ES2241245T3 - Procedimiento de separacion por adsorcion de una mezcla gaseosa. - Google Patents
Procedimiento de separacion por adsorcion de una mezcla gaseosa.Info
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Abstract
EN ESTE PROCEDIMIENTO, SE PONME EN PRACTICA UN CICLO DE VARIACION DE PRESION EN EL CUAL, EN AL MENOS UN INSTANTE DEL CICLO, UNA BORNA DE UNA MAQUINA DE COMPRESION (1,3) SE CONMUTA DE UN PRIMER ESPACIO (A1) QUE SE ENCUENTRA A UNA PRIMERA PRESION P1 A UN SEGUNDO ESPACIO (A2) QUE SE ENCUENTRA A UNA PRESION P2 CLARAMENTE DIFERENTE DE P1. DICHA CONMUTACION COMPRENDE UNA OPERACION INTERMEDIA EN LA QUE SE PONE DICHA BORNA SIMULTANEAMENTE EN COMUNICACION CON EL PRIMER ESPACIO Y CON EL SEGUNDO ESPACIO. APLICACION EN LA PRODUCCION DE OXIGENO POR ADSORCION A PARTIR DE AIRE ATMOSFERICO.
Description
Procedimiento de separación por adsorción de una
mezcla gaseosa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de separación por adsorción de una mezcla gaseosa en
al menos una columna de adsorción mediante la puesta en práctica de
un ciclo de variación de presión que incluye una sucesión de
etapas por medio de al menos una máquina de compresión.
La invención se aplica especialmente a la
producción de oxígeno a partir de aire atmosférico y, en lo
sucesivo, se hará referencia a esta aplicación a modo de ejemplo
preferente.
La invención puede ponerse en práctica con todos
los tipos de ciclos de adsorción con variación de presión, por
ejemplo con los siguientes ciclos:
- Los ciclos denominados VSA ("Vaccum Swing
Adsorption"), en los que la adsorción se efectúa prácticamente a
presión atmosférica y la presión mínima del ciclo es netamente
inferior a esta presión atmosférica y típicamente del orden de 250
a 400 mbar. Estos ciclos se ponen en práctica generalmente por
medio de unidades con tres columnas de adsorción.
- Los ciclos transatmosféricos denominados
MPSA, que difieren de los anteriores por el hecho de que la adsorción se efectúa a una presión netamente superior a la presión atmosférica y típicamente del orden de 1,3 a 2 bares. Estos ciclos se ponen en práctica generalmente por medio de unidades con dos columnas de adsorción.
MPSA, que difieren de los anteriores por el hecho de que la adsorción se efectúa a una presión netamente superior a la presión atmosférica y típicamente del orden de 1,3 a 2 bares. Estos ciclos se ponen en práctica generalmente por medio de unidades con dos columnas de adsorción.
- Los ciclos denominados PSA ("Pressure Swing
Adsorption"), en los que la adsorción se efectúa a una presión
netamente superior a la presión atmosférica, típicamente del orden
de 3 a 8 bares, mientras que la presión mínima del ciclo es
prácticamente igual a la presión atmosférica.
En lo sucesivo, se utilizará el acrónimo PSA como
designación genérica del conjunto de estos ciclos. Por otra parte,
las presiones indicadas son presiones absolutas.
Uno de los medios para disminuir el coste de
producción del oxígeno mediante PSA es reducir notablemente la
inversión manteniendo el consumo energético constante.
La reducción de la duración de ciclo se inscribe
en este esquema a partir del momento en el que el sistema
considerado permite mantener los rendimientos a pesar de etapas más
rápidas. En la práctica, esto consiste en mejorar en proporción la
cinética de los adsorbentes, en mantener las pérdidas de carga en
su nivel anterior, y en evitar los problemas de atrición de las
partículas de adsorbente.
La circulación horizontal en los lechos de
adsorbentes, combinada con la utilización de adsorbentes con
granulometría pequeña, permite resolver la mayoría de estos
problemas, y las unidades industriales de este tipo se desarrollan
desde hace algún tiempo.
Sin embargo, parece que los ciclos utilizados
actualmente, para la mayoría directamente procedentes de los ciclos
de mayor duración en uso anteriormente, están de hecho penalizados
por el funcionamiento de las máquinas (soplador o compresor de
aire, bomba de vacío) durante las fases transitorias que
corresponden al paso de una etapa a la siguiente.
En efecto, como se va a demostrar, el consumo
energético complementario relacionado con estas fases transitorias
es bajo para las duraciones de ciclo clásico, pero se vuelve
significativo en el caso de ciclos cortos.
