ES2688608T3 - Proceso de VPSA y sistema para la recuperación de oxígeno mejorada - Google Patents

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Abstract

Un proceso de adsorción con oscilación de presión al vacío (VPSA) para separar un gas de alimentación que contiene al menos un componente capaz de adsorberse con más fuerza y al menos un componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza, comprendiendo el proceso: (a) utilizar un sistema que comprende tres o cuatro lechos adsorbentes en un único tren, (b) alimentar de forma continua un gas de alimentación en un extremo de entrada de corriente de alimentación de un lecho adsorbente, conteniendo dicho lecho al menos un adsorbente que preferentemente adsorbe el componente capaz de adsorberse con más fuerza y eliminar el al menos un componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza de un extremo de salida del lecho adsorbente, (c) proporcionar alimentación continua del gas de alimentación utilizando un soplador de alimentación único, (d) purgar los lechos adsorbentes utilizando dos gases de purga de distinta pureza, (e) producir el componente de gas producto en ciclos mediante etapas donde en un tren que utiliza tres o cuatro lechos, en cualquier momento durante el proceso, dos lechos están en una etapa de evacuación y solo un lecho está en un modo de alimentación, (f) utilizar un tanque de compensación (ET) para recoger el gas de despresurización a favor de la corriente.

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de VPSA y sistema para la recuperación de oxígeno mejorada 5 Campo técnico
La invención se refiere a un proceso de adsorción con oscilación de presión al vacío y a un sistema para la producción de oxígeno. Más en particular, se refiere a un proceso y sistema adaptados para la producción a gran escala de oxígeno a partir del aire.
10
Antecedentes
En la actualidad, los procesos de adsorción con oscilación de presión (PSA, por su sigla en inglés) o de adsorción con oscilación de presión al vacío (VPSA, por su sigla en inglés) de dos y tres lechos son utilizados comúnmente 15 para la producción de oxígeno. A medida que aumenta la capacidad de la planta, el gas residual aumenta debido a la escasa recuperación de O2, y a la bomba o bombas de vacío les lleva más tiempo eliminar los residuos totales durante la regeneración de los lechos, puesto que las bombas funcionan cada vez más cerca de su rendimiento máximo. En dichas situaciones se puede conseguir una recuperación de O2 superior a 60 % utilizando cuatro o más lechos para ejecutar el proceso de PSA con etapas adicionales para concederle más tiempo a la regeneración de los 20 lechos y ala recuperación de gases de vacío en el lecho antes de la despresurización contracorriente. En comparación con los procesos de dos y tres lechos, los procesos de cuatro o más lechos ofrecen mayor libertad (condiciones de funcionamiento de proceso, tamaño de lecho y ciclos) y costes de equipo inferiores.
Los procesos de VPSA de doble lecho para la producción de oxígeno a partir de aire se describen en Baksh et al. 25 (patente de EE. UU. N.° 5.518.526) y Smolarek et al. (patente de EE.UU. N.° 6.010.555). Ambas patentes describieron los procesos de VPSA de doble lecho para producir O2 a partir del aire.
Smolarek et al. (patente de EE.UU. N.° 5.656.068) describieron un proceso de VPSA de cuatro lechos, que funcionaba como dos pares de sistemas de doble lecho, denominado sistema/ciclo 2x2, para producir oxígeno a 30 partir del aire. Cada par de lechos funciona 180° fuera de fase y los dos pares de lechos funcionan fuera de fase en
una mitad de medio ciclo. En el proceso de VPSA de la patente de EE.UU. N.° 5.656.068 se utilizan dos
compresores (uno de tipo Roots o de desplazamiento positivo y uno centrífugo) y dos bombas de vacío (una de tipo Roots o de desplazamiento positivo y una centrífuga). Uno de los dos compresores está periódicamente en el modo inactivo o de venteo.
