BRPI0804747A2 - processo para a purificação de um gás contendo gás nobre, processo para a purificação de uma corrente de gás nobre contaminada com teores inaceitáveis de hidrogênio e contaminantes de combustìvel opcional, e processo para a purificação de uma corrente de gás nobre tendo teores inaceitáveis de pelo menos um combustìvel absorvente - Google Patents

processo para a purificação de um gás contendo gás nobre, processo para a purificação de uma corrente de gás nobre contaminada com teores inaceitáveis de hidrogênio e contaminantes de combustìvel opcional, e processo para a purificação de uma corrente de gás nobre tendo teores inaceitáveis de pelo menos um combustìvel absorvente Download PDF

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Shyam Ramchand Suchdeo
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Abstract

PROCESSO PARA A PURIFICAçAO DE UM GAS CONTENDO GáS NOBRE, PROCESSO PARA A PURIFICAçAO DE UMA CORRENTE DE GáS NOBRE CONTAMINADA COM TEORES INACEITáVEIS DE RIDROGENIO E CONTAMINANTES DE COMBUSTIVEL OPCIONAL, E PROCESSO PARA A PURIFICAçAO DE UMA CORRENTE DE GáS NOBRE TENDO TEORES INACEITáVEIS DE PELO MENOS UM COMBUSTìVEL ABSORVENTE Trata-se de processos para a recuperação e purificação da corrente de gás nobre contaminada com pequenas porções de hidrogênio e/ou outros combustíveis absorventes. Um processo envolve a divisão do gás da corrente de gás nobre em uma primeira e segunda correntes de gases nobres. A primeira corrente de gás nobre é enviada a um segundo absorvente metálico contendo um leito composto de um absorvente metálico em um estado oxidado, onde o hidrogênio é queimado. Oxigênio é adicionado na segunda corrente de gás nobre, e a corrente é passada através de uma unidade catalítica, onde o hidrogênio é queimado e, a seguir, através de um primeiro absorvente metálico operando em paralelo com um segundo leito, onde o absorvente metálico é convertido para sua forma áxida. Quando uma penetração for detectada em qualquer dos leitos, os fluxos das primeira e segunda correntes de gases nobres são respectivamente re-roteados para os outros leitos.

Description

PROCESSO PARA A PURIFICAÇÃO DE UM GÁS CONTENDO GÁS NOBRE,PROCESSO PARA A PURIFICAÇÃO DE UMA CORRENTE DE GÁS NOBRECONTAMINADA COM TEORES INACEITÁVEIS DE HIDROGÊNIO ECONTAMINANTES DE COMBUSTÍVEL OPCIONAL, E PROCESSO PARA APURIFICAÇÃO DE UMA CORRENTE DE GÁS NOBRE TENDO TEORESINACEITÁVEIS DE PELO MENOS UM COMBUSTÍVEL ABSORVENTE
Antecedentes da Invenção
Gases nobres muitas vezes são usados em plasmas einjeções de pó metálico, bem como em processos necessitandode purgas e cortinas gasosas, quimicamente inertes. Quandousados nesses processos, eles muitas vezes ficamcontaminados com níveis residuais de contaminantes ouimpurezas, tais como hidrogênio, oxigênio, e monóxido decarbono. A presença desses contaminantes e impurezas nosgases nobres, na ausência de tratamento, geralmente impedeque eles sejam reutilizados nos processos.
Gases nobres são bastante caros e, assim, sistemasprecisam ser desenvolvidos para recuperar os gases dosdiferentes processos e para remover os contaminantes eimpurezas residuais dos mesmos, antes deles seremreciclados para reutilização. Argônio é o principal gásnobre empregado em processos inertes, e devido ao fato deum grande volume de argônio ser usado, levando a um altocusto correspondente para seu uso, sistemas foramdesenvolvidos para remover as impurezas das correntes deargônio.
Patentes e artigos representativos pertinentes àsdiversas maneiras para efetuar a recuperação e purificaçãodos gases nobres e, de modo particular, de argônio, apartir das correntes de processo, incluem:
a patente norte americana US 4.816.237 divulga arecuperação de uma corrente de argônio através de um fornode silício e a subseqüente purificação do gás de argôniotendo hidrogênio como um dos muitos contaminantes;
a patente norte americana US 4.983.194 divulga umprocesso para a recuperação de argônio através de umaunidade separadora de ar;
a patente norte americana US 6.113.869 divulga umprocesso para purificar uma corrente de gás argôniocontendo água, CO, CO2, hidrogênio e outras impurezascomuns a tais correntes residuais;
a patente norte americana US 6.123.909 divulga umprocesso para purificar argônio em um processo de etapasmúltiplas usando catalisadores;
a patente norte americana US 6.531.105 divulga umprocesso para tratar uma corrente de nitrogênio recuperadacomo um produto não-permeado através de um processo deseparação por membrana;
a patente norte americana US 2005/0025678 divulgaum processo para tratar uma corrente de argônio, que podeser obtida através de um forno de alta temperatura paraproduzir cápsulas de silício.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A invenção se refere a um processo para apurificação de uma corrente gasosa compreendendo um gásnobre, que pode ser chamada de uma corrente de gás nobre ouuma corrente gasosa contendo gás nobre. A corrente de gásnobre compreende contaminante, tais como hidrogênio eopcionalmente outros contaminantes combustíveis ouredutíveis. Purificação tem o significado de que esseprocesso pode fornecer uma corrente de gás nobre, na qual acomposição de pelo menos um combustível absorvente nacorrente de gás nobre será reduzido a menos de 30 ppm, ou amenos de 15 ppm, ou a menos de 1 ppm.
Essa invenção apresenta um processo para apurificação de um gás contendo gás nobre, compreendendo asetapas de: (a) passagem de uma primeira corrente de gásnobre compreendendo uma porção inaceitável de, pelo menosum, combustível absorvente através de um primeiro leito deabsorvente metálico compreendendo um óxido de absorventemetálico sob condições para converter o combustívelabsorvente em um produto de combustão (p. ex. em H2O eCO2) , gerando assim uma primeira corrente de efluente, queé essencialmente isenta do dito, pelo menos um, combustívelabsorvente, e onde o dito absorvente metálico é convertidopara um estado reduzido; (b) passagem de uma segundacorrente de gás nobre através de uma unidade catalítica eefetuação da combustão catalítica do dito, pelo menos um,combustível absorvente, formando assim uma correnteoxidante, dita corrente oxidante é essencialmente isenta decombustível absorvente e compreende oxigênio não-reagido;
(c) passagem da corrente oxidante formada na etapa (b)através de um segundo leito de absorvente metálico contendoum absorvente metálico em estado reduzido e sob condiçõespara formar um óxido de absorvente metálico, gerando assimuma segunda corrente de efluente, que é essencialmenteisenta de oxigênio e essencialmente isenta de combustívelabsorvente; e (d) comutação do fluxo da dita primeiracorrente de gás nobre e da dita corrente oxidante, peloqual a corrente oxidante gerada na etapa (b) flui para oprimeiro leito de absorvente metálico e a dita primeiracorrente de gás nobre flui para o segundo leito deabsorvente metálico.
Essa invenção ainda apresenta um processo para apurificação de uma corrente de gás nobre contaminada comteores inaceitáveis de hidrogênio e contaminantes decombustível opcional, que compreende: (a) introdução de umacorrente contendo oxigênio em um leito de absorventemetálico contendo um absorvente metálico em estadoreduzido, para formar um óxido de absorvente metálico; (b)introdução da corrente de gás nobre no leito de absorventemetálico empregado na etapa (a) , que forma um óxido deabsorvente metálico e converte o hidrogênio na ditacorrente de gás nobre em água, gerando assim uma correntede efluente essencialmente isenta de hidrogênio e oxigênio;(c) término da etapa de introdução da corrente contendooxigênio no leito de absorvente metálico, após formar odito óxido de absorvente metálico na etapa (a) , a fim demanter a geração da corrente de efluente essencialmenteisenta de hidrogênio e oxigênio na etapa (b) ; (d)continuação da introdução da dita corrente de gás nobre nodito leito de absorvente metálico na etapa (b) para reduziro óxido de absorvente metálico; e (e) repetição das ditasetapas (a) a (d) , para efetuar a recuperação e purificaçãocontinuas da dita corrente de gás nobre.
