BR112020003166A2 - um processo de adsorção por oscilação de temperatura - Google Patents

Abstract

Um processo de adsorção por oscilação de temperatura para remover um componente-alvo de uma mistura gasosa (111) contendo água e pelo menos um componente secundário, o dito processo compreendendo: (a) pelo menos uma etapa de adsorção, proporcionando um adsorvente carregado com o componente-alvo e pelo menos uma corrente de resíduos (112) esgotada do componente-alvo; (b) uma etapa de dessorção, compreendendo o aquecimento do adsorvente carregado para uma temperatura de dessorção (Tdes) e proporcionando uma primeira corrente de saída (116) contendo o componente-alvo dessorvido; (c) uma etapa de condicionamento; (d) pelo menos uma etapa de liberação do componente-alvo, levando o adsorvente sólido para uma temperatura menor que a dita temperatura de dessorção (Tdes) e proporcionando pelo menos uma segunda corrente de saída (117) contendo uma quantidade do componente-alvo e contendo água; (e) a separação da água da(s) dita(s) segunda(s) corrente(s) de saída (117) e (f) a submissão da(s) corrente(s) esgotada(s) de água(s) assim obtida(s) à dita etapa de adsorção ou a pelo menos uma das ditas etapas de adsorção.

Description

"UM PROCESSO DE ADSORÇÃO POR OSCILAÇÃO DE TEMPERATURA"

DESCRIÇÃO Campo da invenção

[0001] A presente invenção refere-se a um processo para separar um componente-alvo de uma mistura gasosa úmida contendo um ou mais componentes secundários. Em particular, a presente invenção refere-se a um processo que envolve a adsorção por oscilação da temperatura do dito componente-alvo sobre um adsorvente sólido. Técnica Anterior

[0002] A separação de um componente-alvo contido em uma mistura gasosa é de importância notável em vários campos, p.ex., produtos químicos, combustíveis, alimentos, produção de energia. Ela pode ser desejável por preocupações ambientais e/ou para uso desse componente-alvo como matéria-prima em um processo industrial.

[0003] A separação de um componente-alvo de uma mistura gasosa multicomponente pode ser essencialmente realizada por lavagem química, em que a mistura gasosa é contatada com uma solução líquida contendo um composto adequado para remover seletivamente o dito componente-alvo, ou por meio de adsorção seletiva sobre adsorvente sólido. O último possui várias vantagens sobre o primeiro, por exemplo, menos consumo de regeneração, nenhuma emissão de solvente na atmosfera e menos problemas de corrosão.

[0004] Um processo de adsorção para a separação de um componente-alvo de pelo menos um componente secundário em uma mistura gasosa é a adsorção por oscilação de temperatura (TSA). Esse processo requer fases alternadas de aquecimento e resfriamento do adsorvente sólido para realizar a adsorção e a regeneração (dessorção), respectivamente.

[0005] Existem várias aplicações comerciais dos processos de TSA. É feita referência abaixo a um processo de TSA usado para a captura de dióxido de carbono (CO2) do gás de combustão contendo nitrogênio, vapor de água e impurezas (p.ex., argônio, oxigênio) como componentes secundários. A dita aplicação é considerada como um exemplo não limitativo.

[0006] A presença de água pode afetar negativamente os desempenhos desse processo de TSA e ser prejudicial para a adsorção de CO2. A água é adsorvida mais fortemente que o CO2 sobre certos adsorventes usados para a adsorção de CO2, em condições de gases de combustão (p.ex., 13X zeólito), enquanto o N2 e as impurezas (Ar, 02) tipicamente adsorvem menos que CO2, tornando assim o CO2 um componente intermediário. Como consequência, a produtividade diminui. A produtividade é definida como a quantidade recuperada de CO2 por unidade de massa ou volume do adsorvente e por unidade de tempo.

[0007] Podem ser usados diferentes métodos para a remoção de água.

[0008] De acordo com um primeiro método, o gás de combustão é submetido à desidratação antes de entrar em contato com o adsorvente. Um exemplo é divulgado na US

8.591. 627. No entanto, a desidratação deve ser realizada em um aparelho adicional (isto é, um secador), envolvendo custos adicionais. Além disso, a etapa de desidratação requer alto consumo de energia mecânica e térmica. Outra desvantagem é que o secador também pode adsorver algum CO2, causando assim uma perda de CO2 durante a regeneração do próprio secador.

[0009] De acordo com outro método, o processo de TSA é realizado sobre um adsorvente sólido compreendendo camadas sobrepostas de diferentes materiais adsorventes, em particular compreendendo uma primeira camada de um primeiro material adequado para adsorver seletivamente a água, e uma segunda camada de um segundo material adequado para adsorver seletivamente o componente-alvo. Portanto, a água é removida sobre o primeiro material e o componente-alvo é removido sobre o segundo material. Os ditos materiais são preferivelmente regenerados na mesma faixa de temperaturas.

[0010] Alternativamente, é usado um adsorvente que é seletivo para a adsorção do componente-alvo sobre o(s) componente(s) secundário(s) e sobre a água. Os exemplos de tais adsorventes são certos materiais orgânicos de metal (MOMs), como os indicados na US 9.138.719 B1. No entanto, os ditos materiais adsorventes são incomuns e muito caros.

[0011] A US 2014/0326136 divulga sistemas e métodos de TSA para purificação de fluidos os utilizando. Sumário da invenção

[0012] A invenção tem como objetivo superar os inconvenientes da técnica anterior. Em mais detalhes, a invenção tem como objetivo proporcionar um processo de adsorção por oscilação de temperatura que seja capaz de processar alimentos tanto secos quanto úmidos, atingir alta pureza e alta recuperação, ao mesmo tempo limitando o consumo de energia e a complexidade da planta relativa, e que possa ser realizado sobre os materiais adsorventes comuns com afinidade por água e CO2.

[0013] Este objetivo é atingido com um processo de adsorção por oscilação de temperatura para remover um componente-alvo de uma mistura gasosa contendo água e pelo menos um componente secundário, de acordo com a reivindicação 1.

[0014] O dito processo compreende: (a) pelo menos uma etapa de adsorção, compreendendo a adsorção do componente-alvo sobre um adsorvente sólido, proporcionando um adsorvente carregado com o componente-alvo e pelo menos uma corrente de resíduos esgotada do componente-alvo; (b) uma etapa de dessorção, compreendendo o aquecimento do dito adsorvente carregado com o componente- alvo para uma temperatura de dessorção (Tdes) e a dessorção de uma quantidade de componente-alvo, proporcionando um adsorvente pelo menos parcialmente regenerado e uma primeira corrente de saída contendo o componente-alvo dessorvido; (c) uma etapa de condicionamento, compreendendo o resfriamento do dito adsorvente pelo menos parcialmente regenerado para uma temperatura de condicionamento (Tcon), e é caracterizado por: (d) pelo menos uma etapa de liberação do componente-alvo que leva o adsorvente sólido para uma temperatura mais baixa que a dita temperatura de dessorção

(Tdes), proporcionando pelo menos uma segunda corrente de saída contendo uma quantidade do componente-alvo e contendo água, (e) separar a água da(s) dita(s) segunda(s) corrente(s) de saída, produzindo pelo menos uma corrente esgotada de água, e (f) submeter a(s) dita(s) corrente(s) esgotada(s) de água à dita etapa de adsorção ou pelo menos uma das ditas etapas de adsorção.

[0015] A dita pelo menos uma etapa de liberação do componente-alvo (d) é realizada antes ou após a dita etapa de dessorção (b).

[0016] O dito processo pode compreender uma ou mais etapas de adsorção, cada uma proporcionando uma corrente de resíduos esgotada do componente-alvo. Em algumas modalidades, o processo compreende uma única etapa de adsorção e apenas uma corrente de resíduos é proporcionada. Em outras modalidades, o processo compreende uma pluralidade de etapas de adsorção e uma pluralidade de correntes de resíduos é proporcionada.

[0017] O processo pode compreender uma ou mais etapas de liberação do componente-alvo, cada uma proporcionando uma segunda corrente de saída. Em algumas modalidades, o processo compreende uma única etapa de liberação do componente-alvo e apenas uma corrente de saída é proporcionada. Em outras modalidades, o processo compreende uma pluralidade de etapas de liberação do componente-alvo e uma pluralidade de correntes de saída é proporcionada. Como consequência, de acordo com o número das ditas segundas correntes de saída, são produzidas uma ou mais correntes esgotadas de água.

[0018] Em algumas modalidades, o processo compreende apenas uma etapa de adsorção e a dita corrente esgotada de água ou pelo menos uma das ditas correntes esgotadas de água é submetida à dita etapa de adsorção. Em outras modalidades, o processo compreende uma pluralidade de etapas de adsorção e a dita corrente esgotada de água ou pelo menos uma das ditas correntes esgotadas de água é submetida a pelo menos uma delas. De acordo com algumas modalidades, mais que uma corrente esgotada de água é produzida e, de preferência, cada uma é submetida a uma etapa de adsorção.

