BRPI0700641B1 - método para produzir produto argônio, e equipamento para a produção de produto argônio - Google Patents
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Abstract
método para produzir produto argônio, e equipamento para a produção de produto argônio um método e equipamento para a produção de argônio de alta pureza mediante destilação criogênica e tecnologias de adsorção combinadas é revelado. argônio bruto proveniente de uma coluna de destilação ou de uma assim chamada coluna de argônio é passado a um sistema de vasos de adição para purificação adicional. o gás de despressurização proveniente da adição é introduzido de volta, em um modo controlado, para a coluna de destilação e/ou um compressor ou outros dispositivos para aumentar a pressão. a filtração de particulados e purificação por absorvedor de gases pode ser opcionalmente usados.
Description
MÉTODO PARA PRODUZIR PRODUTO ARGÔNIO, E EQUIPAMENTO PARA A PRODUÇÃO DE PRODUTO ARGÔNIO
Fundamentos da invenção Essa invenção está relacionada a um equipamento e a um método para a produção de argônio de alto teor de pureza. Mais especificamente, essa informação está relacionada a um equipamento e método para melhorar a recuperação de argônio a partir dn ar usando uma coluna de retificação criogênica em combinação com um adsorvedor por oscilação de pressão.
Um fluxo de argônio bruto contendo cerca de 0,215¾ em volume de oxigênio e cerca de 1% em volume de nitrogênio pode ser recuperado na operação de uma unidade criogênica de separação de ar que produção oxigênio e/ou nitrogênio. Um dos métodos também geralmente empregados para purificar a corrente de argônio, é o assim chamado método desoxo, por meio do que o oxigênio na corrente de argônio bruto é reagido com excesso de hidrogênio. Esse processo é intenso no consumo de energia, uma vez que a corrente de gás é aquecida até uma alta temperatura de reação e posteriormente resfriada a temperaturas criogênicas para remover o excesso de hidrogênio e o nitrogênio residual. Em adição, esse processo pode não ser prático naquelas partes do mundo onde a disponibilidade de hidrogênio seja limitada. Um outro método, baseado em destilação criogênica apenas, requer o uso de uma grande coluna de argônio ou de uma coluna provida de muitos estágios. Métodos adicionais incluem o uso de membrana(s) sólida(s) de eletrólito, dois ou mais leitos de adsorção em um processo a vácuo de adsorção por oscilação de pressão (VPSA), sistema absorvedor de gases/desoxo, e adsorção por oscilação de temperatura (TSA). A retificação criogênica do ar para produzir oxigênio, nitrogênio e/ou argônio é bem conhecida. Tipicamente, um processo criogênico em três estágios é usado, onde o suprimento de ar é separado em nitrogênio e oxigênio em um sistema de coluna dupla que utiliza vapor nitrogênio de topo a partir de uma coluna de pressão mais alta para ferver novamente o liquido de fundo rico em oxigênio em uma coluna de pressão mais baixa, e fluido contendo argônio proveniente da coluna de baixa pressão é passado numa coluna de argônio bruto para a produção de produto argônio. Por exemplo, a Patente Norte-Americana U.S. No. 5.440.884 para Bonequist e Locket, revelou um sistema criogênico de retificação, empregando um sistema de coluna dupla com uma coluna de argônio bruto associada, para produzir argônio de alta pureza (>99,9991). A fim de produzir argônio de alta pureza, uma grande coluna de argônio ou uma coluna de argônio provida de muitos estágios foi usada. De acordo com a Patente Norte-Americana U.S. No. 5.440.884, a grande coluna de argônio bruto é preferivelmente dividida em duas colunas de argônio separadas, e uma coluna de extração é usada na parte mais acima da coluna dupla principal para suprimir a irreversibilidade termodinâmica do condensador de topo da coluna de argônio bruto e da coluna de pressão mais baixa. A Patente Norte-Americana U.S. No. 4.477.265 para Kumar e outros, revela a adsorção de oxigênio e nitrogênio a partir de um suprimento rico em argônio tomado a partir da coluna de retificação de uma unidade industrial de separação criogênica do ar. De acordo com essa patente, argônio de alta pureza é separado e recuperado a partir de uma corrente de argônio bruto contendo quantidades menores de oxigênio e nitrogênio, através de adsorção seletiva desses contaminantes em uma série de colunas de adsorção (leitos). Em uma modalidade, o sistema utiliza duas colunas adsorventes separadas em série onde a primeira coluna contém um adsorvente seletivo de equilíbrio nitrogênio (por ex., zeólito) que é usado para a remoção de nitrogênio, e o segundo leito contendo um adsorvente seletivo da taxa de oxigênio (por ex., peneira molecular de carvão) usada para a remoção de oxigênio. A purificação adicional do argônio recuperado pode ser realizado por hidrogenação catalítica do oxigênio residual contido. A Patente Norte-Americana U.S. No. 6.527.831 para Baksh e outros, revela um sistema de adsorção a vácuo por oscilação de pressão para purificar argônio a partir de uma corrente de suprimento de argônio bruto utilizando dois leitos de adsorção e promove continuamente a corrente de suprimento de argônío bruto ao leito durante o processo com a simultânea equalização da pressão nos dois leitos em equalizações finais topo-a-topo e fundo-a-fundo em cada leito em seguida da purga de cada leito. A Patente Norte-Americana U.S. No. 6,351.971 para Nguyen e outros, revela um processo e sistema para produzir produto argônío de alta pureza com alta recuperação de argônío a partir de uma corrente de suprimento de ar utilizando uma coluna de argônío de baixa relação, uma coluna de argônío de alta relação e uma unidade de adsorção a vácuo por oscilação de pressão em combinação com uma unidade industrial de separação criogênica do ar.
