ES2205143T3 - Procedimiento de tratamiento de una mezcla de gas por adsorcion con variacion de presion. - Google Patents

Abstract

EN ESTE PROCEDIMIENTO, PARA EL O PARA CADA ADSORBEDOR (1) LA DURACION (T{SUB,R}) DE LA ETAPA DE RECOMPRESION A CONTRACORRIENTE ES NETAMENTE INFERIOR A LA (T{SUB,D}) DE LA ETAPA DE DESCOMPRESION A FAVOR DE LA CORRIENTE. LA INVENCION SE APLICA EN PARTICULAR A LA PRODUCCION DE OXIGENO A PARTIR DE AIRE ATMOSFERICO.

Description

Procedimiento de tratamiento de una mezcla de gas por adsorción con variación de presión.

La presente invención se refiere a un procedimiento de tratamiento de una mezcla de gas por adsorción con variación de presión en una instalación que comprende al menos un adsorbedor, del tipo en el cual se efectúa, en el o en cada adsorbedor, un ciclo que comprende una fase de producción y una fase de regeneración, incluyendo esta última una fase inicial que comprende una etapa de descompresión a cocorriente, y una fase final que comprende una etapa de recompresión con introducción a contracorriente del gas proveniente de la última etapa de descompresión a cocorriente.

Un procedimiento de este tipo se encuentra descrito en el documento EP-A-0 705 636, publicado el 10 de abril de 1996 y que no da ninguna indicación sobre la duración de las etapas respectivas.

La invención se aplica en particular a la producción de oxígeno por tratamiento de aire atmosférico.

Las presiones de las que aquí se trata son presiones absolutas.

La mayor parte de los ciclos de adsorción con variación de presión destinados a separar dos o varios gases presentan, en la concatenación de sus etapas, una etapa al menos de descompresión o despresurización a cocorriente, a la cual corresponde al menos una etapa de recompresión a contracorriente que utiliza gas procedente de la etapa de descompresión a cocorriente.

El objeto de estas etapas es mejorar las prestaciones globales del ciclo recuperando en parte la fracción del gas o los gases menos adsorbibles que, al final de la etapa de producción, se encuentran en la zona frontal y en los volúmenes libres del adsorbedor, y utilizando este fluido para recomprimir parcialmente al menos un adsorbedor al final de la fase de regeneración.

En ausencia de este par de etapas, el gas menos adsorbible sería evacuado en el curso de la etapa de descompresión o purga a contracorriente que sigue a la etapa de descompresión a cocorriente, al mismo tiempo que la fracción del gas o los gases más adsorbida. Este gas participaría entonces en la regeneración del adsorbedor rebajando la presión parcial de los compuestos más fácilmente adsorbidos, pero generalmente de manera mucho menos eficaz que según el proceso descrito más arriba.

En los ciclos conocidos antes de la prioridad de la presente solicitud, se trate de adsorbedores que se unen directamente entre ellos (documentos EP-A-354 259 o EP-A-654 439) o de uno o varios adsorbedores asociados a un depósito tampón en el cual se almacena temporalmente el gas proveniente de la descompresión a cocorriente (documento US-A-5 370 728), la duración de las dos etapas acopladas es idéntica o prácticamente idéntica.

Ahora bien, de manera sorprendente, la solicitante ha constatado que un procedimiento del tipo citado, en el cual, según la invención, la duración de la etapa de recompresión a contracorriente es inferior a 0,8 veces, típicamente inferior a 0,5 veces la de la etapa de descompresión a cocorriente, permitía mejorar sensiblemente las prestaciones del ciclo.

Tal procedimiento puede incluir, además, una o varias de las características siguientes:

- el gas proveniente de la etapa de descompresión a cocorriente se almacena temporalmente en un depósito tampón;

- el procedimiento utiliza un adsorbedor único;

- la mezcla a tratar es aire atmosférico con miras a la producción de oxígeno.

Se describirán ahora ejemplos de puesta en práctica de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 representa esquemáticamente un modo de realización de una instalación de adsorbedor único para la puesta en práctica de un procedimiento conforme a la invención; y

- la figura 2 es un diagrama que ilustra un ejemplo de ciclo según la invención puesto en práctica en la instalación de la figura 1.

La instalación de la figura 1 está destinada ventajosamente a producir oxígeno con una pureza del orden de 90% a 93% a partir de aire atmosférico. Comprende esencialmente un adsorbedor único 1 que contiene un adsorbente, típicamente al menos un zeolita, una máquina giratoria reversible 2 que forma un compresor y una bomba de vacío, un filtro silenciador 3, un refrigerante 4, un depósito de producción 5 y un depósito tampón 6.