Essa invenção ainda apresenta um processo para apurificação de uma corrente de gás nobre tendo teoresinaceitáveis de pelo menos um combustível absorvente, quecompreende: (a) efetuação da combustão catalítica do ditocombustível absorvente em uma unidade catalítica, formandoassim uma corrente oxidante essencialmente isenta decombustível absorvente, e compreendendo oxigênio não-reagido; (b) passagem da corrente oxidante formada na etapa(a) através de um leito de absorvente metálico contendo umabsorvente metálico em estado reduzido e sob condições paraformar um óxido de absorvente metálico e gerar uma correntede efluente, que é essencialmente isenta do dito oxigênio edo dito combustível absorvente; (c) término da combustãocatalítica na dita unidade catalítica, antes da penetraçãosubstancial de oxigênio na dita corrente de efluente, apartir do dito leito de absorvente metálico, a fim de geraruma corrente de efluente, a partir do dito leito deabsorvente metálico, que é essencialmente isenta deoxigênio e combustível absorvente; (d) introdução de umacorrente de gás nobre contendo teores inaceitáveis decombustível absorvente no dito leito de absorventemetálico; e (e) recuperação de um produto de gases nobres,a partir do dito leito de absorvente metálico, que foigerado pelo processo descrito nas etapas (a) a (d).
Outra modalidade relacionada ao processo parapurificação de uma corrente de gás nobre reside nas etapas:a) passagem de uma corrente de gás nobre atravésde um leito de absorvente metálico contendo um óxido deabsorvente metálico sob condições para converter ohidrogênio em subprodutos de combustão e gerar uma correntede efluente isenta de hidrogênio;
(b) adição de oxigênio a um leito de absorventemetálico sob condições para manter a presença do dito óxidode absorvente metálico; e
(c) término da etapa de introduzir oxigênio noleito de absorvente metálico, caso haja presença depenetração de oxigênio na dita corrente de efluente.
Em outra modalidade, uma unidade catalítica éadicionada à primeira modalidade acima descrita parapermitir a combustão de impurezas não queimadas pelo óxidode absorvente metálico no leito de absorvente metálico.Quando adicionada a montante do leito de absorventemetálico, a unidade de combustão permite uma operação maisconvencional do leito de absorvente metálico, permitindoque o leito de absorvente metálico esteja no modo deredução ou no modo de oxidação, e não em ambos ao mesmotempo.
Em outra modalidade, a corrente de gás nobrecontaminada com hidrogênio, e opcionalmente outroscombustíveis ou impurezas redutíveis, é purificada emaparelho composto de uma unidade catalítica e um sistemamúltiplo de leito de absorvente metálico operando nos modosalternados de oxidação e redução. Nessa modalidade, acorrente de alimentação de gás nobre, denominada Ftota:w édividida em uma primeira corrente, denominada Fr, e umasegunda corrente de gás nobre, denominada Ftotai - Fr. Aprimeira corrente de gás nobre, denominada Fr, é enviada aum primeiro leito de absorvente metálico contendo um óxidode absorvente metálico operando no modo de redução, onde oóxido de absorvente metálico é reduzido, e o hidrogênio epartes das impurezas redutíveis são oxidados. Oxigênio éadicionado à segunda corrente de gás nobre ou a uma unidadecatalítica, onde o hidrogênio e os contaminantescombustíveis catalisados são queimados. A corrente oxidanteresultante (F0) , proveniente da unidade catalítica, contémoxigênio em excesso e é passada através de um segundo leitode absorvente metálico que está · operando em um modooxidante, isto é, o absorvente metálico no seu interior éconvertido de um estado reduzido para um estado oxidado.Quando penetração de hidrogênio ou de oxigênio é detectadana corrente de efluente, a partir do primeiro ou segundoleito de absorvente metálico, os fluxos de corrente são re-roteados ou comutados, a fim de que Fr escoe para o segundoleito de absorvente metálico e a corrente oxidante contendooxigênio em excesso (F0) escoe para o primeiro leito deabsorvente metálico.
Vantagens significativas podem ser alcançadas,usando-se o processo de purificação dessa invenção,conforme descrito, e essas podem incluir uma ou mais dosseguintes:
eliminação da necessidade de coletar um leito deabsorvente metálico fora de linha para regeneração,permitindo assim a purificação continua e a produção de umgás nobre, tal como argônio, enquanto que poupando energiaatravés da eliminação da necessidade do resfriamento eaquecimento do leito fora de linha;
eliminação da necessidade de recursos adicionais,tais como nitrogênio para purga ou um gás condutor, para aregeneração do leito fora de linha; e
eliminação da necessidade de uso do gás nobre parapurgar o gás de regeneração dos leitos de absorventemetálico, antes de retornar à operação em linha.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A fig. 1 é um fluxograma para a purificaçãoexclusiva de um gás nobre em leito de absorvente metálico apartir de uma corrente de processo que contém umcombustível absorvente.
A fig. 2 é um fluxograma para a purificação deargônio a partir de uma corrente de processo que contém umcombustível absorvente usando leitos de absorvente metálicooperando em paralelo.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Para facilitar o entendimento da invenção, já queela pertence à purificação de uma corrente de gás nobre,por exemplo, argônio contaminado com hidrogênio, parareutilização eventual, é feita referência aos desenhos.
Deve ficar claro que, embora uma corrente de gás argônioseja a corrente gasosa a ser purificada no exemplo, oprocesso pode ser aplicado à purificação de uma corrente dequalquer tipo de gás, p. ex., outros gases nobres, como porexemplo hélio.
A fim de facilitar a compreensão do processo depurificação aqui descrito, dois tipos de impurezasredutíveis ou contaminantes são definidos. O primeiro tipode impureza ou contaminante redutível é definido como um"combustível absorvente". Um combustível absorvente serefere a uma impureza redutível do tipo que é queimado,isto é, convertido na sua forma óxida por um oxido deabsorvente metálico. Hidrogênio e monóxido de carbono sãoos principais exemplos de combustíveis absorventesencontrados em correntes contaminadas de gases nobres. Osegundo tipo de impureza redutível é denominado"combustível catalisado". Combustíveis catalisados sãodefinidos como impurezas redutíveis que, na presença deoxigênio e um catalisador, são convertidas em subprodutosde combustão. Combustíveis catalisados por definiçãoincluem todos os combustíveis absorventes, tais comohidrogênio e CO, bem como alguns hidrocarbonetos, p. ex.,metano, etano, etileno, e materiais orgânicos combustíveis.Assim, a diferença por definição entre um "combustívelabsorvente" e um "combustível catalisado" é que todos oscombustíveis catalisados são oxidados por um óxido deabsorvente metálico, enquanto que muitos dos combustíveiscatalisados, como metano, hidrocarbonetos e materiaisorgânicos leves, não são oxidados por tal óxido deabsorvente metálico na temperatura operativa. Os termos"contaminante" e "impureza" podem ser aqui usados de modointercambiável, e significam a mesma coisa.
O termo "purificação" quando usado para descrever oprocesso dessa invenção, significa um processo para removerpelo menos parte de pelo menos um contaminante presente emuma corrente do gás de alimentação alimentada para dentrodo processo, para produzir uma corrente gasosa de produtoque possui menos daquele contaminante presente na correntegasosa de produto. O termo "purificado", quando usado paradescrever a corrente gasosa de produto a partir do processode purificação, significa que a corrente gasosa de produtopossui menos de pelo menos um contaminante do que acorrente de alimentação alimentada para dentro do processo,do qual pelo menos um contaminante foi removido peloprocesso. Os termos "contaminantes" e "impurezas" deverãoser usados de modo intercambiável.
