BRPI0503931B1 - Arranjo de equipamentos para troca de calor em um processo de adsorção com modulação de pressão (psa) com recuperação de energia térmica e processo de adsorção com modulação de pressão (psa) com recuperação de energia. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ARRANJO DE EQUIPAMENTOS PARA TROCA DE CALOR EM UM PROCESSO DE AD-SORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO {PSA} COM RECUPERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA E PROCESSO DE ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO {PSA) COM RECUPERAÇÃO DE ENERGIA".

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a sistemas de remoção de impurezas de gases e vapores, que acompanham uma solução inicial, através de processos de adsorção com modulação de pressão {“pressure swing ad-sorptíon" - PSA).

Adsorção com modulação de pressão é um processo aplicado na purificação de gases, em que as impurezas são removidas por adsorção em leitos adsorventes adequados fixos, contidos em recipientes pressurizados. A adsorção é o processo pelo qual átomos, moléculas ou íons são retidos na superfície de sólidos através de interações de natureza química ou física, formando camadas nestas superfícies e deixando misturas compostas por mais de uma substância empobrecidas em teor da substância retida. Assim, a mistura gasosa original é purificada de determinadas substâncias e enriquecida no teor das substâncias que não foram adsorvidas.

Com o aumento da pressão, há um consequente aumento na adsorção de gases e vapores. Assim, se uma corrente de gás, contendo impurezas suscetíveis a interações com o material adsorvente, passar através de um leito adsorvente sob pressões maiores que a atmosférica, será purificada destas impurezas adsorvidas e enriquecida nos componentes do gás. Este processo de purificação depende principal mente da seletividade na adsorção de cada componente pelo material adsorvente em cada nível de pressão.

Os processos de adsorção com modulação de pressão permitem alterar a pressão de um leito, permitindo a desejada purificação da corrente inicial e a adsorção das impurezas.

Nestes sistemas, há a existência de, pelo menos, dois leitos adsorventes em recipientes diferentes que têm uma pressurização inversa, con- correntemente. Enquanto um dos leitos é pressurizado a fim de adsorver as impurezas, outro leito é despressurizado, regenerando o adsorvente, de onde é dessorvido o material adsorvido. Em estado estacionário, um leito é pressurizado para adsorção e outro é despressurizado para regeneração e conseqüente pressurização, enquanto o primeiro passa então para a regeneração, mantendo um ciclo, em que os adsorventes revezam-se na adsorção e na regeneração. O número de leitos de adsorção é determinado por critérios técnicos e econômicos de acordo com a capacidade de produção da planta.

Os leitos adsorventes comumente utilizados são chamados de peneiras moleculares, feitas de resinas, zeólitos e outros materiais com boa capacidade adsorvente.

Antecedentes da Invenção Sistemas PSA foram primeiramente implantados para a purificação de hidrogênio. Desde sua comercialização, entretanto, este tipo de processo alcançou maior importância industrial e melhor adaptação econômica, tomando-se objeto de purificação de diferentes substâncias, como, por exemplo, na produção de álcool anidro, na obtenção de oxigênio para uso hospitalar, produção de nitrogênio com baixo teor de impurezas, entre outros.

Os seguintes documentos estão aqui descritos como referência do estado da técnica no que diz respeito a processos de adsorção com modulação de pressão (PSA): A Patente US 4407662 descreve um processo para remover água de etanol hidratado, compreendendo as etapas de aquecer a mistura água/ etanol, até que a mistura esteja no estado de vapor, com calor suficiente para manter a fase de vapor e prevenir adsorção capilar substancial, enquanto a mistura passa através de um leito dessecante de peneiras moleculares; passar a mistura água/ etanol superaquecida através do leito para remover água o suficiente a fim de aumentar o teor de etanol na mistura; passar uma porção do etanol desidratado através de um segundo leito dessecante de peneiras moleculares a pressão inferior à pressão atmosférica para dessor-ver a água e etanol no leito dessecante a partir de um ciclo de desidratação prévia; e inverter o escoamento através dos dois leitos, após a temperatura do primeiro leito aumentar. A Patente FR 2719039 A1 descreve um processo de desidratação de uma mistura água/ etanol por adsorção/ regeneração através de peneira molecular, compreendendo as etapas de vaporização e superaquecimento da mistura, adsorção pela passagem da mistura ao estado de vapor através de uma peneira molecular para provocar a adsorção de água sobre a peneira, concorrentemente e/ ou alternativamente regeneração pela passagem de uma porção de etanol desidratado a uma pressão inferior à pressão atmosférica através de uma peneira saturada com água para dessorver a água adsorvida; e compreendendo ainda uma etapa adicional de supera-quecer a porção de etanol desidratado. A Patente US 5753010 descreve um processo para aumentar a recuperação de produto ou para reduzir o tamanho de sistemas de adsorção com modulação de pressão (PSA) utilizados para produção de hidrogênio. A Patente US 5961694 descreve um sistema para a separação de uma mistura gasosa por adsorção com modulação de pressão (PSA) compreendendo um leito adsorvente e um primeiro recipiente que pode ser seletivamente conectado ao adsorvente a fim de temporariamente armazenar o gás que é extraído do adsorvente e reintroduzido no mesmo durante um ciclo. A Patente US 6156101 descreve um processo PSA que utiliza uma combinação das etapas de alimentação cíclica, evacuação, purga e repressurização para render um produto final gasoso enriquecido em um dos componentes de alimentação. A Patente US 6340382 B1 descreve um processo de adsorção com modulação de pressão para a adsorção de todo o nitrogênio e outras impurezas de uma corrente de hidrogênio, a fim de obter purezas em torno de 99,9% do gás. A Patente US 6746515 B2 descreve processos de adsorção com modulação de pressão (PSA) termicamente potencializados.

