ES2192208T5 - Procedimiento de multiples etapas de separacion de gas mediante membranas semipermeables. - Google Patents
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Abstract
SE PRESENTA UN PROCESO DE MEMBRANA Y UN APARATO PARA LA PRODUCCION DE UN GAS DE PUREZA MUY ALTA MEDIANTE EL USO DE UN PROCESO ESCALONADO DE MEMBRANA EN EL QUE EN UNA ETAPA PRIMARIA SE SUMINISTRA UNA MEZCLA DE GAS DE SUMINISTRO A UNA UNIDAD SEPARADORA DE MEMBRANA PRIMARIA QUE COMPRENDE UNA MEMBRANA QUE TIENE UNA PERMEABILIDAD INTRINSECA RELATIVAMENTE ALTA PARA SUMINISTRAR UN GAS INTERMEDIO QUE HA PASADO POR LA MEMBRANA Y UN GAS QUE HA QUEDADO RETENIDO, Y SE SUMINISTRA EL GAS INTERMEDIO QUE HA PASADO POR LA MEMBRANA A UNA ETAPA SECUNDARIA EN UNA UNIDAD SEPARADORA DE MEMBRANA SECUNDARIA QUE COMPRENDE UNA MEMBRANA QUE TIENE UNA PERMEABILIDAD INTRINSECA RELATIVAMENTE BAJA, PARA PRODUCIR UN PRODUCTO DE GAS DE PUREZA MUY ALTA.
Description
Procedimiento de múltiples etapas de separación
de gas mediante membranas semipermeables.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un aparato para la producción de un gas de alta
pureza que, en general, es más permeable en membranas poliméricas
en relación con otros gases con los que se mezcla. El gas más
permeable, por ejemplo, dióxido de carbono, se separa y se concentra
mediante el filtrado a través de etapas en membranas específicas
hasta alcanzar una pureza elevada.
La patente US nº 4.990.168 a nombre de Sauer
et al., describe un procedimiento de destilación y membrana
de dos o más etapas para separar y concentrar dióxido de carbono a
partir de una mezcla de gases de cola destino que lo contiene en
una alta concentración de aproximadamente el 75% de CO_{2}. La
naturaleza y la composición del material de la membrana se describe
en detalle y se apuntan como ejemplos la poliimida, la poliarimida,
el poliéster, la poliamida y el acetato de celulosa. No se describe
el uso de diferentes materiales de membrana con diferentes
propiedades para la aplicación en diferentes etapas.
Además, aunque un procedimiento tal como el
descrito en la patente número 4.990.168 a nombre de Sauer puede ser
útil en sitios limitados donde se dispone de mezclas de gases que
contienen dióxido de carbono en una elevada concentración, tal como
el gas de cola de un licuador normal de CO_{2}, tal procedimiento
es de poco valor en los sitios más numerosos donde no se dispone
fácilmente del gas que contiene dióxido de carbono en una
concentración elevada, tal como un gas de escape de la combustión de
combustible fósil o gas de ventilación de horno de
cal. Por tanto, la patente US nº 4.990.168 a nombre de
Sauer no soluciona adecuadamente el problema de proporcionar
dióxido de carbono de alta pureza en los sitios en los que no se
dispone fácilmente de una fuente que contenga dióxido de carbono en
una concentración relativamente elevada.
La patente US nº 5.102.432 a nombre de Prasad
describe un procedimiento de membrana de dos o más etapas para
separar y concentrar nitrógeno de alta pureza a partir del aire
ambiental. Este procedimiento se refiere a la concentración del
componente menos permeable de una mezcla de gases hasta obtener una
pureza elevada mediante su refinado y haciéndolo pasar a través de
etapas sucesivas como una fase de no filtrado a presión elevada. La
patente US nº 5.102.423 a nombre de Prasad describe que una
corriente de filtrado de una membrana aguas abajo se recicla a la
alimentación inicial y/o a la fase de no filtrado de una
membrana aguas arriba. Además, la patente US nº
5.102.432 a Prasad especifica un intervalo de selectividades de
membrana.
Por el documento
WO-A-19/358 se conoce un
procedimiento de fraccionamiento, para tratar una corriente de gas
que contiene vapor orgánico en una concentración técnica o
económicamente difícil de tratar mediante los métodos estándar de
control de residuos. Normalmente, esta concentración será de
aproximadamente el 0,1-10% de vapor orgánico. El
procedimiento supone hacer pasar la corriente a través de un sistema
de membrana que contiene una o más membranas selectivamente
permeables al componente de vapor orgánico de la corriente de gas.
