Método de evaluación del comportamiento de un material adsorbente.

Un método para determinar la capacidad de un material adsorbente,

usado en un procedimiento de separación o de purificación de gases, para adsorber un gas, que comprende los pasos de:

(a) tomar una muestra (10) del material adsorbente usado en el procedimiento de separación de gases y situar la muestra (10) en un recipiente (13) en un medio ambiente controlado, purgado con un gas de prueba seco;

(b) adsorber el gas de prueba sobre la muestra (10) de material adsorbente;

(c) medir un volumen fijo de, o pesar, la muestra (10) del material adsorbente en un medio ambiente controlado;

(d) saturar la muestra (10, 16) con un agente líquido (12) de desplazamiento y desplazar de la muestra (10, 16) de material adsorbente el gas de prueba adsorbido;

(f) medir el volumen del gas de prueba liberado desde la muestra (10, 16) de material adsorbente; y

(g) calcular la relación entre el gas de prueba liberado y el peso o el volumen de la muestra (10).

Método de evaluación del comportamiento de un material adsorbente Campo de la invención

La presente invención se refiere, de forma general, a métodos y equipos portátiles para medir y analizar la degradación de materiales adsorbentes, en particular materiales adsorbentes usados en los procedimientos de separación de gases.

Antecedentes de la invención

La separación de los gases se lleva a cabo mediante procedimientos tales como la adsorción por oscilación de presión (PSA), adsorción por oscilación de presión a vacio (VPSA), y adsorción por oscilación de temperatura (TSA). Estos procedimientos usan recipientes o lechos que contienen una o más capas de materiales adsorbentes que adsorben uno o más gases no deseados y que producen el gas producto deseado. Durante el ciclo del procedimiento, los materiales adsorbentes adsorben los gases no deseados y luego se regeneran retirando los gases no deseados, mediante oscilaciones de presión, de vacio o de temperatura. Los materiales adsorbentes habituales usados en estos procedimientos incluyen zeolitas, alúmina y silice, y sus combinaciones.

El uso repetido de un material adsorbente origina la degradación y, con el tiempo, los materiales adsorbentes se vuelven ineficaces, de manera que los materiales adsorbentes necesitan ser sustituidos periódicamente. La degradación del material adsorbente da como resultado la disminución de la capacidad de la planta y la ineficacia de la planta, lo que resulta costoso y un gasto de tiempo. Con frecuencia, no se detecta una degradación del material adsorbente hasta que la calidad del producto y/o el comportamiento global de la planta se ven afectados.

En la actualidad, la comprobación de los materiales adsorbentes se hace tomando muestras del material adsorbente usado y sometiéndolas a diversos ensayos de comportamiento (incluyendo medidas de la capacidad) y/o estudios espectroscópicos que, por lo general, se realizan mejor en un laboratorio o por un tercero en otra instalación. Estos métodos de ensayo son lentos y costosos. Sería deseable disponer de un método para comprobar la calidad y la degradación del material adsorbente que sea rápido preciso y que se pueda realizar in situ, en la planta de separación.

Los métodos de ensayo que se usan en la actualidad incluyen una valoración Karl Fisher (KF) que determina cantidades traza de agua usando una valoración potenciométrica o culombimétrica. La aplicación de métodos KF a materiales adsorbentes tales como las zeolitas, requiere modificaciones del sistema, por las que la muestra se calienta a alta temperatura (aproximadamente 1°C) y el agua liberada es arrastrada usando un gas de purga a través de una celda convencional de KF. Los métodos de KF pueden comprobar específicamente el contenido de agua, a diferencia de otros métodos térmicos de pérdida por ignición (LOI) que detectan la pérdida de cualquier sustancia volátil. Sin embargo, los métodos de KF requieren el uso de un equipo que es muy costoso y no está dirigido a llevar a cabo el análisis fuera del laboratorio, ni pueden comprobar cualquier otro tipo de deterioro distinto al producido por la humedad.

