ES2269232T3

ES2269232T3 - Regulacion de una planta de adsorcion por oscilacion de presion a vacio y metodo de ajuste.

Info

Publication number: ES2269232T3
Application number: ES01100398T
Authority: ES
Inventors: Bernard Thomas Neu; James Smolarek; Michael Kenneth Rogan
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2007-04-01
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: CA2330360A1; CN1323648A; KR100551500B1; US6277174B1; BR0100017A; MXPA00013005A; CN1196512C; JP4025021B2; EP1114666A3; EP1114666B1; EP1114666A2; BR0100017B1; KR20010070418A; JP2001224918A; DE60123683T2; DE60123683D1

Abstract

Un método de adsorción por oscilación de presión (PSA) para retirar un gas preferido de una mezcla gaseosa, realizado dicho método por al menos un lecho adsorbente que funciona durante ciclos plurales, comprendiendo cada ciclo etapas plurales en las que dicho lecho procede tanto mediante acciones de adsorción como de desorción, alimentado dicho lecho por medio de una bomba de presurización y evacuado por medio de una bomba de vacío, comprendiendo dicho método las etapas de: a) monitorizar, en un ciclo, una presión máxima de alimentación a dicho lecho de dicha mezcla gaseosa durante la adsorción en él; b) monitorizar, en un ciclo, una presión mínima de la evacuación desde dicho lecho de dicha mezcla gaseosa durante la desorción de él; c) alterar los tiempos de etapa individuales (tiempo de alimentación, tiempo de purga, tiempo de compensación) y las corrientes de reflujo internas dentro de un ciclo, de acuerdo con las presiones monitorizadas en las etapas a) y b), para mantener una relaciónde presiones (Pmax/Pmin) de ciclo cercana a un nivel de diseño.

Description

Regulación de una planta de adsorción por oscilación de presión a vacío y método de ajuste.

Campo de la invención

Esta invención se refiere al control de un procedimiento de separación de gases por oscilación de presión y, más particularmente, a un método para ajustar los tiempos de la etapa de adsorción/desorción y los tiempos de etapa y corrientes de reflujo en los recipientes, basado en las presiones y purezas observadas, para mantener las presiones de los recipientes ligeramente por debajo de o en valores predeterminados, con el fin de optimizar y conseguir una producción máxima.

Antecedentes de la invención

Los diseños de sistemas PSA (Adsorción por Oscilación de Presión) de coste competitivo cuentan con una alta utilización de componentes de sistema bien armonizados, que incluyen compresores de alimentación y de vacío, lechos y adsorbentes para los recipientes, válvulas, y otros equipos. El uso y control seguro, consistente y eficaz de este equipo es crítico. Para mantener el control de este proceso altamente transitorio, las plantas están equipadas con Controladores Lógicos Programables (CLPs) y ordenadores que ejecutan un software de control y monitorización. El reciente desarrollo de adsorbentes de flujo radial con longitudes de lecho cortas, adsorbentes avanzados con altas tasas de adsorción, y otras mejoras en el sistema han hecho que se acorten los tiempos de ciclo, añadiendo además una sensibilidad de proceso incrementada a la naturaleza transitoria de las operaciones de PSA.

Además, el desarrollo de ciclos VPSA (Adsorción por Oscilación de Presión de Vacío) de baja relación de presiones ha facilitado un cambio a bombas de vacío de lóbulos rotatorios de etapa única. Para ser eficaces, estas bombas deben ser cuidadosamente ajustadas en tamaño para armonizarse con otros componentes del sistema, tales como el volumen del lecho y los compresores de aire de alimentación. Estos compresores de vacío se hacen funcionar a diferenciales de presión que están cercanos a sus máximos desde un punto de vista mecánico, y, aerodinámicamente, en un punto donde la eficacia caería bruscamente con niveles de vacío incrementados.

En teoría, una vez que se establecen las presiones de funcionamiento apropiadas para un sistema, no necesitan ser ajustadas. Un problema es que variaciones tales como la temperatura y presión ambientales, el posicionamiento de la válvula de control, los parámetros de regulación de la planta, la temperatura de funcionamiento, los circuitos de refrigeración, el desgaste mecánico del compresor y las fugas de la válvula afectarán a estos niveles de presión, y a veces causarán un funcionamiento de menor rendimiento, por forzar a los componentes del sistema a funcionar fuera de sus puntos de diseño. En casos extremos, es posible incluso la parada del equipo. Por tanto, para un funcionamiento seguro y eficaz, los niveles globales de presión del sistema deben ser monitorizados cuidadosamente durante el funcionamiento de la planta, y, cuando se requiera, ser ajustados a los valores deseados cercanos a la armonización.

En los casos donde se utiliza más que un recipiente de adsorción en un sistema, puede surgir otro problema. Este problema proviene de la dificultad en armonizar el funcionamiento individual de los recipientes de una manera que proporcione un rendimiento óptimo del sistema, medido por una energía unitaria mínima, una variación de pureza del producto mínima, una producción máxima, etc. Como es el caso con el control del nivel de la presión global del sistema, se requiere un equilibrado lecho a lecho, porque entran alteraciones en el sistema y a veces hacen que cambie la estabilidad del sistema. Tales alteraciones pueden ser introducidas por variaciones en la temperatura ambiente, el equipo de proceso, el posicionamiento de la válvula de proceso, el tiempo de respuesta de la válvula de proceso, las funciones de control por ordenador de la planta, y otros. Los efectos de estas alteraciones pueden ser minimizados verificando los parámetros clave del proceso, y haciendo después ajustes mediante el sistema de control del proceso para restaurar el sistema hasta un funcionamiento cercano al de diseño. Se requiere este equilibrio lecho a lecho, además del control del nivel de presión global mencionado anteriormente.

La patente de EE.UU. 4.747.853, expedida a Haslett et al., describe un método de control de la sobrepresurización, para los casos de fallo en las válvulas, que utiliza un dispositivo sensible a la presión, un orificio restrictivo del flujo y una válvula normalmente abierta. Si la unidad sensible a la presión detecta presiones inaceptables, se envía una señal a la válvula normalmente abierta, provocando que se cierre. El sistema corriente abajo es protegido así de la presión más alta de una manera similar a las válvulas de escape o los discos de ruptura disponibles comercialmente.

