BRPI0901444A2 - sistema de desidratação - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE DESIDRATAçãO Um sistema de desidratação é designado para manter a disponibilidade de uma planta tendo o sistema de desidratação que usa uma membrana de separação de água permitindo uma unidade de membrana de separação de água ser substituida ao mesmo tempo em que a planta está em operação. O sistema de desidratação compreende pelo menos duas unidades de membrana de separação de água em uso dispostas paralelas à direção de fluxo de um fluido a ser processado, é configurado de forma que pelo menos uma unidade de membrana de separação de água de reserva possa ser instalada paralela à di- reção de fluxo do fluido a ser processado com respeito a pelo menos duas unidades de membrana de separação de água, tendo dispositivos de monitoramento para o fluido de produto a ser tirado, e mantém as propriedades do fluido de produto operando a unidade de membrana de separação água de reserva dependendo das propriedades do fluido de produ- to monitorado pelos dispositivos de monitoramento.

Description

"SISTEMA DE DESIDRATAÇÃO"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um sistema de desidratação que usa uma mem-brana de separação de água, e mais especificamente se refere a um sistema de desidrata-ção designado para lidar adequadamente com a degradação da membrana de separação deágua na desidratação de uma mistura de água e etanol ou propanol tendo uma composiçãoazeotrópica com água, a seguir referido como um fluido a ser processado.Descrição da Técnica Relacionada

Etanol tem chamado atenção como uma fonte de energia alternativa para substituiróleo e tem um tamanho de mercado estimado em 55.000,000 kL em 2010. Porém, para usaretanol como um combustível, o etanol deve ser desidratado a pelo menos 99,5% em pesoapós a e destilação e purificação de um produto bruto obtido de uma fonte de biomassa talcomo milho.

Para desidratação, uma solução aquo.sa diluída de etanol foi tradicionalmente con-centrada próximo ao ponto azeotrópico do sistema de etanol/água por destilação da soluçãoem uma coluna de destilação e em seguida isto foi desidratado.

Há uma técnica de desidratação que adiciona um carregador e desidrata através dedestilação azeotrópica. Porém, esta técnica tem algumas desvantagens; tais como umaquantidade enorme de energia térmica requerida por causa de uma etapa que submete umsistema ternário a destilação de azeotrópica e recupera o carregador.

Além disso, também há uma técnica de desidratação na qual múltiplos recipientesde peneira molecular são dispostos em paralelo e mudanças são feitas entre eles em umabase de batelada para desidratação. Porém, esta técnica também tem o problema de con-sumo de energia alto requerido para a regeneração de recipientes de peneira moleculares.

Desse modo, o uso de um elemento sem as desvantagens acima, tal como umamembrana de separação de água, foi considerado (Pedido de Patente Japonês depositadoem aberto 58-21629).

Porém, se a pervaporização (PV) usando uma unidade de membrana de separaçãode água que compreende uma membrana de separação de água é adotada, a unidade demembrana de separação de água tipicamente tem uma vida útil de cerca de 2 anos e requersubstituição anual de todas as membranas de separação de água. A unidade de membranade separação água tem o problema de disponibilidade reduzida da planta que usa a unidadepor causa do tempo de manutenção inevitável da planta durante a substituição.

A presente invenção foi feita devido às circunstâncias acima e foi tida como um ob-jeto que fornece um sistema de desidratação designado para manter a disponibilidade deuma planta equipada com um sistema de desidratação que usa uma membrana de separa-ção de água permitindo-se que as unidades de membrana de separação de água sejamsubstituídas ao mesmo tempo em que a planta está em operação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Para alcançar o objeto, a presente invenção fornece um sistema de desidrataçãoque separa a água de um fluido a ser processado, em que o sistema de desidrataçãocompreende pelo menos duas unidades de membrana de separação de água em usodispostas em paralelo à direção de fluxo do fluido a ser processado; o sistema dedesidratação é configurado de modo que pelo menos uma unidade de membrana deseparação de água possa ser instalada paralela à direção do fluxo do fluido a ser processa-do com respeito a pelo menos duas unidades de membrana de separação de água; o siste-ma de desidratação compreende um dispositivo de monitoramento para um fluido do produ-to a ser retirado; e o sistema de desidratação mantém as propriedades do fluido do produtooperando-se as unidades de membrana de separação de água de reserva dependendo daspropriedades do fluido do produto monitorado pelo dispositivo de monitoramento.

