BRPI0702969B1

BRPI0702969B1 - Processo de adsorção por modulação de pressão para separação de uma mistura gasosa de alimentação contendo dois ou mais componentes

Info

Publication number: BRPI0702969B1
Application number: BRPI0702969-1A
Authority: BR
Inventors: Sang Kook Lee; Justin David Bukowski; Carolyn Taylor Zelson; Mark Ephraim Levine
Original assignee: Air Products And Chemicals, Inc
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2022-09-27
Also published as: ES2364195T5; PL1880753T5; JP2008055408A; KR100939064B1; US8529674B2; PL1880753T3; EP1880753B1; ATE510609T1; EP1880753B2; JP5009708B2; EP2314366A1; TW201213001A; US20080022851A1; CN101143285A; ES2555861T3; ES2364195T3; US7879138B2; TW200812690A; EP1880753A3; US20100294133A1

Abstract

PROCESSO DE ADSORÇÃO POR MODULAÇÃO DE PRESSÃO PARA SEPARAÇÃO DE UMA MISTURA GASOSA DE ALIMENTAÇÃO CONTENDO DOIS OU MAIS COMPONENTES, SISTEMA DE ADSORÇÃO DE OSCILAÇÃO DE PRESSÃO, SISTEMA DE ADSORÇÃO DE OSCILAÇÃO DE PRESSÃO PARA SEPARAÇÃO DE UMA MISTURA GASOSA DE ALIMENTAÇÃO CONTENDO DOIS OU MAIS COMPONENTES, E PROCESSO DE ADSORÇÃO DE OSCILAÇÃO DE PRESSÃO PARA SEPARAÇÃO DE UM GÁS DE ALIMENTAÇÃO CONTENDO DOIS OU MAIS COMPONENTES Trata-se de um processo de adsorção por modulação de pressão para separação de uma mistura gasosa de alimentação compreendendo (a) provisão de um sistema de adsorção de modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente disposto em dois ou mais vasos em uma configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção; (b) realização de etapas seqüenciais cíclicas compreendendo adsorção/fabricação de produto, retirada de gás a uma pressão decrescente do leito compósito, purga do leito compósito, e introdução de gás no leito compósito a uma pressão crescente; e (c) para qualquer uma das etapas seqüenciais, definição de uma taxa de fluxo ou taxas de fluxo de um ou mais gases selecionados do grupo que consiste em gás (...).

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0001] A adsorção por modulação de pressão (“Pressure Swing Adsorption”- PSA) é um método bem conhecido para separação de misturas gasosas em granel e para purificação de correntes gasosas contendo baixas concentrações de componentes indesejáveis. O método foi desenvolvido e adaptado para uma ampla gama de gases de alimentação, condições de operação, purezas de produtos, e recuperação de produtos. Muitos sistemas de adsorção por modulação de pressão utilizam dois ou mais leitos adsorventes paralelos operados em uma seqüência cíclica para manutenção de uma taxa de fluxo de produto constante enquanto leitos selecionados executam diversas etapas incluindo adsorção/fabricação de produto, despressurização, evacuação, purga, equalização de pressão, repressurização, e outras etapas associadas. Uma multiplicidade de leitos adsorventes utilizando numerosas etapas de processo são requeridos para obtenção de alta pureza e/ou recuperação de produtos gasosos valiosos tais como hidrogênio, óxidos de carbono, gás de síntese, hidrocarbonetos leves, e similares. Os sistemas de PSA de múltiplos leitos que utilizam estas etapas de processo são igualmente aplicados na recuperação de oxigênio a partir do ar para diversas aplicações industriais e para concentradores de oxigênio portáteis para uso medicinal.

[0002] Uma seleção e construção adequada dos leitos e vasos adsorventes constitui um importante fator para minimização de custos de capital e para maximização da eficiência operacional dos sistemas de PSA. Diversos tipos de construções foram utilizados na técnica para obtenção de um contato adequado entre o gás e o adsorvente durante as etapas do processo, e muitas construções são projetadas para instalação no interior de vasos de pressão cilíndricos. Os adsorventes granulares são amplamente utilizados e podem ser instalados em leitos cilíndricos em que o gás flui em uma direção axial ou em leitos anulares em que o gás flui em uma direção radial. Vários métodos foram utilizados para suporte dos leitos de adsorvente granular em configurações de fluxo axial ou radial.

[0003] Subsiste uma necessidade, na técnica de separação de gases por adsorção, de construções de vasos que maximizem a quantidade de trabalho de fabricação realizado em oficina e minimizem a quantidade de trabalho de fabricação e montagem requerido durante a instalação em campo. Isto requer vasos adsorventes que possam ser transportados para o destino de forma segura e com sua montagem praticamente completada, preferencialmente de uma forma em que os vasos sejam preenchidos com adsorvente já na fábrica. Existe adicionalmente uma necessidade de construções de leitos que minimizem o volume vazio (isto é, o volume ocioso não ocupado por adsorvente) no interior dos vasos de adsorção. Adicionalmente, é desejável utilizar construções de dispositivos de adsorção e métodos de fabricação que assegurem um desempenho substancialmente idêntico de cada leito de adsorção na operação de sistemas de PSA de múltiplos leitos. Adicionalmente, existe uma necessidade de métodos operacionais e construções aperfeiçoados para instalações de PSA de grande porte com taxas de produção de gás superiores à capacidade de sistemas de circuito único que utilizam vasos de adsorção com o diâmetro máximo passível de ser transportado.

[0004] Estas necessidades são abordadas pelas configurações da invenção descritas abaixo e definidas pelas reivindicações que se encontram a seguir.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0005] Uma configuração da invenção refere-se a um processo de adsorção por modulação de pressão para separação de uma mistura gasosa de alimentação contendo dois ou mais componentes, o processo compreendendo (a) provisão de um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente disposto em dois ou mais vasos em configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção; (b) realização de etapas seqüenciais cíclicas compreendendo (b1) introdução da mistura gasosa de alimentação nas extremidades de alimentação de dois ou mais vasos do leito compósito e retirada de gás produzido das extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito, (b2) retirada de gás a uma pressão decrescente das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, (b3) purga do leito compósito mediante introdução de gás de purga nas extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito e retirada de gás efluente de purga das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, e (b4) introdução de gás nas extremidades de produção e/ou nas extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito a uma pressão crescente; e (c) para qualquer uma das etapas seqüenciais, sendo definida uma taxa de fluxo ou taxas de fluxo de um ou mais gases selecionados do grupo que consiste em (c1) gás introduzido na extremidade ou extremidades de alimentação de quaisquer dos dois ou mais vasos, (c2) gás introduzido na extremidade ou extremidades de produção de quaisquer dos dois ou mais vasos, (c3) gás retirado da extremidade ou extremidades de alimentação de quaisquer dos dois ou mais vasos, e (c4) gás retirado da extremidade ou extremidades de produção de quaisquer dos dois ou mais vasos.

[0006] A taxa de fluxo ou taxas de fluxo podem ser definidas para manutenção dos valores de parâmetros de controle selecionados para os dois ou mais vasos de tal forma que (a) a diferença absoluta entre os parâmetros de controle selecionados para quaisquer dois dos dois ou mais vasos seja inferior a um valor previamente determinado, ou (b) a diferença absoluta entre o parâmetro de controle selecionado de cada um dos dois ou mais vasos do leito compósito e a média dos parâmetros de controle para cada um dos dois ou mais vasos do leito compósito seja inferior a um valor previamente determinado, em que o parâmetro de controle para cada vaso é selecionado do grupo que consiste em (1) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (2) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (3) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (4) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (5) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no espaço vazio do adsorvente em um ponto selecionado no vaso; (6) o diferencial de pressão entre dois pontos no vaso em um momento selecionado durante as etapas seqüenciais; (7) a temperatura mínima ou máxima em um ponto selecionado nos vasos durante as etapas seqüenciais; e (8) a pressão mínima ou máxima em um ponto selecionado no vaso durante as etapas seqüenciais.

