BRPI0617651A2 - processo para regeneração de absorventes de peneira molecular usados para desidratação de etanol, bem como processo para desidratação de etanol - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA REGENERAçãO DE ABSORVENTES DE PENEIRA MOLECULAR USADOS PARA DESIDRATAçãO DE ETANOL, BEM COMO PROCESSO PARA DESIDRATAçAO DE ETANOL Um processo para regenerar um leito absorvente de peneira molecular usado para desidratar um solvente orgânico é descrito. O processo é ilustrado regenerando-se um leito de peneira molecular usado para desidratar etanol, que inclui um ciclo de desidratação onde uma mistura de vapor de etanol/água é carregada no leito de peneira molecular a umaprimeira temperatura para absorver água e recuperar um efluente de vapor de etanol substancialmente desidratado. Em um ciclo de regeneração, o leito é submetido a uma técnica de oscilação de temperatura por meio da qual um gás seco, tal como CO~ 2~ seco, aquecido a uma segunda temperatura maior do que a primeira temperatura, é passado sobre o leito de peneira molecular, otimamente em um fluxo direcional contra corrente com respeito ao ciclo de desidratação. O processo obvia a necessidade de aplicar uma oscilação de pressão de vácuo, para regenerar o leito de peneira molecular. água e etanol residual são removidos com o efluente de CO~ 2~ e podem opcionalmente ser condensados e combinados com uma entrada de alimentação para um ciclo de desidratação subsequente

Description

"PROCESSO PARA REGENERAÇÃO DE ABSORVENTES DEPENEIRA MOLECULAR USADOS PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL, BEMCOMO PROCESSO PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL"

"REFERÊNCIA CRUZADA AO PEDIDO RELACIONADO"

Este pedido é um pedido de utilidade e reivindicao beneficio de prioridade ao Pedido de Patente ProvisórioU.S. No. de Série 60/727.654, depositado em 18 de Outubro de2005, intitulado "Regenerating Molecular Sieve AbsorbentsUsed For Etanol Dehydration" tendo os mesmos pedidos citadospelos inventores, isto é, Ahmad K. Hilaly e Joseph R. Beg-gin. Os teores totais do Pedido de Patente Provisional U.S.No. de Série 60/727.654 estão incorporados por referêncianeste pedido de patente de utilidade.

Antecedentes da Invenção

Campo da Invenção

A invenção se refere geralmente a um processo me-lhorado para a produção de etanol anidroso, e em particularaos métodos para melhorar a regeneração de materiais de pe-neira molecular usados em processos de desidratação de eta-nol .

Descrição da Técnica Anterior

O etanol anidroso é amplamente usado na indústriacomo um solvente na síntese de tintas, farmacêuticos e in-termediários, cosméticos, perfumes, e outros produtos, porexemplo. O etanol anidroso também é um componente importan-te em combustíveis alternativos, tal como combustível paracarros, quando combinado com gasolina e outros componentesdestilados de combustível de fóssil para fabricar combus-tão. 0 etanol anidroso também pode ser usado como um aditi-vo oxigênico importante em gasolina livre de chumbo.

Entretanto, até mesmo quantidades pequenas de águaem etanol podem levar a formação de produtos não desejadossob as condições presentes em típicas câmaras combustão demotor de combustão, ou outros processos sintéticos industri-ais. Por exemplo, 4,4% (em peso) de água e 95,6% (em peso)de etanol formarão um azeótropo sob condições maiores do que78°C de Temperatura e excedendo a 1,0 bar de pressão, bemabaixo das condições de combustão limiares em um motor decombustão interna. Um azeótropo é uma mistura que tem umatemperatura de ebulição constante e assim é difícil de sepa-rar os componentes através de destilação. Então, até mesmouma quantidade pequena de contaminação de água em etanol a-nidroso é extremamente indesejável. Desse modo, o processode desidratação ou secagem de etanol é um valioso processopara produzir etanol anidroso para uso como um combustívelou como um solvente em muitos processos industriais..

A destilação tradicional para obter etanol anidro-so é um processo caro que exige quantidades altas de energiaobter etanol anidroso puro. Outros processos que podem serusados para obter etanol anidroso incluem destilação azeo-trópica, destilação extrativa, e retificação de sal. Porém,estes processos ainda envolvem destilação de energia alta esua energia alta associada custa para obter etanol anidroso,resultando em um produto de etanol anidroso mais caro.

A purificação de adsorção de etanol é um processoque requer menos energia do que os processos de destilaçãopara obter etanol anidroso. Vários métodos que usam adsor-ção a várias matrizes adsorventes sob várias condições detemperatura e pressão são usados para obter etanol anidrososem destilação. Um método usado para produção de etanol degrau de combustível de motor usa uma oscilação de concentra-ção para liberar adsorção de etanol de uma matriz de papel.Outro método usa uma oscilação de pressão ou vácuo para au-mentar a adsorção de materiais a uma matriz, o material ad-sorvido é então dessorvido com uma despressurização da câma-ra de adsorção. Porém, estes métodos ainda requerem quanti-dades grandes de energia para efetuar as oscilações de con-centração ou pressão para eluir o etanol anidroso do adsor-vente, ou requerem quantidades adicionais de etanol a seremcicladas completamente para maximizar a desidratação do pro- duto de etanol.

Um método adsorvente de desidratação de etanol usapartículas derivadas naturais como um material de leito ad-sorvente para produzir etanol anidroso. Os exemplos de ma-teriais de leito adsorvente naturais incluem grãos de milhoou partículas de amido de trigo. Um exemplo de partículasde amido de trigo comercialmente disponíveis está disponívelsob o nome comercial EnviroStrip (Archer Daniels MidlandCo., Decatur, III., USA). 0 mecanismo de adsorção de águaatravés de grãos de milho e partículas de amido Envirostripenvolve ligação de hidrogênio das moléculas de água com osgrupos de hidroxila nas cadeias de amido (Rebar e outros,1984). Ambos os tipos de cadeias de amido, amilose e amilo-pectina, interagem com as moléculas de água desta maneira.Porém, as estruturas de amilopectina também fisicamente apa-nham as moléculas de água na matriz de ramificações de ca-deia (Rebar e outros, Biotechnology e Bioengineering, 26,513-517 (1984)). Quando as moléculas de água são apanhadasdeste modo, alguns grupos -OH próximos ficam indisponíveispara ligação de hidrogênio.

Apesar das vantagens do uso dos grãos de milho co-mo uma matriz de desidratação de adsorção facilmente dispo-nível e barata para misturas de etanol/água, há limitaçõesde grãos de milho usados como uma matriz adsorvente. Osgrãos de milho podem ser regenerados descarregando-se comgás CO2, porém geralmente tenha uma vida útil limitada em umprocesso de desidratação de etanol. Entre os problemas as-sociados com o uso de grãos de milho (ou partículas adsor-ventes de amido de trigo) para leitos de desidratação de e-tanol, é que tais produtos naturais são frágeis, tendem a sedecompor, tendem a se aglomerar, e rapidamente perdem a suacapacidade de adsorção de água.

Outro método usado para desidratação de etanol écom base em materiais tipo zeólito não orgânico que agem co-mo um leito de peneira molecular. Os adsorventes de leitonatural diferentes, leitos de peneira moleculares agem comoabsorventes onde principalmente, a água é diferencialmenteretida no leito em virtude de ser incluída nos poros da ma-triz do leito em vez de ser adsorvida sobre as característi-cas da superfície.

Os leitos de peneira molecular requerem um tipodiferente de regeneração do que os leitos adsorventes natu-rais. Os absorventes de peneira molecular são regeneradosem um processo que usa etanol anidroso em combinação com umatécnica de "oscilação de pressão". Nesta técnica o leito depeneira molecular é regenerado passando-se o vapor de etanolpreviamente desidratado pelo leito a uma pressão substanci-almente mais baixa (isto é, um vácuo) do que a que foi usadapara carregar o leito para etapa de desidratação. Há siste-mas de peneira molecular tanto de pressão alta quanto depressão baixa, porém a regeneração de cada envolve uso de umvácuo relativo junto com etanol anidroso na etapa de regene-ração .

