ES2346627B1 - Uso de un material cristalino microporoso de naturaleza zeolitica conestructura rho en tratamiento de gas natural. - Google Patents
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Abstract
Uso de un material cristalino microporoso de
naturaleza zeolítica con estructura RHO en tratamiento de gas
natural.
En la presente invención se describe el empleo
de zeolitas isoestructurales con la estructura zeolítica RHO en
procesos de adsorción y separación de los diferentes
componentes del gas natural.
componentes del gas natural.
Description
Uso de un material cristalino microporoso de
naturaleza zeolítica con estructura RHO en tratamiento de gas
natural.
La presente invención pertenece al campo técnico
de los materiales cristalinos microporosos de naturaleza zeolítica,
útiles en el tratamiento de gas natural.
La separación y purificación de gas natural
involucra fundamentalmente una etapa en las que el metano debe ser
separado del nitrógeno y de gases con propiedades ácidas, tales como
el CO_{2} y SH_{2} que le acompañan, [J. Phys. Chem. C 2008,
112, 5048-5056]. Los gases ácidos provocan problemas
de corrosión en tanques de almacenamiento de gas natural, así como
problemas de obturación de los gaseoductos empleados para su
transporte. La presencia de Nitrógeno disminuye la cantidad de calor
transportado por unidad de volumen, así como un aumento
significativo de la presión de condensación. Por ello, estos gases
deben ser eliminados de la corriente de gas natural antes de su
transporte. Actualmente, la separación del nitrógeno se realiza
mediante destilación criogénica del metano y N_{2}, por lo que
otros gases que condensan a baja temperatura deben ser previamente
eliminados. Así, el CO_{2} se elimina de la corriente del gas
natural mediante reacción química con aminas en presencia de
disolventes adecuados. Esta tecnología es la más ampliamente
utilizada hoy en día en la purificación y separación de metano a
partir de gas natural. Sin embargo, esta tecnología adolece de
numerosos inconvenientes. Por un lado, la destilación criogénica
para la eliminación de nitrógeno es extremadamente demandante desde
un punto de vista energético. Y por otro lado, la eliminación del
CO_{2} mediante captura con aminas implica que el gas natural debe
ser descomprimido, para volver a ser presurizado y poder ser de esta
forma transportado a través de gaseoductos. Todo este proceso
implica un elevado consumo energético que ha movido a numerosas
empresas a desarrollar nuevas tecnologías basadas en membranas o en
procesos de adsorción.
Se ha descrito el empleo de membranas orgánicas
densas para la separación del metano de la corriente de gas natural,
ya que el CO_{2} puede difundir a su través mientras que el metano
no lo hace. Igualmente se han descrito polímeros orgánicos de alta
densidad capaces de separar con elevada selectividad mezclas de
N_{2}/CH_{4}, pero con muy baja permeabilidad al metano.