[0007] Uma outra configuração da invenção inclui um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente e possuindo uma extremidade de alimentação de leito compósito e uma extremidade de produção de leito compósito, o um ou mais leito(s) compósito(s) possuindo um coletor de extremidade de alimentação de leito compósito, e um coletor de extremidade de produção de leito compósito, em que cada um dos um ou mais leitos compósitos compreende dois ou mais vasos dispostos em uma configuração de fluxo paralelo possuindo um coletor de extremidade de alimentação de vaso e um coletor de extremidade de produção de vaso, cada vaso contendo uma parte do material adsorvente e possuindo uma extremidade de alimentação de vaso e uma extremidade de produção de vaso, em que o coletor de extremidade de alimentação de leito de um leito compósito é adaptado para dispor a extremidade de alimentação desse leito compósito em comunicação de fluxo com as extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos através do coletor de extremidade de alimentação de vaso, em que o coletor de extremidade de produção de leito compósito é adaptado para dispor a extremidade de produção desse leito compósito em comunicação de fluxo com as extremidades de produção dos dois ou mais vasos através do coletor de extremidade de produção de vaso respectivo, e em que (a) o coletor de extremidade de alimentação de qualquer vaso compreende um ou mais dispositivos de restrição de fluxo, cada dispositivo sendo adaptado para ajustar a taxa de fluxo de gás para a extremidade de alimentação de um respectivo vaso e/ou para ajustar a taxa de fluxo de gás retirado da extremidade de alimentação do respectivo vaso, e/ou (b) o coletor de extremidade de produção de qualquer vaso compreende um ou mais dispositivos de restrição de fluxo, cada dispositivo sendo adaptado para ajustar a taxa de fluxo de gás para a extremidade de produção de um respectivo vaso e/ou para ajustar a taxa de fluxo de gás retirado da extremidade de produção do respectivo vaso.

[0008] Qualquer um dos um ou mais dispositivos de restrição de fluxo poderá ser selecionado do grupo que consiste em orifícios, válvulas ajustáveis, segmentos de tubulação de diâmetro reduzido, e válvulas de retenção ajustáveis.

[0009] Uma configuração associada da invenção consiste em um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo dois leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente e possuindo uma extremidade de alimentação de leito compósito e uma extremidade de produção de leito compósito, cada leito compósito possuindo um coletor de extremidade de alimentação de leito compósito, e um coletor de extremidade de produção de leito compósito, em que cada leito compósito compreende 2 até 20 vasos dispostos em uma configuração de fluxo paralelo possuindo um coletor de extremidade de alimentação de vaso e um coletor de extremidade de produção de vaso, cada vaso contendo uma parte do material adsorvente e possuindo uma extremidade de alimentação de vaso e uma extremidade de produção de vaso, em que o coletor de extremidade de alimentação de leito compósito de um leito compósito é adaptado para dispor a extremidade de alimentação desse leito compósito em comunicação de fluxo com as extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos através do coletor de extremidade de alimentação de vaso, em que o coletor de extremidade de produção de leito compósito é adaptado para dispor a extremidade de produção desse leito compósito em comunicação de fluxo com as extremidades de produção dos dois ou mais vasos através do coletor de extremidade de produção de vaso respectivo, e em que cada coletor de extremidade de alimentação de vaso compreende um orifício e/ou cada coletor de extremidade de produção de vaso compreende um orifício.

[00010] Uma outra configuração associada inclui um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo (a) um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente e possuindo uma extremidade de alimentação de leito compósito e uma extremidade de produção de leito compósito; (b) um coletor de extremidade de alimentação de leito compósito adaptado para introdução de gás na extremidade de alimentação de cada leito compósito e para retirada de gás da extremidade de alimentação de cada leito compósito; (c) um coletor de extremidade de produção de leito compósito adaptado para introdução do gás na extremidade de produção de cada leito compósito e para retirada de gás da extremidade de produção de cada leito compósito; em que cada um dos um ou mais leitos compósitos compreende partes do material adsorvente dispostas respectivamente em dois ou mais vasos em configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção, em que os dois ou mais vasos incluem (d) um coletor de extremidade de alimentação de vaso em comunicação de fluxo com o coletor de extremidade de alimentação de leito compósito e adaptado para dividir o fluxo de gás para a extremidade de alimentação de cada leito compósito em correntes gasosas individuais e introdução das correntes gasosas individuais nos dois ou mais vasos, respectivamente, e para retirada e combinação de correntes gasosas individuais dos dois ou mais vasos para provisão do fluxo gasoso da extremidade de alimentação do leito compósito; e (e) um coletor de extremidade de produção de vaso em comunicação de fluxo com o coletor de extremidade de produção de leito compósito e adaptado para dividir o fluxo de gás para a extremidade de produção de cada leito compósito em correntes gasosas individuais e introdução das correntes gasosas individuais nos dois ou mais vasos, respectivamente, e para retirada e combinação de correntes gasosas individuais dos dois ou mais vasos para provisão do fluxo gasoso da extremidade de produção do leito compósito; e em que (i) o coletor de extremidade de alimentação de vaso compreende um ou mais dispositivos de restrição de fluxo, cada dispositivo sendo adaptado para definir uma taxa de fluxo de gás para a extremidade de alimentação de um respectivo vaso e para definir uma taxa de fluxo de gás retirado da extremidade de alimentação do respectivo vaso, e/ou (ii) o coletor de extremidade de produção de vaso compreende um ou mais dispositivos de restrição de fluxo, cada dispositivo sendo adaptado para definir uma taxa de fluxo de gás selecionada para o interior da extremidade de produção de um respectivo vaso e para definir uma taxa de fluxo de gás retirado da extremidade de produção do respectivo vaso.

[00011] Uma configuração adicional da invenção refere-se a um processo de adsorção por modulação de pressão para separação de uma mistura gasosa de alimentação contendo dois ou mais componentes, o processo compreendendo (a) provisão de um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente disposto em dois ou mais vasos em configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção; (b) realização de etapas seqüenciais cíclicas compreendendo (b1) introdução da mistura gasosa de alimentação nas extremidades de alimentação de dois ou mais vasos de um leito compósito e retirada de gás produzido das extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito, (b2) retirada de gás a uma pressão decrescente das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, (b3) purga do leito compósito mediante introdução de gás de purga nas extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito e retirada de gás efluente de purga das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, e (b4) introdução de gás nas extremidades de produção e/ou nas extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito a uma pressão crescente; (c) seleção de um parâmetro de controle; e (d) para qualquer uma das etapas seqüenciais, sendo definida uma taxa de fluxo ou taxas de fluxo de um ou mais gases selecionados do grupo que consiste em (d1) gás introduzido na extremidade ou extremidades de alimentação de quaisquer dos dois ou mais vasos, (d2) gás introduzido na extremidade ou extremidades de produção de quaisquer dos dois ou mais vasos, (d3) gás retirado da extremidade ou extremidades de alimentação de quaisquer dos dois ou mais vasos, e (d4) gás retirado da extremidade ou extremidades de produção de quaisquer dos dois ou mais vasos, em que a taxa de fluxo é definida ou as taxas de fluxo são definidas para manutenção dos valores de parâmetro de controle para vasos selecionados dos dois ou mais vasos de tal forma que a diferença absoluta entre os valores para quaisquer dois dos vasos selecionados seja inferior a um valor previamente determinado.

[00012] Nesta configuração, o parâmetro de controle pode ser selecionado do grupo que consiste em (1) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (2) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (3) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (4) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (5) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no espaço vazio do adsorvente em um ponto selecionado no vaso; (6) o diferencial de pressão entre dois pontos no vaso em um momento selecionado durante as etapas seqüenciais; (7) a temperatura mínima ou máxima em um ponto selecionado nos vasos durante as etapas seqüenciais; e (8) a pressão mínima ou máxima em um ponto selecionado no vaso durante as etapas seqüenciais.