No sistema de desidratação de acordo com a presente invenção, o fluido a ser pro-cessado é geralmente uma solução aquosa orgânica. O componente orgânico do qual épreferivelmente um componente orgânico selecionado do grupo que consiste em álcoois taiscomo etanol, propanol, isopropanol, e glicol, ácidos carboxílicos tais como ácido acético,éteres tais como éter de dimetila e éter de dietila, aldeídos tais como acetaldeído, cetonastais como acetona e cetona de etila de metila, e ésteres tais como acetato de etila.

Uma modalidade do sistema de desidratação de acordo com a presente invençãocompreende um fluxômetro que monitora a concentração do componente orgânico do fluidodo produto a ser tirado do sistema de desidratação inteiro como o dispositivo de monitoramen-to para o fluido de produto.

Outra modalidade do sistema de desidratação de acordo com a presente invençãocompreende um fluxômetro que monitora a concentração do componente orgânico do fluidodo produto a ser tirado de cada das unidades de membrana de separação de água como odispositivo de monitoramento para o fluido de produto, em que o fluxômetro está instaladoem cada das unidades de membrana de separação de água.

Ainda outra modalidade do sistema de desidratação de acordo com a presente in-venção compreende um termômetro que monitora a temperatura do fluido do produto a sertirado de cada das unidades de membrana de separação de água como o dispositivo demonitoramento para o fluido do produto.

A presente invenção fornece um sistema de desidratação designado para manter adisponibilidade de uma planta equipada com um sistema de desidratação que usa uma mem-brana de separação de água permitindo-se que uma unidade de membrana de separação deágua seja substituída ao mesmo tempo em que a planta está em operação.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

FIG. 1 é uma vista esquemática que ilustra uma modalidade do sistema de desidra-tação de acordo com a presente invenção.

Descrição de Numerais de Referência

1 a 5: Unidades de membrana de separação de água6: Fluxômetro de entrada7: Fluxômetro de saída8: Fluxômetro de saída9, 10, 11, 12, e 13: Fluxômetros Individuais.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

O sistema de desidratação de acordo com a presente invenção será descrito emdetalhes com referência a uma modalidade.

FIG. 1 é uma modalidade do sistema de desidratação de acordo com a presente in-venção. O sistema de desidratação de acordo com a modalidade assume que o fluido a serprocessado para desidratação é etanol bruto. É assumido que este etanol bruto é uma solu-ção aquosa que tem uma concentração de etanol de 94,5% em peso a 94,8% em peso (am-bos inclusivos). Em outras palavras, o etanol contendo etanol bruto como o componenteorgânico é considerado ser o fluido a ser processado. O fluido do produto final, isto é, etanoldo produto (etanol absoluto), tem uma concentração de etanol de 99,5% em peso a 99,8%em peso (ambos inclusivos).

O sistema de desidratação de acordo com a modalidade 100 consiste principalmen-te em unidades de membrana de separação de água 1 a 5, um fluxômetro de entrada 6, umfluxômetro de saída 7, fluxômetro de saída 8, e fluxômetros individuais 9 a 13. O sistema dedesidratação também tem válvulas de entrada 14 a 18 e válvulas de saída 19 a 23 para asunidades de membrana de separação de água 1 a 5.