Un primer ejemplo de estos fenómenos se explicará
con referencia a la figura 1 de los dibujos adjuntos, que
representa esquemáticamente un ejemplo de instalación de PSA de
producción de oxígeno a partir de aire atmosférico. Esta
instalación comprende: un soplador 1; tres columnas de adsorción A1
a A3; una línea 2 de alimentación de aire de las columnas de
adsorción que une la descarga del soplador a los extremos
inferiores o entradas de las columnas de adsorción a través de
respectivas válvulas V11 a V13; una bomba 3 de vacío cuya descarga
se une a la atmósfera cercana; una línea 4 de evacuación que une la
aspiración de la bomba de vacío con las entradas de las columnas de
adsorción a través de respectivas válvulas V21 a V23; y una línea 5
de circulación de oxígeno unida al extremo superior o salida de
cada columna de adsorción mediante dos derivaciones en paralelo;
respectivas derivaciones 6-1 a 6-3,
equipadas con respectivas válvulas V31 a V33, para la producción de
oxígeno y respectivas derivaciones 7-1 a
7-3, equipadas con respectivas válvulas V41 a V43,
para la nueva presurización de las columnas de adsorción. Por otro
lado, la línea 5 está unida a un circuito de consumo de oxígeno
esquematizado en
8.
8.
Por otro lado, la instalación incluye medios, en
sí conocidos y no representados, de control, de regulación y de
alimentación eléctrica, adaptados para efectuar el ciclo ilustrado
en la figura 2.
La figura 2 es un diagrama que ilustra un ciclo
de adsorción típico puesto en práctica por medio de la instalación
de la figura 1.
En la figura 2, en la que los tiempos t se sitúan
en las abscisas y las presiones absolutas P en las ordenadas, los
trazos orientados por flechas indican los movimientos y los
destinos de las corrientes gaseosas y, además, el sentido de
circulación en la columna de adsorción: cuando una flecha está en
el sentido de las ordenadas crecientes (hacia arriba del diagrama),
se dice que la corriente está a favor de corriente en la columna de
adsorción. Si la flecha dirigida hacia arriba se sitúa por debajo
del trazo que indica la presión en la columna de adsorción, la
corriente penetra en la columna de adsorción por el extremo de
entrada de la columna de adsorción; si la flecha, dirigida hacia
arriba, se sitúa por encima del trazo que indica la presión, la
corriente sale de la columna de adsorción por el extremo de salida
de la columna de adsorción, siendo los extremos de entrada y de
salida los del gas que va a tratarse y del gas extraído en fase de
producción, respectivamente; cuando una flecha está en el sentido
de las ordenadas decrecientes (hacia abajo del diagrama), se dice
que la corriente está a contracorriente en la columna de adsorción.
Si la flecha dirigida hacia abajo se sitúa por debajo del trazo que
indica la presión de la columna de adsorción, la corriente sale de
la columna de adsorción por el extremo de entrada de la columna de
adsorción; si la flecha dirigida hacia abajo se sitúa por encima
del trazo que indica la presión, la corriente penetra en la columna
de adsorción por el extremo de salida de la columna de adsorción,
siendo siempre los extremos de entrada y de salida los del gas que
va a tratarse y del gas extraído en fase de producción.
El ciclo de la figura 2, cuyo periodo T es, a
modo de ejemplo, aproximadamente de 270 s, está constituido
esencialmente por tres etapas sucesivas. Se describirá a
continuación para una columna de adsorción, por ejemplo la columna
de adsorción Al. Para las otras columnas de adsorción, se deduce
por desfase en el tiempo de T/3 y 2T/3 respectivamente, designando
T la duración total del ciclo.
(a) De t = 0 a T/3: etapa de producción
prácticamente isobárica con la presión alta PM del ciclo, próxima a
la presión atmosférica. En el transcurso de esta etapa, se
introduce aire en la columna de adsorción a través de la válvula
V11 y circula desde su entrada hasta su salida, de donde sale el
oxígeno producido. Una parte de este oxígeno se extrae para volver
a presurizar otra columna de adsorción en el transcurso de la etapa
de nueva presurización (c) descrita más adelante, y el resto se
envía para una utilización 8.
(b) De T3 a 2T/3, la columna de adsorción se
despresuriza o se purga a contracorriente por medio de la bomba 3
de vacío, hasta alcanzar la presión baja Pm del ciclo, que es
típicamente del orden de 0,25 a 0,40 bar.
(c) De 2T/3 a T, la columna de adsorción se
vuelve a presurizar a contracorriente hasta la presión PM mediante
oxígeno de producción que proviene de otra columna de adsorción en
la etapa (a) de adsorción.
Una observación del consumo energético
instantáneo de la bomba de vacío en el transcurso de una etapa
muestra un aumento regular de este consumo a medida que la columna
de adsorción sobre la cual actúa esta máquina desciende a vacío,
seguido de un pico sensible durante el paso a la columna de
adsorción siguiente, que se encuentra a una presión superior.
El diagrama de la figura 3, en el que el tiempo t
se sitúa en las abscisas y la presión P en las ordenadas, ilustra
y permite comprender bien esta evolución. En efecto, en las
proximidades de la conmutación de la bomba de vacío de una columna
de adsorción a otra, es decir, en las proximidades de los instantes
T/3, 2T/3 y T, se produce una distorsión de la curva real C1 con
respecto a la curva teórica C2. Más precisamente, en esta figura 3,
la duración x corresponde al tiempo de cierre de las
válvulas V2i (V21 en el ejemplo) y la duración y a la
apertura de las válvulas V2(i + 1) (V22 en el ejemplo).