El aparato 2 está unido, por una parte, a través de un conducto 7, a la atmósfera a través del filtro silenciador 1 3 y, por otra parte, a través de un conducto 8 que atraviesa el refrigerante 4, a la entrada del adsorbedor 1, que es el extremo inferior de éste. La salida (extremo superior) del adsorbedor está unida, por una parte, al depósito 5 a través de un conducto 9 equipado con una válvula de regulación 10 y, por otra parte, al depósito tampón 6 a través de un conducto 11 equipado con una válvula de regulación 12. Se ha indicado en 13 el conducto de producción de la instalación, que parte del depósito 5.

Por lo demás, la instalación incluye medios, en sí conocidos y no representados, de mando, regulación y alimentación eléctrica y de fluido refrigerante, adaptados para efectuar el ciclo ilustrado en la figura 2.

En la figura 2, en la que se han llevado los tiempos t a abscisas y las presiones absolutas P a ordenadas, los trazos orientados por flechas indican los movimientos y destinos de las corrientes gaseosas y, además, el sentido de circulación en el adsorbedor: cuando una flecha está en el sentido de las ordenadas crecientes (hacia arriba del diagrama), se dice que la corriente es a cocorriente en el adsorbedor. Si la flecha dirigida hacia arriba está situada por debajo del trazo que indica la presión en el adsorbedor, la corriente penetra en el adsorbedor por el extremo de entrada del mismo; si la flecha dirigida hacia arriba está situada por encima del trazo que indica la presión, la corriente sale del adsorbedor por el extremo de salida de éste, siendo los extremos de entrada y de salida, respectivamente, los del gas a tratar y el gas extraído en fase de producción isobara; cuando una flecha está en el sentido de las ordenadas decrecientes (hacia abajo del diagrama), se dice que la corriente es a contracorriente en el adsorbedor. Si la flecha dirigida hacia abajo está situada por debajo del trazo que indica la presión del adsorbedor, la corriente sale del adsorbedor por el extremo de entrada de éste; si la flecha dirigida hacia abajo está situada por encima del trazo que indica la presión, la corriente penetra en el adsorbedor por el extremo de salida de éste, siendo siempre los extremos de entrada y de salida los del gas a tratar y el gas extraído en fase de producción isobara.

El ciclo de la figura 2, en el que el período T es, a título de ejemplo, 86,5 s, comprende las etapas sucesivas siguientes:

(1) De t = 0 a t1 = 20 s, recompresión final a cocorriente por medio del gas a tratar, desde una primera presión intermedia PI1 hasta la presión alta P_{M} del ciclo, que es, por ejemplo, de aproximadamente 1,5 x 10^{5} Pa.

(2) De t1 a t2 = 30 s, producción sensiblemente isobara a la presión P_{M}. La producción es enviada al depósito 5, del cual se extrae permanentemente un caudal de oxígeno más pequeño hacia un. puesto de utilización a través del conducto 13. En la práctica, como variante, la producción, hacia el depósito 5, comienza antes del instante t1 durante la fase final de presurización en las proximidades de la presión alta P_{M} del ciclo.

(3) De t2 a t3 = 40,5 s, o sea, durante un periodo T_{D} = 10,5 s, descompresión a cocorriente hasta una segunda presión intermedia PI2. El gas proveniente del adsorbedor durante esta etapa es enviado al depósito tampón 6. Como variante, durante esta etapa (3) se puede efectuar igualmente una descompresión simultánea a contracorriente.

(4) De t3 a t4 = 83 s, descompresión a contracorriente por bombeo hasta la presión baja P_{m} del ciclo, que es, por ejemplo, de aproximadamente 0,5 x 10^{5} Pa, luego purga/elución, típicamente en forma sensiblemente isobara a la presión P_{m} por prosecución del bombeo y, simultáneamente, introducción de gas de producción a contracorriente procedente del depósito 5.

(5) De t4 a T, o sea, durante un periodo T_{R} = 3,5 s, primera recompresión a contracorriente hasta la primera presión intermedia PIl por medio de gas proveniente del depósito tampón 6.

Como se ve, según un aspecto de la invención, el período T_{D} de la etapa (3) de descompresión a cocorriente es netamente superior al período T_{R} de la etapa (5) de primera recompresión a contracorriente por medio de gas proveniente de la etapa (3).

De manera sorprendente, se ha constatado que las prestaciones de tal ciclo se han mejorado sensiblemente con relación a las de un ciclo análogo en el que cada etapa (3) y (5) tendría la misma duración (10,5 + 3,5) / 2 = 7 s. Esto se aprecia claramente en la tabla siguiente, que corresponde a un instalación tal como la de la figura 1, con P_{M} = 1,5 x 10^{5} Pa y P_{m} = 0,45 x 10^{5} Pa.

