ES2943550T3 - Método y disposición para procesar una mezcla gaseosa - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para procesar una mezcla de gas de partida que contiene nitrógeno (E) mediante adsorción por cambio de presión al vacío, en el que la mezcla de gas de partida se guía temporalmente bajo presión en una dirección de flujo principal a través de una unidad de adsorción (100) llena de un material adsorbente. En este contexto, se prevé que el material adsorbente se proporcione, en una primera zona (110) a lo largo de la dirección principal del flujo, predominante o exclusivamente en forma de primeros cuerpos de adsorción (111); que el material adsorbente se proporciona, en una segunda zona (120) a lo largo de la dirección principal del flujo y aguas abajo de la primera zona (110), predominante o exclusivamente en forma de segundos cuerpos de adsorción (121); que al menos los segundos cuerpos de adsorción (121) se proporcionan como cuerpos compuestos que tienen un núcleo interior (C) de no poroso, material no adsorbente y una capa exterior (S) que tiene o está formada por el material adsorbente; y que los segundos cuerpos de adsorción (121) tienen una menor proporción del material adsorbente, en el volumen del cuerpo, que los primeros cuerpos de adsorción (111). La invención también se refiere a una disposición correspondiente (10). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y disposición para procesar una mezcla gaseosa
La presente invención se refiere a un método para procesar una mezcla gaseosa mediante adsorción por cambio de presión, en particular mediante adsorción por cambio de presión al vacío, y a una disposición correspondiente según los preámbulos de las respectivas reivindicaciones independientes.
Estado de la técnica
La producción de productos del aire en estado líquido o gaseoso, por ejemplo, oxígeno de diferentes estados agregados y grados de pureza, mediante separación criogénica del aire es conocida y se describe, por ejemplo, en H.-W. Haring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, especialmente en el apartado 2.2.5, Cryogenic Rectification.
Como alternativa a la separación criogénica del aire, también puede obtenerse oxígeno gaseoso de diversos grados de pureza a partir del aire mediante adsorción por cambio de presión (del inglés Pressure Swing Adsorption, PSA), en particular mediante adsorción por cambio de presión al vacío (del inglés Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA). El VPSA difiere del PSA normal en particular en que la desorción tiene lugar a un nivel de presión subatmosférico. Con el VPSA se pueden conseguir mayores rendimientos de oxígeno con un menor consumo de energía. Para conocer las características y ventajas de estos métodos, consúltese la bibliografía. Los fundamentos de los procesos de adsorción pueden encontrarse, por ejemplo, en A. Gabelman, Adsorption Basics: Parte 1, CEP Journal, julio de 2017, páginas 48 a 53, y A. Gabelman, Adsorption Basics: Parte 2, CEP Journal, agosto de 2017, páginas 38 a 45.
La separación del aire mediante PSA y VPSA se basa en los diferentes grados de adsorción de los componentes del aire en un adsorbente. Mediante PSA o VPSA, se pueden obtener del aire mezclas gaseosas especialmente ricas en oxígeno con, por ejemplo, aprox. del 90 al 95 de porcentaje molar de contenido de oxígeno.
Aunque la presente invención se describe a continuación predominantemente en relación con el tratamiento de aire mediante VPSA, las medidas propuestas de acuerdo con la invención pueden, en principio, utilizarse también en relación con el tratamiento de otras mezclas gaseosas distintas del aire mediante VPSA. La presente invención es particularmente adecuada para mezclas gaseosas ricas en nitrógeno con un contenido de nitrógeno superior al 40 por ciento molar, pero no se limita a tales mezclas gaseosas.
La adsorción en un PSA o VPSA tiene lugar normalmente utilizando adsorbentes porosos. Las proporciones de los componentes adsorbibles contenidos en una mezcla gaseosa de alimentación que se adsorben en el PSA o VPSA dependen en cada caso de la presión de la mezcla de alimentación y de la selectividad del adsorbente. Por tanto, la mezcla de alimentación correspondiente se somete a compactación antes de introducirla en la PSA o la VPSA.
Las unidades de adsorción utilizadas para el tratamiento del aire mediante PSA o VPSA suelen constar de dos capas adsorbentes o rellenos o secciones de relleno sucesivos en la dirección del flujo. Una primera capa, comparativamente corta, se utiliza para eliminar el agua y otros componentes del aire altamente adsorbibles, como la humedad habitual y trazas de dióxido de carbono. A esta primera capa le sigue, en el sentido del flujo, una segunda capa, que sirve para eliminar el nitrógeno. En la segunda capa, como es habitual en los procesos de adsorción, se suelen formar una zona de equilibrio y una zona de transferencia de masa que siguen a la zona de equilibrio en la dirección del flujo. Puede encontrarse más información sobre la formación de estas zonas, por ejemplo, en Gabelman (véase más arriba), página 50, apartado “ Mass transfer considerations” .
Para la adsorción pueden utilizarse diferentes adsorbentes o materiales adsorbentes (véase también más adelante), como también se conoce a partir de la bibliografía técnica citada. Los materiales adsorbentes correspondientes pueden suministrarse, por ejemplo, en forma de esferas o gránulos (en lo sucesivo, denominados de forma simplificada como “cuerpos de adsorción” ), cuyo diámetro suele estar comprendido entre 1 y 3 mm. Este diámetro es uno de los principales factores que influyen en las características de separación de una unidad de adsorción correspondiente.