El equilibrado/regulación de los lechos se describe en la patente de EE.UU. 5.407.465, expedida a Schaub, et al. Esta patente reconoce una necesidad de mantener el equilibrio lecho a lecho, y concluye que un sistema equilibrado funcionará teniendo cada lecho un perfil axial de temperaturas similar. Si entra una alteración en el sistema, el perfil axial de temperaturas cambia para cada lecho, proporcionando un indicador del desequilibrio. Se utiliza un ordenador de control de planta para monitorizar las temperaturas de los lechos y para hacer ajustes a los flujos de compensación y purga, que entran y salen de cada recipiente de una manera diseñada para restaurar perfiles de temperatura similares a cada lecho.

La patente de EE.UU Nº 5.529.607, expedida a Ziming Tan, indica que se puede monitorizar la concentración máxima de O_{2} medida en el gas de purga efluente desde lechos individuales que se hacen funcionar fuera de fase en un proceso PSA cíclico. Entonces se puede determinar la diferencia absoluta de las concentraciones y hacerse ajustes al tiempo de etapa del proceso de purga de cada lecho de una manera que reduce el valor absoluto de la diferencia de concentraciones.

La patente de EE.UU. 5.486.226, expedida a Ross et al., usa un analizador de oxígeno para medir la impureza en un PSA de carbono diseñado para preparar N_{2}. Si la impureza de O_{2} se eleva por encima de los límites aceptables, se inicia el flujo de gas de calidad producto desde un tanque de compensación hacia los recipientes de adsorción de una manera que restaura la pureza del producto. Esto proporciona un medio de reinicio rápido después de una avería u otro contratiempo.

La patente de EE.UU 5.258.056, expedida a Shirley et al., describe un método para controlar la producción de salida de una planta midiendo un cambio en la demanda de producto y ajustando después el flujo de aire de alimentación para compensar el cambio en la demanda de producto. El flujo de aire de alimentación se ajusta de tal manera que se mantiene una pureza de producto constante. El sistema controla el aire de alimentación tanto para el control de la capacidad "turndown" (relación de flujos máximo y mínimo) como el control de la pureza.

La patente de EE.UU. 4.725.293, expedida a Gunderson, describe un sistema para el control de los niveles de impureza en una corriente de producto, monitorizando los niveles de pureza de la corriente de producto, y ajustando después el flujo de aire de alimentación de una manera que mantiene la pureza deseada del producto.

La patente de EE.UU. 4.693.730, expedida a Miller et al., propone un método para controlar la pureza de un componente gaseoso en la corriente de producto de una PSA. La concentración de impureza es monitorizada en un gas de despresurización a favor de corriente, o gas de compensación, para determinar si hay algún contra-tiempo presente. Si se detecta un problema, entonces se ajusta el proceso. Las principales acciones que se pueden emprender para corregir el problema en la pureza son:

a): Cambiar el tiempo de la etapa de adsorción para controlar la posición del borde delantero del frente de transferencia de masa.

b): Cambiar el punto final de la etapa de despresurización a favor de corriente final para que no se produzca la rotura del frente de transferencia de masa.

c): incrementar la cantidad de gas de purga a cada recipiente.

En esencia, el sistema de Miller et al. monitoriza la pureza en un tiempo del ciclo en el que está cambiando más rápidamente y en el que los contratiempos son detectados más fácilmente. Es posible por tanto detectar eventos antes de que tengan oportunidad de propagarse totalmente y mostrarse en la pureza del producto. Además, se muestran procedimientos PSA en los documentos EP-A-0760247, US-A-5591254, WO-A-98 56488, DE-A-296058894 y US-A-5876485.

Sumario de la invención

La presente invención es un método de adsorción por oscilación de presión (PSA) como se define en la reivindicación 1. En las realizaciones preferidas la invención monitoriza las presiones del sistema, envía los datos monitorizados a un PLC que, basado en un control lógico, ajusta los tiempos de las etapas del proceso de una manera que mantiene al proceso funcionando de manera segura a las presiones óptimas deseadas. La invención controla las presiones de fondo independientemente de las presiones de la parte superior, proporcionando de este modo un medio para optimizar tanto un compresor de alimentación como un compresor de vacío de manera un tanto independiente el uno del otro. Dado que el compresor de vacío es una máquina de etapa única, es más difícil mantener una relación de presiones de ciclo optimizada. Esto es debido al hecho de que está siendo procesado un volumen más grande de aire a una presión de succión elevada (cuando se compara con un compresor de vacío de dos etapas utilizado anteriormente). La técnica anterior ha intentado controlar las presiones de adsorción y desorción a niveles fijos, discretos. Los ajustes hechos para operar a estos niveles discretos han conducido a ineficacias en el proceso, porque los ajustes hechos a una pieza del equipo afectarían a otra debido al hecho del acoplamiento entre ellas mediante el flujo de proceso. En las realizaciones preferidas, un rasgo clave de esta invención es que los tiempos de las etapas individuales y las corrientes de reflujo internas dentro de un ciclo se ajustan simultáneamente. Estos ajustes se hacen de una manera que hace funcionar el ciclo a una relación de presiones cercana a la relación de presiones deseada, tanto con presiones de adsorción en cabeza y de desorción en fondo a niveles constantemente cambiantes, que son optimizados para el proceso dado y las condiciones de funcionamiento del equipo.

En los sistemas de PSA con más de un recipiente de adsorción se requiere un control adicional dentro del nivel de optimización global de la presión, ya que es necesario mantener un rendimiento recipiente a recipiente cercano al equilibrio. El rendimiento de los recipientes de PSA equilibrados se alcanza cuando las corrientes de salida de cada uno de los recipientes de adsorción funcionan a niveles similares de pureza de oxígeno. Idealmente, como cada recipiente sucesivo del sistema sufre las principales etapas de proceso, desde la adsorción hasta la desorción, indicadores clave de proceso tales como la temperatura interna del recipiente, el nivel de presión del recipiente, la composición del gas efluente, el espacio de tiempo de cada etapa, y otros, son idénticos en amplitud y frecuencia. En otras palabras, no hay variación en el funcionamiento de los recipientes. El producto gaseoso que fluye desde el sistema es consistente en pureza independientemente del recipiente que lo produce.

