PT103615B - Coluna de separação e processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases - Google Patents

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Abstract

ESTA INVENÇÃO RELACIONA-SE COM UM NOVO TIPO DE COLUNA DE SEPARAÇÃO E PROCESSOS DE ADSORÇÃO DO TIPO ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO (PRESSURE SWING ADSORPTION, PSA, BEM COMO A SUA UTILIZAÇÃO PARA A PURIFICAÇÃO DE GASES. ASSIM, A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NA OBTENÇÃO DE UMA COLUNA DE SEPARAÇÃO COM DUAS CAMADAS DE MATERIAL ADSORVENTE SENDO ESTAS CONSTITUÍDAS POR MATERIAL COM CARACTERÍSTICAS DISTINTAS NO QUE DIZ RESPEITO ÀS SUAS FUNÇÕES. EM PARTICULAR A PRIMEIRA CAMADA REALIZA UMA SEPARAÇÃO CINÉTICA, ENQUANTO QUE A SEGUNDA CAMADA REALIZA UMA SEPARAÇÃO POR DIFERENÇA DE EQUILÍBRIO DE ADSORÇÃO. ESTA CAMADA ACTUA COMO ''BARREIRA DE CONTENÇÃO'' PARA O CO2. O PROCESSO DE ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO CONSISTE EM REALIZAR CICLOS DE SEPARAÇÃO, COM UTILIZAÇÃO DE UMA OU MÚLTIPLAS COLUNAS DE SEPARAÇÃO ACIMA MENCIONADAS, SENDO CONSTITUÍDO CADA UM DESTES CICLOS DE SEPARAÇÃO POR CINCO ETAPAS. ESTE PROCESSO PERMITE REMOVER DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) DUMA CORRENTE RICA EM METANO (CH4), PREFERENCIALMENTE PARA PRODUZIR METANO COM GRAU COMBUSTÍVEL COM VÁRIAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DESDE A INDÚSTRIA QUÍMICA DE GASES, COMO PARA A OBTENÇÃO DE COMBUSTÍVEIS, PURIFICAÇÃO DE METANO PARA SUA UTILIZAÇÃO COMO REAGENTE NA INDÚSTRIA QUÍMICA E PARA REMOÇÃO DE DIÁXÍDO DE CARBONO NO TRANSPORTE DE GÁS NATURAL EM GASODUTOS.

Description

DESCRIÇÃO
COLUNA DE SEPARAÇÃO E PROCESSO DE ADSORÇÃO COM MODULAÇÃO DE PRESSÃO PARA PURIFICAÇÃO DE GASES
Domínio técnico da invenção
Esta invenção relaciona-se com um novo tipo de coluna de separação e processos de adsorção do tipo Adsorção com Modulação de Pressão (Pressure Swing Adsorption, PSA, bem como a sua utilização para a purificação de gases.
Este processo permite remover dióxido de carbono (C02) duma corrente rica em metano (CH4) , preferencialmente para produzir metano com grau combustível, sendo a sua principal aplicação a purificação de correntes de biogás e gás de aterro para produção de metano com grau combustível para ser utilizado em automóveis, preferencialmente, nos transportes públicos. Outras aplicações desta invenção são a purificação de metano para sua utilização como reagente na indústria química e para remoção de dióxido de carbono no transporte de gás natural em gasodutos.
Sumário da Invenção
A presente invenção consiste na obtenção de uma coluna de separação com duas camadas de material adsorvente, com características distintas, sendo a primeira camada constituída por material microporoso, com poros de dimensão compreendida entre 4Â e 5,5Â e com funções de separação cinética, enquanto que a segunda camada constituída por materiais microporosos, preferencialmente à base de materiais inorgânicos de elevada área superficial, com microporos de dimensões superiores a 6Â, realiza a separação por diferença de equilíbrio de adsorção. Esta camada actua como barreira de contenção para o C02.
processo de adsorção com modulação de pressão consiste em realizar ciclos de separação, com utilização de uma ou múltiplas colunas de separação acima mencionadas, sendo constituído cada um destes ciclos de separação por cinco etapas. Este processo permite remover dióxido de carbono (CO2) duma corrente rica em metano (CH4) , preferencialmente para produzir metano com grau combustível com várias aplicações industriais desde a indústria quimica de gases, como para a obtenção de combustíveis, purificação de metano para sua utilização como reagente na indústria quimica e para remoção de dióxido de carbono no transporte de gás natural em gasodutos.
