PT103615A - SEPARATION COLUMN AND ADSORPTION PROCESS WITH PRESSURE MODULATION FOR GAS PURIFICATION - Google Patents

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Abstract

ESTA INVENÇÃO RELACIONA-SE COM UM NOVO TIPO DE COLUNA DE SEPARAÇÃO E PROCESSOS DE ADSORÇÃO DO TIPO ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO (PRESSURE SWING ADSORPTION, PSA, BEM COMO A SUA UTILIZAÇÃO PARA A PURIFICAÇÃO DE GASES. ASSIM, A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NA OBTENÇÃO DE UMA COLUNA DE SEPARAÇÃO COM DUAS CAMADAS DE MATERIAL ADSORVENTE SENDO ESTAS CONSTITUÍDAS POR MATERIAL COM CARACTERÍSTICAS DISTINTAS NO QUE DIZ RESPEITO ÀS SUAS FUNÇÕES. EM PARTICULAR A PRIMEIRA CAMADA REALIZA UMA SEPARAÇÃO CINÉTICA, ENQUANTO QUE A SEGUNDA CAMADA REALIZA UMA SEPARAÇÃO POR DIFERENÇA DE EQUILÍBRIO DE ADSORÇÃO. ESTA CAMADA ACTUA COMO ''BARREIRA DE CONTENÇÃO'' PARA O CO2. O PROCESSO DE ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO CONSISTE EM REALIZAR CICLOS DE SEPARAÇÃO, COM UTILIZAÇÃO DE UMA OU MÚLTIPLAS COLUNAS DE SEPARAÇÃO ACIMA MENCIONADAS, SENDO CONSTITUÍDO CADA UM DESTES CICLOS DE SEPARAÇÃO POR CINCO ETAPAS. ESTE PROCESSO PERMITE REMOVER DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) DUMA CORRENTE RICA EM METANO (CH4), PREFERENCIALMENTE PARA PRODUZIR METANO COM GRAU COMBUSTÍVEL COM VÁRIAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DESDE A INDÚSTRIA QUÍMICA DE GASES, COMO PARA A OBTENÇÃO DE COMBUSTÍVEIS, PURIFICAÇÃO DE METANO PARA SUA UTILIZAÇÃO COMO REAGENTE NA INDÚSTRIA QUÍMICA E PARA REMOÇÃO DE DIÁXÍDO DE CARBONO NO TRANSPORTE DE GÁS NATURAL EM GASODUTOS.This invention relates to a novel type of separation column and ADSORPTION PROCESSES OF THE ADSORPTION TYPE WITH PRESSURE SWING ADSORPTION, AS WELL AS ITS USE FOR THE PURIFICATION OF GASES, SO, THE PRESENT INVENTION CONSISTS OF OBTAINING OF A SEPARATION COLUMN WITH TWO LAYERS OF ADSORVENT MATERIAL BEING CONSTITUTED BY MATERIAL WITH DIFFERENT CHARACTERISTICS WITH REGARD TO ITS FUNCTIONS. IN PARTICULAR THE FIRST LAYER MAKES A KINETIC SEPARATION, WHILE THE SECOND LAYER MAKES A SEPARATION BY BALANCE DIFFERENCE OF BACKGROUND OF THE INVENTION The process of adsorption with pressure modulation consists in performing separation cycles with the use of one or a plurality of said separation columns mentioned above, each being constituted by said one of said cyclic seals OF SEPARATION FOR FIVE STEPS. THIS PROCESS ALLOWS TO REMOVE CARBON DIOXIDE (CO 2) A METHANE (CH4) RICH CHAIN, PREFERENTIALLY FOR PRODUCING METHANE WITH HIGH FUELS WITH VARIOUS INDUSTRIAL APPLICATIONS FROM THE CHEMICAL INDUSTRY OF GASES, AS FOR THE OBTAINMENT OF FUELS, PURIFICATION OF METHANE FOR USE AS A REAGENT IN THE CHEMICAL INDUSTRY AND FOR REMOVAL OF CARBON DIOCIDE IN THE TRANSPORTATION OF NATURAL GAS IN GAS PIPES.

Description

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DESCRIÇÃO "COLUNA DE SEPARAÇÃO E PROCESSO DE ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO PARA PURIFICAÇÃO DE GASES"DESCRIPTION OF THE SEPARATION COLUMN AND ADSORPTION PROCESS WITH GAS PURIFICATION PRESSURE MODULATION "

Domínio técnico da invençãoTechnical field of the invention

Esta invenção relaciona-se com um novo tipo de coluna de separação e processos de adsorção do tipo Adsorção com Modulação de Pressão (Pressure Swing Adsorption, PSA, bem como a sua utilização para a purificação de gases.This invention relates to a novel type of separation column and adsorption processes of the Pressure Swing Adsorption type, as well as their use for the purification of gases.

Este processo permite remover dióxido de carbono (C02) duma corrente rica em metano (CH4) , preferencialmente para produzir metano com grau combustível, sendo a sua principal aplicação a purificação de correntes de biogás e gás de aterro para produção de metano com grau combustível para ser utilizado em automóveis, preferencialmente, nos transportes públicos. Outras aplicações desta invenção são a purificação de metano para sua utilização como reagente na indústria química e para remoção de dióxido de carbono no transporte de gás natural em gasodutos.This process allows the removal of carbon dioxide (CO2) from a methane-rich (CH4) stream, preferably to produce methane with a fuel grade, and its main application is the purification of biogas and landfill gas streams for the production of methane with fuel grade for be used in cars, preferably on public transport. Other applications of this invention are the purification of methane for use as a reagent in the chemical industry and for the removal of carbon dioxide in the transport of natural gas in pipelines.

Sumário da Invenção A presente invenção consiste na obtenção de uma coluna de separação com duas camadas de material adsorvente, com características distintas, sendo a primeira camada constituída por material microporoso, com poros de dimensão compreendida entre 4A e 5,5A e com funções de separação cinética, enquanto que a segunda camada constituída por materiais microporosos, preferencialmente à base de materiais inorgânicos de elevada área superficial, com realiza a i microporos de dimensões superiores a 6A, 2 separação por diferença de equilíbrio de adsorção. Esta camada actua como "barreira de contenção" para o C02. 0 processo de adsorção com modulação de pressão consiste em realizar ciclos de separação, com utilização de uma ou múltiplas colunas de separação acima mencionadas, sendo constituído cada um destes ciclos de separação por cinco etapas. Este processo permite remover dióxido de carbono (C02) duma corrente rica em metano (CH4) , preferencialmente para produzir metano com grau combustível com várias aplicações industriais desde a indústria química de gases, como para a obtenção de combustíveis, purificação de metano para sua utilização como reagente na indústria química e para remoção de dióxido de carbono no transporte de gás natural em gasodutos.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention consists in obtaining a separating column with two layers of adsorbent material, with distinct characteristics, the first layer being made up of microporous material, with pores having a size between 4A and 5,5A and having separation functions while the second layer consists of microporous materials, preferably based on inorganic materials of high surface area, with micropores having a size greater than 6A, separating by adsorption equilibrium difference. This layer acts as a " containment barrier " for C02. The pressure modulation adsorption process consists in performing separation cycles using one or more of the above-mentioned separation columns, each of these five-step separation cycles being constituted. This process allows the removal of carbon dioxide (CO2) from a methane-rich (CH4) stream, preferably to produce fuel grade methane with various industrial applications from the chemical gas industry, such as for fuels, methane purification for use as a reagent in the chemical industry and for the removal of carbon dioxide in the transport of natural gas in pipelines.

