ES2242265T3 - Aparato de separacion de gas por adsorcion y utilizacion para el tratamiento de flujo de aire. - Google Patents
Aparato de separacion de gas por adsorcion y utilizacion para el tratamiento de flujo de aire.Info
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Abstract
EL APARATO DE SEPARACION DE GAS POR ADSORCION, DEL TIPO PSA, LLEVA EN UNA ENVOLTURA DE EJE VERTICAL (1) AL MENOS UN LECHO ANULAR DE MATERIAL PARTICULAR (5,6) SOPORTADO SOBRE UNA PARED INFERIOR (9), ELLA MISMA SOPORTADA POR UNA PARED PRISMATICA PERFORADA (11) QUE SE APOYA SOBRE EL FONDO ABOMBADO (2) DE LA ENVOLTURA, NO TIENDO LA PARED INFERIOR (9) VENTAJOSAMENTE EN FORMA DE V INVERTIDA MUY ABIERTA (9A, 9B) NINGUNA PARTE QUE FORME CON LA HORIZONTAL UN ANGULO ( AL , BE ) QUE SOBREPASE 15°. APLICACION PARTICULARMENTE A LA SEPARACION DE GASES DE AIRE.
Description
Aparato de separación de gas por adsorción y
utilización para el tratamiento de flujo de aire.
La presente invención trata de los aparatos de
separación de gas por adsorción, más particularmente del tipo PSA o
VSA (adsorción oscilante de presión/vacío) del tipo que comprenden,
dispuestos coaxialmente en una cámara de eje vertical con un fondo
interior convexo que incluye un paso central de gas y un paso
lateral de gas, al menos un volumen anular, de al menos un material
especial, que descansa sobre una pared inferior transversal, y al
menos una primera pared prismática provista de aberturas que se
extienden entre el fondo convexo y la pared inferior.
Este tipo de aparato de separación, que trata
fuertes caudales de gas con secuencias de ciclo rápido, plantea
problemas de circulación y de distribución de los gases, que incluso
se incrementan en los aparatos con un tránsito horizontal de flujos
gaseosos a través del adsorbente, como es el caso que estamos
tratando. Por otra parte, el lecho anular está delimitado por una
pared inferior que debe soportar el peso del volumen anular del
material especial, las fuerzas que resultan de las diferencias de
presión de un lado y otro de esta pared, en particular en las etapas
de represurización o de despresurización en las que se crean
pérdidas de carga, así como eventualmente las fuerzas que resultan
de los medios de asentamiento aplicados a la superficie superior del
volumen de material especial.
Un aparato de separación de gas de este tipo se
describe en el documento EP-A-0 759
320, en nombre de la solicitante. En este documento, la pared
inferior, plana, presenta un grosor importante para soportar los
volúmenes de materiales especiales, incluyendo el espacio en el
interior de estos últimos así como el espacio entre la pared
inferior y el fondo convexo inferior de la cámara tabiques
perforados para homogeneizar los flujos de fluidos gaseosos en estos
espacios. En este documento, la pared inferior está esencialmente
sostenida por los elementos estructurales que forman el paso central
de gas.
Después de intensas investigaciones, la
solicitante ha constatado que la forma de las paredes inferiores de
los lechos adsorbentes tenía repercusiones sensibles en un buen
reparto de los flujos gaseosos a través del volumen anular de los
materiales especiales y que, en particular, podía originar defectos
de distribución de los fluidos gaseosos que no se limitan a las
zonas adyacentes sino que repercuten de forma nada desdeñable en el
mismo seno de los volúmenes de materiales especiales.
La solicitante ha puesto así en evidencia que, a
pesar de los problemas de resistencia mecánica que ello plantea, las
paredes de fondo no deberían ser convexas y deberían ser muy poco
cónicas y no tener ninguna parte que forme con la horizontal un
ángulo superior a 15º. Con estas formas, para alcanzar la
resistencia mecánica requerida, se puede, como en el documento
anteriormente mencionado, prever una pared de fondo gruesa que se
apoye, como se ha citado anteriormente, sobre el conducto de
distribución central. De todas formas, además de los problemas de
exceso de peso, la utilización de paredes gruesas acentúa las
transferencias térmicas radiales, lo que modifica el perfil de
temperatura de las zonas adyacentes de los lechos adsorbentes que
operan pues en condiciones de temperatura diferentes de las que se
desarrollan en la parte adiabática central de estos lechos,
impidiendo de esta forma alcanzar el funcionamiento óptimo del
aparato. Es igualmente deseable utilizar, bajo la pared inferior, de
tensores radiales, pero los estudios acerca de tales estructuras
muestran que estos tensores modifican sensiblemente el fluido de los
gases en la parte inferior de la cámara, al crear canales de
circulación preferentes hacia el paso lateral de gas.