Antecedentes da Invenção
Existem diferentes fontes de utilização de metano que actualmente estão a ser ou podem vir a ser aproveitadas para obtenção de combustíveis para automóveis. Nomeadamente, nesta invenção contemplam-se duas correntes ricas em metano com altas concentrações de dióxido de carbono provenientes de gás de aterro e biogás. Este processo também pode ser aplicado em correntes de gás natural contaminado com grandes quantidades de C02.
gás natural existe no subsolo e frequentemente encontrase contaminado com CO2. Este gás deve ser purificado para ser utilizado como combustível ou para ser injectado num gasoduto. 0 processo descrito nesta invenção seria de utilidade em casos de caudais pequenos ou médios já que para altos fluxos de gás os processos de absorção com aminas são mais competitivos economicamente (Appl et al., 1982) .
biogás e o gás de aterro são misturas gasosas que provém da decomposição anaeróbica de matéria orgânica. Normalmente a composição do gás de aterro e do biogás é 70-30% de metano, 25-60% de dióxido de carbono, ácido sulfídrico e outros contaminantes e além disso está saturado com vapor de água à temperatura ambiente. A composição do biogás (principalmente a quantidade e qualidade de contaminantes) varia consoante a fonte e as condições de produção de biogás. Devido ao alto grau de toxicidade e inflamabilidade, e mais recentemente ao controlo das emissões de gases com efeito de estufa, o gás de aterro e o biogás não podem ser emitidos directamente para a atmosfera. A solução mais frequente é a sua queima (gas flaring). A primeira utilização do gás de aterro, assim como do biogás, foi a utilização do calor da queima para usos locais e pontuais. Depois seguiu-se a produção de energia eléctrica e aproveitamento de calor (ciclos combinados). Actualmente existem três diferentes alternativas com interesse económico já provado: produção de combustível, geração de químicos e a mais utilizada ainda são os ciclos combinados de produção de calor e energia. Com o recente aumento do preço dos combustíveis, a produção de metano como combustível torna-se uma opção altamente rentável, e além disso produz um combustível semelhante a um combustível fóssil com alto rendimento e menor quantidade de emissões de CO2. O processo de PSA descrito nesta invenção é aplicável aos caudais existentes em todas as fontes de biogás e gás de aterro.
Para produzir metano grau combustível a partir de biogás é necessário remover os contaminantes (principalmente os compostos sulfurados e a água), e depois o C02 (Knaebel e Reinhold, 2003) . O processo a estudar neste trabalho baseia-se na hipótese de que todos os contaminantes foram removidos e focaliza a separação binária CH4/CO2.
A purificação de gás de aterro para injecção em gasodutos já é utilizada nos Estados Unidos de América. A purificação de biogás para produção de combustível já é utilizada na Suécia e em França para alimentação de autocarros e de carros. A produção de combustível a partir de biogás pode ajudar no cumprimento da medida 2003/30/EG da Comissão Europeia onde foi estabelecido um valor de 5.75% de biocombustíveis para o ano 2010.
Existem diferentes processos industriais para remover o CO2 de correntes de biogás. Muitas das tecnologias aplicáveis a esta mistura foram importadas da indústria do gás natural e adaptadas a menores pressões. As tecnologias mais utilizadas são a absorção de CO2 em água, absorção de CO2 em aminas, membranas e processos de adsorção (Hagen et al., 2001) . Esta invenção trata especificamente duma nova configuração de adsorventes dentro da(s) coluna(s) da unidade de PSA assim como duma nova configuração de etapas para remoção selectiva de CO2.