As unidades de membrana de separação de água 1 a 5 são unidades para separaro etanol bruto em etanol absoluto e água. A membrana de separação de água como umconstituinte das unidades de membrana de separação de água é preferivelmente umamembrana de separação de água inorgânica de sílica ou zeólito que tem um tamanho deporo de 10 angstrõms ou menos. A membrana de separação de água também pode ser umamembrana de carbono.

Além disso, a membrana de separação de água inorgânica de acordo com a Paten-te Japonesa No. 2808479 também é aplicável. Esta membrana de separação de água inor-gânica é uma membrana de separação de compósito resistente ao ácido, obtida suportando-se a sílica gel obtida através de hidrólise de alcoxissilano que contém um grupo etóxi ou umgrupo metóxi nos poros de um corpo poroso inorgânico, que pode ser produzido por um pro-cesso de produção incluindo as seguintes etapas 1 a 11.O substrato poroso descrito abaixo geralmente é um substrato cerâmico tal comoalumina, sílica, zircônia, ou titânia, e preferivelmente um substrato cilíndrico que tem múlti-plos tubos internos tendo um perfil circular na direção longitudinal. Nas seguintes etapas 1 a11, uma membrana de separação de água inorgânica é formada para cobrir a parede internade todos estes tubos internos. Isto é, o significado da frase "suportar sílica gel obtida atravésde hidrólise de alcoxissilano contendo um grupo etóxi ou um grupo metóxi nos poros de umcorpo poroso inorgânico".

Uma membrana tal como uma membrana de álcool polivinílico, uma membrana depoliimida, e uma membrana de poliamida podem ser usadas como a membrana de separa-ção de água além das membranas de separação de água inorgânicas. Estas membranasorgânicas também alteram com o passar do tempo e são aplicáveis à presente invenção.

Etapa 1: Em condições de preparação para múltiplas soluções de sílica produzidasvariando-se a relação de mistura de alcoxissilano, água, e um catalisador ácido como asmatérias-primas da solução de sílica, as relações de mistura das matérias-primas da solu-ção de sílica a ser suportada são divididas em dois tipos: uma para solução de sílica 1 e aoutra para solução de sílica 2.

Etapa 2: O peso de água relativo ao peso de alcoxissilano como uma das matérias-primas de solução de sílica 1 é 0,5 a 2,0 (ambos inclusivos), considerando que o peso deum catalisador de ácido como um catalisador de reação relativo ao peso de alcoxissilano é0,01 a 0,1 (ambos inclusivos).

Etapa 3: O peso de água relativo ao peso de alcoxissilano como uma das matérias-primas de solução de sílica 2 é 2.0 a 50 (ambos inclusivos), considerando que o peso de umcatalisador de ácido como um catalisador de reação relativo ao peso de alcoxissilano é 0,01a 0,5 (ambos inclusivos).

Etapa 4: Ao mesmo tempo em que as matérias-primas de solução de sílica 1 sãomantidas em ebulição, as soluções aproximadamente 25, 20, e 15 minutos após o começoda ebulição são definidas como solução 1-A, solução 1-B, e solução 1-C, respectivamente.

Etapa 5: As matérias-primas de solução de sílica 2são agitadas e misturadas emtemperatura ambiente durante 30 a 90 minutos para produzir solução de sílica 2.

Etapa 6: Após a solução 1-UMA de solução de sílica ser suportada na superfície deum substrato poroso, o substrato poroso é queimado em um forno elétrico ajustado em cercade 200°C durante 5 a 15 minutos (ambos inclusivos), em seguida em cerca de 300°C durante5 a 15 minutos (ambos inclusivos), em seguida cerca de 400°C durante 5 a 15 minutos (am-bos inclusivos), e finalmente em cerca de 500°C durante 5 a 15 minutos (ambos inclusivos).

