BR0100366B1 - processo para a separação de um gás não adsorvìvel de uma mistura de gases. - Google Patents

Description

"PROCESSO PARA A SEPARAÇÃO DE UM GÁS NÃO ADSORVÍVEL DE UMA MISTURA DE GASES".

Fundamentos da Invenção

A presente invenção refere-se a processos para a separação de gases utilizando a adsorção por oscilação de pressão (PSA) que expande de maneira significativa a capacidade do processo de separação.

O processo PSA proporciona um meio eficiente e econômico para separar um fluxo de gases com múltiplos componentes contendo pelo menos dois gases dotados de diferentes características de adsorção. O gás mais fortemente adsorvível pode ser uma impureza que é removida do gás menos fortemente adsorvível que é extraído como produto ou o gás mais fortemente adsorvível pode ser o produto desejado que é separado do gás menos fortemente adsorvível. Por exemplo, pode ser desejado remover monóxido de carbono e hidrocarbonetos leves de uma corrente de alimentação contendo hidrogênio para produzir uma corrente de hidrogênio purificado (99+ por cento) para um hidrocraqueamento ou outro processo catalítico onde estas impurezas poderiam afetar desfavoravelmente o catalisador ou a reação. Por outro lado, pode ser conveniente recuperar os gases mais fortemente adsorvíveis, tal como o etileno, de uma corrente de alimentação para produzir um produzir um produto rico em etileno.

No sistema PSA, um gás com múltiplos componentes é tipicamente alimentado a pelo menos uma de uma pluralidade de zonas de adsorção a uma pressão elevada para adsorver pelo menos um componente, enquanto pelo menos um outro componente passa diretamente. Num período de tempo determinado, a corrente de alimentação para o adsorvedor é terminada e a zona de adsorção é despressurizada por uma ou mais etapas concorrentes nas quais a pressão é reduzida a um nível definido que permite ao componente ou componentes menos fortemente adsorvido, separados, remanescentes na zona de adsorçãó a serem extraídos sem significativa concentração dos componentes mais fortemente adsorvidos. A seguir, a zona de adsorção é despressurizada por uma etapa de despressurização a contracorrente na qual a pressão na zona de adsorção é adicionalmente reduzida extraindo o gás dessorvido em contracorrente à direção da corrente de alimentação. Finalmente, a zona de adsorção é purgada com o efluente proveniente de um leito adsorvènte passando por uma etapa de despressurização concorrente e repressurizado. O estágio final de repressurização é tipicamente com o gás produto e com freqüência é designada de repressurização do produto. Nos sistemas com múltiplas zonas, existem tipicamente etapas adicionais e aquelas acima indicadas podem ser executadas em estágios. Os documentos US-A-3 176 444; US-A-3 986 849; US-A-3 430 418; e 3 703 068, entre outros, descrevem sistemas PSA adiabático, com múltiplas zonas empregando despressurização concorrente e contracorrente e as invenções dessas patentes são incorporadas a título de referência na sua totalidade. As patentes acima mencionadas concedidas a Fuderer & outros e a Wagner são aqui incorporadas a título de referência.

Diversas classes de adsorventes são reconhecidamente apropriadas para aplicação em sistemas PSA, a seleção dos quais está subordinada aos componentes da corrente de alimentação e a outros fatores genericamente conhecidos daqueles versados na técnica. Em geral, entre os adsorventes apropriados se incluem zeólitos moleculares, sílica gel, carvão ativado, e alumina ativada. Para determinadas separações, adsorventes especializados podem ser vantajosos. Os sistemas PSA genericamente empregam adsorventes fracos e são usados para separações nas quais a proporção do componente a ser separado pode variar de traços até mais de 95% por mol. Os sistemas PSA tem preferência quando altas concentrações de matéria prima valiosa, produtos, ou solventes reaproveitáveis devem ser recuperados. Um ciclo PSA é aquele em que a dessorção se processa sob uma pressão muito mais baixa que a adsorção. Em determinadas aplicações, a dessorção se processa sob condições de vácuo - adsorção por oscilação ou variação de vácuo (VSA). Para superar as baixas cargas operacionais intrínsecas sobre o adsorvível fraco, os ciclos PSA genericamente tem tempos de ciclo que são curtos - da ordem de segundos a minutos - para manter leitos adsorventes razoavelmente dimensionados.