La presente invención tiene pues como objeto
proponer nuevas adaptaciones del aparato de separación de gas por
adsorción que permita, con una adaptación global robusta y con bajos
costes de fabricación, obtener una distribución gaseosa óptima, con
un consumo energético mínimo.
Para ello, según un aspecto de la invención, la
pared inferior transversal incluye al menos una parte troncocónica
que forma con la horizontal un ángulo no superior a 15º y está
sostenida por la pared prismática que se apoya sobre el fondo
convexo.
Según una característica particular de la
invención, la pared inferior tiene una forma de V invertida y puede
reposar sobre una segunda pared prismática que delimita
interiormente el espacio interno en la parte inferior de la
cámara.
Adaptado de esta forma, a diferencia del
documento antes mencionado, en el cual el tabique perforado anular
inferior tiene como única función la de homogeneizar el fluido de
los gases, la pared inferior presenta un perfil y un grosor
optimizado, estando situadas las cargas ejercidas sobre esta última
sobre la parte convexa inferior, robusta y rígida de la cámara,
mediante una pared prismática gruesa, igualmente robusta y rígida, y
asegurando aquí el doble papel de soporte y de distribuidor de
fluido.
Otras características y ventajas de la presente
invención quedarán destacadas a partir de la siguiente descripción
de los modos de realización, ofrecidos a título ilustrativo pero en
absoluto limitativo, hecha en relación con los dibujos adjuntos, en
los cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática parcial en
corte vertical de un primer modo de realización de un aparato de
separación de gas según la invención; y
- la figura 2 es una vista parcial de la parte
inferior de otra variante de realización de la invención.
En la siguiente descripción y en los dibujos, los
elementos idénticos o análogos llevan las mismas cifras de
referencia, eventualmente indiciales.
En las figuras podemos reconocer un aparato de
separación PSA o VSA típicamente para el tratamiento del flujo de
aire, en particular para la producción de oxígeno impuro, que
comprende una cámara 1 de geometría de revolución de eje vertical en
configuración de utilización con un fondo convexo inferior 2 que
incluye un paso central 3 de gas y un paso desplazado o lateral 4 de
gas. En la cámara 1 están dispuestos un volumen anular de partículas
de adsorbente 5, normalmente una zeolita, y un lecho anular central
coaxial, yuxtapuesto 6, de material especial destinado a retener el
agua y el dióxido de carbono, típicamente alúmina.
El lecho principal 5 está delimitado
perifericamente por una rejilla 7 a distancia, radialmente hacia el
interior, de la virola periférica de la cámara 1, mientras que el
lecho central 6 está delimitado interiormente por una rejilla
interna o un tubo distribuidor central 8 cuyo extremo inferior es
solidario a una pared inferior 9 de soporte de adsorbente y, al
extremo superior, de un tubo distribuidor divergente 10 cuyo extremo
inferior es solidario al paso central 3 de gas. Los lechos 5 y 6
están delimitados en la parte superior del adsorbente por medios de
retención y de asentamiento 20.
Según un aspecto de la invención, la pared anular
inferior 9 de soporte del adsorbente es relativamente delgada, de
grosor inferior a la del fondo convexo 2, típicamente inferior a la
mitad de esta última y, además de apoyarse sobre el difusor 10, está
sostenida por una pared prismática, ventajosamente cilíndrica, 11,
de grosor superior al de la pared 9, coaxial al tubo difusor 10 y
que se apoya sobre el fondo convexo 2 de la cámara 1. La pared 11
define con el tubo 10 un espacio interno inferior 12 en el cual
desemboca el orificio de paso 4 del gas.
La pared prismática 11 puede ser solidaria a la
pared 9 de fondo y descansa sobre el fondo 2. Como variante, la
pared 9 puede simplemente descansar sobre la pared prismática 11,
estando el equipamiento interno centrado y sostenido, en el momento
del trasporte eventual del adsorbente en posición no vertical, por
elementos de sujeción radiales que se extienden entre la virola
periférica 17 de la cámara 1 y la pared anular 9, representado con
el número 15 en la figura 1, y/o entre la virola y la rejilla 7,
como la lámina que está representada con el número 16 en la figura
1.