Um estudo anterior na separação de biogás utilizando um adsorvente de separação por diferença nas cinéticas de adsorção (peneira molecular de carbono CMS 3K) indicou gue com um ciclo de quatro etapas pode-se obter uma pureza superior a 98% (Cavenati et al., 2005) com recuperações de metano de 60%. O ciclo de quatro etapas era composto por pressurização, alimentação, evacuação contra-corrente e purga com produto a contra-corrente e os resultados obtidos por simulação foram comprovados com dados experimentais numa unidade laboratorial. Estudos recentes utilizando um peneiro molecular de carbono CMS 3A) mostram que outros grupos de investigação obtiveram resultados semelhantes nesta separação (Bae et al., 2006). Estudos posteriores no nosso laboratório (resultados ainda não publicados) indicaram que se utilizarmos o mesmo adsorvente (CMS 3K) é possível aumentar a recuperação de metano até valores de 80% (com purezas de 98%) modificando o ciclo de PSA. Incluiu-se uma nova etapa no ciclo, sendo então um ciclo de cinco etapas composto por: pressurização, alimentação, despressurização co-corrente até uma pressão intermédia, evacuação contra-corrente e purga com produto a contracorrente .
Também se podem encontrar na literatura documentos de patente que utilizam adsorventes com alta selectividade cinética na remoção de CO2 para purificação de metano. Exemplos destes adsorventes são clinoptilolites (Seery, 1998), titanosilicatos (Dolan and Mitariten, 2003) zeólitos tipo DDR em membranas (Fujita et al., 2006) e peneiras moleculares de carbono (Masahiro and Kazuo, 1995) .
O principal problema dos processos de PSA que utilizam adsorventes cinéticos (entre eles as peneiras moleculares de carbono) é a baixa produtividade. No caso do adsorvente CMS 3K a produtividade é em torno dos 3.5 mol CH4/hora.kg adsorvente. A baixa produtividade destes processos de PSA é devido à baixa utilização da capacidade total do adsorvente (normalmente inferior a 50%) sendo que os perfis de concentração de CO2 são muito dispersos dentro de cada coluna obrigando a interromper a alimentação muito antes da saturação do adsorvente para evitar a contaminação do produto com concentrações superiores a dois ou três porcento dependendo das especificações pretendidas para o metano. Outro problema dos adsorventes cinéticos é que na etapa de purga com metano não se consegue deslocar o C02 adsorvido, motivo pelo qual esta etapa é pouco efectiva. 0 metano não é significativamente adsorvido nos microporos dos adsorventes cinéticos no tempo dum ciclo de PSA.
As primeiras unidades de PSA utilizavam materiais que adsorviam grandes quantidades de C02 e pouco CH4 e portanto a separação era feita por diferença nos equilíbrios de adsorção. Exemplos destes adsorventes são: carvão activado (Sircar et al., 1988; Davis, et al., 1992; Sircar, 1986), zeólito 13X (Sircar, et al., 1988), sílica gel (Dolan e Mitariten, 2003) e compostos organo-metálicos (Muller et al., 2005).
Para efeitos de comparação, no nosso laboratório realizaram-se estudos desta separação com um adsorvente com alta selectividade de equilíbrio de adsorção de CO2: zeólito 13X. Estes estudos foram realizados com dados de adsorção dos compostos puros e com um modelo matemático já provado para a separação destes gases (Cavenati et al., 2006).
Para este caso particular, a produtividade total da unidade de PSA, ficou em torno dos 2 mol CH4/hora.kg adsorvente. A baixa produtividade é causada pela baixa utilização da capacidade total do adsorvente devido às grandes dificuldades de desorção do CO2 e pela grande quantidade de metano retida pelo zeólito na etapa de pressurização.
Existem também na literatura, exemplos de unidades de PSA compostos por diferentes camadas de adsorventes,
nomeadamente para a separação de diferentes misturas
gasosas. Aplicações de PSA com colunas utilizando
adsorventes dispostos em camadas foram registadas para correntes de saída de reformado de metano (Golden e Weist,
2004), separação de água e CO2 duma corrente gasosa (Deng et al., 2001; Little and Spektor, 2005) . Em todas as referências mencionadas, cada uma das diferentes camadas de adsorvente destinam-se a remover um componente específico duma mistura de gases com vários componentes. Outro tipo de processo de PSA com diferentes camadas de diferentes adsorventes pode ser a separação de água de uma corrente de ar ou gás natural ou de N2/O2 (Lu, et al., 2003) . Neste exemplo, utilizam-se camadas de diferentes adsorventes com o único objectivo de remover água de uma corrente gasosa, sendo que este tipo de configuração permite aumentar a produtividade do processo. No exemplo da remoção de água, as camadas são distribuídas de acordo com uma adequada combinação de propriedades de adsorção: primeiro uma camada de carvão activado de grande capacidade a altas humidades relativas, depois uma camada de sílica gel para remover outra grande parte até concentrações menores a 1% e finalmente uma camada de zeólito para eliminar o conteúdo de água até umas poucas partes por milhão (ppm) . Neste exemplo, todos os adsorventes adsorvem fortemente a água sendo o processo controlado pelo equilíbrio de adsorção deste composto nos diferentes materiais.
