BR112013000082B1 - Processo de separação de um fluxo de gás bruto - Google Patents
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Abstract
aparelho para separar gases e processo para separar misturas de gás. a invenção refere-se a um aparelho especifíco, mais particularmente corrente dos módulos da membrana de separação de gás, para separação de misturas de gás frações com pureza elevada.
Description
[0001] A invenção refere-se a um aparelho específico, mais parti cularmente a uma corrente de módulos da membrana de separação de gás, para separação das misturas de gás em duas frações de pureza elevada.
[0002] Por meios de uma membrana de separação de gás, é possí vel separar misturas de gás com base nas diferentes permeabilidades (= vazão por tempo de unidade, área de unidade, diferencial da pressão e espessura da camada) dos gases individuais em um polímero. Os polí-merossão geralmente processados para fornecer fibras ocas ou membranas planas. As membranas são notáveis para uma camada de separação muito fina na superfície da membrana, de modo que a permeabilidade(vazão por tempo de unidade, área de unidade e diferencial da pressão) da membrana esteja em um máximo.
[0003] O resultado da separação obtido com uma membrana em um único passo não depende apenas da seletividade da membrana, mas depende também do índice de pressão entre o lado de alta pressão e baixa pressão da membrana. Quanto maior o índice de pressão, melhor será o resultado máximo da separação obtido.
[0004] Na faixa de baixos índices de pressão, as curvas para as diferentes seletividades percorrerão a outra (ver figura 1). O resultado da separação nesta faixa é determinado pelo índice de pressão. Esta faixa é então referida como "limitada pela pressão". Na faixa de altos índices de pressão, o resultado da separação pode apenas ser influenciado pelo índice de pressão. Esta faixa é referida como "limitada pela seletividade".
[0005] Uma série de disposições de conexão da membrana para a separação de gases é conhecida da literatura. Em Baker, IndEng- ChemRes, Natural Gas Processing with Membranas, 47 (2008), há uma lista compreensiva de várias disposições conhecidas. Por exemplo, usando o exemplo da separação de metano (gás concentrado) e CO2 (gás permeado) com uma simples etapa de separação da membrana de um estágio de acordo com a figura 2, altas purezas podem ser obtidas na corrente do produto (98% deque 97%. Em uma variante particularmente preferida, o processo de acordo com a invenção ou o aparelho inventivo é então notável em que pelo menos 95%, preferivelmente pelo menos 97%, mais preferivelmente pelo menos 99% e mais preferivelmente pelo menos 99,5% do componente concentrado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) que foi introduzido ao aparelho com o fluxo de gás bruto (17) é descarregado através da segunda corrente de concentrado (8).
[0006] O corte no estágio de separação do estágio de separação de concentrado (2), em uma concentração de componente A ou de um gás permeado A de 50% na primeira corrente de concentrado (7), está entre 10 e 60%, preferivelmente entre 20 e 50%.
[0007] O permeado do estágio de separação de concentrado (2) é reciclado por meios da segunda corrente de permeado (9), fornecida à corrente de alimentação (5) e reprocessada. Isto pode, conforme já explicado acima na definição do termo "corrente de alimentação", ser realizado em diferentes formas de acordo com se um compressor (4) ou ainda um compressor de vários estágios (4) é usado. No caso de um compressor de um estágio (4), a segunda corrente de permeado (9) é preferivelmente fornecida ao lado de sucção do compressor (4) (ver figura 11). Se um compressor de vários estágios é usado, é preferível que a segunda corrente de permeado (9) seja introduzida ao compressor entre dois estágios de compressão.).
[0008] O permeado do estágio de separação da corrente de ali mentação (1) que foi muito enriquecida com o componente A ou um gás permeado A é fornecido por meios da primeira corrente de perme- ado (6) ao estágio de separação de permeado (3). Se necessário, é possível por meios de uma válvula redutora de pressão (14) na corrente de concentrado do estágio de separação de permeado (3), ou seja, a terceira corrente de concentrado (10), impedir que a pressão do permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) decline para a pressão ambiente (ver figura 11). Desta forma, a força de acionamento para o estágio de separação de permeado (3) pode ser mantido. O estágio de separação de permeado (3) produz um permeado com um conteúdo de componente B ou de um gás concentrado B maior do que 95%, preferivelmente maior do que 97% e mais preferivelmente maior do que 99%, que é descarregado do aparelho através da terceira corrente de permeado (11). Em uma modalidade particu-larmente preferida, o aparelho inventivo é configurado de modo que não mais do que 5%, preferivelmente não mais do que 3%, mais preferivelmentenão mais do que 1% e mais preferivelmente não mais do que 0,5% do componente concentrado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) introduzido ao aparelho com o fluxo de gás bruto (17) é descarregado através da terceira corrente de permeado (11).
[0009] O corte no estágio de separação do estágio de separação de permeado (3) está entre 50 e 95%, preferivelmente entre 70 e 93%.
[00010] A terceira corrente de concentrado (10) é reciclada, fornecidaà corrente de alimentação (5) e reprocessada. Isto pode, conforme já explicado acima, ser realizado em diferentes formas e pode depender, por exemplo, se um compressor (4) ou ainda um compressor de vários estágios (4) for usado. No caso de um compressor de um estágio (4), a terceira corrente de concentrado (10) é preferivelmente fornecida ao lado de sucção do compressor (4) (ver figura 11). Se um compressor de vários estágios for usado, é preferível que a terceira corrente de concentrado (10) seja introduzida ao compressor entre dois estágios de compressão. Em uma configuração preferida do concentrado do estágio de separação de permeado (3) é reciclado sem descompressão total em um estágio de compressão elevada do compressor (4) e/ou o permeado do segundo estágio é reciclado em um estágio de compressão elevada do compressor (4).