Em um exemplo de sistema de pressão alta, o etanolde alimento que entra no leito é carregado a uma temperaturade 148,9°C (300°F) e uma pressão de 473,7 kPa (68,7 psia).O etanol anidroso usado para regenerar a coluna é carregadana mesma temperatura e uma pressão de 13,8-20,7 kPa (2,0-3,0psia). Em outro exemplo de sistema de pressão alta, o eta-nol de alimento que entra no leito é carregado a uma tempe-ratura de 148, 9°C a uma pressão de cerca de 386, 1 kPa (56psia). O etanol anidroso usado para regenerar a coluna écarregado à mesma temperatura e uma pressão de 13,8-20,7 kPa(2-3 psia).

Em um exemplo de sistema de pressão baixa, o ali-mento de etanol entrando na coluna é carregado a uma tempe-ratura de 93,3-115,6°C (200-240°F), preferivelmente 104,4°C(220°F) a uma pressão de 114,4 kPa (-16,6 psia). O etanolanidroso usado para regenerar a coluna é carregado à mesmafaixa de temperatura e a uma pressão menor do que 13,8 kPa(2,0 psia). Em outro sistema de pressão baixa, o alimentode etanol entrando na coluna é carregado a uma temperaturade 115,6°C (240°F) e uma pressão de 137,9 kPa (20,0 psia).

O etanol anidroso usado para regenerar a coluna é carregadoà mesma temperatura e uma pressão de 17,2 kPa (2,5 psia).Em ainda outro sistema de pressão baixa, o alimento de eta-nol que entra na coluna é carregado a uma temperatura de115,6°C (240°F) e pressão de 170,3 kPa (24,7 psia). O eta-nol anidroso usado para regenerar a coluna é carregado a umatemperatura de 104,4°C (220°F) e uma pressão de 10,3 kPa(1,5 psia).

Há desvantagens significantes ao usar uma técnicade oscilação de pressão, incluindo incidência de custo altode energia para retirar um vácuo significativo e resíduo deuma porção de etanol já desidratado, para regenerar um lei-to, cujo propósito verdadeiro é tornar o etanol desidratado.

Há então, uma necessidade de processos melhoradospara produzir etanol anidroso que reduza as exigências deenergia e incidência de resíduos para regenerar leitos depeneiras moleculares usados para desidratações múltiplas. Oensino presente fornece materiais e métodos que atendem aestas e outras necessidades e aplicável não somente à desi-dratação de etanol, porém para desidratar qualquer solventeorgânico para o qual um leito de peneira molecular é usadopara desidratação.

Sumário da Invenção

Descritos aqui estão novos processos e sistemaspara regenerar leitos de peneira molecular usados para a de-sidratação de solventes orgânicos e novos métodos para apreparação de solvente anidroso com base no mesmo. A inven-ção é exemplificada regenerando-se os leitos de peneira mo-lecular usados para a preparação de etanol anidroso, porém éaplicável para uso na preparação de outros solventes orgâni-cos anidrosos, particularmente solventes misciveis em águae/ou aqueles que formam azeótropos com água.

Em um aspecto, os processos para regenerar leitosde peneira molecular usam uma oscilação de temperatura nolugar de uma oscilação de pressão para facilitar a remoçãode água retida no leito de peneira molecular usado. Na téc-nica de oscilação de temperatura, o leito de peneira molecu-lar é carregado com um vapor de solvente orgânico/água a umaprimeira temperatura, e regenerado a uma segunda temperaturamaior do que a primeira temperatura. Em outro aspecto, osmétodos usam um gás aquecido no lugar de um solvente anidro-so para remover a água retida. Em modalidades particulares,os métodos usam uma combinação da oscilação de temperatura edo gás aquecido para regenerar os leitos de peneira molecu-lar. As vantagens da invenção incluem a redução na quanti-dade de solvente necessário para ser reciclado e redução noscustos de energia de regeneração.

Qualquer gás aquecido capaz de carregar vapor deágua pode ser usado na prática da invenção. Em modalidadesparticulares o gás é selecionado de gás carbônico, nitrogê-nio e/ou um gás nobre. Em modalidades exemplares, o gás a-quecido é CO2.

Em uma modalidade exemplar para regenerar um leitode peneira molecular usado para desidratação de etanol, CO2é aquecido a 96°C (205°F) ou mais alto e passado pelo leitode peneira molecular para obter um vapor compreendido de umamistura do gás, água e etanol residual removido do leito. 0vapor é opcionalmente esfriado ao sair do leito de peneirapara separar a água e etanol residual do gás através de con-densação. Em várias modalidades, o vapor e gás que saem sãoesfriados a menos do que cerca de 50°C ou menos do que cercade IO0C ou a cerca de 5°C. Em uma modalidade exemplar, oesfriando é efetuado com um refrigerador de pulverização. 0liquido condensado resultando que contém solvente orgânico eágua pode opcionalmente ser reciclado por destilação e/oucombinação com uma segunda mistura de solvente/água que ésubmetida à outra desidratação sobre o leito de peneira mo-lecular.

0 ensino presente também permite uso de temperatu-ras mais baixas tanto para carregar quanto regenerar os lei-tos de peneira molecular do que usado na técnica anterior.Em uma modalidade exemplar para desidratação de etanol, oleito de peneira molecular é carregado com o vapor de á-gua/etanol a temperatura de cerca de 85°C (185°F) para desi-dratação e regenerado com o gás a uma temperatura de cercade 96,1°C (205°F). Em uma modalidade típica, a pressão é110,3 kPa-124,1 kPa (16-18 psia) tanto para a etapa de car-regamento quanto para etapa de regeneração. Como uma pessoade experiência na técnica pode perceber, não há nenhuma di-ferença significativa na pressão entre as etapas de carrega-mento e regeneração de pressão.Breve Descrição dos Desenhos

Figura 1 mostra um diagrama de fluxo de um exemplode processo de desidratação de etanol do ensino presente

Figura 2 ilustra um sistema de desidratação de e-tanol e regeneração de leito do ensino presente.

Figura 3 esquematicamente ilustra um esquema dedesidratação/regeneração continua que usa três leitos de pe-neira molecular de acordo com o ensino presente.

Figura 4 mostra um plote do percentual de umidadedo etanol anidroso (v/v) vs. equivalentes de volumes de lei-to, comparando o desempenho de um absorvente de peneira mo-lecular vs os adsorventes naturais com os grãos de milho eEnvirostrip, após a regeneração de leito com gás de CO2 se-co .

Figura 5 mostra um plote de percentual de umidadede etanol anidroso (v/v) vs equivalentes de volumes de lei-to, comparando um leito de peneira molecular com o leito ad-sorvente de amido de Envirostrip que usa CO2 saturado como ogás de regeneração.

Figura 6 mostra um plote de percentual de umidadede etanol anidroso (v/v) vs equivalentes de volumes de lei-to, comparando um leito de peneira molecular com o leito ad-sorvente de grãos de milho usando CO2 seco como o gás de re-generação .

Descrição Detalhada da Invenção

A pessoa de experiência na técnica reconhecerá vá-rios termos usados na descrição desta invenção como tendo osignificado ordinariamente entendido na técnica, porém, ostermos "adsorção" e "absorção" são algumas vezes não corre-tamente diferenciados na técnica. Consequentemente, as se-guintes definições são pretendidas abrangerem o significadoordinário dos termos sem limitação, a menos que uma limita-ção especifica seja incompatível com os significados forne-cidos aqui, em cujo caso as definições fornecidas aqui con-trolam.