Antecedentes da InvençãoBackground of the Invention

Existem diferentes fontes de utilização de metano que actualmente estão a ser ou podem vir a ser aproveitadas para obtenção de combustíveis para automóveis. Nomeadamente, nesta invenção contemplam-se duas correntes ricas em metano com altas concentrações de dióxido de carbono provenientes de gás de aterro e biogás. Este processo também pode ser aplicado em correntes de gás natural contaminado com grandes quantidades de C02. 0 gás natural existe no subsolo e frequentemente encontra-se contaminado com C02. Este gás deve ser purificado para ser utilizado como combustível ou para ser injectado num gasoduto. 0 processo descrito nesta invenção seria de utilidade em casos de caudais pequenos ou médios já que para altos fluxos de gás os processos de absorção com 3 aminas são mais competitivos economicamente (Appl et al., 1982) . 0 biogás e o gás de aterro são misturas gasosas que provém da decomposição anaeróbica de matéria orgânica. Normalmente a composição do gás de aterro e do biogás é 70-30% de metano, 25-60% de dióxido de carbono, ácido sulfídrico e outros contaminantes e além disso está saturado com vapor de água à temperatura ambiente. A composição do biogás (principalmente a quantidade e qualidade de contaminantes) varia consoante a fonte e as condições de produção de biogás. Devido ao alto grau de toxicidade e inflamabilidade, e mais recentemente ao controlo das emissões de gases com efeito de estufa, o gás de aterro e o biogás não podem ser emitidos directamente para a atmosfera. A solução mais frequente é a sua queima (gas flaring). A primeira utilização do gás de aterro, assim como do biogás, foi a utilização do calor da queima para usos locais e pontuais. Depois seguiu-se a produção de energia eléctrica e aproveitamento de calor (ciclos combinados). Actualmente existem três diferentes alternativas com interesse económico já provado: produção de combustível, geração de químicos e a mais utilizada ainda são os ciclos combinados de produção de calor e energia. Com o recente aumento do preço dos combustíveis, a produção de metano como combustível torna-se uma opção altamente rentável, e além disso produz um combustível semelhante a um combustível fóssil com alto rendimento e menor quantidade de emissões de C02. O processo de PSA descrito nesta invenção é aplicável aos caudais existentes em todas as fontes de biogás e gás de aterro. 4There are different sources of methane use that are currently being or may be harnessed to obtain fuel for cars. Namely, in this invention two streams rich in methane with high concentrations of carbon dioxide from landfill gas and biogas are contemplated. This process can also be applied in streams of natural gas contaminated with large amounts of CO 2. Natural gas exists underground and is often contaminated with CO 2. This gas must be purified to be used as fuel or to be injected into a pipeline. The process described in this invention would be useful in cases of small or medium flow rates since for high gas flows the absorption processes with 3 amines are more economically competitive (Appl et al., 1982). Biogas and landfill gas are gaseous mixtures that come from the anaerobic decomposition of organic matter. Typically the composition of landfill gas and biogas is 70-30% methane, 25-60% carbon dioxide, hydrogen sulfide and other contaminants and is further saturated with room temperature steam. The composition of biogas (mainly the quantity and quality of contaminants) varies according to the source and the biogas production conditions. Due to the high degree of toxicity and flammability, and more recently the control of greenhouse gas emissions, landfill gas and biogas can not be emitted directly into the atmosphere. The most frequent solution is its flaring. The first use of landfill gas, as well as biogas, was the use of the heat of burning for local and occasional uses. Then followed the production of electric power and use of heat (combined cycles). Currently there are three different alternatives with proven economic interest: fuel production, chemical generation and the most used are still the combined cycles of heat and energy production. With the recent rise in fuel prices, methane as fuel becomes a highly profitable option, and it produces fossil-fuel fuel with high yields and lower CO2 emissions. The PSA process described in this invention is applicable to the flows existing in all sources of biogas and landfill gas. 4

Para produzir metano grau combustível a partir de biogás é necessário remover os contaminantes (principalmente os compostos sulfurados e a água), e depois o C02 (Knaebel e Reinhold, 2003) . O processo a estudar neste trabalho baseia-se na hipótese de que todos os contaminantes foram removidos e focaliza a separação binária CH4/C02. A purificação de gás de aterro para injecção em gasodutos já é utilizada nos Estados Unidos de América. A purificação de biogás para produção de combustível já é utilizada na Suécia e em França para alimentação de autocarros e de carros. A produção de combustível a partir de biogás pode ajudar no cumprimento da medida 2003/30/EG da Comissão Europeia onde foi estabelecido um valor de 5.75% de bio-combustíveis para o ano 2010.To produce fuel grade methane from biogas it is necessary to remove the contaminants (mainly sulfur compounds and water), and then CO 2 (Knaebel and Reinhold, 2003). The process to be studied in this work is based on the hypothesis that all the contaminants were removed and focused on the CH4 / CO2 binary separation. Landfill gas purification for pipeline injection is already used in the United States of America. Biogas purification for fuel production is already used in Sweden and France for bus and coach fuel. The production of fuel from biogas can help to comply with the European Commission's 2003/30 / EG measure where a value of 5.75% of biofuels was established for the year 2010.

Existem diferentes processos industriais para remover o C02 de correntes de biogás. Muitas das tecnologias aplicáveis a esta mistura foram importadas da indústria do gás natural e adaptadas a menores pressões. As tecnologias mais utilizadas são a absorção de C02 em água, absorção de C02 em aminas, membranas e processos de adsorção (Hagen et al., 2001). Esta invenção trata especificamente duma nova configuração de adsorventes dentro da(s) coluna (s) da unidade de PSA assim como duma nova configuração de etapas para remoção selectiva de C02.There are different industrial processes to remove CO2 from biogas streams. Many of the technologies applicable to this blend were imported from the natural gas industry and adapted to lower pressures. The most commonly used technologies are the absorption of CO2 in water, absorption of CO2 in amines, membranes and adsorption processes (Hagen et al., 2001). This invention specifically addresses a novel configuration of adsorbents within the PSA unit column (s) as well as a novel step configuration for selective CO2 removal.

Um estudo anterior na separação de biogás utilizando um adsorvente de separação por diferença nas cinéticas de adsorção (peneira molecular de carbono CMS 3K) indicou que com um ciclo de quatro etapas pode-se obter uma pureza superior a 98% (Cavenati et al., 2005) com recuperações de metano de 60%. O ciclo de quatro etapas era composto por pressurização, alimentação, evacuação contra-corrente e 5 purga com produto a contra-corrente e os resultados obtidos por simulação foram comprovados com dados experimentais numa unidade laboratorial. Estudos recentes utilizando um peneiro molecular de carbono CMS 3A) mostram que outros grupos de investigação obtiveram resultados semelhantes nesta separação (Bae et al., 2006). Estudos posteriores no nosso laboratório (resultados ainda não publicados) indicaram que se utilizarmos o mesmo adsorvente (CMS 3K) é possível aumentar a recuperação de metano até valores de 80% (com purezas de 98%) modificando o ciclo de PSA. Incluiu-se uma nova etapa no ciclo, sendo então um ciclo de cinco etapas composto por: pressurização, alimentação, despressurização co-corrente até uma pressão intermédia, evacuação contra-corrente e purga com produto a contra-corrente .A previous study in the separation of biogas using a differential adsorbent by difference in the adsorption kinetics (CK 3K carbon molecular sieve) indicated that with a four-step cycle a purity greater than 98% can be obtained (Cavenati et al. 2005) with recoveries of methane of 60%. The four-step cycle consisted of pressurizing, feeding, counter-current evacuation and back-flow with countercurrent and the results obtained by simulation were confirmed with experimental data in a laboratory unit. Recent studies using a carbon molecular sieve (CMS 3A) show that other research groups have obtained similar results in this separation (Bae et al., 2006). Further studies in our laboratory (results not yet published) indicated that if we use the same adsorbent (CMS 3K) it is possible to increase methane recovery to values of 80% (with 98% purity) by modifying the PSA cycle. A new step in the cycle was included, and a five step cycle consisting of: pressurizing, feeding, co-current depressurising to an intermediate pressure, counter-current evacuation and back-flow product purging.