Nos processos mencionados anteriormente a disposição de adsorventes em camadas tinha como objectivo a remoção selectiva de vários componentes individualmente (um adsorvente para remover cada contaminante).
Outra aplicação, com disposição de adsorventes em camadas para remoção dum único gás contaminante, utiliza um primeiro adsorvente com maior capacidade de adsorção seguido dum adsorvente de menor capacidade, preferencialmente sem limitações cinéticas.
A principal diferença da presente invenção relativamente aos processos já conhecidos e mencionados consiste na existência conjunta de dois tipos diferentes de adsorventes e a sua inovadora disposição: um primeiro adsorvente, com menor capacidade efectiva de adsorção (seja por menor capacidade ou pela existência de limitações difusionais), seguido de um outro adsorvente, com maior capacidade efectiva e estrutura microporosa, que permita uma rápida difusão de todos os componentes, actuando como barreira de contenção.
Concomitantemente, o processo PSA ao utilizar este tipo de coluna, revela-se mais eficaz e produtivo.
Descrição Geral da Invenção objecto da presente invenção visa melhorar o desempenho e a produtividade de unidades de adsorção por modulação de pressão ou PSA (Pressure Swing Adsorption) que utilizam adsorventes cinéticos. 0 aumento de produtividade destas unidades ajuda a reduzir os custos de instalação e de operação.
Esta invenção pode ser aplicada a separações binárias onde exista um único gás contaminante e um único gás produto, realizadas por processo de adsorção com modulação de pressão. Especificamente, discutiremos a aplicação deste processo a correntes de CH4 - C02. Esta mistura encontra-se em correntes de gás natural e correntes de biogás, entre elas o gás de aterro. 0 produto obtido pode ser utilizado como combustível (metano de alta pureza), mas o processo também pode ser utilizado noutras aplicações. Este processo será utilizado para remover conteúdos de C02 entre 5% a 85% e preferencialmente entre 30% e 45%. O processo opera entre -10 °C e 100 °C, mas preferencialmente entre 25 °C e 55 °C. O processo de adsorção com modulação de pressão aqui apresentado consta de uma ou várias colunas dispostas de modo a obter uma operação contínua ou descontínua. As operações descontínuas são caracterizadas pela existência de tanques estabilizadores tampão acoplados ao sistema de PSA.
Os materiais adsorventes dentro das colunas são dispostos em duas camadas: uma primeira camada de adsorvente com selectividade cinética para o gás contaminante de preferência onde o gás produto tenha uma cinética de adsorção muito lenta e uma segunda camada de material adsorvente com selectividade por diferença de equilíbrio de adsorção onde o gás contaminante seja mais adsorvido que o gás produto. A primeira camada de adsorvente deve ser a primeira a entrar em contacto com o gás a purificar.
A novidade desta invenção reside na disposição de duas camadas de adsorvente dentro de uma mesma coluna num processo de adsorção por modulação de pressão de uma única coluna ou múltiplas colunas para remoção de um gás contaminante (CO2) dum gás produto (CH4) . A disposição em camadas proposta nesta invenção permite realizar a separação de CO2 com a eficiência duma separação cinética mas aumenta a produtividade do processo devido à existência duma camada de contenção de um material de maior capacidade existente só no final da coluna. Dentro do campo de invenção, a maior novidade é a disposição, não convencional, dum adsorvente de menor capacidade e que actua por separação cinética seguido de um adsorvente de maior capacidade que actua por separação por diferença nos equilíbrios de adsorção.
A primeira camada que contém o primeiro adsorvente visa remover grandes quantidades de CO2 da mistura. Exemplos de adsorventes cinéticos que podem ser aplicados nesta camada são todos os materiais que tenham microporos de aproximadamente 4 angstroms: peneiras moleculares de carbono, zeólitos naturais e zeólito 4A, zeólitos decadodecasil 3R DDR, zeólitos ITQ (Instituto de Tecnologia Quimica), clinoptilolites e titanosilicatos. Também se incluem nesta qualificação outros zeólitos quimica ou fisicamente modificados para ajustar os microporos até um valor próximo aos 4 angstroms.
