ES2314084T3 - Sistema de control para la recuperacion de helio. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de reciclado de gas que comprende: (a) una fuente de gas con una pureza predeterminada (28), conectada por el conducto (5) a (b) un sistema de aplicación (6) que usa dicho gas y añade contaminantes a dicho gas, conectado por los conductos (8, 9, 13, 15) a (c) un sistema de adsorción (1) para retirar dichos contaminantes de dicho gas para producir un gas purificado y un gas sobrante, (d) un analizador de la pureza del gas (100) para medir la cantidad de dichos contaminantes en dicho gas sobrante; (e) una línea (14) para reciclar dicho gas sobrante directamente de vuelta al sistema de adsorción cuando el nivel de impurezas está por debajo del punto de consigna superior; (f) una línea (21) para redirigir la mayoría de dicho gas sobrante, cuando el nivel de impurezas está por encima del punto de consigna superior, a través de la membrana (24) para producir un primer gas con cantidades reducidas de contaminantes y un segundo gas con una concentración más alta de contaminantes y de los conductos (25) para reciclar el primer gas de vuelta al sistema de adsorción hasta que se alcanza el punto de consigna de impurezas bajo, y (g) una línea (26) para retirar la corriente del segundo gas con una concentración más alta de contaminantes.
Description
Sistema de control para la recuperación de
helio.
El invento se refiere al reciclado y
purificación de corrientes de gas para aplicaciones
industriales.
El gas helio tiene el potencial de usarse en un
amplio rango de aplicaciones de fabricación. Los procedimientos de
atomización de metales, conformado por pulverización en frío,
enfriamiento y aplicaciones de gases de protección pueden
beneficiarse todas de una u otra manera de las propiedades físicas
del helio (un gas inerte con alta conductividad térmica y alta
velocidad del sonido). El principal inconveniente, sin embargo, es
su coste. La mayor parte de las aplicaciones anteriormente
mencionadas usa grandes cantidades de gas. El coste de usar helio
sería prohibitivo sin alguna forma de sistema de reciclado para el
gas usado. Los sistemas de reciclado del helio, tanto con como sin
un sistema de membranas permeables integrado, están bien
documentados en la literatura. Estos sistemas pueden configurarse
para recuperar y reciclar cantidades superiores al 95% del helio
usado por el procedimiento. Para muchas aplicaciones, esto da al
cliente una mayor flexibilidad en la cantidad de gas usado. Para
algunos clientes, se prefiere un caudal de gas mayor, pero a menudo
no es económicamente factible debido al coste del producto gas. Ya
que la recuperación para estos sistemas es alta, los costes
asociados para el helio son más bajos. Donde mayores caudales
beneficiarían el procedimiento del cliente, tienen ahora la opción
de optimizar sus operaciones sin las limitaciones económicas
presentes con otros gases o a través de los sistemas de helio.
El problema con muchos de estos sistemas es que
se han diseñado para funcionar con un sistema de estado en gran
parte. Para la mayor parte, los niveles de impureza en la entrada al
sistema de reciclado pueden predecirse e incorporarse en el diseño.
Los patrones de uso del cliente son principalmente estados
estacionarios también, con velocidades de uso previsibles.
Sin embargo, cuando un cliente tiene un patrón
de uso transitorio, acoplado con niveles variables de impurezas del
procedimiento en la corriente reciclada, el sistema requiere un
esquema de control complejo para asegurar que el sistema continúa
funcionando óptimamente y conseguir los altos niveles de
recuperación necesarios para hacer al sistema económicamente
factible. Dejando al suministro de producto fluctuar con los
patrones de uso del cliente, permite un diseño del sistema más
ajustado. Las piezas que requieren grandes inversiones en bienes de
capital tales como los recipientes de adsorción, el tamiz molecular,
los tamaños de las válvulas y líneas y los tamaños del tanque de
lastre y de compensación pueden todos minimizarse dejando al sistema
bajar en tiempos de baja retirada del cliente y subir cuando la
demanda es alta. Por otra parte, el sistema de membranas permeables
puede funcionar en su región más eficaz a través de la utilización
de una rutina de control intrincada. Esto permite recuperaciones
superiores a 95% por encima de un intervalo más amplio de los
parámetros de funcionamiento.
La integración de membranas con técnicas de
separación sin membrana es bien conocida en la técnica anterior.
El documento de patente de EE.UU. 4.238.204
resume un procedimiento de adsorción selectivo mejorado para la
recuperación de un gas ligero, tales como hidrógeno o helio, a
partir de una mezcla de gases de alimentación utilizando una unidad
de permeación de membrana, permeable selectivamente al gas ligero
que se está recogiendo. Este documento de patente no se dirige
usando el invento descrito en una aplicación transitoria en la que
la composición de la corriente de alimentación y los patrones de uso
del cliente varían con el tiempo.
El documento de patente de EE.UU. 4.717.407
propone un sistema de recuperación mejorado integrando una
separación de membranas permeables con técnicas de separación
"sin membrana". El documento de patente se refiere a
aplicaciones PSA como una de las posibles operaciones de separación
"sin membrana".
El documento de patente de EE.UU. 5.004.482
utiliza un equipo de separación de membranas en la corriente de
producto para un sistema PSA selectivo de nitrógeno u oxígeno. El
equipo de membrana sirve como un secador de gas para la corriente
de producto en lugar de aplicaciones de secado más caras. El invento
pasa gas sobrante del PSA, o alternativamente una fracción del gas
producto, a través del lado permeado de la membrana en una
dirección contracorriente al caudal de la corriente retenida para
aumentar la eficacia de la transmisión de H_{2}O a través del
límite de la membrana.
El documento de patente de EE.UU. 5.207.806
describe un método para la generación del
co-producto integrando un sistema PSA con una
membrana.
El documento de patente de EE.UU. 5.354.547
describe un procedimiento para la recuperación de hidrógeno usando
una combinación de sistemas PSA y de membrana para corrientes tales
como las generadas por un reactor de reformado de
vapor-metano.
El documento de patente de EE.UU. 5.632.803
detalla un procedimiento para producir una corriente de producto
helio a purezas superiores al 98,0% del material de alimentación que
contiene en alguna parte de 0,5 a 5,0% de helio. El procedimiento
utiliza un equipo de separación de membrana con una alta
permeabilidad para el helio como un separador de primera etapa. La
corriente permeada enriquecida con helio se envía después a equipos
PSA de segunda y tercera etapa para un refinado adicional. El gas
sobrante del equipo PSA de segunda etapa puede reciclarse de nuevo
opcionalmente a la corriente de alimentación al equipo de membrana o
a la entrada del equipo de separación PSA de primera etapa.
El documento de patente de EE.UU. 5.077.029
utiliza un sistema de control de membrana/deoxo y un procedimiento
para la producción de nitrógeno de alta pureza. El aire de
alimentación se procesa en un equipo de separación (o
alternativamente un PSA) de membrana. La corriente de nitrógeno
bruta de este equipo contendrá aproximadamente 1-3%
de oxígeno. El gas hidrógeno se introduce un tiempo en esta
corriente bruta en su camino al equipo deoxo.
El documento de patente
EP-A-0601601 describe un sistema y
un método para recuperar helio usando PSA, en el que el gas
sobrante se redirige tanto a la entrada del PSA como se ventila.
Opcionalmente, el gas se purifica además por etapas de membrana.