El funcionamiento equilibrado de los recipientes maximiza la producción de todo el sistema, reduciendo además los costes globales de producción. Para conseguir tales optimizaciones, la técnica anterior ha utilizado mediciones de pureza, presión o temperatura como medio de detectar un desequilibrio, y hacía después ajustes al proceso de una manera que restauraba el equilibrio. Esta invención compensa los flujos hacia dentro y hacia fuera de los recipientes mediante la monitorización de los efluentes de los recipientes individuales (corriente de desecho) durante cada semiciclo de la evacuación total, y el registro de la concentración mínima de oxígeno encontrada durante este periodo de tiempo. Después, los flujos de compensación (efluente del recipiente que es transferido desde el lecho que está en ese momento en la fase de adsorción del ciclo hacia el lecho que está desorbiendo en ese momento) se ajustan como corresponde para conseguir una concentración de O_{2} similar en las corrientes de desecho en los
recipientes.

Un rasgo clave de esta invención es que ajusta sistemáticamente los tiempos de las etapas cíclicas individuales (tiempo de alimentación, tiempo de purga, tiempo de compensación) para mantener al sistema global en sus niveles de presión óptimos. Cambiar los tiempos de las etapas para cualquier propósito, sin elegir específicamente los tiempos, para mantener los requerimientos de presión y reflujo global del sistema dará como resultado un rendimiento no óptimo. La invención no tiene necesidad de programar con precisión el registro de la concentración de O_{2}. Simplemente monitoriza la pureza mínima para cada ciclo y luego las compara.

La técnica anterior también ha intentado registrar la presión de cada recipiente y hacer después comparaciones a intervalos fijos o, lo más típicamente, tiempos de etapa. Se ha mostrado que esto es ineficaz, ya que los cambios de temperatura y las diferencias entre los lechos inherentes al material adsortivo pueden conducir a situaciones donde la presión en cada lecho concuerda, pero los propios lechos están significativamente fuera de tono y la producción es menor que la óptima. La medición de la presión diferencial del lecho (la diferencia entre la presión de la cabeza del lecho y la presión del fondo del lecho) tomada durante la etapa de compensación para cada recipiente también ha sido usada para la regulación del proceso. Ensayos de campo de este procedimiento indican que esto no produce los mismos resultados eficaces que armonizar la pureza mínima en la corriente residual.

Mantener una relación de presiones de ciclo optimizada, cercana al punto de diseño, junto con un equilibrado del efluente del recipiente adsorbente proporciona una ventaja económica significativa. Monitorizando las presiones de los ciclos y alterando posteriormente los tiempos de las etapas cíclicas para mantener un valor óptimo, se maximiza el rendimiento de la planta y se evitan paradas innecesarias. Además, mantener una relación de presiones optimizada del sistema asegura que se optimiza la producción de la planta y se minimiza el consumo de energía. El equilibrado de los efluentes de los recipientes adsorbentes, usando las correspondientes purezas de desecho, conduce a una mejora significativa en la producción de la planta.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama de etapas cíclicas de VPSA.

La Fig. 1B es un cuadro que enumera las condiciones del proceso VPSA y las presiones de los canales internos.

La Fig. 1C es un diagrama de equipo VPSA para llevar a cabo la invención.

La Fig. 2 muestra un gráfico de eficacia del compresor de vacío frente a presión de succión del compresor de vacío tanto para un montaje de compresor de vacío de etapa única como de dos etapas.

La Fig. 3 ilustra una traza de O_{2} residual (efluente) recogida en el campo.

Descripción detallada de la realización preferida

La invención, como se describe más adelante, controla un sistema VPSA con el fin de tanto minimizar el consumo de energía como mantener un funcionamiento continuo y rentable del sistema. Tal control se consigue manteniendo la relación de presiones de los ciclos (Pmax/Pmin) cercana a un nivel de diseño a la vez que se maximiza la producción de la planta. El control se consigue mediante la manipulación de los tiempos de etapa de los cíclos y el ajuste de los flujos de compensación y purga. Estas acciones ayudan a mantener una relación de presiones de ciclo cercana al diseño, a la vez que se maximiza la producción equilibrando la composición de las corrientes que entran y salen de cada recipiente adsorbente.

El tiempo global de los ciclos se manipula cambiando los tiempos de las etapas individuales (etapa de purga, etapa de compensación y tiempo global de alimentación) para producir el control deseado de la relación de presiones de los ciclos. La producción de cada uno de los recipientes adsorbentes se equilibra monitorizando la composición de las corrientes efluentes de los recipientes. Equilibrando el efluente de los adsorbentes, se incrementa la eficacia y producción de la planta. El equilibrado del efluente de los recipientes se consigue ajustando los flujos de gas de compensación y de purga.

El ciclo PPPCS (Presurización del Producto con Purga y Compensación Superpuesta) de relación baja de presiones para un sistema VPSA de dos lechos consiste en 12 etapas, y utiliza un compresor de vacío de manera continua. Típicamente, este ciclo produce gas oxígeno a 90-94% de pureza a partir de aire, y funciona con un tiempo de ciclo corto y un factor de tamaño de lecho bajo. Las descripciones de las etapas cíclicas a continuación son para un Lecho "A". Los Lechos A y B sufren las mismas etapas exactamente, pero 180 grados fuera de fase.

Las Figs. 1A (Diagrama de etapas de ciclo VPSA), 1B (Condiciones de proceso y presiones de canales internos de VPSA) y 1C (Diagrama de equipo de VPSA) ayudan a entender las etapas del proceso.

Etapa 1

Alimentación a presión creciente con compensación superpuesta: El compresor de alimentación se carga durante esta etapa. El Lecho A (por ejemplo) es presurizado simultáneamente por el fondo con aire de alimentación y por la parte superior con gas de compensación suministrado desde el recipiente de despresurización (es decir, el Lecho B).