[0019] De acordo com uma modalidade preferida, a dita etapa (e) compreende o resfriamento da(s) dita(s) segunda(s) corrente(s) de saída para condensar pelo menos uma parte da água nela(s) contida e compreende a separação da água condensada, obtendo-se, assim, a(s) dita(s) corrente(s) esgotada(s) de água.

[0020] Em uma primeira modalidade, a dita etapa de liberação do componente-alvo ou pelo menos uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo é realizada antes da etapa de dessorção (b) e compreende o aquecimento do adsorvente carregado com o componente-alvo até uma temperatura que é menor do que a dita temperatura de dessorção (Tdes). De acordo com a dita modalidade, o componente-alvo é liberado por dessorção.

[0021] Em uma segunda modalidade, a dita etapa de liberação do componente-alvo ou pelo menos uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo é realizada após a etapa de dessorção (b) com o auxílio de pelo menos uma parte da dita corrente de resíduos ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos. De preferência, a dita corrente de resíduos ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos é total ou total e substancialmente usada para a dita etapa.

[0022] De preferência, de acordo com a dita segunda modalidade, a etapa de liberação do componente-alvo compreende o resfriamento do dito adsorvente pelo menos parcialmente regenerado, de preferência para uma temperatura maior que a dita temperatura de condicionamento (Tcon), o dito resfriamento ocorrendo com o auxílio de pelo menos uma parte da dita corrente de resíduos ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos, que é opcionalmente resfriada antes de ser submetida à dita etapa (d).

[0023] De acordo com esta segunda modalidade, o componente-alvo é liberado por deslocamento do componente- alvo não adsorvido por meio do pelo menos um componente secundário contido na corrente de resíduos ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos. O componente-alvo também pode ser parcialmente liberado por dessorção de uma quantidade de componente-alvo não previamente dessorvido durante a etapa de dessorção (b).

[0024] O processo da invenção pode compreender mais do que uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo, em que uma delas é realizada antes da dita etapa de dessorção (b) e outra é realizada depois dela com o auxílio de pelo menos uma parte da dita corrente de resíduos ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos, que é opcionalmente resfriada antes de ser submetida à ela. Por exemplo, o processo da invenção compreende duas etapas de liberação do componente-alvo.

[0025] De acordo com uma modalidade particularmente preferida, o dito processo é realizado em uma pluralidade de reatores contendo um adsorvente ou múltiplas camadas de adsorventes e cada reator realizando as etapas (a) a (f) acima mencionadas. O dito adsorvente é preferivelmente um adsorvente de leito fixo.

[0026] De preferência, a dita corrente esgotada de água ou pelo menos uma das ditas correntes esgotadas de água proporcionada por um reator é submetida a pelo menos um outro reator da pluralidade enquanto se realiza a dita etapa de adsorção ou uma das ditas etapas de adsorção.

[0027] A dita corrente esgotada de água ou pelo menos uma das ditas correntes esgotadas de água proporcionada por um reator pode ser submetida, com ou sem um armazenamento intermediário em um tanque adequado, ao dito pelo menos um outro reator realizando a dita etapa de adsorção ou uma das ditas etapas de adsorção.

[0028] De acordo com algumas modalidades, a etapa de dessorção (b) compreende a troca direta de calor com um meio de aquecimento em contato com o adsorvente. Consequentemente, todo ou parte do calor transferido na etapa de dessorção (b) é transferido por troca direta de calor.

[0029] De preferência, o dito meio de aquecimento é uma corrente que contém predominantemente o componente-alvo. Por exemplo, o dito meio de aquecimento é proporcionado pela primeira e pela segunda correntes de saída identificadas acima, contendo o componente-alvo.

[0030] Do mesmo modo, a etapa de condicionamento (c) pode compreender a troca direta de calor com um meio de resfriamento em contato com o adsorvente. Consequentemente, todo ou parte do calor transferido na etapa de condicionamento (c) é transferido por troca direta de calor.

[0031] De preferência, o dito meio de resfriamento é uma corrente esgotada do componente-alvo e, de preferência, contendo o dito pelo menos um componente secundário. Por exemplo, o dito meio de resfriamento é proporcionado pela acima identificada pelo menos uma corrente de resíduos esgotada do componente-alvo.

[0032] De acordo com outras modalidades, pelo menos uma das etapas de dessorção (b) e de condicionamento (c) compreende uma troca indireta de calor. Em tais modalidades, todo ou parte do calor é transferido por troca indireta de calor.

[0033] As modalidades adicionais compreendem a troca tanto direta quanto indireta de calor para a dita etapa de dessorção (b) e/ou a dita etapa de condicionamento (c). Por conseguinte, o calor transferido nas etapas (b) e/ou (c) pode ser parcialmente transferido por meio de troca direta de calor e parcialmente por meio de troca indireta de calor.

[0034] De preferência, a temperatura de dessorção (Tdes) não é maior do que 250 °C, preferivelmente não maior do que 200 °C e mais preferivelmente não maior do que 170 °C. De preferência, a temperatura de condicionamento (Tcon) não é maior do que 60 °C, preferivelmente não maior do que 40 °C.

[0035] A troca indireta de calor significa que a troca de calor ocorre com uma superfície de separação entre o adsorvente e um meio de transferência de calor (aquecimento ou resfriamento). Em algumas modalidades, os corpos de troca de calor adequados, como placas ou tubos, são imersos no adsorvente e alimentados com o dito meio.

[0036] Algumas modalidades usam tubos cheios com o adsorvente e um meio de troca de calor que é alimentado fora dos tubos, por exemplo, no lado do casco de um adsorvedor.

[0037] A troca direta de calor tem a vantagem que o adsorvente é diretamente contatado com um meio de aquecimento ou resfriamento, o que evita a instalação de corpos de troca de calor, reduzindo assim a inércia térmica e garantindo uma melhor troca de calor. Por outro lado, a troca indireta de calor pode ser preferida porque a ausência de um contato entre o adsorvente e o meio de aquecimento ou resfriamento garante uma maior capacidade de trabalho do adsorvente e proporciona mais liberdade para selecionar os fluidos de troca de calor.

[0038] Será feita referência abaixo às modalidades preferidas onde o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, como mencionado acima. A modalidade 1 refere-se a um processo compreendendo uma etapa de liberação do componente-alvo realizada após a etapa de dessorção (b); a modalidade 2 refere-se a um processo compreendendo uma etapa de liberação do componente-alvo realizada antes da etapa de dessorção (b); a modalidade 3 refere-se a um processo que compreende duas etapas de liberação do componente-alvo, uma sendo realizada antes da etapa de dessorção (b) e a outra sendo realizada depois dela. Modalidade 1

[0039] A etapa de liberação do componente-alvo realizada após a etapa de dessorção (b) tem o efeito de liberar uma quantidade adicional de componente-alvo não liberada anteriormente pela etapa de dessorção (b).

[0040] A dita quantidade adicional de componente-alvo é liberada pelo deslocamento do componente- alvo não adsorvido por meio do pelo menos um componente secundário contido na(s) corrente(s) de resíduos, e pode ser parcialmente liberada por dessorção de uma quantidade de componente-alvo não previamente dessorvida durante a etapa de dessorção (b). A(s) dita(s) corrente(s) de resíduos atua(m) como corrente(s) de purga; consequentemente e por uma questão de brevidade, a dita etapa de libertação do componente-alvo será também dita como "etapa de purga".

[0041] O componente-alvo liberado a partir da dita etapa de purga é então reciclado para outro reator sendo submetido a uma etapa de adsorção, onde é recuperado. O dito reciclo ocorre após remoção pelo menos parcial da água contida na corrente de saída da dita etapa de purga. Por conseguinte, a dita etapa de purga proporciona uma recuperação aumentada do componente-alvo. Além disso, a requerente constatou surpreendentemente que a dita etapa é tornada significativamente mais rápida devido à energia subtraída pelo calor da adsorção, o que é benéfico para a produtividade do ciclo.

[0042] De preferência, a dita etapa de purga é realizada com o auxílio de pelo menos uma parte da dita corrente de resíduos ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos que é proporcionada por pelo menos um outro reator da pluralidade de reatores.

[0043] A dita pelo menos uma parte da corrente de resíduos pode ser trocada, com ou sem um armazenamento intermediário em um tanque adequado, do dito pelo menos um outro reator que proporciona a corrente de resíduos para o reator que realiza a dita etapa de purga.

[0044] Mais preferivelmente, a corrente de resíduos ou a sua parte sujeita à dita etapa de purga e a pelo menos uma corrente esgotada de água sujeita à dita etapa de adsorção ou a pelo menos uma das ditas etapas de adsorção são proporcionadas por dois reatores diferentes. Em outras palavras, de acordo com uma modalidade preferida, um reator genérico, enquanto se realiza a sequência de etapas acima mencionada, interage com pelo menos dois outros reatores, pois ele leva a corrente de resíduos de um reator da pluralidade e a corrente esgotada de água de outro reator.

