BR112020025549A2

BR112020025549A2 - Processo psa de múltiplos estágios para remover gases contaminantes de fluxos de metano em bruto

Info

Publication number: BR112020025549A2
Application number: BR112020025549-1A
Authority: BR
Inventors: Patrick Da Silva Bárcia; Daniel António Santos Silva Ferreira; Sílvio Daniel Da Silva Carvalho Monteiro
Original assignee: Sysadvance - Sistemas De Engenharia S.A.
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-03-16
Also published as: US20210229027A1; EP3806982A1; WO2019239381A1; CA3102348A1; US11701612B2; MX2020013556A

Abstract

o presente pedido se refere a um processo de múltiplos estágios para remover gases contaminantes de fluxos de metano em bruto. a presente tecnologia é uma solução inovadora para recuperar e purificar biogás por meio do uso de um processo compreendendo pelo menos dois estágios de adsorção por oscilação de pressão. aproveitando a presença de dióxido de carbono nos fluxos de biogás em bruto, o nitrogênio e o oxigênio são removidos em lotes no primeiro estágio, usando adsorventes seletivos, e um fluxo intermediário esgotado em nitrogênio e oxigênio é conferido ao segundo estágio. o segundo estágio emprega um adsorvente ou adsorventes para remover seletivamente o dióxido de carbono e quantidades vestigiais de nitrogênio e oxigênio remanescentes, produzindo, desse modo, um fluxo de metano mais puro que satisfaz as especificações do gasoduto e do gás natural.

Description

“PROCESSO PSA DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS PARA REMOVER GASES CONTAMINANTES DE FLUXOS DE METANO EM BRUTO” CAMPO TÉCNICO

[0001] O presente pedido está relacionado com um processo para remover gases contaminantes de fluxos de metano em bruto.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[0002] O biogás de aterros de resíduos sólidos é uma fonte de metano renovável muito importante e cada vez mais valorizada. Normalmente, o biogás de aterro contém, além do metano, grandes quantidades de dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio e quantidades mais pequenas de outras espécies gasosas tais como nitrogênio, oxigênio, vapor de água, sulfeto de hidrogênio, hidrogênio ou muitos hidrocarbonetos e outros compostos orgânicos. O metano do biogás é comumente conhecido como biometano ou gás natural renovável. O gás natural é um produto comercial valioso como um combustível para o fornecimento de energia e também como matéria-prima em um número significativo de processos industriais relevantes. Além disso, se o metano a partir de um gás de exaustão de aterro não recuperado escapar para a atmosfera, esse irá causar um sério problema ambiental. Portanto, por diversos motivos, tais como econômicos e ecológicos, é de extrema importância recuperar e purificar o metano do gás de aterro de forma a corresponder aos requisitos de qualidade e especificações do gasoduto.

[0003] Embora o dióxido de carbono, o principal contaminante, possa ser relativamente fácil de remover do biogás em bruto, o mesmo não é aplicável para a separação do nitrogênio e oxigênio do metano. No entanto, o nitrogênio deve ser separado, uma vez que quando o seu teor ultrapassa um determinado valor no gás natural esse tem o efeito de reduzir o calor de combustão, o que o torna menos eficaz para aquecimento ou para geração de energia. Além disso,

apesar do fato de o oxigênio normalmente não estar presente em uma quantidade significativa no gás natural, a presença desse contaminante é frequentemente observada no biogás a partir da digestão anaeróbia, gás de aterro e gás de leito de carvão. A presença de oxigênio no produto biometano tem sido progressivamente restringida para aplicações como Gás Natural Comprimido (GNC) para veículos ou para injeção de biometano na rede de gás natural. Tanto os padrões do GNC quanto as especificações de injeção da rede de gás natural estão introduzindo limites rigorosos para a presença de O2[1].

[0004] Métodos convencionais de recuperação de metano a partir de gases de exaustão de aterros foram desenvolvidos e incluem processos de destilação fracionada, tais como criogenia, processos de absorção ou de separação de gás, tais como adsorção por oscilação de pressão ou temperatura (PSA/TSA) ou membranas. Em relação à separação desafiadora do nitrogênio e do oxigênio do metano, a destilação criogênica tem sido o único processo, até agora, usado para atingir essa meta e remover o nitrogênio do metano no gás natural. Essa tecnologia é limitada, no entanto, a fábricas de grande dimensão, devido à sua instalação cara e funcionamento com elevado consumo de energia. Ainda assim, o biogás em bruto de reservas de aterros de menor escala, que não se enquadram nesses critérios, muitas vezes é deixado sem ser purificado. Para tais escalas, processos de adsorção, tal como PSA, podem ser especialmente adequados, devido à sua adaptabilidade a diferentes concentrações de mistura de biogás, baixo custo e baixo consumo de energia e fácil funcionamento. A limitação, entretanto, reside na separação do nitrogênio do metano. As unidades de PSA têm sido usadas comercialmente para separar uma ampla variedade de concentrações de mistura de biogás, ainda, limitadas pela capacidade de remover o nitrogênio e o oxigênio dos fluxos de alimentação, geralmente entrega um biometano que não atende às especificações do gasoduto, se as concentrações de nitrogênio ou oxigênio na alimentação de biogás excede 3% e 1%, respectivamente.

[0005] Os poucos processos para a separação do nitrogênio do metano a partir de fluxos de biogás contendo dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio podem ser demorar muito.

[0006] Kuznicki, Dolan, Butwell et al. da Engelhard Corporation desenvolveram uma peneira molecular, Molecular Gate ETS-4, com seletividade melhorada entre nitrogênio e metano. Em uma série de patentes (Patente dos EUA 6,068,682 submetida em 30 de maio de 2000; Patente dos EUA 5,989,316 submetida em 23 de novembro de 1999; Patente dos EUA 6,197,092 submetida em 6 de março de 2001; Patente WO 00/56424 submetida em 8 de março de 2000; Patente dos EUA 6,315,817 submetida em 13 de novembro de 2001; e Patente dos EUA 6,444,012 submetida em 3 de setembro de 2002), essas exploram a habilidade especial desse material para remover nitrogênio e descrevem um processo PSA de dois estágios para o tratamento de misturas de biogás, entre outros. O primeiro estágio separa hidrocarbonetos e dióxido de carbono do metano usando um adsorvente dirigido por cinética e, portanto, o segundo estágio melhorou a concentração de biometano ao reduzir o teor de nitrogênio, usando a peneira molecular ETS-4. No segundo estágio, a separação é conduzida pela seletividade existente de CH4/N2, e o produto produzido, metano, é obtido uma vez que é o componente menos adsorvido do fluxo de alimentação. Apesar dessas características promissoras, os inventores descrevem apenas uma separação a partir de um fluxo de gás natural enriquecido com metano (com 10% de N2 e sem CO2), e que, no final, não corresponde às especificações do oleoduto <3% de N2. Além disso, os inventores referiram que o ETS-4 exige quatro adsorventes paralelos para alcançar um funcionamento suave.

Similarmente, outros desenvolveram e descreveram separações PSA de nitrogênio a partir de metano, usando adsorventes especiais aprimorados, tal como a peneira molecular de silicato de titânio (Patente dos EUA 6,631,626). Apesar disso, os adsorventes especiais aprimorados descritos até agora têm a particularidade de não terem seletividade de CH4/O2, aumentando, desse modo, o teor de oxigênio no fluxo dos seus produtos e comprometendo o alvo das especificações de biometano da rede.

