ES2267677T3 - Metodo para hacer funcionar un sistema de adsorcion por oscilaciones termicas y aparato correspondiente. - Google Patents

Abstract

Un método de hacer funcionar un proceso de adsorción por oscilaciones térmicas en el que se eliminan agua y dióxido de carbono por adsorción sobre al me- nos un adsorbente, que comprende determinar directa o indirectamente uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que comprende agua y dióxido de carbono, comprendiendo dicho método hacer pasar di- cho gas de alimentación a través de una primera parte de adsorbente de un lecho 15, 15'' para eliminar agua y de una segunda parte de un lecho 16, 16'' para eliminar dióxi- do de carbono, seleccionar las condiciones de proceso para la regeneración del al menos un adsorbente del proceso de adsorción por oscilaciones térmicas y hacer pa- sar gas regenerante a través de una válvula 30 de modo que fluya a través de un ca- lentador 28 y a través de la segunda parte del adsorbente del lecho 16, 16'' de manera que una onda térmica atraviese dicha segunda parte del adsorbente, cerrar dicha vál- vula 30 y abrir una segunda válvula 31 de modo que el flujo de gas regenerante no se caliente y entre en la segunda parte de adsorbente y desplace hacia delante el impulso térmico a través de dicha primera parte de adsorbente para desorber agua de una par- te del mismo bajo condiciones de regeneración por adsorción con oscilaciones de la presión, basadas en dichos parámetros, y modificar las condiciones del proceso de regeneración de acuerdo con las condiciones del proceso seleccionadas para la rege- neración, de manera que el agua y el dióxido de carbono adsorbidos sean desorbidos regenerando de este modo el al menos un adsorbente.

Description

Método para hacer funcionar un sistema de adsorción por oscilaciones térmicas y aparato correspondiente.

Esta invención se refiere a un proceso para tratar un gas de alimentación. En particular, la invención se refiere a un proceso para eliminar o al menos reducir la cantidad de dióxido de carbono y agua en un gas de alimentación para adecuarlo al proceso de aguas abajo. La invención es útil especialmente para eliminar dióxido de carbono y agua del aire que se emplea como gas de alimentación en un proceso de separación criogénica o purificación de aire.

El dióxido de carbono es una material gaseoso de temperatura de ebullición relativamente elevada y es necesaria la eliminación de este y de otros materiales de temperatura de ebullición elevada, por ejemplo agua, que pueden estar presentes en un gas de alimentación, cuando la mezcla se ha de tratar posteriormente en un proceso a baja temperatura, por ejemplo criogénico. Si los materiales de temperatura de ebullición relativamente elevada no se eliminan pueden licuarse o solidificarse en el proceso posterior y producir caídas de presión y dificultades de flujo en el proceso de aguas abajo. También puede ser necesario o deseable eliminar materiales peligrosos, por ejemplo materiales explosivos, antes del proceso adicional del gas de alimentación, para reducir el riesgo de que se acumulen en el proceso posterior presentando de este modo un peligro de explosión. Los gases de hidrocarburos, por ejemplo acetileno, pueden presentar un peligro de esta clase.

Son conocidos varios métodos para eliminar dióxido de carbono y agua, de un gas de alimentación, por adsorción sobre un adsorbente sólido que incluyen: adsorción por oscilaciones de la temperatura (temperature swing adsorption-TSA) y adsorción por oscilaciones de la presión (pressure swing adsorption-PSA), adsorción por oscilaciones de la presión y térmicas (thermal pressure swing adsorption-TPSA) y adsorción por oscilaciones de la presión e incrementada térmicamente (thermally enhanced pressure swing adsorption-TEPSA).

Generalmente, en estos procesos se eliminan agua y dióxido de carbono de un gas de alimentación poniendo la mezcla en contacto con uno o más adsorbentes que adsorben agua y dióxido de carbono. El material adsorbente del agua puede ser, por ejemplo, gel de sílice, alúmina o un tamiz molecular, y el material adsorbente del dióxido de carbono típicamente puede ser un tamiz molecular, por ejemplo una ceolita. Es convencional eliminar el agua en primer lugar y después el dióxido de carbono haciendo pasar el gas de alimentación por una sola capa adsorbente o por capas distintas de un adsorbente seleccionado para la adsorción preferencial de agua y dióxido de carbono en una columna. La eliminación hasta una cantidad muy baja del dióxido de carbono, y de otros componentes de temperatura de ebullición elevada, es especialmente deseable para que los procesos de aguas abajo funcionen eficaz-
mente.

Después de la adsorción se corta el flujo de gas de alimentación del lecho adsorbente y se expone el adsorbente a un flujo de gas de regeneración que extrae del adsorbente los materiales adsorbidos, por ejemplo dióxido de carbono y agua, y lo regenera de este modo para usarlo de nuevo.