Estas duraciones son del orden de 0,5 a 2 segundos según la
dimensión de las válvulas.
En la práctica, durante el periodo transitorio
x, el caudal de gas procedente de la columna de adsorción al
final de la purga se estrangula y la bomba de vacío bombea, durante
un instante muy corto, sobre el único volumen del circuito de
vacío. Al ser este volumen mucho más pequeño que el volumen de las
columnas de adsorción, la presión interna de este circuito baja
rápidamente. Se ha observado así un descenso de la presión \DeltaP
que alcanza 100 mbar por debajo de la presión baja teórica Pm del
ciclo. Al no ser tampoco instantánea la apertura de la válvula de
vacío de la columna de adsorción siguiente, que no empieza hasta
que ha acabado el cierre de la válvula de vacío de la primera
columna de adsorción, se produce igualmente un estrangulamiento del
caudal bombeado hasta que la válvula no se abre completamente
(duración y).
De esto resulta que tres veces por ciclo, durante
todos los periodos transitorios tales como de
(T/3)-x
a (T/3)+y, la presión de aspiración de la bomba de vacío es notablemente más baja que la presión teórica (correspondiente a la presión en las columnas de adsorción, menos las pérdidas de las cargas normales del circuito de vacío). Se produce entonces un consumo energético complementario proporcional en cada instante a la diferencia (P real - P teórica) para el tipo de máquina corrientemente utilizada en estos procedimientos, a saber, lo más frecuente, una bomba de vacío de tipo Roots. Este complemento se ha estimado en aproximadamente un 1% de la energía normal de bombeo para un ciclo de tipo VSA con una duración de ciclo de 3 x 90 s, con una presión baja teórica de 0,35 bar, para un pico \DeltaP de 100 mbar y tiempos de maniobra de válvula de 1 segundo.
a (T/3)+y, la presión de aspiración de la bomba de vacío es notablemente más baja que la presión teórica (correspondiente a la presión en las columnas de adsorción, menos las pérdidas de las cargas normales del circuito de vacío). Se produce entonces un consumo energético complementario proporcional en cada instante a la diferencia (P real - P teórica) para el tipo de máquina corrientemente utilizada en estos procedimientos, a saber, lo más frecuente, una bomba de vacío de tipo Roots. Este complemento se ha estimado en aproximadamente un 1% de la energía normal de bombeo para un ciclo de tipo VSA con una duración de ciclo de 3 x 90 s, con una presión baja teórica de 0,35 bar, para un pico \DeltaP de 100 mbar y tiempos de maniobra de válvula de 1 segundo.
Cuando se realiza el mismo ciclo en 3 x 15 s, con
absorbentes y una geometría de las columnas de adsorción
adecuados, se utiliza para la misma producción que anteriormente
columnas de adsorción aproximadamente seis veces más pequeñas, pero
los otros equipos (soplador de aire, bomba de vacío y válvulas)
permanecen generalmente invariables. En particular, nada obliga a
que la dimensión de las válvulas V21, V22 y V23 sea diferente de la
de las válvulas utilizadas para el ciclo de 3 x 90 s.
El tiempo de maniobra de las válvulas permanece
invariable y el fenómeno descrito anteriormente con el pico de
presión baja y el pico de sobreconsumo se produce igualmente. Ahora
bien, por el hecho de que las columnas de adsorción tienen un
tamaño reducido, la implantación de la unidad de 3 x 15 s es más
compacta, las tuberías son más cortas y el volumen del circuito de
vacío tiene tendencia a ser más pequeño. Los efectos descritos
anteriormente también tienen tendencia a estar amplificados.
Suponiendo incluso que sean idénticos, su
importancia relativa es claramente más notable en el caso del ciclo
corto. El periodo de sobreconsumo representa así 2 s de 15 s en
lugar de 2 s de 90 s como anteriormente. Con las mismas hipótesis
que anteriormente, este sobrecoste energético puede representar de
esta forma para el ciclo de 3 x 15 s hasta el 8% del consumo
energético de la bomba de vacío.
Por tanto, se ve que el efecto en cuestión,
relativamente secundario para los ciclos habituales, se vuelve
importante para los ciclos cortos y que es necesario corregirlo
para mejorar el rendimiento energético de estos últimos.
Como se verá más adelante, se plantea un problema
análogo en numerosos otros tipos de ciclos de PSA, durante las
conmutaciones de las máquinas de compresión y/o aspiración de una
columna de adsorción a otra, de una columna de adsorción a la
atmósfera o de la atmósfera a una columna de adsorción.
La invención tiene por objetivo eliminar, o al
menos reducir de manera importante, el sobrecoste energético
durante estas fases transitorias.
A este efecto, la invención tiene por objeto un
procedimiento según la reivindicación 1.
