BR112021015733A2

BR112021015733A2 - Usina e processo para separação de gás aéreo com o uso de um adsorvedor paralelepipedal

Info

Publication number: BR112021015733A2
Application number: BR112021015733-6A
Authority: BR
Inventors: Benoit Davidian
Original assignee: L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-10-26
Also published as: EP3928043A1; CA3129477A1; FR3093169B1; CN113424004B; FR3093169A1; US20220196326A1; WO2020169900A1; AU2020225422A1; CN113424004A

Abstract

usina e processo para separação de gás aéreo com o uso de um adsorvedor paralelepipedal. trata-se de uma usina para separar gases do ar que compreende, na direção de circulação da corrente de ar: - um meio de compressão (c) para comprimir a corrente de ar a uma pressão p1 entre 1,15 bar abs e 2 bar abs, - uma unidade de adsorção tsa (a) e - uma unidade de destilação criogênica (d), - sendo que a unidade de adsorção compreende pelo menos dois adsorvedores, a1 e a2, em que cada um tem um invólucro paralelepipedal disposto horizontalmente e que compreende: - uma entrada e uma saída de corrente de ar, - duas massas adsorventes de leito fixo, cada uma igualmente paralelepipedal com faces paralelas às faces do invólucro e - um conjunto de volumes que permite que a corrente de ar atravesse as duas massas adsorventes horizontalmente, em paralelo, através de todo o corte transversal de cada uma das massas adsorventes e ao longo de suas espessuras.

Description

“USINA E PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE GÁS AÉREO COM O USO DE UM ADSORVEDOR PARALELEPIPEDAL”

[0001] A presente invenção refere-se a uma usina para separação de gás aéreo e ao processo para a separação de gás aéreo com o uso da dita usina. Mais especificamente, a mesma se refere à purificação do ar atmosférico antes da separação do dito ar por destilação criogênica.

[0002] Sabe-se que ar atmosférico contém compostos que precisam ser removidos antes de ser introduzido nos trocadores de calor da caixa fria de uma unidade de separação de ar, particularmente vapor d'água (H20), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos.

[0003] Na ausência de tal tratamento do ar, a fim de remover suas impurezas de H20 e CO?2, essas impurezas se solidificam quando o ar é resfriado à temperatura criogênica, tipicamente abaixo de -150 ºC, o que pode resultar em problemas de obstrução do equipamento, particularmente os trocadores de calor, as colunas de destilação, etc.

[0004] Além disso, também é habitual remover pelo menos parcialmente as impurezas de hidrocarboneto e óxido de nitrogênio que podem estar presentas no ar, a fim de impedir a concentração excessiva das mesmas no fundo da coluna de destilação (ou colunas de destilação) e, assim, mitigar qualquer risco de danos ao equipamento.

[0005] Esse pré-tratamento do ar é atualmente realizado, conforme aplicável, com o uso do processo de PSA (adsorção por variação de pressão) ou do processo de TSA (adsorção por variação de temperatura). Esses processos diferem na maneira na qual o adsorvente é regenerado: um efeito de pressão, se a dita regeneração ocorrer devido à pressão inferior à pressão de adsorção, ou um efeito de temperatura, quando a mesma ocorrer a uma temperatura superior à temperatura de adsorção. Deve-se notar que também pode haver um efeito de redução de pressão em uma unidade de TSA e que vários nomes podem ser usados nesse caso. Neste documento, o termo “TSA” é usado quando um efeito de temperatura for usado para regeneração, se houver ou não um efeito adicional ligado à pressão.

[0006] Convencionalmente, um ciclo de purificação de ar por processo de TSA inclui as seguintes etapas: - purificar o ar à pressão acima da atmosférica e temperatura ambiente, opcionalmente da ordem de 5 a 10 ºC, se meios de regeneração forem usados a montante da unidade, - despressurizar o adsorvedor à pressão atmosférica, - regenerar o adsorvente à pressão atmosférica, particularmente com o uso de nitrogênio impuro proveniente da unidade de separação de ar e aquecido a uma temperatura normalmente entre 90 e 250 ºC por meio de um trocador, geralmente um aquecedor elétrico ou um aquecedor a vapor, - resfriar o adsorvente à temperatura ambiente, particularmente continuando a introduzir, nele, o disto gás de refugo originário da unidade de separação de ar, mas não aquecido, - repressurizar o adsorvedor com ar atmosférico ou ar purificado, por exemplo, originário do adsorvedor que está na fase de produção.

[0007] Geralmente, usinas de pré-tratamento de ar compreendem dois adsorvedores que operam alternadamente, isto é, um dos adsorvedores está na fase de produção enquanto o outro está na fase de regeneração.

[0008] Etapas adicionais, além daquelas descritas acima, podem ser adicionadas, como uma etapa de colocar os dois adsorvedores em paralelo, de duração variável, isto é, de alguns segundos a diversos minutos, ou uma etapa de espera, sem a circulação de fluidos através do adsorvente, por exemplo, no fim da etapa de regeneração.

[0009] Visto que a pressão facilita a captura das impurezas, a unidade de purificação é geralmente instalada após a compressão, isto é, a uma pressão superior a 3 bar abs, frequentemente a uma pressão superior a 4,5 bar abs. Essa pressão depende do ciclo criogênico aplicado para a separação de ar.

[0010] O ciclo mais comumente usado é o ciclo de coluna dupla convencional, no qual o ar é comprimido a uma única pressão que corresponde, excluindo perdas de carga, à pressão operacional da chamada coluna de pressão média, isto é, muito geralmente entre 4,5 e 6 bar abs.

[0011] Existem ciclos criogênicos mais complexos nos quais o ar é usado em pressões tanto médias (MP, tipicamente 4,5 a 9 bar) quanto altas (HP, tipicamente 10 a 65 bar, ou até mesmo 90 bar). A pressão mais alta é obtida comprimindo-se a fração adequada do ar de pressão média novamente ou com o uso de dois compressores (MP, HP) que comprimem o ar atmosférico às pressões necessárias. É possível usa duas unidades de purificação, uma unidade de MP para a fração do ar diretamente usada nessa pressão e uma unidade de HP para a parte comprimida à alta pressão, a fim de minimizar o volume de adsorvente a ser usado. Essa solução é proposta no documento nº FR 2949846, com a primeira pressão entre 5 e 9 bar abs, ou mesmo entre 2 e 4 bar abs. Entretanto, por uma questão de simplicidade e geralmente devido a um menor investimento, a solução que consiste em purificar todo o ar à MP é normalmente aplicada. Um exemplo desse tipo de ciclo é descrito no documento nº EP O 789 208 B1, consultar, em particular,

a Figura 1 [Fig. 1], com uma pressão MP, após a primeira compressão, de 5 a 6 bar. Frações do ar purificado dessa forma são, então, reforçadas.

[0012] Será entendido que embora a pressão promova adsorção, a mesma requer, em troca, maior resistência mecânica do equipamento relacionada à purificação, em particular, dos invólucros dos adsorvedores. Diversos tipos de adsorvedor são usados para essa aplicação de purificação de ar: adsorvedor cilíndrico com um eixo geométrico vertical, adsorvedor cilíndrico com um eixo geométrico horizontal, adsorvedor radial. Será observado que todas as virolas usadas são cilíndricas. Isso se deve ao fato de que um cilindro é muito mais resistente à pressão interna do que superfícies planas.

[0013] Visto que a energia consumida para separação de ar está essencialmente ligada à energia necessária para comprimir o ar, as perdas de carga precisam ser minimizadas ao longo dos circuitos que têm uma influência sobre essa pressão, a fim de obter uma energia de separação específica ideal. As perdas de carga através da purificação do ar não são uma parte insignificante das irreversibilidades do processo. Portanto, tem havido uma tendência subjacente em desenvolver adsorvedores que têm uma interrupção mínima na circulação dos fluidos. O uso do adsorvente em uma camada fina e com uma grande área de fluxo é uma das soluções geralmente aplicadas, independentemente do tipo de adsorvedor, mas tal escolha tem desvantagens.

