PT103615B - 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

DESCRIÇÃODESCRIPTION

COLUNA DE SEPARAÇÃO E PROCESSO DE ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO PARA PURIFICAÇÃO DE GASESSEPARATION COLUMN AND PRESSURE MODULATING ADSORPTION PROCESS FOR GAS PURIFICATION

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 Pressure Swing Adsorption (PSA) type adsorption processes as well as their use for gas purification.

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 (CO 2 ) from a methane rich stream (CH 4 ), preferably to produce fuel grade methane, its main application being the purification of biogas and landfill gas streams to produce methane grade. fuel for use in cars, preferably in public transport. Other applications of this invention are methane purification for use as a reagent in the chemical industry and for the removal of carbon dioxide in the transportation of natural gas in pipelines.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

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 4Â e 5,5Â 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 microporos de dimensões superiores a 6Â, realiza a separação por diferença de equilíbrio de adsorção. Esta camada actua como barreira de contenção para o C02.The present invention consists in obtaining a separation column with two layers of adsorbent material, with distinct characteristics, the first layer consisting of microporous material, with pores of size between 4Â ° and 5.5Â ° and with kinetic separation functions, while whereas the second layer consisting of microporous materials, preferably based on high surface area inorganic materials, with micropores larger than 6Å, performs the separation by adsorption equilibrium difference. This layer acts as a containment barrier for C0 2.

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 quimica de gases, como para a obtenção de combustíveis, purificação de metano para sua utilização como reagente na indústria quimica e para remoção de dióxido de carbono no transporte de gás natural em gasodutos.The pressure-modulated adsorption process consists of performing separation cycles using one or more of the above-mentioned separation columns, each of which consists of five stages of separation cycles. This process allows to remove carbon dioxide (CO2) from a methane rich stream (CH 4 ), preferably to produce fuel grade methane with various industrial applications from the gas chemical industry, such as for obtaining fuels, methane purification for its reagent use in the chemical industry and for carbon dioxide removal 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.There are different sources of methane use that are currently or may be used to obtain automotive fuels. Namely, this invention contemplates two methane-rich streams with high concentrations of carbon dioxide from landfill gas and biogas. This process can also be applied to streams of natural gas contaminated with large amounts of CO2.

gás natural existe no subsolo e frequentemente encontrase contaminado com CO2. 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 aminas são mais competitivos economicamente (Appl et al., 1982) .Natural gas exists underground and is often contaminated with CO2. This gas must be purified for use as a fuel or for injection into a pipeline. The process described in this invention would be useful in small or medium flow cases since for high gas flows the amine absorption processes are more economically competitive (Appl et al., 1982).

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 CO2. O processo de PSA descrito nesta invenção é aplicável aos caudais existentes em todas as fontes de biogás e gás de aterro.Biogas and landfill gas are gaseous mixtures that come from anaerobic decomposition of organic matter. Typically the composition of landfill gas and biogas is 70-30% methane, 25-60% carbon dioxide, sulfuric acid and other contaminants and is further saturated with water vapor at room temperature. The composition of biogas (mainly the quantity and quality of contaminants) varies depending on the source and 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 cannot be emitted directly into the atmosphere. The most frequent solution is gas flaring. The first use of landfill gas, as well as biogas, was the use of flare heat for local and occasional uses. This was followed by electric power generation and heat recovery (combined cycles). There are currently three different alternatives with proven economic interest: fuel production, chemical generation and the most widely used are the combined heat and power cycles. With the recent rise in fuel prices, methane production as a fuel becomes a highly cost-effective option, and moreover produces a fossil fuel-like fuel with high throughput and lower CO2 emissions. The PSA process described in this invention is applicable to flow rates in all biogas and landfill gas sources.

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/CO2.To produce combustible methane from biogas it is necessary to remove contaminants (mainly sulfur compounds and water), and then CO2 (Knaebel and Reinhold, 2003). The process to be studied in this paper is based on the hypothesis that all contaminants have been removed and focuses on binary CH4 / CO2 separation.

