305. La segunda etapa de compresión se lleva a cabo en uno o múltiples compresores, y produce una segunda corriente comprimida, 306, a una presión típica entre 2 -10 bar, preferiblemente alrededor de 5 bar, más preferiblemente alrededor de 2 bar. La corriente 306 se dirige a una etapa de separación de gas, 310, donde el dióxido de carbono es capturado y retirado del proceso a través de la corriente 311. Dependiendo de la temperatura operativa del equipo de separación, la corriente 306 puede enfriarse por intercambio de calor, 307, para producir la corriente enfriada 309. El agua condensada como resultado del enfriamiento puede eliminarse como corriente 308.

[0082] Varias consideraciones afectan la elección de la tecnología y la metodología de funcionamiento para la etapa 310. En estado estable, la masa de dióxido de carbono eliminada del proceso en las corrientes 311 y 326 es igual a la masa de dióxido de carbono generada por la combustión. Preferiblemente, al menos el 50%, y más preferiblemente al menos el 80% o el 90% del dióxido de carbono generado debería capturarse en la corriente 311. [0083] Sin embargo, no se requieren niveles muy altos de eliminación de dióxido de carbono de las corrientes de gas de entrada de alimentación 306 o 309 por separación de gas, porque la corriente del gas de descarga 312, no se ventila a la atmósfera, sino que se dirige al paso de separación de membrana basado en barrido. El paso de separación de membrana basado en barrido recicla dióxido de carbono en la corriente 330, de modo que la concentración de dióxido de carbono en la corriente 309 tiende a ser relativamente alta, tal como 15% en volumen, 20% en volumen o más. Solamente una porción de este dióxido de carbono recirculante necesita ser eliminada en la corriente 3 1 para alcanzar los altos niveles deseados de captura de dióxido de carbono. Esta es una ventaja significativa del proceso, ya que la etapa 310 se puede operar usando opciones de bajo costo y bajo consumo de energía.

[0084] La etapa 310 puede llevarse a cabo por medio de cualquier tecnología o combinación de tecnologías que pueda crear una corriente concentrada de dióxido de carbono de la corriente 306 o 309. Los métodos representativos que se pueden usar incluyen, pero no se limitan a sorción física o química, separación de membrana, compresión/condensación a baja temperatura y adsorción. Todos estos son bien conocidos en la técnica ya que se relacionan con la eliminación de dióxido de carbono de mezclas de gases de diversos tipos. Sin embargo, con base en las consideraciones discutidas anteriormente, las tecnologías preferidas son la absorción y la separación de membranas. [0085] La etapa 310 produce una corriente de dióxido de carbono concentrada, 311 , que se retira del proceso. Además de cumplir los objetivos de captura preferidos especificados, esta corriente tiene una concentración de dióxido de carbono relativamente alta, y preferiblemente contiene más de 60 o 70% en volumen de dióxido de carbono. Más preferiblemente, esta corriente contiene al menos aproximadamente 80% en volumen de dióxido de carbono. Por lo tanto, de manera inusual, el proceso logra en un flujo tanto altos niveles de captura de dióxido de carbono como una alta concentración de dióxido de carbono. [0086] Después de la retirada del proceso, la corriente 31 puede pasar a cualquier destino deseado. La alta concentración facilita la licuefacción, el transporte, la canalización, la inyección y otras formas de secuestro.

[0087] La corriente de gas residual, 312, de la etapa de eliminación o captura de dióxido de carbono todavía contiene dióxido de carbono, pero a una concentración más baja que la corriente de gas comprimido, 306/309. Típicamente, pero no necesariamente, esta concentración es al menos aproximadamente 5% en volumen, y puede ser hasta aproximadamente 0% en volumen o incluso más. [0088] La corriente 312 se envía como una corriente de entrada de aire a una tercera etapa de compresión, 314. Opcionalmente, puede preferirse que una porción de la segunda corriente comprimida, 333, evite la etapa de enfriamiento 307 y la etapa de separación de gas 310, y se mezcle con la corriente de residuo de membrana 312 para formar la corriente de entrada de aire 335 antes de entrar en la segunda etapa de compresión 314. En un proceso de separación de gas de membrana donde la eliminación de dióxido de carbono es solo 40-70% del dióxido de carbono en el gas, el bypass se cierra. En un proceso de amina en el que la eliminación de dióxido de carbono es aproximadamente del 90%, el bypass está parcialmente abierto y solo un poco de la primera corriente comprimida va a la unidad de separación.

[0089] La tercera etapa de compresión se lleva a cabo en uno o múltiples compresores, y produce una tercera corriente comprimida, 315, a una presión típica de algunas decenas de bares, tal como 20 bares o 30 bares.

