ES2257268T3 - Metodo de control del flujo de gas y sistema de adsorcion por cambio de presion. - Google Patents
Metodo de control del flujo de gas y sistema de adsorcion por cambio de presion.Info
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Abstract
Un método para controlar el flujo de gas entre un recipiente del adsorbente y un recipiente de almacenamiento de gas de un procedimiento de adsorción por cambio de presión para la separación de un gas de alimentación presurizado que contiene al menos un componente capaz de adsorberse más fuertemente y al menos un componente capaz de adsorberse menos fuertemente, procedimiento que comprende las etapas de: (i) introducir el gas de alimentación presurizado a una presión de alimentación en el extremo de alimentación del recipiente del adsorbente que contiene un adsorbente sólido que adsorbe preferentemente el (los) componente(s) capaz(ces) de adsorberse más fuertemente, retirando del extremo de producto del recipiente del adsorbente un gas efluente del adsorbente enriquecido en el (los) componente(s) capaz(ces) de adsorberse menos fuertemente, e introduciendo al menos una parte de gas efluente del adsorbente en el recipiente de almacenamiento de gas; (ii) terminar la introducción del gas de alimentación presurizado en el recipiente del adsorbente y despresurizar el recipiente del adsorbente evacuando el gas del extremo de alimentación del recipiente del adsorbente; (iii) terminar la evacuación del gas procedente del extremo de alimentación del recipiente del adsorbente y volver a presurizar el recipiente del adsorbente desde una presión de adsorbente mínima a una presión intermedia introduciendo gas de alimentación presurizado en el extremo de alimentación del recipiente del adsorbente mientras se continúa introduciendo gas efluente del adsorbente almacenado procedente del recipiente de almacenamiento de gas en el extremo de producto del recipiente del adsorbente; (iv) volver a presurizar adicionalmente el recipiente del adsorbente a la presión de alimentación continuando la introducción de gas de alimentación presurizado en el extremo de alimentación del recipiente del adsorbente; y (v) repetir las etapas (i) a (iv) de manera cíclica.
Description
Método de control del flujo de gas y sistema de
adsorción por cambio de presión.
La adsorción por cambio de presión es un método
conocido para la separación de mezclas de gases a granel y para la
purificación de corrientes de gases que contienen bajas
concentraciones de componentes indeseables. El método se ha
desarrollado y adaptado para un amplio intervalo de condiciones de
operación, pureza del producto, y recuperación del producto. Muchos
sistemas de adsorción por cambio de presión utilizan dos o más
lechos adsorbentes que funcionan en una secuencia cíclica con el
fin de mantener un caudal de producto constante, mientras que se
someten lechos seleccionados a diversas etapas incluidas adsorción,
despresurización, desorción, purga, equilibrado de presión,
represurización, y otras etapas relacionadas. Se requieren
múltiples lechos adsorbentes que usan numerosas etapas del
procedimiento para alcanzar alta pureza y/o recuperación de
productos gaseosos valiosos tales como hidrógeno, óxidos de
carbono, gas de síntesis, e hidrocarburos ligeros. El elevado
coste de generar las mezclas de gases de alimentación que contienen
estos valiosos componentes y los elevados requerimientos de pureza
para ciertos productos normalmente justifican la complejidad y el
gasto de capital de los sistemas de adsorción por cambio de
presión de lechos múltiples.
Se han desarrollado varios procedimientos de
adsorción por cambio de presión (PSA) de lecho único y son
conocidos en la técnica. Muchos de estos procedimientos funcionan
en parte a presiones inferiores a la atmosférica y se describen
como procedimientos de adsorción por cambio de vacío (VSA) o
adsorción por cambio de presión de vacío (VPSA). En la presente
especificación, se usa adsorción por cambio de presión (PSA) como
una expresión genérica para describir todos los tipos de sistemas
de adsorción cíclicos, independientemente de los niveles de
presión de operación.
Otros productos gaseosos sujetos a recuperación
por PSA no requieren la alta pureza y/o recuperación de los
productos nombrados anteriormente. En la recuperación de oxígeno y
nitrógeno a partir de aire mediante PSA, por ejemplo, un producto
de menor pureza que contiene 90 a 95% en volumen de oxígeno es
aceptable para muchos usos finales, y se pueden usar sistemas PSA
más simples para proporcionar un producto tal. Estos sistemas PSA
más simples tienen costes de capital y de funcionamiento
significativamente menores que los sistemas de lechos múltiples
descritos anteriormente. Los más simples de estos sistemas PSA para
la separación de aire utilizan un lecho adsorbente único junto con
uno o más recipientes de almacenamiento de gases para permitir el
flujo de producto constante y proporcionar gas para la purga y la
presurización del adsorbente durante la parte de regeneración del
ciclo PSA.
El documento
US-A-4.561.865 describe un sistema
PSA de lecho único que comprende un adsorbente y un depósito de
compensación que funciona con un compresor de alimentación en un
ciclo de tres etapas. Primero, se introduce aire de alimentación
comprimido en el adsorbente, lo que aumenta la presión en el
adsorbente, y simultáneamente se retira efluente del adsorbente al
depósito de equilibrio. Una parte del gas se retira del depósito de
equilibrio como un producto enriquecido en oxígeno. Se interrumpe
después la alimentación del adsorbente y el adsorbente se descarga
en contracorriente (es decir, a través del extremo de alimentación
del adsorbente) a la atmósfera. Durante esta etapa de descarga, se
introduce el gas de purga procedente del depósito de compensación
en el extremo de producto del adsorbente. Después de completarse la
etapa de descarga/purga, el adsorbente y el depósito de
compensación se equilibran en presión a través del extremo de
producto del adsorbente (es decir, en contracorriente). Las etapas
se repiten de manera cíclica. El documento US-A-
4.511.377 describe un aparato modular usando este procedimiento
PSA.
En el documento
US-A-4.892.566 se describe un
sistema PSA de lecho único que utiliza un adsorbente junto con un
depósito de compensación, compresor de alimentación, y válvulas
interruptoras para llevar a cabo una serie de etapas. Primero, se
introduce aire de alimentación comprimido en el adsorbente, lo que
aumenta la presión en el adsorbente mientras que al mismo tiempo se
retira efluente del adsorbente al depósito de equilibrio. Una
parte del gas se retira del depósito de equilibrio como un producto
enriquecido en oxígeno. Se interrumpe la alimentación del
adsorbente y se cierra la salida del adsorbente, y el adsorbente se
descarga en contracorriente (es decir, a través del extremo de
alimentación del adsorbente) a la atmósfera. Se abre la válvula de
cierre después de la descarga para permitir el flujo de producto
desde el depósito de compensación al lecho. Cuando comienza el
flujo de producto al lecho adsorbente, se puede descargar el lecho
para mantener la presión constante; suplir con gas de alimentación
o ni descargar ni suplir con gas de alimentación. Se puede
suspender el flujo del gas producto entre el lecho adsorbente y los
depósitos de compensación después de un equilibrado de la presión
inicial para permitir la represurización separada del
adsorbente.
El documento
US-A-5.032.150 describe un
procedimiento PSA de lecho único que utiliza múltiples depósitos de
almacenamiento de gas en un ciclo PSA para separar aire. Se
alimenta aire comprimido, procedente de un depósito de
alimentación de aire, en un adsorbente presaturado con gas rico en
oxígeno procedente de un ciclo previo, y el efluente del
adsorbente se dirige a un depósito colector de producto, del cual
una parte del gas se retira como un producto rico en oxígeno. Se
cierra después la salida del adsorbente y se equilibra la presión
del adsorbente con el depósito de alimentación de aire. A
continuación, se limpia el adsorbente con gas rico en nitrógeno
procedente de un depósito de producto nitrógeno, y el gas desplazado
se almacena en el depósito de alimentación de aire. El adsorbente
saturado de nitrógeno se despresuriza después en contracorriente
(es decir, a través del extremo de alimentación del adsorbente) en
el depósito de producto nitrógeno. Si se necesita, se puede
retirar el nitrógeno como un producto. Finalmente se purga el
adsorbente en contracorriente con gas rico en oxígeno procedente
del depósito colector de producto para desplazar el nitrógeno de él
y después se presuriza a contracorriente con el gas rico en oxígeno
a la presión de adsorción. Las etapas se repiten de manera
cíclica.
En el documento
US-A-5.071.449 se describe un
sistema rápido PSA de recipiente único en el que el recipiente
contiene capas de adsorción dobles y funciona de forma alternante
con un gas de alimentación continuo y dos corrientes continuas de
producto. No se usa un depósito de compensación de producto. Otro
sistema rápido PSA que utiliza un único lecho adsorbente
funcionando en un ciclo de 30 segundos o menos se describe en el
documento US-A-4.194.892. El
efluente del adsorbente opcionalmente fluye a través de un depósito
de compensación de producto para amortiguar las fluctuaciones de
flujo durante el ciclo adsorbente.
