BRPI0617651B1 - processo para regeneração de absorventes de peneira molecular usados para desidratação de etanol, processo para desidratação de etanol e sistema para desidratação de etanol - Google Patents

Abstract

processo para regeneração de absorventes de peneira molecular usados para desidratação de etanol, bem como processo para desidrataçao de etanol um processo para regenerar um leito absorvente de peneira molecular usado para desidratar um solvente orgânico é descrito. o processo é ilustrado regenerando-se um leito de peneira molecular usado para desidratar etanol, que inclui um ciclo de desidratação onde uma mistura de vapor de etanol/água é carregada no leito de peneira molecular a umaprimeira temperatura para absorver água e recuperar um efluente de vapor de etanol substancialmente desidratado. em um ciclo de regeneração, o leito é submetido a uma técnica de oscilação de temperatura por meio da qual um gás seco, tal como co~ 2~ seco, aquecido a uma segunda temperatura maior do que a primeira temperatura, é passado sobre o leito de peneira molecular, otimamente em um fluxo direcional contra corrente com respeito ao ciclo de desidratação. o processo obvia a necessidade de aplicar uma oscilação de pressão de vácuo, para regenerar o leito de peneira molecular. água e etanol residual são removidos com o efluente de co~ 2~ e podem opcionalmente ser condensados e combinados com uma entrada de alimentação para um ciclo de desidratação subsequente

Description

(54) Título: PROCESSO PARA REGENERAÇÃO DE ABSORVENTES DE PENEIRA MOLECULAR USADOS PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL, PROCESSO PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL E SISTEMA PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL (51) lnt.CI.: B01D 15/00; B01J 20/18; B01J 29/90; B01J 38/02; B01J 38/04; C07C 29/76; C07C 31/08; B01J 20/34 (30) Prioridade Unionista: 18/10/2005 US 60/727,654 (73) Titular(es): ARCHER-DANIELS-MIDLAND COMPANY (72) Inventor(es): AHMAD K. HILALY; JOSEPH R. BEGGIN (85) Data do Início da Fase Nacional: 18/04/2008

1/29 “PROCESSO PARA REGENERAÇÃO DE ABSORVENTES DE PENEIRA

MOLECULAR USADOS PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL, PROCESSO PARA

DESIDRATAÇÃO DE ETANOL E SISTEMA PARA DESIDRATAÇÃO DE ETANOL” “REFERÊNCIA CRUZADA AO PEDIDO RELACIONADO” [001]Este pedido é um pedido de utilidade e reivindica o benefício de prioridade ao Pedido de Patente Provisório U.S. No. de Série 60/727.654, depositado em 18 de Outubro de 2005, intitulado Regenerating Molecular Sieve Absorbents Used For Etanol Dehydration tendo os mesmos pedidos citados pelos inventores, isto é, Ahmad K. Hilaly e Joseph R. Beggin. Os teores totais do Pedido de Patente Provisional U.S. No. de Série 60/727.654 estão incorporados por referência neste pedido de patente de utilidade.

Antecedentes da Invenção

Campo da Invenção [002]A invenção se refere geralmente a um processo melhorado para a produção de etanol anidroso, e em particular aos métodos para melhorar a regeneração de materiais de peneira molecular usados em processos de desidratação de etanol.

Descrição da Técnica Anterior [003]O etanol anidroso é amplamente usado na indústria como um solvente na síntese de tintas, farmacêuticos e intermediários, cosméticos, perfumes, e outros produtos, por exemplo. O etanol anidroso também é um componente importante em combustíveis alternativos, tal como combustível para carros, quando combinado com gasolina e outros componentes destilados de combustível de fóssil para fabricar combustível para automóveis e outras aplicações de motor de combustão. O etanol anidroso também pode ser usado como um aditivo oxigênico importante em gasolina livre de chumbo.

[004]Entretanto, até mesmo quantidades pequenas de água em etanol

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2/29 podem levar a formação de produtos não desejados sob as condições presentes em típicas câmaras combustão de motor de combustão, ou outros processos sintéticos industriais. Por exemplo, 4,4% (em peso) de água e 95,6% (em peso) de etanol formarão um azeótropo sob condições maiores do que 78°C de Temperatura e excedendo a 1,0 bar de pressão, bem abaixo das condições de combustão limiares em um motor de combustão interna. Um azeótropo é uma mistura que tem uma temperatura de ebulição constante e assim é difícil de separar os componentes através de destilação. Então, até mesmo uma quantidade pequena de contaminação de água em etanol anidroso é extremamente indesejável. Desse modo, o processo de desidratação ou secagem de etanol é um valioso processo para produzir etanol anidroso para uso como um combustível ou como um solvente em muitos processos industriais.

[005]A destilação tradicional para obter etanol anidroso é um processo caro que exige quantidades altas de energia obter etanol anidroso puro. Outros processos que podem ser usados para obter etanol anidroso incluem destilação azeotrópica, destilação extrativa, e retificação de sal. Porém, estes processos ainda envolvem destilação de energia alta e sua energia alta associada custa para obter etanol anidroso, resultando em um produto de etanol anidroso mais caro.

[006]A purificação de adsorção de etanol é um processo que requer menos energia do que os processos de destilação para obter etanol anidroso. Vários métodos que usam adsorção a várias matrizes adsorventes sob várias condições de temperatura e pressão são usados para obter etanol anidroso sem destilação. Um método usado para produção de etanol de grau de combustível de motor usa uma oscilação de concentração para liberar adsorção de etanol de uma matriz de papel. Outro método usa uma oscilação de pressão ou vácuo para aumentar a adsorção de materiais a uma matriz, o material adsorvido é então dessorvido com uma despressurização da câmara de adsorção. Porém, estes métodos ainda requerem

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3/29 quantidades grandes de energia para efetuar as oscilações de concentração ou pressão para eluir o etanol anidroso do adsorvente, ou requerem quantidades adicionais de etanol a serem cicladas completamente para maximizar a desidratação do produto de etanol.

[007]Um método adsorvente de desidratação de etanol usa partículas derivadas naturais como um material de leito adsorvente para produzir etanol anidroso. Os exemplos de materiais de leito adsorvente naturais incluem grãos de milho ou partículas de amido de trigo. Um exemplo de partículas de amido de trigo comercialmente disponíveis está disponível sob o nome comercial EnviroStrip (Archer Daniels Midland Co., Decatur, III., USA). O mecanismo de adsorção de água através de grãos de milho e partículas de amido Envirostrip envolve ligação de hidrogênio das moléculas de água com os grupos de hidroxila nas cadeias de amido (Rebar e outros, 1984). Ambos os tipos de cadeias de amido, amilose e amilopectina, interagem com as moléculas de água desta maneira. Porém, as estruturas de amilopectina também fisicamente apanham as moléculas de água na matriz de ramificações de cadeia (Rebar e outros, Biotechnology e Bioengineering, 26, 513-517 (1984)). Quando as moléculas de água são apanhadas deste modo, alguns grupos -OH próximos ficam indisponíveis para ligação de hidrogênio.

[008]Apesar das vantagens do uso dos grãos de milho como uma matriz de desidratação de adsorção facilmente disponível e barata para misturas de etanol/água, há limitações de grãos de milho usados como uma matriz adsorvente. Os grãos de milho podem ser regenerados descarregando-se com gás CO2, porém geralmente tenha uma vida útil limitada em um processo de desidratação de etanol. Entre os problemas associados com 0 uso de grãos de milho (ou partículas adsorventes de amido de trigo) para leitos de desidratação de etanol, é que tais produtos naturais são frágeis, tendem a se decompor, tendem a se aglomerar, e rapidamente perdem a sua capacidade de adsorção de água.