[0007] Karode et al. da Air Liquide, também divulgaram um processo de separação por membrana para refinação de gás natural, especialmente gás de exaustão de aterros sanitários (Patente dos EUA 2004/0099138 submetida em 27 de maio de 2004). O processo divulgado inclui um estágio para a remoção de umidade seguido por um absorvedor de contato gás-líquido para separar compostos de hidrocarbonetos pesados em um fluxo por subproduto principalmente de dióxido de carbono. Em seguida, o gás enriquecido com metano a partir do absorvedor é separado em uma unidade de separação de membrana (ou uma série de membranas) que confere um fluxo de produto de biometano purificado, enquanto o permeado enriquecido com dióxido de carbono é reciclado para o absorvedor para remover os hidrocarbonetos por lavagem. Apesar da capacidade implícita desse processo de tratar e separar o nitrogênio presente no gás de aterro, o documento não faz referência a isso, nem apresenta quaisquer resultados que sustentem essa suposição. Um processo semelhante foi divulgado por Wascheck et al. da Air Liquide, no qual o absorvedor de gás-líquido foi substituído por uma unidade de adsorção por oscilação de pressão (Patente dos EUA 7,025,803 submetida em 11 de abril de 2006).

[0008] A separação por membrana, tal como descrito, geralmente envolve duas ou mais membranas em uma série (estágios múltiplos), para alcançar uma concentração desejavelmente de produto de biometano. Múltiplos estágios podem gerar fluxos de subprodutos potencialmente desperdiçadores que adicionalmente reduzem a atratividade da separação por membrana para refinar o metano. Talvez por esses motivos, os processos de separação por membrana não têm, por isso, encontrado grande favor para a produção comercial de metano a partir de gases de exaustão de aterros. Diante disso, mais recentemente Sorensen et al. (Patente dos EUA 8,480,789 submetida em 9 de julho de 2013) desenvolveram e divulgaram um processo para separar e purificar um fluxo de gás de aterro combinando uma unidade de membrana de estágio único seguida por uma adsorção por oscilação de pressão. No entanto, o adsorvente usado na unidade PSA é referido como Molecular Gate ETS-4, uma vez que é a maneira conveniente de remover nitrogênio, bem como oxigênio e dióxido de carbono remanescente, a partir de um fluxo de aterro intermediário, dióxido de carbono empobrecido, entregue pelo estágio de separação por membrana.

[0009] Knaebel (Patente dos EUA 2016/0097013 submetida em 7 de abril de 2016), após descrever um extenso histórico de cinco unidades de PSA adsorventes, divulga um novo ciclo de PSA capaz de tratar gás natural contaminado com N2 e produz um primeiro produto enriquecido em componente menos adsorvido (tal como nitrogênio) seguido por um segundo produto enriquecido em componentes mais fortemente adsorventes (tal como metano). O processo, descrito para usar uma peneira molecular de carvão ativado, executa, a elevada pressão, um ciclo de 11 passos compreendendo um passo de adsorção, três passos de equalização, um passo de descarga seguido por um passo de evacuação e também uma purga sob condições de vácuo, usando o primeiro fluxo de produto menos adsorvido para aumentar a recuperação de CH4. A simulação de patente mostrada por Knaebel demonstra um PSA de cinco adsorventes capaz para reduzir o teor de N2 para 1,7% a partir de uma alimentação com 7,5% de N2 e CO2 residual, com apenas 72% de recuperação. Essa aplicação é essencialmente adequada para rejeição de N2 a partir do gás natural, onde as moléculas menos adsorvidas são apenas nitrogênio e metano, e onde a concentração de alimentação de CO2 é tipicamente inferior a 2%. Além disso, essa tecnologia não menciona o efeito da presença de outros contaminantes normalmente presentes no gás de aterro, tal como o oxigênio.

[0010] Em resumo, apesar das inúmeras aplicações, incluindo PSA, para separar uma ampla variedade de componentes que estão presentes no gás residual de aterro, principalmente dióxido de carbono e hidrocarbonetos, a separação de nitrogênio e de oxigênio do metano ainda permanece o fator limitante. Além disso, os poucos processos existentes que tentam cumprir essa separação requerem a combinação de tecnologias em um funcionamento de múltiplos estágios, sempre muito cara e complexa, e muitas vezes falhando em atender às especificações, permanecendo desse modo não comercializáveis.

[0011] Em contraste com os documentos descritos anteriormente, o presente pedido divulga uma solução inovadora para recuperar e purificar o biogás, através do uso de uma adsorção por oscilação de pressão de pelo menos dois estágios (PSA), usando adsorventes comercialmente disponíveis:peneiras moleculares para remover nitrogênio e oxigênio em bruto a partir de fluxos de biogás em bruto no primeiro estágio, produzindo um fluxo intermediário de nitrogênio e de oxigênio esgotado para o segundo estágio, que emprega uma peneira molecular para remover o dióxido de carbono e quantidades residuais de nitrogênio e oxigênio restantes, produzindo, desse modo, um fluxo de biometano mais puro que atende às especificações do gasoduto.

[0012] Os muito poucos processos que tentaram conseguir a separação de nitrogênio a partir do biogás depois da remoção de dióxido de carbono, lidando com fluxos de biometano de 85-97% de metano em relação com nitrogênio, revelam que o binário da separação metano-nitrogênio é severo, resultando em um perda considerável de metano (recuperações menores que 60%).

[0013] A presente tecnologia lida com a remoção de nitrogênio a partir dos fluxos de biogás um bruto, em um primeiro estágio, tomando vantagem da presença de dióxido de carbono. O dióxido de carbono exibe uma forte capacidade de adsorção e elevada taxa de transferência de massa para os microporos da peneira molecular selecionada, empurrando, desse modo, as espécies de nitrogênio e oxigênio menos adsorvidas para fora do adsorvente com o fluxo refinado, enquanto um fluxo enriquecido em metano e dióxido de carbono é entregue como produto de extrato. O efeito enrolado criado pela adsorção da molécula mais fortemente adsorvida, CO2, dá origem a uma massa frontal formadora de CH4, a segunda molécula mais adsorvida, aumentando a taxa de recuperação de CH4 do fluxo de extrato do primeiro estágio de separação.

SUMÁRIO

[0014] O presente pedido se refere a um processo de Adsorção por oscilação de pressão de múltiplos estágios para remover gases contaminantes de fluxos de metano em bruto, compreendendo pelo menos dois estágios de Adsorção por oscilação de pressão: - Primeiro estágio para remover Nitrogênio e Oxigênio, compreendendo os seguintes passos: - Alimentação (“FD”); - Adsorção (“AD”); - Equalização conferida (“E↑”); - Descarga (“BD”); - Evacuação (“EV”); - Purga (“PG”); - Equalização recebida (“E↓”),

em que o primeiro estágio compreende pelo menos um adsorvente, ou uma sua mistura, com forte afinidade para dióxido de carbono e metano; - Segundo estágio para remover Dióxido de Carbono e Nitrogênio e Oxigênio residuais compreendendo os seguintes passos: - Adsorção (“AD”); - Despressurização cocorrente (“COD”); - Primeira equalização conferida (“E1↑”); - Segunda equalização conferida (“E2↑”); - Evacuação (“EV”); - Primeira equalização recebida (“E1↓”), - Inativo (“ID”); - Segunda equalização recebida (“E2↓”), - Inativo (“ID”); em que o segundo estágio compreende pelo menos um adsorvente, ou uma sua mistura, com forte afinidade para dióxido de carbono e metano.

[0015] Em uma modalidade, o segundo estágio compreende adicionalmente um passo de Descarga (“BD”) após o passo da segunda equalização conferida (“E2↑”) e antes do passo de Evacuação ("EV”).

[0016] Em outra modalidade, o passo de despressurização cocorrente (“COD”) do segundo estágio ocorre após o passo da Segunda equalização conferida (“E2↑”) e antes do passo de Evacuação (“EV”).

[0017] Ainda em outra modalidade, o segundo estágio compreende um estágio de Aterro (“BF”) após a Segunda equalização recebida (“E2↓”) e antes do segundo estágio Inativo (“ID”).