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 biocombustíveis para o ano 2010.Landfill gas purification for pipeline injection is already used in the United States. Biogas purification for fuel production is already used in Sweden and France for bus and car power. Biogas fuel production can help to comply with European Commission measure 2003/30 / EG where a value of 5.75% biofuels has been set for 2010.

Existem diferentes processos industriais para remover o CO2 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 CO2 em água, absorção de CO2 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 CO2.There are different industrial processes for removing CO2 from biogas streams. Many of the technologies applicable to this mixture have been imported from the natural gas industry and adapted to lower pressures. The most widely used technologies are CO2 absorption in water, CO2 absorption 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 configuration of steps 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 gue 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 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 contracorrente .A previous study on biogas separation using a difference separation adsorbent on adsorption kinetics (CMS 3K carbon molecular sieve) indicated that with a four-step cycle a purity greater than 98% can be obtained (Cavenati et al. 2005) with 60% methane recoveries. The four-step cycle consisted of pressurization, feed, counter-current evacuation and back-current product purge 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 using the same adsorbent (CMS 3K) can increase methane recovery to 80% (98% purity) by modifying the PSA cycle. A new step was included in the cycle, which was then a five-step cycle consisting of: pressurization, feed, co-current depressurization to an intermediate pressure, back-current evacuation and back-current purge.

Também se podem encontrar na literatura documentos de patente que utilizam adsorventes com alta selectividade cinética na remoção de CO2 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) .Also found in the literature are patent documents that use adsorbents with high kinetic selectivity to remove CO2 for methane purification. Examples of these adsorbents are clinoptilolites (Seery, 1998), titanosilicates (Dolan and Mitariten, 2003) DDR-type membrane zeolites (Fujita et al., 2006) and carbon molecular sieves (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 CO2 são muito dispersos dentro de cada coluna obrigando a interromper a alimentação muito antes da 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.The main problem with PSA processes using kinetic adsorbents (including carbon molecular sieves) is their low productivity. In the case of CMS 3K adsorbent the productivity is around 3.5 mol CH4 / hour.kg adsorbent. The low productivity of these PSA processes is due to the low utilization of the total adsorbent capacity (usually less than 50%) and CO2 concentration profiles are widely dispersed within each column forcing to stop feeding long before adsorbent saturation. to avoid contamination of the product at concentrations higher than two or three percent depending on the desired methane specifications. Another problem with kinetic adsorbents is that in the methane purge step the adsorbed CO2 cannot be displaced, which is why this step is ineffective. Methane is not significantly adsorbed to the micropores of the kinetic adsorbents over 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 amounts of CO2 and little CH4 and therefore the separation was made by difference in the adsorption equilibria. Examples of such adsorbents are: activated carbon (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 CO2: 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 comparison purposes, in our laboratory studies of this separation were performed with an adsorbent with high selectivity of CO2 adsorption equilibrium: 13X zeolite. These studies were performed using pure compound adsorption data and a proven mathematical model 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 CO2 e pela grande quantidade de metano retida pelo zeólito na etapa de pressurização.For 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 adsorbent capacity due to the great difficulties of CO2 desorption and the large amount of methane retained by the zeolite in the pressurization step.

Existem também na literatura, exemplos de unidades de PSA compostos por diferentes camadas de adsorventes,There are also in the literature examples of PSA units composed of different layers of adsorbents,

nomeadamente para a particularly for the separação de diferentes misturas separation of different mixtures gasosas. Aplicações gaseous. applications de PSA com colunas utilizando PSA with columns using

adsorventes dispostos em camadas foram registadas para correntes de saída de reformado de metano (Golden e Weist,Layered adsorbents were recorded for methane reformed output streams (Golden and Weist,

2004), separação de água e CO2 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 específico 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/O2 (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.2004), separation of water and CO2 from a gas stream (Deng et al., 2001; Little and Spektor, 2005). In all of the references mentioned, each of the different adsorbent layers is intended to remove a specific component from a multi-component 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 / O2 (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 allows for increased process productivity. In the example of water removal, the layers are distributed according to a suitable combination of adsorption properties: first a high capacity activated carbon layer at high relative humidity, then a silica gel layer to remove another large part to lower concentrations. at 1% and finally a zeolite layer to eliminate 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).In the above mentioned processes the layering of adsorbents was aimed at the selective removal of several components individually (one adsorbent to remove each contaminant).