Etapa 7: Após a solução 1-A de solução de sílica também ser suportada na superfí-cie do substrato poroso no qual a solução 1-A de solução de sílica foi suportada, a operaçãoda etapa 6 acima é repetida duas ou três vezes.Etapa 8: Em seguida, após a solução 1-B de solução de sílica também ser suporta-da na superfície do substrato poroso no qual a solução 1-A de solução de sílica foi apoiada,o mesmo processo como nas etapas 6 e 7 acima é realizado.

Etapa 9: em seguida, após a solução 1-C de solução de sílica também ser suporta-da na superfície do substrato poroso no qual a solução 1-B de solução de sílica foi suporta-da, o mesmo processo como nas etapas 6 e 7 acima é realizado.

Etapa 10: Em seguida, após a solução 2 de solução de sílica também ser suportadana superfície do substrato poroso no qual as soluções 1-A, 1-B e 1-C de solução de sílica fo-ram suportadas, o substrato poroso é queimado em um forno elétrico ajustado em cerca de200°C durante 5 a 15 minutos (ambos inclusivos), em seguida em cerca de 300°C durante 5 a15 minutos (ambos inclusivos), em seguida em cerca de 400°C durante 5 a 15 minutos (am-bos inclusivos), e finalmente em cerca de 500°C durante 5 a 15 minutos (ambos inclusivos).

Etapa 11: Após a solução 2 de solução de sílica também estar na superfície dosubstrato poroso no qual a solução 2 de solução de sílica foi suportada, a operação da eta-pa 10 acima é repetida duas ou três vezes.

Um substrato poroso cilíndrico que suporta uma membrana de separação de águainorgânica em cada dos tubos internos deste (cobrindo cada tubo interno com uma mem-brana de separação de água inorgânica) pode ser obtido através das etapas 1 a 11 acima.

Na presente invenção, um tal substrato, por exemplo, é empregado como uma membrana deseparação de água construída em cada das unidades de membrana de separação de água 1a 5, cada das quais tem uma tal membrana de separação de água construída em um recipien-te que pode ser descomprimido.

O etanol bruto é pré-aquecido em cerca de 90°C por um permutador de calor (nãomostrado na figura). O etanol bruto flui através dos tubos internos da membrana de separa-ção de água porque as unidades de membrana de separação de água 1 a 5 são designadasde forma que o etanol bruto seja introduzido pelo fluxômetro de entrada 6 e válvulas de en-trada 14 a 18 nas unidades por bombas (não mostradas na figura). A água é separada doetanol bruto descomprimindo-se a membrana de separação de água. O etanol do qual aágua foi separada é tirado como etanol do produto pelas válvulas de saída 19 a 23 e emseguida pelo fluxômetro de saída 8 e pelo fluxômetro de saída 7. As concentrações de saídadas unidades de membrana de separação de água 9 a 13 são monitoradas pelos densitô-metros individuais 9 a 13.

O sistema de desidratação de acordo com a presente modalidade 100 somente usaas unidades de membrana de separação de água 1 a 4, por exemplo, na operação inicial.

As taxas totais de fluxo dentro e fora das unidades de membrana de separação de água 1 a 4são monitoradas pelo fluxômetro de entrada 6 e o fluxômetro de saída 7. O fluxômetro de saí-da 7 monitora a concentração de etanol do etanol de produto para verificar que a concentra-ção é mantida em ou acima do ponto de fixação desejado. Ao mesmo tempo, os fluxômetrosindividuais 9 a 12 monitoram as concentrações de saída das unidades de membrana de se-paração de água 1 a 4. Por outro lado, a unidade de membrana de separação de água 5 éuma unidade de membrana de separação de água de reserva e não é operada na operaçãoinicial.

As membranas de separação de água geralmente degradam quando elas são em-pregadas. Quando as características de quaisquer das unidades de membrana de separa-ção de água 1 a 4 degradam, a unidade de membrana de separação de água de reserva 5 éoperada por uma técnica como descrito abaixo.