[00011] O processo de acordo com a invenção ou o aparelho inventivoé notável particularmente em que é configurado de modo que o volume de gás reciclado na segunda corrente de permeado (9) e na terceira corrente de concentrado (10) totalize menos do que 60% em volume, preferivelmente 10 a 50% em volume, mais preferivelmente 20 a 40% em volume, do volume do fluxo de gás bruto (17). O controle da quantidade de fluxos de gás concentrado a ser reciclada pode ser controlado, por exemplo, através da seleção dos respectivos módulos de entrada nos estágios de separação da membrana (1) a (3) ou pelas pressões no sistema ou pelos fluxos. O processo de acordo com a invenção ou com o aparelho é então notável em que, em vez de correntes de retorno muito baixas, o aumento na concentração do compo-nente permeado na corrente de alimentação (5), que foi explicado em detalhes acima, é garantido. Isto distintamente aumenta a eficiência de todo o processo.
[00012] A primeira corrente de permeado (6) é preferivelmente conduzida de modo que a pressão de alimentação do estágio de separação de permeado (3), preferivelmente por meios de uma válvula redutora de pressão (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3), esteja entre 0,1 e 3 MPa (1 e 30 bar), preferivelmente entre 0,2 e 2 MPa (2 e 20 bar) e mais preferivelmente 0,3 e 1 MPa (3 e 10 bar).
[00013] Conforme já explicado, é particularmente vantajoso quando um compressor de vários estágios (4) é usado. Isto é porque é possível neste caso dispensar com uma descompressão completa do con- centrado do estágio de separação de permeado (3), visto que o concentrado do estágio de separação de permeado (3) pode ser inserido entre dois estágios do compressor (4) .
[00014] Visto que o estágio de separação de concentrado (2), no caso de descompressão na pressão de alimentação, seria geralmente operado na faixa limitada pela seletividade, pode ser recomendável descomprimir a segunda corrente de permeado (9) meramente em um nível mais alto de pressão de uma unidade de aumento de pressão de vários estágios, ou seja, de um compressor de vários estágios (4), visto que este reduz os custos operacionais para a unidade de compressão sem distintamente piora o resultado da separação. Em uma modalidade particularmente preferida da presente invenção, assim, um compressor de vários estágios (4) é usado e os fluxos de gás (9) e (10) são fornecidas a este compressor em cada caso entre os dois estágios de compressão.
[00015] Conforme já mencionado, o aparelho inventivo pode compreender uma ou mais válvulas redutora de pressão (12), (13) ou (14). Em uma modalidade preferida, preferivelmente por meios de uma válvula redutora de pressão (14), é garantido que a queda de pressão sobre o estágio de separação da corrente de alimentação (1) seja restrita a 0,1 e 3 MPa (1 e 30 bar), preferivelmente entre 0,2 e 2 MPa (2 e 20 bar) e mais preferivelmente entre 0,3 e 1 MPa (3 e 10 bar). De modo alternativo ou simultâneo, preferivelmente por meios de uma válvula redutora de pressão (13), é garantido que a queda de pressão sobre o estágio de separação da corrente de alimentação (1) e o estágio de separação de concentrado (2), seja restrita a 0,1 e 10 MPa (1 e 100 bar), preferivelmente entre 0,5 e 8 MPa (5 e 80 bar) e mais preferivelmente entre 1 e 7 MPa (10 e 70 bar).
[00016] O aparelho inventivo ou o processo de acordo com a invenção pode a princípio ser implementado com todas as membranas que podem separar misturas de gás binário ou misturas de vários gases. Os materiais da membrana usados são preferivelmente, mas não ex-clusivamentepolímeros. Polímeros úteis na camada ativa de separação são mais preferivelmente poli-imidas, poliamidas, polissulfona, acetatos de celulose e derivados, óxidos de polifenila, polissiloxanos, polímeros com microporosidade intrínseca, membranas de matriz mitu- radas, membranas de transporte facilitado, óxidos de polietileno, óxidos de polipropileno, membranas de carbono ou zeólitos, ou misturas destes.
[00017] As membranas particularmente preferidas compreendem, como materiais para a camada ativa de separação ou como um material para a membrana completa, uma poli-imida da fórmula geral. x,y: fração em mol onde 0 < x < 0,5 e 1 > y > 0,5,
[00018] Tais membranas são obtidas de Evonik Fibres GmbH com os nomes de Poli-imida P84 e Poli-imida P84 HT. Um processo para produzir estas membranas preferidas é revelado no WO 2011/009919 A1. Todas as membranas reveladas nesta publicação podem ser usadas com preferência no processo de acordo com a invenção. Para evitar a repetição simples, a referência aqui é feita completamente ao conteúdo deste pedido de patente. Foi percebido que estas membranas podem obter os melhores resultados de sepa- ração.
[00019] As membranas são preferivelmente usadas na forma de membranas de fibra ocas e/ou membranas planas. As membranas são colocadas em módulos, que são então usados na tarefa de separação. Os módulos usados podem ser módulos de separação de gás conhecidos na técnica anterior, por exemplo, mas não exclusivamente, módulos de separação do gás de fibra oca, módulos de separação de gás enrolado espiral, módulos de separação do gás da bolsa de ar ou módulos de separação do gás do grupo de tubos.
