Sistema y métodos para la separación de gas PSA utilizando un compresor centrífugo con motor de imán permanente de alta velocidad.

Un sistema para separación de gas, que comprende:

al menos un recipiente que contiene al menos un lecho de adsorción (A,

B) que incluye al menos un material de adsorción;

al menos un compresor de alimentación (22) y opcionalmente al menos un compresor de vacío (50), en el que al menos uno del al menos un compresor de alimentación o el al menos un compresor de vacío es un compresor centrífugo impulsado por un motor asociado que comprende un motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) capaz de funcionar a velocidades mayores de 300 RPM; y

medios de controladores (31) para recibir señales de datos para las condiciones en el sistema y para comunicar al motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) que impulsa el al menos un compresor centrífugo (22; 50) en respuesta a las condiciones tales que el al menos un compresor centrífugo puede funcionar a una velocidad diseñada, en la que las condiciones comprenden presión de entrada (P1; P3), presión de salida (P2; P4) y temperatura de entrada (T1; T2) para el al menos un compresor centrífugo (22; 50) y

en el que al menos un lecho (A, B) está configurado para presurización y despresurización cíclica durante el funcionamiento.

Sistema y métodos para la separación de gas PSA utilizando un compresor centrífugo con motor de imán permanente de alta velocidad Campo técnico La presente invención se refiere, en general, a procesos y sistemas de separación de gas utilizando motores de imán permanente de alta velocidad con un control de la velocidad del motor de frecuencia variable y compresores centrífugos para presurizar y/o evacuar recipientes adsorbentes dentro de tales sistemas.

Antecedentes de la Invención Las separaciones de un gas de una mezcla con otros gases son procesos industriales importantes. En tales procesos el objetivo puede ser obtener un producto gaseoso potenciado en un gas particular o un producto a partir del cual se ha retirado un constituyente indeseado del mismo. Por ejemplo, hay procesos a escala comercial para separar aire para obtener nitrógeno, oxígeno y argón y para purificación de aire.

Más específicamente, la separación de aire puede conseguirse utilizando procesos de adsorción, en particular los tipos absorción con presión oscilante (PSA) y absorción con presión oscilante a vacío (VPSA) . En los procesos PSA y VPSA, se bombea aire comprimido a través de un lecho fijo de un adsorbente que presenta una preferencia de adsorción por uno de los constituyentes principales, con lo que se obtiene una corriente de producto efluente potenciada en el constituyente no adsorbido (o menos adsorbido) . En comparación con los procesos criogénicos, los procesos de adsorción para separación de aire requieren un equipo relativamente simple y son relativamente fáciles de mantener. Sin embargo, los procesos de adsorción típicamente tienen una menor recuperación de producto que muchos procesos criogénicos. Por esta razón, las mejoras en los procesos de adsorción siguen siendo objetivos importantes. Un medio principal de mejora es el descubrimiento y desarrollo de mejores adsorbentes. Algunos de tales adsorbentes han conducido a tiempos de ciclo reducidos dentro de un proceso de adsorción dado.

Sigue habiendo una demanda de plantas de PSA y VPSA con menor consumo de potencia. El proceso básico emplea un adsorbente selectivo para retirar al menos un componente de una mezcla de gas, empleando cuatro etapas de proceso básicas: (1) adsorción, (2) despresurización, (3) purga y (4) represurización. La mezcla de gas que contiene el componente más fácilmente adsorbible y un componente menos fácilmente adsorbible se hace pasar a través de al menos un lecho adsorbente capaz de adsorber selectivamente el componente más fácilmente adsorbible a una presión de adsorción (superior) predeterminada. La corriente de gas que sale del lecho a esta presión superior se concentra ahora en el componente menos fácilmente adsorbible y se retira, por ejemplo, como producto. Cuando el lecho queda saturado con el componente fácilmente adsorbible, el lecho posteriormente se despresuriza a una menor presión de desorción para desorber el componente fácilmente adsorbible, y este gas después se descarga del sistema. Algunos procesos pueden incluir etapas adicionales tales como ecualización y presurización del producto.

En el documento US-A-5 555 749 se describe un método y aparato para utilizar un compresor centrífugo durante la parte de escape del ciclo en un recipiente a presión utilizado para separar componentes de una mezcla gaseosa por oscilación de presión o adsorción con oscilación a vacío. La entrada de energía al motor de un compresor de motor accionado eléctricamente se minimiza en el momento en el que se inicia la parte de escape del ciclo, permitiendo la rotación de la rueda del compresor para desacelerar por contacto con los componentes gaseosos adsorbidos hasta que la velocidad de rotación de las ruedas del compresor coinciden con la relación de compresión eficiente para el compresor y reactivando después el motor para aumentar la velocidad de rotación de la rueda del compresor de acuerdo con la curva de mejor eficiencia para dicho compresor hasta que se consigue una relación de presión completa de la salida a la entrada a través de dicho compresor.