Etapa 2

Alimentación a presión creciente con presurización superpuesta del producto: se añade ahora producto de alta pureza a la cabeza del Lecho A desde el tanque de compensación de oxígeno, a la vez que se suministra aire de alimentación mediante el compresor de alimentación. Esta etapa se usa para afilar el frente de adsorción a la vez de incrementar simultáneamente la presión en el lecho.

Etapa 3

Alimentación a presión creciente: La alimentación continúa entrando en el Lecho A mediante el compresor de alimentación. El Lecho A está creciendo en presión moviéndose hacia una presión establecida antes de que se permita al proceso formar el producto. La presión al final de la etapa está tan cercana como es posible a la presión de adsorción máxima para el volumen del tanque de producto y el sistema de control de la presión dados.

Etapa 4

Alimentación a presión constante con formación de producto: La presión en el Lecho A se mantiene relativamente constante durante esta etapa, haciendo concordar el aire de alimentación al recipiente con la retirada de producto por la cabeza del recipiente. El gas producto se suministra al tanque de compensación de oxígeno.

Etapa 5

Alimentación a presión constante con formación de producto y purga: El flujo de aire de alimentación al fondo del recipiente del Lecho A continúa, mientras el oxígeno producto es enviado al tanque de compensación de producto y al recipiente despresurizado (Lecho B) como gas oxígeno de purga. Los flujos son armonizados para mantener la presión del recipiente casi constante. La pureza del oxígeno producto durante esta etapa permanece relativamente constante y la etapa se termina antes de que el frente de pureza atraviese la cabeza del Lecho A.

Etapa 6

Compensación a presión descendente: Durante esta etapa el flujo de gas de alimentación al recipiente del Lecho A es interrumpido cerrando la válvula de alimentación. El compresor de aire de alimentación se descarga abriendo un respiradero localizado en el lado de descarga del sistema. El gas de pureza inferior que permanece en la cabeza del Lecho A presurizado es transferido al recipiente despresurizado (Lecho B), igualando así casi la presión en los dos recipientes. Esto se hace como una mejora del proceso, ya que permite la recuperación de energía de presión y de gas O_{2} de concentración relativamente alta que está contenido en la cabeza del recipiente.

Etapa 7

Evacuación a presión descendente con compensación superpuesta: La retirada de nitrógeno residual mediante el compresor de vacío se inicia durante esta etapa, a la vez que el recipiente del Lecho A es despresurizado simultáneamente por la cabeza mediante el flujo descendente de compensación hasta el recipiente de adsorción de presión ascendente (Lecho B).

Etapa 8, 9 y 10

Evacuación a presión descendente: Estas tres etapas son una continuación del periodo de evacuación. El nitrógeno residual se retira por el fondo del recipiente del Lecho A, mientras que no hay flujo saliendo o entrando por la cabeza del recipiente.

Etapa 11

Evacuación a presión constante con purga de oxígeno: El compresor de vacío continúa retirando nitrógeno por el fondo del recipiente del Lecho A a la vez que se añade gas oxígeno de purga a la cabeza del recipiente. La presión permanece relativamente constante durante esta etapa, debido al hecho de que el flujo de oxígeno de purga se controla para que sea igual al flujo de evacuación.

Etapa 12

Compensación a presión creciente: El compresor de vacío continúa evacuando nitrógeno a la vez que se alimenta oxígeno de compensación desde el lecho presurizado (Lecho B) a la cabeza del recipiente despresurizado (Lecho A). La presión en el Lecho A sube durante esta etapa porque el flujo de compensación hacia dentro del recipiente es mayor que el flujo de evacuación hacia fuera del recipiente. El compresor de alimentación que estaba alimentando al Lecho B se descarga durante esta etapa.

La relación de presiones para el ciclo se calcula dividiendo la presión máxima de descarga del compresor de alimentación (que se produce al final de la etapa 5 para el Lecho A; etapa 11 para el Lecho B) por la presión mínima de succión del compresor de vacío (que se da al final de la etapa 11 para el Lecho A; etapa 5 para el Lecho B).

El ciclo VPSA de relación de presiones estándar utiliza un compresor de vacío de dos etapas, y desarrolla una presión diferencial grande a través del montaje del compresor de vacío (succión del compresor de vacío para descarga, presión diferencial 72,4 kPa). El ciclo VPSA de baja relación de presiones consiste en un compresor de vacío de sólo una única etapa y se consigue una presión diferencial considerablemente más pequeña (\sim55,1 kPa) a través del compresor de vacío. La relación de presiones resultante es considerablemente más pequeña que con un montaje de compresor de vacío de dos etapas (\sim20,7 contra \sim34,5 kPa).

Los compresores de vacío de etapa única usados en las plantas VPSA pueden alcanzar una presión diferencial máxima de \sim56,6 kPa. Para que un proceso de relación de presiones estándar alcance su presión diferencial necesaria, se deben usar dos compresores de vacío. Pero, incorporando el ciclo de relación baja de presiones, se rebajan los costes, dado que solo se necesita un compresor de vacío. Además, la relación de presiones del proceso (que está intrínsecamente ligada a la presión diferencial de succión de vacío) necesita ser controlada con exactitud con el fin de posibilitar el uso de un único compresor de vacío.

Regulación para mantener la relación de presiones

El control de la presión es crítico en los ciclos VPSA de baja relación de presiones. La invención emplea un compresor de alimentación y un compresor de vacío de etapa única. El compresor de vacío funciona a una presión diferencial cercana a su máximo de diseño y a niveles de presión en los que la eficacia disminuye notablemente al crecer los niveles de vacío. La Fig. 2 muestra un gráfico de Eficacia del Compresor de Vacío frente a Presión de Succión del Compresor de Vacío, tanto para un montaje de compresor de vacío de etapa única como de dos etapas. Mientras la presión de succión se reduce desde una presión de succión de 55,2 kPa (presión diferencial del compresor de vacío de 44,8 kPa) hasta 41,4 kPa (58,6 kPa), la relación de presiones se incrementa, a la vez que la eficacia de la máquina disminuye. Con un límite de presión de succión de diseño de la máquina de aproximadamente 41,4 kPa, mientras la presión de succión cae más cerca de este límite, la eficacia cae rápidamente. Es por tanto importante mantener la presión de succión a un nivel donde el nivel de eficacia a vacío sea tolerable, y la producción de la planta se optimice usando la relación de presiones. Los cambios en las condiciones ambientales, la selección del equipo, los parámetros de regulación, las temperaturas de funcionamiento, los sistemas refrigeradores y las fugas de las válvulas afectarán a los niveles de presión de funcionamiento y al funcionamiento global del sistema.