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.Another application, having layered adsorbents for removal of a single contaminant gas, utilizes a first adsorbent with higher adsorption capacity followed by a smaller adsorbent, preferably without kinetic limitations.

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.The main difference of the present invention with respect to the already known and mentioned processes is the existence of two different types of adsorbents together and their innovative arrangement: a first adsorbent, with less effective adsorption capacity (either by lower capacity or by diffusional limitations). ), followed by another adsorbent, with higher effective capacity and microporous structure, allowing a fast diffusion of all components, acting as a containment barrier.

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

Descrição Geral da Invenção 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 aims to improve the performance and productivity of Pressure Swing Adsorption (PSA) pressure modulation adsorption units using kinetic adsorbents. The increased 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 - C02. Esta mistura encontra-se 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 C02 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, performed by pressure modulation adsorption process. Specifically, we will discuss the application of this process to CH 4 - C0 2 currents. This mixture is found in natural gas streams and biogas streams, including landfill gas. The product obtained may be used as a fuel (high purity methane), but the process may also be used in other applications. This process will be used to remove CO 2 contents from 5% to 85% and preferably from 30% to 45%. The process operates between -10 ° C and 100 ° C, but preferably between 25 ° C and 55 ° C. The pressure-modulated adsorption process presented herein consists of one or more columns arranged for continuous or discontinuous operation. Discontinuous operations are characterized by buffer buffer 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.The adsorbent materials within the columns are arranged in two layers: a first adsorbent layer with kinetic selectivity for the contaminant gas preferably where the product gas has very slow adsorption kinetics and a second layer of adsorbent material with equilibrium selectivity. where the contaminant gas is more adsorbed than the product gas. The first adsorbent layer must be the first to come into contact with the gas to be purified.

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 (CO2) dum gás produto (CH4) . A disposição em camadas proposta nesta invenção permite realizar a separação de CO2 com a eficiência duma separação cinética mas aumenta a produtividade do processo devido à existência duma camada de contenção de um material de maior 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.The novelty of this invention lies in the arrangement of two adsorbent layers within a single column in a single column or multiple column pressure modulation adsorption process for removal of a contaminating gas (CO 2 ) from a product gas (CH 4 ). The layered arrangement proposed in this invention enables the separation of CO 2 with the efficiency of a kinetic separation but increases process productivity due to the existence of a containment layer of a larger material existing only at the end of the column. Within the field of invention, the biggest novelty is the unconventional arrangement of a smaller capacity adsorber that acts by kinetic separation followed by a larger capacity adsorber that acts by difference in adsorption equilibria.

A primeira camada que contém o primeiro adsorvente visa remover grandes quantidades de CO2 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 decadodecasil 3R DDR, zeólitos ITQ (Instituto de Tecnologia Quimica), clinoptilolites e titanosilicatos. Também se incluem nesta qualificação outros zeólitos quimica ou fisicamente modificados para ajustar os microporos até um valor próximo aos 4 angstroms.The first layer containing the first adsorbent is intended to remove large amounts of CO 2 from the mixture. Examples of kinetic adsorbents that can be applied to this layer are all materials having micropores of approximately 4 angstroms: carbon molecular sieves, natural zeolites and 4A zeolite, decadodecasil 3R DDR zeolites, ITQ (Institute of Chemical Technology) zeolites, clinoptilolites and titanosilicates . This qualification also includes other chemically or physically modified zeolites to adjust the micropores to a value close to 4 angstroms.