Asimismo se ha descrito el empleo de materiales
microporosos, y particularmente zeolitas, en la adsorción selectiva
de CO_{2} en mezclas de metano/CO_{2}. Así, titanosilicatos
microporosos han sido descritos como puertas moleculares capaces de
separar metano de CO_{2} o Nitrógeno de CO_{2} [NATURE, 2001,
412, 720-723; US Pat. 6068682 (2000)] dependiendo de
las condiciones de tratamiento térmico al cual es sometido el
adsorbente. Más recientemente, se ha descrito la zeolita
ERS-7 como un material eficaz en la separación de
metano de mezclas gaseosas que contengan nitrógeno y CO_{2}
[WO2008/000380]. Esta zeolita presenta una capacidad de adsorción de
CO_{2} aproximadamente tres veces más grande que de metano en un
rango de presiones comprendido entre 2 y 25 bares, con una capacidad
de adsorción máxima de aproximadamente 175 mg de CO_{2} por gramo
de zeolita a 0ºC. Seria deseable disponer de materiales microporosos
con capacidades de adsorción más elevadas y que fuesen aún más
selectivas hacia la adsorción de CO_{2} en mezclas de
CO_{2}/CH_{4}. Por otro lado, la selectividad de esta zeolita
ERS-7 en separación de mezclas de N_{2}/CH_{4}
es muy baja, habiéndose descrito que las relaciones molares de las
máximas capacidades de adsorciones de N_{2} y CH_{4} a 1 bar y
273 K son siempre inferiores a 1.5.
En esta patente de invención se describe el uso
de un material zeolitico isoestructural a la zeolita RHO para
procesos de purificación y separación de metano de corrientes de gas
natural o de corrientes que contengan CO_{2} y metano, siendo
adsorbido de manera preferente y selectivamente el CO_{2} y
quedando el metano libre en la corriente. Estas zeolitas pueden ser
convenientemente empleadas en procesos de separación de gases con
tecnología descritas en el estado del arte como las denominadas
"Pressure Swing Adsorption (PSA)", "Thermal Swing Adsorption
(TSA)" o "Pressure Vacuum Swing Adsorption (PVSA)" en las
que se alternan ciclos de adsorción con ciclos de desorción del gas
adsorbido (CO_{2} en este caso) mediante lavado con una corriente
de un gas que no es adsorbido en el proceso PSA (preferentemente
N_{2}, CH_{4} en el proceso que se describe en esta invención),
mediante tratamiento térmico en el tratamiento TSA, y mediante
evacuación del gas adsorbido mediante vacío (PVSA). En todos los
casos, es deseable que la zeolita recupere su capacidad de adsorción
en tiempos cortos y temperaturas o presiones lo más cercanas posible
a las empleadas en los ciclos de adsorción.
La zeolita RHO, que presenta ventanas con
aperturas cristalográficas de 0.36 x 0.36 nm que dan acceso a
grandes cavidades "cuasi-esféricas" de 1.15 nm
de diámetro cumple con todos estos requisitos, permitiendo el acceso
a moléculas de CO_{2}, pero impidiéndoselo al metano, y por lo
tanto pueden ser empleadas en procesos de separación o purificación
de metano en corrientes de gas natural.
Las zeolitas se pueden clasificar como zeolitas
de poro extragrande, grande, medio o pequeño según la apertura de
sus canales. De esta forma, las zeolitas de poro pequeño tendrán
canales con aperturas formadas por 8 tetraedros, mientras que las de
poro medio serán de 10 tetraedros, las grandes de 12 y finalmente,
las extragrandes poseerán canales con aperturas mayores de 12
tetraedros.
La zeolita RHO es una zeolita de poro pequeño
que posee un sistema tridireccional de canales con aperturas de 0.36
x 0.36 nm que se cruzan formando una supercavidad casi esférica de
1.15 nm de diámetro y con una densidad de red de 14.7
tetraedros/nm^{3}. Este sistema poroso le confiere a esta zeolita
una elevada capacidad de adsorción, pero sólo pueden acceder a su
interior moléculas de pequeño diámetro cinético tales como agua,
nitrógeno, oxigeno e hidrocarburos lineales entre otras.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de separación o purificación de hidrocarburos
presentes en una corriente de gas natural y su recuperación,
utilizando un material zeolitico isoestructural a la zeolita RHO que
comprende al menos los siguientes pasos:
(a) poner en contacto la corriente de gas
natural con el material zeolítico,
(b) recuperación de los componentes no
adsorbidos.
\vskip1.000000\baselineskip
La zeolita RHO se caracteriza por presentar
capacidades de adsorción en el equilibrio termodinámico muy
diferentes para CO_{2} y Metano entre otros, lo que posibilita su
aplicación en procesos de separación y purificación de metano y de
otros hidrocarburos presentes en corrientes de gas natural. La
condición de equilibrio se alcanza cuando la cantidad de adsorbato
no aumenta con el tiempo a unas condiciones fijas de presión de
adsorbato y temperatura. La eficiencia termodinámica de un
adsorbente en procesos de separación se determina a partir del valor
del cociente de sus capacidades de adsorción en condiciones de
equilibrio de los productos que se pretenden separar, R_{A}.