Con diámetros más pequeños suele producirse una mejor transferencia de masa, pero con una pérdida de presión comparativamente mayor a través del material adsorbente. Las partículas más grandes provocan menores pérdidas de presión, pero muestran un peor rendimiento cinético. Por lo tanto, la elección de los diámetros de los cuerpos de adsorción suele ser el resultado de un compromiso entre la caída de presión y la cinética de adsorción.
Más recientemente, se han desarrollado otras formas de cuerpos de adsorción, en particular los denominados cuerpos compuestos core-in-shell, para mejorar la transferencia de masa sin afectar negativamente a la pérdida de presión a través de la unidad de adsorción. Los cuerpos compuestos core-in-shell, a diferencia de los cuerpos de adsorción clásicos formados esencialmente de forma homogénea a partir del material adsorbente poroso, son cuerpos de adsorción compuestos con un núcleo interno de (al menos esencialmente) un material no poroso y no adsorbente y una capa exterior formada por el material adsorbente respectivo. Se entiende que, cuando en lo sucesivo se haga referencia a un material “ no poroso” y “ no adsorbente” , dicho material puede tener una porosidad y una capacidad de adsorción ligera pero significativamente inferiores a las de un material descrito como “poroso” y “ adsorbente” .
Normalmente, sin embargo, el núcleo interno está formado por un material completamente no poroso, por ejemplo, un grano de cuarzo. Alternativamente, también se utiliza a continuación el término núcleo “ inerte” .
Por ejemplo, en el documento EP 1080771 B1 se conoce un proceso de separación de gases que comprende alimentar una mezcla gaseosa que contiene al menos dos componentes con diferentes propiedades de adsorción en un recipiente de adsorción que contiene un lecho de al menos un material adsorbente capaz de adsorber preferentemente al menos uno de los componentes gaseosos de la mezcla gaseosa, y someter la mezcla gaseosa a condiciones que permitan que el componente gaseoso preferentemente adsorbible de la mezcla gaseosa se adsorba en el material adsorbente y se separe del componente no adsorbido de la mezcla gaseosa que atraviesa el recipiente de adsorción, donde al menos un material adsorbente intermedio del recipiente de adsorción comprende partículas compuestas que tienen un núcleo interno sólido impermeable formado por un material no adsorbente no poroso y al menos una capa exterior que contiene el material adsorbente.
En la Figura 4 se ilustra un cuerpo compuesto correspondiente, al que se hará referencia en este punto. Más adelante se darán más explicaciones. En la producción de materiales compuestos core-in-shell pueden determinarse con precisión el diámetro de las partículas (D, véase la Figura 4) y el grosor de la capa exterior (h). Para ello, el diámetro (d) del núcleo interno debe elegirse en consecuencia. De este modo, se pueden producir cuerpos compuestos corein-shell que tengan un grosor variable de la capa exterior o una relación de volumen variable entre el material adsorbente y el núcleo. La proporción de masa alcanzada depende de la densidad del núcleo. La relación de volumen es una cantidad geométrica constante e independiente del material seleccionado del núcleo. Por lo tanto, a continuación se utiliza el término “volumen del cuerpo” para un cuerpo de adsorción correspondiente. El volumen del cuerpo indica el volumen de un cuerpo de adsorción correspondiente (incluida toda la capa exterior y toda la capa interior) encerrado por el límite exterior de la capa exterior.
El documento EP2198946 A1 describe adsorbentes compuestos con cuerpos “core-shell” para la separación de gases.
A diferencia de la purificación de otras mezclas gaseosas, en las que solo deben eliminarse trazas de impurezas, el tratamiento del aire o de mezclas gaseosas comparables para la extracción de oxígeno se enfrenta al reto de que el componente que debe eliminarse está presente en alta concentración o incluso representa el componente principal. Debido al alto contenido de nitrógeno, la zona de equilibrio que se forma en la capa para la eliminación de nitrógeno explicada anteriormente es extremadamente grande, mientras que la zona de transferencia de masa posterior es comparativamente corta y se caracteriza por gradientes de concentración pronunciados. Para las dos zonas, existen objetivos parcialmente opuestos en lo que respecta a las propiedades respectivas, que, sin embargo, no pueden cumplirse de forma satisfactoria en los procesos convencionales.
Por lo tanto, la presente invención tiene por objeto proporcionar posibilidades mejoradas a este respecto para procesar mezclas gaseosas, en particular aire, mediante adsorción por cambio de presión, en particular mediante adsorción por cambio de presión al vacío, y superar las desventajas de la técnica anterior.
Descripción de la invención
Dicho objeto se consigue mediante un método para procesar una mezcla gaseosa, en particular una mezcla gaseosa rica en nitrógeno como el aire, por adsorción por cambio de presión, en particular por adsorción por cambio de presión al vacío, y una disposición correspondiente según los preámbulos de las respectivas reivindicaciones independientes 1 y 15.
Las reivindicaciones dependientes, así como la siguiente descripción, tienen por objeto diversas realizaciones preferidas.
A continuación, se explican con más detalle algunos términos utilizados en la descripción de la presente invención y sus ventajas, así como los antecedentes técnicos subyacentes.
Si se utiliza aquí el término “de una PSA” o “de una VPSA” , se entiende que se refiere tanto a un proceso correspondiente o a una etapa del proceso correspondiente como a un dispositivo técnico diseñado para llevar a cabo dicho proceso o etapa del proceso, es decir, una unidad de adsorción.