A segunda camada que contém o segundo adsorvente será utilizada para remover menores quantidades de CO2 utilizando muito menos quantidade de adsorvente. A inclusão desta camada de adsorvente funciona como barreira de contenção de CO2 e constitui a principal modificação ao processo de PSA. Isto permite que o CO2 demore mais tempo a sair e portanto a etapa de alimentação pode purificar maior quantidade de mistura, aumentando a produtividade da unidade.The second layer containing the second adsorbent will be used to remove smaller amounts of CO 2 using much less adsorbent. The inclusion of this adsorbent layer acts as a CO 2 containment barrier and constitutes the main modification to the PSA process. This allows CO 2 to take longer to exit and therefore the feed step can purify more mixing, increasing unit productivity.

O adsorvente a ser utilizado na segunda camada deve ser um material que possa adsorver muito mais CO2 do que CH4, ou seja, materiais onde a separação seja por diferenças nos equilíbrios de adsorção dos gases. Preferencialmente devem 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.The adsorbent to be used in the second layer should be a material that can adsorb much more CO 2 than CH 4 , ie materials where the separation is by differences in gas adsorption equilibria. Preferably adsorbents should be used where diffusibility of both gases is rapid. These materials are usually all high surface area inorganic materials with micropores larger than 6 angstroms. Examples of such materials are: 13X zeolite and Y zeolite, mordenites, activated carbon, aluminas, silica gel and other mesoporous silica matrix materials. Examples of use can be activated carbons and high surface area also activated carbons with surface modifications to increase the adsorption capacity of C0 2.

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.Each column goes through five steps before completing a cycle. These steps are a) feeding at high pressure with the gas to be separated; b) depressurization to an intermediate pressure; c) countercurrent evacuation; d) countercurrent purge; and e) countercurrent pressurization.

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.1) Feeding: the gas mixture is fed by the bottom of the column being trapped C0 2 and methane withdrawn from the top high pressure. This step just before the C0 2 coming out the top of the column reach a concentration greater than specified for fuel grade methane.

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 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.2) Intermediate depressurization: Without supply, the column is depressurised to a pressure lower than that used in the supply, preferably to an intermediate pressure in a range between 20 and 600 kPa. It is intended to decrease the amount of methane retained in the gas phase and thereby increase its recovery. This methane may be recompressed or used to pressurize other column (s) or possibly in the purge step. The diffusivity of C0 2 adsorbed onto the adsorbent kinetic is slow and therefore only begins to desorb but not in large quantities. This step must be quickly completed.

3) 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, 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.3) Countercurrent Evacuation: The column outlet is closed and then the column is connected to a line with lower pressure. The minimum system pressure is reached at evacuation, preferably within a range of 100 to 1kPa total pressure. This pressure may be lower than atmospheric pressure if the adsorbent is regenerable only under these conditions. At this stage some methane is lost which must be burned before it is emitted into the atmosphere.

4) 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, preferencialmente, num intervalo entre 200 e 1 kPa de pressão total na coluna, sendo o objectivo desta etapa deslocar o CO2 existente no fim da coluna para poder dar uma maior utilização ao leito na etapa de alimentação.4) Countercurrent product purge: a part of the product or the outlet of the depressurization step is introduced into the column at the top and the outlet is, together with the outlet of the evacuation step, a secondary process stream that can be used to obtain power. In this step the pressure is also the minimum system pressure, preferably within a range of 200 to 1 kPa of total column pressure, and the purpose of this step is to move the existing CO 2 at the end of the column in order to give greater use to the bed in the column. feeding step.

5) 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, 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 que se atinja este valor de pressão, pode começar a etapa de alimentação e reiniciar um novo ciclo.5) Pressurization: With part of the product and gas from the depressurization step, the column pressure is increased from minimum pressure to maximum pressure, between 1 and 200 kPa to 250 and 2000 kPa total pressure, preferably between 200 and 1500 kPa, and more preferably between 400 and 800 kPa. Once this pressure value is reached, you can start the supply step and restart a new cycle.

