MXPA96004940A - Proceso de adsorcion mejorado y sistema para usar lechos adsorbentes de capas multiples - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a:Un proceso y sistema de adsorción para la adsorción selectiva de un componente más fácilmente, tal como nitrógeno, tanto de aire como de otras mezcla de gases de alimentación, se lleva a cabo usando un lecho adsorbente mixto que contiene diferentes materiales adsorbentes colocados en zonas separadas en las cuales las condiciones de temperatura favorecen el rendimiento de adsorción del material adsorbente particular bajo condiciones de procesamiento aplicables en cada zona. Un método para la selección de los materiales adsorbentes estábasada en los valores de la Cifra de Evaluación de Adsorción.

Description

PROCESO DE ADSORCIÓN MEJORADO Y SISTEMA PARA USAR LECHOS ADSORBENTES DE CAPAS MÚ LTI PLES ANTECEDENTES DE LA I NVENCIÓN Campo de la Invención .La presente invención se refiere, en general, a la separación de mezclas de gas por adsorción basada en diferencias en las características polares o polarizables de los constituyentes de la mezcla. Más particularmente, la invención se refiere a adsorción de desviación por presión (ADP) en el cual el lecho adsorbente fijo comprende, por lo menos, dos zonas, conteniendo cada una un adsorbente que tiene una composición química y resistencia de adsorción diferente al adsorbente en la zona adyacente, el adsorbente, en cada zona, siendo seleccionado con referencia a las variaciones longitudinales de temperatura inducidas en el lecho en virtud de la operación del proceso de ADP. En general, el absorbente teniendo la afinidad de adsorción más fuerte para el (los) constituyente(s) más polares o polarizables de la mezcla de gas, está localizado en una zona de lecho que tiene la temperatura superior. Descripción de la Técnica Anterior Los procesos de separación de gases por adsorción de desviación por presión (ADP), son practicados ampliamente para aplicaciones de régimen de productos relativamente bajos. La separación de nitrógeno de mezclas de gases, tal como, por destilación criogénica , es efectiva en costos solo cuando se utilizan cantidades muy grandes de nitrógeno y/o oxígeno, y consecuentemente, los procesos de separación alternativos, tales como ADP, tienen demanda considerable. Un gran número de procesos de separación de aire que utilizan adsorbentes de tamices moleculares zeolíticos, han sido propuestos durante los últimos treinta años aproximadamente. Debido a que la molécula de nitrógeno es ligeramente más grande que la molécula de oxígeno (diámetros cinéticos de 3.64 A y 3.46A, respectivamente ) y debido a que las aberturas de poro de cristales de zeolita se pueden modificar por intercambio de cationes y otras técnicas, se han propuesto las separaciones por ADP que se apoyan en un efecto cinético. El proceso descrito en la Patente de Alemania Occidental 0 154 690, que emplea una forma de litio altamente intercambiada de zeolita A como el adsorbente para adsorber selectivamente oxígeno, es de este tipo. Sin embargo, son mucho más comunes los procesos de separación de N2-O2 que utilizan adsorbentes de zeolita de poro grande, accesibles libremente para tanto oxígeno como nitrógeno, en virtud de la interacción de los cationes zeolíticos con el momento cuadrupolar más grande de la molécula de nitrógeno. Representativos de estos procesos, son los propuestos por McKee en la Patente de E.U .A. 3, 140,932 y la Patente de E. U .A. 3, 140,933 en la cual ios adsorbentes son las formas intercambiadas de estroncio, bario, níquel o litio, de zeolita X. En la Patente de E. U .A. 4, 557, 736, Sircar y otros, propusieron ei uso de formas cationicas bivalentes mezcladas de zeolita X conteniendo de 5 a 40 por ciento de iones de Ca++ y de 60 a 95 por ciento de iones de Sr++. Coe y otros, en ia Patente de E. U .A. 4,481 , 01 8, propuso que , siempre y cuando las condiciones de activación de adsorbente fueran mantenidas apropiadamente, la forma de catión polivalente de zeolitas de tipo de faujasita, particularmente las formas de Mg++, Ca++, Sr++ y Ba++, son adsorbentes superiores para separar el nitrógeno del aire . U n descubrimiento más reciente por C. C. Chao (Patente de E. U .A . 4, 859,21 7) emplea iones intercambiados de zeolita X a más de 88 por ciento equivalente con cationes de litio, que es 10 sorprendentemente efectivo en la separación de aire a una temperatura en la escala de 1 5°C a 70°C y una presión de 50 a 10 , 000 torr. Además de la zeolita X, se han usado muchas otras especies de zeolita (tanto sintética como natural) , o se ha sugerido su uso, en separaciones de aire , notablemente chabazinta y zeolita A. fw Como es evidente a partir de la descripción de la técnica anterior mencionada antes, la selección de un adsorbente para separación de aire de ADP ha sido empírica en gran parte. No solamente la naturaleza de la interacción entre los cationes de zeolita y el adsorbato , está completamente entendida, sino tampoco los efectos de las condiciones del proceso de la temperatura , presión y composición química de suministro de alimentación . Para com poner el problema, existe el hecho de que la operación del proceso de A D P por sí mismos, puede crear desviaciones significativas de te mperatura en el lecho absorbente fijo del am biente o temperatura de alimentación , de tai manera, que en la mayoría de los sistemas prácticos, hay gradientes térmicos relativamente grandes. Consecuentemente, un adsorbente seleccionando sobre la base de una temperatura de operación particular, no puede ser bien adecuada para usarse en porciones del lecho que tienen una temperatura diferente. La EPA 0512 781 Al, se refiere a la eficiencia de remoción de nitrógeno por adsorción , pero no considera los efectos acoplados de selección de material adsorbente y condiciones del proceso. A pesar de esta circunstancia, para separaciones individuales, es decir, N2 de O2 en una mezcla esencialmente libre de otras substancias fuertemente absorbibles, tales como CO2 o H2O, la práctica casi universal es usar una sola composición de absorbente. Una excepción se describe en la Patente de Toussaint E. U .A. 5,203,887, en donde se emplea un lecho mixto conteniendo un absorbente