El adsorbente utilizado en la PSA o la VPSA se encuentra en recipientes de adsorción apropiados, donde normalmente se utilizan dos o más recipientes de adsorción para una operación de producción continua. Los recipientes de adsorción se cargan alternativamente con el componente o componentes a adsorber de la mezcla gaseosa de alimentación comprimida en un ciclo de adsorción y se regeneran en un ciclo de desorción o regeneración, pudiendo existir periodos adicionales entre estos dos ciclos en los que no se efectúe ni la carga ni la regeneración y el adsorbente pueda lavarse con otros flujos de gas, por ejemplo, para eliminar residuos de la mezcla gaseosa a separar.
En el ciclo de adsorción mencionado anteriormente, la mezcla de alimentación se hace pasar a través del recipiente de adsorción bajo presión hasta que el adsorbente contenido ya no tiene suficiente capacidad de absorción para el componente o componentes adsorbidos. Por lo tanto, se impide el suministro de la mezcla gaseosa a procesar y una reducción de la presión provoca la desorción del componente o componentes adsorbidos en el ciclo de desorción. La VPSA se diferencia de una PSA convencional, como ya se ha mencionado, esencialmente por el nivel de presión subatmosférica utilizado en el ciclo de desorción, que también suele denominarse “vacío” . En comparación con una PSA convencional, la VPSA se caracteriza en determinados casos, por ejemplo, en la extracción de oxígeno del aire, por un mayor rendimiento y una menor necesidad de energía específica, es decir, relacionada con el producto.
Para garantizar un funcionamiento continuo de la producción, los recipientes de adsorción de una disposición correspondiente pueden funcionar en modo alterno de tal manera que al menos uno de los recipientes de adsorción esté siempre en el ciclo de adsorción y pueda así suministrar un producto. Sin embargo, incluso en este caso, puede haber periodos en los que no se suministre producto, por ejemplo, durante una igualación de presión o un aumento de presión. Para este caso, se pueden utilizar, por ejemplo, tampones de productos. Sin embargo, esto, y el funcionamiento alterno en general, no es obligatorio.
Los productos del aire ricos en oxígeno se producen en la PSA o VPSA en cada ciclo de adsorción debido a la adsorción más débil del oxígeno y, por lo tanto, se forman a una determinada presión que corresponde a la presión de alimentación en la PSA o VPSA menos las pérdidas de presión.
En el lenguaje utilizado aquí, los líquidos y gases pueden estar enriquecidos o empobrecidos en uno o más componentes, de manera que estos términos se refieren a un contenido en un líquido inicial o gas inicial a partir del cual se obtuvo el líquido o gas considerado. El líquido o gas está enriquecido si contiene como mínimo 1,1, 1,5, 2, 5, 10, 100 o 1000 veces el contenido de un componente correspondiente, y empobrecido si contiene como máximo 0,9, 0,5, 0,1,0,01 o 0,001 veces el contenido de un componente correspondiente, a partir del líquido o gas de partida. Por ejemplo, si aquí se utiliza el término “oxígeno” , también se entenderá que se refiere a un líquido o gas rico en oxígeno, pero no tiene por qué consistir exclusivamente en él.
En la presente solicitud, para la caracterización de presiones y temperaturas se utilizan los términos “ nivel de presión” y “ nivel de temperatura” , mediante los cuales se pretende indicar que en un determinado sistema no es necesario utilizar las presiones y temperaturas en forma de valores exactos de presión y de temperatura para la realización del concepto según la invención. Sin embargo, dichas presiones y temperaturas oscilan, de forma típica, dentro de determinados intervalos que pueden estar situados en torno a, por ejemplo, ±1 %, 5 %, 10 % o 20 % con respecto a un valor medio. Los niveles de presión y los niveles de temperatura correspondientes pueden estar comprendidos en tal caso en intervalos separados o bien en intervalos superpuestos. En particular, los niveles de presión incluyen las pérdidas de presión inevitables. Lo mismo sucede con los niveles de temperatura. El nivel de presión aquí expresado en bares corresponde a presiones absolutas.
Por producto de aire se entiende aquí un componente o una mezcla de componentes en estado gaseoso o líquido que puede formarse mediante un tratamiento de separación del aire (aire de alimentación), en particular, mediante separación a baja temperatura o PSA o VPSA. Por lo tanto, un producto de aire se caracteriza, en particular, por tener una composición diferente de la del aire atmosférico, pero sobre todo por no tener componentes adicionales en comparación con el aire atmosférico.
Ventajas de la invención
Como ya se ha explicado, una capa diseñada para la eliminación de nitrógeno en una PSA o VPSA para procesar aire o una mezcla gaseosa que contenga nitrógeno correspondiente forma una zona de equilibrio comparativamente grande o larga y una zona de transferencia de masa comparativamente corta, donde esta última se caracteriza por gradientes de concentración pronunciados. Esto último se aplica en particular al final del ciclo de adsorción.
A este respecto, en la zona de equilibrio debe haber una baja pérdida de presión y una alta capacidad volumétrica para el nitrógeno que va a ser adsorbido, mientras que en la zona de equilibrio la cinética de transferencia de masa (aún) juega un papel menor. En la zona de transferencia de masa, por otra parte, también debe haber una baja pérdida de presión, pero al mismo tiempo una baja tendencia a movilizar los cuerpos de adsorción (la llamada “ agitación” de la capa superior) y una cinética de transferencia de masa especialmente ventajosa para conseguir purezas de producto suficientes. Como se ha mencionado al principio, se trata de objetivos en parte contradictorios si las únicas variables de selección son el tamaño o el diámetro de los cuerpos de adsorción.