Também se podem encontrar na literatura documentos de patente que utilizam adsorventes com alta selectividade cinética na remoção de C02 para purificação de metano. Exemplos destes adsorventes são clinoptilolites (Seery, 1998), titanosilicatos (Dolan and Mitariten, 2003) zeólitos tipo DDR em membranas (Fujita et al., 2006) e peneiras moleculares de carbono (Masahiro and Kazuo, 1995). O principal problema dos processos de PSA que utilizam adsorventes cinéticos (entre eles as peneiras moleculares de carbono) é a baixa produtividade. No caso do adsorvente CMS 3K a produtividade é em torno dos 3.5 mol CH4/hora.kg adsorvente. A baixa produtividade destes processos de PSA é devido à baixa utilização da capacidade total do adsorvente (normalmente inferior a 50%) sendo que os perfis de concentração de C02 são muito dispersos dentro de cada coluna obrigando a interromper a alimentação muito antes da 6 saturação do adsorvente para evitar a contaminação do produto com concentrações superiores a dois ou três porcento dependendo das especificações pretendidas para o metano. Outro problema dos adsorventes cinéticos é que na etapa de purga com metano não se consegue deslocar o C02 adsorvido, motivo pelo qual esta etapa é pouco efectiva. 0 metano não é significativamente adsorvido nos microporos dos adsorventes cinéticos no tempo dum ciclo de PSA.Patent documents using adsorbents with high kinetic selectivity in the removal of CO2 for methane purification can also be found in the literature. Examples of these adsorbents are clinoptilolites (Seery, 1998), titanosilicates (Dolan and Mitariten, 2003) DDR-type zeolites in membranes (Fujita et al., 2006) and carbon molecular sieves (Masahiro and Kazuo, 1995). The main problem of PSA processes using kinetic adsorbents (among them carbon molecular sieves) is the low productivity. In the case of the adsorbent CMS 3K the productivity is around the 3.5 mol CH4 / hour.kg adsorbent. The low productivity of these PSA processes is due to the low utilization of the total capacity of the adsorbent (usually less than 50%) and the CO2 concentration profiles are very dispersed within each column forcing the feed to be interrupted long before the saturation of the adsorbent to avoid contamination of the product with concentrations greater than two or three percent depending on the intended methane specifications. Another problem of the kinetic adsorbents is that in the purge stage with methane the adsorbed CO2 can not be displaced, reason why this stage is little effective. Methane is not significantly adsorbed on the micropores of the kinetic adsorbents at the time of a PSA cycle.

As primeiras unidades de PSA utilizavam materiais que adsorviam grandes quantidades de C02 e pouco CH4 e portanto a separação era feita por diferença nos equilíbrios de adsorção. Exemplos destes adsorventes são: carvão activado (Sircar et al., 1988; Davis, et al., 1992; Sircar, 1986), zeólito 13X (Sircar, et al., 1988), sílica gel (Dolan e Mitariten, 2003) e compostos organo-metálicos (Muller et al., 2005) .The first PSA units used materials that adsorbed large quantities of CO2 and little CH4 and so the separation was made by difference in the adsorption equilibria. Examples of these adsorbents are: activated charcoal (Sircar et al., 1988; Davis, et al., 1992; Sircar, 1986), 13X zeolite (Sircar, et al., 1988), silica gel (Dolan and Mitariten, 2003) and organo-metallic compounds (Muller et al., 2005).

Para efeitos de comparação, no nosso laboratório realizaram-se estudos desta separação com um adsorvente com alta selectividade de equilíbrio de adsorção de C02: zeólito 13X. Estes estudos foram realizados com dados de adsorção dos compostos puros e com um modelo matemático já provado para a separação destes gases (Cavenati et al., 2006).For the purpose of comparison, in our laboratory studies of this separation with an adsorbent with high selectivity of adsorption equilibrium of CO2: 13X zeolite were carried out. These studies were carried out with adsorption data of the pure compounds and with a mathematical model already proven for the separation of these gases (Cavenati et al., 2006).

Para este caso particular, a produtividade total da unidade de PSA, ficou em torno dos 2 mol CH4/hora.kg adsorvente. A baixa produtividade é causada pela baixa utilização da capacidade total do adsorvente devido às grandes dificuldades de desorção do C02 e pela grande quantidade de metano retida pelo zeólito na etapa de pressurização. 7For this particular case, the total productivity of the PSA unit was around 2 mol CH4 / hour.kg adsorbent. The low productivity is caused by the low utilization of the total capacity of the adsorbent due to the great difficulties of desorption of CO 2 and the large amount of methane retained by the zeolite in the pressurizing step. 7

Existem também na literatura, exemplos de unidades de PSA compostos por diferentes camadas de adsorventes, nomeadamente para a separação de diferentes misturas gasosas. Aplicações de PSA com colunas utilizando adsorventes dispostos em camadas foram registadas para correntes de salda de reformado de metano (Golden e Weist, 2004), separação de água e C02 duma corrente gasosa (Deng et al., 2001; Little and Spektor, 2005). Em todas as referências mencionadas, cada uma das diferentes camadas de adsorvente destinam-se a remover um componente especifico duma mistura de gases com vários componentes. Outro tipo de processo de PSA com diferentes camadas de diferentes adsorventes pode ser a separação de água de uma corrente de ar ou gás natural ou de N2/02 (Lu, et al., 2003). Neste exemplo, utilizam-se camadas de diferentes adsorventes com o único objectivo de remover água de uma corrente gasosa, sendo que este tipo de configuração permite aumentar a produtividade do processo. No exemplo da remoção de água, as camadas são distribuídas de acordo com uma adequada combinação de propriedades de adsorção: primeiro uma camada de carvão activado de grande capacidade a altas humidades relativas, depois uma camada de sílica gel para remover outra grande parte até concentrações menores a 1% e finalmente uma camada de zeólito para eliminar o conteúdo de água até umas poucas partes por milhão (ppm) . Neste exemplo, todos os adsorventes adsorvem fortemente a água sendo o processo controlado pelo equilíbrio de adsorção deste composto nos diferentes materiais.There are also in the literature examples of PSA units composed of different layers of adsorbents, namely for the separation of different gas mixtures. The adsorption of the adsorbents to the adsorbents was carried out in the following manner: (a) the adsorbents of the adsorbents were adsorbed onto the adsorbent, and (b) . In all of the mentioned references, each of the different layers of adsorbent is intended to remove a specific component of a mixed gas mixture. Another type of PSA process with different layers of different adsorbents may be the separation of water from a stream of air or natural gas or N2 / 02 (Lu, et al., 2003). In this example, layers of different adsorbents are used for the sole purpose of removing water from a gaseous stream, and this type of configuration increases the productivity of the process. In the example of water withdrawal, the layers are distributed according to a suitable combination of adsorption properties: first a layer of activated carbon of high capacity at high relative humidities, then a layer of silica gel to remove another large part to lower concentrations to 1% and finally a layer of zeolite to eliminate the water content to a few parts per million (ppm). In this example, all adsorbents strongly adsorb water and the process is controlled by the adsorption equilibrium of this compound in the different materials.