Los métodos LOI están basados en el cambio de masa como resultado de calentar una muestra bajo unas condiciones específicas. La LOI se expresa como un porcentaje en peso de la masa seca. Por ejemplo, se calienta una muestra en un horno a una temperatura alta (por ejemplo, 1°C) y se usa la diferencia de masas antes y después del proceso de ignición para calcular la LOI. El ensayo LOI mide la liberación de todos los volátiles que son adsorbidos por la muestra y no puede comprobar específicamente la degradación debida a la contaminación por un contaminante específico ni evalúa el comportamiento de la muestra.

Un analizador de la humedad por infrarrojo próximo (NIR) (por ejemplo, un modelo KJT-1, de Kett US, Villa Park, CA, EE.UU.) mide los niveles de humedad basándose en el principio de que el agua absorbe ciertas longitudes de onda de luz. Se usa un filtro óptico para seleccionar una longitud de onda que, o bien sea específica de la humedad (por ejemplo, 12, 145 y 195 nm), o que no sea específica de la humedad (por ejemplo, 13 nm). Esta longitud de onda no específica sirve como una referencia y la radiación Incidente se refleja en una muestra y es medida por un detector de sulfuro de plomo (PbS). La relación entre la luz adsorbida y la luz reflejada es proporcional al contenido de humedad de la muestra. De forma similar a la valoración KF, el analizador de humedad por NIR únicamente detecta agua y no detectará ningún otro tipo de deterioro en el material adsorbente y es muy caro.

Una balanza electrónica para humedad (por ejemplo un modelo EB-34MOC, de Shimadzu Corporation, Columbia, EE.UU.) determina el contenido de humedad en sustancias sólidas usando un método termogravimétrico. Se aplica una radiación de infrarrojo lejano a la superficie de una muestra para calentarla, luego se pesa la muestra tras el secado y se compara con el peso original. Para muchos adsorbentes tales como las zeolitas, la energía suministrada por los calentadores infrarrojos de las balanzas comerciales para humedad es insuficiente para retirar la totalidad del agua adsorbida. Además, la balanza para humedad puede detectar únicamente el contenido de humedad y es muy cara.

La Patente Japonesa N° JP311444 describe un método para medir el comportamiento de adsorción de un sólido adsorbente, en el que en un recipiente relleno con al adsorbente sólido se introduce un gas de medición que contiene el componente objeto de la adsorción. El gas de medición sale del recipiente y atraviesa un analizador que analiza la cantidad del componente objeto de la adsorción adsorbido por el material sólido.

La Patente de EE.UU. N° 4.237.726 (Peterson y colaboradores) describe un procedimiento para pronosticar la vida útil de un cartucho de una mascarilla de respiración, en la que el procedimiento mide el aumento de peso de un agente sorbedor cuando se expone a una mezcla gaseosa de aire seco y un vapor orgánico preseleccionado. En este procedimiento, el tiempo de saturación del cartucho se determina usando el tiempo de saturación medido con el vapor preseleccionado.

El documento FR 2652899 A1 describe un aparato para el reconocimiento rápido de granulados de zeolitas, donde se transfiere una cantidad dada de material granulado desde un depósito a un recipiente con agua. Se mide el aumento de presión resultante en la cámara y el aumento de la temperatura del agua.

La mayor parte de la técnica anterior implica el uso de equipos voluminosos que no se pueden usar in situ, en la planta, y los métodos necesitan tiempo, son caros e ineficaces. Los procedimientos de la técnica anterior no determinan el origen del deterioro causado al agente sorbedor (por ejemplo, contaminación u otra degradación del comportamiento), tienen largos tiempos de respuesta y/o no se llevan a cabo fácilmente en una ubicación sobre el terreno o se compilan con facilidad en forma de equipo portátil. Los resultados de los métodos usados en la actualidad son recibidos, con frecuencia, después de que los adsorbentes de la planta se hayan deteriorado irreversiblemente, dando como resultado una costosa recarga de los lechos adsorbentes. Se necesita un método que pueda proporcionar resultados diagnósticos rápidamente, que identifique la causa de la degradación de la planta en una etapa precoz y que permita que los ingenieros de la planta realicen procedimientos eficaces de mantenimiento preventivo para asegurar la integridad de los materiales adsorbentes.

