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Nov 08, 2023

Tecnología de adsorción por cambio de presión

16 de abril de 2019 | Por Tobias Keller, Linde Ingeniería; y gotam

16 de abril de 2019 | Por Tobias Keller, Linde Ingeniería; y Goutam Shahani, Shure-Line Construction

La tecnología de adsorción por oscilación de presión es bien conocida para aplicaciones de purificación de H2, pero la técnica también se puede utilizar para otros procesos de separación de gases en instalaciones de refinación de petróleo.

La adsorción por cambio de presión (PSA) es un proceso bien establecido para la separación y purificación de una amplia gama de gases industriales. El PSA es generalmente seguro, confiable y rentable. En la industria de refinación de petróleo, los sistemas PSA se utilizan para producir hidrógeno a partir de gas de síntesis que se produce mediante reformado con vapor de metano (SMR), oxidación parcial (POX) o gasificación.

Aunque es bien conocida para la purificación de H2, la tecnología PSA también se puede utilizar para otras tareas de separación de gases. Los sistemas PSA se pueden utilizar para recuperar H2 de los gases de escape de refinería, capturar CO2 y generar gases O2 y N2. Este artículo proporciona una descripción general de la tecnología PSA, incluidos los principios científicos que dictan cómo funciona, junto con las consideraciones de diseño de los sistemas PSA. Además, el artículo resume cómo se puede utilizar la tecnología PSA en varias otras aplicaciones de refinería de petróleo más allá de la purificación de H2 y los posibles beneficios económicos que se pueden obtener con este enfoque.

Seleccionar la mejor tecnología para un problema de separación de gases determinado requiere una comprensión profunda de las tecnologías de producción disponibles, incluidas SMR, POX y gasificación, así como las tecnologías de separación disponibles, como membrana, criogénica, absorción y adsorción. Identificar la solución óptima, y ​​si la tecnología PSA podría ser un beneficio, también requiere un conocimiento detallado de los costos operativos y de capital para el proceso relevante.

La tecnología PSA se basa en la unión física de moléculas de gas a un material adsorbente sólido. El material adsorbente puede ser una combinación de carbón activado, gel de sílice, tamices moleculares de carbón y zeolitas. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de gas y el material adsorbente dependen del componente gaseoso, el tipo de material adsorbente, la presión parcial del componente gaseoso y la temperatura de funcionamiento. Los compuestos altamente volátiles con baja polaridad, como H2 o He, esencialmente no se adsorben en absoluto en comparación con moléculas como CO2, CO, N2 e hidrocarburos. La fuerza de atracción relativa de varias moléculas de gas con un material adsorbente típico se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Los compuestos altamente volátiles con baja polaridad no se adsorben en el material adsorbente en un sistema PSA

El proceso de PSA funciona básicamente a temperatura constante y utiliza el efecto de la presión alterna y la presión parcial para realizar la adsorción y la desorción. Dado que no se requiere calefacción o refrigeración, el tiempo del ciclo puede ser corto, en el rango de minutos. Además, no se requiere calor para la regeneración del adsorbente. Los cambios de temperatura son causados ​​únicamente por el calor de adsorción y desorción y por la despresurización. Esto da como resultado una vida útil extremadamente larga del material adsorbente.

El proceso PSA funciona entre dos niveles de presión. La adsorción de impurezas se realiza a alta presión para aumentar la presión parcial de los gases no deseados y, por tanto, aumentar la carga de las impurezas sobre el material adsorbente. La desorción, o regeneración, tiene lugar a baja presión para reducir al máximo la carga residual de impurezas.

La mayoría de los sistemas de PSA se basan en consideraciones de equilibrio. En la Figura 2 se muestra una isoterma de equilibrio típica. Las isotermas de adsorción muestran la relación entre la presión parcial de una molécula de gas y su carga de equilibrio sobre el material adsorbente a una temperatura dada.

Figura 2. Las isotermas de adsorción muestran la relación entre la presión parcial de una molécula de gas y su carga de equilibrio sobre el material adsorbente a una temperatura dada

La adsorción se lleva a cabo a alta presión, típicamente en el rango de 10 a 40 bares, hasta que se alcanza la carga de equilibrio. En este punto, el material adsorbente debe regenerarse para evitar que las impurezas penetren en el producto. Esta regeneración se realiza reduciendo la presión ligeramente por encima de la presión atmosférica, lo que da como resultado una disminución correspondiente en la carga de equilibrio. Como consecuencia, las impurezas del material adsorbente se desorben y el material adsorbente se regenera. La cantidad de impurezas eliminadas de una corriente de gas en un ciclo corresponde a la diferencia en la carga de adsorción a desorción.

En la Figura 3 se muestra un diagrama esquemático simplificado de un sistema de H2 PSA. En la Figura 4 se muestra una operación de PSA real. A continuación se describen los principales pasos del proceso en una operación de PSA, incluida la adsorción, la desorción y la ecualización de la presión. Adsorción. El gas de alimentación se alimenta hacia arriba a través de los recipientes de adsorción. Las impurezas, que incluyen agua, hidrocarburos pesados, hidrocarburos ligeros, CO y N2, se adsorben selectivamente en el recipiente de abajo hacia arriba. El H2 de alta pureza fluye hacia la línea de productos.