[0018] Em uma modalidade, o segundo estágio compreende um estágio de Aterro (“BF”) após o Segundo estágio Inativo (“ID”).

[0019] Em uma modalidade, o processo compreende um passo de pré-tratamento antes do primeiro estágio.

[0020] Em outra modalidade, o primeiro estágio funciona a uma temperatura entre –50 °C e 120 °C.

[0021] Em ainda outra modalidade, a pressão operacional durante o passo de adsorção no primeiro estágio está entre 60 kPa e 1500 kPa.

[0022] Em uma modalidade, a proporção de purga em relação à alimentação varia entre 0,3 a 0,9 dependendo do teor do fluxo de alimentação de nitrogênio.

[0023] Em outra modalidade, a pressão de dessorção de funcionamento no passo de evacuação do primeiro estágio varia de 1 kPa a 100 kPa.

[0024] Ainda em outra modalidade, o fluxo de biogás intermediário resultante do primeiro estágio é pressurizado entre 200 kPa a 4000 kPa e alimentado aos leitos de adsorção do segundo estágio.

[0025] Em uma modalidade, o segundo estágio funciona a uma temperatura entre –50 °C a 150 °C.

[0026] Em uma modalidade, a pressão operacional durante o passo de adsorção no primeiro estágio está entre 200 kPa e 4000 kPa.

[0027] Em outra modalidade, a pressão de dessorção de funcionamento no passo de evacuação do segundo estágio está entre 0,001 kPa e 100 kPa.

[0028] Em uma modalidade, os adsorventes usados no primeiro e segundo estágios são selecionados a partir de uma lista compreendendo zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, carvões ativados, peneiras moleculares de carbono, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

[0029] Em outra modalidade, a equalização ocorre através do topo.

[0030] Em ainda outra modalidade, a equalização ocorre através da base.

[0031] Em uma modalidade, a dessorção no passo de evacuação do segundo estágio ocorre com purga.

[0032] Em uma modalidade, a dessorção no passo de evacuação do segundo estágio ocorre sem purga.

DESCRIÇÃO GERAL

[0033] Como afirmado anteriormente, o biogás a partir de aterros de resíduos sólidos, além do metano, compreende dióxido de carbono, nitrogênio, vapor de água, hidrocarbonetos e outros componentes em quantidades mais pequenas. A composição exata do fluxo de biogás em bruto varia de um aterro para outro e da fonte (ou seja, aterro, gás natural, digestor, gás metano da camada de carvão, etc.). O biogás em bruto geralmente inclui metano, dióxido de carbono, nitrogênio, oxigênio e vapor de água. Em alguns casos, o biogás em bruto também pode incluir sulfeto de hidrogênio (H2S), siloxanos e compostos orgânicos voláteis (VOC), hidrogênio ou outros hidrocarbonetos em quantidades mais pequenas.

[0034] Embora a adsorção por oscilação de pressão tenha sido usada para separar uma ampla variedade de componentes da mistura de biogás, o fator limitativo permanece na separação de nitrogênio e oxigênio a partir de metano. Os processos convencionais de PSA para atualizar e purificar o biogás em bruto são capazes de remover dióxido de carbono, oxigênio, vapor de água e sulfeto de hidrogênio, e produzir um produto de biometano no qual a concentração de contaminantes está abaixo dos limites máximos de especificação. A exceção ocorre para o nitrogênio. Normalmente, tais processos PSA, dependendo da qualidade do gás alimentado ou dos requisitos do produto de biometano, compreendem um ou mais passos. A separação ocorre explorando o equilíbrio e as propriedades cinéticas dos adsorventes usados. As peneiras moleculares usadas retêm mais fortemente os contaminantes do biogás e um fluxo de gás enriquecido no componente menos adsorvente, o metano, é entregue. O nitrogênio, embora ligeiramente adsorvido, está comumente presente no fluxo de biometano produzido na mesma concentração da alimentação, se não superior.

[0035] O presente pedido divulga um processo PSA de múltiplos estágios para recuperar metano a partir de misturas de biogás em bruto contendo metano, dióxido de carbono, oxigênio e nitrogênio, entre outros, produzindo, desse modo, um fluxo de biometano para atender às especificações do oleoduto.

[0036] O presente pedido divulga um processo de pelo menos dois estágios de adsorção por oscilação de pressão. Em uma modalidade, o processo divulgado no presente documento é precedido por um estágio de pré-tratamento para remover contaminantes adsorventes, tais como H2S, vapor de água, etc. No primeiro estágio PSA ocorre a remoção de grandes quantidades de nitrogênio e de oxigênio, e no segundo estágio PSA ocorre a remoção de dióxido de carbono e a remoção de quantidades vestigiais de nitrogênio e oxigênio.

[0037] A novidade deste processo consiste no fato de que o nitrogênio e o oxigênio são removidos do fluxo de biogás em bruto no primeiro estágio, aproveitando a presença e quantidade significativa de dióxido de carbono (tipicamente mais de 30%) que apresenta uma forte capacidade de adsorção e elevada taxa de transferência de massa nos microporos da peneira molecular selecionada. Tal forte adsorção e cinética rápida empurram as espécies de nitrogênio e oxigênio fracamente adsorvidas para fora dos locais de adsorção, produzindo um fluxo de biogás pobre em nitrogênio e oxigênio como produto de extrato durante os passos de dessorção, enquanto os componentes indesejados de nitrogênio e de oxigênio são entregues como produto refinado durante os passos de adsorção.

[0038] No PSA de primeiro estágio, o efeito de enrolamento criado pela adsorção da molécula mais fortemente adsorvida, CO2, dá origem a uma zona de transferência de massa formadora (MTZ) de CH4, a segunda molécula mais adsorvida. Essa MTZ formadora permite uma separação mais fácil entre CH4 e N2 e O2 indesejados, aumentando a taxa de recuperação de CH4 no primeiro estágio de separação.

[0039] Resumidamente, uma descrição geral do processo é conferida abaixo:

[0040] Em uma modalidade, o processo compreende um estágio de pré-tratamento antes do PSA de primeiro estágio.

[0041] O PSA de primeiro estágio compreende pelo menos dois leitos de adsorção preenchidos com pelo menos um adsorvente seletivo que é uma peneira molecular com forte afinidade para dióxido de carbono e metano. Exemplos desses adsorventes são zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, carvões ativados, peneiras moleculares de carbono, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas (ILZ) ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al. A seleção correta da peneira molecular adequada para o PSA de primeiro estágio é de extrema importância, uma vez que se deve preferir adsorventes com elevada seletividade tanto de CH4/N2 como de CO2/N2.

[0042] O PSA de primeiro estágio trata a alimentação de biogás em bruto a pressão média e produz um produto refinado enriquecido nos componentes menos fortemente adsorvidos, tais como N2, O2 e outros, e um produto extraído enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos, tais como CH4, CO2 e outros. Esse fluxo extraído, enriquecido em metano e pobre em nitrogênio/oxigênio é um fluxo intermediário de biogás que é alimentado para o PSA de segundo estágio.

[0043] O PSA de primeiro estágio divulgado sofre uma operação cíclica compreendendo os dois passos principais descritos no presente documento: - A alimentação compreendendo o biogás em bruto passa através dos leitos de adsorção contendo o adsorvente seletivo/peneira molecular com forte afinidade por moléculas de CO2 e CH4, empurrando o N2 e O2 não adsorvido para fora pelo lado oposto - produto refinado; - Após isso, se aplica vácuo ao leito de adsorção e um fluxo enriquecido com CO2 e CH4 adsorvidos - produto extraído. Esse fluxo de biogás intermediário é então alimentado para o PSA de segundo estágio.

[0044] O processo de ciclo pode compreender passos adicionais, como é bem conhecido na técnica.