que tiene una alta selectividad y capacidad de nitrógeno en una zona en el extremo de alimentación del lecho y un adsorbente * diferente de selectividad y capacidad inferior, bajo las mismas condiciones, en el extremo de descarga. Las zonas adsorbentes son colocadas dentro del lecho solamente con fines de mejorar la economía del proceso, notablemente una reducción en costos adsorbentes y requerimientos de potencia. Sin embargo, los gradientes de temperatura dentro del lecho de adsorción no son considerados en el proceso de Toussaint. Desde luego, hay muchos casos en la técnica anterior en los que se llevan a cabo procesos de separación de aire en lechos mixtos conteniendo una zona adsorbente que sirve como un prepurificador para la remoción de # agua, dióxido de carbono y otros contaminantes de la corriente de aire de alimentación , como, por ejemplo, la que se describe en la Patente de E. U .A. 4,950,31 1 de White y la Patente de E. U .A. 5, 169,413 de Leavitt. Resumen de la Invención Se ha descubierto ahora que los gradientes de temperatura en un lecho de adsorción de ADP producido como una consecuencia de operación normal que implica la separación de nitrógeno de substancias menos polares o polarizables, tales como oxígeno y argón en separación de aire, pueden ser utilizadas ventajosamente empleando un lecho mixto que contiene, por lo menos, dos zonas de diferentes adsorbentes, cada adsorbente estando confinado a una zona dentro del lecho en el cual las condiciones de temperatura y concentración de adsorbato, favorecen el rendimiento del adsorbente en la zona, como fue medido por su proporción de reflujo que se * puede obtener y por su "Cifra de Evaluación de Adsorción", el cual es el producto de la caga de nitrógeno delta, la selectividad a condiciones de adsorción y la proporción de selectividad, como se describe más adelante en detalle. Varios adsorbentes adecuados para esta invención, varían de adsorbentes fuertes a débiles, con respecto a la temperatura arbitraria. El objetivo principal de esta invención es proveer un lecho que utilice óptimamente dos o más de estos adsorbentes en la escala apropiada de temperaturas.

La resistencia de un adsorbente dado, está definido en > términos de la tarea de separación y las condiciones de operación locales. En una tarea de separación dada, se requiere que el absorbente adsorba selectivamente un conjunto de uno o más gases adsorbidos más fuertemente, es decir, los componentes más adsorbibles selectivamente de una mezcla de gases de alimentación, de un conjunto de uno o más gases adsorbidos menos fuertemente, es decir, componentes menos adsorbibles selectivamente de dicha mezcla de gases de alimentación. Para un conjunto dado de 10 condiciones de presión y temperatura, un adsorbente fuerte es uno que adsorbe muy fácilmente dichos gases adsorbibles más fuertemente, es decir, los componentes adsorbibles más selectivamente, durante el primer proceso, pero no los liberará fácilmente durante el segundo paso del proceso. Para el mismo conjunto de condiciones de presión y temperatura, un adsorbente débil es uno que solamente adsorbe débilmente los gases adsorbidos más fuertemente durante el primer paso del proceso. Un absorbente eficiente estaría entre los dos extremos; podría adsorber aquellos gases moderadamente bien y luego podría desadsorberlos moderadamente bien. Mediante selección cuidadosa, un lecho adsorbente puede ser optimizado usando capas de diferentes adsorbentes para partes del lecho que tienden a operar a diferentes niveles de temperatura. Dado que las temperaturas inferiores tienden a formar adsorbentes más fuertes, los adsorbentes más débiles son empleados para aquellas regiones que operarán a temperaturas inferiores. Inversamente, los # adsorbentes más fuertes son usados por aquellas regiones que operarán a temperaturas superiores. Si hubiera gradientes de presión grandes en un lecho, este factor podría ser tomado en consideración para seleccionar adsorbentes para las capas en el lecho. Consecuentemente, la presente invención está definida como una mejora en un proceso de ADP y sistema relacionado para la separación de un componentes mas selectivamente adsorbibles de una mezcla de gases de alimentación, es decir, nitrógeno de la mezcla con substancias menos polares o polarizables, en las cuales dicha mezcla de alimentación en la fase de vapor está en contacto cin un lecho adsorbente fijo que contiene material adsorbente selectivo para la adsorción de nitrógeno u otro componente más fácilmente adsorbible, por medio de los pasos cíclicos que comprenden; (a) adsorción, durante la cual la mezcla de alimentación se pasa en el lecho en contacto con el adsorbente y el nitrógeno es adsorbido selectivamente y la substancia menos polar o polarizable, es recuperada del extremo de descarga del lecho; y (b) despresurización , durante la cual el paso de la mezcla de aumentación en el lecho, es descontinuado y la presión en el lecho es reducida para readsorber y recuperar el adsorbato de nitrógeno como un producto; ia operación cíclica de los pasos (a) y (b) que producen grad ientes # térmicos dentro de dicho lecho de adsorción , la mejora que comprende emplear como el lecho de adsorbente fijo , un lecho mixto que contiene, cuando menos, dos diferentes adsorbentes selectivos para la adsorción de nitrógeno, cada uno de los cuales están confinados a una zona dentro del lecho en el cual las condiciones de temperatura favorecen el rendimiento del adsorbente según es medido por su valor de A D P bajo las condiciones particulares del proceso aplicables a dicha zona, incluyendo su relación de reflujo q ue se puede obtener. En los Dibujos: La Figura 1 , es u na gráfica que muestra la correlación entre valores de CEA de varios adsorbentes de zeolita X y las temperaturas del lecho de adsorción en un proceso de separación de oxígeno-nitrógeno. La Fig ura 2 , es una gráfica que muestra las temperaturas # lo cales generadas en varios puntos en lechos de adsorción fijos de ADP uniformes y mixtos , debido al paso entre ellos de u na mezcla de oxígeno-nitrógeno. 