[00013] Uma outra configuração adicional da invenção inclui um processo de adsorção por modulação de pressão para separação de um gás de alimentação contendo dois ou mais componentes, o processo compreendendo (a) provisão de um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente disposto em dois ou mais vasos em configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção; (b) realização de etapas seqüenciais cíclicas compreendendo (b1) introdução da mistura gasosa de alimentação nas extremidades de alimentação de dois ou mais vasos de um leito compósito e retirada de gás produzido das extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito, (b2) retirada de gás a uma pressão decrescente das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, (b3) purga do leito compósito mediante introdução de gás de purga nas extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito e retirada de gás efluente de purga das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, e (b4) introdução de gás nas extremidades de produção e/ou nas extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito a uma pressão crescente; (c) seleção de um parâmetro de controle, uma etapa seqüencial específica, e uma corrente gasosa em entrada em qualquer vaso ou em saída de qualquer vaso durante a etapa seqüencial específica; (d) determinação para verificar se o parâmetro de controle aumenta ou diminui quando a taxa de fluxo é aumentada para a corrente gasosa selecionada que entra no vaso ou sai do vaso durante a etapa seqüencial específica; (e) durante a realização das etapas seqüenciais cíclicas, determinação do valor do parâmetro de controle para cada vaso e o valor médio do parâmetro de controle para todos os vasos do leito compósito; e (f) se o parâmetro de controle aumentar quando a taxa de fluxo da corrente gasosa que entra em um vaso ou sai de um vaso aumenta durante a etapa seqüencial específica conforme determinado em (d) e se o valor do parâmetro de controle para o vaso selecionado for superior ao valor médio do parâmetro de controle para todos os vasos do leito compósito durante a etapa seqüencial específica, sendo promovido um decréscimo da taxa de fluxo de gás de entrada ou saída do vaso selecionado; ou (g) se o parâmetro de controle aumentar quando a taxa de fluxo da corrente gasosa que entra em um vaso ou sai de um vaso aumenta durante a etapa seqüencial específica conforme determinado em (d) e se o valor do parâmetro de controle para um vaso selecionado for inferior ao valor médio do parâmetro de controle para todos os vasos do leito compósito durante a etapa seqüencial específica, sendo promovido um acréscimo da taxa de fluxo de gás de entrada ou saída do vaso selecionado; ou (h) se o parâmetro de controle decrescer quando a taxa de fluxo da corrente gasosa que entra em um vaso ou sai de um vaso aumenta durante a etapa seqüencial específica conforme determinado em (d) e se o valor do parâmetro de controle para um vaso selecionado for superior ao valor médio do parâmetro de controle para todos os vasos do leito compósito durante a etapa seqüencial específica, sendo promovido um acréscimo da taxa de fluxo de gás de entrada ou saída do vaso selecionado; ou (i) se o parâmetro de controle decrescer quando a taxa de fluxo da corrente gasosa que entra em um vaso ou sai de um vaso aumenta durante a etapa seqüencial específica conforme determinado em (d) e se o valor do parâmetro de controle para um vaso selecionado for inferior ao valor médio do parâmetro de controle para todos os vasos do leito compósito durante a etapa seqüencial específica, sendo promovido um decréscimo da taxa de fluxo de gás de entrada ou saída do vaso selecionado.

[00014] Nesta configuração, o parâmetro de controle pode ser selecionado do grupo que consiste em (1) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (2) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (3) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (4) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (5) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no espaço vazio do adsorvente em um ponto selecionado no vaso; (6) o diferencial de pressão entre dois pontos no vaso em um momento selecionado durante as etapas seqüenciais; (7) a temperatura mínima ou máxima em um ponto selecionado nos vasos durante as etapas seqüenciais; e (8) a pressão mínima ou máxima em um ponto selecionado no vaso durante as etapas seqüenciais.

BREVE DESCRIÇÃO DE VÁRIAS VISTAS DOS DESENHOS

[00015] A Fig. 1 é um diagrama de fluxo esquemático de um sistema exemplar do tipo de adsorção por modulação de pressão.

[00016] A Fig. 2 é um gráfico de ciclo de um processo que pode ser operado mediante utilização do sistema da Fig. 1.

[00017] A Fig. 3 é um diagrama de fluxo esquemático de um leito de múltiplos vasos para utilização no sistema da Fig. 1.

[00018] A Fig. 4 é um diagrama de fluxo esquemático de um outro leito de múltiplos vasos para utilização no sistema da Fig. 1.

[00019] A Fig. 5 é um diagrama de fluxo esquemático de um outro leito alternativo do tipo de múltiplos vasos para utilização no sistema da Fig. 1.

[00020] A Fig. 6 é um diagrama de fluxo esquemático de um outro leito alternativo do tipo de múltiplos vasos para utilização no sistema da Fig. 1.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00021] As configurações da presente invenção incluem um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos, cada leito compósito compreendendo material adsorvente disposto em dois ou mais vasos em configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção. O sistema de adsorção de oscilação de pressão que utiliza esta configuração pode ser operado de acordo com qualquer processo de PSA cíclico que inclua pelo menos as etapas de (1) introdução da mistura gasosa de alimentação nas extremidades de alimentação de dois ou mais vasos de um leito compósito e retirada de gás produzido das extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito, (2) retirada de gás a uma pressão decrescente das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, (3) purga do leito compósito mediante introdução de gás de purga nas extremidades de produção dos dois ou mais vasos do leito compósito e retirada de efluente gasoso de purga das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito, e (4) introdução de gás nas extremidades de produção e/ou nas extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos do leito compósito a uma pressão crescente.

[00022] Na presente divulgação, o termo “leito” significa uma massa de material adsorvente instalada em um único vaso em que é introduzido gás e do qual é retirado gás durante as múltiplas etapas de um processo de PSA cíclico de acordo com métodos conhecidos na técnica. O termo “leito compósito” é aqui definido como uma massa total de material adsorvente que consiste em duas ou mais quantidades de material adsorvente respectivamente contidas em dois ou mais vasos paralelos. A quantidade total de material adsorvente no leito compósito é a soma das quantidades do material adsorvente contidas nos dois ou mais vasos paralelos. O material adsorvente nos dois ou mais vasos paralelos é submetido coletivamente à totalidade de fluxo de entrada e de fluxo de saída de gás do leito compósito durante as etapas do ciclo de PSA de tal forma que o material adsorvente em cada vaso é submetido à mesma etapa de ciclo de processo com a mesma duração em um determinado período de tempo. Os vasos paralelos operam portanto de forma sincronizada ao longo das etapas do ciclo de PSA.

[00023] O termo “vaso” conforme é aqui utilizado refere uma estrutura oca que encerra um volume interno contendo material adsorvente e possuindo pelo menos uma entrada de admissão de gás e pelo menos uma saída de descarga de gás. Uma multiplicidade de vasos são dispostos em uma configuração de fluxo paralelo em que uma corrente gasosa de admissão é dividida em partes por um coletor de admissão que orienta as partes para respectivos vasos durante etapas em um ciclo de PSA. As correntes gasosas de descarga de cada vaso paralelo são combinadas em uma única corrente gasosa de descarga por um coletor de descarga. Um coletor é genericamente definido como um conjunto de tubulações em que um único tubo é acoplado em comunicação de fluxo a dois ou mais tubos. A corrente gasosa de admissão passa para o interior do leito compósito formado coletivamente pelo material adsorvente nos vasos paralelos e a corrente de descarga é retirada do leito compósito formado coletivamente pelo material adsorvente nos vasos paralelos.

