BR102021005595A2

BR102021005595A2 - Processo e sistema de membrana para alta recuperação de um gás de não permeação

Info

Publication number: BR102021005595A2
Application number: BR102021005595-2A
Authority: BR
Inventors: Donald E. Henry
Original assignee: Air Products And Chemicals, Inc.
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2021-10-05
Also published as: EP3888773A1; JP7218392B2; CA3113200A1; CN113457390A; IL281826A; KR20210122136A; US11285434B2; CA3113200C; JP2021159913A; CN113457390B; KR102557207B1; US20210299605A1

Abstract

processo e sistema de membrana para alta recuperação de um gás de não permeação. a presente invenção refere-se a um método para separar uma corrente de gás de alimentação bruta usando uma pluralidade de estágios de separação de membrana, que inclui a separação de uma corrente de gás de alimentação pressurizada em uma primeira corrente de não permeado e uma primeira corrente de permeado, comprimindo a primeira corrente de permeado para formar uma primeira corrente de permeado comprimida, separando a primeira corrente de permeado comprimida em uma segunda corrente de não permeado e uma segunda corrente de permeado, separando a segunda corrente de permeado em uma terceira corrente de não permeado e uma terceira corrente de permeado, combinando a terceira corrente de não permeado com uma corrente de gás de alimentação bruta para formar uma corrente de alimentação combinada, comprimindo a corrente de alimentação combinada para formar uma corrente de alimentação combinada comprimida e combinando a segunda corrente de não permeado com a corrente de alimentação combinada comprimida para formar a corrente de gás de alimentação pressurizada.

Description

PROCESSO E SISTEMA DE MEMBRANA PARA ALTA RECUPERAÇÃO DE UM GÁS DE NÃO PERMEAÇÃO

ANTECEDENTES

[001] Este pedido se refere a um processo e sistema de membrana de múltiplos estágios para a recuperação de metano de partir de biogás.

[002] Os modelos de cascata de múltiplos estágios, como os descritos em "Gas Separation Membrane Cascades Utilizing Limited Numbers of Compressors" de Agrawal e Xu in AIChE Journal (vol 42, 1996 p 2141) são conhecidos na técnica por mais de vinte anos. No entanto, estes modelos preceituam que toda corrente de permeado deve ser comprimida antes de ser alimentada em um estágio de membrana subsequente. Adicionalmente, nos modelos em cascata anteriores, se uma corrente de permeado não for recomprimida, ela foi alimentada como um gás de arraste de baixa pressão em um lado do permeado de um estágio de membrana subsequente, e não como um gás de alimentação de alta pressão.

[003] Em um sistema de membrana de múltiplos estágios do estado da técnica, conforme ilustrado na Fig. 5 (US 2019/0224617): um primeiro estágio de membrana separa uma corrente de alimentação (mais uma corrente de reciclagem) para produzir uma primeira corrente de permeado e uma primeira corrente de não permeado; um segundo estágio da membrana separa a primeira corrente de não permeado para produzir uma segunda corrente de não permeado (produto de biometano) e uma segunda corrente de permeado que é reciclada e volta na corrente de alimentação; um compressor comprime a primeira corrente de permeado que é então separada em um terceiro estágio de membrana para produzir uma terceira corrente de permeado que é reciclada de volta para a corrente de alimentação pressurizada.

[004] Em um outro sistema de membrana de múltiplos estágios do estado da técnica, conforme ilustrado na Fig. 6 (documento EP 2588217), um sistema de membrana de três estágios é operado sem recompressão.

SUMÁRIO

[005] Em modalidades da presente invenção, apenas o gás de alimentação bruto combinado, que está à pressão atmosférica ou próximo a ela, mais a corrente de reciclagem de baixa pressão (isto é, a terceira corrente de não permeado) e a corrente de permeado que sai do primeiro estágio de membrana são comprimidos; e a corrente de permeado que sai do segundo estágio de membrana, antes de ser alimentada no terceiro estágio de membrana, não é comprimida. Adicionalmente, nenhuma das correntes de permeado é usada como gás de arraste.

[006] Aspecto 1. Um método para separar uma corrente de gás de alimentação bruto usando uma pluralidade de estágios de separação por membrana, compreendendo: separar uma corrente de gás de alimentação pressurizada em uma primeira corrente de não permeado e uma primeira corrente de permeado; comprimir a primeira corrente de permeado para formar uma primeira corrente de permeado comprimida; separar a primeira corrente de permeado comprimida em uma segunda corrente de não permeado e uma segunda corrente de permeado; separar a segunda corrente de permeado comprimida em uma terceira corrente de não permeado e uma terceira corrente de permeado; combinar a terceira corrente de não permeado com uma corrente de gás de alimentação bruta para formar uma corrente de alimentação combinada; comprimir a corrente de alimentação permeada para formar uma corrente de alimentação combinada comprimida; e combinar a segunda corrente de não permeado com a corrente de alimentação combinada comprimida para formar a corrente de gás de alimentação pressurizada.