[00020] De acordo com a invenção, os módulos da membrana de separação de gás têm uma seletividade do gás misturado de componentes A e B (= índice de corrente A para corrente B através da membrana) de pelo menos 30, preferivelmente pelo menos 35, mais preferivelmente pelo menos 40, ainda mais preferivelmente de pelo menos 45 e especialmente preferivelmente de pelo menos 45 a 80. As membranas da seletividade mais alta têm a vantagem que a separação se torna mais efetiva e menos permeada deve ser reciclada do estágio de separação de concentrado (2), ou menos concentrada do estágio de separação de permeado (3). Assim, especialmente ao usar um compressor de um estágio (4), é necessário comprimir menos gás duas vezes, que implica as vantagens econômicas na operação da planta. No caso de módulos de entrada muito seletivos tendo uma seletividade de 45, apenas aproximadamente 35% do gás introduzido ao estágio de separação da corrente de alimentação (1) como gás bruto necessário para ser comprimido duas vezes; com um módulo de entrada tendo uma seletividade de apenas 10, pode ser o caso que a compressão dupla a até 300%. As figuras de 35% e 300% são baseadas em experiências nas quais uma mistura de gás com quantidades equimolares de componentes A e B (= alimentação) foi aplicada, com 98,5% do componente B presente no gás concentrado do estágio (2) e 99% do componente B na corrente de permeado do estágio (3).
[00021] É evidente que a operação inventiva pode ser conduzida de forma visível muito mais economicamente com membranas mais seletivas, e o tamanho necessário do compressor e a energia necessária pode ser reduzida.
[00022] O processo de acordo com a invenção / o aparelho inventivo tem as vantagens particulares que é um processo de membrana pura e não precisa de qualquer purificação adicional do permeado e/ou das correntes de concentrado (11) ou (8) para muitas aplicações. Por exemplo, no caso de purificação de biogás ou gás natural (= remoção de dióxido de carbono do metano), não há mais necessidade de uma absorção oscilante de pressão ou esfregamento de amina para a fina purificação do concentrado, e assim pode ser inserido à grade de gás natural.
[00023] Além disso, com o processo de acordo com a invenção / o aparelho inventivo, é possível ao mesmo tempo produzir uma corrente de concentrado (8) pura e uma corrente de permeado (11) pura na purificação de biogás e de gás natural. Desta forma, pode ser liberado na atmosfera sem muita perda de metano e sem muita deficiência do ambiente, sem qualquer necessidade para mais tratamento do gás por um pós-combustão catalítica ou utilização em um calor combinado e usina nuclear. Assim, não há necessidade para investimento em partes da usina, que leva a um processo mais economicamente viável para biogás e gás natural.
[00024] Outra vantagem é considerada para ser o processo de acordo com a invenção / o aparelho inventivo precisa de um nível muito menor de complexidade e gasto energético do aparelho do que os processos conhecidos da técnica anterior.
[00025] Especialmente através da combinação das características inventivas da seletividade do gás misturado, o controle da quantidade das correntes de concentrado reciclada e aumento no componente permeado na corrente de alimentação (5), um aparelho ou um processo muito superior aos processos da técnica anterior processos pode ser fornecido.
[00026] O aparelho inventivo ou o processo de acordo com a invenção pode especialmente ser usado para separação de misturas de gás compreendendo pelo menos dois gases, a mistura de gás separado mais preferivelmente sendo uma mistura de predominantemente, mas não exclusivamente, dióxido de carbono e metano ou predominantemente, mas não exclusivamente, hidrogênio e metano ou predominantemente, mas não exclusivamente, monóxido de carbono e hidrogênio ou biogás bruto ou gás natural bruto.
[00027] Os exemplos que seguem são direcionados para ilustrar e descrever a presente invenção em detalhes, mas não a restringem de qualquer forma.
[00028] Nos exemplos que seguem, foi mostrado que, de acordo com a disposição da conexão inventiva dos módulos e aplicação de pressões particulares, foi possível simultaneamente produzir metano com uma pureza mais do que 96% e dióxido de carbono com uma pureza mais do que 97% de uma mistura de dióxido de carbono e metano em um índice de 50 a 50.
[00029] O exemplo comparativo 1: separação de uma mistura de metano e dióxido de carbono com um índice de mistura de 50 a 50 com uma membrana de poli-imida moderadamente seletiva.
[00030] A figura 11 mostrou a disposição da conexão usada. Cada estágio consistiu em um módulo de entrada de fibra oca que consiste em fibras ocas de poli-imida de UBE (tipo NM B01 A). 1,78 m3/h de uma mistura de gás bruto de 50% de metano e 50% de dióxido de carbono, que corresponde aproximadamente a uma mistura de gás de biogás, é introduzido a uma câmara de mistura (não mostrada na figu- ra 11) e então comprimida a 2,5 MPa (25 bar) junto com o gás reciclado composto por fluxos de gás (9) e (10). O gás que foi comprimido e resfriado a 20°C é aplicado ao estágio de separação da corrente de alimentação (1). O concentrado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) subsequentemente passou pela primeira corrente de concentrado (7) ao estágio de separação de concentrado (2). Uma válvula redutora (13) no lado concentrado do estágio de separação de concentrado (2) é ajustada a uma 1,82 MPa (18,2 bar) e assim determina a força de acionamento através da membrana dos estágios de separação da membrana (1) e (2). O concentrado do estágio de separação de concentrado (2) tem um conteúdo de 98,5% de metano e 1,5% de dióxido de carbono. 0,895 m3/h desta mistura deixa o estágio de separação de concentrado (2). O permeado do estágio de separa-ção de concentrado (2) tem uma vazão do volume de 0,743 m3/h com um conteúdo de metano de 34,5% e um conteúdo de dióxido de carbono de 65,5%, e é reciclado através da segunda corrente de permeado (9) à câmara de mistura e comprimido novamente pelo compressor (4).
