MX2013008114A - Proceso de adsorcion de oscilacion de presion de seis lechos que opera en el modo normal y reductor. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona con el sistema de adsorción de oscilación de presión (PSA, por sus siglas en inglés) de seis lechos que usa nuevos y avanzados ciclos para obtener la recuperación mejorada del hidrógeno a partir de un gas de alimentación que contiene hidrógeno (es decir, gas de síntesis). En tal ciclo cada uno de los seis lechos tiene cuatro etapas de igualación de presión, y por lo menos uno de los lechos recibe y procesa dicho gas de alimentación para obtener un gas de producto de hidrógeno (es decir, un ciclo de 6-1-4).

Description

PROCESO DE ADSORCIÓN DE OSCILACIÓN DE PRESIÓN DE SEIS LECHOS QUE OPERA EN EL MODO NORMAL Y REDUCTOR Campo de la Invención La presente invención se relaciona con un sistema de adsorción de oscilación de presión (PSA, por sus siglas en inglés) de seis lechos, el cual utiliza nuevos y avanzados ciclos para obtener la recuperación mejorada del hidrógeno a partir un gas de alimentación que contiene hidrógeno (es decir, un gas de síntesis). En tal ciclo, cada uno de los seis lechos tiene cuatro etapas de igualación de presión, y por lo menos uno de los lechos recibe y procesa dicho gas de alimentación para obtener un gas de producto de hidrógeno (es decir, un ciclo 6-1-4). El sistema de PSA de seis lechos se puede operar en un modo reductor donde uno o dos lechos se incorporan fuera de línea. El nuevo ciclo de cinco lechos incluye tres etapas de igualación, mientras por lo menos un lecho está en operación (es decir, un ciclo 5-1-3). El ciclo de cuatro lechos incluye dos etapas de igualación, mientras por lo menos un lecho está en operación. Este modo reductor, alcanza una reducción de menos de cuatro por ciento, y una reducción de ocho por ciento, respectivamente, en rendimiento de hidrógeno. Además, la invención se relaciona con un nuevo recubrimiento adsorbente empleado en los lechos de PSA.

Antecedentes de la Invención Aún existe la necesidad de gases de alta pureza, como hidrógeno, procesado a partir de las emanaciones en las industrias de procesos químicos. Estas emisiones son gases de mezclas de alimentación que contienen hidrógeno (es decir, gases de síntesis), a partir de emisiones similares de la conversión de metano vaporizado del gais natural o del nafta, de la conversión de hidrocarburos, de los procesos de isomerización, etcétera, que se conducen a una PSA para el procesamiento adicional. Esta demanda creciente requiere la necesidad de desarrollar los procesos de separación muy eficientes (por ejemplo, PSA) para la producción de hidrógeno (H2, por sus siglas en inglés) a partir de varias mezclas de alimentación. Para obtener los procesos muy eficientes de separación por PSA, se debe reducir tanto el capital como los gastos de operación del sistema de PSA. Algunas maneras de reducir el coste del sistema de PSA incluyen una disminución del inventario de adsorbente, la reducción en el número de lechos de PSA, y el uso de ciclos avanzados en los procesos de PSA. Las maneras mencionadas anteriormente para reducir el costo del sistema de PSA constituyen los elementos de la presente invención.

Los sistemas convencionales de PSA son bien conocidos para separar los gases de mezcla de alimentación, los cuales contienen los componentes con diferentes características de adsorción. Por ejemplo, en un sistema de PSA común, una mezcla de gases de múltiples componentes se hace circular en por lo menos uno de los múltiples lechos de adsorción a una presión elevada para adsorber por lo menos un componente fuertemente adsorbido mientras por lo menos un componente circula a través del lecho. En el caso de la PSA de hidrógeno, el hidrógeno es el componente más débilmente adsorbido, que circula a través del lecho. En un momento definido, se interrumpe la etapa de alimentación y el lecho de adsorción se despresuriza de manera concurrente en una o más etapas, se purga a contracorriente en una o más etapas y se descargara a contracorriente en una o más etapas para permitir que el producto de hidrógeno esencialmente puro salga del lecho con una alta recuperación. La secuencia de etapas no se limita a la indicada anteriormente y una combinación de dos o más etapas también se puede emplear como una única etapa.

El Número de Patente Norteamericana 4,834,780 se dirige al sistema de PSA de seis lechos que tiene un lecho en operación de los ciclos 6-1-3 y 6-1-4, donde el primer número en el ciclo se refiere al número total de lechos, el segundo número se refieren al número de lechos a la actual etapa de alimentación, y el tercer número se refiere al número de lechos en las etapas de igualación entre lechos en el ciclo de PSA. Por lo tanto, 6-1-3 significa un ciclo de PSA de seis lechos que tiene un lecho en la actual etapa de alimentación, y el ciclo de PSA contiene tres etapas de igualación entre lechos. Este ciclo se reproduce en la siguiente tabla 1.

Tabla 1: Diagrama del ciclo de PSA 6-1-3.

De acuerdo con las enseñanzas dle I ciclo 6-1-3, el sistema de PSA proporciona un flujo continuo de gas residual de PSA a un tambor de regulación que elimina las fluctuaciones de la presión, de las velocidades de flujo y de las composiciones, antes de enviarlo a una unidad en la dirección ascendente (por ejemplo, SMR) para el uso (por ejemplo, combustible para quemadores de j SMR). Sin embargo, el ciclo 6-1-4 de la patente ofrece un flujo discontinuo del gas residual de PSA cíonducido en la dirección ascendente a través del tambor de regulación. El flujo discontinuo del gas residual de PSA puede crear las fluctuaciones en las plantas de hidrógeno.

El Número de Patente Norteamericana 6,454,838, se dirige a un ciclo modificado 6-1-4 para eliminar el suministro discontinuo indeseado del gas residual de PSA en el tambor de regulación. Sin embargo, la solución proporcionada en esta patente da lugar a un ciclo de PSA que tiene varias etapas sin uso. Específicamente, un ciclo de veinticuatro etapas se describe con cuatro etapas sin uso y cuatro etapas traslapadas de igualación y de descarga. Los expertos en la técnica reconocerían que las etapas sin uso en el ciclo de PSA invariablemente dan lugar a la degradación en el rendimiento del proceso de PSA (por ejemplo, una recuperación inferior del hidrógeno). En una modalidad alternativa, el Número de Patente Norteamericana 6,454,838, describe un ciclo 6-1-4 de PSA donde el ciclo de PSA consiste en veinticuatro etapas en el ciclo (ver la tabla 3) que ofrece lo siguiente: (1) el traslape proporciona la purga y la cuarta etapa de igualación; (2) el tanque adicional, para el almacenamiento i ¦ temporal del gas de la segunda etapa de igualación; (3) ninguna etapa sin uso y (4) flujo continuo de gas de descarga. Sin embargo, en esta modalidad un tanque de almacenamiento se utiliza para eliminar las cuatro etapas sin uso. Además, la recuperación del proceso de PSA disminuye 1-1.5% para los ciclos que utilizan una cuarta igualación en comparación con el ciclo 6-1-3 de la técnica anterior 6-1. Ver la tabla 4.