En un proceso de TSA de eliminación de dióxido de carbono y agua se comprime típicamente aire atmosférico usando un compresor principal de aire (main air compressor-MAC), seguido por refrigeración por agua y eliminación, en un separador, del agua condensada de ese modo. El aire puede enfriarse más usando, por ejemplo, glicol etilénico refrigerado. El volumen de agua se elimina en esta etapa por condensación y separación del condensado. Después se hace pasar el gas a un lecho de tamiz molecular o a un sistema mixto de lechos de alúmina/tamiz molecular, donde se eliminan por adsorción el resto de agua y de dióxido de carbono. Usando dos lechos adsorbentes en una disposición en paralelo, uno puede hacerse funcionar en adsorción mientras el otro se está regenerando, y sus funciones se invierten periódicamente en el ciclo operativo. En este caso los lechos adsorbentes funcionan en un modo de oscilaciones térmicas, dedicándose períodos iguales a la adsorción y a la regeneración.

A medida que se adsorbe el componente que se está eliminando del gas de alimentación, mientras el lecho está en línea, el proceso de adsorción generará calor de adsorción, produciendo un impulso térmico que progresa aguas abajo a través del adsorbente. Durante el período de alimentación, o en línea, se permite que el impulso térmico continúe hacia fuera del extremo de aguas abajo del lecho adsorbente. Durante el proceso de regeneración debe suministrarse calor para desorber el componente gaseoso que se ha adsorbido en el lecho. En la etapa de regeneración, para desorber los componentes adsorbidos se usa parte del gas producto, por ejemplo nitrógeno o una corriente residual de un proceso de aguas abajo, y además de calentarse puede comprimirse. El gas caliente se hace pasar después por el lecho que se está regenerando, para eliminar el dióxido de carbono y/o el agua adsorbidos. Convencionalmente, la regeneración se efectúa en dirección contraria a la de la etapa de adsorción.

En un sistema de PSA los tiempos del ciclo normalmente son más cortos que en un sistema de TSA, pero la temperatura y la presión de alimentación y el gas de regeneración suelen ser similares. Sin embargo, en los sistemas de PSA la presión del gas de regeneración es menor que la del gas de alimentación y se usa el cambio de presión para eliminar del adsorbente el dióxido de carbono y el agua. La regeneración se inicia adecuadamente antes de que el impulso térmico, mencionado anteriormente en relación con la TSA, haya llegado al extremo de aguas abajo del lecho. La dirección del impulso térmico se invierte con el proceso de regeneración y el calor que se deriva de la adsorción del componente gaseoso en cuestión, se retiene en el lecho y se usa para desorber ese componente durante la regeneración. En contraste con la TSA se evita tener que calentar el gas de regeneración.

La adsorción por oscilaciones de la presión y térmicas (TPSA) también es adecuada para eliminar dióxido de carbono y agua del gas de alimentación. En un sistema de TPSA el agua típicamente se confina en una zona en la que está dispuesto un medio de adsorción de agua, por ejemplo alúmina activada o gel de sílice. Para la adsorción del dióxido de carbono típicamente se emplea una capa distinta que comprende un tamiz molecular, y convencionalmente están separadas la capa de tamiz molecular y la zona de adsorción de agua. En comparación con un sistema de TSA el agua no entra en la capa de tamiz molecular en un grado significativo que evite, ventajosamente, la necesidad de aportar gran cantidad de energía para desorber el agua de la capa de tamiz molecular. En los documentos US-A-5885650 y US-A-5846295 se describe un proceso de TPSA.

La PSA incrementada térmicamente (TEPSA), igual que la TPSA, utiliza un proceso de regeneración de dos fases en el que el dióxido de carbono, previamente adsorbido, se desorbe mediante TSA y el agua adsorbida se desorbe mediante PSA. En este proceso la desorción se produce suministrando un gas de regeneración a una presión menor que la de la corriente de alimentación y a una temperatura mayor que la de la corriente de alimentación y sustituyendo posteriormente el gas caliente de regeneración por un gas frío de regeneración. El gas regenerante calentado permite extender el tiempo del ciclo, comparado con el de un sistema de PSA, reduciendo de este modo las pérdidas por oscilación porque el calor generado en el lecho por adsorción puede sustituirse en parte por el calor procedente del gas caliente de regeneración. En el documento US-A-5614000 se describe un proceso de TEPSA.

En contraste con la PSA, tanto la TSA, como la TEPSA y la TPSA requieren la aportación de energía térmica mediante calentamiento del gas de regeneración, pero cada procedimiento tiene sus propias ventajas y desventajas características. Típicamente, las temperaturas necesarias en el gas regenerante son suficientemente altas, por ejemplo de 100ºC a 200ºC, en cuanto concierne a los requisitos de la ingeniería del sistema, lo cual aumenta los costes. Típicamente habrá más de un componente gaseoso no deseado que se elimine en el proceso y generalmente uno o más de estos componentes se adsorberán enérgicamente, por ejemplo el agua, y otro mucho más débilmente, por ejemplo el dióxido de carbono. La elevada temperatura usada para la regeneración tiene que ser suficiente para la desorción del componente adsorbido más enérgicamente.

La elevada temperatura empleada en los sistemas de TSA, TPSA y TEPSA puede requerir el uso de vasijas aisladas, un precalentador del gas de regeneración y un preenfriador final de admisión, y por lo general las elevadas temperaturas obligan a adoptar una especificación mecánica más rigurosa y más costosa del sistema. En el funcionamiento hay un coste energético extra relacionado con el uso del precalentador de purga.

El sistema de PSA evita muchas de estas desventajas al soslayar la necesidad de afrontar elevadas temperaturas, aunque el corto tiempo de ciclo que caracteriza a la PSA acarrea sus propias desventajas.

