ES2913981T3 - Procedimiento de producción de oxígeno por VSA O2, limitando las aperturas y cierres de la válvula - Google Patents

Procedimiento de producción de oxígeno por VSA O2, limitando las aperturas y cierres de la válvula Download PDF

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Abstract

Procedimiento de producción de oxígeno a partir de aire por adsorción a variación de vacío (VSA) mediante una unidad que comprende al menos dos adsorbedores que sigue cada uno en desfase un ciclo de presión que comprende las etapas de producción, descompresión, purga y recompresión, con la etapa de descompresión que comprende al menos una primera subetapa de descompresión a co-corriente para el equilibrado parcial de la presión con el otro adsorbedor en recompresión a contracorriente por medio de una válvula de equilibrado, y al menos para un ciclo de tres una subetapa de tiempo muerto que sucede a la primera subetapa de descompresión, con: - para los ciclos que no presentan subetapa de tiempo muerto, una presión al final de la primera subetapa de descompresión de X bar, - para los ciclos que presentan una subetapa de tiempo muerto, una presión al final de la subetapa de tiempo muerto de X bar, y una apertura de la válvula de equilibrado idéntica durante la primera subetapa de descompresión y la subetapa de tiempo muerto.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de producción de oxígeno por VSA O2, limitando las aperturas y cierres de la válvula
La presente invención se refiere a un procedimiento de producción de oxígeno a partir de un flujo de aire por adsorción a variación de vacío (VSA = Vacuum Swing Adsorption).
Las unidades VSA (Vacuum Swing Adsorption) O2 son unidades de separación de los gases del aire mediante un procedimiento de adsorción a modulación de presión en el que la adsorción se lleva a cabo sustancialmente a la presión atmosférica, denominada alta presión, es decir entre 1 bar y 1,5 bares, y la desorción se lleva a cabo a una presión inferior a la presión atmosférica, típicamente entre 0,3 y 0,5 bares. La producción de oxígeno gaseoso alcanza una pureza del orden de 90% a 93%, y el intervalo de producción de este tipo de aparatos oscila de 30t/d a 150t/d. Estos procedimientos encuentran aplicaciones en los campos tales como la purificación de agua, la fabricación de vidrios, el tratamiento de pastas para papel, etc.
Un procedimiento VSA de producción de oxígeno de la técnica anterior se divulga en el documento FR 2772637 A1.
Un compresor (o un soplador) y una bomba de vacío son frecuentemente usados para alcanzar las presiones del ciclo.
Los ciclos de VSA comprenden al menos las etapas siguientes: producción, descompresión, purga, recompresión. Las unidades VSA usan zeolitas selectivas que permiten obtener un producto de una pureza típicamente de alrededor del 90% o más.
Las unidades funcionan generalmente con un tiempo de ciclo total superior a 30 segundos, y usan uno a tres adsorbedores.
Esta duración de tiempo de ciclo está subdividida en un número de subetapas generalmente superior a 8, a fin de obtener al mismo tiempo una buena productividad y una baja energía específica. En consecuencia, las válvulas, generalmente de tipo mariposa, de estas unidades, están sometidas a numerosas aperturas/cierre (varios millones por año), imponiendo intervalos de mantenimiento aún más cortos y un coste de explotación aún más elevado cuando sus números de ciclo son importantes. Por otro lado, el número de ciclo puede inducir un desajuste de estas válvulas, degradando los rendimientos de la unidad, o de manera más crítica, puede conducir a una avería de estas válvulas que implica una vaporización de líquido para asegurar la continuidad de aprovisionamiento de los clientes con un sustancial coste adicional.
La figura 2 representa un ciclo de 2 adsorbedores, 1 capacidad de tampón de producción, un soplador, una bomba de vacío, y que comprende 14 subetapas.
Cada adsorbedor comprende 2 lados, siendo el primero el lado de alimentación o bombeo, y siendo el segundo el lado de producción de oxígeno.