Outras patentes relacionadas com a produção de argônío incluem a Patente Norte-Americana U.S. No. 5.730.003 para Nguyem e outros, Patente Norte-Americana U.S. No. 5.557.951 para Prasad e outros, Patente Norte-Americana U.S. No. 5.601.634 para Jain e outros, Patente Norte-Americana U.S. No. 5.519.816 para Kovak e outros, Patente Norte-Americana U.S. No. 4.239.509 para Bligh e outros.
Breve Sumário da Invenção Como pode ser observado a partir da arte, seria desejável prover um sistema e processo para produzir produto argônío com 99,999 moles por cento de argônío com menos de 1 ppm de oxigênio e menos de 1 ppm de nitrogênio. Aperfeiçoamentos no refino de argônio bruto em um sistema criogênico de separação do ar tem sido de há muito perseguidos. Fatores econômicos, geneticamente com uma especificação de pureza mais restrita quanto ao argônio, aumenta a necessidade para melhorar o processamento para eliminar de modo mais completo tanto o oxigênio e o nitrogênio do produto de argônio.
Embora a pureza do argônio seja importante, seria .. desejável recuperar uma maior parcela do argônio a partir da destilação criogênica do ar.
Seria desejável manter a estabilidade da coluna de destilação criogênica. Não foi identificado até o momento que algum dos métodos de purificação mais adiante possam impactar a estabilidade da coluna de destilação criogênica.
Por exemplo, com referência à Figura 1, a produção de argônio pode ser aumentada à medica que a corrente de ... suprimento argônio 180 proveniente da coluna de baixa· pressão (não mostrada) para a coluna de argônio bruto 150 é aumentado. A corrente de suprimento 180 pode apenas ser aumentada até o ponto onde a corrente não contenha quantidades significativas de nitrogênio. O nitrogênio na corrente de suprimento 180 é prejudicial para a operação da coluna de argônio bruto 150 uma vez que o nitrogênio irá se acumular como um vapor no condensador 170. Se o vapor de nitrogênio é deixado acumular no condensador 170, o condensador 170 irá cessar de funcionar apropriadamente, e o líquido acumulado na coluna 150 pode fluir de volta para o interior da coluna de baixa pressão; assim chamado "esvaziamento da coluna". No esvaziamento da coluna,- o oxigênio produzido é contaminado e a coluna irá tipicamente ser fechada. A taxa de fluxo da corrente de suprimento 180 pode ser trazida mais próxima ao limite sem esvaziar a coluna, contanto que as flutuações no sistema sejam minimizadas. Para melhorada produção de argônio, o processamento mais adiante, tal como a purificação do argônio, deverão prover mínimas flutuações no sistema.
Por exemplo, quaisquer correntes que retornam para a coluna de argônio bruto 150, tal como a corrente 190, deverão estar estáveis a fim de minimizar as flutuações na coluna 150. Qualquer variação na corrente 190 irá afetar a corrente de suprimento 180. Isso é porque o condensador 170 atua para drenar uma quantidade fixa de vapor para o interior da coluna 150 à medida que ele transforma vapor em líquido. Portanto, a variabilidade na corrente 190 irá causar variabilidade na corrente de suprimento 180. A presente invenção é pretendida a prover os benefícios acima mencionados enquanto superando as desvantagens da arte já existente.
Em uma modalidade, a presente invenção é um método para produzir argônio que compreende extrair um fluido contendo argônio a partir de uma coluna de destilação criogênica, aumentando a pressão de pelo menos uma parcela do fluido contendo argônio em um dispositivo para aumentar a pressão formando desse modo um fluido comprimido contendo argônio, introduzir pelo menos uma parcela do fluido comprimido contendo argônio em uma parte final de um primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão, extrair : um primeiro gás rico em argônio a partir de uma segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão. Após o término da introdução do fluido comprimido contendo argônio em um primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão, o método de acordo com essa modalidade também compreende extrair um gás de despressurização a partir de pelo menos uma parte final e uma parte intermediária do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão reduzindo desse modo a pressão no primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão para uma pressão final de despressurização, regular o fluxo de pelo menos uma parte do gás de despressurização mediante passagem da pelo menos uma parcela do gás de despressurização a um dispositivo para moderar o fluxo formando desse modo um gás de despressurização controlado, e introduzir pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado em pelo menos um de coluna de destilação criogênica e dispositivos para aumento da pressão.
Por pelo menos 901 a 95% do tempo do ciclo, a pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado pode ter uma taxa de fluxo molar situada entre 50% e 400%, ou entre 66% e 200%, da taxa de fluxo molar temporal média da pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado. A pressão final de despressurização pode ser de 0 kPa a 137,9 kPa (0 psig a 20 psig). O fluido contendo argônio pode compreender mais que 50% de argônio em volume. O primeiro gás rico em argônio pode compreender mais que 90% de argônio em volume. 0 primeiro gás rico em argônio pode compreender menos de 0,001% de oxigênio em volume. 0. método de acordo com a invenção pode compreender uma ou mais das seguintes características, tomadas sozinhas ou em quaisquer combinações técnicas possíveis.