La presente invención se basa en la constatación de que, con los antecedentes expuestos, resulta especialmente ventajoso equipar una región de una unidad de adsorción correspondiente a la zona de equilibrio con cuerpos de adsorción homogéneos y convencionales, en particular esféricos, mientras que una región correspondiente a la zona de transferencia de masa se equipa con los cuerpos de adsorción core-in-shell ya explicados al principio. Alternativamente, sin embargo, ambas zonas pueden estar equipadas con cuerpos de adsorción core-in-shell, pero con diferentes proporciones entre el material adsorbente poroso y el material no poroso y no adsorbente. Ambas zonas son zonas sucesivas en la dirección del flujo de una capa diseñada para eliminar el nitrógeno de una mezcla gaseosa correspondiente. Esta capa puede estar conectada, en particular en la dirección del flujo, a una capa que sirve para eliminar el agua y posiblemente las impurezas. Sin embargo, esta última capa también puede omitirse si es necesario, por ejemplo, si ya se utiliza una mezcla gaseosa seca o purificada en el contexto de la presente invención.
En general, la presente invención propone un método para procesar una mezcla de alimentación gaseosa que contiene nitrógeno mediante adsorción por cambio de presión. Como ya se ha mencionado varias veces, la mezcla de alimentación puede ser, en particular, aire con los contenidos habituales de oxígeno, nitrógeno, gases nobles y otros componentes; sin embargo, la presente invención también puede utilizarse, en principio, para procesar otras mezclas gaseosas, en particular las correspondientemente ricas en nitrógeno, como se ha explicado anteriormente. En particular, la adsorción por cambio de presión utilizada en la presente invención es una adsorción por cambio de presión al vacío; por lo tanto, en un ciclo de regeneración, se extrae una mezcla gaseosa a un nivel de presión subatmosférico de los recipientes adsorbentes o unidades de adsorción utilizados en la presente invención, para lo cual puede proporcionarse una bomba de vacío correspondiente. Como ya se ha mencionado anteriormente, puede consultarse la bibliografía pertinente para obtener más detalles sobre los métodos correspondientes.
En el contexto de la presente invención, la mezcla de alimentación utilizada se hace pasar temporalmente y bajo presión en una dirección de flujo principal a través de una unidad de adsorción llena de un material adsorbente. Como es generalmente conocido, los sistemas de adsorción utilizados para procesar mezclas gaseosas pueden tener dos o más unidades de adsorción (recipientes de adsorción), que se operan en modo alterno, como se ha explicado anteriormente. Este también puede ser el caso dentro del ámbito de la presente invención. Por lo tanto, todas las explicaciones dadas para “una” unidad de adsorción se aplican igualmente a varias unidades de adsorción en una disposición correspondiente. La “dirección de flujo principal” se entiende aquí como una dirección a lo largo de un eje entre un punto de alimentación a la unidad de adsorción y un punto de retirada de la mezcla gaseosa respectiva. Esta dirección de flujo principal corresponde a la dirección de flujo a lo largo de la cual las moléculas de gas son guiadas o fluyen a una unidad de adsorción correspondiente como un todo o en forma de una dirección media de movimiento, independientemente de las perturbaciones y turbulencias locales.
Para superar las desventajas explicadas anteriormente, la presente invención propone que el material adsorbente se proporcione en una primera región a lo largo de la dirección de flujo principal en la unidad de adsorción predominante o exclusivamente en forma de primeros cuerpos de adsorción, y que el material adsorbente se proporcione en una segunda región a lo largo de la dirección de flujo principal, que se encuentra aguas abajo de la primera región, predominante o exclusivamente en forma de segundos cuerpos de adsorción. Al menos los segundos cuerpos de adsorción (situados más aguas abajo) se proporcionan según la invención como cuerpos compuestos, que tienen un núcleo interno de un material no poroso y no adsorbente y una capa exterior que comprende o está formada por el material adsorbente. Los segundos cuerpos de adsorción tienen una proporción menor de material adsorbente en el volumen del cuerpo que los primeros cuerpos de adsorción.
Los primeros cuerpos de adsorción (situados más aguas arriba) también pueden suministrarse como cuerpos compuestos y, por tanto, tener un núcleo interno de un material no poroso y no adsorbente y una capa exterior que comprenda o esté formada por el material adsorbente. En este caso, sin embargo, el núcleo interno ocupa una proporción menor del volumen del cuerpo en los primeros cuerpos de adsorción que en los segundos.
Sin embargo, también es posible que los primeros cuerpos de adsorción se proporcionen en forma de cuerpos de adsorción homogéneos que comprenden el material adsorbente o formados a partir del material adsorbente. También en este caso, la proporción del material adsorbente sobre el volumen del cuerpo es, por tanto, menor para los segundos cuerpos de adsorción que para los primeros. Estos cuerpos de adsorción homogéneos pueden ser, en particular, esféricos y tener las dimensiones que se explican a continuación.
Los cuerpos compuestos utilizados como segundos cuerpos de adsorción, que también pueden utilizarse como primeros cuerpos de adsorción, son típicos cuerpos de adsorción core-in-shell, como se ha descrito anteriormente con referencia a la literatura de patentes pertinente. Por lo tanto, se remite expresamente a las explicaciones anteriores y, en particular, a la Figura 4.