El Número de Patente Norteamericana 6,007,606, en propiedad conjunta por el cesionista de la presente invención, describe un proceso de PSA que implica el almacenamiento de los productos que tienen varias purezas en los tanques de almacenamiento reservados para el uso subsecuente. Los productos de purezas cada vez mayores, admitidos en el extremo de lecho del producto del lecho se usan durante las etapas de purga y de represurización. Además, diferentes corrientes de composición recolectadas en el extremo de alimentación del lecho durante la etapa de despresurización a contracorriente, se admiten en el extremo de alimentación del lecho, en el orden del contenido cada vez mayor del componente de producto durante las etapas de aumento de presión.

Además de los ciclos, la técnica relacionada discute los materiales adsorbentes convencionales utilizados en los lechos como un medio para mejorar la recuperación de producto en los sistemas de PSA de hidrógeno. Por ejemplo, el Número de Patente Norteamericana 6,814,787 se dirige al aparato y al proceso de PSA para la producción d¡e hidrógeno purificado a partir de una corriente del gas de alimentación que contiene los hidrocarburos pesados (es decir, los hidrocarburos que tienen por lo menos seis átomos de carbono). Él aparato incluye por lo menos un lecho que contiene por lo menos tres capas. La zona de adsorción en capas contiene un extremo de alimentación con un adsorbente de poca área superficial (20 a 400 m2/g) que comprende 2 a 20% de la longitud total del lecho seguido por una capa de un adsorbente intermedio de área superficial (425 a 800 m2/g) que comprende 25 a 40% de la longitud total del lecho y una capa final del adsorbente de mayor área superficial (825 a 2000 m2/g) que comprende 40 a 78% de la longitud total del lecho.

El Número de Patente Norteamericana 6,340,382, se dirige a un proceso de PSA que purifica el hidrógeno a partir de una mezcla que circula a través de una capa de óxido de aluminio (Al203) para la eliminación de la humedad, después a través de la capa de carbono activado para la eliminación del dióxido de carbono (C02), monóxido de carbono (CO), y metano (CH4), y finalmente a través de la capa de zeolita de CaX para que la eliminación de nitrógeno (N2) produzca H2 de pureza elevada (>99.99%). El CaX es por lo menos 90% de Ca intercambiado por S1O2 AI2O3 = 2.0.

El Número de Patente Norteamericana 7,537,742 B2 se relaciona con un conjunto óptimo de adsorbentes para el uso en los sistemas de PSA de hidrógeno. Cada lecho adsorbente se divide en cuatro regiones. La primera región contiene el adsorbente para eliminar el agua. La segunda región contiene una mezcla de adsorbentes potentes y débiles para eliminar las impurezas voluminosas como C02. La tercera región contiene un adsorbente de alta densidad voluminosa (>38 lbm/ft3 (608.7 kg/m3)) para eliminar el C02 y la mayoría de CH4 y CO presentes en las mezclas de alimentación que contienen hidrógeno. La cuarta región contiene el adsorbente que tiene altas constantes de la ley de Henry para la limpieza final del N2 y de las impurezas residuales para producir el hidrógeno a pureza elevada deseada.

El Número de Patente Norteamericana 6,402,813 B2 describe la purificación de una mezcla de gas mediante la adsorción de las impurezas en el adsorbente de carbono formado por una combinación de varios diferentes carbonos activos. Particularmente, un proceso de PSA se describe para purificar un gas, como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, monóxido de carbono, argón, metano o mezclas de gas que contienen estos componentes. La corriente de gas qué se purificará se hace circular a través de las capas de carbono, donde el orden de las capas de carbono es de tal manera que por lo menos existe una de las siguientes condiciones: (1) la densidad (D) es de tal manera que D1<D2; (2) el área superficial específica (SSA, por sus siglas en inglés) es de tal manera que SSA1>SSA2; 3) el tamaño promedio de poro (MPS, por sus siglas en inglés) es de tal manera que PS1 >MPS2, y (4) el volumen de poro (PV, por sus siglas en inglés) es de tal manera que PV1>PV2. Más I específicamente, esta patente se relaciona con un proceso en el cual se usa por lo menos dos capas de carbono activado, en las cuales el carbono de la primera capa tiene menor densidad que la segunda capa, el primer carbono tienen una mayor superficie específica, y también mayor tamaño promedio de poro que el segundo carbono.

Para superar las desventajas de los sistemas de PSA de seis lechos de la técnica relacionada, un objeto de la presente invención es introducir nuevos y avanzados ciclos de PSA con los modos reductores, que incluyen todas las siguientes características (1) ninguna necesidad del tanque de almacenamiento adicional; (2) ninguna etapa sin uso, y (3) mayor recuperación que los ciclos de la técnica relacionada.

Otro objetivo de la invención es modificar el sistema adsorbente en cada lecho para contener por lo menos tres capas de adsorbentes (por ejemplo, alúmina, carbono activado y zeolita), donde el carbono activo y los componentes de zeolita se distribuyen en capas de acuerdo con el tamaño de partícula y permiten la mejora adicional en la recuperación de hidrógeno. Por lo tanto, se ha descubierto un proceso eficiente de separación por PSA con alta recuperación de hidrógeno, pocos requisitos adsorbentes, (es decir, un menor factor de tamaño de lecho (BSF, por sus siglas en inglés)), y menores gastos de capital y de operación. Adicionalmente, el proceso debe operar eficientemente cuando uno o más lechos se incorporan fuera de línea por razones operacionales como la falla de válvula (mencionada en la presente, como "reducción" o "modo reductor").

Breve Descripción de la Invención La invención proporciona un proceso de adsorción de oscilación de presión para la separación de un suministro de gas de alimentación presurizado que contiene uno o más componentes fuertemente adsorbibles y por lo menos un gas de producto menos fuertemente adsorbible en un sistema de múltiples lechos. El gas de alimentación se suministra a un extremo de alimentación de un lecho adsorbente que contiene el material adsorbente sólido, el cual adsorbe preferiblemente los componentes más fuertemente adsorbibles y elimina el componente de producto menos fuertemente adsorbible desde un extremo de salida del lecho adsorbente, lo cual produce en ciclo que incluye las etapas en las cuales el gas de alimentación continuo fluye a contracorriente de manera secuencial a través de cada uno de los lechos de adsorbente para producir el producto de gas al usar el gas de alimentación continuo, las etapas de presurización, las etapas de igualación de presión, las etapas de despresurización, y las etapas de purga.

El gas de producto del proceso es preferiblemente hidrógeno aunque el proceso se puede ampliar a otros procesos de separación como la purificación de helio, enriquecimiento de gas natural, producción de C02 a partir del gas de síntesis o a partir de otra fuente que contiene C02 en la alimentación de suministro o en otros procesos de PSA para la coproducción de H2 y de C02. Una de las nuevas características de la presente invención es la introducción de un nuevo y avanzado ciclo a un sistema de PSA de seis lechos que tiene cuatro etapas de igualación para alcanzar la recuperación mejorada de H2. Este ciclo se puede modificar y utilizar adicjónalmente para operar el sistema de PSA en un modo reductor con una reducción relativamente pequeña en el rendimiento, de tal modo permite que el sistema de PSA opere con únicamente cuatro lechos, lo cual aún mantiene un rendimiento de hidrógeno de más de 90%. Otra nueva característica de la invención es el adsorbente en capas, que se puede utilizar en los lechos. Estas configuraciones en capas de los componentes de carbono y/o de zeolita son diferentes de otra capa de material adsorbente similar en el tamaño de partícula. Estas configuraciones en capas de los materiales de lecho combinados y los ciclos de PSA proporcionan un efecto sinérgico con una mejora total en la recuperación de hidrógeno y un rendimiento de 1-2% con respecto a los ciclos convencionales de PSA.

