Método de control de represurización de lecho absorbente.

Un método para controlar la represurización de lechos adsorbentes dentro de una unidad de adsorción,

quecomprende:

represurizar uno de los lechos adsorbentes mientras está fuera de línea con una corriente de represurizacióndurante la regeneración de uno de los lechos adsorbentes, de tal manera que uno de los lechos adsorbentes se llevade nuevo a una presión de funcionamiento y está listo para ser llevado de nuevo a un estado en línea;

caracterizado porque el método comprende además;

medir el caudal de corriente de producto de una corriente de producto producida por la unidad de adsorción ycontrolar el caudal de la corriente de represurización, de tal manera que el caudal de la corriente de productopermanece dentro de un objetivo de intervalo;

durante la represurización del uno de los lechos adsorbentes, controlar un compresor que alimenta una corriente dealimentación comprimida a la unidad de adsorción de tal manera que un caudal de alimentación de la corriente dealimentación comprimida aumentará desde un caudal nominal hasta que una relación de presiones de lechoadsorbente del uno de los lechos adsorbentes y otro de los lechos adsorbentes en el estado en línea alcance unarelación de presiones de disparo y, a continuación, regresará al caudal nominal después de que se alcance larelación de presiones de disparo en un objetivo de período de tiempo de disminución;

el caudal de alimentación es controlado con respecto a cada uno de los lechos adsorbentes según una función develocidad de aumento y una función de velocidad de disminución;

afinar la función de velocidad de aumento y la función de velocidad de disminución para cada uno de los lechosadsorbentes de tal manera que se minimicen las desviaciones en la respuesta del flujo de producto desde el caudalnominal durante la represurización de cada uno de los lechos adsorbentes y sean conducidas hacia un valor que esel mismo para todos los lechos adsorbentes; y

ajustar de la función de velocidad de aumento para cada uno de los lechos adsorbentes durante el funcionamientode la unidad de adsorción de tal manera que los tiempos de represurización para cada uno de los lechosadsorbentes sea conducido hacia un objetivo de tiempo de represurización.

Método de control de represurización de lecho absorbente Campo de la invención La presente invención está relacionada con un método para controlar la represurización de un lecho adsorbente de una unidad de adsorción en el que se optimiza la regeneración de los lechos adsorbentes durante la represurización mediante el control del caudal de alimentación de una corriente de alimentación comprimida que es comprimida dentro de un compresor, de tal manera que se minimizan las fluctuaciones dentro del caudal de las corrientes de productos y similar para cada uno de los lechos adsorbentes y la represurización es controlada para conducir los tiempos de represurización para los lechos adsorbentes hacia un objetivo de tiempo de represurización.

Antecedentes de la invención Para adsorber uno o más componentes contenidos en una corriente de alimentación para producir una corriente de producto se utilizan unidades adsorbentes. La adsorción se lleva a cabo en lechos adsorbentes que funcionan en un ciclo en fase y fuera de fase de tal manera que mientras un lecho está en línea y adsorbiendo un componente o componentes de la corriente de alimentación el otro lecho se está regenerando fuera de línea. Hay una variedad de ciclos que se emplean en esas unidades adsorbentes, por ejemplo, adsorción por oscilación de presión, adsorción por oscilación de temperatura y adsorción por oscilación de presión de vacío.

En un ciclo de adsorción por oscilación de presión, el lecho fuera de línea que se está regenerando es sometido a una fase de derribo de la regeneración en la que el lecho se despresuriza. A partir de ese momento, el lecho se purga con una corriente que tiene una concentración suficientemente baja del componente o los componentes que van a ser adsorbidos que el componente o componentes se someterán a desorción y se llevarán fuera del lecho de la corriente de purga. Esto se conoce como la fase de purga del ciclo. Después de que se completa la fase de purga del ciclo, el lecho se lleva de nuevo a presión con cualquier parte de la corriente de alimentación o parte de la corriente de producto. Esta fase se conoce como represurización. Otros ciclos, tales como adsorción por oscilación de temperatura y adsorción por oscilación de presión de vacío requieren la represurización del lecho fuera de línea para volver a llevarlo a la presión de funcionamiento.