[00024] O termo “em comunicação de fluxo com” conforme aplicado a uma primeira e uma segunda regiões significa que um gás pode fluir da primeira região para a segunda região e da segunda região para a primeira região através de uma tubulação de ligação e/ou de uma região intermediária.

[00025] O termo “adsorção por modulação de pressão” (PSA), conforme é aqui utilizado, é aplicado a todos os sistemas de separação por adsorção que utilizam o efeito da pressão na capacidade de adsorção para propósitos de separação de misturas gasosas. A pressão máxima é tipicamente super-atmosférica, e a pressão mínima poderá ser super-atmosférica, atmosférica, ou sub-atmosférica. Quando a pressão mínima é sub-atmosférica e a pressão máxima é super-atmosférica, o sistema é tipicamente descrito como constituindo um sistema de adsorção por modulação de pressão de vácuo (“Pressure Vacuum Swing Adsorption” - PVSA). Quando a pressão máxima é próxima da pressão atmosférica e a pressão mínima é inferior à pressão atmosférica, o sistema é tipicamente descrito como um sistema de adsorção por modulação de vácuo (“Vacuum Swing Adsorption” - VSA).

[00026] Os artigos indefinidos “um” e “uma” conforme aqui utilizados significam uma unidade ou mais quando aplicados a qualquer característica em configurações da presente invenção descrita no relatório descritivo e nas reivindicações. O uso de “um” e “uma” não limita o significado a uma única característica a menos que um tal limite seja especificamente referido. O artigo definido “o” ou “a” precedendo substantivos singulares ou plurais ou frases substantivas indica uma característica específica ou características específicas e poderá ter uma conotação singular ou plural dependendo do contexto em que é utilizado. O adjetivo “qualquer” ou “quaisquer” significa um, algum, alguns, ou todos, independentemente de qual seja a quantidade. O termo “e/ou” disposto entre uma primeira entidade e uma segunda entidade significa um de entre (1) a primeira entidade, (2) a segunda entidade, e (3) a primeira entidade e a segunda entidade.

[00027] Um leito de material adsorvente contido em um único vaso de um sistema de PSA convencional pode ser substituído por um leito compósito possuindo duas ou mais porções menores do material adsorvente dispostas respectivamente em múltiplos vasos em diversas configurações da presente invenção. Cada um dos múltiplos vasos do leito compósito poderá ter um menor volume e/ou um menor diâmetro que o vaso único. Os múltiplos vasos podem ter essencialmente os mesmos tamanhos e formatos, ou alternativamente poderão ter tamanhos diferentes e/ou formatos diferentes se assim for desejado. Os múltiplos vasos podem conter essencialmente a mesma quantidade de material adsorvente ou podem conter diferentes quantidades de material adsorvente. Os múltiplos vasos do leito compósito são operados em paralelo, em que o fluxo de gás para o leito compósito é dividido e introduzido nos múltiplos vasos e as correntes gasosas dos múltiplos vasos são combinadas para provisão do fluxo de gás total do leito compósito. Cada um dos múltiplos vasos contém uma porção da totalidade do adsorvente contido no leito compósito em que a quantidade total de adsorvente nos múltiplos vasos poderá ser menor, igual, ou maior que a quantidade total de adsorvente no leito de vaso único que foi substituído pelo leito compósito.

[00028] O uso de múltiplos vasos paralelos contendo porções de adsorvente funcionando como um leito compósito apresenta diversas vantagens. Vários vasos de pequeno diâmetro irão apresentar uma menor quantidade total de volume vazio que um único vaso de grande diâmetro com um volume de adsorvente, uma espessura de camada adsorvente, e um formato de espaço útil de vaso similar. Os vasos de menores dimensões podem ser produzidos em massa em oficina, podem ser mais facilmente transportados que os vasos de grande diâmetro, e podem ser carregados com adsorvente em um ambiente controlado anteriormente ao embarque para o local de instalação.

[00029] As vantagens dos sistemas de PSA com leitos compósitos podem ser prejudicadas por potenciais problemas de operação. Por exemplo, quando cada leito compósito compreende adsorvente disposto em múltiplos vasos que são substancialmente idênticos, a disposição de tubulações e máquinas poderá causar diferenças nos fluxos de gás de ou para vasos individuais. O desempenho de qualquer vaso individual contendo uma parte do leito compósito de material adsorvente poderá portanto variar relativamente ao desempenho de outros vasos, e o desempenho geral do leito compósito poderá ser reduzido relativamente a um caso em que todos os vasos apresentem um desempenho idêntico. Um outro problema potencial reside no fato de que variações indesejáveis na fabricação do vaso, na qualidade do adsorvente, e na carga do adsorvente poderão causar diferenças no desempenho de adsorção de vasos individuais, também nesse caso causando uma queda de desempenho geral. Em um outro cenário de operação possível, o desempenho de adsorção substancialmente equivalente de múltiplos vasos em um leito compósito poderá alterar-se ao longo do tempo de tal forma que o desempenho dos vasos deixe de ser equivalente.

[00030] Em um sistema de PSA em operação, poderá ser necessário aumentar a capacidade de adsorção do sistema existente mediante instalação de vasos paralelos adicionais para um ou mais leitos compósitos. Poderá ser difícil ou impossível equiparar o desempenho de adsorção do novo vaso ou dos novos vasos ao desempenho dos vasos existentes de um leito compósito.

[00031] Para sistemas de PSA de múltiplos leitos convencionais em que cada leito de adsorvente é instalado em um único vaso, as diferenças entre os desempenhos dos leitos podem ser compensadas por métodos conhecidos na técnica. Estes métodos compensam a assimetria de operação existente entre os leitos mediante realização de mudanças no tempo de duração de cada etapa de ciclo específica a que um leito é submetido, mediante manipulação de válvulas de controle para ajuste do fluxo de gás para, de, ou entre os leitos, ou por outros meios.

[00032] A técnica anterior não ensina métodos para operação de um sistema de PSA com o intuito de compensar diferenças de desempenho entre uma multiplicidade de vasos paralelos de um leito compósito em que cada vaso paralelo contém material adsorvente e o material adsorvente total nos vasos paralelos opera como um leito compósito em um processo de PSA cíclico.

[00033] As configurações da invenção descritas abaixo abordam estes problemas mediante ajuste das taxas de fluxo de gás para e/ou de cada vaso seletivamente para uma ou mais das etapas de processo no ciclo de PSA. O desempenho de cada vaso de um leito compósito pode dessa forma ser ajustado conforme necessário para maximização do desempenho do sistema de PSA.

[00034] O uso de leitos compósitos conforme aqui descritos pode ser aplicado a qualquer sistema de PSA operado de acordo com qualquer ciclo de processo de PSA para separação de qualquer mistura gasosa. As configurações da invenção podem ser ilustradas, por exemplo, pela operação de um sistema VSA de dois leitos compósitos da Fig. 1 para recuperação de oxigênio a partir do ar utilizando o ciclo de processo da Fig. 2 conforme descrito abaixo.

[00035] Em um sistema de PSA convencional, um material adsorvente é contido nos leitos 10 e 12 com meios adequados para introdução de ar de alimentação na extremidade do fundo ou extremidade de alimentação de cada leito compósito e retirada de gás produzido da extremidade de topo ou de produção de cada leito compósito. Cada um dos leitos 10 e 12 é contido em um único vaso de pressão por meios conhecidos na técnica. Na ilustração de uma configuração da presente invenção, cada um dos leitos convencionais 10 e 12 é substituído por quantidades separadas de material adsorvente dispostas em dois ou mais vasos paralelos respectivos para formação de um leito compósito conforme é descrito mais detalhadamente abaixo.