Os dispositivos para moderar o fluxo na presente invenção podem compreender um dispositivo de avaliar a capacitância do gás e uma restrição de fluxo mais adiante. Os dispositivos de avaliar a capacitância do gás podem ter um volume que é de 0,5 a 20 vezes o volume do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão. O fluido comprimido contendo argônio pode compreender oxigênio, e o método pode também compreender adsorver cineticamente o oxigênio no primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão usando peneira molecular de carvão. 0 método inventivo pode também compreender extrair um primeiro gás de equalização a partir da porção intermediária do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão, introduzir pelo menos uma parcela o primeiro gás de equalização em uma primeira parte final de um segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão, extrair um segundo gás de equalização a partir da segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão, e introduzir pelo menos uma parcela do segundo gás de .. equalização em uma segunda parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão. 0 método inventivo pode adicionalmente compreender introduzir um segundo gás rico em argônio a partir de pelo menos um de segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão e um terceiro vaso de adsorção por oscilação de pressão na segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão durante pelo menos uma parte da etapa de extrair o gás de despressurização. 0 método inventivo pode adicionalmente compreender filtrar pelo menos uma parcela do gás de despressurização. 0 método inventivo pode também compreender filtrar pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado. 0 método inventivo adicionalmente compreende■ introduzir pelo menos uma parcela do primeiro gás rico em argônio em uma outra coluna de destilação criogênica. 0 método inventivo pode adicionalmente compreender introduzir pelo menos .uma parcela do primeiro gás rico em argônio em um vaso purificador contendo um absorveaor ae gas.
Em uma modalidade a presente invenção é um equipamento para produzir produto argônio compreendendo uma coluna de destilação possuindo uma entrada e uma saída, a saída para a extração de um fluido contendo argônio, um dispositivo para aumentar a pressão do fluido contendo argônio possuindo uma entrada e uma saída, a entrada em comunicação fluida com a saída da coluna de destilação, um primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão possuindo uma primeira parte de entrada, uma parte intermediária, e uma segunda parte final, a primeira parte final em comunicação fluida seletiva com a saída dos . dispositivos para aumentar a pressão, e um segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão possuindo uma primeira parte final, uma parte intermediária, e uma segunda parte final, a primeira parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão em comunicação fluida seletiva com a saída dos dispositivos para aumentar a pressão. 0 equipamento da presente invenção adicionalmente compreende um dispositivo para moderar fluxo possuindo uma entrada e uma saída, a entrada dos meios para moderar fluxo em comunicação fluida seletiva com a primeira parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão e em comunicação fluida com a primeira parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão, a saída dos dispositivos para moderar o fluxo em comunicação fluida com pelo menos um de coluna de destilação e a entrada dos meios ' para aumentar a pressão.
Os dispositivos para moderar fluxo podem compreender um dispositivo de avaliar a capacitância do gás e uma restrição de fluxo mais adiante. A restrição de fluxo mais adiante pode compreender pelo menos uma válvula de controle de fluxo. Os dispositivos de capacitância do gás podem ter um válvula de 0,5 a 20 vezes maior que o volume do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão. 0 equipamento de acordo com a invenção pode compreender uma ou mais das características seguintes, tomadas sozinhas ou em quaisquer combinações técnicas possíveis. O primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão e o segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão podem conter peneira molecular de carvão. A parte intermediária do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão pode estar em comunicação fluida com a primeira parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão e a segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão pode estar em comunicação fluida com a segunda parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão. O equipamento de acordo com a presente invenção pode compreender um filtro de particulados possuindo uma -entrada e uma saída, a entrada do filtro de particulados em comunicação fluida com a saída dos meios para moderar fluxo, a saída em comunicação fluida com a entrada da coluna de destilação. 0 equipamento de acordo com a presente invenção pode compreender uma outra coluna de destilação possuindo uma saída e uma entrada, a entrada da outra coluna de destilação em comunicação fluida seletiva com a segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão e em comunicação fluida seletiva com a segunda parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão. 0 equipamento de acordo com a presente invenção pode compreender um vaso purificador contendo um absorvedor de gases. 0 vaso purificador pode estar em comunicação fluida com a saída do vaso de adsorção por oscilação de pressão. A saída do purificador de saída pode estar em comunicação fluida com a entrada da outra coluna de destilação.
Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática de um equipamento de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção A produção de argônio a partir de uma unidade industrial de separação criogênica do ar é conhecida.
ConvencionaJLmente, a unidade industrial de separação criogênica do ar irá possuir colunas de destilação de alta e baixa pressão e uma coluna de argônio bruto como descrito na Patente Norte-Americana U.S. No. 5.313.800 para Howard-e outros. Em alguns casos a coluna de argônio bruto pode ser incorporada dentro da coluna de baixa pressão em uma configuração de parede dividida como descrito na Patente Norte-Americana U.S. No. 6.240.744.
