BR102017027727B1

BR102017027727B1 - AIR PREPARATION AND PURIFICATION PROCESS FOR CRYOGENIC FRACTIONING USING LOW PRESSURE SUPERSONIC SEPARATOR

Info

Publication number: BR102017027727B1
Application number: BR102017027727-5A
Authority: BR
Inventors: George Victor Brigagão; José Luiz De Medeiros; Lara De Oliveira Arinelli; Ofélia De Queiroz Fernandes Araújo
Original assignee: Universidade Federal Do Rio De Janeiro
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2023-06-06

Abstract

A presente invenção define um novo conceito de unidade PPU ? Air Preparation and Purification Unit ? para preparo e purificação de ar a ser fracionado criogenicamente na etapa seguinte conhecida como Cold-Box. O conceito PPU Alternativa aqui proposto utiliza separador supersônico (SS) em baixa pressão para remover 97,5% da água do ar, seguindo-se etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) ou tratamentos similares com meio sólido (por exemplo, adsorção química) para remoção de contaminantes CO2, N2O e hidrocarbonetos, além de traços residuais de H2O, adequando os níveis de contaminantes para posterior processamento na Cold-Box de uma planta criogênica de fracionamento de ar.The present invention defines a new concept of PPU unit ? Air Preparation and Purification Unit ? for preparation and purification of air to be cryogenically fractionated in the next step known as Cold-Box. The Alternative PPU concept proposed here uses a supersonic separator (SS) at low pressure to remove 97.5% of the water from the air, followed by adsorption finish removal (ERAA) or similar treatments with solid medium (for example, adsorption chemistry) to remove CO2, N2O and hydrocarbon contaminants, in addition to residual H2O traces, adjusting the levels of contaminants for subsequent processing in the Cold-Box of a cryogenic air fractionation plant.

Description

Campo TécnicoTechnical Field

[0001] A presente invenção pertence ao campo da indústria de separação criogênica do ar e refere-se a um processo de preparo e purificação do ar que utiliza um separador supersônico (SS) com o objetivo de promover desidratação à montante de umaetapa de purificação de acabamento para remoção de CO2, resíduos de água e outros micro-contaminantes, adequando a pureza do ar para posterior processamento criogênico, de forma a reduzir significativamente o custo da etapa de preparo e purificação do ar.[0001] The present invention belongs to the field of the cryogenic air separation industry and refers to an air preparation and purification process that uses a supersonic separator (SS) in order to promote dehydration upstream of an air purification step. finishing to remove CO2, water residues and other micro-contaminants, adjusting air purity for subsequent cryogenic processing, in order to significantly reduce the cost of the air preparation and purification step.

Antecedentes da InvençãoBackground of the Invention

[0002] Processos criogênicos são os mais indicados quando se deseja promover a separação do ar em larga escala, sendo, portanto, largamente aplicados para o fornecimento industrial de oxigênio em siderúrgicas e plantas de gaseificação de carvão. Além disto, aexpectativa do uso de oxigênio com o objetivo de realizar captura de dióxido de carbono em plantas termoelétricas comerciais implica em um provável crescimento da demanda global de oxigênio nas próximas décadas. Plantas de separação do ar são intensivas em energia e capital, e nesse sentido há grande demanda tecnológica por processos mais eficientes visando reduzir o custo de captura do dióxido de carbono emitido por termoelétricas. Tanto em termos conceituais quanto práticos, pode-se dividir uma planta de grande porte de produção de oxigênio (O2) por fracionamento criogênico de ar em duas sub-plantas que têm características muito diferentes, a saber: (i) Unidade de Preparação e Purificação de Ar ou PPU; e (ii) Fracionamento Criogênico de Ar ou Cold-Box. Pode-se entender a PPU como a fornecedora de ar pressurizado e purificado nas condições requeridas pela Cold-Box. É possível que no futuro, em plantas de grande capacidade, o serviço PPU seja terceirizado para maior eficiência do conjunto PPU-Cold-Box. Os objetivos da PPU são: (i) Comprimir ar bruto até a pressão requerida pela Cold-Box adicionada da perda de pressão na PPU; (ii) Remover 100% da água (H2O) do ar; (iii) Remover 100% do CO2 do ar; (iv) Remover 100% de hidrocarbonetos (HCs) do ar; e (v) Pré-resfriar o ar até 10-15oC. O método atualmente usado nas PPUs para remover H2O e CO2 e HCs é a adsorção em leitos sólidos de alumina e peneira molecular com regeneração de leitos por N2 residual da Cold-Box aquecido a 120-130oC e a 1 atm de pressão.[0002] Cryogenic processes are the most indicated when you want to promote the separation of air on a large scale, and are therefore widely applied for the industrial supply of oxygen in steel mills and coal gasification plants. In addition, the expectation of using oxygen with the objective of capturing carbon dioxide in commercial thermoelectric plants implies a probable growth in the global demand for oxygen in the coming decades. Air separation plants are energy and capital intensive, and in this sense there is a great technological demand for more efficient processes aimed at reducing the cost of capturing the carbon dioxide emitted by thermoelectric plants. Both in conceptual and practical terms, a large plant for the production of oxygen (O2) by cryogenic fractionation of air can be divided into two sub-plants that have very different characteristics, namely: (i) Preparation and Purification Unit Air or PPU; and (ii) Cryogenic Air Fractionation or Cold-Box. The PPU can be understood as the supplier of pressurized and purified air under the conditions required by the Cold-Box. It is possible that in the future, in large capacity plants, the PPU service will be outsourced for greater efficiency of the PPU-Cold-Box set. The objectives of the PPU are: (i) Compress raw air up to the pressure required by the Cold-Box plus the loss of pressure in the PPU; (ii) Remove 100% of the water (H2O) from the air; (iii) Remove 100% of CO2 from the air; (iv) Remove 100% hydrocarbons (HCs) from the air; and (v) Precool the air to 10-15oC. The method currently used in PPUs to remove H2O and CO2 and HCs is adsorption on solid alumina beds and molecular sieve with bed regeneration by residual N2 from the Cold-Box heated to 120-130oC and 1 atm pressure.

[0003] A unidade PPU viabiliza e torna segura a operação da Cold-Box, tendo por objetivo remover componentes contaminantes do ar, especialmente H2O, CO2 e hidrocarbonetos (HCs), para evitar a formação de sólidos por congelamento e ainda a introdução de compostos potencialmente inflamáveis que se concentrariam no oxigênio líquido devido a uma menor volatilidade. A formação de sólidos obstrui as passagens do trocador de calor principal da Cold-Box, o que limita o fluxo de ar em resfriamento, representando um sério problema operacional e de segurança de grande perda econômica, que requer a parada da unidade para descongelamento.[0003] The PPU unit makes the operation of the Cold-Box feasible and safe, with the objective of removing contaminating components from the air, especially H2O, CO2 and hydrocarbons (HCs), to avoid the formation of solids by freezing and also the introduction of compounds potentially flammable substances that would concentrate in liquid oxygen due to lower volatility. The formation of solids obstructs the passages of the main heat exchanger of the Cold-Box, which limits the flow of cooling air, representing a serious operational and safety problem with great economic loss, which requires stopping the unit for defrosting.

[0004] A remoção de H2O, CO2 e hidrocarbonetos do ar em PPU convencional baseia-se em unidades de adsorção com modulação de pressão ou de temperatura, esta última doravante denominada TSA. Na PPU tradicional a regeneração dos leitos de adsorção TSA é promovida sob fluxo de nitrogênio (N2) residual da Cold-Box aquecido a 120-130oC, sendo isento de H2O e CO2. Um pré- resfriamento da carga de ar comprimido é geralmente realizado à montante da unidade TSA para reduzir o teor de H2O da corrente visando a reduzir o volume de leito, aumentar o tempo de operação e diminuir o custo operacional com aquecimento de N2. A Patente dos EUA No. 5.728.198 descreve uma unidade TSA convencional de preparo e purificação do ar deste tipo, caracterizada por um leito duplo de material adsorvente, sendo o primeiro leito destinado a adsorver H2O e o segundo destinado a adsorver CO2. A Patente dos EUA No. 6.106.593 apresenta um terceiro leito adicional para a remoção de N2O. A Patente dos EUA No. 5.846.295 descreve uma versão mais simplificada deste tipo deunidade TSA, com apenas um leito de material adsorvente.[0004] The removal of H2O, CO2 and hydrocarbons from the air in conventional PPU is based on adsorption units with pressure or temperature modulation, the latter hereinafter referred to as TSA. In the traditional PPU, the regeneration of the TSA adsorption beds is promoted under residual nitrogen (N2) flow from the Cold-Box heated to 120-130oC, being free of H2O and CO2. A pre-cooling of the compressed air charge is usually carried out upstream of the TSA unit to reduce the H2O content of the stream in order to reduce the bed volume, increase the operating time and reduce the operating cost with N2 heating. US Patent No. 5,728,198 describes a conventional TSA unit for air preparation and purification of this type, characterized by a double bed of adsorbent material, the first bed intended for adsorbing H2O and the second intended for adsorbing CO2. US Patent No. US 6,106,593 provides an additional third bed for N2O removal. US Patent No. 5,846,295 describes a more simplified version of this type of TSA unit, with only a bed of adsorbent material.

[0005] Unidades de adsorção com modulação de pressão, doravante denominadas PSA, exibem vantagem energética sobre unidades TSA em virtude de não haver resfriamento da corrente de ar e nem aquecimento e resfriamento dos vasos durante o período de regeneração do leito. A Patente da Europa No. EP 1.254.695 descreve uma típica unidade PSA de preparo e purificação do ar. Unidades PSA deste tipo são caracterizadas por ciclos curtos de aproximadamente 20 min, em contraste com a faixa de 4 a 8 horas dos ciclos TSA. Como resultado, a frequente despressurização da unidade induz a perdas significativas de ar comprimido.[0005] Adsorption units with pressure modulation, hereinafter referred to as PSA, have an energy advantage over TSA units due to the fact that there is no cooling of the air stream and no heating and cooling of the vessels during the period of regeneration of the bed. Europe Patent No. EP 1,254,695 describes a typical PSA air preparation and purification unit. PSA units of this type are characterized by short cycles of approximately 20 min, in contrast to the 4 to 8 hour range of TSA cycles. As a result, the frequent depressurization of the unit leads to significant losses of compressed air.

[0006] A Patente dos EUA No. 5.914.455 apresenta PPU convencional constituída por uma combinação de processos PSA e TSA em série, respectivamente para remoção de H2O e CO2, como forma de reduzir o consumo energético de regeneração dos leitos ao evitar uso de calor para purgar H2O, que além da estar em maior quantidade possui também calor de dessorção mais elevado.[0006] US Patent No. 5,914,455 presents conventional PPU consisting of a combination of PSA and TSA processes in series, respectively for H2O and CO2 removal, as a way to reduce the energy consumption of bed regeneration by avoiding the use of heat to purge H2O, which in addition to being in greater quantity it also has a higher heat of desorption.

[0007] A Patente dos EUA No. 5.614.000 descreve uma variação do método PSA, denominada TEPSA, ao incorporar um pulso de calor de baixa temperatura à etapa de dessorção, entre 40 e 100°C, utilizando um tempo de ciclo pouco superior ao PSA, preferencialmente na faixa de 30 a 45 min.[0007] US Patent No. 5,614,000 describes a variation of the PSA method, called TEPSA, by incorporating a low temperature heat pulse to the desorption step, between 40 and 100°C, using a cycle time slightly higher than PSA, preferably in the range of 30 to 45 min.