Mientras que los sistemas integrados PSA/membrana han sido bien
documentados en la bibliografía para múltiples aplicaciones de
separación de gas, poco se ha publicado en el tema de esquemas de
control que optimizan la operación del sistema sobre un amplio
intervalo de parámetros de entrada y salida. Los sistemas pueden
diseñarse con capacidad en exceso suficiente para cumplir cualquier
demanda previsible en el sistema y solo funcionar a veces en modo
"rechazo" cuando no se necesita una capacidad extra. Sin
embargo, el capital en exceso requerido para construir un sistema
sobredimensionado hace esta opción menos viable. La eficacia óptima
del sistema puede realizarse solo si todos los componentes del
sistema se diseñan o funcionan en un punto específico. Por otra
parte, los sistemas integrados para el reciclado de una corriente de
gas usada de una aplicación tales como atomización de metales y
horno de plasma tienen puntos de diseño flotantes. Esto quiere
decir que deben funcionar igualmente bien por encima de un amplio
intervalo de volúmenes de suministro y niveles de impureza de la
corriente reciclada. Es difícil diseñar un sistema que funcionará a
una alta velocidad de recuperación consecuentemente cuando las
condiciones de diseño están en un estado constante de flujo. Cada
hora, los cambios en el consumo de helio del cliente y los
procedimientos discontinuos únicos individuales, pueden esperarse
ambos para introducir cantidades muy diferentes de impurezas de la
corriente en la corriente de helio reciclada. Estas variaciones
pueden crear rápidamente producto fuera de especificaciones si el
sistema no se diseña para manejarlo.
\vskip1.000000\baselineskip
Es por lo tanto, un objetivo del invento
proporcionar un sistema de control para un sistema de reciclado de
gas que recicla gas contaminado para una aplicación tal que la
recuperación de tal gas es mayor que 55%, preferentemente mayor que
95%. Cuando el gas es helio, el procedimiento y el sistema del
invento es capaz de purificar el helio a una pureza de 99,999% en
volumen a las recuperaciones mencionadas anteriormente.
\vskip1.000000\baselineskip
El presente invento se refiere a un sistema que
recupera gas helio de un procedimiento del cliente, retira los
contaminantes del procedimiento y devuelve el helio recuperado a la
línea de suministro de los clientes, a recuperaciones mayores que
55%, preferentemente 95%. Esto proporciona un cliente con mayor
flexibilidad en la velocidad de uso del gas helio y reduce
drásticamente de otra manera el coste prohibitivamente alto de usar
helio para tal procedimiento.
En una realización del invento, el sistema de
reciclado del gas comprende:
a) una fuente de gas con una pureza
predeterminada de un componente deseado;
b) un sistema de aplicación que usa dicho gas y
añade contaminantes a dicho gas;
c) un sistema de adsorción para retirar dichos
contaminantes de dicho gas para producir un gas purificado de dicho
componente deseado y un gas sobrante (que contiene el componente
deseado), en el que dicho sistema de adsorción incluye un lecho
adsorbente, una entrada de gas de alimentación, una salida de gas
producto para dicho gas purificado y una salida de gas sobrante
para dicho gas sobrante;
d) un analizador de la pureza del gas adyacente
a dicha salida de gas sobrante para medir la cantidad de
contaminantes y/o el componente deseado en dicho gas sobrante;
e) conductos de gas que conectan la fuente de
gas a dicho sistema de aplicación, dicho sistema de aplicación a
dicho sistema de adsorción, dicha salida a dicho sistema de
aplicación y dicha segunda salida a dicha entrada de gas de
alimentación.
En otra realización, el sistema comprende además
una membrana conectada a la salida de gas sobrante del sistema de
adsorción.
En otra realización, la entrada de alimentación
de la membrana se conecta a la segunda salida de gas sobrante, tal
que dicho gas sobrante pasa a través de dicha membrana para producir
un gas que tiene cantidades reducidas de contaminantes y un gas que
tiene una concentración mayor de contaminantes.
En otra realización, se proporcionan conductos
para alimentar dicho gas que tiene contaminantes reducidos a la
entrada de dicho sistema de adsorción.
En otra realización, la fuente de gas que tiene
una pureza predeterminada se conecta a los conductos para alimentar
el gas que tiene contaminantes reducidos (y el componente deseado) a
la entrada del sistema de adsorción.
En otra realización, se proporcionan controles
de la presión de descarga para controlar la presión de alimentación
del gas a dicho sistema de aplicación.
En otra realización, se proporciona un
analizador de la pureza del segundo gas, que mide la pureza de dicho
gas purificado.
En otra realización, se proporcionan los
controles que cierran el conducto que conecta dicho sistema de
adsorción a dicho sistema de aplicación sobre una señal del
analizador de la pureza del segundo gas.
En otra realización, se proporciona un
analizador de la pureza del tercer gas que mide la pureza del gas
contaminado de dicho sistema de aplicación.
En otra realización, se proporciona un conducto
para ventilar el gas contaminado de dicho sistema de aplicación, en
el que el conducto de ventilación se abre tras recibir una señal de
dicho analizador de la pureza del tercer gas.
El sistema de adsorción puede ser un sistema de
adsorción oscilante de presión, un sistema de adsorción oscilante
de temperatura o una combinación de los mismos.
\vskip1.000000\baselineskip
En otra realización, se describe un
procedimiento para purificar y reciclar un gas, comprendiendo dicho
procedimiento:
a) proporcionar una fuente de gas que tiene una
pureza predeterminada de un componente deseado;
b) proporcionar dicho gas a un sistema de
aplicación que usa dicho gas y añade contaminantes a dicho gas;
c) pasar el gas contaminado a un sistema de
adsorción para retirar dichos contaminantes de dicho gas para
producir un gas purificado que tiene el componente deseado y un gas
sobrante (que tiene el componente deseado), en el que dicho sistema
de adsorción incluye un lecho adsorbente, una entrada de gas de
alimentación, una salida para dicho gas purificado y una segunda
salida para dicho gas sobrante;
d) medir la cantidad de dichos contaminantes en
dicho gas sobrante;
e) ventilar dicha salida del gas sobrante de
dicho sistema sobre una señal de un analizador de la pureza del
gas.
\vskip1.000000\baselineskip
En otra realización, el gas sobrante pasa a
través de una membrana para producir un gas que tiene cantidades
reducidas de contaminantes y un gas que tiene una concentración
mayor de contaminantes.
En otra realización, el procedimiento comprende
además pasar dicho gas que tiene contaminantes reducidos a dicho
sistema de adsorción.
En otra realización, el gas adicional de dicha
fuente de gas que tiene una pureza predeterminada se añade a dicho
gas que tiene contaminantes reducidos para compensar el gas sobrante
ventilado.
En otra realización, la pureza de dicho gas
purificado se monitoriza para asegurar que tiene sustancialmente la
misma pureza que dicho gas que tiene una pureza predeterminada.
En otra realización, el gas contaminado de dicho
sistema de aplicación, tras recibir una señal del analizador de la
pureza del tercer gas, está adyacente a la salida de dicho sistema
de aplicación.
Como se ha usado en este contexto, el término
"Aplicación" quiere decir cualquier procedimiento industrial
que usa helio u otro gas que se desee reciclar. Tales gases
incluyen, pero no se limitan a dióxido de carbono, hidrógeno,
argón, neón, kriptón, xenón, metano, así como componentes del aire
tales como oxígeno y nitrógeno. En general, la metodología de
control del invento se aplica a cualquier procedimiento de
purificación de gas, reclamación/reciclado que utiliza tecnología
de adsorción y/o de membrana.
Otros objetivos, características y ventajas
sucederán para los expertos en la técnica a partir de la siguiente
descripción de una(s) realización(es)
preferida(s) y el (los) dibujo(s) que
acompaña(n), en la que:
La Fig. 1 es un diagrama de flujo del
procedimiento de una realización del invento que utiliza un equipo
de retirada de hidrógeno, un sistema PSA y un equipo de
membrana.
La Fig. 2 es un diagrama de flujo del
procedimiento que muestra una realización preferida del invento.
