ES2952977T3 - Proceso para la separación de un componente de gas pesado de una mezcla gaseosa - Google Patents
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Abstract
Se refiere a un proceso de adsorción-desorción para la recuperación de un componente de gas pesado a partir de una mezcla de gases multicomponente que comprende un componente de gas pesado y un componente de gas ligero, en donde el proceso comprende al menos un ciclo de etapas llevadas a cabo en un sistema de lecho. en el que las etapas de un ciclo comprenden: a) introducir una mezcla de gases multicomponente (1) en un sistema de lecho (2), mientras se deja salir una corriente enriquecida en componentes ligeros (3); b) presurizar el sistema de lecho (2) introduciendo una corriente enriquecida con componentes pesados (4); c) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (5); d) repetir las etapas b) yc) hasta alcanzar la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes pesados (5) 4) es igual o superior al 5% molar; y e) desorber el componente gaseoso pesado del sistema de lecho (2); y regenerar el adsorbente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso para la separación de un componente de gas pesado de una mezcla gaseosa
Campo técnico
La presente invención se refiere a un proceso de adsorción-desorción para la separación de un componente de gas pesado, más particularmente dióxido de carbono, de una mezcla gaseosa y su obtención con una alta pureza y recuperación.
Estado de la técnica
La mayor proporción de las emisiones de CO2 en todo el mundo proviene de la quema de combustibles fósiles para la generación de energía y procesos industriales, tales como la fabricación del cemento, el acero o la industria química. La captura y el almacenamiento de carbono (CCS, por sus siglas en inglés) tiene como objetivo evitar la liberación de CO2 residual a la atmósfera, evitando, por tanto, el cambio climático. La CCS incluye tres etapas principales: la captura de CO2 a partir de residuos gaseosos de procesos industriales o gases de combustión, el transporte a un lugar de almacenamiento y el almacenamiento de CO2 normalmente en una formación geológica subterránea. Se han descrito varias opciones tecnológicas para estas etapas. Sin embargo, se deben superar muchos obstáculos tecnológicos antes de la comercialización.
La captura y utilización de carbono (CCU, por sus siglas en inglés) ha comenzado a atraer la atención en todo el mundo como una alternativa al almacenamiento geológico del CO2 mediante la conversión del CO2 capturado en productos comerciales, ya sea mediante el uso directo del CO2 capturado en otra aplicación o mediante su conversión en una nueva molécula en aplicaciones, tales como el procesamiento, la conservación y el envasado de alimentos, el tratamiento de agua o el aturdimiento de cerdos y aves de corral, por ejemplo.
La captura de CO2 es la primera etapa y la más costosa en un proceso de captura y almacenamiento/utilización de CO2. El reto de capturar el CO2 no está solo en las grandes cantidades implicadas, sino también en la dilución de CO2 con otros gases de los que se debe separar. De hecho, la mayoría de los procesos de captura que se han descrito en varias publicaciones no se aplican actualmente en procesos industriales debido a su elevado precio y la falta de rentabilidad.
Existen tres opciones básicas para la captura del dióxido de carbono de los gases residuales: la combustión previa, el proceso de oxicombustión y la combustión posterior. Actualmente, se prefiere el método de combustión posterior porque ofrece flexibilidad y permite la readaptación de las plantas de energía existentes. Dado que la concentración de CO2 en los gases de combustión después de un proceso de combustión convencional es normalmente bastante baja (<20 %), la penalización energética y los costes asociados para alcanzar una concentración de CO2 por encima del 95,5 % necesarios para el transporte y almacenamiento u otras aplicaciones son, en la mayoría de los casos, muy altos.
Se han desarrollado varios procesos de captura de CO2 de combustión posterior, tales como la absorción en disolventes, la adsorción por sorbentes sólidos (incluyendo la adsorción por oscilación de presión de vacío), la destilación criogénica y la separación con membrana.
Entre estos, la absorción por aminas es la más usada comúnmente. En este proceso, las aminas absorben el CO2 de los gases de combustión y, cuando la columna absorbente se satura, se hace pasar una corriente de vapor recalentado a su través (desprendimiento) para liberar el CO2 atrapado. Las desventajas de este proceso son la alta demanda de energía necesaria para la regeneración del disolvente en el proceso de desprendimiento y los problemas de corrosión asociados. La penalización energética también aplica a otras tecnologías de combustión posterior, ya sea a través de costes directos de energía o a través de una eficiencia energética reducida asociada a su operación. Recientemente, la adsorción por oscilación de presión de vacío (VPSA, por sus siglas en inglés) se ha convertido en una posible herramienta para la retirada de CO2 de los gases de combustión debido a su eficiencia energética y flexibilidad operativa.No obstante, los informes sobre separaciones con VPSA a escala piloto de CO2 son bastante escasos. El documento US2011315140 describe un proceso de absorción por oscilación de presión de vacío (VPSA) para separar el oxígeno del nitrógeno. El documento WO2009126607 describe un proceso para la recuperación de CO2 de fuentes de combustión, tales como gases de combustión. El CO2 se captura mediante el sometimiento de la corriente de alimentación de gas de CO2 a una etapa de adsorción por oscilación de temperatura que comprende una etapa de adsorción para la producción de una corriente seca empobrecida en dióxido de carbono y una etapa de regeneración del adsorbente que comprende calentar el lecho adsorbente para producir una corriente de dióxido de carbono libre de vapor de agua. El documento US4770676 describe el metano y dióxido de carbono de alta pureza recuperados en un sistema integrado de adsorción de varias columnas que tiene una sección de adsorción por oscilación de temperatura (TSA, por sus siglas en inglés) para el tratamiento previo de gas de vertedero crudo para retirar las trazas de impurezas del mismo y una sección de adsorción por oscilación de presión (PSA, por sus siglas en inglés) para la
separación en masa del CO2 del metano. El documento US2012279391 describe la adsorción de CO2 de una mezcla de gases que comprende N2 a presión elevada y el aumento de la concentración de CO2 dentro del lecho mediante la despresurización, seguida de una regeneración de lecho.
Por lo tanto, por lo que se conoce en la técnica, sigue existiendo la necesidad de desarrollar procesos de combustión posterior adicionales que permitan la captura de CO2, al tiempo que reduzcan los requisitos de energía y superen los problemas de la técnica anterior.
Resumen de la invención
Los inventores han desarrollado un proceso de adsorción-desorción para la recuperación de un componente de gas pesado (dióxido de carbono), de una mezcla multicomponente de gases, que contiene mayoritariamente un componente de gas ligero (nitrógeno). El proceso de separación de la invención se basa en el hecho de que el componente de gas pesado de la mezcla de gases es adsorbido selectivamente por un material adsorbente contenido en un lecho adsorbente, mientras que el componente de gas ligero que tiene menor afinidad o selectividad por el adsorbente se hace pasar mayoritariamente a través del absorbente sin retenerse o reteniéndose en menor medida. Después de la separación, el componente pesado se desorbe y se recupera y el adsorbente se regenera de tal manera que el proceso puede operar de manera continua.
Los inventores han hallado que, cuando el proceso comprende etapas específicas en las que el material adsorbente que contiene el componente de gas pesado se enriquece con más componente de gas pesado, el componente de gas pesado se puede recuperar con una mayor recuperación y pureza, al tiempo que se realiza un gasto de energía razonablemente bajo. Esto se ilustra en los experimentos a escala piloto que se muestran a continuación en los Ejemplos.
Gracias al control dinámico que se puede usar en algunas etapas del proceso para parámetros específicos, el proceso de la invención tiene la ventaja de que es eficaz no solo para una amplio intervalo de concentraciones del componente de gas pesado en la mezcla multicomponente de gases que se va a separar, sino que también es eficaz cuando existen fluctuaciones en la concentración de la fase pesada en la mezcla de gases. Además, debido al uso óptimo de la capacidad del lecho adsorbente, se puede reducir el consumo total de energía.