20 La Figura 3 , es una gráfica en la cual las relaciones de reflujo son graficadas contra la fracción molar de oxígeno en varios puntos junto con un lecho adsorbente fijo uniforme y m ixto , en ei cual se ha pasado una mezcla de alimentación de nitrógeno-oxígeno . La Fig ura 4, es una g ráfica en la cual la profundidad del lecho , e s graficada contra la fracción molar de oxígeno conforme se pasa una mezcla de nitrógeno-oxígeno en un lecho de adsorción fijo mixto y uniforme. La Figura 5, es un diagrama esquemático de un lecho de adsorción mixto para usarse en un proceso de ADP para producir oxígeno de una mezcla de oxígeno-nitrógeno. También se muestra un perfil de temperatura del lecho. Descripción Detallada de la Invención La invención está basada en un reconocimiento de que ambas características adsorbentes y proceso de adsorción de desviación por presión, son responsables de los gradientes térmicos, los cuales fueron encontrados en un lecho adsorbente durante la secuencia del proceso de adsorción-desadsorción-represurización de las operaciones de adsorción de desviación por presión . Dichos gradientes térmicos son continuos a través del lecho absorbente, y no hay una sola temperatura, especialmente cerca de la entrada de alimentación del lecho, lo que caracteriza alguna parte del lecho adsorbente, es decir, en donde el tamaño de dicha parte del lecho adsorbente es mayor que una fracción muy pequeña del lecho global adsorbente. Además, la temperatura del material adsorbente fluctúa en una ubicación dada dentro del lecho adsorbente sobre el curso de la secuencia de los pasos de procesamiento que constituyen un ciclo de procesamiento para algún proceso y sistema de adsorción por desviación de presión . La invención , como se describe en la presente con respecto a modalidades particulares, es aplicable a una amplia escala de materiales adsorbentes, mezclas de gas de alimentación que van a ser separadas y condiciones de procesamiento, la invención siendo aplicable a operaciones de adsorción por desviación de presión, llevadas a cabo a temperaturas ambiente, o a temperaturas por debajo o por arriba de temperaturas ambiente. Las mezclas de gases tratadas adecuadamente de acuerdo con el proceso y sistema de la presente, son aquellos en los que un componente más fácilmente adsorbible, v.gr. , nitrógeno, está mezclado con, cuando menos, un componente menos fácilmente adsorbible, es decir, uno o más constituyentes menos polares o 10 polarizables tales como oxígeno, helio, hidrógeno, argón, neón y similares. En gran parte, el mayor interés comercial está en la separación de nitrógeno de mezclas con oxígeno tanto como una mezcla binaria o en combinación con los otros constituyentes de aire que tienen una polaridad inferior al nitrógeno. Dado que el aire contiene agua y dióxido de carbono, que son altamente polares, estos compuestos son removidos ordinariamente antes de la separación de nitrógeno y oxígeno usando el proceso presente. Mientras que la invención será descrita e ilustrada además con referencia a la separación de N2-O2, será entendido que se pueden lograr otras separaciones en la misma forma o una similar. Las composiciones adsorbentes empleadas, pueden ser cualquiera de las bien conocidas en la técnica que tienen selectividades de adsorción para el nitrógeno por arriba de las otras, y los constituyentes menos polares o polarizables de la mezcla de gases, de la cual se va a separar ei nitrógeno. Estas incluyen, zeolitas sintéticas y naturales, aluminas activadas, geles de sílice, carbonos adsorbentes y arcillas adsorbente. Los adsorbentes preferidos son los tamices moleculares zeolíticos que tienen poros lo suficientemente grandes para ser accesibles libremente para el nitrógeno y otros componentes de la mezcla de gases, y que tienen volúmenes vacíos internos grandes, accesibles también para las moléculas de adsórbate' Entre los tamices moleculares de zeolita preferidos, están las diferentes formas catiónicas de la zeolita X bien conocida, zeolita A, y chabazita. Las condiciones del proceso puede ser cualquier combinación de temperatura y presión conocidas o encontradas por los expertos en la técnica para ser adecuadas para los procesos de ADP de nitrógeno. Las presiones y temperaturas de gas de alimentación , varían ampliamente y dependen , en gran parte, de los adsorbentes particulares implicados. Comúnmente, una temperatura de alimentación puede estar dentro de la escala de 50°C a -150°C, y la presión de alimentación dentro de la escala de 0.5 a 10 atmósferas. En general, las condiciones de temperatura y presión más ventajosas, son seleccionadas en vista del adsorbente que se va a emplear. Las condiciones del proceso para un adsorbente específico encontrado en la técnica anterior, sin embargo, son en gran parte empíricas, y son descritas raramente en términos diferentes a las escalas preferidas de la temperatura y presión para usarse con un adsorbente dado con una escala específica de composición química. Los datos experimentales disponibles para adsorbentes particulares en la técnica anterior, por otro lado, son muy extensos, y, en algunos * casos, pueden proveer la información necesaria para diseñar un proceso de adsorción dentro del alcance de la presente invención dadas las enseñanzas de la presente descripción. Es de ayuda, pero no suficiente, que un adsorbente tenga una carga alta de nitrógeno y una alta selectividad para el nitrógeno. Se ha encontrado que ei rendimiento está relacionado más fuertemente a otros tres factores: 1 ) carga de nitrógeno delta - carga de nitrógeno a las 10 condiciones de adsorción menos la carga de nitrógeno a las condiciones de desadsorción; 2) selectividad a las condiciones de adsorción ; 3) proporción de selectividad - la selectividad a las condiciones de adsorción divididas por la selectividad a las condiciones de desadsorción. El buen rendimiento está relacionado estrechamente al producto de estos tres factores, La Cifra de Evaluación de Adsorción, es decir CEA. La CEA está evaluada estableciendo las condiciones de adsorción y la presión de desadsorción. Varios conjuntos de condiciones, cada uno incluyendo presiones de adsorción y desadsorción, y temperatura de alimentación de adsorción , han sido usados en los siguientes ejemplos. En los ejemplos, se ha utilizado u na composición simple de alimentación de 78% de nitrógeno y 22% de oxígeno.