Durante la represurización, ya sea parte de la corriente de producto o parte de la corriente de alimentación se introduce en el lecho fuera de línea. Con relación a esto, se abre una válvula de represurización enviando parte de la corriente de alimentación comprimida o la corriente de producto al lecho fuera de línea. Tal válvula es una válvula de control de flujo que es controlada por un controlador de flujo de modo que el caudal de la corriente de producto se mantiene dentro de un objetivo de intervalo. Como se puede apreciar, el caudal de la corriente de producto, no obstante, puede variar.

Esta fluctuación puede tener un efecto sobre los equipos de proceso aguas abajo en los que se utiliza la corriente de producto. Por ejemplo, en relación con las plantas criogénicas de separación de aire se utilizan sistemas de adsorción por oscilación de presión y temperatura. Dado que las plantas criogénicas de separación de aire funcionan a una temperatura baja, es necesario eliminar los contaminantes de superior ebullición dentro del aire, por ejemplo, dióxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos. Estos contaminantes podrían congelarse o en el caso de los hidrocarburos podrían alcanzar concentraciones peligrosas en productos de oxígeno. Con el fin de contrarrestar este problema, se utilizan adsorbentes conocidos contenidos dentro de lechos adsorbentes para purificar una corriente de aire de alimentación de tales contaminantes. Sin embargo, la fluctuación de caudal en la corriente de producto, que en caso de una planta criogénica de separación de aire es la corriente de aire purificado y comprimido, afectará a las purezas de producto y las recuperaciones de producto que se han encontrado fluctúan según las fluctuaciones de flujo en la corriente de aire purificado y comprimido. Con el fin de minimizar estas fluctuaciones, se han elaborado sistemas de control en los que se minimiza la fluctuación del caudal de la corriente de producto mediante el aumento del caudal de la corriente de alimentación comprimida alimentada desde un compresor a la unidad de adsorción para contrarrestar ya sea la corriente de alimentación o la corriente de producto que está siendo extraída para fines de represurización.

En el documento US-A-4725293 se describe un sistema de adsorción por oscilación de presión (PSA, del inglés Pressure Swing Adsorption) que utiliza un tiempo constante de ciclo y un sistema de control para modificar esencialmente de manera automática y continua el flujo de entrada de aire con el fin de asegurar que el nitrógeno producido sólo contiene un intervalo preseleccionado de una impureza que consiste esencialmente en oxígeno y mantener relativamente alto el flujo de salida de nitrógeno.

En un tipo de esquema de control empleado en la técnica anterior, se aumenta el caudal de la corriente de alimentación comprimida y, a continuación, se disminuye a velocidades fijas de aumento y disminución. El aumento y la disminución son provocados por el aumento y disminución de la abertura de paletas de guía de entrada en el aire comprimido de alimentación del compresor a la unidad de adsorción. El principio de funcionamiento aquí es que, como la válvula de represurización está inicialmente abierta, existe una gran diferencia de presión entre el lecho fuera de línea y en línea. A medida que las presiones se aproximan a la igualdad hay disponible menos fuerza de conducción. En una relación de presiones de disparo predefinida entre fuera de línea y en línea, que puede ser tan alta como el 80 por ciento, el lecho adsorbente fuera de línea está casi represurizado y, por lo tanto, el caudal se puede disminuir rápidamente. Sin embargo, se ha comprobado que esto conduce a unas prestaciones de represurización que varían debido a la variabilidad inherente de la presión del aire ambiente, las condiciones de temperatura, la concentración de contaminantes en el aire, las prestaciones del lecho, el desgaste de la válvula y la variación de prestaciones del compresor de aire debido al cambio de temperatura del agua de refrigeración.