[0045] A dita corrente de resíduos ou parte dela pode ser suprida a um reator que realiza a dita etapa de purga sem qualquer troca de calor, isto é, não há qualquer trocador de calor entre os reatores. Alternativamente, a dita corrente de resíduos ou parte dela pode ser resfriada antes de ser submetida à etapa de purga. De preferência, a dita corrente de resíduos ou parte dela é resfriada em um trocador de calor externo. O dito resfriamento externo reduz ainda mais o tempo necessário para a etapa de condicionamento (c) subsequente.

[0046] De preferência, a dita corrente de resíduos ou parte dela é resfriada até uma temperatura que é menor que a temperatura de condicionamento (Tcon). De preferência, ela é resfriada até uma temperatura na faixa de 5 °C a 40 °C. De acordo com diferentes modalidades, ela pode ser resfriada para a temperatura ambiente (p.ex., 25 °C) ou abaixo da temperatura ambiente (p.ex., 10 °C).

[0047] Em uma modalidade particular, o dito processo é realizado em uma pluralidade de reatores, em que: um primeiro reator realiza a dita etapa de purga, proporcionando a segunda corrente de saída acima mencionada, a qual é sujeita à dita etapa (e) produzindo a dita corrente esgotada de água; um segundo reator realiza a dita pelo menos uma etapa de adsorção, proporcionando a dita pelo menos uma corrente de resíduos; pelo menos uma parte da dita corrente esgotada de água é reciclada para o dito segundo reator que realiza a dita etapa de adsorção e pelo menos uma parte da dita corrente de resíduos é suprida ao dito primeiro reator que realiza a dita etapa de purga, formando assim um circuito fechado entre o dito primeiro e segundo reatores.

[0048] De acordo com uma modalidade preferida, o dito processo é realizado em uma pluralidade de reatores, em que cada reator realiza uma primeira etapa de adsorção e uma segunda etapa de adsorção, sendo a última realizada após a dita primeira etapa de adsorção e antes da dita etapa de dessorção (b).

[0049] Por conseguinte, o dita primeira etapa de adsorção compreende, de preferência, o contato de uma corrente de entrada da dita mistura gasosa com um adsorvente sólido e a adsorção do componente-alvo da dita corrente de entrada, proporcionando um adsorvente carregado com o componente-alvo e uma primeira corrente de resíduos esgotada do componente-alvo. De preferência, durante a primeira etapa de adsorção, a quantidade total ou substancialmente a quantidade total do componente-alvo na corrente de entrada é adsorvida. Durante a primeira etapa de adsorção, pelo menos um pouco de água contida na corrente de entrada é adsorvida juntamente com o componente-alvo.

[0050] A segunda etapa de adsorção compreende, de preferência, o contato do adsorvente carregado com a corrente esgotada de água ou pelo menos uma das correntes esgotadas de água proporcionada por pelo menos um outro reator da pluralidade enquanto se realiza a etapa (e), em que uma quantidade de componente-alvo contido na dita corrente esgotada de água é adsorvida e uma segunda corrente de resíduos esgotada do componente-alvo é produzida.

[0051] A corrente esgotada de água é opcionalmente aquecida antes de ser submetida à dita segunda etapa de adsorção. Essa troca de calor opcional reduz vantajosamente o tempo necessário para a etapa de dessorção (b) subsequente.

[0052] A segunda etapa de adsorção envolve a adsorção de algo do componente-alvo contido na dita corrente esgotada de água, o que faz com que o calor de adsorção seja liberado. Por conseguinte, a segunda etapa de adsorção proporciona uma pureza aumentada do componente- alvo recuperado. Além disso, a requerente constatou surpreendentemente que a segunda etapa de adsorção é tornada mais rápida devido ao calor de adsorção liberado. Isso é benéfico especialmente para a produtividade do ciclo.

[0053] De preferência, a dita etapa de purga é realizada com o auxílio de pelo menos uma parte da segunda corrente de resíduos proporcionada por pelo menos um outro reator da dita pluralidade de reatores, enquanto se realiza a dita segunda etapa de adsorção.

[0054] De preferência, a dita primeira corrente de resíduos é pelo menos parcialmente usada para resfriar o adsorvente até a temperatura de condicionamento (Tcon), durante a etapa (c) acima mencionada. A dita pelo menos uma parte da primeira corrente de resíduos é opcionalmente resfriada antes da submissão à etapa de condicionamento (c).

[0055] De acordo com uma modalidade particular, um circuito fechado é formado entre um primeiro reator que realiza a etapa de purga e um segundo reator que realiza a segunda etapa de adsorção.

[0056] As modalidades em que a dita corrente de resíduos e a dita corrente esgotada de água são resfriadas e aquecidas antes da dita etapa de purga e da dita segunda etapa de adsorção, respectivamente, proporcionam uma maior flexibilidade em termos de trocas térmicas. Modalidade 2

[0057] A etapa de liberação do componente-alvo realizada antes da etapa de dessorção (b) também é referida como "etapa de dessorção adicional", porque uma quantidade adicional de componente-alvo é liberada por meio de dessorção.

[0058] A corrente esgotada de água resultante da dita etapa de dessorção adicional e da etapa (e) subsequente é preferivelmente reciclada para pelo menos um outro reator da dita pluralidade de reatores, enquanto se realiza a dita pelo menos uma etapa de adsorção.

[0059] Em uma modalidade particular, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, em que cada reator realiza uma única etapa de adsorção. A dita etapa de adsorção compreende preferivelmente o contato de uma corrente de entrada da dita mistura gasosa com um adsorvente sólido e a adsorção do componente-alvo da dita corrente de entrada, proporcionando um adsorvente carregado com o componente-alvo e uma corrente de resíduos esgotada do componente-alvo.

[0060] De preferência, a corrente esgotada de água é misturada com uma corrente de alimentação de mistura gasosa para formar a corrente de entrada para o dito pelo menos um outro reator que realiza a etapa de adsorção (a).

[0061] Durante a etapa de adsorção (a), uma parte do dito pelo menos um componente secundário é inevitavelmente adsorvida juntamente com o componente-alvo, e a dita etapa de dessorção adicional é realizada para liberar o dito pelo menos um componente secundário do adsorvente.

[0062] Durante a dita etapa de dessorção adicional, uma parte do componente-alvo é dessorvida juntamente com o(s) componente(s) secundário(s), o que significa que a segunda corrente de saída, liberada durante a dita etapa de dessorção adicional, também contém uma parte do componente-alvo. A dita etapa de dessorção adicional é controlada para dessorver uma corrente predominantemente feita do(s) componente(s) secundário(s) adsorvido(s) durante a etapa de adsorção (a) anterior e para reduzir a dessorção do componente-alvo. Para este fim, a dita etapa de dessorção adicional é realizada em uma temperatura baixa adequada. Mais detalhadamente, ela atinge uma temperatura que é mais baixa que a temperatura (Tdes) atingida durante a etapa de dessorção (b) subsequente. Mais preferivelmente, a temperatura da dita etapa de dessorção adicional é pelo menos 40 °C menor que a temperatura (Tdes) da etapa de dessorção (b) subsequente.

[0063] A temperatura da dita etapa de dessorção adicional é selecionada de tal modo a dessorver a maior parte do(s) componente(s) secundário(s), evitando ao mesmo tempo uma dessorção significativa do componente-alvo. Por conseguinte, a maior parte do componente-alvo permanece no adsorvente a ser liberado na etapa de dessorção (b)

subsequente, e a segunda corrente de saída da dita etapa de dessorção adicional contém uma quantidade significativa do pelo menos um componente secundário. Nas modalidades preferidas, a dita segunda corrente de saída contém predominantemente o dito pelo menos um componente secundário.

[0064] De preferência, a dita segunda corrente de saída contém 20% ou mais do componente secundário, mais preferivelmente 50% ou mais do componente secundário. Nas modalidades típicas, ela contém 30 a 80%, mais preferivelmente 50% a 80% do componente secundário.

[0065] O componente-alvo dessorvido durante a dita etapa pode ser recuperado dentro do mesmo reator, após um armazenamento intermediário da corrente esgotada de água relativa em um tanque adequado, ou dentro de outro reator realizando a etapa de adsorção (a), opcionalmente após um armazenamento intermediário da corrente esgotada de água relativa em um tanque adequado.

[0066] Mais detalhadamente, de acordo com algumas modalidades, a dita segunda corrente de saída é trocada de um reator que está sendo submetido à etapa de dessorção adicional para outro reator que está sendo submetido à etapa de adsorção (a), sem um armazenamento intermediário. Isto significa que a etapa de dessorção adicional e a etapa de adsorção (a) de dois reatores diferentes trocando a dita segunda corrente de saída são sincronizadas e, enquanto um reator realiza a etapa de dessorção adicional, o outro reator realiza a etapa de adsorção (a).