[0008] A Patente dos EUA No. 5.137.548 descreve um processo PPU convencional que combina os métodos TSA e PSA ao utilizar calor de baixa de temperatura para promover a dessorção dos contaminantes, no máximo 50°C acima da temperatura de adsorção, com ciclos pouco mais curtos que os do método TSA, na faixa típica de 1 a 3h.[0008] US Patent No. 5,137,548 describes a conventional PPU process that combines the TSA and PSA methods by using low temperature heat to promote the desorption of contaminants, at most 50°C above the adsorption temperature, with cycles slightly shorter than those of the TSA method , in the typical range of 1 to 3h.

[0009] Os modernos processos criogênicos para a produção de oxigênio gasoso impuro são caracterizados por custo energético consideravelmente inferiores ao de processos mais antigos. Naqueles, a potência do compressor principal é minimizada em função de uma menor pressão requerida na linha principal do ar de entrada da Cold-Box. Tais processos envolvem a utilização de múltiplas colunas de fracionamento e múltiplos refervedores na coluna de baixa pressão. Como mostra a Patente dos EUA No. 5.682.764, caracterizada por um processo de três colunas, sendo a pressão do ar de alimentação da Cold-Box de apenas 3,24 bar, ao passo que a pressão requerida nos processos antigos é tipicamente de 5,5 bar. A literatura mais recente (DILLON et al, 2005; HIGGINBOTHAM et al, 2011) relata que a pressão requerida no processo de três colunas é de até 3,10 bar. Considerando que o consumo de potência nestes processos é ainda três vezes maior que a potência teórica mínima de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica para o fracionamento do ar, é possível que novos processos possam vir a utilizar pressões inferiores a 3 bar na linha principal de fornecimento de ar. Em processos de fracionamento de ar de alta eficiência energética, onde há minimização da pressão de fornecimento do ar, o efeito de dessorção provocado pela despressurização é reduzido, assim desfavorecendo o método PSA de regeneração de leitos, o que torna a modulação de temperatura (TSA) o mecanismo dominante para a purga dos componentes adsorvidos nos leitos. Todavia, na PPU-TSA convencional o investimento e custo operacional da unidade TSA são altos, pois PPUs convencionais, operando TSA, caracterizam-se por: (i) grandes vasos de adsorção; (ii) grande inventário de sólido adsorvente (alumina para H2O e peneira molecular zeolítica para CO2 e HCs); (iii) consumo energético alto para regeneração dos sólidos; (iv) custos de reposição de sólidos por quebra e geração de finos pelo stress termo-mecânico nos frequentes ciclos TSA.[0009] Modern cryogenic processes for the production of impure gaseous oxygen are characterized by considerably lower energy costs than older processes. In those, the power of the main compressor is minimized due to a lower pressure required in the main line of the Cold-Box inlet air. Such processes involve the use of multiple fractionation columns and multiple reboilers in the low pressure column. As shown in US Patent No. 5,682,764, characterized by a three-column process, the Cold-Box supply air pressure being only 3.24 bar, while the pressure required in the old processes is typically 5.5 bar. The most recent literature (DILLON et al, 2005; HIGGINBOTHAM et al, 2011) reports that the pressure required in the three-column process is up to 3.10 bar. Considering that the power consumption in these processes is still three times greater than the minimum theoretical power according to the Second Law of Thermodynamics for air fractionation, it is possible that new processes may use pressures lower than 3 bar in the main line of air supply. In energy-efficient air fractionation processes, where the air supply pressure is minimized, the desorption effect caused by depressurization is reduced, thus disfavoring the PSA method of bed regeneration, which makes the temperature modulation (TSA ) the dominant mechanism for the purge of adsorbed components in the beds. However, in the conventional PPU-TSA, the investment and operating cost of the TSA unit are high, since conventional PPUs, operating TSA, are characterized by: (i) large adsorption vessels; (ii) large inventory of adsorbent solid (alumina for H2O and zeolite molecular sieve for CO2 and HCs); (iii) high energy consumption for regeneration of solids; (iv) replacement costs of solids due to breakage and generation of fines due to thermo-mechanical stress in the frequent TSA cycles.

[0010] Desta forma, na PPU convencional típica o ar comprimido a 3,1-3,4 bar, já resfriado, tem aproximadamente ~4000 ppm mol de H2O, ^380 ppm mol CO2 e ^20 ppm mol HCs, sendo, portanto, o respectivo serviço de adsorção TSA responsável por abater ~4400 ppm mol de impurezas do ar. A presente invenção preconiza alterar o esquema da PPU convencional pela introdução de uma bateria de1 ou mais separadores supersônicos (SS) em paralelo antes do tratamento de adsorção visando a reduzir o teor de H2O a 100 ppm mol. Desta forma o serviço de adsorção é reduzido drasticamente a apenas 500 ppm mol (100 ppm H2O + 380 ppm CO2 + 20 ppm HCs), ou seja, a importância e os custos da adsorção são reduzidos em 88,6%. Em outras palavras, o tratamento com separador supersônico (SS) reduz o teor de H2O no ar comprimido de 4000 ppm mol a menos de 100 ppm mol, correspondendo isto a uma redução de 97,5% da captura de H2O por adsorção, não sendo ocioso lembrar que H2O é a principal espécie a ser abatida do ar para Cold-Box. O conteúdo restante de impurezas do ar a jusante do SS, agora com 500 ppm mol, ainda demanda operação de adsorção TSA para zerar teores H2O, CO2 e HCs, porém em moldes bem menos intensos (88,6% a menos de adsorção, como mostrado acima) comparativamente à adsorção da PPU convencional. Esta etapa de acabamento é aqui denominada Etapa de Remoção de Acabamento por Adsorção (ERAA), na qual, graças ao pré-serviço do SS, há consideráveis reduções de investimento e custos operacionais com adsorção TSA devido a: (i) redução de consumo energético da regeneração dos leitos devido ao menor volume de adsorvato a purgar; (ii) redução da temperatura do N2 de regeneração, agora apenas entre 70-80oC devido ao menor teor de H2O adsorvida a purgar, que é a espécie de maior resiliência na regeneração; (iii)redução do tamanho dos vasos e do leito de material adsorvente; (iv) aumento do tempo da fase de adsorção, pelo menor volume de adsorvato, resultando em aumento do tempo de operação do ciclo TSA, assim proporcionando significativos ganhos econômicos ao reduzir a frequência de regeneração e, portanto, o stress termo-mecânico sobre o sólido reduzindo quebras e custos de reposições.[0010] In this way, in the typical conventional PPU, compressed air at 3.1-3.4 bar, already cooled, has approximately ~4000 ppm mol H2O, ^380 ppm mol CO2 and ^20 ppm mol HCs, therefore being , the respective TSA adsorption service responsible for reducing ~4400 ppm mol of impurities from the air. The present invention advocates changing the conventional PPU scheme by introducing a battery of 1 or more supersonic separators (SS) in parallel before the adsorption treatment in order to reduce the H2O content to 100 mol ppm. In this way, the adsorption service is drastically reduced to just 500 ppm mol (100 ppm H2O + 380 ppm CO2 + 20 ppm HCs), that is, the importance and costs of adsorption are reduced by 88.6%. In other words, treatment with a supersonic separator (SS) reduces the H2O content in compressed air from 4000 ppm mol to less than 100 ppm mol, corresponding to a 97.5% reduction in H2O capture by adsorption, not being Needless to remember that H2O is the main species to be slaughtered from the air for Cold-Box. The remaining content of impurities in the air downstream of the SS, now at 500 ppm mol, still requires a TSA adsorption operation to zero H2O, CO2 and HCs contents, but in much less intense molds (88.6% less adsorption, as shown above) compared to conventional PPU adsorption. This finishing stage is here called Adsorption Finish Removal Stage (ERAA), in which, thanks to the SS pre-service, there are considerable reductions in investment and operating costs with TSA adsorption due to: (i) reduction in energy consumption the regeneration of the beds due to the smaller volume of adsorbate to purge; (ii) reduction in regeneration N2 temperature, now only between 70-80oC due to the lower content of adsorbed H2O to be purged, which is the most resilient species in regeneration; (iii) reduction in the size of the vessels and the bed of adsorbent material; (iv) increase in the time of the adsorption phase, due to the smaller volume of adsorbate, resulting in an increase in the operating time of the TSA cycle, thus providing significant economic gains by reducing the frequency of regeneration and, therefore, the thermo-mechanical stress on the solid reducing breakages and replacement costs.

[0011] O uso de separador supersônico (SS) é conhecido no atual estado da técnica para o ajuste simultâneo de pontos de orvalho de água e de hidrocarbonetos em cargas de gás natural. Ao acelerar o gás a velocidades supersônicas provoca expansão e grande queda de temperatura, havendo coleta de água e de hidrocarbonetos de três ou mais carbonos (C3+) condensados pelo resfriamento. Na presente invenção, a desidratação do ar é proposta como uma nova aplicação do separador supersônico.[0011] The use of supersonic separator (SS) is known in the current state of the art for the simultaneous adjustment of water and hydrocarbon dew points in natural gas loads. By accelerating the gas to supersonic speeds, it causes expansion and a large drop in temperature, with the collection of water and hydrocarbons of three or more carbons (C3+) condensed by cooling. In the present invention, air dehydration is proposed as a new application of the supersonic separator.

[0012] A Patente dos EUA No. 6.524.368 refere-se a um separador supersônico (SS) para promover condensação de um ou mais componentes a serem removidos em uma corrente de condensado. A patente é destinada à separação de um fluido incompressível, tal como água, em uma mistura caracterizada por um fluido compressível (gás) que contém o fluido incompressível que se deseja remover. Neste processo, é fornecida a um SS uma corrente de gás contendo um fluido incompressível, no qual o gás converge através de uma garganta e expande em um canal, aumentando a velocidade da corrente gasosa para velocidades supersônicas, levando à formação de gotículas de fluido incompressível, que são então separadas do fluido compressível pela submissão das gotículas e do fluido compressível a um grande turbilhão, que assim separa as gotículas do fluido compressível por meio de campo centrífugo.[0012] US Patent No. 6,524,368 relates to a supersonic separator (SS) for promoting condensation of one or more components to be removed in a stream of condensate. The patent is intended for the separation of an incompressible fluid, such as water, in a mixture characterized by a compressible fluid (gas) containing the incompressible fluid to be removed. In this process, a gas stream containing an incompressible fluid is supplied to an SS, in which the gas converges through a throat and expands in a channel, increasing the velocity of the gas stream to supersonic speeds, leading to the formation of incompressible fluid droplets. , which are then separated from the compressible fluid by subjecting the droplets and the compressible fluid to a great vortex, which thus separates the droplets from the compressible fluid by means of a centrifugal field.

[0013] A patente dos EUA No. 3.528.218 descreve um processo para condensar e separar componentes de uma corrente gasosa, o que envolve expandir a referida corrente de gás através de um efusor supersônico com o objetivo de atingir baixas pressões e baixas temperaturas na corrente gasosa supersônica, formando partículas de condensado, para remover tais partículas de condensado por movimento de inércia através de uma parede permeável, desacelerar a corrente gasosa para escoamento subsônico através de um difusor e misturar um material com a referida corrente gasosa antes da separação das partículas de condensado para aumentar a razão de volume de líquido/vapor e aumentar a eficácia de recuperação de líquidos.[0013] US Patent No. 3,528,218 describes a process for condensing and separating components of a gas stream, which involves expanding said gas stream through a supersonic effuser with the aim of achieving low pressures and low temperatures in the supersonic gas stream, forming condensate particles, to remove such condensate particles by inertial motion through a permeable wall, slow the gaseous stream to subsonic flow through a diffuser, and mix a material with said gaseous stream prior to separation of the condensate particles to increase the volume ratio of liquid/vapour and increase liquid recovery efficiency.

