ES2240353T3 - Procedimiento de adsorcion por variacion de presion a escala muy grande. - Google Patents
Procedimiento de adsorcion por variacion de presion a escala muy grande.Info
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Abstract
Un procedimiento para la separación de un gas no adsorbible de una mezcla de gases que comprende el gas no adsorbible y un gas adsorbible en una zona de adsorción por variación de presión de serie única, el proceso comprende hacer pasar la mezcla de gases por la una zona de adsorción por variación de presión de serie única y retirar una corriente de gas producto que comprende el gas no adsorbible y una corriente de gas residual que comprende el gas adsorbible, dicha zona de adsorción por variación de presión de serie única tiene una pluralidad de lechos adsorbentes que emplea en cada lecho adsorbente una etapa de adsorción, al menos dos etapas de ecualización a favor de corriente que incluyen una etapa final de ecualización a favor de corriente, una etapa que proporciona una purga, una etapa de extracción a contracorriente, una etapa de purga, al menos tres etapas de ecualización a contracorriente que incluyen una etapa final de ecualización a contracorriente y una etapa de represurización,cada una de dichas etapas se dan de una forma secuencial y desplazadas en tiempo, en el que la etapa de adsorción se da durante un tiempo de la etapa de adsorción, la etapa que proporciona una purga se da durante un tiempo de la etapa que proporciona una purga y una etapa de purga se da durante un tiempo de la etapa de purga, siendo el tiempo de la etapa de purga mayor que el tiempo de la etapa de adsorción y en el que dicha etapa de purga comprende el lecho adsorbente que experimenta una etapa de purga que recibe un gas de purga de uno o más de otros lechos adsorbentes que experimentan la etapa que proporciona una purga, en el que dichos otros uno o más lechos adsorbentes están proporcionando simultáneamente el gas de purga al lecho adsorbente que experimenta la etapa de purga y en el que en cualquier momento, el número de lechos adsorbentes que experimentan la etapa de adsorción es superado por el número de lechos adsorbentes que experimentan la etapa de purga.
Description
Procedimientos de adsorción por variación de
presión a escala muy grande.
La presente invención se refiere a procedimientos
para la separación de gases usando adsorción por variación de
presión (PSA) que amplía de forma significativa la capacidad del
procedimiento de separación.
La PSA proporciona un medio eficaz y económico
para separar una corriente de gas multicomponente que contiene, al
menos, dos gases que tienen diferentes características de adsorción.
El gas adsorbible de forma más fuerte puede ser una impureza que se
elimina del gas adsorbible de forma menos fuerte que se retira como
producto, o el gas adsorbible de forma más fuerte puede ser el
producto deseado que se separa del gas adsorbible de forma menos
fuerte. Por ejemplo, puede desearse eliminar monóxido de carbono e
hidrocarburos ligeros de una corriente de alimentación que contiene
hidrógeno para producir una corriente de hidrógeno purificado (más
del 99 por ciento) para un hidrocraqueo u otro procedimiento
catalítico en el que estas impurezas podrían perjudicar la
catálisis o la reacción. Por otra parte, puede desearse recuperar
gases adsorbibles de forma más fuerte, como etileno, de una
corriente de alimentación para fabricar un producto enriquecido en
etileno.
En la PSA, un gas multicomponente se alimenta por
regla general a, al menos, una de una pluralidad de zonas de
adsorción a una elevada presión eficaz para adsorber al menos un
componente, mientras que, al menos, uno de los otros componentes
pasa a través. En un momento definido, se interrumpe la corriente de
alimentación al adsorbente y se despresuriza la zona de adsorción
por una o más etapas de despresurización a favor de corriente en las
que la presión se reduce a un nivel definido que permite que el
componente o los componentes adsorbidos de forma menos fuerte,
separados, que permanecen en la zona de adsorción sean desviados sin
una concentración importante de los componentes adsorbidos de forma
más fuerte. Después se despresuriza la zona de adsorción por una
etapa de despresurización a contracorriente en la que la presión en
la zona de adsorción se reduce más retirando a contracorriente de
la dirección de la corriente de alimentación, el gas desorbido.
Finalmente, la zona de adsorción se purga con el efluente a partir
de un lecho adsorbente que sufre una etapa de despresurización a
favor de corriente y se represuriza. La fase final de
represurización es generalmente con gas producto y con frecuencia
se denomina represurización de producto. En sistemas multizona hay
de forma general etapas adicionales y aquéllas mencionadas
anteriormente pueden hacerse en fases. Los documentos
US-A-3.176.444,
US-A-3.986.849 y
US-A-3.430.418 y
US-A-3.703.068, entre otros,
describen sistemas de PSA multizona, adiabáticos que emplean
despresurización tanto a favor de corriente como a
contracorriente.