Adicionalmente, la producción del componente de gas pesado, en particular, su pureza, se puede ajustar en función de las necesidades de consumo. Por ejemplo, la producción se puede aumentar mediante el uso de una pluralidad de sistemas de lecho adsorbente y/o mediante el uso de sistemas de lecho que contengan una pluralidad de lechos individuales interconectados. Esta característica permite que el proceso se pueda adaptar a una diversidad de situaciones de conformidad con los requisitos específicos de cada planta en la que se va a implementar el proceso. Por lo tanto, un aspecto de la invención se refiere a un proceso de adsorción-desorción para la recuperación de un componente de gas pesado de una mezcla multicomponente de gases, que comprende un componente de gas pesado que es dióxido de carbono y un componente de gas ligero que es nitrógeno, donde el proceso comprende al menos un ciclo de etapas que se lleva a cabo en un sistema de lecho, donde las etapas de un ciclo comprenden:
a) introducir una mezcla multicomponente de gases (1) a una presión de 100 a 600 KPa en un sistema de lecho (2) que es una estructura hueca que encierra un volumen interior y que tiene una longitud que es superior a su diámetro, donde el adsorbente retiene el componente de gas pesado de la mezcla multicomponente de gases (1), al tiempo que deja salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (3) del sistema de lecho (2); b) presurizar el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes pesados (4) en el sistema de lecho (2), hasta una presión superior a la presión de la etapa a), en particular, hasta una presión que es de 1,1 a 3 veces la presión de la etapa a), siendo esta presión de 110 a 900 KPa; y, a continuación, detener la alimentación (4);
c) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (5) del sistema de lecho (2), hasta una presión igual o inferior a la presión de la etapa a), en particular, hasta una presión que es de 0,5 a 1 veces la presión de la etapa a), siendo esta presión de 100 a 600 KPa; y, a continuación, detener la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (5);
d) repetir las etapas b) y c) hasta que la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes pesados (4) es igual o superior al 5 % en moles;
e) desorber el componente de gas pesado del sistema de lecho (2) para dar una corriente enriquecida con componentes pesados (6) que contiene el componente de gas pesado; y regenerar el adsorbente.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama de flujo simplificado esquemático que ilustra una realización particular de un ciclo de proceso que comprende las etapas a) a e) que se lleva a cabo en un sistema de lecho (2).
La Figura 2 es un diagrama de flujo esquemático que ilustra una realización particular de la etapa e) del proceso que incluye las etapas i) a iii) que se llevan a cabo en un sistema de lecho (2).
La Figura 3 es un diagrama de flujo esquemático que ilustra una realización particular de un ciclo de proceso que incluye las operaciones 1-7: alimentación a baja presión (LPF, por sus siglas en inglés) (1), reflujo a alta presión (h Pr , por sus siglas en inglés) (2), despresurización de componentes ligeros (LCD, por sus siglas en inglés) (3), reflujo de componentes pesados (HCR, por sus siglas en inglés) (4), recuperación a baja presión (LPR, por sus siglas en inglés) (5), purga bidireccional (BDP, por sus siglas en inglés) (6) y presurización de ecualización (EQP, por sus siglas en inglés) (7).
La Figura 4 es un diagrama de flujo esquemático que ilustra una realización particular de un sistema para llevar a cabo el proceso de separación que comprende tres sistemas de lecho (A: tanque de almacenamiento de mezcla; B: tanque de almacenamiento de fracciones ligeras; C: tanque de almacenamiento de fracciones pesadas).
Descripción detallada de la invención
Todos los términos y las expresiones que se usan en el presente documento en la presente solicitud, a menos que se indique de otro modo, se entenderán en su significado habitual, tal como se conoce en la técnica. Otras definiciones más específicas para determinados términos y expresiones, tal como se usan en la presente solicitud, son tal como se describen a continuación y están destinadas a aplicarse de manera uniforme a lo largo de la memoria descriptiva y las reivindicaciones.
El término "aproximadamente" o la expresión "alrededor de", tal como se usa en el presente documento, se refiere a un intervalo de valores ±10 % de un valor especificado. Por ejemplo, la expresión "aproximadamente 10" o "alrededor de 10" incluye ±10 % de 10, es decir, de 9 a 11.
Para los fines de la invención, las presiones indicadas en el presente documento se refieren a presiones absolutas, es decir, incluyendo la presión atmosférica. En otras palabras, las presiones indicadas en el presente documento se refieren a las presiones por encima de las del vacío absoluto (que es la presión cero).
Los porcentajes a los que se hace referencia en el presente documento son porcentajes molares o en volumen. La expresión "porcentaje molar" (% en moles) se refiere al porcentaje de un componente (en moles) en relación con el total de moles presentes en una determinada mezcla, con la condición de la suma de las cantidades de los componentes de la mezcla sea igual al 100 %.
La expresión "concentración relativa del componente de gas pesado", tal como se usa en el presente documento, se refiere a la concentración del componente de gas pesado (en moles) en una primera mezcla con respecto a la concentración del componente de gas pesado (en moles) en una segunda mezcla y se expresa en %. Por ejemplo, si la concentración del componente de gas pesado en una primera mezcla es del 18 % en moles y la concentración del componente de gas pesado en una segunda mezcla es del 5 % en moles, entonces la concentración relativa del componente de gas pesado en la segunda mezcla con respecto a la primera mezcla es del 27,8 % en moles.
La expresión "volumen relativo de un gas" en una corriente específica se refiere al volumen normal del gas (en L en condiciones normales de temperatura y presión [NTP, por sus siglas en inglés]) en esa corriente con respecto al volumen normal total del sistema de lecho (en L en condiciones convencionales de temperatura y presión) y se expresa en %.
La expresión "gases de combustión" incluye los gases de escape de cualquier tipo de proceso de combustión (incluyendo carbón, aceite, gas natural, compuestos petroquímicos, biomasa, materia prima de vidrio y similares). Típicamente, un gas de combustión contiene oxígeno (O2) en una concentración del 0 al 8 % en moles; monóxido de carbono (CO) en una concentración de 0 a 100ppmv ; óxidos de nitrógeno (NOx), incluyendo NO y NO2, en una concentración de 0 a 800 ppmv ; óxidos de azufre (SOx), incluyendo dióxido de azufre (SO2), en una concentración de 0 a 1.000 ppmv ; hidrógeno (H2), en una concentración de 0 a 10 ppmv ; dióxido de carbono (CO2) en una concentración del 9 al 20 % en moles; y agua (H2O) en una concentración del 5 al 18 % en moles, siendo el restante hasta el 100 % en moles de nitrógeno; donde los % se expresan con respecto a los moles totales de la mezcla de gases.
El término ppmv , tal como se usa en el presente documento, se refiere a ppm en volumen.
La expresión "sistema de lecho", el término "columna", el término "adsorbente" o la expresión "lecho adsorbente" se usan en el presente documento de manera intercambiable y se refieren a una estructura hueca, en particular, una estructura cilíndrica, que encierra un volumen interior que contiene el material adsorbente sólido. El sistema de lecho tiene, típicamente, una longitud (por ejemplo, de 2 m) que es mayor que su ancho o diámetro (por ejemplo, diámetro típico de 0,15 m). El sistema de lecho puede tener diferentes entradas y salidas de gas que se pueden localizar en la parte superior de la columna, en la parte inferior de la columna o a lo largo de la parte axial o de su longitud (es decir, a lo largo de la parte más larga del lecho), tal como se muestra, por ejemplo, en la Figura 2 eii) o eiii).
Tal como se usa en el presente documento, el término "presurizar" significa aumentar la presión dentro del sistema de lecho con respecto a la presión a la que se encontraba el sistema de lecho antes de la etapa de presurización. Por el contrario, el término "despresurizar" está destinado a significar la disminución de la presión dentro del sistema de lecho hasta una presión inferior a la presión del sistema de lecho antes de que se realizara la etapa de despresurización. Por ejemplo, las presiones del sistema de lecho se pueden supervisar mediante transmisores de presión y la regulación del sistema de presión se controla mediante controladores de gas a presión basándose en una presión de suministro para llevar a cabo el proceso automático.