A expressão "teores aceitáveis" é usada paradescrever os teores de impurezas que podem ser tolerados nacorrente "purificada" de gás nobre a partir do processodessa invenção. Os teores aceitáveis de impurezas irãodepender do uso posterior da corrente de gás nobrepurificada. -Em algumas aplicações, somente 1 ou 2 partespor milhão (ppm) ou menos de um ou mais tipos decontaminantes, por exemplo oxigênio ou hidrogênio, podemser tolerados (p. ex., algumas aplicações eletrônicas),enquanto que para outras aplicações, 10 partes por milhão(ppm) ou menos, ou 15 ppm ou menos, podem ser toleradas (p.ex., pressão isostática a quente (HIP) para operações deprocessamento metálico), e para outras aplicações menos de20 ppm, ou menos de 30 ppm, ou menos de 50 ppm, ou menos de100 ppm de um. ou mais dos tipos de contaminantes nacorrente de gás nobre purificada ou de produto podem sertoleradas.
A expressão "essencialmente isenta" pode ser usadapara descrever os teores de contaminantes no produto oucorrente de gás nobre purificada, produzida pelo processodessa invenção. Essencialmente isenta é relacionada àexpressão "teores aceitáveis" acima definida. Para algumasaplicações, essencialmente isenta significa somente 1 ou 2partes por milhão (ppm) ou menos de pelo menos um ou maisou todos os tipos de contaminantes, ou 10 partes por milhão(ppm) ou menos, ou 15 partes por milhão (ppm) ou menos ou,20 partes por milhão (ppm) ou menos, ou 30 partes pormilhão (ppm) ou menos, ou 50 partes por milhão (ppm) oumenos, ou 100 partes por milhão (ppm) ou menos de pelomenos um ou mais ou todos os tipos de contaminantespresentes na corrente de gás nobre do produto oupurificada. Os termos contaminantes e impurezas serãousados, se um ou mais de um tipo de contaminante ouimpureza estiver sendo medido.
0 "tempo de penetração" real é o tempo, após acomutação do fluxo da corrente de gás nobre a serpurificada a partir de um primeiro leito de absorventemetálico para o segundo leito de absorvente metálico, ouapós o fluxo de oxigênio para a unidade catalitica serfinalizada ao usar um leito absorvente simples, que demorapara que o oxigênio ou hidrogênio, (ou outras impurezas) nacorrente de gás nobre abandone o (segundo) leito deabsorvente metálico para ser detectada pelo analisadornaquela corrente de gás nobre abandonando aquele leito deabsorvente metálico. O teor de penetração, a saber, o teorde impurezas na corrente de produto ou de efluente emanandode pelo menos um dos leitos de absorvente metálico, que oprocesso de purificação pode permitir na corrente gasosapurificada de produto é em função de quanta penetração podeser tolerada pelos usos a jusante da corrente de gás nobrepurificada de produto e quanta corrente de gás nobrepurificada de produto é misturada em conjunto antes de usara corrente a jusante. Por exemplo, se a corrente de gásnobre de produto purificada for coletada e mantida em umtanque, e a maior parte da corrente de gás nobre do produtopurificado contiver menos de 1 ppm dos contaminantes, mas acorrente de gás nobre de produto purificado na penetraçãocontiver 30 ppm dos contaminantes para uma fração do tempode coleta de produto, a saber, apenas durante o tempo depenetração, então a corrente de gás nobre do produtoglobal, quando coletada e misturada, pode conter menos de 5ppm dos contaminantes. O teor aceitável dos contaminantesna corrente de gás nobre de produto purificado, nareutilização a jusante, pode ser de 10 ppm, que ésatisfeito após a corrente de gás nobre do produto sercoletada, misturada, embora os contaminantes na corrente degás nobre do produto para o tempo de penetração tenhamexcedido o teor aceitável.
A expressão "penetração substancial" é usada paraindi car uma quantidade de penetração, a qual, caso nãoverificada, irá resultar na presença de um ou maiscontaminantes na corrente gasosa purificada do produto, queestá acima do teor aceitável para um ou mais tipos decontaminantes.
A expressão "gás nobre" ou "corrente de gás nobre"é uma corrente gasosa que compreende basicamente o gásnobre e um ou mais contaminantes. Ela pode se referir a uma"corrente gasosa compreendendo um gás nobre" ou uma"corrente gasosa contendo gás nobre" ou semelhante.
Os artigos indefinidos "um" e "uma", conforme aquiusados, significam um ou mais, quando aplicados a qualquerrecurso nas modalidades da presente invenção descritos norelatório descritivo e nas reivindicações. 0 uso de "um" e"uma" não limita o significado de um único recurso, a nãoser que tal limite seja especificamente mencionado. Osartigos definidos "o" e "a" precedendo substantivos oufrases com substantivos no singular ou no plural significamum recurso particular especificado ou recursos particularesespecificados, que podem ter uma conotação singular ouplural, dependendo do contexto no qual eles são usados. 0adjetivo "qualquer um" significa um, alguns, ou todos deforma indiscriminada de qualquer quantidade. 0 termo "e/ou"colocado entre uma primeira entidade e uma segunda entidadesignifica uma dentre (1) a primeira entidade, (2) a segundaentidade, e (3) a primeira entidade e a segunda entidade.A. Unidade Catalitica e um Leito de Absorvente Metálico.
Com relação à fig. 1, o sistema de controle (nãoidentificado) que compreende uma unidade de controle 100,que pode ser um controlador lógico programável (PLC),computador ou semelhante, um medidor de fluxo 102,analisadores 104 e 106 para determinar teor de combustívelabsorvente e combustível catalisado, e válvula de controle108 para alimentação de gás contendo oxigênio 7. Um sistemade controle é estabelecido para facilitar o controleessencialmente automático do processo de purificação. Aunidade de controle 100 possui a capacidade de receberinformações do medidor de fluxo 102 e dos analisadores 104e 106 e, com base na programação da unidade de controle100, se comunicar e provocar o ajuste da válvula decontrole 108. A comunicação entre os analisadores, válvulasetc., ocorre por meios elétricos ou freqüências de rádio ousemelhante. No processo de purificação, uma corrente de gásnobre, por exemplo, uma corrente de argônio, contendo econtaminada com um combustível absorvente, em geralhidrogênio, e/ou CO e opcionalmente um combustívelcatalisado, incluindo dopantes, e oxigênio, conforme possaestar presente no efluente de um forno metálico ou desilício de alta temperatura, é capturado a partir dessesfornos ou outro processo a montante e conduzido ao processode purificação dessa invenção através da linha 2. Emalgumas modalidades, a concentração de hidrogênio, como umcombustível absorvente, varia tipicamente de 200 a 700 ppmna corrente de gás nobre 2, mas em geral ela pode variar de50 a 1000 ppm, enquanto que o nível de outros combustíveisabsorventes, p. ex., CO e combustíveis catalisados, taiscomo metano e outros compostos orgânicos leves, pode variarde 0 a 1000 ppm na corrente de gás nobre. Antes do argôniocontaminado ou outra corrente de gás nobre poder serreutilizada na maioria das aplicações, as impurezasabsorventes, bem como oxigênio, devem ser removidas, a fimde que seu nível total de impurezas fique abaixo de 30 ppm,de preferência abaixo de 5 ppm e, algumas vezes, abaixo aoanteriormente descrito. Esse processo de purificação podeser usado para fornecer uma corrente de gás nobre tendo umnível de oxigênio ou de hidrogênio inferior a 30 ppm, depreferência, inferior a 5 ppm. Prefere-se no processo quetodas as impurezas a serem removidas pelo processo sejamremovidas a níveis pré-selecionados (ou abaixo desses).