En el documento
US-A-5.370.728 se describe un
sistema PSA de lecho único con un depósito de compensación de
producto y un depósito de equilibrado. En el funcionamiento de este
sistema, se introduce la alimentación de aire comprimido en el
lecho adsorbente, presurizando el lecho desde una presión
intermedia hasta una presión de adsorción máxima, y el producto
efluente se retira del lecho al depósito de compensación de
producto. El lecho adsorbente se aísla después y se despresuriza a
favor de la corriente (es decir, a través del extremo de producto)
a un depósito de equilibrado a la presión intermedia. A
continuación, se despresuriza adicionalmente el lecho a
contracorriente (es decir, a través del extremo de alimentación) a
una presión de desorción más baja, y se purga el lecho a
contracorriente con gas procedente del depósito de compensación de
producto. Se despresuriza después el lecho a contracorriente a la
presión intermedia con gas procedente del depósito de equilibrado.
Finalmente, el lecho se presuriza con aire de alimentación y se
repiten las etapas de manera cíclica.
Otros procesos PSA de lecho único se describen en
los documentos US-A-4.065.272;
US-A-4.477.264;
US-A-5.228.888;
US-A-5.415.683;
US-A-5.658.371;
US-A-5.679.134; y
US-A-5.772.737; y en
JP-A-H9- 77.502 y
JP-A-H10-1.947.080;
y en EP-A-0.771.583.
Varios de los documentos citados anteriormente
describen múltiples depósitos de almacenamiento de gas para
proporcionar gas de purga y de represurización. Los documentos
US-A-5.370.728,
US-A-5.658.371 y
EP-A-0.771.583 A1 describen el uso
de depósitos dobles de almacenamiento de gas en sistemas de
separación de aire de lecho único para la recuperación de oxígeno.
Un depósito almacena gas de espacio vacío o gas parcialmente
despresurizado que tiene menor pureza de oxígeno y el otro depósito
almacena gas producto oxígeno de mayor pureza. El gas almacenado
que tiene menor pureza de oxígeno se usa para la represurización
parcial del adsorbente mientras que la parte de gas producto
almacenado de mayor pureza se usa para purgar el adsorbente. El
documento US-A-5.032.150 describe
la recuperación de nitrógeno del aire en un sistema PSA que usa
múltiples depósitos de almacenamiento de gas, en los que un
depósito almacena gas rico en oxígeno para purgar el adsorbente y
otro depósito almacena producto rico en nitrógeno para desplazar el
oxígeno del adsorbente después de completarse la purga.
El documento
US-A-5.486.226 describe un sistema
PSA usando un rellenado de gas producto sólo en la puesta en
marcha o cuando hay pérdida temporal de pureza del producto. El
flujo de gas producto desde el recipiente del adsorbente al
depósito de compensación se controla mediante una válvula
antirretorno en serie con una válvula de control de flujo, y el
flujo en la dirección inversa se controla mediante una válvula de
control de flujo en serie con una válvula de cierre y una válvula
antirretorno. Durante el funcionamiento normal, no hay flujo de
retorno desde el depósito de compensación al lecho. Las válvulas de
control de flujo se hacen funcionar manualmente y la válvula 52 de
cierre se hace funcionar en respuesta a un control de la pureza del
producto.
El documento
US-A-5.711.787 describe con
referencia a la Figura 1B en él, un procedimiento PSA de lecho
doble en el que cada uno de los lechos tiene una línea principal de
producto y una línea suplementaria de producto conectadas a una
línea de salida que alimenta un depósito de almacenamiento. El
flujo entre los lechos y la línea de salida se controla mediante
válvulas de control en las líneas de producto respectivas. La
válvula de control en cada línea principal de producto permite el
flujo sólo en la dirección de la línea de salida y la válvula de
control en cada línea suplementaria de producto permite el flujo
sólo en la dirección del lecho respectivo. Las líneas principales
de producto están interconectadas aguas arriba de sus respectivas
válvulas de control para permitir el equilibrado de la presión de
los lechos (por medio de una válvula de equilibrado de presión) y
la purga del gas producto (por medio de una válvula de purga). El
flujo desde la línea de salida al depósito de almacenamiento se
controla mediante una válvula de toma de producto.
Las líneas suplementarias de producto del
documento US-A-5.711.787 permiten el
flujo de gas producto desde un lecho, a través de la línea
principal de producto de ese lecho y la línea de salida, al otro
lecho con el fin de permitir purgar ese lecho en lugar de mediante
la válvula de purga. Sin embargo, la reivindicación 3 alude de
forma general a descargar gas producto desde el depósito de
almacenamiento al extremo de producto de un lecho, mientras que el
otro lecho proporciona gas producto.
El documento
EP-A-0.663.229 (que corresponde al
documento US-A-5.505.765) describe
un procedimiento PSA de lecho múltiple en el que un depósito de
compensación recibe gas producto procedente de los lechos y
alimenta un depósito de producto. El gas producto procedente del
depósito de compensación fluye a través de una línea de lavado
controlada mediante válvulas de control y orificios aguas abajo
siempre que la presión en el lecho respectivo sea menor que aquella
en el depósito de equilibrio. El flujo de gas producto desde el
lecho respectivo al depósito de equilibrio se controla mediante
válvulas de corte y la regeneración implica el equilibrado de la
presión entre los dos lechos.
Los procedimientos y sistemas PSA descritos
anteriormente proporcionan la producción eficaz de un producto
gaseoso enriquecido a partir de una mezcla de gases de alimentación.
Estos procedimientos requieren múltiples válvulas y sistemas de
control apropiados para controlar el caudal del gas y la dirección
del flujo durante las etapas cíclicas de adsorción,
despresurización, evacuación y represurización. Futuras mejoras
alentarán el uso más amplio de estos procedimientos y sistemas PSA,
y tales mejoras deberían incluir la simplificación del equipo,
particularmente compresores, válvulas, y sistemas asociados de
control de flujo de gases, que se requieren en los procedimientos
PSA. La invención descrita a continuación y definida en las
reivindicaciones anexas ofrece un método y sistema simplificado de
control de flujo de gases que es particularmente útil en
procedimientos PSA.
En un primer aspecto, la presente invención
proporciona un método para controlar el flujo de gas entre un
recipiente del adsorbente y un recipiente de almacenamiento de gas
de un procedimiento de adsorción por cambio de presión para la
separación de un gas de alimentación presurizado que contiene al
menos un componente capaz de adsorberse más fuertemente y al menos
un componente capaz de adsorberse menos fuertemente, procedimiento
que comprende las etapas de:
(a) introducir el gas de alimentación presurizado
a una presión de alimentación en un extremo de alimentación del
recipiente del adsorbente que contiene un adsorbente sólido que
adsorbe preferentemente el componente capaz de adsorberse más
fuertemente, retirando del extremo de producto del recipiente del
adsorbente un gas efluente del adsorbente enriquecido en el
componente capaz de adsorberse menos fuertemente, e introduciendo
al menos una parte del gas efluente del adsorbente en el recipiente
de almacenamiento del gas;
(b) terminar la introducción del gas de
alimentación presurizado en el recipiente del adsorbente y
despresurizar el recipiente del adsorbente evacuando el gas del
extremo de alimentación del recipiente del adsorbente, etapa (b)
durante la cual hay un periodo de paso de flujo no abierto entre el
recipiente del adsorbente y el recipiente de almacenamiento de
gas;
(c) continuar evacuando el gas del extremo de
alimentación del recipiente del adsorbente mientras simultáneamente
se introduce gas efluente del adsorbente almacenado procedente del
recipiente de almacenamiento de gas en el extremo de producto del
recipiente del adsorbente hasta que la presión en el recipiente del
adsorbente alcanza una presión de adsorbente mínima;
(d) terminar la evacuación del gas procedente del
extremo de alimentación del recipiente del adsorbente y volver a
presurizar el recipiente del adsorbente desde la presión de
adsorbente mínima a una presión intermedia introduciendo gas de
alimentación presurizado en el extremo de alimentación del
recipiente del adsorbente mientras se continúa introduciendo gas
efluente del adsorbente almacenado procedente del recipiente de
almacenamiento de gas en el extremo de producto del recipiente del
adsorbente;
(e) volver a presurizar adicionalmente el
recipiente del adsorbente a la presión de alimentación continuando
la introducción de gas de alimentación presurizado en el extremo de
alimentación del recipiente del adsorbente; y
(f) repetir las etapas (a) a (e) de manera
cíclica, en las que:
- el gas fluye desde el recipiente del adsorbente al recipiente de almacenamiento de gas siempre que la presión diferencial entre el recipiente del adsorbente y el recipiente de almacenamiento de gas sea igual a o mayor que una primera presión diferencial predeterminada;
- el gas fluye desde el recipiente de almacenamiento de gas al recipiente del adsorbente siempre que la presión diferencial entre el recipiente de almacenamiento de gas y el recipiente del adsorbente sea igual a o mayor que una segunda presión diferencial predeterminada, y
- no fluye gas en ninguna dirección entre dichos recipientes siempre que la presión diferencial entre el recipiente del adsorbente y el recipiente de almacenamiento de gas sea menor que la primera presión diferencial y cuando la presión diferencial entre el recipiente de almacenamiento de gas y el recipiente del adsorbente sea menor que la segunda presión diferencial.
El flujo de gas desde el recipiente del
adsorbente al recipiente de almacenamiento de gas se controla
preferiblemente mediante una primera válvula de control instalada
en la comunicación de flujos entre dichos recipientes, y la
primera válvula de control se abre con la primera presión
diferencial, y permite que el gas fluya hasta o por encima de la
primera presión diferencial.