Simultáneamente a las etapas 1 a 7 sometidas por el adsorbedor 1, el adsorbedor 2 está sometido a las etapas 8 a 14 Etapa 1 (Producción 1): El soplador alimenta el primer adsorbedor en aire, el nitrógeno está selectivamente adsorbido y un flujo rico en oxígeno se envía a la capacidad de producción Etapa 2 (Producción 2): El soplador alimenta el primer adsorbedor en aire, el nitrógeno está selectivamente adsorbido y un flujo rico en oxígeno se envía a la capacidad de producción. Una parte del caudal de oxígeno producido se extrae directamente en la salida del primer adsorbedor y se usa en una etapa ulterior (etapa 9)
Etapa 3 (Equilibrado 1): el soplador no alimenta más el primer adsorbedor. Éste está por lo tanto cerrado del lado de la alimentación, y la salida está conectada al segundo adsorbedor de tal manera que una parte del gas contenido en el adsorbedor en fase no adsorbida, rica en oxígeno, esté reutilizada para volver a hinchar y eluir el segundo adsorbedor (etapa 10)
Etapa 4 (Reduced Run): el primer y el segundo adsorbedores están cerrados, y las máquinas funcionan con un diferencial de presión mínimo. Esta etapa tiene una duración nula cuando la unidad funciona a su caudal nominal (Figura 1).
Etapa 5 (Equilibrado 2 purga): el primer adsorbedor está conectado a la bomba de vacío del lado alimentación, lo que permite lleva a cabo la desorción de una parte del nitrógeno contenido en el adsorbente, y su salida está conectada al segundo adsorbedor de tal manera que una parte del gas contenido en el adsorbedor en fase no adsorbida se vuelva a usar para volver a hinchar la botella 2 (etapa 12) Etapa 6 (Purga 1): el primer adsorbedor está cerrado del lado producción de oxígeno, y el lado alimentación está conectado a la bomba de vacío que extrae entonces el nitrógeno contenido en el adsorbente. Etapa 7 (Purga 2): el primer adsorbedor está cerrado del lado producción de oxígeno, y el lado alimentación está conectado a la bomba de vacío que extrae entonces el nitrógeno contenido en el adsorbedor. Etapa 8 (Purga 3): el segundo adsorbedor está cerrado del lado producción de oxígeno, y el lado alimentación está conectado a la bomba de vacío que extrae entonces el nitrógeno contenido en el adsorbedor. Etapa 9 (Elución): el segundo adsorbedor está alimentado del lado oxígeno por el gas extraído en la salida del primer adsorbedor durante la etapa 2 , lo que permite empujar el frente de nitrógeno adsorbido. Del lado de la alimentación, la bomba de vacío extra el nitrógeno contenido en el adsorbente.
Etapa 10 (Equilibrado 2 alto purga): el segundo adsorbedor está alimentado del lado oxígeno por el gas extraído en la salida del primer adsorbedor durante la etapa 3, lo que permite al mismo tiempo recuperar oxígeno, que de lo contrario estaría perdido y empujar el frente de nitrógeno, mientras que el lado alimentación está conectado a la bomba de vacío que vacía/extrae el nitrógeno contenido en el adsorbente. Etapa 11 (Reduced Run): los 2 adsorbedores están cerrados, y las máquinas funcionan con un diferencial de presión mínimo. Esta etapa tiene una duración nula cuando la unidad funciona a su caudal nominal.
Etapa 12 (Equilibrado 1 alto): el segundo adsorbedor está cerrado del lado alimentación. Se vuelve a hinchar por el lado oxígeno gracias al gas contenido en el primer adsorbedor, y que proviene de la etapa 5, lo que permite al mismo tiempo recuperar el oxígeno que de lo contrario estaría perdido, y empujar el frente de nitrógeno.
Etapa 13 (O2 aire de recompresión): el soplador se usa para volver a hinchar el segundo adsorbedor por el lado alimentación, y al mismo tiempo se extrae oxígeno en el depósito tampón de producción a fin de volver a hinchar el adsorbedor por arriba, lo que permite empujar el frente de nitrógeno.
