ES2295503T3 - Sistema de adsorcion por cambio de presion para separacion de gas. - Google Patents
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Abstract
Proceso de adsorción por cambio de presión para la separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente mediante la adsorción selectiva de uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles en un lecho de material adsorbente que incluye las etapas de: (a) presurizar el lecho; (b) hacer pasar la mezcla de gases de alimentación a través del lecho de material adsorbente desde una superficie de entrada del lecho a una superficie de salida del lecho, en el que uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles se adsorben preferentemente por el material adsorbente, y extraer un gas agotado en uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles, que sale de la superficie de salida del lecho; (c) despresurizar el lecho extrayendo un gas enriquecido en uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles del lecho; (d) repetir todas las etapas de una manera cíclica; en el que el lecho tiene un grosor de lecho L, y un volumen de lecho Vlecho; en el que el lecho tiene una proporción deaspecto según la ecuación (1) Proporción de aspecto = L3 / Vlecho (1) en la que la proporción de aspecto para el lecho es menor de 10; y en el que el gradiente de presión medio en el lecho en (b) supera 95 Pa/cm (0, 035 psi/pulgada).
Description
Sistema de adsorción por cambio de presión para
separación de gas.
La presente invención se refiere a procesos de
adsorción por cambio de presión, a sistemas y a aparatos para la
separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente
mediante la adsorción selectiva de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles en un lecho de material adsorbente.
Las separaciones de gas por adsorción por cambio
de presión (PSA) se consiguen sometiendo a ciclos de presión
coordinados un lecho de material adsorbente que adsorbe
preferentemente uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles
presentes en la mezcla de gases de alimentación en relación a uno o
varios componentes menos fácilmente adsorbibles presentes en la
mezcla de gases de alimentación. Es decir, el lecho de material
adsorbente se pone en contacto con un suministro disponible de
mezcla de gases de alimentación. Durante los intervalos en los que
el lecho de material adsorbente está sometido al suministro
disponible de mezcla de gases de alimentación y el lecho está a una
presión de alimentación dada o por encima de la misma, se puede
extraer del lecho un suministro de gas agotado en uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles. Eventualmente, el material
adsorbente en el lecho se satura de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles y debe regenerarse. En este punto, el lecho
se aísla del suministro disponible de mezcla de gases de
alimentación y un gas enriquecido en uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles se elimina del lecho, regenerando el material
adsorbente. En algunos casos, el lecho se puede someter a una
alimentación de gas agotado para facilitar el proceso de
regeneración. Una vez que el material adsorbente se ha regenerado
suficientemente, el lecho se somete otra vez al suministro
disponible de mezcla de gases de alimentación y el gas agotado se
puede extraer de nuevo del lecho una vez que la presión en el lecho
está a una presión de alimentación dada o por encima de la misma.
Este ciclo se puede realizar repetidamente si es necesario. El
periodo de tiempo requerido para completar un ciclo de este tipo se
denomina como el "tiempo de ciclo".
La naturaleza cíclica del proceso básico de
adsorción por cambio de presión ha dado lugar al desarrollo de
sistemas multilecho que pueden proporcionar una corriente continua
de gas agotado. A modo de ejemplo, se describe en Wagner, Patente
U.S.A No. 3.430.418, un sistema ampliamente utilizado, que utiliza
cuatro lechos de adsorbente dispuestos en una relación de flujo
paralelo. Cada lecho en el sistema de cuatro lechos opera de forma
secuencial a través de un ciclo multietapa. Debido a que una
corriente de gas agotado no se puede extraer de un lecho dado de
forma continua, los cuatro lechos se disponen de modo que se pueda
extraer siempre, como mínimo, una corriente de gas agotado de uno
de los cuatro lechos.
La eficiencia de la separación de una mezcla
gaseosa conseguida utilizando un determinado sistema de adsorción
por cambio de presión depende de varios parámetros, entre los que se
incluyen la presión de alimentación, la presión de regeneración, el
tiempo de ciclo, el gradiente de presión establecido a través del
lecho, el tipo de material adsorbente así como su tamaño y forma,
las dimensiones de los lechos de adsorción, la magnitud del volumen
muerto en el sistema, la composición de la mezcla gaseosa a separar,
la uniformidad de la distribución de flujo, la temperatura del
sistema y el gradiente de temperatura establecido dentro del lecho.
Las variaciones en estos parámetros pueden influir en el coste y la
productividad de un sistema dado.
Cada sistema de adsorción por cambio de presión
contiene un volumen muerto. A efectos de explicación de este
volumen muerto, se representa en la figura 1 un sistema de adsorción
por cambio de presión convencional de dos lechos. El sistema
convencional comprende dos lechos idénticos (10) y (50) de material
adsorbente (5). Cada uno de los lechos idénticos (10) y (50) tiene:
una válvula de entrada de gas de alimentación (15) y (55),
respectivamente; una válvula de salida de gas agotado (20) y (60),
respectivamente; y una válvula de salida de gas enriquecido (25) y
(65), respectivamente. Las válvulas de salida de gas agotado (20) y
(60) están en comunicación de fluido con los conductos de salida
(21) y (61), respectivamente, y con el conducto de gas agotado (70)
del lecho. El sistema convencional comprende además un motor
primario (30) de alimentación y un motor primario (40) de escape.
El motor primario (30) de alimentación toma una mezcla de gases de
alimentación de la atmósfera o de un recipiente de almacenamiento
(no mostrado) y expele la mezcla de gases de alimentación a través
del conducto de entrada de gas de alimentación (75) que está en
comunicación de fluido con las válvulas (15) y (55) de entrada de
gas de alimentación. Las válvulas (15) y (55) de entrada de gas de
alimentación están también en comunicación de fluido con los
conductos de entrada/salida del lecho (16) y (56), respectivamente.
Las válvulas de salida (25) y (65) de gas enriquecido están en
comunicación de fluido con los conductos de entrada/salida del
lecho (16) y (56), respectivamente, y con un conducto de gas
enriquecido (80). El conducto de gas enriquecido (80) está además
en comunicación de fluido con el motor primario de escape (40).
Debe entenderse que el volumen muerto de un
sistema de adsorción por cambio de presión incluye (a) un "volumen
vacío de entrada" que es el volumen que está en comunicación de
fluido con el extremo de entrada del lecho de material adsorbente y
(b) un "volumen vacío de salida" que es el volumen que está en
comunicación de fluido con el extremo de salida del lecho de
material adsorbente. Debe entenderse que, a los propósitos de la
presente invención, para un sistema de adsorción por cambio de
presión dado, la suma del "volumen vacío de entrada" y del
"volumen vacío de salida" es el "volumen muerto total"
para el sistema de adsorción por cambio de presión dado. Además,
debe entenderse que el lecho de material adsorbente en sí mismo
contiene un "volumen de lecho vacío" que incluye los espacios
vacíos entre las partículas individuales del material adsorbente y
alrededor de las mismas o, en el caso de los adsorbentes
estructurados, de los espacios no ocupados por las partículas de
material adsorbente. Debe entenderse que, para los propósitos de la
presente invención, el "volumen muerto total" no incluye el
"volumen de lecho vacío".
Por ejemplo, en la figura 1, se indica el
"volumen vacío de entrada" (12) para el lecho del material
adsorbente (10) utilizando una línea discontinua. Asimismo, se
indica el "volumen vacío de salida" (11) para el lecho del
material adsorbente (10) utilizando una línea discontinua. Es decir,
el "volumen vacío de entrada" (12) es el volumen que está en
comunicación con el extremo de entrada del lecho de material
adsorbente (10). Por lo tanto, en el sistema de adsorción por
cambio de presión representado en la figura 1, es la suma del
volumen de (a) el conducto de entrada/salida (16) entre el lecho
(10) y el lado del lecho de las válvulas de entrada de gas de
alimentación (15) y de las válvulas de salida de gas enriquecido
(25) y (b) el espacio libre de entrada (13), el espacio libre de
entrada puede contener un sistema de distribución de flujo y/o
medios de confinamiento para sostener el material adsorbente dentro
del lecho. De forma similar, el "volumen vacío de salida" (11)
es el volumen que está en comunicación con el extremo de salida del
lecho de material adsorbente (10). Por lo tanto, en el sistema de
adsorción por cambio de presión representado en la figura 1, es la
suma del volumen de (a) el conducto de salida (21) entre el lecho
(10) y el lado del lecho de la válvula de salida de gas agotado
(20) y (b) el espacio de salida libre (14), por ejemplo, el espacio
requerido por los medios de confinamiento para conservar el
material adsorbente dentro del lecho y reducir el potencial de
fluidización del material adsorbente.
Todo sistema de adsorción por cambio de presión
contiene un cierto volumen muerto. No obstante, se entienden
fácilmente por los expertos en la materia las ventajas de reducir el
tamaño del volumen muerto. Entre tales ventajas se incluyen una
mejora en la recuperación y la productividad. Sin embargo, el
reconocimiento de las ventajas de reducir el volumen muerto total
de un sistema de adsorción por cambio de presión, es bastante
distinto del reconocimiento de cómo efectuar una reducción en el
volumen muerto total.
