Separación de gases de membrana

Tecnología para separar gases específicos de mezclas.

Las mezclas de gases pueden separarse eficazmente mediante membranas sintéticas hechas de polímeros como poliamida o acetato de celulosa , o de materiales cerámicos. ^[1]

Cartucho de membrana

Si bien las membranas poliméricas son económicas y tecnológicamente útiles, están limitadas por su rendimiento, conocido como límite de Robeson (la permeabilidad debe sacrificarse por la selectividad y viceversa). ^[2] Este límite afecta el uso de membranas poliméricas para la separación de CO ₂ de las corrientes de gases de combustión, ya que el transporte de masa se vuelve limitante y la separación de CO _{2 se} vuelve muy costosa debido a las bajas permeabilidades. Los materiales de las membranas se han expandido al ámbito de la sílice , las zeolitas , las estructuras organometálicas y las perovskitas.debido a su fuerte resistencia térmica y química, así como a su alta sintonía (capacidad de ser modificado y funcionalizado), lo que conduce a una mayor permeabilidad y selectividad. Las membranas se pueden usar para separar mezclas de gases donde actúan como una barrera permeable a través de la cual diferentes compuestos se mueven a diferentes velocidades o no se mueven en absoluto. Las membranas pueden ser nanoporosas, poliméricas, etc. y las moléculas de gas penetran según su tamaño, difusividad o solubilidad.

Proceso básico

La separación de gas a través de una membrana es un proceso impulsado por presión, donde la fuerza impulsora es la diferencia de presión entre la entrada de la materia prima y la salida del producto. La membrana utilizada en el proceso es una capa generalmente no porosa, por lo que no habrá una fuga severa de gas a través de la membrana. El rendimiento de la membrana depende de la permeabilidad y la selectividad. La permeabilidad se ve afectada por el tamaño del penetrante. Las moléculas de gas más grandes tienen un coeficiente de difusión más bajo. La flexibilidad de la cadena de polímero y el volumen libre en el polímero del material de la membrana influyen en el coeficiente de difusión, ya que el espacio dentro de la membrana permeable debe ser lo suficientemente grande para que las moléculas de gas se difundan. La solubilidad se expresa como la relación entre la concentración del gas en el polímero y la presión del gas en contacto con él.La permeabilidad es la capacidad de la membrana para permitir que el gas permeado se difunda a través del material de la membrana como consecuencia de la diferencia de presión sobre la membrana, y se puede medir en términos de la tasa de flujo de permeado, el grosor y el área de la membrana y la presión. diferencia a través de la membrana. La selectividad de una membrana es una medida de la relación de permeabilidad de los gases relevantes para la membrana. Se puede calcular como la relación de permeabilidad de dos gases en separación binaria.La selectividad de una membrana es una medida de la relación de permeabilidad de los gases relevantes para la membrana. Se puede calcular como la relación de permeabilidad de dos gases en separación binaria.La selectividad de una membrana es una medida de la relación de permeabilidad de los gases relevantes para la membrana. Se puede calcular como la relación de permeabilidad de dos gases en separación binaria.^[3]

El equipo de separación de gases de membrana normalmente bombea gas al módulo de membrana y los gases objetivo se separan en función de la diferencia de difusividad y solubilidad. Por ejemplo, el oxígeno se separará del aire ambiente y se recogerá en el lado de aguas arriba, y el nitrógeno en el lado de aguas abajo. A partir de 2016, se informó que la tecnología de membranas era capaz de producir de 10 a 25 toneladas de oxígeno del 25 al 40% por día. ^[3]

Metodología de gobierno de la membrana

(a) Flujo a granel a través de los poros; (b) Difusión de Knudsen a través de los poros; (c) tamizado molecular; (d) difusión de la solución a través de membranas densas.