Para los fines de la invención, las expresiones "componente de gas pesado", "componente pesado", "fase pesada" o "fracción pesada", tal como se usan en el presente documento, se refieren al componente de la mezcla multicomponente de gases que se adsorbe más fuertemente mediante el material adsorbente, es decir, el componente que tiene mayor tendencia a quedar retenido en los poros del adsorbente. Esto significa que el adsorbente es más selectivo o tiene más afinidad por el componente pesado. Por el contrario, las expresiones "componente de gas ligero", "componente ligero", "fase ligera" o "fracción ligera" se refieren al componente de la mezcla multicomponente de gases que se adsorbe más débilmente mediante el material adsorbente, es decir, los componentes que tienen menor tendencia a quedar retenidos en los poros del adsorbente. A efectos de ejemplo, en una mezcla de gases de combustión, el dióxido de carbono se considera el componente de gas pesado y el nitrógeno se considera el componente de gas ligero de acuerdo con las definiciones anteriores.
Además, la expresión "mezcla multicomponente de gases" también se denomina "mezcla de alimentación". Además, el término "alimentación" se refiere a la introducción de una corriente de gas en un sistema de lecho. En algunas realizaciones, esto también se puede denominar "reflujo".
La expresión "corriente enriquecida con componentes ligeros" se refiere, en el presente documento, a una corriente de gas que contiene principalmente los componentes de gas ligeros, en particular, contiene una cantidad igual a o mayor del 60 % en moles, más particularmente igual a o mayor del 70 % en moles, 80 % en moles, 90 % en moles, 95 % en moles, de los componentes de gas ligeros. Por el contrario, la expresión "corriente enriquecida con componentes pesados" se refiere a una corriente de gas que contiene principalmente el componente de gas pesado, en particular, contiene una cantidad igual a o mayor del 60 % en moles, más particularmente igual a o mayor del 70 % en moles, 80 % en moles, 90 % en moles, 95 % en moles, de los componentes de gas pesados. A efectos de ejemplo, en una mezcla de gases de combustión, el dióxido de carbono es el componente de gas pesado y está contenido en las corrientes de dióxido de carbono y el nitrógeno es el componente de gas ligero y está contenido en las corrientes enriquecidas con nitrógeno.
El término "adsorbente", tal como se usa en el presente documento, se refiere al material que captura selectivamente el componente de gas pesado de la mezcla multicomponente de gases. Un adsorbente ideal debe presentar una alta capacidad de trabajo (alta capacidad de adsorción y buenas condiciones de regeneración), grandes dimensiones de poro para limitar las resistencias de transferencia de masa, estabilidad térmica y mecánica y reciclabilidad. Algunos ejemplos de adsorbentes que se pueden usar en el proceso de la invención, en particular, para la captura de dióxido de carbono, se describen, por ejemplo, en Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2015, Vol. 23, páginas 1 11. Para los fines de la invención, el adsorbente puede consistir en un material adsorbente individual o en una mezcla de dos o más tipos diferentes de adsorbentes.
La presente invención se refiere a un proceso de adsorción-desorción para la recuperación de un componente de gas pesado de una mezcla multicomponente de gases. La expresión "proceso de adsorción-desorción" se refiere al hecho de que el proceso comprende al menos una etapa de adsorción (etapa a), en la que un componente se adsorbe en un material adsorbente, y al menos una etapa de desorción (etapa e), en la que el componente previamente adsorbido se desorbe del material adsorbente y, por tanto, se regenera el adsorbente.
Tal como se conoce en la técnica, el adsorbente se puede regenerar de varias maneras, incluyendo por oscilaciones de presión, temperatura o eléctricas. En función del método usado, el proceso de adsorción-desorción recibe un nombre diferente. Por tanto, en un proceso de adsorción por oscilación de presión (PSA), el adsorbente se regenera mediante la reducción de la presión total. Cuando la presión más baja está por debajo de la presión atmosférica, el proceso se denomina adsorción por oscilación de presión de vacío (VPSA). Por el contrario, en un proceso de adsorción por oscilación de temperatura (TSA), el adsorbente se regenera mediante la elevación de la temperatura, al tiempo que la presión se mantiene aproximadamente constante; y en la adsorción por oscilación eléctrica (ESA), el adsorbente se regenera mediante la aplicación de un campo eléctrico. Existen otros tipos de procesos de desorción que son variantes de los procesos anteriores, tales como la TSA rápida, la PSA rápida o la VPSA rápida, o combinaciones de diferentes estrategias, tales como la adsorción por oscilación de temperatura de vacío (TVSa , por sus siglas en inglés). Todas estas técnicas y variantes de las mismas se incluyen para los fines de la invención, dado que se pueden aplicar en el proceso descrito previamente.
El proceso de la invención comprende al menos un ciclo, comprendiendo cada ciclo al menos las etapas a) a e), tal como se ha definido anteriormente. En una realización, opcionalmente, en combinación con una o más características
de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el proceso de la invención opera en continuo y comprende al menos dos ciclos, tal como se ha definido anteriormente. De manera más particular, cuando se usa más de un sistema de lecho, el proceso comprende al menos un ciclo que comprende al menos las etapas a) a e), tal como se ha definido anteriormente, para cada sistema de lecho usado.
La mezcla multicomponente de gases usada como corriente de gas de partida puede ser cualquier mezcla de gases que comprenda al menos un componente de gas pesado y al menos un componente de gas ligero que se pueda separar mediante un adsorbente.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el componente de gas pesado es dióxido de carbono y la mezcla multicomponente de gases comprende al menos nitrógeno, en particular, en una concentración del 50 al 95 % en moles, más particularmente del 70 al 95 % en moles y del 85 al 95 % en moles; y dióxido de carbono, en particular, en una concentración del 5 al 30 % en moles, más particularmente del 7 al 20 % en moles, donde los % se dan con respecto a la cantidad total de moles en la mezcla, con la condición de la suma de las cantidades de los componentes de la mezcla multicomponente de gases sea igual al 100 %.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la mezcla multicomponente de gases es gas de combustión. Tratamiento previo
En función de la mezcla multicomponente de gases usada como corriente de gas de partida en el proceso de la invención, puede resultar conveniente llevar a cabo un tratamiento previo del gas. Este normalmente es el caso cuando la mezcla de gases contiene componentes, tales como óxidos de nitrógeno u óxidos de azufre. Tal como se sabe, estos componentes pueden actuar como contaminantes del material adsorbente, dado que estos pueden ser fuertemente adsorbidos y disminuir la eficacia del proceso de separación. Los procesos de tratamiento previo para la retirada de contaminantes no deseados presentes en la mezcla multicomponente de gases son bien conocidos en la técnica. Estos pueden incluir una o más etapas seleccionadas de las etapas de compresión, las etapas de filtración y centrifugación, las etapas de lavado, las etapas de adsorción, las etapas de secado y similares. A partir de lo que se sabe en la técnica, la persona experta podrá determinar fácilmente las etapas que se van a realizar para reducir el contenido de los componentes potencialmente contaminantes presentes en la mezcla multicomponente de gases, en caso de que sea necesario.
Después de tal etapa de tratamiento previo, el contenido de agua se reduce, generalmente, a una concentración igual o inferior al 5 % en moles, más particularmente igual o inferior al 1 % en moles, incluso más particularmente del 0,05 % en moles, antes del inicio del proceso de separación. En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la mezcla multicomponente de gases es un gas de combustión tratado previamente que comprende dióxido de carbono (CO2) en una concentración del 5 al 30 % en moles, más particularmente del 5 al 18 % en moles; y nitrógeno (N2) en una concentración del 50 al 95 % en moles, más particularmente del 70 al 95 % en moles y del 82 al 95 % en moles, donde los % se expresan con respecto a los moles totales de la mezcla de gases.
