Установка абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа

Изобретение относится к области извлечения углекислого газа из воздуха, изменившегося вследствие жизнедеятельности людей, работы технических устройств и др. Установка включает подсистемы абсорбции и десорбции, где подсистема абсорбции содержит в рабочем пространстве перфорированный трубопровод для подачи потока очищаемого воздуха на спиралевидную насадку, увеличивающую поверхность контакта воздух/абсорбент, с выходным патрубком системы вентиляции в верхней части рабочего пространства, а подсистема десорбции выполнена как электрохимический десорбер, состоящий из трехкамерных электрохимических ячеек, с двумя катионообменными мембранами, разделяющими рабочее пространство на катодную камеру, камеру декарбонизации и анодную камеру, с возможностью принудительной подачи прореагировавшего раствора поглотителя в катодную камеру и камеру декарбонизации, с выходами из катодной камеры водорода и раствора поглотителя в сепаратор фазового разделения и последующей подачей раствора поглотителя на распылительную форсунку абсорбера, а компримированного водорода по трубопроводу, содержащему клапан «до себя», в анодную камеру, с выходами из камеры декарбонизации углекислого газа и воды в сепаратор фазового разделения и последующей подачей воды в сборную емкость абсорбера, а компримированного углекислого газа по трубопроводу, содержащему клапан «до себя», в систему утилизации углекислого газа. Технический результат - обеспечение низких виброшумовых характеристик установки, повышение степени извлечения углекислого газа из воздуха и обеспечение возможности компримировать углекислый газ. 1 ил.

 

Изобретение относится к области извлечения углекислого газа из воздуха, изменившегося вследствие жизнедеятельности людей, работы технических устройств и др., и может найти применение в системах регенерации воздуха в герметизированных помещениях, химической и других отраслях промышленности.

Улавливание углекислого газа из воздуха при помощи абсорбции хорошо известно, и его используют в течение десятилетий, например, с целью восстановления нормального химического состава воздуха в герметизированных помещениях, химической, космической и других отраслях промышленности. Поглотители, применяемые или предлагаемые в соответствии с существующим уровнем техники, включают различные водные щелочные растворы, такие как карбонат калия или натрия, например, по патенту РФ №2091095 (опубл. 27.09.1997 г.). Данный способ очистки воздуха от диоксида углерода в обитаемом отсеке объекта коллективной защиты осуществляется путем абсорбции двуокиси углерода щелочным раствором, охлаждения очищенного воздуха с последующей подачей обогащенного кислородом воздуха в обитаемый отсек объекта и отличается тем, что абсорбцию двуокиси углерода проводят щелочным раствором элементов второй группы в присутствии кристаллизатора, представляющего собой твердые частицы карбонатов, при этом над поверхностью раствора располагают металлизированную шихту для осаждения капелек барботируемого воздухом щелочного раствора, которым связывают не успевшую прореагировать в растворе двуокись углерода, а перед охлаждением его осушают. Способ требует использования металлической шихты, что делает установку на его основе в целом громоздкой, а процесс осушки и охлаждения слишком энергозатратным.

В качестве аналога изобретения служит установка для концентрирования диоксида углерода, извлекаемого из атмосферы, по патенту РФ №98938 (опубл. 10.11.2010 г.), в соответствии с которым концентрирование диоксида углерода производят на диффузионных мембранах с последующей подачей образовавшегося раствора в десорбер, к которому подведены газоотводные трубки, ведущие в водородно-кислородный топливный элемент, функцией которого является окисление образовавшегося водорода и выработка электроэнергии. Данный вариант установки работает следующим образом: поток очищаемого воздуха из атмосферы замкнутого обитаемого объекта с помощью воздуходувки подается в абсорбер, представляющий из себя мембранный диффузионный аппарат, при этом воздух продувается с одной стороны мембраны, а поглощающий углекислый газ раствор щелочи циркулирует с другой стороны мембраны. За счет диффузии через стенку мембраны углекислый газ поглощается щелочью с образованием карбонатных и бикарбонатных солей. На выходе из абсорбера очищенный от углекислого газа воздух подается в атмосферу обитаемого объекта, а полученный раствор солей с помощью жидкостного насоса прокачивается через десорбер, представляющий собой электролизер, где из раствора солей выделяется углекислый газ, а из воды - водород и кислород. Полученные водород, кислород и углекислый газ направляются в водородно-кислородный топливный элемент, где происходит окисление водорода, и далее углекислый газ и пары воды направляются в систему утилизации.