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4/29 [009]0utro método usado para desidratação de etanol é com base em materiais tipo zeólito não orgânico que agem como um leito de peneira molecular. Os adsorventes de leito natural diferentes, leitos de peneira moleculares agem como absorventes onde principalmente, a água é diferencialmente retida no leito em virtude de ser incluída nos poros da matriz do leito em vez de ser adsorvida sobre as características da superfície.

[010]Os leitos de peneira molecular requerem um tipo diferente de regeneração do que os leitos adsorventes naturais. Os absorventes de peneira molecular são regenerados em um processo que usa etanol anidroso em combinação com uma técnica de oscilação de pressão. Nesta técnica o leito de peneira molecular é regenerado passando-se o vapor de etanol previamente desidratado pelo leito a uma pressão substancialmente mais baixa (isto é, um vácuo) do que a que foi usada para carregar o leito para etapa de desidratação. Há sistemas de peneira molecular tanto de pressão alta quanto de pressão baixa, porém a regeneração de cada envolve uso de um vácuo relativo junto com etanol anidroso na etapa de regeneração.

[011]Em um exemplo de sistema de pressão alta, o etanol de alimento que entra no leito é carregado a uma temperatura de 148,9°C (300°F) e uma pressão de 473,7 kPa (68,7 psia). O etanol anidroso usado para regenerar a coluna é carregada na mesma temperatura e uma pressão de 13,8-20,7 kPa (2,0-3,0 psia). Em outro exemplo de sistema de pressão alta, o etanol de alimento que entra no leito é carregado a uma temperatura de 148,9°C a uma pressão de cerca de 386,1 kPa (56 psia). O etanol anidroso usado para regenerar a coluna é carregado à mesma temperatura e uma pressão de 13,8-20,7 kPa (2-3 psia).

[012]Em um exemplo de sistema de pressão baixa, o alimento de etanol entrando na coluna é carregado a uma temperatura de 93,3-115,6°C (200-240°F), preferivelmente 104,4°C (220°F) a uma pressão de 114,4 kPa (-16,6 psia). O etanol

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5/29 anidroso usado para regenerar a coluna é carregado à mesma faixa de temperatura e a uma pressão menor do que 13,8 kPa (2,0 psia). Em outro sistema de pressão baixa, o alimento de etanol entrando na coluna é carregado a uma temperatura de 115,6°C (240°F) e uma pressão de 137,9 kPa (20,0 psia). O etanol anidroso usado para regenerar a coluna é carregado à mesma temperatura e uma pressão de 17,2 kPa (2,5 psia). Em ainda outro sistema de pressão baixa, o alimento de etanol que entra na coluna é carregado a uma temperatura de 115,6°C (240°F) e pressão de 170,3 kPa (24,7 psia). O etanol anidroso usado para regenerar a coluna é carregado a uma temperatura de 104,4°C (220°F) e uma pressão de 10,3 kPa (1,5 psia).

[013]Há desvantagens significantes ao usar uma técnica de oscilação de pressão, incluindo incidência de custo alto de energia para retirar um vácuo significativo e resíduo de uma porção de etanol já desidratado, para regenerar um leito, cujo propósito verdadeiro é tornar o etanol desidratado.

[014]Há então, uma necessidade de processos melhorados para produzir etanol anidroso que reduza as exigências de energia e incidência de resíduos para regenerar leitos de peneiras moleculares usados para desidratações múltiplas. O ensino presente fornece materiais e métodos que atendem a estas e outras necessidades e aplicável não somente à desidratação de etanol, porém para desidratar qualquer solvente orgânico para o qual um leito de peneira molecular é usado para desidratação.

Sumário da Invenção [015]Descritos aqui estão novos processos e sistemas para regenerar leitos de peneira molecular usados para a desidratação de solventes orgânicos e novos métodos para a preparação de solvente anidroso com base no mesmo. A invenção é exemplificada regenerando-se os leitos de peneira molecular usados para a preparação de etanol anidroso, porém é aplicável para uso na preparação de outros solventes orgânicos anidrosos, particularmente solventes miscíveis em água e/ou

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6/29 aqueles que formam azeótropos com água.

[016]Em um aspecto, os processos para regenerar leitos de peneira molecular usam uma oscilação de temperatura no lugar de uma oscilação de pressão para facilitar a remoção de água retida no leito de peneira molecular usado. Na técnica de oscilação de temperatura, o leito de peneira molecular é carregado com um vapor de solvente orgânico/água a uma primeira temperatura, e regenerado a uma segunda temperatura maior do que a primeira temperatura. Em outro aspecto, os métodos usam um gás aquecido no lugar de um solvente anidroso para remover a água retida. Em modalidades particulares, os métodos usam uma combinação da oscilação de temperatura e do gás aquecido para regenerar os leitos de peneira molecular. As vantagens da invenção incluem a redução na quantidade de solvente necessário para ser reciclado e redução nos custos de energia de regeneração.

[017]Qualquer gás aquecido capaz de carregar vapor de água pode ser usado na prática da invenção. Em modalidades particulares o gás é selecionado de gás carbônico, nitrogênio e/ou um gás nobre. Em modalidades exemplares, o gás aquecido é CO2.

[018]Em uma modalidade exemplar para regenerar um leito de peneira molecular usado para desidratação de etanol, CO2 é aquecido a 96°C (205°F) ou mais alto e passado pelo leito de peneira molecular para obter um vapor compreendido de uma mistura do gás, água e etanol residual removido do leito. O vapor é opcionalmente esfriado ao sair do leito de peneira para separar a água e etanol residual do gás através de condensação. Em várias modalidades, 0 vapor e gás que saem são esfriados a menos do que cerca de 50°C ou menos do que cerca de 10°C ou a cerca de 5°C. Em uma modalidade exemplar, 0 esfriando é efetuado com um refrigerador de pulverização. O líquido condensado resultando que contém solvente orgânico e água pode opcionalmente ser reciclado por destilação e/ou combinação com uma segunda mistura de solvente/água que é submetida à outra

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7/29 desidratação sobre o leito de peneira molecular.

[019]O ensino presente também permite uso de temperaturas mais baixas tanto para carregar quanto regenerar os leitos de peneira molecular do que usado na técnica anterior. Em uma modalidade exemplar para desidratação de etanol, o leito de peneira molecular é carregado com o vapor de água/etanol a temperatura de cerca de 85°C (185°F) para desidratação e regenerado com o gás a uma temperatura de cerca de 96,1°C (205°F). Em uma modalidade típica, a pressão é 110,3 kPa-124,1 kPa (16-18 psia) tanto para a etapa de carregamento quanto para etapa de regeneração. Como uma pessoa de experiência na técnica pode perceber, não há nenhuma diferença significativa na pressão entre as etapas de carregamento e regeneração de pressão.

Breve Descrição dos Desenhos [020]Figura 1 mostra um diagrama de fluxo de um exemplo de processo de desidratação de etanol do ensino presente [021 ]Figura 2 ilustra um sistema de desidratação de etanol e regeneração de leito do ensino presente.

[022]Figura 3 esquematicamente ilustra um esquema de desidratação/regeneração contínua que usa três leitos de peneira molecular de acordo com o ensino presente.

[023]Figura 4 mostra um plote do percentual de umidade do etanol anidroso (v/v) vs. equivalentes de volumes de leito, comparando o desempenho de um absorvente de peneira molecular vs os adsorventes naturais com os grãos de milho e Envirostrip, após a regeneração de leito com gás de CO2 seco.

[024]Figura 5 mostra um plote de percentual de umidade de etanol anidroso (v/v) vs equivalentes de volumes de leito, comparando um leito de peneira molecular com 0 leito adsorvente de amido de Envirostrip que usa CO2 saturado como 0 gás de regeneração.