Hay tres mecanismos de difusión principales . La primera (b), la difusión de Knudsen se mantiene a presiones muy bajas donde las moléculas más ligeras pueden moverse a través de una membrana más rápido que las pesadas, en un material con poros razonablemente grandes. ^[4] El segundo (c), tamizado molecular , es el caso en el que los poros de la membrana son demasiado pequeños para dejar pasar un componente, un proceso que normalmente no es práctico en aplicaciones de gas, ya que las moléculas son demasiado pequeñas para diseñar relevantes poros. En estos casos, el movimiento de las moléculas se describe mejor mediante el flujo convectivo impulsado por la presión a través de los capilares, que se cuantifica mediante la ley de Darcy.. Sin embargo, el modelo más general en aplicaciones de gas es la solución-difusión (d) donde las partículas se disuelven primero en la membrana y luego se difunden a través de ella a diferentes velocidades. Este modelo se emplea cuando los poros de la membrana del polímero aparecen y desaparecen más rápidamente en relación con el movimiento de las partículas. ^[5]

En un sistema de membrana típico, la corriente de alimentación entrante se separa en dos componentes: permeable y retenido. El permeante es el gas que viaja a través de la membrana y el retenido es lo que queda de la alimentación. En ambos lados de la membrana, un gradiente de potencial químico se mantiene mediante una diferencia de presión que es la fuerza impulsora para que pasen las moléculas de gas. La facilidad de transporte de cada especie se cuantifica por la permeabilidad , P _i . Con los supuestos de mezcla ideal en ambos lados de la membrana, la ley de los gases ideales , el coeficiente de difusión constante y la ley de Henry , el flujo de una especie puede relacionarse con la diferencia de presión por la ley de Fick : ^[4]

${\displaystyle J={\frac {D_{i}K_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{l}}={\frac {P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{l}}}$

donde, (J _i ) es la densidad de flujo molar de la especie i través de la membrana, (l) es el espesor de la membrana, (P _i ) es la permeabilidad de la especie i, (D _i ) es la difusividad, (K _i ) es el coeficiente de Henry, y (p _i ^' ) y (p _i ^" ) representan las presiones parciales de la especie i en el lado del alimento y del permeante respectivamente. El producto de D _i K _i se expresa a menudo como la permeabilidad de la especie i, en la membrana específica siendo utilizado.

${\displaystyle P_{i}=D_{i}K_{i}}$

El flujo de una segunda especie, j, se puede definir como:

${\displaystyle J={\frac {P_{j}(p_{j}'-p_{j}'')}{l}}}$

Un esquema de diseño simplificado de un proceso de separación por membranas

Con la expresión anterior, se puede definir suficientemente un sistema de membranas para una mezcla binaria. Puede verse que el flujo total a través de la membrana depende en gran medida de la relación entre las presiones de alimentación y de permeado. La relación entre la presión de alimentación (p ^' ) y la presión de permeado (p ^" ) se define como la relación de presión de la membrana (θ).

${\displaystyle \theta ={\frac {P'}{P''}}}$

De lo anterior se desprende claramente que un flujo de especies i o j a través de la membrana solo puede ocurrir cuando:

${\displaystyle p_{i}'-p_{i}''=p'n_{i}'-p''n_{i}''\neq 0}$

En otras palabras, la membrana experimentará un flujo a través de ella cuando exista un gradiente de concentración entre la alimentación y el permeado. Si el gradiente es positivo, el flujo pasará del pienso al permeado y la especie i se separará del pienso.

${\displaystyle p'n_{i}'-p''n_{i}''>0\rightarrow {\frac {n_{i}''}{n_{i}'}}\leq {\frac {p'}{p''}}}$

Por tanto, la separación máxima de las especies i resulta de:

${\displaystyle n_{i}'',max''={\frac {p'}{p''}}n_{i}'=\theta n_{i}'}$

Otro coeficiente importante a la hora de elegir la membrana óptima para un proceso de separación es la selectividad de membrana α _ij definida como la relación de permeabilidad de la especie i con relación a la especie j.

${\displaystyle \alpha _{ij}={\frac {P_{i}}{P_{j}}}}$

Este coeficiente se utiliza para indicar el nivel al que la membrana puede separar las especies i de j. Es obvio a partir de la expresión anterior, que una selectividad de membrana de 1 indica que la membrana no tiene potencial para separar los dos gases, por lo que ambos gases se difundirán por igual a través de la membrana.