[0090] La corriente 315 se combina con la corriente de gas sometido a combustión 313, y para producir una corriente de gas de trabajo, 316, que se introduce en la sección de turbina de gas, 317. Esta sección contiene una o más turbinas de gas, que están acopladas por medio de un eje, 318, a los compresores 301 , 305 y 314 y al generador de electricidad, 319. El gas que funciona impulsa las turbinas de gas, que a su vez accionan el generador y producen energía eléctrica.

[0091] La corriente del gas de escape a baja presión de las turbinas 317, todavía está caliente, y opcionalmente y preferiblemente se dirige a un generador de vapor de recuperación de calor, 321. Esta sección incluye una caldera que produce vapor, corriente 322, que puede ser dirigido a una turbina de vapor (no se muestra). El gas que sale del generador de vapor, corriente 323, se enruta como gas de alimentación a la etapa de separación de membrana basada en barrido, 324. Si es necesario enfriar el gas de escape de la turbina antes de pasarlo a la unidad de membrana, esto puede hacerse por intercambio de calor o de lo contrario, en una etapa de enfriamiento (no se muestra). Después de pasar a través de HRSG opcional, 321 , una etapa de enfriamiento opcional, o ambas, la corriente de escape de la turbina ahora pasa como corriente de alimentación, 323, a la etapa 324 de separación de membrana basada en barrido.

[0092] La etapa 324 se lleva a cabo usando membranas, 325, que son selectivas a favor del dióxido de carbono sobre el oxígeno y el nitrógeno. Se prefiere que las membranas proporcionen una selectividad de dióxido de carbono/nitrógeno de al menos aproximadamente 10, y lo más preferiblemente de al menos aproximadamente 20 en las condiciones operativas del proceso. También se prefiere una selectividad de dióxido de carbono/oxígeno de al menos 10 o 20. Es deseable una permeabilidad al dióxido de carbono de al menos aproximadamente 300 gpu, más preferiblemente al menos aproximadamente 500 gpu y lo más preferiblemente al menos aproximadamente 1000 gpu. La permeabilidad no afecta el rendimiento de separación, pero cuanto mayor sea la permeabilidad, se requerirá menos área de membrana para realizar la misma separación. [0093] Se puede usar cualquier membrana con propiedades de rendimiento adecuadas. Muchos materiales poliméricos, especialmente materiales elastoméricos, son muy permeables al dióxido de carbono. Las membranas preferidas para separar el dióxido de carbono del nitrógeno u otros gases inertes tienen una capa selectiva basada en un poliéter. Se sabe que varias de tales membranas tienen una alta selectividad de dióxido de carbono/nitrógeno, tal como 30, 40, 50 o superior. Un material preferido representativo para la capa selectiva es Pebax®, un material de copolímero de bloque de poliamida-poliéter descrito en detalle en la patente de los Estados Unidos 4,963,165.

[0094] La membrana puede tomar la forma de una película homogénea, una membrana asimétrica integral, una membrana compuesta multicapa, una membrana que incorpora un gel o una capa líquida o partículas, o cualquier otra forma conocida en la técnica. Si se usan membranas elastoméricas, la forma preferida es una membrana compuesta que incluye una capa de soporte microporosa para la resistencia mecánica y una capa de revestimiento gomosa que es responsable de las propiedades de separación.

[0095] Las membranas se pueden fabricar como láminas planas o como fibras y se pueden alojar en cualquier forma de módulo conveniente, incluidos los módulos enrollados en espiral, los módulos de placa y marco y los módulos de fibra hueca encapsulada. La fabricación de todos estos tipos de membranas y módulos es bien conocida en la técnica. Preferimos usar membranas de hoja plana en módulos enrollados en espiral.

[0096] La etapa 324 puede llevarse a cabo en un solo banco de módulos de membrana o una matriz de módulos. Una sola unidad o etapa que contiene uno o un banco de módulos de membrana es adecuada para muchas aplicaciones. Si la corriente de residuos requiere una purificación adicional, se puede pasar a un segundo banco de módulos de membrana para una segunda etapa de procesamiento. Si la corriente de permeado requiere una mayor concentración, puede pasarse a un segundo banco de módulos de membrana para un tratamiento de segunda etapa. Tales procesos de etapas múltiples o etapas múltiples, y variantes de los mismos, serán familiares para los expertos en la materia, quienes apreciarán que el paso de separación de membranas puede configurarse de muchas maneras posibles, incluyendo una etapa, etapas múltiples, pasos múltiples, o arreglos más complicados de dos o más unidades en arreglos en serie o en cascada.