El flujo de gas desde el recipiente de
almacenamiento de gas al recipiente del adsorbente se puede
controlar mediante una segunda válvula instalada en la comunicación
de flujos entre dichos recipientes, en la que la segunda válvula
de control típicamente se abre con la segunda presión diferencial,
y permite que el gas fluya hasta o por encima de la segunda presión
diferencial.
La primera y segunda válvulas de control no
permiten que fluya el gas entre los recipientes del adsorbente y
de almacenamiento de gas siempre que la presión diferencial entre
dichos recipientes sea menor que la primera presión diferencial y
siempre que la presión diferencial entre dichos recipientes sea
menor que la segunda presión diferencial.
Se puede obtener un gas producto final durante la
etapa (a) retirando una parte del gas efluente del adsorbente, o
alternativamente retirando una parte del gas efluente del adsorbente
almacenado del recipiente de almacenamiento de gas.
Preferiblemente, se retira del recipiente de almacenamiento de gas
una parte del gas efluente del adsorbente almacenado como un gas
producto final durante las etapas (b), (c), (d) y (e).
Según un segundo aspecto, la presente invención
proporciona un sistema para controlar el flujo de gas entre un
recipiente del adsorbente y un recipiente de almacenamiento de gas
por un método del primer aspecto de la presente invención, sistema
que comprende:
(a) una primera válvula de control que tiene una
entrada y una salida, en el que la válvula se instala en la
comunicación de flujos entre el recipiente del adsorbente y el
recipiente de almacenamiento de gas, y en el que la primera
válvula de control se abre con la primera presión diferencial;
(b) una segunda válvula de control que tiene una
entrada y una salida, en el que la válvula se instala en la
comunicación de flujos entre el recipiente de almacenamiento de gas
y el recipiente del adsorbente, y en el que la segunda válvula de
control se abre con la segunda presión diferencial;
(c) tuberías que conectan la entrada de la
primera válvula de control al recipiente del adsorbente y la salida
de la primera válvula de control al recipiente de almacenamiento de
gas;
(d) tuberías que conectan la entrada de la
segunda válvula de control al recipiente de almacenamiento de gas
y la salida de la segunda válvula de control al recipiente del
adsorbente;
(e) un tercer recipiente (es decir, un recipiente
adicional de almacenamiento de gas);
(f) una tercera válvula de control que tiene una
entrada y una salida, en el que la válvula se instala en la
comunicación de flujos entre el recipiente de almacenamiento de gas
y el tercer recipiente;
(g) tuberías que conectan la entrada de la
tercera válvula de control al recipiente de almacenamiento de gas
y la salida de la tercera válvula de control al tercer recipiente; y
que permite el flujo de gas desde el recipiente de almacenamiento
de gas al tercer recipiente.
En otro aspecto de la invención, se proporciona
un sistema para controlar el flujo de gas entre un recipiente del
adsorbente y un recipiente de almacenamiento de gas por un método
del primer aspecto de la presente invención, sistema que
comprende:
(a) una primera válvula de control que tiene una
entrada y una salida, en el que la válvula se instala en la
comunicación de flujos entre el recipiente del adsorbente y el
recipiente de almacenamiento de gas, y en el que la primera
válvula de control se abre con la primera presión diferencial;
(b) una segunda válvula de control que tiene una
entrada y una salida, en el que la válvula se instala en la
comunicación de flujos entre el recipiente de almacenamiento de gas
y el recipiente del adsorbente, y en el que la segunda válvula de
control se abre con la segunda presión diferencial;
(c) tuberías que conectan la entrada de la
primera válvula de control al recipiente del adsorbente y la salida
de la primera válvula de control al recipiente de almacenamiento de
gas; y
(d) tuberías que conectan la entrada de la
segunda válvula de control al recipiente de almacenamiento de gas
y la salida de la segunda válvula de control al recipiente del
adsorbente;
(e) un tercer recipiente (es decir, un recipiente
adicional de almacenamiento de gas);
(f) una tercera válvula de control que tiene una
entrada y una salida, en el que la salida se instala en la
comunicación de flujos con el tercer recipiente; y
(g) tuberías que conectan la salida de la tercera
válvula de control al tercer recipiente para permitir el flujo de
gas de una parte del gas efluente del adsorbente desde la primera
válvula de control al tercer recipiente.
El método de la invención controla el flujo de
gas entre los recipientes en un procedimiento PSA durante las
etapas cíclicas de alimentación, evacuación, purga, y
represurización para proporcionar un gas producto final
enriquecido en uno de los componentes de la alimentación. El
procedimiento se lleva a cabo en un sistema simple que utiliza una
única válvula de cuatro lumbreras y dos vías para controlar el
flujo de gas entre un recipiente del adsorbente y un compresor, y
el compresor se usa para introducir el gas de alimentación en el
adsorbente y para la evacuación del gas del adsorbente. El control
del flujo de gas en cualquier dirección entre el recipiente del
adsorbente y un recipiente de almacenamiento de gas producto se
realiza mediante dos válvulas de control instaladas en paralelo
entre el recipiente y el recipiente. De ese modo, el sistema actúa
con sólo dos accionadores mecánicos - uno para hacer funcionar la
válvula de cuatro lumbreras y dos vías y uno para hacer funcionar
al compresor. Las válvulas de control entre el adsorbente y el
recipiente de almacenamiento de gas se activan directa y
automáticamente por la presión diferencial de gas entre el
recipiente del adsorbente y el de almacenamiento.
La presente invención también proporciona un
sistema de adsorción por cambio de presión para la separación de
un gas de alimentación presurizado que contiene al menos un
componente capaz de adsorberse más fuertemente y al menos un
componente capaz de adsorberse menos fuertemente, comprendiendo
dicho sistema:
un recipiente del adsorbente para contener un
adsorbente sólido que preferentemente adsorbe al componente capaz
de adsorberse más fuertemente;
un ("primer") depósito de almacenamiento de
gas;
medios de alimentación de gas presurizado para
introducir un gas de alimentación presurizado a una presión de
alimentación en un extremo de alimentación del recipiente del
adsorbente;
medios de retirada del gas efluente para retirar
del extremo de producto del recipiente del adsorbente un gas
efluente del adsorbente enriquecido en el componente capaz de
adsorberse menos fuertemente e introducir al menos una parte del
gas efluente del adsorbente en el depósito de almacenamiento de
gas;
medios de evacuación de gas para despresurizar el
recipiente del adsorbente evacuando el gas del extremo de
alimentación del depósito del adsorbente;
medios de purga de gas y represurización para
introducir gas efluente del adsorbente almacenado procedente del
depósito de almacenamiento de gas en el extremo de producto del
recipiente del adsorbente;
caracterizado porque dicho medio de retirada de
gas efluente comprende una válvula de control que se abre con una
primera presión diferencial predeterminada para permitir al gas
efluente fluir desde el recipiente del adsorbente al depósito de
almacenamiento siempre que la presión diferencial entre el
recipiente del adsorbente y el depósito de almacenamiento sea igual
a o mayor que dicha primera presión diferencial;
y porque dicho medio para la purga de gas y
represurización comprende una segunda válvula de control que se
abre con una segunda presión diferencial predeterminada para
permitir al gas efluente fluir desde el depósito de almacenamiento
al recipiente del adsorbente siempre que la presión diferencial
entre el depósito de almacenamiento y el recipiente del adsorbente
sea igual a o mayor que dicha segunda presión diferencial
predeterminada.
En las descripciones de las realizaciones de la
presente invención que se dan en la presente memoria, los
siguientes significados están asociados con términos específicos
usados.
Una etapa de alimentación tiene lugar durante el
tiempo en el que el gas de alimentación presurizado se introduce
en el recipiente del adsorbente. La despresurización se define como
la retirada de gas del recipiente del adsorbente acompañado por
disminución de la presión del adsorbente. La despresurización se
puede conseguir descargando gas a presión superatmosférica
directamente a la atmósfera, o alternativamente a otro depósito
del procedimiento o volumen cerrado que esté a menor presión. La
despresurización también se puede conseguir por evacuación,
definida como la retirada de gas del adsorbente por medios
mecánicos tales como bomba de vacío o compresor. La evacuación se
puede llevar a cabo en cualquier intervalo de presiones del
adsorbente, pero típicamente se lleva a cabo a presiones
subatmosféricas, es decir, a vacío. La represurización se define
como la introducción de gas en el recipiente del adsorbente
acompañado por aumento de la presión del adsorbente.
La purga se define como la introducción de un gas
de purga, típicamente gas producto, en un extremo del adsorbente
mientras se retira un gas efluente desde el otro extremo del
recipiente. La purga se puede llevar a cabo a cualquier presión,
pero es más efectiva a presiones subatmosféricas. La purga se puede
llevar a cabo durante la despresurización, evacuación o
represurización, y así la presión del adsorbente puede aumentar,
disminuir, o permanecer constante durante una parte de la etapa de
purga. Preferiblemente, como se describe más adelante, la purga se
lleva a cabo durante la última parte de la etapa de despresurización
o evacuación.