[0045] O segundo estágio compreende pelo menos dois leitos de adsorção para realizar a separação entre o dióxido de carbono e metano. Nesse segundo estágio, a separação é conduzida pela seletividade de CO2/CH4 existente do adsorvente ou adsorventes selecionados que produz um produto enriquecido no componente menos adsorvido, metano. Os adsorventes devem ser selecionados a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares de carbono, carvões ativados, zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas (ILZ) ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

[0046] O fluxo de biogás intermediário a partir do primeiro estágio é pressurizado e alimentado para os leitos de adsorção do PSA de segundo estágio. Aí, o dióxido de carbono, o oxigênio e parte do nitrogênio remanescente são adsorvidos e removidos do fluxo de alimentação, enriquecendo, desse modo, o biogás no componente menos adsorvido, o metano, que sai como produto.

[0047] Um fluxo de segundo grau enriquecido com metano, o fluxo de reciclagem (com um pouco mais de teor de nitrogênio do que o fluxo de produto), é entregue e redirecionado para a alimentação de primeiro estágio a fim de melhorar e enriquecer ligeiramente a concentração de alimentação em metano e reduzir os níveis de dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio, aumentando também a recuperação de metano em mais do que 2%.

[0048] O PSA de segundo estágio divulgado sofre uma operação cíclica compreendendo os seguintes passos principais: - O fluxo de biogás intermediário proveniente do primeiro estágio passa através dos leitos de adsorção contendo uma peneira molecular com elevada seletividade CO2/CH4, removendo, desse modo, o CO2 e rendendo um produto de biometano através do lado oposto - produto refinado. - Uma sucessão de passos intermediários com várias equalizações entre os adsorventes, onde parte do gás que seria perdido durante os passos de dessorção é usada para pressurizar os adsorventes que se preparam para produzir, economizando energia mecânica e aumentando a recuperação de metano. Além disso, durante isso, um fluxo de segundo grau enriquecido com metano é reciclado e redirecionado para a alimentação do primeiro estágio, melhorando também o desempenho do processo. - Depois, ocorrem os passos de dessorção, onde os contaminantes adsorvidos, CO2, O2 e N2, são removidos dos locais de adsorção.

[0049] O processo de ciclo pode compreender passos adicionais, como é bem conhecido na técnica.

[0050] Após o biogás em bruto ser tratado de acordo com o presente processo, um fluxo de biogás final é obtido, o qual consiste principalmente em metano (também conhecido como “biometano”). O fluxo final de biometano corresponde, preferencialmente, a um padrão geral, ou nível de requisitos de qualidade, e elegibilidade para gasodutos comuns de transporte de gás natural.

[0051] Com o processo divulgado no presente documento, o objetivo principal de produzir e entregar um biometano purificado em uma forma substancialmente purificada para atender às especificações e requisitos do gasoduto pode ser alcançado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0052] Para compreensão mais fácil do presente pedido, estão anexadas figuras que representam as formas preferidas de implementação, as quais, no entanto, não se destinam a limitar a técnica descrita no presente documento.

[0053] As modalidades ilustradas são meramente exemplos da presente invenção e não limitam o escopo da invenção.

[0054] A FIG.1 é um diagrama do processo divulgado no presente documento para recuperar o metano a partir do biogás pelo uso de uma adsorção por oscilação de pressão de dois estágios, através da remoção do nitrogênio e do oxigênio a partir do gás de aterro sanitário em bruto no primeiro estágio e do dióxido de carbono a partir do metano no segundo estágio gerando, desse modo, um fluxo de biometano puro.

[0055] O processo considera um passo de pré-tratamento. 1 - fluxo de alimentação de biogás em bruto 2 - filtro 3 - ventilador de biogás 4 - permutador de calor de biogás 5 - fluxo de alimentação de biogás 6 - leito de proteção de H2S 7 - fluxo de alimentação de biogás 8 - fluxo de alimentação de biogás 9 - gasoduto de alimentação do primeiro estágio 10 - gasoduto de biogás intermediário do primeiro estágio 11 - gasoduto de equalização inferior do primeiro estágio 12 - leito de adsorção do primeiro estágio 13 - leito de adsorção do primeiro estágio 14 - gasoduto de equalização superior do primeiro estágio

15 - gasoduto de purga de biogás do primeiro estágio 16 - gasoduto de exaustão de biogás do primeiro estágio 17 - exaustão de biogás 18 - bomba de vácuo de biogás 19 - recipiente de armazenamento de baixa pressão de biogás intermediário 20 - compressor de biogás 21 - recipiente de armazenamento de elevada pressão de biogás intermediário 22 - fluxo de biogás intermediário 23 - gasoduto de equalização inferior do segundo estágio 24 - gasoduto de alimentação do segundo estágio 25 - gasoduto de exaustão do segundo estágio 26 - leito de adsorção do segundo estágio 27 - leito de adsorção do segundo estágio 28 - leito de adsorção do segundo estágio 29 - leito de adsorção do segundo estágio 30 - gasoduto de equalização superior do segundo estágio 31 - gasoduto de reciclagem de biogás do segundo estágio 32 - gasoduto de biometano do segundo estágio 33 - fluxo de reciclagem/produto de biometano fora das especificações 34 - bomba de vácuo de biogás 35 - biogás de exaustão 36 - produto de biometano 37 - recipiente de armazenamento do produto de biometano 38 - produto de biometano

[0056] A FIG. 2 é uma ilustração dos passos PSA de primeiro estágio propostos.

[0057] A FIG. 3 é uma ilustração de uma das modalidades propostas dos passos PSA de segundo estágio.

[0058] A FIG. 4 é uma ilustração de outra das modalidades propostas dos passos PSA de segundo estágio.

[0059] A FIG. 5 é um diagrama esquemático da sequência dos passos de PSA de primeiro estágio.

[0060] A FIG. 6 é um diagrama esquemático da sequência dos passos de PSA de segundo estágio.

[0061] A FIG. 7 é um diagrama esquemático de outra modalidade da sequência dos passos de PSA de segundo estágio.

[0062] A FIG. 8 é um diagrama do processo divulgado no presente documento para recuperar o metano a partir do biogás pelo uso de uma adsorção por oscilação de pressão de dois estágios.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES

[0063] A seguir, o processo será descrito em detalhes com referência aos desenhos em anexo. Uma série de modalidades preferidas serão descritas, mas não se destinam a limitar o escopo deste pedido. Várias modificações podem ser feitas no espírito e sem se afastar do escopo da tecnologia.

[0064] O presente pedido divulga um processo compreendendo pelo menos dois estágios PSA.

[0065] Em uma modalidade, o processo compreende um estágio de pré-tratamento, antes do PSA de primeiro estágio, a fim de reduzir o nível de água da alimentação de biogás em bruto até 5 °C do ponto de condensação e o teor de H2S até 2 ppm. Essa solução de pré-estágio compreende um filtro, ou uma série de filtros, para remoção de água e partículas, seguido por um soprador de biogás e um permutador de calor que reduz a temperatura do fluxo de alimentação até 5 °C, removendo, desse modo, a umidade por condensação. O pré- estágio também compreende um filtro de adsorção de carvão ativado de um ou mais recipientes cheios com um carvão ativado impregnado ou não impregnado, capaz de remover sulfeto de hidrogênio e outros compostos de enxofre.

[0066] O PSA de primeiro estágio executa para cada adsorvente um ciclo compreendendo a seguinte sequência de passos em uma ordem de repetição (Figura 2):

- Alimentação (“FD”), onde o adsorvente é pressurizado com fluxo de alimentação até à pressão operacional mais elevada.