En principio, cuanto mayor sea la capacidad de
adsorción de una zeolita, menor cantidad se requerirá para separar
una cantidad dada de mezcla de metano-CO_{2}. Así,
para que un determinado proceso de separación sea viable a nivel
práctico se requiere que las zeolitas presenten altos valores de
R_{A} y capacidades de adsorción altos o moderados.
El procedimiento descrito en la presente
invención se puede llevar a cabo a una temperatura entre -100 y
200ºC, preferentemente entre -25 y 150ºC, más preferentemente entre
0 y 100ºC y a una presión entre 0,1 y 30 bar, preferentemente entre
0,5 y 25 bar, más preferentemente entre 1 y 10 bar.
Según una realización particular el CO_{2} se
adsorbe preferentemente y el metano no se adsorbe
preferentemente.
Según otra realización particular el CO_{2} se
adsorbe preferentemente y el metano y el nitrógeno no se adsorben
preferentemente. Además, se puede poner en contacto la mezcla de
gases que no han sido adsorbidos, metano y nitrógeno, de nuevo en
contacto con el material zeolítico siendo el nitrógeno el que, se
adsorbe preferentemente frente al metano.
Según otra realización particular el CO_{2} se
adsorbe preferentemente y una mezcla de hidrocarburos ligeros de
cuatro o menos carbonos como componente no se adsorbe
preferentemente.
Según otra realización particular el CO_{2} se
adsorbe preferentemente y una mezcla de nitrógeno e hidrocarburos
ligeros de cuatro o menos carbonos no se adsorbe preferentemente.
Además, se puede poner en contacto la mezcla de gases que no han
sido adsorbidos, nitrógeno e hidrocarburos ligeros, de nuevo en
contacto con el material zeolítico siendo el nitrógeno el que se
adsorbe preferentemente frente a los hidrocarburos ligeros.
Como ya se ha mencionado anteriormente, es
conocida la denominación de gases ácidos para hacer referencia al
conjunto de los siguientes componentes del gas natural, CO_{2} y
SH_{2}.
Según otra realización particular la mezcla
contiene gases ácidos como componentes que se adsorben
preferentemente y metano que no se adsorbe preferentemente.
Según otra realización particular la mezcla
contiene gases ácidos como componentes que se adsorben
preferentemente y metano y nitrógeno como componentes que no se
adsorben preferentemente. Además, se puede poner en contacto la
mezcla de gases que no han sido adsorbidos, nitrógeno y metano, de
nuevo en contacto con el material zeolítico siendo el nitrógeno el
que se adsorbe preferentemente frente al metano.
Según otra realización particular la mezcla
contiene gases ácidos como componentes que se adsorben
preferentemente y una mezcla de hidrocarburos ligeros de cuatro o
menos carbonos como componente que no se adsorbe
preferentemente.
Según otra realización particular la mezcla
contiene gases ácidos como componentes que se adsorben
preferentemente y una mezcla de nitrógeno e hidrocarburos ligeros de
cuatro o menos carbonos como componente que no se adsorbe
preferentemente. Además, se puede poner en contacto la mezcla de
gases que no han sido adsorbidos, nitrógeno e hidrocarburos ligeros,
de nuevo en contacto con el material zeolitico siendo el nitrógeno
el que se adsorbe preferentemente frente a los hidrocarburos
ligeros.
En la presente invención, se muestra que la
zeolita RHO presenta capacidades de adsorción muy diferentes para
CO_{2} y metano, con capacidades de adsorción de CO_{2}
elevadas. Según una realización particular de la presente invención,
la zeolita RHO tiene una capacidad de adsorción de CO_{2} superior
a 100 mg/g a 1000 mbar y en el rango de temperaturas comprendido
entre 10 y 60ºC y una capacidad de adsorción menor de 10 mg/g para
metano en estas mismas condiciones. Por lo tanto, la zeolita RHO es
un adsorbente muy adecuado para llevar a cabo procesos de separación
o purificación de metano en corrientes de gas natural.