Adsorbentes
Tal como se ha mencionado anteriormente, el proceso de separación de la invención se basa en la diferente afinidad del componente de gas pesado y el componente de gas ligero contenido en una mezcla de gases por un material adsorbente.
Los ejemplos no limitantes de materiales adsorbentes incluyen zeolitas, armazones organometálicos (MOF, por sus siglas en inglés), silicalitas, aluminosilicatos, titanosilicatos, germanosilicatos, armazones orgánicos covalentes, tamices moleculares de carbón (CMS, por sus siglas en inglés), carbón activado o gel de sílice. Si se usa una combinación de dos materiales adsorbentes, los adsorbentes pueden ser de diferentes tipos, por ejemplo, aluminosilicatos y zeolitas, o del mismo tipo, por ejemplo, con diferente tamaño de partícula, por ejemplo, zeolita de 1,5 mm y zeolita de 3 mm.
Tal como se usa en el presente documento, el término "zeolita" se refiere a una estructura de armazón tridimensional abierta compuesta de átomos coordinados tetraédricamente ("átomos en T") conectados con átomos de oxígeno. Típicamente, los átomos en T incluyen silicio y aluminio, pero también pueden incluir fósforo, titanio, berilio, germanio y otros metales. La estructura también puede incluir cationes fuera del armazón, tales como hidrógeno, sodio, potasio, bario, calcio, magnesio, hierro, galio, germanio y otros. Las zeolitas tradicionales incluyen zeolitas A, X e Y. La presente invención abarca zeolitas con zeolitas que contienen aglutinante, así como zeolitas sin aglutinante.
El carbón activado se puede obtener convenientemente a partir de productos naturales mediante un tratamiento térmico y/o químico adecuado. El carbón activado se puede elaborar a medida con anchos de poro en el intervalo de
algunas décimas de nanómetro, dando lugar a tamices moleculares de carbón.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el adsorbente se selecciona del grupo que consiste en zeolitas, armazones orgánicos metálicos, silicalitas, aluminosilicatos, titanosilicatos, germanosilicatos, armazones orgánicos covalentes, tamices moleculares de carbón (CMS), carbón activado, gel de sílice y combinaciones de los mismos. De manera más particular, el adsorbente se selecciona del grupo que consiste en carbón activado, zeolita, aluminosilicatos, gel de sílice, alúmina activada, tamices moleculares de carbón (CMS) y combinaciones de los mismos y, incluso más particularmente, el adsorbente se selecciona del grupo que consiste en carbón activado, zeolita, aluminosilicatos y combinaciones de los mismos.
En una realización más particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el adsorbente es una zeolita, más particularmente una zeolita seleccionada del grupo que consiste en CMS, zeolita 13X y zeolita 5A, incluso más particularmente zeolita 13X sin aglutinante.
La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático simplificado que ilustra una realización particular de un ciclo del proceso de la invención que comprende las etapas a) a e) que se lleva a cabo en un sistema de lecho (2).
Alimentación a baja presión (LPF, por sus siglas en inglés)
En la etapa a) del proceso de la invención, se introduce una mezcla multicomponente de gases (1) a una presión de 100 a 600 KPa, por ejemplo, de 100, 200, 300, 400, 500, 600 KPa, en el sistema de lecho (2) que contiene el adsorbente que retiene el componente de gas pesado de la mezcla multicomponente de gases (1). Simultáneamente, se deja salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (3) del sistema de lecho (2). Esta etapa u operación se denomina, en el presente documento, alimentación a baja presión (LPF). Tal como se ha mencionado anteriormente, el componente de gas pesado de la mezcla multicomponente de gases es adsorbido selectivamente por el material adsorbente contenido en el sistema de lecho (2), mientras que el componente de gas ligero que tiene una menor afinidad por el adsorbente se hace pasar principalmente a través del adsorbente sin retenerse y sale del sistema de lecho más fácilmente que el componente de gas pesado.
La concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) se puede supervisar mediante un sensor de componentes de gas pesados adecuado. Los sensores para la detección y cuantificación de componentes de gas pesados son bien conocidos en la técnica. En función del componente de gas pesado que se vaya a medir, la persona experta elegirá el sensor más conveniente. Por ejemplo, cuando el componente de gas pesado es dióxido de carbono, el sensor puede ser un sensor de dióxido de carbono de absorción infrarroja no dispersiva (NDIR, por sus siglas en inglés).
Con el fin de optimizar el proceso, cuando la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) es del 1 al 30 % en moles, más particularmente del 3 al 15 % en moles, o del 5 al 30 % en moles o del 10 al 30% en moles; se pueden detener la alimentación (1) y la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) mediante el cierre de la entrada y la salida correspondientes.
Por tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, se detiene la alimentación de la mezcla multicomponente de gases (1) y la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) cuando la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) es del 1 al 30 % en moles, más particularmente del 3 al 15 % en moles, o del 5 al 30 % en moles o del 10 al 30 % en moles; tal como se mide mediante un sensor adecuado.
La alimentación de la mezcla multicomponente de gases (1) se lleva a cabo a través de una entrada que se puede localizar en diferentes posiciones. Por tanto, la entrada se puede localizar a lo largo de la parte axial (entrada lateral) o en la parte inferior del sistema de lecho (2).
Para los fines de la invención, cuando se indica que se puede localizar una entrada a lo largo de la parte axial (entrada lateral) del sistema de lecho, se entienden dos opciones diferentes: ya sea una entrada individual a una altura específica del sistema de lecho o, como alternativa, varias entradas en la misma circunferencia, es decir, todas a la misma altura.
Cuando la mezcla multicomponente de gases (1) se introduce desde la parte inferior, la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) se deja salir generalmente desde la parte superior del sistema de lecho (no mostrada). Como alternativa, cuando se introduce la mezcla multicomponente de gases (1) a lo largo de la parte axial, la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) generalmente se deja salir desde la parte inferior del sistema de lecho (véase
la Figura 1).
La localización de la entrada a lo largo de la parte axial a una determinada altura desde la parte inferior del sistema de lecho, también denominada en el presente documento altura del punto de alimentación (FPH, por sus siglas en inglés), tiene la ventaja de que se aumenta la capacidad de trabajo eficaz del sistema de lecho. Esto se debe a que la zona del componente de gas pesado aumenta al tiempo que el componente de gas pesado se adsorbe selectivamente en el sistema de lecho, a diferencia del componente de gas ligero. Para los fines de la invención, la capacidad de trabajo eficaz de un sistema de lecho se calcula a partir de la cantidad de alimentación y la cantidad de componente de gas pesado que se retira del sistema de lecho en una fase posterior (durante la desorción).
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la entrada localizada a lo largo de la parte axial (FPH) se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho.
Por lo tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa a), la mezcla multicomponente de gases (1) se introduce a través de una entrada localizada a lo largo de la parte axial (FPH) del lecho adsorbente (2), más particularmente, la entrada a lo largo de la parte axial (FPH) se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho y la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) se deja salir a través de una salida localizada en la parte inferior del lecho adsorbente (2).
En una realización alternativa, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa a), la mezcla multicomponente de gases (1) se introduce a través de una entrada localizada en la parte inferior del sistema de lecho (2) y la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) se deja salir a través de una salida localizada en la parte superior del sistema de lecho (2). También resulta posible, en el proceso de la invención, llevar a cabo, en primer lugar, la alimentación como en la primera realización anterior y, a continuación, cambiarla a la alimentación descrita en la última realización.
Cuando el proceso se realiza de manera continua y el proceso comprende una etapa de purga, tal como se describe en el presente documento, entonces la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) obtenida en esta etapa se puede recircular a la etapa de purga (8) (véase la Figura 2).
