ES2644028T3 - Procedimiento y aparato de adsorción por oscilación de presión - Google Patents

Procedimiento y aparato de adsorción por oscilación de presión Download PDF

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ES2644028T3 ES03718064.3T ES03718064T ES2644028T3 ES 2644028 T3 ES2644028 T3 ES 2644028T3 ES 03718064 T ES03718064 T ES 03718064T ES 2644028 T3 ES2644028 T3 ES 2644028T3
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Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y aparato de adsorcion por oscilacion de presion Antecedentes de la invencion Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a conjuntos de valvulas para sistemas de adsorcion por oscilacion de presion. Descripcion de los antecedentes
La adsorcion por oscilacion de presion (PSA) es una tecnica utilizada para fraccionar mezclas de gases para proporcionar al menos un gas producto purificado y una mezcla subproducto del refinado. La PSA se ha utilizado con exito para separar el hidrogeno de otros gases, el oxigeno y nitrogeno del aire, el helio de gas natural, entre otros.
Los primeros sistemas de PSA utilizan por lo general cuatro recipientes de adsorbente operados en paralelo. Un ejemplo de un sistema de PSA de este tipo se describe en la Patente de Estados Unidos n°. 3.430.418 de Wagner. Posteriores mejoras al procedimiento de Wagner anaden una etapa adicional de igualacion de presion al tiempo que conserva cuatro lechos adsorbentes (vease la Patente de Estados Unidos n°. de Batta), y posteriormente se anadieron aun mas etapas de igualacion de presiones en siete o mas lechos (vease la Patente de Estados Unidos n°.3.986.849 de Fuderer et al.). Estos aumentos en el numero de igualaciones de presion y en el numero de recipientes de adsorbente se realizaron para aumentar la recuperacion del producto y la productividad del adsorbente. Desafortunadamente, los aumentos en el rendimiento vinieron tambien acompanados de un aumento coincidente en el numero de valvulas necesarias para operar los sistemas. Por ejemplo, el sistema de Wagner utiliza al menos treinta y un valvulas, el sistema de Batta utiliza al menos treinta y tres valvulas, y el sistema de Fuderer et al. utiliza al menos cuarenta y cuatro valvulas.
El aumento en el numero de recipientes de adsorbente y valvulas en los sistemas de PSA aumenta indeseablemente los costes de fabricacion y operativos. Se han propuesto muchos ciclos innovadores que economizar el numero de lechos y/o valvulas empleadas en los sistemas de PSA. Un ejemplo excelente es de tal sistema se describe en la Patente de Estados Unidos n°. 3.738.087 de McCombs, asi como un procedimiento posterior que se describe en la Patente de Estados Unidos n°. 4.194.890 de McCombs. Estas patentes describen sistemas de PSA con tan solo dos recipientes de adsorbente; sin embargo, el suministro continuo de producto es generalmente imposible o solo puede lograrse a una presion de producto reducida. Ademas, este tipo de ciclos son, por lo general, entendidos para ofrecer menor recuperacion de gas producto y utilizacion de adsorbente en un conjunto dado de condiciones de alimentacion. Esfuerzos para producir ciclos mas complejos con menos valvulas, o al menos disposiciones de fontaneria mas simples que los de Wagner, Batta, y Fuderer et al. mientras se mantiene su alto rendimiento se han divulgado en la Patente de Estados Unidos n°. 4.761.165 de Stocker y en la Patente de Estados Unidos n°. 6.146.450 de Duhayer et al.
Se han presentado diversos sistemas de PSA que reducen la complejidad mecanica a traves de la implementacion de disposiciones de valvulas giratorias mediante la combinacion de muchas funciones de la valvula de los procedimientos anteriores para reducir su complejidad. Ejemplos de tales sistemas incluyen la Patente de Estados Unidos n°. 4.272.265 de Sayder, la Patente de Estados Unidos n°. 4.925.464 de Rabenau et al., y la Patente de Estados Unidos n°. 6.063.161 de Keefer et al. En cada caso el uso de uno o mas conjuntos giratorios con funcionalidades de valvula se emplea en lugar de una o mas valvulas independientes. Aunque estos procedimientos reducen ventajosamente la complejidad de fontaneria en comparacion con las valvulas independientes instaladas de manera tradicional, tienen varias caracteristicas indeseables. En primer lugar, fijan la duracion relativa de las diversas etapas del ciclo de PSA, y por tanto son incapaces de responder a los cambios en las condiciones de flujo para optimizar la operacion con variabilidad en la composicion de carga de alimentacion, temperatura, presion o caudal. Keefer et al, describen la adicion de valvulas secundarias especiales en sus valvulas giratorias basicas para afinar el ciclo de PSA, lo que indeseablemente aumenta la complejidad y no son ajustables durante la operacion. La Patente de Estados Unidos n°. 4.877.429 de Hunter divulga un sistema de adsorcion por oscilacion de presion que comprende un dispositivo de valvula de vastago giratorio que tiene al menos dos pares de valvulas de admision/escape que se abren y cierran secuencialmente por un accionador de leva de valvula comun. En segundo lugar, todas las valvulas giratorias dependen de las superficies de estanqueidad deslizantes para separar el producto purificado de la alimentacion impura o residuos de gases. De hecho, Keefer et al. ensenan las etapas mecanicas complicadas necesarias para superar esta limitacion potencial de la pureza del producto. Las juntas deslizantes son mas dificiles de mantener, proporcionan peor sellado, y son mas susceptibles a danos debido a la contaminacion de particulas en comparacion con las juntas de contacto simples sin deslizamiento. Por ultimo, las disposiciones de valvulas giratorias hacen que los ciclos muy complejos sean dificiles de ejecutar debido a la complejidad de las disposiciones portantes de valvulas giratorias necesarias para su implementacion. Estas valvulas, por tanto, se han utilizado principalmente para implementar ciclos simples con una recuperacion de producto y una utilizacion de adsorbente relativamente bajas en comparacion con los ciclos mas avanzados ensenados en la tecnica.