35
Doong (patente de EE.UU. N.° 5.997.612) describió un sistema de VPSA de cuatro lechos que funcionaba como dos pares de lechos de adsorción para producir alrededor de 100 toneladas por día (TPD) de oxígeno. El proceso de VPSA incluye dos pares de lechos, un tanque de almacenamiento intermedio (para recoger la despresurización a favor de la corriente que se ha de utilizar en la purga de los lechos), un soplador de gas y un par de bombas de
40 vacío. El sistema descrito en la patente de EE.uU. N.° 5.997.612 utiliza tres bombas en comparación con las cuatro
bombas utilizadas en la patente de EE.UU. N.° 5.656.068. Asimismo, el sistema descrito en la patente de EE.UU. N.° 5.997.612 maneja una corriente de alimentación única en comparación con una corriente de alimentación doble según se describe en la patente de EE.UU. N.° 5.656.068.
45 Más recientemente, un sistema y proceso de VPSA de cuatro lechos con doble entrada de corriente de alimentación para la producción de oxígeno a gran escala (p. ej., >350 toneladas/día de O2) se ha descrito en la solicitud de patente de EE.UU. N.° 11/264.278 (Expediente de abogado N.° 21.489). El sistema descrito utiliza dos compresores y una bomba de vacío en lugar de los dos compresores y las dos bombas de vacío descritas en la patente de EE.UU. N.° 5.656.068. Otro concepto de cuatro lechos se describe en la patente de EE.UU. N.° 4.915.711. Describe 50 un concepto de tren único con 4 lechos, un compresor de alimentación, una bomba de vacío y un compresor de recirculación.
En la aplicación de los procesos de VPSA o PSA, la entrada de energía requerida para conseguir la separación de O2 de la mezcla de alimentación (p. ej., aire) se proporciona como trabajo mecánico mediante el compresor o 55 compresores de alimentación y la bomba o bombas de vacío. El coste de este trabajo es un componente significativo en el coste operativo total del proceso de VPSA. Asimismo, en la actualidad, las VPSA o PSA compiten desde el punto de vista económico con la destilación criogénica para aplicaciones de pequeña escala únicamente. Para que los procesos de PSA o VPSA sean competitivos en términos de costes respecto de la destilación criogénica para aplicaciones a gran escala, se precisan cuatro o más lechos que operen ciclos de PSA mejorados para conseguir un 60 rendimiento del proceso de PSA mejorado y reducir el coste operativo.
En consecuencia, sería deseable proporcionar un sistema mejorado de lechos múltiples que pudiera ofrecer un
rendimiento mejorado y reducir el coste operativo para producción de oxígeno a gran escala. Resumen de la invención
5 La presente invención se define en las reivindicaciones.
En términos generales, la presente invención se refiere a un proceso de adsorción con oscilación de presión al vacío de lechos múltiples y a un sistema para conseguir recuperación de O2 mejorada. El proceso comprende (a) utilizar un sistema que comprende tres o cuatro lechos adsorbentes, (b) alimentar de manera continua un gas de 10 alimentación en un extremo de entrada de corriente de alimentación de un lecho adsorbente, conteniendo dicho lecho al menos un adsorbente que preferentemente adsorbe el componente capaz de adsorberse con más fuerza y eliminar el al menos un componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza de un extremo de salida del lecho adsorbente, (c) proporcionar alimentación continua del gas de alimentación utilizando un soplador de alimentación único, (d) purgar los lechos adsorbentes utilizando dos gases de purga de distinta pureza, y (e) producir 15 el componente de gas producto en ciclos mediante etapas donde, en cualquier momento durante el proceso, dos lechos están en una etapa de evacuación y solo un lecho está en un modo de alimentación.