[007] Aspecto 2. O método do aspecto 1, compreendendo ainda: retirar a primeira corrente de não permeado como uma corrente de produto gasoso.

[008] Aspecto 3. O método do aspecto 1 ou aspecto 2, compreendendo ainda: retirar a terceira corrente de permeado como uma corrente de gás residual.

[009] Aspecto 4. O método de qualquer um dos aspectos 1 a 3, compreendendo ainda: controlar a pressão da primeira corrente de não permeado; e controlar a pressão da terceira corrente de não permeado.

[0010] Aspecto 5. O método de qualquer um dos aspectos 1 a 41, compreendendo ainda: separar a primeira corrente de não permeado em uma quarta corrente de não permeado e uma quarta corrente de permeado; combinar a quarta corrente de permeado com a terceira corrente de não permeado antes de combinar a terceira corrente de não permeado com a corrente de gás de alimentação bruta para formar a corrente de alimentação combinada; e retirar a quarta corrente de não permeado como uma corrente de produto gasoso.

[0011] Aspecto 6. O método de qualquer um dos aspectos 1 a 5, compreendendo ainda: aplicar pressão negativa a pelo menos um dentre a primeira corrente de permeado e a terceira corrente de permeado.

[0012] Aspecto 7. Um sistema de membrana de múltiplos estágios para separar uma corrente de gás de alimentação bruta, compreendendo: uma primeira fase de membrana tendo uma primeira porta de alimentação para receber uma corrente de gás de alimentação bruta pressurizada, uma primeira saída de não permeado para descarregar uma primeira corrente de não permeado e uma primeira saída de permeado para descarregar uma primeira corrente de permeado; um compressor entre estágios tendo uma entrada de compressor entre estágios operativamente conectada à primeira saída de permeado para receber a primeira corrente de permeado e uma saída de compressor entre estágios para descarregar uma primeira corrente de permeado comprimida; um segundo estágio de membrana tendo uma segunda porta de alimentação operativamente conectada à saída do compressor entre estágios para receber a primeira corrente de permeado comprimida, uma segunda saída de permeado para descarregar uma segunda corrente de permeado e uma segunda saída de não permeado para descarregar uma segunda corrente de não permeado; um terceiro estágio de membrana tendo uma terceira porta de alimentação conectada operativamente à segunda saída de permeado para receber a segunda corrente de permeado, uma terceira saída de permeado para descarregar uma terceira corrente de permeado e uma terceira saída de não permeado para descarregar uma terceira corrente de não permeado; uma primeira junção de mistura tendo uma entrada de gás de alimentação bruta para receber uma corrente de gás de alimentação bruta, uma primeira entrada de reciclagem operativamente conectada à terceira saída de permeado para receber a terceira corrente de permeado e uma primeira saída de mistura para descarregar uma corrente de alimentação combinada que consiste em um mistura da corrente de gás de alimentação bruta e a terceira corrente de permeado; um compressor de alimentação tendo uma entrada de compressor de alimentação operativamente conectada à primeira saída de mistura para receber a corrente de alimentação combinada e uma saída de compressor de alimentação para descarregar uma corrente de alimentação combinada comprimida; e uma segunda junção de mistura tendo uma entrada de alimentação combinada operativamente conectada à saída do compressor de alimentação para receber a corrente de alimentação combinada comprimida, uma segunda entrada de reciclagem operativamente conectada à segunda saída de não permeado para receber a segunda corrente de não permeado, e uma segunda saída de mistura operativamente conectada à primeira porta de alimentação para fornecer a corrente de gás de alimentação bruta pressurizada que consiste em uma mistura da corrente de alimentação combinada comprimida e a segunda corrente de não permeado para o primeiro estágio de membrana.

[0013] Aspecto 8. O sistema do aspecto 7, compreendendo ainda: um quarto estágio de membrana tendo uma quarta porta de alimentação operativamente conectada à primeira saída de não permeado para receber a primeira corrente de permeado, uma quarta porta de saída de permeado para descarregar uma quarta corrente de permeado e uma quarta saída de não permeado para descarregar uma quarta corrente de não permeado; em que a quarta corrente de permeado é combinada com a terceira corrente de não permeado antes de a terceira corrente de não permeado ser recebida na primeira junção de mistura.