Para evitar una rotura ("breakthrough")
temprana de una impureza a través del lecho, los sistemas de
adsorción convencionales incorporan un distribuidor de flujo en
comunicación de fluido con la entrada del lecho. El propósito del
distribuidor de flujo es distribuir uniformemente el flujo de gas de
alimentación a través de toda la sección transversal del lecho,
para evitar las ineficiencias causadas por tales roturas tempranas
de las impurezas. Sin embargo, los distribuidores convencionales de
flujo introducen volumen muerto en el sistema. Tal como se ha
indicado anteriormente, este volumen muerto tiende a influenciar
negativamente la eficiencia de la separación de gas.
Muchos sistemas de adsorción convencionales
utilizan una única bomba u otro tipo de motor primario convencional
para transferir una mezcla de gases de alimentación dentro del lecho
durante una parte del ciclo de adsorción y para extraer del lecho
un gas enriquecido durante otra parte del ciclo. Dado que la
dirección del flujo mediante los motores primarios convencionales
no se puede invertir rápidamente, se utiliza un sistema complejo de
válvulas para cambiar la dirección de flujo del gas relativo al
lecho. Este sistema se describe en, por ejemplo, la patente U.S.A
No. 6.156.101. El aumento en complejidad asociado a la utilización
de tales sistemas de válvulas proporciona oportunidades adicionales
para fallos del sistema.
Es bien sabido, como mínimo en teoría, que una
disminución del tiempo de ciclo para un sistema de adsorción dado
debe disminuir el requerimiento de adsorbente y debe facilitar una
reducción en el tamaño y peso total del aparato del sistema. En la
práctica, sin embargo, las disminuciones de tiempo de ciclo
introducen una gran variedad de desafíos operativos. Por ejemplo,
las disminuciones de tiempo de ciclo hacen necesaria invariablemente
una frecuencia creciente de conmutación de las válvulas, lo que
puede reducir la fiabilidad del sistema. Las válvulas requieren de
una cierta cantidad de tiempo para la transición desde una posición
a la otra. Por lo tanto, dado que el tiempo de ciclo se vuelve cada
vez más corto (es decir, aproxima los tiempos de transición para
las válvulas), se verá que la eficiencia del sistema disminuye
realmente con disminuciones adicionales de tiempo de ciclo. La
diferencia de presión entre la entrada del lecho y la salida del
lecho es otro desafío operativo para la puesta en práctica de
tiempos de ciclos disminuidos. Es decir, esta diferencia de presión
aumenta cuando el tiempo de ciclo disminuye. La importancia de esta
diferencia de presión creciente se puede paliar hasta cierto grado
utilizando un lecho que tiene un grosor de lecho relativamente
pequeño. Para los sistemas que muestran un grosor de lecho
relativamente pequeño, el gradiente de presión (diferencia de
presión dividida por el grosor del lecho) será relativamente
grande, pero la diferencia de presión será relativamente pequeña.
En teoría, el funcionamiento en este régimen de gradiente de presión
elevada es beneficioso; sin embargo, en sistemas convencionales, el
volumen muerto total tiende a ser grande en relación al volumen de
lecho (es decir, el volumen ocupado físicamente por el material
adsorbente) y el reducido grosor del lecho presenta un desafío
significativo para la distribución del flujo. Como resultado de los
desafíos asociados a la distribución de flujo y el volumen vacío,
discutidos anteriormente, los beneficios potenciales del
funcionamiento a este régimen de gradiente de presión elevada no se
han llevado a cabo completamente.
Aunque típicamente los procesos de adsorción por
cambio de presión funcionan a presiones por encima de la presión
atmosférica, algunos pueden funcionar a presiones por debajo de la
presión atmosférica durante todo el ciclo de adsorción o durante
una parte del mismo y se pueden describir como procesos de adsorción
por cambio de vacío (VSA) o de adsorción por cambio de
vacío-presión (VPSA). Para los propósitos de la
presente descripción, el término "adsorción por cambio de
presión" (PSA) se utiliza genéricamente para describir todos los
tipos de procesos de adsorción cíclicos entre los que se incluyen
los procesos de adsorción por cambio de vacío y de adsorción por
cambio de vacío-presión.
El "volumen del lecho", "volumen de
lecho" o Vlecho, tal como ésos términos se utilizan en la
presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas, es el
volumen ocupado físicamente por el material adsorbente. Para lechos
adsorbentes constituidos de partículas individuales porosas, el
volumen del lecho incluye el espacio intersticial vacío entre las
partículas adyacentes, el volumen de espacio vacío dentro de las
partículas individuales y el volumen ocupado por la parte sólida de
las partículas adsorbentes.
El "grosor de lecho", L, tal como este
término se utiliza en la presente descripción y en las
reivindicaciones adjuntas, es la distancia más corta a través del
lecho desde la superficie en la que el gas de alimentación entra en
el lecho -la "superficie de entrada"- hasta la superficie en la
que el gas agotado sale del lecho -la "superficie de
salida"-.
El "diámetro equivalente", tal como este
término se utiliza en la presente descripción y en las
reivindicaciones adjuntas, es el diámetro de una esfera que tiene
un volumen equivalente al volumen de una partícula dada.
El "diámetro equivalente promedio",
\upbar{dp}, tal como este término se utiliza en la presente
descripción y en las reivindicaciones adjuntas, es según la
ecuación siguiente,
en la que x_{i} es la
fracción en peso de partículas con diámetro equivalente
dp_{i}.
Los "litros estándar por minuto", tal como
este término se utiliza en la presente descripción y en las
reivindicaciones adjuntas, es el volumen de gas a una temperatura
de 25ºC y una presión de 1 atmósfera.
El "motor primario", tal como este término
se utiliza en la presente descripción y en las reivindicaciones
adjuntas, significa cualquier bomba, compresor, soplador o
dispositivo similar adecuado para facilitar la transferencia de un
fluido, particularmente un vapor o un gas, desde un lugar a
otro.
En una realización de la presente invención, se
da a conocer un proceso de adsorción por cambio de presión para la
separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente
que implica la adsorción selectiva de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de alimentación
multicomponente en un lecho de material adsorbente por un proceso
que incluye (a) presurizar el lecho; (b) hacer pasar la mezcla de
gases de alimentación a través del lecho desde una superficie de
entrada del lecho a una superficie de salida del lecho, en el que
uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles se adsorben
preferentemente por el material adsorbente, y extraer un gas
agotado en uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles, que
sale desde la superficie de salida del lecho; (c) despresurizar el
lecho extrayendo un gas enriquecido en uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles del lecho; (d) repetir (a) - (c) de una
manera cíclica.
En un aspecto de la realización de la presente
invención, el lecho tiene un grosor de lecho, L, y un volumen de
lecho, Vlecho; en el que el lecho tiene una proporción de aspecto
según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto =
L^{3}/Vlecho
en el que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de
0,125; y en el que el gradiente de presión medio en el lecho en (b)
supera 95 Pa/cm (0,035 psi/pulgada), supera 135,8 Pa/cm (0,05
psi/pulgada), supera 1358 Pa/cm (0,5 psi/pulgada), o supera 2712
Pa/cm (1
psi/pulgada).
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, la mezcla de gases de alimentación es aire y el
gas agotado contiene oxígeno en una concentración, como mínimo, del
70% molar, como mínimo, el 80% molar, o como mínimo, el 90%
molar.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el gas agotado contiene hidrógeno en una
concentración, como mínimo, del 80% molar, como mínimo, el 95%
molar, o como mínimo, el 99% molar.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, la velocidad de producción para el gas agotado
está entre 0,5 y 10 litros estándar por minuto, entre 0,5 y 5 litros
estándar por minuto, o entre 1 y 3 litros estándar por minuto.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, cada repetición de (a) a (c) define un ciclo
con un tiempo de ciclo de 30 segundos o inferior, menor de 15
segundos, menor de 6 segundos, o menor de 1 segundo.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho contiene partículas adsorbentes con un
diámetro equivalente medio menor de 1,0 mm, menor de 0,5 mm, o menor
de 0,1 mm.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho puede contener adsorbente estructurado.
Por ejemplo, el lecho puede contener los adsorbentes estructurados
seleccionados del grupo de monolitos, laminados, gasas, y otros
soportes adsorbentes.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho muestra un factor de vacío según la
ecuación (2) menor de 0,2, menor de 0,1, o menor de 0,05,
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y
Vlecho es el volumen del
lecho.
En otra realización de la presente invención, se
da a conocer un proceso de adsorción por cambio de presión para la
separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente
que implica la adsorción selectiva de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de alimentación
multicomponente en un lecho de material adsorbente que tiene una
superficie de entrada y una superficie de salida por un proceso que
incluye (a) presurizar el lecho; (b) hacer pasar la mezcla de gases
de alimentación a través del lecho, en el que uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles se adsorben preferentemente
por el material adsorbente, y retirar un gas agotado en uno o
varios componentes más fácilmente adsorbidos, que sale del lecho;
(c) detener la extracción de gas agotado del lecho y detener la
alimentación de la mezcla de gases de alimentación al lecho; (d)
despresurizar el lecho extrayendo un gas enriquecido en uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles del lecho; (e) alimentar una
parte del gas agotado al lecho para facilitar la extracción de uno
varios componentes más fácilmente adsorbibles del material
adsorbente, (f) repetir las operaciones (a) - (e) de una manera
cíclica; en el que uno o varios componentes más fácilmente
adsorbibles se adsorben preferentemente por el material adsorbente
a la presión de alimentación, en el que el lecho tiene un grosor de
lecho, L, y un volumen de lecho, Vlecho; en el que el lecho tiene
una proporción de aspecto según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto =
L^{3}/Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de
0,125; y en el que el gradiente de presión medio en el lecho en (b)
supera 95 Pa/cm (0,035 psi/pulgada), supera 135,8 Pa/cm (0,05
psi/pulgada), supera 1358 Pa/cm (0,5 psi/pulgada), o supera 2712
Pa/cm (1
psi/pulgada).