Nos processos mencionados anteriormente a disposição de adsorventes em camadas tinha como objectivo a remoção selectiva de vários componentes individualmente (um adsorvente para remover cada contaminante). 8In the foregoing processes the layered adsorbent arrangement had as its objective the selective removal of several components individually (an adsorbent to remove each contaminant). 8

Outra aplicação, com disposição de adsorventes em camadas para remoção dum único gás contaminante, utiliza um primeiro adsorvente com maior capacidade de adsorção seguido dum adsorvente de menor capacidade, preferencialmente sem limitações cinéticas. A principal diferença da presente invenção relativamente aos processos já conhecidos e mencionados consiste na existência conjunta de dois tipos diferentes de adsorventes e a sua inovadora disposição: um primeiro adsorvente, com menor capacidade efectiva de adsorção (seja por menor capacidade ou pela existência de limitações difusionais), seguido de um outro adsorvente, com maior capacidade efectiva e estrutura microporosa, que permita uma rápida difusão de todos os componentes, actuando como barreira de contenção.Another application, with the provision of adsorbents in layers for removal of a single contaminant gas, uses a first adsorbent with higher adsorption capacity followed by a lower capacity adsorbent, preferably with no kinetic limitations. The main difference of the present invention with respect to the already known and mentioned processes consists in the existence of two different types of adsorbents together and their innovative arrangement: a first adsorbent, with a lower effective adsorption capacity (either due to lower capacity or diffusion limitations ), followed by another adsorbent, with greater effective capacity and microporous structure, allowing a rapid diffusion of all the components, acting as a containment barrier.

Concomitantemente, o processo PSA ao utilizar este tipo de coluna, revela-se mais eficaz e produtivo.Concurrently, the PSA process when using this type of column, proves to be more effective and productive.

Descrição Geral da Invenção 0 objecto da presente invenção visa melhorar o desempenho e a produtividade de unidades de adsorção por modulação de pressão ou PSA (Pressure Swing Adsorption) que utilizam adsorventes cinéticos. 0 aumento de produtividade destas unidades ajuda a reduzir os custos de instalação e de operação.General Description of the Invention The object of the present invention is to improve the performance and productivity of pressure swap adsorption units (PSA) using kinetic adsorbents. Increasing productivity of these units helps reduce installation and operating costs.

Esta invenção pode ser aplicada a separações binárias onde exista um único gás contaminante e um único gás produto, realizadas por processo de adsorção com modulação de pressão. Especificamente, discutiremos a aplicação deste processo a correntes de CH4 - CO2. Esta mistura encontra-se 9 em correntes de gás natural e correntes de biogás, entre elas o gás de aterro. 0 produto obtido pode ser utilizado como combustível (metano de alta pureza), mas o processo também pode ser utilizado noutras aplicações. Este processo será utilizado para remover conteúdos de CO2 entre 5% a 85% e preferencialmente entre 30% e 45%. O processo opera entre -10 °C e 100 °C, mas preferencialmente entre 25 °C e 55 °C. O processo de adsorção com modulação de pressão aqui apresentado consta de uma ou várias colunas dispostas de modo a obter uma operação contínua ou descontínua. As operações descontínuas são caracterizadas pela existência de tanques estabilizadores tampão acoplados ao sistema de PSA.This invention can be applied to binary separations where there is a single contaminant gas and a single product gas, carried out by a pressure modulation adsorption process. Specifically, we will discuss the application of this process to CH 4 --CO 2 currents. This mixture is found in natural gas streams and biogas streams, including landfill gas. The product obtained can be used as fuel (high purity methane), but the process can also be used in other applications. This process will be used to remove CO2 contents between 5% to 85% and preferably between 30% and 45%. The process operates between -10 ° C and 100 ° C, but preferably between 25 ° C and 55 ° C. The pressure modulation adsorption process shown here comprises one or more columns arranged to provide continuous or discontinuous operation. Discontinuous operations are characterized by the existence of buffer stabilizer tanks coupled to the PSA system.

Os materiais adsorventes dentro das colunas são dispostos em duas camadas: uma primeira camada de adsorvente com selectividade cinética para o gás contaminante de preferência onde o gás produto tenha uma cinética de adsorção muito lenta e uma segunda camada de material adsorvente com selectividade por diferença de equilíbrio de adsorção onde o gás contaminante seja mais adsorvido que o gás produto. A primeira camada de adsorvente deve ser a primeira a entrar em contacto com o gás a purificar. A novidade desta invenção reside na disposição de duas camadas de adsorvente dentro de uma mesma coluna num processo de adsorção por modulação de pressão de uma única coluna ou múltiplas colunas para remoção de um gás contaminante (C02) dum gás produto (CH4) . A disposição em camadas proposta nesta invenção permite realizar a separação de C02 com a eficiência duma separação cinética mas aumenta a produtividade do processo devido à existência duma "camada de contenção" de um material de maior 10 capacidade existente só no final da coluna. Dentro do campo de invenção, a maior novidade é a disposição, não convencional, dum adsorvente de menor capacidade e que actua por separação cinética seguido de um adsorvente de maior capacidade que actua por separação por diferença nos equilíbrios de adsorção. A primeira camada que contém o primeiro adsorvente visa remover grandes quantidades de C02 da mistura. Exemplos de adsorventes cinéticos que podem ser aplicados nesta camada são todos os materiais que tenham microporos de aproximadamente 4 angstroms: peneiras moleculares de carbono, zeólitos naturais e zeólito 4A, zeólitos deca-dodecasil 3R DDR, zeólitos ITQ (Instituto de TecnologiaThe adsorbent materials within the columns are arranged in two layers: a first adsorbent layer with kinetic selectivity for the contaminating gas preferably where the product gas has a very slow adsorption kinetics and a second layer of adsorbent material with selectivity by equilibrium difference adsorption where the contaminating gas is more adsorbed than the product gas. The first layer of adsorbent must be the first to come into contact with the gas to be purified. The novelty of this invention resides in the arrangement of two layers of adsorbent within the same column in a pressure column adsorption adsorption process of a single column or multiple columns for removal of a CO 2 gas from a product gas (CH 4). The layered arrangement proposed in this invention enables the separation of CO2 with the efficiency of a kinetic separation but increases the productivity of the process due to the existence of a " containment layer " of a material of greater 10 capacity existing only at the end of the column. Within the field of invention, the novelty is the unconventional arrangement of an adsorbent of lower capacity and which acts by kinetic separation followed by a higher capacity adsorbent which acts by separation by difference in the adsorption equilibria. The first layer containing the first adsorbent is to remove large amounts of CO2 from the blend. Examples of kinetic adsorbents that can be applied to this layer are all materials having approximately 4 angstroms micropores: carbon molecular sieves, natural zeolites and zeolite 4A, deca-dodecasil 3R DDR zeolites, ITQ zeolites

