Proceso de depuración final de biogás.

Proceso de depuración por adsorción de un flujo de alimentación rica en metano y que contiene al menos dióxido de carbono, implementado mediante dos intercambiadores-adsorbedores

(Ads1, Ads2) de tipo carcasa y tubos, que comprende al menos las siguientes etapas:

1) enviar dicho flujo de alimentación a un intercambiador-adsorbedor del tipo carcasa y tubos provisto de un adsorbente en los tubos, y de un fluido térmico refrigerante que circula por la carcasa de dicho intercambiadoradsorbedor para producir un flujo depurado empobrecido (al menos) en dióxido de carbono en comparación con el flujo de alimentación, después

2) hacer circular un fluido térmico caliente en la carcasa para desorber las impurezas retenidas por el adsorbente y regenerar este último,

en el que las etapas 1) y 2) se realizan, alternativamente, en los dos intercambiadores-adsorbedores instalados en paralelo, enviándose el flujo de alimentación a uno de los intercambiadores-adsorbedores mientras que el segundo está en fase de regeneración, después al segundo mientras que el primero está en fase de regeneración, caracterizado por que comprende además, al comienzo de la etapa 2), una etapa de recalentamiento progresivo del intercambiador-adsorbedor que se va a regenerar y, al final de la etapa 2), una etapa de enfriamiento progresivo del intercambiador-adsorbedor regenerado, comprendiendo estas etapas de ajuste progresivo de la temperatura de los intercambiadores-adsorbedores al menos intercambios de fluido térmico entre la carcasa del intercambiadoradsorbedor, al menos dos medios de almacenamiento (S1, S2) - de capacidad de almacenamiento comparable a la capacidad de la carcasa -, que almacenan de forma intermedia el fluido térmico a temperaturas variables y un medio de almacenamiento / calentamiento (C) de una capacidad superior a la capacidad de la carcasa, capaz de asegurar un calentamiento adicional del fluido térmico para la realización de la etapa 2).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/073655.

Solicitante: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 75, QUAI D'ORSAY 75007 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: RENOU,ELISE, BERNHARDT,JEAN-MARC, BRIEND,PIERRE, GRILLOT,DAVID, SAULQUIN,SIMON, WEITTEN,OLIVIER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL > SEPARACION (separación de sólidos por vía húmeda... > Separación de gases o de vapores; Recuperación... > B01D53/04 (con adsorbentes fijos)

PDF original: ES-2528022_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Proceso de depuración final de biogas La presente invención se refiere a un proceso de depuración por adsorción de un flujo de alimentación rica en metano y que contiene al menos dióxido de carbono.

Se refiere, en particular, a la depuración final de biogas, con el fin de producir metano, preferiblemente líquido; en efecto, la licuefacción es un modo de acondicionamiento de metano que permite almacenarlo y transportarlo económicamente.

La fermentación anaerobia (sin oxígeno) de residuos orgánicos libera un gas constituido esencialmente de metano y dióxido de carbono, denominado biogas. Este proceso está en pleno desarrollo, tanto para limitar las emisiones de gas de efecto invernadero a la atmósfera como también para aprovechar el biogas así producido, que es una fuente de energía apreciable.

El biogas está destinado, en particular, a alimentar las turbinas eléctricas o a servir como carburante para vehículos.

A partir de la fermentación anaerobia, el biogas contiene CO2 y CH4, en proporciones respectivas que dependen de la naturaleza de las materias fermentadas; en general, el biogas producido contiene entre 55 y 65% de metano.

El biogas, una vez depurado de su dióxido de carbono, de su agua y de su sulfuro de hidrógeno H2S puede valorizarse como metano, en particular como carburante.

Como se ha mencionado anteriormente, la licuefacción es un modo preferido de acondicionamiento del metano, que se destina a fines de almacenamiento o de transporte. Toda unidad de depuración de biogas que contiene CO2, por lo tanto, requiere incluir en su proceso una purificación final de metano para eliminar, entre otros constituyentes, aquellos que son incompatibles con la licuefacción u otro tratamiento que requiera un paso a temperaturas criogénicas. Será conveniente, en particular, limitar la concentración de CO2 a un contenido máximo en finos inferior a 100 ppm.