En el diseño de un proceso de separación, normalmente la relación de presiones y la selectividad de la membrana vienen prescritas por las presiones del sistema y la permeabilidad de la membrana. El nivel de separación alcanzado por la membrana (concentración de las especies a separar) debe evaluarse en función de los parámetros de diseño antes mencionados para evaluar la rentabilidad del sistema.

Rendimiento de la membrana

La concentración de las especies i y j a través de la membrana se puede evaluar en función de sus respectivos flujos de difusión a través de ella.

${\displaystyle n_{i}''={\frac {J_{i}}{\sum {J_{k}}}},\quad n_{j}''={\frac {J_{j}}{\sum {J_{k}}}}}$

En el caso de una mezcla binaria, la concentración de especies i a través de la membrana:

${\displaystyle n_{i}''={\frac {J_{i}}{J_{i}+J_{j}}}}$

Esto se puede ampliar aún más para obtener una expresión de la forma:

${\displaystyle n_{i}''=n_{i}''(\phi ,\alpha _{ij},n_{i}^{'})}$

${\displaystyle n_{i}''={\frac {J_{i}}{J_{i}+J_{j}}}={\frac {P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')}{P_{i}(p_{i}'-p_{i}'')+P_{j}(n_{j}'-{\frac {1}{\phi }}n_{j}'')}}}$

Usando las relaciones:

${\displaystyle p_{i}'=p'n_{i}',\quad p_{j}'=p'n_{j}'={\frac {p'}{\phi }}n_{i}'}$

${\displaystyle p_{i}''=p''n_{i}',\quad p_{j}''=p''n_{j}''={\frac {p'}{\phi }}n_{i}''}$

La expresión se puede reescribir como:

${\displaystyle n_{i}''={\frac {P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')}{P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')+P_{j}p'(n_{j}'-{\frac {1}{\phi }}n_{j}'')}}}$

Luego usando ${\displaystyle n_{j}'=1-n_{i}'\quad and\quad n_{j}''=1-n_{i}''}$

${\displaystyle n_{i}''={\frac {P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')}{P_{i}p'(n_{i}'-{\frac {1}{\phi }}n_{i}'')+P_{j}p'((1-n_{i}')-{\frac {1}{\phi }}(1-n_{i}''))}}}$

${\displaystyle (1-\alpha )(n_{i}'')^{2}+(\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)n_{i}''-\alpha \phi n_{i}'=0}$ ^[6]

La solución a la expresión cuadrática anterior se puede expresar como:

${\displaystyle n_{i}={\frac {-(\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)\pm {\sqrt {\phi +\phi (\alpha -1)n_{i}'+\alpha -1)^{2}+4(1-\alpha )\alpha \phi n_{i}'}}}{2(1-\alpha )}}}$

Finalmente, una expresión para la concentración de permeantes se obtiene de la siguiente manera:

${\displaystyle n_{i}''(\phi \alpha n_{i}')={\frac {\phi }{2}}\left(n_{i}'+{\frac {1}{\phi }}+{\frac {1}{\alpha -1}}-{\sqrt {\left(n_{i}'+{\frac {1}{\phi }}+{\frac {1}{\alpha -1}}\right)^{2}-{\frac {4\alpha n_{i}'}{(\alpha -1)\phi }}}}\right)}$

A lo largo de la unidad de separación, la concentración de la alimentación disminuye con la difusión a través de la membrana, lo que hace que la concentración en la membrana disminuya en consecuencia. Como resultado, el flujo de permeabilidad total (q " _out ) resulta de la integración del flujo de difusión a través de la membrana desde la entrada de alimentación (q ' _in ) a la salida de alimentación (q' _out ). Un balance de masa a través de una longitud diferencial de por tanto, la unidad de separación es:

${\displaystyle q'(x)=q'(x+dx)+\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx}$

dónde:

${\displaystyle q''(x)=J_{i}(x)+J_{j}(x)}$

Debido a la naturaleza binaria de la mezcla, solo es necesario evaluar una especie. Prescribiendo una función n ' _i = n' _i (x), el balance de especies se puede reescribir como:

${\displaystyle q'(x)n'_{i}(x)=q'(x+\Delta x)n'_{i}(x+\Delta x)+\int _{x}^{x+dx}q''(x)dx{\bar {n_{i}''}}}$

Dónde:

${\displaystyle \int _{x}^{x+dx}q''(x)dx=\delta q'',\quad {\bar {n_{i}''}}={\frac {n_{i}''(x)+n_{i}''(x+\Delta x)}{2}}}$

${\displaystyle \delta q''={\frac {n'_{i}(x)-n'_{i}(x+\Delta x)}{{\bar {n_{i}''}}-n'_{i}(x+\Delta x)}}q'(x)}$

Por último, el área requerida por unidad de longitud de membrana se puede obtener mediante la siguiente expresión:

${\displaystyle A={\frac {\delta q''}{J_{i}+J_{j}}}}$

Materiales de membrana para la captura de carbono en corrientes de gases de combustión

El material de la membrana juega un papel importante en su capacidad para proporcionar las características de rendimiento deseadas. Es óptimo tener una membrana con una alta permeabilidad y suficiente selectividad y también es importante hacer coincidir las propiedades de la membrana con las de las condiciones de funcionamiento del sistema (por ejemplo, presiones y composición del gas).

Las membranas sintéticas están hechas de una variedad de polímeros que incluyen polietileno , poliamidas , poliimidas , acetato de celulosa , polisulfona y polidimetilsiloxano . ^[7]

Membranas de polímero

Las membranas poliméricas son una opción común para su uso en la captura de CO ₂ de los gases de combustión debido a la madurez de la tecnología en una variedad de industrias, a saber, la petroquímica. La membrana de polímero ideal tiene una alta selectividad y permeabilidad . Las membranas de polímero son ejemplos de sistemas que están dominados por el mecanismo de difusión de solución. Se considera que la membrana tiene agujeros que el gas puede disolver (solubilidad) y las moléculas pueden moverse de una cavidad a otra (difusión). ^[4]

Robeson descubrió a principios de la década de 1990 que los polímeros con una alta selectividad tienen una baja permeabilidad y lo contrario es cierto; los materiales con una selectividad baja tienen una alta permeabilidad. Esto se ilustra mejor en un gráfico de Robeson, donde la selectividad se representa en función de la permeación de CO ₂ . En este gráfico, el límite superior de selectividad es aproximadamente una función lineal de la permeabilidad. Se encontró que la solubilidad en polímeros es mayormente constante pero los coeficientes de difusión varían significativamente y aquí es donde ocurre la ingeniería del material. De manera algo intuitiva, los materiales con los coeficientes de difusión más altos tienen una estructura de poros más abiertos, perdiendo así selectividad. ^{[8] [9]}Hay dos métodos que están utilizando los investigadores para romper el límite de Robeson, uno de ellos es el uso de polímeros vítreos cuya transición de fase y cambios en las propiedades mecánicas hacen que parezca que el material está absorbiendo moléculas y por lo tanto supera el límite superior. El segundo método para ampliar los límites del límite de Robeson es mediante el método de transporte facilitado. Como se indicó anteriormente, la solubilidad de los polímeros suele ser bastante constante, pero el método de transporte facilitado utiliza una reacción química para mejorar la permeabilidad de un componente sin cambiar la selectividad. ^[10]

Membranas nanoporosas

Modelo microscópico de una membrana nanoporosa. El área blanca abierta representa el área a través de la cual puede pasar la molécula y las áreas azul oscuro representan las paredes de la membrana. Los canales de la membrana constan de cavidades y ventanas. La energía de las moléculas en la cavidad es U _c y la energía de una partícula en la ventana es U _w .