[0014] Aspecto 9. O sistema do aspecto 7 ou aspecto 8, compreendendo ainda: uma primeira bomba de vácuo de permeado para aplicar pressão negativa à primeira saída de permeado.

[0015] Aspecto 10. O sistema de qualquer um dos aspectos 7 a 9, compreendendo ainda: uma terceira bomba de vácuo de permeado para aplicar pressão negativa à terceira saída de permeado.

[0016] Aspecto 11. O sistema de qualquer um dos aspectos 7 a 10, em que o primeiro estágio de membrana, o segundo estágio de membrana e o terceiro estágio de membrana têm, cada um, membranas com a mesma permeabilidade e seletividade.

[0017] Aspecto 12. O sistema de qualquer um dos aspectos 7 a 11, em que um dentre o primeiro estágio de membrana, o segundo estágio de membrana e o terceiro estágio de membrana tem membranas de permeabilidade e seletividade diferentes dos outros dois estágios.

[0018] Aspecto 13. O sistema de qualquer um dos aspectos 7 a 12, em que cada um do primeiro estágio de membrana, o segundo estágio de membrana e o terceiro estágio de membrana tem membranas de permeabilidade e seletividade diferentes de cada um dos outros estágios.

[0019] Os vários aspectos do sistema descrito no presente documento podem ser usados sozinhos ou em combinações entre si.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0020] A Fig. 1 é um diagrama de fluxo de processo de uma modalidade de um sistema e processo de membrana de três estágios usando dois compressores.

[0021] A Fig. 2 é um diagrama de fluxo de processo de uma outra modalidade de um sistema e processo de membrana de quatro estágios usando dois compressores.

[0022] A Fig. 3 é um gráfico que compara a potência do compressor das configurações de membrana de três estágios do estado da técnica com uma modalidade de três estágios da presente invenção.

[0023] A Fig. 4 é um gráfico que compara a área de membrana das configurações de membrana de três estágios do estado da técnica com uma modalidade de três estágios da presente invenção.

[0024] A Fig. 5 é um diagrama de fluxo de processo de um sistema e processo de membrana de três estágios usando dois compressores.

[0025] A Fig. 6 é um diagrama de fluxo de processo de um sistema e processo de membrana de três estágios sem recompressão.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0026] A Fig. 1 mostra uma modalidade de um sistema de renovação de biogás de membrana de três estágios 10 incluindo dois compressores. Quando usado para renovar ou separar o biogás, ele pode atingir pelo menos 99,5 % de recuperação de metano. O biogás normalmente compreende dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4) como constituintes principais, às vezes junto com outros constituintes secundários, como oxigênio (O2) e nitrogênio (N2). As membranas usadas no presente sistema são seletivas para CO2 em vez de CH4, o que significa que CO2 é considerado um gás de permeação rápida que preferencialmente atravessa a membrana a uma taxa relativamente alta, enquanto CH4 é um gás de permeação lenta que atravessa a membrana a uma taxa relativamente baixa. Como abreviação neste documento, um gás de permeação rápida e um gás de permeação lenta podem ser referidos como um gás rápido e um gás lento, respectivamente. A permeabilidade do gás através de uma membrana é governada pelo mecanismo de transporte de difusão em solução, onde a taxa de permeação é uma função do tamanho molecular (difusividade) e da solubilidade molecular no polímero e é proporcional à força motriz. A força motriz para a separação do gás é o diferencial de pressão parcial entre os lados de alta pressão e baixa pressão da membrana. A permeabilidade ao gás de cada componente gasoso de uma mistura gasosa será normalmente diferente, e a pressão parcial de cada componente gasoso será obviamente proporcional à sua concentração relativa na mistura gasosa, bem como à pressão total da mistura gasosa.

[0027] As membranas são usadas no processo de separação de gás desde a década de 80, quando a Monsanto comercializou sua membrana PRISM® para purificação de hidrogênio. Desde então, as membranas encontraram uso em uma variedade de aplicações, como, mas não se limitando a, adoçante com gás natural, produção de nitrogênio e desidratação. Mais recentemente, as membranas têm sido usadas no campo crescente de recuperação do biogás, substituindo as tecnologias tradicionais, como purificação com amina e lavagem com água. As membranas oferecem muitas vantagens sobre as tecnologias de separação tradicionais, como pegada reduzida, sem peças móveis e sem consumíveis ou subprodutos que necessitem de tratamento adicional.