La depuración final de metano a partir de biogas con el fin de producir metano líquido recurre a diferentes procesos conocidos del estado de la técnica, que son la adsorción por modulación de presión (pressure swing adsortion, en inglés, o PSA) , la adsorción por modulación de temperatura (temperature swing adsortion, en inglés, o TSA) , o el lavado con aminas.

Estas técnicas habituales de adsorción recurren a la regeneración de adsorbentes que tienen grandes cantidades de gas. Sin embargo, los sitios de producción de biogas (digestor, descargas, ...) , en general no disponen de grandes cantidades de gas propias (N2, CH4 puro) para la regeneración de los adsorbedores.

Por otro lado, cuando la cantidad de CO2 en el biogas es significativa, (>1%) , la exotermia de la adsorción calienta el adsorbente, degradando así su capacidad de adsorción y, por lo tanto, es esencial disponer de un enfriamiento eficaz; después de la regeneración del adsorbente, ocurre lo contrario, para la desorción de las impurezas hay que aportar una gran cantidad de calor.

La circulación en bucle cerrado con recalentamiento durante la fase de regeneración no es eficaz por que el gas en circulación se carga muy rápidamente de impurezas (CO2) y distribuye las impurezas por la totalidad del lecho de adsorbente. El porcentaje residual de impurezas es entonces demasiado elevado para conseguir una calidad de gas compatible con la licuefacción (< 100 ppm) . Es necesario un gas de lavado.

Para poder producir metano purificado trabajando con una instalación en continuo, se utiliza de forma conocida dos adsorbedores en paralelo, uno en fase de adsorción, mientras que el otro está en fase de desorción.

A partir del documento US2008 / 0289497 se conoce un sistema para purificar metano en lugar de licuarlo, y especialmente para eliminar el CO2, utilizando tres adsorbentes. Mientras que uno está en fase de adsorción, el segundo está en fase de desorción, y el tercero se está enfriando; la presencia de tres adsorbedores permite transferencias de calor.

El documento FR-A-818151 divulga un proceso de adsorción con transferencias de calor durante la fase de adsorción y durante la fase de desorción.

Aunque el sistema anterior permite limitar el aporte de energía exterior, sin embargo requiere utilizar tres adsorbedores en paralelo, que generan costes complementarios en comparación con una instalación clásica que utiliza dos adsorbedores. Por lo tanto, el problema que surge es proponer una solución para depurar metano impuro, especialmente a partir de biogas, de manera que se produzca metano de pureza compatible con la licuefacción, limitando al mismo tiempo los costes, tanto en términos de inversión como en términos de operación â?" sin el tercer adsorbedor, el consumo de servicios, en particular de energía, se reduce.

Por metano impuro, (o flujo rico en metano) , se entiende el metano con un contenido en CO2 inferior al 5%,

preferiblemente inferior al 2%.

Por metano purificado (o metano de pureza compatible con la licuefacción) , se entiende, según la invención el metano que presenta un contenido de dióxido de carbono inferior a 100 ppm, preferiblemente inferior a 50 ppm.

Según un objeto de la invención, se propone un proceso de depuración por adsorción de un flujo de alimentación rica en metano y que contiene al menos dióxido de carbono, implementando dos intercambiadores-adsorbedores (Ads1, Ads2) de tipo carcasa y tubos, que comprende al menos las siguientes etapas:

1) enviar dicho flujo de alimentación a un intercambiador-adsorbedor del tipo carcasa y tubos provisto de un adsorbente en los tubos, y de un fluido térmico refrigerante que circula por la carcasa de dicho intercambiadoradsorbedor para producir un flujo depurado empobrecido (al menos) en dióxido de carbono en comparación con el flujo de alimentación, después 2) hacer circular un fluido térmico caliente en la carcasa para desorber las impurezas retenidas por el adsorbente y regenerar este último, en el que las etapas 1) y 2) se realizan alternativamente, en los dos intercambiadores-adsorbedores instalados en paralelo, enviándose el flujo de alimentación a uno de los intercambiadores-adsorbedores mientras que el segundo está en fase de regeneración, después al segundo mientras que el primero está en fase de regeneración, y que comprende, antes de la etapa 2) , una etapa de recalentamiento progresivo del intercambiadoradsorbedor que se va a regenerar, y al final de la etapa 2) una etapa de enfriamiento progresivo del intercambiadoradsorbedor regenerado, comprendiendo estas etapas de ajuste progresivo de la temperatura de los intercambiadores-adsorbedores al menos intercambios de fluido térmico entre la carcasa del intercambiadoradsorbedor, al menos dos medios de almacenamiento (S1, S2) -de capacidad de almacenamiento comparable a la capacidad de la carcasa -, que almacenan de forma intermedia el fluido térmico a temperaturas variables, y un medio de almacenamiento / calentamiento (C) de una capacidad superior a la capacidad de la carcasa, capaz de asegurar un calentamiento adicional del fluido térmico para la realización de la etapa 2) .

La tecnología propuesta para los dos intercambiadores-adsorbedores es del tipo intercambiador de carcasa y tubos que contiene el adsorbente en los tubos y un fluido térmico que circula por la carcasa. La ventaja es aprovechar, a través de la superficie de los tubos, una gran capacidad de intercambio de calor indispensable para la alternancia de los regímenes térmicos de funcionamiento del proceso.

La asociación de los dos intercambiadores-adsorbedores instalados en paralelo que funcionan el uno en fase de adsorción, mientras que el otro está en fase de regeneración, asegura la producción continua de gas depurado. A lo largo de toda la fase... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Proceso de depuración por adsorción de un flujo de alimentación rica en metano y que contiene al menos dióxido de carbono, implementado mediante dos intercambiadores-adsorbedores (Ads1, Ads2) de tipo carcasa y tubos, que comprende al menos las siguientes etapas:

1) enviar dicho flujo de alimentación a un intercambiador-adsorbedor del tipo carcasa y tubos provisto de un adsorbente en los tubos, y de un fluido térmico refrigerante que circula por la carcasa de dicho intercambiadoradsorbedor para producir un flujo depurado empobrecido (al menos) en dióxido de carbono en comparación con el flujo de alimentación, después 2) hacer circular un fluido térmico caliente en la carcasa para desorber las impurezas retenidas por el adsorbente y regenerar este último, en el que las etapas 1) y 2) se realizan, alternativamente, en los dos intercambiadores-adsorbedores instalados en paralelo, enviándose el flujo de alimentación a uno de los intercambiadores-adsorbedores mientras que el segundo está en fase de regeneración, después al segundo mientras que el primero está en fase de regeneración, caracterizado por que comprende además, al comienzo de la etapa 2) , una etapa de recalentamiento progresivo del intercambiador-adsorbedor que se va a regenerar y, al final de la etapa 2) , una etapa de enfriamiento progresivo del intercambiador-adsorbedor regenerado, comprendiendo estas etapas de ajuste progresivo de la temperatura de los intercambiadores-adsorbedores al menos intercambios de fluido térmico entre la carcasa del intercambiadoradsorbedor, al menos dos medios de almacenamiento (S1, S2) -de capacidad de almacenamiento comparable a la capacidad de la carcasa -, que almacenan de forma intermedia el fluido térmico a temperaturas variables y un medio de almacenamiento / calentamiento (C) de una capacidad superior a la capacidad de la carcasa, capaz de asegurar un calentamiento adicional del fluido térmico para la realización de la etapa 2) .