Corrente de gás nobre, p. ex., corrente de argônio2 passa através do medidor de fluxo 102, e a composição éanalisada pelo(s) analisador(es) .104 para combustíveisabsorventes e combustíveis catalisados (tipicamente aanálise é limitada à determinação dos teores de H2, CO,compostos de hidrocarboneto total (THC) e oxigênio nacorrente). Conhecendo a vazão e a composição, pode-seestimar, ou uma unidade de controle pode determinar, aseqüência operacional entre oxidação e redução doabsorvente metálico. Após a análise, a corrente de argônioé passada através do preaquecedor 4, onde a temperatura dacorrente de argônio é elevada até a temperaturaoperacional, que é tipicamente de 200 a 500° F, ou de até450° F. Do preaquecedor 4, ela é conduzida através da linha6, onde ela é misturada com um excesso estequiométrico deoxigênio, baseado na quantidade de combustíveis absorventese de combustíveis catalisados medida pelo analisador 104. Aquantidade de oxigênio introduzida, por exemplo, alimentadaou injetada, na corrente de gás nobre contaminada na linha6, a partir do tanque 7 através da linha 8, é controladapela válvula 108, que é operada por sinais da unidade decontrole 100. A seguir, essa mistura de argônio e oxigênioé passada através da linha 10 para a unidade catalítica 12.Em variações do método acima, que não são mostradas,oxigênio pode ser injetado diretamente dentro da unidadecatalítica 12, ao invés de no interior da linha 6, ou nointerior da unidade catalítica 12 e da linha 6, e/ouoxigênio pode ser injetado na linha 2 após o medidor defluxo 102 e antes do preaquecedor 4.
O oxigênio alimentado ao processo através do tanque7 é, de preferência, um gás contendo oxigênio de altapureza, tendo uma pureza superior a 99%. Porém, um gáscontendo oxigênio de menor pureza pode ser usado, se a"impureza" no gás contendo oxigênio for argônio e acorrente a ser purificada for argônio. De modo alternativo,outras impurezas podem ser toleradas no oxigênio: se ajusante do processo dessa invenção existir etapas depurificação adicionais, onde a impureza no gás contendooxigênio é facilmente removida; se o processo dessainvenção puder tolerar as impurezas; ou se o uso a jusanteda corrente purificada puder tolerar as impurezas presentesna corrente de oxigênio, que possam desembocar na correntede gás nobre purificada resultante, por exemplo, nitrogêniopresente na alimentação de oxigênio.
A unidade catalitica 12 contém um catalisadormetálico capaz de converter combustíveis catalisados na suaforma óxida. Platina ou paládio ou uma mistura de ambos,conduzida num suporte de alumina, pode ser empregada comocatalisador. Na unidade catalitica 12, combustíveiscatalisados, na presença de oxigênio e outras condiçõescatalíticas, são convertidas em água e dióxido de carbono.Em geral, a unidade catalitica 12 é operada em temperaturade cerca de 200 a 250° C.
A corrente de efluente na linha 14 proveniente daunidade catalitica 12 é isenta ou essencialmente isenta decombustíveis catalisados incluindo combustíveisabsorventes, tais como hidrogênio, CO, e hidrocarbonetos.Porém, a corrente de efluente na linha 14 proveniente daunidade catalitica 12 contém oxigênio não-reagido, e énecessário remover o oxigênio da corrente de efluente. Aremoção de oxigênio é efetuada pelo contato da correnteoxidante com um absorvente metálico, que está no seu estadoreduzido. De modo particular, a corrente oxidanteproveniente da unidade catalitica 12 é conduzida através dalinha 14 para o leito de absorvente metálico 16, que contémum absorvente metálico. Quando a corrente de efluente passaatravés do leito de absorvente metálico 16, o absorventemetálico é convertido na sua forma óxida, enquanto que acorrente de processo é exaurida de seu oxigênio em excesso.
Um absorvente metálico facilita o processo depurificação, onde na sua forma de óxido metálico é capaz deliberar oxigênio aos combustíveis absorventes, tal comohidrogênio, para formar água e CO para formar dióxido decarbono e, no seu estado reduzido, ele remove oxigênio deuma corrente, por exemplo, da corrente de efluente oxidantesaindo da unidade catalitica 12. Um exemplo de umabsorvente metálico é um material absorvente de cobre, talcomo, BASF R3-11, que é composto de 30% de cobre em umsuporte de alumina. Ele é um absorvente metálico útil parao tratamento da corrente de argônio. Outros exemplos deabsorventes metálicos incluem os óxidos metálicos, MnO eNiO.
Quando o absorvente metálico se torna inteiramenteoxidado, haverá uma penetração de oxigênio na linha 18, anão ser que o fluxo seja interrompido. Nesse ponto, e depreferência um pouco antes da penetração substancial deoxigênio, ou antes da quantidade de oxigênio estar acima daquantidade aceitável para a corrente de gás nobre sair doprocesso da invenção (também chamada de corrente de gásnobre com produto purificado ou a corrente de gás nobrepurificada ou semelhante), o fluxo de oxigênio na linha 8para a unidade catalitica 12 é interrompido e, assim, acombustão de combustíveis catalisados na unidade catalitica12 é interrompida. Com a interrupção da combustão decombustíveis catalisados na unidade catalitica 12, aremoção de combustíveis absorventes è comutada da unidadecatalitica 12 para o leito de absorvente metálico 16.Quando o oxigênio é liberado do óxido de absorventemetálico e o absorvente metálico se torna inteiramentereduzido, haverá uma penetração eventual de combustíveisabsorventes do leito de absorvente metálico 16, se o fluxodo oxigênio antes da unidade catalitica 12, ou dentrodessa, não for reiniciado.
Na modalidade da fig. 1, a combinação de umaunidade catalitica com um absorvente metálico no leito deabsorvente metálico é que permite a purificação contínua deuma corrente de gás nobre, usando um sistema de controlesimples.
Para impedir a contaminação de produto causada porsubstancial combustível absorvente ou penetração deoxigênio, a corrente gasosa de produto na linha 18proveniente do leito de absorvente metálico 16 é analisadapelo analisador 106 quanto a combustíveis absorventes,tipicamente hidrogênio e oxigênio. Dependendo dosrequisitos de pureza final do argônio, a amostra da análisepode advir do efluente do leito absorvente metálico,conforme mostrado na linha 18, ou ela pode ser em qualquerponto no leito de absorvente metálico 16. Se o ponto deamostragem para o analisador 16 estiver dentro do leito deabsorvente metálico (não mostrado), opcionalmente próximo àsaida do leito de absorvente metálico, que por exemplo podeestar em uma posição (não mostrada), que é H do comprimentodo leito de absorvente metálico a partir da saida, entãopode haver um comprimento suficiente de leito disponívelpara oxidar a maior parte, senão todos, os combustíveisabsorventes que estão dentro do leito de absorventemetálico e a linha 14 antes da penetração do leito após adetecção do contaminante (em uma quantidade muito alta) poresse analisador. Se houver uma penetração, isto é, apresença de um nível insatisfatório de pelo menos umaimpureza na corrente 18, conforme detectado pelo analisador106, ou se a penetração for iminente (quando analisadoresrecebendo amostras de gás de dentro do leito detectarem umade mais impurezas em uma quantidade acima daquela permitidapelo processo), a unidade de controle 100 ajusta o fluxo deoxigênio através da válvula 108, para iniciar ou encerrar aconversão de combustíveis catalisáveis para a sua formaóxida (através do oxigênio adicionado) na unidadecatalítica 12, e para iniciar ou encerrar a oxidação ouredução do leito de absorvente metálico 16, conforme possaser o caso. Quando um gás contendo oxigênio for introduzidona unidade catalitica (ou na corrente de gás nobrepenetrando na unidade catalitica) , oxigênio irápossivelmente penetrar no leito de absorvente metálico 16,se nenhum ajuste adicional for feito no processo pelosistema de controle, isto é, se o fluxo de oxigênio não forinterrompido. Quando o gás contendo oxigênio não forintroduzido na unidade catalitica (ou na corrente de gásnobre penetrando na unidade catalitica), hidrogênio irápossivelmente penetrar no leito de absorvente metálico 16,se nenhum ajuste adicional for feito no processo pelosistema de controle, isto é, o fluxo de oxigênio não foracionado.
Na modalidade mostrada na fig. 1, uma correntecontendo argônio de produto purificado ou mais limpo éresfriada no trocador de calor 20 e conduzida através dalinha 22 para posteriores etapas de purificação (nãomostradas) ou reutilização.
