Sistema adsorbente, de capas múltiples, para separaciones de gases por adsorción a presión oscilante.

Compuesto de adsorción de gas, en el que todas las capas adsorbentes son capas adsorbentes activas,

quecomprende:

un adsorbente de alta densidad que comprende una capa adsorbente de alta densidad que tiene una primeradensidad, como mínimo, de 0,4 g/cc y un primer coeficiente de transferencia de masa, como mínimo, de 0,5 s-1; yun adsorbente de baja densidad que comprende una capa adsorbente de baja densidad que tiene una segundadensidad, como mínimo, de 0,4 g/cc y un segundo coeficiente de transferencia de masa, como mínimo, de 0,5 s-1;teniendo el compuesto de adsorción de gas un coeficiente de transferencia de masa del compuesto, como mínimo,de 0,5 s-1

en el que el adsorbente de alta densidad está en un contacto sustancialmente contiguo con el adsorbente de bajadensidad, y cada uno del adsorbente de alta densidad y el adsorbente de baja densidad tiene un área de superficieadsorbente, como mínimo, de 500 m2/g; y

la capa adsorbente de baja densidad es una tela que tiene un diámetro de poro promedio de 5 Å y la capaadsorbente de alta densidad es una lámina fabricada enredando particulados adsorbentes finos con partículas másgrandes de carbón activado y un polímero fibrilado, estando dicha tela compactada junto con dicha lámina.

Sistema adsorbente, de capas múltiples, para separaciones de gases por adsorción a presión oscilante

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a procesos de adsorción por oscilación de presión (PSA) y, más particularmente, a purificación de hidrógeno, separación de aire, producción de monóxido de carbono, eliminación o recuperación de hidrocarburos mediante PSA y procesos de adsorción rápida por oscilación de presión (RPSA) .

La creciente demanda de hidrógeno, particularmente en el refinado y procesamiento del petróleo ha proporcionado una fuerte motivación económica para desarrollar procesos para recuperar hidrógeno de gas combustible de refinería, gas de hornos de coque y otras fuentes similares, así como de fuentes más tradicionales tales como efluente gaseoso de reformadores. Para la mayoría de las aplicaciones, se requiere un producto de hidrógeno de alta pureza.

El proceso de producción y recuperación de hidrógeno mediante reformado con vapor y/o aire de corrientes gaseosas ricas en hidrocarburos, tales como gas natural, nafta, u otras mezclas de hidrocarburos de bajo peso molecular, es bien conocido en la técnica. Fuentes comerciales típicas para la producción de hidrógeno incluyen reformado de gas natural u oxidación parcial de diversos hidrocarburos. El reformado se lleva a cabo haciendo reaccionar al hidrocarburo con vapor y/o con gas que contiene oxígeno (por ejemplo, aire o aire enriquecido en oxígeno) , produciendo una corriente de hidrógeno gaseoso que contiene cantidades adjuntas de óxidos de carbono, agua, metano residual y nitrógeno. A menos que se desee la recuperación de monóxido de carbono, el monóxido de carbono se convierte normalmente en dióxido de carbono mediante reacción de intercambio agua-gas para maximizar el contenido de hidrógeno en la corriente. Habitualmente, esta corriente de gas es enviada a continuación a una unidad de PSA. Otras fuentes de gas rico en hidrógeno que pueden mejorarse mediante tecnología de PSA a un producto de alta pureza incluyen gases efluentes de refinería con contaminantes de hidrocarburos C1-C6. Véase, por ejemplo, la patente de Estados Unidos No. 3.176.444 de Kiyonaga.

En procesos de PSA, un gas de múltiples componentes se hace pasar, como mínimo, por uno de una pluralidad de lechos de adsorción a una presión elevada para adsorber, como mínimo, un componente fuertemente adsorbido mientras que, como mínimo, un componente adsorbido de forma relativamente débil pasa a su través. En el caso de la producción de hidrógeno mediante adsorción por oscilación de presión (H2 PSA) , el H2 es el componente adsorbido débilmente que pasa a través del lecho. Véase, por ejemplo, las patentes de Estados Unidos Nos.

