Control de flujo en sistemas de adsorción por oscilación de presión.

Un procedimiento para controlar un flujo de un gas en un sistema de adsorción por oscilación de presión,

quecomprende las etapas de:

dirigir el gas desde una primera vasija hasta una segunda vasija y

obtener un perfil predeterminado del caudal del flujo entre la primera y la segunda vasijas;

en el que la etapa de obtención incluye introducir un primer impulso en el flujo mediante la apertura y cierre de unaprimera válvula de manera alternativa,

en el que la etapa de obtención incluye adicionalmente posicionar un primer elemento de restricción poroso de flujoentre la primera y la segunda vasijas de tal modo que una combinación del primer impulso y de un efecto derestricción del flujo del elemento de restricción poroso de flujo consiga el perfil de caudal predeterminado, yen el que el elemento de restricción poroso de flujo está fabricado con polvo de metal sinterizado.

Control de flujo en sistemas de adsorción por oscilación de presión

Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a sistemas de tratamiento de fluidos y más en particular, al control de flujo en un sistema de adsorción por oscilación de presión.

Análisis de los antecedentes La adsorción por oscilación de presión (PSA) es un proceso comúnmente utilizado para la purificación de gases. Entre otras aplicaciones, la PSA se utiliza para separar oxígeno y nitrógeno del aire, para separar helio puro del gas natural y para purificar el hidrógeno de las mezclas de gas “reformado”. Los procesos de PSA más eficientes utilizan múltiples vasijas (también denominadas lechos) que interactúan a través de numerosas etapas para producir un producto continuamente y a alta presión.

Un ciclo de PSA normal incluye una etapa de producción en la que el gas fluye hacia la vasija a alta presión y se adsorben ciertas especies del gas mientras que las especies del producto pasan a través de la columna. Tras la etapa de producción, se utilizan etapas de igualación de presión para transferir a otras vasijas del sistema el gas producto presente en el espacio vacío de una vasija a alta presión. Estas etapas de igualación de presión preservan la energía de presión del sistema y mejoran la recuperación del producto. El gas producto de una vasija también puede utilizarse para purgar otra vasija. El producto puro de la vasija que proporciona el gas de purga recorre la vasija que se está purgando a baja presión y en el proceso, desorbe y elimina los gases contaminantes que han sido adsorbidos durante la etapa de producción, limpiando así la vasija. Una vez que la vasija ha proporcionado gas de purga para limpiar otra vasija, es sometida a una etapa de “evacuación” en la que se reduce rápidamente la presión de la vasija para desorber parte de los gases contaminantes. Luego se purga la vasija y vuelve a presurizarse con gases de otras vasijas. En este momento el lecho adsorbente ha completado su ciclo de oscilación de presión y está listo para comenzar a producir gas nuevamente. Se han ideado numerosos ciclos de oscilación de presión utilizando dos o más lechos adsorbentes y todos ellos utilizan alguna variante de las etapas anteriormente descritas.

En todas las etapas del ciclo de PSA, es importante controlar el caudal de gases que entran y salen de las vasijas y proporcionar una buena distribución de flujo dentro de cada vasija. El control del caudal en las vasijas es necesario para equilibrar la adsorción y la cinética de difusión con la tasa de producción y para evitar la fluidización de las partículas adsorbentes y los choques de presión dentro de las vasijas. Además, uno de los factores más importantes relacionados con el flujo en todos los procesos de PSA es el coeficiente de purga/alimentación. Este coeficiente normalmente está definido como el volumen real de gas de purga utilizado frente al volumen real de gas de alimentación. El coeficiente de purga/alimentación afecta tanto a la pureza del producto como a la recuperación del producto, dado que los coeficientes de purga/alimentación más elevados indican que se está utilizando más gas para limpiar el lecho y por lo tanto aumenta la pureza del producto en detrimento de la recuperación del producto.

Una manera de aumentar el coeficiente de purga/alimentación y de mantener la recuperación del producto es reducir la presión en la vasija que se está purgando. Reducir la presión disminuye las concentraciones de contaminantes en la superficie de equilibrio y proporciona mayores intercambios de volumen en la vasija purgada para el mismo 45 número de moles de gas de purga. Por lo tanto, resulta ventajoso mantener una baja presión en la vasija de purga para obtener buenas purezas de producto con elevadas recuperaciones. Dado que la vasija que proporciona el gas de purga está a alta presión, si no se toman medidas para controlar el flujo de esta vasija hacia la vasija que se está purgando, la etapa de purga tendrá una presión inicial elevada y por lo tanto una efectividad reducida.

Algunos sistemas de PSA emplean válvulas proporcionales, válvulas reguladoras de presión, o válvulas de ajuste manual para reducir el flujo entre la vasija que está proporcionando el gas de purga y la vasija que se está purgando. Así, la presión del gas se reduce antes de entrar en la vasija que se está purgando. Las válvulas ajustables añaden un coste extra a los sistemas de PSA y requieren ajustes extensivos para optimizar la actuación. El ajuste de las válvulas ajustables resulta especialmente difícil y consume mucho tiempo en el caso de gases producto con bajo 55 peso molecular, tales como el hidrógeno, dado que los pequeños cambios en la carrera de la válvula suponen grandes cambios en el caudal.