[00036] Na ilustração de uma configuração da invenção de acordo com a Fig. 1, o ar ambiente é comprimido no ventilador de sopro 14 de ar de alimentação e é fornecido para o coletor de alimentação 16. Durante a primeira etapa do ciclo, a etapa de adsorção/fabricação de produto, a válvula 18 é aberta para admitir ar comprimido para o interior do leito compósito 10 através da linha 47. O ar passa para o interior do leito compósito 10, em que a umidade do ar é removida em uma primeira camada de dessecante tal como uma peneira molecular 13-X. O ar seco passa então no sentido ascendente através de uma camada de adsorvente seletivo para nitrogênio tal como uma peneira molecular LiLSX, sendo dessa forma adsorvido nitrogênio do ar. O gás produzido, agora enriquecido em oxigênio, passa através da linha 45 e da válvula 22 e ingressa no coletor de produção 26. O produto flui através do tanque de compensação 28 e dali para um ponto de utilização. Equipamentos adicionais (não ilustrados) poderão ser incluídos a jusante da saída do tanque de compensação para controle de fluxo, análise de produto, ou outros propósitos.

[00037] Durante a segunda etapa do ciclo, a etapa de adsorção/fabricação de produto/provisão de purga, a válvula 30 é igualmente aberta para permitir que uma parte do gás produzido do leito compósito 10 flua para o interior do leito compósito 12. Este gás atua como um fluxo de purga para o leito compósito 12, que nesse momento está sendo evacuado através da válvula 36 e do coletor 38 pelo ventilador de sopro de vácuo 40. Após algum tempo, o adsorvente no leito compósito 10 encontra-se próximo de sua capacidade de adsorção para nitrogênio de tal forma que uma alimentação suplementar de ar causaria uma irrupção de nitrogênio na corrente de produto de oxigênio. Durante a terceira etapa deste ciclo, a etapa de previsão de purga, as válvulas 18, 22 e 30 são fechadas e a válvula 32 é aberta para provisão de um fluxo maior de gás para purga do leito compósito 12. Nesta ocasião o ventilador de sopro de alimentação 14 pode ser colocado em espera até ser novamente requerido para provisão de ar de alimentação para um dos leitos compósitos.

[00038] Durante a quarta etapa do ciclo, a etapa de provisão de transferência de pressão (por vezes designada como etapa de provisão de equalização de pressão), a válvula 36 é fechada e a válvula 34 é aberta para despressurização do leito compósito 10 através do ventilador de sopro de vácuo. O fluxo de gás através da válvula 32 continua para repressurização do leito compósito 12. Durante a quinta etapa do ciclo, a primeira etapa de evacuação, a válvula 32 é fechada e o leito compósito 10 é evacuado para remoção do nitrogênio adsorvido. Na sexta etapa, a segunda etapa de evacuação, as posições de válvulas do leito compósito 10 não se alteram. A sexta etapa é identificada separadamente da quinta etapa devido ao fato de existirem mudanças nas posições de válvulas para o leito compósito 12. Na sétima etapa, a primeira etapa de recepção de purga, a válvula 30 é igualmente aberta para provisão de gás de purga do leito compósito 12, que está sendo submetido à segunda etapa do ciclo. Na oitava etapa, a segunda etapa de recepção de purga, a válvula 30 é fechada e a válvula 32 é aberta para provisão de um maior fluxo de purga para o leito compósito 10. Na nona etapa do ciclo, a etapa de recepção de transferência de pressão (por vezes referida como etapa de provisão de equalização de pressão) a válvula 34 é fechada e o gás do leito compósito 12 começa a repressurizar o leito compósito 10. Na décima etapa e etapa final do ciclo, a etapa de pressurização de alimentação, a válvula 32 é fechada e a válvula 18 é aberta para repressurização do leito compósito 10 com ar de alimentação do ventilador de sopro de alimentação 14.

[00039] O ciclo para o leito compósito 12 compreende as mesmas etapas realizadas de forma defasada relativamente ao ciclo no leito compósito 10 com uma defasagem de metade do tempo total de ciclo. As relações de tempo relativo entre as etapas 1 até 10 para os leitos compósitos 10 e 12 são dadas na tabela de ciclo da Fig. 2. O tempo total de ciclo pode situar-se em uma faixa entre 40 e 80 segundos. As posições das válvulas durante as etapas do ciclo são dadas na Tabela 1. Tabela 1 Esquema de Válvulas

A = aberta F = fechada

[00040] À medida que o tamanho de um sistema de PSA convencional sofre acréscimos de escala, a construção dos vasos de adsorção pode tornar-se problemática devido a questões de fabricação ou outros fatores limitativos. Em um tal caso, de acordo com configurações da presente invenção, o sistema poderá ser projetado com pelo menos um leito compósito possuindo vários vasos de menor porte instalados em paralelo contendo material adsorvente que funcionam como o leito compósito. Os vasos podem ser substancialmente idênticos ou podem diferir em tamanho ou dimensões devido a limitações de projeto ou por motivos ligados à fabricação.

[00041] Nos termos mais amplos, as configurações da invenção referem-se a um sistema de PSA compreendendo um número de leitos compósitos, N, de material adsorvente, em que N é um ou mais. Cada um dos N leitos compósitos no sistema de PSA compreende adsorvente disposto em um número de vasos, n, em que n é maior que um. Os n vasos são dispostos em uma configuração de fluxo em paralelo em que cada vaso e o adsorvente contido no mesmo recebem uma parte do fluxo de gás total para o interior do leito compósito e contribuem com uma parte do fluxo de gás total que sai do leito compósito. Adicionalmente aos N leitos compósitos, o sistema de PSA poderá incluir igualmente um número de leitos convencionais em que o material adsorvente é contido em um único vaso; nesta configuração, o sistema de PSA compreende uma combinação de leitos e leitos compósitos.

[00042] Conforme foi discutido acima, é desejável compensar diferenças de desempenho entre os vasos de um leito compósito em sistemas de PSA possuindo um ou mais leitos compósitos. São descritos abaixo métodos exemplares para este efeito.

[00043] No sistema de PSA da Fig. 1, o leito compósito 10 pode compreender quatro vasos paralelos conforme se encontra ilustrado a título de exemplo na Fig. 3. Os vasos 10a, 10b, 10c, e 10d são instalados em paralelo e cada vaso contém uma porção do material adsorvente do leito compósito 10 de tal forma que o adsorvente equivalente do leito compósito 10 é contido nos vasos paralelos 10a, 10b, 10c, e 10d. Nesta configuração ilustrativa, os vasos 10a, 10b, 10c, e 10d são acoplados a extremidade de produção pelo coletor de produto 301, que é ligado à linha de produto 45 na extremidade de produção do leito compósito 10. Os vasos 10a, 10b, 10c, e 10d são ligados à extremidade de alimentação pelo coletor de alimentação 303, que é ligado à linha de alimentação 47 na extremidade de alimentação do leito compósito 10. Os coletores 301 e 303 dispõem os vasos 10a, 10b, 10c, e 10d em uma configuração de fluxo paralelo.

[00044] Qualquer um dos vasos paralelos pode ser equipado com um dispositivo de restrição de fluxo na extremidade de alimentação e/ou na extremidade de produção, e poderá ser utilizado qualquer número de vasos paralelos acima de um. No exemplo da Fig. 3 são utilizados quatro vasos e cada um dos mesmos possui um dispositivo de restrição de fluxo instalado nas extremidades de alimentação e de produção. Desta forma, o vaso 10a possui o dispositivo de restrição de fluxo 305 na extremidade de produção e o dispositivo de restrição de fluxo 307 na extremidade de alimentação, o vaso 10b possui o dispositivo de restrição de fluxo 309 na extremidade de produção e o dispositivo de restrição de fluxo 311 na extremidade de alimentação, o vaso 10c possui o dispositivo de restrição de fluxo 313 na extremidade de produção e o dispositivo de restrição de fluxo 315 na extremidade de alimentação, e o vaso 10d possui o dispositivo de restrição de fluxo 317 na extremidade de produção e o dispositivo de restrição de fluxo 319 na extremidade de alimentação. Em configurações alternativas, os dispositivos de restrição de fluxo podem ser instalados em qualquer uma das extremidades de alimentação ou de produção dos vasos.