El documento
GB-A-2 053 020 describe un
humidificador con dos columnas de adsorción, con regeneración por
circulación de gas seco que comienza por una fase de equilibrado
entre los extremos de lado de la salida del gas seco de las
columnas de adsorción.
El documento
JP-A-04/011919 describe un sistema
de separación de gas con dos columnas de adsorción con igualmente
una fase de igualación entre los extremos de lado de la salida de
las columnas de adsorción.
El procedimiento según la invención puede incluir
una o varias de las siguientes características:
- la duración de dicha operación intermedia es
como mucho igual a un tercio, y preferiblemente está comprendida
entre 1/3 y 1/50, de la más corta de las etapas del ciclo que
une;
- uno de dichos espacios es un volumen de mezcla
gaseosa que debe separarse, típicamente la atmósfera
circundante;
- uno al menos de dichos espacios es una
capacidad de almacenamiento de gas;
- uno al menos de dichos espacios es una primera
columna de adsorción que, durante dicha operación intermedia, se
comunica con la máquina mediante uno de sus extremos;
- durante dicha operación intermedia, dicha
primera columna de adsorción se pone igualmente en comunicación con
un tercer espacio mediante su otro extremo;
- dicho tercer espacio es otra columna de
adsorción que se encuentra a una presión diferente de la de dicha
primera columna de adsorción;
- la máquina es un soplador o un compresor de
aire o una bomba de vacío con una única función;
- la máquina se adapta para funcionar como
compresor de aire o como bomba de vacío según las etapas del
ciclo;
- dicha conmutación se efectúa mediante el cierre
de una primera válvula de dos vías y la apertura de una segunda
válvula de dos vías, y dicha operación intermedia mediante la
apertura de la segunda válvula de dos vías antes del cierre de la
primera válvula de dos vías;
- dicha conmutación se efectúa mediante el cierre
de una primera vía de una válvula de tres vías y la apertura de
una segunda vía de esta válvula de tres vías, estando abierta la
tercera vía de esta válvula de tres vías, y dicha operación
intermedia mediante la apertura de la segunda vía de la válvula de
tres vías antes del cierre de dicha primera vía.
Una instalación de separación por adsorción de
una mezcla gaseosa, especialmente de aire atmosférico, para poner
en práctica el procedimiento según la invención, comprende al menos
una columna de adsorción y medios para poner en práctica en ésta un
ciclo de variación de presión, comprendiendo estos medios una
máquina de compresión y medios de unión selectiva de al menos un
terminal de esta máquina 1 con un primer espacio y con un segundo
espacio, y comprende igualmente medios de control que, en ciertos
instantes predeterminados, ponen dicho terminal simultáneamente en
comunicación con el primer espacio y con el segundo espacio.
Esta instalación puede incluir una o varias de
las características siguientes:
- dichos medios de unión selectiva comprenden dos
válvulas de dos vías y dichos medios de control se adaptan para
abrir simultáneamente las dos válvulas de dos vías en dichos
instantes predeterminados;
- dichos medios de unión selectiva comprenden una
válvula de tres vías y dichos medios de control se adaptan para
abrir simultáneamente las tres vías de esta válvula de tres
vías.
Ahora se describirán ejemplos de puesta en
práctica de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en
los que:
- la figura 1 representa esquemáticamente una
instalación de VSA con tres columnas de adsorción para la
producción de oxígeno a partir de aire atmosférico;
- la figura 2 es un diagrama que ilustra un ciclo
conocido puesto en práctica por medio de esta instalación;
-la figura 2A es un diagrama análogo a la figura
2 que ilustra una primera modificación del ciclo según la
invención;
- la figura 2B es un diagrama análogo que ilustra
una segunda modificación del ciclo según la invención;
- la figura 3 es un diagrama que ilustra la
variación de presión en la aspiración de la bomba de vacío, en el
caso del ciclo conocido y en el de un ciclo según la invención;
- la figura 4 es un esquema que ilustra la
conmutación de las válvulas durante una fase transitoria, en el
caso de la figura 2;
- las figuras 4A y 4B son esquemas análogos que
corresponden respectivamente a las figuras 2A y 2B;
- las figuras 5 a 7 son vistas esquemáticas
parciales que ilustran de otra manera una fase transitoria según la
invención;
- la figura 8 es una vista esquemática de una
instalación con dos columnas de adsorción para la producción de
oxígeno a partir de aire atmosférico;
- la figura 9 es un diagrama análogo a la figura
2 que ilustra un ciclo conocido puesto en práctica por medio de la
instalación de la figura 8;
-la figura 10 es un esquema análogo a la figura 4
que ilustra la conmutación de las válvulas durante una fase
transitoria del compresor, cuyo ciclo es el de la figura 9;
- las figuras 10A y 10B son esquemas análogos que
corresponden respectivamente a dos modificaciones del ciclo según
la invención;
- la figura 11 es un diagrama análogo a la figura
3 que ilustra el fenómeno de sobreconsumo del compresor durante las
fases transitorias en el ciclo de la figura 9, así como la mejora
proporcionada por la invención;
- las figuras 12 a 14 son vistas esquemáticas
análogas a las figuras 5 a 7, pero que corresponden a la
instalación de la figura 8;
- la figura 15 representa esquemáticamente una
instalación del tipo de una sola columna de adsorción para la
producción de oxígeno a partir de aire atmosférico;
- la figura 16 es un diagrama análogo a la figura
2 que ilustra un ciclo conocido puesto en práctica por medio de la
instalación de la figura 15;
- las figuras 17 a 19 son vistas esquemáticas
parciales que ilustran de otra manera la conmutación clásica de las
válvulas al final de la fase de purga / elución;
- las figuras 17A a 19A son vistas análogas que
corresponden a la puesta en práctica de la invención;
- las figuras 20 a 22 son vistas análogas a las
figuras 17 a 19 respectivamente, que ilustran la conmutación
clásica de las válvulas al final de la fase de adsorción;
- las figuras 20A a 22A son vistas análogas que
corresponden a la puesta en práctica de la invención;
- las figuras 23 a 25 son vistas esquemáticas
parciales que ilustran la utilización de una válvula de tres vías
para asegurar la conmutación de la bomba de vacío según la
invención, en el caso de la instalación de la figura 8; y
- la figura 26 representa la utilización de dos
válvulas de tres vías en la instalación de la figura 15 para la
puesta en práctica de la invención.