En el documento GB-A-2 003 742 se describe un sistema de suministro de fluido que incluye una planta de adsorción con oscilación de presión, por ejemplo suministrando un gas rico en oxígeno a un reactor de lodos activados en una planta de aguas residuales. El producto gaseoso de la planta se suministra al aparato de utilización mediante un compresor a una velocidad dependiente de la demanda de gas, mientras que el gas residual se desorbe de la planta mediante una bomba de vacío. Cuando se utiliza la planta para separar oxígeno de una materia prima de aire la mayor proporción de la potencia consumida por la planta está representada por la bomba de vacío, que tiene que impulsar sustancialmente mayores volúmenes de gas que el compresor de producto. Para economizar la potencia consumida por la planta, la velocidad de suministro de la bomba de vacío se controla por medios que son sensibles a la demanda de la utilización del aparato para el gas producto, de manera que una reducción en la demanda del compresor de producto conduce a una reducción en el consumo de potencia de la bomba de vacío.

Los procesos PSA y VPSA convencionales emplean soplantes de desplazamiento positivo de tipo rotatorio, ya sea para presurización de gas o para evacuación en un lecho adsorbente. Estas soplantes de lóbulos rotativos convencionales típicamente tienen menores eficiencias y mayores costes de mantenimiento que los compresores centrífugos, pero se adaptan bastante bien a la naturaleza oscilatoria de los ciclos de presión oscilante. La Figura 1 muestra un historial de presión ejemplar de una demanda de presión de una soplante de alimentación para un ciclo VPSA y la Figura 2 muestra un historial de presión ejemplar de una demanda de presión de una soplante de vacío

para un ciclo VPSA. Una característica atractiva de las soplantes de lóbulos rotativos relacionada con un proceso de adsorción es que el consumo de potencia es proporcional a los requisitos de presión del sistema. El consumo de potencia teórico de la soplante es directamente proporcional al diferencial de presión del sistema (es decir, tiene una relación lineal entre el consumo de potencia y la presión) . Esta respuesta de potencia lineal respecto a los requisitos de presión del sistema ha hecho que las soplantes de lóbulos rotativos sean el equipo de compresión de elección para la industria de PSA y VPSA. Sin embargo, las soplantes de lóbulos rotativos crean fuertes pulsaciones de presión en el sistema. Sin la mitigación apropiada, se sabe que las pulsaciones de presión de las soplantes de lóbulos rotarios provocan daños estructurales graves en los equipos de proceso aguas abajo. Aunque normalmente se utilizan recipientes que amortiguan la pulsación con soplantes de lóbulos rotativos, estos no eliminan el desajuste completamente, y siempre está presente un nivel de pulsación de presión considerable en el sistema.

En el pasado, se han considerado los compresores centrífugos a velocidades fijas con y sin álabes guía de entrada (IGV) y con un impulsor de frecuencia variable (VFD) para procesos PSA y VPSA debido a su mayor eficiencia cuando se comparan con las soplantes de lóbulos rotativos convencionales. La Figura 3 ilustra una disposición de sistema de compresor centrífugo convencional típico. Una caja de cambios 10 con un sistema de aceite lubricante 11 típicamente es necesaria para convertir la baja velocidad del motor de inducción (IM) 12 a la alta velocidad del compresor centrífugo 1, y el compresor centrífugo necesita funcionar a altas velocidades para una alta eficiencia. Para utilizar más eficazmente los compresores centrífugos en ciclos de presión oscilante altamente dinámicos, es necesario emplear IGV, un control de velocidad variable o una combinación de los dos. A medida que la presión del ciclo PSA o VPSA se desvía de la condición de presión diseñada de un compresor centrífugo de velocidad fija, la eficiencia de fase se deteriora sustancialmente, especialmente cuando se trabaja a relaciones de presión cercanas a 1 (estrangulamiento) . Esto da como resultado un aumento del consumo de la potencia promedio y un deterioro de la eficiencia global promedio del compresor durante el ciclo PSA o VPSA. Sin embargo, variando continuamente las velocidades del compresor para hacer coincidir el requisito de cabeza de ambos lechos adsorbentes de presurización y de evacuación, el compresor puede funcionar teóricamente a sus eficiencias pico desde 100 % de la velocidad de diseño hasta una velocidad sustancialmente menor. El consumo de potencia resultará muy pequeño y, por tanto, la economía de potencia promedio y la eficiencia global del ciclo mejoran drásticamente... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para separación de gas, que comprende:

al menos un recipiente que contiene al menos un lecho de adsorción (A, B) que incluye al menos un material de adsorción; al menos un compresor de alimentación (22) y opcionalmente al menos un compresor de vacío (50) , en el que al menos uno del al menos un compresor de alimentación o el al menos un compresor de vacío es un compresor centrífugo impulsado por un motor asociado que comprende un motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) capaz de funcionar a velocidades mayores de 300 RPM; y medios de controladores (31) para recibir señales de datos para las condiciones en el sistema y para comunicar al motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) que impulsa el al menos un compresor centrífugo (22; 50) en respuesta a las condiciones tales que el al menos un compresor centrífugo puede funcionar a una velocidad diseñada, en la que las condiciones comprenden presión de entrada (P1; P3) , presión de salida (P2; P4) y temperatura de entrada (T1; T2) para el al menos un compresor centrífugo (22; 50) y en el que al menos un lecho (A, B) está configurado para presurización y despresurización cíclica durante el funcionamiento.

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el medio controlador (31) está configurado para determinar la relación de presión (P2/P1; P4/P3) para el al menos un compresor centrífugo (22; 50) y en el que el medio controlador (31) comunica al motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) una velocidad a la cual funcionar como respuesta a la relación de presión (P2/P1; P4/P3) y la temperatura de entrada (T1; T2) para el al menos un compresor centrífugo.

3. El sistema de la reivindicación 1, en el que dicho al menos un compresor centrífugo (22) comprende al menos un compresor de alimentación, comprendiendo además el sistema al menos un segundo compresor de alimentación impulsado por un motor asociado, en el que el al menos un segundo compresor de alimentación es una soplante de lóbulos rotativos y el motor asociado es un motor de inducción.

4. El sistema de la reivindicación 1, en el que dicho al menos un compresor centrífugo (22) comprende al menos un compresor de alimentación, comprendiendo además el sistema al menos un compresor de vacío impulsado por un motor asociado, en el que el al menos un compresor de vacío es una soplante de lóbulos rotativos y el motor asociado es un motor de inducción.

5. El sistema de la reivindicación 1, en el que dicho al menos un compresor centrífugo (22) comprende al menos un compresor de alimentación, comprendiendo además el sistema al menos un compresor centrífugo de vacío (50) y un motor de velocidad variable de imán permanente asociado (51) .

6. El sistema de la reivindicación 5, que comprende además al menos un segundo compresor de vacío impulsado por un motor asociado, en el que el al menos un segundo compresor de vacío es una soplante de lóbulos rotativos y el motor asociado es un motor de inducción.

7. El sistema de la reivindicación 5, en el que dicho el motor asociado (29) de el al menos un compresor centrífugo de alimentación (22) está en comunicación con al menos un impulsor de frecuencia variable (VFD) (33) asociado y el al menos un impulsor de frecuencia variable (VFD) asociado está en comunicación con el medio controlador (31) y en el que el motor (51) asociado de el al menos un compresor centrífugo de vacío (50) está en comunicación con al menos un impulsor de frecuencia variable (VFD) (53) asociado y el al menos un impulsor de frecuencia variable (VFD) asociado está en comunicación con el medio controlador (31) .

8. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el al menos un motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) comprende al menos un motor de velocidad variable de imán permanente de tierras raras.

9. Un proceso para separación de gas, comprendiendo el proceso:

comprimir un gas de alimentación con al menos un compresor de alimentación (22) ; introducir un gas de alimentación en al menos un recipiente que contiene al menos un lecho adsorbente (A, B) que incluye al menos un material adsorbente, comprendiendo el gas de alimentación al menos un componente menos fácilmente adsorbible y al menos un componente más fácilmente adsorbible; hacer pasar el gas a través de al menos un material adsorbente de manera que el componente más fácilmente adsorbible se adsorba por el al menos un material adsorbente; extraer un gas enriquecido en el componente menos fácilmente adsorbible; y extraer opcionalmente un gas enriquecido en el componente más fácilmente adsorbible con al menos un compresor de vacío (50) ; y en el que el al menos un lecho adsorbente (A, B) se presuriza cíclicamente y se despresuriza durante el 11 5

proceso; en el que al menos uno de el al menos un compresor de alimentación (22) o el al menos un compresor de vacío (50) es un compresor centrífugo impulsador por un motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) asociado capaz de funcionar a velocidades mayores de 3600 RPM:

el proceso comprende adicionalmente supervisar el proceso utilizando un medio controlador (31) para recibir señales de datos para condiciones en el sistema y para comunicarlas al motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) asociado con el al menos un compresor centrífugo (22; 50) en respuesta a las condiciones de manera que el al menos un compresor centrífugo puede funcionar a una velocidad diseñada, en el que las condiciones del sistema comprenden presión de entrada (P1; P3) , presión de salida (P2; P4) y temperatura de entrada (T1; T2) para el al menos un compresor centrífugo.