En un aspecto de esta realización de la presente
invención, cada repetición de (a) a (e) define un ciclo con un
tiempo de ciclo de 30 segundos o menor, menor de 15 segundos, menor
de 6 segundos, o menor de 1 segundo.
En otra realización de la presente invención, se
da a conocer un sistema de adsorción por cambio de presión para la
separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente
que implica la adsorción selectiva de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de alimentación
multicomponente en un lecho de material adsorbente que incluye: (a)
como mínimo, un lecho de material adsorbente, en el que el material
adsorbente adsorbe más fuertemente uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles y en el que el lecho o lechos tienen, como
mínimo, una superficie de entrada y, como mínimo, una superficie de
salida; (b) como mínimo, un motor primario que suministra la mezcla
de gases de alimentación multicomponente al sistema de adsorción
por cambio de presión; y (c) un conjunto de válvulas en comunicación
de fluido con, como mínimo, una entrada; en la que las válvulas
conmutan de una posición de abierto a cerrado en 1 segundo o menos,
menos de 0,1 segundos, o menos de 0,01 segundos.
En un aspecto de esta realización de la presente
invención el lecho o lechos muestran un grosor de lecho L, y un
volumen de lecho Vlecho; en el que el lecho o lechos tienen una
proporción de aspecto según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto =
L^{3}/Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para el lecho o lechos es menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o
menor de
0,125.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho o lechos muestran un factor de vacío
según la ecuación (2) menor de 0,2, menor de 0,1, o menor de
0,05,
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en el que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y el
Vlecho es el volumen de
lecho.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el conjunto de válvulas contiene, como mínimo,
4 válvulas individuales, como mínimo, 20 válvulas o, como mínimo,
100 válvulas.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, se seleccionan las válvulas en el conjunto de
válvulas entre válvulas piezoeléctricas, válvulas de la aleación con
memoria de forma, válvulas electrostáticas, válvulas bimetálicas,
válvulas termoneumáticas y válvulas electromagnéticas.
En otra realización de la presente invención, se
da a conocer un sistema de adsorción por cambio de presión para la
separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente
que implica la adsorción selectiva de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de alimentación
multicomponente en un lecho de material adsorbente que incluye: (a)
como mínimo, un lecho de material adsorbente, en el que el material
adsorbente adsorbe más fuertemente uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles y en el que el lecho o lechos tienen, como
mínimo, una superficie de entrada y, como mínimo, una superficie de
salida; y (b) como mínimo, un conjunto de motores primarios en
comunicación de fluido con la superficie o superficies de entrada;
en el que el flujo a través del conjunto o conjuntos de motores
primarios se puede iniciar o detener en menos de 2 segundos, menos
de 0,5 segundos, o menos de 0,1 segundos.
En un aspecto de esta realización de la presente
invención el lecho o lechos tienen un grosor de lecho, L, y un
volumen de lecho, Vlecho; en el que el lecho o lechos tienen una
proporción de aspecto según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto =
L^{3}/Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de
0,125.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho o lechos muestran un factor de vacío
según la ecuación (2) menor de 0,2, menor de 0,1, o menor de
0,05,
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en el que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y el
Vlecho es el volumen de
lecho.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el sistema de adsorción por cambio de presión
puede incluir además un conjunto o conjuntos de motores primarios de
escape en comunicación de fluido con la superficie o superficies de
salida del lecho.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención el conjunto o conjuntos de motores primarios
contiene: un conjunto de motores primarios de alimentación en
comunicación de fluido con la superficie o superficies de entrada
del lecho o lechos, en el que el conjunto de motores primarios de
alimentación funciona para alimentar la mezcla de gases de
alimentación al, como mínimo, un lecho; y un conjunto de motores
primarios de escape en comunicación de fluido con la superficie o
superficies de entrada del lecho o lechos, en el que el conjunto de
motores primarios de escape funciona para extraer un gas enriquecido
desde el lecho o lechos.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención el conjunto o conjuntos de motores primarios
funciona para transferir la mezcla de gases de alimentación al, como
mínimo, un lecho durante la etapa de alimentación del gas de
alimentación y funciona para extraer un gas enriquecido del lecho
durante la etapa de regeneración.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, cada conjunto de motores primarios contiene,
como mínimo, 4 motores primarios individuales, como mínimo, 20
motores primarios individuales o, como mínimo, 100 motores
primarios individuales.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, los motores primarios individuales en el
conjunto o conjuntos de motores primarios deben ser capaces de
iniciar o de detener el flujo de gas a través de los mismos en 2
segundos o menos, menos de 0,5 segundos, o menos de 0,1 segundos e
incluyen, pero no constituyen de ningún modo limitación, bombas
piezoeléctricas, bombas termoneumáticas, bombas electrostáticas,
bombas ultrasónicas, bombas de electro-ósmosis, bombas
electrohidrodinámicas, bombas electromagnéticas, bombas rotatorias,
bombas de aleación con memoria de forma, bombas bimetálicas, bombas
de diafragma, bombas de paletas rotatorias, bombas de espiral,
bombas de solenoide, bombas accionadas por un motor de pasos, bombas
de pistón, bombas lineales. En un aspecto particular de esta
realización, entre los motores primarios individuales en el conjunto
o conjuntos de motores primarios se incluyen bombas
microelectromecánicas (MEM) seleccionadas de bombas MEM
piezoeléctricas, bombas MEM termoneumáticas, bombas MEM
electrostáticas, bombas MEM electromagnéticas, bombas MEM
ultrasónicas, bombas MEM de electro-ósmosis, bombas MEM de diafragma
y bombas MEM electrohidrodinámicas.
En otra realización de la presente invención, se
da a conocer un aparato para la adsorción por cambio de presión de
una mezcla de gases de alimentación multicomponente mediante la
adsorción selectiva de uno o varios componentes más fácilmente
adsorbibles en un material adsorbente que incluye: (a) un lecho de
material adsorbente con, como mínimo, una superficie de entrada y,
como mínimo, una superficie de salida; en el que el material
adsorbente adsorbe más fuertemente uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles; y (b) como mínimo, un conjunto de válvulas
en comunicación de fluido con la superficie o superficies de
entrada; en el que las válvulas conmutan de una posición de abierto
a cerrado en 1 segundo o menos, menos de 0,1 segundos, o menos de
0,01 segundos.
En un aspecto de esta realización de la presente
invención, el lecho o lechos tienen un grosor de lecho L, y un
volumen de lecho, Vlecho; en el que el lecho o lechos tienen una
proporción de aspecto según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto =
L^{3}/Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de
0,125.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho o lechos muestra un factor de vacío
según la ecuación (2) menor de 0,2, menor de 0,1, o menor de
0,05,
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y
Vlecho es el volumen de
lecho.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho o lechos muestran una geometría
seleccionada del grupo que comprende un cilindro con una sección
circular, un cilindro con una sección no circular, un
paralelepípedo rectangular, o la región anular entre dos cilindros
coaxiales.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el aparato se diseña y se calibra para ser
llevado por un individuo.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el aparato se diseña para proporcionar oxígeno
para propósitos médicos.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el aparato se diseña para proporcionar hidrógeno
para su utilización en una pila de combustible.
En otra realización de la presente invención, se
da a conocer un aparato para la adsorción por cambio de presión de
una mezcla de gases de alimentación multicomponente mediante la
adsorción selectiva de uno o varios componentes más fácilmente
adsorbibles en un material adsorbente, que incluye: (a) un lecho de
material adsorbente con, como mínimo, una superficie de entrada y,
como mínimo, una superficie de salida; en el que el material
adsorbente adsorbe más fuertemente uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles; y (b) un conjunto o conjuntos de motores
primarios en comunicación de fluido con la superficie o superficies
de entrada; en el que el flujo a través del conjunto o conjuntos de
motores primarios se puede iniciar o detener en menos de 2 segundos,
menos de 0,5 segundos, o menos de 0,1 segundos.
En un aspecto de esta realización de la presente
invención el lecho o lechos muestran un grosor de lecho L, y un
volumen de lecho Vlecho; en el que el lecho o lechos tienen una
proporción de aspecto según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para como mínimo un lecho es menor de 10, menor de 5, menor de 0,25,
o menor de
0,125.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el lecho o lechos muestran un factor de vacío
según la ecuación (2) menor de 0,2, menor de 0,1, o menor de
0,05,
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en el que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y el
Vlecho es el volumen de
lecho.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el aparato se diseña y se calibra para ser
llevado por un individuo.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el aparato se diseña para proporcionar oxígeno
para propósitos médicos.
En otro aspecto de esta realización de la
presente invención, el aparato se diseña para proporcionar hidrógeno
para su utilización en una pila de combustible.
Se muestra en los dibujos ciertos ejemplos de
realizaciones de la presente invención según lo preferido
actualmente. Debe entenderse que la presente invención no está
limitada a las realizaciones descritas como ejemplos, y son
posibles variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones
adjuntas.
