Método para hacer funcionar un sistema de adsorción por oscilaciones térmicas y aparato correspondiente.

Un método de hacer funcionar un proceso de adsorción por oscilaciones térmicas en el que se eliminan agua y dióxido de carbono por adsorción sobre al me- nos un adsorbente,

que comprende determinar directa o indirectamente uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que comprende agua y dióxido de carbono, comprendiendo dicho método hacer pasar di- cho gas de alimentación a través de una primera parte de adsorbente de un lecho 15, 15'' para eliminar agua y de una segunda parte de un lecho 16, 16'' para eliminar dióxi- do de carbono, seleccionar las condiciones de proceso para la regeneración del al menos un adsorbente del proceso de adsorción por oscilaciones térmicas y hacer pa- sar gas regenerante a través de una válvula 30 de modo que fluya a través de un ca- lentador 28 y a través de la segunda parte del adsorbente del lecho 16, 16'' de manera que una onda térmica atraviese dicha segunda parte del adsorbente, cerrar dicha vál- vula 30 y abrir una segunda válvula 31 de modo que el flujo de gas regenerante no se caliente y entre en la segunda parte de adsorbente y desplace hacia delante el impulso térmico a través de dicha primera parte de adsorbente para desorber agua de una par- te del mismo bajo condiciones de regeneración por adsorción con oscilaciones de la presión, basadas en dichos parámetros, y modificar las condiciones del proceso de regeneración de acuerdo con las condiciones del proceso seleccionadas para la rege- neración, de manera que el agua y el dióxido de carbono adsorbidos sean desorbidos regenerando de este modo el al menos un adsorbente.

Método para hacer funcionar un sistema de adsorción por oscilaciones térmicas y aparato correspondiente.

Esta invención se refiere a un proceso para tratar un gas de alimentación. En particular, la invención se refiere a un proceso para eliminar o al menos reducir la cantidad de dióxido de carbono y agua en un gas de alimentación para adecuarlo al proceso de aguas abajo. La invención es útil especialmente para eliminar dióxido de carbono y agua del aire que se emplea como gas de alimentación en un proceso de separación criogénica o purificación de aire.

El dióxido de carbono es una material gaseoso de temperatura de ebullición relativamente elevada y es necesaria la eliminación de este y de otros materiales de temperatura de ebullición elevada, por ejemplo agua, que pueden estar presentes en un gas de alimentación, cuando la mezcla se ha de tratar posteriormente en un proceso a baja temperatura, por ejemplo criogénico. Si los materiales de temperatura de ebullición relativamente elevada no se eliminan pueden licuarse o solidificarse en el proceso posterior y producir caídas de presión y dificultades de flujo en el proceso de aguas abajo. También puede ser necesario o deseable eliminar materiales peligrosos, por ejemplo materiales explosivos, antes del proceso adicional del gas de alimentación, para reducir el riesgo de que se acumulen en el proceso posterior presentando de este modo un peligro de explosión. Los gases de hidrocarburos, por ejemplo acetileno, pueden presentar un peligro de esta clase.

Son conocidos varios métodos para eliminar dióxido de carbono y agua, de un gas de alimentación, por adsorción sobre un adsorbente sólido que incluyen: adsorción por oscilaciones de la temperatura (temperature swing adsorption-TSA) y adsorción por oscilaciones de la presión (pressure swing adsorption-PSA), adsorción por oscilaciones de la presión y térmicas (thermal pressure swing adsorption-TPSA) y adsorción por oscilaciones de la presión e incrementada térmicamente (thermally enhanced pressure swing adsorption-TEPSA).

Generalmente, en estos procesos se eliminan agua y dióxido de carbono de un gas de alimentación poniendo la mezcla en contacto con uno o más adsorbentes que adsorben agua y dióxido de carbono. El material adsorbente del agua puede ser, por ejemplo, gel de sílice, alúmina o un tamiz molecular, y el material adsorbente del dióxido de carbono típicamente puede ser un tamiz molecular, por ejemplo una ceolita. Es convencional eliminar el agua en primer lugar y después el dióxido de carbono haciendo pasar el gas de alimentación por una sola capa adsorbente o por capas distintas de un adsorbente seleccionado para la adsorción preferencial de agua y dióxido de carbono en una columna. La eliminación hasta una cantidad muy baja del dióxido de carbono, y de otros componentes de temperatura de ebullición elevada, es especialmente deseable para que los procesos de aguas abajo funcionen eficaz-mente.