[0014] Conforme mostrado esquematicamente na Figura 1, tal disposição resulta em grandes volumes mortos em ambos os lados do volume do adsorvente. Os diagramas 1 A, Be C, respectivamente, mostram adsorvedores cilíndricos, com um eixo geométrico vertical e um eixo geométrico horizontal, e um adsorvedor radial. Quando os mesmos são usados em camadas finas, os volumes do adsorvente representam apenas uma fração do volume interno total do adsorvedor, geralmente inferior a 50%. Essa fração tende a diminuir quando o tamanho dos adsorvedores é aumentado. Parte desses volumes mortos é necessária para assegurar distribuição satisfatória do ar e gás de regeneração através do volume do adsorvente. Conforme mencionado no início do documento, busca-se uma purificação muito fina das várias impurezas para essa aplicação, em particular, para hidrocarbonetos, especialmente para propano, e óxidos de nitrogênio, geralmente bem abaixo de um ppm (parte por milhão). Isso resulta em grandes zonas de distribuição na entrada e na saída do adsorvedor, a fim de ter distribuição uniforme. Isso também requer tolerâncias de enchimento particularmente pequenas a fim de ter camadas adsorventes da mesma espessura e da mesma densidade (ou da mesma fração de espaço vazio), independentemente da trajetória dos fluidos através do adsorvente, a fim de evitar qualquer desvio de ar que poluiria a produção antes do fim da etapa de purificação.

[0015] Será observado que no caso de leitos radiais, devido ao uso de malhas cilíndricas concêntricas, espessuras de leito praticamente idênticas podem ser obtidas, dentro das tolerâncias de fabricação. Em contrapartida, no caso de adsorvedores cilíndricos com um eixo geométrico vertical ou horizontal, as superfícies livres precisam ser muito planas após o enchimento e é preciso assegurar que as mesmas permaneçam dessa forma durante a operação. Em áreas que podem exceder 10 m2, isso requer procedimentos e/ou dispositivos de instalação adequados.

[0016] Embora adsorvedores cilíndricos possam ser cheios de modo relativamente eficaz e uniforme devido a sua geometria, o mesmo não é sempre verdade para leitos radiais, para os quais geralmente é preciso usar equipamento desenvolvido especialmente para essa finalidade e/ou é preciso fornecer equipamento removível na parte superior.

[0017] Isso resulta em um investimento relativamente grande para essa purificação de pressão média, devido ao volume do invólucro, à espessura da parede e, quando é necessária boa distribuição dos fluidos através de leitos finos, à usina adequada que precisa ser fornecida. Portanto, têm havido vários desenvolvimentos a fim de tentar reduzir esses custos, em particular, propostas de uso de unidades de purificação à pressão atmosférica para substituir a purificação à MP ou pelo menos para reduzir o tamanho das mesmas.

[0018] Em particular, foram desenvolvidos sistemas com purificação de ar à pressão atmosférica total ou parcial situada na admissão do compressor de ar.

[0019] O documento nº US 2005/0217481 descreve tal sistema usando uma tecnologia possibilitada por baixa pressão, a saber, contatores adsorventes rotativos de baixa pressão. Diz-se que esse processo é adequado para purificação de ar antes da separação criogênica. Quando se busca uma pureza ultra-alta, três usinas em série precisam ser usadas.

[0020] Ainda usando tecnologia de contator adsorvente rotativo, prevê-se a colocação de um sistema rotativo em série, antes da compressão, destinado a remover a maior parte da umidificação, seguido por purificação convencional para remover as impurezas residuais. Pode-se fazer referência ao documento nº US 2017/0216760 que descreve tal sistema duplo, embora aplicado a um VPSA.

[0021] Deve-se notar que sistemas rotativos foram inicialmente desenvolvidos para remover parte da umidificação do ar à pressão atmosférica em um processo de condicionamento de ar, e não para purificação fina. Para essa última aplicação, os mesmos precisam ser adaptados aumentando-se a vedação, tanto entre fluidos como com o lado externo, e aumentando-se o número de estágios em série. Até onde se sabe, a produção industrial para a aplicação prevista ainda não ocorreu.

[0022] Quanto mais afastado da pressão atmosférica, esses problemas de vedação de sistemas rotativos são cada vez mais preocupantes.

[0023] Deve-se notar aqui que reduzir a pressão de adsorção de MP para a pressão atmosférica tem um impacto duplo ou até triplamente negativo. Para o mesmo teor, a quantidade adsorvida é substancialmente menor, e isso é particularmente verdadeiro para CO2, traços de hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. Isso leva a um primeiro aumento no volume do adsorvente. A quantidade de água a ser capturada no ar atmosférico é substancialmente maior que no ar de MP. Uma grande parte da água é removida na forma líquida na saída do pós-refrigerador do compressor de ar na solução de MP. Isso resulta em um aumento significativo no volume de dessecante. Entretanto, a adsorção dessa água também resulta no aquecimento do ar que circula através do adsorvente, reduzindo, novamente, a capacidade para adsorver CO?2 e outras impurezas.

[0024] Na prática, isso significa que soluções que consistem na realização de purificação de ar à pressão atmosférica não são inteiramente satisfatórias e são muito pouco usadas. As potenciais economias de material e tecnologia ligadas ao uso de baixa pressão são inteiramente neutralizadas pelas dificuldades que a baixa pressão provoca na captura de impurezas.

[0025] Portanto, foram propostas soluções híbridas, com purificação parcial à pressão atmosférica seguida por purificação final à pressão média. A unidade de purificação final é menor que uma solução convencional, mas ter que usar duas unidades neutraliza os benefícios que poderiam ser esperados de tal redução.

[0026] Em última análise, atualmente não há um processo de purificação que tenha capacidade para se beneficiar da tecnologia de baixa pressão e purificação à MP.

[0027] Uma solução da presente invenção é uma usina para separação de gás aéreo que compreende, na direção de circulação da corrente de ar: - um meio de compressão, C, que possibilita a compressão da corrente de ar a uma pressão P1 entre 1,15 bar abs e 2 bar abs, - uma unidade de TSA, A, e - uma unidade de destilação criogênica, D, - sendo que a unidade de adsorção compreende pelo menos dois adsorvedores, A1 e A2, em que cada um tem um invólucro paralelepipedal disposto horizontalmente e que compreende: - uma entrada e uma saída de corrente de ar, - duas massas adsorventes de leito fixo, cada uma também paralelepipedal, cujas faces são paralelas às faces do invólucro e - um conjunto de volumes que permite que a corrente de ar atravesse as duas massas adsorventes horizontalmente, em paralelo, através de todo o corte transversal de cada uma das massas adsorventes e ao longo de suas espessuras.

[0028] Doravante no presente documento, o comprimento do adsorvedor, A, será denotado como L, sua altura como H e sua largura como |. O corte transversal da massa adsorvente também tem um comprimento L e uma altura H.

[0029] A escolha da pressão P1 é fundamental no contexto da invenção. Essa pressão precisa ser suficientemente baixa para permitir a tecnologia de baixa pressão para os adsorvedores, isto é, na prática, invólucros de adsorvedor com superfícies planas e não invólucros cilíndricos, mas também ser substancialmente mais alta que a pressão atmosférica a fim de limitar os efeitos negativos listados acima. Uma pressão de 1,5 bar, por exemplo, possibilita o uso de adsorvedores paralelepipedais, opcionalmente com alguns reforços nas superfícies planas. A mesma também permite uma melhoria muito apreciável em comparação com uma solução à pressão atmosférica. As pressões parciais das impurezas aumentam em 50% e, visto que essas impurezas estão na forma de traços, a capacidade de adsorção dos adsorventes usados também aumenta, em 50% como uma aproximação inicial. A quantidade de água que pode ser introduzida é menor, e a elevação correspondente na temperatura é menor.