Ahora, para facilitar la exposición, se hará
referencia a las figuras 4, 4A, 4B, en las que el estado abierto de
las válvulas está representado en blanco y su estado cerrado en
gris. En la técnica clásica, en una instalación por ejemplo con dos
columnas de adsorción, considerando por ejemplo la columna de
adsorción Al, la etapa (b) de purga se efectúa, de T3 a 2T/3, con
la válvula V21 abierta, mientras que las válvulas V22 y V23 están
cerradas. En el instante 2T/3, en los periodos x e y,
se cierra V21 y se abre V22 (figura 4).
Según un aspecto de la invención, se abre la
válvula V22 antes del instante 2T/3, a saber, en un instante t1 que
precede a 2T/3 de \Deltat. La secuencia es entonces la ilustrada
en las figuras 5 a 7:
- De T/3 a t1 (figura 5), la bomba 3 de vacío
sólo está unida a la columna de adsorción A1. En el instante t1, la
presión en A1 es prácticamente Pm, mientras que la columna de
adsorción A2, que termina la etapa (a) de producción, está a la
presión alta PM.
- De t1 a 2T/3 (figura 6), la bomba de vacío está
unida a las dos columnas de adsorción A1 y A2. Por tanto, se
produce una breve descompresión a contracorriente de A2, tanto
hacia A1, que experimenta entonces una breve primera nueva
presurización a contracorriente, como hacia la bomba de vacío. Esta
breve nueva presurización se realiza esencialmente con el aire
contenido en la zona de entrada de la columna de adsorción A2, es
decir, en el volumen libre de distribución situado aguas arriba de
los adsorbentes y en los espacios libres del primer lecho (o de la
primera zona en el caso de un lecho único) que sirve para parar el
agua y el CO_{2} del agua. Las investigaciones llevadas a cabo
por la solicitante han permitido constatar que esta nueva
presurización parcial con aire no tenía ningún impacto negativo
sobre los redimientos del ciclo.
- A partir del instante 2T/3, la bomba de vacío
sólo está unida a la columna de adsorción A2 que se purga de esta
manera.
Por tanto, se observa que la aspiración de la
bomba de vacío está permanentemente unida a al menos una columna de
adsorción, incluido durante las fases de conmutación de una
columna de adsorción a otra. En otras palabras, la bomba de vacío
no bombea en ningún instante sobre la única línea de evacuación 4 y
su aspiración se encuentra permanentemente a una presión próxima a
la presión teórica que corresponde a una maniobra de las válvulas
infinitamente rápida.
De ello resulta que se suprime prácticamente el
pico de caída de presión \DeltaP de la curva C1 de la
figura 3 y que la curva de presión real se convierte en la curva
C3, que es muy próxima a la curva teórica C2.
La modificación del ciclo de la figura 2 descrita
anteriormente se ilustra en la figura 2A: de t1 a 2T/3, se ha
introducido una breve etapa complementaria de primera nueva
presurización a favor de corriente por medio de gas que proviene de
otra columna de adsorción al final de la etapa de producción (a).
Por tanto, esta última se termina mediante una breve etapa
complementaria, con la misma duración At, en la que el aire pasa
desde la entrada de la otra columna de adsorción a la de la columna
de adsorción en cuestión.
El ciclo de la figura 2A corresponde al caso de
la figura 4A, en la que la válvula V41 está abierta en el instante
2T/3 como en el ciclo conocido, para poner en marcha en ese
instante la etapa de nueva presurización (c).
Como variante (figuras 4B y 2B), la válvula V41
puede igualmente estar abierta antes de 2T/3, en particular en t1.