A segunda camada que contém o segundo adsorvente será utilizada para remover menores quantidades de CO2 utilizando muito menos quantidade de adsorvente. A inclusão desta camada de adsorvente funciona como barreira de contenção de CO2 e constitui a principal modificação ao processo de PSA. Isto permite que o CO2 demore mais tempo a sair e portanto a etapa de alimentação pode purificar maior quantidade de mistura, aumentando a produtividade da unidade.
O adsorvente a ser utilizado na segunda camada deve ser um material que possa adsorver muito mais CO2 do que CH4, ou seja, materiais onde a separação seja por diferenças nos equilíbrios de adsorção dos gases. Preferencialmente devem utilizar-se adsorventes onde a difusibilidade de ambos os gases seja rápida. Estes materiais são normalmente todos os materiais inorgânicos de alta área superficial com microporos de tamanho maior que 6 angstroms. Exemplos destes materiais são: zeólito 13X e zeólito Y, mordenitas, carvão activado, aluminas, silica gel e outros materiais mesoporosos de matriz de silica. Podem ser exemplos de utilização os carvões activados de alta área superficial e também os carvões activados com modificações superficiais para aumentar a capacidade de adsorção de C02.
Cada coluna passa por cinco etapas antes de completar um ciclo. Estas etapas são a) a alimentação a alta pressão com o gás a separar; b) a despressurização até uma pressão intermédia; c) evacuação contracorrente; d) purga com produto contracorrente e e) pressurização com produto em contracorrente.
1) Alimentação: a mistura de gases é alimentada pela parte inferior da coluna sendo o C02 retido e o metano retirado pelo topo a alta pressão. Esta etapa acaba antes do C02 que sai pelo topo da coluna alcance uma concentração superior a especificada para obter metano grau combustível.
2) Despressurização intermédia: Sem alimentação, a coluna é despressurizada até uma pressão inferior à utilizada na alimentação, preferencialmente, até uma pressão intermédia num intervalo entre 20 e 600 kPa. Pretende-se diminuir a quantidade de metano retida na fase gás e assim aumentar a sua recuperação. Este metano pode ser recomprimido ou utilizado para pressurizar outra (s) coluna (s) ou eventualmente na etapa de purga. A difusividade do C02 adsorvido no adsorvente cinético é lenta e portanto só começa a dessorver mas não em grandes quantidades. Esta etapa deve ser de rápida concretização.
3) Evacuação contracorrente: A saída da coluna é fechada e depois a coluna é ligada a uma linha com menor pressão. A pressão mínima do sistema é atingida na evacuação, preferencialmente, num intervalo entre 100 e lkPa de pressão total. Esta pressão pode ser inferior à pressão atmosférica se o adsorvente for regenerável só nessas condições. Nesta etapa é perdido algum metano que deve ser queimado antes de ser emitido para a atmosfera.
4) Purga com produto contracorrente: uma parte do produto ou da saída da etapa de despressurização é introduzida na coluna na parte superior e a saída é, conjuntamente com a saída da etapa de evacuação, uma corrente secundária do processo que pode ser utilizada para obtenção de energia. Nesta etapa a pressão também é a pressão mínima do sistema, preferencialmente, num intervalo entre 200 e 1 kPa de pressão total na coluna, sendo o objectivo desta etapa deslocar o CO2 existente no fim da coluna para poder dar uma maior utilização ao leito na etapa de alimentação.
5) Pressurização: Com parte do produto e do gás proveniente da etapa de despressurização, a pressão da coluna é aumentada desde a pressão mínima até a pressão máxima, entre 1 e 200 kPa a 250 e 2000 kPa de pressão total, preferencialmente entre 200 e 1500 kPa, e mais preferencialmente entre 400 e 800 kPa. Uma vez que se atinja este valor de pressão, pode começar a etapa de alimentação e reiniciar um novo ciclo.