Durante las despresurización y retropurgado del proceso de desadsorción, la temperatura cae y la concentración de nitrógeno se eleva normalmente. Para los cálculos de la CEA, la caída de temperatura no ha sido tomada en cuenta, (aunque es importante) y se ha asumido que la concentración se eleva a 95%. Este enfoque usualmente provee buena dirección para seleccionar los mejores adsorbentes para un conjunto particular de condiciones de operación, Sin embargo, podría tender a sobre-estimar el rendimiento de algunos adsorbentes con calores de adsorción inusualmente grandes. Cuando las presiones, temperaturas y composiciones de gases han sido fijadas, las cargas de nitrógeno y oxígeno son evaluadas en condiciones de adsorción y desadsorción por ecuaciones de equilibrio de adsorción de componentes múltiples. La carga de nitrógeno delta es definida: en on e, AN2 es la carga de nitrógeno delta; LNA es la carga de nitrógeno a las condiciones de adsorción; L D es la carga de nitrógeno a las condiciones de desadsorción. La selectividad a las condiciones de adsorción son definidas como sigue: (N? f?-r„ CC? = o, )C§ Í2) en donde, LOA es la carga de oxígeno a las condiciones de adsorción ; YNA es la fracción molar en fase gaseosa del nitrógeno a las condiciones de adsorción. La selectividad a las condiciones de desadsorción es definida como sigue: CXD ( 3 ) ?*oD) Í?ND ) en donde LOD es la carga de oxígeno a las condiciones de desadsorción ; 10 YN D es la fracción molar de nitrógeno a las condiciones de desadsorción , La Cifra de Evaluación de Adsorción (CEA) es definida como: AFM = ?N2 aj4 (^) (4) Durante el proceso de adsorción , se genera calor sensible, y durante el la desadsorción , es absorbido el calor sensible. En un proceso de ADP normal, hay un flujo hacia adelante neto del gas a través del lecho. También hay un flujo hacia adelante de la entalpia que da como resultado la generación espontánea de refrigeración y regiones a temperaturas bajas dentro del lecho. La cantidad de refrigeración interna generada depende dei adsorbente particular implicado. La eficiencia del proceso de separación depende de! adsorbente, las presiones y la temperatura. Por lo tanto, el adsorbente afecta la temperatura local , y la temperatura, a su vez , afecta ia eficiencia de separación . Mediante el uso de dos o más -f capas o zonas de diferentes adsorbentes, el perfil de temperatura puede ser modificado, y, más significativamente, se puede incrementar la eficiencia local del proceso de separación . Es posible, como se mencionó antes, seleccionar los adsorbentes mas satisfactorios para un conjunto particular de condiciones del proceso para una separación de gases, v.gr. , una separación de N2-O2 de ADP, mediante un enfoque de ensayo y error de mayor o menor, usando información disponible en la técnica anterior. Sin embargo, hemos encontrado que el proceso de * 10 selección es facilitado en gran parte comparando los valores de la CEA bajo las condiciones de proceso que serán encontradas usando las diferentes zonas del lecho fijo misto de ADP en el cual son generados gradientes térmicos autoinducidos. El efecto de la temperatura sobre el rendimiento de separación de N2-O2, es revelado a través de la dependencia de temperatura del CEA para varios adsorbentes seleccionados en la Figura 1 . Los \^F- adsorbentes del ejemplo mostrados son zeolita X de sodio que tiene una proporción molar de Si/AI2 de 2.3, es decir (NaX2.3); una forma catiónica altamente intercambiada de litio del mismo, conteniendo aproximadamente 97 equivalentes por ciento de cationes de Li+, es decir (Lix2.3); una forma intercambiada con calcio, del mismo, conteniendo 75 equivalentes por ciento de cationes de Ca++, es decir (CaLix2.3); y una forma intercambiada de catión de Ca++ y Li + mezclados, conteniendo 16.8 equivalentes por ciento de cationes de Ca++, es decir (CaLix2.3) . Para hacer los cómputos, se asumió que la composición de la mezcla de N2-O2 al nivel de presión alta fue de * 78% N2 y 22% de O2, y 95% de N y 5% de O2 a presión baja . Los datos en la Fig . 1 pertenecen a procesos de ADP transatmosféricos de relación de presión baja operando entre 150 kPa y 51 kPa. El examen de otros conjuntos de datos mostró poca diferencia en la clasificación de adsorbentes cuando se probaron relaciones de presión superior. En la Fig . 1 , los valores de CEA para cada uno de los cuatro adsorbentes en la columna, determinados directamente de mediciones experimentales de laboratorio, se gráfica como una 10 función de la temperatura del lecho. La gráfica muestra que los valores de CEA para los diferentes adsorbentes, tienen diferentes dependencias de temperaturas. A la temperatura más baja (250k), el material de NaX exhibe un valor alto de CEA, pero este valor disminuye conforme se eleva la temperatura. Inversamente, el adsorbente de CaNaX tiene un valor bajo de CEA a temperaturas bajas, pero la CEA se incrementa a temperaturas superiores. Mientras que el valor de CEA a 320 k no sobrepasa el del adsorbente que contiene Li, la característica sugiere que este material puede ser superior a temperaturas aún superiores. Los materiales de LiX y CaLiX tienen altos valores de CEA por arriba de 270K e incluyen la temperatura más alta graficada 320K. Estas diferencias la temperatura , dependen de CEA acoplado con los gradientes térmicos inherentes que se desarrollan dentro del lecho adsorbente, los cuales pueden ser promovidos a través de múltiples capas adsorbentes para mejorar el proceso global de separación de aire .