Como usado aqui, o termo "coluna" significa uma coluna ou zona de destilação ou de fracionamento, Isto é, onde as fases liquidas ou vapor são contatadas em contracorrente para efetuar a separação de uma mistura fluida, como por exemplo, mediante o contato das fases vapor e liquida em uma série de bandejas ou placas espaçadas verticalmente montadas dentro da coluna e/ou elementos de empacotamento tais como empacotamento estruturado ou aleatório. Para uma discussão adicional de colunas de destilação, ver The Chemical Engineer's Handbook, quinta edição, editado por R.H. Perry e C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, Nova Iorque, Seção 13, The Continuous Distillation Process. O termo, coluna dupla, é usado para significar uma coluna de pressão mais elevada possuindo sua porção superior em troca térmica em relação com a parte inferior de uma coluna de pressão mais baixa.
Modalidades da invenção são mostradas com referência à Figura 1, que ilustra um equipamento 1 para r-ealizar as etapas de processo da invenção. Equipamento relacionados à destilação criogênica podem ser construídos através de meios conhecidos na arte. Equipamento correlacionados com a adsorção por oscilação de pressão podem ser construídos através de meios conhecidos na arte. As condições operacionais conhecidas na arte, exceto como especificamente indicado, podem ser usadas para realizar essa invenção.
Uma corrente de suprimento de argônío 180 proveniente da coluna de baixa pressão (não mostrada) é introduzida à coluna de argônio bruto 150. A coluna de argônio bruto pode ter múltiplas seções empacotadas ou dispostas em bandejas 152 e 154. O líquido 181 pode ser removido do fundo da coluna de argônio bruto 150 e introduzida de volta para a coluna de baixa pressão. Uma corrente de gás 156, que pode compreender mais que 50% em volume de argônio, é extraída próximo do topo da coluna e pelo menos parcialmente condensada no condensador 170. O condensador 170 pode estar integrado com a coluna de argônio bruto 150 ou pode ser um vaso em separado. Uma parcela da corrente pelo menos parcialmente condensada 172 pode ser introduzida de volta para a coluna de argônio bruto 150 como uma corrente 174, enquanto que uma outra parcela 176 pode ser passada através de um trocador de calor opcional 60 e para um dispositivo para aumentar a pressão 50 formando desse modo um fluido comprimido contendo argônio. Os dispositivos para aumentar a pressão podem ser um compressor, um soprador, ou outro dispositivo conhecido na arte, ou um evaporador que aumenta a pressão através da expansão liquido para gás. 0 fluido comprimido contendo argônio pode ser passado a um vaso de compensação opcional 40. 0 fluido comprimido contendo argônio é passado a um sistema de adsorção por oscilação de pressão (PSA). O fluido comprimido contendo argônio pode ter uma temperatura entre -20 °C e 50 °C e possuir uma pressão entre 206,8 kPa e 896,3 kPa (30 psig e 130 psig). 0 sistema de adsorção por oscilação de pressão compreende pelo menos dois vasos de adsorção por oscilação de pressão 10 e 20, cada um contendo uma ou mais camadas de adsorventes. Uma das camadas pode compreender peneira molecular de carvão (CMS). Os adsorventes da peneira molecular de carvão operam baseados em uma seletividade cinética para oxigênio comparada ao argônio. O oxigênio se difunde. ao interior do adsorvente mais rapidamente que o argônio, permitindo ao argônio ser purificado. Adsorventes baseados na seletividade cinética são distintos dos adsorventes que operam em seletividade por equilíbrio (ou termodinâmica). Adsorventes que operem em seletividade por equilíbrio possuem uma afinidade maior para um componente relativamente aos outros componentes em uma mistura gasosa em equilíbrio. Em adição a um adsorvente CMS, o vaso de adsorção por oscilação de pressão pode conter um zeólito, ou como uma camada separada ou mista com a CMS, que possui uma seletividade termodinâmica para o nitrogênio relativamente ao argônio. 0 sistema de adsorção por oscilação de pressão pode operar por meio de várias etapas cíclicas conhecidas na arte, especialmente as etapas usadas em sistemas PSA para nitrogênio.
Em uma fase do ciclo da PSA, o fluido comprimido contendo argônio é introduzido em uma primeira parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10 por meio da válvula aberta 12. Enquanto esse fluido comprimido contendo argônio está sendo introduzido, gás rico em argônio, que pode compreender mais que 90% em volume de argônio e menos que 0,001 % em volume de oxigênio, é extraído de uma segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10. O gás rico em argônio pode passar através da , válvula de produto 15 e válvula 38. Pelo menos uma parcela do gás rico em argônio pode ser passada através do vaso de compensação opcional 54, trocador de calor opcional 60, coluna de destilação opcional 120, e em seguida a um vaso de armazenamento do argônio produzido 100.