Se sabe que diversas clases de adsorbentes son
adecuadas para uso en sistemas de PSA, la selección de las mismas
depende de los componentes de la corriente de alimentación y otros
factores, conocidos en líneas generales por aquéllos expertos en la
técnica. En general, adsorbentes adecuados incluyen tamices
moleculares, gel de sílice, carbón activado y alúmina activada. Para
algunas separaciones pueden ser ventajosos adsorbentes
especializados. La PSA emplea, en general, adsorbentes débiles y se
usa para separaciones en las que la cantidad del componente a ser
separado puede estar en el intervalo de trazas a mayor de 95 moles
por ciento. Se prefieren los sistemas de PSA cuando se tienen que
recuperar elevadas concentraciones de materia prima valiosa,
productos o disolventes reutilizables. Un ciclo de PSA es aquel en
el que la desorción tiene lugar a una presión mucho menor que la
adsorción. En algunas aplicaciones la desorción tiene lugar en
condiciones de vacío -adsorción por variación de vacío (VSA). Para
vencer las bajas cargas de operación inherentes en el adsorbente
débil, los ciclos de PSA tienen, generalmente, tiempos de ciclo que
son cortos -del orden de segundos a minutos- para mantener lechos
adsorbentes clasificados según su tamaño de forma razonable.
Uno de los problemas de las instalaciones de
procesamiento de gases de construcción moderna es que el tamaño de
la instalación o la cantidad de gas a ser tratado en cada una de
las instalaciones está aumentando continuamente. Las capacidades de
los complejos modernos de procesamiento de gases son generalmente
mayores de aproximadamente 110 mil metros cúbicos normales por hora
(100 millones de pies cúbicos estándar por día). La mayoría de los
recipientes de PSA están limitados a un diámetro que se pueda
transportar a un emplazamiento de construcción lo que generalmente
limita los recipientes a un diámetro de aproximadamente 4 metros
(aproximadamente 13 pies) y la altura del recipiente está limitada
por la resistencia al aplastamiento de las partículas de
adsorbente. Para capacidades mayores de aproximadamente 110 mil
metros cúbicos normales por hora (100 millones de pies cúbicos
estándar por día), los procedimientos de PSA se proporcionan en
series múltiples de equipamiento duplicado, como bombas,
calentadores, líneas, válvulas, recipientes y compresores.
Según la presente invención, se proporciona un
procedimiento que supera las limitaciones históricas de la capacidad
de las unidades de PSA para una amplia variedad de separaciones de
gases. Capacidades superiores a 110 mil metros cúbicos normales por
hora (100 millones de pies cúbicos estándar por día) pueden
conseguirse ahora en una única serie de proceso integrado. La serie
única de proceso integrado puede comprender de 10 a 20 lechos
adsorbentes. Una desviación del principio aceptado en las técnicas
de PSA de que la longitud de la etapa de purga debe ser igual a o
menor que la longitud de la etapa de adsorción posibilita esta
reducción de equipamiento. Los solicitantes han descubierto que
aumentar el tiempo de purga relativo a la etapa de adsorción puede
mantener aumentos significativos en la capacidad con una pérdida
mínima en la recuperación o resultados. Se prefiere que la
proporción del tiempo de la etapa de purga respecto al tiempo de la
etapa de adsorción sea mayor de 1,0 y menor de 2,0. El beneficio de
este descubrimiento es que unidades de PSA a escala muy grande
pueden construirse ahora por un coste significativamente menor que
el coste de una segunda serie paralela de equipamiento.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar un procedimiento de PSA para unidades muy grandes de
procesamiento de gases en una única serie de equipamiento.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar una secuencia de proceso que supera las limitaciones
físicas del tamaño del recipiente y resistencia del adsorbente para
permitir el procesamiento de grandes cantidades de alimentación sin
ceder el rendimiento global de los sistemas de separación de gas a
gran escala.
En una realización, la presente invención es un
procedimiento para la separación de un gas no adsorbible de una
mezcla de gases que comprende el gas no adsorbible y un gas
adsorbible en una zona de PSA de serie única. El procedimiento
comprende hacer pasar la mezcla de gases por la zona de PSA de
serie única y retirar una corriente de gas producto que comprende el
gas no adsorbible y una corriente de gas residual que comprende el
gas adsorbible. La zona de PSA de serie única tiene una pluralidad
de lechos adsorbentes en la que cada lecho adsorbente emplea una
etapa de adsorción, al menos tres etapas de ecualización a favor de
corriente que incluyen una etapa final de ecualización a favor de
corriente, una etapa que proporciona una purga, una etapa de
extracción a contracorriente, una etapa de purga, al menos tres
etapas de ecualización a contracorriente que incluyen una etapa
final de ecualización a contracorriente y una etapa de
represurización. Cada una de las etapas del procedimiento se da de
una forma secuencial y están desplazadas en tiempo tal que la etapa
de adsorción se da durante un tiempo de la etapa de adsorción, la
etapa que proporciona una purga se da durante un tiempo de la etapa
que proporciona una purga y una etapa de purga se da durante un
tiempo de la etapa de purga. El tiempo de la etapa de purga es
mayor que el tiempo de la etapa de adsorción, en el que la etapa de
purga comprende una etapa en la que el lecho adsorbente que está
experimentando una etapa de purga está recibiendo un gas de purga de
uno o más de otros lechos adsorbentes que están experimentando la
etapa que proporciona una purga y en la que estos uno o más de
otros lechos adsorbentes están proporcionando simultáneamente el
gas de purga al lecho adsorbente que experimenta la etapa de purga.