El proceso de separación de esta invención
implica que una determinada cantidad de zeolita RHO se pone en
contacto con una mezcla de gases (gas natural) que contiene, entre
ostros, CO_{2} y metano y en el que preferiblemente el CO_{2} se
adsorbe en el interior de la zeolita RHO. Se mantiene en contacto la
mezcla de CO_{2} y metano y la zeolita RHO durante un tiempo
determinado para posibilitar que el proceso de adsorción tenga lugar
y, finalmente, la mezcla de gases que no han sido adsorbidos se
retira. El gas adsorbido en la zeolita es recuperado por medio de
técnicas tales como arrastre con otro gas, aumento de temperatura,
evacuación o combinación de los métodos anteriores.
Este proceso de separación también puede
llevarse a cabo en columnas, en cuyo caso se obtienen distintos
frentes de CO_{2} y metano según sean retenidos más o menos
fuertemente por el lecho de zeolita RHO.
Las condiciones de separación dependerán de la
composición precisa de la mezcla de gases que contenga metano y
CO_{2} que se pretenda separar. Así, el límite inferior de presión
y temperatura de separación corresponderá a las condiciones en las
que se produce la condensación del CO_{2}. De esta manera el
proceso de esta invención puede llevarse a cabo entre -100 y 200ºC,
preferentemente entre -25 y 150ºC, más preferentemente entre 0 y
100ºC y a una presión entre 0,1 y 30 bar, preferentemente entre 0,5
y 25 bar, más preferentemente entre 1 y 10 bar.
A lo largo de la descripción y las
reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no
pretenden excluir otras características técnicas, aditivos,
componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos,
ventajas y características de la invención se desprenderán en parte
de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los
siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se
pretende que sean limitativos de la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Se mezclan 0.98 g de éter corona
18-6, cuya estructura se muestra en la figura 1,
0.705 g de Cs(OH), 0.45 g de NaOH y 6.04 g de agua destilada.
Se agita la mezcla hasta conseguir la completa disolución. A
continuación, se añaden 1.32 g de aluminato sódico (54%
Al_{2}O_{3}, 32.8% Na_{2}O, 13.2% H_{2}O) y se agita hasta
obtener una disolución homogénea. Por último, se añaden 10.5 g de
suspensión de sílice (Ludox AS-40) y se agita la
mezcla durante 24 horas. La composición del gel es:
1.8 Na_{2}O :
0.3 Cs_{2}O : Al_{2}O_{3} : 10 SiO_{2} : 0.5
(18-Crown-6) : 100
H_{2}O
La mezcla obtenida se introduce en un autoclave
provisto de una funda interna de politetrafluoretileno y se
introduce en un horno precalentado a 125ºC durante 5 días en
agitación. El difractograma de rayos X del sólido obtenido indica
que se ha obtenido el material. La calcinación a 600ºC en aire
durante 3 horas permite eliminar las especies orgánicas ocluidas y
obtener el material RHO capaz de ser utilizado en procesos de
adsorción y separación.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 10ºC y
5000 mbar corresponde a 244 mg/g. Asimismo, el valor obtenido
después de realizar 20 ciclos de adsorción/desorción es de 235
mg/g, lo que demuestra que el material RHO conserva su capacidad de
adsorción.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 10ºC y
5000 mbar corresponde a 4 mg/g.
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 25ºC y
5000 mbar corresponde a 234 mg/g.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 25ºC y
5000 mbar corresponde a 5 mg/g.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 45ºC y
5000 mbar corresponde a 206 mg/g.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 45ºC y
5000 mbar corresponde a 6 mg/g.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 60ºC y
5000 mbar corresponde a 180 mg/g.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la capacidad de adsorción de
CO_{2} del material RHO, preparado según el ejemplo 1 a 60ºC y
5000 mbar corresponde a 7 mg/g.