Breve compendio de la invención

La presente invención está dirigida a un método para detectar y evaluar, in situ, la degradación del comportamiento de un material adsorbente, en una planta de separación de gases.

La presente invención puede valorar el deterioro causado en el material adsorbente debido a la contaminación, y puede valorar el deterioro que no está relacionado con los contaminantes. La ventaja de la presente invención es que puede detectar la degradación del adsorbente antes de que la degradación afecte a la producción. Otra ventaja es que puede determinar de forma concluyente si se ha deteriorado el adsorbente. Debido a que es tan económico en su ejecución, el ensayo de la presente invención se puede realizar para determinar el deterioro del adsorbente como una parte de la rutina de un plan de mantenimiento y para confirmar que si el deterioro continúa va a acabar siendo un problema. La presente invención puede someter a prueba adsorbentes en cualquier forma que incluyen, pero que no se limitan a, en forma de cuentas, de glóbulos, o de polvo.

Una realización de la presente invención es un método... [Seguir leyendo]

1. Un método para determinar la capacidad de un material adsorbente, usado en un procedimiento de separación o de purificación de gases, para adsorber un gas, que comprende los pasos de:

(a) tomar una muestra (1) del material adsorbente usado en el procedimiento de separación de gases y situar la muestra (1) en un recipiente (13) en un medio ambiente controlado, purgado con un gas de prueba seco;

(b) adsorber el gas de prueba sobre la muestra (1) de material adsorbente;

(c) medir un volumen fijo de, o pesar, la muestra (1) del material adsorbente en un medio ambiente controlado;

(d) saturar la muestra (1, 16) con un agente líquido (12) de desplazamiento y desplazar de la muestra (1, 16) de material adsorbente el gas de prueba adsorbido;

(f) medir el volumen del gas de prueba liberado desde la muestra (1, 16) de material adsorbente; y

(g) calcular la relación entre el gas de prueba liberado y el peso o el volumen de la muestra (1).

2. El método de la reivindicación 1, en el que al paso c le sigue un paso de medir la temperatura ambiental del medio ambiente controlado.

3. El método de la reivindicación 1, en el que el material adsorbente se selecciona del grupo de zeolitas, sílice y alúmina o una combinación de ellos, y está en forma de cuentas, de glóbulos, o de polvo.

4. El método de la reivindicación 1, en el que el medio ambiente controlado es una cámara de guantes.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el gas de prueba seco es nitrógeno, dióxido de carbono, oxígeno

o aire.

6. El método de la reivindicación 1, en el que el medio recipiente es un vial (13) con un tapón (15) de tipo septo, estanco al aire, y el agente (12) de desplazamiento se transfiere desde una jeringa mediante una cánula (14) a través del tapón (15) de tipo septo al vial (13), y en el que el volumen del gas liberado desde la muestra (1) fluye de vuelta, a través de la cánula (14), a la jeringa (11) y se mide en la jeringa (11).

7. El método de la reivindicación 1, en el que el agente (12) de desplazamiento es agua.

8. El método de la reivindicación 1, en el que el método se lleva a cabo a presión atmosférica.

9. El método de la reivindicación 1, en el que el procedimiento de separación de gases es un procedimiento de

adsorción por oscilación de presión, un procedimiento de adsorción por oscilación de presión a vacío, o un procedimiento de adsorción por oscilación de temperatura.

1. El método de la reivindicación 1, en el que la relación se compara con una curva de comportamiento previamente generada para el material adsorbente, con el fin de evaluar la degradación del material adsorbente.