La Fig. 3 es un diagrama de flujo lógico de una
realización preferida del invento.
La Fig. 4 es un ejemplo de un punto de
consigna/matriz de respuesta aplicable al invento.
\vskip1.000000\baselineskip
Una limitación de los sistemas de reciclado
existentes que usan sistemas de membrana selectiva y PSA es que el
comportamiento de la membrana disminuye ya que el nivel de impurezas
en la corriente de alimentación de la membrana disminuye. Ya que
esta concentración de impurezas cae más del componente de la
corriente deseado (típicamente el permeado de la membrana) se
ventila como sobrante con la corriente retenida. Esto tiene un
efecto nocivo en el comportamiento total del sistema, ya que la
recuperación para un sistema integrado sufre. Sin embargo, esto es
un problema significativo cuando se desean altas velocidades de
recuperación para un gas particular (por ejemplo, helio).
El presente invento obtiene una alta
recuperación sostenible de helio operando siempre el equipo de
separación de membrana a un punto óptimo que depende de las
necesidades del cliente y de las condiciones del procedimiento.
Esto se consigue monitorizando continuamente la concentración de
oxígeno en la corriente de gas sobrante del PSA.
Cuando la concentración de impurezas de la
corriente sobrante del PSA está por debajo de un punto óptimo (por
ejemplo, <2,5% en moles de O_{2}), la corriente entera sobrante
se recicla de vuelta al compresor de alimentación del PSA para una
purificación adicional (menos del caudal mínimo a la membrana al
máximo rechazo). Durante este tiempo, la recuperación del gas
producto (helio) supera el 95% (y se aproxima al 100%) ya que solo
el gas producto que deja el sistema se fuga en la aplicación.
Desgraciadamente, este modo de reciclado no puede continuar
indefinidamente sin una pérdida resultante en la pureza del
producto, ya que los contaminantes acumulados deben retirarse del
sistema PSA, así que no salen a través de los lechos adsorbentes en
la corriente de producto. Purgando los contaminantes del sistema de
adsorción da como resultado una pérdida asociada de producto,
reduciendo consecuentemente la recuperación.
Según el invento, una vez que el nivel de
impureza en el lazo de reciclado aumenta al punto de consigna
preseleccionado (que es función del punto de operación óptimo para
el equipo de membrana y del diseñado para carga para los lechos
adsorbentes), las señales lógicas de control del equipo de membrana
empiezan procesando al máximo rendimiento.
Una membrana selectiva permeable al gas es capaz
de retirar grandes cantidades de contaminantes, mientras minimiza
la cantidad de pérdida de helio a ventilar durante el procedimiento.
La corriente permeada (helio) debe reciclarse de vuelta a la
aspiración del compresor de alimentación para un refinamiento
adicional y la corriente retenida, principalmente oxígeno y
nitrógeno con pequeñas cantidades de helio, se ventila como
sobrante. Siguiendo el procedimiento del invento, se retiene más
helio en el sistema, aumentando la recuperación del sistema.
La membrana debería diseñarse tal que sea capaz
de retirar impurezas del sistema más rápido que lo que las añade
una aplicación. Por lo tanto, incluso mientras continúa el
procedimiento para reciclar gas de vuelta al sistema para
purificación, la membrana reduce el nivel de impurezas total en el
sistema. Una vez que el analizador de corriente sobrante del PSA
indica que el nivel de impurezas ha caído al punto de consigna bajo,
los controles reducen el rendimiento de la membrana y la mayor
parte de la corriente sobrante se recicla una vez de nuevo
directamente al compresor de alimentación del PSA para alimentar el
PSA.
Mientras esta rutina de control monitoriza la
corriente sobrante del PSA, un analizador separado monitoriza la
corriente de producto del PSA para una condición fuera de
especificaciones. Por "fuera de especificaciones", queremos
decir que el gas no cumple las especificaciones requeridas de un
cliente.
Según nuestro invento, los controles del sistema
se diseñan para proteger la integridad del procedimiento del
cliente iniciando una respuesta para tal condición fuera de
especificaciones. Una vez que las impurezas del producto superan el
punto de consigna superior, la señal de un analizador de gas
producto sustituye la del analizador de corriente de gas sobrante
del PSA e inicia una respuesta que envía el máximo rendimiento al
equipo de membrana. Esta acción reduce significativamente las
impurezas de la corriente de alimentación que entran al PSA,
reduciendo así sustancialmente las impurezas de la corriente de
producto. Una vez que se alcanza el bajo punto de consigna para el
nivel de impurezas del producto, el control del lazo de la membrana
vuelve una vez de nuevo al analizador de la corriente de gas
sobrante del PSA. Opcionalmente, el sistema debe continuar operando
en la configuración de rendimiento máximo de la membrana durante un
periodo de tiempo para permitir al PSA "autolimpiarse". Si se
ha detectado una condición "fuera de especificaciones", puede
asumirse que el nivel superior del lecho de adsorción se ha
contaminado. Continuando operando el sistema con helio
esencialmente puro, retirará eficazmente los contaminantes en los
tramos superiores del lecho adsorbente ya que va a través de la
secuencia del ciclo. Después de un periodo de tiempo, el control del
sistema puede volver al analizador de la corriente de gas sobrante
del PSA.
Así, el presente invento emplea una metodología
de control compleja que monitoriza y ajusta continuamente el
funcionamiento del sistema para ajustarse con detalle al
comportamiento del sistema de recuperación a las necesidades de la
aplicación. Las altas recuperaciones para el sistema combinado se
consiguen monitorizando y/o ajustando los siguientes parámetros de
operación. Obsérvese que la Figura 1 es una visión general
simplificada del sistema de la Figura 2 descrito a continuación.
Los elementos comunes en las Figuras 1 y 2 se identifican con
números comu-
nes.
nes.
A. Con referencia a la Figura 1, presión de
entrada al compresor de alimentación del PSA (16) como se ha
determinado por el monitor de presión PT4 (50). Las necesidades de
caudal del producto de la aplicación se cumplen ajustando la
capacidad del compresor de alimentación del PSA para cumplir con el
caudal de gas "usado" reciclado de la aplicación.
B. Concentración de oxígeno de la corriente
sobrante del PSA como se ha determinado por el analizador de gas
AE2 (100). El sistema se ha dimensionado para manejar algún nivel
máximo de impureza. El nivel de impurezas se deja aumentar a este
umbral antes de que se emplee la membrana para retirar impurezas del
sistema. La membrana (24) puede por lo tanto, operar a una
velocidad de eliminación óptima.
C. Rendimiento del compresor de membrana como se
ha medido por el monitor (150). El compresor de membrana (22) se
llama a servicio a exactamente el tiempo en el que los niveles de
impureza de la corriente sobrante del PSA reciclada se ajusten a la
velocidad de eliminación óptima para el equipo de separación de
membrana. La cantidad de gas de la corriente sobrante del PSA
procesada en el Sistema de Membrana (400) se controla modulando la
capacidad del compresor de alimentación de membrana (22). Esto se
consigue tanto modulando la presión (de vuelta) de la corriente
retenida de la membrana, como modulando directamente el rendimiento
del compresor de membrana. Ambos tienen el mismo efecto final.
D. Presión de descarga del producto a la
aplicación como se ha medido por el monitor PT3 (200). Las pérdidas
de helio debido a las fugas y ventilación de la aplicación se
corrigen por la adición de gas de relleno al compresor de
alimentación del PSA (16).
E. Concentración de oxígeno del sistema
PSA/membrana descargó producto como se ha medido por el analizador
de gas AE1 (250). Esto es una salvaguarda para garantizar la
integridad del sistema. Debería alcanzarse el alto punto de
consigna, los controles se activan para llevar rápidamente al
producto de vuelta a las especificaciones.