O termo absorção se refere ao processo que incluiretenção com base em massa de uma substância, tal como, porexemplo, por inclusões de tamanho molecular, por meio doqual as moléculas fluem por uma matriz sólida ou semi-sólidapor poros ou canais ou outras estruturas internas e são as-sim retardadas em seu fluxo pela matriz. Em uma mistura demoléculas que têm tamanhos diferentes, uma classe de molécu-las. pode ser retida dentro das estruturas internas (absorvi-das) durante um período mais longo do que outras moléculasna mistura que são relativamente excluídas de fluxo por taisestruturas internas em base de tamanho.

0 termo adsorção se refere a um processo que in-clui retenção com base em substância química de substância,tal como, por exemplo, por interações iônicas ou de Van derWaals. Durante um processo de fluxo ao redor de e/ou atra-vés de uma adsorção de matriz sólida ocorre quando certasmoléculas interagem com as características de superfície damatriz sólida e são desse modo retardadas em seu fluxo. Emuma mistura de moléculas que têm diferentes característicasestruturais uma classe de moléculas pode diferencialmenteser ligado às características de superfície (adsorvida) amatriz relativo a uma segunda classe de moléculas.

0 termo peneira molecular se refere a uma matrizsólida que tem poros, canais, ou outros espaços internos deum tamanho suficiente para seletivamente permitir a infil-tração ou fluxo total de uma primeira classe de moléculas ousolventes para a exclusão relativa de uma segunda classe demoléculas ou solventes. 0 fluxo diferencial para a primeiraclasse de molécula versus a segunda classe de moléculas re-sulta na absorção diferencial da primeira classe de molécu-las relativo à segunda classe de moléculas desse modo afe-tando a remoção da primeira classe de moléculas de uma mis-tura que inicialmente contém a primeira e segunda classe demoléculas. As peneiras moleculares podem ou não podem tam-bém ter propriedades de adsorção, onde pelo menos uma dasprimeira ou segunda classe de moléculas também pode diferen-cialmente interagir com as características de superfície dapeneira, tal como, por exemplo, por interações hidrofílicasou hidrofóbicas.

0 termo CO2 seco ou gás seco se refere a um gás deregeneração que tem menos teor de umidade do que o efluentede gás de uma peneira molecular no começo de um ciclo de re-generação. Em modalidades alternativas, o gás seco tem umteor de umidade de menos do que 40%, menos do que 20%, menosdo que 20%, menos do que 5% ou menos do que 1%. Em modali-dades típicas, o gás seco é o que ordinariamente é obtido deum fornecedor de um tanque do gás comprimido.

O termo CO2 saturado ou gás saturado se refere aum gás de regeneração que tem teor de umidade suficiente deforma que água condensará formando o gás a alguma temperatu-ra abaixo da temperatura ambiente. Em certas modalidadespara CO2 saturado, uma água precipitará do gás a cerca de5°C.

O ensino presente se refere à regeneração de lei-tos de peneira molecular usados para desidratação de solven-tes orgânicos principalmente por absorção, porém, alguém deexperiência ordinária na técnica reconhecerá que tanto a ab-sorção quanto adsorção, podem ocorrer quando uma mistura éresolvida em suas partes de componente quando fluindo atra-vés de uma matriz de leito de peneira molecular.

Figura 1 é um fluxograma que ilustra uma modalida-de exemplar de um método para desidratar etanol de acordocom o ensino presente. Etanol úmido, normalmente obtido pordestilação de um caldo de fermentação que tem uma concentra-ção de etanol de menos do que 198,5 de prova (menos do que99,25%(v/v)) é fornecido na etapa 10. Tipicamente, o etanolúmido é obtido na prova 180-190 e mais tipicamente em cercade prova 184. Na etapa 15 o etanol úmido é aquecido a umaprimeira temperatura suficiente para vaporizar a mistura.Vantajosamente, e distintamente da técnica anterior, a tem-peratura de carga é tipicamente entre 80 e 95°C, mais tipi-camente cerca de 85°C. Na etapa 20 o vapor de etanol aque-cido é carregado em um leito de peneira molecular na primei-ra temperatura e a uma pressão de cerca de 108,2 a 128,9 kPa(15,7-18,7) psia, que é somente ligeiramente acima da pres-são atmosférica ambiente (tipicamente 101,3 kPa) tal como ésuficiente para urgir um fluxo do vapor através do leito depeneira molecular a uma taxa de fluxo desejada.

Quando o vapor de etanol aquecido passa sobre oleito de peneira molecular uma porção da água no alimento épreferencialmente absorvido no leito de peneira molecular edesse modo removido do fluxo de vapor de etanol. O vapor deetanol de alimento é passado sobre o leito até que o efluen-te de etanol desidratado caia para abaixo de uma especifica-ção desejada como descrito na etapa 25 onde a especificaçãoexemplificada é pelo menos prova 198,5. Se o etanol desi-dratado na etapa 25 atende à especificação, ele é coletadona etapa 30 para obter o produto desejado. Se, porém, asgotas de etanol desidratado abaixo da especificação em ter-mos de teor de água, a coleção do leito de peneira é paradae o leito de peneira é submetido ao processo de regeneraçãona etapa 40. Opcionalmente, como será descrito em maior de-talhe abaixo, para fornecer um processo de desidratação i-ninterrupto continuo, o alimento de etanol pode ser desviadopara um segundo leito de peneira molecular tandem na etapa35 ao mesmo tempo em que o primeiro leito de peneira molecu-lar está sendo regenerado pelo processo de oscilação de tem-peratura do ensino presente na etapa 40.

O processo de regeneração requer aquecer um gás dearraste portador a uma segunda temperatura suficiente paravaporizar a água e qualquer etanol residual retido no leitoda peneira molecular. O gás de arraste não necessita con-ter, e preferivelmente omite etanol ou água. Em tais moda-lidades, o gás é um "gás seco", o que em modalidades típicassignifica que o gás contém menos do que 5% em volume de eta-nol e/ou água por volume de gás. Porém, o ensino presentenão exclui uso de um gás de arraste que também inclui umaporção mais alta de etanol e/ou água (um gás úmido) contantoque a quantidade de água por volume de unidade de gás de ar-raste seja menor do que a quantidade de água por volume nulode leito de peneira. Como usado aqui, "volume nulo" é o vo-lume total do leito de peneira menos o volume do materialsólido. Qualquer gás aquecido capaz de carregar o vapor deágua pode ser usado na prática da invenção. Em modalidadesparticulares, o gás é selecionado de gás carbônico, nitrogê-nio e/ou um gás nobre e por razões econômicas, o gás aqueci-do é preferivelmente CO2.

A segunda temperatura usada para regeneração émaior do que a primeira temperatura usada para carregamento.Em modalidades típicas, a segunda temperatura é maior do quea primeira temperatura em pelo menos 1°C, em pelo menos 5°C,ou em pelo menos 10°C. Em um processo econômico típico paradesidratar etanol, a segunda temperatura é cerca de 81-105°C, mais tipicamente cerca de 96°C. O termo "cerca de"como usado aqui, significa dentro do grau de exatidão e pre-cisão de um instrumento típico usado para medir a temperatu-ra dos gases.

No ensino presente, o gás pode ser aplicado aoleito de peneira na mesma faixa de pressão que foi usada pa-ra carregar a coluna com o alimento de etanol. Na modalida-de exemplar, tanto a pressão de carga quanto a pressão deregeneração é 108-129 kPa. Este contraste com a técnica an-terior, na qual a regeneração do leito de peneira molecularrequer aplicar um vapor de etanol desidratado ao leito depeneira molecular a uma pressão de vácuo de cerca de 13,8-20,7 kPa. Antes do ensino presente, aqueles de experiênciaordinária na técnica creditavam que devido ao tamanho de po-ro muito pequeno de leitos de peneira molecular, a regenera-ção eficiente de tais leitos usados para desidratar solven-tes orgânicos exigiu tanto a oscilação de pressão a um vácuorelativo quanto o uso de solvente anidroso para remover aágua em uma mistura de água solvente. Surpreendentemente,porém, foi descoberto que o gás aquecido aplicado com, oumais preferivelmente sem, tal oscilação de pressão pode serusado para remover água residual suficiente do leito de pe-neira molecular para regenerar a leito sem a necessidade deusar solvente desidratado ou pressões de vácuo significati- vas.