O gás flui para cima para o adsorvente, enquanto os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos e a fase gasosa é enriquecida nos componentes menos adsorvidos; - Adsorção (“AD”), onde a alimentação flui através do adsorvente e os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos no leito e um fluxo de gás enriquecido no componente menos fortemente adsorvido sai da coluna através do lado oposto.

Em uma modalidade, durante o passo de adsorção, uma fração do fluxo menos fortemente adsorvido é usada para purgar contracorrente o passo de purga (“PG”) em funcionamento no leito a baixa pressão operacional.

A proporção entre purga e alimentação (P/F) varia entre 0,3 a 0,9 dependendo do teor do fluxo de alimentação de nitrogênio; - Equalização conferida (“E↑”), onde o adsorvente que completou o passo de adsorção se conecta com o que foi purgado e a pressão entre os adsorventes é equalizada.

Nesse passo, parte do gás que seria perdido no passo de descarga é usado para pressurizar o outro adsorvente; - Descarga (“BD”), onde o adsorvente é descarregado contracorrente e algum do gás que é enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos flui para fora do adsorvente e sai através da extremidade de alimentação.

A pressão neste passo varia desde a pressão final atingida no passo de equalização até uma pressão final próxima da baixa pressão operacional; - Evacuação (“EV”), o gás remanescente que é enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos é removido do adsorvente, a baixa pressão operacional, usando uma bomba de vácuo; - Purga (“PG”), onde uma fração do fluxo de componentes menos fortemente adsorvidos que é entregue durante a adsorção (“AD”) é admitida para passar contracorrente através do leito em condições de baixa pressão operacional. Esse gás força os componentes adsorvidos mais fortemente a deslocarem os locais de adsorção da peneira molecular, produzindo desse modo um fluxo enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos que são removidos através de uma bomba de vácuo. - Equalização recebida (“E↓”), onde o adsorvente que completou o passo de evacuações e/ou purga se conecta com o que foi adsorvido e a pressão entre os recipientes é equalizada. Nesse passo, o adsorvente é pressurizado com gás conferido pelo outro adsorvente, naturalmente mais rico em metano (e mais pobre em nitrogênio e oxigênio) do que o fluxo de alimentação de biogás em bruto.

[0067] O PSA de segundo estágio executa, para cada adsorvente, um ciclo compreendendo a seguinte sequência de passos em uma ordem de repetição (Figura 4): - Adsorção (“AD”), onde a adsorção é pressurizada com fluxo de alimentação para a pressão operacional mais elevada e os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos no leito e um fluxo de gás enriquecido no componente menos fortemente adsorvido sai da coluna através do topo; - Despressurização cocorrente (“COD”), onde o adsorvente é lentamente despressurizado em cocorrente e o gás de despressurização é usado como fluxo de reciclagem que é alimentado para o primeiro estágio; - Primeira equalização conferida (“E1↑”), onde o adsorvente que completou o passo de despressurização em cocorrente se conecta com aquele que ficou inativo após a conclusão do passo da primeira equalização recebida e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Segunda equalização conferida (“E2↑”), onde o adsorvente que completou a primeira equalização conferida se conecta com o que foi evacuado e a pressão entre os recipientes é equalizada;

- Evacuação (“EV”), segue o passo de descarga, o gás remanescente que é enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos é removido do adsorvente através da extremidade de alimentação, a baixa pressão operacional, usando uma bomba de vácuo; - Primeira equalização recebida (“E1↓”), onde o adsorvente que completou o passo de evacuação se conecta com aquele que completou o passo de primeira equalização conferida e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Inativo (“ID”), onde o adsorvente está inativo; - Segunda equalização recebida (“E2↓”), onde o adsorvente que esteve inativo, após completar o passo da primeira equalização recebida, se conecta com o que completou o passo de despressurização cocorrente e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Aterro (“BF”), onde o adsorvente que completou o passo da segunda equalização recebida em contracorrente recebe parte do gás que sai do adsorvente que está sob um passo de adsorção; - Inativo (“ID”), onde o adsorvente está inativo.

[0068] Em uma modalidade, o segundo estágio compreende adicionalmente um estágio de Aterro (“BD”), onde o adsorvente é descarregado em contracorrente e um fluxo enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos flui para fora do adsorvente através da extremidade de alimentação, o que ocorre após a Segunda equalização conferida (“E2↑”) e antes da Evacuação (“EV”).

[0069] Em uma modalidade, o passo de despressurização cocorrente (“COD”) de segundo estágio, do segundo estágio, ocorre após o passo da segunda equalização conferida (“E2↑”) e antes do passo de Evacuação (“EV”).

[0070] Em outra modalidade, o segundo estágio compreende um estágio de Aterro (“BF”) após o passo da segunda equalização recebida (“E2↓”) e antes do segundo estágio

Inativo (“ID”).

[0071] Em ainda outra modalidade, o segundo estágio compreende um estágio de Aterro (“BF”) após o Segundo estágio Inativo (“ID”).

[0072] As modalidades anteriores formam a seguinte sequência de passos de PSA de segundo estágio em uma ordem de repetição (Figura 3): - Adsorção (“AD”), onde a adsorção é pressurizada com fluxo de alimentação para a pressão operacional mais elevada e os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos no leito e um fluxo de gás enriquecido no componente menos fortemente adsorvido sai da coluna através do topo; - Primeira equalização conferida (“E1↑”), onde o adsorvente que completou o passo de adsorção se conecta com aquele que completou o passo de primeira equalização recebida e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Segunda equalização conferida (“E2↑”), onde o adsorvente que completou a primeira equalização conferida se conecta com o que foi evacuado e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Despressurização cocorrente (“COD”), onde o adsorvente que completou o passo de segunda equalização conferida é despressurizado em cocorrente, e sendo o gás de despressurização usado como fluxo de reciclagem que é alimentado no primeiro estágio; - Evacuação (“EV”), onde o adsorvente é evacuado em contracorrente, usando uma bomba de vácuo, e um fluxo enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos é removido do adsorvente, em baixa pressão operacional; - Primeira equalização recebida (“E1↓”), onde o adsorvente que completou o passo de evacuação se conecta com aquele que completou o passo de primeira equalização conferida e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Inativo (“ID”), onde o adsorvente está inativo;

- Segunda equalização recebida (“E2↓”), onde o adsorvente que esteve inativo após completar o passo da primeira equalização recebida, se conecta com o que completou o passo de adsorção e a pressão entre os recipientes é equalizada; - Inativo (“ID”), onde o adsorvente está outra vez inativo. - Aterro (“BF”), onde o adsorvente que completou o passo da segunda equalização recebida em contracorrente recebe parte do gás que sai do adsorvente que está sob um passo de adsorção.

[0073] O primeiro estágio funciona a uma temperatura entre –50 °C e 120 °C. Em uma modalidade preferida, o primeiro estágio ocorre a uma temperatura entre 0 e 70 °C.

[0074] A pressão operacional durante o passo de adsorção no primeiro estágio está entre cerca de 60 kPa e 1500 kPa. Em uma modalidade preferida, a pressão está entre 80 kPa e 400 kPa. Em uma modalidade mais preferida, a pressão está entre 100 a 150 kPa.

[0075] A pressão de dessorção de funcionamento no passo de evacuação do primeiro estágio varia de 1 kPa a 100 kPa. Em uma modalidade preferida, a pressão está entre 10 kPa e 80 kPa. Em uma modalidade mais preferida, a pressão está entre 20 e 60 kPa.

[0076] O fluxo de biogás intermediário resultante do primeiro estágio é pressurizado entre cerca de 200 kPa a 4000 kPa e alimentado aos leitos de adsorção do PSA de segundo estágio. Em uma modalidade preferida, esse é pressurizado entre 500 kPa e 1000 kPa. Em uma modalidade mais preferida, esse é pressurizado entre 600 a 900 kPa.