Breve descrição das FigurasBrief Description of the Figures

A figura 1 mostra o arranjo em camadas de uma coluna deFigure 1 shows the layered arrangement of a column of

LPSA (Layered Pressure Swing Adsorption)em que:LPSA (Layered Pressure Swing Adsorption) where:

(D (D representa o produto - represents the product - ch4 ch 4 purificado; purified; (2) (2) representa represents a camada the layer de in adsorvente adsorbent de in separação separation por per diferenças nos differences in equilíbrios balances de in adsorção; adsorption; (3) (3) representa represents a camada the layer de in adsorvente adsorbent de in separação separation por per

diferenças nas cinéticas de adsorção;differences in adsorption kinetics;

(4) representa a alimentação da coluna: CH4 -C02 (4) represents the column feed: CH 4 -C0 2

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

1. Preparação das colunas de separação1. 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.In order to separate carbon dioxide from methane-rich streams first, a column with the two adsorbent layers to be used in the process is required.

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 decadodecasil 3R DDR, titanosilicatos, peneiras moleculares de carbono e zeólitos tipo LTA modificados com Li e K.The first layer should contain kinetic adsorbents that are the first to come into contact with the C0 2. Examples of such adsorbents are clinoptilolites, decadodecasil 3R DDR zeolites, titanosilicates, carbon molecular sieves, and Li and K modified LTA zeolites.

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, aluminas, sílica gel e outros materiais mesoporosos de matriz de sílica.The second layer should contain an adsorbent with a large capacity to retain C0 2 and it is desirable that the diffusion of both gases is fast. Examples of such adsorbents are 13X zeolite and Y zeolite, activated carbon, aluminas, silica gel and other mesoporous silica matrix materials.

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.The amount of material used in each layer is directly related to the desired specifications in the product. Usually the second adsorbent layer occupies between 5 and 50% of the total column volume.

2. Desenvolvimento do processo de separação2. Development of the separation process

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;The separation process takes place in five-step cycles each. Each of these steps involves the following steps: a) feeding at high pressure with the gas to be separated; b) depressurization to an intermediate pressure;

c) evacuação contracorrente; d) purga com produto contracorrente e e) pressurização com produto em contracorrente.c) countercurrent evacuation; d) countercurrent purge; and e) countercurrent pressurization.

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 CO2 que sai pelo topo da coluna alcance uma concentração superior a especificada para obter metano grau combustível;a) Feed: The gas mixture is fed from the bottom of the column with CO 2 retained and methane removed 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 CO 2 exiting the top of the column reaches a concentration higher than specified to obtain combustible methane;

b) Despressurização intermédia: sem alimentação, a coluna é despressurizada até uma pressão inferior à utilizadab) Intermediate depressurization: without supply, the column is depressurised to a lower pressure than used

na alimentação. in food. Pretende-se It is intended diminuir decrease a quantidade the amount de in metano retida retained methane na fase gás in the gas phase e assim and so aumentar a increase sua your recuperação. Este metano pode ser recovery. This methane may be recomprimido recompressed ou or utilizado para used for pressurizar pressurize outra(s) others) coluna(s) column (s) ou or

eventualmente na etapa de purga. Esta etapa deve ser de rápida concretização;eventually in the purge stage. This step must be quickly completed;

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.c) Countercurrent evacuation: the column outlet is closed and then the column is connected to a line with lower pressure. The minimum system pressure is reached at 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 it is emitted into the atmosphere.

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.d) Countercurrent product purge: a part of the product or outlet of the depressurization step is introduced into the column at the top and the outlet is, together with the outlet of the evacuation step, a secondary process stream that can be used to obtain power. In this step the pressure is also the minimum system pressure.