Um dos problemas das construções de instalações de processamento de gás modernas reside nas dimensões da instalação ou do volume de gás a ser tratado em qualquer instalação continuarem a crescer. As capacidades de complexos de processamento de gás modernos são geralmente superiores a cerca de 110 mil metros cúbicos normais por hora. A maioria dos vasos PSA está limitada a um diâmetro que possa ser transportado para um local de construção, o que genericamente limita os vasos a um diâmetro de cerca de 4 metros e a sua altura é limitada pela resistência a esmagamento da partícula adsorvível. Para capacidades superiores a cerca de 110 mil metros cúbicos normais por hora, os processos PSA são previstos em múltiplos trens de equipamento em duplicata tais como bombas, aquecedores, linhas, válvulas, vasos e compressores.

Sumário da Invenção

De acordo com a presente invenção, um processo é apresentado que supera as limitações históricas à capacidade de unidades PSA para uma ampla variedade de separações de gases. Capacidades em excesso de cerca de 110 mil metros cúbicos normais por hora podem agora ser obtidas em um trem de processo integrado único. Esta redução em equipamento é habilitada por uma fuga ao princípio aceito nas técnicas PSA de que a extensão da etapa de purga tem de ser igual a ou inferior à extensão da etapa de adsorção. Verificou-se agora que aumentar o tempo de purga em relação à etapa de adsorção pode assegurar significativos aumentos em capacidade com uma perda mínima na recuperação ou desempenho. De preferência a relação do tempo da etapa de purga para o tempo da etapa de adsorção é superior a 1.0 e inferior a 2.0. A vantagem dessa descoberta é que unidades PSA em escala muito grande podem ser agora construídas para um custo significativamente mais baixo que o custo de um segundo trem de equipamento em paralelo.

Um dos objetivos da presente invenção é apresentar um processo PSA para unidades de processamento de gás muito grandes em um único trem de equipamento.

Um dos objetivos da presente invenção é proporcionar uma seqüência de processo que supera as limitações físicas de dimensões de vaso e resistência do adsorvível para permitir o processamento de grandes quantidades de carga de alimentação sem prejuízo do desempenho global de sistemas de separação de gases em larga escala.

Em uma concretização, a presente invenção é um processo para a separação de um gás não adsorvível de uma mistura de gases compreendendo o gás não adsorvível e um gás adsorvível em uma zona PSA de um único trem. O processo compreende passar a mistura de gases para a zona PSA de um único trem e extrair um fluxo de gás produto que compreende o gás não adsorvível e um fluxo de gás residual que compreende o gás adsorvível. A zona PSA de um único trem tem uma pluralidade de leitos adsorventes na qual cada leito adsorvente emprega uma etapa de adsorção, pelo menos três etapas de equalização concorrentes inclusive uma etapa de equalização concorrente final, uma etapa provedora de purga, uma etapa de descarga a contracorrente, uma etapa de purga, pelo menos três etapas de equalização a contracorrente inclusive uma etapa de equalização a contracorrente final e uma etapa de repressurização. Cada uma das etapas de processo ocorre de uma maneira seqüencial e são defasadas no tempo de tal maneira que a etapa de adsorção ocorre através do tempo da etapa de adsorção, a etapa provedora de purga ocorre através de um tempo da etapa provedora de purga e uma etapa de purga ocorre através de um tempo da etapa de purga. O tempo da etapa de purga é maior que o tempo da etapa de adsorção, a etapa de purga compreende uma etapa na qual o leito adsorvente que está passando por uma etapa de purga está recebendo um gás de purga de um ou mais outros leitos adsorventes que estão passando pela etapa provedora de purga e na qual estes outros leitos adsorventes estão simultaneamente fornecendo o gás de purga ao leito adsorvente submetido à etapa de purga. A qualquer tempo, o número de leitos de adsorção passando pela etapa de adsorção é excedido pelo número de leitos adsorventes passando pela etapa de purga.

O processo pode separar hidrogênio de uma mistura de gases compreendendo hidrogênio, dióxido de carbono, e nitrogênio.