En el contexto de la presente invención, la primera región corresponde en particular a la zona de equilibrio y la segunda región corresponde en particular a la zona de transferencia de masa en una unidad de adsorción correspondiente o en su capa de eliminación de nitrógeno. Como se ha explicado, en el presente caso, en particular para procesar aire como mezcla de alimentación, puede preverse otra capa antes de dicha capa de eliminación de nitrógeno, en particular para eliminar agua y otras impurezas. Esto no es necesariamente así si se introduce en el proceso aire ya seco o purificado en lugar de aire húmedo o contaminado.
Mediante el uso de primeros cuerpos de adsorción homogéneos con un diámetro de partículas relativamente grande de más de 2 mm en la primera región, la presente invención puede, en particular, lograr un mayor rendimiento volumétrico y una menor caída de presión. Por otra parte, utilizando los segundos cuerpos de adsorción en forma de cuerpos compuestos en la segunda región, se puede conseguir una cinética de transferencia de masa especialmente buena. Para ello, al utilizar cuerpos compuestos, no es necesario que los segundos cuerpos de adsorción tengan un diámetro de partícula (más) pequeño de, por ejemplo, menos de 2 mm, ya que el núcleo inerte está presente. De este modo se garantiza una baja pérdida de presión y un menor riesgo de movilización en este punto. Dado que una segunda región correspondiente se encuentra aguas abajo de la zona de equilibrio, la desventaja anteriormente explicada de la menor cantidad de material adsorbente desempeña aquí un papel menor, puesto que ya se ha logrado un agotamiento significativo del nitrógeno y, por lo tanto, solo es necesario adsorber las cantidades residuales de nitrógeno. En esta realización, la presente invención combina así las ventajas de los cuerpos de adsorción homogéneos, que en relación con la presente invención residen, en particular, en su elevada cantidad de material adsorbente con pérdida de presión simultánea fácilmente ajustable, con las ventajas anteriormente explicadas de los cuerpos de adsorción core-in-shell correspondientes. Sin embargo, las ventajas correspondientes también surgen de forma análoga al utilizar cuerpos compuestos como primeros cuerpos de adsorción, en caso de que estos tengan una mayor proporción de material poroso y adsorbente que los segundos.
Las ventajas según la invención se deben particularmente al hecho de que, especialmente al final de un ciclo de adsorción, se consigue una concentración de nitrógeno casi constante en la zona de equilibrio de una unidad de adsorción correspondiente. La presión parcial, que es la fuerza impulsora de la adsorción de nitrógeno al material adsorbente, es lo suficientemente alta como para que los efectos cinéticos desempeñen un papel secundario y pueda adsorberse una cantidad comparativamente grande de nitrógeno. Por otro lado, la presión parcial del nitrógeno en la zona de transferencia de masa es mucho menor y, por lo tanto, se requiere una cinética de intercambio rápida. Esto último está garantizado, en particular, por los cuerpos de adsorción core-in-shell, sin que se produzca ningún riesgo de movilización. Estas circunstancias también se explican detalladamente con referencia a las Figuras 2 y 3 adjuntas.
Una ventaja adicional que se deriva del uso de cuerpos compuestos es la amortiguación de las fluctuaciones de temperatura en el relleno. Como el proceso de adsorción es un proceso exotérmico, la temperatura del material de adsorción aumenta durante la adsorción. Este aumento de temperatura actúa como freno del proceso de adsorción. Cuando se utilizan cuerpos compuestos, parte del calor generado se transfiere al núcleo interno. Por lo tanto, el aumento de temperatura en la capa exterior es comparativamente menor. Un fenómeno similar puede observarse en la regeneración del material (desorción). La desorción es un proceso endotérmico y la temperatura del material de adsorción disminuye durante la desorción. La baja temperatura vuelve a ser desfavorable para la desorción. La fluctuación de la temperatura también está limitada aquí por el núcleo interno. Así pues, en ambos casos, el núcleo interno actúa como un amortiguador, por así decirlo, que limita las fluctuaciones de temperatura.
El material core-in-shell de los cuerpos compuestos, como ya se ha mencionado, consiste en el núcleo inerte no adsorbente y no poroso y la capa exterior adsorbente y porosa que contiene el material adsorbente. La cinética rápida viene determinada en gran medida por el grosor de esta capa exterior. Para conseguir una capa exterior relativamente fina, la fracción volumétrica del material adsorbente en los segundos cuerpos de adsorción de la segunda región debe ser de hasta el 60 %, por ejemplo, del 10 al 50 % o del 20 al 40 % o alrededor del 50 % del volumen del cuerpo de los cuerpos de adsorción.
Como se ha mencionado, los primeros cuerpos de adsorción pueden estar formados por un material homogéneo (fracción volumétrica de material de adsorción del 100 %), pero también por un material core-in-shell. En este último caso, la capa exterior de las partículas adsorbentes debe ser de forma ventajosa lo suficientemente gruesa para que la capacidad volumétrica no se reduzca demasiado. Esto significa que la proporción volumétrica del material de adsorción debe ser al menos del 60 %, por ejemplo, del 70 al 90 % o alrededor del 80 %.
En la siguiente tabla, en la que también se utilizan parcialmente las referencias según la Figura 4, se indican valores ilustrativos para los correspondientes primer y segundo cuerpos de adsorción, que en este caso están diseñados en ambos casos como cuerpos compuestos.