Ao mesmo tempo em que qualquer gás capaz de carre-gar vapor de água é adequado para os métodos ensinados aqui,convenientemente o gás de arraste é CO2 porque é barato efacilmente disponível como um subproduto de um processo defermentação de etanol. 0 efluente de vapor (segundo efluen-te) do fluxo da regeneração do gás aquecido é monitoradoquanto ao teor de água na etapa 50. Ao mesmo tempo em que aágua permanece no segundo efluente acima de um valor especi-ficado, (por exemplo, acima de 0,5%) o fluxo de gás aquecidoé continuado. Opcionalmente, o efluente de vapor do proces-so de regeneração pode ser coletado e esfriado na etapa 60em um condensado de água etanol. 0 gás que permanece depoisda condensação é desse modo secado ou pelo menos parcialmen-te secado com respeito ao gás efluente, e pode ser opcional-mente reaquecido na etapa 65 e usado de novo por regenerar oleito de peneira molecular.

Em um processo economicamente eficiente, o conden-sado de água/etanol é coletado na etapa 70 e agrupado com acorrente de alimento de etanol úmido a ser desidratado comisso, desse modo minimizando o resíduo e maximizando a recu^peração de etanol desidratado na etapa 30. Quando a água noefluente de gás da etapa de regeneração é reduzida para a-baixo do teor de água especificado, o leito de peneira mole-cular é regenerado e pode ser usado para outra desidrataçãode etanol úmido na etapa 10.

Como mencionado na seção Antecedentes, nos métodosda técnica anterior o etanol de alimento úmido é tipicamentecarregado sobre o leito de peneira molecular a pressões etemperaturas mais altas do que no ensino presente. Em moda-lidades de pressão baixa da técnica anterior, a pressão decarga é tipicamente na faixa de 114-170 kPa e a temperaturaé cerca de 93 a 150°C. Nas modalidades de pressão altas, apressão é na faixa de 386-474 kPa e a temperatura é cerca de149°C. Desse modo, na técnica anterior, a relação da pres-são de carga e da pressão de regeneração é pelo menos 8 ve-zes, e a diferença nas pressões, é pelo menos 100 kPa. Aomesmo tempo em que certos aspectos do presente ensino podemser praticados usando pressões de carga mais altas, tais di-ferenças grandes entre as pressões de regeneração e carganão são requeridas, nem é requerido que a pressão de regene-ração seja menor do que a pressão de carga. Na realidade, apressão de regeneração pode ser maior do que a pressão decarga.

No ensino presente, não é necessário haver qual-quer diferença significativa entre a pressão de carga e apressão de regeneração. Por nenhuma "diferença significati-va" é entendido que (i) a relação da pressão de carga para apressão de regeneração é menos do que 5 vezes, menos do que2 vezes, menos do que 50%, ou em modalidades típicas, é me-nos do que 25% ou menos do que 10% e/ou (ii) a diferença napressão de carga e pressão de regeneração é ± 80 kPa, ± 60kPa, ± 40 kPa, ± 20 kPa, ou em modalidades típicas ± 10 kPa.Na prática dos métodos presentes, a pressão de carga e apressão de regeneração podem ser substancialmente as mesmas,significando que a pressão de carga difere da pressão de re-generação por não mais do que ± 50%.

Além disso, na etapa de regeneração, não é neces-sário haver um vácuo relativo à pressão atmosférica ambiente(pressão atmosférica padrão sendo 101,3 kPa (14,7 psia ou 0psig)). 0 ciclo de regeneração (como também o ciclo de car-ga) precisa somente diferir da pressão ambiente por umaquantidade suficiente para empurrar (ou puxar) o fluxo devapor pelo leito a uma taxa de fluxo adequada.

Conseqüentemente, em certas modalidades, a pressãode regeneração pode ser uma pressão positiva de 102 kPa oumaior. Em várias modalidades econômicas, a pressão positivapode estar entre 105 e 150 kPa como na modalidade da Figura2 onde a pressão de regeneração é 108-129 kPa. Em outrasmodalidades, a pressão positiva pode estar entre 105 kPa e olimite da pressão para operação funcional da leito de penei-ra molecular, que é tipicamente cerca de 7000 kPa para lei-tos de zeólito. Em certas outras modalidades, a pressão po-de ser uma pressão negativa relativo ao ambiente suficientepara puxar o gás pelo leito de peneira molecular. Vantajo-saraente, em tais modalidades, a pressão não necessita sertão baixo quanto o vácuo de oscilação de pressão usado parapuxar o vapor de etanol desidratado pelo leito como na téc-nica anterior. A pressão requerida pelo presente ensino pa-ra puxar o gás de arraste de regeneração pelo suporte mole-cular pode ser entre 30 kPa e 98 kPa (isto é, 10-79 kPa me-nor do que a pressão atmosférica padrão). Em várias modali-dades econômicas, a pressão pode ser 50-90 kPa., 60-90 kPa,70-90 kPa ou 50-90 kPa.

Ao mesmo tempo em que o uso das relações de pres-são mais altas, diferenças de pressão e pressões relativas àpressão ambiente dentro de quaisquer das faixas precedentesestão no escopo do presente ensino, a produção das faixasmais altas de pressão é geralmente cara, e não necessáriopara práticas econômicas nos métodos descritos aqui.

Da mesma forma, ao mesmo tempo em que está dentrodo escopo do presente ensino usar a carga mais alta e tempe-raturas de regeneração da técnica anterior, o presente ensi-no permite uma prática mais econômica usando temperaturasmais baixas. Em várias modalidades para desidratar etanol,por exemplo, a temperatura de carga do vapor de etanol/águapode ser tão baixa quanto 80-95°C, e mais tipicamente 85-90°C. A temperatura de carga idealmente econômica levará emconsideração o desempenho do leito, que varia por composiçãoe fabricante. Uma prática econômica típica que usa um leitode peneira molecular de zeólito Tipo 3 de acordo com presen-te ensino usa uma temperatura de carga de cerca de 85°C. Atemperatura de regeneração deveria ser pelo menos I0C, pelomenos 5°C; ou pelo menos IO0C mais alta do que a temperaturade carga. Na modalidade exemplar, a temperatura de regene-ração é cerca de Il0C mais alta do que a temperatura de car-ga. Consequentemente, em várias modalidades econômicas, atemperatura de regeneração pode ser tão baixa quanto 81-105°C e mais tipicamente 90-100°C. Levando em consideração odesempenho do leito, uma prática econômica típica usa umatemperatura de carga de cerca de 96°C.

O produto da produtividade de etanol desidratado émais alto usando o método de gás de regeneração aquecido doensino presente no lugar de outros métodos tal como regene-ração de oscilação de vácuo com vapor de etanol anidroso co-mo o regenerante. Os métodos descritos aqui oferecem bene-fício econômico significante ao processo de desidratação deetanol. Os leitos de peneira molecular regenerados pelosmétodos presentes podem durar até 10 vezes mais tempo d queos leitos de grão de milho, aliviando a necessidade de re-empacotamento freqüente do leito, que é um processo demora-do.