El proceso de VPSA de la invención utiliza tres bombas (un compresor y dos bombas de vacío) con 100 % de utilización de todas las bombas. Una forma de realización de la presente invención también contempla el uso de 20 ciclos únicos de VPSA de cuatro lechos que incluyen 100 % de utilización del compresor y bombas de vacío a la vez que procesa un gas de alimentación de manera continua. La presente invención además comprende el uso de un tanque de compensación (ET, por su sigla en inglés), que es un tanque de almacenamiento utilizado para recoger gas de vacío que se descarga a favor de la corriente desde los lechos de adsorción, y el uso de dicho gas para presurizar parcialmente (contracorriente) los lechos en el proceso de VPSA, mediante compensación de lecho a 25 tanque. La presente invención también comprende el uso de dos gases de purga de distinta pureza, de aquí en adelante denominados «gas de purga de baja pureza» y «gas de purga de alta pureza», que se utilizan para purgar los lechos en el ciclo de VPSA. El gas de purga de alta pureza va directamente a otro lecho sometido a la etapa de purga sin utilizar ningún tanque de almacenamiento, y el gas de baja pureza se genera a partir de otro lecho sometido a una etapa de despresurización a favor de la corriente a continuación de la etapa de compensación de 30 lecho a tanque. Las etapas en el ciclo de VPSA se disponen de tal forma que el gas de purga de baja calidad se utilice para la purga inicial del lecho seguida del uso del gas de purga de alta pureza para la purga final del lecho. Por otra parte, en cualquier momento del ciclo de VPSA, dos de los lechos están simultáneamente en la etapa de evacuación, y solo un lecho está en el modo de alimentación. Asimismo, cada uno de los lechos de la etapa de evacuación está conectado a una bomba de vacío, por lo que se precisan dos bombas de vacío en el proceso de 35 VPSA. La presente invención también contempla una etapa de despresurización contracorriente separada de modo que los residuos generados durante esta etapa eludan la bomba de vacío. La presente invención además contempla etapas de presurización intermedias (p. ej., una etapa de compensación de lecho a tanque y una etapa de presurización de corriente de alimentación y producto de solape) para minimizar la fuga de gas de alimentación durante la etapa de presurización de la corriente de alimentación.
40
El sistema de VPSA de la presente invención comprende tres o cuatro lechos de adsorción en un único tren; un tanque de compensación (ET) para recoger gas de vacío que se descarga a favor de la corriente desde los lechos de adsorción; al menos una bomba de vacío para evacuar dos lechos de adsorción simultáneamente; y un compresor de alimentación.
45
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la presente invención y de las ventajas que ofrece, se debería hacer referencia a la siguiente descripción detallada interpretada junto con los dibujos que la acompañan en los cuales:
50
La Fig. 1 es un esquema del proceso de VPSA de cuatro lechos que utiliza un tanque de compensación (ET) y tres bombas (un compresor de alimentación y dos bombas de vacío).
La Fig. 2 es un esquema del ciclo de columna de VPSA de cuatro lechos con dieciséis etapas para usar en el 55 proceso de VPSA de cuatro lechos de la Fig. 1.
La Fig. 3 es un esquema que ilustra un ciclo de columna de VPSA de cuatro lechos alternativo para usar en el proceso de VPSA de cuatro lechos de la Fig. 1, donde no hay etapa de presurización de producto desde el tanque de producto.
La Fig. 4 es un esquema que ilustra un ciclo de columna de VPSA de cuatro lechos alternativo para usar en el proceso de la Fig. 1, donde el gas PG (gas producto) se obtiene únicamente a partir de etapas de despresurización
a favor de la corriente (CD, por su sigla en inglés) y el gas residual en el ET se utiliza en la etapa de lavado de compensación (EQUP, por su sigla en inglés).
La Fig. 5 es un esquema que ilustra un ciclo de columna de VPSA de cuatro lechos alternativo para usar en el 5 proceso de la Fig. 1, donde existe comunicación real de lecho a lecho (EQDN con EQUP se solapan con FP).
La Fig. 6 es un esquema que ilustra un ciclo de VPSA de cuatro lechos alternativo para usar en el proceso de la Fig. 1, donde no hay eT en el proceso de VPSA.