Em pelo menos uma modalidade da invenção, a coluna de destilação opcional 120 remove nitrogênio adicional antes da introdução da corrente ao vaso de armazenamento do argônio produzido 100. Nitrogênio líquido proveniente de uma outra parte do processo de destilação criogênica pode ser introduzido através do conduto 164 para a seção condensadora da coluna de destilação 120. O condensador pode estar integrado na coluna de destilação 120 ou pode ser um vaso em separado. Uma corrente contendo quantidades aumentadas e nitrogênio pode ser rejeitada a partir do topo da coluna 120 através do conduto 124 e uma corrente com argônio purificado sair através do conduto 128. O argônio produzido pode ser extraído a partir do vaso de armazenamento de argônio produzido 100 como necessário, através do conduto 102. O vaporizado proveniente do vaso de armazenamento de argônio produzido 100 pode ser passado a uma coluna de destilação opcional 120 através do contudo 104.
Como parte de uma outra fase do ciclo de PSA, a introdução do fluido comprimido contendo argônio em um vaso de adsorção por oscilação de pressão 10 é finalizada pelo fechamento da válvula 12.
Como parte de uma outra fase do ciclo de PSA, um gás de despressurização é extraído a partir do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10 através da válvula 11 e/ou válvula opcional 14, reduzindo desse modo a pressão no vaso de adsorção por oscilação de pressão 10 até uma pressão final de despressurização. A pressão final de despressurização no vaso de adsorção por oscilação de pressão 10 pode ser de 0 kPa a 137,9 kPa (0 psig a 20 psig).
Durante pelo menos parte da etapa de extrair gás de despressurização, o gás rico em argônio pode ser introduzido através de uma válvula dosadora 17 em uma segunda parte final do vaso de_a“dsorção por oscilação de pressão 10. O gás rico em argônio pode ser provido a partir do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20, vaso de compensação opcional 52, ou um outro vaso de adsorção por oscilação de pressão no caso de mais que dois vasos de adsorção.
Em pelo menos uma modalidade da invenção, pelo menos uma parcela do gás de despressurização é passada a um dispositivo para moderar o fluxo, mostrado esquematicamente como uma válvula de controle de fluxo 32. Os dispositivos para moderar fluxo podem compreender pelo menos um de uma válvula de controle de fluxo, um dispositivo de avaliar a . capacitância do gás em combinação com uma restrição de fluxo mais adiante, e uma válvula de controle onde a pressão a jusante seja controlada.
Uma válvula de controle de fluxo é definida aqui como um dispositivo que pode produzir resistência variável ao fluxo. A resistência desse dispositivo é variado a fim de conseguir uma desejada faixa de taxas de fluxos.
Uma restrição de fluxo a jusante dos dispositivos de avaliar capacitância do gás pode ser qualquer tipo de válvula, um orifício ou semelhante.
Uma válvula de controle de pressão a jusante é definida aqui como um dispositivo que pode produzir resistência variável ao fluxo. A resistência desse dispositivo é variada a fim de conseguir uma desejada faixa de pressões a jusante da válvula de controle de pressão.
Em uma modalidade da invenção, pelo menos uma parcela do gás de despressurização é passada a uma válvula de controle de fluxo 32, regulando desse modo o fluxo do gás de despressurização e pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado é introduzida a uma posição à montante dos dispositivos para aumento de pressão 50.
Em uma outra modalidade da invenção, pelo menos uma parcela do gás de despressurização é passada a um meio de avaliar capacitância do gás 30 e em seguida a uma válvula de controle de pressão 32, regulando desse modo o fluxo do gás de despressurização. Pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulada é introduzida a uma posição à montante dos dispositivos para aumento de pressão 50. O dispositivo opcional de avaliar capacitância do gás 30 pode ser um vaso de compensação e/ou um volume de conduto. 0 meio de avaliar capacitância do gás 30 pode ter um volume de 0,5 a 20 vezes maior, ou de 2 a 10 vezes maior, que o volume do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10.
Em uma outra modalidade da invenção, pelo menos uma parcela do gás de despressurização é opcionalmente passada .através de um filtro (não mostrado) antes de ser introduzido aos dispositivos para aumento de pressão 50.
Em uma outra modalidade da invenção, pelo menos uma parcela do gás de despressurização é opcionalmente passada aos dispositivos de avaliar capacitância do gás 30 e em seguida para a válvula de controle 34, por meio do que se regula o fluxo do gás de despressurização. O gás de despressurização regulado pode ser opcionalmente passado ao filtro opcional 42 e ao trocador de calor 60 e em seguida introduzido na coluna de argônio bruto 150. O filtro , opcional 42 remove quaisquer particulados que possam estar na corrente proveniente dos vasos de adsorçâo 10 e 20. O gás de despressurização regulado pode ser introduzido a uma ou mais posições na coluna de argônio bruto 150 como mostrado na Figura 1.