La nueva presurización a contracorriente mediante oxígeno comienza
entonces en A1, simultáneamente con la primera nueva presurización
a favor de corriente mediante aire. Esto permite limitar los
efectos negativos que, según el ciclo, puede tener la introducción
de aire a una presión demasiado baja en una columna de adsorción en
cuanto al avance del frente de impurezas en los adsorbentes.
Las figuras 5 a 7 ilustran esquemáticamente la
secuencia de operaciones correspondientes que se comprende
inmediatamente a la vista de estas figuras y las explicaciones
anteriores.
La instalación representada a modo de ejemplo en
la figura 8 es del tipo MPSA con dos columnas de adsorción A1 y A2.
Se vuelven a encontrar los elementos 1 a 4, V11, V12, V21, V22 y 8
de la figura 1, excepto que el soplador está sustituido aquí por un
compresor que permite asegurar la producción de oxígeno bajo una
presión alta PM netamente superior a la presión atmosférica.
La instalación comprende igualmente una
derivación 9 de ventilación de la descarga del compresor 1,
equipada con una válvula V5, y una derivación 10 de ventilación de
la aspiración de la bomba 3 de vacío, equipada con una válvula V6.
Las salidas superiores de las columnas de adsorción están unidas en
paralelo por un conducto 11 de equilibrado dotado de una válvula V7
y por un conducto 12 de elución dotado de una válvula V8. Además,
estas salidas están unidas a una capacidad 12 de tampón mediante
respectivos conductos 13-1 y 13-2
equipados con respectivas válvulas V91 y V92. La capacidad 12
permite asegurar una producción de oxígeno en continuo a la presión
PM.
La figura 9 representa de manera análoga a la
figura 2 un ciclo clásico puesto en práctica por medio de esta
instalación, entre la presión alta PM, típicamente del orden de 1,5
bar, y una presión baja Pm, típicamente del orden de 400 mbar.
Este ciclo, que se describirá para la columna de
adsorción A1 y que, para la columna de adsorción A2, se deduce
mediante desfase en el tiempo de T/2, incluye sucesivamente las
etapas principales siguientes.
(a1) Del instante 0 a un instante t1, una etapa
de primera nueva compresión a contracorriente mediante equilibrado
de presiones con la otra columna de adsorción durante la etapa (c1)
de primera descompresión a favor de corriente.
(a2) De t1 a t2<T/2, una etapa de nueva
compresión final a favor de corriente por medio de aire
atmosférico.
(b1) De t2 a T/2, una etapa de producción, en el
transcurso de la cual se introduce aire en la entrada de la columna
de adsorción y se extrae oxígeno de producción en su salida. En el
transcurso de esta etapa, que es prácticamente isobárica con la
presión alta PM, el oxígeno de producción se extrae y se envía a la
salida de la otra columna de adsorción en el transcurso de la etapa
de purga/elución (c3) descrita más adelante.
(c1) De T/2 a t3, una etapa de primera
descompresión a favor de corriente mediante equilibrado de
presiones con la otra columna de adsorción en el transcurso de la
etapa (a1) descrita anteriormente.
(c2) De t3 a t4<T, una etapa de descompresión
a contracorriente mediante bombeo hasta la presión baja Pm del
ciclo.
(c3) De t4 a T, una etapa de purga/elución
prácticamente isobárica, en el transcurso de la cual se introduce
oxígeno de producción en la salida de la columna de adsorción,
mientras se continúa el bombeo a contracorriente.
Se extrae un caudal constante de oxígeno de la
capacidad 12 como caudal de producción.
Durante cada una de las etapas (a1) y (c1), no se
utiliza el compresor 1 de aire. El caudal comprimido se ventila
por medio de la válvula V5. El consumo energético de la máquina es
entonces mínimo.
Sin embargo, se observa, en el paso de la etapa
(b) a la etapa (c1), por razones análogas a lo que se ha explicado
anteriormente, un sobreconsumo energético.
Un registro rápido de la presión hace aparecer un
pico de presión alta durante esta fase transitoria. De esta
manera, tal como se representa en la figura 11, la curva de la
presión real C4 se aleja todavía de la presión teórica C5 con las
mismas desventajas que anteriormente (sobreconsumo energético,
esfuerzo mecánico más importante).
En efecto, la secuencia normal (figura 10)
consiste en cerrar la válvula V11 y después abrir la válvula V5.
Por ello, la línea 2, de volumen pequeño con respecto a las
columnas de adsorción, se encuentra comprimida a una presión
superior a la presión normal de servicio.
Por las mismas razones que anteriormente, este
fenómeno se vuelve cada vez más significativo cuando se reduce
sensiblemente la duración del ciclo.
Según un aspecto de la invención, se abre la
válvula V5 antes de cerrar la válvula V11, como se representa en la
figura 10A. Haciendo esto, se pone en comunicación durante un
periodo corto \Deltat la columna de adsorción A1 a la presión
alta del ciclo con la presión atmosférica. De esta manera se crea
una breve etapa de primera despresurización parcial de la columna
de adsorción A1 a contracorriente.