[0014] O pedido de patente dos EUA No. 2015/0090117 refere- se a um sistema de tratamento de gás natural onde são utilizados dois SS’s em série, onde no primeiro SS é promovida a remoção de H2O e hidrocarbonetos pesados e no segundo SS é promovida a remoção de CO2 e hidrocarbonetos condensáveis mais leves. Segundo o mesmo documento, além dos dois separadores supersônicos em série, uma etapa suplementar de separação pode opcionalmente ser utilizada para a remoção de acabamento, que consiste em um sistema de separação por absorção, por membrana ou ainda por um terceiro separador supersônico, não havendo menção à separação por adsorção. Além disso, o referido documento se diferencia da presente invenção também por se limitar à aplicação de tratamento de gás natural bruto, caracterizado por condições de operação muito distintas, de grande interferência no comportamento termodinâmico do processamento do fluido, que envolve, sobretudo, um teor muito mais elevado de CO2 na corrente gasosa e uma pressão de trabalho muito superior à atmosférica.[0014] US Patent Application No. 2015/0090117 refers to a natural gas treatment system where two SS's are used in series, where in the first SS the removal of H2O and heavy hydrocarbons is promoted and in the second SS the removal of CO2 and lighter condensable hydrocarbons is promoted . According to the same document, in addition to the two supersonic separators in series, an additional separation stage can optionally be used for finishing removal, which consists of a separation system by absorption, by membrane or even by a third supersonic separator, with no mention of separation by adsorption. In addition, said document differs from the present invention also because it is limited to the application of raw natural gas treatment, characterized by very different operating conditions, of great interference in the thermodynamic behavior of fluid processing, which involves, above all, a content much higher CO2 in the gaseous stream and a working pressure much higher than atmospheric.

[0015] O recente pedido de patente de invenção registrado sob o No. BR102017015092-5 refere-se a um processo que também utiliza em papel central o separador supersônico (SS) em uma aplicação inovadora, como na presente invenção, porém radicalmente diferindo desta, em quese visa a recuperar inibidores termodinâmicos de hidratos (ITHs) de cargas de gás natural previamente tratadas com tais ITHs. Nesta invenção também é utilizado separador supersônico que, reduzindo drasticamente as perdas de ITHs, também ajusta simultaneamente o ponto de orvalho de hidrocarbonetos e o ponto de orvalho de água do gás, assim promovendo o condicionamento do gás para exportação, além de evitar gastos desnecessários com reposição de ITHs. O inibidor termodinâmico de hidratos (ITH) a que se refere consiste em um fluido pertencente ao seguinte conjunto de substâncias: metanol, etanol, monoetileno glicol, glicóis em geral, ou qualquer outro composto líquido multi-hidroxilado como glicerol, ou multi-oxigenados como poli-éteres e carbonatos orgânicos. O mesmo processo proporciona ainda uma corrente de condensado que consiste em gás liquefeito de petróleo de alto valor de mercado.[0015] The recent invention patent application filed under No. BR102017015092-5 refers to a process that also uses the supersonic separator (SS) in a central role in an innovative application, as in the present invention, but radically differing from this one, in that it aims to recover thermodynamic inhibitors of hydrates (ITHs) from fillers of natural gas previously treated with such ITHs. In this invention, a supersonic separator is also used, which, drastically reducing ITH losses, also simultaneously adjusts the dew point of hydrocarbons and the dew point of water in the gas, thus promoting the conditioning of the gas for export, in addition to avoiding unnecessary expenses with replacement of ITHs. The thermodynamic hydrate inhibitor (ITH) referred to consists of a fluid belonging to the following set of substances: methanol, ethanol, monoethylene glycol, glycols in general, or any other multi-hydroxylated liquid compound such as glycerol, or multi-oxygenated compounds such as polyethers and organic carbonates. The same process also provides a condensate stream consisting of high market value liquefied petroleum gas.

[0016] Assim, não há no estado da técnica qualquer referência ou sugestão à utilização de separadores supersônicos para promover a desidratação de ar em uma unidade PPU híbrida de preparo e pré-purificação, destinada ao condicionamento de ar para posterior fracionamento criogênico. A presente invenção compreende uma etapa principal de separação supersônica, que remove cerca de 88,6% de contaminantes do ar, sendo a maior parte água, seguida por uma etapa secundária de acabamento para remoção de contaminantes residuais do ar, como ^380 ppm de CO2, ^100 ppm de H2O e traços de hidrocarbonetos, podendo ser usado nesta etapa um grande leque de opções em leito sólido, como adsorção em zeólita, adsorção química em alumina ativada com NaOH, adsorção química em alumina ativada com CaO, adsorção química em NaOH sólido, adsorção em carvão ativado, entre outras, etapa esta que doravante é denominada Etapa de Remoção de Acabamento por Adsorção (ERAA). A unidade ERAA é necessária como complemento à ação do separador supersônico (SS) aqui prescrito, pois este consegue abater a carga de contaminantes do ar - umidade, CO2 e hidrocarbonetos - em até 88,6% mol, permanecendo um resíduo de 11,4% de contaminantes recalcitrantes relativamente ao teor inicial, majoritariamente composto por ^380 ppm CO2,^100 ppm H2O e ~2 0 ppm HCs, que deverão requerer tecnologia de captura em leito sólido, tal como adsorção TSA, adsorção química, leito de conversão química, etc.[0016] Thus, there is no reference or suggestion in the state of the art to the use of supersonic separators to promote air dehydration in a hybrid PPU preparation and pre-purification unit, intended for air conditioning for subsequent cryogenic fractionation. The present invention comprises a major supersonic separation step, which removes approximately 88.6% of airborne contaminants, most of which is water, followed by a secondary finishing step to remove residual airborne contaminants, such as ~380 ppm of CO2, ^100 ppm of H2O and traces of hydrocarbons, a wide range of options in solid bed can be used in this step, such as adsorption on zeolite, chemical adsorption on alumina activated with NaOH, chemical adsorption on alumina activated with CaO, chemical adsorption on Solid NaOH, adsorption on activated carbon, among others, a step that is now called Adsorption Finish Removal Step (ERAA). The ERAA unit is necessary as a complement to the action of the supersonic separator (SS) prescribed here, as it manages to reduce the load of air contaminants - humidity, CO2 and hydrocarbons - by up to 88.6 mol%, remaining a residue of 11.4 % of recalcitrant contaminants compared to the initial content, mostly composed of ^380 ppm CO2, ^100 ppm H2O and ~2 0 ppm HCs, which should require solid bed capture technology, such as TSA adsorption, chemical adsorption, chemical conversion bed , etc.

Objetivos da InvençãoObjectives of the Invention

[0017] Um objetivo da presente invenção é demonstrar um novo conceito PPU de pré-purificação de ar a alimentar na Cold-Box criogênica para fracionamento. Na presente invenção a PPU é reformulada sendo constituída por um sistema híbrido compreendendo: (i) etapa principal de desidratação com separador supersônico (SS); e (ii) etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA). Desta forma, o SS reduz drasticamente o teor de H2O (aproximadamente em 97,5%) a ser enviado para a etapa de acabamento ERAA em leitos sólidos, permitindo obter vantagens econômicas significativas no custo operacional do fornecimento de ar para Cold-Box, por minimizar capital e custo operacional da etapa de adsorção TSA (ERAA) ao: (i) reduzir o consumo energético e a temperatura associados à regeneração de leitos de adsorção; (ii) reduzir drasticamente a carga de material a ser adsorvido e o tamanho de vasos TSA e inventário de sólidos; (iii) reduzir o custo com reposição de sólidos e geração de finos por quebras de sólidos ao reduzir o stress termo-mecânico na adsorção TSA. Em síntese, a invenção proposta insere um separador supersônico (SS) que reduz em 88,6% o serviço de adsorção ou tratamento com leitos sólidos na unidade ERAA, desta forma reduzindo os custos de capital e de operação com respeito à tratamento de ar por leitos sólidos (adsorção, etc). É ponto central da presente invenção que os custos agregados - de capital e de operação - pela entrada do separador supersônico são inferiores às reduções de custo obtidas pela redução em 88,6% do tamanho do serviço de adsorção TSA, definindo, portanto, uma alternativa economicamente mais eficiente que a adsorção TSA de alta capacidade usada nas PPUs convencionais.[0017] An objective of the present invention is to demonstrate a new PPU concept of air pre-purification to be fed into the cryogenic Cold-Box for fractionation. In the present invention, the PPU is reformulated, consisting of a hybrid system comprising: (i) main stage of dehydration with a supersonic separator (SS); and (ii) adsorption finish removal (ERAA) step. In this way, the SS drastically reduces the H2O content (approximately 97.5%) to be sent to the ERAA finishing stage in solid beds, allowing to obtain significant economic advantages in the operational cost of supplying air to the Cold-Box, for minimize capital and operating cost of the TSA adsorption step (ERAA) by: (i) reducing energy consumption and temperature associated with regeneration of adsorption beds; (ii) drastically reduce the load of material to be adsorbed and the size of TSA vessels and solids inventory; (iii) reduce the cost of replacing solids and generating fines by breaking solids by reducing thermo-mechanical stress in TSA adsorption. In summary, the proposed invention inserts a supersonic separator (SS) that reduces by 88.6% the service of adsorption or treatment with solid beds in the ERAA unit, thus reducing capital and operating costs with respect to air treatment by solid beds (adsorption, etc). It is the central point of the present invention that the added costs - of capital and operation - by entering the supersonic separator are lower than the cost reductions obtained by reducing the size of the TSA adsorption service by 88.6%, thus defining an alternative more economically efficient than the high-capacity TSA adsorption used in conventional PPUs.

[0018] Outro objetivo da presente invenção é demonstrar um processo que minimiza o investimento da adsorção TSA e maximiza o tempo de operação dos vasos, permitindo estender a duração da fase de adsorção em até 4 vezes, com possibilidade de utilizar temperaturas mais brandas para regeneração (70°C a 90°C), assim proporcionando aumento da durabilidade dos leitos com consequente redução de custo de reposição desses sólidos, em função de uma minimização do stress termo-mecânico provocado por uma variação menos frequente das condições de temperatura e vazão do leito.[0018] Another objective of the present invention is to demonstrate a process that minimizes the investment of TSA adsorption and maximizes the operating time of the vessels, allowing to extend the duration of the adsorption phase by up to 4 times, with the possibility of using milder temperatures for regeneration (70°C to 90°C), thus providing an increase in the durability of the beds with a consequent reduction in the cost of replacing these solids, due to a minimization of the thermo-mechanical stress caused by a less frequent variation in the conditions of temperature and flow of the bed.

[0019] Outro objetivo da presente invenção é demonstrar um processo que minimiza a reposição de água no sistema de resfriamento da PPU como resultado da recirculação de condensado frio proveniente do separador supersônico, recirculação esta que é inexistente nas PPUs convencionais baseadas em adsorção TSA de alta capacidade. Em outras palavras, os 4000 ppm mol de H2O do ar pressurizado e resfriado são totalmente perdidos na etapa de regeneração dos leitos TSA nas PPUs convencionais, enquanto que na PPU alternativa com SS, apenas 100 ppm de H2O (dos 4000 ppm originais) são perdidos na regeneração dos menores leitos TSA na unidade ERAA.[0019] Another objective of the present invention is to demonstrate a process that minimizes water replacement in the PPU cooling system as a result of the recirculation of cold condensate from the supersonic separator, a recirculation that does not exist in conventional PPUs based on high-speed TSA adsorption capacity. In other words, the 4000 mol ppm of H2O from the pressurized and cooled air are completely lost in the regeneration step of the TSA beds in the conventional PPUs, while in the alternative PPU with SS, only 100 ppm of H2O (from the original 4000 ppm) are lost in the regeneration of the smallest TSA beds in the ERAA unit.