Em uma outra modalidade da invenção, durante uma parte do ciclo de processo, pelo menos uma parcela do gás de despressurização é passada aos dispositivos de avaliar capacitância do gás 30 e pelo menos uma parcela do gás de despressurização se desvia dos dispositivos de avaliar capacitância do gás 30 através da válvula 31. Durante essa parte do ciclo, a válvula 35 está fechada e as válvulas 32 e/ou 34 podem ser usadas para controlar a taxa de fluxo do gás de despressurização. Durante uma parte subseqüente do ciclo de processo, a válvula 33 se fecha para impedir1gás adicional de adentrar aos dispositivos de avaliar eapacitâneia, do gás 30. As válvulas 32 e/ou 34 continuam a controlar o fluxo até uma parte mais posterior do ciclo quando a válvula de controle de fluxo 35 se abre para permitir a saída do gás aos dispositivos de a-valiar capacitância do gás 30. Essa modalidade pode prover uma reduzida pressão de leito na PSA. . De acordo com uma modalidade da invenção, para facilitar a estabilidade do processo de destilação, o gás de despressurização regulado, isto é regulado por uma ou mais das válvulas de controle 32 e 34, possui uma taxa de fluxo molar situada entre 50% e 400% da taxa de fluxo molar temporal média do gás de despressurização regulado para pelo menos 90% do tempo de ciclagem do ciclo de PSA. Nesse ponto a taxa de fluxo é definida como a taxa de fluxo molar imediatamente a jusante dos dispositivos para moderação do fluxo. Os vasos de adsorção por oscilação de pressão são submetidos a repetidas operações de processo, tais como pressurização e despressurização, em um modo cíclico. O período de tempo requerido para completar um ou mais de tais ciclos é referido como o tempo de ciclagem. Em uma outra modalidade da invenção, para pelo menos 95% do tempo de ciclagem, o gás de despressurização regulado possui uma taxa de fluxo molar na faixa de 66% e 200% da taxa de fluxo molar temporal média do gás de despressurização regulada. Em uma outra modalidade da invenção, para pelo menos 95% do tempo de ciclagem, o gás de despressurização regulado possui uma taxa de fluxo molar na faixa de 80% e 1201 da taxa de fluxo molar temporal média do gás de despressurização regulado.
Em uma outra modalidade da invenção, o processo compreende uma etapa de equalização. O gás de equalização pode ser extraído a partir de uma parte intermediária do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10, passado através da válvula 14 e válvula de retenção 23, e introduzido em uma parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20. 0 gás de equalização pode ser também extraído a partir da segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10, passado através das válvulas 16 e 26, e introduzido em uma segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20.
Como é típico dos sistemas de adsorção, pelo menos um vaso está em uma fase de produção enquanto que pelo menos um outro está em uma fase de regeneração, permitindo ... desse modo a produção contínua do gás de produção.
Portanto, em uma outra fase do ciclo PSA, fluido comprimido contendo argônio é introduzido em uma primeira parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20 por meio da válvula aberta 22. Embora esse fluido comprimido contendo argônio esteja sendo introduzido, gás rico em argônio é extraído a partir da segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20. Gás rico em argônio pode passar através da válvula de produto 25 e válvula 38. Pelo menos uma parte do gás rico em argônio pode ser passado através do vaso de compensação opcional 52, purificador opcional 54, trocador de calor opcional 60, coluna de destilação opcional 120, e em seguida a um vaso de armazenamento do argônio produzido 100. 0 argônio produzido pode ser extraído, como o necessário, através do conduto 102.
Como parte de uma outra fase do ciclo PSA, a introdução do fluido comprimido contendo argônio ao interior do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20 é terminada pelo fechamento da válvula 22.
Como parte de uma outra fase do ciclo de PSA, um gás de despressurização é extraído a partir do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20 através da válvula 21 e/ou válvula opcional 24, reduzindo desse modo a pressão no vaso de adsorção por oscilação de pressão 20 até uma pressão final de despressurização. A pressão final de despressurização no vaso de adsorção por oscilação de pressão 20 pode ser de 0 kPa a 137,9 kPa (0 psig a 20 psig).
Durante pelo menos uma parte da etapa de extrair gás de despressurização, o gás rico em argônio pode ser introduzido através de uma válvula dosadora 17 em uma segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20. O gás rico em argônio pode ser provido a partir do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10, vaso de -compensação opcional 52, ou ura outro vaso de adsorção por oscilação de pressão no caso de mais que dois vasos de adsorção. 0 gás de despressurização que são do vaso de adsorção 20 pode fluir através dos dispositivo para moderação do fluxo e filtro opcional 42 no mesmo modo como o gás de despressurização que saiu do vaso de adsorção 10.
Em uma modalidade da invenção que compreende uma etapa de equalização, o gás de equalização pode ser extraído a partir de uma porção intermediária do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20, passado através da válvula 24 e da válvula de retenção 13, e introduzida em uma primeira parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10. O gás de equalização pode ser também extraído a partir da segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 20, passado através da válvula 16 e válvula 26, e introduzido em uma segunda parte final do vaso de adsorção por oscilação de pressão 10.
Exemplo ■ Como discutido acima, existe uma taxa de fluxo limite da corrente de suprimento proveniente da coluna de baixa pressão onde, acima dessa taxa de fluxo limite, quantidades prejudiciais de nitrogênio são passadas para a coluna de argônio. Na prática, o sistema pode ser operado próximo dessa taxa de fluxo limite contanto que os fluxos ao longo do sistema como um todo estejam estáveis. Para estudar o efeito, um sistema de coluna de destilação criogênica foi modelado por um programa de computador de simulação dinâmica. 0 sistema compreendia uma coluna de baixa pressão e uma coluna de argônio bruto anexada.