Недостатками данного изобретения являются: низкая эффективность работы абсорбера вследствие неравномерности прохождения потока очищаемого воздуха через стенки мембраны; наличие насосов высокого давления, существенно повышающих виброшумовые характеристики установки, наличие топливного элемента, существенно снижающего ресурс работы системы и усложняющего ее конструкцию, необходимость использования дополнительных преобразователей электрической энергии для ее возврата; наличие дополнительных газов, выделяющихся в камере электролизера и образующих взрывоопасные смеси.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является:

создание простой, безопасной установки абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа с увеличенным ресурсом работы, низкими виброшумовыми характеристиками и повышенной степенью извлечения углекислого газа из воздуха, при этом позволяющей компримировать углекислый газ.

Заявленный технический результат достигается тем, что установка абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа, содержащая подсистему абсорбции, включающую входной патрубок вентилятора, подающего поток очищаемого воздуха, выходной патрубок системы вентиляции, распылительную форсунку подачи раствора поглотителя в поток очищаемого воздуха; емкость для сбора прореагировавшего раствора поглотителя, соединенную с подсистемой десорбции, трубопроводами с функцией принудительной циркуляции используемых реагентов, отличается тем, что

кроме того, подсистема абсорбции может содержать в рабочем пространстве абсорбера перфорированный трубопровод для подачи потока очищаемого воздуха на спиралевидную насадку, увеличивающую поверхность контакта воздух/абсорбент, с выходным патрубком системы вентиляции в верхней части рабочего пространства,

кроме того, подсистема десорбции может быть выполнена как электрохимический десорбер, состоящий из трехкамерных электрохимических ячеек, с двумя катионообменными мембранами, разделяющими рабочее пространство на катодную камеру, камеру декарбонизации и анодную камеру, с возможностью принудительной подачи прореагировавшего раствора поглотителя в катодную камеру и камеру декарбонизации,

с выходами из катодной камеры водорода и раствора поглотителя в сепаратор фазового разделения и последующей подачей раствора поглотителя на распылительную форсунку абсорбера, а компримированного водорода по трубопроводу, содержащему клапан «до себя», в анодную камеру,

с выходами из камеры декарбонизации углекислого газа и воды в сепаратор фазового разделения и последующей подачей воды в сборную емкость абсорбера, а компримированного углекислого газа по трубопроводу, содержащему клапан «до себя», в систему утилизации углекислого газа.

Сущность заявленного изобретения поясняется на фиг. 1, где представлена функциональная схема установки абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа.

Основными узлами установки абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа являются подсистема абсорбции и подсистема электрохимической десорбции. Подсистема абсорбции состоит из вентилятора 1, патрубка 2 входного, абсорбера 3, насадки 4, форсунки 5, емкости 6 сборной, патрубка 7 выходного. Подсистема электрохимической десорбции состоит из ячейки 8 трехкамерной электрохимической с двумя мембранами 9 катионообменными, разделяющими ячейку на камеру 10 катодную, камеру 11 декарбонизации и камеру 12 анодную, насоса 13 электрохимического, сепаратора 16 фазового разделения, клапана «до себя» 18, сепаратора 20 фазового разделения, клапана «до себя» 22.

Также установка абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа включает трубопровод 14, трубопровод 15, трубопровод 17, трубопровод 19, трубопровод 21.

Установка абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа работает следующим образом.

Вентилятор 1 подает воздух с повышенным содержанием углекислого газа через патрубок 2 в абсорбер 3, содержащий насадку 4 и форсунку 5, через которую на насадку 3 распыляется раствор поглотителя, взаимодействующий с углекислым газом в соответствии со следующей химической реакцией:

CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O.

Образовавшийся водный раствор карбоната калия сливается в емкость 6 сборную абсорбера 3.