La presión diferencial (o alternativamente el
diferencial de presión) se define como la diferencia positiva en
la presión del gas entre un recipiente o depósito a una presión
mayor y un recipiente o depósito a una presión menor. La presión
diferencial también se define como la diferencia positiva en la
presión del gas entre la entrada y la salida de la válvula de
control. La presión diferencial de apertura de una válvula de
presión es la diferencia de presión entre la entrada y la salida
requerida para abrir la válvula y permitir el flujo de gas desde
la entrada a la salida.
El gas de espacio vacío se define como el gas no
adsorbido contenido en el volumen intersticial o interpartículas
en el recipiente del adsorbente, e incluye el gas en las tuberías y
el volumen muerto del recipiente que no está ocupado por el
adsorbente.
La parte del gas efluente del adsorbente
procedente del recipiente del adsorbente, que también se puede
definir como el gas producto del adsorbente, se almacena en un
recipiente de almacenamiento de gas producto. El gas retirado para
consumo externo se define como un gas producto (o alternativamente
un producto gaseoso), y este gas producto se puede suministrar
retirándolo del recipiente de almacenamiento del gas producto o
como una parte del gas producto del adsorbente.
Lo siguiente es una descripción, sólo como medio
de ejemplo y con referencia a los dibujos que acompañan, de las
realizaciones actualmente preferidas de la presente invención. En
los dibujos:
Fig. 1 es un diagrama de flujo esquemático de una
realización de la presente invención;
Fig. 2 es una representación gráfica de las
presiones del recipiente de almacenamiento de gas y del adsorbente
frente al tiempo para un ciclo del procedimiento de la presente
invención; y
Fig. 3 es un diagrama de flujo esquemático de una
realización alternativa de la presente invención.
El procedimiento de la presente invención se
lleva a cabo preferiblemente en el sistema de adsorción por cambio
de presión mostrado esquemáticamente en la Figura 1. El gas de
alimentación y el gas de evacuación de desecho (definido más
tarde) fluyen a través de la toma/línea de descarga 1 conectada al
silenciador 3 que reduce el ruido de la toma y escape de gas. La
línea 5, a través de la cual el gas fluye en cualquier dirección,
se conecta a la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías en la
abertura 7a de entrada/salida. La línea 9, a través de la cual el
gas fluye en cualquier dirección, conecta la abertura 7b de
entrada/salida de la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías al
compresor 11. La línea 13, a través de la cual el gas fluye en
cualquier dirección, conecta la abertura 7c de entrada/salida de la
válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías al compresor 11. La línea
15, a través de la cual el gas fluye en cualquier dirección,
conecta la abertura 7d de entrada/salida de la válvula 7 de cuatro
lumbreras y dos vías con el extremo de alimentación del recipiente
17 del adsorbente.
La válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías puede
ser cualquier tipo de válvula de cuatro lumbreras y dos vías
comercialmente disponible que se pueda hacer funcionar en dos
posiciones para dirigir el gas en dos direcciones de flujo. Esta
válvula típicamente es una válvula de cuatro bolas con una bola de
doble ángulo o doble L accionada por medio de un accionador por
motor eléctrico de inversión de marcha con freno. Hay disponibles
comercialmente válvulas y accionadores adecuados para tal servicio,
y se pueden obtener, por ejemplo, de Pittsburgh Brass
Manufacturing Co. y de AMSCO Sales Corp.
El recipiente 17 del adsorbente contiene material
adsorbente que adsorbe selectivamente uno o más de los componentes
en una mezcla de gas de alimentación, enriqueciendo de ese modo el
gas no adsorbido en los componentes restantes como se explica más
adelante. La línea 19, a través de la cual el gas fluye en
cualquier dirección, se conecta al extremo de producto del
recipiente del adsorbente.
La línea 21, a través de la cual el gas fluye
sólo en una dirección como se muestra, se conecta a la entrada de
la válvula 23 de control. La línea 25, a través de la cual el gas
fluye sólo en una dirección como se muestra, se conecta a la
salida de la válvula 23 de control. La válvula 23 de control
permite el flujo sólo desde el recipiente 17 del adsorbente al
depósito 39 de almacenamiento de gas, en la dirección mostrada,
cuando la presión diferencial entre el recipiente 17 del adsorbente
(la presión mayor) y el depósito 39 de almacenamiento de gas (la
presión menor) es igual a o mayor que un valor predeterminado. Esta
presión diferencial es la presión diferencial de apertura de la
válvula de control. Cuando la presión diferencial es menor que este
valor, la válvula 23 de control está cerrada. Este valor
predeterminado de la presión diferencial está típicamente entre
0,35 y 7 kPa (0,05 y 1,0 libras por pulgada cuadrada diferencial
(psid)), y se establece según el diseño de la válvula de control
específica usada en este servicio. La línea 29, a través de la cual
el gas fluye en cualquier dirección, se conecta a la línea 31, a
través de la cual el gas fluye a la entrada de la válvula 33 de
control. La línea 35 del gas producto final se conecta a la salida
de la válvula 33 de control. La línea 37, a través de la cual el
gas fluye en cualquier dirección, se conecta a la línea 29 y al
depósito 39 de almacenamiento de gas.
La línea 41, a través de la cual el gas fluye
sólo en una dirección como se muestra, se conecta a la entrada de
la válvula 43 de control. La línea 45, a través de la cual el gas
fluye sólo en una dirección como se muestra, se conecta a la
salida de la válvula 43 de control y a la línea 19. La válvula 43
de control permite el flujo desde el depósito 39 de almacenamiento
de gas al recipiente 17 del adsorbente, en la dirección mostrada,
sólo cuando la presión diferencial entre el depósito 39 de
almacenamiento de gas (la presión mayor) y el recipiente 17 del
adsorbente (la presión menor) es igual a o mayor que un valor
predeterminado. Esta es la presión diferencial de apertura de la
válvula de control. Cuando la presión diferencial es menor que este
valor, la válvula 43 de control está cerrada. Este valor
predeterminado de la presión diferencial está típicamente entre 14
y 140 kPa (2,0 y 20 libras por pulgada cuadrada diferencial
(psid)), y se establece según el diseño de la válvula de control
específica usada en este servicio.
Un modo alternativo para la retirada del gas
producto final se da en la Fig. 1, en el que el producto se retira
directamente del depósito 39 de almacenamiento de gas mediante la
línea 31, válvula 33, y línea 35 de producto, como se muestra.
La descripción del procedimiento de la presente
invención que utiliza el sistema de la Fig. 1 se da a continuación.
El procedimiento se ilustra con la recuperación de oxígeno del
aire, pero el procedimiento se puede usar para separar otras
mezclas de gases como se explica más adelante.
El aire atmosférico, preferiblemente filtrado por
métodos conocidos (no mostrados) para eliminar el material
perjudicial en partículas, fluye a través de la línea 1 de
toma/descarga, silenciador 3, línea 5, válvula 7 de cuatro
lumbreras y dos vías mediante las aberturas 7a y 7b, y línea 9 a la
entrada del compresor 11. El compresor 11, que típicamente es un
compresor rotativo de lóbulos tipo Roots, comprime el aire a la
presión de alimentación típicamente en el intervalo de 125 a 160
kPa (18 a 23 psia). Opcionalmente, se puede usar un equipo de
refrigeración posterior (no mostrado) a continuación del compresor.
El gas de alimentación presurizado fluye a través de la línea 13,
válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías mediante las aberturas 7c
y 7d, y línea 15 al recipiente 17 del adsorbente que contiene el
material adsorbente que adsorbe selectivamente el nitrógeno, un
componente más fuertemente adsorbido en la alimentación de aire. El
recipiente 17 del adsorbente inicialmente está a una presión típica
intermedia de 100 a 107 kPa (14,5 a 15,5 psia) como resultado de
una etapa de represurisación previa (descrita más adelante), y las
presiones en el recipiente 17 del adsorbente y el depósito 39 de
almacenamiento de gas son casi iguales excepto para la presión
diferencial requerida para mantener abierta la válvula 23 de
control. El aire de alimentación presurizado aumenta la presión en
el depósito del adsorbente a una presión total de adsorción de 125
a 160 kPa (18 a 23 psia) durante un periodo de 13 a 30 segundos.
El agua presente en el aire atmosférico se puede eliminar aguas
arriba del recipiente 17 del adsorbente por métodos conocidos, o
alternativamente se puede eliminar usando una capa de adsorbente en
el extremo de la entrada del adsorbente que adsorba agua
preferentemente.
Conforme la alimentación de aire presurizado pasa
a través del recipiente del adsorbente, se enriquece en oxígeno,
un componente en la alimentación de aire menos fuertemente
adsorbido. El efluente del adsorbente enriquecido en oxígeno, que
típicamente contiene 85 a 95% en volumen de oxígeno, se retira a
través de la línea 19, línea 21, válvula 23 de control, y línea 29.
Una parte del gas efluente del adsorbente fluye a través de la
línea 37 al depósito 39 de almacenamiento del gas, y el resto pasa a
través de la válvula 33 de control de flujo y la línea 35 para
proporcionar un gas producto de oxígeno final.