En las etapas b) y c) del proceso de la invención, se presuriza y despresuriza el sistema de lecho, respectivamente, en etapas alternas que se repiten varias veces hasta un determinado punto temporal, tal como se describe a continuación. La repetición de la secuencia de estas etapas tiene el fin de enriquecer el sistema de lecho con el componente de gas pesado mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes pesados y la retirada de parte del componente de gas ligero dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros. Sin quedar ligados a teoría alguna, se cree que esto se debe al hecho de que la adsorción selectiva del componente de gas pesado se ve favorecida cuando se aumenta la presión parcial del componente pesado.
Reflujo a alta presión (HPR, por sus siglas en inglés)
En la etapa b), se presuriza el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes pesados (4) (véase la Figura 1), hasta que la presión es de 110 a 900 KPa; más particularmente de 200 a 900 KPa; incluso más particularmente de 300 a 700 KPa, por ejemplo, de 110, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 KPa. Esta presión es más alta que la presión a la que opera la alimentación a baja presión (LPF) (etapa a). Cuando se alcanza la presión diana, se detiene el reflujo (4). Esta etapa u operación se denomina, en el presente documento, reflujo a alta presión (HPR).
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa b), se presuriza el sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 1,1 a 3 veces, más particularmente de 1,1 a 2,5 veces, por ejemplo, 1,2, 1,5, 1,8, 2, 2,2, 2,5, 2,8 veces, la presión a la que opera la lPf (etapa a).
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la corriente enriquecida con componentes pesados (4) se introduce a través de una entrada localizada en la parte inferior del sistema de lecho (2).
Cuando el proceso se realiza de manera continua, entonces la corriente enriquecida con componentes pesados (4) usada en esta etapa puede provenir del producto que se ha separado en un ciclo anterior. Por tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la corriente enriquecida con componentes pesados (4) se obtiene en uno o más ciclos previos (por ejemplo, la corriente (6B)).
Despresurización de componentes ligeros (LCD, por sus siglas en inglés)
En la etapa c), el sistema de lecho (2) se despresuriza dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (5) del sistema de lecho (2) (véase la Figura 1), a una presión igual o inferior a la presión de la etapa a) (alimentación a baja presión (LPF)), siendo esta presión de 100 a 600 KPa, por ejemplo, de 100, 200, 300, 400, 500, 600 KPa. Una vez alcanzada esta presión, se detiene la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (5). Esta etapa u operación se denomina, en el presente documento, despresurización de componentes ligeros (LCD).
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa c), se despresuriza el sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 0,5 a 1 veces, por ejemplo, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1 veces, la presión de la etapa a) (LPF), siempre que la presión de esta etapa sea inferior a la presión de la etapa anterior. En otra realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa c), se despresuriza el sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 0,5 a 0,9 veces, por ejemplo, de 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 veces, la presión de la etapa a) (LPF). De manera más particular, en la etapa c), se despresuriza el sistema de lecho (2), hasta una presión que es aproximadamente la presión de la etapa a) (LPF). En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) se deja salir a través de una salida localizada en la parte superior del sistema de lecho (2).
La concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) se puede supervisar mediante un sensor adecuado. Tal como se ha mencionado anteriormente, en el caso del dióxido de carbono, se pueden usar sensores de dióxido de carbono de absorción infrarroja no dispersiva (NDIR). Con el fin de optimizar el proceso, se repiten las etapas b) HPR y c) LCD hasta que la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes pesados (4) es igual o superior al 5 % en moles, más particularmente igual o superior al 10 % en moles, 15 % en moles, 20 % en moles, 25 % en moles, 30 % en moles. Desorción
En la última etapa del proceso de la invención (etapa e), el componente de gas pesado se desorbe del sistema de lecho (2) en forma de una corriente enriquecida con componentes pesados (6) (véase la Figura 1) que contiene el componente de gas pesado en una concentración igual o superior al 85 % en moles, más particularmente igual o superior al 80 % en moles, 85 % en moles, 90 % en moles, 91 % en moles, 92 % en moles, 93 % en moles, 94 % en moles, 95 % en moles, 96 % en moles, 97 % en moles, 98 % en moles, 99 % en moles y 99,9 % en moles, con respecto a la corriente enriquecida con componentes pesados total. Además, el material adsorbente se regenera antes de que comience un nuevo ciclo.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la desorción en la etapa e) se lleva a cabo mediante la reducción de la presión total, más particularmente mediante la reducción de la presión total a presión atmosférica. Cuando la desorción se lleva a cabo mediante la reducción de la presión total, el proceso tiene la ventaja de que se puede implementar en un amplio intervalo de temperaturas ambiente y concentraciones de componente de gas pesado en la mezcla de gases, dado que los parámetros del proceso se pueden adaptar para una concentración determinada de componente de gas pesado en la mezcla de gases en cada caso, lo que hace que el proceso sea más versátil y flexible. Además, se evita el consumo de energía que, generalmente, implica el control de la temperatura, reduciendo esto el consumo total de energía usada en el proceso.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la etapa e) comprende:
i) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una primera parte de corriente enriquecida con componentes pesados (6A);
ii) aplicar vacío al sistema de lecho (2) y aspirar una segunda parte de corriente enriquecida con componentes pesados (6B);
iii) purgar el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes ligeros (8) en el sistema de lecho (2) y dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (7).
La Figura 2 es un diagrama de flujo esquemático que ilustra una realización particular de la etapa e) del proceso de la invención que comprende las etapas i) a iii) que se lleva a cabo en un sistema de lecho (2).
Reflujo de componentes pesados (HCR, por sus siglas en inglés)
En la etapa ei), el sistema de lecho (2) se despresuriza dejando salir una primera parte de corriente enriquecida con
componentes pesados (6A) (véase la Figura 2). Esta etapa u operación se denomina, en el presente documento, reflujo de componentes pesados (HCR).
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la presión se reduce hasta una presión igual o inferior a la presión a la que opera la alimentación a baja presión (LPF) etapa a), siendo esta presión de 100 a 600 KPa, por ejemplo, de 100, 200, 300, 400, 500, 600 KPa. Una vez alcanzada esta presión, se detiene la retirada de la corriente enriquecida con componentes pesados (6).
En una realización más particular, la presión de la etapa ei) se reduce hasta una presión que es de 0,2 a 1 veces, por ejemplo, de 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1 veces, la presión de la etapa a) (LPF). De manera más particular, en la etapa ei), se detiene la retirada de la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) cuando la presión en el sistema de lecho (2) es de 0,2 a 0,9 veces la presión de la etapa a). De manera más particular, la presión de la etapa ei) se reduce hasta una presión que es aproximadamente 0,5 veces la presión a la que opera la etapa a) de la LPF. En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) se deja salir a través de una salida localizada en la parte inferior del sistema de lecho (2).
Recuperación a baja presión (LPR, por sus siglas en inglés)
En la etapa eii), se aplica vacío al sistema de lecho (2) y se aspira una segunda parte de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) (véase la Figura 2). Esta presión es, generalmente, más baja que la presión atmosférica. Por ejemplo, la presión puede ser típicamente de 0,2 a 10 KPa, más particularmente de 0,5 a 5 KPa, incluso más particularmente de 0,6 a 1 KPa.
En esta etapa, se alcanza la presión más baja del sistema. El objetivo de esta etapa consiste en ayudar en la regeneración del adsorbente mediante el desplazamiento del componente de gas pesado adsorbido. La mayor parte del componente de gas pesado se recupera en esta etapa. Esta etapa u operación se denomina, en el presente documento, recuperación a baja presión (LPR) y es más lenta que el HCR.
En función de la pureza y recuperación del componente de gas pesado, se aplicará mayor o menor cantidad de vacío. Generalmente, cuanto mayor es la pureza necesaria, mayor es la cantidad de vacío aplicado y mayor es el consumo eléctrico.