La pared prismática 11 está formada por una
pluralidad de aberturas en toda su periferia y en toda su altura,
siendo la tasa de calado (superficie de las aberturas en relación
con la superficie total teórica de la pared 11) inferior a 60%,
ventajosamente inferior a 30% y típicamente comprendida entre 4 y
10%.
En el modo de realización representado en la
figura 1, la pared inferior 9 está, según un aspecto de la
invención, realizada en forma de V inversa de abertura muy amplia
con una primera parte troncocónica exterior 9A que desciende hacia
el exterior siguiendo un ángulo \alpha con la horizontal y una
parte troncocónica interior 9B que desciende hacia el interior
siguiendo un ángulo \beta con la horizontal. Según un aspecto de
la invención, los ángulos \alpha y \beta no superan los 15º y
están ventajosamente comprendidos entre 5º y 10º.
Como variante, tal como está representado en la
figura 2, la parte externa 9A puede ser prácticamente plana,
conservando la parte interior 9B una conicidad descendente de más de
5º.
Tal como se observa igualmente en la figura 2,
según un aspecto de la invención, la estructura de soporte de la
pared inferior 9 puede desdoblarse en una pared prismática perforada
11 análoga a la descrita con anterioridad, pero desplazada hacia la
periferia de la parte 9A, y una pared central 13 coaxial a la
precedente y que puede estar sensiblemente desprovista de aberturas,
si no es para favorecer la ventilación.
En este modo de realización, el espacio interno
12 en el que desemboca el paso lateral 4 de gas, es el definido
entre la pared exterior 11 y la pared interior 13.
En un modo de realización particular,
representado en la figura 1, el recinto interno central en el
interior de la rejilla central o tubo distribuidor 8 está provisto
centralmente de un perfil evolutivo coaxial 14 que favorece una
distribución homogénea del gas en toda la altura de los lechos
anulares 5 y 6 para poderlos atravesar.
Los aparatos según la invención encuentran
principalmente una aplicación en la separación de gas del aire,
particularmente para la producción de aire enriquecido o de oxígeno
impuro.
Claims (12)
1. Aparato de separación de gas por adsorción,
que comprende, dispuesto coaxialmente en una cámara (1) de eje
vertical con un fondo inferior convexo (2) que incluye un paso
central (3) de gas y un paso lateral (4) de gas, al menos un volumen
anular (5;6) de al menos un material especial que descansa sobre una
pared inferior trasversal (9) y, al menos, una primera pared
prismática (11) provista de aberturas que se extienden entre el
fondo convexo (2) y la pared inferior (9), caracterizado
porque la pared inferior transversal (9) incluye al menos una parte
troncocónica (9A, 9B) que forma con la horizontal un ángulo no
superior a 15º y está sostenida por la pared prismática (11) que se
apoya sobre el fondo convexo (2).
2. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado porque la parte troncocónica es la parte
interior (9B) de la pared inferior.
3. Aparato según la reivindicación 2,
caracterizado porque la parte troncocónica interior (9B)
desciende hacia el interior.
4. Aparato según una de las reivindicaciones 3,
caracterizado porque la pared inferior (9) tiene forma de V
invertida (9A, 9B).
5. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la pared inferior
transversal (9) tiene un grosor inferior a la del fondo inferior
convexo (2).
6. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la pared inferior (9)
descansa además sobre una segunda pared prismática coaxial al eje
vertical, y delimita con la primera pared prismática (11) un espacio
interno anular (12) en el que desemboca el paso lateral (4) de
gas.
7. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la tasa de calado de la
pared prismática (11) es inferior a 60%.
8. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque la tasa de calado de la pared prismática
(11) es inferior a 30%.
9. Aparato según la reivindicación 8,
caracterizado porque la tasa de calado de la pared prismática
(11) está comprendida entre 4 y 10%.
10. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque incluye medios (15, 16) de
centrado dispuestos radialmente entre la cámara (1) y el volumen
anular (5, 6).
11. Aparato según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque incluye un difusor cónico
(10) que une el paso central (3) de gas con el borde interior de la
pared inferior (9).
12. Utilización de un aparato según una de las
reivindicaciones precedentes para el tratamiento de flujo de
aire.
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