En un esquema de control específico diseñado para eliminar los efectos de los factores externos, tales como los descritos anteriormente, se miden las presiones de lecho entre un lecho fuera de línea y uno en línea y se computa una relación de presiones. Esta relación de presiones se compara continuamente con una relación de presiones preestablecida de disparo. Las paletas de guía de entrada del compresor de aire principal, a continuación, son manipuladas de manera que el caudal de la corriente de alimentación aumenta hasta que se alcanza la relación de presiones de disparo y luego disminuye de nuevo hasta el caudal nominal. El programa de control que rige el funcionamiento de un controlador utilizado en el control de las paletas de guía de entrada utiliza una función de velocidad de aumento que es una función de la relación de presiones del lecho y la relación de presiones de disparo para eliminar el efecto de los factores externos. Además, tal función de velocidad de aumento está diseñada de forma que la velocidad de aumento de la abertura de las paletas de disminuirá a medida que se aproxime la relación de presiones de disparo. La finalidad de esta operación es eliminar efectos inerciales de la rueda del compresor que inhibirán que el creciente caudal sea disminuido después de alcanzar la relación de presiones de disparo y también variar mínimamente el caudal de la corriente de alimentación comprimida según sea necesario para represurizar el lecho fuera de línea. Después del aumento, la abertura de las paletas de guía de entrada se disminuye según una velocidad fija hasta que se alcanza el caudal nominal. El problema que queda en este tipo de control es que la disminución todavía se ve afectada por factores externos y los efectos inerciales pueden producir un exceso cuando el caudal de la corriente de aire comprimido se devuelve al caudal nominal.

Un problema adicional con el esquema de control mencionado anteriormente es que la respuesta del caudal de producto no es igual con respecto a cada uno de los lechos y, por tanto, dependiendo del lecho, habrá más o menos perturbaciones en el caudal de producto. Un asunto relacionado se refiere a la necesidad de reducir el tiempo de represurización. Una reducción del tiempo dedicado a la represurización de un lecho adsorbente... [Seguir leyendo]

1. Un método para controlar la represurización de lechos adsorbentes dentro de una unidad de adsorción, que comprende:

represurizar uno de los lechos adsorbentes mientras está fuera de línea con una corriente de represurización durante la regeneración de uno de los lechos adsorbentes, de tal manera que uno de los lechos adsorbentes se lleva de nuevo a una presión de funcionamiento y está listo para ser llevado de nuevo a un estado en línea;

caracterizado porque el método comprende además;

medir el caudal de corriente de producto de una corriente de producto producida por la unidad de adsorción y controlar el caudal de la corriente de represurización, de tal manera que el caudal de la corriente de producto permanece dentro de un objetivo de intervalo;

durante la represurización del uno de los lechos adsorbentes, controlar un compresor que alimenta una corriente de alimentación comprimida a la unidad de adsorción de tal manera que un caudal de alimentación de la corriente de alimentación comprimida aumentará desde un caudal nominal hasta que una relación de presiones de lecho adsorbente del uno de los lechos adsorbentes y otro de los lechos adsorbentes en el estado en línea alcance una relación de presiones de disparo y, a continuación, regresará al caudal nominal después de que se alcance la relación de presiones de disparo en un objetivo de período de tiempo de disminución;

el caudal de alimentación es controlado con respecto a cada uno de los lechos adsorbentes según una función de velocidad de aumento y una función de velocidad de disminución;

afinar la función de velocidad de aumento y la función de velocidad de disminución para cada uno de los lechos adsorbentes de tal manera que se minimicen las desviaciones en la respuesta del flujo de producto desde el caudal nominal durante la represurización de cada uno de los lechos adsorbentes y sean conducidas hacia un valor que es el mismo para todos los lechos adsorbentes; y

ajustar de la función de velocidad de aumento para cada uno de los lechos adsorbentes durante el funcionamiento de la unidad de adsorción de tal manera que los tiempos de represurización para cada uno de los lechos adsorbentes sea conducido hacia un objetivo de tiempo de represurización.

2. El método de la reivindicación 1, en donde la función de velocidad de aumento y la función de velocidad de disminución son funciones de la relación de presiones de lecho adsorbente y la relación de presiones de lecho de disparo de tal manera que el caudal de alimentación tiene una velocidad de aumento variable que disminuye a medida que se aproxima la relación de presiones de disparo y una velocidad de disminución variable que disminuye a medida que las presiones de lecho adsorbente se aproximan entre sí.