[0030] Para o mesmo tempo de adsorção, a purificação a 1,5 bar abs produz volumes significativamente maiores que a purificação à MP a 3 ou 4 bar, mas também é muito mais eficaz que a purificação à pressão atmosférica. O uso de tecnologia de baixa pressão para o invólucro pode, assim, inclinar a balança em favor da solução de acordo com a invenção.

[0031] A passagem através das massas adsorventes ocorre, de preferência, em direções opostas.

[0032] Aqui, leito fixo destina-se a significar que o adsorvente, na forma de partículas (esferas, bastões, grânulos, pastilhas, etc.) ou adsorvente estruturado, como, por exemplo, monolítico, é imóvel em um invólucro que também é imóvel. Isso exclui qualquer solução na qual o adsorvente seja móvel, em particular, qualquer sistema rotativo, como sistemas rotativos de contato ou de barril (processo no qual são os invólucros que contêm o adsorvente que são móveis).

[0033] Será observado que o formato paralelepipedal dos invólucros de adsorvedor A e B permite o enchimento denso e uniforme de cada adsorvedor sem ter que usar um sistema de enchimento complexo.

[0034] Dependendo do caso, a usina de acordo com a invenção pode ter um ou mais dentre os recursos abaixo: - a dita usina compreende, entre o meio de compressão C e a unidade de destilação criogênica D, uma única unidade de adsorção.

- o conjunto de volumes compreende: - uma parte interna que compreende: - um primeiro volume, V1, 7 para a introdução e distribuição ou recuperação de fluidos; - um segundo volume, V2, 8 e um terceiro volume, V3, 9, sendo que cada um compreende uma massa adsorvente e está situado em ambos os lados do primeiro volume Vi; e - uma parte livre que compreende dois volumes, V4 e V5, 11 para a introdução e distribuição ou recuperação de fluidos localizados em ambos os lados da parte interna e entre a parte interna e o invólucro de adsorvedor; - com a parte interna disposta simetricamente em relação ao plano médio do invólucro de adsorvedor.

- o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 compreende, cada um, pelo menos dois subvolumes adjacentes que compreendem adsorventes diferentes, com todos os adsorventes dispostos simetricamente em relação ao plano médio do adsorvedor.

- o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável à parede superior e à parede inferior do invólucro de adsorvedor.

- a parte interna tem uma extremidade inferior sólida e/ou uma extremidade superior sólida, e o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável à parede superior do invólucro de adsorvedor ou à extremidade superior sólida e à parede inferior do invólucro de adsorvedor ou à extremidade inferior sólida.

- o conjunto de volumes compreende, entre a parede inferior do invólucro de adsorvedor e a extremidade inferior sólida, um espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

- o conjunto de volumes compreende, entre a parede superior do invólucro de adsorvedor e a extremidade superior sólida, um espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

- o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável a pelo menos uma parede lateral do invólucro de adsorvedor.

- o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável a pelo menos uma placa sólida paralela a uma parede lateral do invólucro de adsorvedor.

- o conjunto de volumes compreende, entre a placa sólida e uma parede lateral do invólucro de adsorvedor, um espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

- o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 compreendem, cada um, uma pluralidade N (N entre 1 e 4, de preferência, N = 2) de subvolumes adjacentes, e cada um desses volumes pode conter um adsorvente diferente, sendo que todos esses adsorventes são dispostos simetricamente em relação ao plano médio do adsorvedor; de preferência, esses adsorventes diferentes serão separados por paredes verticais permeáveis a fluidos. Essas paredes verticais podem, então, conforme mencionado acima, ser fixadas de modo vedável à parede superior do invólucro de adsorvedor ou à extremidade superior sólida e à parede inferior do invólucro de adsorvedor ou à extremidade inferior sólida.

- o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 compreendem, ao longo de todo o comprimento de sua extremidade superior, um sistema adequado para impedir potencial poluição local do ar purificado.

- o primeiro volume V1 e os dois volumes V4 e V5 têm meios que possibilitam a introdução e a extração dos diferentes fluidos que circulam no adsorvedor; de preferência, esses meios de introdução e extração de fluidos estão em uma única face do invólucro de adsorvedor paralelepipedal.

[0035] A presente invenção também se refere a um processo para a separação de gás aéreo de uma corrente de ar que contém pelo menos uma impureza selecionada dentre vapor d'água, dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos com o uso de uma usina, conforme definido acima, e que compreende as seguintes etapas sucessivas: a) comprimir (1) a corrente de ar a uma pressão P1 entre 1,15 bar abs e 2 bar abs, b) purificar a corrente de ar comprimida, por adsorção, com o uso da unidade de TSA (2) de modo a remover pelo menos uma impureza contida na corrente de ar e c) separar os constituintes da corrente de ar, por destilação criogênica, com o uso da unidade (3),

com a totalidade da etapa b) realizada na pressão P1.

[0036] Conforme adequado, o processo de acordo com a invenção pode ter um ou mais dentre os seguintes recursos: - a pressão P1 está entre 1,15 bar abs e 1,5 bar abs, de preferência, entre 1,20 bar abs e 1,30 bar abs.

- O processo usa uma usina que compreende um conjunto de volumes com a parte interna e a parte livre conforme definido acima e, na etapa b), a corrente de ar é introduzida nos dois volumes V4 e V5 e a corrente de ar purificada é retirada do volume V1.

- O processo usa uma usina que compreende um conjunto de volumes com uma parte interna que compreende uma extremidade superior ou inferior, um espaço entre a extremidade e o invólucro e a parte livre, sendo que essas partes são conforme definido acima e, na etapa b), a corrente de ar é introduzida no espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5 e a corrente de ar purificada é retirada do volume V1.

- O processo usa uma usina que compreende um conjunto de volumes com a parte interna e a parte livre conforme definido acima e compreende uma etapa d) de regenerar a unidade de TSA 2 na qual o gás é introduzido no volume V1 e, então, retirado dos dois volumes V4 e V5.

- O processo usa uma usina que compreende um conjunto de volumes com uma parte interna que compreende uma extremidade superior ou inferior, um espaço entre a extremidade e o invólucro e uma parte livre, sendo que essas partes são conforme definido acima, e compreende uma etapa d) de regenerar a unidade de TSA 2 na qual o gás é introduzido no volume V1 e, então, retirado do espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

[0037] A Figura 2 [Fig. 2] é uma representação esquemática da parte quente da unidade de separação de ar. O ar atmosférico 10 que contém os vários poluentes a serem removidos é comprimido por meio do compressor C à pressão P1, da ordem de 1,5 bar abs, e esse ar comprimido 11 é introduzido em um dos adsorvedores do TSA (Al ou A2). Após a purificação, esse ar purificado 12 é enviado para a parte a jusante da unidade, que compreende, em particular, a unidade de fracionamento criogênico D. O gás de regeneração 14 tem origem nessa unidade de fracionamento. O mesmo é geralmente nitrogênio impuro (isto é, contendo argônio e oxigênio) à baixa pressão, próximo à pressão atmosférica. Esse gás - ou uma fração desse gás - é aquecido com o uso de um ou mais more trocadores de calor (vapor, elétrico, por recuperação de calor de outros fluidos, etc.) durante a etapa de aquecimento e é, então, usado para resfriar o adsorvedor. A emissão 13, geralmente oxigênio impuro (90-98%) no caso em consideração, é enviada para uma unidade a jusante, não mostrada.