Embora constituam parte do estado da técnica, nenhuma das referências citadas acima descreve nem sugere a presente invenção conforme aqui descrita e reivindicada.

Objetivo da Invenção O processo PSA de desidratação ou separação de componentes através de peneiras moleculares consiste basicamente em um sistema de evaporadores, acoplado a um conjunto de pelo menos duas peneiras moleculares. O produto hidratado ou a mistura de componentes, aqui denominada como "corrente líquida de pré-adsorção" é vaporizado(a) a uma determinada pressão nos evaporadores, formando então a aqui denominada "corrente vaporizada de pré-adsorção". A corrente de pré-adsorção segue para as peneiras moleculares, onde água ou um dos componentes é adsorvi-da(o), produzindo-se o produto anidro ou o componente separado, formando então a aqui denominada "corrente de pós-adsorção", que é condensada com água de resfriamento e enviada para a tancagem. O objetivo da presente invenção é modificar esse processo, a fim de se recuperar energia da corrente de pós-adsorção, que atualmente é condensada sem qualquer aproveitamento do seu potencial térmico.

De acordo com a presente invenção, o processo PSA é modificado com o objetivo de aproveitar o calor da corrente de pós-adsorção, proveniente das peneiras moleculares, para aquecer/vaporizar a corrente líquida de pré-adsorção contendo o produto hidratado ou o componente da mistura a ser adsorvido nas referidas peneiras.

Descrição da Invenção A principal modificação do processo consiste em enviar a corrente de pós-adsorção para o evaporador da corrente líquida de pré-adsorção. Deve-se trabalhar com uma pressão da corrente de pós-adsorção maior que a atual, a fim de garantir um gradiente térmico suficiente para que o projeto do evaporador seja técnica e economicamente viável. Por isso, a presente invenção inclui um compressor na saída do evaporador da corrente líquida de pré-adsorção. O aumento da pressão e temperatura nessa corrente implica em uma maior pressão e temperatura da corrente de pós-adsorção, responsável pela carga do evaporador. Com isso, o consumo de utilidade quen- te com o processo modificado de acordo com a presente invenção é reduzido consideravelmente.

Por exemplo, um arranjo de trocadores em série para uma corrente liquida de pré-adsorção de acordo com a presente invenção é aquele mostrado na Figura 1. Nessa forma de concretização da presente invenção, utiliza-se um primeiro aquecedor da corrente liquida utilizando como fluido quente a corrente de pós-adsorção condensada em um evaporador, aqui denominado "EV-1". A corrente de saída é novamente aquecida em um segundo aquecedor utilizando utilidade quente (vapor d agua, por exemplo). Um segundo evaporador, aqui denominado "EV-2", é utilizado para complementar o serviço de vaporização da corrente líquida que não é completo no EV-1.

De preferência, os evaporadores EV-1 e EV-2 são evaporadores do tipo casco-tubo.

Se houver uma alteração na vazão de alimentação do casco de EV-1, ocorre uma queda de pressão no casco de EV-1 extremamente rápida. A temperatura do casco de EV-1 reage com a mesma dinâmica da pressão a fim de manter o equilíbrio entre as fases existentes no estado estacionário. A temperatura no casco de EV-1 se aproxima da temperatura nos tubos, o que implica na redução da troca térmica em EV-1. Nota-se que a variação periódica da vazão de alimentação do casco do EV-1 é uma característica inerente aos processos de PSA (oscilação periódica na vazão da corrente de pós-adsorção).