El fraccionamiento produce dos corrientes: una corriente de
residuos producto que contiene el vapor orgánico en una
concentración inferior a aproximadamente el 0,5% y una corriente de
filtrado producto sumamente enriquecida en el contenido de vapor
orgánico. Ambas corrientes, la del residuo y la del filtrado son
entonces adecuadas para el tratamiento mediante separaciones
convencionales o tecnologías de control de residuos. La corriente de
residuo de baja concentración podría hacerse pasar a lechos de
adsorción de carbono, por ejemplo, y la corriente de filtrado de
concentración elevada podría someterse a condensación o
incineración.
Continúa existiendo la necesidad de
procedimientos y aparatos mejorados para proporcionar gases de alta
pureza de una manera económica y eficaz; en particular, se desea
considerablemente un procedimiento y aparato mejorados para
proporcionar la producción local de dióxido de carbono de alta
pureza a partir de fuentes de baja concentración de las que se
dispone abundantemente, tal como se ha mencionado anteriormente.
Según la presente invención, se proporciona un
procedimiento de membrana según la reivindicación 1.
Preferiblemente, la membrana de la unidad separadora de membrana
primaria tiene una permeabilidad intrínseca de más de 250 Barrer/cm
x 10^{4}. También preferiblemente, la membrana de la unidad
separadora de membrana secundaria tiene una permeabilidad intrínseca
de 250 Barrer/cm x 10^{4} o menos.
En otro aspecto, la presente invención se
refiere a un aparato para llevar a cabo el procedimiento de la
invención, es decir, un aparato que comprende un medio para
proporcionar una mezcla de gases de alimentación del procedimiento
a una unidad separadora de membrana de etapa primaria, unidad que
comprende una membrana que tiene una permeabilidad intrínseca
relativamente alta y un medio para proporcionar un gas filtrado
intermedio producido a partir de dicha unidad separadora de membrana
de etapa primaria a una unidad separadora de membrana de etapa
secundaria, unidad que comprende una membrana que tiene una
permeabilidad intrínseca relativamente baja.
La figura 1 muestra un procedimiento
convencional de separación de membrana de una etapa, en el que se
obtiene un producto de N_{2} retenido, sumamente purificado,
sometiendo aire a una unidad separadora que comprende una membrana
polimérica convencional.
La figura 2 muestra un procedimiento de dos
etapas en el que el gas N_{2} se produce como un gas retenido
sumamente purificado en un procedimiento de membrana de dos etapas,
con el reciclado del filtrado enriquecido en N_{2} a partir de la
segunda etapa a la alimentación inicial de aire.
La figura 3 muestra los procedimientos en los
que un producto filtrado se purifica en dos etapas, con el reciclado
del producto retenido a partir de la segunda etapa a la alimentación
del procedimiento, incluyendo las realizaciones de la presente
invención, tal como se describen más adelante.
Según la presente invención, se ha encontrado
que para algunas separaciones de gases, generalmente es beneficioso
usar más de una etapa de membrana, comprendiendo el uso de membranas
en etapas sucesivas que tienen permeabilidad intrínseca inferior.
Específicamente, para las separaciones de una mezcla de gases en las
que es deseable separar y concentrar el componente más permeable
hasta una pureza de aproximadamente el 96,0% o más (en volumen), se
ha encontrado que se requiere disminuir el área total de la membrana
cuando se emplea un sistema de membrana de dos o más etapas, en el
que una etapa primaria utiliza una membrana que tiene una
permeabilidad intrínseca relativamente elevada en una unidad
separadora de membrana primaria y una etapa secundaria o las etapas
sucesivas utilizan una membrana que tiene una permeabilidad
intrínseca relativamente baja. Ejemplos de gases comunes que
muestran permeabilidad intrínseca relativamente alta cuando se
tratan de esta manera son el dióxido de carbono y el
hidrógeno.
hidrógeno.