10 Descripción detallada de la invención
La presente invención está dirigida a la aplicación de procesos de VPSA de lechos múltiples para conseguir recuperación de oxígeno mejorada y un mayor rendimiento en comparación con procesos de O2 de VPSA de la técnica anterior. El proceso comprende (a) utilizar un sistema que comprende tres o cuatro lechos adsorbentes, (b) 15 alimentar de manera continua un gas de alimentación en un extremo de entrada de corriente de alimentación de un lecho adsorbente, conteniendo dicho lecho al menos un adsorbente que preferentemente adsorbe el componente capaz de adsorberse con más fuerza y eliminar el al menos un componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza del extremo de salida del lecho adsorbente, (c) proporcionar alimentación continua del gas de alimentación utilizando un soplador de alimentación único, (d) purgar los lechos adsorbentes utilizando dos gases de 20 purga de distinta pureza, y (e) producir el componente de gas producto en ciclos mediante etapas donde en cualquier momento durante el proceso, dos lechos están en una etapa de evacuación y solo un lecho está en un modo de alimentación. La expresión «lechos múltiples» significa que tiene tres o cuatro lechos adsorbentes.
En cualquier momento en el ciclo de VPSA de la presente invención, dos lechos están sometidos a la etapa de 25 evacuación. Asimismo, una forma de realización de esta invención presenta un ciclo de VPSA de cuatro lechos que comprende 100 % de utilización de un compresor y dos bombas de vacío a la vez que procesa un gas de alimentación de manera continua. Asimismo, al menos la mitad del tiempo total del ciclo de VPSA se dedica a la evacuación contracorriente y a la purga de los lechos. Algunos de los rasgos más importantes incluyen, sin carácter restrictivo: (1) alimentación continua al proceso de VPSA; (2) solo se precisan tres máquinas (un compresor y dos 30 bombas de vacío); (3) 100 % de utilización de un compresor y dos bombas de vacío; (4) uso de un tanque de compensación (ET) para recoger gas de despresurización a favor de la corriente que se ha de utilizar en una etapa posterior para la re-presurización del lecho mediante una etapa de compensación de lecho a tanque; (5) la opción de utilizar las mismas o diferentes bombas de vacío (p. ej., centrífuga, de tipo Roots o de desplazamiento positivo) para evacuar el extremo de alimentación de los lechos durante las etapas de evacuación contracorriente y purga del 35 proceso de VPSA; (6) el uso de dos gases de purga de purezas distintas, de aquí en adelante, denominados gases de baja y alta pureza, para purgar los lechos en el ciclo de VPSA. El gas de purga de alta pureza va directamente a otro lecho sometido a la etapa de purga sin usar ningún tanque de almacenamiento, y el gas de baja pureza proviene de una etapa de despresurización a favor de la corriente que sigue a la etapa de compensación de lecho a tanque. Este gas de baja pureza también va directamente a otro lecho que acaba de completar la última etapa de 40 evacuación contracorriente en el ciclo de VPSA. Las etapas del ciclo de VPSA se disponen de tal forma que el gas de purga de baja calidad se utilice para la purga inicial de los lechos seguida del uso del gas de purga de alta pureza para la purga final de los lechos. Dicho modo de funcionamiento permite el uso del gas de purga de baja pureza para purgar otro lecho a la vez que minimiza la cantidad de gas de alta pureza, obtenido de otro lecho en el modo de producción, para completar la etapa de purga; (7) el uso de una etapa de despresurización contracorriente separada 45 de modo que los residuos durante esta etapa eludan la bomba de vacío; y (8) el ciclo de VPSA incorpora etapas de presurización intermedia (p. ej., etapa de compensación de lecho a tanque y etapa de presurización de corriente de alimentación y producto de solape) para minimizar la fuga de gas de alimentación durante la etapa de presurización de la corriente de alimentación. El término «compresor» y el término «bomba de alimentación» se utilizan de forma intercambiable en la presente invención.