Figura 3. Aquí se muestran los principales pasos del proceso de un sistema PSA típico, incluida la adsorción, la desorción y la ecualización de la presión.

Figura 4. La mayoría de los sistemas PSA, como el que se muestra aquí, se utilizan para separar el hidrógeno de una mezcla de gases (Fotografía cortesía de BASF SE)

En el ciclo de adsorción, los recipientes de adsorción se colocan en ciclos escalonados, lo que da como resultado una unidad de purificación altamente flexible que no se ve afectada por las fluctuaciones en la composición, temperatura y presión de la corriente de gas de alimentación.

El sistema PSA permite un alto rendimiento al garantizar la máxima utilización del H2 almacenado en un adsorbedor al final del ciclo de adsorción. El H2 almacenado se puede utilizar para igualar la presión, represurizar y purgar otros adsorbedores.

Regeneración. Una vez que se completa el paso de adsorción, el recipiente de adsorción se regenera mediante los siguientes cuatro pasos:

Igualación de presión. Para recuperar la mayor parte del H2 almacenado en un adsorbedor al final del paso de adsorción, se realizan varias igualaciones de presión antes de iniciar la regeneración del gas.

Después de terminar el paso de regeneración, la presión vuelve a aumentar hasta el nivel de presión de adsorción y el proceso comienza de nuevo desde el principio.

Una unidad típica de PSA incluye los siguientes componentes principales:

El alcance del sistema PSA puede modificarse para adaptarse a necesidades específicas. Por ejemplo, se puede incluir un compresor de gas de alimentación o un compresor de gas de cola como una solución integrada.

Uno de los requisitos importantes de un sistema PSA es el sistema de control de procesos. Las características clave recomendadas se enumeran a continuación:

Los programas de software sofisticados pueden controlar de forma segura todas las conmutaciones y las válvulas de control pueden proporcionar un ciclo de proceso muy eficiente.

Figura 5. La escena de la planta que se muestra aquí muestra un sistema para recuperar CO2 del gas de cola de un sistema H2 PSA (Foto: Linde Engineering)

La siguiente sección resume varias aplicaciones para los sistemas PSA en las refinerías de petróleo, incluida la separación de H2 y varias otras que no se usan tan ampliamente.

Separación de hidrógeno. La principal aplicación del PSA en una refinería es la recuperación y purificación de H2 de las corrientes de gas, como los gases de síntesis del reformado con vapor, POX o gasificación, así como de los gases de escape de refinería. El producto H2 se puede obtener con alta pureza, hasta 99,9999 %, y altas tasas de recuperación de hasta 90 %.

Separación de CO2. Los sistemas PSA y los sistemas de adsorción por cambio de presión regenerados por vacío (VPSA) se pueden emplear para la eliminación masiva de CO2. Las plantas de PSA/VPSA también se pueden utilizar para la recuperación y purificación de CO2 para la licuefacción. En la Figura 5 se muestra un ejemplo reciente de un sistema PSA utilizado para recuperar CO2 del gas de cola de un sistema H2 PSA. El H2 PSA es un sistema de diez lechos y el CO2 PSA es un sistema de cinco lechos. La planta mostrada tiene una capacidad de 48.000 Nm3/h (metros cúbicos normales por hora) de H2 y 8.000 Nm3/h de CO2.

separación C2+. Las corrientes de gases de escape de refinería (ROG) que contienen H2, C1, C2 e hidrocarburos más pesados ​​(C2+) suelen estar disponibles en las refinerías. Estas corrientes se utilizan a menudo como combustible. Es posible procesar estas corrientes de gas y recuperar C2+ mediante PSA o VPSA como una forma de capturar un mayor valor de C2+, que luego se puede utilizar como materia prima química. En este caso, la fracción de C2+ se recupera a baja presión, mientras que el H2 y el metano permanecerán en el lado de alta presión. Varias unidades se han puesto en operación comercial y han sido efectivas.

Generación de O2 y N2. En una refinería de petróleo, se puede usar O2 de baja pureza para enriquecer el aire de combustión en las operaciones de craqueo catalítico de fluidos (FCC) y unidad de recuperación de azufre (SRU). La producción de oxígeno gaseoso a capacidades de hasta 10 000 Nm3/h y purezas de 90 a 94 % puede lograrse de manera más efectiva mediante procesos VPSA. Este método ofrece bajos consumos de energía específica y simplicidad operativa, incluida la capacidad de arranque y reducción simples.

El nitrógeno se utiliza en una refinería para la inertización y la inertización. Los sistemas PSA también se pueden utilizar para generar N2 a capacidades de hasta 5000 Nm3/h y purezas del 98 al 99,9 % (y superiores).