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8/29 [025]Figura 6 mostra um plote de percentual de umidade de etanol anidroso (v/v) vs equivalentes de volumes de leito, comparando um leito de peneira molecular com o leito adsorvente de grãos de milho usando CO2 seco como 0 gás de regeneração.

Descrição Detalhada da Invenção [026]A pessoa de experiência na técnica reconhecerá vários termos usados na descrição desta invenção como tendo 0 significado ordinariamente entendido na técnica, porém, os termos adsorção” e “absorção” são algumas vezes não corretamente diferenciados na técnica. Consequentemente, as seguintes definições são pretendidas abrangerem 0 significado ordinário dos termos sem limitação, a menos que uma limitação específica seja incompatível com os significados fornecidos aqui, em cujo caso as definições fornecidas aqui controlam.

[027]O termo absorção se refere ao processo que inclui retenção com base em massa de uma substância, tal como, por exemplo, por inclusões de tamanho molecular, por meio do qual as moléculas fluem por uma matriz sólida ou semissólida por poros ou canais ou outras estruturas internas e são assim retardadas em seu fluxo pela matriz. Em uma mistura de moléculas que têm tamanhos diferentes, uma classe de moléculas pode ser retida dentro das estruturas internas (absorvidas) durante um período mais longo do que outras moléculas na mistura que são relativamente excluídas de fluxo por tais estruturas internas em base de tamanho.

[028]O termo adsorção se refere a um processo que inclui retenção com base em substância química de substância, tal como, por exemplo, por interações iônicas ou de Van der Waals. Durante um processo de fluxo ao redor de e/ou através de uma adsorção de matriz sólida ocorre quando certas moléculas interagem com as características de superfície da matriz sólida e são desse modo retardadas em seu fluxo. Em uma mistura de moléculas que têm diferentes

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9/29 características estruturais uma classe de moléculas pode diferencialmente ser ligado às características de superfície (adsorvida) a matriz relativa a uma segunda classe de moléculas.

[029]O termo peneira molecular se refere a uma matriz sólida que tem poros, canais, ou outros espaços internos de um tamanho suficiente para seletivamente permitir a infiltração ou fluxo total de uma primeira classe de moléculas ou solventes para a exclusão relativa de uma segunda classe de moléculas ou solventes. O fluxo diferencial para a primeira classe de molécula versus a segunda classe de moléculas resulta na absorção diferencial da primeira classe de moléculas relativo à segunda classe de moléculas desse modo afetando a remoção da primeira classe de moléculas de uma mistura que inicialmente contém a primeira e segunda classe de moléculas. As peneiras moleculares podem ou não podem também ter propriedades de adsorção, onde pelo menos uma das primeira ou segunda classes de moléculas também pode diferencialmente interagir com as características de superfície da peneira, tal como, por exemplo, por interações hidrofílicas ou hidrofóbicas.

[030]O termo CO2 seco ou gás seco se refere a um gás de regeneração que tem menos teor de umidade do que 0 efluente de gás de uma peneira molecular no começo de um ciclo de regeneração. Em modalidades alternativas, 0 gás seco tem um teor de umidade de menos do que 40%, menos do que 20%, menos do que 20%, menos do que 5% ou menos do que 1%. Em modalidades típicas, 0 gás seco é 0 que ordinariamente é obtido de um fornecedor de um tanque do gás comprimido.

[031 ]O termo CO2 saturado ou gás saturado se refere a um gás de regeneração que tem teor de umidade suficiente de forma que água condensará formando 0 gás a alguma temperatura abaixo da temperatura ambiente. Em certas modalidades para CO2 saturado, uma água precipitará do gás a cerca de 5°C.

[032]O ensino presente se refere à regeneração de leitos de peneira

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10/29 molecular usados para desidratação de solventes orgânicos principalmente por absorção, porém, alguém de experiência ordinária na técnica reconhecerá que tanto a absorção quanto adsorção, podem ocorrer quando uma mistura é resolvida em suas partes de componente quando fluindo através de uma matriz de leito de peneira molecular.

[033]Figura 1 é um fluxograma que ilustra uma modalidade exemplar de um método para desidratar etanol de acordo com o ensino presente. Etanol úmido, normalmente obtido por destilação de um caldo de fermentação que tem uma concentração de etanol de menos do que 198,5 de prova (menos do que 99,25%(v/v)) é fornecido na etapa 10. Tipicamente, o etanol úmido é obtido na prova 180-190 e mais tipicamente em cerca de prova 184. Na etapa 15 o etanol úmido é aquecido a uma primeira temperatura suficiente para vaporizar a mistura. Vantajosamente, e distintamente da técnica anterior, a temperatura de carga é tipicamente entre 80 e 95°C, mais tipicamente cerca de 85°C. Na etapa 20 o vapor de etanol aquecido é carregado em um leito de peneira molecular na primeira temperatura e a uma pressão de cerca de 108,2 a 128,9 kPa (15,7-18,7) psia, que é somente ligeiramente acima da pressão atmosférica ambiente (tipicamente 101,3 kPa) tal como é suficiente para estimular um fluxo do vapor através do leito de peneira molecular a uma taxa de fluxo desejada.

[034]Quando o vapor de etanol aquecido passa sobre o leito de peneira molecular uma porção da água no alimento é preferencialmente absorvido no leito de peneira molecular e desse modo removido do fluxo de vapor de etanol. O vapor de etanol de alimento é passado sobre o leito até que o efluente de etanol desidratado caia para abaixo de uma especificação desejada como descrito na etapa 25 onde a especificação exemplificada é pelo menos prova 198,5. Se o etanol desidratado na etapa 25 atende à especificação, ele é coletado na etapa 30 para obter o produto desejado. Se, porém, as gotas de etanol desidratado abaixo da

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11/29 especificação em termos de teor de água, a coleção do leito de peneira é parada e o leito de peneira é submetido ao processo de regeneração na etapa 40. Opcionalmente, como será descrito em maior detalhe abaixo, para fornecer um processo de desidratação ininterrupto contínuo, o alimento de etanol pode ser desviado para um segundo leito de peneira molecular tandem na etapa 35 ao mesmo tempo em que o primeiro leito de peneira molecular está sendo regenerado pelo processo de oscilação de temperatura do ensino presente na etapa 40.

[035]O processo de regeneração requer aquecer um gás de arraste portador a uma segunda temperatura suficiente para vaporizar a água e qualquer etanol residual retido no leito da peneira molecular. O gás de arraste não necessita conter, e preferivelmente omite etanol ou água. Em tais modalidades, o gás é um gás seco, o que em modalidades típicas significa que o gás contém menos do que 5% em volume de etanol e/ou água por volume de gás. Porém, o ensino presente não exclui uso de um gás de arraste que também inclui uma porção mais alta de etanol e/ou água (um gás úmido) contanto que a quantidade de água por volume de unidade de gás de arraste seja menor do que a quantidade de água por volume nulo de leito de peneira. Como usado aqui, volume nulo é o volume total do leito de peneira menos o volume do material sólido. Qualquer gás aquecido capaz de carregar o vapor de água pode ser usado na prática da invenção. Em modalidades particulares, o gás é selecionado de gás carbônico, nitrogênio e/ou um gás nobre e por razões econômicas, o gás aquecido é preferivelmente CO2.

[036]A segunda temperatura usada para regeneração é maior do que a primeira temperatura usada para carregamento. Em modalidades típicas, a segunda temperatura é maior do que a primeira temperatura em pelo menos 1°C, em pelo menos 5°C, ou em pelo menos 10°C. Em um processo econômico típico para desidratar etanol, a segunda temperatura é cerca de 81-105°C, mais tipicamente cerca de 96°C. O termo cerca de como usado aqui, significa dentro do grau de

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12/29 exatidão e precisão de um instrumento típico usado para medir a temperatura dos gases.