Para condiciones fijas (ausencia de cualquier alteración), las presiones del proceso PSA permanecerán constantes con el tiempo. Los valores reales que alcanzan en cada ciclo dependerán de la capacidad de almacenamiento de gas del sistema, el equipo utilizado en el sistema, y los tiempos de las etapas individuales.

En general, la máquina de aire de alimentación añade gas al sistema, incrementando su presión a algún valor alto, y el compresor de vacío retira gas del sistema a algún valor bajo. Siempre y cuando este equilibrio se mantenga, las presiones de proceso se repetirán, con alguna presión media. Esta presión media se define como la presión de la parte superior y del fondo sumadas y divididas por dos. Si fluye más gas hacia fuera que hacia dentro del sistema, las presiones de la parte superior, del fondo y media caerán, o viceversa. Asimismo, un alargamiento del ciclo incrementará las presiones de la parte superior y reducirá las del fondo. Un acortamiento del ciclo reducirá las presiones de la parte superior e incrementará las del fondo. Esto es porque está entrando o saliendo más flujo total de un sistema fijo pero de una manera proporcional.

La media cambiará algo para cada caso, pero su movimiento será mucho más pequeño respecto al movimiento de la presión de la parte superior y del fondo. Por tanto, es posible cambiar el intervalo de presiones a través del cual funciona el ciclo alargando o acortando los tiempos de las etapas. De hecho, el control de al menos una entre las presiones de la parte superior y del fondo puede ser mantenido monitorizando las presiones y cambiando el tiempo de ciclo para mantener las presiones dentro de la tolerancia o por debajo de valores máximos/mínimos.

En el funcionamiento real, se encuentran factores adicionales. Estos incluyen los flujos internos al sistema, tales como los de compensación y purga, y el flujo del producto. La cantidad de cada uno de estos flujos hacia y desde cada recipiente en el sistema efectuarán presiones en los recipientes. Estos flujos se controlan por el tiempo de etapa y/o las posiciones de la válvula de control. Sus tiempos de etapa pueden ser ajustados dentro de un tiempo de ciclo global fijo. Sus posiciones de la válvula pueden ser controladas para cambiar el flujo para un tiempo de etapa fijo. Adicionalmente, hay una válvula de control de la compensación para cada recipiente individual, haciendo posible tener diferentes flujos para cada recipiente durante un tiempo de etapa dado. Estas variables de control añadidas hacen posible ajustar el proceso a niveles de presión deseados dentro del control del nivel de la presión de la parte superior y del fondo mencionado anteriormente, y, dado que efectúan un funcionamiento recipiente a recipiente, pueden ser usados también para mantener un equilibrio apropiado entre los recipientes.

Los tiempos de etapa cíclica para las etapas 6 y 12, como se describe más adelante, son de particular importancia cuando se efectúan niveles de presión, ya que el compresor de alimentación está descargado durante aquellas etapas mientras la bomba de vacío continúa funcionando. Adicionalmente, hay un flujo interno de compensación de recipiente a recipiente. Así, tanto los flujos hacia como fuera del sistema, así como los flujos internos al sistema, pueden ser modulados durante la etapa para proporcionar un efecto máximo sobre las presiones del sistema.

Los compresores de vacío y de alimentación típicos se seleccionan para proporcionar una presión de fondo nominal de 41,4 a 51,7 kPa y una presión de la parte superior de 144,8 a 158,6 kPa con las etapas deseadas de compensación intermedia, purga, compensación superpuesta y presurización del producto. Ensayos piloto y de campo han demostrado que se pueden utilizar varias combinaciones de reflujo, que consisten en diversas cantidades de compensación, compensación superpuesta y purga, para obtener un rendimiento deseado particular de funcionamiento. Entonces, variando la cantidad de compensación a niveles más altos y más bajos, con una subsiguiente tasa de purga y de compensación superpuesta más baja o más alta, respectivamente, se puede conseguir un intervalo en presiones de la parte superior y de fondo sin alterar el desplazamiento de los compresores.

Por tanto, la presión del fondo puede ser elevada o disminuida a la vez de mantener una presión de la parte superior casi constante. Adicionalmente, la presión de la parte superior también puede ser elevada o disminuida a la vez de mantener una presión del fondo casi constante, utilizando este concepto simultáneamente con etapas de adsorción más largas o más cortas.

Regulación para mantener el equilibrio entre los efluentes del recipiente adsorbente

Los anteriores sistemas PSA de lechos múltiples han empleado las temperaturas de los lechos y los niveles de presión para mantener el equilibrado de los lechos. El uso de lechos radiales con adsorbentes avanzados de alta velocidad, cuentas pequeñas, factores de tamaño de lecho pequeño y longitudes de lecho cortas complica esta regulación. Los sistemas VPSA futuros tendrán frentes de adsorción crecientemente más afilados con lechos más cortos, y los efectos de un equilibrado deficiente se harán progresivamente más perjudiciales para el rendimiento de la planta.