3.430.418 de Wagner, 3.564.816 de Batta y 3.986.849 de Fuderer y otros. En un momento definido, la etapa de alimentación se interrumpe y el lecho de adsorción se despresuriza en una o más etapas, lo que permite que un producto de H2 esencialmente puro salga del lecho. A continuación se lleva a cabo una etapa de desorción a contracorriente, seguida por una purga y represurización a contracorriente. Los recipientes de H2 PSA generalmente contienen una mezcla de carbón activado, para eliminación de CO2 y CH4 a granel, seguida por un tamiz molecular para la eliminación de CO y N2. Véase, por ejemplo, la patente de Estados Unidos No. 3.430.418 de Wagner.

La producción de hidrógeno mediante adsorción por oscilación de presión es una industria de muchos millones de dólares que suministra hidrógeno de alta pureza para industrias de producción química, industrias de refinado de metales y otras industrias relacionadas. El coste de hidrógeno de sistemas reformadores/PSA integrados se ve afectado por los costes tanto de capital como operativos del sistema. Claramente, la producción económica de hidrógeno requiere unos costes de capital y operativos lo más bajos posible. El coste de capital viene dictado en gran medida por el tamaño del reformador y el tamaño de los lechos de PSA. El tamaño del lecho de PSA disminuye a medida que la productividad de hidrógeno de la PSA aumenta. Las productividad de hidrógeno puede aumentar mediante ciclos de proceso mejorados o adsorbentes mejorados. El tamaño del reformador está afectado en su mayoría por la recuperación de hidrógeno de la PSA. Las mejoras de la recuperación de hidrógeno en la PSA dan como resultado un tamaño del reformador más pequeño (dado que existe una menor necesidad de producir hidrógeno fuera del reformador debido a una mejor recuperación en la PSA) . Las mejoras de la recuperación de hidrógeno también dan como resultado una demanda reducida de gas de alimentación del reformador, es decir, gas natural, que constituye generalmente el mayor coste operativo del reformador. La recuperación de hidrógeno en la PSA también puede mejorar mediante ciclos de proceso mejorados o adsorbentes mejorados.

Es conocida la utilización de sistemas adsorbentes multiestratificados en separación de gas. Sin embargo, estos sistemas adsorbentes multiestratificados están constituidos por una combinación de capas adsorbentes activas con capas adsorbentes inactivas que funcionan como soporte o separadores. (Véase la patente de Estados Unidos No.

6.293.998 B1 de Dolan y otros; la patente de Estados Unidos No. 6.143.057 de Bülow y otros; la patente de Estados Unidos No. 5.645.626 de Edlund y otros, la patente de Estados Unidos No. 5.498.278 de Edlund, la patente de Estados Unidos No. 5.693.230 de Asher, la patente de Estados Unidos No. 6.210.652 B1 de Bou y otros, la patente japonesa No. 08266847 de Suzuki y otros, y la patente japonesa No. 57/132531 de Imamura y otros)

La patente de Estados Unidos No. 6.406.523 B1 de Connar y otros, las patentes de Estados Unidos Nos. 6.176.897 B1 5.256.172, 5.096.469; 5.082.473, 4.968.329, 4.801.308, 4.702.903 de Keefer; y las patentes de Estados Unidos Nos. 6.056.804 y 6.051.050 de Keefer y otros, y la publicación estadounidense No. 2001/0023640 A1 de Keefer y otros describen dispositivos de adsorción rápida por oscilación de presión para separación de gas que están constituidos por un material adsorbente con un material de refuerzo y que tienen separadores entre láminas adsorbentes para establecer canales de flujo en una dirección de flujo tangencial a las láminas y entre pares de láminas adyacentes.

La patente de Estados Unidos No. 5.338.450 de Maurer describe el aparato utilizado en un sistema de adsorción por oscilación térmica (TSA) para purificación de gas. El aparato está constituido por un cilindro que contiene un lecho adsorbente enrollado en espiral. Las corrientes de fluido a tratar y recuperar después del tratamiento en el lecho circulan radialmente a través de las capas adsorbentes. Las capas adsorbentes comprenden partículas adsorbentes separadas por cribas de entrada y de salida. Una pared impermeable se enrolla entre las cribas de entrada y de salida definiendo un canal de entrada y uno de salida entre la pared y, respectivamente, la criba de entrada y la de salida para, respectivamente, distribuir y recoger las corrientes de fluido. La patente enseña que, dado que el gas se hace circular radialmente a través del grosor de las capas adsorbentes, son necesarias cribas para retener y formar las capas, y se requiere una pared impermeable para crear el canal para la circulación de fluido.