Si se desea, la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) y (6B) se puede combinar y almacenar en un tanque. Cuando el proceso se realiza de manera continua, la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) y/o (6B) se puede usar en la etapa de enriquecimiento (reflujo a alta presión, HPR). Por tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la corriente enriquecida con componentes pesados (4) es la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) y/o (6B) obtenida en la etapa eii).
Resulta ventajoso detener el vacío en un momento específi
de gas que sale se supervisa en esta etapa. Por ejemplo, esto se puede realizar mediante medidores de flujo másico de dispersión térmica localizados en el escape de la bomba de vacío. Por lo tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa eii), el vacío se detiene cuando el volumen relativo de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) con respecto al volumen total del sistema de lecho es igual o inferior al 20 %, más particularmente igual o inferior al 15 %.
La aspiración de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) se lleva a cabo a través de una salida que se puede localizar en diferentes posiciones. Por tanto, la salida se puede localizar a lo largo de la parte axial (véase la Figura 2) o en la parte inferior (no mostrada) del sistema de lecho (2).
La ventaja de aplicar vacío a lo largo de la parte axial de la columna (es decir, lateralmente) consiste en disminuir las resistencias de transferencia de masa para que la corriente enriquecida con componentes pesados que salga de la columna sea menor que si se aplica vacío en la parte inferior de la columna, tal como se ha descrito anteriormente. Como resultado, el tiempo de esta etapa se acorta y, por lo tanto, esto conduce al ahorro de energía y a una reducción de costes. En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la entrada localizada a lo largo de la parte axial se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho.
Por lo tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa ii), la segunda parte de la corriente
enriquecida con componentes pesados (6B) se aspira a través de una salida localizada a lo largo de una parte axial del lecho adsorbente (2), más particularmente, la entrada a lo largo de la parte axial se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho.
En una realización alternativa, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa eii), la segunda parte de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) se aspira a través de una salida localizada en la parte inferior del sistema de lecho (2).
Purga
En la etapa eiii), el sistema de lecho (2) se puede purgar mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes ligeros (8) en el sistema de lecho (2) y dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (7) (véase la Figura 2). El objetivo de esta etapa consiste en ayudar en la regeneración del adsorbente mediante el desplazamiento de pequeñas cantidades del componente de gas pesado adsorbido que no se han retirado en las etapas anteriores.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa c), se despresuriza el sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 0,5 a 1 veces, por ejemplo, de 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1 veces, la presión de la etapa a) (LPF). De manera más particular, en la etapa c), se despresuriza el sistema de lecho (2), hasta una presión que es aproximadamente la presión de la etapa a) (LPF).
Resulta ventajoso detener la purga en un momento específi
una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa eiii), la introducción de la corriente enriquecida con componentes ligeros (8) y la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) se detiene cuando la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) es igual o inferior al 80 % en moles, más particularmente igual o inferior al 70 % en moles, 60 % en moles, 50 % en moles, 40 % en moles, 30 % en moles. En una realización, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la introducción de la corriente enriquecida con componentes ligeros (8) se lleva a cabo mediante dos corrientes, 8A y 8B (véase la Figura 3).
En una realización, después de la etapa de purga, la presión es cercana a la presión atmosférica debido al hecho de que la salida del sistema de lecho está abierta, lo que permite la libre circulación a través del lecho. La introducción de la corriente enriquecida con componentes ligeros (8, o 8A y 8B) en el sistema de lecho (2) y la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) se lleva a cabo a través de una entrada y una salida, respectivamente, que se pueden localizar en diferentes posiciones. Por tanto, la salida se puede localizar a lo largo de la parte axial (salida lateral), en la parte inferior o en la parte superior del sistema de lecho (2).
La evacuación de la corriente enriquecida con componentes ligeros a través de la parte axial tiene la ventaja de que esta etapa se puede realizar a una presión más baja, dado que la mezcla multicomponente de gases ha de ir a contracorriente a través del sistema de lecho. En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la salida localizada a lo largo de la parte axial se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho.
Por lo tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa eiii), la corriente enriquecida con componentes ligeros (8) se introduce a través de la parte superior del sistema de lecho (2) y la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) se deja salir a través de la parte axial del sistema de lecho (2) (véase la Figura 2), más particularmente, la salida a lo largo de la parte axial se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho.
En una realización alternativa, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa eiii), la corriente enriquecida con componentes ligeros (8) se introduce a través de una entrada localizada en la parte superior del sistema de lecho (2) y la corriente enriquecida con componentes pesados (7) se deja salir a través de una salida localizada en la parte inferior del sistema de lecho (2) (no mostrada).
En otra realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, en la etapa eiii), la corriente enriquecida con componentes
ligeros (8A y 8B) se introduce a través de la parte superior e inferior del sistema de lecho (2), respectivamente, y la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) se deja salir a través la parte axial del sistema de lecho (2) (véase la Figura 3), más particularmente, la salida a lo largo de la parte axial se coloca a una distancia de 0,2 a 0,8 veces, más particularmente de 0,25 a 0,5 veces, incluso más particularmente de 0,3 a 0,4 veces, la longitud total del sistema de lecho. Cuando se usa esta configuración, esta etapa u operación se denomina, en el presente documento, purga bidireccional (BDP).
Cuando el proceso se realiza de manera continua y el proceso comprende una etapa de purga, entonces la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) obtenida en la alimentación a baja presión (LPF) es la corriente enriquecida con componentes ligeros (8, u 8A y 8B) obtenida en la purga bidireccional (BDP).
Presurización de ecualización (EQ, por sus siglas en inglés)
A fin de aprovechar la energía gastada en la compresión durante la etapa de HPR, el proceso de la invención puede volver a usar, además, la energía comprimida en la etapa de ecualización (EQ). Esta etapa tiene la ventaja de que, cuando se usa en la misma, se ahorra una fracción de la energía total necesaria en la etapa de alimentación a baja presión (LPF). Por tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el proceso de la invención comprende, además, una etapa de ecualización f) después de la etapa e), que comprende presurizar el lecho de adsorción (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes pesados (9), hasta que la presión en el lecho de adsorción (2) es de 0,2 a 1 veces, por ejemplo, de 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1 veces, la presión de la etapa a) (LPF). De manera más particular, la presión de la etapa ei) se reduce hasta una presión que es aproximadamente 0,5 veces la presión usada en la etapa de LPF. La presión alcanzada en esta etapa es superior a la presión a la que opera la etapa iii) de purga.
Cuando el proceso se realiza de manera continua y el proceso comprende una etapa de purga, entonces la corriente enriquecida con componentes ligeros (9) es la corriente enriquecida con componentes ligeros (6A) obtenida en el reflujo de componentes pesados (HCR).