Química) , clinoptilolites e titanosilicatos. Também se incluem nesta qualificação outros zeólitos química ou fisicamente modificados para ajustar os microporos até um valor próximo aos 4 angstroms. A segunda camada que contém o segundo adsorvente será utilizada para remover menores quantidades de C02 utilizando muito menos quantidade de adsorvente. A inclusão desta camada de adsorvente funciona como "barreira de contenção de C02" e constitui a principal modificação ao processo de PSA. Isto permite que o C02 demore mais tempo a sair e portanto a etapa de alimentação pode purificar maior quantidade de mistura, aumentando a produtividade da unidade. 0 adsorvente a ser utilizado na segunda camada deve ser um material que possa adsorver muito mais C02 do que CH4, ou seja, materiais onde a separação seja por diferenças nos equilíbrios de adsorção dos gases. Preferencialmente devem 11 utilizar-se adsorventes onde a difusibilidade de ambos os gases seja rápida. Estes materiais são normalmente todos os materiais inorgânicos de alta área superficial com microporos de tamanho maior que 6 angstroms. Exemplos destes materiais são: zeólito 13X e zeólito Y, mordenitas, carvão activado, aluminas, silica gel e outros materiais mesoporosos de matriz de silica. Podem ser exemplos de utilização os carvões activados de alta área superficial e também os carvões activados com modificações superficiais para aumentar a capacidade de adsorção de C02.Chemistry), clinoptilolites and titanosilicates. Also included in this qualification are other chemically or physically modified zeolites to adjust the micropores to a value close to 4 angstroms. The second layer containing the second adsorbent will be used to remove smaller amounts of CO 2 using much less amount of adsorbent. The inclusion of this adsorbent layer functions as " C02 containment barrier " and is the main modification to the PES process. This allows C02 to take longer to quit and therefore the feed step can purify more mixing, increasing unit productivity. The adsorbent to be used in the second layer should be a material that can adsorb much more C02 than CH4, i.e., materials where the separation is by differences in the adsorption equilibria of the gases. Preferably adsorbents should be used where the diffusivity of both gases is rapid. These materials are usually all high surface area inorganic materials with micropores larger than 6 angstroms. Examples of these materials are: 13X zeolite and zeolite Y, mordenites, activated carbon, aluminas, silica gel and other mesoporous silica matrix materials. Examples of high surface area activated carbons and activated carbons with surface modifications may be used to increase the C02 adsorption capacity.

Cada coluna passa por cinco etapas antes de completar um ciclo. Estas etapas são a) a alimentação a alta pressão com o gás a separar; b) a despressurização até uma pressão intermédia; c) evacuação contracorrente; d) purga com produto contracorrente e e) pressurização com produto em contracorrente. 1) Alimentação: a mistura de gases é alimentada pela parte inferior da coluna sendo o C02 retido e o metano retirado pelo topo a alta pressão. Esta etapa acaba antes do C02 que sai pelo topo da coluna alcance uma concentração superior a especificada para obter metano grau combustível. 2) Despressurização intermédia: Sem alimentação, a coluna é despressurizada até uma pressão inferior à utilizada na alimentação, preferencialmente, até uma pressão intermédia num intervalo entre 20 e 600 kPa. Pretende-se diminuir a quantidade de metano retida na fase gás e assim aumentar a sua recuperação. Este metano pode ser recomprimido ou utilizado para pressurizar outra(s) coluna(s) ou eventualmente na 12 etapa de purga. A difusividade do C02 adsorvido no adsorvente cinético é lenta e portanto só começa a dessorver mas não em grandes quantidades. Esta etapa deve ser de rápida concretização. 3) Evacuação contracorrente: A saida da coluna é fechada e depois a coluna é ligada a uma linha com menor pressão. A pressão minima do sistema é atingida na evacuação, preferencialmente, num intervalo entre 100 e lkPa de pressão total. Esta pressão pode ser inferior à pressão atmosférica se o adsorvente for regenerável só nessas condições. Nesta etapa é perdido algum metano que deve ser queimado antes de ser emitido para a atmosfera. 4) Purga com produto contracorrente: uma parte do produto ou da saida da etapa de despressurização é introduzida na coluna na parte superior e a saida é, conjuntamente com a saida da etapa de evacuação, uma corrente secundária do processo que pode ser utilizada para obtenção de energia. Nesta etapa a pressão também é a pressão minima do sistema, preferencialmente, num intervalo entre 200 e 1 kPa de pressão total na coluna, sendo o objectivo desta etapa deslocar o C02 existente no fim da coluna para poder dar uma maior utilização ao leito na etapa de alimentação. 5) Pressurização: Com parte do produto e do gás proveniente da etapa de despressurização, a pressão da coluna é aumentada desde a pressão minima até a pressão máxima, entre 1 e 200 kPa a 250 e 2000 kPa de pressão total, preferencialmente entre 200 e 1500 kPa, e mais preferencialmente entre 400 e 800 kPa. Uma vez 13 que se atinja este valor de pressão, pode começar a etapa de alimentação e reiniciar um novo ciclo.Each column goes through five steps before completing a cycle. These steps are a) high pressure feed with the gas to be separated; b) depressurising to an intermediate pressure; c) countercurrent evacuation; d) countercurrent product purging and e) pressurizing with countercurrent product. 1) Feeding: The gas mixture is fed from the lower part of the column with C02 retained and methane withdrawn from the top at high pressure. This step ends before C02 exiting the top of the column reaches a concentration higher than that specified to obtain methane grade fuel. 2) Intermediate depressurising: Without feed, the column is depressurised to a pressure lower than that used in the feed, preferably to an intermediate pressure in the range of 20 to 600 kPa. It is intended to decrease the amount of methane retained in the gas phase and thus increase its recovery. This methane may be recompressed or used to pressurize another column (s) or optionally in the bleed stage. The diffusivity of C02 adsorbed on the kinetic adsorbent is slow and therefore only begins to desorb but not in large quantities. This step should be rapid. 3) Countercurrent Evacuation: The outlet of the column is closed and then the column is connected to a line with less pressure. The minimum system pressure is reached in the evacuation, preferably in a range between 100 and 1 kPa of total pressure. This pressure may be lower than atmospheric pressure if the adsorbent is regenerable under these conditions only. At this stage some methane is lost which must be burned before being emitted into the atmosphere. 4) Countercurrent product purge: a part of the product or the outlet of the depressurising step is introduced into the column at the top and the outlet is, along with the exit from the evacuation step, a secondary process stream that can be used to obtain power. In this step the pressure is also the minimum pressure of the system, preferably in a range between 200 and 1 kPa of total pressure in the column, the purpose of this step being to displace the existing CO2 at the end of the column in order to give greater use to the bed in step feed. 5) Pressurizing: With part of the product and the gas coming from the depressurising step, the column pressure is increased from the minimum pressure to the maximum pressure, between 1 and 200 kPa at 250 and 2000 kPa of total pressure, preferably between 200 and 1500 kPa, and more preferably between 400 and 800 kPa. Once this pressure value is reached, you can begin the feeding step and restart a new cycle.