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.e) Pressurization: With part of the product and gas from the depressurization 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 start the supply 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 eThis cycle is intended 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

2000 kPa. Quando o processo é utilizado em continuo atingese 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.2000 kPa. When the process is used continuously the cyclic steady state behavior is achieved, where the desired performance objectives must be achieved. A PSA process consisting of one or more columns can be used with this type of cycles. In a multiple column unit the current from the depressurization step can be used to equalize the pressure from another column to decrease the energy consumption of the unit.

Exemplos de aplicaçãoApplication Examples

EXEMPLO 1: Separação CH4-CO2 com peneira molecular de carbono CMS 3K.EXAMPLE 1: CH 4 -CO 2 carbon molecular sieve separation CMS 3K.

O 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.The initial CH 4 -CO 2 separation study was performed with a CMS 3K kinetic adsorbent where CH 4 diffusion is very slow. We simulate a five step PSA process (feed, intermediate depressurization, back current evacuation, back current product purge and back current pressurization). The flow rate to be treated is on 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 in length and 0.4667m radius with a porosity of 0.33 was used. The feed was done at a pressure of 600 and 800 kPa and the 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 CMS 3K kinetic adsorbent.

Ensaio Test Qalim Qalim t-aiim huh t-despres t-play t-evac t-evac P alim P alim p -1- interp - 1 - inter Pureza Purity Recupe- Recover Produti- Productivity SLPM SLPM S s S s S s kPa kPa kPa kPa CH4 %CH 4 % ração ration vidade life of ch4 %ch 4 % molCH4/h.molCH 4 / h.

kg kg A THE 16666.7 16666.7 135 135 0 0 160 160 600 600 200 200 99.1 99.1 53.1 53.1 2.63 2.63 1 1 16666.7 16666.7 135 135 10 10 160 160 600 600 200 200 97.2 97.2 85.7 85.7 4.33 4.33 2 2 16666.7 16666.7 135 135 10 10 160 160 800 800 200 200 97.3 97.3 85.6 85.6 4.32 4.32 3 3 16666.7 16666.7 135 135 10 10 160 160 800 800 250 250 97.8 97.8 81.5 81.5 4.09 4.09 4 4 16666.7 16666.7 130 130 10 10 140 140 800 800 250 250 97.9 97.9 80.8 80.8 4.05 4.05 5 5th 16000 16000 130 130 10 10 140 140 800 800 250 250 98.1 98.1 79.7 79.7 3.83 3.83

Etapa de pressurização: 70s; etapa de purga: 50s.Pressurization step: 70s; purge step: 50s.

Este exemplo serve como base de comparação dos resultados obtidos com um adsorvente cinético.This example serves as a basis for comparing the results obtained with a kinetic adsorbent.

EXEMPLO 2: Separação CH4-CO2 com LPSA: CMS 3K seguido de zeólito 13X.EXAMPLE 2: CH 4 -CO 2 separation with LPSA: CMS 3K 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.In this example we used a kinetic adsorbent CMS 3K followed by zeolite 13X, known by its great adsorption capacity C0 2.

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 de alimentação foi sempre de evacuação de 10 kPa. O arranjo para que o primeiro adsorvente corrente a purificar seja o CMS contra-corrente). A pressão 800 kPa e a pressão de dos adsorventes foi feito a entrar e contacto com a 3K seguido do zeólito 13X.For comparison of results, we used a PSA unit with two columns of 4,667m in length and 0.4667m radius. The process also has 5 steps (feed, intermediate depressurization, back current evacuation, back current product purge and feed pressurization has always been 10 kPa evacuation. The arrangement for the first current adsorbent to purify is CMS against -chain). The 800 kPa pressure and the adsorbent pressure was made to come into contact with 3K followed by the 13X zeolite.