Etapa 14 (Recompresión final): el soplador se usa para volver a hinchar el segundo adsorbedor por el lado de alimentación. El adsorbedor está cerrado del lado oxígeno.
Cabe señalar que la válvula de equilibrado KV105 se queda abierta, a proporciones de apertura que pueden ser variables, durante 3 subetapas consecutivas.
Cuando la necesidad en O2 del cliente baja, es necesario ajustar la producción.
El primer nivel de ajuste consiste en reducir la apertura de la válvula de producción, lo que tiene como consecuencia aumentar la pureza del oxígeno. El rendimiento de la unidad se encuentra entonces degradado. Por oro lado, más allá de un cierto nivel de pureza, ésta puede degradarse brutalmente debido al fenómeno de enriquecimiento de argón. Por estas 2 razones, esta solución está limitada a reducciones moderadas del caudal de producción.
En alternativa, es posible reducir la cantidad de gases de alimentación y de purga, la producción se puede ajustar jugando sobre la duración del ciclo. En una VSA O2, este tipo de funcionamiento está hecho posible, por ejemplo, mediante la instalación de variadores de velocidad sobre las máquinas de alimentación y de bombeo.
Sin embargo, en la mayoría de los casos, por razones de coste, las VSA O2 no están equipadas de sistemas de ajuste de las capacidades de máquinas. En consecuencia, el caudal producido por ciclo está fijado, y es necesario reducir el número de ciclos por unidad de tiempo a fin de reducir la producción. Esto se lleva a cabo aislando los adsorbedores en un momento bien definido del ciclo (generalmente en el momento en el que la bomba de vacío pasa de un adsorbedor a otro), haciendo girar el compresor y la bomba de vacío con un diferencial de presión mínimo (por ejemplo, inyectando el gas expulsado por las máquinas a su aspiración) a fin de minimizar su consumo energético. Esta etapa de pausa en el ciclo se denomina tiempo muerto, y está asociada a la activación del modo «marcha reducida» (Reduced Run RR).
Este no se inicia inmediatamente cuando la demanda en oxígeno es reducida, sino más allá de un cierto porcentaje de bajada que permite así obtener una duración de tiempo muerto compatible con los tiempos de apertura/cierre de las válvulas.
De manera clásica, el modo RR se activa al final de la subetapa 3, minimizando al máximo las maniobras de las válvulas de aire y de vacío. Por el contrario, es necesario cerrar la válvula de equilibrado al final de esta subetapa 3, y después volver a abrirla al final del tiempo muerto (etapa RR).
La figura 2 representa un ciclo clásico de VSA O2 en el que el modo RR (tiempo muerto) está activado al final de la subetapa 3. Es necesario cerrar la válvula de equilibrado KV105 al final de la subetapa 3 y después volver a abrirla al final del tiempo muerto.
A partir de allí, un problema que se plantea es proporcionar un procedimiento mejorado de producción de oxígeno por VSA O2, minimizando las aperturas y cierres de válvula.
Una solución de la presente invención es un procedimiento de producción de oxígeno a partir de aire por adsorción a variación de vacío (VSA) mediante una unidad que comprende al menos dos adsorbedores que sigue cada uno en desfase un ciclo de presión que comprende las etapas de producción, descompresión, purga y recompresión, con la etapa de descompresión que comprende al menos una primera subetapa de descompresión a co-corriente para el equilibrado parcial de la presión con el otro adsorbedor en recompresión a contracorriente por medio de una válvula de equilibrado, y al menos para un ciclo de tres una subetapa de tiempo muerto que sucede a la primera subetapa de descompresión, con:
• para los ciclos que no presentan subetapa de tiempo muerto, una presión al final de la primera subetapa de descompresión de X bar,
• para los ciclos que presentan una subetapa de tiempo muerto, una presión al final de la subetapa de tiempo muerto de X bar, y una apertura de la válvula de equilibrado idéntica durante la primera subetapa de descompresión y la subetapa de tiempo muerto.