No Caso 1, a representação da operação usando um dispositivo para moderar o fluxo com o perfeito controle do fluxo, o fluxo de reciclo para a coluna de argônio bruto (corrente 190 na Figura 1) foi mantido a uma taxa estável, R. No Caso 2, a representação da operação usando um meio para moderar o fluxo com o moderado controle do fluxo, o fluxo de reciclo para a coluna de argônio bruto foi mantido a 66% de R para a maior parte do período e 200% de R apenas brevemente, mas ainda possuindo uma taxa temporal média de R. No Caso 3, a representação da operação sob o comportamento natural do fluxo de reciclo não controlado sem dispositivos de moderação de fluxo, o fluxo de reciclo para a coluna de argônio bruto foi mantido a 70% de R para a maior parte do período, brevemente a 200% de R, e brevemente a fluxo zero, mas ainda possuindo uma taxa temporal média de R.
No Caso 1, o sistema pode operar próximo da taxa de fluxo limite proporcionando desse modo a recuperação máxima teórica de argônio. Para esse caso, a composição inicial do nitrogênio na corrente 180 foi de 1,5 ppm. Pelo fato de não haver perturbação, o cálculo da simulação dinâmica mostra que a composição de nitrogênio na corrente 180 foi de 1,5 ppm, No Caso 2, para uma concentração inicial de 1,5 ppm de nitrogênio, o cálculo da simulação dinâmica mostra que a composição de nitrogênio na corrente 180 cresce para acima de 300 ppm de nitrogênio. Para corrigir a situação a concentração inicial de nitrogênio precisa ser reduzida a 0,15 ppm. Para conseguir isso para o Caso 2, a taxa de fluxo para a coluna de argônio bruto foi reduzida.
De modo similar, para o Caso 3, o cálculo da simulação dinâmica mostra que a concentração inicial de nitrogênio precisa ser reduzida para 0,005 ppm para impedir a concentração de nitrogênio de crescer até niveis inaceitáveis. Para conseguir isso para o Caso 3, a taxa de fluxo para a coluna de argônio bruto foi reduzida ' novamente.
Para resumir, a simulação dinâmica demonstra que a concentração de nitrogênio na corrente 180 precisa ' ser reduzida por 1 a 2 ordens de magnitude, dependendo do grau da variabilidade do fluxo.
Simulações do estado de estabilidade baseadas na limitação da redução da concentração de argônio por 1 ordem de magnitude para o Caso 2, e de 3 ordens de magnitude para o Caso 3 demonstra o impacto no consumo de energia. da instalação industrial como um todo. Essas simulações mostram que o sistema pode processar cerca de 0,4% a 1,5% mais ar de suprimento para o Caso 2 relativamente ao Caso 1. A variabilidade na penalidade do fluxo do ar de suprimento está relacionada com a contagem do estágio inicial na seção de destilação na coluna de baixa pressão acima do ponto onde o suprimento da coluna de argônio bruto é extraído. 0 sistema consome mais energia para processar mais ar de suprimento. A penalidade de energia para o Caso 2 relativamente ao Caso 1 é calculado ser de 0,31 a 1,5%.
De modo similar, no Caso 3, o sistema pode necessitar processar cerca de 1,0% a 5,9% mais ar de suprimento para constituir a produção de argônio perdida para o Caso 3 relativamente ao Caso 1. A penalidade de energia para o Caso 3 relativamente ao Caso 1 é calculada ser de 1% a 5,9%.
Os resultados dos dois conjuntos de simulações mostram que a regulação do fluxo do gás de despressurização por meio de um dispositivo para moderar fluxo melhora a eficiência do processo relativamente a processos sem os dispositivos para moderar fluxo. Como os dispositivos para moderar fluxo proporcionam menos variabilidade de fluxo, a eficiência do processo pode ser aperfeiçoada. A presente invenção foi apresentada com respeito às diversas modalidades preferidas. Entretanto, o escopo da presente invenção deverá ser verificado a partir das reivindicações apresentadas a seguir. - REIVINDICAÇÕES -
Claims (23)
1. MÉTODO PARA PRODUZIR PRODUTO ARGÔNIO, caracterizado por compreender: extrair um fluido contendo argônio a partir de uma primeira coluna de destilação criogênica(150); aumentar a pressão de pelo menos uma parcela do fluido contendo argônio em um dispositivo(50) para aumentar pressão formando assim um fluido comprimido contendo argônio; introduzir pelo menos uma parcela do fluido comprimido contendo argônio em uma primeira parte final de um vaso de adsorção por oscilação de pressão(10); extrair um primeiro gás rico em argônio a partir de uma segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10); finalizar a introdução do fluido comprimido contendo argônio ao primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10); extrair um gás de despressurização a partir de pelo menos uma parte final e uma parte intermediária do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) reduzindo desse modo a pressão no primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) para uma pressão final de despressurização; regular o fluxo de pelo menos uma parcela do gás de despressurização mediante passar pelo menos uma parcela do gás de despressurização a um dispositivo para moderar o fluxo formando desse modo um gás de despressurização regulado; e introduzir pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado em pelo menos uma da primeira coluna de destilação criogênica(150) e os dispositivos para aumento de pressão. em que os dispositivos para moderar fluxo compreendem pelo menos um de uma válvula de controle de fluxo, um dispositivo de avaliar a capacitância do gás em combinação com uma restrição de fluxo mais adiante, e uma válvula de controle onde a pressão a jusante seja controlada.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por para pelo menos 90% do tempo de ciclagem, pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado possui uma taxa de fluxo molar na faixa de 50% e 400% da taxa de fluxo molar temporal média da pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os dispositivos para moderar fluxo compreender um dispositivo de avaliar capacitância do gás(30) e uma restrição de fluxo a jusante(32, 34).