Tabla 1
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En general, dentro del ámbito de la presente invención, se puede lograr un rendimiento particularmente alto de una disposición correspondiente, en particular cuando se utiliza una VPSA, por lo que se pueden lograr, en particular, tiempos de ciclo más cortos. Así se reducen considerablemente los costes de inversión y explotación.
En particular, en el contexto de la presente invención, el material adsorbente puede seleccionarse del grupo que consiste en óxido de aluminio activado, zeolitas, materiales mesoporosos, tamiz molecular de carbono y sus mezclas.
El núcleo interno de los cuerpos compuestos, por otra parte, puede comprender en particular un material seleccionado del grupo que consiste en metales, óxido metálico, óxidos mixtos, óxidos cerámicos densos tales como cordierita, perovskita, arcillas sinterizadas tales como caolín, atapulgita, sílices, óxidos de aluminio, sílice-óxido de aluminio, sílice-óxido de magnesio, sílice-óxido de circonio, sílice-óxido de purio, sílice-óxido de berilio y sílice-óxido de titanio, y composiciones ternarias como sílice-óxido de aluminio-óxido de torio, sílice-óxido de aluminio, óxido de circonio y mezclas de estas. Mediante el uso de tales materiales, se pueden conseguir propiedades especialmente ventajosas de los cuerpos compuestos correspondientes.
En el contexto de la presente invención, la primera región y la segunda región juntas pueden tener una longitud (total) de la cual la primera región comprende del 40 al 80 %. En particular, el primer intervalo puede ser 0,5 veces, 1 vez o 2 veces mayor que el segundo, pudiendo incluirse también valores intermedios entre los valores respectivamente mencionados. Las dimensiones exactas resultan en particular de la consideración de la zona de equilibrio y la zona de transferencia de masa en una unidad de adsorción correspondiente.
Por lo tanto, en el contexto de la presente invención, la primera región está dimensionada de tal manera que corresponde a una zona de equilibrio para el nitrógeno en la unidad de adsorción, y la segunda región está dimensionada en particular de tal manera que corresponde a una zona de transferencia de masa para el nitrógeno en la unidad de adsorción. Las ventajas particulares de la elección respectiva de los cuerpos de adsorción en las zonas correspondientes, tal como se lleva a cabo según la invención, ya se han explicado en detalle anteriormente.
En el contexto de la presente invención, puede preverse, en particular, determinar una longitud de la zona de equilibrio y una longitud de la zona de transferencia de masa, en particular por adelantado, para lo cual pueden utilizarse métodos experimentales y/o métodos de simulación. La determinación de las longitudes o dimensiones correspondientes es perfectamente factible para el experto en la materia y no requiere ningún esfuerzo elaborado e inventivo. En el contexto de la presente invención, los primeros y los segundos cuerpos de adsorción pueden ser esféricos y/o tener un diámetro mínimo de 2 mm. El tamaño de los segundos cuerpos de adsorción puede ser el mismo que el de los primeros cuerpos de adsorción o los segundos cuerpos de adsorción pueden ser más pequeños que los segundos. La elección del tamaño de partícula adecuado en cada caso se basa en particular en los criterios explicados anteriormente, en particular una cinética de transferencia de masa deseada en combinación con la pérdida de presión deseada.
Como es generalmente conocido en el campo de la tecnología de la adsorción y se menciona aquí por lo tanto simplemente en aras de una información más completa, en el ámbito de la presente invención también se pueden utilizar varias unidades de adsorción en particular en una disposición correspondiente, y estas pueden operarse en modo alterno. En particular, como también se ha explicado repetidamente, puede utilizarse aire como mezcla de alimentación y las zonas primera y segunda explicadas anteriormente pueden formar parte de una capa de eliminación de nitrógeno en una unidad de adsorción correspondiente que sea adyacente a una capa de eliminación de agua en la unidad de adsorción. La capa de eliminación de agua puede estar equipada con un material adsorbente adecuado para eliminar el agua.
La presente invención se extiende además a una disposición para procesar una mezcla gaseosa de alimentación que contiene nitrógeno. Para otras características de dicha disposición, se hace referencia a la reivindicación independiente correspondiente. En particular, dicha disposición está configurada para llevar a cabo un método como se ha explicado anteriormente en diversas realizaciones. Por lo tanto, se remite expresamente a las explicaciones anteriores.
A continuación, la invención se explicará en mayor detalle haciendo referencia a los dibujos anexos, en los que se ilustran realizaciones de la presente invención.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 muestra una unidad de adsorción en uso para procesar aire.
La Figura 2 muestra un gradiente de concentración de nitrógeno en una unidad de adsorción según una realización de la invención.
La Figura 3 muestra una carga de nitrógeno en una unidad de adsorción según una realización de la invención.
La Figura 4 muestra una representación esquemática simplificada de un cuerpo de adsorción compuesto.
Descripción detallada de las figuras
En las figuras, los componentes estructural y/o funcionalmente correspondientes se indican con las mismas referencias y no se explicarán reiteradamente por motivos de claridad. Se entiende que, cuando a continuación se describen componentes de disposiciones y sistemas según realizaciones de la presente invención, estas explicaciones se aplican igualmente a procesos según la invención y sus realizaciones.