Em ainda outra concretização, a presente invenção é um processo para a separação de um gás não adsorvível de uma mistura de gases que compreende o gás não adsorvível e um gás adsorvível em uma zona PSA de múltiplos leitos adsorventes. O processo compreende as seguintes etapas. A mistura de gases sob uma pressão de adsorção é passada para um primeiro leito adsorvente de uma pluralidade de leitos adsorventes na zona PSA. Cada um dos leitos adsorventes contém um adsorvente seletivo para a adsorção do gás adsorvível em uma etapa de adsorção através de um tempo de etapa de adsorção e uma corrente efluente de adsorção é recuperada do mesmo. A primeira zona de adsorção está concorrentemente despressurizando em etapas de equalização com outros leitos adsorventes nos quais cada um dos outros leitos de adsorção tem uma pressão de equalização seqüencialmente mais baixa. A etapa de despressurização concorrente é repetida pelo menos duas vezes para alcançar uma última etapa de equalização. O primeiro leito adsorvente é adicionalmente concorrentemente despressurizado para proporcionar uma corrente efluente de dessorção em uma etapa de proporcionar purga através de um tempo de proporcionar purga e simultaneamente a corrente efluente de dessorção é passada para pelo menos dois outros leitos adsorventes que estão passando pela etapa de purga. O primeiro leito adsorvente é despressurizado a contracorrente sob uma pressão de descarga e uma corrente residual é recuperada a uma pressão de dessorção. O primeiro leito adsorvente é purgado com uma corrente de purga durante um tempo de etapa de purga no qual o tempo de etapa de purga é maior que o tempo da etapa de adsorção. A corrente de purga é passada de um ou mais leitos adsorventes submetidos a uma etapa de proporcionar purga concorrente ou submetidos a uma etapa de equalização concorrente. O primeiro leito adsorvente é repressurizado a contracorrente equalizando a pressão no primeiro leito adsorvente com outros leitos adsorventes nos quais cada um dos outros leitos adsorventes tem uma pressão de equalização seqüencialmente mais alta e esta etapa de repressurização a contracorrente é repetida pelo menos duas vezes. O primeiro leito adsorvente é um leito repressurizado a contracorrente com uma parte da corrente efluente de adsorção e as etapas de processo acima são repetidas para proporcionar um processo contínuo.

Descrição Sucinta dos Desenhos

A figura 1 é um carta de ciclo simplificada ilustrando um sistema de separação PSA de 16 leitos convencional da técnica anteriormente existente.

A figura 2 é uma carta de ciclo simplificada ilustrando o novo ciclo PSA para um sistema de 16 leitos da presente invenção.

A figura 3 é uma carta de ciclo simplificada ilustrando uma variação do novo ciclo PSA para um sistema de 16 leitos da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

A carga de alimentação para o processo da presente invenção pode incluir hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio, gases inertes, e hidrocarbonetos. O processo da presente invenção pode ser usado para separar hidrogênio de compostos adsorvíveis tais como monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio, e hidrocarbonetos ou o processo pode ser usado para separar metano dos compostos menos adsorvíveis inclusive dióxido de carbono, óxidos de enxofre, ácido sulfídrico, hidrocarbonetos mais pesados, e misturas dos mesmos. Pelo termo "hidrocarbonetos", entende-se hidrocarbonetos tendo de 1 a 8 átomos de carbono por molécula inclusive alcanos, alquenos, cicloalquenos, e hidrocarbonetos aromáticos tal como benzeno. Pelo termo "" um trem de equipamento único, entende-se uma sucessão de equipamento de processo incluindo bombas, aquecedores, vasos, válvulas, linhas, e compressores que são montados para realizar uma tarefa específica tal como separação de gases que não contém uma completa duplicação de equipamento. Um trem único é contrastado com um processo de múltiplos trens que compreende uma série de sucessões idênticas, paralelas do dito equipamento de processo montado para executar uma única tarefa.