[0020] Outro objetivo da presente invenção é demonstrar uma processo particularmente mais vantajoso economicamente para o fornecimento de ar purificado à Cold-Box de fracionamento de ar quando uma das linhas de alimentação de ar comprimido purificado da Cold-Box encontra-se em pressão inferior a 4 bar(a), constituindo uma tecnologia de grande interesse para plantas mais modernas destinadas a produção de oxigênio gasoso impuro, onde invariavelmente há penalização energética em função de um teor mais elevado de H2O no ar.[0020] Another objective of the present invention is to demonstrate a particularly economically advantageous process for supplying purified air to the Cold-Box for air fractionation when one of the Cold-Box purified compressed air supply lines is at a lower pressure at 4 bar(a), constituting a technology of great interest for more modern plants intended for the production of impure gaseous oxygen, where there is invariably an energy penalty due to a higher H2O content in the air.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

[0021] É aqui revelado um processo de preparo e purificação de ar que, destinado a uma unidade criogênica de separação, compreende as seguintes etapas: (a) ar comprimido é preferencialmente enviado para o fundo de uma coluna de resfriamento em contato direto caraterizada por: (i) duas seções, onde a seção inferior, também denominada seção quente, é alimentada ao fundo por ar comprimido bruto e ao topo por água fria produzida por uma torre de resfriamento convencional (atmosférica); (ii) duas seções, onde a seção superior, também denominada seção fria, é alimentada ao topo por água gelada produzida, por sua vez, em outra coluna de contato direto na qual água de resfriamento é contactada com corrente gasosa fria residual da Cold-Box, preferencialmente nitrogênio impuro em pressão próxima à atmosférica; (b) ar frio comprimido (5°C a 15°C) é enviado para um ou mais separadores supersônicos (SS) em paralelo, que produzem uma corrente de ar comprimido desidratado semi-fria (10°C a 20°C) e uma corrente de água condensada e super-resfriada (de -30°C a -50°C), a serem tratadas da seguinte forma: (i) a corrente gasosa semi-fria que sai do SS, ou do conjunto de SS’s, é enviada para uma segunda etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), onde são abatidos resíduos remanescentes de H2O, CO2, hidrocarbonetos e outros contaminantes do ar; (ii) a corrente de água condensada super-resfriada que sai do SS, ou do conjunto de SS’s, é misturada à corrente de água gelada destinada a promover resfriamento do ar por contato direto, ar resfriado este que alimenta a bateria de SS’s, o que permite não apenas diminuir a temperatura do ar de alimentação dos SS’s, beneficiando seu desempenho, como também reduzir a demanda de água do processo, em função da captura de ~97,5% da água existente no ar bruto em processamento; (c) ar frio comprimido e desumidificado da bateria de SS’s é enviado para a etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), de onde sai purificado, isento de contaminantes de qualquer tipo, em condições adequadas para processamento criogênico na Cold-Box, sendo caracterizada por: (i) dois ou mais vasos de adsorção TSA que operam alternadamente, havendo necessariamente ao menos um vaso operando em fase de adsorção, sob alimentação de ar comprimido desumidificado frio, e ao menos um vaso operando em fase de regeneração de leito, sob alimentação de gás aquecido (70- 90oC), isento de H2O e CO2, e em pressão próxima à atmosférica, que preferencialmente é uma parte do nitrogênio residual produzido pela Cold-Box; (ii) dois ou mais vasos de adsorção TSA que contêm um ou mais leitos de material adsorvente em série, instalados em orientação vertical ou horizontal, com escoamento em direção axial ou radial, cujo sentido é alternado segundo a fase de operação do vaso.[0021] An air preparation and purification process is disclosed here which, intended for a cryogenic separation unit, comprises the following steps: (a) compressed air is preferably sent to the bottom of a cooling column in direct contact characterized by : (i) two sections, where the lower section, also known as the hot section, is fed at the bottom by raw compressed air and at the top by cold water produced by a conventional (atmospheric) cooling tower; (ii) two sections, where the upper section, also called the cold section, is fed to the top by chilled water produced, in turn, in another direct contact column in which cooling water is contacted with cold residual cold gas stream from Cold- Box, preferably impure nitrogen at a pressure close to atmospheric; (b) cold compressed air (5°C to 15°C) is sent to one or more supersonic separators (SS) in parallel, which produce a stream of semi-cold dehydrated compressed air (10°C to 20°C) and a stream of condensed and supercooled water (from -30°C to -50°C), to be treated as follows: (i) the semi-cold gaseous stream that leaves the SS, or the set of SS's, is sent to a second stage of adsorption finish removal (ERAA), where remaining residues of H2O, CO2, hydrocarbons and other air contaminants are slaughtered; (ii) the stream of super-cooled condensed water leaving the SS, or the set of SS's, is mixed with the stream of cold water destined to promote cooling of the air by direct contact, this cooled air that feeds the battery of SS's, the which allows not only to decrease the temperature of the SS's supply air, benefiting their performance, but also to reduce the demand for process water, due to the capture of ~97.5% of the water existing in the raw air being processed; (c) cold compressed and dehumidified air from the SS's battery is sent to the adsorption finish removal step (ERAA), where it comes out purified, free of contaminants of any kind, under conditions suitable for cryogenic processing in the Cold-Box, being characterized by: (i) two or more TSA adsorption vessels that operate alternately, necessarily having at least one vessel operating in the adsorption phase, under supply of cold dehumidified compressed air, and at least one vessel operating in the bed regeneration phase , under heated gas supply (70-90oC), free of H2O and CO2, and at pressure close to atmospheric, which is preferably a part of the residual nitrogen produced by the Cold-Box; (ii) two or more TSA adsorption vessels containing one or more beds of adsorbent material in series, installed in vertical or horizontal orientation, with flow in axial or radial direction, whose direction is alternated according to the operating phase of the vessel.

[0022] É aqui revelado um processo de preparo e purificação de ar que, destinado a uma unidade criogênica Cold-Box de separação, em uma concretização preferida, utiliza, para aquecer o gás de regeneração dos leitos de adsorção, uma parte do fluido térmico de refrigeração, preferencialmente água de um circuito semi-fechado de torre atmosférica de resfriamento, que retorna a uma temperatura entre 90°C e 100°C de um trocador de calor de resfriamento da descarga de um dos estágios de compressão de ar, que preferencialmente é o trocador de calor que resfria a descarga do primeiro estágio de compressão do ar, que doravante é denominado intercooler.[0022] An air preparation and purification process is disclosed here which, destined for a cryogenic Cold-Box separation unit, in a preferred embodiment, uses, to heat the regeneration gas of the adsorption beds, a part of the thermal fluid of cooling, preferably water from a semi-closed circuit of an atmospheric cooling tower, which returns at a temperature between 90°C and 100°C from a heat exchanger for cooling the discharge of one of the air compression stages, which preferably it is the heat exchanger that cools the discharge of the first stage of air compression, which from now on is called intercooler.

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of the Drawings

[0023] A Figura 1 é um diagrama de blocos que ilustra simplificadamente um processo convencional de separação criogênica do ar que compreende a Cold-Box e a unidade convencional PPU de preparo e purificação do ar, constituído por uma unidade de adsorção TSA de grande capacidade.[0023] Figure 1 is a block diagram that simply illustrates a conventional cryogenic air separation process comprising the Cold-Box and the conventional PPU unit for air preparation and purification, consisting of a high-capacity TSA adsorption unit .

[0024] A Figura 2 é um diagrama de blocos que ilustra simplificadamente um processo alternativo de separação criogênica do ar que compreende uma concretização da presente invenção: um novo tipo de unidade PPU de preparo e purificação de ar constituída por uma bateria de separadores supersônicos (SS) seriada por uma etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), onde o gás de regeneração é aquecido com utilidade térmica convencional (vapor de baixa pressão ou eletricidade).[0024] Figure 2 is a block diagram that simply illustrates an alternative cryogenic air separation process that comprises an embodiment of the present invention: a new type of PPU unit for air preparation and purification consisting of a battery of supersonic separators ( SS) serialized by an adsorption finish removal (ERAA) step, where the regeneration gas is heated with conventional thermal utility (low pressure steam or electricity).

[0025] A Figura 3 é um diagrama de blocos que ilustra simplificadamente outro processo alternativo de separação criogênica do ar que compreende outra concretização da presente invenção: um novo tipo de unidade PPU de preparo e purificação do ar constituída por uma bateria de separadores supersônicos (SS) seriada por uma etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), onde é aquecido o gás de regeneração usando-se recuperação de calor de compressão de ar bruto.[0025] Figure 3 is a block diagram that simply illustrates another alternative cryogenic air separation process that comprises another embodiment of the present invention: a new type of PPU unit for air preparation and purification consisting of a battery of supersonic separators ( SS) serialized by an Adsorption Finish Removal (ERAA) step, where the regeneration gas is heated using raw air compression heat recovery.

[0026] A Figura 4 é um fluxograma que demonstra simplificadamente o processo de fornecimento de ar preparado e purificado correspondente ao diagrama mostrado na Figura 2, que inclui uma concretização da presente invenção.[0026] Figure 4 is a flowchart that simply demonstrates the process of supplying prepared and purified air corresponding to the diagram shown in Figure 2, which includes an embodiment of the present invention.

[0027] A Figura 5 é um fluxograma que demonstra simplificadamente o processo de fornecimento de ar preparado e purificado correspondente ao diagrama mostrado na Figura 3, que inclui outra concretização da presente invenção.[0027] Figure 5 is a flowchart that simply demonstrates the process of supplying prepared and purified air corresponding to the diagram shown in Figure 3, which includes another embodiment of the present invention.

[0028] A Figura 6 é um gráfico comparativo e ilustrativo referente aos Exemplos 1 e 2 onde é apresentadoo detalhamento do investimento da unidade PPU de preparo e purificação do ar.[0028] Figure 6 is a comparative and illustrative graph referring to Examples 1 and 2 where the details of the investment in the PPU unit for air preparation and purification are presented.

[0029] A Figura 7 é um gráfico comparativo e ilustrativo referente aos Exemplos 1 e 2 onde é apresentado o detalhamento do custo anual de operação da unidade PPU de preparo e purificação do ar.[0029] Figure 7 is a comparative and illustrative graph referring to Examples 1 and 2 where the breakdown of the annual cost of operation of the PPU unit for air preparation and purification is presented.

[0030] A Figura 8 é um gráfico comparativo e ilustrativo referente aos Exemplos 1 e 2 onde é apresentado o valor presente líquido do fluxo de caixa acumulado da unidade PPU de preparo e purificação do ar.[0030] Figure 8 is a comparative and illustrative graph referring to Examples 1 and 2 where the net present value of the accumulated cash flow of the PPU unit for air preparation and purification is presented.