Breve descrição das Figuras
A figura 1 mostra o arranjo em camadas de uma coluna de
LPSA (Layered Pressure Swing Adsorption)em que:
(D representa o produto - ch4 purificado;
(2) representa a camada de adsorvente de separação por
diferenças nos equilíbrios de adsorção;
(3) representa a camada de adsorvente de separação por
diferenças nas cinéticas de adsorção;
(4) representa a alimentação da coluna: CH4 -C02
Descrição Detalhada da Invenção
1. Preparação das colunas de separação
Para se obter a separação de dióxido de carbono de correntes ricas em metano em primeiro lugar é necessário obter uma coluna com as duas camadas de adsorventes a utilizar no processo.
A primeira camada deve conter adsorventes cinéticos que são os primeiros a entrar em contacto com o C02. Exemplos destes adsorventes são clinoptilolites, zeólitos tipo decadodecasil 3R DDR, titanosilicatos, peneiras moleculares de carbono e zeólitos tipo LTA modificados com Li e K.
A segunda camada deve conter um adsorvente com grande capacidade para reter C02 sendo que é desejável que a difusão de ambos os gases seja rápida. Exemplos destes adsorventes são zeólito 13X e zeólito Y, carvão activado, aluminas, sílica gel e outros materiais mesoporosos de matriz de sílica.
A quantidade de material utilizado em cada uma das camadas é directamente relacionada com as especificações desejadas no produto. Normalmente a segunda camada de adsorvente ocupa entre 5 e 50% do volume total da coluna.
2. Desenvolvimento do processo de separação
O processo de separação decorre em ciclos de cinco etapas, cada um. Cada uma destas etapas envolve os seguintes passos: a) a alimentação a alta pressão com o gás a separar; b) a despressurização até uma pressão intermédia;
c) evacuação contracorrente; d) purga com produto contracorrente e e) pressurização com produto em contracorrente.
a) Alimentação: a mistura de gases é alimentada pela parte inferior da coluna sendo o CO2 retido e o metano retirado pelo topo a alta pressão. Esta etapa é operada a altas pressões entre 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 400 e 800 kPa. Esta etapa acaba antes do CO2 que sai pelo topo da coluna alcance uma concentração superior a especificada para obter metano grau combustível;
b) Despressurização intermédia: sem alimentação, a coluna é despressurizada até uma pressão inferior à utilizada
na alimentação. Pretende-se diminuir a quantidade de
metano retida na fase gás e assim aumentar a sua
recuperação. Este metano pode ser recomprimido ou
utilizado para pressurizar outra(s) coluna(s) ou
eventualmente na etapa de purga. Esta etapa deve ser de rápida concretização;
c) Evacuação contracorrente: a saída da coluna é fechada e depois a coluna é ligada a uma linha com menor pressão. A pressão mínima do sistema é atingida na evacuação. Esta pressão pode ser inferior à pressão atmosférica se o adsorvente for regenerável e apenas nessas condições. Nesta etapa é perdido algum metano que deve ser queimado antes de ser emitido para a atmosfera.
d) Purga com produto contracorrente: uma parte do produto ou da saída da etapa de despressurização é introduzida na coluna na parte superior e a saída é, conjuntamente com a saída da etapa de evacuação, uma corrente secundária do processo que pode ser utilizada para obtenção de energia. Nesta etapa a pressão também é a pressão mínima do sistema.
e) Pressurização: com parte do produto e do gás proveniente da etapa de despressurização, a pressão da coluna é aumentada desde a pressão mínima até a pressão máxima.
Uma vez que se atinja este valor de pressão, pode começar a etapa de alimentação e reiniciar um novo ciclo.
Este ciclo visa utilizar a coluna descrita nesta invenção para remover um componente específico (C02) e depois regenerar dita coluna para voltar a ser utilizada. Este processo é utilizado para processar misturas de gases a temperaturas entre 20 e 70°C e pressões totais entre 250 e
2000 kPa. Quando o processo é utilizado em continuo atingese o comportamento do estado estacionário cíclico, onde se devem atingir os objectivos de performance desejados. Um processo de PSA composta por uma ou mais colunas pode ser utilizado com este tipo de ciclos. Numa unidade de colunas múltiplas a corrente da etapa de despressurização pode ser utilizada para equalizar a pressão de outra coluna para diminuir o consumo energético da unidade.
Exemplos de aplicação
EXEMPLO 1: Separação CH4-CO2 com peneira molecular de carbono CMS 3K.