Breve Descripción de los Dibujos Los objetivos y las ventajas de la invención serán entendidos mejor a partir de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de las mismas con respecto a las figuras anexadas, donde: La figura 1 ilustra una configuración avanzada de lecho/en capas de acuerdo con un aspecto de la invención; La figura 2A es un diagrama de los índices relativos de adsorción de N2 y de CO contra el diámetro de la partícula para las capas de zeolita mostradas en la figura 1; La figura 2B es un diagrama de los índices relativos de adsorción de C02 y de CH4 contra el diámetro de partícula para las capas de carbono mostradas en la figura 1; y La figura 3 es seis un sistema/estructura de PSA de H2 de seis lechos ilustrativo utilizado con los ciclos de la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención La invención describe los procesos/ciclos de PSA de alta eficacia empleados en un sistema de PSA de seis lechos para lograr 20-50 millones de pies cúbicos estándar por día (M SCFSD, por sus siglas en inglés) (566337-1.416x 1 O6 millones de metros cúbicos estándar por día) de producción de hidrógeno. Los ciclos alcanzan la recuperación mejorada de hidrógeno a partir de un gas que contiene hidrógeno. La invección proporciona las siguientes características: Los nuevos y avanzados ciclos de PSA para sistemas de PSA de seis lechos que se pueden operar en el modo reductor, y proporcionan la alta recuperación de hidírógeno.

El nuevo ciclo de PSA de seis lechos que tiene por lo menos cuatro etapas de igualación entre lechos; y La eliminación de etapas sin uso en los ciclos y ninguna necesidad de los tanques de almacenam'iento reservados.

Otro aspecto de la invención se refiere a los adsorbentes cargados en los lechos de PSA de hidrógeno para mejorar la recuperación de hidrógeno. Se ha descubierto que las tres capas de adsorbente, donde cada capa se subdivide en dos capas que contienen el mismo adsorbente, aún con diferente tamaño de partícula, logran la adsorción óptima y la cinética de desorción para las impurezas específicas presentes en el gas de alimentación que contiene hidrógeno. Esta configuración en capas adsorbente avanzada de tal modo da lugar a una mejora en la recuperación de hidrógeno.

El proceso común de la PSA de hidrógeno utiliza tres diferentes adsorbentes cargados en el recipiente desde la parte inferior a la parte superior en el orden como (1) alúmina; (2) carbono activado y (3) zeolita. Existen cinco impurezas importantes que se eliminarán por el proceso de adsorción. La alúmina adsorbe la humedad contenida en el gas de alimentación.

La capa de carbono activado se diseña generalmente para tener precaución en cuanto al dióxido de carbono y a los hidrocarburos como metano, etano, y propano. La función de la zeolita es eliminar el monóxido de carbono, el nitrógeno, el argón y el metano residual no extraídos por el carbono activado colocado en la dirección ascendente de la zeolita. Los detalles adicionales de las capas de adsorbentes en cada lecho de PSA se discuten en Baksh et al. (Número de Patente Norteamericana 7,537,742 B2), que está en propiedad conjunta por el cesionario de la presente invención, y se incorpora en la presente por referencia en su totalidad .

La figura 1 es ilustrativa de las capas adsorbentes en cada uno de los lechos de PSA de la invención. Las propiedades de adsorción en las capas dos, tres, cuatro y cinco son ajustadas al optimizar el tamaño de partícula del adsorbente usado para alcanzar el rendimiento óptimo del proceso de PSA. Como un ejemplo, las capas dos y tres son idénticas (por ejemplo, ambas son del mismo material de carbono) a excepción de la diferencia en los tamaños de partícula. Asimismo, las capas cuatro y cinco son idénticas (es decir, ambas son del mismo material de zeolita), pero su tamaño de partícula es diferente. El diseño y la configuración del recipiente de adsorbente es de tal manera que será capaz de adsorber cinco diferentes componentes. Idealmente, la capa 1 adsorbe la humedad, la capa 2 adsorbe el dióxido de carbono, la capa 3 adsorbe el metano, la capa 4 adsorbe el monóxido de carbono y la capa 5 adsorbe el nitrógeno. Los expertos en la técnica reconocerán que la recuperación del proceso se maximizará cuando los adsorbentes se utilicen completamente. Al usar un diseño de tres capas, el experto en la técnica tiene solamente tres grados de libertad para dimensionar el adsorbente para la eliminación de cinco componentes. El método de la invención agrega dos grados más de libertad, por lo tanto, permite alcanzar una recuperación más alta de hidrógeno en combinación con el nuevo ciclo 6-1-4 de esta invención.

El ajuste del tamaño de partícula del adsorbente afecta al índice de adsorción y al proceso de desorción, la capacidad de adsorción es independiente del tamaño de partícula. La resistencia a la difusión en un proceso de adsorción es la suma de todas las resistencias a la difusión dentro de la partícula del material adsorbente. El cambio en el tamaño de partícula puede, o no, afectar la resistencia total a la difusión dependiendo del nivel de contribución de los fenómenos de difusión afectados por el tamaño de partícula.

En una modalidad, la zeolita de CaX(2.3) se usa en la cuarta y en la quinta capa de la figura 1. Las capas se dimensionan de tal manera que la capa cuatro adsorba preferiblemente el monóxido de carbono y la capa cinco adsorba preferiblemente el nitrógeno. Con referencia a la figura 2A, se muestra la dependencia de los índices relativos de adsorción en el diámetro de partícula tanto para elí nitrógeno como para el monóxido de carbono. La técnica de columna de longitud cero (ZLC, por sus siglas en inglés) se emplea para obtener los datos trazados en la figura 2A. Ver, J.A.C. Silva & A.E. Rodrigues, Gas. Sep. Purif., Vol. 10, No. 4, pp. 207-224, 1996.

El valor del índice relativo de adsorción es la relación del índice verdadero de adsorción y del valor del índice estándar. El valor del índice estándar corresponde a un índice mínimo requerido necesario para producir el rendimiento mejorado del proceso de PSA. Si el mismo tamaño de partícula (por ejemplo, 2.5 mm) se usa para ambas capas en el proceso, se cumple el requisito para el índice de nitrógeno. Sin embargo, según se pudo determinar a partir de la figura 2A, el índice relativo de adsorción de CO es de solamente 40% del mínimo requerido. Por lo tanto, es deseable disminuir el tamaño de partícula de la zeolita en la capa cuatro para aumentar el índice dé adsorción del monóxido de carbono. Un valor de 1.5 mm cumple la especificación de diseño para el índice de monóxido de carbono en esta modalidad ejemplar particular. Es obvio que se podría aumentar el índice de nitrógeno al también disminuir el tamaño de partícula en la capa cinco. Por lo tanto, solamente la mejora insignificante del proceso se observaría puesto que el índice de adsorción del nitrógeno ya está por encima del valor mínimo requerido. Por otra parte; el rendimiento de proceso puede sufrir de la disminución de presión aumentada en el lecho. Las capas preferidas para este ejemplo particular serán de tamaños de partícula mayores de 2 mm y menores de 3 mm para la capa cinco y de tamaños de partícula mayores de 0.5 mm y menores de 2 mm para la capa cuatro.