Por tiempo muerto, se entiende una duración en la que los dos adsorbedores están cerrados. A fin de minimizar el consumo de las otras máquinas de la instalación durante esta duración, éstas están generalmente en reciclaje (la aspiración y la expulsión de las máquinas están en comunicación) o devuelve el aire aspirado a la atmósfera.
La figura 3 representa un ciclo VSA O2 según la invención.
La apertura de la válvula de equilibrado está reducida cuando el modo RR (subetapa de tiempo muerto) está activado, de tal manera que la presión final tras el tiempo muerto sea la misma que aquella del final de la subetapa 3 en modo de trabajo normal, es decir en el caso de un ciclo con válvula de equilibrado cerrada durante la subetapa de tiempo muerto (véase la Figura 2). Por lo tanto, la válvula de equilibrado no se cierra entre las subetapas de equilibrado, haciendo fiable así la unidad y limitando las pérdidas de rendimientos o dificultades de ajuste del ciclo relacionadas a los tiempos de apertura de válvulas de duraciones comparables a aquel de las etapas. Por supuesto, la realización de esta solución necesita una estrategia de control de la apertura de la válvula de equilibrio adaptada, es decir, someter la apertura de la válvula de equilibrado al caudal de producción de la unidad.
De la misma manera que lo que se desarrolla durante las etapas 3 y 4, la presión al final de la etapa del tiempo muerto 11, cuando el modo r R está activado, será la misma que aquella en final de la etapa 10 , para los ciclos que no presentan etapa de tiempo muerto.
La activación del modo RR implica la adición del tiempo muerto a cada ciclo, y por razones de duración mínima del tiempo muerto, la activación del modo RR se lleva a cabo por lo tanto solamente para una reducción suficiente de la protección de O2 (antes de eso el caudal de producción induce simplemente un aumento de la pureza de O2). Con el fin de iniciar el modo RR para reducciones de caudal de producción más bajas, la adición del tiempo muerto se efectúa no mediante todos los ciclos sino 1 ciclo cada N ciclos (N=1 a 5). La implementación de esta solución, acoplada con la idea presentada anteriormente reduce significativamente los inconvenientes relacionados al modo RR.
Según el caso, el procedimiento según la invención puede presentar una o varias de las características siguientes:
• durante los ciclos que no presentan subetapa de tiempo muerto, la velocidad de descompresión está comprendida entre 300-100 mbares/s.
• durante los ciclos que presentan subetapa de tiempo muerto, la velocidad de descompresión está comprendida entre 150 y 5 mbares/s.
• la etapa de descompresión comprende, al menos para un ciclo de dos, una subetapa de tiempo muerto.
• los dos adsorbedores siguen el ciclo de presión con una diferencia de un semi-tiempo de ciclo.
• la válvula de equilibrado usada durante la primera subetapa de descompresión y a subetapa de tiempo muerto es una válvula de tipo mariposa o de tipo de globo;
• la apertura de la válvula de equilibrado se ajusta en función del caudal de producción de oxígeno deseado, por lo tanto de la duración del tiempo muerto que resulta de ello.
La Figura 4 representa esquemáticamente una instalación V(P)SA a la cual se aplica la invención.
En el ejemplo representado, la instalación comprende esencialmente dos adsorbedores 1A y 1B, un compresor o un soplador 2, una bomba de vacío 3 y un conjunto de conductos y de válvulas, así como medios de control y de regulación no representados, adaptados para realizar el ciclo descrito más adelante. El compresor y la bomba son máquinas volumétricas de tipo «Roots», y giran permanentemente a velocidad constante.