Breve descrição das Figuras A figura 1 mostra o arranjo em camadas de uma coluna de LPSA (Layered Pressure Swing Adsorption)em que: (1) representa o produto - CH4 purificado; (2) representa a camada de adsorvente de separação por diferenças nos equilíbrios de adsorção; (3) representa a camada de adsorvente de separação por diferenças nas cinéticas de adsorção; (4) representa a alimentação da coluna: CH4 -C02BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows the layered arrangement of a LPSA (Layered Pressure Swing Adsorption) column wherein: (1) represents the purified-CH4 product; (2) represents the separation adsorbent layer by differences in adsorption equilibria; (3) represents the separation adsorbent layer by differences in adsorption kinetics; (4) represents the column feed: CH4 -CO2

Descrição Detalhada da Invenção 1. Preparação das colunas de separaçãoDetailed Description of the Invention 1. Preparation of the separation columns

Para se obter a separação de dióxido de carbono de correntes ricas em metano em primeiro lugar é necessário obter uma coluna com as duas camadas de adsorventes a utilizar no processo. A primeira camada deve conter adsorventes cinéticos que são os primeiros a entrar em contacto com o C02. Exemplos destes adsorventes são clinoptilolites, zeólitos tipo deca-dodecasil 3R DDR, titanosilicatos, peneiras moleculares de carbono e zeólitos tipo LTA modificados com Li e K. A segunda camada deve conter um adsorvente com grande capacidade para reter C02 sendo que é desejável que a difusão de ambos os gases seja rápida. Exemplos destes adsorventes são zeólito 13X e zeólito Y, carvão activado, 14 aluminas, sílica gel e outros materiais mesoporosos de matriz de sílica. A quantidade de material utilizado em cada uma das camadas é directamente relacionada com as especificações desejadas no produto. Normalmente a segunda camada de adsorvente ocupa entre 5 e 50% do volume total da coluna. 2. Desenvolvimento do processo de separação O processo de separação decorre em ciclos de cinco etapas, cada um. Cada uma destas etapas envolve os seguintes passos: a) a alimentação a alta pressão com o gás a separar; b) a despressurização até uma pressão intermédia; c) evacuação contracorrente; d) purga com produto contracorrente e e) pressurização com produto em contracorrente. a) Alimentação: a mistura de gases é alimentada pela parte inferior da coluna sendo o CO2 retido e o metano retirado pelo topo a alta pressão. Esta etapa é operada a altas pressões entre 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 400 e 800 kPa. Esta etapa acaba antes do C02 que sai pelo topo da coluna alcance uma concentração superior a especificada para obter metano grau combustível; b) Despressurização intermédia: sem alimentação, a coluna é despressurizada até uma pressão inferior à utilizada na alimentação. Pretende-se diminuir a quantidade de metano retida na fase gás e assim aumentar a sua recuperação. Este metano pode ser recomprimido ou utilizado para pressurizar outra (s) coluna (s) ou 15 eventualmente na etapa de purga. Esta etapa deve ser de rápida concretização; c) Evacuação contracorrente: a saída da coluna é fechada e depois a coluna é ligada a uma linha com menor pressão. A pressão mínima do sistema é atingida na evacuação. Esta pressão pode ser inferior à pressão atmosférica se o adsorvente for regenerável e apenas nessas condições. Nesta etapa é perdido algum metano que deve ser queimado antes de ser emitido para a atmosfera. d) Purga com produto contracorrente: uma parte do produto ou da saída da etapa de despressurização é introduzida na coluna na parte superior e a saída é, conjuntamente com a saída da etapa de evacuação, uma corrente secundária do processo que pode ser utilizada para obtenção de energia. Nesta etapa a pressão também é a pressão mínima do sistema. e) Pressurização: com parte do produto e do gás proveniente da etapa de despressurização, a pressão da coluna é aumentada desde a pressão mínima até a pressão máxima.In order to obtain the separation of carbon dioxide from methane-rich streams it is first necessary to obtain a column with the two layers of adsorbents to be used in the process. The first layer should contain kinetic adsorbents which are the first to come into contact with CO2. Examples of these adsorbents are clinoptilolites, zeolites type deca-dodecasil 3R DDR, titanosilicates, molecular sieves of carbon and LTA-type zeolites modified with Li and K. The second layer should contain an adsorbent with great capacity to retain C02 being that it is desirable that the diffusion of both gases is fast. Examples of these adsorbents are 13X zeolite and zeolite Y, activated charcoal, 14 aluminas, silica gel and other mesoporous silica matrix materials. The amount of material used in each of the layers is directly related to the specifications desired in the product. Usually the second layer of adsorbent occupies between 5 and 50% of the total volume of the column. 2. Development of the separation process The separation process takes place in five-step cycles, each. Each of these steps involves the following steps: a) high pressure feed with the gas to be separated; b) depressurising to an intermediate pressure; c) countercurrent evacuation; d) countercurrent product purging and e) pressurizing with countercurrent product. a) Feeding: the gas mixture is fed from the bottom of the column with the CO2 being retained and the methane withdrawn from the top at high pressure. This step is operated at high pressures between 200 and 1500 kPa, preferably between 400 and 800 kPa. This step ends before the C02 leaving the top of the column reaches a concentration higher than that specified to obtain methane grade fuel; b) Intermediate depressurising: without feed, the column is depressurised to a pressure lower than that used in the feed. It is intended to decrease the amount of methane retained in the gas phase and thus increase its recovery. This methane may be recompressed or used to pressurize another column (s) or optionally in the purge step. This step should be rapid; c) Countercurrent Evacuation: the outlet of the column is closed and then the column is connected to a line with lower pressure. The minimum system pressure is reached in the evacuation. This pressure may be lower than atmospheric pressure if the adsorbent is regenerable and only under such conditions. At this stage some methane is lost which must be burned before being emitted into the atmosphere. d) Purge with countercurrent product: a part of the product or the outlet of the depressurising step is introduced into the column at the top and the outlet is, together with the outlet of the evacuation step, a secondary stream of the process that can be used to obtain power. In this step the pressure is also the minimum pressure of the system. e) Pressurizing: with part of the product and the gas coming from the depressurising step, the column pressure is increased from the minimum pressure to the maximum pressure.

Uma vez que se atinja este valor de pressão, pode começar a etapa de alimentação e reiniciar um novo ciclo.Once this pressure value is reached, you can begin the feeding step and restart a new cycle.

Este ciclo visa utilizar a coluna descrita nesta invenção para remover um componente específico (C02) e depois regenerar dita coluna para voltar a ser utilizada. Este processo é utilizado para processar misturas de gases a temperaturas entre 20 e 70°C e pressões totais entre 250 e 16 2000 kPa. Quando o processo é utilizado em continuo atinge-se o comportamento do estado estacionário cíclico, onde se devem atingir os objectivos de performance desejados. Um processo de PSA composta por uma ou mais colunas pode ser utilizado com este tipo de ciclos. Numa unidade de colunas múltiplas a corrente da etapa de despressurização pode ser utilizada para equalizar a pressão de outra coluna para diminuir o consumo energético da unidade.This cycle aims to use the column described in this invention to remove a specific component (CO2) and then regenerate said column for reuse. This process is used to process gas mixtures at temperatures between 20 and 70 ° C and total pressures between 250 and 16000 kPa. When the process is used continuously the behavior of the cyclic steady state is reached, where the desired performance objectives are to be achieved. A PSA process composed of one or more columns can be used with this type of cycles. In a multi-column unit the current from the depressurising step can be used to equalize the pressure from another column to decrease the unit's power consumption.