[0067] Em outras modalidades, a dita segunda corrente de saída é trocada de um reator que está sendo submetido à etapa de dessorção adicional para outro reator que está sendo submetido à etapa de adsorção (a), com um armazenamento intermediário em um tanque adequado. Isto significa que a etapa de dessorção adicional e a etapa de adsorção (a) de dois reatores diferentes trocando o dito produto gasoso não são sincronizadas. As modalidades com o dito armazenamento intermediário proporcionam uma maior flexibilidade, uma vez que a duração das ditas etapas dos dois reatores pode ser diferente.

[0068] A dita etapa de dessorção adicional pode compreender a troca indireta de calor ou a troca direta de calor com um meio de aquecimento em contato com o adsorvente. De preferência, o dito meio de aquecimento é uma corrente que contém predominantemente o componente- alvo.

Modalidade 3

[0069] O processo é preferivelmente realizado em uma pluralidade de reatores, em que cada reator realiza uma primeira etapa de adsorção e uma segunda etapa de adsorção, como já descrito acima para a modalidade 1.

[0070] De acordo com esta modalidade, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, em que cada reator realiza uma etapa de liberação do componente-alvo antes da dessorção principal, como na modalidade 2 (ou seja, uma etapa de dessorção adicional), proporcionando uma primeira corrente esgotada de água, e uma etapa de liberação do componente-alvo posteriormente, como na modalidade 1 (ou seja, uma etapa de purga), proporcionando uma segunda corrente esgotada de água. De preferência, a dita primeira corrente esgotada de água é reciclada para a dita primeira etapa de adsorção e a dita segunda corrente esgotada de água é reciclada para a dita segunda etapa de adsorção.

[0071] O componente-alvo liberado durante uma ou ambas as ditas etapas de liberação do componente-alvo pode ser recuperado dentro do mesmo reator, após um armazenamento intermediário ou dentro de outro reator sendo submetido à adsorção, opcionalmente após um armazenamento intermediário em um tanque adequado.

[0072] A duração de tempo da etapa de liberação do componente-alvo realizada antes da etapa de dessorção (b) é preferivelmente de 3 a 10 vezes a duração de tempo da segunda etapa de adsorção, mais preferivelmente seis vezes a duração de tempo da segunda etapa de adsorção. Além disso, a duração de tempo da etapa da dessorção (b) é preferivelmente de 15 a 70 vezes a duração de tempo da segunda etapa de adsorção. A duração de tempo da etapa de condicionamento (c) é preferivelmente de 10 a 50 vezes o tempo de tempo da etapa de liberação do componente-alvo antes da etapa de dessorção (b).

[0073] As durações de tempo acima mencionadas permitem obter altos valores de pureza e recuperação, além de alta produtividade e baixo consumo de energia.

[0074] De fato, uma duração de tempo mais curta da etapa de dessorção (b) ou de condicionamento (c)

comprometeria a pureza do CO2 e a recuperação do CO2. Por outro lado, uma duração de tempo mais longa seria benéfica em termos de pureza e recuperação, mas prejudicial para a produtividade do ciclo.

[0075] Uma duração de tempo mais curta da segunda etapa de adsorção diminuiria, em vez disso, o consumo de energia e melhoraria a produtividade, mas comprometeria a pureza do CO2. Por outro lado, uma duração de tempo mais longa aumentaria a pureza do CO2, mas pioraria a produtividade e aumentaria a demanda de energia.

[0076] Portanto, as durações de tempo constatadas pela requerente representam valores próximos do ideal.

[0077] De acordo com uma aplicação preferida da invenção, o componente-alvo é o dióxido de carbono. De preferência, o dito pelo menos um componente secundário inclui o nitrogênio.

[0078] De preferência, a dita mistura gasosa é um gás de combustão. Nas aplicações preferidas da invenção, a mistura gasosa pode ser, por exemplo, um gás de combustão de qualquer uma de: uma fábrica de amônia, uma fábrica de metanol, uma fábrica de ureia, uma usina elétrica movida a combustível fóssil.

[0079] Outro objetivo da presente invenção é o uso do processo descrito acima para o tratamento de um gás de combustão de uma fábrica de amônia ou metanol ou ureia ou de uma usina elétrica movida a combustível fóssil. No caso da fábrica de metanol ou ureia, algumas modalidades incluem o uso de CO2 recuperado como uma matéria-prima.

[0080] A presente invenção tem várias vantagens.

[0081] Em primeiro lugar, a água contida na mistura gasosa que alimenta o processo não se acumula graças à sua remoção, por meio da etapa (e), de algumas correntes internas, as quais são adequadamente recicladas para adsorção como correntes esgotadas de água que contêm o componente-alvo.

[0082] Além disso, o reciclo das correntes esgotadas de água que contêm o componente-alvo para adsorção e das correntes de resíduos esgotadas do componente-alvo para a etapa de purga mencionada acima melhora o desempenho de um processo de TSA. Em particular, as correntes esgotadas de água enriquecem o material adsorvente com o componente-alvo (p.ex., o CO2) antes da regeneração que ocorre durante a etapa de dessorção, melhorando assim tanto a pureza quanto a recuperação do componente-alvo. As correntes de resíduos "limpam" o material adsorvente deslocando e, opcionalmente, dessorvendo o componente-alvo antes do condicionamento, de modo que a recuperação seja aumentada e a capacidade do adsorvente para o componente-alvo seja maior no ciclo seguinte.

[0083] Além disso, a separação da água por condensação é particularmente vantajosa porque impede que a água condense sobre o material adsorvente, o que ocorreria ao reciclar uma corrente para um adsorvente de temperatura mais baixa. Isto é ainda mais vantajoso considerando que a adsorção ocorre preferivelmente em uma temperatura relativamente baixa, isto é, não maior do que 60 °C. A remoção de água do reciclo interno aumenta a capacidade efetiva do adsorvente para o componente-alvo.

[0084] Outra vantagem é a temperatura de regeneração relativamente baixa (também referida acima como temperatura de dessorção Tdes), que é preferivelmente menor que 200 °C. Isso se deve ao fato que o material adsorvente contém uma quantidade marginal de água; quantidades maiores, por outro lado, exigiriam uma temperatura de dessorção mais alta (p.ex., 300°C).

[0085] A separação da água por condensação também é vantajosa porque é realizada sobre correntes de processo tendo um ponto de orvalho relativamente alto (isto é, correntes que deixam as etapas de liberação do componente-alvo acima mencionadas).

[0086] Além disso, a condensação da água é uma técnica extremamente simples e não requer qualquer consumo de energia significativo, ao contrário da regeneração do adsorvente.

[0087] Graças ao processo da invenção, nenhum aparelho adicional para a remoção de água é necessário, como secadores que envolvem custos adicionais e requerem alto consumo de energia mecânica e térmica.

[0088] A presente invenção também permite operar vários reatores em uma maneira síncrona, com os ciclos de operação dos diferentes reatores adequadamente alterados no devido tempo. Isso é vantajoso para a maioria das aplicações, onde for desejada uma operação contínua.

[0089] A programação do ciclo consiste em determinar o número, a sequência e a duração das etapas do ciclo, incluindo quaisquer tempos ociosos necessários, e o número e as conexões dos reatores necessários para realizar uma operação contínua. Isso tem um efeito sobre a produtividade efetiva do ciclo, definida como a quantidade de composto-alvo produzido por unidade de tempo e massa de adsorvente.

[0090] A programação dependerá das restrições impostas, p.ex., alimentação contínua, produção contínua, sincronização das etapas. Uma restrição adicional, que pode ser considerada para o ciclo de TSA da invenção, é a de ter um reator iniciando a etapa de condicionamento (c) ao mesmo tempo em que outro reator inicia a etapa de dessorção (b), permitindo assim a reutilização de um termofluido quente, presente no primeiro reator, para aquecer o último reator (assim chamada equalização da temperatura).

[0091] Para a captura de CO2 dos gases de combustão, a programação deve garantir a possibilidade de tratar uma alimentação contínua e/ou produzir continuamente uma corrente de componente-alvo em todos os momentos.

[0092] As vantagens da invenção serão explicadas com o auxílio da descrição a seguir das modalidades preferidas e não limitativas.

Breve descrição dos desenhos

[0093] As Figs. 1 a 5 são diagramas de blocos de processos de adsorção por oscilação de temperatura para remover o dióxido de carbono de um gás de combustão, de acordo com várias modalidades da invenção. Descrição detalhada das modalidades preferidas

Modalidade da Fig. 1

[0094] Com referência à Fig. 1, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, por exemplo, incluindo os reatores 101, 102, 103. Cada reator 101 - 103 contém um leito fixo de um adsorvente para um componente-alvo, por exemplo, zeólito 13X para adsorção de CO2.