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Una caracteristica adicional presente en muchos ciclos de PSA de la tecnica es el uso de la purga a contracorriente de un recipiente de adsorbente con gas producto purificado. En los ciclos tempranos tales como el de Batta o Fuderer et a/., esto se consigue proporcionando un colector de gas producto independiente que se mantiene a baja presion a traves de una valvula reguladora de presion o dispositivo de estrangulamiento, con una valvula accionada independiente proporcionada para cada recipiente de adsorbente. Como alternativa, algunos ciclos simples fueron provistos de una valvula de control de flujo que conecta el colector de producto a cada recipiente. Un ejemplo de este procedimiento se describe en la Patente de Estados Unidos n°. 4.194.890 de McCombs. Este procedimiento simplificado tiene la desventaja de que el flujo de gas producto a traves del recipiente no se puede controlar de forma independiente, lo que conduce a una reduccion en la recuperacion del producto en comparacion con los procedimientos tradicionales. Un segundo enfoque mejorado que utiliza valvulas controladas proporcionalmente fue ensenado por Stocker. Aunque el procedimiento de control proporcional de la valvula de suministro de producto reduce deseablemente el numero de conexiones de fontaneria con respecto a la tecnica, y proporciona la capacidad de detener el flujo por completo en algunas etapas del ciclo, las valvulas proporcionales pueden tener baja fiabilidad y un mayor coste en comparacion con las valvulas todo-nada.
Los inventores de la presente invencion han determinado que ninguno de los sistemas de adsorcion por oscilacion de presion descritos en las patentes anteriores ensena las desviaciones mecanicas fundamentales de la construccion tradicional utilizando valvulas instaladas por separado. Los inventores han determinado que el uso de valvulas conectadas independientemente es altamente indeseable, puesto que cada valvula requiere al menos dos conexiones de fontaneria. Estas conexiones se hacen a menudo con accesorios costosos, o por medio de soldadura para asegurar la pureza del producto y/o para evitar la fuga de gases de proceso nocivos o inflamables. Esta proliferacion de accesorios aumenta indeseablemente el gasto de fabricacion, aumenta el volumen del sistema de embalaje, y reduce la seguridad y fiabilidad debido a la posibilidad de fugas.
La proliferacion de fontaneria, y el volumen auxiliar requerido para el embalaje, se complica aun mas por el requisito de proporcionar soporte mecanico a los recipientes de adsorbente. La fontaneria y valvulas, debido a su masa relativamente grande, pueden ejercer fuerzas considerables sobre los recipientes a presion no ser que todos se disenen con cuidado y esten bien soportados. La provision de tales soportes aumenta desventajosamente la masa, el volumen y el coste de fabricacion del sistema. Ademas, los recipientes de adsorbente, que estan sujetos a fallo por fatiga debido a la naturaleza ciclica de los esfuerzos de presion, son inherentemente dificiles de soportar estructuralmente sin aumentar adicionalmente su peso para compensar las altas tensiones localizadas.
Sumario de la invencion
La invencion se define por las reivindicaciones independientes adjuntas. Las realizaciones preferidas resultan de las reivindicaciones dependientes. Cualquier realizacion que cae fuera del alcance de las reivindicaciones - incluso si se denomina "invencion" - es solo con fines de informacion. En un esfuerzo para eliminar los problemas asociados con otros sistemas de adsorcion por oscilacion de presion (PSA) descritos anteriormente, la presente invencion proporciona un colector de valvulas como se define en la reivindicacion 1 para un sistema de adsorcion por oscilacion de presion fiable, rentable como se describe a continuacion.
La presente invencion proporciona ventajosamente un aparato mecanico mejorado para la PSA que reduce la complejidad mecanica en comparacion con los procedimientos tradicionales con independencia del numero de lechos adsorbentes empleados o la complejidad del ciclo subyacente. La invencion reduce la complejidad mecanica sin sacrificar la capacidad de controlar de forma independiente la operacion de las funciones de valvula para optimizar el control del sistema durante la operacion. Ademas, la invencion reduce la complejidad mecanica sin la necesidad de juntas deslizantes o valvulas de giro.
Adicionalmente, la presente invencion proporciona ventajosamente un procedimiento mejorado para proporcionar la purga a contracorriente de un recipiente de adsorbente con gas producto puro, asi como el suministro del producto co-actual utilizando una unica valvula accionada con la funcionalidad todo-nada. La invencion proporciona tambien un nuevo aparato para la practica del procedimiento mejorado de control de flujo de gas producto.
La presente invencion proporciona ventajosamente un nuevo aparato para valvulas independientemente accionadas con colector directamente en un recipiente de adsorbente.
La presente invencion hace que el nuevo aparato colector pueda servir tambien ventajosamente como un lugar para la fijacion de sensores, puertos de servicio, valvulas de ventilacion, valvulas de alivio, y otros componentes auxiliares considerados ventajoso para la operacion o ciclos de PSA. La invencion tambien hace que el aparato colector de acuerdo con la invencion se pueda utilizar para soportar fisicamente un recipiente de adsorbente. La invencion hace ademas ventajosamente que el soporte estructural de cabida al ciclo termico y de presion del recipiente sin imponer momentos de flexion deletereos en el recipiente.
La presente invencion proporciona ventajosamente un aparato mejorado que se puede utilizar para implementar la PSA de cuatro lechos con dos igualaciones de presion y purga de producto a contracorriente utilizando solo dieciseis valvulas accionadas con funcionalidad todo-nada.