Ocorre também variação de pressão nos tubos dos trocadores. Esta variação deve-se à redução na vazão de vapor que chega ao vaso a jusante do segundo evaporador, visto que é este vaso que define a pressão ao longo dos tubos dos trocadores. A quantidade de líquido vaporizada em EV-1 é drasticamente reduzida. A fração de vapor na saída de EV-1 sofre uma redução menor quando a alteração na vazão de alimentação do casco de EV-1 é mais atenuada. Há uma pequena redução na vazão total de saída do EV-1 em conseqüência da redução da fração vaporizada da corrente de pré-adsorção. A recuperação do perfil de fração vaporizada nos tubos na volta ao estado estacionário proporciona, entretanto, um aumento significativo no valor normal da vazão. Este efeito é chamado de "golfada". Com uma alteração na vazão de alimentação do casco de EV-1 mais atenuada, percebe-se que a golfada é mais suave, mas ainda assim significativa. A mudança no perfil de fração vaporizada nos tubos é a grande causadora da "golfada". Com a redução na troca térmica, há uma tendência de acúmulo de massa de líquido nos tubos; quando a troca térmica se rees-tabiliza, este líquido acumulado precisa ser expulso para que se re-estabeleça o perfil estacionário de fração de vapor. O efeito da "golfada", associado aos efeitos de perda de carga devido ao escoamento nos tubos ou vibração do equipamento, tem um impacto muito grande sobre o sistema, comprometendo a operação do EV-2 e certamente inviabilizando um controle de carga térmica estável da evaporação da corrente líquida de pré-adsorção. Este é um dos problemas solucionados pela presente invenção. O perfil de fração de vapor na saída de EV-2 é similar ao perfil em EV-1. Ao se alterar a vazão de alimentação do casco de EV-1, há um fluxo significativo de líquido saindo do último evaporador. Por isso, há a necessidade de um vaso separador para evitar perturbações na operação do compressor a jusante do sistema de evaporação, bem como para evitar a possibilidade de passagem de material da corrente líquida de pré-adsorção para as peneiras moleculares.

Na volta ao estado estacionário nos trocadores, ocorre a "golfada" nos tubos do EV-2, devido ao restabelecimento da vazão original da corrente de pós-adsorção no casco de EV-1. A "golfada" para EV-2 deve ser amortecida por um vaso de separação, a fim de impedir que material da corrente de pré-adsorção chegue ao compressor no estado líquido. A vazão mássica através do compressor varia pouco em relação ao valor do estado estacionário durante a alteração na vazão de alimentação do casco de EV-1. Esse amortecimento se deve à presença de um vaso de separação na entrada do compressor, o que teoricamente garantiría estabili- dade na alimentação das peneiras durante todo o ciclo, dada a hipótese de que não haveria acúmulo de líquido no vaso, ou seja, de que o líquido da "golfada" podería ser escoado imediatamente. Este comportamento teórico pode ser inviabilizado na prática de acordo com a intensidade da "golfada". Descrição Detalhada da Invenção Como pode ser visto acima, a maior dificuldade relacionada à modificação proposta pela presente invenção é a perturbação periódica da vazão da corrente de pós-adsorção, que gera instabilidade na carga térmica para vaporização da corrente líquida de pré-adsorção. O motivo dessa perturbação é a operação de troca das peneiras, característica do sistema de PSA.

Para tentar resolver esse problema, testou-se uma configuração com dois trocadores do tipo Casco e Tubos verticais em série, com vaso de separação após o segundo trocador. Este sistema de trocadores está fundamentado na operação atual da peneira molecular. A principal vantagem deste sistema é manter aproximadamente a configuração atual dos equipamentos.

Nesse sistema de trocadores, a corrente de pós-adsorção proveniente das peneiras no casco do primeiro trocador (EV-1) fornece o calor necessário para evaporação parcial da corrente líquida de pré-adsorção, que circula nos tubos. A evaporação total desta corrente é obtida através de utilidade quente (vapor de água, por exemplo) no segundo trocador de calor (EV-2). Durante a queda de vazão da corrente de pós-adsorção para o casco do EV-1, a evaporação total no EV-2 é assegurada preferencialmente por um sistema de controle, que realiza a abertura de uma válvula de admissão de utilidade quente no EV-2, aumentando a carga térmica desse trocador. A maior preocupação desta configuração refere-se ao regime de escoamento do material bifásico de um trocador para o outro, principalmente durante a alteração na vazão da corrente de pós-adsorção no casco do primeiro trocador. Há uma grande probabilidade de essa alteração estar associada a regimes de escoamento instáveis, como do tipo "slug" (bolsões intermitentes de líquido e vapor), que poderíam comprometer a operação do sistema, em especial do EV-2 e do compressor.

