BRPI0614595A2 - método para possibilitar a provisão de dióxido de carbono purificado - Google Patents
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Abstract
MéTODO PARA POSSIBILITAR A PROVISãO DE DIóXIDO DE CARBONO PURIFICADO. A presente invenção refere-se a um método para possibilitar a provisão de dióxido de carbono purificado para uso direto em operações que exigem diáxido de carbono purificado, o método compreendendo passar o dióxido de carbono impuro através de várias unidades de purificação para a remoção dos compostos de enxofre, oxigenados e aromáticos. A presente invenção proporciona um sistema de suprimento de diáxido de carbono, método e aparelho para purificar o diáxido de carbono e método para prover diáxido de carbono de reserva. Espécies de enxofre e outras impurezas são removidas do dióxido de carbono por dispositivo de adsorçáo e reação.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOPARA POSSIBILITAR A PROVISÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PURIFICADO".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção provê um método para prover gases. Emparticular, essa invenção é direcionada para um método para possibilitar aprovisão de gases de dióxido de carbono purificado.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
O dióxido de carbono é usado em uma série de aplicações in-dustriais e domésticas, muitas das quais exigem que o dióxido de carbonoseja livre de várias impurezas. Infelizmente, o dióxido de carbono obtido defontes naturais tais como poços de gás, processos químicos, processos defermentação ou produzidos em indústria, particularmente dióxido de carbonoproduzido pela combustão de produtos de hidrocarboneto, freqüentementecontém níveis de impureza de compostos de enxofre tais como sulfeto decarbonila (COS) e sulfeto de hidrogênio (H2S), bem como oxigenados taiscomo acetaldeídos e álcoois, bem como aromáticos tal como benzeno.Quando o dióxido de carbono é planejado para uso em uma aplicação queexige que o dióxido de carbono seja de alta pureza, tal como na fabricaçãoe limpeza de produtos alimentícios e carbonatação de bebidas, produtosmédicos e dispositivos eletrônicos, os compostos de enxofre e outras impu-rezas do hidrocarboneto contidas na corrente de gás devem ser removidospara níveis muito baixos antes do uso. O nível de remoção de impureza re-querido varia de acordo com a aplicação do dióxido de carbono. Por exem-pio, para aplicação em bebidas, o nível total de enxofre no dióxido de carbo-no (CO2) idealmente deve estar abaixo de 0,1 ppm e hidrocarbonetos aro-máticos precisam estar abaixo de 0,02 ppm. Para aplicações de limpeza ele-trônica, a remoção de hidrocarbonetos pesados para abaixo de 0,1 ppm érequerida.
Vários métodos para remoção de compostos de enxofre e impu-rezas de hidrocarboneto dos gases tal como dióxido de carbono são conhe-cidos. Por exemplo, a Patente U.S. Ne 4.332.781 emitida para Lieder eoutros revela a remoção de COS e H2S de uma corrente de gás removendoprimeiro o H2S da corrente de gás de hidrocarboneto pelo contato da corren-te de gás com uma solução aquosa de um reagente de oxidação regenerá-vel, que pode ser um íon metálico polivalente, tais como ferro, vanádio, co-bre, etc. para produzir uma corrente de gás contendo COS e uma misturaaquosa contendo enxofre e reagente reduzido.
As Patentes U.S. N2S 5.858.068 e 6.099.619 descrevem o usode uma faujasita trocada de prata e uma peneira molecular do tipo MFI paraa remoção de enxofre, oxigênio e outras impurezas do dióxido de carbonoplanejado para uso relacionado com alimentos. A patente U.S. N9 5.674.463descreve o uso de hidrólise e reação com óxidos de metal tal como oxidoférrico para a remoção de sulfeto de carbonila e impurezas de sulfeto de hi-drogênio do dióxido de carbono.
É conhecido remover diretamente os compostos de enxofre, talcomo H2S de uma corrente de gás pelo contato da corrente de gás com óxi-dos de metal, tal como óxido de cobre, oxido de zinco ou misturas desses. Étambém conhecido remover as impurezas de enxofre tal como COS hidroli-sando primeiro o COS para H2S através de um catalisador de hidrólise e aseguir removendo o H2S pela reação com óxidos de metal.