Los gradientes térmicos que se desarrollan dentro de un lecho absorbente dependen tanto dei material como del proceso, y pueden ser determinados del experimento o simulación por computadora. Las características adsorbentes en la Figura 1 , pueden ser aplicadas para seleccionar generalmente un adsorbente o grupo de adsorbentes con los valores de CEA más altos que corresponden a las diferentes regiones térmicas del lecho. El material lecho mixto resultante tiene una CEA superior global, que podría ser obtenida por un solo adsorbente. Además, se puede esperar que el tamaño global del lecho disminuya para el lecho mixto como resultado del CEA global. Esta aproximación se puede usar para una o más capas. Habiendo establecido mediante los datos de la Fig. 1 , que el rendimiento óptimo de cada uno de los adsorbentes de NaX2.3, - CaLi2.3, y LÍX2.3 deben estar a una temperatura diferente de la de las otras dos, se evaluó el comportamiento potencial de estas composiciones en un proceso de separación de N2-O2 de ADP. En * esta evaluación, se computaron los cambios de concentración en la despresurización y las proporciones mínimas de reflujo que deben ser requeridas para el proceso de ADP. Debido al acoplamiento de la eficiencia de separación con temperatura, se requiere un método más sofisticado para determinar la profundidad óptima de las capas individuales de adsorbentes. Se utilizó un modelo general para correlacionar el comportamiento de los adsorbentes reales. Además de los cambios en la temperatura que se presentan en el lecho, también se han considerado los cambios en la composición del extremo de alimentación del extremo del producto del lecho. Estos » cálculos fueron hechos para dos diferentes empaques de lecho. En el primer caso, es decir, el Caso 1 , el lecho fue considerado como empacado uniformemente con adsorbente NaX2.3, un material que se ha mostrado que rinde bien a temperaturas bajas. Obsérvese que, en la Fig. 1 , se encontró que LÍX2.3 es insatisfactorio a temperaturas bajas, y por lo tanto no es una opción para el uso en un lecho uniforme. En el segundo caso, es decir, el Caso 2, se realizaron cálculos del rendimiento de un lecho de tres capas comprendido de 10 NaX2.3, LÍX2.3 y CaLiX2.3. Los siguientes Cuadros, es decir, los Cuadros I y I I , muestran valores calculados para la temperatura de adsorción, la relación mínima de reflujo, la relación de reflujo práctica, y la profundidad del lecho, para valores elegidos de la fracción molar del oxígeno a la presión de adsorción. La relación de reflujo mínima usada en estos ejemplos, se define como la relación del flujo hacia atrás con el flujo neto hacia adelante (flujo hacia adelante en adsorción menos el flujo hacia atrás en desorción). La relación práctica de reflujo ha sido considerada arbitrariamente como 10% más grande que el valor máximo. 20 Caso 1 : Lecho Uniforme Cuadro I 10 • Se observó que la temperatura es menor en el extremo de alimentación del lecho. La relación de reflujo también es más alta en el extremo de alimentación dado que está en donde la mayoría del nitrógeno es removido y en donde la concentración cambia de adsorción (80% de N2) a desorción (cerca de 100% de N2) es necesariamente modesta. Caso 2: Lecho de Capas Múltiples Cuadro $ Es evidente a partir de los datos dei Cuadro II, que las temperaturas son alteradas por arriba de la capa de NaX, pero que difieren ligeramente hacia el extremo del producto en donde ia temperatura alcanza 300K, la temperatura de alimentación externa.

Las relaciones de reflujo son inferiores en las dos capas superiores es decir, para LiX y CaLiX, comparado con el lecho uniforme. Estas reducciones en relación de reflujo y en longitud el lecho hacen el proceso de capas múltiples de ADP más eficiente que un proceso similar llevado a cabo en un lecho uniforme con un solo absorbente.