Descrição DetalhadaDetailed Description

[0031] Com referência ao anterior estado-da-técnica ilustrado pelo diagrama de blocos da Figura 1, a corrente 1 de ar atmosférico é succionada pelo compressor principal do processo, que envia a corrente 2 de ar comprimido para a seção de pós-resfriamento, que compreende uma coluna de resfriamento em contato direto, doravante denominada DCA, de onde sai a corrente gasosa 3 de ar frio. Parte da água contida no ar atmosférico é removida na DCA, de onde sai pela corrente 4, que corresponde ao produto líquido de fundo da coluna. A DCA é constituída por duas seções de resfriamento: a primeira alimentada por água de uma torre atmosférica de arrefecimento, doravante denominada torre CW, e a segunda por água gelada de uma torre de arrefecimento com injeção pelo fundo de uma corrente gasosa residual da Cold-Box que preferencialmente é nitrogênio gasoso, isento de H2O e CO2, em pressão próxima à atmosférica, torre esta que doravante é denominada EWC. O gás de injeção da corrente 5 resfria a água no interior da EWC por efeito de evaporação, de onde sai por meio da corrente 6 saturada em água. A unidade PPU de preparo e purificação convencional é alimentada pela corrente 3, que consiste em ar saturado em água, e produz a corrente 7 de ar pressurizado, resfriado e isento de H2O e CO2 para a Cold-Box, a qual antes de alimentar a Cold-Box pode opcionalmente ser dividida em duas correntes, onde uma das quais é enviada para um estágio suplementar de compressão de ar (booster). A corrente 8 corresponde a uma outra partedo gás residual da Cold-Box, que preferencialmente é nitrogênio gasoso, isento de H2O e CO2, em pressão próxima à atmosférica, corrente 8 esta que passa por uma etapa intermitente de aquecimento: durante a primeira fase de regeneração do leito, ou etapa de aquecimento, a corrente 9, destinada à dessorção dos componentes retidos, é produto do aquecimento da corrente 8 com vapor de baixa pressão, ao passo que durante a segunda fase de regeneração do leito, ou etapa de resfriamento, a corrente 9 é igual à corrente 8.[0031] With reference to the previous state-of-the-art illustrated by the block diagram of Figure 1, the atmospheric air stream 1 is sucked by the main compressor of the process, which sends the compressed air stream 2 to the post-cooling section , which comprises a cooling column in direct contact, hereinafter referred to as DCA, from which the gaseous stream 3 of cold air comes out. Part of the water contained in the atmospheric air is removed in the DCA, from where it exits through stream 4, which corresponds to the liquid product at the bottom of the column. The DCA consists of two cooling sections: the first fed by water from an atmospheric cooling tower, hereinafter referred to as the CW tower, and the second by chilled water from a cooling tower with bottom injection of a residual gaseous stream from Cold- Box which is preferably gaseous nitrogen, free of H2O and CO2, at pressure close to atmospheric, this tower which is henceforth called EWC. The injection gas from stream 5 cools the water inside the EWC by means of evaporation, from which it exits through stream 6 saturated with water. The conventional preparation and purification PPU unit is fed by stream 3, which consists of air saturated in water, and produces stream 7 of pressurized, cooled air, free of H2O and CO2 to the Cold-Box, which, before feeding the Cold-Box can optionally be split into two streams, one of which is sent to an additional air compression stage (booster). Stream 8 corresponds to another part of the residual gas from the Cold-Box, which is preferably gaseous nitrogen, free of H2O and CO2, at a pressure close to atmospheric, stream 8 which goes through an intermittent heating stage: during the first phase of bed regeneration, or heating step, stream 9, intended for the desorption of retained components, is the product of heating stream 8 with low pressure steam, while during the second bed regeneration phase, or cooling step, current 9 is equal to current 8.

[0032] Com referência ao diagrama de blocos apresentado na Figura 2, que compreende unidade PPU alternativa de preparo e purificação de ar como uma das possíveis concretizações desta invenção, tal processo se diferencia do processo PPU convencional ilustrado pela Figura 1 por haver uma bateria de separadores supersônicos (SS) que, por meio da corrente 11, tipicamente envia ar com ~100 ppm mol de umidade para uma etapa secundária deremoção de acabamento de contaminantes por adsorção (ERAA), cujo princípio de funcionamento é semelhante ao método convencional de purificação por adsorção sendo, porém, de muito menor tamanho de serviço de adsorção, aqui da ordem de apenas 500 ppm mol (100 ppm H2O + 380 ppm CO2 + 20 ppm HCs) e, portanto, muito menos intensiva em capital e energia comparativamente à PPU convencional cujo serviço de adsorção é 8-9 vezes maior da ordem de 4400 ppm (4000 ppm H2O + 380 ppm CO2 + 20 ppm HCs). A água super-resfriada (de -60°C a -30°C) ejetada do SS é recirculada por meio da corrente 12 para a seção de pós-resfriamento de ar comprimido, onde é misturada à água gelada produzida pela EWC, o que reduz drasticamente os custos de água de reposição (make-up) da PPU alternativa e aumenta o pool de água gelada da PPU alternativa para pré- resfriar o ar, fatores estes inexistentes na PPU convencional que perde todos os 4000 ppm de água do ar comprimido e, portanto, além do muito maior serviço de adsorção, tem custos maiores de reposição de água de refrigeração que é evaporada na torre de resfriamento.[0032] With reference to the block diagram shown in Figure 2, which comprises an alternative PPU unit for preparing and purifying air as one of the possible embodiments of this invention, this process differs from the conventional PPU process illustrated in Figure 1 because there is a battery of supersonic separators (SS) which, through stream 11, typically send air with ~100 ppm mol of moisture to a secondary step of removal of finish contaminants by adsorption (ERAA), whose working principle is similar to the conventional method of purification by adsorption being, however, of much smaller size of adsorption service, here of the order of only 500 ppm mol (100 ppm H2O + 380 ppm CO2 + 20 ppm HCs) and, therefore, much less intensive in capital and energy compared to conventional PPU whose adsorption service is 8-9 times greater in the order of 4400 ppm (4000 ppm H2O + 380 ppm CO2 + 20 ppm HCs). The supercooled water (from -60°C to -30°C) ejected from the SS is recirculated through stream 12 to the compressed air post-cooling section, where it is mixed with the ice water produced by the EWC, which drastically reduces make-up water costs of the alternative PPU and increases the chilled water pool of the alternative PPU to pre-cool the air, factors that do not exist in the conventional PPU that loses all 4000 ppm of water from the compressed air and therefore, in addition to the much higher adsorption service, it has higher replacement costs for cooling water that is evaporated in the cooling tower.

[0033] Com referência ao diagrama de blocos apresentado na Figura 3, que compreende unidade PPU alternativa de preparo e purificação de ar como uma outra possível concretização desta invenção, tal processo também utiliza separadores supersônicos e é similar ao da unidade PPU alternativa na Figura 2, mas se diferencia desta por realizar integração energética ao recuperar parte do calor de compressão para o aquecimento do gás de regeneração, corrente 8, por meio de uma parte da água quente (90-100oC) produzida em um trocador de calor de resfriamento da descarga de um dos estágios de compressão do ar, preferencialmente um estágio intermediário de resfriamento (intercooler). Como resultado, a corrente 8 é aquecida pela corrente 13, que se resfria e é retornada para o intercooler por meio da corrente 14.[0033] With reference to the block diagram shown in Figure 3, which comprises an alternative PPU unit for air preparation and purification as another possible embodiment of this invention, such a process also uses supersonic separators and is similar to the alternative PPU unit in Figure 2 , but differs from this one in that it performs energy integration by recovering part of the heat of compression for heating the regeneration gas, current 8, by means of a part of the hot water (90-100oC) produced in a heat exchanger for cooling the discharge one of the air compression stages, preferably an intermediate cooling stage (intercooler). As a result, stream 8 is heated by stream 13, which cools down and is returned to the intercooler via stream 14.

[0034] O fluxograma mostrado na Figura 4 ilustra o fornecimento de ar preparado e purificado correspondente ao diagrama de blocos mostrado na Figura 2, que inclui uma concretização da presente invenção. A corrente 1 de ar atmosférico alimenta o compressor 20, que corresponde ao primeiro estágio de compressão do ar, de onde é descarregado para a tubulação 21, que envia ar comprimido para o intercooler 22, que embora esteja representado neste fluxograma por um trocador de calor convencional, sem contato entre os fluidos, pode alternativamente ser nesta concretização uma coluna de resfriamento em contato direto. Por meio da tubulação 23, o intercooler 22 envia ar frio comprimido para o vaso separador 24, que envia água condensada para a tubulação 25. O gás produzido no topo do vaso 24 é enviado para a tubulação 26 conectada à sucção do compressor 27, que preferencialmente é o segundo estágio de único equipamento que reúne ambos os estágios de compressão 20 e 27. A descarga do compressor 27 é conectada à tubulação 2, que corresponde à corrente de ar comprimido que sai da seção de compressão para a seção de pós-resfriamento, conforme o diagrama de blocos mostrado na Figura 2. A corrente 2 entra pelo fundo da DCA e percorre as seções de recheio 28 e 29, onde na primeira o ar é resfriado por água de uma torre CW, não mostrada no fluxograma, e na segunda é resfriada por água gelada produzida pela coluna 30 (EWC). O ar sai da seção de recheio 29 por meio da tubulação 3, que é conectada ao separador supersônico 31, que opcionalmente pode ser substituído por uma bateria de separadores supersônicos em paralelo, de onde saem duas correntes: uma corrente gasosa de ar desumidificado, que escoa pela tubulação 11, e uma corrente de água condensada super-resfriada (entre -30oC e -60oC) que escoa pela linha 12. O ar desidratado da linha 11 é enviado para a ERAA, onde alimenta o vaso de adsorção 32, que de forma simplificada representa genericamente o vaso, ou conjunto de vasos, que alternadamente se encontra em condições de operação de adsorção, em contraste com o vaso 33, que representa o vaso, ou conjunto de vasos, que alternadamente se encontra em condições de regeneração ou dessorção. Por meio da linha 7, o ar sai da ERAA em condições adequadas para processamento criogênico na Cold-Box.[0034] The flowchart shown in Figure 4 illustrates the supply of prepared and purified air corresponding to the block diagram shown in Figure 2, which includes an embodiment of the present invention. Atmospheric air stream 1 feeds compressor 20, which corresponds to the first stage of air compression, from where it is discharged to pipe 21, which sends compressed air to intercooler 22, which although represented in this flowchart by a heat exchanger conventional, without contact between the fluids, may alternatively be in this embodiment a cooling column in direct contact. Through pipe 23, intercooler 22 sends cold compressed air to separator vessel 24, which sends condensed water to pipe 25. The gas produced at the top of vessel 24 is sent to pipe 26 connected to the suction of compressor 27, which preferably it is the second stage of single equipment that combines both compression stages 20 and 27. The discharge of compressor 27 is connected to piping 2, which corresponds to the stream of compressed air leaving the compression section for the post-cooling section , according to the block diagram shown in Figure 2. Current 2 enters at the bottom of the DCA and runs through packing sections 28 and 29, where in the first the air is cooled by water from a CW tower, not shown in the flowchart, and in the second is cooled by ice water produced by column 30 (EWC). The air leaves the stuffing section 29 through pipe 3, which is connected to the supersonic separator 31, which optionally can be replaced by a battery of supersonic separators in parallel, from which two streams come out: a gaseous stream of dehumidified air, which flows through pipe 11, and a stream of super-cooled condensed water (between -30oC and -60oC) which flows through line 12. The dehydrated air from line 11 is sent to the ERAA, where it feeds the adsorption vessel 32, which simplified form generically represents the vessel, or set of vessels, which is alternately in conditions of adsorption operation, in contrast to vessel 33, which represents the vessel, or set of vessels, which is alternately in conditions of regeneration or desorption . Through line 7, the air leaves the ERAA under suitable conditions for cryogenic processing in the Cold-Box.