F. Ventilando alguna parte de la corriente de
gas "usado" a través de la salida de ventilación (7). El
control sobre este parámetro puede ser tanto a través de un
temporizador preprogramado, como en el caso de la siguiente
discusión, como a través de la monitorización en línea de la
corriente recuperada a través de un analizador (300).
El diagrama de flujo lógico proporcionado en la
Figura 3 da una representación visual de cómo los parámetros de
control anteriormente referenciados se manipulan en el esquema de
control. La Figura 4 resume un ejemplo no limitante de los puntos
de consigna y respuestas de control asociadas. Observamos que estos
puntos de consigna y respuestas de control son dependientes del
procedimiento a ser controlado.
\vskip1.000000\baselineskip
La siguiente descripción de la metodología de
control integra la operación de siete piezas principales del
equipo:
- 1.
- Un sistema de adsorción del PSA.
- 2.
- Un sistema de membranas (que incluye un compresor de alimentación y una membrana de separación).
- 3.
- Un compresor de alimentación del PSA.
- 4.
- Un tanque de lastre de producto.
- 5.
- Un tanque de compensación sobrante.
- 6.
- Suministro de helio de relleno.
- 7.
- Aplicación.
\newpage
Hay varios modos de operación para el sistema,
con cinco modos distintos preferidos de la posible operación para
el sistema combinado que se está describiendo específicamente a
continuación. Las siguientes denominaciones de letras
A-F se refieren a lazos de control separados. Para
aumentar la complejidad, los cinco modos preferidos de operación del
sistema son (con referencia a la Figura 1):
\vskip1.000000\baselineskip
1. A + B:
En el modo más sencillo de operación, el sistema
podría operar con un lazo de control del analizador de presión de
entrada del compresor de alimentación del PSA PT4 (50) acoplado con
un analizador de la corriente sobrante del PSA AE2 (100). Cuando el
nivel de impurezas de la corriente sobrante del PSA alcanza el punto
de consigna superior predeterminado, la corriente podría desviarse
para ventilarse a la atmósfera a través de la salida de ventilación
(29). Esto retiraría las impurezas acumuladas del sistema sin la
necesidad del Sistema de Membrana. En una operación usando esta
realización, la recuperación del sistema sería inferior a la
óptima.
\vskip1.000000\baselineskip
2. A + B + C:
El siguiente modo implicaría después el uso del
Sistema de Membrana, como se ha representado por ("400"). Esta
es la configuración más básica del sistema que dará como resultado
los altos niveles de recuperación mayores del 90%. Implica pasar la
corriente sobrante del PSA a través del Sistema de Membrana (400) en
vez de ventilar para retirar las impurezas acumuladas. En este
modo, hay una reducción significativa en la cantidad de gas del
procedimiento (por ejemplo, helio) que se pierde mientras se purgan
los contaminantes acumulados.
\vskip1.000000\baselineskip
3. A + B + C + D:
Para esta configuración, se emplean controles de
la presión de descarga de producto. Las configuraciones precedentes
operarían a alguna presión de descarga fija. Incorporando los
controles de la presión de descarga del producto PT3 (200), un
cliente tiene la opción de introducir diferentes necesidades de
presión del gas de la aplicación. Debería surgir la necesidad, este
método de control proporciona la opción de descargar un suministro
de gas a una presión más alta a la aplicación.
\vskip1.000000\baselineskip
4. A + B + C + D + E:
Este modo de operación añade un analizador AE1
(250) a la línea de descarga de producto del sistema de reciclado
(2). Funciona como una salvaguarda para la aplicación. Bajo este
método de operación, el sistema de reciclado se mantiene por sí
mismo contra el gas producto fuera de especificaciones. De esta
manera, puede utilizarse un alto punto de consigna como alarma. No
se requiere este alto punto de consigna para tener el nivel máximo
de impureza que la aplicación podría tolerar. Tras alcanzar este
alto punto de consigna, el sistema puede iniciar un procedimiento
de limpie-
za que llevará al producto de vuelta a las especificaciones sin interrumpir el suministro de producto a la aplicación.
za que llevará al producto de vuelta a las especificaciones sin interrumpir el suministro de producto a la aplicación.
\vskip1.000000\baselineskip
5. A + B + C + D + E + F:
Este modo más preferido de operación incluye
todas las características de control para crear un sistema de
reciclado con una recuperación máxima del producto, flexibilidad y
facilidad de operación. En esta realización, una parte de la
corriente de gas reciclado de la aplicación puede ventilarse a
través de la línea (7) en vez de reciclarse de vuelta al sistema de
reciclado. Esta ventilación cumple dos funciones: la primera tiene
en cuenta un medio para purgar gas de baja calidad del sistema
durante la puesta en marcha. Este gas debería contener niveles de
impureza superiores a la capacidad del sistema de reciclado. La
segunda tiene en cuenta el mismo sistema a ser usado por encima de
un rango más amplio de aplicaciones. Si una aplicación particular
tiene cantidades mayores de impurezas en la corriente de gas
reciclado durante ciertas partes de una operación, pueden
utilizarse controles en esta línea de ventilación que cerrarían la
válvula (V4). La Figura lleva al sistema de reciclado y abre la
válvula para ventilar (V3 a través de la línea (7)). Después de que
la mayor parte del gas altamente contaminado se ha ventilado, las
válvulas pueden desconectarse para reanudar el flujo de gas
"usado" de vuelta al sistema de reciclado. Esta metodología de
control como se ha tratado anteriormente utiliza programadores que
se preajustan durante las operaciones de puesta en marcha. Esto es
posible ya que se conoce fácilmente cuando dejará la aplicación el
gas con mayores impurezas. Se reconoce que este sistema podría
utilizar alternativamente un analizador (200) en la corriente
recuperada que proporcionaría un lazo de realimentación de control
adicional para ventilar automáticamente el gas altamente impuro
cuando se detecta primero. Esto sería útil para aplicaciones con
niveles ampliamente variables de impurezas en la corriente de gas
"usado" que puede ser difícil de pronosticar.
Se observa que también son posibles otras
combinaciones de los elementos A-F. Por ejemplo,
pueden añadirse uno cualquiera o más de los elementos
D-F a la combinación A+B, sin C (por ejemplo, A+B+D
o A+B+D+F, etc). Alternativamente, pueden usarse uno cualquiera o
más de los elementos D-F con C (por ejemplo, A+B+C+F
o A+B+C+E, etc).
La discusión que sigue a continuación se basa en
la metodología de control nº 5 anteriormente mencionada.
Proporciona una visión general de un medio preferido para regular un
sistema de recuperación de helio, como se ha ilustrado en la Figura
1.
Con referencia a la Figura 1, se suministra gas
helio a la aplicación 6 desde un tanque de lastre de producto 4 a
través del conducto (5). Obsérvese que el suministro original de gas
(por ejemplo, helio) se proporciona desde el suministro (28) a
través del conducto (31). La aplicación introducirá cantidades
variables de impurezas de la corriente en el helio. Este helio
contaminado se retira de la aplicación como una corriente de gas
"usado". El gas usado se dirige a través de los conductos (8)
y (9) a través de un sistema de retirada de hidrógeno opcional
(30), si es necesario. En el sistema de retirada de hidrógeno
opcional (30), el gas de alimentación se pasa sobre un catalizador
(por ejemplo, un monolito de paladio) en presencia de oxígeno para
hacer agua. El gas se pasa a través de la línea (13) al compresor
de alimentación del PSA (16) y se recicla al sistema de
recuperación para limpiarlo antes de ser enviado al tanque de lastre
de producto (4) para su reutilización. Algo del gas usado
recuperado de la aplicación es demasiado rico en impurezas para el
sistema de reciclado para manejarlo, debe por lo tanto, ventilarse
como sobrante a través del conducto (7) en vez de reciclarlo. Esta
pérdida de gas en esta etapa de ventilación se sustituye con helio
del suministro (28) a través del conducto (10).