En los dibujos,
La figura 1 es un diagrama esquemático de un
sistema de adsorción por cambio de presión convencional que ilustra
el significado del "volumen vacío de entrada" y el "volumen
vacío de salida";
La figura 2 es una vista esquemática de la
disposición de los componentes representados de un sistema de
adsorción por cambio de presión de la presente invención;
La figura 3 es una vista esquemática de la
disposición de los componentes representados de un sistema de
adsorción por cambio de presión de la presente invención;
La figura 4 es un diagrama esquemático de un
aparato de adsorción por cambio de presión de la presente invención;
y,
La figura 5 es un diagrama esquemático de otro
aparato de adsorción por cambio de presión de la presente
invención.
Las realizaciones de la presente invención se
describirán en este momento con referencia a los dibujos. Esta
descripción detallada es el modo contemplado en la actualidad de
llevar a cabo la presente invención y no se pretende que constituya
limitación. Al contrario, se hace solamente con el fin de ilustrar
los principios generales de la presente invención.
Los procesos de adsorción por cambio de presión
de la presente invención proporcionan medios dispuestos para la
separación de una mezcla de gases de alimentación multicomponente
mediante la adsorción selectiva de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles en un lecho de material adsorbente. Los
procesos de adsorción por cambio de presión de la presente
invención incluyen las siguientes operaciones de proceso, en
concreto: (a) presurización del lecho; (b) separación del gas; (c)
regeneración del lecho. Estas operaciones del proceso se repiten de
forma cíclica con un tiempo de ciclo total (es decir, el tiempo
requerido para realizar un ciclo completo de (a) a (c)) de 30
segundos o menos, menos de 15 segundos, menos de 6 segundos, o menos
de 1 segundo.
La etapa de presurización del lecho implica la
presurización del lecho. Es decir, durante esta etapa del proceso,
el material se introduce en el lecho para aumentar la presión en el
lecho hasta un ajuste de presión de alimentación dado. El material
utilizado para presurizar el lecho puede ser, por ejemplo, la mezcla
de gases de alimentación, el gas agotado o cualquier otro gas.
Generalmente, la afinidad del material adsorbente hacia uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de
alimentación depende de la presión. Por consiguiente, el ajuste de
presión de alimentación dado es una variable del proceso que se
puede modificar para ayudar a optimizar la eficiencia del proceso
de adsorción por cambio de presión.
La etapa de separación de gas implica la
introducción simultánea de la mezcla de gases de alimentación en el
lecho y la extracción de un gas agotado del lecho. El gas agotado se
puede utilizar simultáneamente para algún otro proceso u operación
después de su producción. Alternativamente, el gas agotado se puede
recoger y almacenar para una utilización posterior o transformación
adicional.
En un cierto punto, el material adsorbente en el
lecho comenzará a saturarse con uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles. En la mayoría de los casos, es preferible
detener la etapa de separación del gas antes de que el material
adsorbente en el lecho se sature con uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles. Cuando el material adsorbente se acerca a
la saturación, la probabilidad de la rotura aumenta. La rotura
("breakthrough") es un término utilizado para describir la
situación en la que la cantidad de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles que pasan a través del lecho de material
adsorbente aumenta bruscamente. Generalmente, se debe evitar la
rotura, debido a que puede conducir a una contaminación
significativa del gas agotado. Por consiguiente, la longitud de la
etapa de separación es otro parámetro de diseño que puede afectar a
la pureza y a la producción del gas agotado obtenido, así como a la
eficiencia total del proceso.
\newpage
La etapa de regeneración del lecho implica la
desorción de uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles
del material adsorbente en el lecho. Esta desorción se lleva a cabo
mediante la reducción de la presión en el lecho por debajo del
ajuste de presión de alimentación dado. Esta reducción en la presión
se puede llevar a cabo simplemente extrayendo del lecho un gas
enriquecido liberando la presión. Alternativamente, se utiliza un
motor primario para extraer el gas del lecho. También,
opcionalmente, se puede hacer pasar a través del lecho una
corriente de gas agotado o cualquier otro material para facilitar la
desorción de uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles
del material adsorbente en el lecho.
Un experto en la técnica entenderá que lechos
dimensionalmente más cortos, es decir, lechos que tienen un grosor
de lecho corto en relación al volumen total del lecho, facilitarán
un tiempo de ciclo rápido ayudando a mantener baja la diferencia de
presión a través del lecho. Los procesos de adsorción por cambio de
presión de la presente invención se pueden caracterizar por la
utilización de un lecho que tiene una proporción de aspecto menor
de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de 0,125; y un gradiente
de presión medio asociado que supera 95 Pa/cm (0,035 psi/pulgada),
supera 135,8 Pa/cm (0,05 psi/pulgada), supera 1358 Pa/cm (0,5
psi/pulgada), o supera 2712 Pa/cm (1 psi/pulgada) durante la etapa
de separación. La proporción de aspecto se puede determinar
utilizando la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que L es el grosor del lecho
y Vlecho es el volumen de
lecho.
Además, un experto en la técnica entenderá los
beneficios asociados con la minimización del volumen muerto total
para un sistema de adsorción dado. Los procesos de adsorción por
cambio de presión de la presente invención se pueden caracterizar
por la utilización de un lecho que tiene un factor de vacío menor de
0,2, menor de 0,1 o menor de 0,05, en el que el factor de vacío es
según la ecuación (2)
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en el que Vvacío es el volumen
muerto total para el sistema de adsorción por cambio de presión y
Vlecho es el volumen de
lecho.
Los materiales adsorbentes adecuados para su
utilización en la presente invención son muchos y variados. Entre
los ejemplos de materiales adsorbentes adecuados para su utilización
en la presente invención se incluyen carbón activo; adsorbentes de
tamiz molecular de carbono; alúmina activa; gel de sílice; y
zeolitas, entre las que se incluyen aquellas con estructura de tipo
A, de tipo X, de mordenita y del chabazita. Entre los ejemplos de
zeolitas adecuadas se incluyen CaA, NaX, CaX, NaA, BaX, LiX, NaLSX,
CaLSX, BaLSX, AgLSX y LiLSX. Un experto en la técnica sabría
seleccionar un material adsorbente para su utilización con una
mezcla de gases de alimentación dada y materiales de producto
deseados.
El material adsorbente contenido en los lechos
adsorbentes utilizado en la presente invención puede estar presente
en el lecho en forma de partículas individuales dispersas en el
lecho. Cuando el material adsorbente está presente en el lecho en
forma de partículas individuales dispersas, se pueden incluir
opcionalmente en el lecho varias estructuras de confinamiento para
reducir el potencial de fluidificación de las partículas
individuales. Son bien conocidos en la técnica muchos tipos de estas
estructuras de confinamiento. Por ejemplo, una estructura de
confinamiento adecuada puede ser una pantalla de malla fina colocada
encima del adsorbente con muelles utilizados para sostener la
pantalla y el adsorbente en su lugar. Entre otras estructuras de
confinamiento adecuadas se incluyen las estructuras que son
adecuadas para sistemas de escala reducida con partículas
adsorbentes pequeñas. Por ejemplo, Losey, y otros, en "Reactores
de Lecho Empaquetado Multifásicos Microfabricados; Caracterización
de la Transferencia de Masa y de las Reacciones"
(Microfabricated Multiphase Packed-Bed Reactors;
Characterization of Mass Transfer and Reactions), IND. ENG.
CHEM. RES. 2001, 40, págs. 2555-2562 y Oleschuk, y
otros, "Atrapamiento de reactivos basados en partículas dentro de
sistemas microfluídicos: extracción y electrocromatografía en fase
sólida "en chip"" (Trapping of bead-based
reagents within micro-fluidic systems:
On-chip solid-phase extraction and
electrochromatography), ANAL. CHEM.,
200, 72 (3), págs. 585-590, describen métodos adecuados para el aislamiento de lechos de partículas pequeñas.
200, 72 (3), págs. 585-590, describen métodos adecuados para el aislamiento de lechos de partículas pequeñas.
El material adsorbente puede estar presente en
el lecho en forma de un soporte adsorbente estructurado, tal como
monolitos, laminados y gasas. Wan, y otros, en "Diseño y
fabricación de microrreactores basados en zeolitas y de
microseparadores de membrana" (Design and fabrication of
zeolite-based microreactors and membrane
microseparators), MICROPOROUS AND MESOPOROUS MATERIALS, 42
(2001) págs. 157-175, describen ejemplos de métodos
adecuados para su utilización en la producción de materiales
adsorbentes estructurados.
En algunas realizaciones de la presente
invención, los materiales adsorbentes utilizados pueden tener un
diámetro equivalente medio menor de 1,0 mm, menor de 0,5 mm, o
menor de 0,1 mm.
Algunas realizaciones de la presente invención
dan a conocer procesos de adsorción por cambio de presión capaces
de proporcionar una velocidad de producción de gas agotado de entre
0,5 y 10 litros estándar por minuto, entre 0,5 y 5 litros estándar
por minuto, o entre 1 y 3 litros estándar por minuto.