[0077] O segundo estágio funciona a uma temperatura de – 50 °C a 150 °C. Em uma modalidade preferida, a temperatura está entre 10 e 80 °C.

[0078] A pressão operacional durante o passo de adsorção do segundo estágio está entre cerca de 200 kPa e 4000 kPa.

Em uma modalidade preferida, a pressão está entre 500 kPa e 1000 kPa. Em uma modalidade mais preferida, a pressão varia desde 600 a 900 kPa.

[0079] A pressão de dessorção de funcionamento no passo de evacuação do segundo estágio está entre 0,001 kPa e 100 kPa. Em uma modalidade preferida, a pressão varia desde 0,01 kPa a 20 kPa. Em uma modalidade mais preferida, a pressão varia desde 0,1 a 10 kPa.

[0080] Os adsorventes no primeiro e segundo estágios são cheios com pelo menos um adsorvente seletivo, ou uma sua mistura, que é uma peneira molecular com forte afinidade para dióxido de carbono e metano. Os adsorventes devem ser selecionados a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares de carbono, carvões ativados, zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas (ILZ) ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

[0081] O primeiro estágio e o segundo estágio compreendem pelo menos dois leitos de adsorção cada. Em uma modalidade, o segundo estágio compreende quatro leitos de adsorção.

[0082] Uma visão geral do processo da presente tecnologia pode ser descrita com referência à FIG. 1.

[0083] Em uma modalidade, conforme mostrado, o processo compreende um estágio de pré-tratamento. O fluxo de alimentação de biogás em bruto (1) entra no estágio de pré- tratamento que compreende um filtro ou filtros de partículas em série (2), um soprador de biogás (3), um permutador de calor (4) que baixa a temperatura do fluxo de alimentação para 5 °C e a água condensada é removida, e um leito de proteção de sulfeto de hidrogênio (6). O leito de proteção de sulfeto de hidrogênio (6) é cheio com carvão ativado que reduz o teor de H2S até ao nível de ppm. O fluxo de alimentação de biogás (7) que sai desse estágio de pré-

tratamento tem menos do que 2 ppm de H2S e menos do que 9000 ppm de H2O.

[0084] O fluxo de alimentação de biogás em bruto (7) contém tipicamente até 12% molar de N2, 5% molar de O2, 35% molar de CO2 e 48% molar de CH4, e pode ser combinada com o fluxo de reciclagem (31) a partir da despressurização em cocorrente do PSA de segundo estágio, contendo tipicamente 91-97% de CH4, 0,2-2,0% de CO2, 3,0-6,0% de N2, 0,2–1,0% de O2, gerando desse modo o fluxo (8) ligeiramente enriquecido em metano que é alimentado ao PSA de primeiro estágio.

[0085] Os passos do ciclo de PSA de primeiro estágio ocorrem conforme descrito anteriormente (FIG. 2 e FIG. 5). Em uma modalidade, o PSA de primeiro estágio opera a uma temperatura de –50 °C a 120 °C, mais preferencialmente desde 0 a 70 °C.

[0086] Os adsorventes, ou uma combinação de adsorventes, selecionados são peneiras moleculares seletivas de nitrogênio, a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares de carbono, carvões ativados, zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas (ILZ) ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

[0087] O adsorvente (12) é pressurizado com um fluxo de alimentação de biogás através da linha (9). A pressão durante a adsorção é de cerca de 60 kPa a 1500 kPa, preferencialmente entre 80 kPa e 400 kPa, e mais preferencialmente desde 100 a 150 kPa.

[0088] O gás flui para cima para o adsorvente, enquanto os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos e a fase gasosa é enriquecida nos componentes menos adsorvidos. O passo de adsorção ocorre, onde a alimentação de biogás flui através do adsorvente (12) e os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos no leito e um fluxo de gás enriquecido no componente menos fortemente adsorvido sai da coluna através do lado oposto (16). Durante isso, uma fração do fluxo menos fortemente adsorvido é usada para purgar em contracorrente o adsorvente (13) através da linha (15).

[0089] Após o passo de adsorção ser concluído, os adsorventes são ligados através da linha (11), na parte inferior, e a pressão entre adsorventes é equalizada. Em outra modalidade, os adsorventes são conectados através da linha (14), no topo, e a pressão entre os adsorventes é equalizada.

[0090] Após o passo de equalização, o adsorvente (12) é descarregado em contracorrente e evacuado através da linha de exaustão (10) usando uma bomba de vácuo (18). A pressão de dessorção varia desde 1 kPa a 100 kPa, preferencialmente desde 10 kPa a 80 kPa, e mais preferencialmente desde 20 a 60 kPa.

[0091] Um fluxo de biogás intermediário, pobre em nitrogênio e oxigênio, é então coletado e armazenado no recipiente (19). Enquanto o adsorvente (12) está sendo evacuado, parte do fluxo menos fortemente adsorvido que sai do adsorvente (13) através do topo é admitido para purgar o adsorvente (12) em contracorrente. A parte do fluxo refinado usada para purgar o adsorvente (12) depende do teor de nitrogênio da variação do fluxo de alimentação, designada no presente documento como proporção de purga para alimentação (P/F), entre 0,3 a 0,9.

[0092] Em seguida, ambos os adsorventes (12) e (13) são ligados através da linha (11) e a sua pressão é equalizada. Em outra modalidade, os adsorventes são conectados através da linha (14) e a sua pressão é equalizada.

[0093] O fluxo de biogás intermédio é armazenado no recipiente (19) e pressurizado em compressor de biogás (20) antes alimentado para o PSA de segundo estágio através da linha (22).

[0094] O fluxo de biogás intermediário é pressurizado desde cerca de 200 kPa a 4000 kPa, preferencialmente entre 500 kPa e 1000 kPa, e mais preferencialmente desde 600 a 900 kPa, e alimentado aos leitos de adsorção do PSA de segundo estágio.

[0095] Os passos do processo dessa segundo estágio foram descritas anteriormente (FIG. 4 e FIG.7). O PSA de segundo estágio opera a uma temperatura de –50 °C a 150 °C, mais preferencialmente desde 10 a 80 °C.

[0096] O adsorvente, ou a combinação de adsorventes, selecionado tem elevada seletividade de CO2/CH4 e deve ser selecionado a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares seletivas de nitrogênio, a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares de carbono, carvões ativados, zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas (ILZ) ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

[0100] O adsorvente (26) é pressurizado com fluxo de biogás intermediário a partir do primeiro estágio e o gás flui para cima para o adsorvente, enquanto os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos e a fase gasosa é enriquecida no componente menos adsorvido, que sai do adsorvente através da linha (32) e é armazenada no recipiente (36). A pressão durante a adsorção é de cerca de 200 kPa a 4000 kPa, preferencialmente entre 500 kPa e 1000 kPa, e mais preferencialmente desde 600 a 900 kPa.

[0101] Após completar o passo de adsorção, a extremidade de alimentação é fechada e o adsorvente (26) despressuriza em cocorrente através da linha (31), entregando um fluxo enriquecido em metano de segundo grau para ser reciclado e alimentado para o PSA de primeiro estágio, que é misturado com o biogás proveniente do fluxo de alimentação (7). Isso enriquece a concentração do fluxo de alimentação (8) em metano e reduz os níveis de dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio.

[0102] Em seguida, os adsorventes (26) e (27) são conectados através da linha (30) e a pressão entre eles é equalizada. Em outra modalidade, os adsorventes são conectados através da linha (23) e a pressão entre eles é equalizada. Após completar o primeiro passo de equalização conferida, o adsorvente (26) e o adsorvente (29) são conectados através da linha (30) e a pressão é equalizada. Em outa modalidade, os adsorventes (26) e (29) são conectados através da linha (23) e a pressão entre eles é equalizada.