La patente de Estados Unidos No. US 6.152.991 de Ackley, la patente de Estados Unidos No. 6.027.548 de Ackley y otros, la patente de Estados Unidos No. 5.810.909 de Notaro y otros, la patente de Estados Unidos No. 5.769.928 de Leavitt, la patente de Estados Unidos No. 6.165.252 de Kendall, la patente de Estados Unidos No. 5.674.311 de Notaro y otros y la patente japonesa No. 04110011 de Shusaku y otros describen sistemas de separación de gas por adsorción donde un adsorbedor se secciona en múltiples zonas y cada zona contiene un único adsorbente. Por consiguiente, en un momento dado en el proceso, las moléculas de gas en una sección dada del adsorbedor pueden estar en contacto con un tipo de adsorbente solamente.

Una serie de patentes se refieren la utilización de un sistema adsorbente multiestratificado para aplicaciones que difieren de la adsorción por oscilación de presión y requieren la utilización de filtros o sistemas de membrana. (Véase la patente de Estados Unidos No. 5.120.331 de Landy, la patente de Estados Unidos No. 5.964.221 de McKenna y la patente de Estados Unidos No. 6.126.723 de Drost) .

La patente de Estados Unidos No. 4.234.326 de Bailey y otros da a conocer la utilización de una tela de carbón activado en filtros adsortivos para purificación de aire. Bailey y otros describen un filtro que comprende capas de tejido... [Seguir leyendo]

1. Compuesto de adsorción de gas, en el que todas las capas adsorbentes son capas adsorbentes activas, que comprende: un adsorbente de alta densidad que comprende una capa adsorbente de alta densidad que tiene una primera densidad, como mínimo, de 0, 4 g/cc y un primer coeficiente de transferencia de masa, como mínimo, de 0, 5 s-1; y un adsorbente de baja densidad que comprende una capa adsorbente de baja densidad que tiene una segunda densidad, como mínimo, de 0, 4 g/cc y un segundo coeficiente de transferencia de masa, como mínimo, de 0, 5 s-1; teniendo el compuesto de adsorción de gas un coeficiente de transferencia de masa del compuesto, como mínimo, de 0, 5 s-1 en el que el adsorbente de alta densidad está en un contacto sustancialmente contiguo con el adsorbente de baja densidad, y cada uno del adsorbente de alta densidad y el adsorbente de baja densidad tiene un área de superficie adsorbente, como mínimo, de 500 m2/g; yla capa adsorbente de baja densidad es una tela que tiene un diámetro de poro promedio de 5 Å y la capa adsorbente de alta densidad es una lámina fabricada enredando particulados adsorbentes finos con partículas más grandes de carbón activado y un polímero fibrilado, estando dicha tela compactada junto con dicha lámina.

2. Compuesto, según la reivindicación 1, en el que la capa adsorbente de alta densidad tiene una primera permeabilidad al aire mayor de 0 y hasta 0, 5 Darcy (0, 494 × 10-12 m2) , y el adsorbente de baja densidad tiene una segunda permeabilidad al aire, como mínimo, de 15 Darcy (14, 805 × 10-12 m2) , estando la primera permeabilidad y la segunda permeabilidad medidas mediante aire que fluye a presión atmosférica y temperatura ambiente en una dirección perpendicular al plano de cada capa adsorbente de un grosor conocido y midiendo la caída de presión a través de la capa a una velocidad de flujo de gas dada en las condiciones anteriores.

3. Compuesto, según la reivindicación 1, en el que el adsorbente de alta densidad comprende una pluralidad de capas de alta densidad y/o el adsorbente de baja densidad comprende una pluralidad de capas de baja densidad.

4. Compuesto, según la reivindicación 3, en el que las capas adsorbentes de alta densidad (HDL) y las capas adsorbentes de baja densidad (LDL) están en una relación HDL/LDL de 0, 25 a 4, 0.