[0095] Cada reator realiza diversas etapas, a saber: uma primeira etapa de adsorção (a), uma segunda etapa de adsorção (a1), uma etapa de dessorção (b), uma etapa de purga (b1), uma etapa de condicionamento (c) e uma etapa de condensação. Os reatores são interligados e, durante algumas das ditas etapas do processo, um reator pode trocar uma ou mais correntes com um ou mais outros reatores. Na Fig. 1, os blocos (a), (a1), (b), (b1), (c) significam os reatores 101, 102, 103 enquanto realizam as ditas etapas do processo.

[0096] Durante a primeira etapa de adsorção (a), um gás a ser tratado, por exemplo, um gás de combustão, é admitido no reator e o componente-alvo é adsorvido, resultando em uma corrente de resíduos e carregando parcialmente o adsorvente com o componente-alvo. Durante a segunda etapa de adsorção (a1), o adsorvente é contatado com uma corrente rica do componente-alvo que é obtida submetendo à condensação o efluente de outro reator que realiza a etapa de purga (b1). Como consequência, uma quantidade adicional do componente-alvo é adsorvida e os um ou mais componentes secundários são expelidos, gerando assim outra corrente de resíduos. Durante a etapa de dessorção (b), o adsorvente é aquecido por troca direta ou indireta de calor, resultando em dessorção do componente- alvo e regeneração parcial do adsorvente. Durante a etapa de purga (b1), o adsorvente parcialmente regenerado é contatado por pelo menos uma parte de uma corrente de resíduos (principalmente contendo os um ou mais componentes secundários) obtida de outro reator enquanto se realiza a primeira etapa de adsorção (a). A etapa (c) é a etapa de condicionamento que leva o adsorvente de volta para a temperatura de adsorção para iniciar novamente o ciclo.

[0097] As ditas etapas e as ditas interações entre os reatores serão descritas com um detalhe maior com referência ao ciclo de trabalho do reator 101. Primeira etapa de adsorção (a)

[0098] Um gás de combustão 111, proveniente de um processo de combustão e contendo predominantemente dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2) e água (H2O) é suprido ao reator 101, onde o CO2 e um pouco de água são adsorvidos sobre o leito de zeólito do reator, tendo uma maior afinidade com o dito adsorvente em comparação com o nitrogênio.

[0099] Como resultado, a etapa (a) proporciona um adsorvente carregado com CO2 e uma primeira corrente de resíduos 112 contendo predominantemente N2. Uma parte 113 da dita corrente de resíduos 112 pode ser usada em outro reator (por exemplo, no reator 103), enquanto se realiza a etapa de purga (b1) que ocorre antes da etapa de dessorção (b), como será explicado abaixo. A parte restante 114 da corrente de resíduos 112 é exportada e pode ser descarregada através de uma saída ou usada para uma finalidade adicional, se apropriado. Por exemplo, em uma fábrica de amônia, a dita corrente 114, que é rica em nitrogênio, pode ser usada para a síntese de amônia.

[0100] De preferência, a primeira etapa de adsorção (a) ocorre na temperatura ambiente, por exemplo, em uma temperatura na faixa de 15 a 30 °C. De preferência, a dita etapa (a) é realizada em fluxo ascendente, o que significa que o gás de combustão 111 é suprido a partir do fundo do reator 101 e a corrente de resíduos 112 sai do reator 101 a partir do topo. Segunda etapa de adsorção (a1)

[0101] O reator 101 recebe uma corrente gasosa rica em CO2 128. A dita corrente 128 é obtida submetendo a corrente de saída 127 de outro reator (por exemplo, o reator 102), enquanto se realiza a etapa de purga (b1), a uma etapa de condensação em um condensador específico 104, para a remoção da água 129. Portanto, a dita corrente rica em CO2 também é 128 privada de água e é referida como corrente esgotada de água.

[0102] A dita corrente esgotada de água 128 é alimentada para o fundo do reator 101, significando que a etapa (a1) é realizada na mesma direção de fluxo que a etapa (a).

[0103] A dita corrente esgotada de água 128 é opcionalmente aquecida em um trocador de calor externo 10 antes da admissão ao dito reator 101. Por exemplo, a dita corrente 126 é opcionalmente aquecida para uma temperatura de 70 °C (343 K).

[0104] Durante a dita etapa (a1), um pouco do dióxido de carbono contido na corrente rica em CO2 128 é adsorvido sobre o leito adsorvente, que já está parcialmente carregado com o CO2 como consequência da primeira etapa de adsorção (a); é obtida uma segunda corrente de resíduos 115 contendo principalmente N2, que é exportada e pode ser descarregada através de uma saída ou usada no processo, de forma semelhante à corrente 112 mencionada acima.

[0105] Em algumas modalidades, a segunda etapa de adsorção (a1) do reator 101 e a etapa de purga (b1) do reator 102 são sincronizadas, o que significa que a corrente esgotada de água 128 que sai do condensador 104 na saída do reator 102 passa para o reator 101 sem um armazenamento intermediário. Em outras modalidades, a dita corrente esgotada de água 128 é armazenada em um tanque adequado (não mostrado) e subsequentemente introduzida no reator 101 para a etapa (a1) descrita acima. A última modalidade com armazenamento intermediário pode proporcionar uma maior flexibilidade, já que a duração das etapas (a1) e (b1) dos dois reatores pode ser diferente. Etapa de dessorção (b)

[0106] O adsorvente carregado com CO2 é aquecido, por exemplo, para 147 °C (420 K); como consequência, o CO2 é dessorvido produzindo uma corrente 116 de CO2 de uma alta pureza e o adsorvente do reator 101 é parcialmente regenerado.

[0107] A etapa de dessorção (b) pode ser realizada por meio de troca indireta de calor ou troca direta de calor.

[0108] No caso de troca indireta de calor, de preferência uma das extremidades do reator é mantida aberta, enquanto a outra é mantida fechada, o que significa que é uma etapa de aquecimento semiaberta.

[0109] No caso de troca direta de calor, um meio de regeneração quente é suprido ao reator para contato direto com o adsorvente. De preferência, ambas as extremidades do reator 101 são mantidas abertas e o dito meio de regeneração flui contrário em relação às etapas (a) e (a1), a saber, do topo para o fundo. De preferência, o dito meio de regeneração é feito predominantemente de CO2 (isto é, do componente-alvo). Etapa de purga (b1)

[0110] O adsorvente no reator 101 é purgado com uma parte 133 da corrente de resíduos 132 resultante da primeira etapa de adsorção (a) de outro reator (por exemplo, do reator 103). A dita corrente de resíduos 132 é semelhante em composição à corrente 12 descrita anteriormente, obtida do reator 101.

[0111] A dita parte 133 é preferivelmente alimentada ao reator 101 a partir do topo, significando que a etapa (b1) é realizada na direção de fluxo contrária em relação às etapas (a) e (a1).

[0112] A dita corrente de resíduos 133 é opcionalmente resfriada em um trocador de calor externo 20, antes da admissão ao reator 101. Por exemplo, a corrente de resíduos 133 é resfriada para uma temperatura de 10 °C (283 K).

[0113] Durante a dita etapa (b1), a corrente de resíduos 133 "limpa" o adsorvente deslocando pelo menos uma parte do CO2 não adsorvido do reator (e, opcionalmente, dessorvendo uma parte adicional de CO2), formando assim uma corrente rica em CO2 117, de modo que a recuperação seja aumentada. A dita corrente rica em CO2 117 pode ser usada na segunda etapa de adsorção (a1) de outro reator, da mesma maneira que a corrente rica em CO2 127 descrita anteriormente.

[0114] Em algumas modalidades, a primeira etapa de adsorção (a) do reator 103, a etapa de condensação e a etapa de purga (b1) do reator 101 são sincronizadas, de modo que a corrente de resíduos 133 que sai do reator 103 passa para o reator 101 sem um armazenamento intermediário. Em outras modalidades, é proporcionado um tanque de armazenamento para a dita corrente 133. Etapa de condicionamento (c)

[0115] O adsorvente é resfriado para a temperatura de adsorção para reiniciar o ciclo. A dita etapa de condicionamento (c) pode ser realizada em pressão constante, onde uma extremidade do reator 101 é mantida aberta e a outra extremidade é mantida fechada, ou sob condições ligeiramente de vácuo, onde ambas as extremidades do reator 101 são fechadas.

[0116] Os outros reatores, como os reatores 102 e 103, realizam as mesmas etapas. Modalidade da Fig. 2

[0117] Com referência à Fig. 2, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, por exemplo, incluindo os reatores 201, 202, 203. Cada reator 201 - 203 contém um leito fixo de um adsorvente para um componente-alvo, por exemplo, o zeólito 13X para a adsorção de CO2.