Más particularmente, disminuyen la cantidad requerida de adsorbente, disminuyen los reg ímenes de flujo locales y gradientes de presión locales, y disminuyen la caida de presión total para el lecho. En general, la profundidad del lecho es reducida de 2.93 m a 2.51 m de acuerdo con los ejemplos anteriores. El rendimiento comparativo de los lechos sencillos adsorbentes y múltiples adsorbentes, es ilustrado además en la Fig. 2, la Fig . 3 y la Fig. 4, usando los mismos adsorbentes que en las modalidades de la Fig. 1 . La Fig. 2 muestra ios perfiles de temperatura. Debido a la refrigeración generada internamente, la temperatura cae a un valor inferior en el extremo de alimentación de la capa adsorbente de NaX. Subsecuentemente, la temperatura se eleva y alcanza la temperatura de alimentación externa de 300K. En la ¡nterface entre NaX y LiX, hay una segunda caída abrupta en la temperatura. Una tercera caída en la temperatura, se presenta en la interface entre LiX y CaLiX, pero esta es pequeña y de ligera importancia. En la Fig. 3, la relación de reflujo del lecho en capas, se gráfica contra la fracción molar de oxígeno en la corriente de flujo hacia adelante. La relación de reflujo disminuye generalmente desde el extremo de alimentación al extremo del producto del lecho. El lecho en capas tiene relaciones de reflujo inferiores a las del lecho que contiene únicamente NaX2.3 en la región con las purezas de oxígeno superiores. En la Fig . 4, la profundidad requerida del lecho es graficada contra la fracción molar de oxígeno. La profundidad global del lecho de capas múltiples, se observa que es más corta que la longitud del lecho uniforme, particularmente cuando se necesitan niveles de pureza altos de oxigeno en la corriente del producto. La Fig. 5, es una ilustración que muestra esquemáticamente la forma en que los adsorbentes pueden ser desplegados en un lecho mixto para un proceso de ADP para producir oxígeno del aire. Se muestra un lecho de tres capas con tres adsorbente, usando temperaturas y profundidades de capa calculados en el Cuadro II. En esta ilustración, se supone que el alimento entra a la parte inferior del adsorbedor y pasa primero a través de un lecho regenerador y prepurificador el cual remueve agua y dióxido de carbono del aire del alimento. Se supone que el lecho prepurificador contiene alumina u otro material adsorbente, el cual remueve eficientemente agua y dióxido de carbono. Estas dos regiones inferiores actúan también para conservar la refrigeración generada internamente y para permitir una transición uniforme desde la temperatura externa de la alimentación, considerados en la presente como 300K, a la temperatura m ínima en la parte inferior del lecho principal, que se usa para la adsorción y remoción de nitrógeno. El perfil de temperatura mostrado fue tomado de la Fig. 2, y no cuenta para ninguna difusión y conducción axial. En la práctica, la cúspide de pico puede ser más redonda y uniforme. Los siguiente describe la base del método usado para calcular la mejor disposición de capas de adsorbentes dentro de un lecho diseñado para formar una separación dada.

El proceso por desviación de presión consiste de dos pasos del proceso llevados a cabo en cada columna de un sistema de columnas que contendrán una o más columnas. Cada paso del proceso en una columna dada puede contener uno o más pasos subsecuentes caracterizados por diferencias en presiones y en magnitudes de regímenes de flujo. Una columna contendrá uno o más lechos en serie. Se pretende que cada lecho forme una separación. Se presenta una separación cuando se adsorbe y se remueve un primer conjunto de componentes # 10 y del otro conjunto de componentes, entre ellos. Por ejemplo, se puede usar un lecho para adsorber y remover nitrógeno de una mezcla de oxígeno y argón. Un lecho diferente, también puede ser usado para adsorber y remover vapor de agua y óxidos de carbono del aire, cada columna tiene un primer extremo de la columna, el cual también puede ser llamado el extremo de alimentación de la columna. Cada columna tiene un segundo extremo de la columna el cual también puede ser llamado el extremo del producto de la co lumna. Para cualquier columna o lecho, la dirección hacia adelante es definida como la dirección de extremo de alimentación hacia el extremo del producto. La dirección hacia atrás es opuesta a la dirección hacia adelante. Para cada lecho dentro de una columna, el extremo de alimentación del lecho es definido como el extremo más cercano al extremo de alimentación de la columna. El extremo del producto del lecho, es definido como ei extremo más cercano al segundo extremo de la columna. El flujo hacia adelante en algún punto en una columna, es definido como flujo en el punto en la dirección hacia adelante. El flujo hacia atrás es definido similarmente como flujo en las direcciones hacia atrás. El primer paso del proceso también es denominado como el paso de adsorción. Su presión media efectiva (la cual depende de las presiones medias de sus pasos subsecuentes) es denominada como la presión de adsorción. Durante el primer paso del proceso, los flujos de gases fluyen principalmente hacia adelante. Durante, < 10 por lo menos algunas partes del primer paso del proceso, en un lecho dado, se conduce un gas de alimentación en el extremo de alimentación del lecho. Durante, por lo menos, algunas partes del primer paso del proceso en un lecho dado, el gas fluirá afuera del extremo del producto; el gas se define como el gas del producto bruto para ese lecho. El segundo paso del proceso, también es denominado como el paso de desorbción. Su presión media efectiva (la cual depende de las presiones medias de sus pasos subsecuentes) es denominada como la presión de desorbción. La presión de desorbción siempre es inferior que la presión de adsorción. Durante el segundo paso del proceso, los flujos de gas fluyen principalmente hacia atrás. Durante, por lo menos, algunas partes del segundo paso del proceso en un lecho dado, un gas de reflujo se conduce en ei extremo del producto al lecho. Por ejemplo, el gas de reflujo puede entrar como una purga durante un paso subsecuente de purga a contracorriente o puede entrar como gas de presurización durante un paso subsecuente de presurización a contracorriente. Durante, por lo menos algunas partes del segundo paso del proceso en un lecho dado, el gas fluirá afuera del extremo de alimentación , este gas es definido como el gas de desgaste. Los dos pasos del proceso, son llevados a cabo, uno después del otro, en una forma cíclica en cada columna de lechos dentro de un sistema de dichas columnas. Durante la operación cíclica, en un # punto dado en un lecho, hay tres flujos totales que serán considerados: a. Flujo total hacia adelante para un ciclo; b. Flujo total hacia atrás para un ciclo; c. Flujo neto total para un ciclo. El flujo neto total para un ciclo igual al flujo total hacia adelante para el ciclo menos el flujo total hacia atrás para un ciclo. Estos flujos pueden ser expresados en varias unidades de cantidad por ciclo, por ejemplo, mol total/ciclo. Estos tres flujos totales, también pueden ser expresados como flujos promedio de ciclos dividiendo la cantidad por ciclo por el tiempo de ciclo total (el cual es la suma de los tiempos de los dos procesos). Por ejemplo, pueden ser expresados como regímenes promedio en mol/s. Aunque hay muchos enfoques para diseñar un sistema de adsorción y el proceso de ADP usando la presente invención, los siguientes procesos y consideraciones fueron usados para obtener los datos del proceso del Cuadro I I reflejando el proceso.