A figura 2 diagramaticamente ilustra um sistema deescala de produção 200 para produzir etanol desidratado queincorpora os métodos do ensino presente. No sistema 200,uma corrente de alimento de etanol aquoso destilado 210 éaquecida a um vapor 215 a uma temperatura de 80-90°C e bom-beada por bomba de vapor 212 em uma das duas colunas de lei-to absorvente de peneira molecular 220a, 220b. Em uma prá-tica típica, um dos leitos absorventes 220a, 220b serão ocu-pados na desidratação do etanol ao mesmo tempo em que o ou-tro está comprometido na regeneração. As colunas apropria-das 220a, 220b podem ser facilmente selecionadas através dedispositivos de controle mecânicos, por exemplo, pelo uso deuma válvula de alimentação 235. 0 alimento de vapor 215 ébombeado para cima pelo leito de peneira molecular 220a ou220b, que absorve a água que resulta em um efluente de vaporde etanol desidratado 232. A válvula de controle 225 podeser usada para selecionar a partir de qual dos leitos de pe-neira molecular 220a, 220b se coletará o efluente de vapordesidratado 232.

O teor de água do efluente de vapor desidratado232 pode ser monitorado por instrumentação de monitoramentoapropriado 235, tal como um higrômetro, cromatografia degás, espectrômetro de massa ou outro equipamento indicadorconfigurado para determinar o teor de água do efluente devapor desidratado 232. Alternativamente, o teor de água doefluente de vapor desidratado 232 pode ser testado manual-mente. Já que o efluente de vapor desidratado 232 atende aespecificação apropriada, ele é passado no refrigerador doproduto 280, que pode, por exemplo, ser um condensador combase em água ou outro tipo de bomba de calor, para condensaro produto de etanol desidratado que é coletado no recipientedo produto 230.

Quando o efluente de vapor desidratado 232 excedea especificação para teor de água, o alimento de vapor deetanol aquoso 215 é trocado pelo outro leito de peneira mo-lecular 220b ou 220a, como pode ser o caso, e o leito de pe-neira molecular usado é submetido à regeneração. A válvulade controle 247 pode ser usada para selecionar o leito apro-priado 220a, 220b para regeneração. Uma corrente de gás CO2seco 2 65 é bombeada por recirculador de vapor 2 62 em um a-quecedor 242 para elevar a temperatura do gás de regeneraçãopara 81-105°C, a temperatura de regeneração sendo seleciona-da para ser mais alta do que a temperatura de carga do ali-mento de vapor original 215. 0 gás de CO2 aquecido 240 édirecionado para o leito de peneira molecular apropriado220a ou 220b a ser regenerado através da válvula de controle247. Notavelmente, a direção do fluxo do gás aquecido 240 épreferivelmente oposta à direção de fluxo da corrente de a-limento de vapor de carga 215, que facilita a regeneração deleito mais eficiente do que quando a direção de fluxo do gásaquecido 240 é a mesma como o fluxo do alimento de vapor deetanol 215. 0 gás de regeneração aquecido 240 pode ser pas-sado sobre os leitos de peneira molecular 220a, 220b a umapressão positiva exatamente acima da pressão ambiente, obvi-ando a necessidade por um aparato a vácuo para reduzir apressão para regeneração efetiva.

O gás de regeneração aquecido 240 passa sobre oleito de peneira molecular 220a, 220b que remove água e eta-nol residual que resulta na segunda corrente de efluente devapor 245. Uma válvula de controle 249 pode ser usada paraselecionar o leito de peneira molecular apropriado 220a,220b do qual será coletada a segunda corrente de alimento deefluente de vapor 245. Outro monitor 250 pode ser usado pa-ra detectar o teor de água da segunda corrente de efluentede vapor 245. Quando a segunda corrente de efluente de va-por 245 tem um teor de água menor do que o valor especifica-do, o leito de peneira molecular 220a, 220b é regenerado.Dependendo da necessidade e tempo de ciclo, em várias moda-lidades, um teor de água menor do que 5%, menor do que 0,5%,menor do que 0,1% ou menor do que 0,01%, pode ser usado comouma especificação para indicar que o leito de peneira mole-cular 220a, 220b está regenerado. A menos que indicado deoutro modo, o % de teores de gás referido aqui são porcenta-gens de volume/volume.

O segundo efluente de vapor 245, que contém umamistura de água e etanol é passado em um refrigerador depulverização ou outra forma de condensador 260, onde a águae etanol no vapor são condensados em uma mistura liquida deetanol/água recuperada 270. A solução de resfriamento 263usado no condensador é esfriada por um refrigerador apropri-ado 267 antes de entrar no condensador 260. 0 condensador260 é ajustado com uma bomba refrigerante de recirculação275 para bombear a solução de resfriamento 263 através docondensador 260 e voltar para o refrigerador 267. A misturaliquida de etanol/água condensada 270 pode ser recuperada ecombinada com a corrente de alimento de etanol/água destila-da inicial 210 a ser recirculada pelo processe de desidrata-ção ao mesmo tempo em que o CO2 esfriado, agora seco, podeser reaquecido e recirculado através do recirculador de va-por 262 e aquecedor 242 a ser re-usado como o gás de regene-ração 240.

Como mencionado aqui antes, em uma usina de escalaindustrial economicamente eficiente, a desidratação continuade etanol é desejada. Para operar continuamente, é necessá-rio manter um fluxo da corrente de alimento inicial 210 doetanol/água a ser desidratado. Manter a corrente de fluxoinicial requer que pelo menos um leito de peneira molecular220a, 220b sempre esteja disponível para receber a correntede entrada de vapor de água/etanol 215. Um sistema de leitode peneira molecular dual 220a, 220b ilustrado na Figura 2pode realizar este objetivo somente se o tempo requerido pa-ra regeneração for menor do que ou igual ao tempo requeridopara desidratação. Na prática porém, quando usando os Iei-tos de peneira molecular para produzir etanol desidratado230 com uma especificação de pelo menos prova 198,5 a partirde uma corrente de alimento de etanol/água destilada típica215 de prova 184, o tempo que a leito de peneira molecularpode ser usado para desidratação é menor do que o tempo exi-gido para regenerar a leito para uso subseqüente. Por exem-plo, em uma modalidade, o ciclo de carga para desidrataçãopoderia continuar durante cerca de 8 minutos antes de o e-fluente cair para abaixo da especificação, ao mesmo tempo emque o tempo exigido para regenerar o mesmo leito de peneiramolecular para obter a mesma capacidade de desidratação foicerca de 16 minutos.

Um modo para obter processo contínuo levando emconta tais exigências de tempo diferencial é adicionar umterceiro leito de peneira molecular ao sistema como esquema-ticamente ilustrado na Figura 3. A corrente de entrada deetanol água 215 é comutada entre três leitos de peneira di-ferentes (Bi, B2 e B3) em pontos alternados no tempo selecio-nados de forma que um leito de peneira esteja sempre dispo-nível durante o ciclo de desidratação ao mesmo tempo em queos outros dois leitos de peneira estão em pontos diferentesno ciclo de regeneração. Por exemplo, usando 8 minutos e 16minutos como tempos de ciclo exemplares para desidratação eregeneração, respectivamente, em tempo igual a zero minuto(TO), o alimento de etanol/água 215 é carregado sobre leitode peneira molecular Bi, o leito B2 ficou regenerando duran-te 8 minutos e o leito B3 está começando o ciclo de regene-ração. Em T8 a corrente de alimento 215 é comutada para oleito de peneira molecular B2, o leito B2 teve 16 minutos deregeneração, e o leito Bi é comutado pelo ciclo de regenera-ção 240 com gás de CO2 seco 265 e leito B3 ficou regenerandodurante 8 minutos. Em Ti6, o alimento 215 é comutado peloleito B3, o leito B3 completou 16 minutos de regeneração, oleito B2 é comutado pelo ciclo de regeneração 240, e o leitoBl ficou regenerando durante 8 minutos. Em T24 minutos acorrente de alimento é comutada de volta para o leito B1,após 16 minutos de regeneração, o leito B3 é comutado para ociclo de regeneração 240, e o leito B2 ficou regenerando du-rante 8 minutos. O ciclo de comutação continua desta manei-ra de forma que sempre haja um leito de peneira molecularpronto para ser ocupado pela desidratação.