Periódicamente, los lechos adsorbentes del PSA
necesitarán regenerarse. Este procedimiento de regeneración crea
una corriente sobrante rica en helio.
Para llevar a cabo una recuperación mayor, la
corriente sobrante del PSA se recicla a través de los conductos
(18) y el tanque de compensación opcional 19, directamente de vuelta
al compresor de alimentación del PSA (16) a través de las líneas
(20, 14 y 15) cuando el nivel de impurezas es bajo. El reciclado del
gas sobrante del PSA causa las concentraciones de impurezas en esta
corriente reciclada por acumularse sobre ciclos sucesivos. En algún
punto, estas impurezas alcanzarán una concentración que excederá la
capacidad de los recipientes adsorbedores del PSA. Un analizador de
la pureza del gas AE2 (100) monitoriza la corriente sobrante para
este límite superior. Cuando se alcanza este punto de consigna
superior, la mayoría de la corriente de gas sobrante del PSA se
redirige a través de la línea (21) al compresor (22) y a la membrana
(24). La membrana retira y expulsa rápidamente las impurezas de la
corriente sobrante del PSA a través de la línea (26), enriqueciendo
la corriente sobrante reciclada (25) en el gas reciclado (por
ejemplo, helio). Cuando el analizador AE2 (100) indica que se ha
alcanzado el punto de consigna de impurezas más bajo, la capacidad
del compresor de membrana (22) se reduce y la mayoría de la
corriente de gas sobrante del PSA se dirige de nuevo a través de las
líneas (20, 14 y 15) y otros conductos al lado de la aspiración del
compresor de alimentación del PSA (16).
El sistema mantiene el paso con la demanda de la
aplicación monitorizando la presión de aspiración del compresor de
alimentación del PSA con el analizador AE2 (100). Las altas
velocidades de uso de la aplicación llevan a cantidades mayores de
helio usado en la entrada del compresor del PSA (16). Esto da como
resultado una presión de entrada más alta. La presión de entrada
más alta llevará al compresor a aumentar su capacidad en un esfuerzo
por reducir la presión de entrada. Esto genera helio adicional para
la aplicación. La presión de aspiración descendente sirve para
disminuir la capacidad del compresor, teniendo así el efecto opuesto
en el producto helio disponible. Si aumentando el rendimiento del
compresor no proporciona suficiente helio para mantener el punto de
consigna de la presión de descarga del tanque de lastre (4) medida
por el monitor de presión PT3 (200), el sistema añadirá
automáticamente gas de relleno del suministro (28) a través de las
líneas (10, 13 y 15) al compresor de alimentación del PSA. La
adición de gas servirá para aumentar adicionalmente la presión de
entrada, llevando así al compresor a aumentar adicionalmente su
capacidad, haciendo producto adicional disponible al tanque de
lastre (4). La integridad del sistema se asegura monitorizando la
pureza del producto a través de un analizador de la pureza del gas
AE1 (250). Una descripción detallada del modo preferido de
operación se explica a continuación. Se basa en los parámetros de
diseño enumerados a continuación.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Observamos que estos parámetros de diseño
variarían dependiendo del gas a ser reciclado y de las condiciones
del procedimiento.
La siguiente discusión detallada del
procedimiento de control hace referencia al equipo y número de
corrientes como se muestra en la Figura 2. Los elementos comunes
con la Figura 1 usan los mismos números de referencia. Observamos
que el término "AIC" quiere decir "controlador de las
indicaciones del analizador", el término "C" quiere decir
Lazo Lógico de Control (función comparativa), "FE" quiere decir
"Elemento de Flujo", "FIC" quiere decir "Controlador
Indicador del Flujo", "PIC" quiere decir "Controlador
Indicador de la Presión", "PT" quiere decir "Transmisor
de Presión" y "PV" quiere decir "Válvula del
Procedimiento".
El equipo PSA (1) produce gas helio a 1.273 kPa
(170,0 psig) y una pureza superior a 99,999%. El producto fluye a
PV1 a través del conducto (2). Aquí PIC1 está manteniendo el punto
de consigna de la presión de adsorción a través de la entrada desde
PT1 (350) y la modulación de PV1. PIC5 protege al sistema de la
sobrepresurización, monitorizando PT1 (350) para una condición de
alta presión. Si se alcanza el ajuste alto, la entrada desde PIC5
sustituye PIC6 a C1 y la capacidad del compresor se devuelve a la
presión como se ha indicado en PT1 (350) y vuelve al intervalo de
operación correcto. El analizador AE1 (250) monitoriza continuamente
la pureza del producto. La metodología de control se tratará con
más detalle después. Desde PV1 el gas producto se desplaza a través
del elemento de flujo FE1 y se descarga al tanque de lastre de
producto (4) a través del conducto (3). FIC1 lee la entrada de FE1
y modula PV4 el tiempo necesario para asegurar que alguna mínima
cantidad de gas esté siempre fluyendo a través del sistema. Esto se
hace para asegurar una muestra de producto reciente en el
analizador AE1 (250). Cuando FE1 indica que la necesidad mínima de
flujo se está cumpliendo, PV4 se cierra y no hay reciclado de
producto.
PIC3 controla la presión del tanque de lastre de
producto (4) (tanque de lastre) a un punto de consigna definido por
el cliente a través de C3. PIC3 modula PV3 para añadir helio de
relleno al sistema si se necesita. Si la presión del tanque de
lastre como se indica por el transmisor de presión PT3 (200) cae por
debajo del punto de consigna, se añade gas al sistema desde el
suministro (28) a través del conducto (10). La introducción de este
gas a la entrada del compresor (16) aumenta la presión de entrada.
Esta acción indica al compresor (16) que aumente su rendimiento
(capacidad), descargando así producto adicional a través de la línea
(2) al tanque de lastre (4). Una vez que la presión del tanque de
lastre vuelve al punto de consigna, el caudal de gas de relleno
termina. Todo esto se logra en una base continua a través del uso de
un lazo
proporcional-integral-derivativo
(PID). El gas producto sale del tanque de lastre (4) a través del
conducto (5) y de descarga a la aplicación (6) donde se regula
hacia abajo según las necesidades específicas. El gas que se ha
usado en la aplicación (gas "usado") se devuelve ahora al
sistema de reciclado a través de las líneas (8, 9, 13 y 15) para
purificarse y reutilizarse.
Ciertos procedimientos dentro de una aplicación
dada introducirán niveles mayores de impurezas que otros. La
válvula V3 en la línea (7) puede usarse para purgar tal gas impuro
antes de que alcance el sistema de recuperación. Esta operación se
controla con programadores preajustados y se basa en los datos del
procedimiento de la aplicación. En un ejemplo, la válvula
permanecería abierta y ventilaría gas "usado" durante un
periodo de 5,0 segundos después de que se haya apretado un botón de
habilitación que inicia el caudal de helio producto en la
aplicación.