El documento EP-A-925821 describe un método de operación de un adsorbedor por oscilaciones de la presión en un prepurificador de aire con proceso de PSA que tiene en cuenta las condiciones de entrada del aire. En el documento EP-A-925821 el objeto de la invención es proporcionar un método mejorado para controlar el tiempo de ciclo de un prepurificador de aire de PSA y se ejerce un control continuo dependiendo de los parámetros de la alimentación del aire de entrada. Las condiciones de alimentación del aire se controlan para determinar el contenido de humedad del aire que se suministra al adsorbedor. El documento EP-A-925821 no se refiere a procesos de TSA, TPSA o TEPSA.

Al diseñar un sistema de TSA, TEPSA o TPSA se tienen en cuenta convencionalmente las condiciones ambientales preponderantes en la localidad en la que ha de funcionar el proceso, ya que la cantidad de agua existente en el gas de alimentación cambia de acuerdo con las variaciones locales de la temperatura y la humedad relativa. Estos factores varían continuamente y las diferencias diarias o estacionales pueden ser grandes y, por consiguiente, puede variar considerablemente la cantidad de agua existente en el gas de alimentación. Convencionalmente, los parámetros operativos de los procesos de TSA, TEPSA y TPSA se han venido seleccionando teniendo en cuenta las condiciones ambientales más adversas que sea probable encontrar, para asegurarse de que el proceso funcione eficazmente. Las condiciones del proceso se preseleccionan y se mantienen constantes durante el funcionamiento para asegurarse de que el gas de alimentación que tenga el contenido de agua más probable pueda procesarse sin riesgo de superar la capacidad de eliminación de agua del sistema y de este modo se evita que el agua pase a un proceso de aguas abajo.

Ahora los inventores han encontrado que los sistemas de TSA, TEPSA y TPSA no tienen que hacerse funcionar bajo condiciones constantes y suficientes para afrontar las condiciones ambientales más adversas que sea probable encontrar, siguiendo la norma existente actualmente, sino que, sorprendentemente, las condiciones operativas del proceso pueden variarse de acuerdo con las fluctuaciones de las condiciones ambientales, midiendo uno o más parámetros relativos a la composición del gas de alimentación, para conseguir ahorros de energía importantes haciendo, no obstante, que el proceso funcione eficazmente.

En consecuencia, un primer aspecto de la invención proporciona un método de hacer funcionar un proceso de adsorción por oscilaciones térmicas según se expone en la reivindicación 1.

Las condiciones del proceso de regeneración se seleccionan de modo que permitan la regeneración completa del adsorbente y se basan en el contenido real de agua del gas de alimentación, a medida que se determina. Las condiciones del proceso de regeneración seleccionadas no son suficientes por lo general para regenerar el adsorbente bajo las condiciones ambientales más adversas, preponderantes en el entorno de la planta en que se haga funcionar el proceso, salvo que las condiciones ambientales reales correspondan a las condiciones ambientales más adversas. Los expertos en la técnica podrán determinar las condiciones ambientales más adversas en cualquier emplazamiento determinado, por ejemplo, de la manera con la que se determinarían tales condiciones al diseñar y hacer funcionar un proceso convencional de TSA.

Ventajosamente, este método requiere consumir en el proceso menos energía térmica que la que se consumiría con el régimen operativo convencional. Además pueden reducirse significativamente las necesidades de potencia de un compresor principal de aire, empleado típicamente en los procesos de TSA, comparadas con las del régimen operativo convencional. La determinación del contenido real de agua del gas de alimentación, en vez de basarse en el contenido máximo hipotético correspondiente a las condiciones ambientales más adversas, permite hacer funcionar el proceso con una aportación reducida de energía, produciendo un ahorro de energía que se habría consumido si no se tuviese en cuenta la diferencia existente entre el contenido real de agua y el contenido de agua teórico máximo bajo las condiciones ambientales más adversas. Por consiguiente, la mayor parte de la energía aportada al proceso sirve para regenerar el adsorbente, proporcionando de este modo beneficios ambientales por la reducción de las necesidades de energía y la reducción de los materiales que se desperdician, además de los beneficios econó-
micos.

La expresión "adsorción por oscilaciones térmicas" se refiere a procesos de adsorción en los que se aporta energía térmica para regenerar el adsorbente e incluye procesos de TPSA y TEPSA, además de TSA, salvo que se indique otra cosa.

El gas de alimentación puede ser cualquier gas que contenga dióxido de carbono y agua, y puede ser gas natural o gas de síntesis. En una realización preferida el gas de alimentación es aire. Después del tratamiento el gas es sometido, adecuadamente, a un proceso aguas abajo de separación criogénica, especialmente para la recuperación de oxígeno y/o nitrógeno.

El gas de alimentación se trata, adecuadamente, poniéndolo en contacto con un adsorbente en una primera zona para eliminar el agua, antes de eliminar el dióxido de carbono adecuadamente en una segunda zona con un segundo adsorbente. Los adsorbentes adecuados incluyen alúmina, gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y tamices moleculares, por ejemplo ceolitas de tipo A y de tipo X.