Las capas de carbono dos y tres también se ocuparán con las partículas de carbono de diferente tamaño. La técnica de ZLC se emplea nuevamente para medir los índices de adsorción para el dióxido de carbono y para el metano en el material de carbono. Los datos del índice normalizados por el índice estándar se resumen en la figura 2B. El índice para el metano es satisfactorio en cuanto a los tamaños de partícula menores de 2.25 mm. Sin embargo, las partículas más pequeñas son necesarias para obtener los índices razonables para el dióxido de carbono. Por la inspección de los datos en la figura 2B, el tamaño de partícula preferido del carbono para el dióxido de carbono ocupa menos de 1.5 mm y para el metano menos de 2 mm. Por lo tanto, las capas por este ejemplo particular tendrán tamaños de partícula mayores de 1.0 mm y menores de 2.0 mm para la capa tres y los tamaños de partícula mayores de 0.5 mm y menores de 1.5 mm para la capa dos.

Los nuevos ciclos de PSA de la presente invención ahora serán descritos con referencia a varias modalidades i ejemplares. En una modalidad de la invención, el nuevo sistema de PSA emplea un ciclo de PSA de seis lechos adsorbentes de dieciocho etapas que tiene cuatro etapas de igualación, además de las etapas de purga, de descarga y de presurización de producto (mencionado en la presente como "ciclo 6-1-4 de PSA"). El sistema de PSA incluye un suministro continuo de gas de alimentación a por lo menos un lecho en el cual se adsorbe. Este lecho separa el gas de alimentación de suministro presurizado que contiene uno o más componentes fuertemente adsorbibles y permite que el gas de producto de hidrógeno menos fuertemente adsorbible salga del lecho.

En otra modalidad de la invención, el sistema de PSA se puede utilizar en modo reductor con cinco lechos. El ciclo de PSA para los cinco lechos incluiría quince etapas, donde un lecho está en adsorción y tiene tres etapas de igualación además de las etapas de purga y de presurización de producto (mencionado en la presente como "ciclo 5-1-3 de PSA").

En una modalidad alternativa de la invención, el sistema de PSA que tiene seis lechos emple!a un ciclo de dieciocho etapas donde dos de los lechos están simultáneamente en la fase de adsorción, y cada lecho tiene por lo menos tres etapas de igualación además de las etapas de purga y de presurización de producto (referido en , la presente como "ciclo 6-2-3 de PSA").

Con referencia a la figura 3 y a las tablas 2 y 3, se ilustra el modo de operación para el ciclo 6-1-4 de PSA. Específicamente, la secuencia de las etapas para el ciclo 6-1-4 de PSA se realiza en el orden citado en cada uno de los recipientes de adsorción secuencialmente.

Tabla 2: Diagrama del ciclo 6-1-4 de PSA Se entenderá que la nomenclatura proporcionada para este ciclo 6-1-4 de PSA es igual para todos los ciclos discutidos en la presente, donde: A1 = Primera etapa de adsorción A2/PP1 = Segunda etapa de adsorción/Primera presurización de producto A3/PP2 = Tercera etapa de adsorción/Segunda presurización de producto E1 = Primera igualación reductora E2 = Segunda igualación reductora E3 = Tercera igualación reductora PPG = Proporcionar el gas de purga E4/BD1 = Cuarta igualación reductora/Primera descarga BD2 = Segunda descarga PG = Purga E4' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E4) E3' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E3) E2' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E2) ?1' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E1) PP1 = Primera presurización de producto PP2 = Segunda presurización de producto En algunos de los ciclos, como el ciclo que puede requerirse, la siguiente nomenclatura se empleará: A2 = Segunda etapa de adsorción A3 = Tercera etapa de adsorción A4 = Cuarta etapa de adsorción A5 = Quinta etapa de adsorción PP = Presurización de producto A3/PP1 = Tercera etapa de adsorción/Primera etapa de presurización de producto E3/BD1 = Tercera igualación reductora/Primera etapa de descarga En la tabla 2, las filas corresponden a un lecho particular en el proceso de PSA mientras las columnas representan el número de etapa. La duración de una secuencia de ciclo (una fila) se denomina como la duración total del ciclo o la duración del ciclo (CT, por sus siglas en inglés). La duración del ciclo es constante para cada lecho. El cambio relativo en las etapas del ciclo entre los lechos, también se puede deducir a partir de la tabla 2. Este cambio es igual a una sexta parte del CT puesto que hay seis lechos en este ciclo particular. Para que el ciclo 6-1-4 de PSA sea completamente definido, las duraciones de etapa para la etapa 1 , 2 y 3 se deben asignar como t , t2 y t3. La duración del bloque básico, también denominada como la duración de alimentación, entonces se define como ti+t2 + t3. Al emplear la periodicidad de ciclo descrita anteriormente, CT = 6*(t1+t2 + t3) y da por resultado que la duración de las etapas 1, 4, 7, 10, 13 y 16 es igual en duración (es decir, ti); etapas 2, 5, 8, 11, 14 y 17 (es decir, t2) y etapas 3, 6, 9, 12, 15 y 18 (es decir, t3). Por lo tanto, hay dieciocho etapas en el ciclo, el modo de operación para cada lecho es compensado por tres etapas.

La secuencia del ciclo 6-1-4 de PSA ahora se describe con respecto a un lecho que experimenta el ciclo completo de PSA. Un sistema de tren/estructura de PSA representativo, que tiene seis lechos paralelamente, se representa en la figura 3, y se emplea en la presente para ilustrar esta modalidad. El sistema incluye 30 válvulas de encendido/apagado, y 14 válvulas de control, 6 distribuidores (aunque el sexto distribuidor se etiqueta como "7" en la figura 3 para indicar los componentes de la estructura de PSA con nomenclatura consistente, según se establecerá posteriormente) y las tuberías y accesorios asociados. Las válvulas de control se utilizan para controlar la velocidad de flujo o la presión durante ciertas etapas de proceso mientras las válvulas de encendido/apagado permiten la comunicación entre varios lechos en ¡él sistema de PSA. La válvula de secuenciación que representa las etapas en el ciclo 6-1-4 de PSA de la figura 3 se ilustra en la siguiente tabla 3, donde el diagrama de la válvula define la posición o la acción para cada válvula (es decir, r = O, cerrar = C, y CV = válvula de control) en una etapa particular del ciclo de PSA.

Tabla 3: Diagrama de la válvula del ciclo 6-1-4 de PSA Número de etapa 1 (A1): La mezcla de gas de alimentación se introduce a la parte inferior del lecho 1 desde el distribuidor de alimentación a alta presión. Ambas válvulas 011 (es decir, XV-011) y 012 (es decir, XV-012) están abiertas mientras las otras válvulas del lecho 1 (XV-01x) están cerradas. Posteriormente los números de etiqueta de válvula se mencionarán sin usar el prefijo XV. La mezcla de alimentación fluye desde la parte inferior a la parte superior del lecho. Esta dirección de flujo ascendente en el recipiente se denomina como flujo en contracorriente con respecto a la alimentación. Durante esta etapa de adsorción se adsorben las impurezas y se recolecta el hidrógeno de pureza elevada y se conduce a través del distribuidor de producto número 2. La válvula de control 002 se usa para controlar la presión en el lecho en las etapas (A1), (A2) o (A3) (es decir, las etapas de alimentación/producción).