[0028] Na modalidade da Fig. 1, uma corrente de gás de alimentação bruta 30 contendo uma mistura de um gás rápido e um gás lento (por exemplo, biogás contendo CO2 e CH4) é alimentada no sistema 10. Uma primeira corrente reciclada 48 (também chamada de terceira corrente de não permeado 48, como discutido abaixo) é misturada na corrente de gás de alimentação bruta 30 para formar uma corrente de alimentação combinada 32. A corrente de alimentação combinada 32 é comprimida a uma pressão mais alta em um compressor de alimentação 12 para produzir uma corrente de alimentação combinada comprimida 34. Uma segunda corrente reciclada 44 (também chamada de segunda corrente de não permeado 44, como discutido abaixo) é misturada na corrente de alimentação combinada comprimida 34 para formar uma corrente de gás de alimentação pressurizada 36.

[0029] A corrente de gás de alimentação pressurizada 36, contendo uma mistura de gases de permeação lenta e rápida, é fornecida a um primeiro estágio de membrana 20 tendo uma membrana de separação de gás que é seletiva para um gás rápido sobre um gás lento. Uma válvula de controle 16 (ou outro dispositivo que pode manter a pressão, como um orifício restritivo) é usada para manter a pressão apropriada através do primeiro estágio de membrana 20. No caso do biogás, o CO2 permeia muito mais rapidamente do que o CH4. O gás compreendendo principalmente gás rápido mais uma minoria de gás lento permeia a membrana e sai do primeiro estágio de membrana 20 como uma primeira corrente de permeado 40, enquanto o gás compreendendo principalmente gás lento mais uma minoria de gás rápido que não consegue permear a membrana é rejeitado e retirado como uma primeira corrente de não permeado 38. Na descrição neste documento, os termos retentado e não permeado podem ser usados como sinônimos.

[0030] A primeira corrente de não permeado 38 pode ser retirada como uma corrente de produto final do gás lento, tendo uma alta concentração do gás lento e uma concentração muito baixa do gás rápido. A primeira corrente de permeado 40 é recomprimida em um compressor de permeado de primeiro estágio 14 (também chamado de compressor entre estágios), gerando uma primeira corrente de permeado comprimida 42, isto é, uma mistura pressurizada de gás de permeação rápida com alguma quantidade de gás de permeação lenta, que é alimentado a um segundo estágio de membrana 22.

[0031] No segundo estágio de membrana 22, o gás compreendendo principalmente gás rápido mais uma minoria de gás lento permeia a membrana e sai do segundo estágio de membrana 22 como uma segunda corrente de permeado 46, enquanto o gás compreende principalmente gás lento mais uma minoria de gás rápido que falha em permear a membrana é rejeitado e retirado como a segunda corrente de não permeado 44. A segunda corrente de não permeado 44 permanece pressurizada, uma vez que não conseguiu permear a membrana e se beneficia da recompressão pelo compressor 14. A segunda corrente de não permeado 44 é reciclada de volta para a corrente de alimentação combinada comprimida 34 a jusante do compressor de alimentação 12.

[0032] A segunda corrente de permeado 46 é alimentada a um terceiro estágio de membrana 24 sem nenhuma recompressão. No terceiro estágio de membrana 24, o gás compreendendo principalmente gás rápido mais uma minoria de gás lento permeia a membrana e sai do terceiro estágio de membrana 24 como uma terceira corrente de permeado 50, enquanto o gás que compreende principalmente gás lento mais uma minoria de gás rápido que falha em permear a membrana é rejeitado e retirado como a terceira corrente de não permeado 48. A terceira corrente de não permeado 48 é reciclada de volta para a corrente de gás de alimentação bruta 30 a jusante do compressor de alimentação 12. Uma válvula de controle 18 é usada para manter a pressão apropriada através do terceiro estágio de membrana 24. A terceira corrente de permeado 50 é uma corrente rica em gás rápido, que no caso do biogás seria principalmente CO2, que pode ser ventilado ou processado posteriormente, dependendo da aplicação.

[0033] Opcionalmente, uma bomba de vácuo (não mostrada) pode ser conectada à primeira corrente de permeado 40 e/ou à terceira corrente de permeado 50 para aumentar a pressão diferencial através da membrana do primeiro estágio ou do terceiro estágio, respectivamente, o que por sua vez melhora o desempenho de separação do estágio de membrana.

[0034] Opcionalmente, um aquecedor de processo pode ser usado a montante de qualquer um dos estágios de membrana para aumentar a permeabilidade de gás rápido e, assim, reduzir a área de membrana necessária. Mas o benefício é compensado por um aumento maior na permeabilidade do gás lento, o que diminui o desempenho de separação do estágio de membrana.