50
Una forma de realización de esta invención muestra un proceso novedoso de PSA de cuatro lechos que utiliza un ET para conseguir recuperación de O2 mejorada y permite una integración completa de las etapas del ciclo de VPSA y evitar que haya cualquier etapa o etapas inactivas en el ciclo de VPSA. El ET se comunica únicamente con el extremo de producto del lecho adsorbente y nunca está en contacto con el gas de alimentación. El gas de vacío 55 recuperado recogido en el ET se utiliza en una etapa posterior en el ciclo para purgar y represurizar el lecho. Esta forma de realización se describe en la presente con referencia al proceso de VPSA de cuatro lechos representado en la Figura 1, al ciclo de VPSA de cuatro lechos representado en la Figura 2, y a la lógica de cambio de válvulas representada en la Tabla 1.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un proceso de adsorción con oscilación de presión al vacío (VPSA) para separar un gas de alimentación que contiene al menos un componente capaz de adsorberse con más fuerza y al menos un
    5 componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza, comprendiendo el proceso:
    (a) utilizar un sistema que comprende tres o cuatro lechos adsorbentes en un único tren,
    (b) alimentar de forma continua un gas de alimentación en un extremo de entrada de corriente de alimentación de un lecho adsorbente, conteniendo dicho lecho al menos un adsorbente que preferentemente adsorbe el componente capaz de adsorberse con más fuerza y eliminar el al menos un componente de gas producto capaz de adsorberse
    10 con menos fuerza de un extremo de salida del lecho adsorbente,
    (c) proporcionar alimentación continua del gas de alimentación utilizando un soplador de alimentación único,
    (d) purgar los lechos adsorbentes utilizando dos gases de purga de distinta pureza,
    (e) producir el componente de gas producto en ciclos mediante etapas donde en un tren que utiliza tres o cuatro lechos, en cualquier momento durante el proceso, dos lechos están en una etapa de evacuación y solo un lecho está
    15 en un modo de alimentación,
    (f) utilizar un tanque de compensación (ET) para recoger el gas de despresurización a favor de la corriente.
  2. 2. El proceso de VPSA de la reivindicación 1, donde el proceso comprende compensación de lecho a lecho y una etapa de presurización en la cual el gas de alimentación se proporciona en el fondo de un lecho
    20 adsorbente.
  3. 3. El proceso de VPSA de la reivindicación 1, donde la presión de adsorción más elevada se encuentra en el intervalo de 100 kPa a 2000 kPa y la presión de adsorción más baja se encuentra en el intervalo de 20 kPa a 100 kPa.
    25
  4. 4. El proceso de VPSA de la reivindicación 1 que además comprende (g) alimentar de manera continua el gas de alimentación en un extremo de entrada de corriente de alimentación de un lecho adsorbente que contiene al menos un adsorbente que preferentemente adsorbe el componente capaz de adsorberse con más fuerza y eliminar el al menos un componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza desde un extremo de
    30 salida del lecho adsorbente en un ciclo de dieciséis etapas siguiendo la tabla de ciclos que se muestra a continuación:
    Etapa
    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
    Lecho 1
    PCA/RP P HP1 HP2/PP HP3 CTAb PP DP EV1 EV2 EV3 EV4 EV5 EV6 EV7/RP EV8/R P CTArr.
    Lecho 2
    EV6 EV7/RP EV8/RP CTAr r. PCA/RP P HP1 HP2/PP HP3 CTAb. PP DP EV1 EV2 EV3 EV4 EV5
    Lecho 3
    EV2 EV3 EV4 EV5 EV6 EV7/RP EV8/RP CTA rr. PCA/RP P HP1 HP2/PP HP3 CTAb PP DP EV1
    Lecho 4
    CTAb. PP DP EV1 EV2 EV3 EV4 EV5 EV6 EV7/RP EV8/RP CTA rr. PCA/RP P HP1 HP2/P P HP3
    N.° válvula
    1
    O O O 0 C C C C C C C c C C C C
    2
    C C C C +o O 0 0 C C c c C C C C
    3
    C C C c c C c c O O o o C C C C
    4
    C C C c c C c c C c c c 0 0 0 0
    5
    C C C c c C o c C c c c C c C C
    6
    C C c c c C c c C c o c C c C C
    7
    C C c c c c c c C c c c C c O C
    8
    C C o c c c c c C c c c C C c C
    9
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    CN CN CN CN CN CN CN CN
    donde HP es Adsorción/Hacer Producto, DP es Despresurización, CTAb. es Compensación Tanque Abajo, CTArr. es Compensación Taque Arriba, EV es Evacuación, PCA es Presurización de Corriente de Alimentación, RP es Recibir Purga, RPP es Recibir Presurización de Producto, y PP es Proporcionar Purga.