A diferencia de los sistemas H2 PSA, CO2 PSA y O2 VPSA, el sistema N2 PSA se basa en la diferencia en la cinética de adsorción de O2 en tamices moleculares de carbono.

En el campo de la eliminación y recuperación o depuración de CO2 y para la recuperación de C2+, las tecnologías actualmente más conocidas en el mercado son las unidades de absorción y las unidades criogénicas. Sin embargo, desarrollos recientes han hecho que la recuperación de CO2 o C2+ sea técnicamente factible y económicamente viable con la tecnología PSA. Las respectivas plantas de referencia ya se han puesto en funcionamiento comercial y han probado el concepto a escala industrial.

Las ventajas de usar PSA para estas tareas, en comparación con otras tecnologías, son el bajo consumo de energía, los altos niveles de pureza, la gran flexibilidad y los costos de inversión y mantenimiento comparativamente bajos. La selección de la tecnología PSA más adecuada puede mejorar la rentabilidad general de una refinería de petróleo al reducir los costos y brindar mayor confiabilidad, flexibilidad y desempeño ambiental.

Los requisitos clave y los beneficios potenciales de los sistemas PSA se enumeran aquí:

Calidad. Los elevados ciclos de conmutación de las unidades PSA requieren un equipo especial que se distinga por un alto grado de durabilidad. Es esencial utilizar solo componentes calificados, que cumplan perfectamente con estas exigencias y que hayan sido probados durante muchos años de experiencia.

Fiabilidad. El uso de componentes adecuados, especialmente válvulas de conmutación de alto rendimiento, proporciona una alta fiabilidad.

Disponibilidad. La alta disponibilidad de H2 es esencial para la mayoría de las aplicaciones de refinería. Con características especiales, como la capacidad de operar con un número reducido de adsorbedores, así como el aislamiento del grupo de adsorbedores y un sistema de control redundante, las unidades PSA pueden lograr prácticamente un 100 % de rendimiento y disponibilidad en línea.

Flexibilidad. Excelente flexibilidad para hacer frente a las condiciones cambiantes del gas de alimentación y la demanda variable de H2.

Diseño modular y equipos prefabricados. Los sistemas de PSA son generalmente prefabricados en la máxima medida. Los patines de válvulas que contienen válvulas de conmutación y control, instrumentación y tuberías de interconexión están completamente prefabricados, ensamblados y probados antes de la entrega. Esta filosofía de diseño reduce el tiempo y los costes necesarios para la construcción y puesta en marcha in situ, manteniéndolos al mínimo.

Facil mantenimiento. El mantenimiento se limita a acciones de rutina fáciles y rápidas que pueden ser realizadas por los operadores en el sitio. Se presta atención a la accesibilidad adecuada de todas las válvulas e instrumentos dentro del patín de válvulas.

La tecnología PSA se puede utilizar para mucho más que simplemente recuperar H2. En algunas aplicaciones, como la recuperación de flujos de CO2 o C2+, la tecnología PSA tiene ciertas ventajas distintivas en comparación con los procesos criogénicos o de lavado más utilizados.

Las ventajas de PSA en comparación con otras tecnologías son el bajo consumo de energía, los altos niveles de pureza, la gran flexibilidad y los costos de inversión y mantenimiento comparativamente bajos. La selección de la tecnología PSA más apropiada puede mejorar la rentabilidad general de una refinería al reducir los costos y brindar mayor confiabilidad, flexibilidad y desempeño ambiental. Los especialistas pueden ayudar a seleccionar el sistema PSA óptimo para una tarea de purificación específica, en términos de la relación óptima entre el rendimiento de la planta y el costo de inversión.

Editado por Scott Jenkins

Shahani, GH y Kandziora, C., Emisiones de CO2 de plantas de hidrógeno: comprensión de las opciones. Conferencia presentada en la Reunión Anual de la AFPM de 2014, Orlando, Florida, del 23 al 25 de marzo de 2014.

Plantas de adsorción, Linde Engineering, página web que se encuentra en www.linde-engineering.com, consultada en noviembre de 2015.

Tobias Keller es vicepresidente ejecutivo de plantas de adsorción y membranas en Linde Engineering (Carl von Linde Strasse, 6-14, 82049, Pullach, Alemania; Teléfono: +49 89 7445 0; Correo electrónico: [email protected]). Es responsable de las actividades de adsorción y membranas de Linde Engineering en todo el mundo. Keller tiene un Dipl. En g. Licenciado en ingeniería de procesos de la Universidad de Cottbus, Alemania y cuenta con 15 años de experiencia en las industrias química y de refinación de petróleo.

Goutam Shahani es vicepresidente de ventas y marketing de Shure-Line Construction (281 West Commerce Street, Kenton, Del.; teléfono: 302-653-4610; correo electrónico: [email protected]). Anteriormente, fue gerente de desarrollo comercial en Linde Engineering North America. Con más de 30 años de experiencia en la industria, Shahani se especializa en gases industriales para las industrias energética, de refinación de petróleo y química. Tiene un BSCh.E. y MSCh.E. grados, así como un MBA.