[037]No ensino presente, o gás pode ser aplicado ao leito de peneira na mesma faixa de pressão que foi usada para carregar a coluna com o alimento de etanol. Na modalidade exemplar, tanto a pressão de carga quanto a pressão de regeneração é 108-129 kPa. Este contraste com a técnica anterior, na qual a regeneração do leito de peneira molecular requer aplicar um vapor de etanol desidratado ao leito de peneira molecular a uma pressão de vácuo de cerca de 13,820,7 kPa. Antes do ensino presente, aqueles de experiência ordinária na técnica creditavam que devido ao tamanho de poro muito pequeno de leitos de peneira molecular, a regeneração eficiente de tais leitos usados para desidratar solventes orgânicos exigiu tanto a oscilação de pressão a um vácuo relativo quanto o uso de solvente anidroso para remover a água em uma mistura de água solvente. Surpreendentemente, porém, foi descoberto que o gás aquecido aplicado com, ou mais preferivelmente sem, tal oscilação de pressão pode ser usado para remover água residual suficiente do leito de peneira molecular para regenerar a leito sem a necessidade de usar solvente desidratado ou pressões de vácuo significativas.

[038]Ao mesmo tempo em que qualquer gás capaz de carregar vapor de água é adequado para os métodos ensinados aqui, convenientemente o gás de arraste é CO2 porque é barato e facilmente disponível como um subproduto de um processo de fermentação de etanol. O efluente de vapor (segundo efluente) do fluxo da regeneração do gás aquecido é monitorado quanto ao teor de água na etapa 50. Ao mesmo tempo em que a água permanece no segundo efluente acima de um valor especificado, (por exemplo, acima de 0,5%) 0 fluxo de gás aquecido é continuado. Opcionalmente, 0 efluente de vapor do processo de regeneração pode ser coletado e esfriado na etapa 60 em um condensado de água etanol. O gás que permanece depois da condensação é desse modo secado ou pelo menos

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13/29 parcialmente secado com respeito ao gás efluente, e pode ser opcionalmente reaquecido na etapa 65 e usado de novo por regenerar o leito de peneira molecular.

[039]Em um processo economicamente eficiente, o condensado de água/etanol é coletado na etapa 70 e agrupado com a corrente de alimento de etanol úmido a ser desidratado com isso, desse modo minimizando o resíduo e maximizando a recuperação de etanol desidratado na etapa 30. Quando a água no efluente de gás da etapa de regeneração é reduzida para abaixo do teor de água especificado, o leito de peneira molecular é regenerado e pode ser usado para outra desidratação de etanol úmido na etapa 10.

[040]Como mencionado na seção Antecedentes, nos métodos da técnica anterior o etanol de alimento úmido é tipicamente carregado sobre o leito de peneira molecular a pressões e temperaturas mais altas do que no ensino presente. Em modalidades de pressão baixa da técnica anterior, a pressão de carga é tipicamente na faixa de 114-170 kPa e a temperatura é cerca de 93 a 150°C. Nas modalidades de pressão altas, a pressão é na faixa de 386-474 kPa e a temperatura é cerca de 149°C. Desse modo, na técnica anterior, a relação da pressão de carga e da pressão de regeneração é pelo menos 8 vezes, e a diferença nas pressões, é pelo menos 100 kPa. Ao mesmo tempo em que certos aspectos do presente ensino podem ser praticados usando pressões de carga mais altas, tais diferenças grandes entre as pressões de regeneração e carga não são requeridas, nem é requerido que a pressão de regeneração seja menor do que a pressão de carga. Na realidade, a pressão de regeneração pode ser maior do que a pressão de carga.

[041 ]No ensino presente, não é necessário haver qualquer diferença significativa entre a pressão de carga e a pressão de regeneração. Por nenhuma diferença significativa é entendido que (i) a relação da pressão de carga para a pressão de regeneração é menos do que 5 vezes, menos do que 2 vezes, menos do que 50%, ou em modalidades típicas, é menos do que 25% ou menos do que 10%

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14/29 e/ou (ii) a diferença na pressão de carga e pressão de regeneração é + 80 kPa, + 60 kPa, + 40 kPa, + 20 kPa, ou em modalidades típicas + 10 kPa. Na prática dos métodos presentes, a pressão de carga e a pressão de regeneração podem ser substancialmente as mesmas, significando que a pressão de carga difere da pressão de regeneração por não mais do que + 50%.

[042]Além disso, na etapa de regeneração, não é necessário haver um vácuo relativo à pressão atmosférica ambiente (pressão atmosférica padrão sendo 101,3 kPa (14,7 psia ou 0 psig)). O ciclo de regeneração (como também o ciclo de carga) precisa somente diferir da pressão ambiente por uma quantidade suficiente para empurrar (ou puxar) o fluxo de vapor pelo leito a uma taxa de fluxo adequada.

[043]Consequentemente, em certas modalidades, a pressão de regeneração pode ser uma pressão positiva de 102 kPa ou maior. Em várias modalidades econômicas, a pressão positiva pode estar entre 105 e 150 kPa como na modalidade da Figura 2 onde a pressão de regeneração é 108-129 kPa. Em outras modalidades, a pressão positiva pode estar entre 105 kPa e o limite da pressão para operação funcional da leito de peneira molecular, que é tipicamente cerca de 7000 kPa para leitos de zeólito. Em certas outras modalidades, a pressão pode ser uma pressão negativa relativo ao ambiente suficiente para puxar o gás pelo leito de peneira molecular. Vantajosamente, em tais modalidades, a pressão não necessita ser tão baixo quanto o vácuo de oscilação de pressão usado para puxar o vapor de etanol desidratado pelo leito como na técnica anterior. A pressão requerida pelo presente ensino para puxar o gás de arraste de regeneração pelo suporte molecular pode ser entre 30 kPa e 98 kPa (isto é, 10-79 kPa menor do que a pressão atmosférica padrão). Em várias modalidades econômicas, a pressão pode ser 50-90 kPa., 60-90 kPa, 70-90 kPa ou 50-90 kPa.

[044]Ao mesmo tempo em que o uso das relações de pressão mais altas, diferenças de pressão e pressões relativas à pressão ambiente dentro de quaisquer

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15/29 das faixas precedentes estão no escopo do presente ensino, a produção das faixas mais altas de pressão é geralmente cara, e não necessário para práticas econômicas nos métodos descritos aqui.

[045]Da mesma forma, ao mesmo tempo em que está dentro do escopo do presente ensino usar a carga mais alta e temperaturas de regeneração da técnica anterior, o presente ensino permite uma prática mais econômica usando temperaturas mais baixas. Em várias modalidades para desidratar etanol, por exemplo, a temperatura de carga do vapor de etanol/água pode ser tão baixa quanto 80-95°C, e mais tipicamente 85-90°C. A temperatura de carga idealmente econômica levará em consideração o desempenho do leito, que varia por composição e fabricante. Uma prática econômica típica que usa um leito de peneira molecular de zeólito Tipo 3 de acordo com presente ensino usa uma temperatura de carga de cerca de 85°C. A temperatura de regeneração deveria ser pelo menos 1°C, pelo menos 5°C; ou pelo menos 10°C mais alta do que a temperatura de carga. Na modalidade exemplar, a temperatura de regeneração é cerca de 11°C mais alta do que a temperatura de carga. Consequentemente, em várias modalidades econômicas, a temperatura de regeneração pode ser tão baixa quanto 81-105 °C e mais tipicamente 90-100°C. Levando em consideração o desempenho do leito, uma prática econômica típica usa uma temperatura de carga de cerca de 96°C.