Los dibujos se refieren en cada caso a realizaciones en las que los primeros cuerpos de adsorción están diseñados como cuerpos de adsorción homogéneos, es decir, no como cuerpos core-in-shell o compuestos. Sin embargo, como se ha mencionado, la presente invención también puede referirse a un caso de este tipo.
La Figura 1 es una representación esquemática de una unidad de adsorción utilizada para procesar aire según una realización de la presente invención y se designa en su conjunto con el número 100.
En particular, la unidad 100 de adsorción puede formar parte de una disposición 10, que aquí solo se indica esquemáticamente, en la que están dispuestas varias unidades 100 de adsorción que pueden funcionar de una manera fundamentalmente conocida. En el ejemplo mostrado, la unidad 100 de adsorción se alimenta con una mezcla de alimentación designada como E, en particular aire.
La unidad 100 de adsorción se muestra aquí en un ciclo de adsorción del tipo explicado anteriormente, de modo que se extrae de ella una mezcla P de producto. Por otra parte, en un ciclo posterior de desorción o regeneración, los componentes adsorbidos se desorben del material de adsorción contenido en la unidad 100 de adsorción, en particular por debajo de un nivel de presión subatmosférico en el caso de la VPSA. Mediante el uso de la unidad 100 de adsorción, la mezcla E de alimentación se puede agotar de componentes que se adsorben bien al material adsorbente, en este caso nitrógeno, de modo que una mezcla P de producto se enriquece en oxígeno o representa oxígeno puro.
En la unidad 100 de adsorción se forman una primera capa 101 y una segunda capa 102. La primera capa 101 representa una capa de eliminación de agua ya explicada anteriormente varias veces y está equipada con un material adsorbente adecuado para este fin. La segunda capa 102 forma una capa de eliminación de nitrógeno. Esta última se examina en detalle a continuación.
En funcionamiento, en la capa 102 de eliminación de nitrógeno se forman una zona 110 de equilibrio y una zona 120 de transferencia de masa, como es básicamente conocido en el campo de la tecnología de la adsorción. La zona 110 de equilibrio se caracteriza en particular por una presión parcial de nitrógeno constante o esencialmente constante, mientras que la presión parcial de nitrógeno en la zona 120 de transferencia de masa disminuye en forma de un gradiente pronunciado.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente, en forma de diagrama de concentración, un gradiente de concentración de nitrógeno al final de la fase de adsorción en una unidad de adsorción según una realización de la invención, por ejemplo, la unidad 100 de adsorción según la Figura 1. En el diagrama de la Figura 2, la longitud de la unidad de adsorción o del lecho adsorbente correspondiente se muestra en las abscisas, comparada con la concentración de nitrógeno en cualquier unidad en las ordenadas. De nuevo, se muestran la capa 101 de eliminación de agua y la zona 110 de equilibrio, así como la zona 120 de transferencia de masa de la capa 102 de eliminación de nitrógeno (no designadas aquí por separado). La curva de concentración de nitrógeno está marcada como 201. Como se ilustra aquí de nuevo por separado, en la zona de equilibrio de la unidad 100 de adsorción se proporcionan cuerpos 111 de adsorción homogéneos que comprenden un material adsorbente o formados a partir del material adsorbente, mientras que en la segunda región, es decir, en la zona de transferencia de masa, se proporcionan cuerpos compuestos 121, donde los cuerpos compuestos 121 comprenden un núcleo interno C de un material no poroso y no adsorbente y una capa exterior S que comprende el material adsorbente o formado a partir del mismo.
Como puede verse en la Figura 2, la concentración de nitrógeno al final de la adsorción y, por tanto, la presión parcial de nitrógeno, es esencialmente constante en la fase gaseosa en la zona 110 de equilibrio de la capa 102 de eliminación de nitrógeno. Dado que esta presión parcial de nitrógeno es la fuerza impulsora de la adsorción de nitrógeno, esta es suficientemente alta para que los efectos cinéticos, como se ha mencionado, desempeñen aquí un papel menor y, por tanto, el nitrógeno pueda adsorberse fácilmente. Esto queda especialmente claro en la Figura 3. Por otro lado, la concentración de nitrógeno o la presión parcial correspondiente en la zona 120 de transferencia de masa es mucho menor y, por lo tanto, se requiere una cinética rápida. Como ya se ha mencionado, los cuerpos compuestos utilizados aquí cumplen estos requisitos.
La Figura 3 ilustra una carga de nitrógeno en una unidad de adsorción según una realización de la invención en forma de un diagrama correspondiente. En el diagrama de la Figura 3, la longitud de una unidad de adsorción o de un lecho adsorbente se muestra de nuevo en las abscisas, pero ahora frente a un valor que indica la carga del material adsorbente en las ordenadas. De nuevo, se muestran la capa 101 de eliminación de agua y la zona 110 de equilibrio, así como la zona 120 de transferencia de masa de la capa de eliminación de nitrógeno, que tampoco aquí se designan por separado. La curva correspondiente a la carga del material adsorbente se indica con el número 301. Como puede observarse en particular en la Figura 3, en las condiciones actuales es posible una carga completa o casi completa del material adsorbente en toda la zona de equilibrio.