La etapa de alimentación de aire continúa hasta
que el adsorbente se aproxima a un nivel predeterminado de ruptura
de nitrógeno y antes de que se alcance en el adsorbente el
equilibrio de adsorción completo con aire de alimentación, momento
en el que se termina la etapa. La duración típica de la etapa de
alimentación de aire es 13 a 30 segundos.
El recipiente 17 del adsorbente contiene uno o
más adsorbentes que preferentemente adsorben nitrógeno y de ese
modo enriquecen el efluente del adsorbente en oxígeno. Estos
adsorbente se pueden seleccionar entre zeolitas intercambiadoras
de cationes monovalentes o divalentes que tiene estructura tipo A,
tipo X o mordenita. Ejemplos específicos son zeolitas tipo NaX,
NaA, CaX, y CaA.
La etapa de alimentación de aire se termina
cambiando la posición de la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos
vías de manera que el compresor 11 evacua el recipiente 17 del
adsorbente, mediante lo cual el gas de espacio vacío y desorbido
del adsorbente fluye a través de la línea 15, válvula 7 de cuatro
lumbreras y dos vías mediante las aberturas 7d y 7b, compresor 11,
y línea 13. Poco después de la finalización de la etapa de
alimentación de aire, la válvula 23 de control se cierra
automáticamente cuando la presión diferencial entre el recipiente
17 del adsorbente (la presión mayor) y el depósito 39 de
almacenamiento de gas (la presión menor) cae por debajo de un
valor predeterminado en el intervalo de 15 a 70 kPa (2 a 10 psid).
Por lo tanto, la válvula 23 de control está cerrada durante la
mayor parte de la etapa de evacuación. El gas evacuado fluye a
través de la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías mediante las
aberturas 7c y 7a, línea 5, y silenciador 3, y se descarga a la
atmósfera a través de la línea 1 de entrada/descarga. El recipiente
17 del adsorbente se evacua a contracorriente (es decir, en la
dirección de flujo opuesta a la etapa de alimentación), lo que
desorbe el nitrógeno adsorbido durante la etapa de alimentación de
aire, regenerando parcialmente de ese modo el adsorbente para la
siguiente etapa de alimentación de aire. La evacuación continúa
hasta que se consigue una presión intermedia en el adsorbente de
25 a 70 kPa (4 a 10 psia).
Cuando la presión diferencial entre el depósito
39 de almacenamiento de gas (la presión mayor) y el recipiente 17
del adsorbente (la presión menor) aumenta a un valor predeterminado
entre 15 y 70 kPa (2 a 10 psid), la válvula 43 de control
automáticamente se abre y fluye gas producto rico en oxígeno desde
el depósito 39 al recipiente 17 del adsorbente mediante las líneas
37, 29, 41, 45, y 19. Este flujo en contracorriente de gas de
purga barre al adsorbente y desorbe adicionalmente el nitrógeno
residual. La velocidad de admisión del gas de purga es tal que la
presión en el recipiente 17 del adsorbente continúa cayendo. Cuando
se alcanza una presión del adsorbente mínima predeterminada de 25 y
70 kPa (4 a 10 psia), se finaliza esta etapa de evacuación y purga
combinadas. Típicamente, la duración de la etapa está entre 2 y 8
segundos. La finalización de la etapa se efectúa conectando la
posición de la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías de manera
que el compresor 11 se cambie del modo evacuación al modo de
compresión de alimentación descrito previamente. Si se desea, se
pueden seleccionar la velocidad de gas de purga suministrado a
través de la válvula 43 de control y el tiempo de conexión de la
válvula 7 de manera que la etapa de evacuación y purga combinadas
se lleve a cabo durante un periodo de tiempo a la presión del
adsorbente mínima.
La represurización del recipiente 17 del
adsorbente se inicia introduciendo aire de alimentación comprimido
a través de la línea 15 como se describió anteriormente en la etapa
de alimentación de aire. El aire fluye a través de la línea 1 de
toma/descarga, silenciador 3, línea 5, válvula 7 de cuatro
lumbreras y dos vías mediante las aberturas 7a y 7b, y línea 9 a la
entrada del compresor 11. De ese modo, el compresor 11 introduce
aire de alimentación a mayor presión en el recipiente 17 del
adsorbente. El gas de alimentación presurizado fluye a través de
la línea 13, válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías mediante las
aberturas 7c y 7d, y línea 15 en el recipiente 17 del adsorbente.
El gas producto almacenado procedente el depósito 39 de
almacenamiento de gas continúa fluyendo en el recipiente del
adsorbente a través de la línea 37, línea 29, línea 41, válvula 43
de control, línea 45, y línea 19. Cuando la presión diferencial
entre el depósito 39 de almacenamiento de gas (la presión mayor) y
el recipiente 17 del adsorbente (la presión menor) disminuye a un
valor predeterminado entre 15 y 70 kPa (2 a 10 psid), la válvula 43
de control se cierra automáticamente, y acaba la etapa de
represurización en dos extremos. La duración de la etapa de
represurización en dos extremos es típicamente 2 a 8 segundos.
Conforme continúa la alimentación de aire
presurizado, la presión en el recipiente del adsorbente aumenta
hasta la presión de alimentación, momento en el que el ciclo se
repite comenzando con la etapa de alimentación de aire descrita
anteriormente. Al final de esta etapa, la válvula 23 de control se
abre y el gas producto efluente del adsorbente comienza a fluir a
través de la línea 19, línea 21, válvula 23 de control, línea 25,
y línea 29. La válvula 23 de control se abre automáticamente cuando
la presión diferencial entre el recipiente 17 del adsorbente (la
presión mayor) y el depósito 39 de almacenamiento de gas (la
presión menor) alcanza el valor predeterminado en el intervalo de
0,35 a 7 kPa (0,05 y 1,0 psid). Una parte del gas producto fluye
mediante la línea 37 al depósito 39 de almacenamiento de gas y el
resto se retira como el gas producto de oxígeno final mediante la
línea 31, válvula 33 de control, y línea 35.
Durante las etapas 1 a 5 descritas anteriormente,
el gas producto de oxígeno final se retira continuamente a través
de la válvula 33 y la línea 35. Durante la etapa 1, el flujo de gas
total procedente del recipiente 17 del adsorbente a través de las
líneas 19, 21, 25 y 29 proporciona gas al depósito 39 de
almacenamiento mediante la línea 37 y gas producto de oxígeno final
mediante la línea 35. Durante las etapas 2 a 5, el gas producto de
oxígeno final se retira del depósito 39 de almacenamiento de gas
mediante las líneas 37 y 31. Durante las etapas 2, 3, y 4, el gas
producto también se retira del depósito 39 de almacenamiento de gas
mediante las líneas 37, 29, 41, 45, y 19 para la purga y
represurización del recipiente del adsorbente. El depósito 39 de
almacenamiento de gas se diseña para que tenga suficiente volumen
para proporcionar gas de purga y represurización mientras que
proporciona gas producto de oxígeno final a la presión y caudal
requeridos.
Un compendio del ciclo PSA descrito anteriormente
se da en la Tabla 1, que indica la posición de las válvulas y la
duración temporal para cada etapa cíclica del ciclo descrito
anteriormente. En la Fig. 2 se muestra una representación gráfica
de las presiones absolutas en el recipiente 17 del adsorbente y en
el depósito 39 de almacenamiento de gas como una función del
tiempo, junto con el Ejemplo dado más adelante. El eje del tiempo
en la Fig. 2 no está necesariamente a escala, y las duraciones
mostradas de las etapas del ciclo son sólo ilustrativas.
| (Periodos de tiempo de la Fig. 2) | |||||
| Tiempo | Válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías | Válvulas de control | |||
| Etapa del ciclo | Periodo | Seg. | Conexiones de las lumbreras | 23 | 43 |
| 1) Alimentación de aire | t_{0}-t_{1} | 15-30 | 7a a 7b; 7c a 7d | O | C |
| 2) Evacuación | t_{1}-t_{2} | 15-36 | 7d a 7b; 7c a 7a | C | C* |
| 3) Evacuación/purga | t_{2}-t_{3} | 2-8 | 7d a 7b; 7c a 7a | C | O |
| 4) Represurización en dos extremos | t_{3}-t_{4} | 2-8 | 7a a 7b; 7c a 7d | C | O |
| 5) Represurización de alimentación | t_{4}-t_{f} | 2-8 | 7a a 7b; 7c a 7d | C | C |
| Posición de la válvula: O = abierto; C = cerrado; C* = cerrado poco después de que comience la etapa 2 | |||||
| El tiempo del ciclo total de t_{0}-t_{f} está típicamente en el intervalo de 36 a 94 segundos. |
En una realización alternativa de la invención,
todo el gas efluente del adsorbente se puede introducir mediante
las líneas 29 y 37 en el depósito 39 de almacenamiento de gas. El
gas producto final se retira directamente del depósito 39 de
almacenamiento de gas mediante la línea 31, válvula 33, y línea de
producto 25 como se muestra opcionalmente en la Fig. 1. El gas para
la purga y represurización del adsorbente se retira del depósito
39 mediante las líneas 37 y 29 como se describió anteriormente.