En función de las necesidades específicas, la persona experta sabrá cómo ajustar las condiciones particulares, operaciones y configuración de la unidad de separación teniendo en cuenta la información descrita en el presente documento, así como el conocimiento general común.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, la invención se refiere a un proceso de adsorción-desorción para la recuperación de un componente de gas pesado de una mezcla multicomponente de gases que comprende un componente de gas pesado que es dióxido de carbono y un componente de gas ligero que es nitrógeno, donde el proceso comprende al menos un ciclo de etapas que se lleva a cabo en un sistema de lecho, donde las etapas de un ciclo comprenden:
a) introducir una mezcla multicomponente de gases (1) a una presión de 100 a 600 KPa en un sistema de lecho (2) que es una estructura hueca que encierra un volumen interior que contiene un adsorbente y que tiene una longitud que es superior a su diámetro, donde el adsorbente retiene el componente de gas pesado de la mezcla multicomponente de gases (1), al tiempo que deja salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (3) del sistema de lecho (2);
b) presurizar el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes pesados (4) en el sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 1,1 a 3 veces la presión de la etapa a), siendo esta presión de 110 a 900 KPa; y, a continuación, detener la alimentación (4);
c) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (5) del sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 0,5 a 1 veces la presión de la etapa a), siendo esta presión de 100 a 600 KPa; y, a continuación, detener la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (5);
d) repetir las etapas b) y c) hasta que la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes pesados ( 4) es igual o superior al 5 % en moles,
e) desorber el componente de gas pesado del sistema de lecho (2) en forma de una corriente enriquecida con componentes pesados (6B) que contiene el componente de gas pesado en una cantidad igual o superior al 85 % en moles, con respecto a la corriente enriquecida con componentes pesados total; y regenerar el adsorbente; donde la etapa e) comprende:
(i) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una primera parte de corriente enriquecida con componentes pesados (6A);
(ii) aplicar vacío al sistema de lecho (2) y aspirar una segunda parte de corriente enriquecida con componentes pesados (6B);
(iii) purgar el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes ligeros (6A y 6B) en el sistema de lecho (2) y dejando salir una corriente enriquecida con componentes
ligeros (7);
f) presurizar el lecho de adsorción (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes ligeros (9), hasta que la presión en el lecho de adsorción (2) es de 0,2 a 1 veces, más particularmente aproximadamente 0,5 veces, la presión usada en la etapa a), y, a continuación, detener el reflujo (9).
El proceso anterior que comprende las etapas a) a f), que se ilustra esquemáticamente en la Figura 3, se describe para un ciclo de un lecho. Este proceso comprende 7 operaciones diferentes: alimentación a baja presión (LPF) (1), reflujo a alta presión (HPR) (2), despresurización de componentes ligeros (LCD) (3), reflujo de componentes pesados (HCR) (4), recuperación a baja presión (LPR) (5), purga bidireccional (BDP) (6) y ecualización de presión (EQP) (7). En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el proceso de la invención que comprende las etapas a) a f) es continuo y comprende al menos dos ciclos, tal como se ha definido anteriormente. Más particularmente, en esta realización, la corriente enriquecida con componentes pesados (4) es la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) y/o (6B) obtenida en el reflujo de componentes elevados (HCR) y la recuperación a baja presión (LPR), respectivamente; la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) es la corriente enriquecida con componentes ligeros (8, u 8A y 8B) obtenida en la purga; y la corriente enriquecida con componentes ligeros (6A) es la corriente enriquecida con componentes ligeros (9).
Cuando el proceso opera de manera continua, resulta ventajoso llevar a cabo simultáneamente diferentes ciclos del proceso en diferentes sistemas de lecho, de tal manera que la alimentación y el efluente sean continuos. En cualquier momento durante cualquiera de estos procesos, los lechos estarán operando diferentes etapas del proceso.
En una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, el proceso de la invención comprende tres sistemas de lecho y cada lecho realiza un ciclo. Los tres sistemas de lecho operan de manera independiente y las corrientes de producto recuperadas de los adsorbentes individuales se combinan para proporcionar un flujo continuo de la corriente de producto que contiene el componente de gas pesado con la pureza deseada. Además, el uso de más de un sistema de lecho hace posible que un sistema de lecho ecualice o presurice otro sistema de lecho, reduciendo, de este modo, el consumo de energía.
Preferentemente, las etapas de un ciclo se equilibran de tal manera que cada sistema de lecho opera diferentes etapas/operaciones del ciclo. Esta configuración tiene la ventaja de que la operación del ciclo se equilibra y se elimina el tiempo de inactividad de los adsorbentes. Como consecuencia, el proceso es más eficaz.
Como ejemplo, cuando el proceso anterior que comprende las etapas a) a e) se realiza en tres sistemas de lecho, el sistema de lecho 1 se hace pasar por la operación (1), mientras que el sistema de lecho 2 ejecuta las operaciones (5)-(7) y el sistema de lecho 3 se hace pasar por las operaciones (2)-(4). Cuando el sistema de lecho 1 se hace pasar por las operaciones (2)-(4), el sistema de lecho 2 ejecuta las operaciones (1) y el sistema de lecho 3 ejecuta la operación (5)-(7). Asimismo, finalmente, cuando el sistema de lecho 1 se hace pasar por las operaciones (5)-(7), el sistema de lecho 2 ejecuta las operaciones (2)-(4) y el sistema de lecho 3 se hace pasar por la operación (1), donde la operación (1) es la alimentación a baja presión (LPF), la operación (2) es el reflujo a alta presión (HPR), la operación (3) es la despresurización de componentes ligeros (LCD), la operación (4) es el reflujo de componentes pesados (HCR), la operación (5) es la recuperación a baja presión (LPR), la operación (6) es la purga bidireccional (BDP) y la operación (7) es la presurización de ecualización (EQP). Esta configuración se muestra en la Tabla 1, a continuación.
Tabla 1
El proceso de la invención se puede adaptar en función de la producción necesaria del componente de gas pesado. Si se desea, la capacidad de producción se puede aumentar mediante el uso de bloques de columnas que operan en paralelo o en fila. Por tanto, en una realización particular, opcionalmente, en combinación con una o más características de las diversas realizaciones descritas anteriormente o a continuación, cada uno de los sistemas de lecho que realiza un ciclo del proceso de la invención comprende uno o más lechos individuales conectados entre sí en paralelo o en fila. De manera más particular, cada uno de los sistemas de lecho comprende de 1 a 32 lechos individuales.
Si se desea, una vez que se obtiene el componente de gas pesado en forma de corriente enriquecida con componentes pesados, este se puede purificar adicionalmente mediante métodos convencionales. Por ejemplo, este se puede licuar.
Tal como sabe el experto en la materia, cuando el proceso se implementa por primera vez, algunos parámetros necesitan ajustarse. En el proceso de la invención, por ejemplo, si no hay disponible una corriente enriquecida con componentes pesados para la presurización y el enriquecimiento del sistema de lecho en la operación de reflujo a alta presión (HPR), entonces se puede usar una mezcla multicomponente de gases.
Cuando el proceso se opera de manera continua, se alcanza un estado estacionario cíclico donde se deben alcanzar los objetivos de rendimiento deseados. Para los fines de la invención, la expresión estado estacionario cíclico (CSS, por sus siglas en inglés) se refiere a esa etapa en la que las condiciones en cada sistema de lecho al comienzo y al final de cada ciclo son idénticas.
Una vez que se alcanza el CSS, se pueden medir algunos indicadores de rendimiento del proceso con el fin de evaluar la eficacia del proceso de separación. Estos indicadores incluyen, por ejemplo, la pureza del producto, la recuperación del producto, la productividad del producto y el consumo de energía. Estos indicadores se pueden calcular de la siguiente manera:
Finalmente, el consumo de energía es la suma de todas las fuentes de compresión y vacío usadas.
Normalmente, todos los indicadores de rendimiento del proceso se calculan en condiciones de estado estacionario cíclico (CSS). Cuando se alcanza el CSS, el rendimiento de los ciclos es constante en el tiempo, es decir, las condiciones en cada lecho al comienzo y al final de cada ciclo son idénticas.
En algunas realizaciones de la invención, se obtiene más de una corriente enriquecida con componentes pesados. Estas corrientes se conducen a un tanque de almacenamiento. En este caso, la pureza y la recuperación del producto se calculan tomando una muestra de la corriente almacenada en el tanque.
En el proceso de la invención, la pureza del producto del componente de gas pesado es generalmente igual o superior al 70 %, más particularmente igual o superior al 80 %, 85 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % y 99,9 %, con respecto a la corriente enriquecida con componentes pesados total.
Además, la recuperación del producto es típicamente igual o superior al 40 %, más particularmente del 40 al 95 %, incluso más particularmente del 60-80 %.
El componente de gas pesado obtenido de acuerdo con la invención, el dióxido de carbono, se puede usar para cualquier fin deseado, tal como el procesamiento, la conservación y el envasado de alimentos, el tratamiento de agua o el aturdimiento de cerdos y aves de corral, por ejemplo.