Una membrana que tiene una permeabilidad
intrínseca relativamente alta necesita un área más pequeña para un
flujo de gas dado; sin embargo, generalmente también muestra menos
selectividad entre los gases. Por comparación, una membrana que
tiene una selectividad relativamente alta, generalmente tiene
permeabilidad intrínseca más baja para los gases constituyentes de
una mezcla. Sin embargo, la permeabilidad intrínseca baja en la
segunda o sucesivas etapas de separación de membrana no es una
limitación, debido al flujo reducido en el filtrado de producto
concentrado alimentado a partir de la etapa o etapas previas de
separación de membrana. En la segunda etapa de separación de
membrana, la selectividad más alta garantiza la pureza más alta del
producto filtrado final. Por tanto, según la presente invención,
ahora se ha encontrado que combinando sucesivamente etapas de
separación de membrana de selectividad más alta en un procedimiento
de membrana de múltiples etapas, es posible lograr una alta
permeabilidad y una alta selectividad en un procedimiento de
membrana unitaria y, por tanto, usar membranas más pequeñas con
mayor eficacia. Más específicamente, en un procedimiento de
membrana ideal de múltiples etapas según la presente invención, la
etapa primaria inicial utiliza una membrana de permeabilidad
intrínseca alta por medio de la que se logran niveles de
concentración intermedia (del 40 al 80% en volumen) del producto de
gas filtrado deseado de pureza muy alta en el gas filtrado
intermedio con un área de membrana mínima. Según la presente
invención, las etapas secundaria o sucesivas utilizaron membranas
de permeabilidad intrínseca baja, mediante las que se lograron
niveles elevados de aproximadamente el 96,0% o más de la
concentración del filtrado con un área de membrana mínima. El flujo
de filtrado concentrado y reducido a partir de las etapas iniciales
se ajusta a la permeabilidad intrínseca inferior de la segunda
membrana o sucesivas.
La unidad generalmente aceptada de permeabilidad
se conoce como Barrer y normalmente se expresa en las siguientes
unidades: P = (cm^{3}*cm)_(cm^{2}*seg*cm
Hg)*10^{-10}. La permeabilidad intrínseca es la permeabilidad
dividida por la anchura de la barrera de permeabilidad selectiva de
la membrana y normalmente se expresa en las siguientes unidades: P/L
= (cm^{3})_(cm^{2} x seg x cm Hg) x 10^{-10}, en
el que L es la anchura de la barrera (en cm).
La selectividad de un gas más permeable con
respecto a un gas menos permeable se define como la relación de sus
permeabilidades. A continuación se facilitan las permeabilidades
intrínsecas en Barrers/cm x 10^{4} de los materiales de membrana
habituales para cuatro gases comunes, así como las selectividades de
CO_{2}/N_{2} y O_{2}/N_{2}.
A partir de la ley de Fick de difusión combinada
con la ley de Henry de sorción, se observa que el flujo de
permeación del gas (V) (volumen de flujo por área unitaria por
tiempo unitario) a través de una membrana para cualquier componente
es igual a su permeabilidad intrínseca (P/L) por su diferencia de
presión parcial (p1 - p2) a través de la barrera de la membrana,
donde p es la presión parcial en el lado de retención de presión más
elevada y P_{2} es la presión parcial en el lado
de filtrado de presión más baja:
V =
P/L(p1 –
p2)
Un componente deseable de una mezcla de gases
puede ser, o bien más permeable, o menos permeable, que los otros
componentes de la mezcla. Si el componente deseado es la especie
menos permeable, entonces se dice que la membrana es selectiva para
el gas retenido y la corriente de alimentación se refina hasta
obtener una alta pureza en el componente retenido o menos permeable
(retenido). La fase de alimentación del gas retenido se presenta en
el lado aguas arriba de alta presión de la membrana y se denomina en
lo sucesivo en el presente documento como fase de retención. En el
lado aguas abajo de la membrana se prevé una fase de filtrado a una
presión mucho más baja, normalmente ligeramente superior a una
atmósfera. Casi todos los procedimientos comerciales de membrana
funcionan actualmente para refinar un gas retenido hasta obtener una
alta pureza, normalmente con una membrana de única etapa. Un
ejemplo es la separación del oxígeno del aire o, más acertadamente,
la producción de aire enriquecido en nitrógeno. Por ejemplo, una
corriente de alimentación del aire ambiental que contiene
aproximadamente un 79% en volumen de nitrógeno y un 21% en volumen
de oxígeno se presuriza y se hace pasar a través del lado aguas
arriba de una membrana de policarbonato. A medida que esto ocurre,
el oxígeno más permeable pasa a través de la membrana mucho más
rápidamente que el nitrógeno, dejando aproximadamente una fase de
producto retenido de nitrógeno puro al 99% y generando
aproximadamente una fase de residuo de filtrado de oxígeno al 31,5%
en volumen (nitrógeno al 68,5% en volumen), que normalmente vuelve a
descargarse a la atmósfera.