[0118] Cada reator realiza diversas etapas, a saber: uma etapa de adsorção (a), uma primeira etapa de dessorção (a2), uma segunda e principal etapa de dessorção (b), uma etapa de condicionamento (c) e uma etapa de condensação. Na Fig. 2, os blocos (a), (a2), (b), (c) significam os reatores 201, 202, 203 enquanto realizam as ditas etapas do processo.

[0119] Durante a etapa de adsorção (a), um gás a ser tratado, por exemplo, um gás de combustão, é admitido ao reator e o componente-alvo é adsorvido preferivelmente, resultando em uma corrente de resíduos e carregando o adsorvente com o componente-alvo. Durante a primeira etapa de dessorção (a2), o adsorvente é levemente aquecido para remover os um ou mais componentes secundários do adsorvente, o que também resulta na dessorção de um pouco do componente-alvo. Durante a segunda (principal) etapa de dessorção (b), o adsorvente é aquecido por troca direta ou indireta de calor, resultando na dessorção do componente- alvo e na regeneração do adsorvente. Durante a etapa de condicionamento (c), a temperatura do adsorvente é diminuída para iniciar novamente o ciclo com a etapa (a).

[0120] As etapas acima são agora explicadas com referência ao reator 201 e a uma modalidade preferida. Etapa de adsorção (a)

[0121] Um gás de combustão 211, contendo predominantemente dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2) e água (H2O), é misturado com um produto gasoso 232 contendo predominantemente N2 e uma pequena quantidade de CO2, e a mistura resultante 240 é suprida ao reator 201. O dito produto gasoso 232 é obtido submetendo a corrente de saída 230 de outro reator da pluralidade (por exemplo, o reator 203), que realiza a dita primeira etapa de dessorção (a2), a uma etapa de condensação, em um condensador específico 204, para a remoção da água 233. A dita corrente 238 também é referida como corrente esgotada de água.

[0122] Durante a etapa de adsorção (a), o CO2 e um pouco de água são adsorvidos sobre o leito de zeólito do reator 201, proporcionando um adsorvente carregado com CO2, e um efluente esgotado de CO2 212 contendo predominantemente N2 é exportado, o qual pode ser descarregado através de uma saída ou usado para uma finalidade adicional, se apropriado. Por exemplo, em uma fábrica de amônia, a dita corrente 212, que é rica em nitrogênio, pode ser usada para a síntese de amônia. Uma parte menor de N2 também é adsorvida sobre o leito de zeólito, sendo essa parte muito menor que o CO2 adsorvido.

[0123] Em algumas modalidades, a etapa de adsorção (a) do reator 201, a etapa de condensação e a primeira etapa de dessorção (a2) do reator 203 são sincronizadas, o que significa que o produto gasoso 232 do condensador 204 passa para o reator 201 sem um armazenamento intermediário. Em outras modalidades, o dito produto gasoso 232 é armazenado em um tanque adequado, fora do reator 203, e subsequentemente introduzido no reator 201 que está sendo submetido à etapa (a).

Primeira etapa de dessorção (a2)

[0124] O adsorvente carregado com CO2, contido no reator 201, é aquecido para uma temperatura selecionada menor que a temperatura da etapa principal de dessorção (b) subsequente. Por exemplo, a temperatura atingida pelo adsorvente durante a dita primeira etapa de dessorção (a2) está compreendida entre 87 e 107 °C (360-380 K).

[0125] Durante a dita etapa (a2), um pouco de nitrogênio, água e uma pequena quantidade de CO2 são dessorvidos, proporcionando um produto gasoso 220. Durante a dita etapa (a2), a pressão é mantida constante e apenas a extremidade do fundo do reator é mantida aberta.

[0126] O produto gasoso assim obtido 220 é subsequentemente submetido a uma etapa de condensação em um condensador específico 205, proporcionando uma corrente esgotada de água 222 e a água 223. A dita corrente 222 é então misturada com a alimentação de gás de combustão do reator 202, no mesmo modo que o produto gasoso 232 descrito anteriormente, a fim de recuperar o CO2 nelas contido. Por exemplo, o dito produto gasoso 222 é misturado com um gás de combustão 221 admitido a um segundo reator 202, para formar uma mistura 250.

[0127] Em algumas modalidades, o produto gasoso 222 pode ser submetido à etapa de adsorção (a) no mesmo reator 201. Nesse caso, o dito produto gasoso 222 é armazenado em um tanque adequado (não mostrado) antes de ser reciclado para o reator.

Segunda (principal) etapa de dessorção (b) e etapa de condicionamento (c)

[0128] O adsorvente ainda carregado com CO2 é aquecido, por exemplo, para 147 °C (420 K); como consequência, o CO2 é dessorvido, produzindo uma corrente 216 de CO2 de uma alta pureza e o adsorvente do reator 201 é regenerado.

[0129] O adsorvente regenerado é subsequentemente resfriado para a temperatura de adsorção, por exemplo, para a temperatura ambiente, a fim de reiniciar o ciclo. Modalidade da Fig. 3

[0130] Com referência à Fig. 3, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, por exemplo, incluindo os reatores 301, 302, 303. Cada reator 301 - 303 contém um leito fixo de um adsorvente para um componente-alvo, por exemplo, o zeólito 13X para a adsorção de CO2.

[0131] Cada reator realiza uma sequência de etapas, que é a mesma sequência que a primeira modalidade, com a adição de uma etapa de dessorção adicional (a2), que é a mesma que a segunda modalidade. A dita etapa de dessorção adicional (a2) é realizada após a segunda etapa de adsorção (a1) e antes da etapa de dessorção (b). Por uma questão de simplicidade, a dita etapa de dessorção adicional (a2) e a dita etapa de dessorção (b) serão também referidas como a primeira etapa de dessorção e a segunda (principal) etapa de dessorção (b), respectivamente.

[0132] Como essas etapas são iguais às primeira e segunda modalidades, elas não são descritas em detalhes por questões de brevidade.

[0133] A combinação das etapas (a1) e (b1) com uma etapa de dessorção adicional (a2) ocasiona uma sinergia, permitindo obter alta recuperação e alta pureza da etapa (a2) e baixo consumo de energia das etapas (a1) e (b1).

[0134] Com referência a um reator 301, uma mistura de gases 311, contendo predominantemente dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2) e água (H2O), é misturada com um produto gasoso 322 contendo predominantemente N2 e uma pequena quantidade de CO2 e contendo água residual, para proporcionar uma corrente gasosa de entrada 340. O dito produto gasoso 322 é obtido a partir de uma etapa de condensação realizada no efluente 320 da primeira etapa de dessorção (a2). A dita etapa de condensação ocorre em um condensador 305 e separa a água 323. Por conseguinte, o dito produto gasoso 322 contém menos água que o efluente 320 e é referido como corrente esgotada de água.

[0135] A dita corrente de entrada 340 é suprida ao reator 301 para a etapa de adsorção (a), em que uma corrente de resíduos 312 é produzida e o adsorvente é carregado com CO2 e um pouco de água. Uma parte 313 da corrente de resíduos pode ser usada na etapa de purga (b1) de outro reator e a parte restante 314 é exportada ou descarregada através de uma saída.

[0136] Então, o reator 301 é submetido à segunda etapa de adsorção (a1) com o auxílio de uma corrente esgotada de água 328, que é obtida submetendo a corrente de saída 327 de outro reator da pluralidade (por exemplo, o reator 302), que realiza a etapa de purga (b1), a uma etapa de condensação, em um condensador específico 304, para a remoção de água 329. A dita corrente esgotada de água é opcionalmente submetida ao aquecimento em um trocador 10’, antes de ser suprida ao reator 301.

[0137] Então, o reator 301 é submetido à primeira etapa de dessorção (a2), durante a qual o adsorvente carregado com CO2 contido no reator 301 é aquecido adicionalmente. A temperatura atingida pelo adsorvente durante a dita etapa (a2) é menor que a temperatura atingida durante a principal etapa de dessorção (b) subsequente. Por exemplo, o adsorvente é aquecido para uma temperatura variando entre 87 e 107 °C (isto é, entre 360 e 380 K), durante a dita etapa (a2).

[0138] Durante a dita etapa (a2), o nitrogênio, a água e uma pequena quantidade de CO2 são dessorvidos, proporcionando o produto gasoso 320. Durante a dita etapa (a2), apenas a extremidade do fundo do reator é mantida aberta.

[0139] O dito produto gasoso 320 é submetido à condensação no condensador 305, proporcionando a corrente esgotada de água 322 acima mencionada.

[0140] Em algumas modalidades, a dita corrente esgotada de água 322 é armazenada em um tanque 30 e subsequentemente misturada com o gás de combustão 311, para proporcionar a corrente gasosa 340 que alimenta o reator 301 que está sendo submetido à primeira etapa de adsorção (a), para recuperar o CO2 neles contido. Em outras modalidades (não mostradas), a dita corrente esgotada de água 322 é misturada com a alimentação de gás de combustão de outro reator, por exemplo, do reator 302 ou 303.