[046]O produto da produtividade de etanol desidratado é mais alto usando o método de gás de regeneração aquecido do ensino presente no lugar de outros métodos tal como regeneração de oscilação de vácuo com vapor de etanol anidroso como o regenerante. Os métodos descritos aqui oferecem benefício econômico significante ao processo de desidratação de etanol. Os leitos de peneira molecular regenerados pelos métodos presentes podem durar até 10 vezes mais tempo d que os leitos de grão de milho, aliviando a necessidade de re-empacotamento frequente do leito, que é um processo demorado.

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16/29 [047]A figura 2 diagramaticamente ilustra um sistema de escala de produção 200 para produzir etanol desidratado que incorpora os métodos do ensino presente. No sistema 200, uma corrente de alimento de etanol aquoso destilado 210 é aquecida a um vapor 215 a uma temperatura de 80-90°C e bombeada por bomba de vapor 212 em uma das duas colunas de leito absorvente de peneira molecular 220a, 220b. Em uma prática típica, um dos leitos absorventes 220a, 220b serão ocupados na desidratação do etanol ao mesmo tempo em que o outro está comprometido na regeneração. As colunas apropriadas 220a, 220b podem ser facilmente selecionadas através de dispositivos de controle mecânicos, por exemplo, pelo uso de uma válvula de alimentação 235. O alimento de vapor 215 é bombeado para cima pelo leito de peneira molecular 220a ou 220b, que absorve a água que resulta em um efluente de vapor de etanol desidratado 232. A válvula de controle 225 pode ser usada para selecionar a partir de qual dos leitos de peneira molecular 220a, 220b se coletará o efluente de vapor desidratado 232.

[048]O teor de água do efluente de vapor desidratado 232 pode ser monitorado por instrumentação de monitoramento apropriado 235, tal como um higrômetro, cromatografia de gás, espectrômetro de massa ou outro equipamento indicador configurado para determinar o teor de água do efluente de vapor desidratado 232. Alternativamente, o teor de água do efluente de vapor desidratado 232 pode ser testado manualmente. Já que o efluente de vapor desidratado 232 atende a especificação apropriada, ele é passado no refrigerador do produto 280, que pode, por exemplo, ser um condensador com base em água ou outro tipo de bomba de calor, para condensar o produto de etanol desidratado que é coletado no recipiente do produto 230.

[049]Quando o efluente de vapor desidratado 232 excede a especificação para teor de água, o alimento de vapor de etanol aquoso 215 é trocado pelo outro leito de peneira molecular 220b ou 220a, como pode ser o caso, e o leito de peneira

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17/29 molecular usado é submetido à regeneração. A válvula de controle 247 pode ser usada para selecionar o leito apropriado 220a, 220b para regeneração. Uma corrente de gás CO2 seco 265 é bombeada por recirculador de vapor 262 em um aquecedor 242 para elevar a temperatura do gás de regeneração para 81-105°C, a temperatura de regeneração sendo selecionada para ser mais alta do que a temperatura de carga do alimento de vapor original 215. O gás de CO2 aquecido 240 é direcionado para 0 leito de peneira molecular apropriado 220a ou 220b a ser regenerado através da válvula de controle 247. Notavelmente, a direção do fluxo do gás aquecido 240 é preferivelmente oposta à direção de fluxo da corrente de alimento de vapor de carga 215, que facilita a regeneração de leito mais eficiente do que quando a direção de fluxo do gás aquecido 240 é a mesma como 0 fluxo do alimento de vapor de etanol 215. O gás de regeneração aquecido 240 pode ser passado sobre os leitos de peneira molecular 220a, 220b a uma pressão positiva exatamente acima da pressão ambiente, obviando a necessidade por um aparato a vácuo para reduzir a pressão para regeneração efetiva.

[050]O gás de regeneração aquecido 240 passa sobre 0 leito de peneira molecular 220a, 220b que remove água e etanol residual que resulta na segunda corrente de efluente de vapor 245. Uma válvula de controle 249 pode ser usada para selecionar 0 leito de peneira molecular apropriado 220a, 220b do qual será coletada a segunda corrente de alimento de efluente de vapor 245. Outro monitor 250 pode ser usado para detectar 0 teor de água da segunda corrente de efluente de vapor 245. Quando a segunda corrente de efluente de vapor 245 tem um teor de água menor do que 0 valor especificado, 0 leito de peneira molecular 220a, 220b é regenerado. Dependendo da necessidade e tempo de ciclo, em várias modalidades, um teor de água menor do que 5%, menor do que 0,5%, menor do que 0,1% ou menor do que 0,01%, pode ser usado como uma especificação para indicar que 0 leito de peneira molecular 220a, 220b está regenerado. A menos que indicado de

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18/29 outro modo, o % de teores de gás referido aqui são porcentagens de volume/volume.

[051 ]O segundo efluente de vapor 245, que contém uma mistura de água e etanol é passado em um refrigerador de pulverização ou outra forma de condensador 260, onde a água e etanol no vapor são condensados em uma mistura líquida de etanol/água recuperada 270. A solução de resfriamento 263 usado no condensador é esfriada por um refrigerador apropriado 267 antes de entrar no condensador 260. O condensador 260 é ajustado com uma bomba refrigerante de recirculação 275 para bombear a solução de resfriamento 263 através do condensador 260 e voltar para o refrigerador 267. A mistura líquida de etanol/água condensada 270 pode ser recuperada e combinada com a corrente de alimento de etanol/água destilada inicial 210 a ser recirculada pelo processe de desidratação ao mesmo tempo em que o CO2 esfriado, agora seco, pode ser reaquecido e recirculado através do recirculador de vapor 262 e aquecedor 242 a ser reutilizado como 0 gás de regeneração 240.

[052]Como mencionado aqui antes, em uma usina de escala industrial economicamente eficiente, a desidratação contínua de etanol é desejada. Para operar continuamente, é necessário manter um fluxo da corrente de alimento inicial 210 do etanol/água a ser desidratado. Manter a corrente de fluxo inicial requer que pelo menos um leito de peneira molecular 220a, 220b sempre esteja disponível para receber a corrente de entrada de vapor de água/etanol 215. Um sistema de leito de peneira molecular dual 220a, 220b ilustrado na Figura 2 pode realizar este objetivo somente se 0 tempo requerido para regeneração for menor do que ou igual ao tempo requerido para desidratação. Na prática porém, quando usando os leitos de peneira molecular para produzir etanol desidratado 230 com uma especificação de pelo menos prova 198,5 a partir de uma corrente de alimento de etanol/água destilada típica 215 de prova 184, 0 tempo que a leito de peneira molecular pode ser

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19/29 usado para desidratação é menor do que o tempo exigido para regenerar a leito para uso subsequente. Por exemplo, em uma modalidade, o ciclo de carga para desidratação poderia continuar durante cerca de 8 minutos antes de o efluente cair para abaixo da especificação, ao mesmo tempo em que o tempo exigido para regenerar o mesmo leito de peneira molecular para obter a mesma capacidade de desidratação foi cerca de 16 minutos.