Os resultados das diferentes simulações podem ver-se na Tabela 2. O objectivo é colocar um adsorvente com alta capacidade para adsorver CO2 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 CO2. Nestas simulações podemos confirmar que a produtividade da unidade de LPSA é muito maior do que utilizando só um adsorvente cinético do tipo CMS 3K.The results of the different simulations can be seen in Table 2. The objective is to place a high adsorbent CO 2 adsorbent at the end of the bed that can also be purged using methane (the effectiveness of the CMS 3K purge is low due to CH 4 diffusivity in the adsorbent micropores). This makes it possible to make better use of the 3K CMS layer and the last 13X zeolite layer acts as a containment barrier for CO 2 . From these simulations we can confirm that the productivity of the LPSA unit is much higher than using only a CMS 3K type kinetic adsorbent.

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

Ensaio Test Z13X / CMS3K Z13X / CMS3K Qalim SLPM Qalim SLPM Talim s Talim s tdespres s have s t evac s t evac s p inter kPa P inter kPa Pureza CH4 %Purity CH 4 % Recuperação CH4 %CH 4 % recovery Produtividade molCH4/h.kgMolCH 4 / h.kg productivity Ia I a Zeólito Zeolite 16000 16000 130 130 10 10 140 140 250 250 97.0 97.0 47.8 47.8 2.20 2.20 3a 3rd to 9 9th 16000 16000 130 130 10 10 140 140 250 250 95.3 95.3 49.3 49.3 2.31 2.31 5b 5 b 0.111 0.111 16000 16000 130 130 10 10 140 140 250 250 99.2 99.2 48.8 48.8 2.31 2.31 6d 6 d 0.111 0.111 22000 22000 130 130 10 10 140 140 250 250 98.3 98.3 76.8 76.8 5.03 5.03 7C 7 C 0.25 0.25 22000 22000 130 130 10 10 140 140 250 250 99.8 99.8 50.1 50.1 3.22 3.22 78d 78 d 0.25 0.25 30000 30000 130 130 10 10 140 140 250 250 96.7 96.7 83.7 83.7 7.55 7.55 80d 80 d 0.429 0.429 30000 30000 130 130 10 10 140 140 250 250 98.7 98.7 74.8 74.8 6.58 6.58

Etapa de pressurização: 70s; etapa de purga: 50s a Caudal de purga: 5000 SLPM.Pressurization step: 70s; Purge Step: 50s to Purge Flow: 5000 SLPM.

b Caudal de pressurização: 10000 SLPM. b Pressurization flow rate: 10000 SLPM.

c Caudal de alimentação: 22000 SLPM. Caudal de pressurização: 16000 SLPM. c Feed rate: 22000 SLPM. Pressurization flow rate: 16000 SLPM.

d Caudal de pressurização: 16000 SLPM. d Pressurization flow rate: 16000 SLPM.

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Claims (13)