2. Proceso según la reivindicación 1, en el que el fluido térmico es agua.

3. Proceso según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el recalentamiento progresivo del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) al comienzo de la etapa de regeneración comprende al menos las etapas de:

antes del recalentamiento:

(i) proporcionar:

o fluido térmico frío en la carcasa del intercambiador-adsorbedor a una temperatura inferior a o del orden de la temperatura ambiente,

o fluido térmico caliente en el primer medio de almacenamiento (S1) a una temperatura superior a 110º C,

o fluido térmico templado en el segundo medio de almacenamiento (S2) a una temperatura comprendida entre 70º C y 110º C, preferiblemente entre 80º C y 100º C,

o fluido térmico caliente en el medio de almacenamiento / calentamiento a una temperatura superior a 115º C, preferiblemente del orden de 130º C,

(ii) hacer circular fluido térmico frío en la carcasa del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) en fase de adsorción según la etapa 1) para asegurar el mantenimiento del frío durante dicha etapa 1) ,

recalentamiento progresivo por:

(iii) intercambo, al final de la etapa 1) del fluido térmico frío presente en la carcasa del segundo intercambiadoradsorbedor (Ads2) con el fluido térmico templado contenido en el segundo medio de almacenamiento (S2) ; por tanto, el segundo medio de almacenamiento (S2) contiene entonces fluido térmico frío,

(iv) recalentamiento del fluido térmico contenido en la carcasa del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) por intercambio de calor a través de un intercambiador (12) hasta una temperatura de fluido térmico templado comprendida entre 80º C y 105º C, preferiblemente del orden de 100º C,

(v) intercambio del fluido térmico templado contenido en la carcasa del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) después de la etapa (iv) con el fluido térmico caliente contenido en el primer medio de almacenamiento (S1) ,

(vi) recalentamiento del fluido térmico caliente presente en la carcasa del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) por circulación de fluido térmico entre la carcasa y el medio de almacenamiento / calentamiento (C) hasta el fin de la regeneración según la etapa 2) .

4. Proceso según la reivindicación 3, en el que el enfriamiento progresivo del primer intercambiador-adsorbedor regenerado (Ads1) , después de la etapa 2) y antes de la adsorción según la etapa 1) comprende al menos las etapas de:

antes del enfriamiento:

(vii) proporcionar:

o fluido térmico caliente en la carcasa del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) a una temperatura de fluido caliente superior a 110º C, preferiblemente entre 115º C y 130º C, o fluido térmico en el primer medio de almacenamiento (S1) a una temperatura del agua del orden de 100º C a 110º C

o fluido térmico frío en el segundo medio de almacenamiento (S2)

o fluido térmico caliente en el medio de almacenamiento / calentamiento (C) a una temperatura superior a 115º C, preferiblemente del orden de 130º C,

y enfriamiento progresivo incluyendo (viii) intercambiar el fluido térmico presente en la carcasa del segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) con el fluido térmico del primer medio de almacenamiento (S1) ; este (S1) contiene entonces agua caliente, (ix) intercambiar el fluido templado contenido en el segundo intercambiador-adsorbedor (Ads2) con el fluido frío contenido en el segundo medio de almacenamiento (S2) , (x) recalentar el agua contenida en el segundo medio almacenamiento (S2) mediante un medio de calentamiento HX para reconstituir el almacenamiento de agua templada según la etapa (i) , (xi) enfriar continuamente el Ads2 mediante el fluido térmico frío.

5. Proceso según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el fluido frío se retiene en el sistema de enfriamiento general del sitio.

6. Proceso según una de las reivindicaciones precedentes caracterizado por que durante la etapa 2) , las impurezas se retiran del adsorbente por bombeo a vacío de forma que se asocia una modulación de presión a la modulación de temperatura.

7. Proceso según la reivindicación 6, en el que se inyecta un gas inerte en el lado opuesto a la bomba de vacío para diluir la fracción de impurezas en el gas desorbido y reducir así su presión parcial.

8. Proceso según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que la adsorción se realiza a una presión comprendida entre 7 y 15 bares, y la reducción de presión del intercambiador-adsorbedor se realiza al mismo tiempo que el enfriamiento.

9. Proceso según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el medio de almacenamiento / calentamiento (C) se calienta mediante una resistencia eléctrica de calentamiento.