Números de etapa 2 y 3 (A2/PP1 y A3/PP2): Estas etapas son idénticas a excepción de su duración respectiva t2 y t3. Las válvulas 011 y 012 permanecen abiertas, y el lecho 1 continúa en la etapa de alimentación/producción. Además, la válvula de control 007 se usa para controlar el índice de las etapas de presurización de producto (PP1) y (PP2). Según se mostró en la tabla 2 anterior, el lecho 2 es el que recibe el gas de presurización de producto del lecho 1 en los números de etapa 2 y 3 a través de las válvulas 007, 027 y 028. El resto de las válvulas asociadas con el lecho 2 están cerradas. Es importante que las presiones en el lecho 1 y en el lecho 2 sean iguales al final de la etapa (A3/PP2) de modo que el lecho 2 pueda ingresar a la etapa de alimentación/producción (A1) en la etapa 4. Es también deseable que las velocidades de flujo de la etapa (PP1) y (PP2) se regulen por la válvula 007 para que sean tan bajas como sea posible para prevenir la fluidificación y mantener la presión en el lecho 1 tan alta como sea posible.

Número de etapa 4 (E1): El lecho 1 experimenta la primera etapa de igualación entre lechos mientras el lecho 3 recibe en contracorriente el gas de igualación, etapa (?1'). La etapa (E1) se denomina ocasionalmente como etapa de despresurización a contracorriente. Las válvulas 017, 018 dlel lecho 1 y las válvulas 037 y 038 del lecho 3 están abiertas mientras que las válvulas del lecho 1 y del lecho 3 (es decir, 01x y 03x) están cerradas. El índice de las etapas (?1)-(?1') se controla por la válvula de control 018.

Números de etapa 5 y 6 (E2): Eil lecho 1 experimenta la segunda igualación (E2) durante estas dos etapas. Específicamente, la presión en el lecho 1 disminuye debido al flujo de gas en contracorriente desde el lecho 1 al lecho 4 que experimenta la etapa (?2') durante estas etapas. Las presiones en ambos lechos son iguales al final del número de etapa 6. Las válvulas 015, 045 y 048 están completamente abiertas mientras la válvula 018 controla el índice de las etapas (?2)-(?2').

Número de etapa 7 (E3): El lecho :1 ejecuta la tercera etapa de igualación (E3). Esta etapa usa el mismo distribuidor de igualación que la etapa anterior (E2). Las válvulas 015, 055 y 058 están completamente abiertas mientras Wa válvula 018 controla el índice de las etapas (?3)-(?3'). Está claro a partir de la nomenclatura de la válvula que el lechó 5 está en comunicación con el lecho 1 al usar el número de distribuidor 5.

Número de etapa 8 (PPG): El lecho 1 proporciona a contracorriente el gas de purga al lecho 6, que se está purgando. Con este fin, la válvula 013 está abierta y la válvula de control 018 se usa para controlar el índice de la etapa (PPG). El gas de purga fluye al número de distribuidor de purga 3 hasta el lecho 6 mientras las válvulas 063 y 068 están completamente abiertas. La etapa de purga a contracorriente usa la corriente rica en hidrógeno para ayudar a la regeneración de los adsorbentes en los recipientes. Las impurezas desorbidas dejan el lecho 6 a través de la válvula de control 064 y se recolectan eventualmente en un tambor de regulación (no mostrado). Desde el punto de vista operacional, entre más larga sea la etapa de purga mejor será la regeneración del adsorbente y por lo tanto, mejor será la capacidad de rendimiento del proceso. Esto significa que la duración de la etapa de purga (t2) debe ser largo y según se mencionó anteriormente, la duración de la etapa de presurización de producto (t2 + t3) también debe ser larga, si es permitido por el proceso. Esta condición se cumple fácilmente para el ciclo 6-1-4 mostrado en la tabla 2 puesto que las etapas (PG) y (PP1) se traslapan; su duración de etapa es t2.

Número de etapa 9 (E4 BD1): Esta etapa es la cuarta etapa de igualación (E4) asociada con una etapa de purga (BD1) ejecutada secuencialmente. Al principio de la etapa 9, las válvulas 013, 063 y 068 están abiertas y la válvula 018 se usa para controlar el índice de la cuarta etapa de igualación. La gestión apropiada de los procesos de adsorción/desorción que ocurren en esta etapa, es esencial para el rendimiento superior del ciclo 6-1-4. El gas usado para la etapa de despresurización en contracorriente (E4) debe ser rico en hidrógeno. Esto se logra por la tecnología avanzada de configuración en capas (es decir, el uso del adsorbente de zeolita de tipo CaX mientras las partículas más grandes se encuentran en la parte superior del recipiente y I las partículas más pequeñas en la parte inferior), según se discutió anteriormente con mayor detallle. Una vez que el lecho 1 y el lecho 6 han alcanzado la igualación de presión (es decir, se completa EQ4), las válvulas mencionadas anteriormente asociadas con la etapa EQ4 se cierran y la válvula 014 se abre para permitir la etapa de purga, donde una porción del gas en el lecho 1 se dirige al tambor de regulación (no mostrado). La velocidad de flujo (BD1) es controlada por la válvula 014. Por lo tanto, esta etapa 9 del ciclo 6-1-4 no genera ningún gas de descarga durante la etapa EQ4. El gas de descarga se genera solamente durante la porción BD1 de la etapa 9. La duración de esta etapa inferior de igualación de presión y de descarga (es decir, EQ4/BD1) es menor de 15% de la duración de alimentación (es decir, (t1 + t2 + t3)).

Número de etapa 10 (BD2): Esta etapa en el lecho 1 se realiza para limpiar el recipiente de las impurezas adsorbidas durante las etapas en contracorriente (AD, EQ, PPG) a través de la parte inferior del recipiente. En este punto del ciclo, la presión en el recipiente es demasiado baja para mantenerse en las impurezas. Por lo tanto, se desorben y se dirigen en contracorriente al tambor de regulación a través de la válvula 014. El resto de las válvulas asociadas al lecho 1 están cerradas durante esta etapa.

Número de etapa 11 (PG): El lecho 1 está recibiendo el gas de purga desde el lecho 2. Las válvulas 018, 013, 023 están completamente abiertas; el índice de la etapa (PPG) y la presión en el lecho 1 se controlan a través de las válvulas 028 y 014, respectivamente.

Número de etapa 12 (?4'): La primera etapa designada como igualación con referencia al lecho que recibe el gas. Los Lechos en las etapas (E4 BD1) y (?4') están interactuando de tal manera que el contenido del lecho 2 sea transferido al lecho 1 hasta que se igualén las presiones en ambos lechos. Las válvulas 023, 013 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 028 proporciona los medios para controlar el índice de esta etapa.

Número de etapa 13 (?3'): El lecho 1 está recibiendo el gas desde el lecho 3. Las válvulas 015, 035 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 038 proporciona el medio para controlar el índice.

Números de etapa 14 y 15 (?2'). El lecho 1 está recibiendo el gas desde el lecho 4. Las válvulas 015, 045 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 048 proporciona el medio para controlar el índice.

Número de etapa 16 (?1'): La etapa de igualación anterior donde el lecho 1 recibe el gas desde el llecho 5. Las válvulas 017, 057 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 058 proporciona el medio para controlar el índice.

Números de etapa 17 y 18 (PP1 y PP2): Las dos etapas anteriores en la descripción del ciclo con respecto al lecho 1 son las etapas (PP1) y (PP2) ya descritas anteriormente.