[00031] O permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) tem uma vazão do volume de 1,67 m3/h com um conteúdo de dióxido de carbono de 91,0% e um conteúdo de metano de 9,0%, e passa pela primeira corrente de permeado (6) conforme inserido ao estágio de separação de permeado (3). A queda de pressão sobre a membrana do estágio (1) não se estende à pressão ambiente, mas é limitada a 0,42 MPa (4,2 bar) por uma válvula redutora (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3). Isto oferece uma terceira corrente de permeado (11) do estágio de separação de permeado (3) de 0,885 m3/h com uma composição de 99,0% de dióxido de carbono e apenas 1,0% de metano. A terceira corrente de concentrado (10) do estágio de separação de permeado (3) é 0,801 m3/h com uma composição de 17,9% de metano e 82,1% de dióxido de carbono e é reciclada na câmara de mistura e comprimida novamente. A soma dos fluxos de gás reciclado (9) e (10) é assim 1,544 m3/h ou 86,7% com base na quantidade de gás a ser separadamente fornecido. As correntes de produto puro são obtidas com uma taxa de compressão relativamente dupla alta. As membranas usadas exibem uma seletividade moderada do gás misturado para o dióxido de carbono sobre o metano de 20.
[00032] Exemplo 1: separação de uma mistura de metano e dióxido de carbono com um índice de mistura de 50 a 50 com uma membrana de poli-imida altamente seletiva.
[00033] A figura 11 mostrou a disposição da conexão usada. Cada estágio consistiu em um módulo de entrada de fibra oca que consiste em fibras ocas de poli-imida altamente seletivas com uma área de separação de aproximadamente 5 m2por módulo. Estas fibras ocas de poli-imida foram produzidas de acordo com o exemplo 19 do pedido de patente austríaco A1164/2009, exceto operar com uma temperatura do banho de precipitação de 40°C em vez de 10°C. 1 m3/h de uma mistura de gás bruto de 50% de metano e 50% de dióxido de carbono, que corresponde aproximadamente a uma mistura de gás de biogás, é introduzida em uma câmara de mistura e então comprimida a 2,5 MPa(25 bar) junto com o gás reciclado composto por fluxos de gás (9) e (10). O gás que foi comprimido e resfriado a 20°C é aplicado ao estágio de separação da corrente de alimentação (1). O concentrado deste estágio passou pela primeira corrente de concentrado (7) ao estágio de separação de concentrado (2). Uma válvula redutora (13) no lado concentrado do estágio de separação de concentrado (2) é definida a 1,84 MPa(18,4 bar) e assim determina a força de acionamento através da membrana dos estágios de separação da membrana (1) e (2). O concentrado do estágio de separação de concentrado (2) tem um conteúdo de 98,5% de metano e 1,5% de dióxido de carbono. 0,503 m3/h desta mistura deixa o estágio de separação de concentrado (2). O permeado do estágio de separação de concentrado (2) tem uma vazão do volume de 0,262 m3/h com um conteúdo de metano de 24,6% e um conteúdo de dióxido de carbono de 75,4%, e é reciclado através da segunda corrente de permeado (9) à câmara de mistura e comprimido novamente pelo compressor (4).
[00034] O permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) tem uma vazão do volume de 0,547 m3/h com um conteúdo de dióxido de carbono de 92,4% e um conteúdo de metano de 7,6%, e passou pela primeira corrente de permeado (6) conforme inserido ao estágio de separação de permeado (3). A queda de pressão sobre a membrana do estágio (1) não se estende à pressão ambiente, mas é limitada a 0,5 MPa *(5,0 bar) por uma válvula redutora (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3). Isto fornece uma terceira corrente de permeado (11) do estágio de separação de permeado (3) de 0,497 m3/h com uma composição de 99,0% de dióxido de carbono e apenas 1,0% de metano. A terceira corrente de concentrado (10) do estágio de separação de permeado (3) é 0,050 m3/h. A soma dos fluxos de gás reciclado (9) e (10) é então 0,312 m3/h ou 31,2% com base na quantidade de gás a ser fornecido separadamente. As correntes de produto puro são obtidas com uma taxa de compressão dupla moderada. As membranas usadas exibem uma alta seletividade do gás misturado para dióxido de carbono sobre o metano de 45. A alta seletividade de 45 comparada a 20 no exemplo comparativo, então, permite um processo economicamente mais favorável por uma recompressão inferior de 31,2% em vez de 86,7%.
[00035] Exemplo 2: separação de uma mistura de metano e dióxido de carbono com um índice de mistura de 50 a 50 com uma membrana de poli-imida altamente seletiva com um conteúdo de metano na cor- rente de permeado de menos do que 0,5%.