Desde que muitos usuários finais do dióxido de carbono exijamque o dióxido de carbono que eles usam seja substancialmente livre decompostos de enxofre, hidrocarboneto e outras impurezas, e pelo fato deque as fontes naturais de dióxido de carbono e dióxido de carbono industri-almente fabricado freqüentemente contêm enxofre e compostos de hidrocar-boneto, métodos econômicos e eficientes para efetuar a remoção substanci-almente completa do enxofre e compostos de hidrocarboneto das correntesde gás de dióxido de carbono, sem simultaneamente introduzir outras impu-rezas no dióxido de carbono, são continuamente procurados. Métodos deanálise de custo menor para várias impurezas são também procurados.
Também, métodos confiáveis para prover dióxido de carbono de alta purezapara operações de fabricação são buscados. A presente invenção provê ummétodo simples e eficiente para realizar esses objetivos.SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em uma modalidade, essa invenção provê um método parapossibilitar a provisão de gás purificado, tal como dióxido de carbono, parauso direto em operações que exigem gás purificado, tal como dióxido decarbono, o método compreendendo entregar o dióxido de carbono de umafábrica de produção para uma localização onde o dióxido de carbono purifi-cado é para ser usado, passar o dióxido de carbono através de várias unida-des de purificação para a remoção das impurezas, tais como compostos deenxofre, oxigenados e aromáticos, analisar o dióxido de carbono purificadopor impurezas usando pelo menos um analisador e passar uma porção dodióxido de carbono purificado que satisfaz a especificação de pureza do pro-duto para as operações.
Em uma modalidade, o método aqui provê ao usuário o uso dire-to em uma localização remota. Além do que, pelo menos uma porção dodióxido de carbono purificado pode ser usada para armazenamento de re-serva.
O método aqui compreende suprir dióxido de carbono de umafábrica de produção, passar o dióxido de carbono através de várias unidadespara a remoção de impurezas tais como enxofres e hidrocarbonetos incluin-do oxigenados e aromáticos, prover dispositivo analítico para garantir a pu-reza do dióxido de carbono e suprir dióxido de carbono purificado para asoperações de fabricação. O método adicionalmente consiste em liqüefazerparte do dióxido de carbono purificado e armazená-lo como uma reserva.
A pureza do dióxido de carbono é suficiente para satisfazer asnecessidades de garantia de qualidade. Em uma modalidade, o dióxido decarbono é analisado usando detectores e as impurezas são concentradasantes da análise. As operações nas quais o dióxido de carbono purificado éusado são selecionadas do grupo consistindo em fabricação e de gênerosalimentícios e bebidas, produtos médicos e consumidores de dispositivos delimpeza eletrônica.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Embora o relatório descritivo conclua com reivindicações evi-denciando distintamente a matéria exposta que os requerentes consideramcomo sua invenção, a invenção seria entendida melhor quando tomada emconjunto com o desenho acompanhante no qual:
A figura 1 é um esquemático da produção e purificação do dióxi-do de carbono de uma instalação de purificação de dióxido de carbono.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
O dióxido dé carbono que é tipicamente produzido para opera-ções industriais tem uma série de impurezas presentes nele. Essas impure-zas freqüentemente serão um problema para muitos usos do dióxido de car-bono, mas na produção de produtos planejados para consumo humano, taiscomo bebidas carbonatadas e fabricação eletrônica, a pureza do dióxido decarbono é soberana e pode influenciar o sabor, qualidade e concordâncialegal do produto acabado. Além da pureza, a confiabilidade do suprimentode dióxido de carbono é também um interesse para as operações de fabri-cação que são geralmente contínuas ou semi-contínuas. A presente inven-ção provê um método para prover confiantemente dióxido de carbono de altapureza para as operações de fabricação. Várias aplicações no ponto de usodo dióxido de carbono incluem uma fábrica de enchimento de bebida, umafábrica de congelamento de alimento, uma fábrica de fabricação de eletrôni-cos e uma localização de dispensa de dióxido de carbono do tipo de fonte.