5. Compuesto, según la reivindicación 1, en el que, como mínimo, una de la capa adsorbente de alta densidad y la capa adsorbente de baja densidad comprende, como mínimo, un miembro seleccionado entre el grupo que comprende carbón activado, zeolitas, alúmina y gel de sílice.

6. Compuesto, según la reivindicación 5, en el que, como mínimo, una de la capa adsorbente de alta densidad y la capa adsorbente de baja densidad está impregnada con sales metálicas, y/o modificada mediante oxidación, reducción y/o intercambio iónico.

7. Compuesto, según la reivindicación 1, en el que el adsorbente de alta densidad y el adsorbente de baja densidad son capas alternas.

8. Compuesto, según la reivindicación 7, en el que dichas capas alternas forman una estructura enrollada en espiral.

9. Compuesto, según la reivindicación 1, en el que la capa adsorbente de baja densidad es de 0, 2 a 2 veces más gruesa que la capa adsorbente de alta densidad.

10. Proceso de adsorción por oscilación de presión para recuperar un producto gaseoso de un gas de alimentación, comprendiendo dicho proceso: suministrar un aparato de adsorción por oscilación de presión que comprende un compuesto de adsorción de gas, según la reivindicación 1; alimentar un gas de alimentación a dicho aparato de adsorción por oscilación de presión durante un periodo de alimentación que no supere los 100 segundos; y recuperar dicho producto gaseoso de dicho aparato de adsorción por oscilación de presión.

11. Proceso, según la reivindicación 10, para utilización en un proceso adsortivo/regenerativo cíclico.

12. Proceso, según la reivindicación 11, en el que la capa adsorbente de alta densidad tiene una primera permeabilidad al aire mayor de 0 y hasta 0, 5 Darcy (0, 494 × 10-12 m2) , y el adsorbente de baja densidad tiene una segunda permeabilidad al aire, como mínimo, de 15 Darcy (14, 805 × 10-12 m2) , estando la primera permeabilidad y la segunda permeabilidad medidas mediante aire que fluye a presión atmosférica y temperatura ambiente en una dirección perpendicular al plano de cada capa adsorbente de un grosor conocido y midiendo la caída de presión a través de la capa a una velocidad de flujo de gas dada en las condiciones anteriores.

13. Proceso, según la reivindicación 11, en el que en el que el adsorbente de alta densidad está constituido por una pluralidad de capas adsorbentes de alta densidad y/o el adsorbente de baja densidad está constituido por una pluralidad de capas adsorbentes de baja densidad.

14. Proceso, según la reivindicación 11, en el que, como mínimo, una de la capa adsorbente de alta densidad y la capa adsorbente de baja densidad comprende, como mínimo, un miembro seleccionado entre el grupo que comprende carbón activado, zeolitas, alúmina y gel de sílice.

15. Proceso, según la reivindicación 11, en el que, como mínimo, una de la capa adsorbente de alta densidad y la capa adsorbente de baja densidad está modificada mediante impregnación con sales metálicas, oxidación, reducción y/o intercambio iónico.

16. Proceso, según la reivindicación 11, en el que el adsorbente de alta densidad y el adsorbente de baja densidad son capas alternas.

17. Proceso, según la reivindicación 16, en el que dichas capas alternas forman una estructura enrollada en espiral.

18. Proceso, según la reivindicación 11, en el que las capas adsorbentes de alta densidad (HDL) y las capas adsorbentes de baja densidad (LDL) están en una relación HDL/LDL de 0, 25 a 4, 0.

19. Proceso, según la reivindicación 11, en el que el periodo de alimentación es de hasta 40 segundos.

20. Proceso, según la reivindicación 11, en el que el periodo de alimentación es de hasta 15 segundos.

21. Proceso, según la reivindicación 11, en el que el periodo de alimentación es de hasta 3 segundos.

22. Proceso, según la reivindicación 11, en el que dicho gas de alimentación comprende una mezcla de hidrógeno y,

como mínimo, otro componente más seleccionado entre el grupo de aire, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarburo, oxígeno, argón y nitrógeno.