Também há modos para operar um processo contínuoque usa somente leitos duais de peneira molecular. Por e-xemplo, um modo é reduzir a velocidade da taxa de fluxo dacorrente de entrada 215 de forma que o tempo usado durante ociclo de desidratação se iguale ao tempo requerido para re-generação. Porque a etapa de regeneração normalmente é Ii-mitante da taxa, a taxa de fluxo do gás de regeneração 240 étipicamente ajustada à taxa máxima tolerada pelo leito depeneira molecular durante o ciclo de regeneração. Durante ociclo de desidratação, as taxas de fluxo mais lentas geral-mente levam às zonas de separação para mais distintas. Des-se modo, o ciclo de desidratação pode ser reduzido para i-gualar o ciclo de regeneração sem afetar adversamente o de-sempenho de desidratação. Porém, uma desvantagem comercialde taxas de fluxo de entrada mais lentas é a produção redu-zida por período de tempo de operação.

Outro modo para concluir os tempos de desidrataçãoe regeneração compatíveis e modificar a especificação para acorrente de entrada de etanol/água destilada 215. Desse mo-do, por exemplo, por outra destilação, a corrente de entradapoderia ser especificada ser pelo menos prova 188 em vez deprova 184. O uso de uma corrente de entrada de grau maisalto 215 significa que os leitos de peneira molecular preci-sam absorver menos água e então podem ser usados durante umperíodo mais longo de tempo antes do efluente de desidrata-ção 232 cair para abaixo da especificação. Porém, o uso deuma entrada de grau mais elevado normalmente incorrerá emenergia e/ou custos de material adicionais para instalar e-quipamento de destilação mais sofisticado para preparar oalimento inicial 215.

O ensino presente pode ser praticado com qualquermaterial de leito de peneira molecular capaz de diferencial-mente absorver água em comparação a etanol. Ao mesmo tempoem que os materiais de leito de peneira molecular preferidossão zeólitos com base em silica de alumínio, outros materi-ais de leito de peneira tal como peneiras com base em polí-mero que têm tamanhos de poro grande bastante para incluirágua e pequeno bastante para excluir etanol, também podemser usados. Com respeito aos zeólitos, há várias fontes co-mercialmente disponíveis de leitos de peneira molecular dezeólito geralmente usadas em desidratação de etanol que sãoadequadas para a prática do presente ensino. Os exemplosincluem, porém não estão limitados a:

Peneira Molecular UOP de UOP LLC, (Des Plaines, ILUSA) Peneira Molecular Tipo 3 A; 0Forma de cilindro. (-1/8"dia.; 1/4 a 3/8" de comprimento); 0Nome químico: Aluminossi-licato de Sódio/Potássio; Synonyms: Zeólito);

Sylobead 564ET3A e 562Et de Grace Davison (W.R.Grace & °Cia.-Conn., Baltimore, MD USA). Sylobead 562Et:(malha de 4x8), é uma peneira molecular Tipo 3 A de alto de-sempenho altamente porosa, em forma esférica na qual as a-berturas de poro têm um diâmetro de aproximadamente 3angstrõms e o tamanho de esfera é um diâmetro de 1/8" nomi-nal. Sylobead 564Et: (malha de 8x12), é um aluminossilicatocristalino Tipo A de alto desempenho, altamente poroso, emforma esférica; a abertura de poro nos cristais tem um diâ-metro de aproximadamente 3 angstrõms controlada por uma taxade permuta elevada do cátion de potássio que minimiza a co-absorção de etanol e o tamanho de esfera é um diâmetro 1/16"nominal;

Grau Tipo Z de Sphinx (Sphinx Adsorbents, Inc.,Springfield MA USA) . Peneira Molecular Tipo Z Grau 3A-8(malha de 4x8) ou Grau 3A-12 (malha de 8x12). Estas são deforma esférica, com uma densidade aparente de 471bs/ft3, umtamanho de poro de 3 angstrõm, cátion tipo K, calor de água1800 BTU/lb de adsorção, teor de água quando transportado1,5% (em peso), capacidade absortiva máximo de 21% (em pe-so), calor especifico 0,23BTU/lb/°F;

Z3-03 de Zeochem (Louisville, KY, USA) . ZeochemZ3-03 ou em malha de 8x12 ou malha de 4x8, forma esférica,nome químico: Mx/n [ (AIO2) χ (SÍO2) y] + H2O, fórmula quími-ca: potássio de sódio sintético ou aluminosilicato de cál-cio, família química: Zeólito de peneira molecular.

Zeólito tipo 3 A molecular de Adcoa Adsorbents &Dessicants 0Corp. (Los Angeles, °CA, USA), que está disponí-vel em potássio e na forma cristalina que tem as seguintes especificações: 3 angstrõms de tamanho de poro nominal, es-trutura de cristal cúbica simples, 21%(em peso) capacidadede água de equilíbrio, 44-46 lbs/cu. ft. de densidade de vo-lume, 10 Ibs de força de esmagamento (conta), 1800 BTU/lb decalor de H2O de adsorção (max), e 10,5 pH de lama.

Para ajudar alguém de experiência ordinária natécnica, os equilíbrios de adsorção e cinéticas de misturasde etanol-água em peneiras moleculares foram quantificadosem sistemas de peneira molecular tal como zeólito cristalino3Α, 4Α, NaX, NaY, tanto na fase líquida quanto na fase devapor (Guan e outros, Separation and Purification Techno-Iogy, 31, pp.31-35 (2003), que está incorporado aqui por re-ferência .

Como descrito nos Exemplos 1 a 4 abaixo, váriosmateriais absorventes de peneira molecular foram comparadoscom os materiais adsorventes de leito de desidratação natu-ral para demonstrar os métodos de regeneração do ensino pre-sente. Os materiais adsorventes de grãos de milho foram u-sados de acordo com os seguintes parâmetros de granulação:(os resultados são uma média de quatro Certificados de Aná-lise) : US No.10: 0,3% maior do que 2 mm (0, 0787 polegadas);US No.16: 87,3% maior do que 1,19 mm (0,0469 polegadas); USNo.20: 10,9% maior do que 0,841 mm (0,0331 polegadas); thruUS No. 20, 1,5% menor do que 0,841 mm (0,0331 polegadas).

Exemplos

Os seguintes exemplos demonstram a invenção emmaiores detalhes. Estes exemplos não são pretendidos limi-tarem o escopo don presente ensino de qualquer forma.

Exemplo 1

Avaliação da Peneira Molecular quanto à CapacidadeDesidratação

Quatro absorventes de peneira molecular diferentesforam estudados. Muitos dos testes iniciais envolveram aregeneração das peneiras moleculares com CO2 seco. Os ab-sorventes de peneira molecular testados foram: peneira emmol UOP; Grace Davison 564ET 3A; Grau 3A-8 Tipo Z Sphinx;Zeochem Z3-03. Todos os absorventes foram contas esféricasde malha 4x8. As colunas de vidro jaquetadas foram usadaspara manter os absorventes.

Tamanho da coluna é: 25mm de diâmetro interno χ600mm de comprimento

O sistema foi operado como segue durante cada ci-clo: o ciclo de alimentação foi realizado durante 8,25 min eo ciclo de regeneração durante 13,75 min, respectivamente.O etanol de alimento (92%(v/v) ) , foi vaporizado bombeando-sepor tubos de aço inoxidável, submergidos em um banho de óleoaquecido e aplicados ao leito a uma temperatura de cerca de85°C. O etanol de produto foi recuperado condensando-se ovapor de descarga em um trocador de calor. As amostras decompósito deste etanol condensado foram testadas quanto aopercentual de umidade.