La secuencia correspondiente de circulación de
los caudales se ilustra en las figuras 12 a 14.
La curva de presión de descarga del compresor de
aire se convierte entonces en la curva C6 de la figura 11,
prácticamente desprovista de cualquier pico de presión.
Se comprende que, con las conmutaciones del tipo
V5-V12, V21-V6 y
V6-V22, pueden describirse fenómenos análogos y un
remedio correspondiente.
Las figuras 15 a 22A ilustran la aplicación de la
invención a una instalación del tipo de columna de adsorción
única. Esta instalación (figura 15) comprende esencialmente: una
única columna de adsorción A; una máquina 21 de compresión con un
único sentido de rotación que forma tanto un compresor de aire como
una bomba de vacío; un conducto 22 de entrada de aire unido a un
terminal 23 de la máquina 21 y equipado con una válvula V22; un
conducto 24 de evacuación unido al otro terminal 25 de la máquina y
equipado con una válvula V24; un conducto 26 equipado con una
válvula V26 que une el terminal 23 a la entrada inferior 27 de la
columna de adsorción; un conducto 28 equipado con una válvula V28
que une el terminal 25 a la entrada 27; una capacidad 29 de
elución; un conducto 30 de elución equipado con una válvula V30 y
que une la capacidad 29 a la salida superior 31 de la columna de
adsorción; una capacidad 32 de producción; y un conducto 33 de
producción equipado con una válvula V33 y que une la capacidad 32 a
la salida 32.
La figura 16 ilustra de la misma forma que
anteriormente el ciclo puesto en práctica por medio de la
instalación de la figura 15. Este ciclo comprende sucesivamente las
etapas siguientes:
(a) Una etapa de primera nueva compresión a
contracorriente por medio del oxígeno extraído en la capacidad
32.
(b) Una etapa de nueva presurización final a
favor de corriente por medio de aire atmosférico.
(c) Una etapa de producción prácticamente
isobárica a la presión alta PM del ciclo. En el transcurso de esta
etapa, el oxígeno de producción se envía a la capacidad 32.
(d) Una etapa de primera descompresión a favor de
corriente, enviándose a la capacidad 29 el gas procedente de la
columna de adsorción.
(e) Una etapa de descompresión final a
contracorriente mediante bombeo, hasta la presión baja Pm del
ciclo.
(f) Una etapa de purga/elución prácticamente
isobárica, en el transcurso de la cual el oxígeno se envía a la
salida de la columna de adsorción desde la capacidad 29 mientras
que continúa el bombeo a contracorriente.
Se extrae un caudal constante de oxígeno de la
capacidad 32 como caudal de producción.
Se subraya que durante las etapas (a) de nueva
compresión a contracorriente y (d) de descompresión a favor de
corriente, la máquina 21 no interviene en el ciclo. Entonces se
ventila a través del conducto 24. Para ello, el paso de la etapa (f)
a la etapa (a) se efectúa clásicamente como se ilustra en las
figuras 17 a 19, en las que las válvulas están representadas en
blanco cuando están abiertas y en negro cuando están cerradas:
- Durante la etapa (f), las válvulas V26 y V24
están abiertas mientras que las válvulas V22 y V28 están cerradas
(figura 17). Después:
- -
- se cierra la válvula 26 (figura 18), después
- -
- se abre la válvula 24, lo que produce la ventilación de la máquina 21 (figura 19).
El pico de caída de presión que aparece durante
la fase intermedia de la figura 18 se suprime prácticamente, con
los correspondientes inconvenientes, al abrir la válvula V22
(figura 18A) antes de cerrar la válvula V26 (figura 19A). Se
produce de esta manera un comienzo de nueva presurización a favor
de corriente de la columna de adsorción que acaba de purgarse a la
presión baja del ciclo, como se ilustra en trazo mixto en la figura
18A.
Asimismo, las figuras 20 a 22 ilustran el paso
clásico de la etapa (c) a la etapa (d):
- Durante la etapa (c), las válvulas V22 y V28
están abiertas y las válvulas V26 y V24 están cerradas (figura 20).
Después:
- -
- se cierra la válvula V28 (figura 21), después
- -
- se abre la válvula V24, lo que produce la ventilación de la máquina 21 (figura 22).
Asimismo, el pico de presión que aparece durante
la fase intermedia de la figura 18 se suprime prácticamente, con
los correspondientes inconvenientes, al abrir la válvula V24
(figura 21A) antes de cerrar la válvula V28 (figura 22A). Se
produce de esta forma un comienzo de despresurización a
contracorriente de la columna de adsorción a la presión alta PM,
como se ilustra en trazos mixtos en la figura 21A.
El modo de maniobra de las válvulas descrito
anteriormente en el caso de varios ciclos e instalaciones
particulares puede aplicarse a todas las unidades de PSA, MPSA o
PSA que incluyen un número cualquiera de columnas de adsorción N
\geq1. De manera general, puede utilizarse para evitar los
sobreconsumos de energía durante la conmutación de una máquina de
compresión (compresor, soplador o bomba de vacío) de una columna de
adsorción a otra columna de adsorción o de una columna de adsorción
a la atmósfera cercana o viceversa.