[0103] Depois, o adsorvente (26) é descarregado em contracorrente e evacuado através da linha de exaustão (25) usando uma bomba de vácuo (34) e um produto de exaustão (35) enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos entregues. Em uma modalidade, o passo de dessorção ocorre com purga, através do gasoduto (31). Em outra modalidade, a dessorção ocorre sem purga.

[0104] A pressão de dessorção varia desde 0,001 kPa a 100 kPa, preferencialmente desde 0,01 kPa a 20 kPa, e mais preferencialmente desde 0,1 a 10 kPa.

[0105] Depois disso, dois passos de equalização têm lugar. Em primeiro lugar, o adsorvente (26) e (28) são conectados através do gasoduto (30) e a pressão é equalizada e, em segundo lugar, após um passo inativo, o adsorvente (26) e (27) são conectados através do gasoduto (30) e a pressão é equalizada. Em outra modalidade, ambos os passos de equalização são feitos conectando os adsorventes através da linha (23).

[0106] Após um passo no qual o adsorvente (26) está inativo, ocorre o passo de aterro. Durante esse passo, imediatamente antes da adsorção, o adsorvente (26) recebe em contracorrente parte do gás produzido e armazenado no recipiente (37) através da linha (32).

[0107] Em outra modalidade, os passos do processo do segundo estágio, anteriormente descritos (FIG. 3 e FIG. 6), podem ser detalhados como se segue. O PSA de segundo estágio opera a uma temperatura de –50 °C a 150 °C, mais preferencialmente desde 10 a 80 °C.

[0108] O adsorvente, ou a combinação de adsorventes, selecionado tem elevada seletividade de CO2/CH4 e deve ser selecionado a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares seletivas de nitrogênio, a partir do grupo consistindo em peneiras moleculares de carbono, carvões ativados, zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, alumina, sílica-gel, novos adsorventes tais como zeólitas líquidas iônicas (ILZ) ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

[0109] O adsorvente (26) é pressurizado com fluxo de biogás intermediário a partir do primeiro estágio e o gás flui para cima para o adsorvente, enquanto os componentes mais fortemente adsorvidos são retidos e a fase gasosa é enriquecida no componente menos adsorvido, que sai do adsorvente através da linha (32) e é armazenada no recipiente (36). A pressão durante a adsorção é de cerca de 200 kPa a 4000 kPa, preferencialmente entre 500 kPa e 1000 kPa, e mais preferencialmente desde 600 a 900 kPa.

[0110] Após completar o passo de adsorção, os adsorventes (26) e (27) são conectados através da linha (30) e a pressão entre eles é equalizada. Em outra modalidade, os adsorventes são conectados através da linha (23) , na base, e a pressão entre eles é equalizada. Após completar o primeiro passo de equalização conferida, o adsorvente (26) e o adsorvente (29) são conectados através da linha (30), no topo, e a pressão é equalizada. Em outa modalidade, os absorvedores (26) e (29) são conectados através da linha (23) e a pressão entre eles é equalizada.

[0111] Depois, o adsorvente (26) despressuriza em cocorrente através da linha (31), entregando um fluxo enriquecido em metano de segundo grau para ser reciclado e alimentado para o PSA de primeiro estágio, que é misturado com o biogás proveniente do fluxo de alimentação (7). Isso melhora e enriquece ligeiramente a concentração do fluxo de alimentação (8) em metano e reduz os níveis de dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio.

[0112] Depois, o adsorvente (26) é descarregado em contracorrente e evacuado através da linha de exaustão (25) usando uma bomba de vácuo (34) e um produto de exaustão (35) enriquecido nos componentes mais fortemente adsorvidos entregues. Em uma modalidade, o passo de dessorção ocorre com purga, através do gasoduto (31). Em outra modalidade, a dessorção ocorre sem purga.

[0113] A pressão de dessorção varia desde 0,001 kPa a 100 kPa, preferencialmente desde 0,01 kPa a 20 kPa, e mais preferencialmente desde 0,1 a 10 kPa.

[0114] Depois disso, dois passos de equalização têm lugar. Em primeiro lugar, o adsorvente (26) e (28) são conectados através do gasoduto (30) e a pressão é equalizada e, em segundo lugar, após um passo inativo, o adsorvente (26) e (27) são conectados através do gasoduto (30) e a pressão é equalizada. Em outra modalidade, ambos os passos de equalização são feitos conectando os adsorventes através da linha (23).

[0115] Após um passo no qual o adsorvente (26) está inativo, ocorre o passo de aterro. Durante esse passo, imediatamente antes da adsorção, o adsorvente (26) recebe em contracorrente parte do gás produzido e armazenado no recipiente (37) através da linha (32).

[0116] Em modalidades preferidas, o gás biometano final não contém mais do que 0,5% molar de CO2, menos do que 3% molar de N2, menos do que 0,2% molar de O2 e menos do que 2 ppm de H2S, em uma base seca.

[0117] Embora as modalidades preferidas da presente invenção tenham sido divulgadas para fins ilustrativos, os peritos na técnica apreciarão que várias modificações, adições e substituições são possíveis, sem se afastar do escopo da invenção. Portanto, a presente tecnologia não está limitada às modalidades descritas acima, mas a presente invenção é definida pelas reivindicações que se seguem, juntamente com o seu escopo de equivalentes.

EXEMPLOS Exemplo 1

[0118] Neste exemplo, a remoção de gases contaminantes a partir de um fluxo de biogás de aterro de acordo com uma modalidade do presente pedido é simulada computacionalmente. De acordo com a simulação, um fluxo de biometano de 174 m3/h com 96,8% de CH4, 0,1% de CO2, 3,0% de N2 e 0,1% de O2 é recuperado a partir de um fluxo de biogás do aterro em bruto contendo 48,0% de CH4, 35,0% de CO2, 12,0% de N2 e 5,0% de O2. A taxa de fluxo do biogás do aterro em bruto é de 530 m3/h.

[0119] Na presente modalidade, o PSA de primeiro estágio compreende dois leitos de adsorção, carregados com carvão ativado com 900-1200 m2/g de área de superfície total (B.E.T.), executando a sequência cíclica dos passos esquematizados na FIG. 5. O PSA de segundo estágio compreende quatro leitos de adsorção, carregados com uma peneira molecular de carbono com largura de poro de 3-7 Å, executando a sequência cíclica dos passos esquematizadas na FIG. 7.

[0120] Os resultados obtidos são listados na Tabela 1. Essa tabela resume a composição, bem como as condições de pressão e temperatura de cada fluxo crucial do processo ilustrado na FIG. 1. Tabela 1. 1 7 8 17 19 21 35 38 33

CH4, % 48,0 48,0 49,4 37,8 55,7 55,7 1,9 96,8 95,1 CO2, % 35,0 35,0 34,0 23,8 39,6 39,6 91,3 0,1 1,4 N2, % 12,0 12,0 11,7 27,4 3,2 3,2 3,5 3,0 3,1 O2, % 5,0 5,0 4,9 11,0 1,5 1,5 3,3 0,1 0,4 H2S, ppm 1500 0 0 0 0 0 0 0 0 H2O, ppm 28000 9600 9166 117 11300 900 2059 39 43 P / kPa 101 120 134 128 102 850 1 750 600 T / ºC 23 23 40 30 15 45 15 35 30 Fluxo /m3.h-1 530 500 515 182 333 333 144 174 15 Exemplo 2

[0121] Neste exemplo, a remoção de gases contaminantes a partir de um fluxo de biogás de aterro de acordo com uma modalidade do presente pedido é simulada computacionalmente. De acordo com a simulação, um fluxo de biometano de 222 m3/h com 96,9% de CH4, 0,1% de CO2, 2,9% de N2 e 0,1% de O2 é recuperado a partir de um fluxo de biogás do aterro em bruto contendo 50,0% de CH4, 39,0% de CO2, 8,0% de N2 e 3,0% de O2. A taxa de fluxo do biogás do aterro em bruto é de 530 m3/h.