El gas usado a ser reciclado se desplaza a
través de los conductos (8), (9), (11), (13) y (15) al lado de la
aspiración del compresor de alimentación del PSA (16). A lo largo
del camino el gas permeado (rico en helio) del equipo de membrana
entra a través del conducto (25), se proporciona cualquier gas de
relleno necesario desde el suministro (28) y entra a través de
(10), y el gas sobrante reciclado del PSA entra desde la corriente
(14). La entrada del compresor debe mantenerse a baja presión para
facilitar el reciclado del helio de la aplicación. PT4 (50)
monitoriza la presión de entrada y mantiene esta condición a través
de la modulación de la capacidad del compresor de alimentación del
PSA. PIC6 procesa la señal del PT4 (50) y aumenta o disminuye el
rendimiento del compresor a través de C1. Como se ha tratado
anteriormente, se impide la condición de sobrepresión del PSA a
través de la entrada a C1 desde PIC5. En el caso de una condición de
sobrepresión, esta señal sustituye la del PIC6 y el rendimiento del
compresor disminuye automáticamente hasta que se corrige la
condición. El compresor de alimentación (16) aumenta el gas
recuperado a la presión de adsorción requerida y lo transfiere al
equipo PSA (1) a través del conducto (17). Este gas "usado"
contiene niveles variables de impurezas que deben ser retiradas por
el PSA antes de ser reutilizado por el cliente.
Tras la terminación de la etapa de adsorción, el
equipo PSA (1) genera una corriente sobrante que contiene niveles
concentrados de los contaminantes del gas de alimentación. Esta
corriente sobrante se desplaza a través del conducto (18) a un
tanque de compensación (19). El tanque de compensación (19) mezcla
la corriente sobrante para producir un perfil de impurezas más
homogéneo. El uso del tanque (19) permite también proporcionar un
caudal de gas continuo a la membrana (24). El conducto (20) contiene
típicamente una corriente de gas con concentraciones de impurezas en
el intervalo de 1,0 a 2,5%.
El analizador AE2 (100) monitoriza esta
corriente y compara el nivel de impurezas en los puntos de consigna
en el control lógico a través de AIC2. Si el nivel de impurezas es
menor que 2,5%, por ejemplo, la mayoría de la corriente sobrante se
recicla directamente de vuelta al lado de la aspiración del
compresor de alimentación del PSA (16) a través del conducto (14).
Un pequeño porcentaje de la corriente se desplaza a través del
conducto (21) al compresor de membrana (22). Este mínimo caudal
representa el rendimiento de rechazo total al compresor de
membrana
(22).
(22).
Cuando el sistema está en operación, algo de
caudal de gas nominal debe mantenerse a través del compresor (22)
para permitir al equipo de membrana permanecer en espera. A niveles
de baja concentración de impurezas, la cantidad de helio que se
espera se pierda en relación a la corriente retenida es nominal ya
que el rendimiento de rechazo del compresor de membrana es
aproximadamente el 20% de la capacidad total. La corriente permeada
rica en helio resultante (25) ayuda en el comportamiento del sistema
diluyendo los contaminantes en la corriente sobrante.
Ya que el sistema PSA (1) recicla continuamente
gas sobrante de vuelta al compresor de alimentación del PSA (16),
acumula impurezas de la corriente. El nivel de impurezas alcanzará
regularmente el punto de consigna más alto, en cuyo punto se vuelve
necesario retirar estas impurezas acumuladas del sistema PSA. Una
vez que el analizador AE2 (100) indica que los contaminantes de la
corriente sobrante del PSA han alcanzado o excedido el punto de
consigna alto (por ejemplo, 2,5%), AIC2 envía un nuevo punto de
consigna a PIC2 a través de C2. Este punto de consigna sustituirá
todas las otras entradas a C2 proporcionadas por la pureza del
producto, como se indica por el analizador AE1 (250) cumple las
especificaciones requeridas. PIC2 modula ahora PV2 para mantener la
contrapresión del sistema de membrana a la presión más baja,
aproximadamente 1.239 KPa (165,0 psig). En este ajuste, el
compresor de membrana (22) está a la máxima capacidad. Esta
capacidad representará la mayoría de la corriente sobrante del PSA
desde el conducto (20), con el gas sobrante que continúa
reciclándose directamente de vuelta al compresor de alimentación
(16) a través del conducto (14). Aunque la membrana no puede ser
capaz de procesar la corriente sobrante del PSA total, debería
diseñarse tal que retirará las impurezas de la corriente en
cantidades mayores que la velocidad a la que el procedimiento del
cliente las añade. El compresor de membrana (22) transfiere gas a
aproximadamente 1.239 KPa (165,0 psig) al equipo de membrana (24) a
través del conducto (23). La membrana (24) se dimensiona
preferentemente para expulsar oxígeno y nitrógeno en relaciones
aproximadamente iguales a las encontradas en el aire. La cantidad
total expulsada es una función de la concentración de la corriente
de alimentación. La corriente retenida se desplaza a través del
conducto (24) a la válvula PV2. PV2 controla la contrapresión del
sistema de membrana proporcionando el mecanismo para modular el
rendimiento de la membrana. La corriente retenida se ventila a la
atmósfera a través del conducto (27).
La corriente permeada a baja presión, ahora
enriquecida en helio, se recicla de vuelta al compresor de
alimentación del PSA (16) a través de los conductos (25). Este gas
se mezcla con el gas usado recuperado en el conducto (8) de la
aplicación (6) antes de volver al compresor del PSA (16) a través
del conducto (15). El nivel de impureza en el lazo de reciclado de
la corriente sobrante del PSA (20) cae rápidamente a través de un
intervalo de banda muerta a un punto de consigna bajo (por ejemplo,
1,0%) como se indica por el analizador AE2 (100). En este punto
AIC2 reajusta el punto de consigna para PIC2 a 1.308 kPa (175,0
psig) (rechazo total). La mayoría de la corriente sobrante en el
conducto (20) se deriva una vez de nuevo el equipo de membrana y se
recicla directamente de vuelta al compresor de alimentación del PSA
(16) a través del conducto (14).
\newpage
Como se ha tratado anteriormente, el sistema es
autónomo. El gas que se pierde como retenido por el conducto (27) a
través del sistema de membrana crea una falta de gas en el compresor
(16). Otras operaciones dentro de la aplicación (6) son también
helio "de consumo". La fuga desde los procedimientos de la
aplicación y la ventilación de algo del gas "sobrante" de
impurezas mayores en V3 a través del conducto (7) son dos de tales
pérdidas. La falta de gas resultante crea una condición de baja
presión a la entrada del compresor de alimentación del PSA (16).
Esta deficiencia se indica en el monitor de presión (PT4) (50) y
PIC6 empieza a reducir la capacidad del compresor de alimentación
del PSA para llevar la presión de aspiración de vuelta al punto de
consigna. Mientras que el tanque de lastre de producto (4) está
todavía operando a su presión del punto de consigna, 1.101 kPa
(145.0 psig) por ejemplo, los controles del procedimiento asumen las
pérdidas de gas no son suficientemente significativas para
garantizar la adición de gas de relleno de la fuente (28). PIC6
simplemente mantiene el rendimiento del compresor de alimentación
del PSA a su capacidad más baja para mantener el punto de consigna
de la aspiración. La cantidad de producto que se genera después
también disminuye. Si la aplicación tiene necesidad de producto
adicional, esto indicará al sistema a través de la presión del
tanque de lastre como se ha indicado en el monitor de presión PT3
(200). Una vez que la presión del tanque cae por debajo del punto
de consigna, la necesidad de gas de relleno se reconoce y PIC3
empieza a modular PV3 para cumplir con la demanda. Con la adición
de este gas, la presión de entrada del compresor de alimentación del
PSA aumenta por encima del punto de consigna y PIC6 aumenta la
capacidad del compresor para compensarlo. El producto adicional está
disponible para la aplicación. PIC3 modula continuamente PV3 para
proporcionar un suministro continuo de producto a la presión del
punto de consigna.
La integridad del sistema se mantiene
monitorizando continuamente la pureza de la corriente de producto.