La Figura 4 muestra una representación esquemática simplificada de un cuerpo de adsorción compuesto. Este se indica nuevamente con el número 121 y consta de un núcleo interno C y una capa exterior S. D indica el diámetro del cuerpo compuesto 121, que define el “volumen del cuerpo” en el sentido explicado anteriormente. El diámetro del núcleo interno C se denomina d. Esto da el espesor de la capa exterior S como h.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para procesar una mezcla (E) gaseosa de alimentación que contiene nitrógeno mediante adsorción por cambio de presión, en el que la mezcla de alimentación se hace pasar temporalmente bajo presión en una dirección de flujo principal a través de una unidad (100) de adsorción llena de un material adsorbente, caracterizado por que el material adsorbente se proporciona en una primera región (110) a lo largo de la dirección de flujo principal predominante o exclusivamente en forma de primeros cuerpos (111) de adsorción, por que el material adsorbente se proporciona en una segunda región (120) a lo largo de la dirección de flujo principal, situada aguas abajo de la primera región (110), predominante o exclusivamente en forma de segundos cuerpos (121) de adsorción, por que al menos los segundos cuerpos (121) de adsorción se proporcionan como cuerpos compuestos que tienen un núcleo interno (C) de un material no poroso y no adsorbente y una capa exterior (S) que comprende el material adsorbente o formada a partir de este último, y por que los segundos cuerpos (121) de adsorción tienen una proporción menor de material adsorbente en el volumen del cuerpo que los primeros cuerpos (111) de adsorción.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que los primeros cuerpos (111) de adsorción también se proporcionan como cuerpos compuestos que tienen un núcleo interno de un material no poroso y no adsorbente y una capa externa que comprende o está formada por el material adsorbente, donde la capa externa ocupa una mayor proporción del volumen del cuerpo en los primeros cuerpos (111) de adsorción que en los segundos cuerpos (121) de adsorción.
  3. 3. Método según la reivindicación 2, en el que la fracción volumétrica del material adsorbente poroso es del 50 al 60 % del volumen del cuerpo para los segundos cuerpos (121) de adsorción y superior al 70 % del volumen del cuerpo para los primeros cuerpos (111) de adsorción.
  4. 4. Método según la reivindicación 1, en el que el primer cuerpo de absorción se proporciona en forma de cuerpos de adsorción homogéneos que comprenden el material adsorbente o formados a partir del material adsorbente.
  5. 5. Método según la reivindicación 4, en el que los primeros cuerpos de adsorción tienen un diámetro superior a 2 mm.
  6. 6. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material adsorbente se selecciona del grupo que consiste en alúmina activada, zeolitas, materiales mesoporosos, tamiz molecular de carbono y mezclas de estos.
  7. 7. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el núcleo interno (C) comprende un material seleccionado del grupo consistente en metales, óxido metálico, óxidos mixtos, óxidos cerámicos densos tales como cordierita, perovskita, arcillas sinterizadas tales como caolín, atapulgita, sílice, óxidos de aluminio, sílice-óxido de aluminio, sílice-óxido de magnesio, sílice-óxido de circonio, sílice-óxido de purio, sílice-óxido de berilio y sílice-óxido de titanio, y composiciones ternarias como sílice-óxido de aluminio-óxido de torio, sílice-óxido de aluminio, óxido de circonio y mezclas de estas.
  8. 8. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la primera región (110) y la segunda región (120) tienen conjuntamente una longitud de la que la primera región comprende del 40 al 80 %.
  9. 9. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la primera región (110) está dimensionada para corresponder a una zona de equilibrio para el nitrógeno en la unidad (100) de adsorción, y en el que la segunda región (120) está dimensionada para corresponder a una zona de transferencia de masa para el nitrógeno en la unidad (100) de adsorción.
  10. 10. Método según la reivindicación 9, que comprende determinar de forma experimental y/o simulada una longitud de la zona de equilibrio y una longitud de la zona de transferencia de masa.
  11. 11. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los primeros y/o los segundos cuerpos compuestos son esféricos y/o tienen un diámetro mínimo de 2 mm.
  12. 12. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se utiliza aire como mezcla (E) de alimentación.
  13. 13. Método según la reivindicación 9, en el que la primera y la segunda zona (110, 120) forman parte de una capa (102) de eliminación de nitrógeno que se une a una capa (101) de eliminación de agua en la unidad (100) de adsorción.
  14. 14. Método según una de las reivindicaciones anteriores, que se lleva a cabo como un método de adsorción por cambio de presión al vacío.
  15. 15. Disposición (10) para procesar una mezcla (E) de alimentación que contiene nitrógeno mediante adsorción por cambio de presión, que tiene una unidad (100) de adsorción llena de un material adsorbente y que tiene medios dispuestos para guiar la mezcla de alimentación temporalmente bajo presión en una dirección de flujo principal a través de la unidad (100) de adsorción, caracterizada por que el material adsorbente se suministra en una primera región (110) a lo largo de la dirección de flujo principal predominante o exclusivamente en forma de primeros cuerpos (111) de adsorción, por que el material adsorbente se suministra en una segunda región (120) a lo largo de la dirección de flujo principal, que se encuentra aguas abajo de la primera región (110), predominante o exclusivamente en forma de segundos cuerpos (121) de adsorción, por que al menos los segundos cuerpos (121) de adsorción se proporcionan como cuerpos compuestos que tienen un núcleo interior (C) de un material no poroso y no adsorbente y una capa exterior (S) que comprende el material adsorbente o formado a partir de este último, y por que los segundos cuerpos (121) de adsorción tienen una proporción menor del material adsorbente en el volumen del cuerpo que los primeros cuerpos (111) de adsorción.
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