El material adsorbente del agua preferentemente es gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada o alúmina, y el material adsorbente del dióxido de carbono puede ser un tamiz molecular, por ejemplo una ceolita. La ceolita puede ser ligada o sin ligante. Preferentemente, la ceolita es ceolita 13X y más preferentemente ceolita 13X sin ligante.

Preferentemente, el adsorbente del agua y el adsorbente del dióxido de carbono se disponen en un lecho mixto, estando el adsorbente del dióxido de carbono situado aguas abajo del adsorbente del agua, aunque si se desea pueden emplearse lechos distintos.

El dióxido de carbono puede estar presente en cualquier cantidad en el gas de alimentación, pero la invención es de aplicabilidad especial cuando la cantidad de dióxido de carbono es menor de 1000 ppm y en especial menor de 400 ppm.

El proceso de TSA, TPSA o TEPSA puede hacerse funcionar usando una sola vía de flujo, pero preferentemente se hace funcionar usando al menos dos vías de flujo paralelas para que el proceso pueda funcionar de una manera cíclica que comprenda adsorción y desorción, sometiéndose las distintas vías de flujo a ciclos desfasados de operaciones de modo que el proceso suministre un flujo seudocontinuo de gas de alimentación.

El gas de alimentación se suministra adecuadamente a una temperatura de -50 a 80ºC a la etapa de adsorción y preferentemente de 0 a 60ºC, especialmente de 10 a 50ºC. Adecuadamente, la presión del gas de alimentación es de al menos 100000 N/m^{2}, preferentemente de 200000 a 4000000 N/m^{2}, más preferentemente de 200000 a 3000000 N/m^{2}, y deseablemente de 200000 a 1500000 N/m^{2}.

En un proceso cíclico se introduce el gas de alimentación en una zona de adsorción y se pone en contacto con el adsorbente, adecuadamente en forma de lecho. A medida que la mezcla atraviesa el adsorbente se adsorben adecuadamente agua, dióxido de carbono y opcionalmente otros componentes de temperatura de ebullición elevada, y el gas restante abandona la zona de adsorción. Durante el proceso se forma en el adsorbente un frente del gas a adsorber y lo atraviesa. Según se desee, se termina a continuación la etapa de adsorción y después se calienta la zona de adsorción y opcionalmente se somete a una presión reducida y se purga de la zona de adsorción el gas adsorbido durante la regeneración suministrando a la zona un gas de regeneración.

La etapa de adsorción se hace funcionar adecuadamente de una manera convencional conocida por los expertos en la técnica.

Preferentemente, el gas de regeneración comprende un gas reciclado procedente de un proceso de aguas abajo, por ejemplo una corriente de gas residual, rico en nitrógeno, procedente de una planta de separación de aire, que esté seco y libre de dióxido de carbono. La regeneración del adsorbente se lleva a cabo a una temperatura superior a la temperatura del lecho de adsorción, adecuadamente a una temperatura de 80 a 400ºC, preferentemente de 100 a 250ºC.

Adecuadamente, la presión de regeneración es de 10000 a 3000000 N/m^{2} y preferentemente de 50000 a 1000000 N/m^{2}. Es especialmente deseable que la presión de regeneración no supere el 50 por ciento de la presión del gas de alimentación.

Preferentemente, el proceso se hace funcionar con una relación molar del gas regenerante respecto al gas de alimentación de 0,1 a 0,8 y más preferentemente de 0,2 a 0,5.

Las condiciones del proceso de regeneración que se modifican como respuesta a los uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación incluyen, adecuadamente, el caudal unitario del gas de regeneración y su temperatura.

Adecuadamente, en un proceso de TSA se suministra a la zona de adsorción el gas de alimentación durante un período de 60 a 600 minutos y preferentemente de 70 a 300 minutos. En un proceso de TEPSA se suministra adecuadamente a la zona de la unidad de adsorción el gas de alimentación durante un período de 10 a 80 minutos y preferentemente de 20 a 60 minutos.

En una realización preferida, la invención proporciona un método para la reducción de la cantidad de dióxido de carbono y agua de un gas de alimentación, según se expone en la reivindicación 12.

Como se ha indicado anteriormente, el gas de alimentación puede ser gas natural, gas de síntesis y preferentemente es aire.

En otro aspecto, la invención usa un aparato de control de procesos de TSA para modificar las condiciones del proceso de regeneración en un proceso de TSA en el que se suministra a un adsorbente un gas de alimentación, se adsorben agua y dióxido de carbono sobre el adsorbente empobreciendo de este modo el gas en agua y dióxido de carbono y se regenera el adsorbente poniendo en contacto con el adsorbente un gas calentado de regeneración para desorber al menos parte del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, cuyo aparato comprende medios de control de las condiciones del proceso de regeneración, medios sensores para determinar uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación, y medios de control capaces de recibir información relacionada con dichos uno o más parámetros procedente de los medios sensores, calcular las condiciones del proceso requeridas para suministrar la energía suficiente para efectuar la desorción del dióxido de carbono y opcionalmente del agua adsorbidos, basándose en la información recibida desde dichos medios sensores, y enviar una señal a los medios de control de las condiciones del proceso de regeneración para modificar las condiciones del proceso de acuerdo con las condiciones calculadas.