Este modo de maniobra puede realizarse por medio
de una válvula de tres vías, como se representa en las figuras 23 a
25 en el caso de la conmutación de una bomba de vacío de una
columna de adsorción A1 (figura 23) a otra columna de adsorción A2
(figura 25). Para ello, durante una etapa intermedia de la
conmutación, se abren las tres vías de la válvula (figura 24).
La figura 26 ilustra también la utilización de
dos válvulas de tres vías en el caso de la instalación de la
figura 15, para la conmutación de la máquina 21 entre la columna de
adsorción y la atmósfera circundante, en lugar por un lado de las
válvulas V22 y V26 (válvula 35 de tres vías) y por otro lado de las
válvulas V24 y V28 (válvula 36 de tres vías).
En estas variaciones, por "válvula de tres
vías" debe entenderse cualquier tipo de distribuidor de fluidos
que permite, en una de sus posiciones de servicio, poner en
comunicación simultáneamente los tres espacios que une y, en otras
dos posiciones de servicio, poner en comunicación uno de estos tres
espacios con uno u otro de los otros dos espacios.
Un distribuidor de este tipo puede estar
constituido especialmente por una válvula de tres vías propiamente
dicha o de un distribuidor de tres vías con corredera deslizante o
rotativa.
Las secuencias de apertura-cierre
de la invención también pueden aplicarse de manera beneficiosa,
aunque por otras razones, a la conmutación de un compresor 37 de
oxígeno, por ejemplo como se representa en la figura 1, de una
columna de adsorción a otra mediante maniobra de las válvulas V4i.
En este caso, la apertura prematura de la segunda válvula de
producción evita que la aspiración de este compresor se ponga en
caída de presión y por tanto los riesgos de entrada de aire y de
humedad en el circuito de oxígeno.
Como variante, en cada caso, en el marco de la
invención, puede haber un leve solapamiento de los tiempos de
apertura/cierre entre las válvulas o las vías, referidas por la
invención, siendo lo esencial que la segunda válvula o vía en
cuestión comience su apertura antes del final del cierre de la otra
válvula o vía considerada.
Claims (13)
1. Procedimiento de separación por adsorción de
una mezcla gaseosa en al menos una columna de adsorción, mediante
la puesta en práctica de un ciclo de variación de presión que
incluye una sucesión de etapas por medio de al menos una máquina de
compresión (1, 3; 21) que tiene un terminal que puede conectarse
selectivamente con la columna de adsorción, procedimiento en el
que, en al menos un instante del ciclo, el terminal de la máquina
de compresión (1, 3; 21) se conmuta de un primer espacio que se
encuentra a una primera presión P1 a un segundo espacio que se
encuentra a una segunda presión P2 claramente diferente de la
primera presión P1 y en el que dicha conmutación incluye una
operación intermedia en la que dicho terminal se pone temporalmente
en comunicación simultáneamente con el primer y con el segundo
espacio.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la duración de dicha operación
intermedia es como mucho igual a un tercio, y preferiblemente está
comprendida entre 1/3 y 1/50, de la más corta de las etapas del
ciclo que une.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno de
dichos espacios es un volumen de dicha mezcla gaseosa que debe
separarse.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno al
menos de dichos espacios es una capacidad de almacenamiento de
gas.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno al
menos de dichos espacios es una primera columna de adsorción (A1 a
A3: A1, A2; A) que, durante dicha operación intermedia, se comunica
con el terminal de la máquina (1, 3; 21).
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque, durante dicha operación intermedia,
dicha primera columna de adsorción (A1 a A3; A1, A2) se pone
igualmente en comunicación con un tercer espacio (A1 a A3; A1,
A2).
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque dicho tercer espacio es otra columna de
adsorción (A1 a A3; A1, A2) que se encuentra a una presión
diferente de la de dicha primera columna de adsorción (A1 a A3; A1,
A2).
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la máquina
(1, 3) es un soplador o un compresor de aire o una bomba de vacío
con una única función.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la máquina (21)
está adaptada para funcionar como compresor de aire o como bomba de
vacío según las etapas del ciclo.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicha
conmutación se efectúa mediante una secuencia programada de
apertura/cierre de las vías que unen dicho terminal a dichos primer
y segundo espacios.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque dicha conmutación se efectúa mediante el
cierre de una primera válvula de dos vías y apertura de una
segunda válvula de dos vías, y dicha operación intermedia mediante
la apertura de la segunda válvula de dos vías antes del cierre de
la primera válvula de dos vías.
12. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque dicha conmutación se efectúa mediante el
cierre de una primera vía de una válvula de tres vías y apertura
de una segunda vía de esta válvula de tres vías, estando abierta la
tercera vía de esta válvula de tres vías, y dicha operación
intermedia mediante la apertura de la segunda vía de la válvula de
tres vías antes del cierre de dicha primera vía.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla gaseosa que debe
separarse es aire atmosférico.
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