[0035] Ainda a respeito do fluxograma mostrado na Figura 4, a regeneração dos leitos de adsorção é promovida por uma parte do nitrogênio residual da Cold-Box, representada no fluxograma pela corrente 8, que alternadamente é enviada para o trocador de calor 34 ou para a linha de “by-pass” do mesmo, de onde sai pela corrente 9 para alimentar o vaso em regeneração 33, cuja saída é conectada à tubulação 10, que libera para a atmosfera o gás de regeneração carreando os componentes dessorvidos do leito. O trocador de calor 34, de operação intermitente, tem por objetivo aquecer a corrente gasosa de nitrogênio, o que nesta concretização é proporcionado por meio de troca térmica com vapor de baixa pressão, que opcionalmente pode ser substituído por aquecimento elétrico ou por qualquer outra utilidade térmica. Outra parte do nitrogênio residual da Cold-Box, representada pela corrente 5, é utilizada para promover resfriamento na coluna 30, que recebe água de retorno por meio da tubulação 35. Por meio de evaporação e troca de calor sensível, a corrente de água sai refrigerada da coluna 30 por meio da tubulação 36, que se conecta à sucção da bomba 37, que eleva a pressão do produto de fundo da coluna para a pressão da corrente 12 de água condensada super-resfriada do separador supersônico. A corrente de descarga da bomba 37 é então misturada à corrente 12 para produzir a corrente 38, que alimenta a sucção da bomba 39, que por sua vez alimenta o topo da DCA por meio da tubulação 40. A corrente 12 é misturada à corrente de descarga da bomba 37 por meio de uma simples conexão de tubulação ou opcionalmente por meio de alimentação a um vaso acumulador de líquido, não representado no fluxograma, que aumenta o tempo de contato entre os fluidos para evitar carreamento de cristais de gelo para a bomba 39. O produto líquido de fundo da seção de recheio 29 é recolhido para a tubulação 41 como água de retorno, sendo então misturado à corrente 42 de reposição de água para alimentar a coluna 30 por meio da tubulação 35. A reposição de água é necessária para compensar perdas evaporativas da coluna 30. Comparado com a unidade PPU convencional de preparo e purificação de ar via unidade de adsorção TSA de grande capacidade, a presente invenção proporciona um serviço de adsorção 8-9 vezes menor e uma menor demanda de reposição de água em virtude da possibilidade de recirculação da água residual contida no ar frio que sai do topo da DCA, água esta a ser 97,5% capturada na bateria de separadores supersônicos. A seção de recheio 28, ou seção quente da DCA, é alimentada no topo pela corrente 43, que consiste em uma corrente de água proveniente de uma torre CW. O produto líquido de fundo da DCA, representado no fluxograma pela corrente 4, inclui o condensado do ar, sendo por esta razão capaz de compensar a demanda de água das correntes 42 e 43 após resfriamento opcional em uma torre CW.[0035] Still regarding the flowchart shown in Figure 4, the regeneration of the adsorption beds is promoted by a part of the residual nitrogen from the Cold-Box, represented in the flowchart by stream 8, which alternately is sent to heat exchanger 34 or to its by-pass line, from where it exits via stream 9 to feed the regenerating vessel 33, whose output is connected to piping 10, which releases the regeneration gas into the atmosphere, carrying the desorbed components of the bed. The heat exchanger 34, of intermittent operation, aims to heat the nitrogen gas stream, which in this embodiment is provided by means of thermal exchange with low pressure steam, which optionally can be replaced by electric heating or by any other utility. thermal. Another part of the Cold-Box residual nitrogen, represented by stream 5, is used to promote cooling in column 30, which receives return water through pipe 35. Through evaporation and sensible heat exchange, the water stream leaves refrigerated from column 30 through piping 36, which connects to the suction of pump 37, which raises the pressure of the bottom product of the column to the pressure of the supercooled condensed water stream 12 of the supersonic separator. The discharge stream from pump 37 is then mixed with stream 12 to produce stream 38, which feeds the suction to pump 39, which in turn feeds the top of the DCA through piping 40. Stream 12 is mixed with the discharge stream. discharge of pump 37 through a simple piping connection or optionally by feeding it to a liquid accumulator vessel, not shown in the flowchart, which increases the contact time between the fluids to avoid carrying ice crystals to the pump 39 The bottom liquid product from packing section 29 is collected into line 41 as return water, then mixed with make-up water stream 42 to feed column 30 via line 35. Make-up water is necessary to compensate evaporative losses from column 30. Compared with conventional PPU air preparation and purification unit via large capacity TSA adsorption unit, the present invention provides 8-9 times less adsorption service and less water make-up demand in Due to the possibility of recirculating the residual water contained in the cold air coming out of the top of the DCA, 97.5% of the water is being captured in the battery of supersonic separators. The stuffing section 28, or hot section of the DCA, is fed at the top by stream 43, which consists of a stream of water from a CW tower. The liquid background product of the DCA, represented in the flowchart by stream 4, includes air condensate and is therefore able to compensate for the water demand of streams 42 and 43 after optional cooling in a CW tower.

[0036] O fluxograma mostrado na Figura 5 diferencia-se da Figura 4 por incluir outra concretização da presente invenção, correspondente ao diagrama de blocos mostrado na Figura 3, na qual o aquecimento do gás de regeneração é promovido por meio de recuperação de parte do calor disponível na saída do primeiro estágio de compressão do ar. Nesta concretização, o trocador de calor 34 é alimentado pela corrente 13 de fluido térmico aquecido, extraído de uma parte da corrente 44 de retorno do fluido de resfriamento do intercooler 22, que neste caso é necessariamente um trocador de calor convencional (não havendo contato direto dos fluidos), devolvendo tal fluido em temperatura fria o suficiente por meio da corrente 14 para retornar diretamente para a entrada do intercooler 22 por meio da corrente 45 de fornecimento do fluido de resfriamento.[0036] The flowchart shown in Figure 5 differs from Figure 4 by including another embodiment of the present invention, corresponding to the block diagram shown in Figure 3, in which the heating of the regeneration gas is promoted by means of recovery of part of the heat available at the exit of the first stage of air compression. In this embodiment, the heat exchanger 34 is fed by the heated thermal fluid stream 13, extracted from a part of the cooling fluid return stream 44 of the intercooler 22, which in this case is necessarily a conventional heat exchanger (there being no direct contact of the fluids), returning such fluid at a cold enough temperature through the stream 14 to return directly to the inlet of the intercooler 22 through the stream 45 supplying the cooling fluid.

[0037] É uma variação evidente desta invenção a utilização de qualquer número de leitos consecutivos na ERAA, sejam dois, três, ou mais leitos em série de material adsorvente, como forma de minimizar o custo energético de regeneração e aumentar a eficácia de remoção de contaminantes do ar.[0037] It is an obvious variation of this invention to use any number of consecutive beds in the ERAA, whether two, three, or more beds in series of adsorbent material, as a way to minimize the energy cost of regeneration and increase the efficiency of removal of air contaminants.

[0038] Outra variação evidente desta invenção é a utilização de qualquer outra forma de regeneração do material adsorventeda ERAA, seja por meio de modulação de temperatura (TSA), modulação de pressão (PSA) ou qualquer combinação ou variante destes métodos, como é o caso dos métodos conhecidos na literatura por TEPSA, TPSA e VSA.[0038] Another obvious variation of this invention is the use of any other form of regeneration of the ERAA adsorbent material, either through temperature modulation (TSA), pressure modulation (PSA) or any combination or variant of these methods, as is the case of methods known in the literature as TEPSA, TPSA and VSA.

[0039] Os exemplos a serem apresentados a seguir pretendem apenas ilustrar algumas das possíveis concretizações desta invenção, não sendo, portanto, limitativos ou restritivos.[0039] The examples to be presented below are only intended to illustrate some of the possible embodiments of this invention, not being, therefore, limiting or restrictive.

ExemplosExamples

[0040] Nos Exemplos 1 e 2 a seguir, o ar atmosférico encontra-se a 25°C e 1 atm com 60% de umidade relativa e teor de CO2 de 370 ppm mol em base seca. A base de cálculo utilizada para a definição da escala do processo é a carga do separador supersônico (SS) : 300.000 Nm3/h de ar frio comprimido, correspondente a uma planta de oxigênio de capacidade nominal de 2100 tpd de oxigênio gasoso.[0040] In Examples 1 and 2 below, atmospheric air is found at 25°C and 1 atm with 60% relative humidity and CO2 content of 370 mol ppm on a dry basis. The calculation basis used to define the scale of the process is the load of the supersonic separator (SS): 300,000 Nm3/h of cold compressed air, corresponding to an oxygen plant with a nominal capacity of 2100 tpd of gaseous oxygen.

[0041] Também em ambos os Exemplos 1 e 2, a velocidade máxima de escoamento do gás no interior do separador supersônico é 1,2 vezes a velocidade do som. O desempenho do separador supersônico (SS) foi avaliado segundo metodologia de cálculo rigoroso descrita em Arinelli et al (2017) e em de Medeiros et al (2017). O bocal da alimentação possui um diâmetro de 87 cm e o da saída de gás de 69 cm, apresentando ângulo de convergência de 12,67 graus e ângulo de divergência de 2,66 graus. O separador supersônico (SS) é alimentado por ar frio comprimido a 10°C, e produz uma corrente de ar desidratado a 14,6°C e uma corrente de água condensada super- resfriada a -48°C. A recuperação de pressão do SS é excelente, sendo de 96,5% e a remoção de H2O do ar a alimentar na Cold-Box é de 98,6%. Ou seja, o separador supersônico possibilitou abater 98,6% da H2O existente na carga de ar da Cold-Box, restando ainda remover os 1,4% restantes de água e os 370 ppm base seca de CO2 e traços de hidrocarbonetos existentes no ar. Por conta disto, é posicionada a unidade ERAA, necessariamente complementar ao equipamento SS, baseada em tratamento com leitos sólidos.[0041] Also in both Examples 1 and 2, the maximum gas flow velocity inside the supersonic separator is 1.2 times the speed of sound. The performance of the supersonic separator (SS) was evaluated according to the rigorous calculation methodology described in Arinelli et al (2017) and in Medeiros et al (2017). The feed nozzle has a diameter of 87 cm and the gas outlet has a diameter of 69 cm, with a convergence angle of 12.67 degrees and a divergence angle of 2.66 degrees. The supersonic separator (SS) is fed by cold compressed air at 10°C, and produces a stream of dehydrated air at 14.6°C and a stream of supercooled condensed water at -48°C. The SS pressure recovery is excellent, being 96.5% and the removal of H2O from the air to be fed into the Cold-Box is 98.6%. That is, the supersonic separator made it possible to reduce 98.6% of the H2O existing in the Cold-Box air charge, with the remaining 1.4% of water remaining to be removed and the 370 ppm dry basis of CO2 and traces of hydrocarbons in the air. . Because of this, the ERAA unit is positioned, necessarily complementary to the SS equipment, based on treatment with solid beds.