[0038] Aqui, leito fixo destina-se a significar que o adsorvente, na forma de partículas (esferas, bastões, grânulos, pastilhas, etc.) ou adsorvente estruturado, como, por exemplo, monolítico, é imóvel em um invólucro que também é imóvel. Isso exclui qualquer solução na qual o adsorvente seja móvel, em particular, qualquer sistema rotativo, como sistemas rotativos de contato ou de barril (processo no qual são os invólucros que contêm o adsorvente que são móveis).

[0039] Um outro ponto essencial de acordo com a invenção é que os fluidos circulam horizontalmente através da massa adsorvente. À massa pode, assim, ser retida entre duas paredes verticais permeáveis a gás para as quais as tolerâncias de espaçamento podem ser muito pequenas. Espessuras de leito muito finas e muito uniformes podem, assim, ser obtidas.

Conforme já indicado, é praticamente impossível alcançar esse nível de precisão com um leito adsorvente plano que tem uma grande superfície livre.

[0040] De modo semelhante, com essa configuração geométrica, pode ser fácil obter enchimento denso e uniforme do adsorvedor sem ter que usar um sistema de enchimento complexo.

[0041] Também será notado que nesse caso, a circulação de gás nas zonas de entrada/saída pode igualmente ser vertical, horizontal ou mesmo mais complexa, por exemplo, com múltiplos pontos de entrada. Em qualquer caso, após a distribuição, a circulação é necessariamente horizontal através das camadas adsorventes. Devido ao projeto do adsorvedor, as direções de circulação nos volumes livres e através da massa adsorvente são completamente independentes.

[0042] A Figura 3 [Fig. 3] ilustra um exemplo de uma disposição do conjunto de volumes usado na usina de acordo com a invenção. O invólucro de adsorvedor externo 1 é mostrado em linhas finas, enquanto a parte interna do conjunto de volumes (parte interna) 2 é arbitrariamente mostrada em linhas espessas. O invólucro de adsorvedor é essencialmente paralelepipedal. “Essencialmente paralelepipedal” destina-se a significar que, na prática, o invólucro de adsorvedor e a parte interna têm seis faces planas e têm a aparência de um paralelepípedo com faces em ângulos retos, mas que pode haver reforços, localmente pelo menos uma camada de isolamento interna ou externa e, obviamente, tubos ou caixas para introduzir e retirar ar e gás de regeneração. O adsorvedor é colocado plano no solo em sua posição operacional, e o comprimento do mesmo é denotado como L, a largura | e a altura H. No contexto da invenção, não é importante se essas dimensões são externas ou internas.

[0043] Cada um dos paralelepípedos usados é, portanto, definido por suas três dimensões, a saber, H*L*| para o invólucro de adsorvedor externo e H'*L'*I para a parte interna. As faces horizontais, piso e teto, são, portanto, identificadas por suas dimensões L*| e L"*I' (referência numérica 3, por exemplo,). As faces verticais maiores são respectivamente identificadas como H*L e H'*L' (referência numérica 4, por exemplo,). Para a parte interna, essas faces H'*L' são permeáveis a fluidos (referência numérica 5, por exemplo,). As outras faces verticais menores são, então, denotadas H*| e H'*I' (referência numérica 6, por exemplo,).

[0044] O paralelepípedo H'*L'*I' que forma a parte interna é, em si, dividido em três subvolumes, todos paralelepipedais. O volume central, V1,7 é um volume livre adequado para a circulação dos fluidos. Em ambos os lados de Vi estão as massas adsorventes alojadas nos dois paralelepípedos, V2 e V3, 8 e 9. A parte interna é simétrica em relação ao seu plano médio vertical, que é mostrado esquematicamente à direita do esboço do adsorvedor e tem a referência numérica 10. Esse plano médio 10 é também o plano médio do invólucro de adsorvedor. O adsorvedor como um todo, portanto, tem um plano de simetria 10. Como resultado, cada uma das massas adsorventes tratará 50% do fluxo de ar e será regenerada em 50% do fluxo de gás de regeneração. Todos os fluidos circulam horizontalmente através do adsorvente por meio das faces H'*L', que são as únicas faces permeáveis. Essa circulação ocorre a partir do volume livre central V1 da parte interna em direção aos volumes livres V4 e V5 do invólucro (referência numérica 11, por exemplo,) e vice-versa.

[0045] Na disposição aplicada na Figura 3, a parte interna tem o mesmo comprimento que o invólucro (L'=L), mas altura inferior (H'<H). À face superior da dita parte interna é contígua à face superior do invólucro,

isto é, as mesmas têm um teto comum. Há, portanto, um espaço entre o piso da parte interna e o piso do invólucro que coloca os volumes V4 e V5 em comunicação fluida, sendo que essa montagem, então, forma o volume livre do invólucro. Essa é uma das possíveis configurações entre o invólucro e a parte interna. Outras opções serão descritas abaixo. Portanto, a Figura 3 é meramente um exemplo não limitador da possível configuração do adsorvedor de acordo com a invenção, selecionado para explicar o princípio da modalidade.

[0046] De acordo com uma variante preferencial, os volumes V2 e V3 da parte interna incluem, cada um, uma pluralidade N (N entre 1 e 4, de preferência, N=2) de subvolumes adjacentes, e cada um desses volumes pode conter um adsorvente com uma propriedade diferente, sendo que todos esses adsorventes são dispostos simetricamente em relação ao plano médio do adsorvedor. De modo geral, os diferentes adsorventes são separados por paredes verticais permeáveis a fluidos (H'*L') que os retêm e impendem que se misturem. Entretanto, será observado que é possível colocar os diferentes adsorventes no lugar com uma parede móvel que é gradualmente elevada durante o enchimento e que é, conforme adequado, removida ou deixada no lugar no final.

[0047] No contexto da invenção, por exemplo, serão usados um primeiro adsorvente que é adequado para remover a maior parte da água e, opcionalmente, parte do CO2 (alumina ativada, gel de sílica, alumina dopada, etc.) e um segundo adsorvente adequado para remover o CO2 remanescente, os óxidos de nitrogênio e certos hidrocarbonetos (zeólitos X, de preferência, trocados particularmente por cálcio e/ou bário). Um único leito (alumina dopada, zeólito x) ou três leitos sucessivos (por exemplo, alumina, zeólito x, zeólito trocado) podem igualmente ser usados.

[0048] Em uma primeira configuração, mostrada esquematicamente no corte transversal 4 A na Figura 4 [Fig. 4] (que é uma vista lateral do adsorvedor cortado verticalmente no meio), o adsorvedor é produzido de modo que as paredes verticais (H"*L'), em relação aos volumes do adsorvente, sejam fixadas de modo vedável, no tope e no fundo, à parede superior e à parede inferior do invólucro de adsorvedor, respectivamente. Essa configuração é simples e confere rigidez à montagem, mas deve-se verificar se as condições operacionais resultam em excesso de estresse mecânico. Isso dependerá dos materiais usados, do tipo de fixação entre as paredes e da temperatura usada durante a regeneração. Essa temperatura depende dos adsorventes usados, do fluxo de regeneração disponível e do teor de impureza residual no adsorvente selecionado para o projeto. Com uma temperatura de regeneração de 60 a 90 ºC, por exemplo, tal configuração pode ser possível. A mesma será menos fácil implementar com temperaturas de 150 a 250 “ºC.

[0049] Será observado que um único leito de adsorvente foi mostrado por uma questão de simplicidade. Na maioria dos casos, haverá uma parede permeável intermediária em cada lado, adequada para separar dois adsorventes diferentes.

[0050] Para qualquer problema ligado à temperatura, pode ser necessário fornecer um grau de liberdade para permitir movimentos verticais das paredes verticais permeáveis que retêm os adsorventes.