Exemplos de aplicação EXEMPLO 1: Separação CH4-CO2 com peneira molecular de carbono CMS 3K. 0 estudo inicial da separação CH4-CO2 foi realizado com um adsorvente cinético CMS 3K onde a difusão do CH4 é muito lenta. Simulamos um processo de PSA com cinco etapas (alimentação, despressurização intermédia, evacuação contra-corrente, purga com produto em contra-corrente e pressurização contra-corrente). O caudal a ser tratado é da ordem dos 1000 Nm3/h (em condições de 298 K e 101.3 kPa) com um conteúdo de CH4 de 55%. Para tratar esta corrente foi utilizado um PSA com duas colunas de 4.667m de comprimento e 0.4667m de raio com uma porosidade de 0.33. A alimentação foi feita a uma pressão de 600 e 800 kPa e a evacuação e a purga a 10 kPa. Foram realizadas simulações com diferentes pressões intermédias. Os resultados obtidos podem ver-se na Tabela 1.Application examples EXAMPLE 1: CH4-CO2 separation with CK 3K carbon molecular sieve. The initial study of the CH4-CO2 separation was performed with a 3K CMS adsorbent where CH4 diffusion is very slow. We simulated a PSA process with five steps (feed, intermediate depressurising, countercurrent evacuation, countercurrent product purging and countercurrent pressurizing). The flow to be treated is of the order of 1000 Nm 3 / h (under conditions of 298 K and 101.3 kPa) with a CH 4 content of 55%. To treat this current a PSA with two columns of 4,667m long and 0.4667m radius with a porosity of 0.33 was used. The feed was made at a pressure of 600 and 800 kPa and evacuation and purge at 10 kPa. Simulations with different intermediate pressures were performed. The results obtained can be seen in Table 1.

Tabela 1. Resultados de simulações de um processo de PSA utilizando um adsorvente cinético CMS 3K.Table 1. Simulation results of a PSA process using a 3K CMS adsorbent.

Ensaio Qalim ^ alim ^despres ^evac p c alim p cinter Pureza Recupe- Produti- SLPM S S S kPa kPa CH4 % ração vidade ch4 % mo!CH4/h. 17 kg A 16666.7 135 0 160 600 200 99.1 53.1 2.63 1 16666.7 135 10 160 600 200 97.2 85.7 4.33 2 16666.7 135 10 160 800 200 97.3 85.6 4.32 3 16666.7 135 10 160 800 250 97.8 81.5 4.09 4 16666.7 130 10 140 800 250 97.9 80.8 4.05 5 16000 130 10 140 800 250 98.1 79.7 3.83Purification assay Purification Purity Purification Purification Purification SLPM S S S kPa kPa CH4% ration% CH4 / h. 17 kg A 16666.7 135 0 160 600 200 99.1 53.1 2.63 1 16666.7 135 10 160 600 200 97.2 85.7 4.33 2 16666.7 135 10 160 800 200 97.3 85.6 4.32 3 16666.7 135 10 160 800 250 97.8 81.5 4.09 4 16666.7 130 10 140 800 250 97.9 80.8 4.05 5 16000 130 10 140 800 250 98.1 79.7 3.83

Etapa de pressurização: 70s; etapa de purga: 50s.Pressurizing step: 70s; bleed stage: 50s.

Este exemplo serve como base de comparação dos resultados obtidos com um adsorvente cinético. EXEMPLO 2: Separação CH4-C02 com LPSA: CMS 3K seguido de zeólito 13X.This example serves as a basis for comparing the results obtained with a kinetic adsorbent. EXAMPLE 2: CH 4 -CO 2 Separation with LPSA: 3K CMS followed by 13X zeolite.

Neste exemplo utilizou-se um adsorvente cinético CMS 3K seguido de um zeólito 13X, conhecido pela sua grande capacidade de adsorção de C02. Para comparação dos resultados, utilizou-se uma unidade de PSA com duas colunas de 4.667m de comprimento e 0.4667m de raio. 0 processo também possui 5 etapas (alimentação, despressurização intermédia, evacuação contra-corrente, purga com produto em contra-corrente e pressurização contra-corrente). A pressão de alimentação foi sempre de 800 kPa e a pressão de evacuação de 10 kPa. O arranjo dos adsorventes foi feito para que o primeiro adsorvente a entrar e contacto com a corrente a purificar seja o CMS 3K seguido do zeólito 13X. Os resultados das diferentes simulações podem ver-se na Tabela 2. O objectivo é colocar um adsorvente com alta capacidade para adsorver C02 no final do leito e que também possa ser purgado utilizando metano (a efectividade da purga no CMS 3K é baixa devido à lenta difusividade do CH4 nos microporos do adsorvente) . Com isto consegue-se utilizar melhor a camada de CMS 3K sendo que a última camada de zeólito 13X actua como "barreira de contenção" para o C02. Nestas simulações podemos confirmar que a 18 18 que produtividade da unidade de LPSA é muito maior do utilizando só um adsorvente cinético do tipo CMS 3K. 19In this example, a 3K CMS adsorbent followed by a 13X zeolite, known for its large CO 2 adsorption capacity, was used. To compare the results, a PSA unit with two columns of 4,667m long and 0.4667m radius was used. The process also has 5 stages (feeding, intermediate depressurising, countercurrent evacuation, countercurrent product purging and countercurrent pressurizing). The feed pressure was always 800 kPa and the evacuation pressure was 10 kPa. The arrangement of the adsorbents was done so that the first adsorbent to enter and contact with the stream to be purified is the CMS 3K followed by the zeolite 13X. The results of the different simulations can be seen in Table 2. The objective is to place a high capacity adsorbent to adsorb C02 at the end of the bed and can also be purged using methane (purge effectiveness in CMS 3K is low due to the slow diffusivity of CH4 in the adsorbent micropores). In this way the 3K CMS layer is better utilized whereby the last 13X zeolite layer acts as a " containment barrier " for C02. In these simulations we can confirm that at 18 18 the productivity of the LPSA unit is much greater than using only a kinetic adsorbent of the CMS type 3K. 19

Tabela 2. Resultados de simulações de um processo de LPSA utilizando vim adsorvente cinético CMS 3K seguido dum adsorvente de separação por diferenças nos equilíbrios de adsorção (zeólito 13X).Table 2. Simulation results of a LPSA process using vim 3K CMS adsorbent followed by a sorption adsorbent by differences in adsorption equilibria (13X zeolite).

Ensaio Z13X / CMS3K Qalim SLPM T -1- alim S t despres S "t-evac S p -1- inter kPa Pureza CH4 % Recuperação CH4 % Produtividade molCH4/h.kg Ia Zeólito 16000 130 10 140 250 97.0 47.8 2.20 3a 9 16000 130 10 140 250 95.3 49.3 2.31 5b 0.111 16000 130 10 140 250 99.2 48.8 2.31 6C 0.111 22000 130 10 140 250 98.3 76.8 5.03 lc 0.25 22000 130 10 140 250 99.8 50.1 3.22 78d 0.25 30000 130 10 140 250 96.7 83.7 7.55 80d 0.429 30000 130 10 140 250 98.7 74.8 6.58Assay Z13X / CMS3K Qalim SLPM T -1- alim S t despres S t-evac S p -1- inter kPa Purity CH4% Recovery CH4% Productivity molCH4 / h.kg Ia Zeolite 16000 130 10 140 250 97.0 47.8 2.20 3a 9 16000 130 10 140 250 95.3 49.3 2.31 5b 0.111 16000 130 10 140 250 99.2 48.8 2.31 6C 0.111 22000 130 10 140 250 98.3 76.8 5.03 lc 0.25 22000 130 10 140 250 99.8 50.1 3.22 78d 0.25 30000 130 10 140 250 96.7 83.7 7.55 80d 0.429 30000 130 10 140 250 98.7 74.8 6.58

Etapa de pressurização: 70s; etapa de purga: 50s a Caudal de purga: 5000 SLPM. b Caudal de pressurização: 10000 SLPM. c Caudal de alimentação: 22000 SLPM. Caudal de pressurização: 16000 SLPM. d Caudal de pressurização: 16000 SLPM.Pressurizing step: 70s; purge stage: 50s a Purge flow rate: 5000 SLPM. b Pressurizing flow rate: 10000 SLPM. c Feed rate: 22000 SLPM. Pressurizing flow: 16000 SLPM. d Pressurizing flow rate: 16000 SLPM.