La funcionalidad básica del ciclo se puede describir de la misma manera para cualquier lecho. Sin embargo, una vez que la secuencia de la etapa se define para un lecho, las secuencias de la etapa para otros lechos seguirán el mismo orden y el cambio relativo de la duración será de una sexta parte de la duración del ciclo, (por ejemplo, el lecho 2 inicia la adsorción en el número de etapa 4, en comparación con el número de lecho 1 que inicia a través del número de etapa 1 (A1)).

Durante la operación de una planta que emplea un proceso de PSA de seis lechos puede ser deseable operar la planta en el modo reductor durante un periodo de tiempo limitado. En el caso de un sistema de PSA de seis lechos/recipientes, este modo permite la producción continua con solamente cinco recipientes en línea mientras uno de los lechos o de las válvulas asociadas con un lecho dado falla y necesita mantenimiento. Frecuentemente se observa en la industria que el rendimiento de la planta se deteriora significativamente al operar en un modo excepcional. Con referencia a la siguiente tabla 4, se describe el modo de operación del nuevo ciclo 5-1-3 de PSA.

Tabla 4: Diagrama del ciclo 5-1-3 de PSA Para que el ciclo 5-1-3 de PSA sea definido completamente, las duraciones de etapa para las etapas 1, 2 y 3, se deben asignar como t2 y t3. La duración del bloque básico entonces se define como t + t2 + t3. Al usar la periodicidad de ciclo, CT total = 5*(ti + t2+t3) y da lugar a que la duración de las etapas 1, 4, 7, 10 y 13 sea igual a ti; de las etapas 2, 5, 8, 11 y 14 sea igual a t2 y de las etapas 3, 6, 9, 12 y 15 sea igual a t3. La secuencia de ciclo se describirá a continuación detalladamente con respecto al lecho 1 para los propósitos de ilustración si se asume que el lecho 6 está fuera de línea y completamente aislado del resto del proceso. La funcionalidad del ciclo se explica al usar el hidrógeno, la estructura de la válvula del proceso de PSA se muestra en la figura 3. La secuencia del ciclo 5-1-3 de PSA ahora se describirá con respecto a un lecho que experimenta el ciclo completo de PSA (es decir, CT).

Etapas 1 y 2 (A1 y A2): El lecho 1 comienza el ciclo de proceso en las etapas de adsorción (A1) y (A2). Ambas válvulas 011 y 012 están abiertas mientras el resto de las válvulas del lecho 1 (01x) está cerradas; se recolecta el hidrógeno de pureza elevada y se envía a través del número de distribuidor de producto 2. La válvula de control 002 se usa para controlar la presión en el lecho en las etapas (A1.)„ (A2) o (A3) (es decir, todas las etapas de alimentación/producciión).

Etapa 3 (A3/PP1): Las válvulas 011 y 012 permanecen abiertas, el lecho 1 continúa en la etapa de alimentación/producción. Además, la válvula de control 007 se usa para controlar el índice de la etapa de presurización de producto (PP1). Por lo tanto, el lecho 2 está recibiendo el gas de presurización de producto desde el lecho 1 a través de las válvulas 007, 027 y 028. El resto de las válvulas asociadas con el lecho 2 están cerradas.

Etapas 4 y 5 (E1): El lecho 1 experimenta la primera etapa de igualación entre lechos (E1) mientras el lecho 3 está recibiendo a contracorriente el gas de igualación, etapa (?1'). Las válvulas 017, 018 del lecho 1 y las válvulas 037 y 038 del lecho están abiertas mientras el resto de las válvulas del lecho 1 y del lecho 3 (01x) y (03x) están cerradas. El índice de las etapas (E1)-(?1') se controla por la válvula de control 018.

Etapa 6 (E2): La presión en el lecho 1 disminuye debido el flujo de gas desde el lecho 1 al lecho 4 que experimenta la etapa (?2'). Las presiones en ambos lechos son iguales al final de la etapa 6. Las válvulas 015, 045 y 048 están completamente abiertas mientras la válvula 018 controla el índice de las etapas (?2)-(?2').

Etapa 7 (PPG): El lecho 1 envía él gas de purga al lecho 5 en la etapa de purga (PG). La válvula 013 está abierta y la válvula de control 018 se utiliza para controlar el índice de la etapa (PPG). El gas de purga fluye a través del número de distribuidor de purga 3 al lecho 5 mientras las válvulas 053 y 058 están completamente abiertas. Las impurezas desorbidas dejan el lecho 5 a través de la válvula de control 054 y se recolectan eventualmente en el tambor de regulación (no mostrado).

Etapa 8 (E3/BD1): En el lecho 1, la etapa (E3) asociada con una etapa de descarga (BD1). Ambos extremos del lecho 1 están abiertas. La válvula 014 se abre para permitir la etapa de descarga donde una porción del gas e¡n el lecho 1 se dirige al tambor de regulación. Mientras tanto, las válvulas 015, 055 y 058 están abiertas y la válvula 018 se usa para controlar el índice de la tercera etapa de igualación. La duración de esta etapa de igualación de presión inferior y de descarga (E3 BD1) es menor de 15% de la duración de alimentación.

Etapa 9 (BD2): El propósito de esta etapa es limpiar el recipiente de las impurezas adsorbidas durante las etapas en contracorriente (AD, EQ, PPG) a través de la parte inferior del recipiente a través de la válvula 014. El resto de las válvulas asociadas con el lecho 1 están cerradas durante esta etapa.

Etapa 10 (PG): Es una etapa de purga donde el lecho 1 está recibiendo el gas de purga desde el lecho 2. Las válvulas 018, 013, 023 están completamente abiertas. El índice de la etapa (PPG) y la presión en el lecho 1 se controlan a través de las válvulas 028 y 014 respectivamente.

Etapa 11 (?3'): Esta primera etapa de igualación designa que el lecho está recibiendo el gas. Los lechos en las etapas (E3) y (?3') están interactuando de tal manera que el contenido del lecho 2 se transfiera al lecho 1 hasta que las presiones en ambos lechos sean igualadas. Las válvulas 025, 015 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 028 proporciona el medio para controlar el índice.

Etapa 12 (?2'): El lecho 1 está récibiendo el gas desde el lecho 3. Las válvulas 015, 035 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 038 proporciona el medio para controlar el índice.

Etapa 13 y 14 (?1'): El lecho 1 recibe el gas desde el lecho 4. Las válvulas 017, 047 y 018 están completamente abiertas y la acción de la válvula de control 048 proporciona el medio para controlar el índice de la etapa de igualación en las etapas 13 y 14.

Etapa 15 (PP1): La etapa anterior en la descripción del ciclo con respecto al lecho 1 donde ocurre la presurización de producto, según se describió anteriormente.

Puede ser deseable que el sistema de PSA de cinco lechos opere adicionalmente la planta en un modo reductor con solamente cuatro lechos/recipientes en línea. En tal caso, el ciclo 4-1-2 de PSA de Baksh et al. (Número de Patente Norteamericana 6,340,382) es utilizado y se incorpora por referencia en su totalidad.

Un ejemplo, un proceso de PSA con los ciclos descritos en la presente, se simuló bajo las condiciones de proceso enumeradas en la siguiente tabla 5. El modelo asume la siguiente composición de gas de alimentación para todos los ciclos: 73.87% de hidrógeno, 0.23% de nitrógeno, 3.31% de monóxido de carbono, 16.37% de dióxido de carbono, 5.94% de metano y 0.3% de agua. La temperatura del gas de alimentación fue de 100°F (37.7°C) y la presión del gas de alimentación fue de 360 Psig (2.482 mPa).