[00045] Os dispositivos de restrição de fluxo podem ser selecionados do grupo que consiste em um dispositivo de orifício, uma válvula ajustável, um segmento de tubulação de diâmetro reduzido, e uma válvula de retenção com detentor ajustável. A válvula ajustável pode ser uma válvula adaptada para ajuste manual ou para ajuste por um sistema de posicionamento de válvula operado a partir de uma localização remota. O dispositivo de posicionamento de válvula pode ser operado por um sistema central de controle de processo se assim for desejado. A válvula de retenção com detentor ajustável é um dispositivo de válvula de retenção no qual o detentor impede que o mecanismo interno de retenção realize um fechamento completo. O detentor pode ser ajustado enquanto o sistema se encontra em operação. Quando um fluxo gasoso passa através de uma válvula de retenção com detentor ajustável em uma direção, o mecanismo interno da válvula apresenta uma baixa restrição ao fluxo e permite um fluxo de gás relativamente mais elevado nessa direção. Quando o fluxo de gás passa através da válvula na direção inversa, o detentor ajustável impede que o mecanismo interno feche totalmente, permitindo a passagem de fluxo porém com uma maior restrição ao fluxo, dessa forma permitindo um fluxo de gás relativamente baixo na direção inversa. Um exemplo de uma válvula de retenção com detentor ajustável é a válvula de controle de fluxo Rexroth Floreg® Flow Control Valve. Os outros dispositivos de restrição de fluxo são tipicamente alterados quando o sistema de PSA não se encontra em serviço; alternativamente, estes dispositivos podem ser alterados durante a operação de PSA se os vasos individuais forem equipados com válvulas de isolação.

[00046] O grau de restrição de fluxo de cada dispositivo pode ser selecionado conforme for desejado para permitir a definição das taxas de fluxo adequadas de entrada e saída das extremidades de alimentação e de produção dos vasos durante etapas de ciclo de processo aplicáveis. O grau de restrição de fluxo em cada dispositivo é selecionado para obtenção de um desempenho de adsorção equivalente ou aproximadamente equivalente dos vasos 10a, 10b, 10c, e 10d de acordo com os critérios descritos abaixo. Quando o sistema é operado de acordo com o ciclo da Fig. 2 e Tabela 1, por exemplo, um dispositivo de restrição de fluxo na extremidade de alimentação de um vaso irá afetar a taxa de fluxo de gás para esse vaso durante as etapas de adsorção/fabricação de produto e de alimentação de pressurização e do vaso durante as etapas de evacuação e purga. Similarmente, um dispositivo de restrição de fluxo na extremidade de produção de um vaso irá afetar a taxa de fluxo de gás desse vaso durante a etapa de adsorção/fabricação do produto, a etapa de adsorção/fabricação de produto/provisão de purga, as etapas de provisão de transferência de pressão e de recepção de transferência de pressão, e as etapas de provisão de purga e recepção de purga.

[00047] São possíveis configurações alternativas para permitir o ajuste de diferentes taxas de fluxo de gás durante diferentes etapas de ciclo selecionadas. Uma destas alternativas encontra- se ilustrada no exemplo da Fig. 4 em que é provido um coletor de tal forma que a extremidade de alimentação de cada vaso pode ser equipada com dois dispositivos de restrição de fluxo paralelos, cada dispositivo possuindo uma válvula de retenção adjacente para permitir o fluxo através do dispositivo somente em uma direção. Nesta configuração, o coletor de alimentação 401 é ligado à linha 47 e o coletor de produto 402 é ligado à linha 45. O vaso 10a é provido com o dispositivo de restrição de fluxo 403 e a válvula de retenção 404 que permite fluxo somente para a extremidade de alimentação do vaso 10a, em que esse fluxo ocorre durante as etapas de adsorção/fabricação de produto e de pressurização de alimentação. O vaso 10a é igualmente provido com o dispositivo de restrição de fluxo 405 e a válvula de retenção 407 que permite fluxo somente da extremidade de alimentação do vaso 10a, em que esse fluxo ocorre durante as etapas de evacuação e de purga desse leito compósito. Dispositivos de restrição de fluxo análogos 409, 411, 413, 415, 417, e 419, e válvulas de retenção 421, 423, 425, 427, 429, e 431 são instalados conforme se encontra ilustrado nas extremidades de alimentação dos vasos 10b, 10c, e 10d, respectivamente. Muito embora não sejam ilustrados dispositivos de restrição de fluxo nas extremidades de produção dos vasos na configuração da fig. 4, esses dispositivos podem ser utilizados, se assim for desejado, nas extremidades de produção dos vasos, em configurações alternativas.

[00048] Uma outra configuração é ilustrada no exemplo da Fig. 5, em que são providos dois coletores separados nas extremidades de alimentação dos vasos, em que o coletor de alimentação 501 proporciona introdução de gás de alimentação nos vasos e o coletor de evacuação 503 realiza a retirada de gás de evacuação e de purga dos vasos. O coletor de alimentação 501 é ligado através da válvula 18 ao coletor de alimentação 16 e o coletor de evacuação 503 é ligado através da válvula 34 ao coletor de evacuação 38. O coletor de produto 504 é ligado à linha 45 que se encontra em comunicação de fluxo com as válvulas 26, 30, e 32. O coletor de alimentação 501 permite instalação de dispositivos de restrição de fluxo 505, 507, 509, e 511 nas extremidades de alimentação dos vasos 10a, 10b, 10c, e 10d, respectivamente, sendo que estes dispositivos afetam a taxa de fluxo do gás de alimentação para o interior dos respectivos vasos durante as etapas de adsorção/fabricação de produto e repressurização de alimentação. O coletor de evacuação 503 permite a instalação de dispositivos de restrição de fluxo 513, 515, 517, e 519, conforme ilustrado, nas extremidades de alimentação dos vasos 10a, 10b, 10c, e 10d, respectivamente, em que os dispositivos afetam as taxas de fluxo de gás do vaso durante as etapas de evacuação e de purga. Muito embora não sejam ilustrados dispositivos de restrição de fluxo nas extremidades de produção dos vasos na configuração da fig. 5, esses dispositivos podem ser utilizados nas extremidades de produção dos vasos, se assim for desejado, em configurações alternativas.

[00049] Uma outra configuração encontra-se ilustrada no exemplo da fig. 6, em que são providos dois coletores separados nas extremidades de produção dos vasos, em que o coletor 601 realiza a retirada de gás produzido dos vasos e o coletor 603 realiza a introdução de gás de purga de recepção e de gás de transferência de pressão de recepção para o interior dos vasos e a retirada de gás de purga de provisão e de gás de transferência de provisão dos vasos. O coletor 601 é ligado através da válvula 22 ao coletor de produto 26 e o coletor 603 é ligado às válvulas 30 e 32. O coletor 603 compreende válvulas de retenção de detentor ajustável 605, 607, 609, e 611 nas extremidades de produção dos vasos 10a, 10b, 10c, e 10d, respectivamente. A configuração da Fig. 6 permite um fluxo de gás livre dos vasos durante a etapa de adsorção/fabricação de produto e permite uma restrição seletiva de fluxo para e dos vasos durante as etapas de provisão de transferência de pressão e de recepção de transferência de pressão e as etapas de purga de provisão e de purga de recepção. Com esta configuração, a restrição de fluxo nas extremidades de produção dos vasos pode ser ajustada para cada vaso para as etapas de purga de provisão e as etapas de transferência de pressão de provisão sem afetar a restrição de fluxo nas extremidades de produção durante as etapas de purga de recepção e de transferência de pressão de recepção, sem afetar o fluxo durante a etapa de adsorção/fabricação de produto. Os dispositivos de restrição de fluxo podem ser ou não ser utilizados nas extremidades de alimentação dos vasos. Configurações alternativas podem incluir dispositivos de restrição de fluxo no coletor 601.