Очищенный воздух через патрубок 7 выходной поступает в систему вентиляции герметизированного помещения.

Из емкости 6 сборной водный раствор карбоната калия с помощью насоса 13 электрохимического по трубопроводу 14 подается в камеру 10 катодную и камеру 11 декарбонизации ячейки 8 трехкамерной электрохимической с двумя мембранами 9 катионообменными подсистемы электрохимической десорбции, в которой происходит его электрохимическая регенерация до водного раствора гидроксида калия и выделение углекислого газа.

Электрохимическая регенерация осуществляется в десорбере следующим образом:

- в камере 12 анодной происходит образование ионов водорода H⁺ по реакции: Н₂-2е^-=2Н⁺;

- ионы водорода H⁺ переходят через мембрану 9 катионообменную в камеру 11 декарбонизации и замещают в карбонате калия ионы K⁺, в результате чего образуется угольная кислота H₂CO₃, которая разлагается на углекислый газ и воду: H₂CO₃=CO₂+H₂O;

- одновременно с этим из камеры 11 декарбонизации в камеру 10 катодную через мембрану 9 катионообменную переходят ионы калия K⁺;

- в катодном процессе происходит разложение воды: 2H₂O+2е^-=H₂+2OH^-, т.е. образуется водород и гидроксид-ионы OH^-;

- ионы калия K⁺ соединяются с гидроксид-ионами OH^-, образуя KOH: K⁺+OH^-=KOH.

Образовавшийся в камере 11 декарбонизации углекислый газ и вода собираются в сепараторе 16 фазового разделения, где углекислый газ компримируется с помощью клапана «до себя» 18 и по трубопроводу 17 поступает в систему утилизации углекислого газа, а вода поступает по трубопроводу 19 в емкость 6 сборную абсорбера 3.

Образовавшийся в камере 10 катодной водород и водный раствор гидроксида калия собираются в сепараторе 20 фазового разделения, где водород компримируется с помощью клапана «до себя» 22 и по трубопроводу 21 поступает в камеру 12 анодную, а водный раствор гидроксида калия (поглотитель) поступает по трубопроводу 15 в форсунку 5 абсорбера 3 для поглощения углекислого газа.

К технико-экономическим преимуществам данного изобретения относится способность компримировать углекислый газ, таким образом, появляется возможность отказаться от компрессоров, необходимых для подачи углекислого газа в систему утилизации, что позволяет существенно понизить как стоимость установки, так и ее виброшумовые характеристики.

Установка абсорбции и электрохимической десорбции углекислого газа, содержащая подсистему абсорбции, включающую входной патрубок вентилятора, подающего поток очищаемого воздуха, выходной патрубок системы вентиляции, распылительную форсунку подачи раствора поглотителя в поток очищаемого воздуха; емкость для сбора прореагировавшего раствора поглотителя, соединенную с подсистемой десорбции, трубопроводами с функцией принудительной циркуляции используемых реагентов, отличающаяся тем, что

- подсистема абсорбции содержит в рабочем пространстве перфорированный трубопровод для подачи потока очищаемого воздуха на спиралевидную насадку, увеличивающую поверхность контакта воздух/абсорбент, с выходным патрубком системы вентиляции в верхней части рабочего пространства,

- подсистема десорбции выполнена как электрохимический десорбер, состоящий из трехкамерных электрохимических ячеек, с двумя катионообменными мембранами, разделяющими рабочее пространство на катодную камеру, камеру декарбонизации и анодную камеру, с возможностью принудительной подачи прореагировавшего раствора поглотителя в катодную камеру и камеру декарбонизации,

с выходами из катодной камеры водорода и раствора поглотителя в сепаратор фазового разделения и последующей подачей раствора поглотителя на распылительную форсунку абсорбера, а компримированного водорода по трубопроводу, содержащему клапан «до себя», в анодную камеру,

с выходами из камеры декарбонизации углекислого газа и воды в сепаратор фазового разделения и последующей подачей воды в сборную емкость абсорбера, а компримированного углекислого газа по трубопроводу, содержащему клапан «до себя», в систему утилизации углекислого газа.