[0035] No sistema 10, cada estágio de membrana 20, 22 e 24 pode conter uma ou mais membranas, com múltiplas membranas que são dispostas em série e/ou em paralelo. Cada membrana pode ter a forma de folhas planas ou fibras ocas, e os módulos das membranas podem ser uma folha plana enrolada em espiral ou um feixe de fibras ocas. Não é necessário para cada estágio de membrana 20, 22 e 24 usar as mesmas membranas. Por exemplo, em algumas modalidades, todos os três estágios usam membranas com a mesma permeabilidade e seletividade. Em outras modalidades, a permeabilidade e seletividade da membrana de cada estágio podem ser diferentes daquelas nos outros estágios. Em ainda outras modalidades, dois estágios podem usar membranas com a mesma permeabilidade e seletividade e o estágio restante pode usar membranas com uma permeabilidade e seletividade diferentes. Cada membrana pode ser feita de um único polímero selecionado a partir dos inúmeros polímeros conhecidos na técnica ou futuramente determinados como adequados para a separação desejada, ou cada membrana pode ser uma membrana composta feita de múltiplos polímeros. Exemplos de polímeros usados para fazer membranas incluem, mas não estão limitados a, poliestireno, polissulfona, polietersulfona, poli(fluoreto de vinila), poli(fluoreto de vinilideno), poliéter éter cetona, policarbonato, óxido de polifenileno, polietileno, polipropileno, acetato de celulose, poliamida (tal como Matrimid 5218 ou P-84), poliamida, poli (álcool vinílico), poli (acetato de vinila), poli (óxido de etileno), polidimetilsiloxano, copolímeros, copolímeros em bloco ou misturas de polímeros.

[0036] Surpreendentemente, o uso dos dois compressores 12 e 14 no sistema 10 conduz a alta recuperação do gás lento com custos de compressão significativamente mais baixos do que uma configuração de 3 estágios mais tradicional que tem um compressor de gás de alimentação principal sem compressão adicional, por exemplo, como na configuração do estado da técnica da Fig. 6. Além disso, a configuração do sistema 10 leva, muitas vezes, a requisitos de área de membrana mais baixos, reduzindo assim os custos de capital para o sistema.

[0037] A Fig. 2 mostra uma outra modalidade de um sistema de renovação de biogás de membrana de múltiplos estágios 100 incluindo dois compressores para obter pelo menos 99,5 % de recuperação de metano. Além dos elementos descritos acima em relação ao sistema 10, o sistema 100 adiciona um quarto estágio de membrana 26 para tratar ainda a primeira corrente de não permeado 38 rejeitada pelo primeiro estágio de membrana 20.

[0038] A primeira corrente de não permeado 38 é alimentada no quarto estágio de membrana 26. No quarto estágio de membrana 26, o gás compreendendo principalmente gás rápido mais uma minoria de gás lento permeia a membrana e sai do quarto estágio de membrana 26 como uma quarta corrente de permeado 54, enquanto o gás compreendendo principalmente gás lento mais uma fração muito pequena de gás rápido que falha em permear a membrana é rejeitado e retirado como a quarta corrente de não permeado 52. A quarta corrente de permeado 54 combinada com a terceira corrente de não permeado 48 para formar uma corrente de reciclagem combinada 58 que é reciclada de volta para a corrente de gás de alimentação bruta 30 a montante do compressor de alimentação. Uma válvula de controle 56 é usada para manter a pressão apropriada através do quarto estágio de membrana 26. A quarta corrente de não permeado 52 é uma corrente rica em gás lento, que no caso do biogás seria principalmente CH4, que existe no sistema 100 como um produto final purificado.

[0039] Tanto no sistema 10 quanto 100, para qualquer determinada composição de gás de alimentação, requisitos de taxa de fluxo e requisitos de produto, como pureza e/ou recuperação, as áreas de membrana em cada estágio são calculadas a partir de variáveis, incluindo, mas não se limitando a, pressões operacionais, temperaturas, e tipo de membrana (isto é, permeabilidade e seletividade da membrana). Esses parâmetros são inseridos em um programa de simulação computacional, como o Aspen Plus para encontrar a distribuição ideal da área da membrana entre os três ou quatro estágios, as vazões e composições de cada respectiva corrente de reciclagem e o impacto direto das correntes de reciclagem na potência do compressor.