[00050] Os dispositivos de restrição de fluxo em qualquer uma das configurações das Figs. 3, 4, 5, e 6 podem ser utilizados para ajuste das taxas de fluxo de gás para etapas de processo selecionadas para promoção de equilíbrio de desempenho de adsorção dos múltiplos vasos paralelos de cada leito compósito. Outras configurações de dispositivos de restrição de fluxo podem ser concebidas para utilização dentro do escopo amplo das configurações da invenção.

[00051] Um desempenho equilibrado dos múltiplos vasos de um leito compósito é obtido quando as correntes gasosas de produto dos vasos adsorventes no leito são similares em termos de pureza de produto, isto é, quando as concentrações de um componente selecionado nas correntes de gás de produto variam abaixo de um valor máximo aceitável. A obtenção de um desempenho equilibrado pode ser indicada, por exemplo, pela média de concentrações ao longo do tempo do componente selecionado durante qualquer etapa ou etapas em que um gás de produção seja retirado da extremidade de produção de cada vaso paralelo. A obtenção de um desempenho equilibrado poderá ser indicada por outros parâmetros de controle conforme é discutido abaixo.

[00052] Diversos parâmetros de controle podem ser monitorados para ser determinado quando os vasos se encontram em operação equilibrada ou o grau de desequilíbrio de operação de qualquer vaso relativamente aos outros vasos. Um parâmetro de controle é a concentração de um componente selecionado no gás produzido de cada vaso que é escolhido para representar a pureza do produto conforme foi descrito acima. Outros parâmetros de controle podem incluir, por exemplo, a concentração de um componente selecionado no gás efluente de purga de qualquer um dos vasos, a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás efluente de purga de qualquer um dos vasos, a concentração máxima ou mínima de um componente selecionado no espaço vazio do adsorvente em um ponto selecionado no vaso, e o diferencial de pressão entre dois pontos no vaso em um momento selecionado durante as etapas seqüenciais. Outros parâmetros de controle alternativos podem ser considerados para monitoração da operação dos vasos.

[00053] Quando são utilizados com referência a um parâmetro de controle ou critério para operação equilibrada, os termos genéricos “concentração” ou “concentração de gás” significam qualquer concentração que seja (1) determinada em um momento específico em uma etapa de ciclo de PSA selecionada, e/ou (2) determinada como média ponderada no tempo ao longo da duração dessa etapa, e/ou (3) um valor máximo ou mínimo durante essa etapa.

[00054] O parâmetro de controle utilizado para monitoração de operação de vaso deverá ser correlacionado com o critério para operação equilibrada descrito acima de tal forma que quando o parâmetro de controle selecionado atender um conjunto especificado de condições de operação os vasos paralelos de um leito compósito atendem o critério selecionado de composição de gás de produção para uma operação equilibrada. Quando o parâmetro de controle consiste na composição do gás produzido, a correlação com o critério para operação equilibrada é inerente. A correlação de composição de gás de produção com outros parâmetros de controle pode ser estabelecida experimentalmente para um determinado ciclo e sistema de PSA. Após a correlação ser estabelecida, o parâmetro de controle poderá ser utilizado para monitoração subseqüente de operação.

[00055] A primeira etapa para equilibrar o desempenho de adsorção dos vasos paralelos de um leito compósito consiste em selecionar um parâmetro de controle, uma etapa seqüencial específica (por exemplo, uma das etapas descritas acima para o ciclo de processo exemplar da Tabela 1), e uma corrente de gás em entrada ou saída no/do vaso durante a etapa seqüencial específica. A seleção de um parâmetro de controle será dependente das características do adsorvente, dos gases a serem separados, e do ciclo de processo de PSA utilizado para a separação. Poderão ser possíveis estratégias de operação que utilizem mais de um parâmetro de controle, dependendo dos gases sendo separados e do ciclo de processo de PSA sendo utilizado. Um parâmetro de controle desejável possui tipicamente qualquer uma das seguintes características: (a) apresenta uma sensibilidade razoável a alterações no equilíbrio do desempenho dos vasos de adsorção, (b) apresenta uma igualdade do parâmetro de controle entre os vasos quando o desempenho entre os vasos é equilibrado de acordo com a definição acima, (c) apresenta uma rápida resposta a alterações no desempenho dos vasos, e (d) é facilmente medido ou calculado.

[00056] Após um parâmetro de controle ser selecionado e correlacionado com o critério de operação equilibrada definido acima, é definida uma estratégia de operação para determinação das ações de processo de fato requeridas para obtenção de uma operação equilibrada ou substancialmente equilibrada dos um ou mais vasos de um leito compósito. A estratégia de operação determina as alterações a serem feitas nos dispositivos de restrição de fluxo com base nos parâmetros de controle medidos para obtenção do grau desejado de equilíbrio entre os vasos. A resposta de um parâmetro de controle em um vaso a uma alteração no dispositivo de restrição de fluxo nesse vaso pode ocorrer em uma de duas direções. Em um cenário de operação, o valor do parâmetro de controle em um vaso aumenta conforme o dispositivo de restrição de fluxo é tornado mais restritivo, isto é, com o decréscimo da taxa de fluxo de gás. No outro cenário de operação, o valor do parâmetro de controle em um vaso diminui conforme o dispositivo de restrição de fluxo é tornado mais restritivo, isto é, com o decréscimo da taxa de fluxo do gás.

[00057] Como exemplo, se a pressão máxima durante o ciclo for selecionada como parâmetro de controle, este parâmetro irá apresentar um decréscimo de valor em um vaso se um dispositivo de restrição de fluxo na entrada de admissão para esse vaso for tornado mais restritivo para redução do fluxo de admissão de gás. Isto ocorre devido ao fato de que uma menor quantidade de gás de alimentação irá ingressar no vaso durante a etapa de alimentação de alta pressão. Como outro exemplo, se for selecionada como parâmetro de controle a pureza do produto que sai de um vaso, este parâmetro de controle irá aumentar de valor em um vaso se o dispositivo de restrição de fluxo na saída de descarga desse vaso for tornado mais restritivo para redução do fluxo de saída de gás do vaso. Isto ocorre devido ao fato de que uma menor quantidade de gás produzido irá sair do vaso durante a etapa de fabricação de produto.

[00058] A resposta real de um parâmetro de controle a alterações em cada um dos dispositivos de restrição de fluxo poderá ser conhecida com base em experiência anterior. Se não for conhecida, a mesma poderá ser determinada experimentalmente no sistema de PSA mediante realização de uma mudança no dispositivo de restrição de fluxo e monitoração da resposta do parâmetro de controle a essa mudança. Esta informação pode ser então utilizada para realização de alterações adicionais nos dispositivos de restrição de fluxo para obtenção de um equilíbrio operacional entre os vasos do leito compósito.

[00059] Quando um dispositivo de restrição de fluxo é tornado mais ou menos restritivo para alterar o fluxo de gás para ou de um vaso, e ocorrer uma resposta em um parâmetro de controle para esse vaso, a resposta do parâmetro será inversa nos outros vasos no leito compósito. Isto deve-se ao fato de os vasos do leito compósito receberem individualmente uma parte do fluxo de gás total para o leito compósito, e uma alteração na taxa de fluxo de gás para ou de esse vaso produzir como resultado uma alteração nas taxas de fluxo para ou dos outros vasos, porém na direção oposta. A magnitude da resposta do parâmetro de controle em cada vaso poderá ser diferente. Fazendo novamente referência ao exemplo em que é selecionada como parâmetro de controle a pressão máxima do leito compósito durante o ciclo, quando o parâmetro de controle diminui de valor em um vaso devido ao fato de um dispositivo de restrição de fluxo disposto na admissão desse vaso ser tornado mais restritivo para redução da taxa de fluxo de gás de entrada no vaso, se os outros dispositivos de restrição de fluxo (caso existam) em todos os vasos do leito compósito não tiverem alterações, o valor do parâmetro de controle irá sofrer um acréscimo nos outros vasos devido ao fato de ser desviada para os mesmos uma maior quantidade de gás de alimentação.