[00036] A fim de satisfazer vários legisladores, é necessário reduzir a perda de metano na atmosfera. A figura 11 mostrou uma disposição da conexão usada para reduzir a concentração de metano na terceira corrente de permeado (11) abaixo de 0,5% em volume. Cada estágio consistiu em um módulo de entrada de fibra oca que consiste em poli- imida altamente seletiva com uma área de separação de aproximadamente 5 m2por módulo. Estas fibras ocas de poli-imida foram produzidas de acordo com o exemplo 19 do pedido de patente Austríaco A1164/2009, exceto operar com uma temperatura do banho de precipitação de 40°C em vez de 10°C. 1 m3/h de uma mistura de gás bruto de 50% de metano e 50% de dióxido de carbono, que corresponde apro-ximadamente a uma mistura de gás de biogás, é introduzida em uma câmara de mistura e então comprimida a 2,5 MPa(25 bar) junto com o gás reciclado composto por fluxos de gás (9) e (10). O gás que foi comprimido e resfriado a 20°C é aplicado ao estágio de separação da corrente de alimentação (1). O concentrado deste estágio passou pela primeira corrente de concentrado (7) ao estágio de separação de concentrado (2). Uma válvula redutora (13) no lado concentrado do estágio de separação de concentrado (2) é ajustada a 1,81 MPa (18,1 bar) e assim determina a força de acionamento através da membrana dos estágios de separação da membrana (1) e (2). O concentrado do estágio de separação de concentrado (2) tem um conteúdo de 98,5% de metano e 1,5% de dióxido de carbono. 0,505 m3/h desta mistura deixa o estágio de separação de concentrado (2). O permeado do estágio de separação de concentrado (2) tem uma vazão do volume de 0,244 m3/h com um conteúdo de metano de 26,1% e um conteúdo de dióxido de carbono de 73,9%, e é reciclado através da segunda corrente de permeado (9) à câmara de mistura e comprimida novamente pelo compressor (4).
[00037] O permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) tem uma vazão do volume de 0,607 m3/h com um conteúdo de dióxido de carbono de 93,1% e um conteúdo de metano de 6,9%, e passou pela primeira corrente de permeado (6) conforme inserido ao estágio de separação de permeado (3). A queda de pressão sobre a membrana do estágio (1) não se estender à pressão ambiente, mas é limitada a 0,44 MPa (4,4 bar) por uma válvula redutora (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3). Isto fornece uma terceira corrente de permeado (11) do estágio de separação de permeado (3) de 0,495 m3/h com uma composição de 99,5% de dióxido de carbono e apenas 0,5% de metano. A terceira corrente de concentrado (10) do estágio de separação de permeado (3) é 0,112 m3/h e tem uma composição de 35% de metano e 65% de dióxido de carbono e é reciclada na câmara de mistura e comprimida novamente. A soma de correntes recicladas (9) e (10) é então 0,356 m3/h ou 35,6% com base na quantidade de gás a ser fornecida. Correntes de produto puro são obtidas com uma taxa de compressão dupla moderada. As membranas usadas exibem uma alta seletividade do gás misturado para dióxido de carbono sobre metano de 45.
[00038] A fim de satisfazer vários legisladores, é necessário reduzir a perda de metano na atmosfera. A figura 11 mostrou uma disposição da conexão usada para reduzir a concentração de metano na terceira corrente de permeado (11) abaixo de 0,5% em volume. Cada estágio consistiu em um módulo de entrada de fibra oca que consiste em poli- imida altamente seletiva com uma área de separação de aproximadamente 5 m2por módulo. Estas fibras ocas de poli-imida foram produzidas de acordo com o exemplo 19 do pedido de patente Austríaco A1164/2009, exceto operar com uma temperatura do banho de precipitação de 40°C em vez de 10°C. 1 m3/h de uma mistura de gás bruto de 50% de metano e 50% de dióxido de carbono, que corresponde apro- ximadamente a uma mistura de gás de biogás, é introduzida em uma câmara de mistura e então comprimida a 2,5 MPa (25 bar) junto com o gás reciclado composto por fluxos de gás (9) e (10). O gás que foi comprimido e resfriado a 20°C é aplicado ao estágio de separação da corrente de alimentação (1). O concentrado deste estágio passou pela primeira corrente de concentrado (7) ao estágio de separação de concentrado (2). Uma válvula redutora (13) no lado concentrado do estágio de separação de concentrado (2) é ajustada a 1,81 MPa(18,1 bar) e assim determina a força de acionamento através da membrana dos estágios de separação da membrana (1) e (2). O concentrado do estágio de separação de concentrado (2) tem um conteúdo de 98,5% de metano e 1,5% de dióxido de carbono. 0,505 m3/h desta mistura deixa o estágio de separação de concentrado (2). O permeado do estágio de separação de concentrado (2) tem uma vazão do volume de 0,244 m3/h com um conteúdo de metano de 26,1% e um conteúdo de dióxido de carbono de 73,9%, e é reciclado através da segunda corrente de permeado (9) à câmara de mistura e comprimida novamente pelo compressor (4).
[00039] O permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) tem uma vazão do volume de 0,607 m3/h com um conteúdo de dióxido de carbono de 93,1% e um conteúdo de metano de 6,9%, e passou pela primeira corrente de permeado (6) conforme inserido ao estágio de separação de permeado (3). A queda de pressão sobre a membrana do estágio (1) não se estende à pressão ambiente, mas é limitada a 0,44 MPa (4,4 bar) por uma válvula redutora (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3). Isto fornece uma terceira corrente de permeado (11) do estágio de separação de permeado (3) de 0,495 m3/h com uma composição de 99,5% de dióxido de carbono e apenas 0,5% de metano. A terceira corrente de concentrado (10) do estágio de separação de permeado (3) é 0,112 m3/h e tem uma composição de 35% de metano e 65% de dióxido de carbono e é reciclada na câmara de mistura e comprimida novamente. A soma de correntes recicladas (9) e (10) é então 0,356 m3/h ou 35,6% com base na quantidade de gás a ser fornecida. Correntes de produto puro são obtidas com uma taxa de compressão dupla moderada. As membranas usadas exibem uma alta seletividade do gás misturado para dióxido de carbono sobre metano de 45.