(1) Das unidades de membrana de separação de água 1 a 4, a taxa de fluxo da u-nidade cujas características degradaram é reduzida. Qualquer degradação característica édetectada por concentrações medidas pelos densitômetros individuais 9 a 12. O densitôme-tro de saída 8 monitora a concentração do etanol de produto para verificar que a concentra-ção está em ou acima do ponto de fixação desejado. Quando o fluxômetro de saída 7 mos-tra que somente uma taxa de fluxo de etanol de produto abaixo do ponto de fixação podeser mantida após a taxa de fluxo ser reduzida, a unidade de membrana de separação deágua de reserva 5 é operada para manter a taxa de fluxo do etanol de produto.

Tal controle pode ser realizado automaticamente por uma unidade de controle (nãomostrada na figura).

Além disso, por outro lado, a válvula de saída e válvula de entrada da unidade demembrana de separação de água, que estiver operando pior, é fechada para parar a opera-ção da unidade. Em seguida, a unidade de membrana de separação de água cuja operaçãofoi parada é substituída com uma unidade de membrana de separação de água fresca. Aunidade de membrana de separação de água substituída é colocada em estado de reservacomo uma unidade de membrana de separação de água de reserva fresca. O desempenhodo sistema de desidratação pode ser mantido seguindo o procedimento anterior sem parar aoperação deste.

(2) A técnica descrita em (1) acima também torna possível operar a unidade demembrana de separação de água de reserva 5 e parar a operação da unidade de membra-na de separação de água da qual as características degradaram para conduzir a substitui-ção das unidades sem qualquer controle tal como reduzindo a taxa de fluxo da unidade de-gradada.

(3) Na operação inicial, é também possível adequadamente reduzir a taxa de fluxodas unidades de membrana de separação de água 1 a 4 sem empurrar as taxas de fluxopara o limite e controlar a taxa de fluxo de saída total dependendo das alterações nas carac-terísticas das unidades de membrana de separação de água.

Também é possível começar a operar uma unidade de membrana de separação deágua de reserva anualmente, por exemplo, e substituir quaisquer das outras unidades demembrana de separação de água sem instalar os densitômetros separados 9 a 13. Se aFIG. 1 é empregada como um exemplo, as unidades de membrana de separação de água 1a 4 foram paradas e todas substituídas pelo menos uma vez a cada 2 anos.

Não é virtualmente nenhum problema começar a operar uma unidade de membranade separação de água de reserva fresca e substituir uma unidade de membrana de separa-ção de água uma vez por ano. Neste caso, o número de unidades a serem substituídas émetade, tantas quanto antes. Para substituição a cada 6 meses, o número de unidades aserem substituídas é igual ao anterior porque o número de todas as unidades em operaçãoé quatro. Em qualquer caso, não há nenhuma necessidade de parar a operação do sistemade desidratação inteiro.

Além disso, o número de unidades de membrana de separação de água em uso e onúmero de unidades de membrana de separação de água de reserva não são limitados aosnúmeros mostrados pela modalidade na FIG. 1.

Mais especificamente, se um sistema compreende pelo menos duas unidades demembrana de separação de água em uso dispostas paralelas à direção de fluxo do fluido aser processado e é configurado de forma que pelo menos uma unidades de membrana deseparação de água de reserva possa ser instalada paralela à direção de fluxo do fluido a serprocessado com respeito a pelo menos duas unidades de membrana de separação de água,o sistema pode ser configurado como o sistema de desidratação de acordo com a presenteinvenção.

No sistema de desidratação de acordo com a presente invenção, um termômetropara monitorar a temperatura do fluido de produto tirado de cada das unidades de membra-na de separação de água 1 a 5 também pode ser instalado na saída e entrada (pelo menosna saída) de cada uma das unidades de membrana de separação de água 1 a 5 como umdispositivo de monitoramento para o fluido de produto com um densitômetro ou em vez deum densitômetro.