[00060] Após ser conhecida a resposta da variável de controle a alterações em cada um dos dispositivos de restrição de fluxo, é determinada uma estratégia para equilíbrio dos vasos no leito compósito, de acordo com os cenários descritos na Tabela 2. Tabela 2 Parâmetros de Controle e Cenários de Operação

[00061] Conforme foi descrito acima e sumariado na coluna esquerda da Tabela 2, existem duas respostas características de um parâmetro de controle a uma alteração na taxa de fluxo de gás através de um dispositivo de restrição de fluxo selecionado, designadamente, (1) o parâmetro de controle aumenta quando a taxa de fluxo é aumentada e (2) o parâmetro de controle diminui quando a taxa de fluxo é aumentada. Após os valores do parâmetro de controle para todos os vasos terem sido determinados durante uma operação de PSA real, podem ocorrer duas situações operacionais reais para cada uma destas duas respostas características, designadamente, (a) o controle de parâmetro para um vaso selecionado é superior à média dos parâmetros de controle para todos os vasos do leito compósito e (b) o parâmetro de controle para um vaso selecionado é inferior à média dos parâmetros de controle para todos os vasos do leito compósito. Conforme é observado na coluna do meio da Tabela 2, para cada uma das

[00062] situações operacionais (1)(a), (1)(b), (2)(a), e (2)(b) para um vaso selecionado, é requerida uma alteração operacional específica de acordo com a lista da coluna do lado direito da Tabela 2. Estas alterações são as seguintes: para a situação operacional (1)(a), redução da taxa de fluxo de gás selecionada; para a situação operacional (1)(b), aumento da taxa de fluxo de gás selecionada; para a situação operacional (2)(a), aumento da taxa de fluxo de gás selecionada; e para a situação operacional (2)(b), redução da taxa de fluxo de gás selecionada.

[00063] Se um dispositivo de restrição de fluxo em um vaso se encontrar em sua posição de menor restrição (isto é, permitir um fluxo máximo, e se a lógica da Tabela 2 indicar que o dispositivo deverá ser tornado menos restritivo para aumento da taxa de fluxo, nesse caso os dispositivos de restrição de fluxo no outro vaso ou vasos do leito compósito deverão ser tornados mais restritivos para redução das correspondentes taxas de fluxo para esse vaso ou esses vasos.

[00064] De uma forma geral, a primeira etapa para equilibrar o desempenho dos vasos deverá ser relativa ao vaso ou vasos que apresenta(m) o maior desvio (positivo ou negativo) do parâmetro de controle relativamente à média dos parâmetros de controle dos outros vasos ou para todos os vasos. Isto deve-se ao fato de que um vaso que apresentar um desempenho deficiente apresenta um risco de contaminação dos componentes adsorvidos para o interior da corrente de produto. Uma pequena quantidade de contaminação irá reduzir substancialmente a qualidade do produto, e a prevenção ou correção de uma tal contaminação irá proporcionar grandes benefícios à produção. Por outro lado, para muitos sistemas de PSA, um vaso que estiver apresentando um desempenho muito superior à média dos vasos no leito compósito está fabricando sem necessidade um gás de produto de alta qualidade, e trazendo-se a qualidade do gás de produto desse vaso para um nível mais próximo da média, será possível aumentar a taxa de fluxo do produto a partir do vaso e portanto do leito compósito.

[00065] O número de dispositivos de restrição de fluxo por vaso não é limitado a um único dispositivo na admissão e um único dispositivo na descarga conforme se encontra ilustrado na Fig. 3. Por exemplo, a Fig. 4ilustra uma disposição de quatro vasos em que um dispositivo de restrição de fluxo se encontra instalado na extremidade de alimentação de cada vaso para funcionar quando o gás estiver fluindo para a extremidade de alimentação e um dispositivo de restrição de fluxo separado encontra-se instalado na extremidade de alimentação para funcionar quando ocorrer fluxo de gás a partir da extremidade de alimentação do vaso. São empregadas válvulas de retenção para seleção da direção de fluxo que irá ocorrer através de cada dispositivo de restrição de fluxo. Outras variações são discutidas acima com referência às Figs. 5 e 6.

Claims

1. PROCESSO DE ADSORÇÃO POR MODULAÇÃO DE PRESSÃO PARA SEPARAÇÃO DE UMA MISTURA GASOSA DE ALIMENTAÇÃO CONTENDO DOIS OU MAIS COMPONENTES, o processo compreendendo (a) provisão de um sistema de adsorção por modulação de pressão compreendendo um ou mais leitos compósitos(10, 12), cada leito compósito(10, 12) compreendendo material adsorvente disposto em dois ou mais vasos(10a-d) em configuração de fluxo paralelo, cada vaso possuindo uma extremidade de alimentação e uma extremidade de produção; (b) realização de etapas seqüenciais cíclicas compreendendo (b1) introdução da mistura gasosa de alimentação nas extremidades de alimentação de dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12) e retirada de gás produzido das extremidades de produção dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12), (b2) retirada de gás a uma pressão decrescente das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12), (b3) purga do leito compósito(10, 12) mediante introdução de gás de purga nas extremidades de produção dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12) e retirada de gás efluente de purga das extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12), e (b4) introdução de gás nas extremidades de produção e/ou nas extremidades de alimentação dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12) a uma pressão crescente; e (c) para qualquer uma das etapas seqüenciais, sendo definida uma taxa de fluxo ou taxas de fluxo de um ou mais gases selecionados do grupo que consiste em (c1) gás introduzido na extremidade ou extremidades de alimentação de quaisquer dos dois ou mais vasos(10a-d), (c2) gás introduzido na extremidade ou extremidades de produção de quaisquer dos dois ou mais vasos(10a-d), (c3) gás retirado da extremidade ou extremidades de alimentação de quaisquer dos dois ou mais vasos(10a-d), e (c4) gás retirado da extremidade ou extremidades de produção de quaisquer dos dois ou mais vasos(10a-d). caracterizado por a taxa de fluxo ser ajustada ou as taxas de fluxo serem ajustadas para manutenção dos valores de parâmetros de controle selecionados para os dois ou mais vasos(10a-d) de tal forma que (a) a diferença absoluta entre os parâmetros de controle selecionados para quaisquer dois dos dois ou mais vasos(10a-d) seja inferior a um valor previamente determinado, ou (b) a diferença absoluta entre o parâmetro de controle selecionado de cada um dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12) e a média dos parâmetros de controle de cada um dos dois ou mais vasos(10a-d) do leito compósito(10, 12) seja inferior a um valor previamente determinado, em que o parâmetro de controle para cada vaso é selecionado do grupo que consiste em (1) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (2) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás de produção do vaso; (3) a média ponderada de concentração por tempo de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (4) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no gás efluente de purga do vaso; (5) a concentração mínima ou máxima de um componente selecionado no espaço vazio do adsorvente em um ponto selecionado no vaso; (6) o diferencial de pressão entre dois pontos no vaso em um momento selecionado durante as etapas seqüenciais; (7) a temperatura mínima ou máxima em um ponto selecionado nos vasos durante as etapas seqüenciais; e (8) a pressão mínima ou máxima em um ponto selecionado no vaso durante as etapas seqüenciais.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender dois ou mais leitos compósitos(10, 12) de material adsorvente.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, consistindo em 2 leitos compósitos(10, 12) de material adsorvente, caracterizado por cada leito compósito(10, 12) consistir em 2 até 20 vasos.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o parâmetro de controle para cada vaso ser a média ponderada por tempo da concentração de oxigênio no gás de produto retirado da saída de descarga do vaso.