Otro ejemplo comercial es la separación de
dióxido del carbono del gas natural de manantial o, más
acertadamente, la producción de metano enriquecido o gas de calidad
de gasoducto. Una corriente de alimentación de gas de manantial con
el 93% en volumen de metano y el 7% en volumen de dióxido de carbono
a presión se hace pasar a través del lado aguas arriba de una
membrana de acetato de celulosa. El dióxido de carbono más permeable
pasa a través más rápidamente, dando una fase de producto de
retención de metano puro al 98% y generando una fase de residuo de
filtrado de dióxido de carbono puro al 37%, que normalmente se
libera a la atmósfera en el sitio de producción. Normalmente, una
membrana de única etapa como las mencionadas anteriormente es lo
más adecuado para llevar la fase de retención a su concentración de
pureza asintótica, el 99,0% o más, en una única fase de retención
presurizada. El rendimiento óptimo de una membrana de retención de
etapa única se logra combinando el flujo de alimentación (volumen de
flujo por área unitaria por tiempo unitario) y el área superficial
de la membrana.
En la figura 1 se muestra un diagrama de flujo
de una membrana normal de policarbonato de etapa única para producir
un gas retenido enriquecido en nitrógeno. En todos los casos, el gas
de alimentación es aire ambiental presurizado. La concentración
asintótica de la fase del producto retenido puede aumentarse hasta
el 99,5% en volumen e incluso al 99,95% en volumen, alimentando la
corriente de gas retenido presurizado a las etapas posteriores de
membrana para refinar adicionalmente la corriente enriquecida de
nitrógeno. La pureza última de la fase de producto retenido es una
función de la velocidad de flujo de alimentación y del área total de
la membrana. En el caso de múltiples etapas, todas las etapas
utilizan la misma membrana de baja permeabilidad intrínseca debido
a su selectividad para el oxígeno relativamente elevada con respecto
al nitrógeno y a la pureza de alimentación inicial del nitrógeno
relativamente elevada del 79%.
La figura 2 es un ejemplo de un procedimiento de
dos etapas para producir nitrógeno de hasta un 99,5% en volumen de
pureza. Un procedimiento de membrana de múltiples etapas según la
presente invención no beneficiaría tal separación de aire en la que
se desea una fase de producto retenido de nitrógeno de alta pureza,
porque la permeabilidad intrínseca relativamente alta de la etapa
primaria de separación de membrana más la concentración de
alimentación inicial relativamente elevada del nitrógeno en aire
permitiría que cantidades excesivas de nitrógeno pasaran a través de
la membrana, reduciendo así la recuperación del nitrógeno en el gas
retenido.
El procedimiento de membrana de múltiples etapas
según la presente invención se utiliza óptimamente cuando el objeto
es concentrar, mediante un procedimiento de membrana, un gas deseado
como filtrado, desde un nivel inicial de pureza relativamente bajo
del 40% o menos hasta un nivel de aproximadamente el 96,0% en
volumen o más.
La figura 3 muestra un procedimiento de membrana
de dos etapas según esta invención, capaz de separar dióxido de
carbono hasta un nivel de pureza de aproximadamente el 96,0% en
volumen o más, con flujos de procedimiento tal como se observan en
la tabla 3, más adelante. La tabla 1, a continuación, muestra un
ejemplo de velocidades de flujo, balances de materia y áreas de
membrana para un procedimiento como el mostrado en la figura 3 en
un caso comparativo en el que ambas membranas son de una composición
única, a saber, policarbonato. La mezcla de gas de alimentación del
procedimiento, F1, es del 11,7% de dióxido de carbono y del 88,3% de
nitrógeno, que es la composición del gas de escape de la combustión
de un gas natural, una vez que se elimina el agua de la
combustión.