[0051] De acordo com outras modalidades, o adsorvedor é, assim, produzido de modo que as paredes verticais (H"*L') dos volumes do adsorvente sejam fixadas de modo vedável, no topo, à parede superior do invólucro de adsorvedor e, no fundo, a uma extremidade sólida - ou piso -

que vai da parede externa de um volume do adsorvente até a parede externa do outro volume, conforme mostrado no corte transversal 4 B.

[0052] Pode, então, ser observado que há um espaço entre a dita extremidade sólida e a parede inferior do invólucro de adsorvedor que forma um volume livre adicional em comunicação fluida com os dois volumes livres laterais (V4 e V5) e que contribui para a formação do volume livre do adsorvedor.

[0053] Em uma configuração inversa (corte transversal 4 C), as paredes verticais (H'*L') dos volumes do adsorvente são fixadas de modo vedável, no topo, a uma extremidade sólida - ou teto - que vai da parede externa de um volume do adsorvente até a parede externa do outro volume e, no fundo, à parede inferior do invólucro de adsorvedor, e há, então, um espaço entre o dito teto e a parede superior do invólucro de adsorvedor que forma um volume livre adicional V2d em comunicação fluida com os dois volumes livres laterais (V4 e V5) e que contribui para a formação do volume livre do adsorvedor.

[0054] Por fim, de acordo com uma outra modalidade (4 D), as paredes verticais (H'"*L') dos volumes do adsorvente são fixadas de modo vedável, no topo e no fundo, às extremidades sólidas - teto e piso, respectivamente - que vai da parede externa de um volume do adsorvente até a parede externa do outro volume e, no fundo, à parede inferior do invólucro de adsorvedor. Nesse caso, há um espaço entre o dito teto e a parede superior do invólucro de adsorvedor e entre o dito piso e a parede inferior desse mesmo invólucro que forma um volume livre adicional em comunicação fluida com os dois volumes livres laterais (V4 e V5) e que contribui para a formação do volume livre do adsorvedor.

[0055] A resistência mecânica da parte interna no invólucro pode ser melhorada por suportes, por exemplo, na parte inferior, ou sistemas de suspensão, por exemplo, na parte superior. Esses meios de retenção podem ter uma certa flexibilidade a fim de acompanhar quaisquer movimentos ligados à expansão e contração térmicas mencionadas acima. Os ditos meios podem, de preferência, ser distintos, ou pelo menos descontínuos, e não impedem que fluidos passem de uma zona para outra.

[0056] De modo semelhante, há diferentes configurações em relação às paredes laterais (H"*I') da parte interna.

[0057] De acordo com uma primeira modalidade, pelo menos em um lado, as extremidades laterais das paredes verticais dos volumes do adsorvente são fixadas de modo vedável ao longo de toda sua altura (H') às paredes laterais (H*1) do invólucro de adsorvedor.

[0058] De acordo com uma segunda modalidade, pelo menos em um lado, as extremidades laterais das paredes verticais dos volumes do adsorvente são fixadas de modo vedável ao longo de toda sua altura (H') a uma placa sólida (H'*I').

[0059] Uma série de cortes transversais longitudinais é mostrada esquematicamente na Figura 5 [Fig. 5]. Presume-se que a parte interna, mostrada arbitrariamente em linhas espessas, seja fixada ao invólucro por sua parte superior, mas tenha seu próprio piso. O corte transversal 5 A mostra uma parte interna em contiguidade com o invólucro por seus dois lados laterais 5 B, por um único lado, sendo que o outro é fechado por uma extremidade plana, e 5 C, sendo que uma parte interna que tem suas próprias duas extremidades.

[0060] Conforme mencionado acima, há um espaço entre cada placa sólida fixada à parte interna e a parede lateral adjacente do invólucro de adsorvedor que forma um volume livre adicional em comunicação fluida com os dois volumes livres laterais (V4 e V5) e que contribui para a formação do volume livre do adsorvedor.

[0061] Esses volumes livres permitem que os fluidos circulem e promovam um bom equilíbrio entre os fluxos que seguem para cada uma das duas massas adsorventes. Além disso, esses volumes livres podem possibilitar um alojamento muito eficaz para sistemas de distribuição, permitindo distribuição quase perfeita de todas as correntes através dos adsorventes. Um exemplo desse tipo de dispositivo será fornecido abaixo.

[0062] De acordo com uma variante preferencial, os volumes V2 e V3 que contêm a massa adsorvente incluem, ao longo de todo o comprimento de sua extremidade superior, um sistema adequado para evitar a potencial poluição local do ar purificado ligada a um desvio, ou a um fluxo excessivo local ou a uma falha de regeneração.

[0063] À medida em que os fluidos circulam horizontalmente nos adsorvedores, experimenta-se algumas restrições específicas aos adsorvedores radiais e, em particular, a necessidade de evitar o avanço prematuro das impurezas na parte superior do adsorvedor. O dito avanço pode ter origem em um desvio ou um excesso de fluxo de ar local e/ou uma falha de regeneração.

[0064] O desvio pode ter origem na compactação do adsorvente. Esses problemas são bem conhecidos por uma pessoa versada na técnica, e soluções desenvolvidas anteriormente podem ser aplicadas aqui. Em particular, devido a sua geometria, o uso de um adsorvedor paralelepipedal simplifica a implementação das soluções concebidas para leitos radiais (zona morta cheia a uma altura suficiente com adsorvente, sistema equivalente aos cones, etc.). Novamente, deve-se notar que o enchimento também é simplificado e que, aqui, é fácil obter enchimento denso e uniforme por aspersão, limitando tanto a compactação como o risco de densidade irregular nos leitos. Devido à geometria simples, um balão pode, por exemplo, ser usado, inflado a uma pressão maior que P1, formando uma vedação acima da superfície livre dos adsorventes. Uma membrana pode também ser aplicada permanentemente à superfície livre dos adsorventes por meio de uma ligeira sobrepressão em relação à pressão operacional. Essa sobrepressão pode ter origem em um fluido, por exemplo, ar de instrumento, ou um material pesado. Novamente, as soluções desenvolvidas para os adsorvedores radiais de unidades para a produção de oxigênio por adsorção, que são descritas na literatura ou em patentes depositadas, precisam ser adaptadas. Uma dessa soluções é descrita com mais detalhes no exemplo fornecido no final deste documento.

[0065] Visto que a implementação de sistemas de vedação na parte superior e o enchimento são simplificados, o uso de adsorventes em sua forma mais comum, a saber, bastões, esferas, material triturado, péletes e, mais geralmente, partículas, será, de preferência, aplicado. Deve-se, entretanto, notar que a geometria dos leitos paralelepipedais é particularmente bem adequada ao uso de monólitos na forma de blocos. Embora essa solução não pareça técnica e economicamente benéfica atualmente, a mesma poderia vantajosamente ser usada no futuro.

[0066] Atualmente, pelo menos um e, de preferência, todos os adsorventes usados no processo estarão sob a forma de partículas.

[0067] Dada a geometria adotada para o adsorvedor, o processo de acordo com a invenção ocorrerá de modo que tanto o volume central V1 da parte interna como o volume livre do invólucro tenham meios para possibilitar a introdução e extração dos diferentes fluidos que circulam no adsorvedor (ar a ser purificado, ar tratado destinado à unidade de separação criogênica, gás de regeneração de origem na dita unidade, geralmente, nitrogênio de baixa pressão).

[0068] Mais especificamente, a disposição da parte interna no invólucro com suas extremidades planas opcionais e do modelo dos meios que possibilitam a introdução e extração dos diferentes fluidos que circulam no adsorvedor requer que os ditos fluidos circulem apenas horizontalmente através das massas adsorventes entre a entrada e a saída do dito adsorvedor.