De acordo com a presente invenção, a pressão de adsorção é genericamente de cerca de 350 kPa a cerca de 7 MPa e de preferência de cerca de 700 kPa a cerca de 3,5 MPa. A pressão de dessorção de preferência é de cerca de 3 a 550 kPa e preferencialmente a pressão de dessorção varia de cerca de 3 a cerca de 210 kPa. As temperaturas operacionais apropriadas estão genericamente dentro da faixa de cerca de 10° a 65°C. Pode existir uma variedade de etapas de despressurização concorrentes para pressões intermediárias, etapas de purga concorrentes, e etapas de purga a contracorrente, todas as quais são bem conhecidas daqueles versados na técnica e descrita nas patentes previamente citadas relacionadas com processos PSA. Por exemplo, uma a cinco ou mais das ditas etapas de despressurização concorrentes podem ser empregadas para equalização de pressão para adicionalmente aperfeiçoar a recuperação de produto.

O processo PSA da presente invenção é do tipo PSA genérico. A corrente de alimentação é introduzida em um leito adsorvente submetido à adsorção à pressão mais alta, ou a pressão de adsorção, numa extremidade de admissão de um leito adsorvente tendo a extremidade de entrada e uma extremidade de descarga oposta.

O adsorvente pode compreender compostos cristalinos, sólidos pulverulentos suscetíveis de adsorver e dessorver o composto adsorvível. Exemplos dos adsorventes em causa incluem sílica géis, aluminas ativadas, carvão ativado, peneiras moleculares, e misturas dos mesmos. As peneiras moleculares incluem peneiras moleculares de zeólitos. Os adsorventes preferenciais são zeólitos.

O documento US-A-3 986 849 descreve vários ciclos utilizando por exemplo um temo de adsorção de 240 segundos em uma configuração de 10 leitos adsorventes com um tempo de ciclo total de 13 minutos, 30 segundos. Aumentando o número de leitos, o tempo de adsorção total pode ser reduzido. Por exemplo, para o mesmo tempo de adsorção de 240 segundos em uma configuração de 12 leitos adsorventes, o tempo de ciclo total pode ser reduzido para 12 minutos. Quando o mesmo volume de adsorvente é usado as configurações de 10 e de 12 leitos adsorventes e proporcionado o mesmo inventário de adsorvente relativo por volume unitário de alimentação é requerido, a configuração de 12 leitos adsorventes aumenta a capacidade de produto em cerca de 33 porcento. De modo similar, para o mesmo tempo de adsorção de 240 segundos em uma configuração de 14 leitos adsorventes, o tempo de ciclo total seria reduzido para 11 minutos, 12 segundos e um aumento em capacidade de produto em relação à configuração de 10 leitos adsorventes de 66%. A mesma análise pode ser aplicada às configurações com qualquer número de adsorventes, ímpar ou par. Em geral, o manter o tempo de adsorção constante reduz o tempo de ciclo total e aumenta a capacidade. Como mais leitos adsorventes estão operando na etapa de adsorção que corresponde à vazões de alimentação mais altas, o tempo de sub ciclo, definido como o tempo de ciclo total dividido pelo número de leitos adsorventes, decresce que tem o efeito de reduzir o tempo disponível para as outras etapas no ciclo. Contrariamente à técnica anteriormente existente, verificou-se que reduzir o tempo para receber purga tem um impacto mais significativo no reduzir a recuperação do efluente de produto não adsorvido e também aumentando o volume relativo de adsorvente requerido, comparado com a redução do tempo para a etapa de adsorção. Também, todos os ciclos previamente descritos tem um número menor de leitos adsorventes na etapa de purga do que na etapa de adsorção. Com a exceção de ciclos PSA que empregam tanques externos, todos os processos PSA da técnica anterior requerem o mesmo número de leitos adsorventes na etapa de proporcionar purga como na etapa de receber purga, ou etapa de purga.

Reportando-se à fig. 1, uma representação de ciclo de processo é apresentada para um sistema PSA convencional com 16 leitos adsorventes. O ciclo para cada leito adsorvente consiste em uma etapa de adsorção, quatro etapas de despressurização concorrentes, uma etapa de proporcionar purga concorrente, uma etapa de descarga a contracorrente, uma etapa de purga, quatro etapas de repressurização a contracorrente, e uma etapa de repressurização final. Dentro deste ciclo de 16 leitos convencional a qualquer tempo, seis leitos adsorventes estão operando em uma etapa de adsorção, três leitos adsorventes estão operando em uma etapa de purga e três leitos adsorventes estão em uma etapa de proporcionar purga. O gás de purga para qualquer leito adsorvente é diretamente fornecido por outro leito de adsorção. Isto é, o número de leitos adsorventes proporcionando purga e o numero de leitos adsorventes recebendo gás de purga, ou submetidos à etapa de purga, é o mesmo. Para qualquer leito adsorvente no ciclo, o tempo para a etapa de purga, ou o tempo da etapa de purga, é igual ao tempo para a etapa de proporcionar purga. Além disso, o tempo através do qual a etapa de adsorção ocorre, é mais longo que a etapa de proporcionar purga ou a etapa de purga.

