MX2015006129A - Control de composicion de gas de un sistema de separacion de gas que tiene membranas. - Google Patents

Control de composicion de gas de un sistema de separacion de gas que tiene membranas.

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para controlar una planta de separación de gas, a una planta controlada de este modo y también a su uso para separación de mezclas de gas, especialmente en el tratamiento de biogás o gas natural, o gas de síntesis.

Description

CONTROL DE COMPOSICIÓN DE GAS DE UN SISTEMA DE SEPARACIÓN DE GAS QUE TIENE MEMBRANAS Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para controlar una planta de separación de gas, a una planta controlada de este modo y también a su uso para separación de mezclas de gas, especialmente en el tratamiento de biogás o gas natural.
Antecedentes de la Invención Se conoce que las membranas hacen relativamente fácil la separación de gases entre sí y entre unos y otros en un proceso impulsado por presión. Aunque los gases en realidad se separan a bajo costo, por lo general también es baja la pureza de los productos obtenidos.
Especialmente cuando ambos de los componentes de una mezcla de gas binaria se van a aislar en una forma muy pura, se tienen que dedicar mayores gastos a la organización téenica de las membranas y para controlar el proceso que en el caso de un arreglo simple interconectado de una sola etapa donde, por ejemplo, solo se tiene obtener el componente retenido a una cierta pureza, en tanto que se puede descartar el componente permeado (como con la producción de nitrógeno a partir de aire, a manera de ejemplo). Es necesario el aumento de gastos, por ejemplo, con la separación de dióxido de carbono y metano (por ejemplo, en gas natural o biogás), donde el metano como un material de valor se supone que terminará de forma ideal en el gas de producto a fin de que de este modo se pueda lograr el valor máximo añadido, y se supone que terminará en el efluente gaseoso a una muy baja concentración, en todo caso, ya que el metano es un gas de efecto invernadero se supone que no va a pasar a la atmósfera. Existe un escenario similar con la separación de gas de síntesis en monóxido de carbono e hidrógeno.
A diferencia de presión parcial de cada componente entre el lado del componente retenido y el lado del componente permeado de la membrana es la fuerza impulsora de separación en una separación clásica de una mezcla de gas binaria con una membrana. Para un cierto nivel de presión en el lado del componente retenido se puede impulsar una cierta cantidad de mezcla de gas a través de la membrana a fin de obtener una cierta concentración del componente más lento en el gas retenido. Si, entonces, cambia la composición del gas de alimentación, las composiciones del gas retenido y del gas permeado también cambiarán. El sistema se somete al mismo cambio cuando cambia la velocidad de gas de alimentación. Normalmente, los cambios de concentración en el gas retenido y/o gas permeado se toman como la variable controlada y por lo tanto ya sea la velocidad de gas de alimentación o la presión de componente retenido se ajustan de tal forma manera que se restablece la concentración deseada en el componente permeado y/o el componente retenido. Ejemplos de estos regímenes de control se encuentran, por ejemplo, en EP 1324 815, US 4,806,132 y US 5,281,253.
Como se mencionó, los productos finales muy puros a menudo se aíslan utilizando arreglos de membranas interconectadas de múltiples etapas. Ejemplos de los mismos se encuentran en WO 2012/000727, US 6,565,626 y US 6,168,649.
Las concentraciones en las corrientes de producto en un arreglo interconectado de tres etapas o de dos etapas de componente retenido por fases o de una sola etapa no se puede ajustar sin influir las dos concentraciones una con respecto a la otra. En cambio, por ejemplo, de la presión componente retenido en la corriente de producto retenido (= presión principal u operativa del sistema), la composición del componente permeado, cambia así como la composición del componente retenido. La misma lógica aplica al cambio de la velocidad de gas de alimentación.
El uso de un arreglo interconectado de tres etapas como se describe en la solicitud W02012000727 Al separa una mezcla de metano y CO2 de tal forma que el metano se obtiene con un rendimiento de por encima de 99%, en tanto que las purezas de los gases retenidos y los gases permeados exceden claramente el 97%. Este proceso por lo tanto separa una mezcla de gas de dos o más componentes en un arreglo interconectado de tres etapas de tal forma que dos componentes se pueden aislar en forma relativamente pura cuando la mezcla de gas es una mezcla binaria. Si, sin embargo, durante este proceso cambia la composición del gas sin refinar o si se va a procesar una cantidad más grande o más pequeña del gas sin refinar, la composición del gas retenido y la del gas permeado cambiará considerablemente en cada casó, lo que es indeseable. La conexión de esta planta de separación gas a una planta de biogás, por ejemplo, es en consecuencia problemática.
Esto es debido a que si se busca corregir los cambios en la corriente de alimentación mediante un cambio en la presión principal (= presión operativa, o presión en la corriente de producto retenido, o presión de gas de producto retenido), también cambiará el caudal de volumen componente retenido. Esto indeseable en muchos casos, ya que el gas en estos casos se alimenta en una línea de transporte y esta última requiere una presión mínima y, a menudo también un volumen mínimo y/o máximo. En consecuencia existen algunas propuestas de la téenica anterior, por ejemplo en EP 1 324 815, para instalar un compresor adicional en la corriente de producto para regular la presión para la línea de transporte. Esto no es ventajoso con respecto a la energía y es costoso e inconveniente en términos de tecnología de control y por lo tanto comercialmente poco atractivo. Además, como se explicó anteriormente, no se puede utilizar un arreglo interconectado de tres etapas para influir la calidad de producto permeado independientemente de la calidad de producto retenido al ajustar la presión principal.
En consecuencia, continúa siendo una gran necesidad que las plantas de separación y/o el control de las mismas se pueda conectar a fuentes de gas que tienen composición de gas sin refinar, presiones y velocidades variables y que puedan entregar dos o más productos con alta pureza de forma simultánea, con una calidad consistente y presión de gas de producto consistente.
Descripción de la Invención Es un objeto de la presente invención proporcionar un método para controlar una planta de separación de gas y una planta de separación de gas controlada de este modo donde están ausentes o mucho más reducidas las desventajas de los métodos y plantas de la téenica anterior, respectivamente.
Es un objeto específico proporcionar un método y una planta que son cada uno capaces de entregar dos o más productos con alta pureza de forma simultánea.
Es un objeto muy específico proporcionar un método y una planta que cada uno es capaz de entregar dos o más productos con alta pureza de forma simultánea, incluso si varía la composición de gas sin refinar y/o la presión y/o el volumen. Esta planta o método debe también facilitar de formar muy particular la entrega de calidades consistentes, es decir, con intervalos angostos de variación, de manera preferente en operación continua.
El método/planta de la presente invención debe ser particularmente flexible en un objeto específico y las calidades del producto retenido y producto permeado deben ser controlables de forma independiente entre sí. En un objeto muy específico, debe ser posible que se ajuste la capacidad de la planta, por ejemplo conformada a los cambios en el flujo de gas sin refinar, sin tener que liberar o cerrar las áreas de membrana, y/o para modular la presión principal (presión de la corriente de gas de producto retenido), para obtener corrientes de gas de producto que sin re-compresión adicional son útiles como una alimentación, de manera preferente continua, para una línea de transporte de gas.
El sistema de control de la presente invención debe ser de manera preferente simple y opcionalmente integrable en plantas existentes.
Los objetos adicionales a los que no se hace referencia explícita son evidentes a partir del contexto completo de la descripción presente, ejemplos, reivindicaciones y Figuras.
Los objetos de la presente invención se logran por un aparato de acuerdo a las reivindicaciones 1 y 17 y por un método de acuerdo a la reivindicación 9, respectivamente.
El método de la presente invención y el aparato de la presente invención están caracterizados en que se refieren a un arreglo de membranas interconectadas que comprende, al menos una etapa de separación de corriente de alimentación (1) una etapa de separación de producto retenido (2) y una etapa de separación de producto permeado (3), en donde la segunda corriente de producto permeado (9a + 9b) de la etapa de separación de producto retenido (2) y la tercera corriente de producto retenido (10a + 10b) de la etapa de separación de producto permeado (3) se recielan y mezclan con la corriente de gas sin refinar. Al controlar las velocidades de flujo de las dos corrientes (9a) y (10a) y por lo tanto la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) y/o la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3), los inventores lograron de forma sorprendente los objetos señalados.
Por lo tanto, los inventores lograron la provisión de un método y una planta en cada uno de los cuales las purezas y rendimientos de las corrientes de producto de la etapa de separación de producto retenido (2) y de la etapa de separación de producto permeado (3) se pueden controlar de forma independiente entre sí. Se obtienen muy altos rendimientos junto con purezas muy buenas incluso en el caso de fluctuaciones en la corriente de gas sin refinar.
El método de la presente invención hace posible además mantener constante la presión principal (presión de producto retenido de la etapa de separación de producto retenido (2)), por lo que la planta de la presente invención se puede conectar a una línea de transporte de gas sin medios de compresión adicionales.
La planta de la presente invención es particularmente útil para procesar corrientes de gas sin refinar de plantas de biogás. En plantas de este tipo, cambia muy a menudo la cantidad de gas sin refinar generado y la composición del gas sin refinar. Las fluctuaciones se compensan fácilmente por el control provisto por la presente invención.
El control provisto por la presente invención es simple y se puede integrar en plantas de separación de gas existentes.
El método de la presente invención también es flexible, debido a que se pueden utilizar dos o más tipos diferentes de sensores por separado o en combinación. Las composiciones de corrientes se pueden utilizar para controlar las presiones en las etapas de separación (2) y (3), así como las velocidades de flujo de corrientes suministradas a estas etapas de separación. En particular, con el uso de sensores de velocidad de flujo se hace posible un método económico, rápido, preciso y simple después de la calibración.
En consecuencia, la presente invención proporciona aparatos de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 17 y un método de acuerdo con la reivindicación 9. Las modalidades preferidas se respaldan por las reivindicaciones dependientes.
En lo sucesivo se describirá en detalle la presente invención. Primero se definirán algunos términos importantes.
La relación de las permeancias de los gases individuales determina la selectividad de la membrana con respecto a la separación de dos gases y por lo tanto indica que tan eficientemente es la membrana capaz de separar una mezcla de gas con respecto a los dos componentes. El término producto perneado se aplica a la corriente total generada en el lado de baja presión de la membrana, módulos de membrana o paso de separación por membranas.
Gas permeado se refiere a los componentes que la membrana, el módulo de membrana o el paso de separación por membranas cada uno enriquece en la corriente de producto permeado en comparación con la corriente de entrada respectiva.
El producto retenido se refiere a la corriente completa generada en el lado de alta presión de la membrana, módulos de membrana o paso de separación por membranas y que no pasa a través de la membrana.
Gas retenido se refiere a los componentes que la membrana, el módulo de membrana o el paso de separación por membranas cada uno enriquecen en la corriente de producto retenido en comparación con la corriente de entrada respectiva.
Gas sin refinar/mezcla de gas sin refinar/ corriente de gas sin refinar (17) se refiere a una mezcla de gas de dos o más gases y a una corriente de esta mezcla de gas que cada uno se va a separar utilizando el método de la presente invención y/o el aparato de la presente invención.