A lo largo de toda la descripción y las reivindicaciones, la palabra "comprender", y las variaciones de esta palabra, no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o etapas. Además, la palabra "comprender" abarca el caso de "consistir en". Los objetos, las ventajas y las características adicionales de la invención resultarán evidentes para aquellos expertos en la materia tras el examen de la descripción o se pueden aprender mediante la práctica de la invención. Los siguientes Ejemplos y dibujos se proporcionan a modo ilustrativo y no pretenden ser limitantes de la presente invención. Los números de referencia relacionados con los dibujos y puestos entre paréntesis en una reivindicación son únicamente para intentar aumentar la inteligibilidad de la reivindicación y no se deben interpretar como limitantes del alcance de la reivindicación.
Ejemplos
Los experimentos a escala piloto se llevaron a cabo usando el sistema que se muestra en la Figura 3 y la Tabla 1. La mezcla de gases inicial contenía el 16 % en moles de dióxido de carbono y el 0,05 % en moles de agua, siendo el resto nitrógeno. El sistema incluía 3 adsorbentes de lecho (aluminio anodizado; altura: 428 mm, diámetro: 25 mm, entradas laterales localizadas a 0,15 mm de la parte inferior del sistema de lecho). El adsorbente usado fue Zeolite 13X Binderless (128 g por lecho; diámetro de pella de 1,2-2,0 mm; densidad aparente de 620-700 g/l).
La temperatura a la que se operó el sistema fue de 20 °C. Las etapas de LPF y HPR se realizaron a 200 KPa y 400 KPa, respectivamente. Las etapas de LCD y HCR, BDP y EQP se realizaron a 200 KPa, 100 KPa, 200 KPa y 100 KPa, respectivamente. Todos los valores de presión pueden comprender variaciones de ±30 KPa. El flujo en LPF y HPR fue de 0,8 mol/min. El flujo en LPR fue de 0,2 mol/min.
Las etapas de LPF, BDP y la repetición de las etapas de HCR-LPR se detuvieron en los valores indicados en la Tabla 2, a continuación. La regeneración del lecho se realizó al vacío (la presión específica se muestra en la Tabla 2). El vacío se detuvo cuando el volumen relativo de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) con respecto al volumen total del sistema de lecho fue igual al 15 %.
Tabla 2
Concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes pesados (4) expresada como % .
2concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) expresada como %.
3concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) expresada como %.
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 3
Los experimentos a escala piloto anteriores muestran que el proceso de la invención permite la separación de CO2 con buenos rendimientos y pureza y con consumos energéticos razonables.
Lista de citas
Seul-Yi Lee, Soo-Jin Park, "A review on solid adsorbents for carbon dioxide capture", Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2015, Vol. 23, páginas 1-11.
Claims (16)
1. Un proceso de adsorción-desorción para la recuperación de un componente de gas pesado de una mezcla multicomponente de gases que comprende un componente de gas pesado que es dióxido de carbono y un componente de gas ligero que es nitrógeno, donde el proceso comprende al menos un ciclo de etapas que se lleva a cabo en un sistema de lecho, donde las etapas de un ciclo comprenden:
a) introducir una mezcla multicomponente de gases (1) a una presión de 100 a 600 KPa en un sistema de lecho (2) que es una estructura hueca que encierra un volumen interior que contiene un adsorbente y que tiene una longitud que es superior a su diámetro, donde el adsorbente retiene el componente de gas pesado de la mezcla multicomponente de gases (1), al tiempo que deja salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (3) del sistema de lecho (2);
b) presurizar el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes pesados (4) en el sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 1,1 a 3 veces la presión de la etapa a), siendo esta presión de 110 a 900 KPa; y, a continuación, detener la alimentación (4);
c) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (5) del sistema de lecho (2), hasta una presión que es de 0,5 a 1 veces la presión de la etapa a), siendo esta presión de 100 a 600 KPa; y, a continuación, detener la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (5);
d) repetir las etapas b) y c) hasta que la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (5) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes pesados (4) es igual o superior al 5 % en moles;
e) desorber el componente de gas pesado del sistema de lecho (2) para dar una corriente enriquecida con componentes pesados (6) que contiene el componente de gas pesado; y regenerar el adsorbente.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, donde la presión de la etapa b) es de 200 a 900 KPa.
3. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, donde la mezcla multicomponente de gases comprende al menos nitrógeno en una cantidad del 50 al 95 % en moles y dióxido de carbono en una cantidad del 7 al 20 % en moles, donde los % se dan con respecto a la cantidad total de moles en la mezcla, con la condición de que la suma de las cantidades de los componentes de la mezcla multicomponente de gases sea igual al 100 %.
4. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde la mezcla multicomponente de gases es gas de combustión.
5. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde el adsorbente se selecciona del grupo que consiste en carbón activado, zeolita, aluminosilicatos, gel de sílice, alúmina activada, tamices moleculares de carbón (CMS, por sus siglas en inglés) y combinaciones de los mismos.
6. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde, en la etapa a), se detiene la alimentación de la mezcla multicomponente de gases (1) y la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) cuando la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) es del 1 al 30 % en moles.
7. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde, en la etapa a), la mezcla multicomponente de gases (1) se introduce a través de una entrada localizada en una parte axial del sistema de lecho (2) , siendo la parte axial la parte más larga del sistema de lecho, y la corriente enriquecida con componentes ligeros (3) se deja salir a través de una salida localizada en la parte inferior del sistema de lecho (2).
8. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde la etapa e) comprende:
i) despresurizar el sistema de lecho (2) dejando salir una primera parte de corriente enriquecida con componentes pesados (6A);
ii) aplicar vacío al sistema de lecho (2) y aspirar una segunda parte de corriente enriquecida con componentes pesados (6B);
iii) purgar el sistema de lecho (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes ligeros (8) en el sistema de lecho (2) y dejando salir una corriente enriquecida con componentes ligeros (7).
9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, donde, en la etapa i), se detiene la retirada de la corriente enriquecida con componentes pesados (6A) cuando la presión en el sistema de lecho (2) es de 0,2 a 0,9 veces la presión de la etapa a).
10. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-9, donde, en la etapa ii), el vacío se detiene cuando el volumen relativo de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) con respecto al volumen total
del sistema de lecho es igual o inferior al 20 %.
11. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-10, donde, en la etapa ii), la segunda parte de la corriente enriquecida con componentes pesados (6B) se aspira a través de una salida localizada a lo largo de una parte axial del sistema de lecho (2), siendo la parte axial la parte más larga del sistema de lecho.
12. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-11, donde, en la etapa iii), la introducción de la corriente enriquecida con componentes ligeros (8) y la retirada de la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) se detiene cuando la concentración relativa del componente de gas pesado en la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) con respecto a la concentración del componente de gas pesado en la mezcla de alimentación (1) es igual o inferior al 80 % en moles.
13. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-12, donde, en la etapa iii), la corriente enriquecida con componentes ligeros (8) se introduce a través de dos entradas localizadas en la parte superior (8A) y en la parte inferior (8B) del sistema de lecho (2) y la corriente enriquecida con componentes ligeros (7) se deja salir a través de una entrada localizada en una parte axial del sistema de lecho (2), siendo la parte axial la parte más larga del sistema de lecho.
14. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8-13, que comprende, además, una etapa f) de ecualización después de la etapa e), que comprende presurizar el lecho de adsorción (2) mediante la introducción de una corriente enriquecida con componentes ligeros (9), hasta que la presión en el lecho de adsorción (2) es de 0,2 a 1 veces la presión usada en la etapa de LPF, y, a continuación, detener la alimentación (7).
15. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-14, que comprende tres sistemas de lecho y cada lecho realiza un ciclo de etapas.
16. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-15, donde cada uno de los sistemas de lecho comprende uno o más lechos individuales conectados entre sí en paralelo o en fila.
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