[00040] Exemplo 3: Separação de a mistura de metano e dióxido de carbono com a índice de mistura de 50 a 50 com a membrana de poli- imida altamente seletiva com um conteúdo de metano na corrente de permeado de menos do que 0,5% com o auxílio de uma bomba aa vácuo para o permeado do estágio 2
[00041] A fim de satisfazer vários legisladores, é necessário reduzir a perda de metano na atmosfera. A figura 11 mostrou a disposição da conexão, suplementada com uma bomba a vácuo não mostrada na figura 11, usada para reduzir a concentração de metano na terceira corrente de permeado (11) abaixo de 0,5% em volume. Cada estágio consistiu em um módulo de entrada de fibra oca que consiste em fibras ocas de poli-imida altamente seletivas com uma área de separação de aproximadamente 5 m2por módulo. Estas fibras ocas de poli- imida foram produzidas de acordo com o exemplo 19 do pedido de patenteAustríaco A1164/2009, exceto operar com uma temperatura do banho de precipitação de 40°C em vez de 10°C. 1 m3/h de uma mistura de gás bruto de 50% de metano e 50% de dióxido de carbono, que corresponde aproximadamente a uma mistura de gás de biogás, é introduzida a uma câmara de mistura e então comprimida a 2,5 MPa(25 bar) junto com o gás reciclado composto por fluxos de gás (9) e (10). O gás que foi comprimido e resfriado a 20°C é aplicado ao estágio de separação da corrente de alimentação (1). O concentrado deste estágio passou pela primeira corrente de concentrado (7) ao es- tágio de separação de concentrado (2). Uma válvula redutora (13) no lado concentrado do estágio de separação de concentrado (2) é ajustada a 1,45 MPa (14,5 bar) e assim determina a força de acionamento através da membrana dos estágios de separação da membrana (1) e (2). O concentrado do estágio de separação de concentrado (2) tem um conteúdo de 98,5% de metano e 1,5% de dióxido de carbono. 0,505 m3/h desta mistura deixa o estágio de separação de concentrado (2). O permeado do estágio de separação de concentrado (2) tem uma pressão de 0,02 MPa (0,2 bar), estabelecido por uma bomba a vácuo, e tem uma vazão do volume de 0,371 m3/h com um conteúdo de metano de 13,3% e um conteúdo de dióxido de carbono de 86,7%. O fluxo de gás é reciclado do lado da pressão da bomba a vácuo através da segunda corrente de permeado (9) à câmara de mistura e comprimida novamente pelo compressor (4).
[00042] O permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) tem uma vazão do volume de 0,542 m3/h com um conteúdo de dióxido de carbono de 94,8% e um conteúdo de metano de 5,2%, e passou pela primeira corrente de permeado (6) conforme alimentado ao estágio de separação de permeado (3). A queda de pressão sobre a membrana do estágio (1) não se estende à pressão ambiente, mas é limitada a 0,44 MPa (4,4 bar) por uma válvula redutora (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3). Isto fornecer uma terceira corrente de permeado (11) do estágio de separação de permeado (3) de 0,495 m3/h com uma composição de 99,5% de dióxido de carbono e apenas 0,5% de metano. A terceira corrente de concentrado (10) do estágio de separação de permeado (3) é 0,047 m3/h e tem uma composição de 54,9% de metano e 45,1% de dióxido de carbono e é reciclada na câmara de mistura e comprimida novamente. A soma de correntes recicladas (9) e (10) é então 0,417 m3/h ou 41,7% com base na quantidade de gás a ser fornecido separadamente. Correntes de produto puro são obtidas com uma taxa de compressão dupla moderada. As membranas usadas exibem uma alta seletividade do gás misturado para dióxido de carbono sobre o metano de 45. Em contraste ao exemplo 2 acima, menos pressão é necessária (1,45 MPa em vez de 1,81MPa = 80,1% da pressão) (14,5 bar em vez de 18,1 bar = 80,1% da pressão), e apenas 6,1% mais compressão dupla, que leva a economia no trabalho de compressão.
[00043] Exemplo 4: separação de uma mistura de metano e dióxido de carbono com um índice de mistura de 50 a 50 com uma membrana de poli-imida altamente seletiva com um conteúdo de metano na corrente de permeado de menos do que 0,5% com o auxílio de uma bomba a vácuo para o permeado do estágio 2 e pureza melhorada do concentrado.
[00044] A fim de satisfazer os vários legisladores, é necessário reduzir a perda de metano na atmosfera.
[00045] A figura 11 mostrou a disposição da conexão, suplementada com uma bomba a vácuo não mostrada na figura 11, usada para aumentar a concentração de metano na segunda corrente de concentrado (8). O vácuo melhora o índice de pressão no estágio de separação de concentrado (2) reduzindo a pressão na segunda corrente de permeado (9), de modo que a força de acionamento seja aumentada e purezas mais altas possam ser obtidas na segunda corrente de concentrado (8).