Corriente de alimentación (5) se refiere a una corriente de gas suministrada a la etapa de separación de corriente de alimentación (1). Esta corriente puede corresponder a la corriente de gas sin refinar (17), respectivamente, a la corriente de gas sin refinar comprimida por un compresor, al inicio del método. Después de recielar la segunda corriente de producto permeado (9b) y de la tercera corriente de producto retenido (10b), la corriente de alimentación (5) está compuesta de los gases de la corriente de gas sin refinar (17), de la segunda corriente de producto permeado (9b), respectivamente, de la tercera corriente de producto retenido (10b). La corriente de alimentación (5) se puede obtener por las corrientes (9b) y (10b) que se mezclan ya sea tanto con la corriente de gas sin refinar no comprimida (17) o con la corriente de gas sin refinar comprimida o una con la corriente no comprimida y una con la corriente de gas sin refinar comprimida, o por las corrientes (9b) y/o (10b) que se mezclan con la corriente de gas sin refinar (17) en el compresor. Las combinaciones de las versiones descritas anteriormente también forman parte de la materia objeto de la presente invención.
La etapa de separación corriente de alimentación (1) se refiere a una etapa de separación por membranas para separar la corriente de alimentación (5) en una primera corriente de producto permeado y una primera corriente de producto retenido, (6) y (7), respectivamente.
La etapa de separación de producto retenido (2) se refiere a una etapa de separación por membranas (que puede ser idéntica o diferente en construcción a la etapa de separación de corriente de alimentación (1)) para separar la primera corriente de producto retenido (7) en una segunda corriente de producto permeado y una segunda corriente de producto retenido, (9a + 9b) y (8), respectivamente.
La etapa de separación de producto permeado (3) se refiere una etapa de separación por membranas (la construcción de la cual puede ser idéntica o diferente que la etapa de separación de corriente de alimentación (1) y/o la etapa de separación de producto retenido (2)) para separar la primera corriente de producto permeado (6) en una tercera corriente de producto permeado y una tercera corriente de producto retenido, (11) y (10a + 10b), respectivamente.
Las modalidades preferidas y específicas descritas más adelante del método de acuerdo a la presente invención y también los diseños preferidos y particularmente adecuados y también las Figuras y las descripciones de los Figuras ahora se utilizaran para proporcionar una explicación adicional simplemente ilustrativos de la invención; es decir, la invención no se limita a estas modalidades y usos de ejemplo o a las combinaciones particulares de características dentro de las modalidades de ejemplo individuales.
Las características individuales indicadas y/o representadas junto con las modalidades de ejemplo concretas no se limitan a estas modalidades de ejemplo o la combinación con otras características de estas modalidades de ejemplo, pero se pueden combinar donde sea téenicamente posible con cualquier otra versión, incluso aunque estas no se analicen de forma separada en el presente documento.
Los signos de referencia idénticos en las Figuras individuales y las ilustraciones de las Figuras designan componentes idénticos o similares o componentes que actúan de una forma idéntica o similar. Las representaciones en la Figura también ilustran aquellas características sin signos de referencia, independientemente de si estas características se han descrito o no de forma posterior. Por otra parte, las características que están incluidas en la presente descripción, pero no son visibles o no se representan en la Figura también son fácilmente evidentes para una persona experta en la téenica.
La presente invención se refiere a un aparato para separar gases, que comprende como etapas de separación por membranas, al menos una etapa de separación de corriente de alimentación (1) una etapa de separación de producto retenido (2) y una etapa de separación de producto permeado (3) y también al menos un compresor (4) y/o al menos, de manera preferente uno o dos, bombas de vacío, en donde la etapa de separación de corriente de alimentación (1) separa una corriente de alimentación (5), que consiste de dos o más componentes, en una primera corriente de producto permeado (6) y una primera corriente de producto retenido (7), la etapa de separación de producto retenido (2) divide la primera corriente de producto retenido (7) en una segunda corriente de producto permeado (9a + 9b), en donde (9a) caracteriza la corriente parcial corriente arriba del medio de control (18) y corriente abajo de la etapa de separación de producto retenido (2) y (9b) que caracteriza la corriente parcial corriente abajo del medio de control (18), y la corriente parcial (9b) se suministra a la corriente de alimentación (5), y una segunda corriente de producto retenido (8) como se remueve como producto o se procesa de forma adicional, la etapa de separación de producto permeado (3) divide la primera corriente de producto permeado (6) en una tercera corriente de producto retenido (10a + 10b), en donde (10a) caracteriza la corriente parcial corriente arriba del medio de control (19) y corriente abajo de la etapa de separación de producto permeado (3) y (10b) que caracteriza la corriente parcial corriente abajo del medio de control (19), y la corriente parcial (10b) se suministra a la corriente de alimentación (5), y una tercera corriente de producto permeado (11), que se remueve como producto o se procesa de forma adicional o se desecha.
El aparato de la presente invención se caracteriza porque - la segunda corriente de producto permeado (9a + 9b) comprende al menos un medio de control de producto permeado (18) con el cual se puede elevar o disminuir la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) y que se controla con base a los valores medidos de uno o más medios de medición (20a) en la primera corriente de producto retenido (7) y/o uno o más medios de medición (20b) en la segunda corriente de producto retenido (8), y/o - la tercera corriente de producto retenido (10a + 10b) comprende al menos un medio de control de producto retenido (19) con el cual se puede elevar o disminuir la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) y que se controla con base a los valores medidos de uno o más medios de medición (21a) en la primera corriente de producto permeado (6) y/o uno o más medios de medición (21b) en la tercera corriente de producto permeado (11).
El método/aparato de la presente invención se caracterizada porque se configura de tal forma que incluso con composiciones o cantidades o presiones variables de la corriente de gas sin refinar (17) que se suministra a la corriente de alimentación (5) junto con la segunda corriente de producto permeado (9b) y la tercera corriente de producto retenido (10b), el control provisto por la presente invención es capaz de asegurar rendimiento y calidad consistentes para las dos corrientes de gas de producto (8) y (11). Se debe enfatizar en particular que las purezas de las corrientes de gas de producto (8) y (11) se pueden controlar de forma independiente la una de la otra; es decir, el control sobre la pureza y el rendimiento de las dos corrientes de producto se ha desacoplado de forma exitosa - en contraste con los métodos de la téenica anterior. Los medios de control (18) y (19) utilizados de acuerdo a la presente invención, que se colocan en las corrientes de regreso (9a + 9b) y (10a + 10b), son responsables de esto.
"Medios de control" en el contexto de la presente invención se van a entender como que significan dispositivos, componentes estructurales, plantas o partes de plantas que hacen posible elevar o disminuir la presión en las corrientes de regreso (9a) y (10a). Una lista no exhaustiva de medios de control posibles incluye: válvulas reductoras de presión o elevadoras de presión, medios de despresurización de gas, bombas de vacío, sopladores, medios de compresión, especialmente compresores.
Los medios de control (18) y (19) se regulan con valores medidos determinados por los medios de medición (20a), (20b), (21a) y (21b).
En una primera modalidad preferida de la presente invención, los medios de medición (20b) y (21b) determinan parámetros de las corrientes de producto (8) y (11), tal como, por ejemplo, el contenido de uno o más componentes en las corrientes de gas. Los parámetros de las corrientes de gas de producto (8) y/o (11) se pueden determinar con los medios de medición (20b) y (21b) en línea o fuera de línea, dependiendo de los medios de medición utilizados. Una medición en línea es preferible debido a que la regulación puede ser más rápida como resultado. Una persona experta en la téenica conoce medios de medición adecuados. De manera preferente, sin embargo, estos son dispositivos de medición de gas capaces de medir la composición de las corrientes de gas con respecto a uno o más componentes, especialmente dispositivos de medición en línea que miden directamente en la corriente de gas (mediante absorción infrarroja o velocidad del sonido, densidad, Coriolis, a manera de ejemplo) y dispositivos de medición externos de acuerdo a los mismos principios de medición, que toman una muestra de la corriente y la miden ya sea de forma continua o no continua. Estos tienen la ventaja de que se puede determinar la composición muy rápidamente y está inmediatamente disponible como una variable de entrada en el sistema de control.
En el caso de una variación en la composición del gas sin refinar o algún cambio en la cantidad o presión de la corriente de gas sin refinar (17) y/o de la corriente de alimentación (5), las propiedades, por ejemplo las composiciones, de las corrientes de producto (8) y (11) cambiarían en la ausencia de cualquier control por contador. Los medios de medición (20b) y (21b) registran estos cambios e inician una medición de control por contador mediante los medios de control (18) y (19), por lo que la planta de la presente invención se puede controlar de tal forma que las propiedades, especialmente las composiciones, de las corrientes de gas de producto (8) y (11) están de nuevo en un intervalo/ruta predeterminada. La planta de la presente invención permite el control simultáneo de las dos corrientes de gas de producto (8) y (11), o bien sigue manteniendo solo una de las dos corrientes en la ruta predeterminada.
En esta primera modalidad preferida de la presente invención, por lo tanto, la presente invención proporciona métodos en donde la planta de la presente invención se controla de acuerdo a una o más de las siguientes alternativas: i. La concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también opcionalmente determinada a través de una parámetro que se correlaciona con la misma) de la segunda corriente de producto retenido (8) cae por debajo de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la segunda corriente de producto permeado (9a) por lo tanto se disminuye por el medio de control de producto permeado (18) hasta que el parámetro, particularmente la concentración deseada, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. ii. La concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también determinado opcionalmente a través de un parámetro que se correlaciona con la misma) de la segunda corriente de producto retenido (8) se eleva por encima de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la segunda corriente de producto permeado (9a) por lo tanto se eleva por el medio de control de producto permeado (18) hasta que el parámetro, en particularmente la concentración deseada, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. 111. La concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también opcionalmente determinada a través de una parámetro que se correlaciona con la misma) de la tercera corriente de producto permeado (11) cae por debajo de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la tercera corriente de producto retenido (10a) por lo tanto se eleva por el medio de control de producto retenido (19) hasta que el parámetro, de manera preferente la concentración deseada, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. iv. La concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también opcionalmente determinada a través de una parámetro que se correlaciona con la misma) de la tercera corriente de producto permeado (11) se eleva por encima de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la tercera corriente de producto retenido (10a) por lo tanto se disminuye por el medio de control de producto retenido (19) hasta que el parámetro, particularmente la concentración deseada, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia.
En una segunda modalidad preferida, el aparato de acuerdo a la presente invención comprende medios de medición (20a) y (21a). Los medios de medición (20a) y (21a) determinan parámetros de la primera corriente de producto retenido (7) y de la primera corriente de producto permeado (6), respectivamente, tal como el volumen de flujo, a manera de ejemplo. En esta modalidad, en consecuencia las propiedades de las corrientes de producto (8) y (11) no son las que se analizan, sino las propiedades de las corrientes de gas suministradas a la segunda/tercera etapa de separación por membranas.