Las membranas nanoporosas son fundamentalmente diferentes a las membranas basadas en polímeros en que su química es diferente y no siguen el límite de Robeson por una variedad de razones. La figura simplificada de una membrana nanoporosa muestra una pequeña porción de una estructura de membrana de ejemplo con cavidades y ventanas. La parte blanca representa el área donde la molécula puede moverse y las áreas sombreadas en azul representan las paredes de la estructura. En la ingeniería de estas membranas, el tamaño de la cavidad (L _cy x L _cz ) y la región de la ventana (L _wy x L _wz) se puede modificar para lograr la permeabilidad deseada. Se ha demostrado que la permeabilidad de una membrana es la producción de adsorción y difusión. En condiciones de carga baja, la adsorción se puede calcular mediante el coeficiente de Henry. ^[4]

Si se asume que la energía de una partícula no cambia cuando se mueve a través de esta estructura, solo la entropía de las moléculas cambia según el tamaño de las aberturas. Si primero consideramos los cambios en la geometría de la cavidad, cuanto mayor sea la cavidad, mayor será la entropía de las moléculas absorbidas, lo que hace que el coeficiente de Henry sea mayor. Para la difusión, un aumento de la entropía conducirá a una disminución de la energía libre que a su vez conduce a una disminución del coeficiente de difusión. Por el contrario, cambiar la geometría de la ventana afectará principalmente a la difusión de las moléculas y no al coeficiente de Henry.

En resumen, al utilizar el análisis simplificado anterior, es posible comprender por qué el límite superior de la línea de Robeson no es válido para las nanoestructuras. En el análisis, tanto la difusión como los coeficientes de Henry pueden modificarse sin afectar la permeabilidad del material, que por lo tanto puede exceder el límite superior para las membranas de polímero. ^[4]

Membranas de sílice

Las membranas de sílice son mesoporosas y pueden fabricarse con alta uniformidad (la misma estructura en toda la membrana). La alta porosidad de estas membranas les confiere permeabilidades muy elevadas. Las membranas sintetizadas tienen superficies lisas y se pueden modificar en la superficie para mejorar drásticamente la selectividad. La funcionalización de las superficies de las membranas de sílice con moléculas que contienen aminas (en la superficie, grupos silanol ) permite que las membranas separen el CO ₂ de las corrientes de gases de combustión de manera más eficaz. ^[2] La funcionalización de la superficie (y por lo tanto la química) se puede ajustar para que sea más eficiente para las corrientes de gases de combustión húmedas en comparación con las corrientes de gases de combustión secas. ^[11]Si bien anteriormente las membranas de sílice no eran prácticas debido a su escalabilidad técnica y costo (son muy difíciles de producir de manera económica a gran escala), ha habido demostraciones de un método simple para producir membranas de sílice sobre soportes poliméricos huecos. Estas demostraciones indican que los materiales y métodos económicos pueden separar eficazmente el CO ₂ y el N ₂ . ^{[12] Las} membranas de sílice mesoporosa ordenadas han mostrado un potencial considerable para la modificación de la superficie que permite una fácil separación del CO ₂ . La funcionalización de la superficie con aminas conduce a la formación reversible de carbamatos (durante el flujo de CO ₂ ), aumentando el CO ₂selectividad significativamente. ^[12]

Membranas de zeolita

Una zeolita típica. Las capas delgadas de esta estructura de zeolita cristalina pueden actuar como una membrana, ya que el CO ₂ puede adsorberse dentro de los poros.

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos con una estructura repetida regular de poros de tamaño molecular. Las membranas de zeolita separan moléculas selectivamente en función del tamaño de los poros y la polaridad y, por lo tanto, son altamente ajustables a procesos específicos de separación de gases. En general, las moléculas más pequeñas y aquellas con propiedades de adsorción de zeolita más fuertes se adsorben en membranas de zeolita con mayor selectividad. La capacidad de discriminar basándose tanto en el tamaño molecular como en la afinidad de adsorción hace que las membranas de zeolita sean un candidato atractivo para la separación del CO ₂ de N ₂ , CH ₄ y H ₂ .

Los científicos han descubierto que la entalpía en fase gaseosa (calor) de adsorción en zeolitas aumenta de la siguiente manera: H ₂ <CH ₄ <N ₂ <CO ₂ . ^[13] En general, se acepta que el CO ₂ tiene la mayor energía de adsorción porque tiene el momento cuadrupolo más grande , lo que aumenta su afinidad por los poros de zeolita cargados o polares. A bajas temperaturas, la capacidad de adsorción de la zeolita es grande y la alta concentración de moléculas de CO ₂ adsorbidas bloquea el flujo de otros gases. Por lo tanto, a temperaturas más bajas, el CO ₂penetra selectivamente a través de los poros de la zeolita. Varios esfuerzos de investigación recientes se han centrado en el desarrollo de nuevas membranas de zeolita que maximizan la selectividad del CO ₂ aprovechando los fenómenos de bloqueo a baja temperatura.