Uma modalidade da invenção é mostrada na figura 1. Na figura1, o dióxido de carbono líquido é obtido de uma fábrica de produção de CO2300 localizada na proximidade da instalação 310 onde o CO2 é usado nasoperações de fabricação. A instalação 310 pode ser uma fábrica de enchi-mento de bebida ou uma fábrica de fabricação de eletrônicos. O dióxido decarbono é entregue para o tanque de armazenamento 315, vaporizado novaporizador 320 e uma corrente 325 é enviada para o sistema de análise400. Se a corrente está dentro das especificações predeterminadas com re-lação às impurezas de alimentação, ela é enviada para o cavalete de purifi-cação 330. Uma porção da corrente que sai do cavalete de purificação 330 étomada como a corrente 335 e analisada pelo sistema de análise 400. Se elaestá dentro dos limites predeterminados com relação às impurezas do pro-duto, a maior parte dessa corrente purificada é enviada para a operação defabricação 355 como a corrente 350 e uma porção menor, 345, é enviadapara iiquefação e armazenamento de reserva. Se a corrente que sai do ca-valete 330 não está dentro das especificações predeterminadas, ela é venti-lada como corrente 340. A corrente de reserva 345 é liqüefeita no resfriador360 e bombeada para o tanque de armazenamento 370 usando uma bomba365. Quando dióxido de carbono de reserva é necessário, por exemplo,quando a corrente que sai da unidade 330 não está dentro das especifica-ções, uma corrente de CO2 do tanque de armazenamento 370 é vaporizadano vaporizador 375 e uma porção dessa corrente é tomada como corrente380 para análise na unidade 400. Se essa corrente está dentro da especifi-cação para as impurezas, ela é enviada para a unidade 355 para a operaçãode fabricação.
As indústrias ou consumidores onde a presente invenção terá u-tilidade incluem, mas não são limitados a, fabricação e limpeza de gênerosalimentícios; fabricação de eletrônicos, componentes eletrônicos e subcon-juntos; limpeza de produtos médicos; carbonatação de refrigerantes, cervejae água; cobertura de tanques de armazenamento e recipientes que contêmlíquidos ou pós inflamáveis; cobertura de materiais que degradariam no ar,tais como óleo vegetal, temperos e fragrâncias.
O dióxido de carbono potencialmente impuro no tanque de ar-mazenamento 315 pode ser obtido de qualquer fonte disponível de dióxidode carbono e pode conter como impurezas compostos de enxofre tais comosulfeto de carbonila, sulfeto de hidrogênio, sulfeto de dimetila, dióxido deenxofre e mercaptanas, impurezas de hidrocarboneto tais como aldeídos,álcoois, aromáticos, propano, etileno e outras impurezas tais como água,monóxido de carbono. Essas impurezas são removidas na unidade de purifi-cação 330 e analisadas no sistema analisador 400. A unidade de purificaçãocontém vários módulos para a remoção das impurezas de enxofre, hidrocar-bonetos, oxigenados e aromáticos.
Para as finalidades dessa invenção, pelo menos um pouco dasimpurezas do enxofre tais como sulfeto de hidrogênio e sulfeto de carbonilapode ser removido em uma temperatura elevada, uma temperatura de 50° a150°C. Essas temperaturas podem ser obtidas por aquecedor e dispositivode troca de calor. A remoção das impurezas do enxofre nessas temperaturasmelhora significativamente a eficiência de remoção dessas impurezas. Osmateriais de purificação do enxofre incluem carbonatos e hidróxidos tais co-mo hidróxidos ou carbonatos de sódio e potássio no carbono ativado; óxidosde metal tais como óxidò de cobre, zinco, cromo ou ferro sozinhos ou supor-tados em um adsorvente microporoso tais como alumina ativada, carbonoativado ou sílica-gel. Outros materiais tal como um zeólito CuY são efetivospara a remoção de sulfeto de carbonila e impurezas do dióxido de enxofreatravés da reação. O carbono ativado pode também ser usado para a remo-ção de mercaptanas. Alguns dos materiais, hidróxidos e carbonatos, podemexigir oxigênio para converter os compostos de enxofre tal como sulfeto dehidrogênio para enxofre e ambos oxigênio e água para converter sulfeto decarbonila para sulfeto de hidrogênio e a seguir para enxofre.