[0097] La corriente 323 fluye a través del lado de alimentación de las membranas, y barre la corriente de gas, 327, de aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno fluye a través del lado del permeado. El patrón de flujo de gas dentro de los módulos de membrana debe ser preferiblemente, aunque no necesariamente, tal que el flujo en el lado del permeado sea al menos parcial o sustancialmente en contracorriente para fluir en el lado de alimentación. [0098] En procesos de separación de membranas de gas, la fuerza impulsora para la penetración transmembrana se suministra bajando la presión parcial del permeante deseado en el lado del permeado a un nivel por debajo de su presión parcial en el lado de alimentación. El uso de la corriente de gas de barrido 327 mantiene una baja presión parcial de dióxido de carbono en el lado del permeado, proporcionando así la fuerza de accionamiento.

[0099] La presión parcial de dióxido de carbono en el lado del permeado se puede controlar ajustando la velocidad de flujo de la corriente de barrido. Las velocidades de flujo de barrido altas lograrán la eliminación máxima de dióxido de carbono del gas de alimentación de membrana, pero una corriente de permeado diluida comparativamente de dióxido de carbono (es decir, un enriquecimiento de dióxido de carbono comparativamente bajo en el gas de barrido que sale de los módulos). Las velocidades de flujo de barrido bajas alcanzarán altas concentraciones de dióxido de carbono en el permeado, pero niveles relativamente bajos de eliminación de dióxido de carbono de la alimentación.

[00100] Típicamente y preferiblemente, la velocidad de flujo de la corriente de barrido debe estar entre aproximadamente 50% y 200% del caudal de la corriente de alimentación de la membrana, y lo más preferiblemente entre aproximadamente 80% y 120%. A menudo, una relación de aproximadamente 1 : 1 es conveniente y apropiada.

[00101] Las presiones de gas totales en cada lado de la membrana pueden ser iguales o diferentes, y cada una puede estar por encima o por debajo de la presión atmosférica. Si las presiones son más o menos iguales, la operación de modo de barrido proporciona toda la fuerza motriz. Opcionalmente, la corriente 323 puede suministrarse a la unidad de membrana a presión ligeramente elevada, con lo que queremos decir a una presión de unos pocos bares, tal como 2 bares, 3 bares o 5 bares. Si esto requiere la recompresión de la corriente 323, una parte de la energía utilizada para los compresores se puede recuperar expandiendo la corriente de residuos, 326, en una turbina.

[00102] La etapa de separación de membrana divide la corriente 323 en la corriente de residuo 326, empobrecida en dióxido de carbono y la corriente de permeado/barrido 328. La corriente de residuo forma el gas de combustión tratado producido por el proceso y generalmente se descarga al medio ambiente a través de la pila de la planta de energía. El contenido de dióxido de carbono de esta corriente es preferiblemente menor que aproximadamente 5% en volumen; más preferiblemente menos de aproximadamente 2% en volumen, y lo más preferiblemente no más de aproximadamente 1 % en volumen.

[00103] La corriente de permeado/barrido, 328, que contiene preferiblemente al menos 10% en volumen de dióxido de carbono, y más preferiblemente al menos aproximadamente 15% en volumen de dióxido de carbono, se retira de la unidad de membrana y se pasa a la unidad de compresión para formar al menos parte del aire, aire enriquecido en oxígeno o alimentación de oxígeno.

[00104] La corriente de escape de turbina 320/323 se divide en una segunda porción, corriente 329, que evita la separación de membrana basada en barrido y se envía a la segunda unidad de compresión, 305.

[00105] Opcionalmente, la corriente de escape de turbina 320/323 puede dividirse en una tercera porción, indicada por la línea discontinua 331 , que puede eludir la separación de membrana basada en barrido y enviarse con la corriente 328 a la primera unidad de compresión 301 como al menos parte del aire, aire enriquecido en oxígeno o alimentación de oxígeno.

[00106] La invención se ilustra ahora con más detalle mediante ejemplos específicos. Estos ejemplos están destinados a aclarar más la invención, y no están destinados a limitar el alcance de ninguna manera.

EJEMPLOS

[00107] Todos los cálculos se realizaron con un programa de modelado, ChemCad 6.3 (ChemStations, Inc., Houston, TX), que contenía el código para la operación de membrana desarrollado por el grupo de ingeniería de MTR. Para los cálculos, se asumió que todos los compresores y bombas de vacío eran de 85% de eficiencia. En cada caso, el cálculo se normalizó a un proceso de combustión que produce 1 ton/hora de dióxido de carbono.