Breve descripcion de los dibujos
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Una apreciacion mas completa de la invencion y muchas de las ventajas concomitantes de la misma se haran facilmente evidentes con referencia a la siguiente descripcion detallada, particularmente cuando se considera junto con los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 representa un colector de valvulas de acuerdo con la presente invencion con caracteristicas ocultas denotados por lineas discontinuas;
la Figura 2 representa un recipiente de adsorbente con dos conjuntos de colector de acuerdo con la presente invencion;
la Figura 3 representa un aparato para operar un ciclo de adsorcion por oscilacion de presion del recipiente de adsorbente de cuatro lechos usando las caracteristicas del colector de la presente invencion; la Figura 4 representa un aparato colector alternativo de la presente invencion que monta tres valvulas y que tiene una caracteristica de brida atornillada;
la Figura 5a representa un recipiente de adsorbente con dos conjuntos de colector montados en una estructura de soporte, y las Figuras 5b y 5c son areas ampliadas de la Figura 5a;
las Figuras 6a y 6b son diagramas esquematicos de flujo que ilustran un principio de operacion de un procedimiento mejorado para controlar el suministro y la purga a contracorriente de producto utilizando una valvula accionada; y
las Figuras 7, 8 y 9 muestran vistas en seccion transversal de una realizacion de un aparato utilizado para poner en practica el procedimiento detallado en la Figura 6b, donde el aparato de valvula se representa en tres modos de operacion distintos.
Descripcion detallada de la invencion
Las realizaciones de la presente invencion se describiran a continuacion con referencia a los dibujos adjuntos. En la siguiente descripcion, los elementos constitutivos que tienen sustancialmente la misma funcion y disposicion se designan con los mismos numeros de referencia, y se hara descripciones repetitivas solo cuando sea necesario.
La Figura 1 representa una vista en perspectiva tridimensional del colector 10 de valvula de la presente invencion. El colector 10 de valvula esta provisto de al menos una cavidad 1 impelente, que esta en comunicacion con un recipiente 20 de adsorbente (vease Figura 2). El colector 10 esta provisto ademas de al menos un canal 2 de fluido, que tiene al menos un puerto 3 de entrada de fluido. La cavidad 1 impelente esta en comunicacion con el canal 2 de fluido a traves de la galena interior o pasaje 4 de fluido. Observese que el colector 10 puede incluir uno o mas canales 2 que estan conectados a una o mas cavidades 1 por uno o mas pasajes 4. Una variedad de diferentes configuraciones seran facilmente evidentes para un experto ordinario en la materia basandose en las ensenanzas expuestas en la presente memoria.
El flujo de fluido a traves de la galena 4 se puede controlar ventajosamente por una valvula montada en el puerto 5 de valvula, y asentada en el asiento 6 de valvula. En el colector de la Figura 1, una valvula que posee un asiento esencialmente concentrico con el puerto 5 de valvula se proporciona. Valvulas de los tipos comunmente conocidas como de piston, embolo, aguja, y globo poseen esta relacion lineal. Aunque otros tipos de valvulas se pueden utilizar con el colector de la presente invencion, se prefieren las valvulas que tienen un asiento concentrico con el puerto de valvula. Valvulas donde todo el cuerpo de la valvula se une de manera integral son especialmente preferidas. Ejemplos de estas valvulas son de embolo, piston, aguja y ciertos tipos de valvulas de globo. Valvulas de tipo piston son especialmente preferidas.
Se puede observar a partir de la Figura 1 que mas de un canal 2 de fluido se puede incorporar en el colector 10 de valvula. De hecho, cualquier numero de canales de fluido se pueden incorporar en el cuerpo de valvula del colector 10 de valvula. Ademas, cada canal de fluido puede estar provisto de uno o mas puertos 3 de fluido, y cada canal de fluido puede estar provisto de caracteristicas o puertos adicionales para aceptar sensores, instrumentos, valvulas de alivio de presion u otros accesorios que se consideren necesarios para la operacion del ciclo de PSA. Ademas, las otras areas del colector pueden estar provistas de tales caracteristicas que se comunican ya sea con la camara 1 impelente o con el interior del recipiente 20 de presion directamente. Puede ser deseable proporcionar un puerto de acceso para el mantenimiento de las valvulas que se montan desde abajo del asiento de valvula, tales como muchos tipos de valvulas de globo.
El colector 10 de valvula representado en la Figura 1 se puede fabricar mediante fundicion, mecanizado, metalurgia de polvo, forja, o cualquier combinacion de los procedimientos conocidos en la tecnica. Ademas, el colector 10 de valvula puede ser de cualquier material adecuado para las condiciones de operacion del ciclo en cuestion.
La Figura 1 representa un colector 10 de valvula que tiene dos canales 2 de fluido paralelos, donde los dos canales 2 se montan en el mismo lado de la camara 1 impelente. Los canales 2 de fluido se pueden montar en cualquier posicion en relacion con la camara 1 impelente que facilite una funcion de galena y de valvula apropiadas. La posicion de los canales 2 de fluido puede dictarse por el embalaje general del lecho adsorbente, la configuracion de ciclo de PSA, el acceso de valvula, soporte estructural, u otros factores.
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El colector 10 de valvula de la Figura 1 tiene dos canales 2 de fluido paralelos que se comunican en paralelo con una cavidad 1 impelente comun que esta en comunicacion con el recipiente 20 de adsorbente. En consecuencia, el colector de valvulas proporciona una configuracion que puede ejecutar adecuadamente las funciones de entrada del lecho adsorbente descritas en los ciclos de PSA de la Patentes de Wagner, Batta, Fuderer et al., y Stocker. Sin embargo, es evidente que el colector 10 de valvula de la presente invencion requiere solo cuatro interconexiones por recipiente adsorbente para realizar esta tarea, en vez de las al menos siete conexiones necesarias en las construcciones tradicionales. Ademas, el volumen interno del colector 10 de valvula de la presente invencion se reduce ventajosamente en comparacion con las conexiones de tuberias convencionales de la tecnica. Esta reduccion en volumen mejora la recuperacion del producto en los ciclos de PSA.