[053]Um modo para obter processo contínuo levando em conta tais exigências de tempo diferencial é adicionar um terceiro leito de peneira molecular ao sistema como esquematicamente ilustrado na Figura 3. A corrente de entrada de etanol água 215 é comutada entre três leitos de peneira diferentes (Bi, B2 e B3) em pontos alternados no tempo selecionados de forma que um leito de peneira esteja sempre disponível durante 0 ciclo de desidratação ao mesmo tempo em que os outros dois leitos de peneira estão em pontos diferentes no ciclo de regeneração. Por exemplo, usando 8 minutos e 16 minutos como tempos de ciclo exemplares para desidratação e regeneração, respectivamente, em tempo igual a zero minuto (TO), 0 alimento de etanol/água 215 é carregado sobre leito de peneira molecular B1, 0 leito B2 ficou regenerando durante 8 minutos e 0 leito B3 está começando 0 ciclo de regeneração. Em Te a corrente de alimento 215 é comutada para 0 leito de peneira molecular B2, 0 leito B2 teve 16 minutos de regeneração, e 0 leito B1 é comutado pelo ciclo de regeneração 240 com gás de CO2 seco 265 e leito B3 ficou regenerando durante 8 minutos. Em T16, 0 alimento 215 é comutado pelo leito B3, 0 leito B3 completou 16 minutos de regeneração, 0 leito B2 é comutado pelo ciclo de regeneração 240, e 0 leito B1 ficou regenerando durante 8 minutos. Em T24 minutos a corrente de alimento é comutada de volta para 0 leito B1, após 16 minutos de regeneração, 0 leito B3 é comutado para 0 ciclo de regeneração 240, e 0 leito B2 ficou regenerando durante 8 minutos. O ciclo de comutação continua desta maneira de forma que sempre haja um leito de peneira molecular pronto para ser ocupado

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20/29 pela desidratação.

[054]Também há modos para operar um processo contínuo que usa somente leitos duais de peneira molecular. Por exemplo, um modo é reduzir a velocidade da taxa de fluxo da corrente de entrada 215 de forma que o tempo usado durante o ciclo de desidratação se iguale ao tempo requerido para regeneração. Porque a etapa de regeneração normalmente é limitante da taxa, a taxa de fluxo do gás de regeneração 240 é tipicamente ajustada à taxa máxima tolerada pelo leito de peneira molecular durante o ciclo de regeneração. Durante o ciclo de desidratação, as taxas de fluxo mais lentas geralmente levam às zonas de separação para mais distintas. Desse modo, o ciclo de desidratação pode ser reduzido para igualar o ciclo de regeneração sem afetar adversamente o desempenho de desidratação. Porém, uma desvantagem comercial de taxas de fluxo de entrada mais lentas é a produção reduzida por período de tempo de operação.

[055]Outro modo para concluir os tempos de desidratação e regeneração compatíveis e modificar a especificação para a corrente de entrada de etanol/água destilada 215. Desse modo, por exemplo, por outra destilação, a corrente de entrada poderia ser especificada ser pelo menos prova 188 em vez de prova 184. O uso de uma corrente de entrada de grau mais alto 215 significa que os leitos de peneira molecular precisam absorver menos água e então podem ser usados durante um período mais longo de tempo antes do efluente de desidratação 232 cair para abaixo da especificação. Porém, o uso de uma entrada de grau mais elevado normalmente incorrerá em energia e/ou custos de material adicionais para instalar equipamento de destilação mais sofisticado para preparar o alimento inicial 215.

[056]O ensino presente pode ser praticado com qualquer material de leito de peneira molecular capaz de diferencialmente absorver água em comparação a etanol. Ao mesmo tempo em que os materiais de leito de peneira molecular preferidos são zeólitos com base em sílica de alumínio, outros materiais de leito de

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21/29 peneira tal como peneiras com base em polímero que têm tamanhos de poro grande bastante para incluir água e pequeno bastante para excluir etanol, também podem ser usados. Com respeito aos zeólitos, há várias fontes comercialmente disponíveis de leitos de peneira molecular de zeólito geralmente usadas em desidratação de etanol que são adequadas para a prática do presente ensino. Os exemplos incluem, porém não estão limitados a:

[057]Peneira Molecular UOP de UOP LLC, (Des Plaines, IL USA) Peneira Molecular Tipo 3 A; °Forma de cilindro. (~1/8” dia.; 1/4 a 3/8 de comprimento); °Nome químico: Aluminossilicato de Sódio/Potássio; Synonyms: Zeólito);

[058]Sylobead 564ET3A e 562Et de Grace Davison (W.R. Grace & °Cia.Conn., Baltimore, MD USA). Sylobead 562Et: (malha de 4x8), é uma peneira molecular Tipo 3 A de alto desempenho altamente porosa, em forma esférica na qual as aberturas de poro têm um diâmetro de aproximadamente 3 angstrõms e o tamanho de esfera é um diâmetro de 1/8 nominal. Sylobead 564Et: (malha de 8x12), é um aluminossilicato cristalino Tipo A de alto desempenho, altamente poroso, em forma esférica; a abertura de poro nos cristais tem um diâmetro de aproximadamente 3 angstrõms controlada por uma taxa de permuta elevada do cátion de potássio que minimiza a coabsorção de etanol e o tamanho de esfera é um diâmetro 1/16 nominal;

[059]Grau Tipo Z de Sphinx (Sphinx Adsorbents, Inc., Springfield MA USA). Peneira Molecular Tipo Z Grau 3A-8 (malha de 4x8) ou Grau 3A-12 (malha de 8x12). Estas são de forma esférica, com uma densidade aparente de 47lbs/ft³, um tamanho de poro de 3 angstrõm, cátion tipo K, calor de água 1800 BTU/lb de adsorção, teor de água quando transportado 1,5% (em peso), capacidade absortiva máximo de 21% (em peso), calor específico 0,23BTU/lb/°F;

[060]Z3-03 de Zeochem (Louisville, KY, USA). Zeochem Z3-03 ou em malha de 8x12 ou malha de 4x8, forma esférica, nome químico: Mx/n [(AIO2) x (S1O2) y] +

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HbO, fórmula química: potássio de sódio sintético ou aluminosilicato de cálcio, família química: Zeólito de peneira molecular.

[061 ]Zeólito tipo 3 A molecular de Adcoa Adsorbents & Dessicants °Corp. (Los Angeles, °CA, USA), que está disponível em potássio e na forma cristalina que tem as seguintes especificações: 3 angstrõms de tamanho de poro nominal, estrutura de cristal cúbica simples, 21%(em peso) capacidade de água de equilíbrio, 44-46 Ibs/cu. ft. de densidade de volume, 10 Ibs de força de esmagamento (conta), 1800 BTU/lb de calor de H2O de adsorção (max), e 10,5 pH de lama.

[062]Para ajudar alguém de experiência ordinária na técnica, os equilíbrios de adsorção e cinéticas de misturas de etanol-água em peneiras moleculares foram quantificados em sistemas de peneira molecular tal como zeólito cristalino 3A, 4A, NaX, NaY, tanto na fase líquida quanto na fase de vapor (Guan e outros, Separation and Purífication Technology, 31, pp.31-35 (2003), que está incorporado aqui por referência.

[063]Como descrito nos Exemplos 1 a 4 abaixo, vários materiais absorventes de peneira molecular foram comparados com os materiais adsorventes de leito de desidratação natural para demonstrar os métodos de regeneração do ensino presente. Os materiais adsorventes de grãos de milho foram usados de acordo com os seguintes parâmetros de granulação: (os resultados são uma média de quatro Certificados de Análise): US No.10: 0,3% maior do que 2 mm (0,0787 polegadas); US No.16: 87,3% maior do que 1,19 mm (0,0469 polegadas); US No.20: 10,9% maior do que 0,841 mm (0,0331 polegadas); thru US No. 20, 1,5% menor do que 0,841 mm (0,0331 polegadas).

Exemplos [064]Os seguintes exemplos demonstram a invenção em maiores detalhes.

Estes exemplos não são pretendidos limitarem 0 escopo don presente ensino de qualquer forma.