[00046] Cada estágio consistiu em uma área de separação de aproximadamente 5 m2por módulo. Estas fibras ocas de poli-imida foram produzidas de acordo com o exemplo 19 do pedido de patente austríaco A1164/2009, exceto operar com uma temperatura do banho de precipitação de 40°C em vez de 10°C. 1 m3/h de uma mistura de gás bruto de 50% de metano e 50% de dióxido de carbono, que cor- responde aproximadamente a uma mistura de gás de biogás, é introduzida a uma câmara de mistura e então comprimida a 2,5 MPa (25 bar) junto com o gás reciclado composto pode fluxos de gás (9) e (10). O gás que foi comprimido e resfriado a 20°C é aplicado ao estágio de separação da corrente de alimentação (1). O concentrado deste estágio passou pela primeira corrente de concentrado (7) ao estágio de separação de concentrado (2). Uma válvula redutora (13) no lado concentrado do estágio de separação de concentrado (2) é ajustada a 1,81 MPa(18,1 bar) e assim determina a força de acionamento através da membrana dos estágios de separação da membrana (1) e (2). O concentrado do estágio de separação de concentrado (2) tem um conteúdo de 99,7% de metano e 0,3% de dióxido de carbono. 0,499 m3/h desta mistura deixa o estágio de separação de concentrado (2). O permeado do estágio de separação de concentrado (2) tem uma pressão de 0,02 MPa (0,2 bar), estabelecido por uma bomba a vácuo, e tem uma vazão do volume de 0,258 m3/h com um conteúdo de metano de 25,8% e um conteúdo de dióxido de carbono de 74,2%. O fluxo de gás é reciclado do lado da pressão da bomba a vácuo através da segunda corrente de permeado (9) à câmara de mistura e comprimida novamente pelo compressor (4).
[00047] O permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) tem uma vazão do volume de 0,608 m3/h com um conteúdo de dióxido de carbono de 93,2% e um conteúdo de metano de 6,8%, e passou pela primeira corrente de permeado (6) conforme inserido ao estágio de separação de permeado (3). A queda de pressão sobre a membrana do estágio (1) não se estende à pressão ambiente, mas é limitada a 0,44 MPa (4,4 bar) por uma válvula redutora (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3). Isto fornece uma terceira corrente de permeado (11) do estágio de separação de permeado (3) de 0,501 m3/h com uma composição de 99,5% de dióxido de carbono e apenas 0,5% de metano. A terceira corrente de concentrado (10) do estágio de separação de permeado (3) é 0,107 m3/h e tem uma composição de 36,2% de metano e 63,8% de dióxido de carbono e é reciclada na câmara de mistura e comprimida novamente. A soma das correntes recicladas (9) e (10) é então 0,366 m3/h ou 36,6% com base na quantidade de gás para ser separadamente fornecida. Correntes de produto puro são obidas correntes com uma taxa de compressão dupla moderada. As membranas usadas exibem uma alta seletividade do gás misturado para dióxido de carbono sobre metano de 45. Em contraste ao exemplo 3 acima, use de uma bomba a vácuo no lado permeado do estágio de separação de concentrado (2) fornece um concentrado muito mais limpo com a mesma saída do compressor (99,7% de metano em vez de 98,5%).
[00048] Figura 1: Influência do índice de pressão e da seletividade no resultado da separação
[00049] figura 2: Estágio de separação da membrana de um estágio sem reciclagem
[00050] figura 3: Estágio de separação da membrana de um estágio com reciclagem
[00051] figura 4: Estágio de separação da membrana de dois estágios com recompressão e reciclagem
[00052] figura 5: Disposição em etapas para concentrado e permeado com recompressão e reciclagem no segundo estágio de concentrado a montante do primeiro estágio de concentrado
[00053] figura 6: Disposição em etapas para concentrado e permeado com recompressão e reciclagem no segundo estágio de concentrado a montante do segundo estágio de concentrado
[00054] figura 7: Disposição em etapas para permeado com recom- pressão
[00055] figura 8: Disposição em etapas para concentrado com reciclagem de permeado do segundo estágio e disposição em etapas para permeado com recompressão
[00056] figura 9: Disposição em etapas para concentrado com reciclagem de permeado do segundo estágio
[00057] figura 10: Disposição da conexão com disposição interna em estágio para permeado
[00058] figura 11: Disposição ilustrativa da conexão de vários módulos de entrada de acordo com a invenção Lista dos numerais de referência 1: Estágio de separação da corrente de alimentação 2: Estágio de separação de concentrado 3: Estágio de separação de permeado 3 4: Compressor de um estágio ou de vários estágios 5: Corrente de alimentação 6: Primeira corrente de permeado 7: Primeira corrente de concentrado 8: Segunda corrente de concentrado 9: Segunda corrente de permeado 10: Terceira corrente de concentrado 11: Terceira corrente de permeado 12: Válvula redutora de pressão opcional na primeira corrente de concentrado 7 13: Válvula redutora de pressão opcional na segunda corrente de concentrado 8 14: Válvula redutora de pressão opcional na terceira corrente de concentrado 10 15: Bomba a vácuo (não reproduzida nas figuras) 16: Câmara de mistura (não reproduzida nas figuras) 17: Fluxo de gás bruto
Claims (17)