[00108] Se asumió además que se usó una unidad de separación de membrana como la unidad de captura de carbono. Ejemplo 1 : Membranas de sal fundida usadas para la etapa de separación de gas, dos bucles de compresión (no de acuerdo con la invención) [00109] Como ejemplo comparativo, se realizó un cálculo por computadora para modelar el rendimiento del proceso con el diseño mostrado en la Figura 4. Se asumió que cada compresor suministraba un gas comprimido a 30 bar. La relación del gas de escape de la turbina dirigido a la unidad de barrido al gas dirigido a la etapa de compresión 401 b se ajustó a 3: 1. Se supuso que las membranas de sal fundida se usarían para el paso 412. Se asumió que el lado del permeado de las membranas estaba a 2 bares.

[00110] Los resultados del cálculo se muestran en la Tabla 1

Tabla 1

[00111] El proceso produce un gas de chimenea que contiene 0.8% en volumen de dióxido de carbono, y una corriente de producto concentrado que contiene aproximadamente 90% en volumen de dióxido de carbono. El proceso requiere un área de membrana de aproximadamente 74 m2 para las membranas de sal fundida, que elimina el 82% del dióxido de carbono en la corriente de gas 444, y un área de membrana de aproximadamente 1430 m2 para la unidad basada en barrido.

Ejemplo 2: Realización de la Diqura 1 , presión del gas de alimentación a 5 bar para el paso de separación de gas

[00112] Se realizó un cálculo para modelar el rendimiento del proceso de la invención que se muestra en la Figura 1 donde el gas de alimentación a la etapa de separación de gas, 106, se comprime a una presión de 5 bar mediante la etapa de compresión 101.

[00113] Para el cálculo, se calculó que la corriente de gas de alimentación 104 tenía un caudal de 16557 kg/hora y contenía nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y agua. También se calculó que las composiciones molares eran aproximadamente las siguientes:

Nitrógeno: 74.4%

Oxígeno 14.4%

Dióxido de carbono: 10.4%

Agua: 0.8%

[00114] Se asumió que una porción del gas de escape 119 se usó como un reciclado interno como corriente 120.

[00115] Los resultados de los cálculos se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2

[00116] El proceso produce un gas de chimenea que contiene un 1.3% de dióxido de carbono y una corriente de producto concentrado que contiene aproximadamente un 69% de dióxido de carbono. El proceso logra una recuperación de dióxido de carbono del 80%. El área de membrana utilizada para la etapa 106 era de 198 m2 y el área de membrana requerida para la etapa 127 era de 10000 m2. Ejemplo 3: Realización de la Figura 1 , presión del gas de alimentación a 2 bar para el paso de separación de gas

[00117] Se realizó un cálculo para modelar el rendimiento del proceso de la invención que se muestra en la Figura 1 donde el gas de alimentación a la etapa de separación de gas, 106, se comprime a una presión de 2 bar mediante la etapa de compresión 101.

[00118] Para el cálculo, se calculó que la corriente de gas de alimentación 104 tenía un caudal de 16354 kg/hora y contenía nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y agua. También se calculó que las composiciones molares eran aproximadamente las siguientes:

Nitrógeno: 70.9%

Oxígeno 14.8%

Dióxido de carbono: 12.2%

Agua: 2.1 %

[00119] Se asumió que una parte del gas de escape 119 se usó como un reciclado interno como corriente 120.

[00120] Los resultados de los cálculos se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3

[00121] El proceso produce un gas de chimenea que contiene aproximadamente 3% de dióxido de carbono, y una corriente de producto concentrado que contiene aproximadamente 62% de dióxido de carbono. El proceso logra una recuperación de dióxido de carbono del 60%. El área de la membrana utilizada para la etapa 106 era de 456 m2 y el área de la membrana requerida para la etapa 127 era de 6000 m2.

Ejemplo 4: Realización de la Figura 3, tres bucles de compresor

[00122] Se realizó un cálculo para modelar el rendimiento del proceso de la invención usando tres compresores de acuerdo con el diseño mostrado en la Figura 3. El gas de alimentación a la etapa de separación de gas, 310, se comprimió a una presión de 2 bar por etapa de compresión 305.

[00123] Para el cálculo, se calculó que la corriente de gas de alimentación 309 tiene un caudal de 16354 kg/hora y contiene nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y agua. También se calculó que las composiciones molares eran aproximadamente las siguientes:

Nitrógeno: 70.9%

Oxígeno 14.8%

Dióxido de carbono: 12.2%

Agua: 2.1 %

[00124] Se asumió que una porción del gas de escape 323 se usó como un reciclado interno como corriente 331.

[00125] Los resultados de los cálculos se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4

[00126] El proceso produce un gas de chimenea que contiene aproximadamente 4.5% de dióxido de carbono, y una corriente de producto concentrado que contiene aproximadamente 70% de dióxido de carbono. El proceso también logra una recuperación de dióxido de carbono del 60%. El área de la membrana utilizada para la etapa 310 era de 360 m2 y el área de la membrana requerida para la etapa 324 era de 2000 m2.