Adecuadamente, los medios de control del proceso de regeneración comprenden medios de control de flujo para controlar el flujo del gas de regeneración y/o medios de control de la temperatura para controlar el calentamiento del gas de regeneración.

La invención también usa un aparato de TSA que comprende una primera vasija de adsorción y una segunda vasija de adsorción, un conjunto de entrada del gas de alimentación en comunicación de fluido con ambas vasijas, un conjunto de salida en comunicación de fluido con ambas vasijas, estando dispuestas las vasijas en vías paralelas, medios de control de flujo que permiten que el gas de alimentación atraviese alternativamente cada vasija y salga hacia el conjunto de salida, un conjunto de regeneración que comprende un conducto en comunicación de fluido con el conjunto de salida y un calentador, de modo que puede hacerse pasar alternativamente por las vasijas un gas calentado de regeneración, y medios de control del proceso de TSA, según se describen en la presente memoria, preparados para determinar uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que se suministra al conjunto de entrada y para modificar las condiciones del proceso de regeneración basándose en dichos parámetros.

La figura 1 representa esquemáticamente una realización preferida del aparato usado en la invención y que es adecuado para usarse en un proceso según una realización preferida de la invención.

En la figura 1, el aire a purificar se suministra a un compresor principal de aire (main air compressor-MAC), 1, en el que se comprime y con él se alimenta después un enfriador, 2, para condensar al menos algo del vapor de agua del aire comprimido enfriado. El aire comprimido enfriado se suministra a un separador, 3, que sirve para eliminar las gotas de agua de la corriente de alimentación. El separador está conectado a un tubo de entrada, 4, en el que la vía de flujo se divide en dos vías, 5 y 6, que tienen válvulas de control de entrada, 7 y 8 respectivamente. Aguas abajo de las válvulas de control, 7 y 8, las vías de entrada, 5 y 6, están conectadas en derivación por un tubo de ventilación, 9, que contiene válvulas de desfogue, 10 y 11. Un silenciador, 12, está conectado al tubo de ventilación, 9. Unas vasijas de adsorción, 13 y 14, están conectadas a las dos vías de entrada, 5 y 6, aguas abajo del tubo de ventilación, 9. Cada vasija, 13 y 14, contiene un lecho adsorbente que contiene típicamente dos adsorbentes, 15 y 16, y, 15' y 16', respectivamente. La parte de aguas arriba de los lechos adsorbentes, 15 y 15', contiene un adsorbente destinado a eliminar agua, por ejemplo alúmina activada o alúmina modificada, y la parte de aguas abajo de los lechos de adsorción, 16 y 16', contiene un adsorbente de eliminación de dióxido de carbono, por ejemplo ceolita. Unas vías de salida, 17 y 18, están conectadas a cada vasija de adsorción, 13 y 14, y tienen válvulas de control de salida, 19 y 20. Las vías separadas de salida, 17 y 18, se unen aguas abajo de las válvulas de control, 19 y 20, en un solo tubo de salida, 21, que se conecta adecuadamente a un aparato de proceso de aguas abajo, por ejemplo un separador criogénico de aire (no mostrado). Aguas arriba de las válvulas de control de salida, 19 y 20, las vías de salida, 17 y 18, están conectadas en derivación por un tubo de entrada de gas regenerante, 22, teniendo el tubo de derivación válvulas de control del gas regenerante, 23 y 24. Una línea adicional de derivación, 25, situada aguas arriba del tubo de entrada de gas regenerante, 22, también tiene una válvula de control, 26.

El tubo de entrada de gas regenerante, 22, está conectado al aparato que suministra el gas regenerante, el cual tiene un tubo de alimentación de gas regenerante, 27, que puede pasar a través de un calentador, 28, o a través de una línea de derivación, 29, hacia el tubo de entrada de gas regenerante, 22. Para controlar el flujo y la vía del gas de regeneración están dispuestas válvulas de control, 30 y 31. El gas de regeneración se obtiene adecuadamente en el aparato de proceso de aguas abajo alimentado por el tubo de salida 21.

Adecuadamente, todas o cualquiera de las válvulas son controlables por medios programables de sincronización y por medios de apertura de las válvulas conocidos en la técnica, los cuales no se ilustran por razones de claridad.

En el tubo de alimentación de gas regenerante, 27, está dispuesto un regulador indicador de flujo, 32, para medir y controlar el flujo del gas regenerante hacia el tubo de entrada, 22. El regulador indicador de flujo, 32, está conectado a un regulador indicador de temperatura, 33, que a su vez está conectado a un secuenciador térmico, 34, que controla el calentamiento del gas regenerante. Un sensor de temperatura, 35, está conectado al regulador indicador de temperatura, 33, y está situado de modo que pueda medir la temperatura del gas de alimentación. Cuando en este punto el gas de alimentación está saturado de agua (HR = 100%) la temperatura proporciona el contenido de agua del gas de alimentación. Pueden usarse otros medios de medir uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación que entra en el tubo de entrada, 4.

Durante el uso, el aire se comprime en el MAC, 1, y a continuación se envía al tubo de entrada, 4, a través del enfriador 2 y del separador 3, y atraviesa una de las dos vasijas adsorbentes, 13 y 14, (la vasija "en línea") en la dirección de aguas abajo. La otra vasija adsorbente recibe gas regenerante desde el tubo de entrada 22, el cual fluye en dirección opuesta al flujo de aire de la primera vasija de adsorción.