Um fluxograma que exemplifica esta tentativa de resolução do problema é mostrado na Figura 2, que mostra o arranjo com dois trocadores do tipo Casco e Tubos verticais em série em um processo PSA.

No entanto, a configuração com dois trocadores do tipo Casco e Tubos verticais em série, embora atraente do ponto de vista das pequenas modificações no layout atual, não se mostrou satisfatória devido ao risco de regime de escoamento "slug" nos trocadores, ocorrendo a denominada "golfada", associada às perturbações de pressão inerentes ao sistema de PSA. A presente invenção apresenta soluções para os problemas a-bordados acima por meio de 4 alternativas de arranjo do sistema de trocadores de calor para o aproveitamento do potencial térmico da corrente de pós-adsorção com a eliminação ou minimização da ocorrência das denominadas "golfadas": 1) Dois trocadores Casco e Tubos verticais em paralelo, com vaso de separação a jusante. 2) Trocador único tipo "Kettle". 3) Sistema de troca térmica utilizando óleo térmico. 4) Vaso pulmão após o arranjo de peneiras moleculares.

Em todos esses arranjos, há um compressor a jusante do último evaporador, para elevação da pressão da corrente de pré-adsorção, viabilizando, assim, o aproveitamento de calor.

Convém salientar que a presente invenção também pode ser realizada utilizando-se uma corrente de pré-adsorção já em forma de vapor, como acontece nos casos de separação ou purificação de misturas gasosas. Neste caso, não há necessidade da mesma quantidade de trocadores de calor que a utilizada quando a corrente de pré-adsorção está em forma líquida, havendo assim uma simplificação do processo de recuperação de enegia de acordo com a presente invenção. Portanto, o fato de a corrente de pré-adsorção estar em forma líquida é apenas uma concretização meramente preferida da presente invenção, que inclui também em seu escopo uma corrente de pré-adsorção em forma de vapor. Neste caso específico, porém, as seguintes condições precisam ser satisfeitas: • A corrente de pós-adsorção deve ser condensada em algum momento; • Existe uma corrente disponível para receber o calor a ser cedido pela condensação da corrente de pós-adsorção. A seguir, será descrita cada uma das concretizações preferidas mencionadas acima para a realização da invenção: 1) Dois Trocadores do tipo Casco e Tubos Verticais em Paralelo O arranjo com dois trocadores em paralelo foi proposto com o intuito de eliminar a preocupação com o escoamento bifásico entre os trocadores no lado dos tubos e eliminar o problema da "golfada". A vazão da corrente de pré-adsorção é, então, dividida entre os trocadores. Um dos trocadores utiliza novamente a corrente de pós-adsorção no casco (EV-1) evaporando uma vazão determinada da corrente de pré-adsorção enquanto que o outro utilizaria utilidade quente (EV-2).

Um sistema de controle faz com que, durante a queda na vazão da corrente de pós-adsorção do EV-1, diminua a vazão da corrente de pré-adsorção indo para o EV-1 e aumente a vazão indo para o EV-2, ao mesmo tempo em que aumenta a vazão de utilidade quente para o EV-2. Desta forma, manter-se-ia constante a vazão de corrente de pré-adsorção de vapor saturado na saída do sistema de trocadores de forma a não perturbar o processo a jusante. Este controle de divisão de fluxo, porém, deve ser perfeita-mente ajustado para não gerar oscilações no sistema. Este ajuste é dificultado pela variação do perfil de fração vaporizada nos trocadores EV-1 e EV-2 durante a duração da perturbação.

Um fluxograma que exemplifica esse arranjo com dois trocadores do tipo Casco e Tubos verticais em paralelo é mostrado na Figura 3. Essa configuração é descrita no Exemplo 1 adiante (vide Exemplos) que trata especificamente de um processo PSA de desidratação de álcool para obtenção de álcool anidro. No entanto, o escopo da presente invenção não deve se limitar a esse fluxograma meramente exemplificativo nem somente a processos PSA para obtenção de álcool anidro. 2) Trocador Único do Tipo "Kettle" (melhor forma de execução da invenção) Esta concretização é baseada em um único trocador do tipo "Kettle". Este trocador possui os fluidos de aquecimento (corrente de pós-adsorção/ vapor) em dois feixes separados aquecendo a corrente de pré-adsorção que está no casco único do trocador. A vantagem deste trocador é a capacitância térmica dada pelo grande volume de material da corrente de pré-adsorção no casco, que apresenta uma sensibilidade menor às variações da vazão da corrente de pós-adsorção.