[0042] Outros dados operacionais relativos aos Exemplos 1 e 2 são apresentados nas Tabelas 1 e 2. A Tabela 1 indica a pressão em cada etapa do processo e a Tabela 2 apresenta as condições operacionais da unidade ERAA de adsorção. A base de cálculo utilizada para a definição da pressão de descarga do compressor de ar principal é a pressão de entrada da Cold-Box e do compressor de ar suplementar (booster): 3,10 bar(a). Tabela 1. Pressão de operação em bar(a), ou queda de pressão em bar,de cada etapa do processo de fornecimento de ar. Tabela 2. Condições Operacionais da Unidade de Adsorção (ERAA nas PPUs Alternativas dos Exemplos 1 e 2). [0042] Other operational data relating to Examples 1 and 2 are presented in Tables 1 and 2. Table 1 indicates the pressure at each stage of the process and Table 2 presents the operational conditions of the ERAA adsorption unit. The calculation basis used to define the discharge pressure of the main air compressor is the inlet pressure of the Cold-Box and the supplementary air compressor (booster): 3.10 bar(a). Table 1. Operating pressure in bar(a), or pressure drop in bar, for each step of the air supply process. Table 2. Adsorption Unit Operating Conditions (ERAA in the Alternative PPUs of Examples 1 and 2).

Exemplo 1Example 1

[0043] No Exemplo 1, o processamento é realizado segundo a concretização de processo ilustrada nas Figuras 2 e 4, onde a utilidade térmica empregada para promover aquecimento do gás N2 de regeneração é vapor d’água saturado a 4 bar(a).[0043] In Example 1, the processing is carried out according to the embodiment of the process illustrated in Figures 2 and 4, where the thermal utility used to promote heating of the regeneration N2 gas is saturated water vapor at 4 bar(a).

[0044] Ainda referindo-se ao Exemplo 1, após a descarga do compressor de ar principal da PPU, doravante denominado MAC, arquente comprimido (corrente 2) alimenta o fundo do DCA, onde é resfriado a 30°C após percorrer o recheio 28, constituído por 3 estágios teóricos, e a 10°C após percorrer o recheio 29, constituído por 10 estágios teóricos. Com a utilização de recheios estruturados, é possível alcançar-se uma perda de carga no primeiro recheio de 2 kPa e no segundo de 4 kPa. O ar frio comprimido que sai do DCA (corrente 3) é enviado para a entrada do separador supersônico (SS), de onde sai desidratado (corrente 11), com um teor de 56 ppm mol de H2O, para finalmente ser purificado na etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA). Para efeito de comparação, a alimentação de ar frio comprimido a 10°C em uma PPU convencional encontra- se saturada em água, possuindo um teor de H2O de 4019 ppm. Como o SS praticamente não remove CO2 e outros contaminantes da corrente, em ambos os casos a quantidade destes contaminantes na alimentação da unidade de adsorção é praticamente a mesma. Como resultado, o leito de alumina ativada pode ser eliminado na PPU alternativa do Exemplo 1 enquanto o leito de zeólita precisa ser mantido, definindo desta forma a unidade ERAA de menor capacidade que a unidade TSA FULL da PPU convencional.[0044] Still referring to Example 1, after the discharge of the main air compressor of the PPU, hereinafter referred to as MAC, compressed air (current 2) feeds the bottom of the DCA, where it is cooled to 30°C after passing through the packing 28 , consisting of 3 theoretical stages, and at 10°C after going through the filling 29, consisting of 10 theoretical stages. With the use of structured packings, it is possible to achieve a head loss of 2 kPa in the first packing and 4 kPa in the second. The cold compressed air leaving the DCA (stream 3) is sent to the inlet of the supersonic separator (SS), from where it leaves dehydrated (stream 11), with a content of 56 mol ppm of H2O, to finally be purified in the dewatering step. adsorption finish removal (ERAA). For comparison, the cold compressed air feed at 10°C in a conventional PPU is saturated in water, having a H2O content of 4019 ppm. As the SS practically does not remove CO2 and other contaminants from the stream, in both cases the amount of these contaminants in the adsorption unit feed is practically the same. As a result, the activated alumina bed can be eliminated in the alternative PPU of Example 1 while the zeolite bed needs to be maintained, thus defining the ERAA unit of lower capacity than the TSA FULL unit of the conventional PPU.

[0045] Ainda referindo-se ao Exemplo 1, a ERAA é constituída por um total de 3 vasos verticais deescoamento axial com um filtro para material particulado na saída de ar de purificado, cada um deles com aproximadamente 18 toneladas de zeólita 13X, onde 2 destes operam em condições de adsorção enquanto 1 opera sob condições de regeneração do leito. O tempo de adsorção é de 8h e o de regeneração de 4h, totalizando 12h de ciclo.[0045] Still referring to Example 1, the ERAA consists of a total of 3 vertical axial flow vessels with a filter for particulate matter at the purified air outlet, each of them with approximately 18 tons of 13X zeolite, where 2 of these operate under adsorption conditions while 1 operates under bed regeneration conditions. Adsorption time is 8 hours and regeneration time is 4 hours, totaling 12 hours of cycle.

[0046] A regeneração dos leitos de adsorção da ERAA da PPU alternativa do Exemplo 1 compreende fases de despressurização (10 min), aquecimento (77 min), resfriamento (133 min) e pressurização (20 min). O aquecimento do leito é promovido sob fluxo de nitrogênio a 133°C, mesmas condições de dessorção usadas na unidade TSA FULL da PPU convencional. A circulação do gás de regeneração é promovida por um soprador que eleva a pressão de 1,05 bar(a) para 1,12 bar(a).[0046] The regeneration of the ERAA adsorption beds of the alternative PPU of Example 1 comprises stages of depressurization (10 min), heating (77 min), cooling (133 min) and pressurization (20 min). The bed is heated under a nitrogen flow at 133°C, the same desorption conditions used in the TSA FULL unit of the conventional PPU. The regeneration gas circulation is promoted by a blower that raises the pressure from 1.05 bar(a) to 1.12 bar(a).

[0047] O consumo médio de utilidades da ERAA da PPU alternativa no Exemplo 1 é apresentado a seguir: 15,32 MW de eletricidade (15.248 kW no MAC e 71 kW no soprador), 247 kW de vapor de baixa pressão e 6,835 kg/s de água de reposição para a torre CW. O tempo de vida considerado para substituir a zeólita 13X na ERAA é de 20 anos, em contraste com o tempo de vida de 15 anos da zeólita 13X na PPU convencional, graças ao 4X maior tempo de ciclo de adsorção que reduz o stress termo- mecânico e a fragmentação e geração de finos dos sólidos de adsorção.[0047] The average utility consumption of the ERAA of the alternative PPU in Example 1 is presented below: 15.32 MW of electricity (15,248 kW in the MAC and 71 kW in the blower), 247 kW of low pressure steam and 6.835 kg/ s of make-up water for the CW tower. The lifetime considered to replace 13X zeolite in ERAA is 20 years, in contrast to the 15 year lifetime of 13X zeolite in conventional PPU, thanks to the 4X longer adsorption cycle time which reduces thermo-mechanical stress and the fragmentation and generation of fines from the adsorption solids.

[0048] O investimento dos equipamentos do Exemplo 1, ilustrados no fluxograma da Figura 4, foi calculado segundo metodologia de Turton et al (2012). Foi assumido o custo de US$ 1,50 por kg de zeólita 13X. Para efeito de comparação, foi considerado o custo de US$ 1,32 por kg de alumina ativada na unidade TSA FULL da PPU convencional. O custo de utilidades é baseado em índices de 2009 do EUA: US$ 15,91 por tonelada de vapor de baixa pressão, US$ 0,071 por kWh de eletricidade e US$ 0,793 por m3 de água desmineralizada para reposição das torres CW. O custo operacional anual do processo foi definido como a soma do custo de utilidades com o custo de reposição de material adsorvente para 8000 horas operacionais por ano. Como resultado, a PPU alternativa com bateria de separadores supersônicos apresenta custo operacional anual de US$ 8,91 milhões e investimento de US$ 27,97 milhões. A PPU convencional de referência, utilizando TSA FULL, demandaria, por sua vez, um custo operacional anual de US$ 9,10 milhões e investimento de US$ 28,93 milhões. Admitindo-se taxa mínima de atratividade de 10%, imposto de renda de 34%, depreciação igual a 10% do investimento, foi calculado o preço do ar preparado e purificado capaz de produzir a receita necessária para levar a zero o valor presente líquido (VPL) do fluxo de caixa acumulado da unidade PPU após 20 anos de operação: US$ 5,21 por 103 Nm3 de ar purificado na PPU alternativa descrita no Exemplo 1, em contraste com o preço de US$ 5,34 por 103 Nm3 de ar purificado na PPU convencional de referência.[0048] The equipment investment in Example 1, illustrated in the flowchart of Figure 4, was calculated according to the methodology by Turton et al (2012). A cost of US$ 1.50 per kg of 13X zeolite was assumed. For comparison purposes, the cost of US$ 1.32 per kg of activated alumina in the TSA FULL unit of the conventional PPU was considered. Utilities cost is based on 2009 US rates: US$15.91 per ton of low pressure steam, US$0.071 per kWh of electricity and US$0.793 per m3 of demineralized water for replacement of CW towers. The annual operating cost of the process was defined as the sum of the cost of utilities and the cost of replacing the adsorbent material for 8000 operating hours per year. As a result, the alternative PPU with battery of supersonic separators has an annual operating cost of US$ 8.91 million and an investment of US$ 27.97 million. The conventional reference PPU, using TSA FULL, would, in turn, require an annual operating cost of US$ 9.10 million and an investment of US$ 28.93 million. Assuming a minimum attractiveness rate of 10%, income tax of 34%, depreciation equal to 10% of the investment, the price of prepared and purified air capable of producing the necessary revenue to bring the net present value to zero was calculated ( NPV) of PPU unit cumulative cash flow after 20 years of operation: US$5.21 per 103 Nm3 of purified air in the alternative PPU described in Example 1, in contrast to the price of US$5.34 per 103 Nm3 of purified air in the reference conventional PPU.

Exemplo 2Example 2

[0049] No Exemplo 2, o processamento é realizado segundo a concretização de processo PPU alternativa ilustrada nas Figuras 3 e 5, onde a utilidade térmica para aquecer o nitrogênio gás de regeneração é água a 90°C proveniente do resfriamento de ar comprimido no intercooler do MAC.[0049] In Example 2, the processing is carried out according to the alternative PPU process embodiment illustrated in Figures 3 and 5, where the thermal utility to heat the nitrogen regeneration gas is water at 90°C from the cooling of compressed air in the intercooler from MAC.

[0050] Ainda referindo-se ao Exemplo 2, as condições operacionais de processamento do ar atmosférico são iguais às do processo descrito no Exemplo 1.[0050] Still referring to Example 2, the operating conditions for processing atmospheric air are the same as those of the process described in Example 1.

[0051] Ainda referindo-se à PPU configuração de processo da ERAA alternativa descrita no Exemplo 1, nitrogênio de regeneração.[0051] Still referring to the PPU process configuration of the alternative ERAA described in Example 1, regeneration nitrogen.

[0052] A regeneração dos leitos da ERAA da PPU alternativa do Exemplo 2 compreende fases de despressurização (10 min), aquecimento (94 min), resfriamento (116 min) e pressurização (20 min). O aquecimento do leito é promovido sob fluxo de nitrogênio a 80°C. A circulação do N2 de regeneração é promovida por um soprador similar ao do Exemplo 1.[0052] The regeneration of the ERAA beds of the alternative PPU of Example 2 comprises stages of depressurization (10 min), heating (94 min), cooling (116 min) and pressurization (20 min). The heating of the bed is promoted under nitrogen flow at 80°C. Circulation of regeneration N2 is promoted by a blower similar to that of Example 1.