En el caso de una fluctuación en la composición o un cambio en la cantidad o presión de la corriente de gas sin refinar (17) o la corriente de alimentación (5), esta, ausente de cualquier control por contador, tiene un efecto en las propiedades, por ejemplo, la composición o cantidades y presiones, de la primera corriente de producto permeado (6) y de la primera corriente de producto retenido (7), respectivamente. Los medios de medición (20a) y (21a) registran estos cambios.
La calibración de planta hace posible correlacionar estas propiedades de la primera corriente de producto permeado (6) con aquellas de la tercera corriente de producto permeado (11) (segunda corriente de producto) y aquellas de la primera corriente de producto retenido (7) con aquellas de la segunda corriente de producto retenido (8) (primera corriente de producto). Por lo tanto, los medios de medición (20a) y (21a) también se pueden utilizar para controlar las propiedades, especialmente la composición y el rendimiento, de las dos corrientes de producto (8) y (11). Esto se cumple de nuevo utilizando los medios de control (18) y (19). El control sobre las composiciones de las corrientes de gas de producto (8) y (11) también se desacopla en esta modalidad y estas se pueden regular cada una de forma independiente la una de la otra. Las propiedades de la segunda corriente de producto retenido (8) (primera corriente de producto) y de la tercera corriente de producto permeado (11) (segunda corriente de producto) se van a entender en este caso como que significan parámetros que se pueden medir en la corriente particular y que la planta de la presente invención se va a mantener con un cierto intervalo o manipular en un cierto intervalo. Es particularmente preferible que se tenga interés en la composición y/o la presión y/o la velocidad/caudal de volumen de las corrientes de producto particulares, ya que estos parámetros tienen que estar dentro de ciertos límites para alimentar el gas de producto en una tubería. Estas propiedades/parámetros en la presente también son referidos como propiedades correlacionadas con el caudal de volumen particular de la primera corriente de producto retenido (7) o de la primera corriente de producto permeado (6).
Como se explicó, primero tiene que haber una calibración de un solo aparato de la planta en esta modalidad de la presente invención. Sin embargo, este gasto extra inicial e inconveniencia están más que compensados por el hecho de que, después de la calibración, puede tomar lugar una medición simple de velocidad de flujo de las corrientes (6) y (7), por ejemplo, que es más rápido y económico que, por ejemplo, monitorear de forma continua la composición de las corrientes de gas de producto (8) y (11).
Los principios básicos de calibración ahora se explicarán utilizando una planta de biogás con un arreglo interconectado de tres etapas de la presente invención como un ejemplo. El aparato de la presente invención se puede calibrar como sigue: Primero, se eligen las concentraciones de punto de referencia para el componente que se permea menos fácilmente B en la tercera corriente de producto permeado (11) y en la segunda corriente de producto retenido (8). Entonces, la composición, por ejemplo, de la corriente de gas sin refinar (17) se varía y los medios de medición (20a) y (21a) se utilizan para determinar los cambios en los parámetros objetivo, el caudal de volumen en esta calibración de ejemplo, de la primera corriente de producto retenido (7) y de la primera corriente de producto permeado (8). De forma concurrente, los medios de medición (20b) y (21b), mediante sensores de gas, a manera de ejemplo, se utilizan para determinar los cambios en las composiciones de la tercera corriente de producto permeado (11) y de la segunda corriente de producto retenido (8). Además, la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) y la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto pern eado (3) se midan. Utilizando los medios de control (18) y (19), las presiones de producto permeado y, respectivamente, de producto retenido se pueden ajustar hasta que se restablece la concentración de punto de referencia del componente B en la tercera corriente de producto permeado (11) y en la segunda corriente de producto retenido (8). Entonces posible graficar los flujos de volumen medidos de la primera corriente de producto retenido (7) contra la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) y los flujos de volumen de la primera corriente de producto permeado (6) contra la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3). La Figura 2 muestra a manera de ejemplo como se tiene que ajustar la presión en el producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) para mantener una concentración consistente para el componente que se permea menos fácilmente B en la corriente de producto retenido (8). Se debe mencionar que la composición de gas de la corriente de gas sin refinar aquí provoca una translocación paralela de las curvas. Esto también es evidente en la Figura 2, donde la trayectoria de curva de la presión de producto permeado necesaria de la etapa de separación de producto retenido (2) como una función del flujo del volumen de la primera corriente de producto retenido (7) se indica para tres composiciones de gas sin refinar diferentes (45, 55 y 65% del componente B). Como se puede ver, el resultado es una curva distinta separada de cada composición de gas sin refinar.
Donde el objetivo de separación es solamente para asegurar una calidad mínima para el componente que se permea menos fácilmente B en la segunda corriente de producto retenido (8), se puede simplificar el método de la presente invención al evitar la determinación de diferentes curvas para diferentes concentraciones del peor producto permeado del gas sin refinar y utilizando solamente la curva operativa con la concentración más alta del componente que se permea más fácilmente A. De forma alternativa, solo se puede utilizar la curva operativa con la concentración más baja del componente que se permea menos fácilmente B. Cuando incrementa la concentración del componente que se permea menos fácilmente B en el gas sin refinar, debería ser realmente necesario incrementar la presión en el producto permeado de la etapa 2 a fin de que se puede mantener constante la concentración del componente que se permea menos fácilmente B en el gas retenido de la etapa 2. Cuando no se ajusta la presión, se eleva la concentración del componente B en el producto retenido de la etapa 2, pero siempre estará por encima del valor de punto de referencia mínimo definido sobre el uso de la línea de calibración con la concentración más baja del componente B en el gas sin refinar.
En tanto que dos o más curvas a diferentes composiciones de gas sin refinar dan por resultado el caso de corriente de producto retenido (8), los datos para las presiones en el producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) versus el caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado (6) pueden estar en una curva (como un ejemplo ver Figura 3).
Al utilizar las funciones matemáticas derivadas para las curvas obtenidas, entonces, es posible - únicamente al medir el caudal de volumen utilizando los medios de medición (20a) y/o (21a) - asegurar el control rápido de la planta, incluso sin una medición más costosa e inconveniente de las concentraciones en las corrientes de producto utilizando medios de medición (20b) y (21b), incluso cuando cambia la composición de gas sin refinar o cuando se van a procesar más gases sin refinar.
En caso de una cantidad variable de gas sin refinar, es ventajoso que los medios de control (medios de controlador) del compresor reciban una señal de un medidor de nivel de llenado en la planta de biogás (por ejemplo, bolsa de gas o presión en el termentador) o de un sensor en la corriente de gas sin refinar (17). El compresor entonces también se puede controlar de tal forma que se preserva el nivel de punto de referencia del biogás sin refinar. La planta entonces se regula a sí misma de acuerdo al mecanismo de regulación descrito anteriormente. Los detalles con respecto a esta modalidad preferida se encuentran en lo sucesivo.
Los medidores de velocidad de flujo (masa o volumen) son preferidos para uso como medios de medición (20a) y/o (21a). Los parámetros se pueden determinar por los medios de medición (20a) y (21a) en línea o fuera de línea. Es preferible una medición en línea. Una persona experta en la téenica conoce medios de medición adecuados.
La presente invención en esta modalidad proporciona en consecuencia métodos en los cuales la planta de la presente invención se controla de manera preferente de acuerdo a una o más de las siguientes alternativas: v. El caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido (7) (también determinado opcionalmente a través de un parámetro que se correlaciona con el mismo) se eleva por encima de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la segunda corriente de producto per eado (9a) por lo tanto se disminuye por el medio de control de producto permeado (18) hasta que se alcanza la presión necesaria de acuerdo a la curva de calibración y por lo tanto la propiedad deseada de la segunda corriente de producto retenido (8), de manera preferente la composición de la segunda corriente de producto retenido (8), está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. vi. El caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido (7) (también determinado opcionalmente a través de un parámetro que se correlaciona con el mismo) cae por debajo de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la segunda corriente de segundo permeado (9a) por lo tanto se eleva por el medio de control de producto permeado (18) hasta se alcanza la presión necesaria con base en la curva de calibración y por lo tanto la propiedad deseada de la segunda corriente de producto retenido (8), de manera preferente la composición de la segunda corriente de producto retenido (8), está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. vii. El caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado (6) (también determinado opcionalmente a través de un parámetro que se correlaciona con el mismo) se eleva por encima de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la tercera corriente de producto retenido (10a) por lo tanto se eleva por el medio de control de producto retenido (19) hasta que se alcanza la presión necesaria con base a la curva de calibración y por lo tanto la propiedad deseada de la tercera corriente de producto permeado (11), de manera preferente la composición de la tercera corriente de producto permeado (11), está de nuevo en el intervalo de punto de referencia, viii. El caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado (6) (también determinado opcionalmente a través de un parámetro que se correlaciona con el mismo) cae por debajo de un valor de punto de referencia predeterminado, la presión de la tercera corriente de producto retenido (10a) por lo tanto se disminuye, por el medio control de producto retenido (19) hasta que se alcanza la presión necesaria con base a la curva de calibración y por lo tanto la propiedad deseada de la tercera corriente de producto permeado (11), de manera preferente la composición de la tercera corriente de producto permeado (11), está de nuevo en el intervalo de punto de referencia.
Una ventaja enorme de la planta de acuerdo a la presente invención y del método de acuerdo a la presente invención reside en la capacidad de planta extremadamente flexible, es decir, la capacidad para variar la salida de la planta y para ajustarla a la demanda de gas de producto. Por lo tanto, como se mencionó, se puede realizar sin liberar/cerrar las áreas de membrana. En una modalidad preferida de la presente invención, se eleva o se disminuye el desempeño de la planta de la presente invención al cambiar la capacidad de volumen del compresor (4), y se contrarresta un cambio resultante en la concentración del componente que se permea menos fácilmente B en la segunda corriente de producto retenido (8) según las alternativas de método i/ii, y/o se contrarresta un cambio resultante en la concentración del componente que se permea menos fácilmente B en la tercera corriente de producto pern eado (11) según las alternativas del método iii/iv y/o se contrarresta un cambio resultante en la velocidad de flujo de la primera corriente de producto retenido (7) de acuerdo a las alternativas de método v/vi, y/o se contrarresta un cambio resultante en la velocidad de flujo de la primera corriente de producto permeado (6) de acuerdo a las alternativas de método vii/viii.
Los métodos descritos anteriormente i a viii se pueden combinar entre sí o unos con otros, y/o se pueden utilizar formas híbridas. Los medios de medición (20a), (20b), (21a) o (21b) se refieren a dispositivos de medición individuales, máquinas, etcétera., pero también a combinaciones o montajes conectados de dos o más dispositivos, máquinas, etcétera.
Los medios de medición (20a), (20b), (21a) o (21b) se puede combinar entre sí de una forma flexible en las diferentes alternativas de método. Por ejemplo, se puede utilizar un medio de medición (20a) junto con un medio de medición (20b) para regular los medios de control de producto permeado (18). En este caso, sería un sistema de medición de respaldo por el cual se pueden verificar los sistemas de medición y cotejar entre sí. De esta forma es posible determinar, por ejemplo, si ha fallado un medio de medición. Las modalidades correspondientes de la presente invención son fácilmente encontrables partir de la descripción y los ejemplos de la presente invención por una persona experta en la téenica, y también están abarcadas por la invención.