Além disso, a compensação da redução de vazão da corrente de pós-adsorção pelo aumento da vazão de vapor é muito mais rápida do que nas alternativas anteriores, visto que os dois feixes estão transferindo calor para o mesmo reservatório de material da corrente de pré-adsorção.

Um fluxograma que exemplifica esse arranjo com trocador único do tipo "Kettle" é mostrado na Figura 4. Essa configuração é descrita no E-xemplo 2 adiante (vide Exemplos) que trata especificamente de um processo PSA de desidratação de álcool para obtenção de álcool anidro. No entanto, o escopo da presente invenção não deve se limitar a esse fluxograma meramente exemplificativo nem somente a processos PSA para obtenção de álcool anidro. 3) Sistema de Troca Térmica Utilizando Óleo Térmico Esta concretização utilizando óleo térmico tem objetivo de eliminar o efeito da alteração causada pela operação das peneiras nos trocado-res de calor. Uma alteração na vazão da corrente de pré-adsorção é absorvida pelo óleo térmico líquido, que condensa a corrente de pós-adsorção. Após estabilizar sua temperatura em um vaso pulmão e ainda tendo esta temperatura controlada em um trocador com utilidade quente (vapor de média pressão, por exemplo), este óleo térmico é utilizado para vaporizar a corrente de pré-adsorção.

Esta concretização permite o aproveitamento da energia contida na corrente de pós-adsorção para vaporizar a corrente de pré-adsorção, sem perturbar o evaporador. Se a faixa de temperatura de trabalho for pequena, isto é, as temperaturas de vaporização/condensação das correntes de pré-adsorção e de pós-adsorção forem próximas (o que vai depender do diferencial de pressão fornecido pelo compressor), faz-se necessária a utilização de uma vazão muito grande de óleo térmico. Portanto, esta vazão pode comprometer a viabilidade econômica desta concretização.

Um fluxograma que exemplifica esse sistema de troca térmica utilizando óleo térmico é mostrado na Figura 5. Essa configuração é descrita no Exemplo 3 adiante (vide Exemplos) que trata especificamente de um processo PSA de desidratação de álcool para obtenção de álcool anidro. No entanto, o escopo da presente invenção não deve se limitar a esse fluxograma meramente exemplificativo nem somente a processos PSA para obtenção de álcool anidro. 4) Sistema Utilizando Vaso Pulmão Esta concretização contempla a instalação de um vaso pulmão à jusante de uma válvula de controle localizada após o arranjo de peneiras moleculares. Este sistema tem a finalidade de estabilizar a vazão da corrente de pós-adsorção antes de alimentar o evaporador EV-2. Este vaso pulmão absorve qualquer perturbação que ocorra na vazão da corrente de pós-adsorção sob forma de pressão. Um sistema de controle de vazão, com sef-point constante, à jusante do vaso, garante que uma perturbação na vazão da corrente de pós-adsorção não afeta os trocadores de calor.

Com o objetivo de estabilizar a corrente de pós-adsorção, este vaso deve possuir um volume suficientemente grande para que, durante uma perturbação, sua queda de pressão não inviabilizasse o escoamento do sistema das peneiras (pressão mais alta) para o sistema de troca térmica (pressão mais baixa). Tipicamente o volume do vaso pode comprometer a economicidade desta alternativa. A queda de pressão admissível é função direta do diferencial de pressão fornecido pelo compressor.

Um fluxograma que exemplifica esse arranjo utilizando vaso pulmão é mostrado na Figura 6. Essa configuração é descrita no Exemplo 4 adiante (vide Exemplos) que trata especificamente de um processo PSA de desidratação de álcool para obtenção de álcool anidro. No entanto, o escopo da presente invenção não deve se limitar a esse fluxograma meramente exem-plificativo nem somente a processos PSA para obtenção de álcool anidro. Exemplos As 4 alternativas de arranjo do sistema de trocadores de calor para o aproveitamento do potencial térmico da corrente de pós-adsorção de acordo com a presente invenção foram realizadas em um processo PSA de desidratação de álcool para obtenção de álcool anidro. O processo de desidratação de álcool em peneira molecular consiste em retirar a água do azeótropo formado por água e álcool. O produto final é etanol com aproximadamente 99,7% de pureza. O azeótropo proveniente da destilação é primeiramente aquecido em um trocador de calor (AQ-AL) até sua temperatura de saturação. Em seguida, esta corrente entra em um evaporador. Neste primeiro evaporador EV-1, um trocador casco-tubo vertical, é utilizada uma grande vazão de vapor de baixa pressão (vapor de escape) para evaporar o azeótropo. Este passa então para um segundo evaporador EV-2, um pouco menor que o primeiro, utilizando vapor de média pressão, para superaquecer o álcool hidratado à temperatura de operação das peneiras. Como a resina das peneiras moleculares não pode receber gotículas de líquido, a corrente de saída do EV-2 de azeótropo superaquecido ainda passa por um demister.