En cualquier momento, el número de lechos de adsorción que
experimentan la etapa de adsorción es superado por el número de
lechos adsorbentes que experimentan la etapa de purga.
El procedimiento puede separar hidrógeno de una
mezcla de gases que comprende hidrógeno, dióxido de carbono y
nitrógeno.
El procedimiento puede separar también un gas no
adsorbible de una mezcla de gases que comprende el gas no adsorbible
y un gas adsorbible en una zona de PSA de lecho adsorbente múltiple.
Este procedimiento comprende las siguientes etapas. La mezcla de
gas se hace pasar a una presión de adsorción por un primer lecho
adsorbente de una pluralidad de lechos adsorbentes en la zona de
PSA. Cada uno de los lechos adsorbentes contiene un adsorbente
selectivo para la adsorción del gas adsorbible en una etapa de
adsorción durante un tiempo de la etapa de adsorción y se recupera
de ahí una corriente de efluente de adsorción. La primera zona de
adsorción se despresuriza a favor de corriente en etapas de
ecualización con otros lechos adsorbentes en la que cada uno de los
otros lechos de adsorción tiene una presión de ecualización
secuencialmente menor. La etapa de despresurización a favor de
corriente se repite, al menos, dos veces para alcanzar una última
etapa de ecualización. El primer lecho adsorbente se despresuriza
además a favor de corriente para proporcionar una corriente de
desorción de efluente en una etapa que proporciona una purga
durante un tiempo de proporcionar una purga y se hace pasar
simultáneamente la corriente de desorción de efluente por, al menos,
otros dos lechos adsorbentes que están experimentando la etapa de
purga. El primer lecho adsorbente se despresuriza a contracorriente
hasta una presión de extracción y se recupera una corriente
residual a una presión de desorción. El primer lecho adsorbente se
purga con una corriente de purga durante un tiempo de la etapa de
purga en el que el tiempo de la etapa de purga es mayor que el
tiempo de la etapa de adsorción. La corriente de purga se hace
pasar desde uno o más lechos adsorbentes que experimentan una etapa
que proporciona una purga a favor de corriente o que experimentan
una etapa de ecualización a favor de corriente. El primer lecho de
adsorción se represuriza a contracorriente ecualizando la presión en
el primer lecho adsorbente con otros lechos adsorbentes en los que
cada uno de los otros lechos adsorbentes tienen una presión de
ecualización secuencialmente mayor y esta etapa de represurización
a contracorriente se repite, al menos, dos veces. El primer lecho
adsorbente es un lecho represurizado a contracorriente con una
porción de la corriente de adsorción de efluente y las etapas
anteriores del procedimiento se repiten para proporcionar un
procedimiento continuo.
La Fig. 1 es un gráfico de un ciclo simplificado
que ilustra un sistema de separación convencional por PSA de 16
lechos de la técnica anterior.
La Fig. 2 es un gráfico de un ciclo simplificado
que ilustra el sistema del ciclo novedoso de PSA de 16 lechos de la
presente invención.
La Fig. 3 es un gráfico de un ciclo simplificado
que ilustra una variación del ciclo novedoso de PSA para un sistema
de 16 lechos de la presente invención.
La alimentación al procedimiento de la presente
invención actual puede incluir hidrógeno, monóxido de carbono,
dióxido de carbono, nitrógeno, gases inertes e hidrocarburos. El
procedimiento de la presente invención puede usarse para separar
hidrógeno de compuestos adsorbibles, como monóxido de carbono,
dióxido de carbono, nitrógeno e hidrocarburos o el procedimiento
puede usarse para separar metano de compuestos menos adsorbibles
que incluyen dióxido de carbono, óxidos de azufre, sulfuro de
hidrógeno, hidrocarburos más pesados y sus mezclas. Por el término
"hidrocarburo" se entiende hidrocarburos que tienen de 1 a 8
átomos de carbono por molécula, que incluye alcanos, alquenos,
cicloalquenos e hidrocarburos aromáticos como benceno. Por la
terminología "una única serie de equipamiento" se entiende una
sucesión de equipamiento del procedimiento que incluye bombas,
calentadores, recipientes, válvulas, líneas y compresores que están
montados para realizar una tarea específica, como separación de gas,
que no contiene una duplicación completa de equipamiento. Se
contrasta un procedimiento de serie única con un procedimiento de
serie múltiple que comprende una serie de paralelo, sucesión
idéntica de tal equipamiento del procedimiento montado para
realizar una única tarea.