Ciclo n1	1 (técnica anterior)	2 (invención)	3 (invención)	4 (contraejemplo)
Duración del ciclo T(s)	86,5	86,5	83	83
Duración recompresión	7	10,5	7	3,5
cocorriente T_{D}(s)
Duración recompresión	7	3,5	3,5	7
contracorriente T_{R}(s)

(Continuación)

Ciclo n1	1 (técnica anterior)	2 (invención)	3 (invención)	4 (contraejemplo)
Productividad	35,08	37,1	37,3	35,6
(Nm^{3}O_{2}/m^{3}xh)
Rendimiento (%)	57,3	59,5	57,2	54,9
Productividad intrínseca	0,86	0,89	0,86	0,82
(Nm^{3}O_{2}/m^{3} x ciclo)
Energía específica	0,30	0,29	0,30	0,31
(kWh/Nm^{3}O_{2})

De manera habitual, la productividad es la producción horaria de la instalación para 1 m^{3} de adsorbente; la productividad intrínseca es la producción por ciclo para 1 m^{3} de adsorbente; la energía específica es la energía necesaria para producir 1 Nm^{3} de oxígeno; y el rendimiento es la relación de la cantidad de oxígeno producida a la cantidad de oxígeno contenida en el aire tratado.

En la tabla anterior:

- El ciclo n1 1 es un ciclo clásico en el que las duraciones T_{D} y T_{R} son iguales.

- El ciclo n1 2 corresponde al ciclo según la invención de la figura 2, con T_{D} = 10,5 s y T_{R} = 3,5 s. Se constata una mejora de todos los parámetros. En particular se aumenta la productividad, mientras que se reduce la energía específica. Se aumenta también el rendimiento, aunque no se trata en sí de un parámetro importante en el caso del tratamiento de aire atmosférico, que es gratuito.

- El ciclo n1 3 es igualmente un ciclo según la invención, que, no obstante, difiere del precedente por el hecho de que la duración T_{D} es la misma (7 s) que en el ciclo clásico n1 1. Se constata que, con relación a este último, se aumenta la energía específica, pero se mantiene inalterada la productividad intrínseca; por consiguiente, dado que el ciclo es más corto, se acrecienta la productividad. Por tanto, tal ciclo puede ser interesante en regiones en las que la energía es barata.

En el ciclo n1 4, a título de contraejemplo, contrariamente a las enseñanzas de la invención, es la duración T_{D} la que se reduce. Se constata una degradación de todos los parámetros (productividad, rendimiento, energía específica, productividad. intrínseca). En particular, la caída de la productividad intrínseca es superior a la ganancia que se podría obtener de la reducción de la duración del ciclo, de manera que se reduce la productividad.

La invención se aplica igualmente a ciclos que difieren del de la figura 2 por el hecho de que, en el curso de la etapa (5), se realiza simultáneamente una introducción a cocorriente, en el adsorbedor, de la mezcla gaseosa a separar o una evacuación a contracorriente para rematar la elución, o incluso introduciendo temporalmente gas del depósito 6 a contracorriente en el curso de la etapa 4 de purga/elución, típicamente al final de esta última.

A título de ejemplo, para la puesta en práctica de un ciclo tal como el descrito anteriormente, con un adsorbente de tipo zeolita 5A y una presión PI2 de 1,1 x 10^{5} Pa, con un almacenaje de oxígeno de pureza media bajo una diferencia de presión de aproximadamente 0,3 x 10^{5} Pa, el volumen del depósito 6 es de aproximadamente 3,5 m^ {3}/m^ {3} de zeolita.

Para la puesta en práctica con dos adsorbedores en paralelo, la utilización común de los dos depósitos 5 y 6 permite especialmente una utilización continua de la bomba de vacío y un pseudoequilibrado en dos tiempos entre los dos adsorbedores.

Claims (9)

1. Procedimiento de tratamiento de una mezcla de gas por adsorción con variación de presión en una instalación que comprende al menos un adsorbedor (1), en el que se efectúa, en el o en cada adsorbedor (1), un ciclo que comprende una fase de producción y una fase de regeneración, incluyendo esta última una fase inicial que comprende una etapa de descompresión a cocorriente y una fase final que incluye una etapa de recompresión con introducción a contracorriente de gas proveniente de la etapa (3) de descompresión a cocorriente, caracterizado porque la duración (T_{R}) de dicha etapa (5) de recompresión a contracorriente es inferior a 0,8 veces la duración (T_{D}) de la etapa de descompresión a cocorriente.

2. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la duración (T_{R}) de la etapa de recompresión a contracorriente es inferior a 0,5 veces la duración (T_{D}) de la etapa de descompresión a cocorriente.

3. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el gas proveniente de la etapa (3) de descompresión a cocorriente se almacena temporalmente en un depósito tampón (6).

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque durante dicha etapa de recompresión se introduce simultáneamente la mezcla gaseosa a cocorriente.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, puesto en práctica en una instalación que utiliza un adsorbedor único (1).

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la fase de regeneración comprende una fase intermedia (4) de purga/elución.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el gas de purga/elución es gas de producción.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el gas de purga/elución se almacena temporalmente en un depósito de producción (5).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes para la separación de oxígeno a partir del aire.