\vskip1.000000\baselineskip
La cinética de adsorción de metano sobre el
material RHO, preparado según el ejemplo 1 indica que en 30 minutos
se adsorben 0.5 mg de metano.
\vskip1.000000\baselineskip
La cinética de adsorción de metano sobre el
material RHO, preparado según el ejemplo 1 indica que en 30 minutos
se adsorben 3 mg de nitrógeno.
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 1: se muestra la estructura del aditivo
orgánico empleado en el ejemplo 1 para la síntesis de un material
isoestructural a la zeolita RHO.
Figura 2: se muestran los valores de la
capacidad de adsorción en el equilibrio de CO_{2} y CH_{4} del
material RHO, preparado según el ejemplo 1, a distintas presiones y
distintas temperaturas. Puede observarse que las isóbaras de metano
son indistinguibles entre ellas debido a la baja capacidad de
adsorción de la Zeolita RHO a cualquier temperatura y/o presión
comparada con las determinadas para el CO_{2}.
Figura 3: se muestra las cinéticas de adsorción
de metano y nitrógeno a 10ºC y a 1000 mbar de presión de gas en un
material RHO, preparado según el ejemplo 1. Puede observarse que el
nitrógeno difunde más rápidamente que el metano en estas
condiciones.
Claims (10)
1. Proceso de separación de separación o
purificación de hidrocarburos presentes en una corriente de gas
natural y recuperación utilizando un material zeolítico
isoestructural a la zeolita RHO caracterizado porque
comprende al menos los siguientes pasos:
(a) poner en contacto la corriente de gas
natural con el material zeolitico,
(b) recuperación de los componentes no
adsorbidos.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Proceso de separación o purificación según la
reivindicación 1, caracterizado porque se lleva a cabo a una
temperatura entre -100 y 200ºC.
3. Proceso de separación o purificación según la
reivindicación 1, caracterizado porque se lleva a cabo a una
presión entre 0,1 y 30 bar.
4. Proceso de separación o purificación según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque la corriente de gas natural de alimentación contiene gases
ácidos como componentes que se adsorben preferentemente y metano que
no se adsorbe preferentemente.
5. Proceso de separación o purificación según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque la corriente de gas natural de alimentación contiene gases
ácidos como componentes que se adsorben preferentemente y metano y
nitrógeno como componentes que no se adsorben preferentemente.
6. Proceso de separación o purificación según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque la corriente de gas natural de alimentación contiene gases
ácidos como componentes que se adsorben preferentemente y una mezcla
de hidrocarburos ligeros de cuatro o menos carbonos como componente
que no se adsorbe preferentemente.
7. Proceso de separación o purificación según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque la corriente de gas natural de alimentación contiene gases
ácidos como componentes que se adsorben preferentemente y una mezcla
de nitrógeno e hidrocarburos ligeros de cuatro o menos carbonos como
componente que no se adsorbe preferentemente.
8. Proceso de separación o purificación según
cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7 caracterizado porque
el gas ácido de la corriente de gas natural de alimentación es
CO_{2}.
9. Proceso de separación o purificación según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado
porque el proceso comprende, además, poner en contacto la mezcla de
gases que no se adsorben preferentemente con el material
zeolitico.
10. Proceso de separación o purificación según
la reivindicación 9, caracterizado porque la mezcla de gases
que no se adsorben preferentemente contiene nitrógeno.
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- 2011-10-13 US US13/272,586 patent/US8337594B2/en active Active
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(LI, P) 07.12.2006, "{}Adsorption separation of N2, O2, CO2 and CH4 gases by beta-zeolite"{} MICROPOROUS AND MESOPOROUS MATERIALS 98 (2007) 94-101; resumen, puntos 1 y 4. * |
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