Dependiendo del medio de medición y/o control utilizado y también el número de los mismos, puede ser ventajoso que al menos un medio procesar de datos (no mostrado en las Figuras), de manera preferente al menos una computadora, se conecte entre medio de la medición y de control. Esto proporciona control central fácil sobre el aparato/método de la presente invención y una forma de registrar y coordinar los diferentes valores medidos/pasos de regulación. Las soluciones técnicas correspondientes están comercialmente disponibles y/o se conocen por aquellos expertos en la técnica y están abarcadas por el alcance de la presente invención.
Es particularmente preferible que los medidores de flujo se utilicen como medios de medición (20a) y/o (21a) en la primera corriente de producto retenido (7) y/o en la primera corriente de producto permeado (6) en el método de la presente invención.
Asimismo, es particularmente preferible utilizar un medio de medición en línea o fuera de línea (20b) y/o (21b) en la segunda corriente de producto retenido (8) y/o en la tercera corriente de producto permeado (11) para determinar la composición de la mezcla de gas particular.
Además de las corrientes (9a + 9b) y (10a + 10b) que se controlan por los medios de control (18) y (19), como se describe anteriormente, la presente invención también abarca modalidades en las cuales aún se incorporan controles de laso cerrado/abierto adicionales en el aparato/método.
En una modalidad preferida adicional, el aparato de la presente invención comprende uno medio controlador (24) (no mostrado en las Figuras) para regular el desempeño del compresor (4), de manera preferente su velocidad de rotación y por lo tanto su capacidad de volumen. Un transformador de frecuencia sería un ejemplo del mismo.
El medio controlador se utiliza de manera preferente para ajustar el desempeño del compresor a la cantidad de gas sin refinar (la producción de biogás en un termentador, a manera de ejemplo) que se va a separar o la cantidad de gas de producto (por ejemplo, corriente de metano en la corriente de producto retenido (8)) que se va a producir. El cambio en la cantidad de producción de gas sin refinar (por ejemplo, biogás sin refinar a partir de una planta de biogás) se puede deducir, por ejemplo en un indicador de nivel de llenado de un almacenamiento intermedio gas sin refinar o en la presión del gas sin refinar en un termentador. Cuando el nivel de llenado o la presión en el termentador se elevan, se puede incrementar la capacidad de separación de la planta de separación por membranas al incrementar la velocidad de rotación del medio de compresión.
La presión en el termentador o el nivel de llenado en el almacenamiento intermedio se puede mantener constante o se puede disminuir. Si, por el contrario, disminuye el nivel de llenado en el almacenamiento intermedio o la presión en el termentador, se puede reducir la capacidad de separación de la planta de separación por membranas al reducir la velocidad de rotación del compresor y por lo tanto se puede mantener constante o se puede disminuir el nivel de llenado en el almacenamiento intermedio o la presión en el termentador. Un cambio en el caudal de volumen alimentación (5) como resultado de un cambio en la velocidad de rotación del compresor daría por resultado una composición cambiada para la corriente de producto retenido (8) y para la corriente de producto permeado (11). Una enorme ventaja por parte de la presente invención es que este cambio se puede impedir por los mecanismos de control de laso cerrado descrito anteriormente en esta invención. Al proporcionar esta forma de control de la planta con respecto a la capacidad y calidad de los gases de producto, entonces, la presente invención hace posible que se controle la capacidad de separación de la planta y la composición de las corrientes de gas de producto (8) y (11) de forma independiente la una de la otra. Por lo tanto, se puede cambiar la capacidad de la planta dentro de ciertos límites mediante los medios de control (18) y (19) y el medio controlador del compresor, sin cambiar las calidades de gas de producto en las corrientes (8) y (11), sin tener que ajustar la presión de producto retenido en las etapas de separación (1) y (2) y sin tener que liberar o cerrar áreas de membrana.
Esta flexibilidad en capacidad se puede limitar a un cierto intervalo de velocidad de compresor y por lo tanto capacidad de volumen de gas sin refinar, que se determina por el diseño de la planta, especialmente con respecto a la presión en las etapas de separación, relaciones de área de membranas en las etapas de separación individuales (1), (2) y (3) y en particular con respecto a los medios de control (18) y (19) y su ancho de banda en relación con el ajuste de la presión en las corrientes de gas respectivas (9a) y (10a). Si, por ejemplo, la presión mínima posible en la corriente de producto permeado (9a) es 0.3 bar, entonces esta es el parámetro limitante para el caudal de volumen de gas de alimentación (5). Un incremento adicional en el caudal de volumen de gas de alimentación (5) significaría que la concentración del componente más lento B en la corriente de producto retenido (8) caería por debajo del valor de punto de referencia y en consecuencia ya no se podría mantener el punto operativo deseado de la planta. Lo mismo se aplica en el caso de que la presión en el producto permeado (9a) no se pudiera incrementar aun nivel mayor que, por ejemplo, la presión ambiental. Esta presión, entonces, limita la reducción en el caudal de volumen de alimentación (5), ya que una reducción adicional en el caudal de volumen de alimentación (5) provocaría que el contenido del componente que se permea menos fácilmente B en el producto retenido (8) se elevará por encima del valor de punto de referencia.
"Medio controlador" en la presente se va a entender como que se refiere a la unidad de control del compresor, que controla el desempeño del compresor, de manera preferente su velocidad de rotación. Este medio de controla se puede configurar de tal forma que procesa los datos medidos de sensores en la corriente de gas sin refinar (17) y/o en almacenamientos corriente arriba o medios de producción. Por ejemplo, la señal de los medios de medición entonces se puede utilizar para controlar un transformador de frecuencia de un medio de compresión. Los compresores y los medios controladores/de control están comercialmente disponibles y se conocen por aquellos expertos en la téenica.
La modalidad descrita anteriormente, es decir, el control y ajuste del desempeño del compresor, se puede utilizar para asegurar que se ajusta la capacidad de separación de la planta de separación por membranas a los requisitos de producción de gas sin refinar y/o cantidades necesarias de gases de producto (8) y (11). Las fluctuaciones en la composición de gas de las corrientes (8) y (11), debido a la cantidad de gas sin refinar (17) que se va a procesar y su composición variable, se compensan por los medios de control (18) y (19).
En una modalidad preferida adicional, el aparato de la presente invención se configura de tal forma que las cantidades cambiantes de gas recielado de la segunda corriente de producto permeado (9b) y/o la tercera corriente de producto retenido (10b) se igualan, de manera preferente de forma automática, por una regulación de la cantidad suministrada de gas sin refinar, de la corriente de gas sin refinar (17). Esto se presenta particularmente de manera preferente sin cambiar la velocidad de rotación del compresor. Esto permite el uso de compresores más simples, y menos costosos no ajustables.
Los medios de medición (22) y (23) empleados en esta modalidad pueden ser sensores de gas, medidores de velocidad de flujo másico o de caudal de volumen o manómetros en la segunda corriente de producto permeado (9b) y/o la tercera corriente de producto retenido (10b). La velocidad de alimentación del gas sin refinar se controla de manera preferente por un medio de control de corriente de gas sin refinar (25) en la corriente de gas sin refinar. El medio de control de corriente de gas sin refinar tiene que ser capaz de reemplazar la cantidad pérdida (= diferencia entre cantidad aspirada del medio de compresión y la suma total de las corrientes recicladas (9b) y (10b)). Esto se logra por ejemplo al construir el medio de control de corriente de gas sin refinar como una medición de presión en el lado de succión del medio de compresión (4). Un aparato de dosificación (por ejemplo, una válvula analógica ajustable o un soplador o una unidad de compresión) controlado por esta medición de presión entonces puede mantener una presión constante mediante cantidades alimentadas de forma diferente de gas sin refinar (17). Si el gas sin refinar está bajo una presión que se ajusta a las especificaciones de la presión de aspiración del compresor, la cantidad de gas sin refinar necesaria además de las corrientes de regreso (9b) y (10b) también se puede aspirar directamente por el compresor sin ningún medio de control de gas sin refinar adicional (17). De nuevo, se puede conectar un medio procesar de datos entre los medios de medición (22) y (23), y también el medio de control de corriente de gas sin refinar (25).
En principio, el medio procesador de datos anteriormente mencionado puede referirse a diferentes medios, es decir, dos o más medios procesadores de datos se pueden utilizar en el método de la presente invención. Estos medios procesadores de datos, se pueden opcionalmente conectar en red. De manera preferente, sin embargo, solo se utiliza un medio procesador de datos para supervisar de forma central y regular todos los pasos de control y de medición.
El aparato de la presente invención, ver Figura 1 a manera de ejemplo, comprende cómo se mencionó al menos una interconexión de tres etapas de separación por membranas. Cada etapa consiste de uno o más módulos de separación de gas físico que se interconectan en paralelo y/o de forma en serie dentro de una etapa. La fuerza impulsora para separación de gas en los módulos es una diferencia de presión parcial creada entre los lados de producto retenido y producto permeado en las etapas de separación por membranas respectivas. Se crea la diferencia de presión parcial por un compresor (4), arreglado en el lado de alimentación de la etapa de separación de corriente de alimentación (1), y opcionalmente mediante al menos una, de manera preferente uno o dos bombas de vacío (no representadas en la Figura 1) corriente abajo de la etapa de separación de corriente de alimentación (1), de manera preferente en el lado de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) en la segunda corriente de producto permeado (9a + 9b) y/o en el lado de producto permeado de la etapa de separación de producto permeado (3) en la tercera corriente de producto permeado (11). También algunas veces puede ser ventajoso utilizar una corriente de gas de purga del lado del producto permeado en una o más de las etapas de separación por membranas para crear/amplificar la diferencia de presión parcial.
En una modalidad preferida de la presente invención, un compresor (4) comprime la mezcla de gas sin refinar, o la mezcla de gas de la corriente de gas sin refinar (17) y la segunda corriente de producto permeado (9b) y/o la tercera corriente de producto retenido (10b), a la presión deseada en el intervalo de 5 a 100 bar, pero de manera preferente a una presión en el intervalo de 9-75 bar. Si la corriente de gas sin refinar (17) ya tiene la presión necesaria, el medio de compresión (4) solo necesita comprimir la segunda corriente de producto permeado (9b) y/o la tercera corriente de producto retenido (10b) a la presión deseada en el intervalo de 5 a 100 bar, pero de manera preferente a una presión en el intervalo de 9-75 bar. La corriente de alimentación resultante (5) se introduce en la etapa de separación de corriente de alimentación (1). La etapa de separación de corriente de alimentación (1) pre-separa la mezcla de gas sin refinar en componentes que se permean más fácilmente (gas permeado), que pasan en gran parte en el producto permeado de la primera etapa, y componente que se permean menos fácilmente (gas retenido), que se retienen predominantemente por la membrana y se acumulan en el producto retenido.