[0141] Após a primeira etapa de dessorção (a2), o reator 201 é submetido à sequência da segunda (principal) dessorção (b), purga (b1) e condicionamento (c), que são equivalentes às mesmas etapas da primeira modalidade. Em particular, a etapa de purga (b1) é realizada com o auxílio de uma corrente de resíduos 333 obtida de outro reator, p.ex., do reator 303, opcionalmente com resfriamento intermediário em um trocador de calor 20’. A principal etapa de dessorção (b) libera uma corrente de CO2 316.

[0142] Os outros reatores, como os reatores 302 e 303, realizam as mesmas etapas. Modalidade da Fig. 4

[0143] Com referência à Fig. 4, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, por exemplo, incluindo os reatores 401, 402, 403. Cada reator 401 - 403 contém um leito fixo de um adsorvente para um componente-alvo, por exemplo, o zeólito 13X para a adsorção de CO2.

[0144] Cada reator realiza diversas etapas, que é a mesma sequência que a primeira modalidade, com a diferença que os reatores que estão sendo submetidos à etapa de purga (b1) são supridos com a corrente de resíduos efluente de pelo menos outro reator que realiza a segunda etapa de adsorção (a1), sendo este último alimentado com a corrente esgotada de água, formando assim um circuito fechado.

[0145] Como essas etapas são iguais às primeiras modalidades, elas não são descritas em detalhes por questões de brevidade.

[0146] Durante a primeira etapa de adsorção (a), um gás de combustão úmido 411, contendo predominantemente CO2, N2 e água. é admitido ao reator 401, em que o CO2 e um pouco de água são adsorvidos, resultando em uma primeira corrente de resíduos 412 e carregando parcialmente o adsorvente com CO2.

[0147] Durante a segunda etapa de adsorção (a1), o adsorvente é contatado com uma corrente rica em CO2 428. A dita corrente 428 é obtida submetendo a corrente de saída 427 de outro reator da pluralidade (por exemplo, reator 402), que realiza a etapa de purga (b1), a uma etapa de condensação em um condensador específico 404, para a remoção da água 429 e, opcionalmente, submetendo a corrente esgotada de água 428 a um trocador de calor 10”. Como consequência, uma quantidade adicional de CO2 é adsorvida e o N2 é expelido, gerando assim uma segunda corrente de resíduos 415. A dita segunda corrente de resíduos é reciclada para o dito outro reator 402, enquanto se realiza a dita etapa (b1), formando assim um circuito fechado entre os reatores 401 e 402.

[0148] Durante a etapa de dessorção (b), o adsorvente é aquecido por troca direta ou indireta de calor, resultando na dessorção do CO2 como corrente 416 e na regeneração do adsorvente.

[0149] A etapa de purga (b1) é realizada com o auxílio da segunda corrente de resíduos 435, obtida da etapa (a1) de outro reator (por exemplo, do reator 403). O efluente da dita etapa (b1) é uma corrente rica em CO2 417, que é suprida a um condensador 406 para a remoção da água 419, e a corrente esgotada de água 418 resultante é reciclada para a etapa (a1) do dito outro reator, por meio de passagem opcional através do trocador de calor 20”, formando assim um circuito fechado entre os reatores 401 e

403.

[0150] A etapa de condicionamento (c) é realizada com o auxílio de pelo menos uma parte 433 da primeira corrente de resíduos 432 (principalmente contendo N2) obtida da etapa de adsorção (a) de outro reator (por exemplo, do reator 403) e, opcionalmente, passando através de um trocador de calor 50. A dita etapa (c) leva o adsorvente de volta para a temperatura de adsorção, para iniciar novamente o ciclo com a etapa (a). Modalidade da Fig. 5

[0151] Com referência à Fig. 5, o processo da invenção é realizado em uma pluralidade de reatores, por exemplo, incluindo os reatores 501, 502, 503. Cada reator 501 - 503 contém um leito fixo de um adsorvente para um componente-alvo, por exemplo, o zeólito 13X para a adsorção de CO2.

[0152] Cada reator realiza uma sequência de etapas, que é a mesma sequência que a terceira modalidade, com a diferença que os reatores que estão sendo submetidos à etapa de purga (b1) são supridos com a corrente de resíduos efluente de pelo menos outro reator que realiza a segunda etapa de adsorção (a1) e esse último é alimentado com a corrente esgotada de água, como na quarta modalidade, formando assim um circuito fechado entre dois reatores da pluralidade.

[0153] Com referência a um reator 501, uma mistura de gases 511, contendo predominantemente CO2, N2 e água, é misturada com um produto gasoso 522 contendo predominantemente N2 e uma pequena quantidade de CO2 e contendo água residual, para proporcionar uma corrente de entrada gasosa 540. O dito produto gasoso 522 é obtido a partir de uma etapa de condensação realizada no efluente 520 da primeira etapa de dessorção (a2), que também separa a água condensada 523. A dita etapa de condensação ocorre no condensador 505 e o dito produto gasoso 522 também é referido como corrente esgotada de água.

[0154] A dita corrente de entrada 540 é suprida ao reator 501 para a etapa de adsorção (a,) em que uma corrente de resíduos 512 é produzida e o adsorvente é carregado com o CO2.

[0155] Então, o reator 501 é submetido à segunda etapa de adsorção (a1) e o adsorvente é contatado com uma corrente rica em CO2 528. A dita corrente 528 é obtida submetendo a corrente de saída 527 de outro reator da pluralidade (por exemplo, o reator 302), que realiza a dita etapa de purga (b1), a uma etapa de condensação em um condensador específico 504, para a remoção da água 529, opcionalmente com aquecimento intermediário no trocador 10’’’. Como consequência, uma quantidade adicional de CO2 é adsorvida e o N2 é expelido, gerando, assim, uma segunda corrente de resíduos 515. A dita segunda corrente de resíduos 515 é reciclada para o dito outro reator 502, enquanto se realiza a dita etapa (b1), formando assim um circuito fechado entre os reatores 501 e 502.

[0156] Então, o reator 501 é submetido à primeira etapa de dessorção (a2), durante a qual o adsorvente carregado com CO2 contido no reator 501 é aquecido adicionalmente. Durante a dita etapa (a2), o nitrogênio, a água e uma pequena quantidade de CO2 são dessorvidos, proporcionando o produto gasoso 520. O dito produto gasoso 520 é submetido à condensação no condensador 505, proporcionando a corrente esgotada de água 522 acima mencionada.

[0157] Em algumas modalidades, a dita corrente esgotada de água 522 é armazenada em um tanque 30 e subsequentemente misturada com o gás de combustão 511, para proporcionar a corrente gasosa 540 que alimenta o reator 501 que está sendo submetido à etapa de adsorção (a), para recuperar o CO2 contido nela. Em outras modalidades (não mostradas), a dita corrente esgotada de água 522 é misturada com a alimentação de gás de combustão de outro reator, por exemplo, do reator 502 ou 503 (não mostrado).

[0158] Após a primeira etapa de dessorção (a2), o reator 201 é submetido à sequência da segunda (principal) dessorção (b), purga (b1) e condicionamento (c), que são equivalentes às mesmas etapas da quarta modalidade.

[0159] Em particular, a etapa de purga (b1) é realizada com o auxílio da segunda corrente de resíduos 535, obtida da etapa (a1) de outro reator (por exemplo, do reator 503). O efluente da dita etapa (b1) é uma corrente rica em CO2 517, que é suprida a um condensador 506 para a remoção da água 519, e a corrente esgotada de água 518 resultante é reciclada para a etapa (a1) do dito outro reator por meio de passagem opcional através do trocador de calor 20’’’.

[0160] A etapa de condicionamento (c) é realizada com o auxílio de pelo menos uma parte 533 da primeira corrente de resíduos 532 (principalmente contendo N2) obtida da etapa de adsorção (a) de outro reator (por exemplo, do reator 503) e, opcionalmente, passando através de um trocador de calor 50’. A dita etapa (c) leva o adsorvente de volta para a temperatura de adsorção, para iniciar novamente o ciclo com a etapa (a).