No processo específico em questão, existem 3 peneiras moleculares que trabalham em ciclos de adsorção e dessorção de forma intercalada. Sempre há uma peneira em dessorção, e duas em adsorção. A cada ciclo há uma troca entre estas peneiras: aquela que está em dessorção é pressurizada para entrar em operação e uma das outras é tirada de operação para ser regenerada. Para ser despressurizada, a peneira é alinhada para o sistema de vácuo. Em baixas pressões, a água adsorvida anteriormente será dessorvida e a mistura formada pela atmosfera de álcool na peneira e água dessorvida da resina é evacuada para um sistema de reapro-veitamento desta mistura. Esta mistura é chamada flegma e contém aproximadamente 60% em massa de álcool. O álcool do flegma é recuperado como álcool hidratado e recirculado para o tanque de carga da unidade de de- sidratação. A corrente de produto de adsorção segue das peneiras para uma válvula de controle, que é responsável pelo controle de pressão de todo o sistema. A corrente de anidro é condensada para seguir para um tanque de armazenamento.

Devido à troca das peneiras para adsorção e dessorção, a pressão da linha de produto varia. Esta variação da pressão na válvula pode ser observada no gráfico da Figura 7. O gráfico da Figura 8 mostra o comportamento da abertura da válvula em função da pressão na linha e a vazão na linha, que oscila de a-cordo com a abertura da válvula.

As oscilações periódicas do sistema estão relacionadas aos ciclos de adsorção/dessorção das peneiras e impactam basicamente a vazão de anidro e de flegma, o que no processo em questão não traz maiores impactos para a operação.

Solução Proposta pela Presente Invenção Conforme descrito anteriormente, a solução proposta pela presente invenção foi realizada em um processo PSA específico de desidratação de álcool para obtenção de álcool anidro. Porém, a presente invenção não está, de forma alguma, restrita a esse processo. Qualquer processo PSA pode ser beneficiado pela presente invenção. O processo de desidratação de álcool através de peneiras moleculares aqui utilizado consiste basicamente em um sistema de dois evapora-dores verticais, acoplado a um conjunto de três peneiras moleculares. O álcool hidratado é vaporizado nos evaporadores, utilizando-se vapor d’água como fluido quente, e segue para as peneiras moleculares, onde água é ad-sorvida, produzindo-se álcool anidro. O anidro é condensado com água de resfriamento e enviado para a tancagem. O objetivo da presente invenção é recuperar energia da corrente de álcool anidro, que, no processo em questão, é condensada sem qualquer aproveitamento do seu potencial térmico. Deseja-se aproveitar o calor da corrente de anidro, proveniente das peneiras moleculares, para aquecer/ vaporizar o álcool hidratado a ser adsorvido nas mesmas. A principal modificação proposta pela presente invenção consiste em enviar a corrente de anidro para o evaporador de hidratado. Deve-se trabalhar com uma pressão de anidro maior que a atual, a fim de garantir um gradiente térmico suficiente para que o projeto do evaporador seja economicamente viável. Por isso, inclui-se um compressor na saída do evaporador de hidratado. O aumento da pressão e temperatura nessa corrente implicará em uma maior pressão e temperatura do anidro, responsável pela carga do evaporador. A Tabela 1 abaixo mostra que a carga térmica utilizada no processo atual é de cerca de 2,70x1010 J/h e a Tabela 2 abaixo mostra que o consumo de vapor com o processo modificado de acordo com a presente invenção é de aproximadamente 20% do consumo atual (economia de 80% do vapor).

Tabela 1 - Consumo de vapor e carga térmica no processo atual para produção de 600kL/d de álcool anidro Tabela 2 - Consumo de vapor e carga térmica no processo modificado de acordo com a presente invenção para produção de 600kL/d de álcool anidro Na Tabela 2, o aquecedor de álcool 1 utiliza como fluido quente o anidro condensado no EV-1 elevando a temperatura do hidratado. O hidratado é aquecido até a saturação no aquecedor de álcool 2 utilizando utilidade quente (vapor d'água, por exemplo). O EV-2 é utilizado para complementar o serviço de vaporização do hidratado que não é completo no EV-1.

Conforme já dito anteriormente, a maior dificuldade relacionada à modificação proposta é a perturbação periódica da vazão de anidro, que gera instabilidade na carga térmica para vaporização do álcool hidratado. O motivo dessa perturbação é a operação de troca das peneiras, característica do sistema de PSA.