En una modalidad preferida, el método/aparato de la presente invención se configura de tal forma que la concentración de al menos un gas permeado de la etapa de separación de corriente de alimentación (1), después de regresar a la segunda corriente de producto pern eado (9b) y la tercera corriente de producto retenido (10b), se eleva en la corriente de alimentación (5), de manera preferente por no menos de 2%, de manera más preferente por no menos de 3% e incluso de manera más preferente por 3 a 40%, todo en comparación con la concentración en la corriente de gas sin refinar (17). El grado de incremento puede depender de la composición de la corriente de gas sin refinar (17) y está marcada particularmente a bajas concentraciones de un gas permeado (10 a 20%). El incremento de concentración de uno de los gases de permeado es de manera preferente entre 2 y 15% y de manera más preferente entre 3 y 8% cuando el contenido de gas permeado de la corriente de gas sin refinar (17) está entre 30 y 70%. Ha resultado que el rendimiento de gas retenido del proceso completo incrementa y por lo tanto disminuye la pérdida de gas retenido en el incremento de la concentración de gas permeado en la etapa de separación de corriente de alimentación (1). Para un corte de etapa dado (= relación de flujo de producto permeado a flujo de alimentación para la etapa bajo consideración), claramente pasa menos gas permeado en el producto permeado de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) cuando la concentración de al menos un componente A que se permea más fácilmente en la etapa de separación de corriente de alimentación (1) o de un gas permeado A se incrementa en la corriente de alimentación (5). De forma similar, se observó una disminución en la reducción de concentración del componente A o de un gas permeado A en la corriente de alimentación (5) que se va a purificar. Por lo tanto, el corte de etapa está entre 10 y 60%, de manera preferente entre 15 y 55% y de manera más preferente entre 20 y 50% para una concentración de 50% de un componente A o de un gas permeado en la corriente de alimentación (5) que se va a purificar. En una modalidad particularmente preferida de la presente invención, el método/aparato de la presente invención se configura de este modo de tal forma que el nivel de gases permeados de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) en la corriente de alimentación (5) no es menos de 40% en volumen, de manera preferente más de 50% en volumen y de manera mucho más preferente más de 55% en volumen, con base en el volumen de la corriente de alimentación (5), después de recielar la segunda corriente de producto permeado (9b) y la tercera corriente de producto retenido (10b). Este incremento de concentración para gases permeados en la corriente de alimentación (5), como se explicó, funciona para incrementar la eficiencia de la etapa de separación de corriente de alimentación (1), que a su vez tiene la consecuencia de que el pasa menos gas retenido B en la primera corriente de producto permeado (6). Esto a su vez incrementa la eficiencia de la etapa de separación de producto permeado (3) y asegura aquí también que pase menso gas retenido indeseado en la tercera corriente de producto permeado (10a + b). En particular con la separación de gases sin refinar que contienen metano, esto conduce a la ventaja de que se redujeron claramente las emisiones indeseadas del metano de gases de efecto invernadero.
En general, es preferible que del 20 a 100% y de manera más preferente del 40 al 70% del componente que se permea más fácilmente A, es decir, gas permeado A, pase de la corriente de alimentación (5) en el producto permeado en la etapa de separación de corriente de alimentación (1).
El producto retenido de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) viaja - opcionalmente con reducción de presión a través de una presión opcionalmente presente - válvula reductora (12) o con elevación de presión - en la primera corriente de producto retenido (7) a la etapa de separación de producto retenido (2), donde toma lugar la purificación final. El lado del producto retenido de la etapa de separación de producto retenido (2), es decir, la segunda corriente de producto retenido (8), de manera preferente coloca una válvula reductora de presión (13) (no mostrada en la Figura 1) con la cual se puede mantener y conservar constante la presión principal en el sistema (presión operativa de las etapas de separación (1) y (2) = presión de producto retenido de las etapas (1) y (2)). Se incrementa de forma adicional el nivel de los componentes que se permean menos fácilmente B, es decir, un gas retenido B, en la etapa de separación de producto retenido (2) de tal forma que el contenido del componente B o de un gas retenido B en la segunda corriente de producto retenido (8) es más de 90%, de manera preferente más de 95% y de manera más preferente más de 97%. En una versión particularmente preferida, el metodo/aparato de la presente invención está caracterizado en consecuencia en que no menos del 95%, de manera preferente no menos del 97%, de manera más preferente no menos del 99% y de manera mucho más preferente no menos del 99.5% del componente retenido de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) importado en el aparato con la corriente de gas sin refinar (17) se exporta mediante la segunda corriente de producto retenido (8).
El corte de etapa de la etapa de separación de producto retenido (2) está entre 10 y 60% y de manera preferente entre 20 y 50% para una concentración del 50% del componente A o de un gas permeado A en la primera corriente de producto retenido (7).
El producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) se reciela mediante la segunda corriente de producto permeado (9b) - de manera más preferente sin porciones de la corriente de producto permeado (9a o 9b) que se suministra primero a la primera corriente de producto retenido (7) corriente abajo de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) e incluso de manera más preferente de forma completa - y se suministra a la corriente de alimentación (5) y se re-procesa. Esto - como se explicó previamente junto con la definición del término "corriente de alimentación" - puede tomar lugar de diferentes formas dependiendo si se utiliza un compresor (4) o incluso un compresor de múltiples etapas (4). En el caso de compresor de una sola etapa (4), la segunda corriente de producto permeado (9b) se suministra de manera preferente al lado de succión del compresor (4).
El producto permeado de la etapa de separación de corriente de alimentación (1), altamente enriquecido con el componente A o un gas permeado A se suministra a la etapa de separación de producto permeado (3) mediante la primera corriente de producto permeado (6). El medio de control de producto retenido (19) en la corriente de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3), es decir, en tercera corriente de producto retenido (10a + b), se tiene que utilizar para detener la presión del producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) que cae a la presión ambiental. De esta forma, la fuerza impulsora se puede limitar para la etapa de separación de producto permeado (3). La etapa de separación de producto permeado (3) produce un producto permeado que tiene un contenido de más de 95% y de manera preferente más de 97% e incluso de manera más preferente más de 99%, del componente que se permea más fácilmente A o de un gas un permeado A que se exporta del aparato mediante la tercera corriente de producto permeado (11). En una modalidad particularmente preferida del aparato de acuerdo a la presente invención, no más del 5%, de manera preferente no más del 3%, de manera más preferente no más del 1% y de manera mucho más preferente no más del 0.5% del componente que se permea menos fácilmente B de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) alimentado en el aparato con la corriente de gas sin refinar (17) se exporta mediante la tercera corriente de producto permeado (11).
El corte de etapa para la etapa de separación de producto permeado (3) está de manera preferente entre 50 y 95% y de manera más preferente entre 70 y 93%.
La tercera corriente de producto retenido (10b) se reciela, se suministra a la corriente de alimentación (5) y se re-procesa. Esto se puede realizar de diferentes formas y puede depender, por ejemplo, de si se utiliza un compresor (4) o incluso un compresor de múltiples etapas (4). En el caso de un compresor de una sola etapa (4), la tercera corriente de producto retenido (10b) se suministra de manera preferente al lado de succión del compresor (4) cuando la presión de aspiración del compresor es menor que la presión de producto retenido de la etapa de separación (3). Cuando se utiliza un compresor de múltiples etapas, es preferible introducir la tercera corriente de producto retenido (10b) en el compresor entre dos etapas de compresión cuando la presión e etapa del compresor en la etapa particular es menor que la presión de producto retenido de la etapa de separación (3).
En una modalidad preferida adicional del método/ aparato de la presente invención, se configura de forma particular de tal forma que el volumen de gas recielado en la segunda corriente de producto permeado (9b) y en la tercera corriente de producto retenido (10b) asciende a un total de menos de 60% en volumen, de manera preferente 10 a 50% en volumen e incluso de manera más preferente 20 a 40% en volumen, del volumen de la corriente de gas sin refinar (17). La cantidad de corrientes de gas de producto retenido que se va a reciclar se controla de acuerdo a las purezas necesarias en las corrientes de gas de producto (8) y (11). Entre menores sean las purezas necesarias, menores serán las corriente de regreso (9b) y (10b). Las corrientes de regreso se afectan de forma muy particular por el tipo y la selectividad de los módulos de membrana utilizados en las etapas de separación por membranas (1) a (3). Los módulos de membrana que poseen selectividad mejorada producen una reducción diferente en las corrientes de regreso (9b) y (10b). De forma similar, la presión principal en el sistema (= presión en las etapas de separación (1) y (2)) afecta la cantidad de gases recielados. Entre mayor sea la presión en el sistema, menores serán las cantidades recicladas. Las relaciones de área de membrana en las etapas individuales son una influencia adicional. Áreas más grandes en la etapa de separación (3), por ejemplo, reducen el flujo de corriente de regreso, mientras que las áreas más grandes en etapa de separación (2) incrementan los flujos de corriente de regreso. Por lo tanto, el método/aparato de la presente invención se caracteriza por asegurar el incremento anteriormente detallado en la concentración del componente permeado en la corriente de alimentación (5) a pesar de corrientes de regreso muy pequeñas. Esto conduce a un incremento diferente en la eficiencia del método completo.
Como se explicó, es particularmente ventajoso utilizar un compresor de múltiples etapas (4). Esto es debido a que en este caso puede estar abstenido de la descompresión completa del producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3), ya que el producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) se puede alimentar en entre dos etapas de compresión del compresor (4). Ya que esta etapa de separación de producto retenido (2) se operaría en general en el intervalo de selectividad limitada en el caso de descompresión a la presión de alimentación, puede ser útil que la segunda corriente de producto permeado (9a) se descomprima simplemente a un nivel de presión mayor de una unidad de aumento de presión de múltiples etapas, es decir, un compresor de múltiples etapas (4), ya que esto reduce los costos operativos para la unidad de compresión sin empeorar significativamente el resultado de separación. Una modalidad particularmente preferida de la presente invención, por lo tanto, utiliza un compresor de múltiples etapas (4) y suministra corrientes de gas (9b) y (10b) a este compresor entre dos etapas de compresión en cada caso.
En una modalidad preferida, la caída de presión a lo largo de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) se limita a 1 y 30 bar, de manera preferente a 2 y 20 bar y de manera más preferente entre 3 y 10 bar. Al mismo tiempo, o de forma alternativa, es preferible asegurar que la caída de presión a lo largo de la etapa de separación de corriente de alimentación (1) y la etapa de separación de producto retenido (2) se limite a 1 y 100 bar, de manera preferente entre 5 y 80 bar y de manera más preferente entre 10 y 70 bar.
El aparato/método de la presente invención puede en principio lograrse con cualquier membrana capaz de separar mezclas de gas binarias o mezclas de múltiples gases. Los plásticos son preferibles pero no se utilizan de forma exclusiva como materiales de membrana. Es particularmente preferible utilizar poliimidas, poliamidas, polisulfonas, acetatos de celulosa y derivados, óxidos de polifenileno, polisiloxanos, polímeros que tienen icroporosidad intrínseca, membranas de matriz mixtas, membranas de transporte facilitado, óxidos de polietileno, óxidos de polipropileno, membranas de carbono o zeolitas o mezclas de los mismos como plásticos en la capa activa de separación.