La tabla 1 muestra que la primera etapa requiere
aproximadamente 6.569,45 metros cuadrados (70.713 pies cuadrados)
de membrana y la segunda etapa requiere aproximadamente 427,35
metros cuadrados (4.600 pies cuadrados) de membrana o un área total
de 6.996,80 metros cuadrados (75.313 pies cuadrados) de membrana,
para lograr una pureza de dióxido de carbono del 96,0% en volumen en
P2 con aproximadamente el 76,5% en volumen del dióxido de carbono
inicialmente presente en la mezcla de gases de alimentación del
procedimiento que se está recuperando. Es decir, el 23,5% en
volumen del dióxido de carbono en la mezcla F1 de alimentación se
descarga como residuo en la corriente de gas retenido de la primera
etapa, R1.
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En referencia de nuevo a la figura 3, la tabla 2
muestra un procedimiento similar y flujos similares a los de la
tabla 1, excepto en que, según la presente invención, la primera
etapa utiliza una membrana de acetato de celulosa en lugar de
policarbonato.
De manera bastante significativa, en este caso
se ha encontrado que la primera etapa sólo requiere aproximadamente
1.863,17 metros cuadrados (20.055 pies cuadrados) de membrana y las
etapas combinadas sólo requieren un área total de aproximadamente
sólo 2.289,87 metros cuadrados (24.648 pies cuadrados) para lograr
los mismos resultados.
En referencia de nuevo a la figura 3, la tabla 3
muestra un procedimiento y flujos similares a los de la tabla 1 y
la tabla 2, excepto en que, según otra realización de la presente
invención, la primera etapa utiliza una membrana de copolímero de
silicona y policarbonato en lugar de acetato de celulosa o
policarbonato puros.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Debe observarse que en este caso, la primera
etapa requiere incluso menos área, aproximadamente 210,05 metros
cuadrados (2.261 pies cuadrados) de membrana y las etapas
combinadas, un área total de sólo aproximadamente 637,22 metros
cuadrados (6.859 pies cuadrados de membrana, para lograr los mismos
resultados, es decir, \geq 96,0% en volumen de CO_{2}. El
procedimiento en la tabla 3 representa una realización preferida de
la presente invención.
Para cualquier usuario del procedimiento y el
aparato de la presente invención, un mayor beneficio es una
reducción sustancial en el área de membrana total requerida para
llevar a cabo una separación de gases particular deseada. Para
cualquier área de membrana total dada, esta invención proporciona
sustancialmente una productividad mayor. Por ejemplo, al comparar
las tablas 1 y 3, se muestra una reducción del 90,0% en el área de
la membrana para una corriente de alimentación de aproximadamente
1.075,28 a 1.121,94 metros cúbicos estándar por hora "scmh"
(37.973 a 39.621 pies cúbicos estándar por hora "scfh"). Para
cualquier área dada, la presente invención tal como se describe en
la tabla 3 puede procesar 11,3 veces (relación del flujo de
alimentación) el flujo de alimentación, en comparación con el
procedimiento de membrana homogénea mostrado en la tabla 1.
Las etapas del procedimiento general de la
presente invención se describen adicionalmente a continuación,
junto con una explicación adicional con respecto a la figura 3 y los
datos facilitados en la tabla 3 como un ejemplo preferido
específico de la presente invención. En el presente documento, todas
las partes y porcentajes (%) son en volumen, también equivalente a
la fracción molar, a menos que se indique otra cosa.
La presente invención se trata además
particularmente en lo que se refiere a una realización preferida de
la presente invención, en la que la corriente de alimentación de la
membrana es el producto de la combustión de cualquier combustible
hidrocarbonado, tal como el combustible fósil, en el aire. Sin
embargo, si se dispone de una corriente de procedimiento que
comprende el 40% en volumen o menos de CO_{2}, el aire normalmente
en equilibrio o el nitrógeno o cualquier otro gas o gases menos
permeables, los mismos pueden procesarse según la presente
invención. El procedimiento de la presente invención es incluso más
preferido en el caso de usar una corriente de gas de procedimiento
que contenga el 25% en volumen o menos de CO_{2} y es
especialmente preferido en el caso de usar una corriente de gas del
procedimiento que contenga el 11,7% en volumen o menos de
CO_{2}.