Os Exemplos 1 a 4 a seguir descrevem as 4 alternativas de arranjo do sistema de trocadores de calor, propostas pela presente invenção, para o aproveitamento do potencial térmico da corrente de álcool anidro, proveniente das peneiras moleculares, para aquecer/vaporizar o álcool hidratado a ser adsorvido nas mesmas em um processo PSA de obtenção de álcool anidro.

No entanto, mais uma vez salienta-se que os exemplos ilustrativos apresentados a seguir servirão para melhor descrever a presente invenção. Entretanto, tais exemplos referem-se meramente a algumas modalidades de concretização da presente invenção e não devem ser tomadas como limitativos do escopo da mesma.

Em todos os arranjos de sistema de trocadores de calor dos E-xemplos 1 a 4, há um compressor a jusante do último evaporador, para elevação da pressão de hidratado de 4 para 6 kgf/cm2, viabilizando o aproveitamento de calor.

Exemplo 1 - Dois trocadores do tipo Casco e Tubos verticais em paralelo, com vaso de separação a jusante O Exemplo 1 é uma concretização da solução descrita no item 1 revelado anteriormente.

O arranjo com dois trocadores em paralelo foi proposto com o intuito de eliminar a preocupação com o escoamento bifásico entre os trocadores no lado dos tubos e possivelmente eliminar o problema da "golfada". A vazão de hidratado é dividida entre os trocadores. Um dos trocadores utiliza novamente o anidro no casco (EV-1) evaporando uma vazão determinada de hidratado enquanto que o outro utilizaria vapor (EV-2). O controle faz com que, durante a queda na vazão de anidro do EV-1, diminua a vazão de hidratado indo para o EV-1 e aumente a vazão indo para o EV-2, ao mesmo tempo em que aumenta a vazão de utilidade quente para o EV-2. Desta forma, mantém-se constante a vazão de álcool hidratado de vapor saturado na saída do sistema de trocadores de forma a não perturbar o processo a jusante. Este controle de divisão de fluxo, porém, deve ser perfeitamente ajustado para não gerar oscilações no sistema. Este ajuste é dificultado pela variação do perfil de fração vaporizada nos trocadores EV-1 e EV-2 durante a duração da perturbação. A alternativa de utilização dos dois trocadores do tipo Casco e Tubos verticais em paralelo, apesar de requerer cuidados do ponto de vista de controle em razão da necessidade de controlar a razão de fluxo entre os trocadores, minimiza substancialmente as "golfadas" no sistema, solucionando o problema que acontece quando são utilizados dois trocadores do tipo "BEM" verticais em série.

Exemplo 2 - Trocador único tipo "Kettle" (melhor forma de execução da invenção) O Exemplo 2 é uma concretização da solução descrita no item 2 revelado anteriormente.

Esta alternativa é baseada em um único trocador do tipo "Kettle". Este trocador possui os fluidos de aquecimento (anidro/vapor) em dois feixes separados aquecendo o hidratado que está no casco único do trocador. A vantagem deste trocador é a capacitância térmica dada pelo grande volume de hidratado no casco, que tem uma sensibilidade menor às variações da vazão de anidro.

Além disso, a compensação da redução de vazão de anidro pelo aumento da vazão de vapor é muito mais rápida do que nas alternativas anteriores, visto que os dois feixes estão transferindo calor para o mesmo reservatório de hidratado.

Portanto, a alternativa do trocador único do tipo "Kettle" possui a vantagem de possuir uma estratégia de controle mais eficiente para rejeitar a perturbação na vazão de anidro.

Exemplo 3 - Sistema de troca térmica utilizando óleo térmico O Exemplo 3 é uma concretização da solução descrita no item 3 revelado anteriormente. O arranjo utilizando óleo térmico foi proposto com o objetivo de eliminar o efeito da perturbação causada pela operação das peneiras nos trocadores de calor. A perturbação na vazão de álcool anidro é absorvida pelo óleo térmico líquido, que condensa o álcool anidro. Após estabilizar sua temperatura em um vaso pulmão e ainda tendo esta temperatura controlada em um trocador com vapor de média pressão, este óleo térmico é utilizado para vaporizar o etanol.

Este sistema permite o aproveitamento da energia contida na corrente de álcool anidro para vaporizar o hidratado, sem perturbar o evapo-rador. Porém, como a faixa de temperatura de trabalho é pequena, isto é, as temperaturas de vaporização/condensação das correntes de hidratado e a-nidro são próximas, faz-se necessária a utilização de uma vazão muito grande de óleo térmico. A depender do custo do sistema de circulação de óleo térmico e/ou se houver uma diferença considerável entre a pressão de evaporação do hidratado e a pressão de condensação do anidro, a utilização do sistema de troca térmica utilizando óleo térmico de acordo com a presente invenção pode ser perfeitamente satisfatória para atingir os objetivos pretendidos. Note-se que grandes diferenças de pressão entre anidro e hidratado implicam em um compressor de custo mais elevado.