Bajo un funcionamiento normal, la entrada desde AIC2 y el
analizador AE2 (100) que monitoriza la corriente sobrante del PSA
en el conducto (20), el nivel de impurezas debería evitar una
condición fuera de especificaciones desde que sucede. Sin embargo,
se reconoce que por encima de un periodo de tiempo ampliado son
posibles hechos tal como una parte de adsorción por arrastre en los
lechos de adsorción o un error del operador que lleva a la
introducción de impurezas más allá de la capacidad de los sistemas.
AIC1 compara la salida del analizador AE1 (250) para valores del
punto de consigna altos y bajos. Cuando la corriente está operando
por debajo del punto de consigna alto, PV2 se deja operar en modo
"normal". El perfil de impurezas de la corriente sobrante del
PSA gobierna la cantidad de gas sobrante del PSA procesado por la
membrana. Cuando se detecta una condición fuera de especificaciones
por AIC1, por ejemplo el nivel de pureza del producto ha caído a
98,5% de helio, AIC1 responde sustituyendo la entrada desde AIC2 a
C2. El punto de consigna para PIC2 disminuye aproximadamente 170
kPa (10,0 psig) a 1.239 kPa (165,0 psig) y el equipo de membrana
empieza a procesar al máximo rendimiento. Procesando el gas de la
corriente sobrante del PSA y pasando más helio puro a través del
sistema PSA el nivel de impureza en el producto se lleva
rápidamente a revisión. Una vez que el analizador AE1 (250) indica
que las impurezas has alcanzado o caído por debajo del punto de
consigna bajo, el control sobre el equipo de membrana vuelve a
AIC2. El ajuste de la contrapresión cambia, de vuelta a 1.308 kPa
(175,0 psig) y el equipo está operando de nuevo en modo de
rechazo.
Esta metodología de control no se limita al
reciclado del gas helio. La metodología puede ser exactamente como
se ha aplicado fácilmente para los procedimientos de reciclado para
el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono o cualquier
otro gas.
\vskip1.000000\baselineskip
Pueden incluirse otras aplicaciones del helio
que podrían beneficiarse de un sistema de reciclado que emplea la
metodología de control como se resume aquí:
\vskip1.000000\baselineskip
El alto punto de consigna de la presión de
adsorción del PSA como se ha indicado por PT1 (350) y controlado a
través de PIC5, puede ser cualquier valor y podría determinarse por
un experto en la técnica dependiendo del criterio de las
operaciones.
La presión de descarga del producto como se ha
indicado por el monitor (200) puede ser cualquier valor. Este punto
de consigna se gobernaría por los requerimientos específicos de un
cliente.
El punto de consigna de la presión de descarga
del producto como se ha indicado por el monitor PT3 (200) podría
ser también una coma flotante o un intervalo de "banda muerta"
de presiones aceptables. Esto debe permitir al sistema funcionar
más adecuadamente impidiendo las cuestiones de tiempo muerto entre
la entrada y la respuesta que podría causar al sistema sobrepasar
y/o no llegar continuamente al punto de operación fijado como
objetivo.
El punto de consigna de la presión de adsorción
del PSA como se ha indicado por el monitor PT4 (50) podría ser
cualquier valor y podría determinarse por un experto en la técnica
dependiendo del criterio de las operaciones.
Los puntos de consigna alto y bajo de la alarma
como se ha indicado por el analizador de gas AE1 (250) pueden
ajustarse a cualquier valor dependiendo de los requerimientos
específicos de un cliente.
La cantidad de caudal de producto recirculado
como se ha indicado por FE1 y controlado por FIC1, puede ser
cualquier valor y podría determinarse por un experto en la técnica
dependiendo del criterio de las operaciones. Este lazo de
recirculación de producto podría usarse para aumentar las
capacidades de rechazo para el sistema de reciclado por
recirculación de cantidades significativas de producto helio.
El nivel de la presión de operación a mantener
en la entrada del compresor de alimentación del PSA como se ha
indicado por el monitor PT4 (50) puede ser cualquier valor y podría
determinarse por un experto en la técnica dependiendo del criterio
de las operaciones. Además, la alarma de baja presión controlada por
PIC4 puede ser cualquier valor y podría determinarse por un experto
en la técnica dependiendo del criterio de las operaciones.
La temporización de la válvula V3, que ventila
una cierta cantidad de gas reciclado del procedimiento, puede ser
controlado tanto por un temporizador, como controlado desde la
entrada del analizador. Mientras que las impurezas de la corriente
de gas reciclado exceden algún nivel de impureza mínimo permisible,
la válvula permanecería abierta y ventilaría el gas
"usado".
Los puntos de consigna de impurezas alto y bajo
según se indica por AE2 pueden ser cualquier valor y podrían
determinarse por un experto en la técnica dependiendo del criterio
de las operaciones y son dependientes de los tiempos del ciclo, de
la carga del lecho adsorbente y de las especificaciones de diseño
del equipo de membrana.
El control del rechazo de la membrana según se
gobierna por PIC2 puede utilizar cualquier intervalo de presión
diferencial para controlar el rendimiento máximo y mínimo del
equipo. Este punto de consigna es dependiente del procedimiento,
además de los detalles de diseño de la membrana y podría
determinarse por un experto en la técnica dependiendo de los
criterios de operación.
La contrapresión en el lado permeado del equipo
de separación de membrana podría usarse para controlar la pureza del
permeado.
El punto de consigna de la alarma más alta para
la pureza del producto está especificado muy bien por el cliente y
no hay necesidad de que sea el nivel máximo de impureza que el
cliente puede tolerar. De esta manera, el sistema puede iniciar una
respuesta a una condición fuera de especificaciones sin interrumpir
el suministro de producto de los clientes. Las medidas preliminares
deberían caer para llevar al producto de vuelta a las
especificaciones, puede emplearse un alto punto de consigna
secundario que alertaría primero al cliente de la situación, e
iniciaría después una respuesta más drástica a la condición. El gas
reciclado del procedimiento del cliente podría ventilarse a través
de la válvula V3 a través del conducto (7). Como resultado, el
monitor PT4 (50) indicaría una caída en la presión de aspiración
del compresor de alimentación y PIC6 respondería disminuyendo el
rendimiento (16) del compresor de alimentación del PSA. El rechazo
de la máquina causaría que la presión del tanque de lastre (4)
cayera, PT3 (200) reconocería esto como una falta de producto,
iniciando una respuesta de control a través de PIC3 para abrir el
monitor (200) y dejar más gas de relleno en el sistema. En este
punto, todo el gas del procedimiento se está suministrando al
cliente desde los tanques de reserva (28) a través del conducto
(10). El cliente estaría alerta a esta condición y se da la opción
de apagar el sistema o continuar la operación. El propósito de la
alarma superior de dos etapas es impedir una situación indeseable
en la que el cliente agota rápidamente el gas reserva de helio.
Podrían emplearse controles adicionales que
rastrearían el número de veces en un margen de tiempo dado en el
que se inicia la respuesta primaria (primera alarma superior). El
número debería exceder algún límite máximo, el sistema podría
iniciar una rutina de limpieza que forzará al equipo a funcionar con
un rendimiento completo de la membrana durante un periodo de tiempo
predeterminado. Durante este margen de tiempo, el PSA estará
procesando el material de alimentación con niveles de impureza muy
bajos. Este gas de limpieza servirá para limpiar los lechos
adsorbentes del PSA, retirando los contaminantes acumulados en los
tramos superiores del lecho adsorbente. Después de que se ha
programado la rutina de limpieza, el control sobre la membrana
volvería de nuevo a AlC2.