Los procesos de adsorción por cambio de presión
de la presente invención son adecuados para la utilización con una
amplia variedad de mezclas de gases de alimentación, para
proporcionar una variedad de gases de producto. Por ejemplo, los
procesos de adsorción por cambio de presión de la presente invención
son adecuados para su utilización con lo siguiente:
(a) la mezcla de gases de alimentación puede ser
aire atmosférico con un gas agotado producto que contiene oxígeno a
una concentración de, como mínimo, 70% molar, como mínimo, de 88 a
93% molar, o, como mínimo, 93% molar utilizando un material
adsorbente seleccionado entre adsorbentes de tamiz molecular de
carbono, y zeolitas entre las que se incluyen zeolitas con
estructura de tipo A, de tipo X, de mordenita y de chabazita (entre
los ejemplos de zeolitas específicas se incluyen CaA, NaX, CaX, NaA,
BaX, LiX, NaLSX, CaLSX, BaLSX, AgLSX y LiLSX);
(b) la mezcla de gases de alimentación puede ser
una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono,
metano y nitrógeno con un gas agotado producto que contiene
hidrógeno en una concentración de, como mínimo, 80% molar, como
mínimo, 95% molar o, como mínimo, 99% molar utilizando un material
adsorbente seleccionado entre carbón y zeolitas activas;
(c) la mezcla de gases de alimentación puede ser
aire y agua atmosféricos con un gas agotado producto que contiene
aire atmosférico seco que contiene menos del 0,5% molar de agua,
menos del 0,1% molar de agua o menos del 0,01% molar de agua,
utilizando un adsorbente seleccionado entre alúmina activa, gel de
sílice, carbón activo y zeolitas entre las que se incluyen zeolitas
con estructura de tipo A, de tipo X, de mordenita y de chabazita
(entre los ejemplos de zeolitas específicas se incluyen CaA, NaX,
CaX, NaA, BaX, LiX, NaLSX, CaLSX, BaLSX, AgLSX y LiLSX); y,
(d) la mezcla de gases de alimentación puede ser
una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y agua con un gas
agotado producto que contiene la mezcla de hidrógeno/monóxido de
carbono secos que contiene menos del 0,5% molar de agua, menos del
0,1% molar de agua o menos del 0,01% molar de agua, utilizando un
material adsorbente seleccionado entre gel de sílice, alúmina
activa, carbón activo y zeolitas entre las que se incluyen zeolitas
con estructura de tipo A, de tipo X, de mordenita y de chabazita
(entre los ejemplos de zeolitas adecuadas se incluyen CaA, NaX,
CaX, NaA, BaX, LiX, NaLSX, CaLSX, BaLSX, AgLSX y LiLSX).
En los sistemas de adsorción por cambio de
presión de la presente invención, la mezcla de gases de alimentación
multicomponente se puede alimentar desde un recipiente de
almacenamiento o desde una tubería dentro del sistema, o se puede
tomar de la atmósfera que rodea el sistema, por ejemplo, sistemas
con aire atmosférico como la mezcla de gases de alimentación. En
aquellos sistemas de la presente invención en los que la mezcla de
gases de alimentación se alimenta desde un recipiente de
almacenamiento, el recipiente de almacenamiento puede ser, por
ejemplo, un cilindro que contiene la mezcla de gases de alimentación
multicomponente a suficiente presión para proporcionar un
suministro dispuesto de gas de alimentación directamente al sistema.
Alternativamente, el sistema puede incluir además un motor primario
o un conjunto de motores primarios para transferir la mezcla de
gases de alimentación desde un recipiente de almacenamiento al
sistema.
Además, en los sistemas de adsorción por cambio
de presión de la presente invención, el gas enriquecido extraído
del sistema se puede desviar para su utilización simultánea en una
aplicación dada, se puede recoger en un recipiente de
almacenamiento para su utilización posterior, o se puede expeler
directamente a la atmósfera. Los gases enriquecidos producidos
utilizando los sistemas de adsorción por cambio de presión de la
presente invención se pueden utilizar para varias aplicaciones
entre las que se incluyen, por ejemplo, como combustible o para
proporcionar una atmósfera inerte.
Además, en los sistemas de adsorción por cambio
de presión de la presente invención, el gas agotado retirado del
sistema se puede desviar para su utilización simultánea en otro
proceso, se puede recoger en un recipiente de almacenamiento para
su utilización posterior, o se puede expeler directamente a la
atmósfera. Los gases agotados producidos utilizando los sistemas de
adsorción por cambio de presión de la presente invención se pueden
utilizar para varias aplicaciones entre las que se incluyen, por
ejemplo, como oxígeno respirable para propósitos médicos; para
oxigenar agua; para proporcionar el agente reactivo en reacciones
químicas; para proporcionar la alimentación a un sistema de
combustión; o para proporcionar hidrógeno a una pila de combustible
de membrana de intercambio de protones, a una pila de combustible
alcalina, a una pila de combustible de ácido fosfórico, a una pila
de combustible de carbonato fundido, o a una pila de combustible de
óxido sólido. Estas células de combustible pueden ser adecuadas
para aplicaciones inmóviles, aplicaciones de transporte y
aplicaciones portátiles. Se describe en la patente U.S.A No.
6.268.077 un ejemplo de una pila de combustible portátil.
La figura 2 representa un ejemplo de un sistema
de adsorción por cambio de presión de la presente invención. Los
sistemas de adsorción por cambio de presión en esta realización de
la presente invención proporcionan medios dispuestos para separar
mezclas de gases de alimentación multicomponente mediante la
adsorción selectiva de uno o varios componentes más fácilmente
adsorbibles de una mezcla de gases de alimentación en un lecho de
material adsorbente. Los sistemas de adsorción por cambio de presión
de la presente invención incluyen: (a) un lecho de material
adsorbente, en el que el material adsorbente adsorbe más fuertemente
uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles en una mezcla
de gases de alimentación multicomponente alimentada al sistema de
adsorción por cambio de presión, en el que el lecho tiene, como
mínimo, una superficie de entrada y, como mínimo, una superficie de
salida; (b) un conjunto de válvulas en comunicación de fluido con
una superficie o superficies de entrada; en la que las válvulas
conmutan de una posición de abierto a cerrado en 1 segundo o menos,
menos de 0,1 segundos, o menos de 0,01 segundos; y (c) un motor
primario o conjunto de motores primarios opcionales para
suministrar la mezcla de gases de alimentación multicomponente al
lecho.
Los sistemas de adsorción por cambio de presión
de la presente invención pueden utilizar uno o más lechos de
material adsorbente que tienen una proporción de aspecto menor de
10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de 0,125; y un gradiente de
presión medio asociado que supera 95 Pa/cm (0,035 psi/pulgada),
supera 135,8 Pa/cm (0,05 psi/pulgada), supera 1358 Pa/cm (0,5
psi/pulgada), o supera 2712 Pa/cm (1 psi/pulgada) durante la etapa
de separación. La proporción de aspecto se puede determinar
utilizando la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que L es el grosor del lecho
y Vlecho es el volumen de
lecho.
Además, los sistemas de adsorción por cambio de
presión de la presente invención pueden utilizar uno o más lechos
de adsorción que tienen un factor de vacío menor de 0,2, menor de
0,1 o menor de 0,05, en el que el factor de vacío es según la
ecuación (2)
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total del sistema de adsorción por cambio de presión y Vlecho
es el volumen de
lecho.
Los sistemas de adsorción por cambio de presión
de la presente invención pueden utilizar cualquier motor primario
convencional adecuado para su utilización en el suministro de la
mezcla de gases de alimentación multicomponente al sistema.
Alternativamente, los sistemas de adsorción por cambio de presión de
la presente invención pueden utilizar un conjunto de motores
primarios, conteniendo cada conjunto, como mínimo, 4 motores
primarios individuales, como mínimo, 20 motores primarios
individuales o, como mínimo, 100 motores primarios individuales.
Los motores primarios adecuados para su
utilización en los conjuntos de motores primarios de la presente
invención deben ser capaces de iniciar o de detener el flujo de gas
a través de ellos en 2 segundos o menos, menos de 0,5 segundos, o
menos de 0,1 segundos e incluyen, pero no constituyen de ningún modo
limitación, bombas piezoeléctricas, bombas termoneumáticas, bombas
electrostáticas, bombas ultrasónicas, bombas de electro-ósmosis,
bombas electrohidrodinámicas, bombas electromagnéticas, bombas
rotatorias, bombas de aleación con memoria de forma, bombas
bimetálicas, bombas de diafragma, bombas de paleta rotatoria,
bombas de espiral, bombas de solenoide, bombas accionadas por motor
de pasos, bombas de pistón, y bombas lineales. En algunas
realizaciones de la presente invención, entre los motores primarios
individuales en los conjuntos de motores primarios se incluyen
bombas microelectromecánicas (MEM) seleccionadas entre bombas MEM
piezoeléctricas, bombas MEM termoneumáticas, bombas MEM
electrostáticas, bombas MEM electromagnéticas, bombas MEM
ultrasónicas, bombas MEM de electro-ósmosis, bombas MEM de diafragma
y bombas MEM electrohidrodinámicas.
Los conjuntos de válvulas adecuados para su
utilización con los sistemas de adsorción por cambio de presión de
la presente invención incluyen, como mínimo, 4 válvulas
individuales, como mínimo, 20 válvulas individuales o, como mínimo,
100 válvulas individuales. Las válvulas individuales adecuadas para
su utilización en los conjuntos de válvulas de la presente
invención deben ser capaces de conmutar de una posición de abierto a
cerrado en 1 segundo o menos, menos de 1 segundo, menos de 0,1
segundos, o menos de 0,01 segundos e incluyen, pero no constituyen
de ningún modo limitación, válvulas piezoeléctricas, válvulas de
aleación de la memoria de forma, válvulas electrostáticas, válvulas
bimetálicas, válvulas termoneumáticas y válvulas electromagnéticas.