[0069] Como em todos os adsorvedores destinados a remover quase todas as impurezas de um fluido, precisa-se assegurar que as conexões entre elementos sejam à prova de fluidos aplicando-se as tecnologias adequadas (soldagem, flanges, gaxetas, etc.).

[0070] De acordo com uma disposição preferencial, o ar a ser tratado entra por meio dos volumes V4 e V5, e o ar purificado sai por meio do volume V1 e, como resultado, o gás de regeneração entra por meio do volume V1 e sai por meio dos volumes V4 e V5. O benefício dessa disposição provém do processo de TSA, conforme atualmente implementado, pelo menos nas unidades de purificação de ar a montante das unidades de separação criogênica. Sem desejar entrar em detalhes aqui, deve-se saber que nesse tipo de unidade, durante a regeneração, é usual inserir apenas a quantidade de calor estritamente necessária para a dessorção das impurezas, de modo que a frente de calor não saia do adsorvente. Por exemplo, pode-se fazer referência, nesse sentido, ao documento nº EP 1 080 773, para uma explicação mais abrangente do controle do tempo de aquecimento. Isso significa que todo (ou quase todo) o invólucro externo permanece a uma temperatura próxima àquela do ar entrante, e a frente de calor atravessa a parte interna. Nas configurações em que uma face da parte interna é contígua à parede do invólucro ou está muito próxima à mesma, pode ser benéfico usar meios de isolamento a fim de limitar as transferências e calor. Esses meios poderiam estar no lado da parte interna, e/ou no lado do invólucro e/ou, opcionalmente, entre a parte interna e o invólucro. Tal isolamento não será sempre necessário, em particular, se houver um fluxo de gás de regeneração significativo. Nesse caso, uma temperatura de regeneração substancialmente inferior a 100 ºC é aceitável, da ordem de 50 a 80 *C. Nesse caso, as perdas de calor serão naturalmente baixas, e os estresses térmicos ligados à expansão serão limitados. Em contrapartida, o uso de temperaturas de regeneração de 150 ºC e mais exigirá um exame mais detalhado dos estresses resultantes. Dependendo da localização da entrada para o ar a ser purificado e, em particular, se o mesmo tiver sido substancialmente resfriado a fim de facilitar a adsorção das impurezas, algumas partes do adsorvedor poderiam, opcionalmente, ser isoladas a fim de manter essa vantagem.

[0071] De acordo com uma modalidade preferencial, o volume central V1 da parte interna compreende um filtro que possibilita o tratamento do ar purificado antes do envio para a unidade de separação criogênica. Esse filtro possibilita a remoção de qualquer poeira gerada pelo adsorvente (ou adsorventes). Esse filtro será, de preferência, autolimpante, isto é, o gás de regeneração o atravessará em contracorrente e desobstruirá qualquer poeira capturada durante a etapa anterior. Há, então, geralmente uma válvula de purga no ponto baixo que possibilita a descarga da dita poeira periodicamente. Esse filtto pode ser produzido de várias formas. Considerando-se a disposição na Figura 5 B, a Figura 6 [Fig. 6] mostra algumas dessas opções. Há cortes transversais ao longo do plano de simetria médio do adsorvedor. A referência numérica (20) corresponde ao invólucro, (21) à parte interna, (22) ao tubo de saída de ar purificado e entrada de gás de regeneração, (23) à parte desse tubo que atravessa de modo vedado o volume livre do invólucro, (24) à parte desse tubo pertencente à parte interna e (25) à zona de filtração (ou zonas de filtração).

[0072] O tubo e o filtro são mostrados em linhas espessas. O corte transversal do tubo pode ter qualquer formato (circular, triangular, retangular, etc.).

[0073] Na Figura 6 A, encontra-se o próprio tubo que atravessa o volume livre V1 (26) que atua como um filtro. Nessa zona, o mesmo é, por exemplo, perfurado e circundado por um tecido que permite a filtração a 50 mícrons. O mesmo pode também ser um filtro comercial fixado na extensão do tubo que, então, para quando emerge no volume V1. O tubo, ou o filtro comercial, pode ter um elemento de embalagem interno afunilado a fim de melhorar a distribuição dos fluidos ao longo de todo o seu comprimento.

[0074] No caso mostrado na Figura 6 B, uma pluralidade de filtros comerciais (25) fixados ao tubo (24) é usada. Isso pode possibilitar o melhoramento da distribuição dos fluidos através das massas adsorventes, distribuindo-se os pontos de injeção de fluido no volume livre V1. Por fim, na Figura 6 C, um sistema de distribuição de fluido eficaz é associado à filtração. Será observado que tal sistema de distribuição pode ser instalado independentemente da função de filtração. Pode haver duas paredes perfuradas instaladas em ambos os lados do plano médio vertical, no volume livre V1 e a uma certa distância das paredes permeáveis que retêm o adsorvente. Criando-se uma perda de calor adicional, esse sistema pode permitir distribuição quase perfeita do gás nas massas adsorventes.

[0075] EM uma configuração preferencial, os meios para introduzir os fluidos nos volumes V1, V4 e V5 e extrair dos mesmos estão em uma única face (H*I) do invólucro de adsorvedor paralelepipedal. Isso possibilita o agrupamento de todas as entradas e saídas do adsorvedor a fim de facilitar as conexões com equipamentos externos ao próprio adsorvedor (válvulas, trocador, etc.).

[0076] A Figura 7 [Fig. 7] mostra tal modelo. A disposição na Figura 5 B é aplicada novamente, a saber, uma parte interna em contiguidade com o invólucro por sua face superior e um lado, sendo que um simples tubo entra no volume livre V1 conforme mostrado na Figura 6 A. As mesmas referências numéricas que nesse corte transversal são usadas. Na Figura 7 A, que é um corte transversal ao longo do plano médio vertical do adsorvedor, o ar a ser purificado chega através do tubo 27 e entra no invólucro de adsorvedor. A extremidade 28 da parte interna atua como um defletor e distribui a corrente de ar no volume livre 29 entre a parede do invólucro e a dita extremidade. A Figura 7 B é uma vista superior esquemática que ilustra a circulação do ar no adsorvedor. Após a circulação no volume livre 29, o ar entra nos dois volumes livres V4 e V5, identificados pela referência numérica 30, atravessa as paredes permeáveis que retêm o adsorvente, então, as Massas adsorventes, retorna através das paredes permeáveis centrais, entra no tubo de descarga e sai do adsorvedor 22.

[0077] As unidades de purificação de TSA mais convencionais incluem dois adsorvedores idênticos, sendo que um está na fase de produção enquanto o segundo está na fase de regeneração. Os vários fluxos são, então, orientados e extraídos dos adsorvedores por um conjunto de válvulas que possibilita a realização do ciclo de purificação de acordo com o processo usado. Todos esses elementos são conectados por tubos. As válvulas, os tubos e outros equipamentos auxiliares, como instrumentação, cabos de conexão, entrada de ar de instrumento, etc. são frequentemente sustentados por uma única estrutura geralmente conhecida como uma “plataforma de válvula”.

[0078] De acordo com a invenção, a unidade de TSA implementada compreende, em ambos os lados de uma zona central, dois adsorvedores, conforme descrito acima, instalados simetricamente, com suas entradas/saídas voltadas para a zona central, e a dita zona central compreende meios para distribuir ou recuperar os vários fluxos do processo, como válvulas, tubos, etc., isto é, essa zona central corresponde ao que foi nomeado a plataforma de válvula.

[0079] Em uma modalidade variante preferencial, os dois adsorvedores e a plataforma de válvula da zona central são alinhados e formam um único grande paralelepípedo com uma altura Ht e uma largura |t, e cujo comprimento Lt é igual à soma dos comprimentos dos dois adsorvedores e do comprimento da zona central.