Tabla 5: Ciclos de PSA de H2 y rendimiento de proceso correspondiente Nota 1: MMSCFD representa un millón de pies cúbicos estándar por día de gas donde las condiciones estándar asumidas son presión de 1 atmósfera y temperatura de 70°F (21.1°C); Nota 2: 1 Psig es una unidad de presión que corresponde a 6894.757 Paséales; 1 libra es una unidad de masa que corresponde a 0.4535924 kilogramos:; K corresponde a las unidades de SI para la temperatura de 1 Kelvin; ft representa la distancia de 1 pie igual a 0.3048 metros; Nota 3: TPD H2 representa las toneladas (2000 libras (907.2 kg)) de hidrógeno por día; Nota 4: BSF (factor de tamaño de lecho) es la relación de la masa total de adsorbente en todos los Hechos y de la producción diaria de hidrógeno en toneladas por día (ver la nota 3); Nota 5: El ciclo 4-1-2 de PSA se ha modificado para los propósitos de simulación para incluir las capas de adsorbente de la presente invención. Esto proporciona una comparación individualizada de los ciclos.

Según se mostró en la tabla 5, los nuevos ciclos que tienen una etapa adicional de igualación, sin la necesidad de las etapas sin uso o de los tanques de almacenamiento de otra manera fuera de línea, proporcionan una recuperación de hidrógeno de hasta 88.0%. Por otra parte, en el modo reductor con cinco y cuatro lechos en línea, la recuperación de hidrógeno disminuye a 85.5% y a 81.0%, respectivamente.

Una modalidad alternativa de la presente invención es un sistema de PSA de seis lechos que tiene doble alimentación. Uno de los beneficios de usar un ciclo de alimentación doble es un rendimiento más alto y un factor de tamaño de lecho (BSF, por sus siglas en inglés) más bajo. Según se discutió con respecto a los ciclos anteriores, BSF es una medida de la productividad de proceso por tonelada de hidrógeno producida por día. Este ciclo de PSA alternativo tiene dieciocho etapas, dos lechos están simultáneamente en la etapa de alimentación/proceso y tres etapas en el ciclo se dedican a la igualación entre lechos. Este ciclo 6-2-3 de PSA tiene una capacidad creciente de rendimiento para producir 40-70 M SCFD de hidrógeno contra 20-50 MMSCFD para el ciclo 6-1-4 de PSA. El resto de las características innovadoras del ciclo 6-2-3 de PSA es igual que las discutidas con respecto los ciclos 6-1-4 y 5-1-3 de PSA recientemente diseñados.

El ciclo 6-2-3 de PSA tiene dieciocho etapas con dos alimentaciones y tres etapas de igualación entre lechos. Puesto que seis lechos se usan con un ciclo de dieciocho etapas (18 ÷ 6), tres etapas de ciclo y sus duraciones (t^ t2, t3) se deben describir para la definición completa ' del ciclo. Una manera alternativa para describir un diagrama de ciclo es proporcionar la información en todos los lechos para la duración del bloque unitario en lugar de describir la secuencia completa para un solo lecho. Por ejemplo, al definir todas las etapas de ciclo en las etapas 1, 2 y 3 para el ciclo 6-2-3 de PSA en la tabla 6, se han definido cualitativamente todas las interacciones posibles entre lechos, válvulas y distribuidores. La misma secuencia se repetirá periódicamente con el período igual a ti + t2+t3. Este nuevo método se usará para explicar la funcionalidad del ciclo 6-2-3 de PSA con referencia a la siguiente tabla 6, en combinación con la figura 3. Tabla 6: Diagrama del ciclo 6-2-3 de PSA alimentación (etapa de adsorción), es decir, el lecho 1 y el lecho 6. Por lo tanto, las válvulas 011, 012, 061 y 062 estarán abiertas. El lecho 5 y el lecho 2 consisten en la comunicación de las etapas de ejecución (?1)-?1'), donde las válvulas 057, 027, 028 están abiertas y la válvula 058 se usa para controlar el índice. El lecho 4 está proporcionando el gas de purga (PG, por sus siglas en inglés) para el lecho 3. El índice de la etapa (PPG) se controla por la válvula 048, mientras las válvulas 043, 033, 038 están completamente abiertas y la válvula 034 se usa para controlar la presión en el lecho 3.

Número de etapa 2: Dos lechos están procesando la alimentación (etapa de adsorción), es decir, el lecho 1 y el lecho 6. Por lo tanto, las válvulas 011, 012, 061 y 062 estarán abiertas. El lecho 5 y el lecho 2 están continuamente en las etapas de igualación (?1)-(?1'), las válvulas 057, 027, 028 están abiertas y la válvula 058 se usa para controlar él índice. El lecho 4 y el lecho 3 están experimentando las etapas (E3/BD1 )-(E3') (es decir, se traslapa la etapa de igualación de baja presión y la descarga (BD1). La duración de esta etapa de igualación de presión más baja y de descarga (es decir, E3/BD1) es menor de 15% de la duración de alimentación. Las válvulas 045, 035, 038 están abiertas y la válvula 048 se usa para controlar el flujo de gas al lecho 3. Al mismo tiempo, el lecho 4 está descargando a través de la válvula 044 y el gas de la etapa (BD1) se dirige hacia el tambor de regulación a través del número de distribuidor 4.

Número de etapa 3: Dos lechos están procesando la alimentación (etapa de adsorción), es decir, el lecho 1 y el lecho 6. Por lo tanto, las válvulas 011, 012, 061 y 062 estarán abiertas. El lecho 2 está en la etapa de presurización de producto (PP, por sus siglas en inglés). Las válvulas 027 y 028 están abiertas mientras la válvula 007 controla el índice de esta etapa. El lecho 5 y el lecho 3 están en comunicación con las etapas de ejecución (?2)-(?2'), las válvulas 055, 035, 038 están abiertas y la válvula 058 se usa para controlar el índice. El lecho 4 está en la etapa de descarga, cuando el lecho se despresuriza a contracorriente y su contenido se libera al tambor de regulación a través de la válvula 044 y del número de distribuidor 4.

El rendimiento para el ciclo 6-2-3 de PSA se obtuvo a través del modelado matemático de los procesós de PSA de hidrógeno. Los resultados se resumen en la tabla 7. El modelo adoptado da seguimiento a la composición del gas de alimentación para todos los ciclos: 73.87% de hidrógeno, 0.23%. de nitrógeno, 3.31% de monóxido de carbono, 16.37% de dióxido de carbono, 5.94% de metano y 0.3% de agua. La temperatura del gas de alimentación fue de 100°F (37.7°C) y la presión del g¡ás de alimentación fue de 360 Psig (2.4 mPa). La configuración de los recipientes y de los adsorbentes usados fue exactamente igual que aquella considerada para los ciclos de alimentación simples (es decir, ver la tabla 5).

Tabla 7: Ciclos de PSA de H2 de seis lechos de alimentación doble y rendimiento de proceso correspondiente.

Nota 1: MMSCFD representa un millón de pies cúbicos estándar por día de gas donde las condiciones estándar adoptadas son presión de 1 atmósfera y temperatura de 70°F (21.1°C).

Nota 2: 1 Psig es una unidad de presión que corresponde a 6894.757 Paséales; 1 libra es una unidad de masa que corresponde a 0.4535924 kilogramos; K corresponde a las unidades SI para la temperatura de 1 Kelvin; pie representa la distancia, 1 pie es igual a 0.3048 metros.