En algunas realizaciones de la presente invención, entre las
válvulas individuales utilizadas en los conjuntos de válvulas se
incluyen las válvulas microelectromecánicas (MEM) seleccionadas
entre válvulas MEM piezoeléctricas, válvulas MEM de aleación de
memoria de forma, válvulas MEM electrostáticas, válvulas MEM
bimetálicas, válvulas MEM termoneumáticas y válvulas MEM
electromagnéticas. Las válvulas utilizadas en los conjuntos de
válvulas de la presente invención pueden incluir válvulas con
dispositivos de accionamiento externos o dispositivos de
accionamiento internos. Las válvulas pueden incluir además válvulas
de retención que dependen para su funcionamiento de diferencias de
presión entre las válvulas en lugar de un dispositivo de
accionamiento controlable independiente. Todas las válvulas en un
conjunto de válvulas dado pueden trabajar al unísono.
Alternativamente, las válvulas en un conjunto de válvulas dado
pueden funcionar individualmente o en grupos. Por ejemplo, las
válvulas en un conjunto de válvulas dado pueden programarse para
funcionar de forma secuencial o pueden programarse por separado
para facilitar varios aspectos del proceso de adsorción por cambio
de presión. Por ejemplo, algunas de las válvulas en un conjunto de
válvulas dado pueden programarse para abrirse y cerrase para
facilitar el flujo del gas de alimentación al lecho de material
adsorbente mientras que otras válvulas en el conjunto pueden
programarse para facilitar la extracción del gas enriquecido del
lecho de material adsorbente.
Los conjuntos de válvulas adecuados para su
utilización en la presente invención pueden proporcionar una
multiplicidad de válvulas en una configuración paralela. Cuando
están configuradas de este modo, un conjunto de válvulas de la
presente invención se puede diseñar para suministrar un gas a un
lecho de material adsorbente o extraerlo desde el mismo,
proporcionando de este modo una función de distribución de flujo y
eliminando la necesidad de un distribuidor de flujo separado y del
volumen muerto que se asocia típicamente con el mismo. Debido a la
distribución de flujo aumentada con el mínimo volumen muerto, los
conjuntos de válvulas de la presente invención facilitan los
procesos de adsorción, tales como procesos con relaciones de aspecto
pequeñas, que hasta el momento no eran sistemas convencionales
dados prácticos.
Además, los conjuntos de válvulas adecuados para
su utilización en la presente invención proporcionan oportunidades
para un aumento en el control del flujo, que se puede conseguir
abriendo o cerrando ciertas válvulas en un conjunto dado en base a
los requerimientos del flujo en una etapa dada del proceso de
adsorción por cambio de
presión.
presión.
Además, los conjuntos de válvulas pueden
proporcionar sistemas de fiabilidad aumentada, en los que una o más
válvulas en un conjunto dado pueden fallar sin causar una
disminución significativa de la eficiencia del sistema total.
La figura 3 representa otro ejemplo de un
sistema de adsorción por cambio de presión de la presente invención.
Los sistemas de adsorción por cambio de presión de este ejemplo de
la presente invención incluyen: (a) como mínimo, un lecho de
material adsorbente, en el que el material adsorbente adsorbe más
fuertemente uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles de
una mezcla de gases de alimentación multicomponente suministrada al
sistema de adsorción por cambio de presión, en el que el lecho o
lechos tienen, como mínimo, una superficie de entrada y, como
mínimo, una superficie de salida; (b) como mínimo, un conjunto de
motores primarios en comunicación de fluido con la superficie o
superficies de entrada; (c) opcionalmente, un conjunto de válvulas
en la superficie o superficies de entrada en comunicación de fluido
con el lecho o lechos; y (d) opcionalmente, un conjunto adicional
de motores primarios en la superficie o superficies de entrada en
comunicación de fluido con el lecho o lechos para extraer un gas
enriquecido.
Los sistemas de adsorción por cambio de presión
en este ejemplo de la presente invención pueden utilizar uno o más
lechos de material adsorbente que tienen una proporción de aspecto
menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de 0,125; y un
gradiente de presión medio asociado que supera 95 Pa/cm (0,035
psi/pulgada), supera 135,8 Pa/cm (0,05 psi/pulgada), supera 1358
Pa/cm (0,5 psi/pulgada), o supera 2712 Pa/cm (1 psi/pulgada)
durante la etapa de separación. La proporción de aspecto se puede
determinar utilizando la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que es L el grosor de lecho y
Vlecho es el volumen de
lecho.
El lecho o lechos de material adsorbente,
utilizados en los sistemas de adsorción por cambio de presión de
este ejemplo de la presente invención tienen un factor de vacío
menor de 0,2, menor de 0,1 o menor de 0,05, en el que el factor de
vacío es según la ecuación (2)
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total para el sistema de adsorción por cambio de presión y
Vlecho es el volumen de
lecho.
Los conjuntos de motores primarios adecuados
para su utilización en los sistemas de adsorción por cambio de
presión de la presente invención incluyen, como mínimo, 4 motores
primarios individuales, como mínimo, 20 motores primarios
individuales o, como mínimo, 100 motores primarios individuales. Los
motores primarios individuales adecuados para su utilización en los
conjuntos de motores primarios en los sistemas de adsorción por
cambio de presión de la presente invención deben ser capaces de
iniciar o de detener el flujo de gas a través de ellos en 2
segundos o menos, menos de 0,5 segundos, o menos de 0,1 segundos e
incluyen, pero no constituyen de ningún modo limitación, bombas
piezoeléctricas, bombas termoneumáticas, bombas electrostáticas,
bombas ultrasónicas, bombas de electro-ósmosis, bombas
electrohidrodinámicas, bombas electromagnéticas, bombas rotatorias,
bombas de aleación con memoria de forma, bombas bimetálicas, bombas
de diafragma, bombas de paleta rotatoria, bombas de espiral, bombas
de solenoide, bombas accionadas por motor de pasos, bombas de
pistón, y bombas lineales. En algunas realizaciones de la presente
invención, entre los motores primarios individuales en los conjuntos
de motores primarios se incluyen bombas microelectromecánicas (MEM)
seleccionadas entre bombas MEM piezoeléctricas, bombas MEM
termoneumáticas, bombas MEM electrostáticas, bombas MEM
electromagnéticas, bombas MEM ultrasónicas, bombas MEM de
electro-ósmosis, bombas MEM de diafragma y bombas MEM
electrohidrodinámicas. Todos los motores primarios en un conjunto
de motores primarios dado pueden trabajar al unísono.
Alternativamente, los motores primarios en un conjunto de motores
primarios dado pueden funcionar individualmente o en grupos. Por
ejemplo, los motores primarios en un conjunto de motores primarios
dado se pueden programar para funcionar de forma secuencial o se
pueden programar por separado para facilitar varios aspectos del
proceso de adsorción por cambio de presión. Por ejemplo, algunos de
los motores primarios en un conjunto de motores primarios dado se
pueden programar para transferir el gas de alimentación al lecho de
material adsorbente mientras que otros motores primarios en el
conjunto se pueden programar para transferir el gas enriquecido
fuera del lecho de material adsorbente.
Los conjuntos de motores primarios adecuados
para su utilización en la presente invención pueden proporcionar
una multiplicidad de motores primarios en una configuración
paralela. Cuando están configurados de este modo, un conjunto de
motores primarios de la presente invención se puede diseñar para
suministrar un gas a un lecho de material adsorbente o extraerlo
desde el mismo, proporcionando de este modo una función de
distribución de flujo y eliminando la necesidad de un distribuidor
de flujo separado y del volumen muerto que típicamente se asocia
con el mismo. Debido a la distribución de flujo aumentada con el
mínimo volumen muerto, los conjuntos de motores primarios de la
presente invención facilitan los procesos de adsorción, tales como
procesos con relaciones de aspecto pequeñas, que hasta el momento
no eran sistemas convencionales dados prácticos.
Además, los conjuntos de motores primarios
adecuados para su utilización en la presente invención proporcionan
oportunidades para el aumento en el control de flujo, que se puede
conseguir encendiendo y deteniendo ciertos motores primarios en un
conjunto dado en base a los requerimientos de flujo en una etapa
dada del proceso de adsorción por cambio de presión.
Además, los conjuntos de motores primarios
proporcionan sistemas con fiabilidad aumentada en los que unos o
más motores primarios en un conjunto dado pueden fallar sin causar
una disminución significativa de la eficiencia del sistema
global.
Los sistemas de adsorción por cambio de presión
de este ejemplo de la presente invención pueden incluir más de un
conjunto de motores primarios. Por ejemplo, los sistemas pueden
incluir un conjunto de motores primarios de alimentación en
comunicación de fluido con la superficie o superficies de entrada
del lecho, en el que el conjunto de motores primarios de
alimentación funciona suministrando la mezcla de gases de
alimentación al lecho; y un conjunto de motores primarios de escape
en comunicación de fluido con la superficie o superficies de
entrada del lecho, en el que el conjunto de motores primarios de
escape funciona extrayendo un gas enriquecido desde el lecho.