Exemplo 4 - Vaso pulmão após o arranjo de peneiras moleculares O Exemplo 4 é uma concretização da solução descrita no item 4 revelado anteriormente. O sistema proposto nesta alternativa contempla a instalação de um vaso pulmão a jusante da válvula de controle PCV-101. Este sistema foi proposto com o intuito de estabilizar a vazão da corrente de anidro antes de alimentar o evaporador EV-2. Este vaso pulmão absorve a perturbação da vazão de anidro sob forma de pressão. Um sistema de controle de vazão, com set-point constante, a jusante do vaso, garante que a perturbação na vazão de anidro não afete os trocadores de calor.

Com o objetivo de estabilizar a corrente de anidro, este vaso deve possuir um volume suficientemente grande para que, durante a perturbação, sua queda de pressão não inviabilizasse o escoamento do sistema das peneiras (pressão mais alta) para o sistema de troca térmica (pressão mais baixa).

Tendo sido descrita com base em exemplos de concretização, deve ser entendido que a presente invenção abrange outras configurações e outros processos PSA que não sejam para obtenção de álcool anidro, sendo limitada tão somente pelo escopo das reivindicações apensas.

Claims (10)

1. Arranjo de equipamentos para troca de calor em um processo de adsorção com modulação de pressão (PSA), com recuperação de energia térmica de uma corrente de pós-adsorção, em que uma corrente de pré-adsorção é vaporizada e segue para peneiras moleculares, onde ocorre a adsorção, formando-se a dita corrente de pós-adsorção, caracterizado pelo fato de que compreende (i) pelo menos dois trocadores de calor do tipo Casco e Tubos verticais em paralelo; e (ii) um arranjo de peneiras moleculares a jusante dos ditos pelos menos dois trocadores de calor.

2. Arranjo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um vaso de separação a jusante dos ditos pelos menos dois trocadores de calor e a montante do dito arranjo de peneiras moleculares.

3. Arranjo de equipamentos para troca de calor em um processo de adsorção com modulação de pressão (PSA), com recuperação de energia térmica de uma corrente de pós-adsorção, em que uma corrente de pré-adsorção é vaporizada e segue para peneiras moleculares, onde ocorre a adsorção, formando-se a dita corrente de pós-adsorção, caracterizado pelo fato de que compreende (i) um único trocador de calor do tipo "Kettle"; e (ii) um arranjo de peneiras moleculares.

4. Arranjo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um vaso de separação a jusante dos ditos pelos menos dois trocadores de calor e a montante do dito arranjo de peneiras moleculares.

5. Arranjo de equipamentos para troca de calor em um processo de adsorção com modulação de pressão (PSA), com recuperação de energia térmica de uma corrente de pós-adsorção, em que uma corrente de pré-adsorção é vaporizada e segue para peneiras moleculares, onde ocorre a adsorção, formando-se a dita corrente de pós-adsorção, caracterizado pelo fato de que compreende (i) um sistema de troca térmica utilizando óleo térmico; e (ii) um arranjo de peneiras moleculares.

6. Arranjo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o óleo térmico, após condensar a corrente de pós-adsorção, segue para um vaso pulmão e, depois, é utilizado para aquecer/vaporizar a corrente de pré-adsorção.

7. Arranjo de equipamentos para troca de calor em um processo de adsorção com modulação de pressão (PSA), com recuperação de energia térmica de uma corrente de pós-adsorção, em que uma corrente de pré-adsorção é vaporizada e segue para peneiras moleculares, onde ocorre a adsorção, formando-se a dita corrente de pós-adsorção, caracterizado pelo fato de que compreende (i) um arranjo de peneiras moleculares; (ii) um sistema de troca térmica; e (iii) um vaso pulmão a jusante do arranjo de peneiras moleculares e a montante do sistema de troca térmica.

8. Arranjo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma válvula de controle a jusante do dito arranjo de peneiras moleculares.

9. Arranjo de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sistema de controle de vazão a jusante do dito vaso pulmão.

10. Processo de adsorção com modulação de pressão (PSA) utilizando-se um arranjo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, em que uma corrente de pré-adsorção é vaporizada e segue para peneiras moleculares, onde ocorre a adsorção, formando-se uma corrente de pós-adsorção, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de recuperação de energia térmica da corrente de pós-adsorção, proveniente das peneiras moleculares, para aquecer/vaporizar a corrente de pré-adsorção.