Se uma membrana de sílica for empregada como a membrana de separação deágua, a dissolução de sílica degrada o desempenho da membrana de separação de água.

Isto permite etanol e água penetrarem juntos através da membrana, aumenta o calor latentedo fluido, e diminui a temperatura de saída. Por exemplo, se normalmente o fluido flui naunidade a 90°C e fora da unidade a 40°C, a temperatura de saída pode ser também reduzi-da. Neste caso, a diminuição na temperatura é considerada ser devido à degradação, e ataxa de fluxo é reduzida e uma unidade de membrana de separação de água de reserva éoperada quando necessário.

Além disso, os poros de uma membrana de separação de água podem ser obstruí-dos com ferrugem de ferro, material adesivo, ou material sólido. Isto aumenta a temperaturade saída. Se normalmente o fluido flui para fora da unidade a 40°C, a temperatura de saídapode não ser reduzida para temperatura. Neste caso, o aumento na temperatura é conside-rado ser devido à degradação, e a taxa de fluxo é reduzida e uma unidade de membrana deseparação de água de reserva é operada quando necessário.

Na modalidade na FIG. 1, um fluido a ser processado contendo etanol como ocomponente orgânico será desidratado. No sistema de desidratação de acordo com a pre-sente invenção, porém, o fluido a ser processado não é limitado a um tal fluido se o fluido foruma solução aquosa orgânica. Mais especificamente, o componente orgânico da soluçãoaquosa orgânica pode ser preferivelmente um componente orgânico selecionado a partir dogrupo que consiste em álcoois tais como etanol, propanol, isopropanol, e glicol, ácidos car-boxílicos tais como ácido acético, éteres tais como éter de dimetila e éter de dietila, aldeídostais como acetaldeído, cetonas tais como acetona e cetona de etila de metila, e, ésteres taiscomo acetato de etila.

Claims (6)

1. Sistema de desidratação que separa água de um fluido a ser processado,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:pelo menos duas unidades de membrana de separação de água em uso dispostasparalelas à direção de fluxo do fluido a ser processado;pelo menos uma unidade de membrana de separação de água de reserva que éinstalada paralela à direção de fluxo do fluido a ser processado com respeito a pelo menosduas unidades de membrana de separação de água; eum dispositivo de monitoramento para um fluido de produto a ser tirado;em que o sistema de desidratação mantém as propriedades do fluido de produtooperando as unidades de membrana de separação de água de reserva dependendo daspropriedades do fluido de produto monitorado pelo dispositivo de monitoramento.

2. Sistema de desidratação, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de que o fluido a ser processado é uma solução aquosa orgânica.

3. Sistema de desidratação, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADOpelo fato de que o componente orgânico da solução aquosa orgânica é solúvel em água e éum componente orgânico selecionado a partir do grupo que consiste em álcoois tais comoetanol, propanol, isopropanol, e glicol, ácidos carboxílicos tais como ácido acético, éterestais como éter de dimetila e éter de dietila, aldeídos tais como acetaldeído, cetonas tais co-mo acetona e cetona de etila de metila, e ésteres tais como acetato de etila.

4. Sistema de desidratação, de acordo com reivindicação 2, CARACTERIZADO pe-lo fato de que compreende um densitômetro que monitora a concentração do componenteorgânico do fluido de produto a ser tirado do sistema de desidratação inteiro como o disposi-tivo de monitoramento para o fluido de produto.

5. Sistema de desidratação, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADOpelo fato de que compreende um densitômetro que monitora a concentração do componenteorgânico do fluido de produto a ser tirado de cada das unidades de membrana de separaçãode água como o dispositivo de monitoramento para o fluido de produto, em que o densitô-metro é instalado em cada uma das unidades de membrana de separação de água.

6. Sistema de desidratação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende um termômetro que monitora a temperatu-ra do fluido de produto ser tirado de cada das unidades de membrana de separação de águacomo o dispositivo de monitoramento para o fluido de produto.