Mejoras en procesos de adsorción por oscilaciones cíclicas.

Un proceso de adsorción por oscilaciones cíclicas en el que un lecho adsorbente está en un modo en línea,

durante el cual se adsorbe adsorbato de una mezcla de gas de alimentación que atraviesa el lecho, mientras que otro lecho adsorbente está en un modo de regeneración, durante el cual el adsorbato adsorbido se desadsorbe del lecho, y dichos lechos alternan entre los citados modos, donde el tiempo necesario para completar el modo en línea está determinado por la cantidad total del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación suministrada al lecho durante dicho modo, la concentración del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación se monitoriza durante dicho modo en línea y el tiempo necesario para completar el modo en línea se predice a partir de dicha concentración monitorizada, y al menos una condición de funcionamiento del modo de regeneración se modifica en respuesta a cambios en el citado tiempo previsto, por lo cual el modo de regeneración se completa en el mismo tiempo que el modo en línea concurrente.

Mejoras en procesos de adsorción por oscilaciones cíclicas ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere a procesos de adsorción por oscilaciones cíclicas para la separación de una mezcla de gas de alimentación. Tal como se usa en esta especificación, el término "separación" incluye la eliminación de contaminantes y/o de impurezas de una corriente gaseosa que se puede seguir separando posteriormente. La invención tiene aplicación concreta, pero no exclusiva, en la eliminación, o al menos reducción, del nivel de dióxido de carbono en un gas de alimentación para hacerlo adecuado para su procesamiento aguas abajo. La invención es especialmente útil para eliminar dióxido de carbono del aire que se quiere emplear como gas de alimentación en un proceso de separación criogénica o purificación de aire.

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

Se conocen algunos procesos para separar uno o más componentes de una mezcla de gas de alimentación utilizando adsorción selectiva por un adsorbente sólido. Estos procesos incluyen: adsorción por oscilaciones de la temperatura (TSA), adsorción por oscilaciones de la presión (PSA), adsorción por oscilaciones de la presión y térmicas (TPSA) y adsorción por oscilaciones de la presión e incrementada térmicamente (TEPSA). Normalmente, el proceso se realiza de una manera cíclica en la que un lecho adsorbente está en un modo en línea, durante el cual se adsorbe adsorbato de una mezcla de gas de alimentación que atraviesa el lecho, mientras otro lecho adsorbente está en un modo de regeneración, durante el cual se desadsorbe del lecho el adsorbato adsorbido, y dichos lechos alternan entre los citados modos.

Por lo general, en estos procesos que tienen aire como gas de alimentación, se eliminan agua y dióxido de carbono de un gas de alimentación de aire poniendo la mezcla en contacto con uno o más adsorbentes que absorben agua y dióxido de carbono. El material adsorbente del agua es típicamente gel de sílice, alúmina o un tamiz molecular y el material adsorbente del dióxido de carbono es típicamente un tamiz molecular, por ejemplo, una zeolita. Es convencional eliminar el agua en primer lugar y a continuación el dióxido de carbono haciendo pasar el aire de alimentación a través de una única capa adsorbente o de diferentes capas de adsorbente seleccionado para la adsorción preferencial de agua y dióxido de carbono en una columna. La eliminación hasta un nivel muy bajo del dióxido de carbono y de otros componentes de temperatura de ebullición elevada es especialmente deseable para que los procesos realizados aguas abajo funcionen de manera eficiente.

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 el dióxido de carbono y el agua, y que de este modo lo regenera para que pueda ser usado de nuevo.

Típicamente, en un proceso de TSA para la eliminación de dióxido de carbono y de agua se comprime aire atmosférico utilizando un compresor principal de aire (MAC), continuando con refrigeración por agua y eliminación, en un separador, del agua condensada de ese modo. El aire se puede enfriar más usando, por ejemplo, etilenglicol refrigerado. La mayor parte del agua se elimina en esta etapa por condensación y separación del condensado. A continuación se hace pasar el gas a un sistema de lecho adsorbente donde se eliminan por adsorción el resto del agua y del dióxido de carbono.

Usando dos lechos adsorbentes en una disposición en paralelo se puede hacer que uno opere en adsorción mientras que el otro se está regenerando, y sus papeles se pueden invertir periódicamente dentro del ciclo de funcionamiento. Convencionalmente se dedican periodos de tiempo iguales a la adsorción y la regeneración.