De acuerdo con la presente invención, la presión
de adsorción es, generalmente, de aproximadamente 350 kPa a
aproximadamente 7 MPa (de 50 a 1000 psia) y preferentemente de
aproximadamente 700 kPa a aproximadamente 3,5 MPa (de 100 a 510
psia). La presión de desorción es preferentemente de aproximadamente
3 a 550 kPa (de 0,5 a 80 psia) y más preferentemente la presión de
desorción está en el intervalo de aproximadamente 3 a
aproximadamente 210 kPa (de 0,5 a 30 psia). Temperaturas de
operación adecuadas están, por lo general, dentro del intervalo de
aproximadamente 10º a 65ºC (de 50º a 150ºF). Puede haber diversas
etapas de despresurización a favor de corriente hasta presiones
intermedias, etapas que purgan a favor de corriente y etapas que
purgan a contracorriente, todas las cuales son muy conocidas por
aquéllos expertos en la técnica y están descritas en las patentes
citadas previamente que se refieren a procedimientos de PSA. Por
ejemplo, de una a cinco o más de tales etapas de despresurización a
favor de corriente pueden emplearse para ecualización de la presión
para mejorar adicionalmente la recuperación de producto.
El procedimiento de PSA de la presente invención
es del tipo general de PSA. La corriente de alimentación se
introduce en un lecho adsorbente que experimenta adsorción a la
presión más elevada, o la presión de adsorción, por un extremo de
entrada de un lecho adsorbente que tiene el extremo de entrada y un
extremo de descarga en el lado opuesto.
El adsorbente puede comprender sólidos en forma
de polvo, compuestos cristalinos capaces de adsorber y desorber el
compuesto adsorbible. Ejemplos de tales adsorbentes incluyen geles
de sílice, alúminas activadas, carbón activado, tamices moleculares
y sus mezclas. Los tamices moleculares incluyen tamices moleculares
de zeolita. Los adsorbentes preferidos son zeolitas.
El documento
US-A-3.986.849 describe diversos
ciclos que usan, por ejemplo, un tiempo de adsorción de 240 segundos
en una configuración de 10 lechos adsorbentes con un tiempo de
ciclo total de 13 minutos, 20 segundos. Incrementando el número de
lechos puede reducirse el tiempo total de adsorción. Por ejemplo,
para el mismo tiempo de adsorción de 240 segundos en una
configuración de 12 lechos adsorbentes, el tiempo total del ciclo
puede reducirse a 12 minutos. Cuando se usa el mismo volumen de
adsorbente para las configuraciones de 10 y 12 lechos adsorbentes y
considerando que se requieren las mismas existencias relativas de
adsorbente por unidad de volumen de alimentación, la configuración
de 12 lechos aumenta la capacidad de producción aproximadamente un
33 por ciento. De forma similar, para el mismo tiempo de adsorción
de 240 segundos, en una configuración de 14 lechos adsorbentes, el
tiempo total del ciclo se reduciría a 11 minutos, 12 segundos y un
aumento en la capacidad de producto relativa a la configuración de
10 lechos adsorbentes de un 66 por ciento. El mismo análisis puede
aplicarse a configuraciones con cualquier número de adsorbentes,
par o impar. En general, mantener el tiempo de adsorción constante
reduce el tiempo total del ciclo y aumenta la capacidad. Cuantos
más lechos adsorbentes están operando en la etapa de adsorción que
corresponde a velocidades de alimentación mayores, el tiempo del
sub-ciclo, definido como el tiempo total del ciclo
dividido por el número de lechos adsorbentes, disminuye lo que
tiene el efecto de reducir el tiempo disponible para las otras
etapas en el ciclo. Al contrario que en técnicas previas, se ha
encontrado que reducir el tiempo para recibir la purga tiene un
impacto más importante en reducir la recuperación del efluente de
producto no adsorbido y también aumenta el volumen relativo de
adsorbente requerido comparado con reducir el tiempo para la etapa
de adsorción. Además, todos los ciclos descritos previamente tienen
un número menor de lechos adsorbentes en la etapa de purga que en
la etapa de adsorción. Con la excepción de los ciclos de PSA que
emplean tanques externos, todos los procedimientos de PSA de la
técnica anterior requieren el mismo número de lechos adsorbentes en
la etapa que proporciona una purga que en la etapa que recibe la
purga, o etapa de purga.