Reportando-se à fig. 2, um ciclo de processo representativo da presente invenção é ilustrado para 16 leitos adsorventes operando em um único trem. O ciclo representado na fig. 2 contém as mesmas etapas como mostradas na fig. 1 porém difere pelo fato de somente existirem quatro leitos na etapa de adsorção, cinco leitos na etapa de purga e gás de purga é alimentado por um único leito adsorvente a mais de um leito adsorvente a qualquer tempo no ciclo. Outrossim, o tempo de purga é significativamente mais longo que o tempo de adsorção para qualquer leito no ciclo. Reportando-se à fig. 2, em seguida à etapa de adsorção, o leito de adsorção 1 passa por quatro etapas de despressurização ou equalização concorrentes.

Durante a primeira etapa de equalização, o leito adsorvente 1 está concorrentemente ligado com o leito adsorvente 6. Durante a etapa de equalização seguinte, o leito adsorvente 1 está ligado com o leito adsorvente 7. Durante a terceira etapa de equalização, o leito adsorvente 1 está ligado com o leito adsorvente 8 e durante a última ou quarta etapa de equalização, o leito adsorvente 1 está ligado com o leito adsorvente 9. O leito adsorvente 1 então passa por uma etapa de proporcionar purga na qual o leito de adsorção é concorrentemente despressurizado e um gás de purga é extraído do leito adsorvente 1 e passado para os leitos adsorventes 10, 11, 12, 13, e 14 para proporcionar gás de purga para purgar essencialmente todos estes leitos durante uma primeira parte da etapa de proporcionar purga. Neste exemplo, ao mesmo tempo, o leito adsorvente 16 está também passando por despressurização concorrente e fornecendo um gás de purga aos leitos adsorventes 10, 11, 12, 13 e 14. Na parte seguinte da etapa de proporcionar purga, gás de purga é fornecido aos leitos adsorventes 11, 12, 13, 14e 15 e no segmento final da etapa de proporcionar purga, o gás de purga é fornecido aos leitos 11, 12, 13, 14 e 15. Ao mesmo tempo, o leito adsorvente 2 está também sofrendo despressurização concorrente e fornecendo gás de purga aos mesmos leitos adsorventes 11, 12, 13, 14 e 15. A etapa de descarga a contracorrente se segue à etapa de proporcionar purga. Na etapa de descarga a contracorrente, o leito adsorvente é despressurizado a contracorrente para liberar um fluxo de gás residual. O primeiro leito adsorvente é então purgado em contracorrente com o gás de purga inicialmente proveniente do leito adsorvente 3, a seguir dos leitos adsorventes 3 e 4, então do leito adsorvente4, então dos leitos adsorventes 4 e 5, então do leito adsorvente 5, então dos leitos adsorventes 5 e 6, então do leito adsorvente 6, então dos leitos adsorventes 6 e 7, então do leito adsorvente 7, e finalmente dos leitos adsorventes 7 e 8. Durante a fase inicial da purga a contracorrente de leito adsorvente 1, o leito adsorvente 2 está passando por descarga a contracorrente para resíduo sob pressão. O leito adsorvente 3 está passando por uma etapa de proporcionar purga concorrente, o leito adsorvente 4 está passando pela quarta etapa de equalização concorrente com o leito adsorvente 12, o leito adsorvente 5 está passando pela segunda etapa de equalização concorrente com o leito adsorvente 11, os leitos adsorventes 6, 7m, 8, e 9 estão na etapa de adsorção, o leito adsorvente 10 está passando pela repressurização, o leito adsorvente 11 está passando pela segunda equalização a contracorrente com o leito adsorvente 5, o leito adsorvente 12 está passando por equalização a contracorrente com o leito adsorvente 11, e os leitos adsorventes 13, 14, 15 e 16 estão também passando por purga a contracorrente. Desta maneira, gás de purga é fornecido por um ou mais leitos adsorventes a pelo menos dois outros leitos passando por uma etapa de purga. Ao término da última etapa de equalização, o leito adsorvente 1 é repressurizado com a pressão de adsorção. A repressurização pode ser efetuada reintroduzindo a alimentação ou por introduzir a contracorrente uma parte do fluxo de produto. Em uma zona de adsorção com oscilação de pressão de múltiplos leitos com trem único de 16 leitos adsorventes de preferência o ciclo inclui pelo menos quatro etapas de adsorção, pelo menos cinco etapas de purga, e o tempo da etapa de purga exceda o tempo da etapa de adsorção por uma razão de 1.25 vezes o tempo da etapa de adsorção.