Las membranas particularmente preferidas incluyen como materiales para la capa activa de separación, o como un material para la membrana completa, una poliimida de la fórmula general donde 0 £ x £ 0.5 y l > y > 0.5 y R corresponden a uno o más, radicales idénticos o diferentes R seleccionados del grupo que consiste de los radicales Ll, L2, L3 y L4 Es particularmente preferible que un polímero se refiere donde x = 0, Y = l y R es 64% en mol de L2, 16% de L3 en mol y 20% en mol de L4. Este polímero está disponible de parte de Evonik Fibres GmbH bajo el nombre de P84 o P84 tipo 70 (números CAS 9046-51-9). Se da especial preferencia a un polímero que tiene la composición x = 0.4, y = 0.6 y R que es 80% en mol de L2 y 20% en mol de L3. Este polímero está disponible de parte de Evonik Fibres GmbH bajo el nombre de P84HT o P84 HT 325 (números CAS 134119-41-8). Es preferible de forma similar utilizar mezclas de poliimidas.
Las membranas fabricadas de las poliimidas preferidas están disponibles de parte de Evonik Fibres GmbH bajo el nombre de Sepuran. Un proceso para producir estas membranas preferidas se describe en la WO 2011/009919 Al. Las membranas descritas en esta memoria de presentación siempre se pueden utilizar con preferencia en el método de la presente invención. Para evitar repetición pura, el contenido de esta solicitud de patente se incorpora por la presente en su totalidad como referencia. Se encontró que estas membranas dieron los mejores resultados de separación.
Las membranas se utilizan de manera preferente en la forma de membranas de fibras huecas y/o membranas planas. Las membranas se forman en módulos que entonces se utilizan en la tarea de separación. Todos los módulos de separación de gas conocidos en la téenica se pueden utilizar como módulos, por ejemplo, pero no exclusivamente módulos de separación de gas de fibra hueca, módulos de separación de gas enrollados en espiral, módulos de separación de gas de cojín o módulos de separación de gas de haz tubular.
De acuerdo a la invención, los módulos de membrana de separación de gas tienen una selectividad de gas mezclado de componentes A (CO2) y B (CH4) (= relación de corriente de A, a corriente B a través de la membrana) de no menos de 30, de manera preferente no menos de 35, de manera más preferente no menos de 40, incluso de manera más preferente no menos de 45 y de manera mucho más preferente de no menos de 45 a 80.
Las membranas de mayor selectividad tienen la ventaja de que la separación llega a ser más efectiva y se tiene que recielar menos producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2), o menos producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3). Por lo tanto, especialmente cuando se utiliza un compresor de una sola etapa (4), se tiene que comprimir dos veces menos gas, lo que implica ventajas económicas en la operación de la planta. Con módulos de membrana muy selectivas que tienen una selectividad de 45, solo aproximadamente el 35% del gas importado en etapa de separación corriente de alimentación (1) como gas si refinar se tiene que comprimir dos veces, mientras la doble compresión puede ser hasta 300% en el caso de una módulo de membrana que tiene una selectividad de solo 10. El 35% y el 300% están basados en las pruebas donde se aplicó una mezcla de gas con cantidades equimolares de componentes A y B (= alimentación) y el gas retenido de la etapa (2) fue 98.5% del componente B y la corriente de producto permeado de la etapa (3) fue 99% del componente B.
Es evidente que las membranas comparativamente selectivas pueden hacer que el proceso de la presente invención funcione significativamente más económico y que se puede reducir el tamaño del compresor necesario y los requisitos de energía.
El método/aparato de la presente invención tiene de forma más particular la ventaja de que es un proceso de membrana puro y no necesita purificación adicional del permeado y/o corrientes de producto retenido (11) y (8), respectivamente, para muchas aplicaciones. Por ejemplo, en la purificación de biogás o gas natural (= remoción de dióxido de carbono del metano), ya no se necesita adsorción por oscilación de presión o lavado con aminas para purificación final del producto retenido, por lo que este se puede alimentar en la red de gas natural.
Además, el método/aparato de la presente invención se puede utilizar para producir, en uno y al mismo tiempo, una corriente de producto retenido puro (8) y una corriente de producto permeado puro (11) en purificación de biogás y de gas natural. Por lo tanto, se puede libera a la atmósfera sin pérdidas mayores de metano y sin mayor deterioro importante del ambiente, sin necesidad de tratamiento adicional del gas mediante una post-combustión catalítica o térmica o utilización en una planta de energía y calor combinado. En consecuencia no son necesarios gastos de capital en nuevas instalaciones de planta, lo que conduce a un proceso de purificación más económico para biogás y gas natural.
El aparato de la presente invención ya se describe ampliamente en la WO 2012/000727. La materia de la WO 2012/000727 por lo tanto se incorpora complementa en la descripción de la presente invención como referencia.
La WO 2012/000727 no describe un sistema de control para compensar fluctuaciones en la composición o presión o velocidad de flujo de la corriente de gas sin refinar. La WO 2012/000727 simplemente describe la variación del desempeño de compresor y los intervalos generales de presión que se van a respetar si se quieren obtener buenos rendimientos y purezas de los gases de producto. La presente invención describe por primera vez un concepto de control de laso cerrado y abierto de un arreglo de membranas interconectadas como se describe en la WO 2012/000727, que incluso permite conexión directa de esta planta de purificación a plantas de biogás que proporcionan una corriente de alimentación variable. En consecuencia, es posible abstenerse de medios corriente arriba específicos para proporcionar una corriente de gas sin refinar aproximadamente constante. En consecuencia, la presente invención representa un desarrollo adicional significativo de la planta y proceso de la WO 2012/000727. Esto es particularmente verdadero debido a que los medios de control (18) y (19) y su regulación de acuerdo a la presente invención se pueden utilizar para asegurar una calidad de las corrientes (8) y (11) que es constante o bien varía de acuerdo a los requisitos de variación, incluso aunque cambie la cantidad de gas sin refinar (17) que se va a procesar y/o la cantidad de gases de producto (8) y/o (11) que se van a procesar y/o la composición de gas sin refinar.
Es ventajoso aquí mantener las calidades de gas necesarias en las corrientes (8) y (11) la presión principal en el sistema (= presión operativa en etapas de separación (1) y (2)) y las áreas de membrana en las etapas de separación (1) a (3) no se tienen que cambiar.
Una ventaja adicional es que el método/aparato de la presente invención tiene requisitos de energía y equipo distintivamente menores que los métodos conocidos de la téenica anterior.
El aparato/método de la presente invención se puede utilizar especialmente para separar mezclas de gas que comprenden dos o más gases, en cuyo caso es particularmente preferente que la mezcla de gas que se separa sea una mezcla de predominantemente pero no exclusivamente, dióxido de carbono y metano, o predominantemente, pero no exclusivamente hidrógeno y metano, o predominantemente, pero no exclusivamente monóxido de carbono e hidrógeno; o biogás sin refinar o gas natural sin refinar.
Los ejemplos siguientes se proporcionan a manera de esclarecimiento y descripción adicionales, pero no en una forma de limitación de la presente invención.
Configuración experimental general Las pruebas se ejecutaron en una planta de separación por membranas que utiliza un arreglo interconectado de tres etapas den línea con la Figura 1.
Composición de gas sin refinar 54% de metano, 46% de CO2 (= biogás de una planta de biogás) Uso de tres módulos experimentales de 2" de Sepuran Green (1 módulo por etapa) - La presión principal en el sistema (= presión de etapa de producto retenido (2)) fue 17 bar - Presión de aire 950 mbar Presión de producto permeado de la etapa de separación de producto permeado (3) fue 1000 mbar Ejemplo 1: El propósito de esta prueba fue encontrar una línea de calibración con la cual la calidad del gas de producto en la corriente de producto retenido (8) y la calidad de efluente gaseoso en la corriente de producto permeado (11) se puede mantener en el caso de un cambio en el flujo de alimentación en corriente de alimentación (5), o la velocidad de compresor, al cambiar la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) y al cambiar la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3), respectivamente.
Para este fin, el desempeño de compresor en un arreglo interconectado de 3 etapas en ejecución de acuerdo con la configuración experimental general se elevó en etapas. Las presiones del producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) y del producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) entonces cambiaron en un intento de mantener la concentración de efluente gaseoso (11) y la concentración de gas de producto (8) dentro de un intervalo angosto. Conforme incrementa del desempeño del compresor de inicialmente 60% a finalmente 75%, incrementa el caudal de volumen de alimentación (5) de 3.83 m3/h a 5.23 m3/h, es decir, por 36%. Dentro de este intervalo, la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) disminuye de 951 mbar a 241 bar y la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) incrementa de 3.6 bar a 4.43 bar. En todos los desempeños de compresor, la concentración de gas de producto (8) fluctúa entre 95.23 y 95.75% de metano y la concentración de efluente gaseoso de metano entre 0.5 y 0.62%. Ambos valores se han regulado dentro de un intervalo angosto, sujeto a error experimental. Los datos detallados con respecto a esta prueba se presentan más adelante en la tabla Tabla 1: Además, se midió el caudal de volumen para la segunda corriente de producto retenido (8), la primera corriente de producto permeado (6), la tercera corriente de producto permeado (11) (= efluente gaseoso) y la segunda corriente de producto permeado (9a). Los caudales de volumen de la primera corriente de producto retenido (7) se pueden determinar a partir de la suma total de los valores de caudal de volumen de la segunda corriente de producto retenido (8) y de la segunda corriente de producto permeado (9a).
La presión del producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) entonces se puede graficar contra el caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido (7) para determinar una curva de calibración para mantener la concentración de gas de producto cuando cambia la velocidad de alimentación de la etapa de separación de producto retenido (2), para ejemplo, como resultado de un cambio en la velocidad de compresor o como resultado de un cambio en la composición del gas sin refinar (ver Figura 4).
La Figura 4 muestra que se obtiene una regresión lineal con buena correlación. Esta relación entonces se puede utilizar en un sistema de control para la planta de la presente invención. Este sistema de control utiliza un valor de flujo determinado por la primera corriente de producto retenido (7) por medio de un medidor de caudal de volumen (20a) al calcular la presión de producto permeado de acuerdo con la ecuación de línea recta en la Figura 4 para determinar la presión de producto permeado necesaria en la separación de producto de retenido (2) para mantener la concentración de gas de producto. Esta presión entonces se ajusta apropiadamente utilizando un medio de control (18) en la segunda corriente de producto permeado.
La presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) entonces se puede graficar contra el caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado (6) para determinar de forma análoga una curva de calibración para mantener la concentración de efluente gaseoso en la corriente de producto permeado (11) cuando cambia la velocidad de alimentación de la etapa de separación de producto permeado (3), es decir, la primera corriente de producto permeado (6), por ejemplo como resultado de un cambio en la velocidad de compresor o como resultado de un cambio en la composición del gas sin refinar (ver Figura 5).