O estudo inicial da separação CH4-CO2 foi realizado com um adsorvente cinético CMS 3K onde a difusão do CH4 é muito lenta. Simulamos um processo de PSA com cinco etapas (alimentação, despressurização intermédia, evacuação contra-corrente, purga com produto em contra-corrente e pressurização contra-corrente) . O caudal a ser tratado é da ordem dos 1000 Nm3/h (em condições de 298 K e 101.3 kPa) com um conteúdo de CH4 de 55%. Para tratar esta corrente foi utilizado um PSA com duas colunas de 4.667m de comprimento e 0.4667m de raio com uma porosidade de 0.33. A alimentação foi feita a uma pressão de 600 e 800 kPa e a evacuação e a purga a 10 kPa. Foram realizadas simulações com diferentes pressões intermédias. Os resultados obtidos podem ver-se na Tabela 1.
Tabela 1. Resultados de simulações de um processo de PSA utilizando um adsorvente cinético CMS 3K.
Ensaio Qalim t-aiim t-despres t-evac P alim p -1- inter Pureza Recupe- Produti-
SLPM S S S kPa kPa CH4 % ração vidade
ch4 % molCH4/h.
kg
A 16666.7 135 0 160 600 200 99.1 53.1 2.63
1 16666.7 135 10 160 600 200 97.2 85.7 4.33
2 16666.7 135 10 160 800 200 97.3 85.6 4.32
3 16666.7 135 10 160 800 250 97.8 81.5 4.09
4 16666.7 130 10 140 800 250 97.9 80.8 4.05
5 16000 130 10 140 800 250 98.1 79.7 3.83
Etapa de pressurização: 70s; etapa de purga: 50s.
Este exemplo serve como base de comparação dos resultados obtidos com um adsorvente cinético.
EXEMPLO 2: Separação CH4-CO2 com LPSA: CMS 3K seguido de zeólito 13X.
Neste exemplo utilizou-se um adsorvente cinético CMS 3K seguido de um zeólito 13X, conhecido pela sua grande capacidade de adsorção de C02.
Para comparação dos resultados, utilizou-se uma unidade de PSA com duas colunas de 4.667m de comprimento e 0.4667m de raio. 0 processo também possui 5 etapas (alimentação, despressurização intermédia, evacuação contra-corrente, purga com produto em contra-corrente e pressurização de alimentação foi sempre de evacuação de 10 kPa. O arranjo para que o primeiro adsorvente corrente a purificar seja o CMS contra-corrente). A pressão 800 kPa e a pressão de dos adsorventes foi feito a entrar e contacto com a 3K seguido do zeólito 13X.
Os resultados das diferentes simulações podem ver-se na Tabela 2. O objectivo é colocar um adsorvente com alta capacidade para adsorver CO2 no final do leito e que também possa ser purgado utilizando metano (a efectividade da purga no CMS 3K é baixa devido à lenta difusividade do CH4 nos microporos do adsorvente) . Com isto consegue-se utilizar melhor a camada de CMS 3K sendo que a última camada de zeólito 13X actua como barreira de contenção para o CO2. Nestas simulações podemos confirmar que a produtividade da unidade de LPSA é muito maior do que utilizando só um adsorvente cinético do tipo CMS 3K.
Tabela 2. Resultados de simulações de um processo de LPSA utilizando um adsorvente cinético CMS 3K seguido dum adsorvente de separação por diferenças nos equilíbrios de adsorção (zeólito 13X).
Ensaio Z13X / CMS3K Qalim SLPM Talim s tdespres s t evac s p inter kPa Pureza CH4 % Recuperação CH4 % Produtividade molCH4/h.kg
Ia Zeólito 16000 130 10 140 250 97.0 47.8 2.20
3a 9 16000 130 10 140 250 95.3 49.3 2.31
5b 0.111 16000 130 10 140 250 99.2 48.8 2.31
6d 0.111 22000 130 10 140 250 98.3 76.8 5.03
7C 0.25 22000 130 10 140 250 99.8 50.1 3.22
78d 0.25 30000 130 10 140 250 96.7 83.7 7.55
80d 0.429 30000 130 10 140 250 98.7 74.8 6.58
Etapa de pressurização: 70s; etapa de purga: 50s a Caudal de purga: 5000 SLPM.
b Caudal de pressurização: 10000 SLPM.
c Caudal de alimentação: 22000 SLPM. Caudal de pressurização: 16000 SLPM.
d Caudal de pressurização: 16000 SLPM.