A falha da peneira molecular foi determinada quan-do o etanol do produto caiu para abaixo de uma especificaçãode prova 198, 5 (99, 25% (v/v) ) · Para avaliar a peneira mole-cular, o alimento foi iniciado a uma taxa de alimento "bai-xa" durante um dia, para garantir equilíbrio, e então foiamostrado. A taxa de alimento de etanol foi aumentada e oprocesso repetido. O gás de regeneração usado, temperaturae taxa de fluxo para todos os adsorventes foram idênticos einalterados durante o teste. A capacidade do adsorvente de-veria ser determinada deste teste. Os resultados estão naTabela 1. A falha de prova de produto é indicada através desublinhado em negrito. Os pontos de dados em duplicata sãoresultados da operação, mais do que um dia, nas condiçõesselecionadas. As peneiras moleculares Grace Davison e Zeo-chem tiveram maior capacidade e mereceram estudo adicional.

Tabela 1. Demonstração de Desidratação de Etanolpor material de Zeólito usando regeneração de oscilação tér-mica .

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Para comparar contra o desempenho de adsorventesnaturais, a matriz de adsorção o ENVIROSTRIP™ (Archer Dani-els Midland Company, Decatur, Illinois, USA), que é um meiode amido de trigo, e grãos de milho convencionais foi avali-ado contra o desempenho das peneiras moleculares Grace Davi-10 son, e Zeochem de acordo com os mesmos métodos e critériospara a falha de prova do produto. Os resultados são mostra-dos na Tabela 2. 0 adsorventes de peneira molecular têmmaior capacidade para água, quando comparados com o mesmovolume de adsorventes naturais.

Tabela 2. Comparação de adsorventes de zeólitoe/com ingredientes naturais.

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Exemplo 2

Regeneração de Leito Adsorvente com CO2 Saturado

Para simular as condições industriais para o pro-cesso de desidratação de etanol, as peneiras moleculares econtas de grão de milho foram regeneradas com CO2 saturado.0 desempenho da regeneração de leito melhorou com a diminui-ção da temperatura de saturação do gás regeneração CO2, istoé, quanto mais baixa a temperatura de CO2, mais água poderiaser removida do etanol. Os dados de comparação de váriaspeneiras moleculares, Envirostrip e grãos de milho (regene-rados com CO2 saturado) e usando um alimento de etanol deprova 184 são mostrados na Tabela 3. Estes testes usaramcolunas idênticas e seguiram o protocolo de teste usado parao Exemplo 1, Tabela 1. A falha da prova do produto, isto é,quando o teor de umidade excedeu 0,75% (v/v) é indicado emnegrito. 0 plote mostrado em Figura 5 demonstra a capacida-de aumentada da peneira molecular.CO2 é um gás que é gerado durante a fermentação deetanol, que o torna um gás facilmente disponível, não infla-mável, perfeitamente adequado para este processo. Duranteum ciclo de regeneração industrial típico, o efluente de va-por de CO2, deixando o leito adsorvente é esfriado para pre-cipitar umidade do gás carbônico. Ao resfriar o vapor a5°C (41°F) a maioria da umidade no CO2 condensa e pode serseparada do gás. Após esta separação, o gás é aquecido auma temperatura próxima de 96°C (205°F) e reciclado peloleito absorvente, removendo a umidade do leito. Desse modo,o leito absorvente foi regenerado suficientemente para serútil para absorver umidade pelo próximo ciclo de alimentaçãode etanol com a mesma fonte de gás usada para regenerar oleito prévio.

Os adsorventes regenerados com CO2 saturado, têmcapacidade adsorvente mais baixa. 0 gás de reciclo satura-do, sempre conterá uma pequena porcentagem de água. A umi-dade flui de uma fonte de umidade elevada para umidade bai-xa. Se o CO2 saturado tem 10% de umidade e CO2 seco tem 0%,a força motriz que move a umidade de fonte elevada para bai-xa, é reduzida por esta quantidade. A diferença pode servista comparando-se a Figura 4 (regeneração de CO2 seco) eFigura 5 (regeneração de CO2 saturado). Com a regeneraçãode CO2 seca, a umidade do produto Envirostrip alcança 1% a-pós ~35 volumes de leito de etanol de alimento e ~28 volumesde leito com regeneração de CO2 saturado. Similarmente, aumidade de produto de grão de milho é 1% após ~50 volumes deleito de alimento (CO2 seco) e ~36 volumes de leito (regene-ração de CO2 saturado).

Tabela 3. Regeneração de Leiro Adsorvente de CO2Saturado.

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Com a peneira molecular Zeochem - o avanço ocorrea ~2,3mL/min (Tabela 3 acima) e ~2,5mL/min (Tabela 1). Estapeneira molecular aumentou a capacidade quando regeneradacom CO2 seco. Com a peneira molecular Grace Davison - o a-vanço não foi alcançado, durante o teste que gerou os dadospara Tabela 3. A prova do produto em 2,4mL/min de taxa dealimento é prova 198,7 (Tabela 3). Porém, a prova de produ-to é 199,8 a uma taxa de alimento de 2,5mL/min quando rege-nerado com CO2 seco (Tabela 1) - umidade de produto maisbaixa com maior taxa de alimento indica capacidade aumentadacom gás de regeneração seco. A regeneração da peneira mole-cular com CO2 seco aumenta a capacidade e desempenho, porémCO2 seco é mais caro para gerar do que CO2, saturado a 5°C.O desempenho das peneiras moleculares excede os adsorventesnaturais com CO2 saturado.

Os adsorventes naturais e zeólitos foram compara-dos com um teste de avanço. Este teste tem todos os adsor-ventes regenerados sob condições idênticas. O alimento éiniciado para coluna, e as amostras do produto foram coleta-das em intervalos de tempo. O avanço do adsorvente é deter-minado para ser quando a umidade de amostra do produto exce-der 0,75%(v/v). Os resultados são plotados na Figura 5. OEnvirostrip e grãos de milho alcançaram avanço com menos doque quarenta volumes de leito de alimento de etanol às colu-nas. A comparação da Figura 4 (regeneração com CO2 seco) eFigura 5 (regeneração com CO2 saturado), a peneira molecularnão alcançou avanço, durante o período de amostra de qual-quer teste.

Exemplo 3

Regeneração de CO2 de Contas de Peneira Molecularde Comprimento Estendido com Gás Seco

As colunas foram montadas para alcançar uma pro-fundidade de leito adsorvente de sete pés (2,1 metros) paracom mais precisão, modelar um leito adsorvente de escala in-dustrial.

Um Ciclo de Desidratação de Etanol típico em umausina industrial poderia ser 8,25 minutos de alimento de e-tanol e cera de 13,75 minutos de ciclo de regeneração de gáscarbônico. As colunas piloto foram operadas ao redor do re-lógio usando os mesmos tempos de ciclo. Um teste de avançofoi usado para determinar/comparar a capacidade de desidratação.Uma vez que o equipamento ficou operando no senti-do horário, antes do Teste de Avanço, o absorvente foi rege-nerado durante 30-90 minutos. Regenerar o absorvente pas-sando-se CO2 aquecido a uma temperatura de cerca de 96°C so-bre o leito em direção inversa ao etanol de alimento, atra-vés da peneira molecular para remover umidade. Este é o ci-clo de regeneração prolongado.

Um teste de avanço usa uma taxa de alimento cons-tante, de 92%v/v de álcool etilico, para o absorvente. Asamostras de produto individuais de etanol foram coletadas aintervalos de tempo e o percentual de umidade foi medido pa-ra cada amostra. "Avanço" ocorreu quando o percentual deágua no produto excedeu 0,75% (v/v) · Quanto maior o tempoque o etanol poderia ser alimentado para uma coluna antes doavanço do produto, mais capacidade o absorvente possuiria.

A figura 6 ilustra a capacidade aumentada, paraadsorção de água comparada com as peneiras moleculares egrãos de milho.