Los investigadores han sintetizado membranas de zeolita tipo Y (Si: Al> 3) que logran factores de separación a temperatura ambiente de 100 y 21 para mezclas de CO ₂ / N ₂ y CO ₂ / CH ₄ respectivamente. ^{[14] Las} membranas de tipo DDR y SAPO-34 también se han mostrado prometedoras en la separación de CO ₂ y CH ₄ a una variedad de presiones y composiciones de alimentación. ^{[15] [16]}

Membranas de estructura organometálica (MOF)

Se han producido avances en las estructuras de imidazolato de zeolítico (ZIF), una subclase de estructuras orgánicas metálicas (MOF), que les han permitido ser útiles para la separación de dióxido de carbono de las corrientes de gases de combustión. Se ha realizado un modelado extenso para demostrar el valor de usar MOF como membranas. ^{[17] [18] Los} materiales MOF están basados ​​en adsorción y, por lo tanto, pueden ajustarse para lograr selectividad. ^[19] El inconveniente de los sistemas MOF es la estabilidad en el agua y otros compuestos presentes en las corrientes de gases de combustión. Materiales selectos, como ZIF-8, han demostrado estabilidad en agua y benceno, contenidos que a menudo se encuentran en mezclas de gases de combustión. ZIF-8 se puede sintetizar como una membrana sobre un soporte de alúmina porosa y ha demostrado ser eficaz para separar el CO₂ de las corrientes de gases de combustión. Con una selectividad de CO ₂ / CH ₄ similar a la de las membranas de zeolita tipo Y, las membranas ZIF-8 logran una permeabilidad de CO ₂ sin precedentes , dos órdenes de magnitud por encima del estándar anterior. ^[20]

Estructura de una perovskita. Una membrana consistiría en una capa delgada de la estructura de perovskita.

Membranas de perovskita

La perovskita es un óxido de metal mixto con una estructura cúbica bien definida y una fórmula general de ABO ₃ , donde A es un elemento alcalinotérreo o lantánido y B es un metal de transición . Estos materiales son atractivos para la separación de CO ₂ debido a la capacidad de sintonización de los sitios de metal, así como a su estabilidad a temperaturas elevadas.

La separación de CO ₂ de N ₂ se investigó con una membrana de α-alúmina impregnada con BaTiO ₃ . ^[21] Se encontró que la adsorción de CO ₂ era favorable a altas temperaturas debido a una interacción endotérmica entre el CO ₂ y el material, promoviendo el CO ₂ móvil que mejoraba la tasa de adsorción-desorción de CO ₂ y la difusión en la superficie. Se encontró que el factor de separación experimental de CO ₂ a N ₂ era 1.1-1.2 a 100 ° C a 500 ° C, que es más alto que el límite del factor de separación de 0.8 predicho por la difusión de Knudsen.. Aunque el factor de separación fue bajo debido a los poros observados en la membrana, esto demuestra el potencial de los materiales de perovskita en su química superficial selectiva para la separación de CO ₂ .

Otras tecnologías de membranas

En casos especiales se pueden utilizar otros materiales; por ejemplo, las membranas de paladio permiten el transporte únicamente de hidrógeno. ^[22] Además de las membranas de paladio (que son típicamente aleaciones de plata de paladio para detener la fragilización de la aleación a temperaturas más bajas) también hay un esfuerzo de investigación significativo para encontrar alternativas de metales no preciosos. Aunque la lenta cinética de intercambio en la superficie de la membrana y la tendencia de las membranas a agrietarse o desintegrarse después de varios ciclos de trabajo o durante el enfriamiento son problemas que aún no se han resuelto por completo. ^[23]

Construcción

Las membranas suelen estar contenidas en uno de tres módulos: ^[7]

• Haces de fibras huecas en un módulo metálico
• Paquetes enrollados en espiral en un módulo de metal
• Módulo de placa y marco construido como un intercambiador de calor de placa y marco