Quando uma parte do gás de purga é proporcionada por um leito adsorvente passando pela etapa de despressurização concorrente final, o tempo da etapa de proporcionar purga compreende de entre 0,5 e 0,4 vezes o tempo da etapa de purga.

Reportando-se à figura 3, um ciclo de processo da presente invenção em uma concretização alternativa para um ciclo de 16 leitos é representada. No ciclo de 16 leitos na fig. 3, existem quatro etapas de adsorção e seis etapas de purga. Nesta configuração, a etapa de proporcionar purga concorrente é tomada durante parte da etapa simultaneamente com a última equalização concorrente e durante parte da etapa separadamente. A etapa de proporcionar purga concorrente é tomada de um leito adsorvente e é passada para seis leitos adsorventes simultaneamente.

Os seguintes exemplos são apresentados meramente para fins ilustrativos e não são propostos para limitar o âmbito das reivindicações que se seguem.

EXEMPLOS

Exemplo I

A Tabela 1 ilustra um ciclo PSA convencional de acordo com a US-A-3 986 849 (Fuderer & outros) para um ciclo empregando 12 leitos adsorventes. No ciclo convencional, o tempo da etapa de dessorção e o tempo da etapa de despressurização são iguais e cada um representa aproximadamente um terço do tempo de ciclo total. A recepção do gás de purga representa 13 porcento do ciclo e a repressurização representa aproximadamente 21 porcento do ciclo total. De modo similar, para um ciclo de 16 leitos convencional da técnica anteriormente existente como mostrado na fig. 1, a distribuição das etapas dentro do ciclo é mostrada na Tabela 1 no ciclo de 16 leitos. O tempo de adsorção agora representa aproximadamente 37,5 por cento do ciclo, a despressurização eqüivale a cerca de 31,3 por cento do ciclo total, a recepção de gás de purga eqüivale a cerca de 15,6 por cento do ciclo, e a repressurização eqüivale a cerca de 15,6 porcento do ciclo. Com altas vazões de alimentação, o volume do leito adsorvente alcança a máxima dimensão prática além da qual é necessário reduzir o tempo de adsorção e correspondentemente o tempo de ciclo total. Isto tem o efeito desejável de reduzir o inventário de adsorvente específico porém tem o efeito inconveniente de reduzir o tempo para recepção de purga. A redução do tempo de recepção de purga reduz significativamente a recuperação do efluente produto não adsorvido e aumenta o volume relativo de adsorvente requerido por volume de alimentação. Assim, o aumento esperado em capacidade de produto não é alcançado e na realidade é duplamente penalizado. A recuperação do produto efluente não adsorvido é reduzida e o volume relativo de adsorvente requerido por volume de alimentação é aumentado.

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Exemplo II

A II Tabela ilustra um ciclo PSA da presente invenção para um ciclo de 16 leitos como mostrado na figura 2. De acordo com a presente invenção, o tempo na etapa de recepção de purga é aumentado e a etapa de proporcionar purga é desacoplada da etapa de recepção de purga. A etapa de adsorção agora eqüivale aproximadamente a 25% do ciclo total, as etapas de despressurização eqüivale aproximadamente a 28,1% do ciclo total, as etapas de recepção de purga eqüivalem aproximadamente a 31,3% do ciclo total, e as etapas de repressurização permanecem a 15,6% do ciclo. Embora exista uma redução de menos de cerca de 0,1% para o volume relativo de adsorvente por volume de alimentação e o tempo de ciclo total seja reduzido, convertendo-se em um aumento total na capacidade. Uma vantagem adicional deste tipo de ciclo reside no fato da existência de mais adsorventes na etapa de despressurização a contracorrente e etapa de purga, estas etapas são a descarga do gás à baixa pressão, e a variação com o tempo da composição que egressa do adsorvente. A presença de mais adsorventes na etapa assegura um mistura grandemente aperfeiçoada destes gases anterior ao tambor de mistura (ou compensação). Isto pode reduz significativamente o volume requerido para mistura e assim o custo deste tambor assim como proporcionando muito melhor controle do gás de baixa pressão.