10. El proceso de la reivindicación 9, en el que el medio controlador (31) está configurado para determinar la relación de presión (P2/P1; P4/P3) para el al menos un compresor centrífugo, en el que el medio controlador comunica al motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) asociado con el al menos un compresor centrífugo (22; 50) una velocidad a la cual funcionar como respuesta a la relación de presión (P2/P1; P4/P3) y la temperatura de entrada (T1; T2) para el al menos un compresor centrífugo.

11. El proceso de la reivindicación 10, en el que el motor de velocidad variable de imán permanente (29; 51) asociado con el al menos un compresor centrífugo (22; 50) se acopla directamente con el al menos un compresor centrífugo de manera que el al menos un compresor centrífugo puede funcionar a lo largo de una línea de eficiencia predeterminada.

12. El proceso de la reivindicación 9, en el que:

el gas enriquecido en el componente más fácilmente adsorbible se extrae utilizando al menos un compresor centrífugo de vacío (50) impulsado por un motor de velocidad variable de imán permanente (51) asociado.

13. El proceso de la reivindicación 12, que comprende además supervisar el proceso utilizando un medio controlador

(31) para recibir señales de datos para las condiciones en el sistema y para comunicarse con el motor de velocidad variable de imán permanente (29) asociado con el al menos un compresor centrífugo de alimentación (22) como respuesta a las condiciones, de manera que el al menos un compresor centrífugo puede funcionar a una velocidad diseñada y adicionalmente comprende supervisar el proceso utilizando un medio controlador (31) para recibir señales de datos para las condiciones en el sistema y para comunicarse con el motor de velocidad variable de imán permanente (51) asociado con el al menos un compresor centrífugo de vacío (50) como respuesta a las condiciones, de manera que al menos un compresor centrífugo de vacío pueda funcionar a una velocidad diseñada.

14. El proceso de la reivindicación 13, en el que las condiciones en el sistema comprenden presión de entrada (P1) , presión de salida (P2) y temperatura de entrada (T1) para el al menos un compresor centrífugo de alimentación (22) y en el que las condiciones en el sistema comprenden presión de entrada (P3) , presión de salida (P4) y temperatura de entrada (T2) para el al menos un compresor centrífugo de vacío (50) y en el que el medio controlador (31) está configurado para determinar la relación de presión (P2/P1) para el al menos un compresor centrífugo de alimentación (22) y en el que el medio controlador (31) está configurado para determinar la relación de presión (P4/P3) para el al menos un compresor centrífugo (50) .

15. El proceso de la reivindicación 14, en el que medio controlador (31) comunica al motor de velocidad variable de imán permanente (29) asociado con al menos un compresor de alimentación centrífugo (22) una velocidad a la cual funcionar como respuesta a la relación de presión (P2/P1) y la temperatura de entrada (T1) para el al menos un compresor centrífugo de alimentación (22) y en el que el medio controlador (31) comunica al motor de velocidad variable de imán permanente (51) asociado con el al menos un compresor centrífugo de vacío (50) una velocidad a la cual funcionar como respuesta a la relación de presión (P4/P3) y la temperatura de entrada (T2) para el al menos un compresor centrífugo de vacío (50) .

16. El proceso de la reivindicación 15, en el que el motor de velocidad variable de imán permanente (29) asociado con el al menos un compresor centrífugo de alimentación (22) está acoplado directamente a el al menos un compresor centrífugo de alimentación de manera que el al menos un compresor centrífugo de alimentación puede funcionar a lo largo de una línea de eficiencia predeterminada y en el que el motor de velocidad variable de imán permanente (51) asociado con el al menos un compresor centrífugo de vacío (50) está acoplado directamente a el al menos un compresor centrífugo de vacío de manera que el al menos un compresor centrífugo de vacío puede funcionar a lo largo de una línea de eficiencia predeterminada y en el que el proceso comprende un proceso VPSA.