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Claims (13)

1. Coluna de separação para purificação de gases caracterizada por ser constituída por duas camadas de material adsorvente, sendo:
a. a primeira camada, entre 50 a 95% do volume total da coluna, constituída por um material microporoso, com poros de dimensão compreendida entre 4Â e 5,5Â e adsorvente com selectividade cinética para o gás contaminante e com cinética de adsorção lenta; e
b. a segunda camada, entre 5 e 50% do volume total da coluna, constituída por materiais microporosos, preferencialmente à base de materiais inorgânicos de elevada área superficial, com microporos de dimensões superiores
6Â e adsorvente com uma maior capacidade de adsorçao para o gás contaminante que para o gás produto, formando esta segunda camada uma barreira de contenção para o gás contaminante, no final da coluna.
2, Coluna de separação para purificação de gases, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizada por a primeira camada ser constituída por peneiras moleculares de carbono, zeólitos naturais e zeólitos 4A, zeólitos tipo LTA modificados com Li e K, zeólitos DDR, zeólitos ITQ, clinoptilotites ou titano-silicatos.
3. Coluna de separação para purificação de gases, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por a segunda camada ser constituída por, zeólito 13X, zeólito Y, mordenitas, carvão activado, aluminas, sílica-gel, e outros materiais porosos de matriz de sílica ou carvões activados com modificações superficiais.
4. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, caracterizado por cada ciclo decorrer em cinco etapas as quais compreendem:
a) alimentação de pelo menos uma coluna contendo as duas camadas de material adsorvente, a alta pressão com o gás a separar;
b) despressurização da mistura até uma pressão intermédia num intervalo entre 20 e 600 kPa ;
c) evacuação contracorrente;
d) purga com produto contracorrente; e
e) pressurização com produto em contracorrente num intervalo entre 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 400 e 800 kPa.
5. Processo, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a pressão de alimentação se situar num
intervalo 400 e 800 entre kPa. 200 e 1500 kPa, preferencialmente entre 6. Processo, de acordo com as reivindicações 4-5, caracterizado por a despressurização intermédia da
coluna se realizar até uma pressão inferior à da alimentação.
7. Processo, de acordo com as reivindicações 4-6, caracterizado por a evacuação contra-corrente ser realizada com a saída da coluna fechada, sendo depois a coluna ligada a uma linha com menor pressão, num intervalo entre 100 e lkPa de pressão total.
8. Processo, de acordo com as reivindicações 4-7, caracterizado por a purga com produto contra-corrente ser realizada por introdução da totalidade ou apenas de uma parte do produto, sendo realizada à pressão minima do sistema, i.e. num intervalo entre 200 e 1 kPa de pressão total na coluna.
9. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, de acordo com as reivindicações 5,8 caracterizado por a pressurização ser realizada com a totalidade ou apenas com parte do produto e do gás proveniente da despressurização, sendo a pressão da coluna aumentada desde a pressão minima até à pressão máxima, i.e. de entre 1 e 200 kPa a 250 a 2000 kPa de pressão total.
10. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases, de acordo com as reivindicações 4-
9, caracterizado por se realizar em continuo, através da utilização de múltiplas colunas de separação e dando-se inicio a um novo ciclo ao atingir-se o valor de pressão máximo referido na reivindicação anterior.
11. Processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de gases de acordo com as reivindicações 4-
10, caracterizado por ser desenvolvido em ciclos contínuos ou individuais.
12. Utilização da coluna de separação, descritas nas reivindicações 1-3 através do processo descrito nas reivindicações 4-11, caracterizado por ser aplicável à purificação de misturas de CH4-CO2.
13. Utilização da coluna de separação, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por ser aplicável na remoção de C02 de correntes de CH4-CO2 existentes no gás natural, no biogás e no gás de aterro.
14. Utilização da coluna de separação, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por ser aplicável na remoção de C02 de correntes de CH4-CO2 cujas fracções molares de C02 podem variar de 0.15 até 0.85, preferencialmente, entre os 0.45 e 0.55.
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