[0040] Os sistemas 10 e 100 descritos neste documento podem ser usados para separar qualquer um dos vários pares de gás em uma corrente de alimentação 30, incluindo, mas não se limitando a: CO2/CH4, H2/CO, H2/CO2, CO2/N2, O2/N2, He/CH4, H2/CH4, e H2/N2.

[0041] Os gráficos das Figs. 3 e 4, e a tabela abaixo, comparam o desempenho do sistema atualmente descrito 10 com os dois sistemas do estado da técnica mostrados na Fig. 5 (Sistema A) e Fig. 6 (Sistema B). As simulações foram realizadas usando as seguintes condições: corrente de alimentação bruta de 1000 NMH (metros cúbicos normais por hora) de biogás contendo 60 % molar de CH4, 40 % molar de CO2, 14 barg de pressão operacional para as membranas do primeiro e segundo estágios, membrana de 20 °C temperatura operacional, produto gasoso contendo 98 % molar de CH4, seletividade de membrana CO2/CH4 30. Como os gráficos mostram, em recuperações de CH4 mais modestas (ou seja, maior teor de CH4 na corrente de ventilação), o presente sistema 10 com uma cascata de três estágios e dois compressores tem um desempenho semelhante aos Sistemas A e B. No entanto, conforme a recuperação de CH4 aumenta e o CH4 na corrente de ventilação diminui, o presente sistema 10 requer significativamente menos potência do compressor do que o Sistema A (compressor único) ou Sistema B (dois compressores). O presente sistema também requer ligeiramente menos área de membrana do que o modelo de compressor único do Sistema A.

Condições: 1000 NMH de biogás bruto a 60 % de CH4, 40 % de CO2, 14 barg, 20C, produto gasoso 98 % de CH4, recuperação total de CH4 99,97 %, seletividade de membrana CO2/CH4 30

[0042] Uma simulação de processo foi realizada usando a configuração da Fig. 6, tendo três membranas e um único compressor, para gerar uma corrente de produto contendo 98 % molar de CH4 e uma recuperação geral de CH4 de 99,98 % usando uma corrente de alimentação 30 contendo 60 % molar de CH4 e 40 % molar de CO2 e fluxo de 1000 NMH. A fim de alcançar uma recuperação de CH4 muito alta, acima de cerca de 99,5 %, uma taxa de reciclagem de mais de 500 % é necessária, onde a taxa de reciclagem é definida como a razão do volume da corrente de reciclagem (uma combinação das correntes marcadas 7 e 8) para o volume da corrente de alimentação (a corrente marcada como 1). Esta grande taxa de reciclagem exigiria um compressor muito grande e exigiria uma potência do compressor excessivamente alta para operar.

[0043] Por comparação, uma simulação foi realizada usando a configuração do sistema 10 com três estágios de membrana 20, 22 e 24 em cascata, um compressor de alimentação 12 e um compressor de permeado de primeiro estágio 14. Na simulação, os módulos de membrana continham membranas de fibra oca com uma seletividade de CO2/CH4 de 30.

[0044] Uma alimentação de 1000 NMH de uma corrente de biogás bruta 30 contendo 60 % de CH4 e 40 % de CO2 é fornecida ao sistema. A corrente 30 é combinada com a terceira corrente de não permeado 48 tendo uma taxa de fluxo de 101,64 NMH e contendo 96,5 % de CO2 para formar a corrente de alimentação combinada 32. A corrente combinada 32 é comprimida a 14 barg. A corrente de alimentação combinada comprimida resultante 34 é combinada com a segunda corrente de não permeado 44 a 842,8 NMH e contendo 81,1 % de CO2 para criar uma corrente de gás de alimentação pressurizada 36 de 1944,4 NMH contendo 39,3 % de CH4 e 60,7 % de CO2 a aproximadamente 14 barg e 20 °C. A corrente de alimentação combinada comprimida 36 é alimentada no primeiro estágio de membrana 20 para gerar a primeira corrente de não permeado 38 e a primeira corrente de permeado 40.

[0045] O primeiro estágio de membrana 20 contém 78,5 % da área total da membrana no sistema 10. A pressão da pressão da primeira corrente de não permeado 38 é regulada por uma válvula de controle 16, que é ajustada para atingir uma pressão de alimentação de 14 barg para o primeiro estágio de membrana 20. A primeira corrente de não permeado 38 tinha uma taxa de fluxo molar de 611,9 NMH, continha 98 % de CH4 e é retirada como o produto gasoso. A primeira corrente de permeado 40 tinha uma taxa de fluxo molar de 1332,5 NMH entrando no primeiro compressor do permeado 14.