La figura 4 proporciona un diagrama esquemático
de un aparato (100) de adsorción por cambio de presión de la
presente invención para separar una mezcla de gases de alimentación
multicomponente mediante la adsorción selectiva de uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de
alimentación en un material adsorbente. El aparato ilustrado en la
figura 4 incluye un lecho de material adsorbente (110) contenido
dentro de un cuerpo envolvente (120) del adsorbente y retenido
dentro del mismo utilizando opcionalmente placas (130) y muelles
(150) de inmovilización. El lecho del material adsorbente (110)
tiene una superficie de entrada (114) y una superficie de salida
(118). Se dispone en la superficie de salida (118) del lecho del
material adsorbente (110) un conjunto de válvulas de salida (140) de
válvulas individuales de salida (145). El conjunto de válvulas de
salida (140) está en comunicación de fluido con el volumen de
material adsorbente (110) y un volumen de almacenaje de producto
(160) e interpuesto entre los mismos. El volumen de almacenaje de
producto (160) está también en comunicación de fluido con un
conducto de producto (170) para transferir un gas agotado producto
para su utilización en algunas aplicaciones. Se dispone en la
superficie de entrada (114) del lecho de material adsorbente (110
un conjunto de válvulas de entrada (190) de válvulas individuales
de entrada (200). En la realización de la presente invención
representada en la figura 4, la mezcla de gases de alimentación se
suministra por una fuente presurizada, por ejemplo, un cilindro de
contención de gas presurizado (no mostrado).
El aparato de adsorción por cambio de presión de
la presente invención puede mostrar un factor de vacío, según la
ecuación (2), menor de 0,2, menor de 0,1 o menor de 0,05,
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y
Vlecho es el volumen de
lecho.
Los lechos de material adsorbente adecuados para
su utilización en el aparato de adsorción por cambio de presión de
la presente invención pueden tener una proporción de aspecto, según
la ecuación (1), menor de 10, menor de 5, menor de 0,25, o menor de
0,125,
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que L es el grosor del lecho
y Vlecho es el volumen de
lecho.
Los lechos de material adsorbente adecuados para
su utilización en el aparato de adsorción por cambio de presión de
la presente invención pueden tener geometrías entre las que se
incluyen, pero no constituyen de ningún modo limitación, un
cilindro con una sección transversal circular, un cilindro con una
sección transversal no circular, un paralepípedo rectangular, y la
región anular entre dos cilindros coaxiales.
Entre los materiales adsorbentes adecuados para
su utilización en el aparato de adsorción por cambio de presión de
la presente invención se incluyen, sin que constituyan limitación,
carbón activo; adsorbentes de tamiz molecular de carbono; alúmina
activa; y zeolitas, entre las que se incluyen aquellas con
estructura de tipo A, de tipo X, de mordenita y de chabazita. Entre
los ejemplos de zeolitas adecuadas se incluyen CaA, NaX, CaX, NaA,
BaX, LiX, NaLSX, CaLSX, BaLSX, AgLSX y LiLSX. Un experto en la
técnica sabría seleccionar un material adsorbente dado para su
utilización con una mezcla de gases de alimentación dada y
materiales de producto deseados.
Las válvulas adecuadas para su utilización en
los conjuntos de válvulas del aparato de adsorción por cambio de
presión de la presente invención deben ser capaces de completar un
ciclo de una posición de abierto a cerrado en 1 segundo o menos,
menos de 1 segundo, menos de 0,1 segundos, o menos de 0,01 segundos
e incluyen, pero no constituyen de ningún modo limitación, válvulas
piezoeléctricas, válvulas de aleación de memoria de forma, válvulas
electrostáticas, válvulas bimetálicas, válvulas termoneumáticas y
válvulas electromagnéticas. En algunas realizaciones de la presente
invención, entre las válvulas individuales en los conjuntos de
válvulas se incluyen válvulas microelectromecánicas (MEM)
seleccionadas entre válvulas MEM piezoeléctricas, válvulas MEM de
aleación de memoria de forma, válvulas MEM electrostáticas, válvulas
MEM bimetálicas, válvulas MEM termoneumáticas y válvulas MEM
electromagnéticas. Por ejemplo, las válvulas y los conjuntos de
válvulas adecuados para su utilización en la presente invención
incluyen conjuntos de válvulas microelectromecánicas según se
describen en Vandelli y otros, "Desarrollo de un Conjunto de
Microválvulas MEMS para el Control del Flujo de Fluido"
(Development of a MEMS Microvalve Array for Fluid Flow
Control), JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol. 7,
No. 4 (diciembre de 1998). Las válvulas utilizadas en los conjuntos
de válvulas de la presente invención pueden incluir válvulas con
dispositivos de accionamiento externos o dispositivos de
accionamiento internos. Las válvulas pueden incluir además para su
funcionamiento válvulas de retención que dependen de diferencias de
presión entre las válvulas en lugar de un dispositivo de
accionamiento controlable independiente.
La figura 5 proporciona un diagrama esquemático
de otro aparato (205) de adsorción por cambio de presión de la
presente invención, para separar una mezcla de gases de alimentación
multicomponente mediante la adsorción selectiva de uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles de la mezcla de gases de
alimentación en un material adsorbente. El aparato ilustrado en la
figura 5 incluye un lecho del material adsorbente (210) contenido
dentro de un cuerpo envolvente (220) del adsorbente y retenido
dentro del mismo utilizando opcionalmente placas (230) y muelles
(250) de inmovilización. El lecho del material adsorbente (210)
tiene una superficie de entrada (214) y una superficie de salida
(218). Se dispone en la superficie de salida (218) del lecho de
material adsorbente (210) un conjunto de válvulas de salida (240) de
válvulas de salida individuales (245). El conjunto de válvulas de
salida (240) está en comunicación de fluido con el volumen de
material adsorbente (210) y un volumen de almacenaje de producto
(260) e interpuesto entre los mismos. El volumen de almacenaje de
producto (260) está también en comunicación de fluido con un
conducto de producto (270) para transferir un gas agotado producto
para su utilización en algunas aplicaciones. Se dispone en la
superficie de entrada (214) del lecho de material adsorbente (210)
un conjunto de motores primarios de entrada (290) de motores
primarios individuales de entrada (300). En la realización de la
presente invención representada en la figura 5, la mezcla de gases
de alimentación se puede extraer de, por ejemplo, la atmósfera que
rodea al aparato (205) o desde un recipiente de almacenamiento de
gas (no mostrado).
Los motores primarios adecuados para su
utilización en los conjuntos de motores primarios del aparato de
adsorción por cambio de presión de la presente invención deben ser
capaces de iniciar o de detener el flujo de gas a través de ellos
en 2 segundos o menos, menos de 0,5 segundos, o menos de 0,1
segundos e incluyen, pero no constituyen de ningún modo limitación,
bombas piezoeléctricas, bombas termoneumáticas, bombas
electrostáticas, bombas ultrasónicas, bombas de electro-ósmosis,
bombas electrohidrodinámicas, bombas electromagnéticas, bombas
rotatorias, bombas de aleación con memoria de forma, bombas
bimetálicas, bombas de diafragma, bombas de paleta rotatoria,
bombas de espiral, bombas de solenoide, bombas accionadas por motor
de pasos, bombas de pistón, y bombas lineales. En algunas
realizaciones de la presente invención, entre los motores primarios
individuales en los conjuntos de motores primarios se incluyen
bombas microelectromecánicas (MEM) seleccionadas entre bombas MEM
piezoeléctricas, bombas MEM termoneumáticas, bombas MEM
electrostáticas, bombas MEM electromagnéticas, bombas MEM
ultrasónicas, bombas MEM de electro-ósmosis, bombas MEM de diafragma
y bombas MEM electrohidrodinámicas. Por ejemplo, los motores
primarios adecuados para su utilización en la presente invención
incluyen bombas microelectromecánicas según se describen en Maluf,
"Introducción a la ingeniería de sistemas
microelectromecánicos",
1ª edición.
1ª edición.
El aparato de adsorción por cambio de presión de
la presente invención se puede construir de manera modular. Por
ejemplo, los conjuntos de motores primarios, conjuntos de válvulas,
lechos adsorbentes, almacenaje de producto, por ejemplo, se pueden
construir como módulos microelectromecánicos individuales. La
construcción de los componentes individuales para estos módulos
para motores primarios y válvulas se describe, por ejemplo, en
Maluf, "Introducción a la ingeniería de sistemas
microelectromecánicos", págs. 147-156 y
190-192. Estos componentes individuales se pueden
unir para formar módulos del conjunto de motores primarios o del
conjunto de válvulas, por ejemplo, con los métodos descritos en
Vandelli, y otros, "Desarrollo de un Conjunto de Microválvulas
MEMS para el Control del Flujo de Fluido" (Development of a
MEMS Microvalve Array for Fluid Flow Control), JOURNAL OF
MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol. 7, No. 4 (diciembre de 1998);
Bousse, y otros, "Conjuntos de válvulas e interconexiones de alta
densidad para la conmutación de fluidos",
(High-density arrays of valves and interconnects
for fluid switching) PROC. IEEE SOLID-STATE
SENSOR AND ACTUATOR WORKSHOP, HILTON HEAD ISLAND, SC,
3-6 de junio de 1996, págs. 272-275.