Para un VPSA de O_{2} de dos lechos, una medida clave del equilibrio de los lechos puede ser determinada monitorizando la concentración de O_{2} del efluente para cada recipiente durante su etapa de regeneración. Esto se puede lograr con un analizador en la salida de cada lecho o, preferiblemente, con un único analizador en la tubería común justo corriente abajo de las válvulas de conmutación de desecho. Ubicando el sensor directamente en el canal del flujo que abandona el recipiente, es posible eliminar una bomba de muestras, que se requeriría para extraer flujo por el canal de evacuación. Cuando el sistema detecta un desequilibrio, los flujos de compensación se ajustan de una manera que restaura el equilibrio. El flujo es variado enviando un punto de referencia calculado por ordenador a la válvula automática que controla los flujos de compensación. Un punto de referencia más alto hacia la válvula permitirá que fluya más gas. Cada lecho tiene una válvula de control separada para la compensación, con lo que son posibles diferentes flujos para cada lecho.

Solo se requieren diferencias de concentración relativas para proporcionar el equilibrado. Los ensayos han mostrado que los lechos se equilibran mejor monitorizando la concentración de efluente a lo largo de toda la etapa de desorción, y determinando la concentración mínima de O_{2} o límite de desplazamiento para cada lecho. Estos valores se comparan para cada lecho y se hacen ajustes del equilibrio de acuerdo con sus diferenciales.

Los ensayos muestran además que los niveles mejorados de equilibrio del residuo darán como resultado niveles mejorados de equilibrio del producto de la parte superior y conseguirán una producción optimizada para las condiciones del ciclo global. El controlador lógico incrementará el caudal de compensación hacia el lecho con la pureza en oxígeno residual más baja y simultáneamente disminuirá la compensación hacia el lecho con la pureza residual más alta.

La Fig. 3 ilustra una traza de O_{2} residual recogida en el campo. Nótese que el lecho "A" está funcionando con una pureza residual mínima de 4,1% de O_{2}, y el lecho "B" está funcionando con una pureza residual mínima de 5,0% de O_{2}. Para este caso, el ajuste apropiado es incrementar el caudal de compensación que sale del Lecho B y que entra en el lecho A. Los ajustes de caudal de lecho a lecho se hacen cautelosamente, cambiando los ajustes de la válvula automática de control sólo un pequeño tanto por ciento cada vez. Si estos caudales se cambian drásticamente, la planta llegará a ser inestable y los lechos nunca alcanzarán un estado equilibrado.

Se tendrá una planta regulada cuando cada uno de los dos lechos tenga el mismo valor mínimo o cuando el valor absoluto de su diferencia sea casi cero. La Fig. 3 ilustra la lógica usada durante el equilibrado de los lechos.

1

Para un sistema con bomba de vacío de etapa única, la regulación es mucho más crítica que en un sistema con bomba de vacío de dos etapas. El rendimiento del adsorbente usado en el sistema VPSA de oxígeno mejora consistentemente según se incrementa la relación de presiones global (causada por la presión de succión de vacío decreciente). Dado que el rendimiento del adsorbente usado en el proceso VPSA es extremadamente sensible a la relación de presiones global del proceso, es importante maximizar el rendimiento de la planta para un sistema con bomba de vacío de etapa única. Un desequilibrio en un proceso con relación de presiones baja es considerablemente más perjudicial para la capacidad del sistema que en un sistema de dos etapas.

Datos experimentales

La Tabla 1 muestra datos de proceso recogidos del campo y de una planta piloto. Los datos demuestran las diversas etapas de reflujo y su efecto sobre los parámetros de funcionamiento VPSA:

TABLA 1

2

Estos datos muestran cambios en las etapas de reflujo (etapas de purga y compensación) con presión de fondo variada de 40,0 a 49,0 kPa, con un cambio correspondiente en la relación de presiones de 3,85 a 3,35. Los datos demuestran la capacidad de la invención para afectar al nivel de presión del fondo a la vez de mantener la misma presión de la parte superior. Los datos también muestran que la capacidad global de la planta y el consumo unitario de energía fue relativamente constante para todas las condiciones en los casos de campo. Nótese que estos ensayos se realizaron con una bomba de vacío de 2 etapas. Con una presión de fondo más baja de 40,0 kPa, habría resultado una energía unitaria más alta si se usara una bomba de vacío de etapa única.

Eficacia del compresor de vacío

En la Fig. 2 se muestra una representación que muestra la eficacia del montaje del compresor de vacío (de etapa única y de dos etapas) frente a la presión de Succión de Vacío. El gráfico de la Fig. 2 muestra cómo la eficacia del montaje del compresor de vacío cambia con un incremento en la presión diferencial (debido a una disminución en la presión de succión) a través del montaje. El gráfico muestra que para el montaje de vacío de 2 etapas, la eficacia permanece relativamente constante para un gran segmento del gráfico, y no empieza a disminuir significativamente hasta que la presión de succión alcanza \sim34,5 kPa.

La máquina de etapa única, aunque tiene una eficacia más alta a las presiones de succión elevadas, empieza a perder eficacia a \sim68,9 kPa. La eficacia del compresor de etapa única llega a ser peor que la máquina de dos etapas a \sim55,1 kPa, y según cae la presión de succión, la eficacia continúa disminuyendo rápidamente. La máquina de dos etapas es mucho más permisiva según pierde presión de succión. La representación muestra que un control exacto de la presión de succión del compresor de vacío, junto con la relación de presiones global, es importante cuando se optimiza el rendimiento del ciclo PPPCS de baja relación de presiones.

Ejemplo típico de aplicación de la regulación

Un sistema dado se regula para las siguientes condiciones: 44,8 kPa de presión de fondo, 148 kPa de presión de la parte superior, etapa de purga de 4 segundos, etapa de compensación de 2 segundos, etapa de compensación superpuesta de 2 segundos, tiempo de ciclo 30 segundos, y funcionamiento a temperatura ambiente de 26,7ºC.

Una alteración entra en el sistema de alguna forma, tal como una variación en la temperatura ambiente, una fluctuación en la demanda del cliente, u otras. Para este ejemplo la temperatura es bajada hasta -1,1ºC. Bajo estas condiciones, un compresor de aire de alimentación de desplazamiento fijo suministrará aproximadamente un 10% más de aire de alimentación, en base a peso, y, a no ser que se altere el tiempo de ciclo, el incremento en el flujo de masa hará que cambie la presión de la parte superior de la planta, de manera consistente con las nuevas condiciones de temperatura.