[0053] O consumo médio de utilidades do Exemplo 2 é apresentado a seguir: 15,31 MW de eletricidade (15.248 kW no MAC e 67 kW no soprador) e 6,764 kg/s de água de reposição para a torre CW, não havendo consumo de vapor. O tempo de vida considerado para substituir a zeólita 13X na ERAA da PPU alternativa do Exemplo 2 é de 20 anos, em contraste com o tempo de vida de 15 anos da zeólita 13X na PPU convencional. A Tabela 3 apresenta a comparação do consumo médio de utilidades dos Exemplos 1 e 2 e da PPU convencional de referência. Tabela 3. Consumo de utilidades por equipamento. [0053] The average consumption of utilities in Example 2 is shown below: 15.31 MW of electricity (15,248 kW in the MAC and 67 kW in the blower) and 6.764 kg/s of replacement water for the CW tower, with no consumption of steam. The lifetime considered to replace the 13X zeolite in the ERAA of the alternative PPU of Example 2 is 20 years, in contrast to the 15 year lifetime of the 13X zeolite in the conventional PPU. Table 3 presents the comparison of the average consumption of utilities of Examples 1 and 2 and the conventional reference PPU. Table 3. Consumption of utilities by equipment.

[0054] O investimento dos equipamentos do Exemplo 2, ilustrados no fluxograma da Figura 5, foi calculado segundo a mesma metodologia adotada no Exemplo 1. Da mesma maneira, foi assumido o mesmo custo unitário de material adsorvente e de utilidades, bem como os mesmos parâmetros utilizados na análise econômica do processo. Como resultado, o custo operacional anual seria de US$ 8,86 milhões e o investimento da PPU alternativa do Exemplo 2 de US$ 28,04 milhões. A PPU convencional de referência, utilizando adsorção TSA de alta capacidade (Full TSA), teria custo operacional anual de US$ 9,10 milhões e investimento de US$ 28,93 milhões. Admitindo uma taxa mínima de atratividade de 10%, imposto de renda de 34%, depreciação equivalente a 10% do investimento, foi calculado o preço do ar purificado capaz de produzir a receita necessária para levar a zero o valor presente líquido (VPL) do fluxo de caixa acumulado da PPU alternativa do Exemplo 2 após 20 anos de operação de US$ 5,19 por 103 Nm3 de ar preparado e purificado, em contraste com o preço de US$ 5,34 por 103 Nm3 de ar preparado e purificado na PPU convencional de referência.[0054] The investment in the equipment in Example 2, illustrated in the flowchart in Figure 5, was calculated according to the same methodology adopted in Example 1. Likewise, the same unit cost of adsorbent material and utilities was assumed, as well as the same parameters used in the economic analysis of the process. As a result, the annual operating cost would be US$8.86 million and the investment for the alternative PPU from Example 2 US$28.04 million. The conventional reference PPU, using high-capacity TSA adsorption (Full TSA), would have an annual operating cost of US$ 9.10 million and an investment of US$ 28.93 million. Assuming a minimum attractiveness rate of 10%, income tax of 34%, depreciation equivalent to 10% of the investment, the price of purified air capable of producing the necessary revenue to bring the net present value (NPV) of the cumulative cash flow of the alternative PPU from Example 2 after 20 years of operation of US$ 5.19 for 103 Nm3 of prepared and purified air, in contrast to the price of US$ 5.34 for 103 Nm3 of prepared and purified air in the Reference conventional PPU.

[0055] Para efeito de comparação dos Exemplos 1 e 2 com a PPU convencional de referência, o detalhamento do investimento de cada planta é apresentado na Figura 6 e o detalhamento do custo anual de operação é mostrado na Figura 7. A Tabela 4 apresenta a comparação da análise econômica destes processos para diferentes preços de ar preparado e purificado. A Tabela 5 apresenta uma comparação similar destes processos considerando o mesmo preço de ar preparado e purificado em todos os casos. As curvas do VPL (Valor Presente Líquido) gerados cumulativamente nos empreendimentos PPU alternativa Exemplo 1, PPU alternativa Exemplo 2 e PPU Convencional, referentes a esta última análise com preços iguais de US$ 5,34 por 103 Nm3 de ar preparado e purificado, são mostradas na Figura 8. Todos os VPLs referem-se apenas às unidades PPU das usinas de fracionamento de ar. Tabela 4. Resultado da análise econômica para PPUs Alternativas dos Exemplos 1 e 2 e PPU Convencional. * Preço de ar purificado para zerar VPL em 20 anos de operação da PPU Tabela 5. Resultado da análise econômica para PPUs Alternativas dos Exemplos 1 e 2 e PPU Convencional, usando preços iguais de ar purificado em US$ 5,34 por 103 Nm3. [0055] For the purpose of comparing Examples 1 and 2 with the reference conventional PPU, the breakdown of the investment for each plant is shown in Figure 6 and the breakdown of the annual cost of operation is shown in Figure 7. Table 4 shows the comparison of the economic analysis of these processes for different prepared and purified air prices. Table 5 presents a similar comparison of these processes considering the same price of prepared and purified air in all cases. The curves of the NPV (Net Present Value) generated cumulatively in the projects Alternative PPU Example 1, Alternative PPU Example 2 and Conventional PPU, referring to this last analysis with equal prices of US$ 5.34 per 103 Nm3 of prepared and purified air, are shown in Figure 8. All NPVs refer only to PPU units of air fractionation plants. Table 4. Result of economic analysis for Alternative PPUs of Examples 1 and 2 and Conventional PPU. * Purified air price to zero NPV in 20 years of PPU operation Table 5. Result of the economic analysis for Alternative PPUs of Examples 1 and 2 and Conventional PPU, using equal prices of purified air at US$ 5.34 per 103 Nm3.

Claims

1. Processo de Unidade PPU - Air Preparation and Purification Unit - de preparo e purificação do ar para fracionamento criogênico em Cold-Box, utilizando separador supersônico de baixa pressão para remover pelo menos 97,5% da água do ar e reinjetar esta água condensada super-resfriada diretamente no pool de água gelada da PPU, processo este caracterizado por: (a) uma etapa preliminar de resfriamento e desumidificação de ar, imediatamente após a descarga de um compressor via contato direto com água de refrigeração convencional, seguindo-se contato direto com água gelada proveniente do pool de água gelada da PPU; (b) uma etapa principal de desidratação em separador supersônico, ou em uma bateria de separadores supersônicos em paralelo, separadores supersônicos estes operando com Número de Mach máximo de 1,10 a 1,30, de forma a reduzir drasticamente, em pelo menos 97,5%, o teor de H2O no ar pressurizado, pré-resfriado e pré-desumidificado, permitindo reciclar água condensada super-resfriada capturada nos separadores supersônicos diretamente para o pool de água gelada da Planta PPU, o que reduz apreciavelmente a necessidade de reposição de água da PPU, pois pelo menos 97,5% de toda a água alimentada com o ar bruto terá ingressado nos circuitos de água de refrigeração ou água gelada da PPU; (c) uma etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) ou através de outro tratamento em leito sólido, obrigatoriamente posicionada após o separador supersônico, para abater CO2, traços de H2O e microcontaminantes, leito sólido este que é regenerado periodicamente com nitrogênio, isento de H2O e CO2, em pressão próxima à atmosférica, proveniente da Cold-Box, devidamente aquecido a 70-90oC para a regeneração dos leitos, desta forma utilizando temperaturas moderadas de regeneração do meio de adsorção, o que reduz o stress termo-mecânico nos sólidos e prolonga a vida dos leitos de adsorção, reduzindo custos de reposição deste material;1. PPU Unit Process - Air Preparation and Purification Unit - for preparing and purifying the air for cryogenic fractionation in a Cold-Box, using a low-pressure supersonic separator to remove at least 97.5% of the water from the air and reinject this condensed water super-cooled directly into the PPU chilled water pool, a process characterized by: (a) a preliminary stage of air cooling and dehumidification, immediately after the discharge of a compressor via direct contact with conventional cooling water, followed by contact direct with chilled water from the PPU chilled water pool; (b) a main stage of dehydration in a supersonic separator, or in a battery of supersonic separators in parallel, these supersonic separators operating with a maximum Mach number of 1.10 to 1.30, in order to drastically reduce, by at least 97 .5%, the H2O content in the pressurized, pre-cooled and pre-dehumidified air, allowing to recycle super-cooled condensed water captured in the supersonic separators directly to the chilled water pool of the PPU Plant, which appreciably reduces the need for replenishment of water from the PPU, since at least 97.5% of all the water fed with the raw air will have entered the cooling water or chilled water circuits of the PPU; (c) a finishing removal stage by adsorption (ERAA) or through another treatment in a solid bed, obligatorily positioned after the supersonic separator, to reduce CO2, traces of H2O and microcontaminants, a solid bed that is periodically regenerated with nitrogen, free of H2O and CO2, at pressure close to atmospheric, from the Cold-Box, duly heated to 70-90oC for regeneration of the beds, thus using moderate temperatures for regeneration of the adsorption medium, which reduces thermo-mechanical stress in solids and prolongs the life of the adsorption beds, reducing replacement costs for this material;

2. Processo de acordo com a Reivindicação 1, caraterizado por utilizar água gelada, proveniente do pool de água gelada da PPU, em temperatura entre 5oC-15oC para promover pré- resfriamento e pré-desumidificação do ar comprimido em coluna de contato direto, sendo absorvido o excesso de água do ar comprimido pelo pool de água gelada da PPU.2. Process according to Claim 1, characterized by using ice water from the PPU ice water pool, at a temperature between 5oC-15oC to promote pre-cooling and pre-dehumidification of compressed air in a direct contact column, being Excess water from the compressed air is absorbed by the PPU chilled water pool.

3. Processo de acordo com a Reivindicação 1, ou com as Reinvindicações 1 e 2, caracterizado por utilizar na etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) um leito sólido, preferencialmente de peneira molecular zeolítica, que é regenerado periodicamente com nitrogênio em pressão próxima da atmosférica, isento de H2O e CO2, proveniente da Cold-Box, devidamente aquecido a uma temperatura entre 70oC e 90oC, resultando uma regeneração termicamente mais moderada e com menor consumo de energia do que ocorreem uma PPU convencional baseada em adsorção de alta capacidade com modulação de temperatura (TSA) cuja regeneração de leito ocorre a 130oC e com muito maior consumo de calor.3. Process according to Claim 1, or Claims 1 and 2, characterized by using a solid bed in the adsorption finish removal step (ERAA), preferably a zeolite molecular sieve, which is periodically regenerated with nitrogen under pressure close to atmospheric, free of H2O and CO2, coming from the Cold-Box, duly heated to a temperature between 70oC and 90oC, resulting in a more moderate thermal regeneration and with lower energy consumption than a conventional PPU based on high capacity adsorption with temperature modulation (TSA) whose bed regeneration occurs at 130oC and with much higher heat consumption.

4. Processo de acordo com a Reivindicação 3, caracterizado por utilizar água quente a 90-100oC, ou outro fluido térmico aquecido, proveniente de um trocador de calor para resfriamento da descarga de um dos estágios de compressor de ar, água quente esta para aquecer o N2, isento de H2O e CO2, de regeneração dos leitos da etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) a uma temperatura entre 70-90oC.4. Process according to Claim 3, characterized by using hot water at 90-100oC, or another heated thermal fluid, from a heat exchanger to cool the discharge of one of the air compressor stages, hot water to heat o N2, free of H2O and CO2, from the regeneration of the beds of the adsorption finish removal step (ERAA) at a temperature between 70-90oC.