Después de la adsorción se corta el flujo de gas de alimentación del lecho adsorbente y se expone el adsorbente a un flujo de gas de regeneración que extrae del adsorbente los materiales adsorbidos, por ejemplo dióxido de carbono y agua, y lo regenera de este modo para usarlo de nuevo.

En un proceso de TSA de eliminación de dióxido de carbono y agua se comprime típicamente aire atmosférico usando un compresor principal de aire (main air compressor-MAC), seguido por refrigeración por agua y eliminación, en un separador, del agua condensada de ese modo. El aire puede enfriarse más usando, por ejemplo, glicol etilénico refrigerado. El volumen de agua se elimina en esta etapa por condensación y separación del condensado. Después se hace pasar el gas a un lecho de tamiz molecular o a un sistema mixto de lechos de alúmina/tamiz molecular, donde se eliminan por adsorción el resto de agua y de dióxido de carbono. Usando dos lechos adsorbentes en una disposición en paralelo, uno puede hacerse funcionar en adsorción mientras el otro se está regenerando, y sus funciones se invierten periódicamente en el ciclo operativo. En este caso los lechos adsorbentes funcionan en un modo de oscilaciones térmicas, dedicándose períodos iguales a la adsorción y a la regeneración.

A medida que se adsorbe el componente que se está eliminando del gas de alimentación, mientras el lecho está en línea, el proceso de adsorción generará calor de adsorción, produciendo un impulso térmico que progresa aguas abajo a través del adsorbente. Durante el período de alimentación, o en línea, se permite que el impulso térmico continúe hacia fuera del extremo de aguas abajo del lecho adsorbente. Durante el proceso de regeneración debe suministrarse calor para desorber el componente gaseoso que se ha adsorbido en el lecho. En la etapa de regeneración, para desorber los componentes adsorbidos se usa parte del gas producto, por ejemplo nitrógeno o una corriente residual de un proceso de aguas abajo, y además de calentarse puede comprimirse. El gas caliente se hace pasar después por el lecho que se está regenerando, para eliminar el dióxido de carbono y/o el agua adsorbidos. Convencionalmente, la regeneración se efectúa en dirección contraria a la de la etapa de adsorción.

En un sistema de PSA los tiempos del ciclo normalmente son más cortos que en un sistema de TSA, pero la temperatura y la presión de alimentación y el gas de regeneración suelen ser similares. Sin embargo, en los sistemas de PSA la presión del gas de regeneración es menor que la del gas de alimentación y se usa el cambio de presión para eliminar del adsorbente el dióxido de carbono y el agua. La regeneración se inicia adecuadamente antes de que el impulso térmico, mencionado anteriormente en relación con la TSA, haya llegado al extremo de aguas abajo del lecho. La dirección del impulso térmico se invierte con el proceso de regeneración y el calor que se deriva de la adsorción del componente gaseoso en cuestión, se retiene en el lecho y se usa para desorber ese componente durante la regeneración. En contraste con la TSA se evita tener que calentar el gas de regeneración.

La adsorción por oscilaciones de la presión y térmicas (TPSA) también es adecuada para eliminar dióxido de carbono y agua del gas de alimentación. En un sistema de TPSA el agua típicamente se confina en una zona en la que está dispuesto un medio de adsorción de agua, por ejemplo alúmina activada o gel de sílice. Para la adsorción del dióxido de carbono típicamente se emplea una capa distinta que comprende un tamiz molecular, y convencionalmente están separadas la capa de tamiz molecular y la zona de adsorción de agua. En comparación con un sistema de TSA el agua no entra en la capa de tamiz molecular en un grado significativo que evite, ventajosamente, la necesidad de aportar gran cantidad de energía para desorber el agua de la capa de tamiz molecular. En los documentos US-A-5885650 y US-A-5846295 se describe un proceso de TPSA.

La PSA incrementada térmicamente (TEPSA), igual que la TPSA, utiliza un proceso de regeneración de dos fases en el que el dióxido de carbono, previamente adsorbido, se desorbe mediante TSA y el agua adsorbida se desorbe mediante PSA. En este proceso la desorción se produce suministrando un gas de regeneración a una presión menor que la de la corriente de alimentación y a una temperatura mayor que la de la corriente de alimentación y sustituyendo posteriormente el gas caliente de regeneración por un gas frío de regeneración. El gas regenerante calentado permite extender el tiempo del ciclo, comparado con el de un sistema de PSA, reduciendo de este modo las pérdidas por oscilación porque el calor generado en el lecho por adsorción puede sustituirse en parte por el calor procedente del gas caliente de regeneración. En el documento US-A-5614000 se describe un proceso de TEPSA.