Si el tiempo de la etapa de adsorción se reduce, la presión de la parte superior puede ser mantenida en la que se supone en este ejemplo. El cambio en la temperatura ambiente no afectará de manera significativa a la bomba de vacío y, como resultado, la presión de fondo se desplazará desde el valor deseado de 44,8 kPa a una presión más alta.

Un posible resultado de este escenario es que el efecto de la temperatura ambiente sobre el compresor de alimentación, las nuevas temperaturas de lecho, más frías, y el tiempo de adsorción ajustado, interactúen de una manera que provoque que la presión del fondo aumente por encima del valor deseado de 44,8 kPa. Si ocurre esto, la presión del fondo puede ser restaurada al intervalo optimizado sin afectar a la presión de la parte superior acortando la etapa de purga a \sim3 segundos, e incrementando la etapa de compensación a \sim2,5 segundos, con una etapa superpuesta de \sim1,5 segundos, y una etapa de adsorción ligeramente más larga. El funcionamiento del sistema estará cerca, una vez más, de las condiciones deseadas, con la presión de la parte superior y del fondo a 148,2 kPa y 44,8 kPa respectivamente.

Asimismo, si la presión del fondo es demasiado baja, la etapa de purga puede ser incrementada hasta \sim5 segundos, con una etapa de compensación más corta de \sim1,5 segundos y una etapa superpuesta de \sim2 segundos, y una etapa de adsorción ligeramente más corta.

Sistema de control de la autorregulación de la presión en el ciclo VPSA de O_{2} de dos lechos

Se discutirá la autorregulación con respecto al ciclo PPPCS de VPSA de O_{2} de la etapa 12, ilustrado en la Fig. 1B. El objetivo es hacer funcionar un sistema VPSA/ PSA cerca de los límites de presión superior e inferior, pero sin excederlos, por todo el intervalo de condiciones de funcionamiento de la planta.

El punto de referencia de la presión de la parte superior se establece justo por debajo de la presión de descarga de alimentación (fijada a partir de la presión diferencial máxima del compresor recomendada por el fabricante). Esto se hace para intentar hacer funcionar el sistema tan cercanamente como sea posible a la presión deseada de la parte superior sin tener abierto el respiradero del compresor de alimentación, descargando así la máquina de aire de alimentación. Descargar el compresor de alimentación causaría que el aire de alimentación se purgara y daría como resultado una ineficacia del proceso y una alteración del control del sistema.

El punto de referencia de la presión del fondo se establece justo por encima de la presión de alarma de vacío (fijada en el sistema VPSA usando la presión diferencial máxima de los compresores recomendada por el fabricante). Esto se hace para impedir que la bomba de vacío funcione con una presión diferencial demasiado alta, que al final puede activar una parada y causar que la planta se pare. Puede impedir también que la planta haga funcionar el compresor de vacío en puntos fuera de diseño desde el punto de vista de la eficacia.

El tiempo de ciclo del proceso se ajusta automáticamente para hacer funcionar el sistema de tal modo que la más alta de las dos presiones de la parte superior de los lechos (cada una para el Lecho A y el Lecho B) esté en el punto de referencia de la presión de la parte superior, o la más baja de las dos presiones de fondo esté en el punto de referencia de la presión de fondo.

Regulación para mantener la relación de presiones

La magnitud global de la oscilación de la presión en los lechos se incrementa o disminuye alargando o acortando el periodo de tiempo durante el cual un lecho está siendo alimentado (tiempo de adsorción) y el otro está siendo evacuado. Se producirá un incremento en la oscilación de la presión cuando el tiempo de ciclo global se alargue, porque se añade más gas a un volumen "fijo", elevando así la presión de la parte superior, y se evacúa más gas desde el mismo volumen "fijo", disminuyendo así la presión del fondo.

Regulación para equilibrar el efluente del recipiente de adsorción

El perfil de presiones es desplazado a presiones más altas o más bajas cambiando la duración del tiempo en que se descarga el compresor de alimentación mientras se carga el compresor de vacío. Esto se logra incrementando o disminuyendo el tiempo de la etapa de compensación. Esto no sólo cambia las cantidades relativas de alimentación y evacuación; también cambia la cantidad de gas de compensación que pasa de un lecho al otro. Esto es contrarrestado cambiando el temporizador de la etapa de purga en la dirección opuesta. En otras palabras, una reducción del tiempo (y flujo) de compensación es acompañado por un incremento en el tiempo (y flujo) de purga. El resultado final es que un incremento en el tiempo de compensación y una disminución en el tiempo de purga bajarán las presiones de ciclo de la parte superior y de fondo. Una disminución en el tiempo de compensación y un incremento en el tiempo de purga elevarán las presiones de la parte superior y de fondo.

En la aplicación, la regulación para mantener la relación de presiones ajusta el ciclo para conseguir que uno de los dos lechos alcance el punto de referencia de la presión de la parte superior o del fondo, mientras que las presiones del otro lecho se quedan entre estos puntos de referencia. La regulación para equilibrar el efluente del recipiente ajusta entonces el ciclo para ubicar las presiones de la parte superior y del fondo entre los puntos de referencia. Actuando en un bucle, ambos conceptos de regulación harán que se mantenga la relación de presiones global y alargarán el ciclo de tal modo que cada uno de los puntos de referencia de alimentación y evacuación son alcanzados por un lecho, sin sobrepasar ninguno de los lechos los puntos de referencia.

Especificidades

Las presiones de la parte superior y del fondo son comprobadas para cada lecho (al inicio de las etapas de compensación 6 y 12). Estos valores se comparan frente a los puntos de referencia y se calculan las compensaciones.

Etapa 6

Compensación de la parte superior del lecho A = punto de referencia de la presión de la parte superior - presión de la parte superior de A

Compensación del fondo del lecho B = presión de fondo de B - punto de referencia de presión del fondo

Etapa 12

Compensación de la parte superior del lecho B = punto de referencia de la presión de la parte superior - presión de la parte superior de B

Compensación de fondo del lecho A = presión de fondo de A - punto de referencia de presión del fondo

Autorregulación del tiempo de alimentación

La más grande en magnitud (valor absoluto) de las cuatro compensaciones se usa como compensación del tiempo de alimentación. Esto se traduce en la presión que ha llegado más cerca (o ha ido más lejos) del punto de referencia. Está disponible una banda muerta ("deadband") de compensaciones en el controlador lógico.