Usos

Las membranas se emplean en: ^[1]

• La separación de nitrógeno u oxígeno del aire (generalmente solo hasta el 99,5%)
• Separación de hidrógeno de gases como nitrógeno y metano.
• Recuperación de hidrógeno de corrientes de productos de plantas de amoniaco
• Recuperación de hidrógeno en procesos de refinería de petróleo
• Separación del metano de los demás componentes del biogás.
• Enriquecimiento del aire con oxígeno para fines médicos o metalúrgicos. Uno de los métodos utilizados para la producción comercial de gas respirable nitrox para buceo submarino .
• Enriquecimiento del vacío con nitrógeno en sistemas de inertización diseñados para evitar explosiones en los tanques de combustible.
• Eliminación de vapor de agua del gas natural y otros gases.
  Más información: Secadores de membranas
• Eliminación de SO 2 , CO 2 y H 2 S del gas natural (membranas de poliamida)
• Eliminación de líquidos orgánicos volátiles (VOL) del aire de las corrientes de escape

Separación de aire

El aire enriquecido con oxígeno tiene una gran demanda para una variedad de aplicaciones médicas e industriales, incluidos los procesos químicos y de combustión. La destilación criogénica es la tecnología madura para la separación de aire comercial para la producción de grandes cantidades de oxígeno y nitrógeno de alta pureza. Sin embargo, es un proceso complejo, consume mucha energía y, por lo general, no es adecuado para la producción a pequeña escala. La adsorción por cambio de presión también se usa comúnmente para la separación de aire y también puede producir oxígeno de alta pureza a tasas de producción medias, pero aún requiere un espacio considerable, una alta inversión y un alto consumo de energía. El método de separación de gas de membrana es un proceso sostenible y de impacto ambiental relativamente bajo que proporciona producción continua, operación simple, requisitos de presión / temperatura más bajos y requisitos de espacio compacto.^{[24] [3]}

Estado actual de la captura de CO ₂ con membranas

Se ha realizado una gran cantidad de investigación para utilizar membranas en lugar de absorción o adsorción para la captura de carbono de las corrientes de gases de combustión, sin embargo, no hay corriente ^{[ ¿cuándo? ]} existen proyectos que utilizan membranas. La ingeniería de procesos, junto con los nuevos desarrollos en materiales, han demostrado que las membranas tienen el mayor potencial de reducción de energía y costo en comparación con las tecnologías de la competencia. ^{[4] [10] [25]}

Antecedentes

Hoy en día, las membranas se utilizan para separaciones comerciales que involucran: N ₂ del aire, H ₂ del amoníaco en el proceso Haber-Bosch , purificación de gas natural y suministro de recuperación de petróleo mejorada a nivel terciario . ^[26]

Las operaciones de membrana de una sola etapa involucran una sola membrana con un valor de selectividad. Las membranas de una sola etapa se utilizaron por primera vez en la purificación de gas natural, separando el CO ₂ del metano. ^[26] Una desventaja de las membranas de una sola etapa es la pérdida de producto en el permeado debido a las limitaciones impuestas por el valor de selectividad único. El aumento de la selectividad reduce la cantidad de producto perdido en el permeado, pero tiene el costo de requerir una diferencia de presión mayor para procesar una cantidad equivalente de una corriente de humos. En la práctica, la relación de presión máxima económicamente posible es de alrededor de 5: 1. ^[27]

Para combatir la pérdida de producto en el permeado de la membrana, los ingenieros utilizan "procesos en cascada" en los que el permeado se recomprime y se interconecta con membranas adicionales de mayor selectividad. ^[26] Las corrientes de retenido se pueden reciclar, lo que logra un mejor rendimiento de producto.