Con la vasija 13 en línea, el aire pasa por la válvula abierta 7 hacia la vasija 13 y sale por la válvula abierta 19 hacia el tubo de salida 21 para su proceso aguas abajo. La válvula 8 está cerrada ya que se ha cortado la alimentación de aire de la vasija de adsorción 14. Todas las válvulas 20, 23, 24, 26, 10 y 11 están cerradas. Para comenzar la regeneración del lecho de la vasija de adsorción 14 se abre la válvula 11 para despresurizar la vasija 14 y se abre la válvula 24 para dejar que el flujo de gas regenerante atraviese la vasija de adsorción 14. Típicamente, el gas regenerante será un flujo de nitrógeno seco, libre de dióxido de carbono, obtenido en una unidad de proceso de aguas abajo, por ejemplo la caja fría (cold box) de una unidad de separación de aire. La válvula 30 está abierta para dejar que el gas regenerante pase por el calentador 28 y que se caliente, por ejemplo a una temperatura de 100ºC o más, antes de que entre en la vasija 14 a la temperatura requerida. A medida que el gas regenerante atraviesa la vasija 14 se desorbe dióxido de carbono y una onda térmica atraviesa el lecho adsorbente 16'. En el momento apropiado, por ejemplo cuando la onda térmica entre en el lecho 15', se cierra la válvula 30 y se abre la válvula 31 para que el gas regenerante no se caliente y entre en la vasija 14 y desplace el impulso térmico hacia delante a través del adsorbente 15'.

Mientras que el adsorbente 16' se ha regenerado por TSA, el gas regenerante frío, en virtud de su menor presión, desorbe agua del adsorbente 15' por PSA y, dependiendo de si la onda térmica ha entrado en el adsorbente 15', también por TSA.

Al final del período de regeneración se cierra la válvula 24 y se abre la válvula 26 para desplazar el gas de regeneración del lecho de la vasija 14. A continuación se cierra la válvula 11 para represurizar la vasija 14 con aire purificado. Entonces se cierra la válvula 26 y se abren las válvulas 8 y 20 para poner así en línea la vasija 14. Después puede regenerarse la vasija 13 de manera similar al proceso descrito anteriormente, poniendo en línea, despresurizando, regenerando, represurizando y volviendo a poner en línea las vasijas 13 y 14 en ciclos operativos escalonados.

El parámetro determinado por el sensor, 35, se transmite al regulador indicador de temperatura, 33, el cual, dependiendo de la información recibida desde el sensor, 35, calcula un caudal unitario y una temperatura apropiados del gas regenerante, basándose en el contenido de agua del gas de alimentación, y mediante el regulador indicador de flujo, 32, y el secuenciador térmico, 34, modifica el caudal unitario y/o la temperatura del gas regenerante. El sensor 35 puede determinar parámetros del gas de manera continua o periódica, por ejemplo cada hora y cada día, y como respuesta a estos datos se modifican el flujo y/o la temperatura del gas regenerante.

La invención se ilustra con los siguientes ejemplos no limitativos.

Ejemplo 1 y Ejemplos Comparativos A y B

Tiempo Fijo de Ciclo y Servicio Variable del Calentador

Se realizó un proceso de adsorción, según la invención, usando el aparato que se ha expuesto en la figura 1 y de acuerdo con los parámetros de proceso mostrados en la Tabla 1. A efectos comparativos también se realizaron un proceso de TPSA y un proceso de TSA, pero sin determinar el contenido de agua del gas de alimentación y haciéndolos funcionar con las condiciones del proceso de regeneración establecidas según las condiciones ambientales más adversas.

La Tabla 1 muestra los beneficios de emplear el proceso de la invención, en comparación con un proceso de TPSA convencional (Comparativo A) y con una tecnología de TSA convencional (Comparativo B). El proceso del Ejemplo 1 que se basa en un sistema ambiental promediado anual o estacionalmente (P/A = 0,5) tiene como resultado una reducción de energía del 42% sobre la TPSA y unas reducciones de energía del 78% sobre la TSA convencional.

TABLA 1

1

Debido a la menor presión de la operación de TPSA en comparación con la TSA, se requiere menos calor para la regeneración de un adsorbente comparable. Por consiguiente, el proceso puede hacerse funcionar con un tiempo "en línea" más corto para un caudal unitario determinado. Además, en el Ejemplo 1 se midió una temperatura de alimentación de 30ºC, mientras que en los Ejemplos Comparativos se supuso una temperatura de alimentación de 40ºC que refleja las condiciones ambientales más adversas. En consecuencia, el calor requerido para la regeneración en el Ejemplo 1 es mucho menor que en los Ejemplos Comparativos A y B permitiendo menor temperatura máxima del impulso y, en comparación con el Ejemplo Comparativo B, un tiempo "en línea" mucho más corto. En resumen, para efectuar la regeneración se necesitó menor cantidad de calor durante un período de tiempo más corto, como consecuencia de modificar las condiciones del proceso de regeneración basándose en el contenido real de agua de la alimentación, en lugar de basarse en el contenido estimado según las condiciones ambientales más adversas.