A medida que es adsorbido el componente que se está eliminando del gas de alimentación mientras el lecho está en línea, el proceso de adsorción generará calor de adsorción, provocando que un pulso de calor avance aguas abajo a través del adsorbente. Durante el periodo de alimentación, o periodo en línea, se permite que el pulso de calor avance hasta salir por el extremo del lecho adsorbente situado aguas abajo. Durante el proceso de regeneración se debe suministrar calor para desadsorber el componente gaseoso que se ha adsorbido en el lecho. En la etapa de

regeneración, para desadsorber los componentes adsorbidos se usa parte del gas producto, por ejemplo nitrógeno o una corriente residual de un proceso situado aguas abajo, y este gas además de calentarse puede comprimirse. El gas caliente se hace pasar a través del lecho que se está regenerando eliminando de este modo el adsorbato. Convencionalmente, la regeneración se realiza en una dirección contraria a la de la etapa de adsorción.

En un sistema de PSA los tiempos de ciclo suelen ser más cortos que en un sistema de TSA, pero la temperatura y la presión de alimentación y el gas de regeneración a menudo son similares. Sin embargo, en los sistemas de PSA, la presión del gas de regeneración es menor que la del gas de alimentación y se utiliza el cambio de presión para eliminar del adsorbente el dióxido de carbono y el agua. La regeneración se inicia adecuadamente antes de que el pulso de calor mencionado anteriormente en relación con la TSA haya llegado al extremo del lecho situado aguas abajo. El proceso de regeneración invierte la dirección del pulso de calor y el calor que se deriva de la adsorción del componente gaseoso en cuestión se retiene en el lecho y se utiliza para desadsorber ese componente durante la regeneración. A diferencia de la TSA, es innecesario calentar el gas de regeneración.

La adsorción por oscilaciones de la presión y térmicas (TPSA) también es apropiada para eliminar dióxido de carbono y agua de aire de alimentación. En un sistema de TPSA, el agua típicamente se confina en una zona en la cual está situado un medio de adsorción de agua, por ejemplo alúmina activada o gel de sílice. Típicamente se utiliza una capa diferente que comprende, por ejemplo, un tamiz molecular para la adsorción de dióxido de carbono y convencionalmente la capa de tamiz molecular y la zona para adsorción de agua están separadas. A diferencia de un sistema de TSA, en la capa de tamiz molecular no entra agua en cantidad significativa, lo cual evita, ventajosamente, que sea necesario aportar una gran cantidad de energía para desadsorber el agua de la capa de tamiz molecular. Procesos de TPSA se describen, por ejemplo, en las Patentes de EE.UU. N° 5.885.650 y N° 5.846.295.

La PSA incrementada térmicamente (TEPSA), al igual que la TPSA, utiliza un proceso de regeneración de dos etapas en el cual el dióxido de carbono previamente adsorbido se desadsorbe mediante TSA y el agua adsorbida se desadsorbe mediante PSA. En este proceso, la desadsorción 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 de regeneración caliente por un gas de regeneración frío. El gas de regeneración caliente permite extender el tiempo de ciclo en comparación con el de un sistema de PSA, reduciendo de ese modo las pérdidas por oscilación porque el calor generado por adsorción dentro del lecho puede ser reemplazado en parte por el calor procedente del gas de regeneración caliente. Un proceso de TEPSA se describe, por ejemplo, en la Patente de EE.UU. N° 5.614.000.

A diferencia del proceso de PSA, los procesos de TSA, de TEPSA y de TPSA requieren todos ellos el aporte de energía térmica mediante el calentamiento del gas de regeneración, pero cada procedimiento tiene sus... [Seguir leyendo]

1. Un proceso de adsorción por oscilaciones cíclicas en el que un lecho adsorbente está en un modo en línea, durante el cual se adsorbe adsorbato de una mezcla de gas de alimentación que atraviesa el lecho, mientras que otro lecho adsorbente está en un modo de regeneración, durante el cual el adsorbato adsorbido se desadsorbe del lecho, y dichos lechos alternan entre los citados modos, donde el tiempo necesario para completar el modo en línea está determinado por la cantidad total del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación suministrada al lecho durante dicho modo, la concentración del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación se monitorlza durante dicho modo en línea y el tiempo necesario para completar el modo en línea se predice a partir de dicha concentración monitorizada, y al menos una condición de funcionamiento del modo de regeneración se modifica en respuesta a cambios en el citado tiempo previsto, por lo cual el modo de regeneración se completa en el mismo tiempo que el modo en línea concurrente.

2. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1, en el cual existe un tiempo mínimo para la finalización del modo en línea basado en una concentración de referencia del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación, y el tiempo previsto para la finalización cambia sólo cuando la concentración monitorizada supera a dicha concentración de referencia hasta tal punto que el tiempo previsto supera a dicho tiempo mínimo.

3. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1 o con la Reivindicación 2, en el cual el adsorbato es dióxido de carbono.

4. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 2, en el cual el adsorbato es dióxido de carbono y la citada concentración de referencia es de aproximadamente 400 ppm.

5. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 3 o con la Reivindicación 4, en el cual la mezcla de gas de alimentación es aire y además se adsorbe agua durante el modo en línea.

6. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la concentración del adsorbato se monitoriza mediante medición en la mezcla de gas de alimentación aguas arriba del lecho adsorbente en línea.

7. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la al menos una condición de funcionamiento del modo de regeneración comprende el paso de caudal del gas de purga a través del lecho adsorbente en el modo de regeneración.

8. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la al menos una condición de funcionamiento del modo de regeneración comprende el suministro al lecho adsorbente del calor del gas de purga en el modo de regeneración.

9. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual en la mezcla de gas de alimentación existen dos o más adsorbatos, el tiempo necesario para completar el modo en línea está determinado por la cantidad total de dos o más de los adsorbatos en la mezcla de gas de alimentación suministrada al lecho durante dicho modo, las concentraciones de dichos adsorbatos en la mezcla del gas de alimentación que determinan el citado tiempo en línea se monitorizan durante dicho modo en línea, y el tiempo necesario para completar el modo en línea se predice a partir de dichas concentraciones monltorlzadas, y al menos una condición de funcionamiento del modo de regeneración se modifica en respuesta a cambios en dicho tiempo previsto, por lo cual el modo de regeneración se completa al mismo tiempo que el modo en línea concurrente.

10. Un proceso de separación de aire, en el cual se comprime aire en un compresor principal de aire para proporcionar aire comprimido; se elimina dióxido de carbono del aire comprimido mediante un proceso de adsorción por oscilaciones cíclicas realizado como se define en cualquiera de las Reivindicaciones 2 a 8, y la alimentación de aire libre de dióxido de carbono se suministra a una unidad de separación de aire para proporcionar al menos una corriente producto enriquecida en un componente de la alimentación de aire libre de dióxido de carbono.

11. Un aparato de adsorción por oscilaciones cíclicas para realizar un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1, comprendiendo dicho aparato:

al menos dos lechos (13, 14) adsorbentes;

un circuito de control (7, 8, 10, 11, 19, 20, 23, 24, 26 - 32 & 34) para mantener a un lecho (13) en un modo en línea durante un tiempo determinado por la cantidad total de adsorbato en la mezcla (1) de gas de alimentación suministrada al lecho durante dicho modo, pudiendo, durante dicho modo en línea, adsorberse adsorbato de una mezcla de gas de alimentación que atraviesa el lecho, y otro lecho (14) en un modo de

regeneración, durante el cual se puede desadsorber del lecho el adsorbato adsorbido, y alternando dichos lechos entre los citados modos; y

un sensor (35) de adsorbente total para medir la cantidad total del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación suministrada al lecho durante el modo en línea, determinando de ese modo la duración del modo en línea;

un dispositivo (35) de monitorizaclón de concentración para monltorlzar la concentración del adsorbato en la mezcla de gas de alimentación durante dicho modo en línea; y

un procesador (33) para predecir, a partir de la citada concentración monltorlzada, el tiempo necesario para completar el modo en línea,

modificando dicho circuito de control (28, 32) al menos una condición de funcionamiento del modo de regeneración en respuesta a cambios en dicho tiempo previsto, por lo cual el modo de regeneración se completa al mismo tiempo que el modo en línea concurrente.

12. Un aparato de adsorción por oscilaciones cíclicas de acuerdo con la Reivindicación 11, en el cual el dispositivo (35) de monitorizaclón de concentración mide la concentración del adsorbente en la mezcla (1) de gas de alimentación aguas arriba del lecho adsorbente en línea.

13. Un aparato de adsorción por oscilaciones cíclicas de acuerdo con la Reivindicación 11 o con la Reivindicación 12, en el cual el circuito de control controla (32) el caudal de gas de purga que pasa a través del lecho adsorbente en el modo de regeneración.

14. Un aparato de adsorción por oscilaciones cíclicas de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 11 a 13, en el cual el circuito de control controla (28) el calor de gas de purga enviado al lecho adsorbente en el modo de regeneración.

15. Un sistema de separación de aire para realizar un proceso de acuerdo con la Reivindicación 10 que comprende:

un compresor principal de aire para proporcionar aire comprimido;

un aparato de adsorción por oscilaciones cíclicas de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 11 a 14 para proporcionar una alimentación de aire libre de dióxido de carbono y

una unidad de separación de aire para separar dicha alimentación de aire libre de dióxido de carbono para proporcionar al menos una corriente producto enriquecida en un componente de la misma.