Uma vantagem de empregar a combinação de umaunidade catalitica e de absorvente metálico na purificaçãode uma corrente de gás nobre, tal como argônio, é que elapermite a remoção da impureza redutivel, hidrogênio emonóxido de carbono e, em alguns casos, uma grandeporcentagem de combustíveis catalisados, tais comohidrocarbonetos. Muito embora nem todos os hidrocarbonetossejam convertidos em dióxido de carbono, o nível de reduçãodas impurezas orgânicas e de hidrocarbonetos pelo uso dacombinação de aparelho pode ser suficiente para reciclagemde argônio. Em aditamento à redução de hidrogênio e demonóxido de carbono, a corrente de gás nobre do produto, p.ex., argônio, é essencialmente isenta de oxigênio. O CO2,H2O, e a maior parte dos hidrocarbonetos (HC) restantespodem ser removidas em sistemas de adsorção subseqüentes,se desejado.
B. Um Leito de Absorvente Metálico
Em outra modalidade da invenção, é possívelempregar uma variação mais simples do processo descrito nafig. 1, por omissão ou desativação da unidade catalítica12. Porém, a corrente do produto final irá conter mais dasimpurezas redutíveis, p. ex. hidrocarbonetos não-oxidadospelo absorvente metálico no leito de absorvente metálico16. Quando a unidade catalítica 12 é removida de operação,o fluxo de oxigênio é comutado, de modo alternativo, o parauma posição ativada, quando o absorvente metálico estiverno seu estado reduzido, e para uma posição desativada,quando o absorvente metálico estiver em um estado oxidado.Na parte inicial do leito de absorvente metálico 16, então,o absorvente metálico pode ser submetido à redução eoxidação seqüencial, com oxigênio em excesso passandoatravés do leito de absorvente metálico e oxidando obalanço do absorvente metálico no leito de absorventemetálico para sua forma óxida. 0 fluxo de oxigênio para oleito de absorvente metálico é encerrado, de preferência,pouco antes da penetração de oxigênio no leito deabsorvente metálico. Esse processo alternativo parapurificar a corrente de gás nobre, embora oferecendosimplicidade em termos de requisitos de equipamento, é deoperação mais difícil, devido à redução e oxidaçãosimultânea aparente do absorvente metálico.
C. Unidade Catalitica e Dois Leitos de Absorvente Metálico
Em uma modalidade alternativa do processo depurificação, e conforme descrito na fig. 2, a corrente deargônio é processada em um sistema de purificação compostode pelo menos uma unidade catalítica e uma pluralidade deleitos de absorvente metálico operando em paralelo. Aoperação paralela dos leitos de absorvente metálicosignifica que, em certo instante de tempo, mais do que umleito está em linha e processando o fluxo de uma maneiranão seqüencial. Através da operação da mineira a serdescrita, é possível operar com produção contínua em maisdo que um leito de absorvente metálico, sem removerqualquer leito da linha pára regeneração.
Para facilitar a compreensão dessa modalidade, éfeita referência à fig. 2 compreendendo uma unidadecatalítica e dois leitos de absorvente metálico.
Similar à modalidade mostrada na fig. 1, o sistemade controle (não identificado) é composto de pelo menos umaunidade de controle 300, pelo menos um medidor de fluxo,conforme mostrado, medidores de fluxo 302, 304, pelo menosuma válvula de controle, conforme mostrada, as válvulas decontrole 306, 318, 320, 322, 324 e 327, e linhas deamostragem opcional 312, 314 e 316 e pelo menos umanalisador 310, que pode ser um ou mais analisadores,conforme mostrado na fig. 1. Em outras modalidades dessainvenção, o sistema de controle compreende pelo menos umaunidade de controle, pelo menos um medidor de fluxo, e pelomenos um analisador e opcionalmente pelo menos uma válvulade controle para proporcionar um sistema de controle quepossa reagir, de forma automática, a mudanças em pelo menosalgumas das variáveis do processo, tal como mudanças navazão, mudanças na composição da corrente de gás nobre,penetração, ou outras variáveis de processo. Em outrasmodalidades, o sistema de controle compreende pelo menosuma unidade de controle e pelo menos um ou mais dosseguintes: medidores de fluxo e/ou analisadores e/ouválvulas em qualquer combinação, desde que o sistema decontrole possa detectar e reagir às mudanças das variáveisdo processo.
Uma corrente contendo argônio de alimentação,denominada Ftotai/ contaminada com um combustívelabsorvente, tal como hidrogênio, e geralmente comcombustíveis catalisados, é introduzida no processo depurificação através da linha 202, onde ela é passadaatravés do medidor de fluxo 302 e a composição analisadaatravés da linha de amostragem 312 pelo analisador 310. Emuma modalidade, a vazão Ftotai (determinada pelo medidor defluxo 302) e análise de composição da corrente de argôniosão comunicadas à unidade de controle 300 e, usando essasinformações, a unidade de controle 300 pode determinar aporção (Ftotai ~ Fr) da corrente gasosa contendo argônio aser conduzida à unidade catalitica, e a porção Fr dacorrente gasosa contendo argônio a ser conduzida a um dosleitos absorventes. A válvula de controle 306 pode serajustada de modo automático, através da comunicação daunidade de controle 300 para a válvula 306, para forneceressas porções. De maneira adicional ou alternativa, ademanda de oxigênio e uma aproximação dos tempos de ciclopara os leitos de absorvente metálico podem ser calculadaspela unidade de controle 300, e essas informações podem serusadas para controlar o processo pelo controle das válvulasde controle 327, 320, 322, 318, 306 e 324 por parte daunidade de controle.
A corrente 202 é dividida em duas correntesformando a corrente 204 e 212, embora, de modo alternado, acorrente de alimentação (corrente gasosa contaminadacontendo argônio) possa ser introduzida no processo atravésde duas ou mais linhas de alimentação, dependendo dapreferência de projeto. A vazão da corrente 204, que é aquichamada de corrente Fr, é medida pelo medidor de fluxo 304e a vazão controlada pela válvula 306 através da unidade decontrole 300. A corrente 204 é aquecida no preaquecedor 204até a temperatura operacional e enviada através da linha208 ao leito de absorvente metálico 210a ou 210b. A direçãode fluxo do Fr a um dos leitos de absorvente metálico écontrolada pela abertura e fechamento, ou fechamento eabertura, das válvulas 318 ou 320, respectivamente.
A corrente 212, tendo uma vazão denominada Ftotai -Fr, é aquecida no preaquecedor 214, e O2 é adicionadoatravés de uma fonte de oxigênio (não mostrada) na linha216 através da linha 218. A vazão desejada de oxigênio(F02) introduzida na linha 216 através da linha 218 éaquela quantidade necessária para efetuar a combustão decombustíveis catalisados e para converter os absorventesmetálicos em sua forma óxida durante a regeneração emlinha. Essa quantidade é determinada pela relação descritana Equação 1:
Equação 1:
<formula>formula see original document page 28</formula>
onde * in dica multiplicado por, F02 se refere àvazão molar de O2 fornecida através da linha 218 para alinha 216, Xh2 se refere à concentração molar de H2 nascorrentes Ftotai ~ Fr e Fr, XCo se refere à concentração molarde CO nas correntes Ftotai - Fr e Fr, e Xthc se refere àconcentração molar de hidrocarbonetos na corrente Ftotai _Fr, e XOGC se refere à concentração molar de combustíveisabsorventes diferentes de H2 e CO na corrente Fr. Osmultiplicadores η e n' são escolhidos para fornecer umaequação de combustão balanceada para os hidrocarbonetostotais e outros combustíveis absorventes, respectivamente.
Observe que a quantidade total de oxigênio fornecida é emexcesso estequiométrico (relativo aos combustíveis na Ftotai- Fr ) por (1/2 Xh2 + % Xco = n' Xogc - X02) * Fr, onde X02 serefere à concentração molar de O2 já presente na correntede alimentação Fr - FtOtai, Frf e (Ftotai - Fr) são as vazõesdas correntes gasosas nas linhas 202, 204 e 212,respectivamente.