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Ejemplo 2 y Comparativo C

Tiempo Variable de Ciclo y Relación Variable P/A

Se realizó un proceso de adsorción, según la invención, usando el aparato expuesto en la Tabla 2. A efectos comparativos se realizó un proceso de TEPSA usando el mismo aparato, pero sin determinar el contenido de agua del gas de alimentación.

TABLA 2

2

La cifra de la reducción de potencia, ajustada anualmente, supone que el proceso funciona el 50% del tiempo con la potencia reducida del MAC.

La cantidad del adsorbente de un sistema de purificación de aire se determina basándose en las peores condiciones de alimentación o en la carga de agua experimentada en las condiciones más adversas, típicamente el valor máximo de verano. En la TPSA y en la TEPSA, cuando el gas de alimentación esté por debajo de la temperatura máxima de alimentación estará cargado con menos agua. Los resultados de la Tabla 2 muestran que usando la presente invención puede aumentarse el período de enfriamiento y/o reducirse la relación P/A. A medida que se reduzca la frecuencia de uso del calentador, también se reducirá la utilización total de energía. Los resultados demuestran que el consumo de energía puede reducirse más del 30% empleando la presente invención.

En el Ejemplo 2 se requiere menos calor, de modo que el impulso térmico puede moverse a través del adsorbente más lentamente que en el Ejemplo Comparativo C para un tiempo constante de calentamiento. El flujo reducido permite emplear, sorprendentemente, mayor temperatura de regeneración para satisfacer, no obstante, unas necesidades térmicas totales significativamente menores.

El Ejemplo 2 demuestra que ajustando la relación P/A también puede conseguirse una reducción de la potencia del compresor principal de aire (MAC). En un proceso de aguas abajo de purificación criogénica de aire por destilación, el aire se comprime en el compresor principal de aire (MAC) y a continuación se enfría, atraviesa un lecho adsorbente y luego entra en una unidad de separación criogénica de aire. Típicamente, el gas de regeneración proviene de la corriente residual del sistema de destilación criogénica. La caída de presión de este circuito tiene un impacto multiplicador en la potencia del MAC del orden del triple. Haciendo funcionar el proceso con una relación P/A menor, se requiere menos energía en el MAC debido al menor flujo de purga y a las menores pérdidas por tanto de aire comprimido. En la Tabla 2 se muestran las necesidades de potencia del MAC de una gran unidad de separación de aire y la presente invención implica menor necesidad de potencia del MAC.

Este ejemplo ilustra que pueden lograrse ahorros, ajustados estacionalmente, del orden del 2,5% en la potencia del MAC. Este ahorro se suma a los beneficios de la reducción de la energía de regeneración.

Claims (25)

1. Un método de hacer funcionar un proceso de adsorción por oscilaciones térmicas en el que se eliminan agua y dióxido de carbono por adsorción sobre al menos un adsorbente, que comprende determinar directa o indirectamente uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que comprende agua y dióxido de carbono, comprendiendo dicho método hacer pasar dicho gas de alimentación a través de una primera parte de adsorbente de un lecho 15, 15' para eliminar agua y de una segunda parte de un lecho 16, 16' para eliminar dióxido de carbono, seleccionar las condiciones de proceso para la regeneración del al menos un adsorbente del proceso de adsorción por oscilaciones térmicas y hacer pasar gas regenerante a través de una válvula 30 de modo que fluya a través de un calentador 28 y a través de la segunda parte del adsorbente del lecho 16, 16' de manera que una onda térmica atraviese dicha segunda parte del adsorbente, cerrar dicha válvula 30 y abrir una segunda válvula 31 de modo que el flujo de gas regenerante no se caliente y entre en la segunda parte de adsorbente y desplace hacia delante el impulso térmico a través de dicha primera parte de adsorbente para desorber agua de una parte del mismo bajo condiciones de regeneración por adsorción con oscilaciones de la presión, basadas en dichos parámetros, y modificar las condiciones del proceso de regeneración de acuerdo con las condiciones del proceso seleccionadas para la regeneración, de manera que el agua y el dióxido de carbono adsorbidos sean desorbidos regenerando de este modo el al menos un adsorbente.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que el gas de alimentación se selecciona entre gas de síntesis, gas natural y aire.

3. Un método según la reivindicación 2, en el que el gas de alimentación es aire.

4. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el adsorbente se selecciona entre alúmina, gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y un tamiz molecular.

5. Un método según la reivindicación 4, que comprende un primer adsorbente seleccionado entre gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y alúmina, y un segundo adsorbente aguas abajo que comprende una ceolita.

6. Un método según la reivindicación 5, en el que la ceolita es ceolita X.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de alimentación está a una temperatura de -50 a 80ºC.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la regeneración del adsorbente se lleva a cabo a una temperatura de 80 a 400ºC.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el adsorbente se regenera por medio de un gas de regeneración y la relación molar del gas de regeneración respecto al gas de alimentación es de 0,1 a 0,8.

10. Un método según la reivindicación 9, en el que el gas de regeneración está a una presión de 50000 a 1000000 N/m^{2}.

11. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de alimentación está a una presión de 200000 a 4000000 N/m^{2}.