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Lisboa, 12 de Agosto de 2010Lisbon, August 12, 2010

Claims (14)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Coluna de separação para purificação de gases caracterizada por ser constituída por duas camadas de material adsorvente, sendo: a. a primeira camada, entre 50 a 95% do volume total da coluna, constituída por um material microporoso, com poros de dimensão compreendida entre 4Â e 5,5Â e adsorvente com selectividade cinética para o gás contaminante e com cinética de adsorção lenta; e b. a segunda camada, entre 5 e 50% do volume total da coluna, constituída por materiais microporosos, preferencialmente à base de materiais inorgânicos de elevada área superficial, com microporos de dimensões superiores a 6Â e adsorvente com uma maior capacidade de adsorção para o gás contaminante que para o gás produto, formando esta segunda camada uma barreira de contenção para o gás contaminante, no final da coluna.Separation column for gas purification characterized in that it consists of two layers of adsorbent material, being: a. the first layer is between 50 and 95% of the total volume of the column, consisting of a microporous material with pores between 4Â ° and 5.5Â ° and adsorbent with kinetic selectivity for the contaminating gas and with slow adsorption kinetics; and b. the second layer is between 5 and 50% of the total volume of the column, consisting of microporous materials, preferably based on high surface inorganic materials, with micropores larger than 6Â ° and adsorbent with a higher adsorption capacity for the contaminating gas which for the product gas, this second layer forming a containment barrier for the contaminating gas at the end of the column. 2. Coluna de separação para purificação de gases, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizada por a primeira camada ser constituída por peneiras moleculares de carbono, zeólitos naturais e zeólitos 4A, zeólitos tipo LTA modificados com Li e K, zeólitos DDR, zeólitos ITQ, clinoptilotites ou titano-silicatos.Separation column for gas purification according to the preceding claim, characterized in that the first layer consists of carbon molecular sieves, natural zeolites and zeolites 4A, Li and K-modified LTA zeolites, DDR zeolites, ITQ zeolites , clinoptyltites or titanium silicates. 3. Coluna de separação para purificação de gases, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por a segunda camada ser constituída por, zeólito 13X, zeólito Y, mordenitas, carvão activado, 2 aluminas, sílica-gel, e outros materiais porosos de matriz de sílica ou carvões activados com modificações superficiais.Separation column for gas purification according to any one of the preceding claims, characterized in that the second layer consists of 13X zeolite, zeolite Y, mordenites, activated carbon, 2 aluminas, silica gel, and other porous materials of silica matrix or activated carbons with surface modifications. 4. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, caracterizado por cada ciclo decorrer em cinco etapas as quais compreendem: a) alimentação de pelo menos uma coluna contendo as duas camadas de material adsorvente, a alta pressão com o gás a separar; b) despressurização da mistura até uma pressão intermédia num intervalo entre 20 e 600 kPa ; c) evacuação contracorrente; d) purga com produto contracorrente; e e) pressurização com produto em contracorrente num intervalo entre 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 400 e 800 kPa.A pressure modulating adsorption process for gas purification, characterized in that each cycle takes place in five stages which comprises: a) feeding at least one column containing the two layers of adsorbent material, at high pressure with the gas to be separated ; b) depressurising the mixture to an intermediate pressure in a range between 20 and 600 kPa; c) countercurrent evacuation; d) countercurrent product purge; and e) pressurizing with countercurrent product in a range between 200 and 1500 kPa, preferably between 400 and 800 kPa. 5. Processo, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a pressão de alimentação se situar num intervalo entre 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 400 e 800 kPa.A process according to the preceding claim, characterized in that the feed pressure is in the range of 200 to 1500 kPa, preferably 400 to 800 kPa. 6. Processo, de acordo com as reivindicações 4-5, caracterizado por a despressurização intermédia da coluna se realizar até uma pressão inferior à da alimentação.A process according to claims 4-5, characterized in that the intermediate depressurising of the column takes place at a pressure lower than that of the feed. 7. Processo, de acordo com as reivindicações 4-6, caracterizado por a evacuação contra-corrente ser realizada com a saída da coluna fechada, sendo depois a coluna ligada a uma linha com menor pressão, num intervalo entre 100 e lkPa de pressão total. 3Process according to Claims 4-6, characterized in that the counter-current evacuation is carried out with the outlet of the closed column, the column being then connected to a line with lower pressure, in a range between 100 and 1 kPa of total pressure . 3 8. Processo, de acordo com as reivindicações 4-7, caracterizado por a purga com produto contra-corrente ser realizada por introdução da totalidade ou apenas de uma parte do produto, sendo realizada à pressão mínima do sistema, i.e. num intervalo entre 200 e 1 kPa de pressão total na coluna.Process according to Claims 4-7, characterized in that the purging with counter-current product is carried out by introducing all or only part of the product, being carried out at the minimum pressure of the system, ie in a range between 200 and 1 kPa of total pressure in the column. 9. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, de acordo com as reivindicações 5,8 caracterizado por a pressurização ser realizada com a totalidade ou apenas com parte do produto e do gás proveniente da despressurização, sendo a pressão da coluna aumentada desde a pressão mínima até à pressão máxima, i.e. de entre 1 e 200 kPa a 250 a 2000 kPa de pressão total.A pressure modulating adsorption process for gas purification according to claims 5,8 characterized in that the pressurizing is carried out with all or only part of the product and the gas coming from the depressurising, the pressure of the column being increased from the minimum pressure to the maximum pressure, ie from 1 to 200 kPa at 250 to 2000 kPa of total pressure. 10. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, de acordo com as reivindicações 4- 9, caracterizado por se realizar em contínuo, através da utilização de múltiplas colunas de separação e dando-se início a um novo ciclo ao atingir-se o valor de pressão máximo referido na reivindicação anterior.A pressure modulating adsorption process for gas purification according to claims 4-9, characterized in that it is carried out continuously by the use of multiple separation columns and a new cycle is initiated, the maximum pressure value referred to in the preceding claim is obtained. 11. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases de acordo com as reivindicações 4- 10, caracterizado por ser desenvolvido em ciclos contínuos ou individuais.A pressure modulating adsorption process for gas purification according to claims 4-10, characterized in that it is developed in continuous or individual cycles. 12. Utilização da coluna de separação, descritas nas reivindicações 1-3 através do processo descrito nas 4 reivindicações 4-11, caracterizado por ser aplicável à purificação de misturas de CH4-C02.Use of the separation column described in claims 1-3 by the process described in claims 4-11, which is applicable to the purification of mixtures of CH 4 -CO 2. 13. Utilização da coluna de separação, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por ser aplicável na remoção de C02 de correntes de 0Η4-002 existentes no gás natural, no biogás e no gás de aterro.Use of the separation column according to the preceding claim, characterized in that it is applicable in the removal of CO 2 from currents of 0-4-400 existing in natural gas, biogas and landfill gas. 14. Utilização da coluna de separação, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por ser aplicável na remoção de C02 de correntes de CH4-CO2 cujas fracções molares de C02 podem variar de 0.15 até 0.85, preferencialmente, entre os 0.45 e 0.55. Lisboa, 12 de Agosto de 2010.Use of the separation column according to the preceding claim, which is applicable in the removal of CO 2 from CH 4 -CO 2 streams whose CO 2 mole fractions may range from 0.15 to 0.85, preferably from 0.45 to 0.55. Lisbon, August 12, 2010.
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