Referente a la Fig. 1, se presenta una
representación de un ciclo del proceso para un sistema convencional
de PSA con 16 lechos adsorbentes. El ciclo para cada lecho
adsorbente consiste en una etapa de adsorción, cuatro etapas de
despresurización a favor de corriente, una etapa que proporciona una
purga a favor de corriente, una etapa de extracción a
contracorriente, una etapa de purga, cuatro etapas de
represurización a contracorriente y una etapa final de
represurización. Dentro de este ciclo convencional de 16 lechos
están operando, en cualquier momento, en una etapa de adsorción,
seis lechos adsorbentes, dos lechos adsorbentes están operando en
una etapa de purga y tres lechos adsorbentes están operando en una
etapa que proporciona una purga. El gas de purga para cualquier
lecho adsorbente lo proporciona directamente otro lecho de
adsorción. Es decir, el número de lechos adsorbentes que
proporcionan purga y el número de lechos adsorbentes que reciben gas
de purga o que experimentan la etapa de purga es el mismo. Para
cualquier lecho adsorbente en el ciclo, el tiempo para la etapa de
purga, o tiempo de la etapa de purga, es igual al tiempo para la
etapa que proporciona una purga, o tiempo de proporcionar una
purga. Además, el tiempo durante el que se da la etapa de
adsorción, o tiempo de la etapa de adsorción, es mayor que el de la
etapa que proporciona una purga o la etapa de purga.
Referente a la Fig. 2, se ilustra un ciclo de
proceso representativo de la presente invención para 16 lechos
adsorbentes que operan en una serie única. El ciclo representado en
la Fig. 2 contiene las mismas etapas que se muestran en la Fig. 1,
pero difiere en que sólo hay cuatro lechos en la etapa de adsorción,
cinco lechos en la etapa de purga y el gas de purga se suministra a
partir de un único lecho adsorbente a más de un lecho adsorbente en
cualquier momento del ciclo. Además, el tiempo de purga es
considerablemente mayor que el tiempo de adsorción para cualquier
lecho en el ciclo. Referente a la Fig. 2, siguiendo a la etapa de
adsorción, el lecho de adsorción 1 experimenta cuatro etapas de
despresurización o ecualización a favor de corriente. Durante la
primera etapa de ecualización el lecho adsorbente 1 se asocia a
favor de corriente con el lecho adsorbente 6. Durante la siguiente
etapa de ecualización, el lecho adsorbente 1 se asocia con el lecho
adsorbente 7. Durante la tercera etapa de ecualización, el lecho
adsorbente 1 se asocia con el lecho adsorbente 8 y durante la
última o cuarta etapa de ecualización, el lecho adsorbente 1 se
asocia con el lecho adsorbente 9. El lecho adsorbente 1 experimenta
entonces una etapa que proporciona una purga en la que el lecho de
adsorción se despresuriza a favor de corriente y se retira un gas de
purga del lecho adsorbente 1 y se hace pasar por los lechos
adsorbentes 10, 11, 12, 13 y 14 para proporcionar el gas de purga
para purgar básicamente todos esos lechos durante una primera
porción de la etapa que proporciona una purga. En este ejemplo, el
lecho adsorbente 16 está experimentando también, al mismo tiempo,
despresurización a favor de corriente y proporciona un gas de purga
a los lechos adsorbentes 10, 11, 12, 13 y 14. En la siguiente
porción de la etapa que proporciona una purga, se proporciona gas de
purga a los lechos adsorbentes 11, 12, 13, 14 y 15 y en el segmento
final de la etapa que proporciona una purga, se suministra gas de
purga a los lechos 11, 12, 13, 14 y 15. Al mismo tiempo, el lecho
adsorbente 2 está experimentando también despresurización a favor
de corriente y proporcionando un gas de purga a los mismos lechos
adsorbentes 11, 12, 13, 14 y 15. La etapa de extracción a
contracorriente sigue a la etapa que proporciona una purga. En la
etapa de extracción a contracorriente, el lecho adsorbente se
despresuriza a contracorriente para liberar una corriente de gas
residual. El primer lecho adsorbente se purga entonces a
contracorriente inicialmente con el gas de purga del lecho
adsorbente 3, después los lechos adsorbentes 3 y 4, después el
lecho adsorbente 4, después los lechos adsorbentes 4 y 5, después
el lecho adsorbente 5, después los lechos adsorbentes 5 y 6,
después el lecho adsorbente 6, después los lechos adsorbentes 6 y
7, después el lecho adsorbente 7 y finalmente a partir de los lechos
adsorbentes 7 y 8. Durante la fase inicial de la purga a
contracorriente del lecho adsorbente 1, el lecho adsorbente 2 está