[0122] Na presente modalidade, o PSA de primeiro estágio compreende dois leitos de adsorção, carregados com carvão ativado com 900-1200 m2/g de área de superfície total (B.E.T.), executando a sequência cíclica dos passos esquematizados na FIG. 5. O PSA de segundo estágio compreende quatro leitos de adsorção, carregados com uma peneira molecular de carbono com largura de poro de 3-7 Å, executando a sequência cíclica dos passos esquematizadas na FIG. 7.

[0123] Os resultados obtidos são listados na Tabela 2. Essa tabela resume a composição, bem como as condições de pressão e temperatura de cada fluxo crucial do processo ilustrado na FIG. 1. Tabela 2. 1 7 8 17 19 21 35 38 33 CH4, % 50,0 50,0 51,7 33,4 55,9 55,9 1,6 96,9 95,3 CO2, % 39,0 39,0 37,6 28,1 39,7 39,7 92,2 0,1 1,3 N2, % 8,0 8,0 7,8 28,6 3,1 3,1 3,4 2,9 3,0 O2, % 3,0 3,0 2,9 10,0 1,3 1,3 2,9 0,1 0,4

H2S, ppm 1500 0 0 0 0 0 0 0 0 H2O, ppm 28000 9600 9166 117 11300 900 2059 39 43 P / kPa 101 120 139 128 102 850 1 750 600 T / ºC 23 23 40 30 15 45 15 35 30 Fluxo 530 500 520 96 424 424 182 222 20 /m3.h-1 Exemplo 3

[0124] Neste exemplo, a remoção de gases contaminantes a partir de um fluxo de gás digestor de acordo com uma modalidade do presente pedido é simulada computacionalmente. De acordo com a simulação, um fluxo de biometano de 206 m3/h com 98,9% de CH4, 0,2% de CO2 e 0,9% de N2 é recuperado a partir de um fluxo de biogás do aterro em bruto contendo 52,0% de CH4, 44,0% de CO2, 3,0% de N2 e 1,0% de O2. A taxa de fluxo do biogás do aterro em bruto é de 530 m3/h.

[0125] Na presente modalidade, o PSA de primeiro estágio compreende dois leitos de adsorção, carregados com carvão ativado com 900-1200 m2/g de área de superfície total (B.E.T.), executando a sequência cíclica dos passos esquematizados na FIG. 5. O PSA de segundo estágio compreende quatro leitos de adsorção, carregados com uma peneira molecular de carbono com largura de poro de 3-7 Å, executando a sequência cíclica dos passos esquematizadas na FIG. 6.

[0126] Os resultados obtidos são listados na Tabela 3. Essa tabela resume a composição, bem como as condições de pressão e temperatura de cada fluxo crucial do processo ilustrado na FIG. 1. Tabela 3. 1 7 8 17 19 21 35 38 33 CH4, % 52,0 52,0 53,1 56,0 52,4 52,4 0,7 98,9 90,1 CO2, % 44,0 44,0 43,0 29,2 46,2 46,2 97,4 0,2 8,2 N2, % 3,0 3,0 2,9 11,3 1,0 1,0 1,1 0,9 1,1 O2, % 1,0 1,0 1,0 3,5 0,4 0,4 0,8 0,0 0,6 H2S, ppm 1500 0 0 0 0 0 0 0 0 H2O, ppm 28000 9600 9166 117 11300 900 2059 39 43 P / kPa 101 130 130 128 102 850 1 750 150

T / ºC 23 23 40 30 15 45 15 35 30 Fluxo /m3.h-1 530 500 515 98 417 417 196 206 15 REFERÊNCIAS:

[1] SOUTHERN CALIFORNIA GAS COMPANY Revisto CAL. P.U.C. FOLHA N.º 47193-G.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de Adsorção por Oscilação de Pressão de múltiplos estágios para remover gases contaminantes de fluxos de metano em bruto, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos dois estágios de Adsorção por Oscilação de Pressão: - Primeiro estágio para remover Nitrogênio e Oxigênio, compreendendo os seguintes passos: - Alimentação (“FD”); - Adsorção (“AD”); - Equalização conferida (“E↑”); - Descarga (“BD”); - Evacuação (“EV”); - Purga (“PG”); - Equalização recebida (“E↓”), em que o primeiro estágio compreende pelo menos um adsorvente, ou uma sua mistura, com forte afinidade para dióxido de carbono e metano; - Segundo estágio para remover Dióxido de Carbono e Nitrogênio e Oxigênio residuais compreendendo os seguintes passos: - Adsorção (“AD”); - Despressurização cocorrente (“COD”); - Primeira equalização conferida (“E1↑”); - Segunda equalização conferida (“E2↑”); - Evacuação (“EV”); - Primeira equalização recebida (“E1↓”), - Inativo (“ID”); - Segunda equalização recebida (“E2↓”), - Inativo (“ID”);

em que o segundo estágio compreende pelo menos um adsorvente, ou uma sua mistura, com forte afinidade para dióxido de carbono e metano.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o segundo estágio compreender adicionalmente um estágio de Descarga (“BD”) após o passo de Segunda equalização conferida (“E2↑”) e antes do passo de Evacuação ("EV").

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o passo de Despressurização cocorrente (“COD”) do segundo estágio ocorrer após o passo de Segunda equalização conferida (“E2↑”) e antes do de Evacuação (“EV”).

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o segundo estágio compreender um estágio de Aterro (“BF”) após o passo de Segunda equalização recebida (“E2↓”) e antes do segundo estágio Inativo (“ID”).

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o segundo estágio compreender um estágio de Aterro (“BF”) após o segundo estágio Inativo (“ID”).

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado pelo fato de compreender um passo de pré-tratamento antes do primeiro estágio.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado pelo fato de o primeiro estágio operar a uma temperatura entre –50 °C e 120 °C.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizado pelo fato de a pressão operacional durante o passo de adsorção no primeiro estágio estar entre 60 kPa e 1500 kPa.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a proporção de purga em relação à alimentação variar entre 0,3 a 0,9, dependendo do teor do fluxo de alimentação de nitrogênio.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9, caracterizado pelo fato de a pressão de dessorção operacional no passo de evacuação do primeiro estágio variar de 1 kPa a 100 kPa.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10, caracterizado pelo fato de o fluxo intermediário de biogás resultante do primeiro estágio ser pressurizado entre 200 kPa a 4000 kPa e alimentado aos leitos de adsorção do segundo estágio.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 e 11, caracterizado pelo fato de o segundo estágio operar a uma temperatura entre –50 °C a 150 °C.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 e 12, caracterizado pelo fato de a pressão operacional durante o passo de adsorção do segundo estágio estar entre 200 kPa e 4000 kPa.

14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 e 13, caracterizado pelo fato de a pressão de dessorção operacional no passo de evacuação do segundo estágio estar entre 0,001 kPa e 100 kPa.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14, caracterizado pelo fato de os adsorventes usados no primeiro e segundo estágios serem selecionados a partir de uma lista compreendendo zeólitas, titanossilicatos, estruturas organometálicas, carvões ativados, peneiras moleculares de carbono, alumina, sílica-gel, novos adsorventes como zeólitas líquidas iônicas ou outros materiais mesoporosos com base em Si/Al.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 e 15, caracterizado pelo fato de a equalização ocorrer através do topo.

17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 e 15, caracterizado pelo fato de a equalização ocorrer através do fundo.

18. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 e 17, caracterizado pelo fato de a dessorção no passo de evacuação do segundo estágio ocorrer com purga.

19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 e 17, caracterizado pelo fato de a dessorção no passo de evacuação do segundo estágio ocorrer sem purga.