El colector 10 de valvula de la Figura 1 se proporciona con al menos un saliente 12 de montaje. El saliente 12 de montaje permite la conexion al recipiente de adsorbente en un area de baja tension, permitiendo asi que las paredes del recipiente se hagan ventajosamente mas finas que en otros procedimientos de soporte. El saliente de montaje se puede colocar en cualquier lugar que sea conveniente en la configuracion que se considera basada en consideraciones de acceso de valvula para su servicio, compacidad del embalaje, facilidad de fabricacion del colector, y otros factores.
El colector 10 de valvula de la Figura 1 esta dotado preferentemente de un medio 11 de fijacion que se utiliza para unir el colector 10 al recipiente 20 de presion. En la Figura 1, l medio 11 de fijacion esta bien adaptado para su union a traves de soldadura por fusion, soldadura fuerte, soldadura blanda, o union adhesiva.
La Figura 2 representa un recipiente 20 de adsorbente provisto de un colector 10 de la presente invencion en cada extremo. Los colectores 10 pueden unirse por soldadura por fusion, soldadura fuerte, soldadura blanda, union por adhesivo o por otros medios similares. Como alternativa, los colectores 10 se pueden unir al recipiente 20 por medio de una brida atornillada, conexion roscada, conexion por bloque de cierre, anillo a presion, o por diversos otros medios no permanentes. Tal conexion extraible permite ventajosamente que el adsorbente sea inspeccionado y/o retirado mas facilmente que las conexiones permanentes, pero tambien puede aumentar indeseablemente el tamano, el peso y el coste de fabricacion del recipiente de tal manera que ninguno de los procedimientos se prefiere claramente.
El recipiente de adsorbente de la Figura 2 se representa con cupulas 21 conectadas a una seccion 22 cilindrica en las juntas 23. Esta realizacion no pretende limitar la presente invencion de ninguna manera. El recipiente 20 puede tener cualquier forma de seccion transversal. Las juntas 23 se pueden formar por soldadura por fusion, soldadura fuerte, union por adhesivo u otros procedimientos, o pueden estar provistas de bridas u otras conexiones desmontables. Ademas, todo el recipiente 20 se puede formar como un cuerpo unitario por recalcado, forja, fundicion, enrollado de filamentos, o por otros medios similares. El recipiente adsorbente se puede unir tambien mecanicamente a otros recipientes de adsorbente, tanques de compensacion, recipientes de adsorbente intermedios, estructuras u otras caracteristicas para formar un recipiente compuesto. Por lo tanto, la forma del recipiente de adsorbente no limita la puesta en practica de la presente invencion de ninguna manera.
La Figura 3 representa cuatro recipientes 20 de adsorbente que forma un sistema de PSA. En la Figura 3, cada colector 10 de valvula esta provisto de dos valvulas 31. Cada canal de fluido puede comunicarse con cada otro recipiente a traves de los conectores 32 de fluido. Los conectores 32 de fluido pueden ser tuberias rigidas como se muestra aqui, o pueden ser una tuberia compatible, flexible. De hecho, la forma funcional de los conectores de fluido de interconexion no limita la puesta en practica de la presente invencion de ningun modo, y se puede elegir basandose en las condiciones del procedimiento en cuestion. Ademas, los conectores de fluido se pueden unir a los colectores 10, ya sea de forma permanente, o por medio de conectores extraibles.
Se puede apreciar mediante la revision de las figuras que cada canal de fluido, en combinacion con los conectores 32 de fluido, forma una trayectoria de fluido continua entre las valvulas y camaras impelentes de cada recipiente adsorbente. Por lo tanto, cualquier ciclo que contemple el intercambio de fluido entre recipientes que operan a diferentes puntos en el ciclo de PSA puede implementarse con los colectores de la presente invencion. Si asi se desea, los colectores pueden integrarse en uno o mas grandes colectores que se comunican con dos o mas recipientes de adsorbente individuales. Un colector integrado de este tipo podria eliminar por completo los conectores 32 de fluido. Los colectores integrados se pueden fabricar por fundicion, moldeo, mecanizado y otras tecnicas y combinaciones de tecnicas. Debido a que la extension fisica de los colectores integrados esta relacionada con el tamano de los recipientes de adsorbente, la manifestacion preferida de los colectores depende de la viabilidad detallada y de la economia de cada sistema. Por lo tanto, los colectores independientes pueden ser preferidos para los sistemas de diametro de recipiente relativamente grande, mientras que los colectores integrados que comunican con dos o mas recipientes pueden ser preferidos para los recipientes de diametro pequeno.
Por lo tanto, la presente invencion contempla especificamente los sistemas de PSA con colectores y recipientes integrales, todos los que, como alternativa, se pueden formar en un solo componente, o en muchos componentes, donde los elementos de valvula independientes se comunican con los recipientes de adsorbente de tal manera para implementar practicamente cualquier ciclo de PSA que contemple la conexion en paralelo entre los recipientes para el intercambio de fluido durante las diferentes fases del ciclo de PSA. Si bien la Figura 3 ilustra valvulas de piston con accionamiento neumatico, otros tipos de valvulas se contemplan en la presente memoria. Las valvulas se
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pueden accionar neumaticamente, electromagneticamente, hidraulicamente, o por medio de accionamiento mecanico por arboles de levas, trenes de engranajes, u otros medios. El accionamiento mecanico directo puede ser preferible en sistemas pequenos con colectores integrales que se comunican con muchos recipientes de adsorbente; puesto que tales sistemas se prestan a las tolerancias mecanicas proximas requeridas para la operacion exitosa a traves de accionamiento mecanica. Se prefieren las valvulas donde el eje de movimiento sea paralelo al puerto de valvula. Las valvulas donde el eje de movimiento es concentrico tanto con el puerto de valvula como con el asiento de valvula son especialmente preferidas.