[0046] A primeira corrente de permeado comprimida 42 é alimentada ao segundo estágio de membrana 22 para gerar a segunda corrente de não permeado 48 e a segunda corrente de permeado 46. O segundo estágio de membrana 22 contém 6,8 % da área total da membrana do sistema.

[0047] A segunda corrente de permeado 46 é alimentada no terceiro estágio de membrana 24, que contém 14,7 % da área total da membrana do sistema. A válvula de controle 18 na corrente de não permeado do terceiro estágio 48 regula a pressão nessa corrente, bem como as pressões da corrente de alimentação 46 do terceiro estágio. A válvula de controle 18 é ajustada de modo que a pressão seja suficientemente baixa para que uma pressão diferencial seja mantida através do segundo estágio de membrana 22, mas alta o suficiente para manter uma pressão diferencial através da membrana do terceiro estágio 24. A pressão ideal pode ser determinada minimizando a função de custo usando rotinas de otimização, o que permite que essa corrente seja combinada com a corrente de gás de alimentação 34 que sai do compressor de alimentação 12. Como mencionado acima, o volume da corrente de não permeado de terceiro estágio 48 é 101,6 NMH e, quando reciclado, este volume representa apenas um aumento de 10 % no volume de gás a ser comprimido pelo compressor de alimentação 12. A corrente de permeado de terceiro estágio 50 é retirada a 387,9 NMH e contém apenas 0,05 % molar de CH4. No geral, este sistema atinge 99,97 % de recuperação de CH4 enquanto usa apenas um biogás bruto estimado de 0,286 kW/NMH.

[0048] Os sistemas atualmente descritos 10 e 100 representam uma melhoria inesperada em relação ao sistema de compressor único de três estágios da Fig. 6. Mesmo que o sistema da Fig. 6 possa ser adaptado para uma recuperação superior a 99,5 %, aceitando fluxos de reciclagem mais elevados, usando membranas com maior seletividade e/ou operando a uma temperatura mais baixa para atingir maior seletividade, cada um desses tem desvantagens em comparação com os sistemas atualmente descritos. Especificamente, os fluxos de reciclagem maiores exigem mais potência do compressor, tornando o processo menos econômico; membranas com maior seletividade não estão disponíveis atualmente; e operando em temperaturas mais baixas para diminuir a seletividade aumentam os custos de energia de refrigeração e aumentam a área da membrana.

[0049] Os sistemas atualmente descritos 10 e 100 também representam uma melhoria inesperada em relação ao sistema de três estágios de dois compressores da Fig. 5. Mesmo que o sistema da Fig. 5 possa ser adaptado para uma recuperação de CH4 superior a 98 %, para alcançar essa alta recuperação, a razão do fluxo de alimentação do estágio (segundo) de permeado para a taxa de fluxo de permeado (conhecida como "corte de estágio") é reduzida, o que, por sua vez, reduz a área da membrana do estágio de permeado. Com uma recuperação de CH4 superior a cerca de 99 %, a área da membrana do estágio de permeado se torna tão pequena que se torna impraticável projetar e/ou operar. Além disso, a razão do fluxo de não permeado do estágio de permeado para o fluxo de reciclagem do permeado do estágio de alimentação aumenta, aumentando, assim, o consumo de energia do compressor entre os estágios.

[0050] A presente invenção não deve ser limitada em escopo pelos aspectos ou modalidades específicos descritos nos exemplos que se destinam a ser ilustrações de alguns aspectos da invenção e quaisquer modalidades que são funcionalmente equivalentes estão dentro do escopo dessa invenção. Diversas modificações da invenção, além das mostradas e descritas no presente documento, se tornarão evidentes para os versados na técnica e se destinam a estar abrangidas no interior do escopo das reivindicações anexas.