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Exemplo 1

Avaliação da Peneira Molecular quanto à Capacidade Desidratação [065]Quatro absorventes de peneira molecular diferentes foram estudados. Muitos dos testes iniciais envolveram a regeneração das peneiras moleculares com CO2 seco. Os absorventes de peneira molecular testados foram: peneira em mol UOP; Grace Davison 564ET 3A; Grau 3A-8 Tipo Z Sphinx; Zeochem Z3-03. Todos os absorventes foram contas esféricas de malha 4x8. As colunas de vidro jaquetadas foram usadas para manter os absorventes.

Tamanho da coluna é: 25mm de diâmetro interno x 600mm de comprimento [066]O sistema foi operado como segue durante cada ciclo: 0 ciclo de alimentação foi realizado durante 8,25 min e 0 ciclo de regeneração durante 13,75 min, respectivamente. O etanol de alimento (92%(7v)), foi vaporizado bombeando-se por tubos de aço inoxidável, submergidos em um banho de óleo aquecido e aplicados ao leito a uma temperatura de cerca de 85°C. O etanol de produto foi recuperado condensando-se 0 vapor de descarga em um trocador de calor. As amostras de compósito deste etanol condensado foram testadas quanto ao percentual de umidade.

[067]A falha da peneira molecular foi determinada quando 0 etanol do produto caiu para abaixo de uma especificação de prova 198,5 (99,25% (7v)). Para avaliar a peneira molecular, 0 alimento foi iniciado a uma taxa de alimento baixa durante um dia, para garantir equilíbrio, e então foi amostrado. A taxa de alimento de etanol foi aumentada e 0 processo repetido. O gás de regeneração usado, temperatura e taxa de fluxo para todos os adsorventes foram idênticos e inalterados durante 0 teste. A capacidade do adsorvente deveria ser determinada deste teste. Os resultados estão na Tabela 1. A falha de prova de produto é indicada através de sublinhado em negrito. Os pontos de dados em duplicata são resultados da operação, mais do que um dia, nas condições selecionadas. As peneiras

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24/29 moleculares Grace Davison e Zeochem tiveram maior capacidade e mereceram estudo adicional.

Tabela 1. Demonstração de Desidratação de Etanol por material de Zeólito usando regeneração de oscilação térmica._

	Taxa de Alimentação (m L/min)	Prova de Etanol do Produto
Volumes do leito	UOP	Grace	Sphinx	Zeochem
20,4	1,4	199,8	199,8	199,8	199,8
20,4	1,4	199,8	1998	199,6	199,8
24,8	1,7	199,8	199,8	199,8	199,8
29,1	2,0	199,8	199,8	199,8	199,8
29,1	2,0	199,8	199,8	199,8	199,8
33,5	2,3	199,0	199,8	195,6	199,2
33,5	2,3	198,6	199,8	196,0	199,8
33,5	2,3	197,8	199,8	197,4	198,4
36,4	2,5	196,0	199,8	195,0	197,0
38,6	2,65	194,6	199,4	193,4	195,8
40,8	2,8	193,0	198,4	192,0

[068]Para comparar contra o desempenho de adsorventes naturais, a matriz de adsorção o ENVIROSTRIP™ (Archer Daniels Midland Company, Decatur, Illinois, USA), que é um meio de amido de trigo, e grãos de milho convencionais foi avaliado contra o desempenho das peneiras moleculares Grace Davison, e Zeochem de acordo com os mesmos métodos e critérios para a falha de prova do produto. Os resultados são mostrados na Tabela 2. O adsorventes de peneira molecular têm maior capacidade para água, quando comparados com o mesmo volume de adsorventes naturais.

Tabela 2. Comparação de adsorventes de zeólito e/com ingredientes

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25/29 naturais.

	Taxa de Alimentação (mL/min)	Prova de Etanol do Produto
Volumes do leito alimentado	EnviroStrip	Grace	Grãos e milho	Zeochem
29,1	2,0	198,1	199,8	199,1	199,8
34,9	2,4	194,8	199,6	197,1	199,5
36,4	2,5	197,7	199,8	198,1	199,8

Exemplo 2

Regeneração de Leito Adsorvente com CO2 Saturado [069]Para simular as condições industriais para 0 processo de desidratação de etanol, as peneiras moleculares e contas de grão de milho foram regeneradas com CO2 saturado. O desempenho da regeneração de leito melhorou com a diminuição da temperatura de saturação do gás regeneração CO2, isto é, quanto mais baixa a temperatura de CO2, mais água poderia ser removida do etanol. Os dados de comparação de várias peneiras moleculares, Envirostrip e grãos de milho (regenerados com CO2 saturado) e usando um alimento de etanol de prova 184 são mostrados na Tabela 3. Estes testes usaram colunas idênticas e seguiram 0 protocolo de teste usado para 0 Exemplo 1, Tabela 1. A falha da prova do produto, isto é, quando 0 teor de umidade excedeu 0,75% (v/v) é indicado em negrito. O plote mostrado em Figura 5 demonstra a capacidade aumentada da peneira molecular.

[070]C02 é um gás que é gerado durante a fermentação de etanol, que 0 torna um gás facilmente disponível, não inflamável, perfeitamente adequado para este processo. Durante um ciclo de regeneração industrial típico, 0 efluente de vapor de CO2, deixando 0 leito adsorvente é esfriado para precipitar umidade do gás carbônico. Ao resfriar 0 vapor a 5°C (41 °F) a maioria da umidade no CO2 condensa e pode ser separada do gás. Após esta separação, 0 gás é aquecido a uma temperatura próxima de 96°C (205°F) e reciclado pelo leito absorvente, removendo a umidade do leito. Desse modo, 0 leito absorvente foi regenerado suficientemente para ser útil para absorver umidade pelo próximo ciclo de alimentação de etanol com a mesma fonte de gás usada para regenerar 0 leito prévio.

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26/29 [071 ]0s adsorventes regenerados com CO2 saturado, têm capacidade adsorvente mais baixa. O gás de reciclo saturado, sempre conterá uma pequena porcentagem de água. A umidade flui de uma fonte de umidade elevada para umidade baixa. Se 0 CO2 saturado tem 10% de umidade e CO2 seco tem 0%, a força motriz que move a umidade de fonte elevada para baixa, é reduzida por esta quantidade. A diferença pode ser vista comparando-se a Figura 4 (regeneração de CO2 seco) e Figura 5 (regeneração de CO2 saturado). Com a regeneração de CO2 seca, a umidade do produto Envirostrip alcança 1% após ~35 volumes de leito de etanol de alimento e ~28 volumes de leito com regeneração de CO2 saturado. Similarmente, a umidade de produto de grão de milho é 1% após ~50 volumes de leito de alimento (CO2 seco) e ~36 volumes de leito (regeneração de CO2 saturado).

Tabela 3. Regeneração de Leiro Adsorvente de CO2 Saturado.

	Taxa de Alimentação (mL/min)	Prova de Etanol do Produto
Volumes do leito	UOP	Grace	Grãos de milho	Zeochem
27,7	1,9	196,3	198,8	198,2	198,7
28,4	1,95	197,7	199,1	198,8	199,1
29,1	2,0	197,3	198,8	198,2	198,8
29,1	2,0	198,0	199,1	198,8	199,0
33,5	2,3	196,4	198,8	197,4	198,3
34,2	2,35	195,5	198,6	196,2	197,4
34,9	2,4	194,7	198,7	196,9	198,1

[072]Com a peneira molecular Zeochem - 0 avanço ocorre a ~2,3ml_/min (Tabela 3 acima) e ~2,5ml_/min (Tabela 1). Esta peneira molecular aumentou a capacidade quando regenerada com CO2 seco. Com a peneira molecular Grace

Davison - 0 avanço não foi alcançado, durante 0 teste que gerou os dados para

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Tabela 3. A prova do produto em 2,4ml_/min de taxa de alimento é prova 198,7 (Tabela 3). Porém, a prova de produto é 199,8 a uma taxa de alimento de 2,5ml_/min quando regenerado com CO2 seco (Tabela 1) - umidade de produto mais baixa com maior taxa de alimento indica capacidade aumentada com gás de regeneração seco. A regeneração da peneira molecular com CO2 seco aumenta a capacidade e desempenho, porém CO2 seco é mais caro para gerar do que CO2, saturado a 5°C. O desempenho das peneiras moleculares excede os adsorventes naturais com CO2 saturado.