As impurezas do hidrocarboneto são removidas por uma combi-nação de oxidação cataiítica e adsorção ou por adsorção somente. O leitodo catalisador ficará depois do leito de remoção do enxofre. A temperaturada corrente precisa ser elevada para entre 150° e 450°C para a oxidação devárias impurezas de hidrocarboneto por aquecedor e dispositivo de troca decalor. A temperatura do reator depende da impureza a ser removida bemcomo do catalisador usado. Os materiais usados no reator catalítico são tipi-camente metais nobres tais como platino ou paládio em um suporte de parti-culado ou de monólito. O leito do reator purifica o dióxido de carbono pelasreações de oxidação e oxigênio é adicionado antes do leito do catalisadorem quantidade apropriada. Impurezas típicas removidas no reator incluempropano, aldeídos, álcoois, acetatos, aromáticos, metano, etano e monóxidode carbono.
A corrente que sai dos leitos do reator ou dos leitos de remoçãodo enxofre é resfriada para perto das temperaturas ambientes no dispositivode troca de calor e enviada para o(s) leito(s) adsorvente(s) para a remoçãode água e outras impurezas. O leito de adsorção pode remover quaisquerimpurezas residuais e os produtos de reação do leito do catalisador bemcomo água ou a maior parte das impurezas quando o leito do catalisadornão é usado. Tipicamente, um adsorvente tal como alumina ativada (AA)1 umzeólito tais como 4A ou 3X ou sílica-gel será usado para a remoção da umi-dade. Outros adsorventes tal como um zeólito NaY ou suas formas compósi-tas (misturadas com outros adsorventes tal como alumina ativada) podemser usados para a remoção de impurezas tais como aldeídos, álcoois taiscomo metanol e etanol, acetatos tais como acetatos de metila e etila e al-guns dos compostos do enxofre de traço tal como compostos do enxofre dedimetila. Para essas impurezas, zeólitos Y têm capacidade significativamen-te maior do que outros zeólitos e materiais não-zeolíticos. Para aromáticostais como benzeno e tolueno, adsorventes tais como carbono ativado ouzeólito Y desaluminado podem ser usados.
Para as finalidades dessa invenção, várias impurezas em váriosestágios do processo são analisadas por um analisador de enxofre e um a-nalisador de hidrocarboneto. Esses dois analisadores poderiam estar emuma unidade única tal como uma cromatografia do gás ou eles poderiam serunidades separadas. Antes da análise, várias impurezas de enxofre e hidro-carboneto podem ser concentradas para aumentar suas quantidades na a -mostra. Essa etapa melhora os limites de detecção para vários analisadores.
Para uso do dióxido de carbono no enchimento de bebidas oufabricação eletrônica, as taxas de fluxo do dióxido de carbono podem variarde 80 a 1.500 sm3/h (metros cúbicos padrões por hora) dependendo da apli-cação final e do tamanho da instalação de produção. O dióxido de carbonotipicamente estará em uma pressão na faixa de aproximadamente 0,17 (1,7)a aproximadamente 2,15 MPa (21,5 bara) com aproximadamente 1,6 (16) aaproximadamente 2,0 MPa (20 bara) sendo típico. Em certas aplicações,particularmente essas relacionadas com o dióxido de carbono para limpezaeletrônica, as pressões poderiam variar entre 60 a vários milhares de bara.
Os processos da presente invenção são projetados para tratarinteresses com impurezas do dióxido de carbono, particularmente com dióxi-do de carbono suprido no ponto de uso no processo dos fabricantes. Pelapurificação e análise ao mesmo tempo, o operador da instalação de produ-ção pode contar com um suprimento estável de dióxido de carbono purifica-do e de qualidade garantida enquanto a invenção pode também suprir umtanque de armazenamento de reserva com dióxido de carbono purificado aser usado em qualquer dada situação onde o suprimento em tempo real dodióxido de carbono purificado não é suficiente ou está disponível para satis-fazer a demanda. Isso permite ao operador maior controle de operação so-bre o processo de purificação porque o operador pode parar ou pausar oprocesso de purificação se os níveis de impureza não são satisfatórios paravárias impurezas no dióxido de carbono.
Exemplo 1
Teste foi executado usando um cavalete de purificação similar aesse descrito na figura 1 para purificar o dióxido de carbono. O cavalete depurificação continha módulos para a remoção do enxofre, uma unidade deoxidação cataiítica e um leito adsorvedor para a remoção de água e impure-zas restantes. As condições de alimentação do dióxido de carbono foramcomo segue:
<table>table see original document page 9</column></row><table>
Oxigênio Aproximadamente 50 ppm sobre a quantida-de necessária para a remoção de H2S, COS, benzeno, acetaldeído e metanol.