En ausencia de las válvulas reductoras de presión utilizadas en algunos sistemas de PSA, el gas de la vasija que está proporcionando gas de purga fluye rápidamente hacia la vasija que se está purgando, normalmente expandiéndose a través de uno o más choques fluidos y eventualmente estrangulándose por las tuberías de la vasija. Esto puede hacer que se equilibren las presiones de las dos vasijas de manera poco ventajosa, causando por lo tanto dos fenómenos no deseados diferentes. En primer lugar, la alta presión resultante en la vasija que se está purgando limita el grado termodinámicamente viable de desorción de las impurezas adsorbidas, reduciendo así la cantidad de desorción conseguida por mol de gas de purga. En segundo lugar, el rápido descenso de la presión de 65 la vasija que está proporcionando el gas de purga provoca una repentina desorción, particularmente indeseable, de las impurezas adsorbidas, que inevitablemente son transportadas hacia la vasija que se está purgando. Luego, estas impurezas se adsorben cerca del extremo de salida crítica de producto de la vasija que se está purgando y se someten a liberación durante las subsiguientes etapas de producción, reduciendo por lo tanto significativamente la pureza del producto.

Por lo tanto, no resulta deseable permitir que la vasija que está proporcionando el gas de purga descargue rápidamente su contenido hacia la vasija que se está purgando. De la misma manera, no resulta deseable utilizar las válvulas reguladoras de presión descritas en algunos sistemas de PSA, dado que añaden complejidad al sistema. Las válvulas de estrangulación, aunque menos complejas que las válvulas reguladoras de presión, tampoco son deseables dado que requieren un alto grado de ajuste para cada sistema de PSA. Este ajuste no resulta ventajoso en los sistemas de PSA producidos en serie, dado que el proceso requiere comprobaciones y calibraciones que consumen mucho tiempo. Estos problemas se concentran especialmente en los sistemas de PSA de purificación de hidrógeno, dado que el hidrógeno tiene una viscosidad extremadamente baja y una velocidad sónica muy elevada. Estos sistemas requieren unos tamaños de orificio muy pequeños para lograr la reducción del flujo con respecto a otros gases. Tales orificios pequeños están sujetos a atascos por parte de adsorbentes disgregados así como a la erosión de los pasos y al subsiguiente desajuste. Estos problemas son especialmente críticos en los sistemas de PSA que procesan menos de una tonelada de hidrógeno por día, dado que los tamaños de las toberas requeridas para la reducción llegan a ser más pequeños que una partícula adsorbente individual, y pueden incluso ser tan pequeños que no pueden fabricarse mediante técnicas ordinarias. El documento US 5.074.964 describe específicamente un procedimiento para controlar el flujo de gas mediante el control del tamaño de una abertura de una válvula.

Otra desventaja de tales dispositivos de estrangulación que emplean flujo a través de un orificio es que la cantidad de flujo suministrado varía radicalmente entre el comienzo de la etapa de purga y el final de la misma. Esto se debe a la naturaleza del flujo a través de los orificios, porque la velocidad límite es proporcional al cuadrado de la 25 diferencia de presiones. Así, el caudal cae dramáticamente entre el comienzo de la etapa de tiempo, cuando la presión de la vasija que está proporcionando la purga es elevada y el final de la etapa de tiempo cuando la presión es mucho más baja. Este rápido cambio del caudal puede causar tanto el poco ventajoso aumento de presión de la vasija que se está purgando como la desorción de impurezas en la vasija que está proporcionando la purga. Adicionalmente si las cinéticas de desorción son relativamente bajas, pueden reducir la eficacia de la etapa de purga para eliminar las especies de impurezas adsorbidas de la vasija que se está purgando,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para controlar un flujo de un gas en un sistema de adsorción por oscilación de presión, que comprende las etapas de:

dirigir el gas desde una primera vasija hasta una segunda vasija y

obtener un perfil predeterminado del caudal del flujo entre la primera y la segunda vasijas;

en el que la etapa de obtención incluye introducir un primer impulso en el flujo mediante la apertura y cierre de una primera válvula de manera alternativa,

en el que la etapa de obtención incluye adicionalmente posicionar un primer elemento de restricción poroso de flujo entre la primera y la segunda vasijas de tal modo que una combinación del primer impulso y de un efecto de 15 restricción del flujo del elemento de restricción poroso de flujo consiga el perfil de caudal predeterminado, y

en el que el elemento de restricción poroso de flujo está fabricado con polvo de metal sinterizado.

2. Un conjunto de tratamiento de gas, que comprende: 20

- una primera y una segunda vasijas, incluyendo cada una de las mismas un material de tratamiento de gas,

- un colector que conecta la primera y la segunda vasijas para comunicar un gas entre la primera y la segunda

vasijas, y 25

- un primer conjunto de colector situado entre la primera vasija y el colector, incluyendo el conjunto de colector: una primera válvula de pistón, y

un primer elemento de restricción poroso de flujo, estando fabricado dicho elemento de restricción de flujo con polvo de metal sinterizado.