Al principio, fueron establecidas ciertas condiciones del proceso, a saber, la presión de adsorción (PH) . la presión de desorción (P ), el régimen de flujo del producto y la temperatura de flujo neta (TN). el valor para TN es igual a la temperatura del aire de alimentación, ajustado para cualquier calentamiento o enfriamiento que se presente en el extremo de alimentación del vaso adsorbedor. Para operación en estado de reposo, TN es la temperatura que tendrán el flujo hacia adelante y el flujo hacia atrás, si no hubiera ¿ gradientes térmicos en el lecho. Dentro de estas restricciones, la primera prioridad para seleccionar los adsorbentes para las varias capas del lecho, fueron reducir al mínimo las relaciones de reflujo locales en todas las partes del lecho. La siguiente prioridad fue au mentar al máximo las cargas delta locales y reducir al mínimo los costos del absorbente. En cualquier punto en el lecho principal, la relación de reflujo local es la relación local de flujo hacia atrás al flujo neto hacia adelante, el valor de la relación de reflujo local mínima (RLRM) se establece por el cambio en la concentración de nitrógeno que se presenta durante la despresurización de la presión de adsorción a la presión de desorción. Se puede calcular usando la ecuación: RLRM= (YP-YN) / (YB-YF) (5) en donde YF es la fracción molar local de nitrógeno en la corriente de gas que fluye hacia adelante; YB es la fracción molar de nitrógeno en la corriente de gas que fluye hacia atrás; y YN es la fracción molar de nitrógeno en el producto neto. En ios casos en los que el producto está libre esencialmente de nitrógeno, la ecuación se reduce a: RLRM= YF/(YB-YF) = 1 / (YB/YF -1 ) (6) Por lo tanto, RLRM se convierte en una función simple de la relación de concentración, YB/YF. La relación de concentración se puede encontrar mediante modelación o experimentación para un adsorbente dado y temperatura local. La relación de reflujo local real RRLR, debe ser por lo menos k+ algo superior que la RLRM con el fin de proveer fuerzas de impulsión para la adsorción de nitrógeno desde la corriente que fluye hacia adelante y pajra de desadsorción de nitrógeno en la corriente que fluye hacia atrás. También el valor de AIRR en algún punto, es restringido por los valores en otros puntos a través de relaciones de alance de masa. Normalmente, el régimen de flujo hacia adelante y el régimen de flujo hacia atrás declinan cada uno con la distancia creciente desde cerca del punto de alimentación a cerca del extremo del producto del lecho principal. Esto se presenta dado que el nitrógeno contribuye en gran parte a los flujos hacia adelante y hacia atrás cerca del punto de alimentación, pero contribuye poco a estos flujos cerca del extremo del producto. Los flujos de oxígeno pueden ser mayores cerca del extremo del producto. Los flujos de oxigeno pueden ser mayores cerca del extremo del producto, pero no se forman usualmente para los flujos de nitrógeno dramáticamente inferiores. Como resultado, el RRLR usualmente puede ser mucho m enor cerca del extremo del producto.

La temperatura local depende tanto de la intensidad de las fluctuaciones de la temperatura local como de la magnitud del RRLR local. En donde la capacidad de calor molar es casi constante y uniforme, se pueden usar las siguientes ecuaciones para determinar las temperaturas locales: TN=TF+RRLR*DT o TF=TN - RRLR * Dt (7) en donde DT= (TF-TB) ; Tf es la temperatura media local del gas que fluye hacia atrás. Aunque las ecuaciones parecen circulares, se *> pueden resolver por repetición o métodos equivalentes para un material adsorbente dado y concentración local de nitrógeno. Por ejemplo, primero calcula el valor de TF. Después encuentra las fluctuaciones locales en la concentración del nitrógeno y temperatura para la escala de presión dada y condiciones de operación. Después calcula el RLRM y luego el RRLR de la fluctuación en concentración de nitrógeno, y calcula un valor de prueba de TN del Dt y valores de RRLR. Si el valor de prueba es muy bajo, repite el cálculo con un valor superior de TF. si el valor de prueba es muy alto, entonces repite el cálculo con un valor inferior de TF. en algunos casos, el uso de un valor inferior de TF dará como resultado un valor de prueba calculado aún superior. Esto implicará la operación inestable si se usa el material adsorbente a la concentración de nitrógeno en el diseño dado que está siendo considerado. El material adsorbente debe ser rechazado entonces para usarse en ese diseño a esas condiciones locales establecidas. Detenido cuando convergen los cálculos continuos, de tal forma que el valor de prueba es igual al valor de TN del diseño. Hay que usar los valores finales de RRLR y otros resultados como el cálculo correcto del rendimiento local del material adsorbente en esa concentración de nitrógeno. Comparar los valores calculados finales para diferentes materiales adsorbente para elegir el mejor para esa concentración de nitrógeno. Repetir los demás puntos en la escala de concentraciones de nitrógeno esperadas en el proceso de separación, seleccionando el mejor material adsorbente para cada punto. Otros dos ejemplos de la solicitud de la presente invención son descritos más adelante. Para la separación de aire usando un adsorbente selectivo de nitrógeno para producir una corriente rica en oxígeno y argón, cada columna contendrá dos lechos. El primer lecho, adyacente al primer extremo de la columna, es el lecho prepurificador. Conserva la refrigeración y adsorbe y remueve impurezas sujetadas fuertemente tales como vapor de agua y dióxido de carbono del alimento original del aire sucio, húmedo. El lecho principal contiene una o más capas de adsorbentes selectivos de nitrógeno para adsorber y remover nitrógeno de la corriente que fluye hacia adelante durante el primer paso del proceso. Durante, por lo menos, partes del primer paso del proceso, el aire seco, limpio del lecho prepurificador, entra al extremo de alimentación del lecho principal , y el producto bruto rico en oxígeno y argón sale del extremo del producto del lecho principal. Algo del producto bruto se selecciona para usarse como gas de reflujo para usarse en una o más de las columnas en el conjunto de columnas; parte de él puede ser almacenado en tanques de impulso antes de usarse como reflujo. Durante por lo menos parte del segundo paso del proceso, una parte del producto bruto es retroalimentada al extremo de productos del lecho principal en la forma de gas de purga y/o gas de presurización. Durante por lo menso parte del segundo paso del proceso, se descarga un gas de desecho del extremo de alimentación del segundo lecho en el extremo del producto del lecho purificador; se usa en el lecho purificador como reflujo. El lecho principal en cada columna puede ser dividido en capas, cada una con un adsorbente diferente o mezcla de adsorbentes para mejorar el rendimiento en la tarea de adsorber y remover nitrógeno de la mezcla de oxígeno/argón. 15 La producción de hidrógeno de un gas de síntesis que contiene dichos componentes como hidrógeno, nitrógeno, argón, óxidos de carbono, metano, y vapor de agua, también puede ser llevada a cabo en un sistema de columnas divididas en lechos que contienen capas múltiples. U no de los lechos puede ser diseñado para adsorber y remover, dicho dióxido de carbono. Dado que el dióxido de carbono probablemente está presente a una concentración alta, se espera un gradiente de temperatura significativo en la dirección de flujo. Las capas diferentes, cada una con un adsorbente diferente o mezcla de adsorbentes, pueden ser usadas para mejorar ei rendimiento. Otros Ttt lechos en una columna podrían ser subdivididos similarmente en capas para mejorar el rendimiento.