Claims

Método para separar uma corrente de gás de alimentação bruta usando uma pluralidade de estágios de separação por membrana, caracterizado pelo fato de que compreende:
separar uma corrente de gás de alimentação pressurizada em uma primeira corrente de não permeado e uma primeira corrente de permeado;
comprimir a primeira corrente de permeado para formar uma primeira corrente de permeado comprimida;
separar a primeira corrente de permeado comprimida em uma segunda corrente de não permeado e uma segunda corrente de permeado;
separar a segunda corrente de permeado comprimida em uma terceira corrente de não permeado e uma terceira corrente de permeado;
combinar a terceira corrente de não permeado com uma corrente de gás de alimentação bruta para formar uma corrente de alimentação combinada;
comprimir a corrente de alimentação permeada para formar uma corrente de alimentação combinada comprimida; e
combinar a segunda corrente de não permeado com a corrente de alimentação combinada comprimida para formar a corrente de gás de alimentação pressurizada.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
retirar a primeira corrente de não permeado como uma corrente de produto gasoso.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
retirar a terceira corrente de permeado como uma corrente de gás residual.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
controlar a pressão da primeira corrente de não permeado; e
controlar a pressão da terceira corrente de não permeado.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
separar a primeira corrente de não permeado em uma quarta corrente de não permeado e uma quarta corrente de permeado;
combinar a quarta corrente de permeado com a terceira corrente de não permeado antes de combinar a terceira corrente de não permeado com a corrente de gás de alimentação bruta para formar a corrente de alimentação combinada; e
retirar a quarta corrente de não permeado como uma corrente de produto gasoso.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
aplicar pressão negativa a pelo menos um dentre a primeira corrente de permeado e a terceira corrente de permeado.
Sistema de membrana de múltiplos estágios para separar uma corrente de gás de alimentação bruta, caracterizado pelo fato de que compreende:
um primeiro estágio de membrana tendo uma primeira porta de alimentação para receber uma corrente de gás de alimentação bruta pressurizada, uma primeira saída de não permeado para descarregar uma primeira corrente de não permeado, e uma primeira saída de permeado para descarregar uma primeira corrente de permeado;
um compressor entre estágios tendo uma entrada de compressor entre estágios operativamente conectada à primeira saída de permeado para receber a primeira corrente de permeado e uma saída de compressor entre estágios para descarregar uma primeira corrente de permeado comprimida;
um segundo estágio de membrana tendo uma segunda porta de alimentação operativamente conectada à saída do compressor entre estágios para receber a primeira corrente de permeado comprimida, uma segunda saída de permeado para descarregar uma segunda corrente de permeado e uma segunda saída de não permeado para descarregar uma segunda corrente de não permeado;
um terceiro estágio de membrana tendo uma terceira porta de alimentação conectada operativamente à segunda saída de permeado para receber a segunda corrente de permeado, uma terceira saída de permeado para descarregar uma terceira corrente de permeado e uma terceira saída de não permeado para descarregar uma terceira corrente de não permeado;
uma primeira junção de mistura tendo uma entrada de gás de alimentação bruta para receber uma corrente de gás de alimentação bruta, uma primeira entrada de reciclagem operativamente conectada à terceira saída de permeado para receber a terceira corrente de permeado e uma primeira saída de mistura para descarregar uma corrente de alimentação combinada que consiste em um mistura da corrente de gás de alimentação bruta e a terceira corrente de permeado;
um compressor de alimentação tendo uma entrada de compressor de alimentação operativamente conectada à primeira saída de mistura para receber a corrente de alimentação combinada e uma saída de compressor de alimentação para descarregar uma corrente de alimentação combinada comprimida; e
e segunda junção de mistura tendo uma entrada de alimentação combinada operativamente conectada à saída do compressor de alimentação para receber a corrente de alimentação combinada comprimida, uma segunda entrada de reciclagem operativamente conectada à segunda saída de não permeado para receber a segunda corrente de não permeado, e uma segunda saída de mistura operativamente conectada à primeira porta de alimentação para fornecer a corrente de gás de alimentação bruta pressurizada que consiste em uma mistura da corrente de alimentação combinada comprimida e a segunda corrente de não permeado para o primeiro estágio de membrana.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
um quarto estágio de membrana tendo uma quarta porta de alimentação operativamente conectada à primeira saída de não permeado para receber a primeira corrente de permeado, uma quarta porta de saída de permeado para descarregar uma quarta corrente de permeado e uma quarta saída de não permeado para descarregar uma quarta corrente de não permeado;
em que a quarta corrente de permeado é combinada com a terceira corrente de não permeado antes de a terceira corrente de não permeado ser recebida na primeira junção de mistura.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
uma primeira bomba de vácuo de permeado para aplicar pressão negativa à primeira saída de permeado.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
uma terceira bomba de vácuo de permeado para aplicar pressão negativa à terceira saída de permeado.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o primeiro estágio de membrana, o segundo estágio de membrana e o terceiro estágio de membrana têm, cada um, membranas com a mesma permeabilidade e seletividade.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que um dentre o primeiro estágio de membrana, o segundo estágio de membrana e o terceiro estágio de membrana tem membranas com permeabilidade e seletividade diferentes dos outros dois estágios.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada um do primeiro estágio de membrana, o segundo estágio de membrana e o terceiro estágio de membrana tem membranas com permeabilidade e seletividade diferentes de cada um dos outros estágios.