experimentando extracción a contracorriente hasta la presión
residual. El lecho adsorbente 3 está experimentando una etapa que
proporciona una purga a favor de corriente, el lecho adsorbente 4
está experimentando la cuarta etapa de ecualización a favor de
corriente con el lecho adsorbente 12, el lecho adsorbente 5 está
experimentando la segunda etapa de ecualización a favor de
corriente con el lecho adsorbente 11, los lechos adsorbentes 6, 7,
8 y 9 están en la etapa de adsorción, el lecho adsorbente 10 está
experimentando la represurización final, el lecho adsorbente 11 está
experimentando la segunda ecualización a contracorriente con el
lecho adsorbente 5, el lecho adsorbente 12 está experimentando
ecualización a contracorriente con el lecho adsorbente 11 y los
lechos adsorbente 13, 14, 15 y 16 están experimentando también
purga a contracorriente. De esta forma, el gas de purga se
suministra de uno o más lechos adsorbentes a, al menos, dos de los
otros lechos que experimentan una etapa de purga. Al final de la
última etapa de ecualización, el lecho adsorbente 1 se represuriza
con la presión de adsorción. La represurización puede conseguirse
reintroduciendo alimentación o introduciendo a contracorriente una
porción de la corriente de producto. En una zona de adsorción por
variación de presión de serie única de lecho múltiple de 16 lechos
adsorbentes se prefiere que el ciclo incluya al menos cuatro lechos
simultáneamente en la fase de adsorción, al menos cinco lechos
simultáneamente en la fase de purga y que el tiempo de la fase de
purga supere el tiempo de la etapa de adsorción en una proporción
1,25 veces el tiempo de la etapa de adsorción. Cuando un lecho
adsorbente que experimenta la etapa final de despresurización a
favor de corriente proporciona una porción del gas de purga
proporcionado, el tiempo de la etapa que proporciona una purga
comprende entre 0,15 y 0,4 veces el tiempo de la etapa de purga.
Referente a la Fig. 3, se representa un ciclo del
procedimiento de la presente invención en una realización
alternativa para un ciclo de 16 lechos. En el ciclo de 16 lechos de
la Fig. 3 hay cuatro etapas de adsorción y seis etapas de purga. En
esta configuración, la purga que se proporciona a favor de corriente
se toma para parte de la etapa simultáneamente con la última
ecualización a favor de corriente y para parte de la etapa de forma
separada. La purga que se proporciona a favor de corriente se toma
de un lecho adsorbente y se hace pasar por seis lechos adsorbentes
simultáneamente.
La Tabla 1 ilustra un ciclo convencional de PSA
según el documento US-A-3.986.849
(Fuderer et al.) para un ciclo que emplea 12 lechos
adsorbentes. En el ciclo convencional, el tiempo de la etapa de
adsorción y el tiempo de la etapa de despresurización son iguales y
cada uno representa aproximadamente un tercio del tiempo total del
ciclo. El gas de purga que se recibe representa el 13 por ciento
del ciclo y la represurización representa aproximadamente el 21 por
ciento del ciclo total. De forma similar, para un ciclo convencional
de 16 lechos de la técnica anterior como se muestra en la Fig. 1,
la distribución de las etapas dentro del ciclo se muestra en la
Tabla 1 en el ciclo de 16 lechos. El tiempo de adsorción ahora
supone aproximadamente 37,5 por ciento del ciclo, la
despresurización asciende a aproximadamente 31,3 por ciento del
ciclo total, el gas de purga que se recibe suma aproximadamente
15,6 por ciento del ciclo y la represurización asciende a
aproximadamente 15,6 por ciento del ciclo. A velocidades de
alimentación elevadas, el volumen del lecho adsorbente alcanza el
tamaño práctico máximo más allá del cual es necesario reducir el
tiempo de adsorción y por consiguiente el tiempo total del ciclo.
Esto tiene el efecto deseable de reducir las existencias de
adsorbente específicas pero tiene el efecto indeseable de reducir
el tiempo para recibir la purga. Reducir el tiempo para recibir la
purga reduce considerablemente la recuperación del efluente de
producto no adsorbido y aumenta el volumen relativo de adsorbente
requerido por volumen de alimentación. Así, el aumento esperado en
la capacidad de producto no se alcanza y, de hecho, se penaliza
doblemente. La recuperación del efluente de producto no adsorbido se
reduce y el volumen relativo de adsorbente requerido por volumen de
alimentación aumenta.
La Tabla 2 ilustra un ciclo de PSA de la presente
invención para un ciclo de 16 lechos como se muestra en la Fig. 2.