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os dispositivos de avaliar capacitância do gás(30) possuir um volume de 0,5 a 20 vezes maior que o volume do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10).
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fluido comprimido contendo argônio compreender oxigênio, o método adicionalmente compreender adsorver cineticamente o oxigênio no primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) usando peneira molecular de carvão.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender: extrair um primeiro gás de equalização a partir da porção intermediária do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10); introduzir pelo menos uma porção do primeiro gás de equalização a uma primeira parte final de um segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20); extrair um segundo gás de equalização da segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10); e introduzir pelo menos uma parcela do segundo gás de equalização em uma segunda parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20).
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fluido comprimido contendo argônio compreender mais que 50% em volume de argônio.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o primeiro gás rico em argônio compreender mais que 90% em volume de argônio.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o primeiro gás rico em argônio compreender menos que 0,001% em volume de oxigênio.
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a pressão final de despressurização ser de 0 kPa a 137,9 kPa (0 psig a 20 psig).
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender: introduzir um segundo gás rico em argônio a partir de pelo menos um segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão (20) e um terceiro vaso de adsorção por oscilação de pressão em uma segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) durante pelo menus uma parte do etapa de extrair o gás de despressurização.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender: filtrar pelo menos um de pelo menos uma parcela do gás de despressurização e a pelo menos uma parcela do gás de despressurização regulado.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender: introduzir pelo menos uma parcela do primeiro gás rico em argônio em uma segunda coluna de destilação criogênica(120).
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender: introduzir pelo menos uma parcela do primeiro gás rico em argônio em um vaso purificador (54) contendo um absorvedor de gases.
15. EQUIPAMENTO PARA A PRODUÇÃO DE PRODUTO ARGÔNIO, caracterizado por compreender: uma primeira coluna de destilação(150) possuindo uma entrada e uma saída, a saída para extrair um fluido contendo argônio; um dispositivo(50) para aumento de pressão do fluido contendo argônio possuindo uma entrada e uma saída, a entrada em comunicação fluida com a saída da primeira coluna de destilação; um primeiro vaso de adsorção por oscilação(10) de pressão(10) possuindo uma segunda parte final, uma parte intermediária, e uma segunda parte final, a primeira parte final em comunicação fluida seletiva com a saída dos dispositivos(50) para aumento de pressão; um segundo vaso de adsorção por oscilação(20) de pressão(20) possuindo uma primeira parte final, uma parte intermediária, e uma segunda parte final, a primeira parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20) em comunicação fluida seletiva com a saida dos dispositivos(50) para aumento de pressão; e um dispositivo para moderar fluxo possuindo uma entrada e uma saida, a entrada dos dispositivos para moderar fluxo em comunicação fluida seletiva com a primeira parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) e em comunicação fluida seletiva com a primeira parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20), a saida dos dispositivos para moderar fluxo em comunicação fluida com pelo menos um da entrada da primeira coluna de destilação(150) e a entrada dos dispositivos(50) para aumento de pressão, em que os dispositivos para moderar fluxo compreendem pelo menos um de uma válvula de controle de fluxo, um dispositivo de avaliar a capacitância do gás em combinação com uma restrição de fluxo mais adiante, e uma válvula de controle onde a pressão a jusante seja controlada.
16. Equipamento, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por: os dispositivos para moderar fluxo compreender dispositivos de avaliar capacitância de gases(30) e uma restrição de fluxo a jusante(32, 34).
17. Equipamento, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por a restrição de fluxo a jusante (32, 34) compreender pelo menos uma válvula de controle de fluxo.
18. Equipamento, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por os dispositivos de avaliar capacitância de gases(30) possuir um volume de 0,5 a 20 vezes maior que o volume do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) .
19. Equipamento, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão (10) e o segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20) contêm peneira molecular de carvão.
20. Equipamento, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a parte intermediária do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) estar em comunicação fluida seletiva com a primeira parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20) e onde a segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10) está em comunicação fluida seletiva com a segunda parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20).
21. Equipamento, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por adicionalmente compreender: um filtro de particulados(42) possuindo uma entrada e uma saida, a entrada do filtro de particulados(42) em comunicação fluida com a saida dos meios para moderar fluxo, a saida em comunicação fluida com a entrada da primeira coluna de destilação.
22. Equipamento, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por adicionalmente compreender: uma segunda coluna de destilação(120) possuindo uma saída e uma entrada, a entrada da segunda coluna de destilação(120) em comunicação fluida seletiva com a segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão (10) e em comunicação fluida seletiva com a segunda parte final do segundo vaso de adsorção por oscilação de pressão(20).
23. Equipamento, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por adicionalmente compreender: um vaso purificador(54) contendo um absorvedor de gases, o vaso purificador(54) possuindo uma entrada e uma saída, a entrada do vaso purificador(54) em comunicação fluida seletiva com a segunda parte final do primeiro vaso de adsorção por oscilação de pressão(10), a saída do purificador em comunicação fluida com a entrada da segunda coluna de destilação(120).
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