\newpage
Un gas de escape normal de un dispositivo de
combustión de gas natural o metano tiene una composición de
aproximadamente el 11,7% de dióxido de carbono y el 88,3% de
N_{2}, basado en la composición estequiométrica tras las etapas de
limpieza y deshidratación. La corriente de alimentación pretratada
se comprime entonces a aproximadamente 620.528,13 pascales
"Pa" (90 libras por pulgada cuadrada de presión absoluta
"psia" o 465 cm Hg) y se enfría hasta el intervalo de
temperatura recomendado de funcionamiento de la membrana de
aproximadamente 25ºC (77ºF) hasta 50ºC (122ºF). La mezcla de gases
de alimentación comprimida entra entonces en la membrana de primera
etapa de un procedimiento de membrana de dos etapas según esta
invención. La membrana de la primera etapa se compone de un
copolímero de silicona/policarbonato con una capa de
permeabilidad selectiva de aproximadamente 0,0001 cm (1 mm ó
10.000 Ángstrom). En estas condiciones de composición, presión y
flujo del gas de alimentación, el gas filtrado recuperado contiene
aproximadamente un 85% de dióxido de carbono entrante a
aproximadamente una pureza del 40% en volumen. El flujo del filtrado
calculado da un factor de área de membrana de aproximadamente 23,78
metros cuadrados por 45,36 kilogramos (256 pies cuadrados por 100
libras) de dióxido de carbono en el filtrado de primera etapa. La
alimentación inicial, F1, tal como se muestra en la tabla 3 es de
aproximadamente 1.121,94 scmh (39.621 scfh). La alimentación
inicial F1 combinada con el gas retenido reciclado R2 de la segunda
etapa es de aproximadamente 1.437,02 scmh (50.748 scfh), el factor
del área calculada anteriormente determina un área neta requerida
de membrana de aproximadamente 210,05 metros cuadrados (2.261 pies
cuadrados) en la primera etapa. El flujo P1 del filtrado resultante
de la primera etapa de aproximadamente 415,29 scmh (14.666 scfh) se
comprime hasta aproximadamente 689.475,7 Pa (100 psia o 517 cm Hg) y
se enfría hasta la temperatura de membrana requerida, igual que
anteriormente, para obtener F2, el gas de alimentación de la segunda
etapa.
El gas F2 de alimentación de la segunda etapa
entra entonces en la membrana secundaria y de etapa final que está
compuesta de un polímero de policarbonato con una capa de
permeabilidad selectiva de aproximadamente 0,00001 cm
(0,1 mm o 1.000 Ángstrom). En estas condiciones de composición,
presión y flujo de alimentación, el gas filtrado de la segunda
etapa tiene una pureza de aproximadamente el 96,0% en volumen. El
flujo del filtrado calculado da un factor de área de membrana de
aproximadamente 102,47 metros cuadrados (1.103 pies cuadrados) por
45,36 kilogramos (100 libras) de dióxido de carbono en el filtrado
de etapa secundaria. El gas F2 de alimentación de la etapa
secundaria, datos de la tabla 3, es de aproximadamente 415,29 scmh
(14.666 scfh) y el factor del área anterior determina un área
requerida de membrana de aproximadamente 427,17 metros cuadrados
(4.598 pies cuadrados) en la etapa secundaria.
El área total de membrana de ambas etapas en la
realización preferida es de aproximadamente 637,22 metros cuadrados
(6.859 pies cuadrados), en los que el primer separador de membrana
de permeabilidad intrínseca relativamente alta, o etapa del
copolímero de silicona y policarbonato, comprende aproximadamente el
33,0% del área total de la membrana y el segundo separador de
membrana de permeabilidad intrínseca relativamente baja, o etapa
del policarbonato, comprende aproximadamente la etapa hasta el
equilibrio. En comparación, si ambas etapas de membrana están
compuestas de la membrana de policarbonato de permeabilidad
intrínseca relativamente baja, tal como se muestra en la tabla 1,
el área total de membrana requerida para la misma separación y flujo
del procedimiento es de aproximadamente 6.996,80 metros cuadrados
(75.313 pies cuadrados) con aproximadamente el 93,9% del total o
6.569,45 metros cuadrados (70.713 pies cuadrados), que comprenden la
primera etapa. Por tanto, un beneficio principal de la presente
invención es una reducción muy grande en el área de la membrana. A
la inversa, para un sistema de membrana de tamaño especificado, la
presente invención proporciona aumentos muy grandes (por ejemplo,
del 1130%) en la capacidad del procedimiento.