La Figura 4 ilustra otra realizacion del colector de la presente invencion que se adapta muy bien a la puesta en practica de ciclos con despresurizacion o purga a contracorriente con gas producto, tal como la de Wagner, Batta o Fuderer et al. En esta realizacion de la presente invencion, uno o mas canales 2 de fluido se comunican con un primer puerto 5 de valvula para el suministro de producto puro durante la etapa de adsorcion del ciclo de PSA y un segundo puerto 41 de valvula para el control del gas de despresurizacion o purga a contracorriente procedente del colector de producto. En la Figura 4, los puertos 5 y 41 se representan como teniendo dimensiones iguales; sin embargo, de forma alternativa los dos puertos pueden ser diferentes en dimension para aceptar valvulas de diferentes tamanos y/o tipo para lograr un rendimiento de flujo de producto adecuado. La realizacion de la Figura 4 emplearia ventajosamente valvulas de piston con topes de recorrido de valvula ajustables, que se pueden utilizar para ajustar las caracteristicas de flujo de la valvula de piston para lograr el rendimiento del ciclo de PSA adecuado.
La Figura 4 muestra tambien un puerto 46 de sensor que se puede utilizar para recibir un sensor utilizado en la operacion y mantenimiento del sistema de PSA. El puerto 46 de sensor representado en la Figura 4 se conecta a la cavidad 1 impelente. Sin embargo, puertos de sensores se pueden conectar tambien a los canales 2 y/o pasajes 4, dependiendo de la medicion especifica que se toma en el sistema de PSA.
El colector de valvulas de la Figura 4 incorpora tambien una interfaz 42 de brida atornillada. La interfaz 42 de brida conecta el colector de valvulas al recipiente 20 por conexiones roscadas, tales como tornillos o pernos. Una conexion de este tipo facilita deseablemente la retirada del colector de valvulas para facilitar la inspeccion o reemplazo del adsorbente. Aunque una brida atornillada se ilustra en la Figura 4, otros tipos de conexiones desmontables se contemplan por los inventores, tales como conexiones roscadas integrales, las conexiones por bloque de cierre, anillos a presion, y otros medios similares.
Una caracteristica adicional preferida representada en la Figura 4 es un saliente de soporte estructural con un munon 43 pasador. El munon 43 pasador proporciona un medio para soportar el recipiente a traves de una conexion con pasador. Los conectores, tales como el munon 43 pasador, soportan las cargas, pero no los momentos. Al proporcionar una conexion con pasador en cada extremo del recipiente 20 de adsorbente, el recipiente se puede unir a una estructura de soporte por uno o mas yugos, o enlace de barras. Preferentemente, un extremo del recipiente se fija a la estructura de soporte mediante una conexion con pasador, mientras que el segundo extremo del recipiente se fija a traves de un yugo o enlace de barras. El recipiente 20 (veanse Figuras 2 y 3) forma, por tanto, un elemento en un enlace de tres barras.
Las Figuras 5a, 5b, y 5c representan un recipiente 20 de adsorbente que tiene un colector 10 de valvula montado en ambos extremos del mismo. La Figura 5b representa una vista ampliada de un extremo del recipiente 20 en el que un colector 10 de valvula se fija a traves de un munon 43 pasador a un enlace 48 rigido y el enlace 49 se conecta a una estructura 47 de soporte. El munon 43 pasador se conecta de forma giratoria al enlace48 por medio del pasador 49a, y el enlace 48 se conecta de forma giratoria a la estructura 47 de soporte mediante el pasador 49c. La Figura 5c representa una vista ampliada del extremo opuesto del recipiente 20 en el que un colector 10 de valvula se fija a traves de un munon 43 pasador directamente a la estructura 47 de soporte. El colector 10 de la Figura 5c se conecta de forma giratoria a la estructura 47 de soporte mediante el pasador 49c. Por consiguiente, el recipiente 20 de adsorbente representado en las figuras 5a, 5b, y 5cforma un elemento en un enlace de tres barras.
Un enlace de tres barras puede dar cabida al cambio en la longitud del recipiente mediante el giro del recipiente. Este tipo de fijacion ofrece varias ventajas con respecto a un soporte rigido a traves de soldadura o atornillado. En primer lugar, el montaje de enlace de tres barras preferido da cabida a cambios en la longitud del recipiente ocasionados por ciclos en la presion y/o la temperatura del recipiente. Tales cambios en la longitud no se pueden evitar en los sistemas de PSA, y crean indeseablemente cargas de reaccion en el recipiente y medios de soporte rigidos. Una segunda ventaja del soporte estructural de tres barras de la presente invencion es que no transmite momentos entre el recipiente y el soporte. Por lo tanto, las cargas colocadas en el recipiente y/o estructura debido al peso del recipiente, cargas de viento, terremotos, u otros factores no resultan en la flexion del recipiente o colector. Esta configuracion reduce de forma deseable las tensiones en el recipiente y en el colector, reduce la resistencia y la rigidez requeridas tanto del recipiente como del colector, y simplifica el diseno del recipiente, colector y de la estructura de soporte.
La Figura 6a es un flujo de fluido esquematico que representa el control de gas producto purificado y presurizado desde el extremo de producto de un recipiente de adsorbente en los procedimientos de Wagner, Batta y Fuderer et al. Durante la etapa de adsorcion del ciclo de PSA, el producto purificado se hace fluir desde el extremo de producto del recipiente de PSA a traves de un conducto 51, y a traves de una valvula 52 hasta una salida 53. La valvula 52 se ilustra aqui como una de una valvula accionada por aire, de una via, normalmente cerrada, pero se pueden emplear
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otros tipos de valvulas. Durante otras etapas del procedimiento de PSA despues de que la etapa de adsorcion se ha completado, es a menudo el caso en que el gas producto purificado se puede utilizar ventajosamente para limpiar el recipiente de adsorbente en una etapa de flujo a contracorriente. En la tecnica, Esto generalmente se logra mediante la regulacion de la presion del producto a una presion intermedia mediante el regulador 54 de presion, a continuacion, se admite esta corriente de gas regulado a traves de una segunda valvula 55. En este tipo de sistema, cada recipiente esta provisto de dos valvulas correspondientes a las valvulas 52 y 55 en la Figura 6a, y el sistema esta provisto de una valvula 54 de regulacion. La disposicion de estas valvulas en los sistemas de la tecnica aumenta indeseablemente la complejidad de fontaneria y gastos, y tambien aumenta la complejidad del sistema de control, que debe estar dotado de capacidad adicional para accionar estas valvulas. El problema de esta complejidad fue abordado por Stocker proporcionando una unica valvula ajustable. Sin embargo, las valvulas ajustables son mucho mas costosas que las valvulas todo-nada, y son por tanto indeseables para sistemas donde los costes de valvulas son significativos.