Claims (10)

1. REIVI N DICACIONES 1. En un proceso de adsorción por desviación de presión para la separación de un componente más selectivamente adsorbible, de una mezcla de alimentación que contiene un componente menos selectivamente adsorbible, en el cual la mezcla de alimentación en la fase de vapor está en contacto con un lecho adsorbente fijo conteniendo material adsorbente selectivo para la adsorción del componente más selectivamente adsorbible por medio de los pasos cíclicos, comprendiendo; (a) adsorción , durante la cual la mezcla de alimentación se pasa en el lecho en contacto con el adsorbente a una presión de adsorción superior y el componente más selectivamente adsorbible de la mezcla de gases de alimentación, es adsorbido selectivamente y el componente menos selectivamente adsorbible el mismo es recuperado del extremo de descarga del lecho; y (b) despresurización, durante la cual el paso de la mezcla de alimentación en el lecho es descontinuada y la presión en el lecho es reducida desde la presión superior de adsorción a una presión de desadsorción inferior para desadsorber y recuperar el componente más selectivamente adsorbible desde el lecho; la operación cíclica de los pasos (a) y (b) produciendo gradientes térmicos dentro del lecho de adsorción , la mejora en la cual la mezcla de alimentación está en contacto con un lecho adsorbente fijo, comprendiendo un lecho mixto que contiene, por lo menos , dos materiales assorbentes diferentes selectivos para la adsorción del componente más selectivamente adsorbible, cada uno de los cuales está confinado a una zona dentro del lecho en el cual las condiciones de temperatura favorecen el rendimiento del adsorbente tal como fue medido por su valor de Cifra de Adsorción de Evaluación bajo las condiciones particulares del proceso aplicables a dicha zona.
2. 2. El proceso de ia reivindicación 1 , en el cual la mezcia de alimentación es una mezcla binaria de nitrógeno como el componente más fácilmente adsorbible y oxígeno como el componente menos fácilmente adsorbible. 10
3. 3. El proceso de la reivindicación 2 en el cual la mezcla es aire.
4. 4. El proceso de la reivindicación 3, en el cual una zona inferior de dicho lecho mixto comprende NaX, una zona media del mismo comprende LiX, y una zona superior del mismo comprende 15 CaLiX.
5. 5. En un sistema de adsorción por desviación de presión fr para la separación de un componente más fácilmente adsorbible de una mezcla de alimentación que contiene un componente menos fácilmente adsorbible, en el cual la mezcla de alimentación en la 20 fase de vapor está en contacto con un lecho adsorbente que contiene material adsorbente selectivo para la adsorción de dicho componentes más fácilmente adsorbible en una secuencia de procesamiento de adsorción-despresurización cíclica, la mejora en la cual dicho lecho adsorbente comprende un lecho mixto conteniendo 25 por lo menos dos materiales adsorbentes diferentes selectivos para la adsorción de dicho componente más fácil mente adsorbible, cada uno de los cuales está confinado a una zona dentro del lecho en el cual las condiciones de temperatura en esa zona favorecen el rendimiento del material adsorbente medido por su valor de Cifra de Evaluación de Adsorción bajo las condiciones de proceso particulares aplicables a dicha zona.
6. 6. El sistema de la reivindicación 5 , en el cual dicho lecho mixto contiene tres diferentes materiales adsorbentes .
7. 7. El sistema de la reivindicación 6, en el cual una zona inferior de dicho lecho mixto comprende N aX, u na zona medio del mismo comprende LiX, y una zona superior del m ismo comprende CaLiX.
8. 8. U n método para seleccionar por lo menos dos materiales adsorbentes diferentes para usarse en un lecho adsorbente mixto que comprende confinar cada material adsorbente a una zona en el lecho en el cual las condiciones de temperatu ra en esa zona favorecen el rend imiento de ese material como fue medido por su valor de Cifra de Adsorción de Eval uación bajo las condiciones particulares del proceso aplicables a dicha zona.
9. 9. El método de la reivi ndicación 8 , en el cual el lecho mixto comprende tres materiales adsorbentes.
10. 10. El método de la reivind icación 8, en el cu al d icho lecho mixto está adaptado para la separación de nitrógeno de una mezcla de alimento q ue comprende nitrógeno y su bstancias menos polares o polarizables.