En la Figura 4, se ha esquematizado:
• un conducto 4 de alimentación en aire atmosférico, que parte de la devolución del compresor 2 y que se divide en dos ramas 4A, 4B, provistas de válvulas de alimentación respectivas 5A, 5B, y unidas respectivamente en la entrada interior 6A, 6B de los adsorbedores;
un conducto 7 de purga/elución, que se divide en dos ramas 7A, 7B provistas de válvulas de purga/elución 8A, 8B, y que parten respectivamente de las entradas 6A, 6B de los adsorbedores;
un conducto 9 de producción, que se divide en dos ramas 9A, 9B provistas de válvulas de producción 10A, 10B, y que parten respectivamente de las salidas superiores 11A, 11B de los adsorbedores. Una capacidad tampón 12 está montada en el conducto 9; y
• un conducto 13 de equilibrado/elución, que une directamente entre sí las salidas 11A y 11B, y que está provista de una válvula de equilibrado/elución 14.
La aspiración del compresor 2 y la devolución de a bomba de vacío 3 están en comunicación permanente con la atmósfera próxima. Los absorbedores 1A a 1B contienen cada uno al menos un lecho de un adsorbente adaptado para adsorber selectivamente el nitrógeno del aire, que es, en este ejemplo, un tamiz molecular de tipo CaA o una zeolita intercambiada con litio. Además, unos desvíos15 y 16, provistos de una válvula respectiva 17, 18, están respectivamente conectados sobre los conductos 4 y 7, justo aguas abajo del compresor 2 y justo aguas arriba de la bomba 3. Estos desvíos, usados ambos en particular durante la etapa de tiempo muerto que corresponde al modo Reduced Run (ralentí), desembocan en la atmósfera próxima.
La invención consiste en limitar aperturas/cierres de la válvula de equilibrado cuando el modo Reduced Run (tiempo muerto) de un VSA O2 está activo. Más allá de un cierto porcentaje de disminución de la producción, el número de ciclo por unidad de tiempo está reducido vía una etapa denominada de tiempo muerto, en la que las máquinas están en modo reciclaje, y por lo tanto desconectadas de los adsorbedores. En algunos ciclos, la activación de este tiempo muerto impone una apertura/cierra de la válvula de equilibrado en un tiempo que puede ser muy corto, induciendo una fatiga de esta válvula y una dificultad para controlar los rendimientos del procedimiento. La solución según la invención permite por lo tanto mejorar la fiabilidad de las unidades o reducir la frecuencia y el coste del mantenimiento, evitando cerrar completamente y después abrir esta válvula.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de producción de oxígeno a partir de aire por adsorción a variación de vacío (VSA) mediante una unidad que comprende al menos dos adsorbedores que sigue cada uno en desfase un ciclo de presión que comprende las etapas de producción, descompresión, purga y recompresión, con la etapa de descompresión que comprende al menos una primera subetapa de descompresión a co-corriente para el equilibrado parcial de la presión con el otro adsorbedor en recompresión a contracorriente por medio de una válvula de equilibrado, y al menos para un ciclo de tres una subetapa de tiempo muerto que sucede a la primera subetapa de descompresión, con:
- para los ciclos que no presentan subetapa de tiempo muerto, una presión al final de la primera subetapa de descompresión de X bar,
- para los ciclos que presentan una subetapa de tiempo muerto, una presión al final de la subetapa de tiempo muerto de X bar, y una apertura de la válvula de equilibrado idéntica durante la primera subetapa de descompresión y la subetapa de tiempo muerto.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que durante los ciclos que no presentan subetapa de tiempo muerto, la velocidad de descompresión está comprendida entre 300-100 mbares/s.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que durante los ciclos que presentan subetapa de tiempo muerto, la velocidad de descompresión está comprendida entre 150 y 5 mbares/s.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la etapa de descompresión comprende, al menos para un ciclo de dos, una subetapa de tiempo muerto.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que los dos adsorbedores siguen el ciclo de presión con una diferencia de un semi-tiempo de ciclo.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la válvula de equilibrado usada durante la primera subetapa de descompresión y a subetapa de tiempo muerto es una válvula de tipo mariposa o de tipo de globo.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la apertura de la válvula de equilibrado se ajusta en función del caudal de producción de oxígeno deseado.
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