O leito do reator de enxofre foi operado em uma temperatura de100°C e continha 17,1 kg de carbono ativado impregnado com 20% em pesode carbonato de potássio. O leito do reator catalítico foi operado em 250°C econtinha um catalisador revestido com paládio.A unidade foi operada durante mais de uma semana e o produtofoi analisado usando uma cromatografia de gás contendo detectores FID eFPD e um concentrador de amostra. Durante o período de teste, o enxofretotal no produto que saía do leito de remoção de enxofre 40 permaneceuabaixo de 0,05 ppm e benzeno, metanol e acetaldeído estavam todos abaixodo limite de detecção do instrumento, menos do que 10 ppb cada. Um con-centrador de amostra com base em adsorção permitiu o aumento na concen-tração das impurezas de hidrocarboneto por um fator acima de 100 significa-tivamente aumentando os limites de detecção para essas impurezas.
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referênciaàs várias modalidades e exemplos, numerosas mudanças, adições e omis-sões, como ocorrerão para aqueles versados na técnica, podem ser feitassem se afastar do espírito e do escopo da presente invenção.
Claims (21)
1. Método para possibilitar a provisão de dióxido de carbono pu-rificado para uso direto nas operações que exigem dióxido de carbono purifi-cado, o método compreendendoa) entregar dióxido de carbono de uma instalação de produçãopara uma localização onde o dióxido de carbono purificado é para ser usado,b) passar o dióxido de carbono através de várias unidades depurificação para a remoção de impurezas para formar dióxido de carbonopurificado,c) analisar o dióxido de carbono purificado para impurezas u-sando pelo menos um analisador ed) passar uma porção do dióxido de carbono purificado que sa-tisfaz especificações de pureza do produto para as operações.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o uso diretoé em uma localização remota.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, em que uma porçãodo dióxido de carbono purificado é provida como armazenamento de reserva.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, também compreen-dendo analisar a alimentação para garantir especificações de pureza.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as impure-zas compreendem compostos de enxofre e hidrocarbonetos incluindo oxige-nados e aromáticos.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a pureza dodióxido de carbono é suficiente para satisfazer as necessidades de garantiade qualidade.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, em que cada uma dasoperações é selecionada do grupo consistindo em fabricação e limpeza de gê-neros alimentícios, produtos médicos e clientes de dispositivos eletrônicos.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as unidadesde purificação compreendem um leito de reator de enxofre.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, em que o leito deenxofre contém um catalisador que reage com H2S e COS.
10. Método de acordo com a reivindicação 8, em que o catalisa-dor é selecionado do grupo consistindo em carbonatos e hidróxidos, carbo-natos em carbono ativado, carbonatos em alumina ativada, óxidos de metal,óxidos de metal suportados em um adsorvente microporoso e zeólito CuY.
11. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as unida-des de purificação também compreendem um particulado ou um leito de rea-tor de monólito.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, em que o leito dereator contém um ou mais materiais de catalisador.
13. Método de acordo com a reivindicação 11, em que as unida-des de purificação também compreendem leitos contendo alumina ativada ezeólito 13X.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, em que a aluminaativada e 13X são colocados em camada um em cima do outro.
15. Método de acordo com a reivindicação 13, também compre-endendo um adsorvente de zeólito NaY.
16. Método de acordo com a reivindicação 9, também compre-endendo adsorvente de carbono ativado.
17. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositi-vo de remoção do dióxido de carbono compreende dispositivo de válvulapara direcionar o dito dióxido de carbono para um processo de produção ouarmazenamento ou ambos simultaneamente.
18. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendoanalisar a pureza do dióxido de carbono usando detectores e concentrar asimpurezas antes da análise.
19. Método de acordo com a reivindicação 1, também compreen-dendo dispositivo analítico de enxofre e dispositivo analítico de hidrocarboneto.
20. Método de acordo com a reivindicação 1, que opera em umapressão de aproximadamente 0,17 (1,7) a 2,15 MPaa (21,5 bara).
21. Método de acordo com a reivindicação 1, em que as unida-des de purificação operam em temperaturas de aproximadamente 40°C aaproximadamente 300°C.
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