Para ofrecer la flexibilidad más grande en el
diseño del sistema PSA/Membrana, el sistema de membrana (24) (véase
la Figura 1) podría operar de tal manera que el sistema opere
continuamente en el modo de total capacidad (es decir, no hay
control del rechazo que lleve a la contrapresión aumentada de la
membrana o rendimiento disminuido del compresor de membrana). De
esta manera, los sistemas de membrana estándar podrían usarse para
aumentar cada vez más los sistemas combinados PSA/Reciclado de Helio
de membrana.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Como se muestra en la tabla, ya que el tamaño de
la aplicación crece, la corriente de helio reciclado también crece.
Los niveles asociados de impurezas que se rechazan también aumentan
proporcionalmente. Para rechazar los niveles de impurezas
aumentados de la corriente sobrante del PSA requiere que la membrana
funcione durante periodos de tiempo más largos a cualquier hora
dada. La membrana del mismo tamaño puede usarse por lo tanto, en un
sistema de reciclado combinado PSA/membrana hasta las limitaciones
del equipo de membrana particular. Por ejemplo, si la velocidad de
expulsión máxima para el Sistema de Membrana que se está usando para
el ejemplo descrito anteriormente es 0,063 kg/h (451,0 lb/h),
entonces podría usarse para las aplicaciones que usan
aproximadamente 0,94 m^{3}/s (2000 scfm) de helio y tendrían que
funcionar continuamente.
Los modos alternativos de operación para el
Sistema PSA/Membrana combinado incluyen también operar el Sistema
de Membrana en un modo de rendimiento algo reducido (rechazo) en una
base continua (es decir, el rendimiento siempre permanece constante
durante la operación). Esto permite flexibilidad de diseño para
cumplir cualquier aplicación específica que podría beneficiarse de
este modo de operación. Pueden usarse otros sistemas de adsorción o
purificación en lugar del PSA tales como sistemas de adsorción
oscilante térmica (TSA), membranas de sistemas PSA/TSA en
combinación o similares. Los procedimientos de adsorción incluyen
procedimientos que usan uno o más lechos operando con ciclos
subatmosféricos (VSA), transatmosféricos (VPSA) o superatmosféricos
(PSA).
El método de control utilizado en el ejemplo más
preferido controla el rendimiento del compresor de membrana
modulando la contrapresión del equipo de separación de membrana. El
compresor se diseña para proporcionar gas al equipo de membrana a
una presión diseñada. El compresor utiliza una señal de presión
desde su propia descarga como medio para modular su capacidad.
Automáticamente ajusta su rendimiento para mantener la presión de
descarga del punto de consigna. Este control de la presión de
descarga puede invalidarse usando una válvula de control en la
corriente retenida de la membrana. El compresor se diseña para
descargar gas a la membrana a 1239 kPa (165,0 psia). Forzando la
presión de descarga a 1308 kPa (175,0 psig), el compresor disminuye
su capacidad tanto como es capaz en un intento de llevar esta
presión de nuevo al punto de diseño de 1239 kPa (165,0 psig). Esto
no puede hacerse así ya que la presión se está controlando por medio
de su control del exterior. El resultado es que con tal que el
compresor vea 1308 kPa (175,0 psig) en su descarga, continuará
operando en este modo de rechazo.
También es posible controlar el rendimiento del
compresor enviando una señal directamente a la válvula de
regulación del compresor de la misma manera que estamos controlando
el compresor de alimentación del PSA. Bajo este modo de operación
puede mantenerse una contrapresión constante en el equipo de
membrana por medio de algún otro medio (lazo PID con una válvula de
control, regulador de contrapresión u otros) y el rendimiento del
Sistema de Membrana se modularía aumentando o disminuyendo
directamente la capacidad del compresor de Membrana.
La expresión "que comprende" se usa en este
contexto con el significado "que incluye pero no se limita a",
es decir, como especificando la presencia de características
establecidas, números enteros, etapas o componentes como se refiere
en las reivindicaciones, pero que no excluye la presencia o adición
de una o más de otras características, números enteros, etapas,
componentes o grupos de los mismos.
Claims (8)
1. Un sistema de reciclado de gas que
comprende:
(a) una fuente de gas con una pureza
predeterminada (28), conectada por el conducto (5) a
(b) un sistema de aplicación (6) que usa dicho
gas y añade contaminantes a dicho gas, conectado por los conductos
(8, 9, 13, 15) a
(c) un sistema de adsorción (1) para retirar
dichos contaminantes de dicho gas para producir un gas purificado y
un gas sobrante,
(d) un analizador de la pureza del gas (100)
para medir la cantidad de dichos contaminantes en dicho gas
sobrante;
(e) una línea (14) para reciclar dicho gas
sobrante directamente de vuelta al sistema de adsorción cuando el
nivel de impurezas está por debajo del punto de consigna
superior;
(f) una línea (21) para redirigir la mayoría de
dicho gas sobrante, cuando el nivel de impurezas está por encima
del punto de consigna superior, a través de la membrana (24) para
producir un primer gas con cantidades reducidas de contaminantes y
un segundo gas con una concentración más alta de contaminantes y de
los conductos (25) para reciclar el primer gas de vuelta al sistema
de adsorción hasta que se alcanza el punto de consigna de impurezas
bajo, y
(g) una línea (26) para retirar la corriente del
segundo gas con una concentración más alta de contaminantes.
2. El sistema de la reivindicación 1, que
comprende además controles de la presión de descarga (200) para
controlar la presión de alimentación del gas a dicho sistema de
aplicación y dicho gas es helio.
3. El sistema de la reivindicación 1, que
comprende además un analizador de la pureza del segundo gas (250)
que mide la pureza de dicho gas purificado y controles que cierran
los conductos (2, 5) para conectar dicho sistema de adsorción a
dicho sistema de aplicación sobre una señal de dicho analizador de
la pureza del segundo gas (250).
4. El sistema de la reivindicación 1, que
comprende además un analizador de la pureza del tercer gas (300)
que mide la pureza del gas contaminado de dicho sistema de
aplicación (6) y una línea (7) que ventila el gas contaminante de
dicho sistema de aplicación (6) tras recibir una señal de dicho
analizador de la pureza del tercer gas (300).
5. Un procedimiento para purificar y reciclar un
gas, comprendiendo dicho procedimiento:
(a) proporcionar una fuente de gas con una
pureza predeterminada;
(b) proporcionar dicho gas a un sistema de
aplicación que usa dicho gas y añade contaminantes a dicho gas;
(c) pasar el gas contaminado a un sistema de
adsorción (1) para retirar dichos contaminantes de dicho gas para
producir un gas purificado y un gas sobrante;
(d) medir la cantidad de dichos contaminantes en
dicho gas sobrante;
(e) reciclar dicho gas sobrante directamente de
vuelta al sistema de adsorción cuando el nivel de impurezas está
por debajo del punto de consigna superior;
(f) caracterizado por redirigir la
mayoría de dicho gas sobrante, cuando el nivel de impurezas está por
encima del punto de consigna superior y a través de una membrana
(24) para producir un primer gas con cantidades reducidas de
contaminantes y un segundo gas con una concentración mayor de
contaminantes y reciclar el primer gas de vuelta al sistema de
adsorción hasta que se alcanza el punto de consigna de impurezas más
bajo, y
(g) retirar la corriente del segundo gas que
tiene una concentración mayor de contaminantes.
6. El procedimiento de la reivindicación 5, que
comprende la etapa de añadir gas adicional de dicha fuente de gas
(28) con una pureza predeterminada a dicho gas con cantidades
reducidas de contaminantes para compensar al gas sobrante
ventilado.
7. El procedimiento de la reivindicación 5, que
comprende además usar controles de la presión de descarga para
controlar la presión de alimentación del gas a dicho sistema de
aplicación (6) y en el que el gas es helio.
8. El procedimiento de la reivindicación 5, que
comprende además medir la pureza de dicho gas purificado para
asegurar que tiene sustancialmente la misma pureza que dicho gas con
una pureza predeterminada.
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