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES

1. Um processo de adsorção por oscilação de temperatura para remover um componente-alvo de uma mistura gasosa (111) contendo água e pelo menos um componente secundário além do componente-alvo, o dito processo compreendendo: (a) pelo menos uma etapa de adsorção, compreendendo a adsorção do componente-alvo sobre um adsorvente sólido, proporcionando um adsorvente carregado com o componente-alvo e pelo menos uma corrente de resíduos (12) esgotada do componente-alvo; (b) uma etapa de dessorção, compreendendo o aquecimento do dito adsorvente carregado com o componente- alvo para uma temperatura de dessorção (Tdes) e a dessorção de uma quantidade de componente-alvo, proporcionando um adsorvente pelo menos parcialmente regenerado e uma primeira corrente de saída (116) contendo o componente-alvo dessorvido; (c) uma etapa de condicionamento, compreendendo o resfriamento do dito adsorvente pelo menos parcialmente regenerado para uma temperatura de condicionamento (Tcon), caracterizado por: (d) pelo menos uma etapa de liberação do componente-alvo, levando o adsorvente sólido para uma temperatura mais baixa que a dita temperatura de dessorção (Tdes) e proporcionando pelo menos uma segunda corrente de saída (117) contendo uma quantidade do componente-alvo e contendo água, (e) separar a água da(s) dita(s) segunda(s) corrente(s) de saída (117), produzindo pelo menos uma corrente esgotada de água, e (f) submeter a(s) dita(s) corrente(s) esgotada(s) de água à dita etapa de adsorção ou a pelo menos uma das ditas etapas de adsorção, onde a dita pelo menos uma etapa de liberação do componente-alvo é realizada antes ou depois da dita etapa de dessorção (b), e onde a dita etapa (e) compreende o resfriamento da(s) dita(s) segunda(s) corrente(s) de saída (117) para condensar pelo menos uma parte da água nela(s) contida e compreende também a separação da água condensada, obtendo- se a(s) dita(s) corrente(s) esgotada(s) de água.

2. Um processo de acordo com a reivindicação 1, onde a dita etapa de liberação do componente-alvo ou pelo menos uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo é realizada antes da etapa de dessorção (b) e compreende o aquecimento do adsorvente carregado com o componente-alvo até uma temperatura que é mais baixa que a dita temperatura de dessorção (Tdes).

3. Um processo de acordo com a reivindicação 1, onde a dita etapa de liberação do componente-alvo ou pelo menos uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo é realizada após a etapa de dessorção (b) e compreende o resfriamento do dito adsorvente pelo menos parcialmente regenerado para uma temperatura que é preferivelmente maior que a dita temperatura de condicionamento (Tcon), o dito resfriamento ocorrendo com o auxílio de pelo menos uma parte (133) da dita corrente de resíduos (132) ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos, que é opcionalmente resfriada antes de ser submetida à(s) dita(s)

etapa(s) de liberação do componente-alvo.

4. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo mais que uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo, em que uma delas é realizada antes da dita etapa de dessorção (b) e a outra é realizada posteriormente com o auxílio de pelo menos uma parte (333) da dita corrente de resíduos (132) ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos, que é opcionalmente resfriada antes de ser submetida a ela.

5. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, o dito processo sendo realizado em uma pluralidade de reatores (101, 102, 103) contendo um adsorvente e cada reator realizando as ditas etapas (a) a (f).

6. Um processo de acordo com a reivindicação 5, onde a dita corrente esgotada de água (128) ou pelo menos uma das ditas correntes esgotadas de água proporcionada por um reator (102) é submetida a pelo menos um outro reator (101) da pluralidade enquanto se realiza a dita etapa de adsorção (a) ou uma das ditas etapas de adsorção.

7. Um processo de acordo com a reivindicação 6, onde a dita corrente esgotada de água (128) ou pelo menos uma das ditas correntes esgotadas de água é submetida com ou sem um armazenamento intermediário em um tanque adequado ao dito pelo menos um outro reator (101) realizando a dita etapa de adsorção (a) ou uma das ditas etapas de adsorção.

8. Um processo de acordo com quaisquer das reivindicações 5 a 7, a dita etapa de liberação do componente-alvo ou pelo menos uma das ditas etapas de liberação do componente-alvo sendo realizada após a etapa de dessorção (b) e compreendendo o resfriamento do dito adsorvente pelo menos parcialmente regenerado para uma temperatura que é preferivelmente maior que a dita temperatura de condicionamento (Tcon) com o auxílio de pelo menos uma parte (133) da dita corrente de resíduos (112) ou pelo menos uma das ditas correntes de resíduos que é proporcionada por pelo menos um outro reator (103) da dita pluralidade.

9. Um processo de acordo com a reivindicação 8, onde a dita pelo menos uma parte (133) da corrente de resíduos (112) é trocada com ou sem um armazenamento intermediário em um tanque adequado do dito pelo menos um outro reator (103) para o reator (101) que está sendo submetido à dita etapa de liberação do componente-alvo (d).

10. Um processo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, onde a corrente de resíduos (133) ou pelo menos uma das correntes de resíduos submetida à dita etapa de liberação do componente-alvo e a corrente esgotada de água (128) ou pelo menos uma das correntes esgotadas de água submetida à dita etapa de adsorção ou a pelo menos uma das ditas etapas de adsorção são proporcionadas por dois reatores diferentes (103, 102).

11. Um processo de acordo com a reivindicação 10, onde: um primeiro reator (402) realiza a dita etapa de liberação do componente-alvo antes da etapa de dessorção (b), proporcionando a segunda corrente de saída (427), que é submetida à dita etapa (e,) produzindo a dita corrente esgotada de água (428), um segundo reator (401) realiza a dita pelo menos uma etapa de adsorção, proporcionando a dita pelo menos uma corrente de resíduos (415), e pelo menos uma parte da dita corrente esgotada de água (428) é submetida ao dito segundo reator (401) que realiza a etapa de adsorção e pelo menos uma parte da dita corrente de resíduos (415) é usada para a etapa de liberação do componente-alvo (d) do dito primeiro reator (402), formando assim um circuito fechado entre os ditos primeiro e segundo reatores.

12. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, onde cada reator (101, 401) da dita pluralidade realiza uma primeira etapa de adsorção e uma segunda etapa de adsorção, sendo a dita segunda etapa de adsorção realizada após a dita primeira etapa de adsorção e antes da dita etapa de dessorção (b), a dita primeira etapa de adsorção compreendendo o contato de uma corrente de entrada (111, 411) da dita mistura gasosa com um adsorvente sólido e a adsorção do componente-alvo da dita corrente de entrada (111, 411), proporcionando um adsorvente carregado com o componente- alvo e uma primeira corrente de resíduos (112, 412) esgotada do componente-alvo; a dita segunda etapa de adsorção compreendendo o contato do dito adsorvente carregado com a corrente esgotada de água (128, 428) ou pelo menos uma das correntes esgotadas de água proporcionada por pelo menos um outro reator (102, 402) da dita pluralidade de reatores enquanto se realiza a dita etapa (e), em que uma quantidade do componente-alvo contido na dita corrente esgotada de água (128, 428) é adsorvida e uma segunda corrente de resíduos

(115, 415) esgotada do componente-alvo é produzida.

13. Um processo de acordo com a reivindicação 12, onde a dita etapa de liberação do componente-alvo realizada após a etapa de dessorção (b) é realizada com o auxílio de pelo menos uma parte da segunda corrente de resíduos (435) proporcionada por pelo menos um outro reator (403) da dita pluralidade de reatores enquanto se realiza a dita segunda etapa de adsorção.

14. Um processo de acordo com a reivindicação 13, onde a dita etapa de condicionamento (c) é realizada por meio de pelo menos uma parte (433) da primeira corrente de resíduos (432) proporcionada pelo dito pelo menos um outro reator (403) da dita pluralidade de reatores enquanto se realiza a dita primeira etapa de adsorção (a), a dita pelo menos uma parte (433) da primeira corrente de resíduos (432) sendo opcionalmente resfriada antes da submissão à dita etapa de condicionamento (c).

15. Um processo de acordo com quaisquer das reivindicações 12 a 14, onde cada reator da pluralidade realiza adicionalmente uma etapa de liberação do componente-alvo antes da etapa de dessorção (b) e proporciona uma primeira corrente esgotada de água (322, 522) resultante da etapa de liberação do componente-alvo realizada antes da etapa (b) e uma segunda corrente esgotada de água resultante da etapa de liberação do componente-alvo realizada após a etapa (b), a dita primeira corrente (322, 522) sendo suprida a um reator (301, 501) que realiza a dita primeira etapa de adsorção e a dita segunda corrente sendo suprida a um reator que realiza a dita segunda etapa de adsorção.

16. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde a temperatura de dessorção (Tdes) não é maior que 250 °C, preferivelmente não é maior que 200 °C e mais preferivelmente não é maior que 170 °C.

17. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde a temperatura de condicionamento (Tcon) não é maior que 60 °C, preferivelmente, não é maior que 40 °C.

18. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o dito componente-alvo é o dióxido de carbono.

19. Um processo de acordo com quaisquer das reivindicações 1 a 18, onde a dita mistura gasosa é um gás de combustão.

20. Um processo de acordo com a reivindicação 19, onde o dito gás de combustão é um gás de combustão de qualquer uma de: uma fábrica de amônia, uma fábrica de metanol, uma fábrica de ureia, uma usina elétrica movida a combustível fóssil.