Exemplo 4

Colunas de Leito de Desidratação de Etanol de Com-primento Estendido operando com regeneração de CO2 saturado

Para outro modelo do equipamento industrial - oleito de desidratação de comprimento estendido foi operadoregenerando-se com gás carbônico saturado. Os dados do sen-tido horário são compilados na Tabela 4. A Tabela 4 tambémlistas um % da Produção do Produto, que foi calculado como opercentual em peso do etanol do produto recuperado do etanolde alimento.Tabela 4. Coluna de leito de desidratação de com-primento estendido com regeneração de CO2 saturado, a 5°C.

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O desempenho de coluna de peneira molecular foiconstantemente mais elevado do que os adsorventes naturais.Os absorventes sempre receberam regenerações idênticas. Ascolunas de peneira molecular operaram a taxas de alimentoque foram até 46% mais elevada do que a taxa de alimento dosgrãos de milho. A produção do etanol produzido com peneiramolecular sempre excedeu o adsorvente natural. A taxa dealimento mais elevada e a produção dos adsorventes de penei-ra molecular os permitiu substituir o adsorvente natural,produzir mais etanol, ter menos reciclo e reduzir o gasto decapital.

Como visto na Tabela 2, Tabela 3, Tabela 4, Figura4 e Figura 5 - os adsorventes de zeólito têm maior capacida-de para água, do que os adsorventes naturais. Um aumento daprodução e maior rendimento seriam esperados com quantidadesmaiores de etanol que avança através dos adsorventes de zeó-lito.

Considerando modalidades particulares desta inven-ção que foram descritas para propósitos de ilustração, seráevidente para aquelas pessoas versadas na técnica que nume-rosas variações dos detalhes do presente ensino podem serfeitas sem afastar-se da invenção como definido nas reivin-dicações juntadas.

Claims (34)

1. Processo para regenerar um leito de peneira mo-lecular para reúso na desidratação de etanol, CARACTERIZADOpelo fato de que compreende:contatar um leito de peneira molecular que foipreviamente carregado com uma primeira mistura de água e oetanol a uma primeira temperatura - com um fluxo de um gásde arraste a uma segunda temperatura maior do que a primeiratemperatura, para formar um vapor efluente que compreende ogás de arraste, água e etanol residual removido do leito depeneira molecular para regenerar o leito de peneira molecu-lar para reúso.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é CO2.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é um gás se-co .

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira mistura é carrega-da no leito de peneira molecular a uma primeira pressão e ogás de arraste é contatado com o leito de peneira moleculara uma segunda pressão que difere da primeira pressão em me-nos do que 80 kPa.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira e segunda pressãosão substancialmente iguais.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é contatadocom o leito de peneira molecular a uma pressão positiva emrelação à pressão ambiente.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão positiva está entre-105 kPa e um limite de pressão do leito de peneira molecular.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão está entre 105 e 150 kPa.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda temperatura é maiordo que a primeira temperatura em pelo menos 5°C.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o leito de peneira molecularé compreendido de um material de zeólito.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira mistura é carrega-da no leito de peneira molecular em uma primeira direção defluxo e o gás é contatado com o leito de peneira molecularem uma segunda direção de fluxo oposta à primeira direção defluxo.

12. Processo para desidratar uma mistura de etanole água, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:a) contatar uma primeira mistura de etanol e águacom um leito de peneira molecular, com uma primeira tempera-tura suficiente para vaporizar a primeira mistura e a umaprimeira pressão suficiente para urgir a primeira misturapelo leito de peneira molecular;b) coletar um primeiro efluente contendo etanol,tendo menos água do que a primeira mistura e retendo o leitode peneira molecular usado; ec) contatar o leito de peneira molecular usado comum gás de arraste a uma segunda temperatura maior do que aprimeira temperatura e a uma segunda pressão que difere daprimeira pressão em menos do que 80 kPa, para formar um se-gundo efluente compreendendo uma mistura de vapor do gás dearraste, água e etanol residual eluidos do leito de peneiramolecular para obter um leito de peneira molecular regenera-do .

13. Processo, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui desi-dratar uma segunda mistura de etanol e água com o leito depeneira molecular regenerado.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADO pelo fato de que:a) o leito de peneira molecular é um leito de pe-neira molecular de zeólito;b) a primeira temperatura é 80-95°C e a primeirapressão é 105-150 kPa; eb) a segunda temperatura maior do que a primeiratemperatura é 81-105°C e a segunda pressão é substancialmen-te igual à primeira pressão.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é CO2 seco.

16. Processo, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira temperatura é cer-ca de 85°C e a segunda temperatura é cerca de 96°C.

17. Processo, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui:a) coletar e esfriar o segundo efluente para con-densar a água e etanol para formar um gás seco recuperado euma mistura recuperada de água e etanol;b) combinar a mistura recuperada de água e etanolcom uma segunda mistura de água e etanol a ser desidratada;ec) desidratar a mistura combinada pelo ato b usan-do o leito de peneira molecular regenerado.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás seco recuperado é usadocomo o gás de arraste para a regeneração do leito de peneiramolecular.

19. Sistema para desidratar etanol, de acordo como processo da reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque compreende:a) um primeiro leito de peneira molecular;b) um segundo leito de peneira molecular; ec) montagens de válvulas de controle configuradaspara independentemente mudar um fluxo da primeira mistura deetanol/água e um fluxo de gás de arraste, entre o primeiro esegundo leitos de peneira molecular, de forma que pelo menosum dentre o primeiro e segundo leito de peneira seja compro-metido para desidratar o etanol ao mesmo tempo em que o ou-tro dos leitos de peneira molecular está comprometido paraser regenerado com o gás de arraste.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui um con-densador e montagens de válvulas de controle configuradospara coletar e condensar água e etanol residual de um eflu-ente do leito de peneira molecular ocupado na regeneração epara dirigir a água condensada e etanol residual para o pri-meiro leito de peneira molecular ocupado na desidratação.

21. Processo para regenerar um leito de peneiramolecular para reúso na desidratação de um solvente orgâni-co, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende,contatar um leito de peneira molecular que tenhasido previamente carregado com uma primeira mistura de águae o solvente orgânico a uma primeira temperatura - com umfluxo de um gás de arraste a uma segunda temperatura maiordo que a primeira temperatura, para formar um vapor efluenteque compreende o gás de arraste, água e solvente orgânicoresidual removido do leito de peneira molecular para regene-rar o leito de peneira molecular para desidratar uma segundamistura de água e o solvente orgânico.

22. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que o solvente orgânico é etanol.

23. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é CO2.

24. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira mistura é carrega-da no leito de peneira.molecular a uma primeira pressão e ogás de arraste é contatado com o leito de peneira moleculara uma segunda pressão que difere da primeira pressão em me-nos do que 80 kPa.

25. Processo, de acordo com a reivindicação 24,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira e segunda pressãosão substancialmente iguais.

26. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de regeneração é conta-tado com o leito de peneira molecular a uma pressão positivaem relação à pressão ambiente.

27. Processo, de acordo com a reivindicação 26,CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão positiva é entre-105 kPa e um limite de pressão do leito de peneira molecu-lar .

28. Processo, de acordo com a reivindicação 26,CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão está entre 108 e129 kPa.

29. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda temperatura é maiordo que a primeira temperatura em pelo menos 5°C.

30. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui coletare esfriar o efluente para condensar a água e solvente orgâ-nico para formar um gás seco e uma mistura recuperada de á-gua e solvente orgânico.

31. Processo, de acordo com a reivindicação 30,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda mistura de água esolvente orgânico carregada no leito de peneira molecular écompreendida da mistura recuperada de água e solvente orgâ-nico .

32. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que o leito de peneira molecularé compreendido de um material de zeólito.

33. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira mistura é carrega-da no leito de peneira molecular em uma primeira direção defluxo e o gás é contatado com o leito de peneira molecularem uma segunda direção de fluxo oposta à primeira direção defluxo.

34. Processo, de acordo com a reivindicação 21,CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é um gás se-co.