A continuación, estos módulos individuales se pueden unir en una
gran variedad de configuraciones y permutaciones de los dispositivos
ilustrados en las figuras 4 y 5. Es decir, los módulos individuales
se pueden unir para formar dispositivos que tienen múltiples lechos
adsorbentes unidos en paralelo o en serie. Estos módulos
individuales se pueden unir, por ejemplo, utilizando los métodos
descritos en Mourlas, y otros, "Nuevas tecnologías de
interconexión y canalización para Microfluídica", (Novel
Interconnection and Channel Technologies for Microfluidics)
Micro Análisis Total '98, Informes del Taller de mTAS '98 en Banff,
Canadá, 13-16 de octubre de 1998, editores D. J.
Harrison y A. van de Berg, Kluwer Academic Publishers.
Las descripciones de la presente invención
tienen aplicabilidad a gran escala (velocidades de producción
superiores a 1000 litros estándar por minuto), bancos de escala
media (velocidades de producción entre 1000 y 10 litros estándar
por minuto), pequeña escala (velocidades de producción menores de 10
litros estándar por minuto) y cualquier escala entre éstas. En
algunas realizaciones, el aparato de adsorción por cambio de presión
de la presente invención se puede construir a una escala
suficientemente pequeña para permitir que el dispositivo sea
transportado por un individuo. Tales dispositivos serían útiles para
proporcionar, por ejemplo, oxígeno a un individuo para los
propósitos médicos.
Claims (29)
1. Proceso de adsorción por cambio de presión
para la separación de una mezcla de gases de alimentación
multicomponente mediante la adsorción selectiva de uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles en un lecho de material
adsorbente que incluye las etapas de:
- (a)
- presurizar el lecho;
- (b)
- hacer pasar la mezcla de gases de alimentación a través del lecho de material adsorbente desde una superficie de entrada del lecho a una superficie de salida del lecho, en el que uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles se adsorben preferentemente por el material adsorbente, y extraer un gas agotado en uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles, que sale de la superficie de salida del lecho;
- (c)
- despresurizar el lecho extrayendo un gas enriquecido en uno o varios componentes más fácilmente adsorbibles del lecho;
- (d)
- repetir todas las etapas de una manera cíclica;
en el que el lecho tiene un grosor
de lecho L, y un volumen de lecho Vlecho; en el que el lecho tiene
una proporción de aspecto según la ecuación
(1)
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10; y en el que el gradiente de presión
medio en el lecho en (b) supera 95 Pa/cm (0,035
psi/pulgada).
2. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según la reivindicación 1, en el que la mezcla de gases de
alimentación es aire y el gas agotado comprende oxígeno en una
concentración del 70% molar o superior.
3. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según la reivindicación 1, en el que el gas agotado comprende
hidrógeno en una concentración del 80% molar o superior.
4. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 2 ó 3, en el que la velocidad de
producción del gas agotado está entre 0,5 y 10 litros estándar por
minuto.
5. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el
que el lecho adsorbente comprende partículas adsorbentes con un
diámetro equivalente medio menor de 1,0 mm.
6. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el
que el lecho adsorbente comprende un adsorbente estructurado.
7. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el
que el lecho tiene un factor de vacío, según la ecuación (2), menor
de 0,2
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total en el sistema de adsorción por cambio de presión y
Vlecho es el volumen del
lecho.
8. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente las etapas
de:
detener la extracción de gas agotado del lecho y
detener la alimentación del gas de alimentación al lecho entre
dichas etapas de paso y despresurización;
y
alimentar una parte del gas agotado al lecho
para facilitar la extracción de uno o varios componentes más
fácilmente adsorbibles del material adsorbente entre dichas etapas
de despresurización y de repetición.
9. Proceso de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el
que cada repetición de todas las etapas define un ciclo con un
tiempo de ciclo de 15 segundos o menor.
\newpage
10. Sistema de adsorción por cambio de presión
para la separación de una mezcla de gases de alimentación
multicomponente mediante la adsorción selectiva de uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles en un material adsorbente
que comprende:
un lecho de material adsorbente, en el que el
material adsorbente adsorbe más fuertemente uno o varios componentes
más fácilmente adsorbibles y en el que el lecho tiene, como mínimo,
una superficie de entrada y, como mínimo, una superficie de
salida;
en el que el lecho tiene un grosor del lecho L,
y un volumen de lecho Vlecho; en el que el lecho tiene una
proporción de aspecto según la ecuación (1)
Proporción de
aspecto = L^{3} /
Vlecho
en la que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10, y que comprende además un conjunto o
conjuntos de válvulas en comunicación de fluido con, como mínimo,
una superficie de dicho lecho en el que un conjunto o conjuntos de
válvulas completan un ciclo de una posición de abierto a cerrado en
1 segundo o
menos.
11. Sistema de adsorción por cambio de presión
para la separación de una mezcla de gases de alimentación
multicomponente mediante la adsorción selectiva de uno o varios
componentes más fácilmente adsorbibles en un material adsorbente
que comprende:
un lecho de material adsorbente, en el que el
material adsorbente adsorbe más fuertemente uno o varios componentes
más fácilmente adsorbibles y en el que el lecho tiene, como mínimo,
una superficie de entrada y, como mínimo, una superficie de
salida;
en el que el lecho tiene un grosor del lecho L,
y un volumen de lecho, Vlecho; en el que el lecho tiene una
proporción de aspecto según la ecuación (1)
(1)Proporción
de aspecto = L^{3} /
Vlecho
en el que la proporción de aspecto
para el lecho es menor de 10, y que comprende además un conjunto o
conjuntos de motores primarios que suministran la mezcla de gas de
alimentación multicomponente al sistema de adsorción por cambio de
presión, en el que el flujo a través del conjunto o conjuntos de
motores primarios se puede iniciar o detener en menos de 2
segundos.
12. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según la reivindicación 10, que comprende además, como mínimo, un
conjunto de motores primarios que suministran la mezcla de gas de
alimentación multicomponente al sistema de adsorción por cambio de
presión en el que el flujo a través del conjunto o conjuntos de
motores primarios se puede iniciar o detener en menos de 2
segundos.
13. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 10 ó 12, en el que dicho conjunto o
conjuntos de válvulas se comunican con dicha superficie de entrada
de dicho lecho.
14. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 10, 12 ó 13, en el que dicho conjunto o
conjuntos de válvulas se comunican con dicha superficie de salida de
dicho lecho.
15. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12, en el que dicho conjunto o
conjuntos de motores primarios se comunican con dicha superficie de
entrada de dicho lecho.
16. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12 ó 15, en el que dicho conjunto o
conjuntos de motores primarios se comunican con dicha superficie de
salida de dicho lecho.
17. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 10-16, en
el que el lecho tiene un factor de vacío según la ecuación (2)
menor de 0,2
(2)Factor de
vacío = \frac{V \ vac\text{í}o}{Vvac\text{í}o +
Vlecho}
en la que Vvacío es el volumen
muerto total del sistema de adsorción por cambio de presión y Vlecho
es el volumen del
lecho.
18. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 10, 12, 13 ó 14, en el que el conjunto
de válvulas comprende, como mínimo, 4 válvulas individuales.
\newpage
19. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 10, 12, 13, 14 ó 18, en el que las
válvulas del conjunto de válvulas se seleccionan del grupo que
comprende válvulas piezoeléctricas, válvulas de aleación de memoria
de forma, válvulas electrostáticas, válvulas bimetálicas, válvulas
termoneumáticas y válvulas electromagnéticas.
20. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12, 15 ó 16, en el que dicho:
como mínimo, un conjunto de motores primarios se
sitúa en, como mínimo, una superficie en comunicación de fluido con
el lecho.
21. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12, 15, 16 ó 20, en el que el
conjunto o conjuntos de motores primarios comprende:
un conjunto de motores primarios de alimentación
en comunicación de fluido con la superficie o superficies de
entrada del lecho, en el que los motores primarios de alimentación
funcionan alimentando la mezcla de gases de alimentación al lecho;
y
un conjunto de motores primarios de escape en
comunicación de fluido con la superficie o superficies de entrada
del lecho, en el que los motores primarios de escape funcionan
extrayendo un gas enriquecido desde el lecho.
22. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12, 15, 16, 20 ó 21, en el que el
conjunto o conjuntos de motores primarios funcionan alimentando la
mezcla de gas de alimentación al lecho durante una etapa de
alimentación de gas de alimentación y funciona extrayendo un gas
enriquecido del lecho durante una etapa de regeneración.
23. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12, 15, 16, 20, 21 ó 22, en el que
cada conjunto de motores primarios comprende, como mínimo, 4 motores
primarios individuales.
24. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según las reivindicaciones 11, 12, 15, 16, 20, 21, 22 ó 23, en el
que los motores primarios en el conjunto o conjuntos de motores
primarios se seleccionan del grupo que comprende bombas
piezoeléctricas, bombas termoneumáticas, bombas electrostáticas,
bombas de funcionamiento ultrasónico, bombas de electro-ósmosis,
bombas de diafragma y bombas electrohidrodinámicas.
25. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 10-24, en el que el aparato se
diseña y se calibra para ser transportado por un individuo.
26. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 10-25, en
el que el aparato se diseña para proporcionar oxígeno para
propósitos médicos.
27. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 10-26, en
el que el aparato se diseña para proporcionar hidrógeno a una pila
de combustible.
28. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 11, 12, 13, 16, 20, 21,
22, 23, ó 24, que comprende, como mínimo, una bomba primaria
microelectromecánica (MEM).
29. Sistema de adsorción por cambio de presión,
según cualquiera de las reivindicaciones 11, 12, 13, 14, 18 ó 19,
que comprende un conjunto de válvulas microelectromecánicas
(MEM).
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