1. Coluna de separação para purificação de gases caracterizada por ser constituída por duas camadas de material adsorvente, sendo:1. Gas purification separation column, consisting of two layers of adsorbent material, as follows: a. a primeira camada, entre 50 a 95% do volume total da coluna, constituída por um material microporoso, com poros de dimensão compreendida entre 4 e 5,5 e adsorvente com selectividade cinética para o gás contaminante e com cinética de adsorção lenta; eThe. the first layer, between 50 and 95% of the total column volume, consisting of a microporous material with pores of between 4 ° and 5.5 ° and adsorbent with kinetic selectivity for the contaminant gas and with slow adsorption kinetics; and 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 superioresB. the second layer, between 5 and 50% of the total column volume, consisting of microporous materials, preferably based on high surface area inorganic materials, with larger micropores 6 e adsorvente com uma maior capacidade de adsorçao 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.6® is adsorbent with a higher adsorption capacity for the contaminant gas than for the product gas, this second layer forming a containment barrier for the contaminant 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.Gas purification separating column according to the preceding claim, characterized in that the first layer consists of carbon molecular sieves, natural zeolites and 4A zeolites, LTA-modified LTA zeolites, DDR zeolites, ITQ zeolites , clinoptilotites or titan 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, aluminas, sílica-gel, e outros materiais porosos de matriz de sílica ou carvões activados com modificações superficiais.Gas purification separation column according to any one of the preceding claims, characterized in that the second layer consists of 13X zeolite, Y zeolite, mordenites, activated carbon, aluminas, silica gel, and other porous materials. silica matrix or activated carbon with superficial modifications. 4. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, caracterizado por cada ciclo decorrer em cinco etapas as quais compreendem:4. Pressure-modulating adsorption process for gas purification, characterized in that each cycle is carried out in five steps which comprise: a) alimentação de pelo menos uma coluna contendo as duas camadas de material adsorvente, a alta pressão com o gás a separar;a) feeding at least one column containing the two layers of adsorbent material at high pressure with the gas to be separated; b) despressurização da mistura até uma pressão intermédia num intervalo entre 20 e 600 kPa ;b) depressurizing the mixture to an intermediate pressure within a range of from 20 to 600 kPa; c) evacuação contracorrente;c) countercurrent evacuation; d) purga com produto contracorrente; ed) purge with countercurrent product; and e) pressurização com produto em contracorrente num intervalo entre 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 400 e 800 kPa.e) countercurrent pressurization within a range of 200 to 1500 kPa, preferably between 400 and 800 kPa. 5. Processo, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a pressão de alimentação se situar numProcess according to the preceding claim, characterized in that the supply pressure is within a intervalo 400 e 800 interval 400 and 800 entre kPa. in between kPa. 200 e 200 and 1500 kPa, preferencialmente entre 1500 kPa, preferably between 6. Processo, 6. Process, de in acordo wake up com as reivindicações 4-5, with claims 4-5, caracterizado featured por a by despressurização intermédia da intermediate depressurization of
coluna se realizar até uma pressão inferior à da alimentação.column up to a pressure lower than the supply pressure.
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.Method according to Claim 4-6, characterized in that the countercurrent evacuation is carried out with the column outlet closed, and then the column is connected to a line with lower pressure within a range of 100 to 1kPa total pressure. . 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 minima do sistema, i.e. num intervalo entre 200 e 1 kPa de pressão total na coluna.Process according to Claim 4-7, characterized in that the counter-current product purge is carried out by introducing all or only part of the product and is carried out at minimum system pressure, ie within a range of 200 to 1 kPa of total column pressure. 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 minima até à pressão máxima, i.e. de entre 1 e 200 kPa a 250 a 2000 kPa de pressão total.Pressure-modulating adsorption process for gas purification according to Claim 5,8, characterized in that the pressurization is carried out with all or part of the product and the gas from the depressurization and the column pressure is increased. from minimum pressure to maximum pressure, ie from 1 to 200 kPa to 250 to 2000 kPa total pressure. 10. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, de acordo com as reivindicações 4-Pressure modulating adsorption process for gas purification according to claims 4 9, caracterizado por se realizar em continuo, através da utilização de múltiplas colunas de separação e dando-se inicio a um novo ciclo ao atingir-se o valor de pressão máximo referido na reivindicação anterior.9, characterized in that it is carried out continuously by using multiple separating columns and starting a new cycle upon reaching the maximum pressure value referred to in the preceding claim. 11. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases de acordo com as reivindicações 4-Pressure modulating adsorption process for gas purification according to claims 4 10, caracterizado por ser desenvolvido em ciclos contínuos ou individuais.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 reivindicações 4-11, caracterizado por ser aplicável à purificação de misturas de CH4-CO2.Use of the separation column as described in claims 1-3 by the process described in claims 4-11, characterized in that it is applicable to the purification of CH 4 -CO 2 mixtures. 13. Utilização da coluna de separação, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por ser aplicável na remoção de C02 de correntes de CH4-CO2 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 for the removal of CO 2 from CH 4 -CO 2 streams 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 0.55.14. Use of the separation column, according to the preceding claim, characterized by being applicable in the removal of C0 2 CH 4 CO 2 streams which C0 2 molar fractions may vary from 0.15 to 0.85, preferably between 0:45 and 0.55.
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