En contraste con la PSA, tanto la TSA, como la TEPSA y la TPSA requieren la aportación de energía térmica mediante calentamiento del gas de regeneración, pero cada procedimiento tiene sus propias ventajas y desventajas características. Típicamente, las temperaturas necesarias en el gas regenerante son suficientemente altas, por ejemplo de 100ºC a 200ºC, en cuanto concierne a los requisitos de la ingeniería del sistema, lo cual aumenta los costes. Típicamente habrá más de un componente gaseoso no deseado que se elimine en el proceso y generalmente uno o más de estos componentes se adsorberán enérgicamente, por ejemplo el agua, y otro mucho más débilmente, por ejemplo el dióxido de carbono. La elevada temperatura...

1. Un método de hacer funcionar un proceso de adsorción por oscilaciones térmicas en el que se eliminan agua y dióxido de carbono por adsorción sobre al menos un adsorbente, que comprende determinar directa o indirectamente uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que comprende agua y dióxido de carbono, comprendiendo dicho método hacer pasar dicho gas de alimentación a través de una primera parte de adsorbente de un lecho 15, 15' para eliminar agua y de una segunda parte de un lecho 16, 16' para eliminar dióxido de carbono, seleccionar las condiciones de proceso para la regeneración del al menos un adsorbente del proceso de adsorción por oscilaciones térmicas y hacer pasar gas regenerante a través de una válvula 30 de modo que fluya a través de un calentador 28 y a través de la segunda parte del adsorbente del lecho 16, 16' de manera que una onda térmica atraviese dicha segunda parte del adsorbente, cerrar dicha válvula 30 y abrir una segunda válvula 31 de modo que el flujo de gas regenerante no se caliente y entre en la segunda parte de adsorbente y desplace hacia delante el impulso térmico a través de dicha primera parte de adsorbente para desorber agua de una parte del mismo bajo condiciones de regeneración por adsorción con oscilaciones de la presión, basadas en dichos parámetros, y modificar las condiciones del proceso de regeneración de acuerdo con las condiciones del proceso seleccionadas para la regeneración, de manera que el agua y el dióxido de carbono adsorbidos sean desorbidos regenerando de este modo el al menos un adsorbente.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que el gas de alimentación se selecciona entre gas de síntesis, gas natural y aire.

3. Un método según la reivindicación 2, en el que el gas de alimentación es aire.

4. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el adsorbente se selecciona entre alúmina, gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y un tamiz molecular.

5. Un método según la reivindicación 4, que comprende un primer adsorbente seleccionado entre gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y alúmina, y un segundo adsorbente aguas abajo que comprende una ceolita.

6. Un método según la reivindicación 5, en el que la ceolita es ceolita X.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de alimentación está a una temperatura de -50 a 80ºC.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la regeneración del adsorbente se lleva a cabo a una temperatura de 80 a 400ºC.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el adsorbente se regenera por medio de un gas de regeneración y la relación molar del gas de regeneración respecto al gas de alimentación es de 0,1 a 0,8.

10. Un método según la reivindicación 9, en el que el gas de regeneración está a una presión de 50000 a 1000000 N/m².

11. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de alimentación está a una presión de 200000 a 4000000 N/m².