TABELA 2

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Exemplo III

Uma planta piloto foi usada para a avaliação do efeito de alteração do tempo de purga em relação ao tempo de adsorção em ciclos PSA. A planta piloto consistiu em uma única câmara adsorvente contendo cerca de 340 cm3 de adsorvente juntamente com os vasos auxiliares, válvulas, e conjunto de tubos de conexão requerido para simular ciclos PSA com múltiplos leitos. A carga de alimentação incluiu cerca de 72,5% em mol de hidrogênio, 0,67% em mol de nitrogênio, 2,04% em mol de monóxido de carbono, 5,57% em mol de metano, e cerca de 19,2% em mol de dióxido de carbono. O adsorvente constituído de carvão ativado e de uma peneira molecular de zeólito para produzir um hidrogênio produto compreendendo menos de cerca de 1 ppm de monóxido de carbono e cerca de 1 ppm de metano. A câmara foi operada numa seqüência de adsorção e dessorção cíclica através de uma gama de pressões de operação de cerca de 2200 kPa a cerca de 160 kPa. A pressão de purga foi de cerca de 160 kPa, a última pressão de equalização foi de cerca de 614 kPa, e a pressão de proporcionar purga foi de cerca de 255 kPa. O leito foi repressurizado com gás produto a uma pressão de produto de cerca de 2140 kPa. A temperatura de alimentação foi mantida à temperatura ambiente que em média foi de cerca de 21°C. A temperatura da câmara adsorvente foi essencialmente a mesma da temperatura de alimentação ou dentro de cerca de 6°C da temperatura de alimentação com variação surpreendentemente pequena durante o tempo de adsorção no ciclo. O tempo de ciclo PSA empregado para os testes de campo compreendeu um tempo de adsorção que variou de cerca de 90 segundos a cerca de 180 segundos. O tempo de equalização e os temos da etapa de descarga foram de cerca de 30 segundos e o tempo da etapa de proporcionar purga foi de cerca de 60 segundos. O desempenho em termos de recuperação de hidrogênio e capacidade em termos de alimentação por ciclo foi medida como mostrado na Tabela 3.

TABELA 3 Performance PSA

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Estes resultados mostram claramente que o reduzir o tempo da etapa de adsorção por uma razão de cerca de 2 (de 180 segundos para 90 segundos) resulta em uma mudança na recuperação de hidrogênio de cerca de 0,2% enquanto que uma mudança no tempo da etapa de purga por uma razão similar (de 90 para 45 segundos) resulta em uma mudança na recuperação de hidrogênio de cerca de 1,5%. Assim, o efeito de reduzir o temo da etapa de purga é de 8 a 10 vezes mais significativo que a redução da etapa de tempo de adsorção. Em um processo PSA5 o tempo de ciclo total tal tem uma relação direta com o custo do equipamento. Tanto mais curto o tempo de ciclo total, tanto mais baixo o custo. Conforme sustentado pelos resultados acima, o tempo de ciclo total pode ser encurtado com mínimo efeito sobre a recuperação total aumentando o tempo da etapa de purga em relação ao tempo da etapa de adsorção.

Exemplo IV

A planta piloto e processo descrito no III Exemplo foi usado para avaliar o efeito sobre a recuperação de produto e tempo de ciclo para reduzir o tempo da etapa de adsorção em relação ao tempo da etapa de proporcionar purga. A Tabela 4 condensa os resultados para uma alimentação de hidrogênio contendo cerca de 99% em mol de hidrogênio e 1% em mol de monóxido de carbono. O adsorvente empregado para a separação foi uma peneira de zeólito do tipo 5A e a adsorção se processou em torno de 21°C. O processo PSA compreendeu três etapas de equalização.