De maneira básica, de acordo com a Equação 1,oxigênio é adicionado, (através de um gás contendooxigênio) ao processo em uma quantidade para forneceraproximadamente a quantidade estequiométrica para oxidartodos os combustíveis absorventes na corrente Ftotai e paraqueimar os combustíveis catalisados alimentados na unidadecatalítica 222. A modalidade da invenção propicia a adiçãode uma quantidade substancialmente estequiométrica de O2,conforme determinado pela Equação 1, ou a adição de mais oumenos 15%, ou de mais ou menos 10%, ou menos da quantidadeestequiométrica de O2.
A válvula de controle 327 prevista na linha deoxigênio 218 faz parte do sistema de controle e écontrolada por comunicação através da unidade de controlepara essa válvula de controle 327, após a unidade decontrole 300 calcular a Equação 1 (ou partes da Equação 1),usando entradas dos medidores de fluxos e dos analisadores.
A corrente de argônio preaquecida com o oxigênioadicionado é passada através da linha 220 para a unidadecatalitica 222, onde os combustíveis catalisados sãoconvertidos na sua forma óxida. Como na modalidade da fig..1, para efetuar a conversão de combustíveis catalisados,tais como H2, CO e os hidrocarbonetos, é comum empregar umcatalisador metálico, p. ex., Pd ou Pd em alumina naunidade catalitica 222. Ao operar o processo, de acordo coma relação da Equação 1, a corrente oxidante F0 na linha 224saindo da unidade catalitica 222 irá conter oxigênio emquantidade substancialmente estequiométrica para oscombustíveis absorventes na corrente Fr.
A corrente oxidante 224, agora contendo oxigênionão-reagido, é enviada ao leito de absorvente metálico, queestá no seu estado reduzido. A direção de fluxo écontrolada pela abertura ou fechamento das válvulas 322 e324. Como mostrado na fig. 2, a válvula 322 está aberta e aválvula 324 está fechada. No leito selecionado, o oxigênionão-reagido na corrente oxidante 224 oxida o absorventemetálico contido no leito de absorvente metálico, quando acorrente passa por ele. Supondo que, no ciclo inicial, osegundo leito de absorvente metálico 210b esteja na suaforma reduzida, a válvula 324 é fechada e a válvula 322 éaberta, permitindo o fluxo para o leito 210b (comomostrado), onde o absorvente metálico é oxidado pelooxigênio não-reagido na F0.
A linha 204 contendo o fluxo Fr, como acimadescrito, é preaquecida no preaquecedor 206. A temperaturade preaquecimento é geralmente inferior a 250° C, ou a umatemperatura na faixa de 150 a 200° C. A correntepreaquecida é enviada a um primeiro leito de absorventemetálico 210a, que está na sua forma de óxido metálico. Ofluxo é dirigido pelo uso das válvulas 318 e 320. Supondoque, no primeiro ciclo inicial, o leito de absorventemetálico 210a se encontra na sua forma óxida, qualquercombustível absorvente, tal como H2, é oxidado na presençado óxido de absorvente metálico para formar H2O, e qualquerCO na corrente é oxidado em CO2. Durante essa etapa, oóxido metálico no leito de absorvente metálico é reduzidoem metal. As correntes 228 e 230 saindo dos leitos deabsorvente metálico 210b e 210a são respectivamenteisentos, ou essencialmente isentos, dos combustíveisabsorventes hidrogênio, monóxido de carbono e oxigênio,significando que o processo fornece uma corrente contendogás argônio "purificado" com um nível aceitável daquelasimpurezas no seu interior. Combustíveis catalisados em umaquantidade FrXCc, onde Xcc é a concentração molar doscombustíveis catalisados, estarão presentes na corrente230, pois, conforme afirmado, eles não são convertidospelos absorventes metálicos nos respectivos óxidos. Acorrente 228 e a corrente 230 são misturadas entre si nummisturador 232 e alimentadas através da linha 234 ao pós-resfriador 236, onde o gás é tipicamente resfriado a cercade 40° C. Do pós-resfriador 236, a corrente resfriada, sedesejado, pode ser alimentada através da linha 238 para umaetapa e sistema de purificação a jusante opcionaladicional, (não mostrado), tal como um sistema de adsorção,onde os produtos de oxidação, tais como H2O, CO2, e THCrestante podem ser removidos. O sistema de adsorção tambémpode ser projetado para remover outras impurezas, comonitrogênio, da corrente de argônio.
O sistema de adsorção de purificação a jusante, sedesejado, pode ser um sistema de adsorção com pressãooscilante (PSA), um sistema de adsorção com temperaturaoscilante (TSA), um PSA termicamente elevado ou um sistemade adsorção a vácuo oscilante (VSA). O sistema de adsorçãopode ter dois ou mais leitos de adsorção, e os leitos podemter uma ou mais camadas de adsorventes para remover avariedade de impurezas restantes.
Possivelmente, em um determinado ciclo do processode purificação descrito na fig. 2, o absorvente metálico noleito de absorvente metálico, recebendo a corrente oxidantedo vaso catalítico 222, se tornará oxidado e o leito deabsorvente metálico recebendo o fluxo Fr será reduzido.Nesse ponto, as correntes 208 e 224 para os leitos 210a e210b são comutadas ou reorientadas. A corrente Fr iráfluir, através do fechamento da válvula 318 e da aberturada válvula 320, para o leito de absorvente metálico 210b.De maneira correspondente, a válvula 322 será fechada e aválvula 324 será aberta. A corrente oxidante F0 na linha224 irá agora fluir diretamente para o leito de absorventemetálico 210a e oxidar o absorvente metálico no leito deabsorvente metálico 210a. Através da operação nesse modo, aregeneração em linha de um leito de absorvente metálico,sem remover o leito de absorvente metálico 210a ou 210b deserviço, pode ser realizada, enquanto que efetuando aprodução continua do produto argônio, que é uma corrente(s)gasosa(s) de argônio purificado.
A fim de manter a pureza do produto, a unidade decontrole 300 deve provocar a reorientação das correntes Fre F0 para o outro leito de absorvente metálico antes dapenetração, ou substancial penetração, de combustívelabsorvente ou oxigênio por parte do leito de absorventemetálico 210a ou 210b. A penetração pode ser detectada poranalisador(es) 310 através das linhas de amostragem 314 e316 localizadas nas linhas de efluentes 228 e 230 ou, sedesejado, embora não mostrado, através dos pontos deamostragem localizados dentro dos leitos de absorventemetálicos 210b e 210a, conforme descrito em conjunto com afig. 1. Por exemplo, se os pontos de amostragem (nãomostrados) forem colocados a cerca de Ή do comprimentototal do leito, a partir da entrada dos leitos deabsorvente metálico 210a e 210b na direção do fluxo atravésdos leitos, então quando a penetração de oxigênio ou decombustível absorvente for detectada por um ou ambosanalisado res e a unidade de controle fizer com que asválvul as apropriadas se abram e se fechem para direcionarFr e F0 aos leitos opostos, haverá uma reserva suficientede absorvente metálico no H restante do comprimento dosleitos de absorvente metálico para tratar o oxigênio oucombustível absorvente restante na corrente gasosa fluindoatravés do leito e a jusante das válvulas alteradas(válvulas 318 e 322 ou válvulas 320 e 324), para evitar queníveis inaceitáveis de contaminantes alcancem as correntesde gases nobres do produto nas linhas 228 e 230. A posiçãoideal de amostragem no leito absorvente pode serdeterminada, com base no limite de detecção inferior dosanalisadores e na pureza final pretendida da corrente degás nobre do produto.