Cada ciclo en la etapa 12, se calcula un ajuste de tiempo:

Ganancia de tiempo de alimentación x compensación = ajuste de tiempo de alimentación

Ejemplo

Compensación de la parte superior del Lecho A = 0,5 (3,45 kPa); Compensación de la parte superior del Lecho B = 0,3 (2,07 kPa)

Compensación de fondo del Lecho A = 0,25 (1,72 kPa); Compensación de fondo del Lecho B = 0,3 (2,07 kPa)

1000 x (0,5 psia (3,45 kPa) * Factor de Corrección) = + 0,3 s

***Nota: el Factor de Corrección es interno al programa lógico y se usa para convertir el valor de la presión en un valor más manejable con respecto al control lógico.

Este ajuste puede ser positivo o negativo dependiendo de la compensación. El ajuste calculado no se deja que exceda de 1/2 segundo (+ o -).

Si la presión de cualquier lecho alcanza el punto de referencia de presión de descarga de alimentación o el punto de referencia de alarma de vacío, el cálculo anterior es ignorado y el tiempo de alimentación es reducido por el ajuste máximo (1/2 s). Esta reducción de tiempo puede suceder en cualquier semiciclo. Los límites máximo y mínimo del tiempo de alimentación impiden que los ajustes automáticos alcancen valores poco realistas.

Autorregulación del reflujo

La compensación del reflujo se calcula restando la más grande (en magnitud) de las dos compensaciones de fondo de la más grande (en magnitud) de las dos compensaciones de la parte superior para las etapas de purga y compensación (etapas de reflujo).

Cada sexto ciclo en la etapa 12, se calculan los ajustes de tiempo de la purga y de la compensación:

Ganancia de purga x compensación = ajuste de tiempo de purga

-1 x ganancia de compensación x compensación = ajuste de tiempo de compensación

Ejemplo

Compensación de la parte superior del Lecho A = 0,35 (2,41 kPa); Compensación de la parte superior del Lecho B = 0,2 (1,38 kPa)

Compensación de fondo del Lecho A = 0,2 (1,38 kPa); Compensación de fondo del Lecho B = 0,15 (1,03 kPa)

0,35 (2,41) - 0,2 (1,38) = 0,15 (1,03) (Compensación de reflujo)

ganancia de purga X compensación = ajuste de tiempo de purga

1000 x (0,15 psia (1,03 kPa) x Factor de Corrección) = + 0,1 s

-1 x 1000 x (0,15 psia (1,03 kPa) * Factor de Corrección) = - 0,1 s

Estos ajustes también pueden ser positivos o negativos y están limitados a + - 1/2 segundo. Se proporcionan los límites máximos para los tiempos de purga y compensación.

Debe entenderse que la descripción precedente es sólo ilustrativa de la invención. Los expertos en la técnica pueden idear diversas alternativas sin apartarse de la invención. Por consiguiente, la presente invención pretende abarcar todas las tales alternativas, modificaciones y variaciones que caigan dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

1. Un método de adsorción por oscilación de presión (PSA) para retirar un gas preferido de una mezcla gaseosa, realizado dicho método por al menos un lecho adsorbente que funciona durante ciclos plurales, comprendiendo cada ciclo etapas plurales en las que dicho lecho procede tanto mediante acciones de adsorción como de desorción, alimentado dicho lecho por medio de una bomba de presurización y evacuado por medio de una bomba de vacío, comprendiendo dicho método las etapas de:

a): monitorizar, en un ciclo, una presión máxima de alimentación a dicho lecho de dicha mezcla gaseosa durante la adsorción en él;

b): monitorizar, en un ciclo, una presión mínima de la evacuación desde dicho lecho de dicha mezcla gaseosa durante la desorción de él;

c): alterar los tiempos de etapa individuales (tiempo de alimentación, tiempo de purga, tiempo de compensación) y las corrientes de reflujo internas dentro de un ciclo, de acuerdo con las presiones monitorizadas en las etapas a) y b), para mantener una relación de presiones (Pmax/Pmin) de ciclo cercana a un nivel de diseño.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho método se realiza mediante al menos un primer lecho adsorbente y un segundo lecho adsorbente que funcionan durante ciclos plurales, comprendiendo cada ciclo las etapas a) a c), en el que, en la etapa c), los tiempos de las etapas individuales y los flujos a y entre dichos primer lecho adsorbente y segundo lecho adsorbente dentro de un ciclo son alterados, de acuerdo con las presiones monitorizadas en las etapas a) y b), y monitorizando la concentración de O_{2} del efluente para cada lecho durante su etapa de regeneración.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la etapa c) controla al menos uno entre el tiempo de la etapa de compensación, durante la cual se produce un flujo entre dichos primer lecho adsorbente y segundo lecho adsorbente, el tiempo de purga y el tiempo de la etapa de compensación superpuesta.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la etapa c) mantiene dicha presión máxima de alimentación y presión mínima de evacuación dentro de determinados puntos de referencia, de manera sustancialmente independiente, mediante un ajuste selectivo de los tiempos de etapa que influyen en cada una de dichas presiones.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que cada uno de dichos lechos es alimentado por medio de una bomba de presurización y evacuado por medio de una bomba de vacío, y en el que dicho medio de bombeo de presurización funciona a presiones que exceden la presión atmosférica y dicho medio de bombeo a vacío funciona a presiones por debajo de la presión atmosférica.

6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho gas preferido es oxígeno.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además las etapas de:

d): monitorizar en cualquier momento durante un ciclo, una concentración mínima de dicho gas preferido en los efluentes de ambos dichos lechos; y

e): en caso de un desequilibrio detectado en dicha concentración mínima entre dichos efluentes, ajustar los flujos de compensación entre dichos lechos para conseguir un equilibrio de concentraciones mínimas monitorizadas.