Nota 3: TPD H2 representa las toneladas (2000 libras) de hidrógeno por día.

Nota 4: BSF (factor de tamaño de lecho) es la relación de la masa total de adsorbentes en todos los lechos y de la producción diaria de hidrógeno en toneladas por día (ver la nota 3).

Nota 5: El ciclo 6-2-2 de PSA sé ha modificado para los propósitos de simulación para incluir las capas de adsorbente de la presente invención. Esto proporciona una comparación individualizada de los ciclos.

Los resultados de simulación muestran que el beneficio del nuevo ciclo 6-2-3 de PSA es un punto adicional en la recuperación de hidrógeno. Por lo tanto, en ambos ciclos reportados en la tabla 7, las capas de adsorbente de la presente invención se han incorporado en los ciclos. Por consiguiente, el rendimiento del ciclo 6-2-2 en la tabla 7 no corresponde al rendimiento de la técnica anterior. La recuperación del proceso de PSA de H2 de la técnica anterior que usa el ciclo 6-2-2 sin las capas avanzadas de adsorbentes, está en el intervalo de 82 a 83%.

El beneficio principal del ciclo 6-2-3 contra el ciclo 6-1-4 es el menor factor de tamaño de lecho. El BSF es de 5618 Ib (2548 kg)/TPDH2 para el ciclo 6-1-4 de PSA (tabla 5) y 4583 Ib (2079 kg)/TPDH2 para el ciclo de 6-2-3 de PSA (tabla 7), respectivamente. Por lo tanto, el ciclo 6-2-3 de PSA puede producir una mayor cantidad de hidrógeno al usar una cantidad más pequeña de adsorbentes.

Aunque la invención se ha descrito detalladamente con referencia a la modalidad específica de la misma, llegará a ser evidente para el experto que se pueden realizar varios cambios y modificaciones, y los equivalentes empleados, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones anexadas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso de adsorción de oscilación de presión para separar un gas de alimentación de suministro presurizado que contiene uno o más componentes fuertemente adsorbióles de por lo menos un componente de gas de producto menos fuertemente adsorbible en un sistema adsorbente dei seis lechos para producir una corriente continua del gas de producto enriquecido con el componente menos fuertemente adsorbible y una corriente de gas de descarga que se enriquece con los componentes fuertemente adsorbibles, donde la duración de la igualación reductora de la presión más baja y de primera etapa de descarga es menor de 15% de la duración de alimentación, y el ciclo de proceso tiene por lo menos dieciocho etapas que incluyen cuatro etapas de igualación entre lechos.

2. Un proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 1, de acuerdo con el siguiente diagrama de ciclo: A1 = Primera etapa de adsorción A2/PP1 = Segunda etapa de adsorción/Primera presurización de producto A3/PP2 = Tercera etapa de adsorción/Segunda presurización de producto E1 = Primera igualación reductora E2 = Segunda igualación reductora E3 = Tercera igualación reductora PPG = Proporcionar el gas de purga E4/BD1 = Cuarta igualación reductora/Primera descarga BD2 = Segunda descarga PG = Purga E4' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E4) E3' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E3) E2' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E2) E1' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E1) PP1 = Primera presurización de producto PP2 = Segunda presurización de producto

3. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 1, donde el sistema de seis lechos está en modo reductor con cinco lechos en línea, donde el ciclo de proceso tiene quince etapas que incluyen tres etapas de igualación entre lechos, mientras uno de los lechos está ¡en producción.

4. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 1, donde dicho gas de producto menos fuertemente adsorbibles es hidrógeno.

5. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 1, donde el gas de alimentación de suministro contiene uno o más componentes fuertemente adsorbibles seleccionados del grupo que comprende hidrocarburos, dióxido de carbono, monóxido de carbono, argón, nitrógeno y vapor de agua.

6. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 1 , donde cada lecho adsorbente contiene alúmina, carbono y material de zeolita configurado en capas en esta orden particular.

7. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 6, donde cada una de las capas de carbono y de zeolita se subdividen en dos capas con diferente tamaño de partícula.

8. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 7, donde la primera de las capas subdivididas de carbono encontradas por el gas de alimentación de suministro tiene un tamaño de partícula de aproximadamente 0.5 a 1.5 mm y una afinidad para la impureza de dióxido de carbono.

9. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 7, donde la segunda de las capas subdivididas de carbono encontradas por el gas de alimentación de suministro tiene un tamaño de partícula de aproximádamente 2.0 a 3.0 mm y una afinidad para las impurezas de metano.

10. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 7, donde la primera de las capas subdivididas de zeolita encontradas por el gas de alimentación de suministro tiene un tamaño de partícula de aproximadamente 0.5 a 2.0 mm y una afinidad para la impureza de monóxido de carbono.

11. El proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 7, donde la segunda de las capas subdivididas de zeolita encontradas por el gas de alimentación de suministro tiene un tamaño de partícula de aproximadamente 2.0 a 3.0 mm y una afinidad para la impureza de nitrógeno.

12. Un proceso de adsorción de oscilación de presión para separar un gas de alimentación de suministro presurizado que contiene uno o más componente fuertemente adsorbibles de por lo menos un componente de gas de producto menos fuertemente adsorbible en un sistema adsorbente^ de cinco lechos para producir una corriente continua del gas de producto enriquecido con el componente menos fuertemente adsorbible y una corriente de gas de descarga que se enriquece con los componentes fuertemente adsorbibles, donde la duración de la etapa igualación reductora de presión más baja y de la primera etapa de descarga es menor de 15% de la duración de la alimentación, y el ciclo de proceso tiene por lo menos quince etapas que incluyen tres etapas de igualación entre lechos.

13. Un proceso de adsorción de oscilación de presión de la reivindicación 12 de acuerdo con el siguiente diagrama de ciclo: A1 = Primera etapa de adsorción A2 = Segunda etapa de adsorción A3/PP1 = Tercera etapa de adsorción/Primera presurización de producto E1 = Primera igualación reductora E2 = Segunda igualación reductora PPG = Proporcionar el gas de purga E3/BD1 = Tercera igualación reductora/Primera descarga BD2 = Segunda descarga PG = Purga E3' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E3) Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E2) E1' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E1) PP1 = Primera presurización de producto

14. Un proceso de adsorción de oscilación de presión para separar un gas de alimentación de suministro presurizado que contiene uno o más componente fuertemente adsorbibles de por lo menos un gas de producto menos fuertemente adsorbible en un sistema adsorbente de seis lechos donde el ciclo de proceso tiene dieciocho etapas que incluyen tres etapas de igualación entre lechos, mientras dos de los lechos está en producción, donde la duración de la igualación reductora de presión más baja y de la primera etapa de descarga es menor de 15% de la duración de alimentación, de acuerdo el siguiente diagrama de ciclo: A1 = Primera etapa de adsorción A2 = Segunda etapa de adsorción A3 = Tercera etapa de adsorción A4 = Cuarta etapa de adsorción A5 = Quinta etapa de adsorción A6/PP = Sexta etapa de adsorción/Presurización de producto E1 = Primera igualación reductora E2 = Segunda igualación reductora PPG = Proporcionar el gas de purga E3/BD1 = Tercera igualación reductora/Primera descarga BD2 = Segunda descarga PG = Purga E3' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E3) E2' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E2) E1' = Igualación aumentadora (usando el gas de la etapa E1) PP = presurización de producto