[0080] Mais especificamente, prevê-se que a altura Ht desse grande paralelepípedo seja essencialmente igual à altura H de um adsorvedor e que a sua largura lt seja essencialmente igual à largura | de um adsorvedor. Como resultado, obtém-se uma unidade compacta que pode formar um todo e cujos benefícios completos serão revelados abaixo. À Figura 8 [Fig. 8] mostra, em linhas espessas, o grande paralelepípedo 40 correspondente à unidade de purificação completa e que compreende um primeiro adsorvedor 41, conforme descrito acima, com suas entradas e saídas através de sua face lateral 44. No lado oposto está o segundo adsorvedor 42, produzido simetricamente com o primeiro, e cujas entradas e saídas estão, portanto, através de sua face lateral identificada pela referência numérica 45. A parte central 43 corresponde à plataforma de válvula, cuja função foi explicada acima.

[0081] Em uma modalidade preferencial adicional, a parte central também contém o aquecedor de regeneração. De acordo com o método aplicado para purificação, a dita parte central pode também alojar o pós-refrigerador do ar a ser purificado e um vaso separados para separar e, então, remover os condensados, de modo que todo o equipamento correspondente à função de “purificação de ar” esteja no grande paralelepípedo.

[0082] O benefício de produzir uma unidade de purificação de ar, conforme descrito acima, se refere à possibilidade de ter pelo menos uma base comum para as diferentes partes (os dois adsorvedores e a plataforma de válvula) e ter capacidade para transportá-las como um todo após a construção em uma oficina, por exemplo. Para essa finalidade, e dependendo do tamanho da unidade de separação de ar associada, o paralelepípedo, portanto, que compreende os adsorvedores e a zona central tem um comprimento entre 3 e 12 metros, uma altura H entre 1 e 3 metros e uma largura | entre 1 e 3 metros.

[0083] Devido a suas dimensões, o TSA pode ter os seguintes recursos adicionais: - o paralelepípedo que compreende os dois adsorvedores e a zona central está contido em uma estrutura de acordo com os padrões ISO relacionados a recipientes e também incluindo os sistemas de manuseio de acordo com esses padrões ISO (frequentemente denominados “cantos ISO”). O TSA está, então, em uma estrutura específica a ser produzida em uma oficina, que pode opcionalmente usar parte de um recipiente ISO padrão. O benefício de estar em conformidade com as normas ISO é que geralmente facilita o manuseio e o transporte. Quaisquer reforços que tornem a montagem mecanicamente resistente à pressão estarão contidos nas dimensões padrão dos recipientes.

- o paralelepípedo que compreende os dois adsorvedores e a zona central está contido em um recipiente ISO.

- pelo menos parte da estrutura do recipiente atua diretamente como uma estrutura para os adsorvedores e/ou a zona central.

[0084] A estrutura externa do TSA é, então, um recipiente real. Pelo menos uma das paredes do recipiente (parede lateral, inferior ou superior) pode atuar diretamente como uma parede para o invólucro de adsorvedor externo. De preferência, diversas paredes do recipiente são usadas dessa forma.

[0085] Dadas as baixas pressões no desempenho da purificação e, em alguns casos, as temperaturas que permanecem próximas à temperatura ambiente, uma variedade de materiais pode ser usada para o TSA. Os mesmos serão principalmente materiais metálicos (aço carbono, aço inoxidável, alumínio, etc.) e/ou materiais poliméricos. Em algumas partes, materiais de baixa expansão térmica, como Invar, podem ser usados. A construção ocorrerá inteiramente na oficina, sendo que apenas as conexões dos diferentes fluidos são feitas no local. O enchimento de adsorvente ocorrerá, de preferência, também na oficina.

[0086] A invenção será agora ilustrada com o uso do exemplo abaixo.

[0087] O mesmo se refere a uma unidade de produção de oxigênio que produz na ordem de 100 t/d (toneladas/dia), para a qual uma taxa de fluxo de ar de 15000 Nm3/h é usada. A pressão P1 quando sair do primeiro estágio de compressão é de 1,3 bar abs. Esse ar é resfriado a 3 ºC por meio de uma unidade de refrigeração a fim de limitar a quantidade de vapor d'água transportado para a purificação e a fim de reduzir a temperatura de adsorção.

Aqui, essa temperatura está na faixa baixa dos níveis de temperatura usados.

A mesma foi selecionada principalmente devido ao baixo valor de P1. Temperaturas de 5 a 8 ºC, ou até mais, poderiam ser adotadas, particularmente se a pressão P1 for ligeiramente mais alta.

À decisão final se baseia em uma análise de custos geral.

O tempo de adsorção aplicado é de 150 minutos, resultando em um tempo de ciclo de 5 horas, dado que a unidade de purificação normalmente compreende dois adsorvedores, em que um está na produção, enquanto o outro está na regeneração.

Aqui, esses tempos convencionais poderiam ser reduzidos.

O processo criogênico aplicado resulta na disponibilidade de um fluxo de gás de refugo significativo que pode ser usado para regeneração, que potencialmente possibilitaria o encurtamento dos tempos usuais de aquecimento e resfriamento.

Além disso, as etapas de despressurização e repressurização são quase desnecessárias, dadas as respectivas pressões de produção (1,3 bar abs) e regeneração (1,03 bar abs). Entretanto, a pequena espessura dos leitos de alumina ativada e zeólito, da ordem de 0,25 m, não resultou no avanço de possíveis otimizações.

Os tempos de produção de 120, 90 ou mesmo 60 minutos podem ser considerados com ar a ser purificado opcionalmente introduzido a uma temperatura superior aos 3 ºC aplicados nesse exemplo.

Dada a grande quantidade de energia envolvida nas perdas de carga à baixa pressão, a instalação de um elemento para regular a taxa de fluxo de regeneração com base na otimização da perda de carga ao longo da dita etapa pode ser considerada.

Em outras palavras, mais fluxo é obtido quando o adsorvedor está relativamente frio, por exemplo, no início do aquecimento e no final do resfriamento, e menos fluxo é obtido quando, em contrapartida, o mesmo está, em média, mais quente. De uma maneira mais simples, podem ser impostas uma primeira taxa de fluxo de aquecimento e uma segunda taxa de fluxo de aquecimento durante o resfriamento ou, de uma maneira ligeiramente mais complexa, o tempo de regeneração pode ser dividido em três ou quatro etapas, por exemplo, com mudanças na taxa de fluxo (início do aquecimento/aquecimento-início do resfriamento/fim do resfriamento).

[0088] O volume total do adsorvente é da ordem de 6 m3 dividido praticamente no meio entre alumina ativada e zeólito X trocado por cálcio e bário, um adsorvente particularmente eficaz para capturar traços de hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio.

[0089] De acordo com a invenção, cada adsorvedor é paralelepipedal, com um comprimento L igual a aproximadamente 3 m, uma altura H igual a aproximadamente 3 m e uma largura | igual a aproximadamente 2,00 m. A Figura 9 [Fig. 9] mostra um corte transversal em perspectiva do dito adsorvedor. No centro está o volume VO adequado para a distribuição dos fluidos 50 com o tubo de saída de ar purificado e de entrada de gás de regeneração 51. A parte inferior desse tubo, que atravessa o adsorvedor, é aberta e se comunica com o filtro 52. Esse filtro também atua como um divisor de fluxo. Em ambos os lados do filtro está a primeira parede permeável 53 que retém o leito de zeólito. O leito de zeólito 54 tem aproximadamente 0,25 m de profundidade (largura). O mesmo é separado da alumina ativada por uma segunda parede permeável 55. O leito de alumina 56 tem aproximadamente 0,25 m de largura. O mesmo é retido pela última parede permeável 57, que o separa do volume livre do invólucro.