Según la presente invención, el tiempo en la etapa de recibir la
purga se incrementa y la etapa que proporciona una purga se
desacopla de la etapa de recibir la purga. La etapa de adsorción
asciende ahora a aproximadamente 25 por ciento del ciclo total, las
etapas de despresurización ascienden a aproximadamente 28,1 por
ciento del ciclo total, las etapas de recibir la purga suponen
aproximadamente 31,3 por ciento del ciclo total y las etapas de
represurización se mantienen a 15,6 por ciento del ciclo. Aunque
hay menos de aproximadamente 0,1 por ciento de reducción de la
recuperación del efluente de producto no adsorbido, no hay aumento
en el requerimiento de volumen relativo de adsorbente por volumen
de alimentación y se reduce el tiempo total del ciclo, lo que se
traduce en un aumento global en la capacidad. Una ventaja adicional
de este tipo de ciclo es que hay más adsorbentes en la etapa de
despresurización a contracorriente y etapa de purga, estas etapas
están descargando gas a presión baja y la composición que deja el
adsorbente varía con el tiempo. Tener más adsorbentes en las etapas
mantiene una mezcla de estos gases muy mejorada antes del tambor de
mezcla (o tambor de carga). Esto puede reducir de forma
significativa el volumen requerido para mezclar y, por lo tanto, el
coste de este tambor así como mantener un control mucho mejor del
gas a baja presión.
Se usó una planta piloto para la evaluación del
efecto de cambiar el tiempo de purga respecto al tiempo de
adsorción en los ciclos de PSA. La planta piloto consistía en una
única cámara adsorbente que contenía aproximadamente 340 cc de
adsorbente junto con los recipientes, válvulas y tuberías de
conexión adicionales requeridos para simular ciclos de PSA
multilecho. La alimentación incluía aproximadamente 72,5 moles por
ciento de hidrógeno, 0,67 moles por ciento de nitrógeno, 2,04 moles
por ciento de monóxido de carbono, 5,57 moles por ciento de metano
y aproximadamente 19,2 moles por ciento de dióxido de carbono. El
adsorbente comprendía carbón activado y tamiz molecular de zeolita
para dar un hidrógeno producto que comprendía menos de
aproximadamente 1 ppm de monóxido de carbono y aproximadamente 1
ppm de metano. La cámara se hizo funcionar en una secuencia cíclica
de adsorción y desorción en un intervalo de presiones de
funcionamiento de aproximadamente 2.200 kPa (320 psia) a
aproximadamente 160 kPa (23 psia). La presión de purga era
aproximadamente 160 kPa (23 psia), la última presión de ecualización
era aproximadamente 614 kPa (89 psia) y la presión de la purga
proporcionada era aproximadamente 255 kPa (37 psia). El lecho se
represurizó con gas producto a una presión de producto de
aproximadamente 2.140 kPa (310 psia). La temperatura de
alimentación se mantuvo a temperatura ambiente que promedian
aproximadamente 21ºC (70ºF). La temperatura de la cámara adsorbente
era básicamente la misma que la temperatura de alimentación o dentro
del intervalo de aproximadamente 6ºC de la temperatura de
alimentación con una sorprendentemente pequeña variación durante el
tiempo de adsorción en el ciclo. El tiempo del ciclo de PSA empleado
para las pruebas in situ comprendía un tiempo de adsorción
que estaba en el intervalo de aproximadamente 90 segundos a
aproximadamente 180 segundos. El tiempo de ecualización y los
tiempos de la etapa de extracción fueron aproximadamente 30 segundos
y el tiempo de la etapa que proporciona una purga fue
aproximadamente 60 segundos. El rendimiento en términos de
recuperación de hidrógeno y capacidad en términos de alimentación
por ciclo se midieron como se muestra en la Tabla 3.
Estos resultados muestran claramente que reducir
el tiempo de la etapa de adsorción en una proporción de
aproximadamente 2 (de 180 segundos a 90 segundos) resulta en un
cambio en la recuperación de hidrógeno de aproximadamente 0,2 por
ciento mientras que un cambio en el tiempo de la etapa de purga en
una proporción similar (de 90 a 45 segundos) resulta en un cambio
en la recuperación de hidrógeno de aproximadamente 1,5 por ciento.
De esta forma, el efecto de reducir el tiempo de la etapa de purga
es de 8 a 10 veces más significativo que reducir el tiempo de la
etapa de adsorción. En un procedimiento de PSA, el tiempo del ciclo
total tiene una relación directa con el coste del equipamiento.
Cuanto más corto es el tiempo del ciclo total menores son los
costes. Como apoyan los resultados anteriores, el tiempo del ciclo
total puede acortarse con un efecto mínimo en la recuperación
global aumentando el tiempo de la etapa de purga respecto al tiempo
de la etapa de adsorción.
La planta piloto y el procedimiento descritos en
el Ejemplo III se usaron para evaluar el efecto en la recuperación
de producto y en el tiempo del ciclo para reducir el tiempo de la
etapa de adsorción respecto al tiempo de la etapa que proporciona
una purga. La Tabla 4 resume los resultados para una alimentación
con hidrógeno que contiene aproximadamente 99 moles por ciento de
hidrógeno y 1 mol por ciento de monóxido de carbono. El adsorbente
empleado para la separación fue un tamiz molecular del tipo 5A y la
adsorción tuvo lugar a aproximadamente 21ºC (70ºF). El
procedimiento de PSA comprendía tres etapas de ecualización.