    5 5. El proceso de VPSA de la reivindicación 4, donde el al menos un componente capaz de adsorberse
    con más fuerza comprende nitrógeno u oxígeno.
  5. 6. Un sistema de adsorción con oscilación de presión al vacío (VPSA) para separar un gas de
    alimentación que contiene al menos un componente capaz de adsorberse con más fuerza y al menos un 10 componente de gas producto capaz de adsorberse con menos fuerza, donde el sistema comprende:
    tres o cuatro lechos adsorbentes en un único tren;
    un tanque de compensación (ET) para recoger gas de vacío que se descarga a favor de la corriente desde los 15 lechos adsorbentes;
    al menos una bomba de vacío para evacuar dos lechos adsorbentes simultáneamente; y
    un único compresor de alimentación, donde dicho sistema está configurado para recibir de manera continua un gas 20 de alimentación en el extremo de entrada de corriente de alimentación de un lecho adsorbente, y producir el componente de gas producto en ciclos mediante los cuales, en un tren que utiliza tres o cuatro lechos, en cualquier momento durante el ciclo, dos lechos están en una etapa de evacuación y solo un lecho está en un modo de alimentación.
    25 7. El sistema de VPSA de la reivindicación 6, donde cada lecho adsorbente comprende una sección de
    prepurificación situada en el extremo corriente arriba del lecho adsorbente.
  6. 8. El sistema de VPSA de la reivindicación 6, donde el sistema está configurado para producir al menos 175 toneladas por día de oxígeno.
    30
  7. 9. El sistema de VPSA de la reivindicación 6, donde el sistema comprende cuatro lechos adsorbentes en un único tren.
    imagen1
    imagen2
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    B1
    B4
    RPP
    PM PM PM ETD PP RP ETP ETU
    JL
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    JL
    JL
    JL
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    FD
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    P1
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    RP ETP ETU RPP PM PM PM ETD PP
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    P3
    P3
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    P3
    RP ETP ETU RPP PM PM PM ETD PP
    JL JL JL 4. JL i JL X X — —
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    FV
    FV
    FV
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    P2
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    P3 P3 P3 P3 P1 P1 P1 P1
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    BD EV P2 EV P2 EV P2 EV P2 EV P3 EV P3 EV P3 EV P3 FD P1 FD P1 FD P1 FD P1
    RPP Recibir Presurización de Producto
    HP Hacer Producto
    PP Proporcionar Purga
    CTAb. Compensación Tanque Abajo
    RP Recibir Purga
    PTC Purga Tanque de Compensación
    CTArr. Compensación Tanque Arriba
    CA Corriente de Alimentación
    DP Despresurización
    EV Evacuación
    B Bomba
    B1
    B4
    RPP
    PM PM EQD ETD PP RP ETU EQU
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    FD
    FD
    BD FV FV FV FV EV FV EV EV
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    P1
    P1
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    RP ETU EQU RPP PM PM EQD ETD PP
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    P3
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    RP ETU EQU RPP PM PM EQD ETD PP
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    EV
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    EV
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    P2
    P2
    P3 P3 P3 P3 P1 P1 Pt P1
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    RPP Recibir Presurización de Producto HP Hacer Producto PP Proporcionar Purga CAb. Compensación hacia Abajo CTAb. Compensación Tanque Abajo RP Recibir Purga CArr. Compensación hacia Arriba CTArr. Compensación Tanque Arriba CA Corriente de Alimentación DP Despresurización EV Evacuación
    8 Bomba
    imagen4
    HP Hacer Producto PP Proporcionar Purga CAb. Compensación hacia Abajo RP Recibir Purga CArr. Compensación hacia Arriba CA Corriente de Alimentación DP Despresurización EV Evacuación B Bomba
    PA Presurización de Aire
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