1. Processo de separação de um fluxo de gás bruto (17), constituído por uma mistura predominante, mas não exclusiva, de dióxido de carbono e metano, que é realizado em um aparelho que compreende um estágio de separação de corrente de alimentação (1), um estágio de separação de concentrado (2) e um estágio de separação de permeado (3), cada um como um estágio de separação por membrana, e pelo menos um compressor (4), no qual o estágio de separação de corrente de alimentação (1) separa uma corrente de alimentação (5) que consiste de pelo menos dióxido de carbono e metano em uma primeira corrente de permeado (6) e uma primeira corrente de concentrado (7), o estágio de separação de concentrado (2) divide a primeira corrente de concentrado (7) em uma segunda corrente de permeado (9), que é alimentado ao fluxo de gás bruto (17), e uma segunda corrente de concentrado (8), que é retirada como um produto enriquecido em metano o estágio de separação de permeado (3) divide a primeira corrente de permeado (6) em uma terceira corrente e concentrado (10), que é alimentada ao fluxo de gás bruto (17), e uma terceira corrente de permeado (11), que é retirada como um produto enriquecido em dióxido de carbono, e - primeira corrente de permeado (6) não está sujeita a re- compressão, caracterizado pelo fato de que, - pelo menos no estágio de separação da corrente de alimentação (1), mas preferivelmente em todos os três estágios de separação da membrana (1) a (3), módulos da membrana de separação de gás tendo uma seletividade do gás misturado de pelo menos 30 são usados, - na segunda corrente de permeado (9) e na terceira corrente de concentrado (10) o volume de gás reciclado totaliza menos do que 60% em volume do volume do fluxo de gás bruto (17), - a concentração de dióxido de carbono, após reciclar a segunda corrente de permeado (9) e da terceira corrente de concentrado (10), é elevada na corrente de alimentação (5), preferivelmente elevada pelo menos por 2%, mais preferivelmente pelo menos por 3% e mais preferivelmente por 3 a 40%, em cada caso comparado à concentração no fluxo de gás bruto (17).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda corrente de permeado (9) e a terceira corrente de concentrado (10) passam pelo lado de sucção do compressor (4) para reprocessamento.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que um compressor de vários estágios (4) é usado.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a segunda corrente de permeado (9) e/ou a terceira corrente de concentrado (10) é/são introduzidas ao compressor (4) entre os dois estágios de compressão.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a primeira corrente de concentrado (7) e/ou a segunda corrente de concentrado (8) e/ou a terceira corrente de concentrado (10) passa/passam por uma válvula redutora de pressão.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que um módulo da membrana de separação de gás tendo uma seletividade do gás misturado de pelo menos 35, preferivelmente pelo menos 40 e mais preferivelmente pelo menos 45 é suada pelo menos em um dos estágios de separação da membrana (1) a (3).
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos estágios de separação da membrana (1) a (3) compreende mais do que um módulo da membrana de separação de gás, que são conectados em paralelo e/ou em série.
8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o(s) módulo(s) da membrana de separação de gás consiste(m) em membranas de fibra ocas e/ou membranas planas.
9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os materiais usados para a camada ativa de separação das membranas são polímeros amorfos ou semicristalinos, por exemplo, mas não exclusivamente, poli-imidas, poliamidas, polissulfona, acetatos de celulose e derivados, óxidos de polifenilo, polissiloxanos, polímeros com microporosidade intrínseca, membranas de matriz misturadas, membranas de transporte facilitado, óxidos de polietileno, óxidos de polipropileno ou misturas destes.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o material usado para a camada ativa de separação das membranas é um poli-imida da fórmula geral R é selecionado do grupo que consiste em x,y: fração em mol onde 0 < x < 0,5 e 1 > y > 0,5.
11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos 95%, preferivelmente pelo menos 97%, mais preferivelmente pelo menos 99% e mais preferivelmente pelo menos 99,5% do metano que foi introduzido ao aparelho com o fluxo de gás bruto (17) é descarregado através da segunda corrente de concentrado (8).
12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que no máximo 5%, preferivelmente no máximo 3%, mais preferivelmente não mais do que 1% e mais preferivelmente no máximo 0,5% do metano introduzido ao aparelho com o fluxo de gás bruto (17) é descarregado através da terceira corrente de permeado (11).
13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a mistura de gás usada é uma mistura de biogás bruto ou gás natural bruto.
14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a pressão no lado permeado (6) do estágio de separação da corrente de alimentação (1) é ajustada, preferivelmente por meios de uma válvula redutora de pressão (14) no lado concentrado do estágio de separação de permeado (3), em 0,1 a 3 MPa (1 a 30 bar), preferivelmente em 0,2 a 2 MPa (2 a 20 bar) e mais preferivelmente em 0,3 e 1 MPa (3 e 10 bar).
15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a pressão da primeira e da segunda corrente de concentrado (7) e (8) é ajustada, preferivelmente por meios de uma válvula redutora de pressão (13) na segunda cor- rente de concentrado (8), em 0,1 a 10 MPa (1 a 100 bar), preferivelmente em 0,5 a 8 MPa (5 a 80 bar) e mais preferivelmente em 1 a 7MPa (10 a 70 bar).
16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que a força de acionamento usada para a tarefa de separação é um diferencial da pressão parcial entre o lado concentrado e o lado permeado nos respectivos estágios de separação da membrana, o diferencial da pressão parcial sendo gerado por um compressor na corrente de alimentação (5) e/ou por uma bomba a vácuo (15) na segunda e/ou na terceira corrente de permeado (9) e/ou (11) e/ou por um fluxo de gás de purga do lado permeado.
17. Processo, de acordo com a reivindicação 15 ou 16, ca-racterizado pelo fato de que a pressão do permeado do estágio de separação da corrente de alimentação (1) é a mesma ou elevada com relação à pressão ambiente, de modo que um diferencial da pressão parcial ainda exista entre o concentrado e o permeado do estágio de separação de permeado (3), e assim há uma força de acionamento no caso em que o permeado do estágio de separação de permeado (3) está na pressão ambiente ou a pressão reduzida é aplicada.
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