La primera columna en la Tabla 4 muestra la
recuperación de hidrógeno para un tiempo de la etapa de adsorción de
180 segundos en un ciclo convencional de PSA con un tiempo total del
ciclo de 12 minutos en el que la proporción del tiempo de la etapa
de purga respecto al tiempo de la etapa de adsorción era
aproximadamente 0,5. En la segunda columna, se muestran los
resultados de un ciclo de la presente invención en el que la
proporción del tiempo de la etapa de purga respecto al tiempo de la
etapa de adsorción se aumentó a aproximadamente 1,5 y se redujo el
tiempo del ciclo total a 10 minutos. Los resultados del Ejemplo IV
muestran que para una disminución de un 20 por ciento en el tiempo
del ciclo disminuyendo el tiempo de la etapa de adsorción respecto
al tiempo de la etapa de purga, la recuperación de hidrógeno se
reduce sólo ligeramente.
Claims (8)
1. Un procedimiento para la separación de un gas
no adsorbible de una mezcla de gases que comprende el gas no
adsorbible y un gas adsorbible en una zona de adsorción por
variación de presión de serie única, el proceso comprende hacer
pasar la mezcla de gases por la una zona de adsorción por variación
de presión de serie única y retirar una corriente de gas producto
que comprende el gas no adsorbible y una corriente de gas residual
que comprende el gas adsorbible, dicha zona de adsorción por
variación de presión de serie única tiene una pluralidad de lechos
adsorbentes que emplea en cada lecho adsorbente una etapa de
adsorción, al menos dos etapas de ecualización a favor de corriente
que incluyen una etapa final de ecualización a favor de corriente,
una etapa que proporciona una purga, una etapa de extracción a
contracorriente, una etapa de purga, al menos tres etapas de
ecualización a contracorriente que incluyen una etapa final de
ecualización a contracorriente y una etapa de represurización, cada
una de dichas etapas se dan de una forma secuencial y desplazadas en
tiempo, en el que la etapa de adsorción se da durante un tiempo de
la etapa de adsorción, la etapa que proporciona una purga se da
durante un tiempo de la etapa que proporciona una purga y una etapa
de purga se da durante un tiempo de la etapa de purga, siendo el
tiempo de la etapa de purga mayor que el tiempo de la etapa de
adsorción y en el que dicha etapa de purga comprende el lecho
adsorbente que experimenta una etapa de purga que recibe un gas de
purga de uno o más de otros lechos adsorbentes que experimentan la
etapa que proporciona una purga, en el que dichos otros uno o más
lechos adsorbentes están proporcionando simultáneamente el gas de
purga al lecho adsorbente que experimenta la etapa de purga y en el
que en cualquier momento, el número de lechos adsorbentes que
experimentan la etapa de adsorción es superado por el número de
lechos adsorbentes que experimentan la etapa de purga.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que una proporción del tiempo de la etapa de purga respecto al
tiempo de la etapa de adsorción comprende mayor de 1,0 y menor de
2,0.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que la mezcla de gases se hace pasar por la zona de adsorción por
variación de presión de serie única a una velocidad de alimentación
mayor de 110 mil metros cúbicos normales por hora (100 millones de
pies cúbicos estándar por día).
4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que la zona de adsorción por variación de presión de serie única
comprende de 10 a 20 lechos adsorbentes.
5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que la zona de adsorción por variación de presión de lecho múltiple
comprende una serie única de 16 lechos adsorbentes, en la que el
procedimiento comprende al menos cuatro etapas de adsorción, al
menos cinco etapas de purga y el tiempo de la etapa de purga supera
el tiempo de la etapa de adsorción en una proporción de 1,25 veces
el tiempo de la etapa de adsorción.
6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que un lecho adsorbente que experimenta la etapa final de
despresurización a favor de corriente proporciona una porción del
gas de purga.
7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que la etapa que proporciona una purga se da durante un tiempo de
la etapa que proporciona una purga y el tiempo de proporcionar una
purga es menor que el tiempo de purga, dicho tiempo de la etapa que
proporciona una purga comprende entre 0,15 y 0,4 veces el tiempo de
la etapa de purga.
8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que el componente no adsorbible comprende hidrógeno, y el
componente adsorbible se selecciona de grupo que consiste en
hidrocarburos, dióxido de carbono, monóxido de carbono, nitrógeno y
sus mezclas o en el que el componente no adsorbible comprende metano
y el componente adsorbible se selecciona del grupo que consiste en
dióxido de carbono, hidrocarburos con más de un átomo de carbono,
óxidos de azufre, sulfuro de hidrógeno y sus mezclas.
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