[0090] A altura de trabalho do adsorvente é de 2,1 m. Um sistema antipoluição 58 é fornecido na parte superior com uma reserva de adsorvente 59, a fim de compensar a compactação, e uma série de tubos 60 para encher os volumes do adsorvente com alumina ativada e zeólito, respectivamente. O sistema antipoluição aplicado aqui é transposto diretamente de soluções desenvolvidas para adsorvedores radiais. Sem entrar em detalhes, pode-se dizer que o mesmo é uma folha metálica inclinada para cima 58 soldada ao longo de um lado a uma parede permeável e que deixa um espaço de alguns centímetros no outro lado, permitindo o fluxo das partículas de adsorvente.

[0091] Deve-se imaginar uma parede sólida (não mostrada) por onde o tubo atravessa, isolando a parte interna do volume livre do invólucro externo. O ar a ser purificado é introduzido no invólucro no centro da parede do invólucro e atinge a parede sólida (não mostrada) mencionada. Isso atua como um defletor e assegura a distribuição em todas as direções. O princípio real da circulação dos fluidos foi descrito acima.

[0092] Conforme inicialmente indicado, essa unidade de purificação está situada a montante de uma unidade de separação criogênica de ar. Essa unidade pode, em particular, ser adequada para a produção de oxigênio à baixa pressão e, em particular, oxigênio impuro, com uma pureza entre 90 e 98%.

[0093] Dadas as restrições de projeção que são definidas nesse caso, a fim de tirar o máximo proveito do princípio da invenção, tal TSA só será adequado para produção de oxigênio de um máximo de algumas centenas de toneladas. Entretanto, poderia ser econômico usar diversos módulos de TSA desse tipo para alimentar uma maior unidade criogênica. Esses módulos poderiam, então, operar em paralelo ou, se benéfico, com deslocamento de fase.

[0094] O processo descrito neste pedido é limitado ao uso declarado, a saber, separação de gás aéreo. Entretanto, o princípio de um adsorvedor do tipo descrito no presente documento e que opera à baixa pressão, da ordem de 1,10 a 1,5 bar abs, por exemplo, poderia ter outras aplicações, em particular, no campo de captura de CO?2.

[0095] A usina de acordo com a invenção também possibilita produzir pequenas unidades, isto é, de diversas dezenas a diversas centenas de toneladas por dia oxigênio, competitivamente. O meio de compressão 1 poderia, então, ser comum a diversas unidades, opcionalmente de diferentes tipos (ar reforçado para combustão, para ventilação, etc.).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Usina para separação de gás aéreo caracterizada pelo fato de que compreende, na direção de circulação da corrente de ar: - meio de compressão (C) que possibilita a compressão da corrente de ar a uma pressão P1 entre 1,15 bar abs e 2 bar abs, - uma unidade de TSA (A) e - uma unidade de destilação criogênica (D), em que a unidade de adsorção compreende pelo menos dois adsorvedores, A1 e A2, sendo que cada um tem um invólucro paralelepipedal disposto horizontalmente e que compreende: - uma entrada e uma saída de corrente de ar, - duas massas adsorventes de leito fixo, cada uma também paralelepipedal, cujas faces são paralelas às faces do invólucro e - um conjunto de volumes que permite que a corrente de ar atravesse as duas massas adsorventes horizontalmente, em paralelo, através de todo o corte transversal de cada uma das massas adsorventes e ao longo de suas espessuras.

2. Usina, de acordo com a reivindicação 1, sendo que a dita usina é caracterizada pelo fato de que compreende, entre o meio de compressão (C) e a unidade de destilação criogênica (D), uma única unidade de adsorção.

3. Usina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de que o conjunto de volumes compreende: a) uma parte interna que compreende: - um primeiro volume V1 (7) para a introdução e distribuição ou recuperação de fluidos; - um segundo volume V2 (8) e um terceiro volume V3 (9), sendo que cada um compreende uma massa adsorvente e está situado em ambos os lados do primeiro volume V1; e b) uma parte livre que compreende dois volumes, V4 e V5, (11) para a introdução e distribuição ou recuperação de fluidos localizados em ambos os lados da parte interna e entre a parte interna e o invólucro de adsorvedor; com a parte interna disposta simetricamente em relação ao plano médio do invólucro de adsorvedor.

4. Usina, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 compreendem, cada um, pelo menos dois subvolumes adjacentes que compreendem adsorventes diferentes, com todos os adsorventes dispostos simetricamente em relação ao plano médio do adsorvedor.

5. Usina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 e 4, caracterizada pelo fato de que o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável à parede superior e à parede inferior do invólucro de adsorvedor.

6. Usina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 e 4, caracterizada pelo fato de que a parte interna tem uma extremidade inferior sólida e/ou uma extremidade superior sólida, e o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável à parede superior do invólucro de adsorvedor ou à extremidade superior sólida e à parede inferior do invólucro de adsorvedor ou à extremidade inferior sólida.

7. Usina, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o conjunto de volumes compreende, entre a parede inferior do invólucro de adsorvedor e a extremidade inferior sólida, um espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

8. Usina, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o conjunto de volumes compreende, entre a parede superior do invólucro de adsorvedor e a extremidade superior sólida, um espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

9. Usina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 8, caracterizada pelo fato de que o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável a pelo menos uma parede lateral do invólucro de adsorvedor.

10. Usina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 8, caracterizada pelo fato de que o primeiro volume V1, o segundo volume V2 e o terceiro volume V3 têm paredes verticais fixadas de modo vedável a pelo menos uma placa sólida paralela a uma parede lateral do invólucro de adsorvedor.

11. Usina, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o conjunto de volumes compreende, entre a placa sólida e uma parede lateral do invólucro de adsorvedor, um espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.

12. Processo para separação de gás aéreo de uma corrente de ar que contém pelo menos uma impureza selecionada dentre vapor d'água, dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos caracterizado pelo fato de que usa uma usina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, e compreende as seguintes etapas sucessivas: a) comprimir (1) a corrente de ar a uma pressão P1 entre 1,15 bar abs e 2 bar abs, b) purificar a corrente de ar comprimida, por adsorção, com o uso da unidade de TSA (2) de modo a remover pelo menos uma impureza contida na corrente de ar e c) separar os constituintes da corrente de ar, por destilação criogênica, com o uso da unidade (3), com a totalidade da etapa b) realizada na pressão P1.

13. Processo para separação de gás aéreo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pressão P1 está entre 1,15 bar abs e 1,5 bar abs, de preferência, entre 1,20 bar abs e 1,30 bar abs.

14. Processo para separação de gás aéreo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 e 13, caracterizado pelo fato de que o mesmo usa uma usina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 3 a 11, e, na etapa b), a corrente de ar é introduzida nos dois volumes, V4 e V5, e a corrente de ar purificada é retirada do volume V1.

15. Processo para separação de gás aéreo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 e 13, caracterizado pelo fato de que o mesmo usa uma usina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 7 e 8, e, na etapa b), a corrente de ar é introduzida no espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5 e a corrente de ar purificada é retirada do volume V1.

16. Processo para separação de gás aéreo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 e 13, caracterizado pelo fato de que o mesmo usa uma usina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 3 a 11, e compreende uma etapa d) de regeneração da unidade de TSA (2) na qual o gás é introduzido no volume V1 e, então, retirado dos dois volumes V4 e V5.

17. Processo para separação de gás aéreo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 e 13, caracterizado pelo fato de que o mesmo usa uma usina, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 7 e 8, e compreende uma etapa d) de regeneração da unidade de TSA (2) na qual o gás é introduzido no volume V1 e, então, retirado do espaço em comunicação fluida com os volumes V4 e V5.