Esta realización preferida de la presente
invención también proporciona como un subproducto una corriente de
gas retenido de la primera etapa con una pureza de nitrógeno
relativamente alta de aproximadamente el 97%, el dióxido de carbono
en equilibrio. Aunque esta pureza del nitrógeno puede considerarse
media en una escala de pureza de baja a alta, la corriente puede
usarse como un gas inerte de propósito general, porque el dióxido
de carbono también es inerte. El gas retenido subproducto de esta
composición puede usarse o purificarse adicionalmente para dar
nitrógeno de alta pureza según se desee.
La corriente P2 del producto filtrado de pureza
muy alta en la realización preferida descrita anteriormente se
comprime posteriormente de manera deseable hasta aproximadamente
1.792.636,82 Pa (260 psia) y se subenfría hasta
aproximadamente -25,56ºC (-14ºF), que es el punto de rocío de una
mezcla de gases con dióxido de carbono al 99,95% en volumen. El
dióxido de carbono líquido así producido puede almacenarse o usarse
para cualquier propósito útil.
Además, con respecto a la realización preferida
descrita anteriormente, los medios de pretratamiento, enfriamiento,
transporte y compresión de las diversas corrientes del procedimiento
en la presente invención incluyen, pero no se limitan a las
descritas en la patente US nº 5.233.837 a nombre de Callahan, que se
incorpora a la presente memoria como referencia.
Claims (11)
1. Procedimiento de membrana para la producción
de un producto de gas filtrado deseado de pureza muy alta a partir
de una mezcla de gases de alimentación que contiene menos del 40% en
volumen del gas filtrado deseado, comprendiendo dicho
procedimiento, en una etapa primaria, una mezcla de gases de
alimentación del procedimiento a una unidad separadora de membrana
primaria que comprende una membrana que presenta una permeabilidad
intrínseca relativamente alta para proporcionar un gas filtrado
intermedio y un gas retenido, y proporcionar el gas filtrado
intermedio, en una etapa secundaria, a una unidad separadora de
membrana secundaria que comprende una membrana que presenta una
selectividad relativamente alta, para producir a partir de ellos un
producto de gas filtrado de pureza muy alta, en el que la mezcla de
gases de alimentación del procedimiento contiene dióxido de carbono
y el dióxido de carbono es recuperado como el producto de gas
filtrado de pureza muy alta con una pureza superior a 96,0% en
volumen.
2. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que la unidad separadora de membrana
primaria comprende una membrana con una permeabilidad intrínseca
superior a 250 Barrer/cm x 10^{4}.
3. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que la unidad separadora de membrana
secundaria comprende una membrana con una permeabilidad intrínseca
de 250 Barrer/cm x 10^{4} o inferior.
4. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que la unidad separadora de membrana
primaria comprende una membrana con una permeabilidad intrínseca
superior a 250 Barrer/cm x 10^{4} y la unidad separadora de
membrana secundaria comprende una membrana con una
permeabilidad intrínseca inferior a 250 Barrer/cm x
10^{4}.
5. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que el gas filtrado intermedio comprende
desde el 40% en volumen hasta el 80% en volumen del gas que ha de
proporcionarse como producto de gas filtrado de pureza muy alta.
6. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, que comprende además el uso de productos de
combustión de combustible fósil como la mezcla de gases de
alimentación del procedimiento.
7. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, que comprende además el uso de productos de
combustión de hidrocarburos en el aire como la mezcla de gases de
alimentación del procedimiento.
8. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, que comprende además el uso de productos de
combustión de combustible fósil en un horno de cal como la mezcla de
gases de alimentación del procedimiento.
9. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que la mezcla de gases de alimentación del
procedimiento es una corriente de gases del procedimiento que
contiene el 25% en volumen o menos de dióxido de carbono.
10. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que la mezcla de gases de alimentación del
procedimiento es una corriente de gases del procedimiento que
contiene el 11,7% en volumen o menos de dióxido de carbono.
11. Procedimiento de membrana según la
reivindicación 1, en el que la mezcla de gases de alimentación del
procedimiento contiene dióxido de carbono y el dióxido de carbono se
recupera como el producto de gas filtrado de pureza muy alta con
una pureza superior al 96,0% en volumen.
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