Otra realización alternativa de la invención se
da en la Fig. 3. En esta realización, el depósito 39 de
almacenamiento de gas de la Fig. 1 se sustituye por dos depósitos
47 y 49. Estos depósitos pueden ser volúmenes divididos de un
único recipiente como se muestra, o alternativamente pueden ser
recipientes separados si se desea. El depósito 47 está en
comunicación de flujos con la línea 25 mediante la línea 57, de
manera que el gas efluente del adsorbente fluye en el depósito 47
de almacenamiento y el gas almacenado se puede retirar del depósito
47 de almacenamiento para la purga y represurización del recipiente
del adsorbente como se describió anteriormente. El depósito 47
proporciona gas para estos propósitos de una manera parecida al
depósito 39 de la Fig. 1 como se trató anteriormente.
El depósito 47 también está en comunicación de
flujos en una dirección con el depósito 49 de almacenamiento de
gas mediante la línea 51, válvula 53 de control, y línea 55. La
válvula 53 de control se abre para permitir el flujo de gas
efluente del adsorbente almacenado del depósito 47 al depósito 49
sólo cuando la presión diferencial entre el depósito 47 (la presión
mayor) y el depósito 49 (la presión menor) iguala o excede un valor
predeterminado en el intervalo de 0,35 a 7 kPa (0,05 y 1,0 psid).
Cuando la presión diferencial entre el depósito 47 y el depósito
49 cae por debajo del valor predeterminado, no puede fluir gas desde
el depósito 47 al depósito 49. Típicamente, la presión diferencial
de apertura de la válvula 53 de control es esencialmente la misma
que la de la válvula 25 de control, aunque, si se desea, las
presiones diferenciales de apertura de las dos válvulas de control
pueden diferir. El gas producto final se puede retirar mediante la
línea 59, válvula 33, y línea 35.
Alternativamente, en lugar de transferir el gas
del depósito 47 al depósito 49 como se describió anteriormente, se
puede introducir directamente una parte del gas efluente del
adsorbente de la línea 57 en el depósito 49 mediante la válvula 53
de control y la línea 55 (no mostrada). La parte restante del gas
efluente del adsorbente se almacena en el depósito 47, y este gas
se usa sólo para purga y represurización del recipiente del
adsorbente. El gas producto final debería retirarse mediante la
línea 59, válvula 33, y línea 35 como anteriormente. En otra
versión de esta alternativa, la válvula 53 de control se puede
instalar entre las líneas 57 y 59 (no mostrada) en lugar de
directamente entre los depósitos 47 y 49 como se describió
anteriormente.
Estas realizaciones alternativas de la invención
permiten el uso de gas a menor presión procedente del depósito 47
para la purga y represurización, mientras que utiliza gas a mayor
presión procedente del depósito 49 para el gas producto final.
Durante los periodos de retirada del gas almacenado, la presión en
el depósito 47 caerá más rápidamente que la presión en el depósito
49. Esto permite un uso más eficiente de la presión disponible del
gas efluente del adsorbente que en el uso descrito anteriormente del
depósito de almacenamiento de gas único de la Fig. 1. Esto también
permite mejor control del flujo del gas producto final mediante la
válvula 33, ya que la presión media en el depósito 49 es mayor que
la presión en la versión de depósito único.
El ciclo del procedimiento PSA de la presente
invención se describió anteriormente para la aplicación preferida
de la separación de aire para la producción de oxígeno. El ciclo del
procedimiento también se puede usar para la separación de otras
mezclas de gases usando adsorbente(s) y tiempos de ciclo
apropiados. El procedimiento se puede aplicar, por ejemplo, a la
recuperación de hidrógeno de pureza moderada procedente de los
gases de salida de las refinerías de petróleo, en el secado de
aire, y en la eliminación de hidrocarburos pesados del gas
natural. Adsorbentes útiles para estas separaciones incluyen carbón
activado, zeolitas tipo A y X, y mordenita. El sistema como se
describe utiliza un adsorbente único, pero se pueden usar múltiples
adsorbentes en paralelo si se requieren mayores tasas de
producción.
Se hace funcionar un sistema PSA según la Fig. 1
para recuperar oxígeno del aire como se describió anteriormente y
se resumió en la Tabla 1. La presión diferencial mínima entre el
adsorbente 17 y el depósito 39 de almacenamiento de gas requerida
para permitir el flujo a través de la válvula 23 de control es 1,7
kPa (0,25 psid). Así, la presión diferencial de apertura de la
válvula 23 de control es 1,7 kPa (0,25 psid). La presión
diferencial mínima entre el depósito 39 de almacenamiento de gas y
el adsorbente 17 requerida para permitir el flujo a través de la
válvula 43 de control es 69 kPa (10 psid). Así, la presión
diferencial de apertura de la válvula 43 de control es 69 kPa (10
psid).
El ciclo se describe en la Fig. 2, que representa
el perfil presión-tiempo para el recipiente 17 del
adsorbente y el depósito 39 de almacenamiento de gas. El ciclo y la
etapa (1) de alimentación de aire comienzan en el tiempo t_{0}
en el que la presión inicial en el recipiente 17 del adsorbente es
117 kPa (17,0 psia). El gas que fluye a través del sistema
transcurre como se describió anteriormente en la etapa (1) de
alimentación de aire y las válvulas funcionan en las posiciones
resumidas en la Tabla 1. Debido a que la presión diferencial
mínima requerida para mantener el flujo a través de la válvula 23 de
control es 1,7 kPa (0,25 psid), la presión en el depósito 39 de
almacenamiento de gas en t_{0} es 1,7 kPa (0,25 psia) menor que
la presión en el recipiente 17 del adsorbente. La presión en el
recipiente 17 del adsorbente sube aproximadamente de forma lineal
desde t_{0} a t_{1} mientras que la presión en el depósito 39
de almacenamiento de gas sube más lentamente debido a que sólo una
parte del gas producto en la línea 29 fluye a través de la línea 37
al depósito 39.
Al tiempo t_{1} (20 segundos después de
t_{0}), cuando la presión del adsorbente alcanza 152 kPa (22
psia), finaliza la etapa de alimentación de aire y se inicia la
etapa de evacuación conectando la posición de la válvula 7 de
alimentación como se describió anteriormente. El compresor 11
comienza inmediatamente a retirar gas de evacuación del recipiente
17 del adsorbente, y la presión en él disminuye rápidamente. Poco
después del tiempo t_{1}, la presión diferencial entre el
adsorbente 17 y el depósito 39 cae rápidamente por debajo de 1,7
kPa (0,25 psid), y se detiene el flujo a través de la válvula 23 de
control. La evacuación transcurre y la presión en el adsorbente 17
continúa disminuyendo. Al mismo tiempo, el gas producto de oxígeno
final se retira del depósito 39 de almacenamiento mediante la línea
31, y la presión en el depósito disminuye lentamente.
Al tiempo t_{2} (30 segundos después de
t_{1}), finaliza la etapa de evacuación automáticamente y la
etapa de evacuación y purga combinadas comienza cuando la presión
diferencial entre el depósito 39 de almacenamiento de gas y el
adsorbente 17 excede 69 kPa (10 psid). Esto inicia el flujo de gas
producto oxígeno desde el depósito 39 a través de la válvula 43 de
control y al recipiente 17 del adsorbente, proporcionando de ese
modo gas de purga en el extremo de producto del adsorbente mientras
continúa la evacuación desde el extremo de alimentación del
adsorbente. La presión en el adsorbente 17 continúa disminuyendo,
aunque a una velocidad ligeramente menor, y la presión en el
depósito 39 de almacenamiento disminuye más rápidamente conforme
tanto el gas de purga como el gas producto final se retiran de
él.
Al tiempo t_{3} (8 segundos después de
t_{2}), el recipiente 17 del adsorbente alcanza una presión de
28 kPa (4,0 psia) y la etapa de evacuación/purga finaliza conectando
la posición de la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías, de
manera que el compresor 11 se cambia del modo de evacuación al modo
de compresión de alimentación como se describió anteriormente. Este
interruptor introduce aire de alimentación comprimido en el
extremo de alimentación del adsorbente 17, mientras que el gas
producto continúa fluyendo desde el depósito 39 de almacenamiento
al adsorbente, proporcionando de ese modo represurización en los
dos extremos del adsorbente. Esta etapa continúa conforme la
presión en el adsorbente aumenta y la presión en el depósito de
almacenamiento de gas disminuye.
Al tiempo t_{4} (4 segundos después de
t_{3}), finaliza automáticamente la etapa de represurización en
los dos extremos y comienza la etapa de represurización de la
alimentación cuando la presión diferencial entre el depósito 39 de
almacenamiento de gas y el adsorbente 17 cae por debajo de 69 kPa
(10 psid). Esto finaliza el flujo de gas producto oxígeno desde el
depósito 39 a través de la válvula 43 de control y al recipiente
17 del adsorbente conforme se cierra la válvula 43 de control, y la
represurización de alimentación transcurre hasta que la presión del
adsorbente alcanza la presión inicial de alimentación de 117 kPa
(17,0 psia). La presión en el depósito 39 de almacenamiento
continúa disminuyendo, pero a una velocidad ligeramente menor,
conforme se continúa retirando gas producto de oxígeno final a
través de la línea 31. Al tiempo t_{f} (6 segundos después de
t_{4}) la presión diferencial entre el adsorbente 17 y el
depósito 39 excede 1,7 kPa (0,25 psid), y comienza el flujo a
través de la válvula 23 de control. En este punto, el ciclo se
repite comenzando con la etapa de alimentación de aire.