12. Un método para la reducción de la cantidad de dióxido de carbono y agua en un gas de alimentación, que comprende pasar el gas de alimentación a una zona de adsorción que contiene un adsorbente, poner en contacto el gas con dicho adsorbente para eliminar agua y dióxido de carbono del gas y hacer pasar el gas empobrecido en agua y dióxido de carbono a un proceso de separación criogénica en el que se recupera al menos uno de los componentes del gas empobrecido en dióxido de carbono y agua, en el que el adsorbente se regenera por calentamiento después de la adsorción según condiciones de regeneración predeterminadas, comprendiendo dicho método determinar directa o indirectamente uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación antes de que entre en contacto con el adsorbente, hacer pasar dicho gas de alimentación a través de una primera parte de adsorbente de un lecho 15, 15' para eliminar agua y de una segunda parte de un lecho 16, 16' para eliminar dióxido de carbono, seleccionar las condiciones de proceso para la regeneración del al menos un adsorbente como respuesta a dichos uno o más parámetros y modificar las condiciones del proceso de regeneración de acuerdo con las condiciones del proceso seleccionadas para la regeneración, hacer pasar gas regenerante a través de una válvula 30 de modo que fluya a través de un calentador 28 y a través de la segunda parte del adsorbente del lecho 16, 16' de manera que una onda térmica atraviese dicha segunda parte del adsorbente, y según las condiciones del proceso seleccionadas cerrar dicha válvula 30 y abrir una segunda válvula 31 de modo que el flujo de gas regenerante no se caliente y entre en el segundo adsorbente y desplace hacia delante el impulso térmico a través de dicha primera parte de adsorbente para desorber agua de una parte del mismo bajo condiciones de regeneración por adsorción con oscilaciones de la presión.

13. Un método según la reivindicación 12, en el que el gas de alimentación se selecciona entre gas natural, gas de síntesis y aire.

14. Un método según la reivindicación 13, en el que el gas de alimentación es aire.

15. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que el adsorbente se selecciona entre alúmina, gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y un tamiz molecular.

16. Un método según la reivindicación 15, que comprende un primer adsorbente seleccionado entre gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y alúmina, y un segundo adsorbente aguas abajo que comprende una ceolita.

17. Un método según la reivindicación 16, en el que la ceolita es ceolita X.

18. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, en el que el gas de alimentación está a una temperatura de -50 a 80ºC.

19. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, en el que la regeneración del adsorbente se lleva a cabo a una temperatura de 80 a 400ºC.

20. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19, en el que el adsorbente se regenera por medio de un gas de regeneración y la relación molar del gas de regeneración respecto al gas de alimentación es de 0,1 a 0,8.

21. Un método según la reivindicación 20, en el que el gas de regeneración está a una presión de 50000 a 1000000 N/m².

22. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 21, en el que el gas de alimentación está a una presión de 200000 a 4000000 N/m².

23. Uso de un aparato de control de procesos para modificar las condiciones del proceso de regeneración en un proceso de TSA en el que se suministra a un adsorbente un gas de alimentación, se adsorben agua y dióxido de carbono sobre el adsorbente empobreciendo de este modo el gas en agua y dióxido de carbono y se regenera el adsorbente poniendo en contacto con el adsorbente un gas calentado de regeneración para desorber al menos parte del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, cuyo aparato comprende medios de control de las condiciones del proceso de regeneración, medios sensores para determinar uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación, y medios de control capaces de recibir información relacionada con dichos uno o más parámetros procedente de los medios sensores, calcular las condiciones de proceso requeridas para suministrar la energía suficiente para efectuar la desorción del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, basándose en la información recibida desde dichos medios sensores, y enviar una señal a los medios de control de las condiciones del proceso de regeneración para modificar las condiciones de proceso de acuerdo con las condiciones calculadas.

24. Uso de un aparato según la reivindicación 23, en el que los medios de control del proceso de regeneración comprenden medios de control de flujo para controlar el flujo del gas de regeneración y/o medios de control de la temperatura para controlar el calentamiento del gas de regeneración.

25. Uso de un aparato en un proceso de TSA en el que se suministra a un adsorbente un gas de alimentación, se adsorben agua y dióxido de carbono sobre el adsorbente empobreciendo de este modo el gas en agua y dióxido de carbono y se regenera el adsorbente poniendo en contacto con el adsorbente un gas calentado de regeneración para desorber al menos parte del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, comprendiendo dicho aparato una primera vasija de adsorción y una segunda vasija de adsorción, un conjunto de entrada del gas de alimentación en comunicación de fluido con ambas vasijas, un conjunto de salida en comunicación de fluido con ambas vasijas, estando dispuestas las vasijas en vías paralelas, medios de control de flujo que permiten que el gas de alimentación atraviese alternativamente cada vasija y salga hacia el conjunto de salida, un conjunto de regeneración que comprende un conducto en comunicación de fluido con el conjunto de salida y un calentador, de modo que puede hacerse pasar alternativamente por las vasijas un gas calentado de regeneración, y el aparato de control del proceso de TSA, según se define en la reivindicación 24, preparado para determinar uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que se suministra al conjunto de entrada y para modificar las condiciones del proceso de regeneración basándose en dichos parámetros.