D. Controle da Regeneração em Linha dos Leitos
Em um sistema ideal, no qual dois leitos deabsorvente metálico são usados, os quais possuem os mesmosvolumes, extensões, diâmetros e características dedesempenho do presente absorvente metálico, e o fluxo deoxigênio adicionado ao sistema, F02, corresponde exatamenteà quantidade estequiométrica necessária para queimar oscombustíveis absorventes e certa fração dos combustíveiscatalíticos, então o oxigênio irá penetrar no leitorecebendo a F0, ao mesmo tempo que hidrogênio penetra noleito recebendo o Fr. Nesse sistema ideal, existe umaextensão de leito total de metal oxidado entre os doisleitos absorventes a qualquer dado momento. No inicio dociclo, o comprimento total é o comprimento do leito prestesa receber o fluxo Fr. Conforme a etapa de alimentaçãoavança, a extensão oxidada do leito recebendo o Fr diminuida mesma vazão que a extensão oxidada do leito recebendo oF0 aumenta, mantendo uma reserva constante de oxigêniounida com metal dentro dos dois leitos.
Porém, em operação, a corrente de alimentação éanalisada quanto a componentes em bases de tempo distintas.A amostragem discreta, calibragens incorretas, falhas deválvulas e outros problemas podem resultar em umaquantidade muito baixa ou muito alta de oxigênio injetadano sistema. 0 sintoma de uma dosagem desbalanceada deoxigênio é uma diferença nos tempos de penetração no leito.Em um primeiro exemplo, mais oxigênio é dosado para dentrodo sistema, do que indicado na Equação 1, fazendo com que oleito recebendo o fluxo F0 injete oxigênio, antes do leitorecebendo o Fr ser inteiramente reduzido. Como resultado, aextensão total de oxigênio contido na reserva dentro dosdois leitos corresponde a mais do que uma extensão deleito. Por último, na penetração, a extensão total da seçãooxidada no sistema irá corresponder à extensão total doleito recebendo o F0 e a porção da extensão do leitorecebendo o Fr que não foi ainda reduzida na penetração (deO2 no outro leito), que não será geralmente conhecida (essaextensão pode ser estimada, se amostras gasosas emdistâncias intermediárias dentro do leito forem colhidas eanalisadas) . A fim de reduzir a extensão total do leitooxidado do sistema para o nivel desejado de uma extensão deleito, deve ser feita uma redução no fluxo de oxigênio F02-
Em um método de controle, o fluxo F02 será ajustado pela relação entre o tempo de penetração para o leitoreceber o F0 e aquele para o leito receber o Fr. 0 fluxo deF02 ajustado é apresentado na Equação 2:
Equação 2 : F02(n+1)=Fo2{n)* tFo(n)/ tFrtn)
Aqui, F02(n+i) é o fluxo de oxigênio para o ciclo n+1e F02(O) é o fluxo de oxigênio para ciclo n, (ciclo poucoantes de n+1), tF0 é o tempo de penetração do leitorecebendo o fl uxo oxidante Fo, e tfr e o tempo de penetraçãodo leito recebendo o fluxo redutor Fr, ambos para o ciclon. Porém, na prática, o tempo de penetração somente doprimeiro leito a ser penetrado pode ser conhecido, pois osleitos são geralmente comutados, quando o primeiro leito épenetrado. A opção prática para ajustar o fluxo de oxigênioé usar tempos de penetração para distâncias intermediáriasnos leitos, por monitoração da composição da correntegasosa naquelas posições do leito. Se os tempos depenetração nas distâncias intermediárias forem usados, amesma distância a partir do topo (ou fundo) do leitoprecisa ser usada para ambos os leitos, a não ser que aprogramação da unidade de controle seja gravada para levarem conta as localizações variáveis do equipamento demonitoração. Além disso, os leitos são de preferência demesmo tamanho, tendo os mesmos materiais absorventesmetálicos etc., mas é possível usar diferentes leitos deabsorvente metálico no processo dessa invenção e gravar aprogramação da unidade de controle para ajustar aorientação das correntes entre os leitos absorventes eoutras partes de equipamento levando em conta essasdiferenças. Além disso, os primeiros pontos de amostragem apartir do fundo dos leitos, que mostrarem penetração deoxigênio no leito recebendo o F0 e penetração de hidrogêniono leito recebendo o Fr, devem ser usados.
Nesse primeiro exemplo, onde o leito recebendo o F0é inicialmente penetrado, a relação dos tempos depenetração tFo<n) / tFr(n) é inferior à unidade e F02 éreduzida. Em um segundo exemplo, onde o leito recebendo oFr é penetrado com hidrogênio antes do leito recebendo o F0ser penetrado com oxigênio, a relação dos tempos depenetração é superior que a unidade, resultando em umaumento de F02 para o próximo ciclo.
Outro método de controle é o de reduzir F02 pelarelação entre o tempo de penetração real e o tempo depenetração teórico calculado através das medições de fluxoe analíticas. O tempo de penetração real é o tempo, apóscomutar o fluxo entre os leitos de absorvente metálico (ouapós o fluxo de oxigênio para a unidade catalítica serinterrompido para modalidades de um só leito), que levapara o oxigênio ou o hidrogênio (outras impurezas) nacorrente de gás nobre saindo do leito de absorventemetálico ser detectado pelo analisador naquela corrente degás nobre. O tempo de penetração teórico, que é o mesmopara o leito recebendo o F0 e o fluxo recebendo o Fr, éapresentado pela Equação 3:
<formula>formula see original document page 38</formula>
As variáveis usadas na Equação 3 são apresentadasna tabela 1. Se o leito recebendo o F0 for inicialmentepenetrado, então o fluxo de oxigênio deve ser diminuídopela relação:
<formula>formula see original document page 38</formula>
Se o leito recebendo o Fr for inicialmentepenetrado, então a razão do fluxo de oxigênio deve serelevada por:
<formula>formula see original document page 38</formula><table>table see original document page 39</column></row><table>
O ajuste do fluxo de oxigênio nos exemplos acimapode ser feito no inicio do ciclo, que começa logo após acomutação ou reorientação de corrente entre os leitos deabsorvente metálico. Se houverem pontos de amostragem paramonitorar hidrogênio e oxigênio nas partes intermediáriasdos leitos, ajustes de fluxo podem ser feitos para ajustara reserva de oxigênio através da válvula de controle 327durante um ciclo.
Em modalidades usando mais do que um leitoabsorvente (e pode haver mais do que dois, se desejado) , osegundo leito absorvente na modalidade acima apresenta umavariável de controle adicional para as modalidades de umleito absorvente. A divisão de fluxo, Fr para Ftotai ~ Fr,pode ser ajustada através da válvula de controle 306, paraatender limitações operativas adicionais, comoconcentrações mínimas de oxigênio para a unidade catalítica222, concentrações máximas de oxigênio para os leitos deabsorvente metálico 210a e 210b, e limitações máximas detemperatura para operação eficaz do catalisador eabsorvente. O controle sobre como o fluxo da alimentação deargônio contaminado é dividido entre Fr e (Ftotai ~ Fr) podetambém permitir que o sistema processe uma maiorconcentração de combustíveis absorventes na alimentação.Caso necessário, um número adicional de leitos deabsorvente metálico, e controles de fluxo e/ou tanquesarmazenadores de alimentação podem ser previstos paraprocessar um fluxo inconstante de alimentação de argôniocontaminado para o processo da invenção.
A oxidação e redução seqüenciais dos respectivosleitos de absorvente metálico em um sistema de leitosmúltiplos permitem a purificação essencialmente continua deuma corrente de gás nobre, sem retirar um leito deabsorvente metálico da linha.
Os componentes individuais do processo dessainvenção estão todos comercialmente disponíveis, ou podemser montados por uma pessoa versada na técnica.
Essa invenção foi descrita com referência amodalidades particulares. Modalidades adicionais tornar-se-ão óbvias para pessoas versadas na técnica, sendoenglobadas pelo escopo das reivindicações.