La Figura 6b representa un sistema de control de flujo de gas producto alternativo de la presente invencion. Durante la etapa de adsorcion en el procedimiento mejorado el gas producto se hace fluir a traves de la entrada 51 y a traves de una valvula 56 de retencion en paralelo con un orificio 57 de dosificacion. El producto se hace fluir despues a traves de la activacion/desactivacion 58 de la valvula 58 accionada para la salida de producto 53. La valvula de retencion se ilustra en el diagrama como una valvula de retorno por resorte, aunque cualquier tipo de valvula de retencion se puede emplear. Durante el paso de flujo a contracorriente del ciclo, la valvula 58 todo-nada se abre, y el gas producto en el colector de producto fluye desde el punto 53, a traves de la valvula 58 todo-nada abierta, a traves del orificio 57 de dosificacion, en el recipiente de adsorbente, que esta a una presion mas baja que el colector de producto, a traves del punto 51. La valvula 56 de retencion no permite el flujo inverso, por lo que el caudal del gas de contraflujo se puede controlar completamente por el orificio 57 de dosificacion. En el tercer estado operativo de este conjunto, la valvula 58 todo-nada se cierra y el flujo entre los recipientes de adsorbente no se produce, independientemente de sus presiones relativas.
Las funciones de la valvula 56 de retencion y del orificio 57 de dosificacion se pueden combinar en un solo componente, tal como en una valvula de control de flujo. La combinacion de la valvula de control de flujo y de una valvula todo-nada ofrece menos complejidad de accionamiento, un menor numero de interconexiones, y menos coste que otros sistemas. Una mayor simplificacion resulta al sustituir la caracteristica de orificio variable que se ilustra en la Figura 6b con un orificio fijo.
El procedimiento de control de flujo de producto mejorado de la presente invencion puede ventajosamente combinarse con el aparato colector de la presente invencion para formar un aparato altamente simplificado para controlar el flujo de gas producto. En una configuracion de este tipo, se utilizan los mismos tipos de valvulas todo- nada, sin embargo, una valvula de retencion se debe interponer entre el canal 2 de fluido y la camara 1 impelente, que se comunica con el recipiente 20 de adsorbente. Varios tipos de valvulas de retencion compactas adecuadas son conocidas en la tecnica, incluyendo valvulas de laminas y valvulas de cartucho. La Figura 7 ilustra una vista en seccion del conjunto de colector de valvulas de la presente invencion que incluye una realizacion especialmente preferida de la valvula de retencion. Como se representa en la vista en seccion transversal de la Figura 7, la valvula 31 todo-nada se inserta en el puerto 5 de valvula. El vastago de valvula y la junta 61, que se muestran en una forma simplificada aqui, estan en contacto con un asiento 62 de valvula. En esta posicion, la junta de valvula y el asiento evitan el flujo entre el canal 2 de fluido y la camara 1 impelente a traves de la galena 4 interna. La valvula de retencion especialmente preferida de la presente invencion comprende una tapa 63 de cierre, que encierra la junta 61 de valvula, y un resorte 64 de estanqueidad que desvia la tapa de cierre contra el area del asiento.
La Figura 8 muestra otra vista en seccion transversal del colector representado en la Figura 7, que incluye la representacion de la valvula de retencion de la presente invencion durante la etapa de adsorcion mientras que el gas producto purificado y presurizado se hace fluir desde la camara 1, a traves de la galena 4 en el canal 2 de fluido. En esta configuracion, el conjunto 61 de junta de valvula todo-nada se ha elevado por el accionador de valvula, y la tapa 63 de cierre se ha elevado fuera del area 62 de asiento por la fuerza de presion de fluido. El resorte 64 de estanqueidad se comprime por la fuerza de presion. La seleccion del resorte de estanqueidad determina la resistencia al flujo del conjunto, y por lo tanto la caida de presion a traves del conjunto. Los resortes de junta que tienen baja rigidez se prefieren para conferir una baja caida de presion al conjunto de valvula de retencion.
La Figura 9 muestra otra vista en seccion transversal del colector representado en las figuras 7 y 8, incluyendo la representacion de la valvula de retencion de la presente invencion durante la etapa de flujo a contracorriente del ciclo PSA. Durante esta etapa, la presion del producto en el canal 2 de fluido es mas alta que la presion dentro de la camara 1 impelente. Por lo tanto, no hay fuerza de presion para elevar la tapa 63 de cierre fuera del area 62 de asiento contra el resorte 64. La junta 61 de la valvula todo-nada se eleva fuera del area de asiento por su accionador. Un orificio 65 de dosificacion de flujo se proporciona en la tapa 63 de cierre para permitir el flujo del producto del canal 2 a la camara 1 impelente. El orificio 65 de dosificacion de flujo se puede formar en la forma de uno o mas puertos, como se representa en las Figuras 7-9, o el orificio de dosificacion de flujo se puede construir proporcionando holgura entre el vastago de valvula y la tapa de cierre, o proporcionando huecos, orificios u otras caracteristicas en la union de la tapa de cierre y el area de asiento. Cualquier combinacion de esta configuracion se puede emplear tambien como un orificio de dosificacion de flujo de acuerdo con la presente invencion. La realizacion especialmente preferida de la valvula de retencion representada aqui tiene la ventaja particular de utilizar solo dos
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partes, cada una de las que tiene una forma simple y puede fabricarse facilmente.