Necesidad de un proceso de varias etapas

Los dispositivos de membranas de una sola etapa no son factibles para obtener una alta concentración de material separado en la corriente de permeado . Esto se debe al límite de la relación de presión que es económicamente poco realista exceder. Por lo tanto, se requiere el uso de membranas de múltiples etapas para concentrar la corriente de permeado. El uso de una segunda etapa permite usar menos área de membrana y menos energía. Esto se debe a la mayor concentración que pasa por la segunda etapa, así como al menor volumen de gas que debe procesar la bomba. ^{[27] [10]} Otros factores, como agregar otra etapa que usa aire para concentrar la corriente, reduce aún más el costo al aumentar la concentración dentro de la corriente de alimentación. ^[10] Los métodos adicionales, como la combinación de varios tipos de métodos de separación, permiten variar en la creación de diseños de procesos económicos.

Uso de membranas en procesos híbridos

Los procesos híbridos tienen una larga historia con la separación de gases. ^[28] Normalmente, las membranas se integran en procesos ya existentes, de modo que se pueden adaptar a sistemas de captura de carbono ya existentes.

MTR, Membrane Technology and Research Inc. y UT Austin han trabajado para crear procesos híbridos, utilizando tanto absorción como membranas, para la captura de CO ₂ . Primero, una columna de absorción que usa piperazina como solvente absorbe aproximadamente la mitad del dióxido de carbono en el gas de combustión, luego el uso de una membrana da como resultado una captura del 90%. ^[29] También existe una configuración paralela, con la membrana y los procesos de absorción que ocurren simultáneamente. Generalmente, estos procesos son más efectivos cuando el mayor contenido de dióxido de carbono entra en la columna de absorción de amina. La incorporación de procesos de diseño híbrido permite la adaptación a plantas de energía de combustibles fósiles . ^[29]

Los procesos híbridos también pueden utilizar destilación criogénica y membranas. ^[30] Por ejemplo, el hidrógeno y el dióxido de carbono se pueden separar, primero mediante la separación criogénica de gases, mediante la cual la mayor parte del dióxido de carbono sale primero, luego mediante un proceso de membrana para separar el dióxido de carbono restante, después de lo cual se recicla para nuevos intentos de separación criogénica. ^[30]

Análisis de costos

Costo limita la relación de presión en una membrana CO 2 etapa de separación a un valor de 5; las relaciones de presión más altas eliminan cualquier viabilidad económica para la captura de CO ₂ mediante procesos de membrana. ^{[10] [31]} Estudios recientes han demostrado que los procesos de captura / separación de CO _{2 en} múltiples etapas que utilizan membranas pueden ser económicamente competitivos con tecnologías más antiguas y comunes, como la absorción a base de aminas . ^{[10] [30]} Actualmente, los procesos de absorción basados ​​en membranas y aminas pueden diseñarse para producir una tasa de captura de CO _{2 del} 90% . ^{[25] [10] [31] [32] [29] [30]}Para la captura de carbono en una planta de energía de carbón promedio de 600 MW, el costo de la captura de CO ₂ usando la absorción a base de aminas está en el rango de $ 40-100 por tonelada de CO ₂ , mientras que el costo de la captura de CO ₂ usando la tecnología de membranas actual ( incluyendo los esquemas de diseño de procesos actuales) es de aproximadamente $ 23 por tonelada de CO ₂ . ^[10] Además, ejecutar un proceso de absorción a base de aminas en una central eléctrica de carbón promedio de 600 MW consume aproximadamente el 30% de la energía generada por la central eléctrica, mientras que ejecutar un proceso de membrana requiere aproximadamente el 16% de la energía generada. ^[10] Transporte de CO ₂ (por ejemplo, a sitios de secuestro geológico , o para ser utilizado paraEOR ) cuesta entre 2 y 5 dólares por tonelada de CO ₂ . ^[10] Este costo es el mismo para todos los tipos de procesos de captura / separación de CO ₂ , como la separación y absorción por membranas. ^[10] En términos de dólares por tonelada de CO ₂ capturado , los procesos de membrana menos costosos que se están estudiando en este momento son los procesos de flujo / barrido en contracorriente de múltiples pasos . ^{[25] [10] [31] [32] [29] [30]}

Referencias

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Ver también

• Barrer
• Gas industrial  : materiales gaseosos producidos para su uso en la industria.
• Sistema de soporte vital primario  : dispositivo de soporte vital para un traje espacial
• Tecnología de membranas para la generación de nitrógeno