Claims (20)

1. PROCESSO PARA A PURIFICAÇÃO DE UM GÁS CONTENDOGÁS NOBRE, CARACTERIZADO pelo fato de compreender as etapasde:(a) passagem de uma primeira corrente de gásnobre compreendendo uma porção inaceitável de, pelo menosum, combustível absorvente através de um primeiro leito deabsorvente metálico compreendendo um óxido de absorventemetálico sob condições para converter o combustívelabsorvente em produtos de combustão, gerando assim umaprimeira corrente de efluente, que é essencialmente isentado dito, pelo menos um, combustível absorvente, e onde odito absorvente metálico é convertido para um estadoreduzido;(b) passagem de uma segunda corrente de gás nobreatravés de uma unidade catalítica e efetuação da combustãocatalítica do dito, pelo menos um, combustível absorvente,formando assim uma corrente oxidante, dita correnteoxidante é essencialmente isenta de combustível absorventee compreende oxigênio não-reagido;(c) passagem da corrente oxidante formada naetapa (b) através de um segundo leito de absorventemetálico contendo um absorvente metálico em estado reduzidoe sob condições para formar um óxido de absorventemetálico, gerando assim uma segunda corrente de efluente,que é essencialmente isenta de oxigênio e essencialmenteisenta de combustível absorvente; e(d) comutação do fluxo da dita primeira correntede gás nobre e da dita corrente oxidante, pelo qual acorrente oxidante gerada na etapa (b) flui para o primeiroleito de absorvente metálico e a primeira corrente de gásnobre flui para o segundo leito de absorvente metálico.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender as etapas de:(e) comutação do fluxo da dita primeira correntede gás nobre e da dita corrente oxidante, pelo qual acorrente oxidante gerada na etapa (b) flui para o segundoleito de absorvente metálico e a dita primeira corrente degás nobre flui para o primeiro leito de absorventemetálico;(f) coleta das correntes de efluente a partir dosditos primeiro e segundo leitos absorventes;(g) repetição das etapas (d) a (f).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato das correntes de gases nobrescompreenderem argônio.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato dos leitos de absorvente metálicocompreenderem cobre.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender a etapa deintroduzir oxigênio a uma vazão dentro da segunda correntede gás nobre, antes ou durante a etapa (b).
6. Processo, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender as etapas de:calcular uma vazão molar · de oxigênio (F02) paraintroduzir através da dita etapa introdutora usando aEquação 1:Equação 1:<formula>formula see original document page 44</formula>onde F02 se refere à vazão molar de O2, Ftotai serefere à taxa de alimentação total de gás nobre aoprocesso, calculada pela adição das primeira e segundacorrentes de gases nobres, Fr se refere à dita primeiravazão da corrente de gás nobre, Ftotai - Fr se refere àsegunda vazão da corrente de gás nobre, XH2 se refere àconcentração molar de H2 nas correntes (Ftotai - Fr) e Frrespectivamente, XCo se refere à concentração molar de COnas correntes (FtotaI - Fr) e Fr, Xthc se refere àconcentração molar de hidrocarbonetos na corrente (Ftotai -Fr) , e η e n' são multiplicadores para propiciar umaequação balanceada, X0gc se refere à concentração molar decombustíveis absorventes, além de H2 e CO;e, a seguir, durante a dita etapa de introdução,injeção de mais ou menos 15% do dito F02 dentro da ditasegunda corrente de gás nobre.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender, antes da ditaetapa (d), a etapa de:analisar pelo menos uma das ditas correntes deefluente a partir do dito primeiro ou segundo leito deabsorvente metálico para penetração real do ditocombustível absorvente ou do dito oxigênio.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender a etapa decontrolar a vazão de oxigênio na dita etapa introdutora,baseado no tempo real de penetração de pelo menos um dosleitos de absorvente metálico.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender a etapa decontrolar a vazão de oxigênio para o sistema na dita etapaintrodutora, baseado na razão entre os tempos real eteórico de penetração.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato da dita etapa de comutação (d) serefetuada antes da penetração real do oxigênio oucombustível absorvente em pelo menos uma das primeira esegunda correntes de efluente, a partir do dito primeiroleito de absorvente metálico ou do dito segundo leito deabsorvente metálico.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato da dita etapa de comutação (d) serefetuada imediatamente após a penetração do oxigênio oucombustível absorvente em pelo menos uma das primeira ousegunda correntes de efluente, a partir do dito primeiroleito de absorvente metálico ou do dito segundo leito deabsorvente metálico.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender a etapa de:analisar pelo menos uma das ditas correntesgasosas dentro de pelo menos um dos ditos primeiro ousegundo leito de absorvente metálico para penetraçãoiminente do dito combustível absorvente ou do dito oxigênioantes da dita etapa de comutação, e efetuar a dita etapa decomutação antes da dita penetração do oxigênio oucombustível absorvente em pelo menos uma das ditas primeiraou segunda correntes de efluente, a partir do dito primeiroou dito segundo leito de absorvente metálico.
13. PROCESSO PARA A PURIFICAÇÃO DE UMA CORRENTEDE GÁS NOBRE CONTAMINADA COM TEORES INACEITÁVEIS DEHIDROGÊNIO E CONTAMINANTES DE COMBUSTÍVEL OPCIONAL,CARACTERIZADO pelo fato de compreender:(a) introdução de uma corrente contendo oxigênioem um leito de absorvente metálico contendo um absorventemetálico em estado reduzido, para formar um óxido deabsorvente metálico;(b) introdução de uma corrente de gás nobre noleito de absorvente metálico empregado na etapa (a) , queforma um óxido de absorvente metálico e converte ohidrogênio na dita corrente de gás nobre em água, gerandoassim uma corrente de efluente essencialmente isenta dehidrogênio e oxigênio;(c) término da etapa de introdução da correntecontendo oxigênio no leito de absorvente metálico, apósformar o dito óxido de absorvente metálico na etapa (a), afim de manter a geração da corrente de efluenteessencialmente isenta de hidrogênio e oxigênio na etapa(b);(d) continuação da introdução da dita corrente degás nobre no dito leito de absorvente metálico na etapa (b)para reduzir o óxido de absorvente metálico; e(e) repetição das ditas etapas (a) a (d) , paraefetuar a recuperação e purificação continuas da ditacorrente de gás nobre.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato da corrente de gás nobrecompreender argônio.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato do leito de absorvente metálicocompreender cobre.
16. PROCESSO PARA A PURIFICAÇÃO DE UMA CORRENTEDE GÁS NOBRE TENDO TEORES INACEITÁVEIS DE PELO MENOS UMCOMBUSTÍVEL ABSORVENTE, CARACTERIZADO pelo fato decompreender:(a) efetuação da combustão catalitica do ditocombustível absorvente em uma unidade catalítica, formandoassim uma corrente oxidante essencialmente isenta decombustível absorvente, e compreendendo oxigênio não-reagido;(b) passagem da corrente oxidante formada naetapa (a) através de um leito de absorvente metálicocontendo um absorvente metálico em estado reduzido e sobcondições para formar um óxido de absorvente metálico egerar uma corrente de efluente, que é essencialmente isentado dito oxigênio e do dito combustível absorvente;(c) término da combustão catalítica na ditaunidade catalítica, antes da penetração substancial deoxigênio na dita corrente de efluente, a partir do ditoleito de absorvente metálico, a fim de gerar uma correntede efluente, a partir do dito leito de absorvente metálico,que é essencialmente isenta de oxigênio ou combustívelabsorvente;(d) introdução de uma corrente de gás nobrecontendo teores inaceitáveis de combustível absorvente nodito leito de absorvente metálico; e(e) recuperação de um produto de gás nobre, apartir do dito leito de absorvente metálico, que foi geradopelo processo descrito nas etapas (a) a (d).
17. Processo, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato do absorvente metálico compreendercobre.
18. Processo, de acordo com a reivindicação 17,CARACTERIZADO pelo fato do catalisador na unidadecatalitica compreender Pd ou Pt.
19. Processo, de acordo com a reivindicação 18,CARACTERIZADO pelo fato de pelo menos um combustívelabsorvente ser hidrogênio.
20. Processo, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender as etapas de(f) continuar a etapa (d) até antes da penetraçãosubstancial do dito combustível absorvente na dita correntedo produto de gás nobre, a partir do dito leito deabsorvente metálico; (g) recuperar um produto de gás nobrea partir do dito leito de absorvente metálico; e (h)repetir as etapas (a) a (g) para efetuar a purificação erecuperação contínuas da dita corrente de gás nobre.
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