Observese que las valvulas de la presente invencion se configuran para no restringir el flujo a lo largo del canal y no restringen el flujo dentro de las cavidades. Las valvulas se configuran para controlar simplemente el flujo de fluido entre las cavidades y los canales a traves de los pasajes. En consecuencia, si falla cualquier valvula dada, entonces el flujo a lo largo del canal y el flujo dentro de la cavidad puede mantenerse si se desea.
Al utilizar cualquiera de las realizaciones anteriores, el procedimiento de la presente invencion para controlar el flujo de producto reduce ventajosamente el numero de valvulas de accionamiento en comparacion con las ensenanzas de Wagner, Batta, Fuderer et al. y otros sistemas de PSA. Esta reduccion en el recuento de valvula reduce costes y complejidad al tiempo que aumenta la fiabilidad. Tambien reduce la complejidad del sistema de control de PSA.
El aparato colector de la presente invencion mejora materialmente cualquier sistema de PSA en un numero de maneras. En primer lugar, la recuperacion del producto en condiciones de operacion dadas se incrementa debido a la disminucion precipitada del volumen muerto en las tuberias y colectores entre las valvulas. En segundo lugar, la complejidad mecanica del conjunto de valvula se reduce, con una disminucion correspondiente en la dificultad de fabricacion y la probabilidad de fugas. En tercer lugar, la reduccion de la masa y volumen de valvulas y tuberias disminuye la disposicion y la masa del sistema de PSA, lo que da como resultado una disminucion de las cargas mecanicas impuestas a los recipientes de adsorbente y la necesidad de una estructura de soporte. Ademas, los conjuntos de colector proporcionan un medio de soporte estructural mediante conexiones con pasadores que elimina los momentos entre la estructura de soporte y el recipiente de adsorbente. La eliminacion de estos momentos reduce ventajosamente las tensiones en el recipiente, lo que da como resultado reducciones en el uso del material recipiente necesarias para alcanzar un tiempo de vida adecuado.
El uso de un aparato colector de la presente invencion, que combina las caracteristicas conducto de flujo y portante de valvula para mas de un recipiente, puede reducir aun mas la complejidad, volumen y masa general en comparacion con otros sistemas. Ademas, tales colectores integrales realizan el accionamiento de la valvula a traves de medios mecanicos tales como un arbol de levas o trenes de engranajes viables, con lo que disminuye aun mas la complejidad del sistema de control y el coste. En las realizaciones preferidas del aparato colector de la presente invencion se utilizan valvulas con movimiento lineal entre la junta y el asiento, estas ventajas se ofrecen al tiempo que elimina las juntas deslizantes empleadas en sistemas de valvulas giratorias. La eliminacion de las juntas deslizantes facilita la recuperacion y pureza mejoradas del producto y mayor fiabilidad. Ademas, si las valvulas se accionan de forma independiente, un sistema de PSA de la presente invencion se puede optimizar para variar las condiciones de alimentacion durante la operacion.
Cuando el procedimiento de control de flujo del producto mejorado de la presente invencion se combina con el aparato colector de la presente invencion, el sistema de PSA se mejora aun mas. Estas mejoras incluyen una reduccion en el uso de la valvula accionada, una reduccion en la complejidad del sistema de control, un aumento de la fiabilidad, y una dramatica disminucion en la complejidad de fabricacion y coste del sistema.
La caracteristica mas sobresaliente del procedimiento y aparato de la presente invencion es su amplia aplicabilidad a casi todos los sistemas de PSA. Ademas, tanto el aparato como el procedimiento se pueden aplicar ventajosamente en sistemas de PSA de cualquier capacidad de produccion.
La divulgacion completa de cada una de la Solicitud Provisional de Estados Unidos con n°. de Serie 60/214.737, presentada el 29 de junio de 2000, y Solicitudes de Patentes de Estados Unidos con n°. de Serie 09/588.575, presentada el 7 de junio de 2000; 09/642.008 presentada el 21 de agosto de ano 2000; 09/928.437 presentada el 14 de agosto de 2001; 10/097.745 presentada el 15 de marzo de 2002; y la solicitud de patente titulada CICLOS DE PSA DE ALTA RECUPERACION Y APARATO CON COMPLEJIDAD REDUCIDA de Franklin D. Lomax, Jr. presentada actualmente con la presente, se incorporan en la presente memoria como referencia en su totalidad.
Cabe que senalar que las realizaciones ejemplares mostradas y descritas en la presente memoria exponen las realizaciones preferidas de la presente invencion, y no pretenden limitar el alcance de las reivindicaciones adjuntas a estas de ninguna manera.
Numerosas modificaciones y variaciones de la presente invencion son posibles en vista de las ensenanzas anteriores. Por lo tanto, se debe entender que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invencion puede ponerse en practica de otro modo a que como se ha descrito especificamente en la presente memoria.

Claims (16)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un colector (10) de valvulas para un sistema de adsorcion por oscilacion de presion que tiene al menos un recipiente (20) de presion, comprendiendo dicho colector (10) de valvulas:
    un cuerpo que tiene una primera cavidad (1), un primer pasaje (4) y un primer canal (2), estando dicha primera cavidad (1) adaptada en un extremo para su conexion de fluido con el al menos un recipiente (20) de presion y estando cerrada en su extremo opuesto, conectando dicho primer pasaje (4) dicho primer canal (2) a dicha primera cavidad (1); extendiendose dicho primer canal (2) desde un lado de dicho cuerpo a otro; y una primera valvula (31) provista dentro de dicho primer pasaje (4), estando dicha primera valvula (31) configurada para permitir y restringir, selectivamente, el flujo entre dicho primer canal (2) y dicha primera cavidad (1) a traves de dicho primer pasaje (4), caracterizado porque
    dicho cuerpo tiene un segundo pasaje (4) y un segundo canal (2), conectando dicho segundo pasaje (4) dicho segundo canal (2) a dicha primera cavidad (1), extendiendose dicho segundo canal (2) desde un lado de dicho cuerpo a otro; y
    dicho colector (10) de valvulas comprende ademas una segunda valvula (31) provista dentro de dicho segundo pasaje (4), estando dicha segunda valvula (31) configurada para permitir y restringir, selectivamente, el flujo de fluido entre dicho segundo canal y dicha primera cavidad (1) a traves de dicho segundo pasaje (4).