Aunque las duraciones y presiones específicas de
las etapas del ciclo se describen en este Ejemplo, se pueden usar
otras duraciones y presiones de las etapas del ciclo dependiendo de
la velocidad de producción y pureza del producto deseadas, tamaño
del adsorbente, temperatura ambiente, y tipo de adsorbente. Las
duraciones y presiones relativas en los segmentos principales del
ciclo PSA en la Fig. 2, es decir, la etapa de alimentación de aire
(t_{0}-t_{1}), las etapas de evacuación
(t_{1}-t_{3}) y las etapas de represurización
(t_{3}-t_{f}) se controlan mediante los tiempos
de conexión de la válvula 7 de cuatro lumbreras y dos vías. La
duración relativa de la etapa de evacuación
(t_{1}-t_{2}), la etapa de evacuación y purga
(t_{2}-t_{3}), la etapa de represurización en
los dos extremos (t_{3}-t_{4}) y la etapa de
represurización del producto (t_{4}-t_{f}) se
controlan seleccionando las presiones diferenciales a las que se
abren las válvulas 23 y 43 de control. Por ejemplo, seleccionando
un valor mayor de esta presión diferencial para la válvula 43 de
control se alargaría la etapa de evacuación y la etapa de
represurización del producto, y se acortaría la etapa de
represurización en los dos extremos y la etapa de evacuación y
purga. A la inversa, seleccionando un valor menor de esta presión
diferencial para la válvula 43 de control se acortaría la etapa de
evacuación y la etapa de represurización del producto, y se
alargaría la etapa de represurización en los dos extremos y la
etapa de evacuación y purga.
El procedimiento descrito anteriormente se lleva
a cabo en un sistema simple que utiliza una única válvula de
cuatro lumbreras y dos vías para controlar el flujo de gas entre un
recipiente del adsorbente y un compresor, y el compresor se usa
para la introducción del gas de alimentación en el adsorbente y la
evacuación del gas del adsorbente. El control del flujo de gas en
cualquier dirección entre el recipiente del adsorbente y el
depósito de almacenamiento de gas producto se realiza
automáticamente mediante dos válvulas de control instaladas en
paralelo entre el recipiente y el depósito. De este modo, el sistema
actúa con sólo dos accionadores mecánicos - uno para hacer
funcionar la válvula de cuatro lumbreras y dos vías y uno para
hacer funcionar el compresor. Las válvulas de control entre el
adsorbente y el depósito de almacenamiento de gas se activan
directa y automáticamente por la presión diferencial de gas entre
el depósito del adsorbente y el de almacenamiento. El diseño del
presente sistema PSA reduce así el coste de capital y aumenta la
fiabilidad de funcionamiento cuando se compara con sistemas
anteriores que requieren la apertura y cierre controlados
mecánicamente de numerosas válvulas para dirigir el flujo de gas
durante las diversas etapas PSA.
Debido a que sólo se requiere una válvula de
accionamiento y un compresor, el sistema PSA es simple y compacto.
La única válvula de cuatro lumbreras y dos vías se controla mediante
un simple temporizador que en combinación con las válvulas de
control elimina la necesidad de un microprocesador más complejo
para controlar el ciclo.
El uso de válvulas de control se puede aplicar
para controlar el flujo de gas entre los recipientes que sufren
cambios de presión cíclicos en cualquier otro tipo de procedimiento
PSA, y no se limita al ciclo específico PSA de lecho único
descrito anteriormente. Además, se puede usar el método en otros
procedimientos en los que debe controlarse el flujo de gas entre
los recipientes que sufren cambios cíclicos de presión.
Las características esenciales de la presente
invención se describen completamente en la descripción precedente.
Un experto en la técnica puede comprender la invención y hacer
diversas modificaciones sin desviarse del alcance de las
reivindicaciones que siguen.
Claims (13)
1. Un método para controlar el flujo de
gas entre un recipiente del adsorbente y un recipiente de
almacenamiento de gas de un procedimiento de adsorción por cambio de
presión para la separación de un gas de alimentación presurizado
que contiene al menos un componente capaz de adsorberse más
fuertemente y al menos un componente capaz de adsorberse menos
fuertemente, procedimiento que comprende las etapas de:
(i) introducir el gas de alimentación presurizado
a una presión de alimentación en el extremo de alimentación del
recipiente del adsorbente que contiene un adsorbente sólido que
adsorbe preferentemente el (los) componente(s)
capaz(ces) de adsorberse más fuertemente, retirando del
extremo de producto del recipiente del adsorbente un gas efluente
del adsorbente enriquecido en el (los) componente(s)
capaz(ces) de adsorberse menos fuertemente, e introduciendo
al menos una parte de gas efluente del adsorbente en el recipiente
de almacenamiento de gas;
(ii) terminar la introducción del gas de
alimentación presurizado en el recipiente del adsorbente y
despresurizar el recipiente del adsorbente evacuando el gas del
extremo de alimentación del recipiente del adsorbente;
(iii) terminar la evacuación del gas procedente
del extremo de alimentación del recipiente del adsorbente y volver
a presurizar el recipiente del adsorbente desde una presión de
adsorbente mínima a una presión intermedia introduciendo gas de
alimentación presurizado en el extremo de alimentación del
recipiente del adsorbente mientras se continúa introduciendo gas
efluente del adsorbente almacenado procedente del recipiente de
almacenamiento de gas en el extremo de producto del recipiente del
adsorbente;
(iv) volver a presurizar adicionalmente el
recipiente del adsorbente a la presión de alimentación continuando
la introducción de gas de alimentación presurizado en el extremo de
alimentación del recipiente del adsorbente; y
(v) repetir las etapas (i) a (iv) de manera
cíclica,
caracterizado porque:
dicha evacuación del gas procedente del extremo
de alimentación del recipiente del adsorbente durante la etapa
(ii) primero (etapa (ii.a)) es sin introducción de gas efluente del
adsorbente almacenado en el recipiente del adsorbente y durante
cuya etapa (ii.a) hay un periodo de paso de flujo no abierto entre
el recipiente del adsorbente y el recipiente de almacenamiento de
gas y se continua después (etapa (ii.b)) mientras se introduce
simultáneamente gas efluente del adsorbente almacenado procedente
del recipiente de almacenamiento de gas en el extremo de producto
del recipiente del adsorbente hasta que la presión en el recipiente
del adsorbente alcanza la presión del adsorbente mínima;
y porque el que el flujo de gas entre el
recipiente del adsorbente y el recipiente de almacenamiento de gas
se controla mediante la diferencia de presión entre dichos
recipientes, mediante lo cual:
- siempre que la presión en el recipiente del adsorbente sea mayor que aquella en el recipiente de almacenamiento de gas en una presión diferencial igual a o mayor que una primera presión diferencial predeterminada, el gas automáticamente fluye desde el recipiente del adsorbente al recipiente de almacenamiento de gas;
- siempre que la presión en el recipiente de almacenamiento de gas sea mayor que aquella en el recipiente del adsorbente en una presión diferencial igual a o mayor que una segunda presión diferencial predeterminada, el gas automáticamente fluye desde el recipiente de almacenamiento de gas al recipiente del adsorbente, y
- siempre que no haya diferencia de presión entre dichos recipientes, la presión en el recipiente del adsorbente es mayor que aquella en el recipiente de almacenamiento de gas en menos que la primera presión diferencial, o/y la presión en el recipiente de almacenamiento de gas es mayor que aquella en el recipiente del adsorbente en menos que la segunda presión diferencial, no hay flujo de gas en cualquier dirección entre los recipientes.
2. Un método según la reivindicación 1,
en el que el flujo de gas desde el recipiente del adsorbente al
recipiente de almacenamiento de gas se controla mediante una primera
válvula de control instalada en la comunicación de flujos entre
dichos recipientes, y en el que la primera válvula de control se
abre con la primera presión diferencial para permitir el flujo de
gas a o por encima de la primera presión diferencial.
3. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el flujo de gas desde el
recipiente de almacenamiento de gas al recipiente del adsorbente se
controla mediante una segunda válvula de control instalada en la
comunicación de flujos entre dichos recipientes, y en el que la
segunda válvula de control se abre con la segunda presión
diferencial para permitir el flujo de gas a o por encima de la
segunda presión diferencial.
4. Un método según la reivindicación 3,
en el que la primera y segunda válvulas de control se instalan en
paralelo entre el recipiente del adsorbente y el recipiente de
almacenamiento de gas.
5. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que una parte del gas efluente
del adsorbente enriquecido en el (los) componente(s)
capaz(ces) de adsorberse menos fuertemente se retira como
un gas producto durante la etapa (i).
6. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que una parte del gas efluente
del adsorbente almacenado enriquecido en el (los)
componente(s) capaz(ces) de adsorberse menos
fuertemente se retira del recipiente de almacenamiento de gas como
un gas producto durante la etapa (i).
7. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que una parte del gas efluente
del adsorbente almacenado procedente del recipiente de
almacenamiento de gas se retira como un gas producto durante las
etapas (ii), (iii), y (iv).
8. Un sistema para controlar el flujo de
gas entre un recipiente (17) del adsorbente y un recipiente (39)
de almacenamiento de gas, por un método según la reivindicación 1,
sistema que comprende:
(a) una primera válvula (23) de control instalada
en la comunicación de flujos entre el recipiente (17) del
adsorbente y el recipiente (39) de almacenamiento de gas y que se
abre con la primera presión diferencial para permitir al gas fluir
automáticamente desde el recipiente del adsorbente al recipiente de
almacenamiento de gas siempre que la presión en el recipiente del
adsorbente sea mayor que aquella en el recipiente de almacenamiento
de gas en una presión diferencial igual a o mayor que la primera
presión diferencial predeterminada;
(b) una segunda válvula (43) de control instalada
en la comunicación de flujos entre el recipiente (39) de
almacenamiento de gas y el recipiente (17) del adsorbente y que se
abre con la segunda presión diferencial para permitir al gas fluir
automáticamente desde el recipiente de almacenamiento de gas al
recipiente del adsorbente siempre que la presión en el recipiente
de almacenamiento de gas sea mayor que aquella en el recipiente
del adsorbente en una presión diferencial igual a o mayor que la
segunda presión diferencial predeterminada;
(c) tuberías (21, 19 & 25, 29, 37) que
conectan la entrada de la primera válvula (23) de control al
recipiente (17) del adsorbente y la salida de la primera válvula
(23) de control al recipiente (39) de almacenamiento de gas;
(d) tuberías (41, 29, 37 & 45, 19) que
conectan la entrada de la segunda válvula (43) de control al
recipiente (39) de almacenamiento de gas y la salida de la segunda
válvula (43) de control al recipiente (17) del adsorbente;
(e) un recipiente (49) adicional de
almacenamiento de gas;
(f) una tercera válvula (53) de control instalada
en la comunicación de flujos entre el recipiente (47) de
almacenamiento de gas y el recipiente (49) adicional de
almacenamiento de gas; y
(g) tuberías (51, 55) que conectan la entrada de
la tercera válvula (53) de control al recipiente (47) de
almacenamiento de gas y la salida de la tercera válvula (53) de
control al recipiente (49) adicional de almacenamiento de gas para
permitir el flujo de gas desde el recipiente (47) de almacenamiento
de gas al recipiente (49) adicional de almacenamiento de gas.
9. Un sistema para controlar el flujo de
gas entre el recipiente (17) del adsorbente y el recipiente (39)
de almacenamiento de gas, por un método según la reivindicación 1,
sistema que comprende:
(a) una primera válvula (23) de control instalada
en la comunicación de flujos entre el recipiente (17) del
adsorbente y el recipiente (39) de almacenamiento de gas y que se
abre con la primera presión diferencial para permitir al gas fluir
automáticamente desde el recipiente del adsorbente al recipiente de
almacenamiento de gas siempre que la presión en el recipiente del
adsorbente sea mayor que aquella en el recipiente de almacenamiento
de gas en una presión diferencial igual a o mayor que la primera
presión diferencial predeterminada;
(b) una segunda válvula (43) de control instalada
en la comunicación de flujos entre el recipiente (39) de
almacenamiento de gas y el recipiente (17) del adsorbente, y que se
abre con la segunda presión diferencial para permitir al gas fluir
automáticamente desde el recipiente de almacenamiento de gas al
recipiente del adsorbente siempre que la presión en el recipiente
de almacenamiento de gas sea mayor que aquella en el recipiente
del adsorbente en una presión diferencial igual a o mayor que la
segunda presión diferencial predeterminada;
(c) tuberías (21, 19 & 25, 29, 37) que
conectan la entrada de la primera válvula (23) de control al
recipiente (17) del adsorbente y la salida de la primera válvula
(23) de control al recipiente (39) de almacenamiento de gas;
(d) tuberías (41, 29, 37 & 45, 19) que
conectan la entrada de la segunda válvula (43) de control al
recipiente (39) de almacenamiento de gas y la salida de la segunda
válvula (43) de control al recipiente (17) del adsorbente;
(e) un recipiente (49) adicional de
almacenamiento de gas;
(f) una tercera válvula (53) de control instalada
en la comunicación de flujos entre la primera válvula (23) de
control y el recipiente (49) adicional de almacenamiento de gas;
y
(g) tuberías que conectan la entrada de la
tercera válvula (53) de control a la primera válvula (23) de
control y la salida de la tercera válvula de control al recipiente
adicional de almacenamiento de gas para permitir el flujo de gas
de una parte del gas efluente del adsorbente desde la primera
válvula (23) de control al recipiente (49) adicional de
almacenamiento de gas.
10. Un sistema de adsorción por cambio de
presión para la separación de un gas de alimentación presurizado
que contiene al menos un componente capaz de adsorberse más
fuertemente y al menos un componente capaz de adsorberse menos
fuertemente, comprendiendo dicho sistema:
un recipiente (17) del adsorbente para contener
un adsorbente sólido que preferentemente adsorbe al componente
capaz de adsorberse más fuertemente;
un ("primer") depósito (39) de
almacenamiento de gas;
medios (1, 5, 7a, 7b, 9, 11, 13, 7c, 7d, 15) de
alimentación de gas presurizado para introducir un gas de
alimentación presurizado a una presión de alimentación en un extremo
de alimentación del recipiente (17) del adsorbente;
medios (19, 21, 25, 29, 37) de retirada de gas
efluente para retirar de un extremo de producto del recipiente
(17) del adsorbente un gas efluente del adsorbente enriquecido en el
componente capaz de adsorberse menos fuertemente e introducir al
menos una parte de gas efluente del adsorbente en el depósito (39)
de almacenamiento de
gas;
gas;
medios (15, 7d, 7c, 13, 11, 9, 7b, 7a, 5, 3, 1)
de evacuación de gas para despresurizar el recipiente del
adsorbente evacuando el gas desde el extremo de alimentación del
depósito (17) del adsorbente;
medios (37, 29, 45, 19) de purga de gas y
represurización para introducir gas efluente del adsorbente
almacenado procedente del depósito (39) de almacenamiento de gas en
el extremo de producto del recipiente (17) del adsorbente;
caracterizado porque dicho medio de
retirada de gas efluente comprende una válvula (23) de control que
se abre con una primera presión diferencial predeterminada para
permitir al gas efluente fluir automáticamente desde el recipiente
(17) del adsorbente al depósito (39) de almacenamiento siempre que
la presión en el recipiente (17) del adsorbente sea mayor que
aquella en el depósito (39) de almacenamiento para una presión
diferencial igual a o mayor que dicha primera presión
diferencial;
y porque dicho medio de purga de gas y
represurización comprende una segunda válvula (43) de control que
se abre con una segunda presión diferencial predeterminada para
permitir al gas efluente fluir automáticamente desde el depósito
(39) de almacenamiento al recipiente (17) del adsorbente siempre
que la presión en el depósito (39) de almacenamiento sea mayor que
aquella en el recipiente (17) del adsorbente en una presión
diferencial igual a o mayor que dicha segunda presión diferencial
predeterminada.
11. Un sistema de adsorción por cambio de
presión según la reivindicación 10, que adicionalmente
comprende:
un segundo depósito (49) de almacenamiento de
gas;
una tercera válvula (53) de control instalada en
la comunicación de flujos entre el primer depósito (47) de
almacenamiento de gas y el segundo depósito (49) de almacenamiento
de gas; y
tuberías (51, 55) que conectan la entrada de la
tercera válvula (53) de control al primer depósito (47) de
almacenamiento de gas y la salida de la tercera válvula (53) de
control al segundo depósito (49) de almacenamiento de gas para
permitir transferir una parte del gas efluente desde el primer
depósito (47) de almacenamiento de gas al segundo depósito (49) de
almacenamiento de gas; y
medios (59, 33, 35) para retirar gas del segundo
depósito (49) de almacenamiento de gas como un gas producto.
12. Un sistema de adsorción por cambio de
presión según la reivindicación 10, que adicionalmente
comprende:
un segundo depósito (49) de almacenamiento de
gas;
una tercera válvula (53) de control instalada en
la comunicación de flujos entre la primera válvula (23) de control
y el segundo depósito (49) de almacenamiento de gas; y
tuberías que conectan la entrada de la tercera
válvula (53) de control a la primera válvula (23) de control y la
salida de la tercera válvula (53) de control al segundo depósito
(49) de almacenamiento de gas para permitir la transferencia de
gas de una parte del gas efluente desde la primera válvula (23) de
control al segundo depósito (49) de almacenamiento de gas; y
medios (59, 33, 35) para retirar gas del segundo
depósito (49) de almacenamiento de gas como un gas producto.
13. Un sistema de adsorción por cambio de
presión según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en
el que dichos medios de alimentación de gas presurizado y medios de
evacuación del gas comprenden una válvula (7) común de cuatro
lumbreras y dos vías para controlar el flujo de gas entre el
recipiente (17) del adsorbente y un compresor (11) común tanto para
la introducción de gas de alimentación en el adsorbente como para
la evacuación del gas del recipiente (17) del adsorbente.
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