3. El método de la reivindicación 2, en donde:

el compresor es controlado por un parámetro de control que influye en el caudal de alimentación;

el parámetro de control es ajustado continuamente a una frecuencia de control y según la función de velocidad de aumento y la función de velocidad de disminución para cada uno de los lechos adsorbentes de tal manera que cada ajuste en el parámetro de control tiene como resultado un nuevo valor del parámetro de control que se aplica al control del compresor y está determinado por la medición de las presiones de lecho, el cálculo de la relación de presiones de lecho, la comparación de la relación de presiones con la relación de presiones de disparo y el cálculo del nuevo valor del parámetro de control;

el nuevo valor del parámetro de control determinado añadiendo a un valor actual del parámetro de control, un aumento gradual calculado según la función de velocidad de aumento cuando la relación de presiones de lecho está por debajo de la relación de presiones de disparo para aumentar de ese modo el caudal de alimentación a la velocidad de aumento variable; y

el nuevo valor del parámetro de control determinado restando del valor actual del parámetro de control una disminución gradual calculada según la función de velocidad de disminución después de que la relación de presiones de lecho haya alcanzado la relación de presiones de disparo para devolver el caudal de la corriente de alimentación comprimida al caudal nominal.

4. El método de la reivindicación 3, en donde:

el parámetro de control es la posición de las paletas de guía de entrada de las paletas del compresor; y

las paletas de guía de entrada se colocan en aberturas sucesivamente mayores para aumentar el caudal de alimentación y en aberturas sucesivamente menores para disminuir el caudal de alimentación.

5. El método de la reivindicación 3, en donde la unidad de adsorción funciona según un ciclo de adsorción por oscilación de presión.

6. El método de la reivindicación 3, en donde la corriente de represurización es parte de la corriente de producto.

7. El método de la reivindicación 3, en donde la represurización de uno de los lechos adsorbentes se controla únicamente a través del uso de la válvula de represurización si el parámetro de control está en un valor al inicio de la represurización que no permite un aumento del caudal de la corriente de alimentación comprimida, de tal manera que la represurización del uno de los lechos adsorbentes es conducida hacia el objetivo tiempo de represurización.

8. El método de la reivindicación 3, en donde:

la función de velocidad de aumento es igual a un producto de un factor de velocidad de aumento y una suma de 1, 0 más un primer factor de ajuste por la diferencia de una mitad de la relación de presiones de disparo y la relación de presiones de lecho;

la función de velocidad de disminución es igual a un producto de un factor de velocidad de disminución y una cantidad igual a una diferencia entre un segundo factor de afinación multiplicado por la relación de presiones de lecho y un tercer factor de afinación;

el segundo factor de afinación es igual a un valor inicial de la cantidad a la relación de presiones de disparo menos un valor final de la cantidad a la presión nominal dividido por una diferencia de la relación de presiones de disparo y 1, 0;

el tercer factor de afinación es igual al primer factor de afinación menos el valor final de la cantidad;

un promedio de ejecución del tiempo de represurización se calcula a la frecuencia de control de cada uno de los lechos adsorbentes para producir un tiempo de represurización promedio;

se utiliza un nuevo factor de velocidad de aumento como factor de velocidad de aumento y se utiliza un nuevo primer parámetro de afinación como el primer factor de afinación si el tiempo de represurización promedio no está dentro de un intervalo predefinido de un objetivo de tiempo de represurización;

el nuevo factor de velocidad de aumento es directamente proporcional a un valor actual del factor de velocidad de aumento multiplicado por el tiempo de represurización promedio dividido en el objetivo de tiempo de represurización; y

el nuevo primer parámetro de afinación es directamente proporcional a un valor actual del primer parámetro de afinación multiplicado por el tiempo de represurización promedio dividido en el objetivo de tiempo de represurización; y

la función de velocidad de aumento y la función de velocidad de disminución se afinan mediante la selección de cada uno de los valores de lechos adsorbentes para la relación de presiones de disparo, el factor de velocidad de disminución, el segundo factor de afinación, el tercer factor de afinación, el objetivo de período de tiempo de disminución y los valores iniciales para el factor de velocidad de aumento y el primer factor de afinación.

9. El método de la reivindicación 8, en donde:

el parámetro de control es la posición de las paletas de guía de entrada de las paletas del compresor; y

las paletas de guía de entrada se colocan en aberturas sucesivamente mayores para aumentar el caudal de alimentación y en aberturas sucesivamente menores para disminuir el caudal de alimentación.

10. El método de la reivindicación 9, en donde la unidad de adsorción funciona según un ciclo de adsorción por oscilación de presión.

11. El método de la reivindicación 10, en donde la corriente de represurización es parte de la corriente de producto.