  2. 2. El colector (10) de valvulas de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha primera valvula (31) esta configurada para no restringir el flujo dentro de dicha primera cavidad (1).
  3. 3. El colector (10) de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho cuerpo comprende ademas un puerto (46) de sensor conectado a dicha primera cavidad (1).
  4. 4. El colector de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho cuerpo comprende ademas un puerto (46) de sensor conectado a dicho primer pasaje (4).
  5. 5. El colector (10) de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho cuerpo comprende ademas un puerto (46) de sensor conectado a dicho primer canal (2).
  6. 6. El colector (10) de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que;
    dicho colector (10) de valvulas esta adaptado para ser conectado rigidamente al al menos, un recipiente (20) de presion; y
    dicho colector (10) de valvulas comprende ademas un saliente (12) de montaje que tiene un munon (43) pasador adaptado para su conexion a una estructura (47) de soporte.
  7. 7. El colector (10) de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho primer pasaje (2) incluye un asiento (6) de valvula y un puerto (5) de valvula en el que se recibe dicha primera valvula (31) y
    en el que dicho asiento (6) de valvula es concentrico con dicho puerto (5) de valvula.
  8. 8. El colector de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera valvula (31) incluye una junta (61) de valvula configurada para ser accionada selectivamente entre una posicion de contacto estanca con un asiento (62) de valvula en dicho primer pasaje (4) en el que dicho primer canal (2) esta sellado respecto dicha primera cavidad (1) y una posicion de no contacto con dicho asiento (62) de valvula, incluyendo ademas dicha primera valvula (31) un miembro de estanqueidad secundario que tiene un orificio (65) de dosificacion.
  9. 9. El colector (10) de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera valvula (31,58) comprende:
    una valvula (56, 61) de retencion;
    un orificio (57, 65) de dosificacion proporcionado en paralelo con dicha valvula (56, 61) de retencion; y
    una valvula (31, 58) todo-nada dispuesta en serie con dicha valvula (56, 61) de retencion y dicho orificio (57, 65)
    de dosificacion.
  10. 10. El colector (10) de valvulas de acuerdo con la reivindicacion anterior, en el que:
    dicha valvula (61) de retencion comprende una tapa (63) de cierre configurada para recibir dicha valvula (31,58) todo-nada en su interior;
    dicho orificio (65) de dosificacion se proporciona a traves de dicha tapa (63) de cierre; y
    dicha tapa (63) de cierre es empujada mediante resorte hacia un asiento (62) de valvula proporcionado en dicho primer pasaje (4).
  11. 11. El colector de valvulas de acuerdo con la reivindicacion 9, en el que dicha primera valvula (31) incluye un dispositivo motriz configurado para accionar linealmente dicha valvula (31, 58) todo-nada en contacto con y fuera de contacto con un asiento (6) de valvula proporcionado en dicho primer pasaje (4).
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  12. 12. Un sistema de adsorcion por oscilacion de presion que comprende: un primer recipiente (20) de presion que tiene una primera abertura; y
    un primer colector (10) de valvulas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
    estando dicha primera cavidad (1) en conexion de fluido con dicha primera abertura de dicho primer recipiente
    (20) de presion.
  13. 13. El sistema de adsorcion por oscilacion de presion de acuerdo con la reivindicacion 12, en el que; dicho primer colector (10) de valvulas esta conectado rigidamente a dicho primer recipiente (20) de presion;
    dicho primer colector (10) de valvulas comprende ademas un primer saliente de montaje que tiene un munon (43) pasador adaptado para su conexion pivotante a una estructura (47) de soporte; dicho segundo colector (10) de valvulas esta conectado rigidamente a dicho primer recipiente (20) de presion; y
    dicho segundo colector (10) de valvulas comprende ademas un segundo saliente (12) de montaje que tiene un munon (43) pasador conectado de manera pivotante a un enlace que esta adaptado para conexion pivotante a una estructura (47) de soporte.
  14. 14. Un procedimiento de realizacion de adsorcion por oscilacion de presion con un colector (10) de valvulas, de acuerdo con la reivindicacion 9 o la reivindicacion 10, caracterizado porque comprende las etapas de:
    hacer fluir un gas producto fuera de un recipiente (20) de adsorbente al que se conecta el colector (10) de valvulas, a traves de la valvula (56, 61) de retencion, el orificio (57, 65) de dosificacion y la valvula (31, 58) todo- nada durante una etapa de adsorcion,
    en el que el gas producto fluye a traves de la valvula (31, 58) todo-nada y el orificio (57, 65) de dosificacion y en el recipiente (20) de adsorbente durante una etapa de flujo a contracorriente, y
    en el que el flujo hacia y desde el recipiente (20) de adsorbente cesa cuando la valvula (31, 58) todo-nada se cierra.
  15. 15. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 14, en el que:
    la valvula (31, 58) de retencion comprende una junta (63) hermetica configurada para recibir la valvula (31, 58) de conexion-desconexion en su interior;
    el orificio (57, 65) de dosificacion se proporciona a traves de la tapa (63) de cierre; y
    la tapa (63) de cierre se empuja mediante resorte hacia un asiento (62) de valvula proporcionado en el pasaje (4).
  16. 16. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 14, con un colector (10) de valvulas de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que la valvula (31, 58) todo-nada se acciona linealmente en contacto con y fuera de contacto con un asiento (6) de valvula proporcionado en el pasaje (4).
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