TABELA 3 <table>table see original document page 17</column></row><table>

A primeira coluna na Tabela 4 mostra a recuperação de hidrogênio para um temo da etapa de adsorção de cerca de 180 segundos em um ciclo PSA convencional com um tempo de ciclo total de 12 minutos no qual a relação do tempo da etapa de purga para o tempo da etapa de adsorção foi de cerca de 0.5. Na segunda coluna, os resultados de um ciclo da presente invenção são indicados na qual a relação do tempo da etapa de purga para o tempo da etapa de adsorção é aumentada para cerca de 1.5 e o tempo de ciclo total é reduzido para 10 minutos. Os resultados do IV Exemplo mostram que para um decréscimo de 20% no tempo de ciclo decrescendo o tempo da etapa de adsorção em relação ao tempo da etapa de purga, a recuperação de hidrogênio é somente reduzida ligeiramente.

Claims (7)

1. Processo para a separação de um gás não adsorvível de uma mistura de gases que compreende o gás não adsorvível e um gás adsorvível em uma zona de adsorção por oscilação de pressão de trem único, compreendendo passar a mistura de gases para a zona de adsorção por oscilação de pressão de trem único e extrair um fluxo de gás produto compreendendo o gás não adsorvível e um fluxo de gás residual compreendendo o gás adsorvível, a zona de adsorção por oscilação de pressão de trem único tendo uma pluralidade de leitos adsorventes empregando em cada leito adsorvente uma etapa de adsorção, pelo menos duas etapas de equalização concorrentes incluindo uma etapa de equalização concorrente final, uma etapa de proporcionar purga, uma etapa de descarga a contracorrente, uma etapa de purga, pelo menos três etapas de equalização a contracorrente inclusive uma etapa de equalização a contracorrente e uma etapa de repressurização, cada uma das etapas ocorrendo de uma maneira seqüencial e defasadas no tempo, onde a etapa de adsorção ocorrer através de um tempo de etapa de adsorção, a etapa de proporcionar purga ocorrer através de um tempo da etapa de proporcionar purga e uma etapa de purga ocorrer através de um tempo de etapa de purga, caracterizado pelo fato de que o tempo da etapa de purga é maior que o tempo da etapa de adsorção e no qual a etapa de purga compreende o leito adsorvente passando por uma etapa de purga recebe um gás de purga de um ou mais outros leitos adsorventes passando pela etapa de proporcionar purga na qual os outros leitos adsorventes estão simultaneamente fornecendo o gás de purga ao leito adsorvente que está passando pela etapa de purga e no qual a qualquer tempo o número de leitos adsorventes passando pela etapa de adsorção é excedido pelo número de leito adsorvente passando pela etapa de purga.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma relação do tempo da etapa de purga para o tempo da etapa de adsorção ser na faixa de 1.0 a 2.0.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da zona de adsorção por oscilação de pressão de trem único compreender de 10 a 20 leitos adsorventes.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da zona de adsorção por oscilação de pressão com múltiplos leitos compreender um trem único de 16 leitos adsorventes, no qual o processo compreende pelo menos quatro etapas de adsorção, pelo menos cinco etapas de purga, e o tempo de etapa de purga exceder o tempo da etapa de adsorção por uma razão de 1.25 vezes o tempo da etapa de adsorção.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma parte do gás de purga ser proporcionada por um leito adsorvente passando pela etapa de despressurização concorrente final.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da etapa de proporcionar purga ocorrer através de um tempo de etapa de proporcionar purga e o tempo de proporcionar purga ser menor que o tempo de purga, o tempo de proporcionar purga compreendendo entre 0,15 e 0,4 vezes o tempo da etapa de purga.

7. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do componente não adsorvível consistir em hidrogênio e o componente adsorvível ser selecionado do grupo que consiste em hidrocarbonetos, dióxido de carbono, monóxido de carbono, nitrogênio, e misturas dos mesmos ou no qual o componente não adsorvível consiste em metano e o componente adsorvível é selecionado do grupo que consiste em dióxido de carbono, hidrocarbonetos com mais de um átomo de carbono, óxidos de enxofre, ácido sulfídrico, e misturas dos mesmos.