En la Figura 5 también se obtiene una regresión lineal con buena correlación. Esta relación entonces se puede utilizar de forma similar al procedimiento descrito anteriormente para la etapa de separación de producto retenido (2) en un sistema de control para la planta de la presente invención. Primero el valor de flujo de la primera corriente de producto permeado (6) se determina por medición con un medidor de caudal de volumen (21a) y se utiliza en la ecuación de línea recta en la Figura 5 para determinar la presión de producto retenido necesaria en la etapa de separación de producto permeado (3) - y se ajusta utilizando el medio de control (19) en la tercera corriente de producto retenido (10) - para mantener la concentración de efluente gaseoso en la corriente de producto permeado (11).
Ejemplo 2: El problema que se va examinar es si, al cambiar la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto perraeado (3), utilizando el medio de control (19) en la tercera corriente de producto retenido (10), es posible lograr un cambio en la concentración de metano en el efluente gaseoso de la planta (tercera corriente de producto perneado (11)) y para obtener una curva de calibración. En el caso de que una medición de la concentración de efluente gaseoso muestre que se ha presentado un cambio, sería posible entonces utilizar esta relación calibrada para ajustar el contenido de metano del efluente gaseoso.
Para este fin, en tanto que se mantiene constante la velocidad de compresor, se cambió la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) con un medio de control (19) en la tercera corriente de producto retenido (10) y se midió el cambio resultante en la concentración de metano de la tercera corriente de producto permeado (11) (efluente gaseoso). Los caudales de volumen de la planta también se grabaron. Los valores se muestran en la tabla 2.
Tabla 2: Como muestra la tabla 2, la concentración de metano en la corriente de efluente gaseoso (11) incrementa como resultado el incremento de la presión de producto retenido en la etapa de separación de producto permeado (3). Esto se muestra en forma de gráfica en la Figura 6. La regresión es lineal con muy buena correlación. Esta curva se puede utilizar como una curva de calibración para propósitos de control. Al insertar la concentración de metano deseada en la ecuación de la Figura 6 se puede determinar la presión de producto retenido correspondiente necesaria.
Como punto de interés el aumento rápido de la velocidad de compresión doble para una presión de producto retenido decreciente de la etapa de separación de producto permeado (3) y por lo tanto una concentración de metano decreciente en el efluente gaseoso se representan en la forma de gráfica en la Figura 7.
Ejemplo 3: Un cambio en la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) con uno medio de control (18) en la segunda corriente de producto permeado (9a) se puede utilizar para lograr un cambio en la concentración de metano en el gas de producto de la planta (= segunda corriente de producto retenido (8)). En el caso de que una medición de la concentración de gas de producto revele que se ha presentado un cambio, esta relación calibrada se puede utilizar para ajustar el contenido de metano del gas de producto.
Para este fin, se cambió la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) en tanto que se mantuvo constante la velocidad de compresor, y se midió el cambio resultante en la concentración de metano en el gas de producto. Los valores se muestran la tabla 3.
Tabla 3: Como es evidente, la concentración de metano del gas de producto (8) incrementa en la reducción de la presión de producto permeado en la etapa de separación de producto retenido (2). Esto se muestra en la forma de gráfica en la Figura 8. La regresión es lineal con muy buena correlación. Esta curva se puede utilizar como una curva de calibración para propósitos de control. Al insertar la concentración de metano deseada en la ecuación del diagrama 5, se puede determinar la presión de producto permeado correspondiente necesaria.
Descripción de las Figuras Figura 1: Arreglo interconectado inventivo de ejemplo que comprende medios de medición (20a) y (20b), (21a) y (21b), (22) y (23) y también los medios de control (18) y (19). El medio de control en la corriente de gas sin refinar (17) y el medio procesador de datos y controlador no se muestran. Sin embargo, su arreglo y uso es claramente evidente a partir del contexto completo de la descripción. La Figura 1 muestra un arreglo inventivo con recielaje de corrientes (9b) y (10b) en el lado de succión del compresor. Los arreglos alternativos explicados en la descripción anterior, por ejemplo el reciclaje de una o más de corrientes (9b) o (10b) en una etapa de compresión elevada del compresor (4) o sin medios de medición (22) y (23) o con solo algunos de los medios de medición (20a) y (20b) y/o (21a) y (21b), se obtienen fácilmente por una persona experta en la téenica como modificación de la Figura 1 y por lo tanto no se muestran de forma separa. La Figura 1 se proporciona solamente a manera de esclarecimiento de la presente invención y no en alguna forma de limitación de su alcance de protección.
Figura 2: La presión de producto permeado necesaria en la etapa de separación de producto retenido (2) para lograr una calidad de producto retenido de 98.3% de componente B en la segunda corriente de producto retenido (8) y de 0.7% del componente B en la tercera corriente de producto permeado (11) se muestra como una función del caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido (7). La relación de área elegida para las membranas en las etapas de separación por membranas fue como sigue: Etapa 1: Etapa 2: Etapa 3 = 2:2:3. Se representan tres curvas para diferentes concentraciones del componente B (CH4 en este caso) de 45, 55 y 65% en la corriente de gas sin refinar (17).
Figura 3: La presión de producto retenido necesaria en la etapa de separación de producto permeado (3) para lograr una calidad de producto retenido de 98.3% del componente B en la segunda corriente de producto retenido (8) y de 0.7% de componente B en la tercera corriente de producto permeado (11) se muestra como una función del caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado (6). La relación de área elegida para las membranas en las etapas de separación por membranas fue como sigue: Etapa 1: Etapa 2: Etapa 3 = 2:2:3. Se representan tres curvas, que se unen entre sí, para diferentes concentraciones de componente B (CH4 en este caso) - 45%, 55% y 65% - en la corriente de gas sin refinar (17).
Figura 4: Dependencia de presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2) sobre la velocidad de gas de alimentación de la etapa de separación de producto retenido (2) para mantener la calidad de gas de producto.
Figura 5: Dependencia de presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3) sobre la velocidad de gas de alimentación de la etapa de separación de producto permeado (3) para mantener la calidad de efluente gaseoso.
Figura 6: Dependencia de concentración de metano en efluente gaseoso (11) sobre la presión producto retenido de la etapa de separación de producto permeado (3).
Figura 7: Dependencia de velocidad de recielaje sobre el contenido de metano en el producto per eado (11) de la etapa de separación de producto permeado (3). Figura 8: Dependencia de concentración de metano en el gas de producto (8) sobre la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido (2).
Lista de signos de referencia: 1.- Etapa de separación de corriente de alimentación 2.- Etapa de separación de producto retenido 3.- Etapa de separación de producto permeado 4.- Compresor de múltiples etapas o de una sola etapa 5.- Corriente de alimentación 6.- Primera corriente de producto permeado 7.- Primera corriente de producto retenido 8.- Segunda corriente de producto retenido 9.- Segunda corriente de producto permeado que consiste de sub-corrientes 9a, entre el medio de control 18 y la etapa de separación de producto retenido 2, 9b corriente abajo del medio de control 18 10.- Tercera corriente de producto retenido que consiste en sub-corrientes 10a, entre el medio de control 19 y la etapa de separación de producto permeado 3, y 10b corriente abajo del medio de control 19 11.- Tercera corriente de producto permeado 12.- Válvula reductora de presión opcional en la primera corriente de producto retenido 7 (no mostrada en las Figuras) 13.- Válvula reductora de presión opcional en la segunda corriente de producto retenido 8 (no mostrada en las Figuras) 14.- Válvula reductora de presión opcional en la tercera corriente de producto retenido 10 (no mostrada en las Figuras) 15.- Bomba de vacío (no mostrada en las Figuras) 16.- Cámara de mezclado (no mostrada en las Figuras) 17.- Corriente de gas sin refinar 18.- Medio de control de producto permeado en la 2-corriente de producto permeado (también referida simplemente como medio de control 18 en la descripción) 19.- Medio de control de producto retenido en la 3-corriente de producto retenido (también referida simplemente como medio de control 19 en la descripción) 20a.- 1— medio de medición de producto retenido para análisis de la Ia corriente de producto retenido (también referido simplemente como medio de medición 20a en la descripción) 20b.- 2° medio de medición de producto retenido para análisis de la 2- corriente de producto retenido (también referido simplemente como medio de medición 20b en la descripción) 21a.- 1— medio de medición de producto para análisis de la 1- corriente de producto pern eado (también referido simplemente como medio de medición 21a en la descripción) 21b.- 2- medio de medición para producto permeado para análisis de la 3- corriente de producto permeado (también referido simplemente como medio de medición 21b en la descripción) 22.- 3- medio de medición de producto permeado para análisis de la 2- corriente de producto permeado (también referido simplemente como medio de medición 22 en la descripción) 23.- 3— medio de medición de producto retenido para análisis la 3- corriente de producto retenido (también referido simplemente como medio de medición 23 en la descripción) 24.- medio controlador del compresor (no mostrado en las Figuras) 25.- medio de control de gas sin refinar para controlar la corriente de gas sin refinar (17) (no mostrado en las Figuras)

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para separar gases, que comprende como etapas de separación por membranas al menos una etapa de separación corriente de alimentación, una etapa de separación de producto retenido y una etapa de separación de producto permeado y también al menos un compresor arreglado en el lado de alimentación de la etapa de separación de corriente de alimentación y/o al menos una, de manera preferente una o dos, bombas de vacío arregladas corriente abajo de la etapa de separación corriente de alimentación, de manera preferente en el lado de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido en una segunda corriente de producto permeado y/o en el lado de producto permeado de la etapa de separación de producto permeado en una tercera corriente de producto permeado, en donde la etapa de separación de corriente de alimentación separa una corriente de alimentación, que consiste de dos o más componentes, en una primera corriente de producto permeado y una primera corriente de producto retenido, la etapa de separación de producto retenido divide la primera corriente de producto retenido en una segunda corriente de producto permeado, en donde caracteriza la corriente parcial corriente arriba de un medio de control de producto permeado y corriente abajo de la etapa de separación de producto retenido y caracteriza la corriente parcial corriente abajo del medio de control de producto pern eado, y la corriente parcial se suministra a la corriente de alimentación, y una segunda corriente de producto retenido, que se remueve como producto o se procesa de forma adicional, la etapa de separación de producto permeado divide la primera corriente de producto permeado en una tercera corriente de producto retenido, en donde caracteriza la corriente parcial corriente arriba de un medio de control de producto retenido y corriente abajo de la etapa de separación producto permeado y caracteriza la corriente parcial corriente abajo del medio de control de producto retenido, y la corriente parcial se suministra a la corriente de alimentación, y una tercera corriente de producto permeado, que se remueve como producto o se procesa de forma adicional o se desecha, caracterizado en que la segunda corriente de producto permeado comprende al menos un medio de control de producto permeado con el cual se puede elevar o disminuir la presión de producto permeado de la etapa de separación de producto retenido y que se controla con base en los valores medidos de uno o más medios de medición en la primera corriente de producto retenido y/o uno o más medios de medición en la segunda corriente de producto retenido, en donde los medios de medición son de manera preferente diferentes, y/o la tercera corriente de producto retenido comprende al menos un medio de control de producto retenido con el cual se puede elevar o disminuir la presión de producto retenido de la etapa de separación de producto permeado y que se controla con base de los valores medidos de uno o más medios de medición en la primera corriente de producto permeado y/o uno o más medios de medición en la tercera corriente de producto permeado, en donde los medios de medición son de manera preferente diferentes.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado en que la primera corriente de producto permeado no se somete a re-compresión y/o los módulos de membrana de separación de gas que tienen una selectividad de gas mezclado CO2/CH4 de no menos de 30, de manera preferente no menos de 35, de manera más preferente no menos de 40 y de manera mucho más preferente no menos de 45, se utilizan al menos en la etapa de separación de corriente de alimentación, pero de manera preferente en las tres etapas de separación por membranas, y/o al menos una de las etapas de separación por membranas comprende más de un módulo de membrana de separación de gas interconectado en paralelo y/o en serie, y/o los módulos de membrana de separación de gas consisten de membranas de fibras huecas y/o membranas planas, y/o el aparato se configura de tal forma que el volumen de gas recielado en la segunda corriente de producto permeado y en la tercera de corriente de producto retenido asciende a un total a menos de 60% en volumen del volumen de la corriente de gas sin refinar, y/o el aparato se configura de tal forma que la concentración de al menos un gas permeado de la etapa de separación corriente de alimentación, después de regresar a la segunda corriente de producto permeado y la tercera corriente de producto retenido, se eleva en la corriente de alimentación, de manera preferente por no menos de 2%, de manera más preferente por no menos de 3% y de manera aún más preferente por 3 a 40%, todo en comparación con la concentración en la corriente de gas sin refinar.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado en que la segunda corriente de producto permeado y la tercera corriente de producto retenido se guían a lado de succión del compresor, y/o en que se utiliza un compresor de múltiples etapas, en donde de manera preferente la segunda corriente de producto permeado y/o la tercera corriente de producto retenido se introducen en el compresor entre dos etapas de compresión, y/o en que el compresor se arregla en el aparato de tal forma que genera un gradiente de presión en la etapa de separación corriente de alimentación.
4. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado en que el aparato comprende uno medio controlador que adapta los requisitos de energía del compresor, de manera preferente su velocidad de rotación, a cambios en la segunda corriente de producto permeado y/o la tercera corriente de producto retenido y/o la corriente de gas sin refinar, y/o en que el aparato se configura de tal forma que se igualan las cantidades cambiantes de gas recielado de la corriente de segundo permeado y/o la tercera corriente de producto retenido, de manera preferente de forma automática, por una regulación de la cantidad suministrada de gas sin refinar, de manera preferente mediante un medio de control de gas sin refinar, de manera preferente sin cambiar la velocidad de rotación del compresor.
5. Un aparato de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado en que los medidores de flujo se utilizan como los medios de medición en la primera corriente de producto retenido y/o la primera corriente de producto permeado primero, o en que se utiliza un medio de medición en línea o fuera de línea en la segunda corriente de producto retenido y/o en la tercera corriente de producto permeado para determinar la composición de la mezcla de gas particular.
6. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado en que los materiales utilizados para la capa activa de separación de las membranas son amorfos o plásticos parcialmente cristalinos tal como, por ejemplo, pero no exclusivamente, poliimidas, poliamidas, polisulfonas, acetatos de celulosa y derivados, óxidos de polifenileno, polisiloxanos, polímeros que tienen microporosidad intrínseca, membranas de matriz mezcladas, membranas de transporte facilitado, óxidos de polietileno, óxidos de polipropileno o mezclas de los mismos.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado en que el material utilizado para la capa activa de separación de las membranas es una poliimida de la fórmula general donde 0 £ x £ 0.5 y 1 ³ Y - 0.5 y R corresponde a uno o más, radicales idénticos o diferentes seleccionado del grupo que consiste de los radicales Ll, L2, L3 y L4, de manera preferente una poliimida de número CAS 9046-51-9 y/o una poliimida de número CAS 134119-41-8.
8. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado en que no menos de 95%, de manera preferente no menos de 97%, de manera más preferente no menos de 99% y de manera mucho más preferente no menos de 99.5% del componente de producto retenido de la etapa de separación de corriente de alimentación guiado al aparato con la corriente de gas sin refinar se remueve mediante la segunda corriente de producto retenido, y/o en que no más de 5%, de manera preferente no más de 3%, de manera más preferente no más de 1% y de manera mucho más preferente no más de 0.5% del componente de producto retenido de la etapa de separación de corriente de alimentación guiado al aparato con la corriente de gas sin refinar se remueve mediante la tercera corriente de producto permeado.
9. Un método para controlar una planta de separación de gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado en que i. cuando la concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también opcionalmente determinada a través de una parámetro que se correlaciona con la misma) de la segunda corriente de producto retenido cae por debajo de un valor de punto de referencia predeterminado, se disminuye la presión de la segunda corriente de producto permeado por el medio de control de producto permeado hasta que la concentración/parámetro está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. ii. cuando la concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también determinada opcionalmente a través de un parámetro que se correlaciona con la misma) de la segunda corriente de producto retenido se eleva por encima de un valor de punto de referencia predeterminado, se eleva la presión de la segunda corriente de producto permeado por el medio de control de producto permeado hasta que la concentración/parámetro está de nuevo en el intervalo de punto de referencia, y/o en que iii. cuando la concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también opcionalmente determinada a través de una parámetro que se correlaciona con la misma) de la tercera corriente de producto permeado cae por debajo de un valor de punto de referencia predeterminado, se eleva la presión de la tercera corriente de producto retenido por el medio de control de producto retenido hasta que la concentración/parámetro está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. iv. cuando la concentración de un componente que se permea menos fácilmente B (también opcionalmente determinada a través de una parámetro que se correlaciona con la misma) de la tercera corriente de producto permeado se eleva por encima de un valor de punto de referencia predeterminado, se disminuye la presión de la tercera corriente de producto retenido por el medio de control de producto retenido hasta que la concentración/parámetro está de nuevo en el intervalo de punto de referencia.
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado en que la concentración se determina en línea y/o fuera de línea.
11. Un método para controlar una planta de separación de gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado en que v. cuando incrementa el caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido se disminuye la presión de la segunda corriente de producto permeado por el medio de control de producto permeado hasta que una propiedad de la segunda corriente de producto retenido que se correlaciona por una curva de calibración con el caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido, de manera preferente la composición de la segunda corriente de producto retenido, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia. vi. cuando disminuye el caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido, se eleva la presión de la segunda corriente de producto permeado por el medio de control de producto permeado hasta que una propiedad de la segunda corriente de producto retenido que se correlaciona por una curva de calibración con el caudal de volumen de la primera corriente de producto retenido, de manera preferente la composición de la segunda corriente de producto retenido, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia, y/o vii. cuando incrementa el caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado, se eleva la presión de la tercera corriente de producto retenido por el medio de control de producto retenido hasta que una propiedad de la tercera corriente de producto permeado que se correlaciona por una curva de calibración con el caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado, de manera preferente la composición de la tercera corriente de producto permeado, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia, viii. cuando disminuye el caudal de volumen de la primera corriente de producto permeado, se disminuye la presión de la tercera corriente de producto retenido por el medio de control de producto retenido hasta que una propiedad de la tercera corriente de producto permeado que se correlaciona por una curva de calibración con el caudal de volumen con la primera corriente de producto permeado, de manera preferente la composición de la tercera corriente de producto permeado, está de nuevo en el intervalo de punto de referencia.
12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado en que una curva de calibración que contiene una correlación entre el velocidad de flujo y la presión se utiliza como curva de control para mantener una concentración en alguna otra corriente de gas.
13. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado en que la caída de presión a lo largo de la etapa de separación de corriente de alimentación se ajusta a partir de 1 a 30 bar, de manera preferente a partir de 2 a 20 bar y de manera más preferente en 3 y 10 bar, y/o en que la caída de presión a lo largo de la etapa de separación de corriente de alimentación y la etapa de separación de producto retenido se ajusta a partir de 1 a 100 bar, de manera preferente a partir de 5 a 80 bar y de manera más preferente a partir de 10 a 70 bar.
14. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado en que la fuerza impulsora utilizada para la tarea de separación es una diferencia de presión parcial entre el lado de producto retenido y el lado de producto permeado en las etapas de separación por membranas particulares, en donde la diferencia de presión parcial se genera por un compresor, que se arregla en el lado de alimentación de la etapa de separación de corriente de alimentación, y opcionalmente por al menos una, de manera preferente una o dos bombas de vacío en la segunda y/o tercera corriente de producto permeado y/o por un corriente de gas de purga del lado del producto permeado, y/o en que la presión del producto permeado de la etapa de separación de corriente de alimentación está en un estado igual o elevado con respecto a la presión ambiental, por lo que existe aún una diferencia de presión parcial entre el producto retenido y el producto permeado de la etapa de separación de producto permeado y por lo tanto existe una fuerza impulsora en el caso de que el producto permeado de la etapa de separación de producto permeado esté a presión ambiental o se aplique presión negativa.
15. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado en que uno medio controlador adapta los requisitos de energía del compresor, de manera preferente su velocidad de rotación, a los cambios en la segunda corriente de producto permeado y/o la tercera corriente de producto retenido y/o la corriente de gas sin refinar, y/o en que se igualan las cantidades cambiantes del gas recielado de la segunda corriente de producto permeado y/o la tercera corriente de producto retenido, de manera preferente automáticamente, o mediante una regulación de la cantidad suministrada de gas sin refinar, de manera preferente mediante el medio de control de gas sin refinar, de manera preferente sin cambiar la velocidad de rotación del compresor o en que el desempeño de la planta de la presente invención se eleva o se disminuye al cambiar la capacidad de volumen del compresor, en donde se contrarresta un cambio resultante en la concentración del componente que se permea menos fácilmente B en la segunda corriente de producto retenido de acuerdo con las alternativas de método i/ii, y/o se contrarresta un cambio resultante en la concentración del componente que se permea menos fácilmente B en la tercera corriente de producto permeado según las alternativas de método iii/iv y/o se contrarresta un cambio resultante en la velocidad de flujo de la primera corriente de producto retenido de acuerdo a las alternativas de método v/vi, y/o se contrarresta un cambio resultante en la velocidad de flujo de la primera corriente de producto permeado de acuerdo con las alternativas de método vii/viii.
16. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado en que el método se practica en el contexto de la operación de una planta de biogás y en que la velocidad de rotación del compresor y por lo tanto la capacidad de volumen del compresor se controla de acuerdo al nivel de llenado de la planta de biogás, de manera preferente se determinan mediante la presión del termentador o el nivel de llenado de almacenamiento intermedio, a fin de que el nivel de llenado en el termentador y/o el almacenamiento intermedio se pueda cambiar o mantener constante, y/o en que la mezcla de gas utilizada es una mezcla de predominantemente pero no exclusivamente, dióxido de carbono y metano o predominantemente pero no exclusivamente hidrógeno y metano o predominantemente pero no exclusivamente, monóxido de carbono e hidrógeno o biogás sin refinar o gas natural sin refinar.
17. Una planta de biogás que comprende un aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
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