12. Un método para la reducción de la cantidad de dióxido de carbono y agua en un gas de alimentación, que comprende pasar el gas de alimentación a una zona de adsorción que contiene un adsorbente, poner en contacto el gas con dicho adsorbente para eliminar agua y dióxido de carbono del gas y hacer pasar el gas empobrecido en agua y dióxido de carbono a un proceso de separación criogénica en el que se recupera al menos uno de los componentes del gas empobrecido en dióxido de carbono y agua, en el que el adsorbente se regenera por calentamiento después de la adsorción según condiciones de regeneración predeterminadas, comprendiendo dicho método determinar directa o indirectamente uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación antes de que entre en contacto con el adsorbente, hacer pasar dicho gas de alimentación a través de una primera parte de adsorbente de un lecho 15, 15' para eliminar agua y de una segunda parte de un lecho 16, 16' para eliminar dióxido de carbono, seleccionar las condiciones de proceso para la regeneración del al menos un adsorbente como respuesta a dichos uno o más parámetros y modificar las condiciones del proceso de regeneración de acuerdo con las condiciones del proceso seleccionadas para la regeneración, hacer pasar gas regenerante a través de una válvula 30 de modo que fluya a través de un calentador 28 y a través de la segunda parte del adsorbente del lecho 16, 16' de manera que una onda térmica atraviese dicha segunda parte del adsorbente, y según las condiciones del proceso seleccionadas cerrar dicha válvula 30 y abrir una segunda válvula 31 de modo que el flujo de gas regenerante no se caliente y entre en el segundo adsorbente y desplace hacia delante el impulso térmico a través de dicha primera parte de adsorbente para desorber agua de una parte del mismo bajo condiciones de regeneración por adsorción con oscilaciones de la presión.

13. Un método según la reivindicación 12, en el que el gas de alimentación se selecciona entre gas natural, gas de síntesis y aire.

14. Un método según la reivindicación 13, en el que el gas de alimentación es aire.

15. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que el adsorbente se selecciona entre alúmina, gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y un tamiz molecular.

16. Un método según la reivindicación 15, que comprende un primer adsorbente seleccionado entre gel de sílice, alúmina activada, alúmina impregnada y alúmina, y un segundo adsorbente aguas abajo que comprende una ceolita.

17. Un método según la reivindicación 16, en el que la ceolita es ceolita X.

18. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, en el que el gas de alimentación está a una temperatura de -50 a 80ºC.

19. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, en el que la regeneración del adsorbente se lleva a cabo a una temperatura de 80 a 400ºC.

20. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19, en el que el adsorbente se regenera por medio de un gas de regeneración y la relación molar del gas de regeneración respecto al gas de alimentación es de 0,1 a 0,8.

21. Un método según la reivindicación 20, en el que el gas de regeneración está a una presión de 50000 a 1000000 N/m^{2}.

22. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 21, en el que el gas de alimentación está a una presión de 200000 a 4000000 N/m^{2}.

23. Uso de un aparato de control de procesos para modificar las condiciones del proceso de regeneración en un proceso de TSA en el que se suministra a un adsorbente un gas de alimentación, se adsorben agua y dióxido de carbono sobre el adsorbente empobreciendo de este modo el gas en agua y dióxido de carbono y se regenera el adsorbente poniendo en contacto con el adsorbente un gas calentado de regeneración para desorber al menos parte del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, cuyo aparato comprende medios de control de las condiciones del proceso de regeneración, medios sensores para determinar uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua del gas de alimentación, y medios de control capaces de recibir información relacionada con dichos uno o más parámetros procedente de los medios sensores, calcular las condiciones de proceso requeridas para suministrar la energía suficiente para efectuar la desorción del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, basándose en la información recibida desde dichos medios sensores, y enviar una señal a los medios de control de las condiciones del proceso de regeneración para modificar las condiciones de proceso de acuerdo con las condiciones calculadas.

24. Uso de un aparato según la reivindicación 23, en el que los medios de control del proceso de regeneración comprenden medios de control de flujo para controlar el flujo del gas de regeneración y/o medios de control de la temperatura para controlar el calentamiento del gas de regeneración.

25. Uso de un aparato en un proceso de TSA en el que se suministra a un adsorbente un gas de alimentación, se adsorben agua y dióxido de carbono sobre el adsorbente empobreciendo de este modo el gas en agua y dióxido de carbono y se regenera el adsorbente poniendo en contacto con el adsorbente un gas calentado de regeneración para desorber al menos parte del dióxido de carbono y del agua adsorbidos, comprendiendo dicho aparato una primera vasija de adsorción y una segunda vasija de adsorción, un conjunto de entrada del gas de alimentación en comunicación de fluido con ambas vasijas, un conjunto de salida en comunicación de fluido con ambas vasijas, estando dispuestas las vasijas en vías paralelas, medios de control de flujo que permiten que el gas de alimentación atraviese alternativamente cada vasija y salga hacia el conjunto de salida, un conjunto de regeneración que comprende un conducto en comunicación de fluido con el conjunto de salida y un calentador, de modo que puede hacerse pasar alternativamente por las vasijas un gas calentado de regeneración, y el aparato de control del proceso de TSA, según se define en la reivindicación 24, preparado para determinar uno o más parámetros relacionados con el contenido de agua de un gas de alimentación que se suministra al conjunto de entrada y para modificar las condiciones del proceso de regeneración basándose en dichos parámetros.