[073]Os adsorventes naturais e zeólitos foram comparados com um teste de avanço. Este teste tem todos os adsorventes regenerados sob condições idênticas. O alimento é iniciado para coluna, e as amostras do produto foram coletadas em intervalos de tempo. O avanço do adsorvente é determinado para ser quando a umidade de amostra do produto exceder 0,75%(7v). Os resultados são plotados na Figura 5. O Envirostrip e grãos de milho alcançaram avanço com menos do que quarenta volumes de leito de alimento de etanol às colunas. A comparação da Figura 4 (regeneração com CO2 seco) e Figura 5 (regeneração com CO2 saturado), a peneira molecular não alcançou avanço, durante 0 período de amostra de qualquer teste.

Exemplo 3

Regeneração de CO2 de Contas de Peneira Molecular de Comprimento Estendido com Gás Seco [074]As colunas foram montadas para alcançar uma profundidade de leito adsorvente de sete pés (2,1 metros) para com mais precisão, modelar um leito adsorvente de escala industrial.

[075]Um Ciclo de Desidratação de Etanol típico em uma usina industrial poderia ser 8,25 minutos de alimento de etanol e cera de 13,75 minutos de ciclo de regeneração de gás carbônico. As colunas piloto foram operadas ao redor do relógio

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28/29 usando os mesmos tempos de ciclo. Um teste de avanço foi usado para determinar/comparar a capacidade de desidratação.

[076]Uma vez que o equipamento ficou operando no sentido horário, antes do Teste de Avanço, o absorvente foi regenerado durante 30-90 minutos. Regenerar o absorvente passando-se CO2 aquecido a uma temperatura de cerca de 96°C sobre 0 leito em direção inversa ao etanol de alimento, através da peneira molecular para remover umidade. Este é 0 ciclo de regeneração prolongado.

[077]Um teste de avanço usa uma taxa de alimento constante, de 92%^v/_v de álcool etílico, para 0 absorvente. As amostras de produto individuais de etanol foram coletadas a intervalos de tempo e 0 percentual de umidade foi medido para cada amostra. Avanço ocorreu quando 0 percentual de água no produto excedeu 0,75% (^v/v). Quanto maior 0 tempo que 0 etanol poderia ser alimentado para uma coluna antes do avanço do produto, mais capacidade 0 absorvente possuiria.

[078]A figura 6 ilustra a capacidade aumentada, para adsorção de água comparada com as peneiras moleculares e grãos de milho.

Exemplo 4 [079]Colunas de Leito de Desidratação de Etanol de Comprimento Estendido operando com regeneração de CO2 saturado [080]Para outro modelo do equipamento industrial - 0 leito de desidratação de comprimento estendido foi operado regenerando-se com gás carbônico saturado. Os dados do sentido horário são compilados na Tabela 4. A Tabela 4 também listas um % da Produção do Produto, que foi calculado como 0 percentual em peso do etanol do produto recuperado do etanol de alimento.

Tabela 4. Coluna de leito de desidratação de comprimento estendido com regeneração de CO2 saturado, a 5°C.__

Dias em Uso	Peneira Molecular	Grãos de mil	ho
Taxa de Alimento (mL/min)	Prova do Produto	Produção do Produto (%)	Taxa de Alimento (mL/min)	Prova do Produto	Produção do Produto (%)
20	11,54	198,6	88,2	7,87	198,7	61,9
19	11,55	198,6	89,1	7,87	198,5	65,8

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18	11,55	198,6	90,1	8,41	198,4	68,1
17	11,47	199,0	89,7	8,39	198,5	70,7
16	10,97	198,7	91,0	8,01	198,4	69,2
15	10,98	198,8	82,6	8,04	198,5	64,5
14	11,05	198,9	90,2	8,11	198,5	69,7
13	10,97	198,7	79,2	8,06	198,3	45,8
12	11,24	199,0	65,5	4,96	198,8	30,3
11	11,39	199,1	76,9	7,96	198,9	63,6
10	11,60	199,0	84,5	7,49	198,7	50,8
9	11,47	199,0	85,5	7,44	198,8	68,3
8	11,92	198,7	91,0	7,84	198,4	79,7
7	11,91	198,9	91,1	7,75	198,6	69,4
6	12,09	198,7	92,3	7,90	198,6	83,1
5	12,14	198,8	91,2	7,96	198,6	83,1
4	12,10	198,5	92,0	7,9	198,4	83,2
3	10,42	199,0	77,6	9,81	197,2	60,6
2	6,41	199,1	76,5	6,48	199,1	52,5
1	5,52	199,3	28,0	5,78	199,1	9,7

[081 ]0 desempenho de coluna de peneira molecular foi constantemente mais elevado do que os adsorventes naturais. Os absorventes sempre receberam regenerações idênticas. As colunas de peneira molecular operaram a taxas de alimento que foram até 46% mais elevada do que a taxa de alimento dos grãos de milho. A produção do etanol produzido com peneira molecular sempre excedeu o adsorvente natural. A taxa de alimento mais elevada e a produção dos adsorventes de peneira molecular os permitiu substituir o adsorvente natural, produzir mais etanol, ter menos reciclo e reduzir o gasto de capital.

[082]Como visto na Tabela 2, Tabela 3, Tabela 4, Figura 4 e Figura 5 - os adsorventes de zeólito têm maior capacidade para água, do que os adsorventes naturais. Um aumento da produção e maior rendimento seriam esperados com quantidades maiores de etanol que avança através dos adsorventes de zeólito.

[083]Considerando modalidades particulares desta invenção que foram descritas para propósitos de ilustração, será evidente para aquelas pessoas versadas na técnica que numerosas variações dos detalhes do presente ensino podem ser feitas sem afastar-se da invenção como definido nas reivindicações juntadas.

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Claims (32)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Processo para regenerar um leito de peneira molecular (220a, 220b) para reutilização na desidratação de etanol, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

   contatar um leito de peneira molecular (220a, 220b) que foi previamente carregado com uma primeira mistura de água e o etanol a uma primeira temperatura na faixa de 80 a 95 °C e uma primeira pressão na faixa de 105 a 150 kPa - com um fluxo de um gás de arraste que não é um solvente anidro a uma segunda temperatura na faixa de 81 a 105°C e a uma segunda pressão que difere da primeira pressão em menos do que 80 kPa, para formar um vapor efluente (245) que compreende o gás de arraste, água e etanol residual removido do leito de peneira molecular (220a, 220b) para regenerar o leito de peneira molecular (220a, 220b) para reutilização.
2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é CO2.
3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que 0 gás de arraste é um gás seco.
4. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira e segunda pressão são iguais.
5. 5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que 0 gás de arraste é contatado com 0 leito de peneira molecular (220a, 220b) a uma pressão positiva em relação à pressão ambiente.
6. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão positiva está entre 105 kPa e um limite de pressão do leito de peneira molecular (220a, 220b).
7. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão positiva está entre 105 e 150 kPa.

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8. 8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda temperatura é maior do que a primeira temperatura em pelo menos 5°C.
9. 9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o leito de peneira molecular (220a, 220b) é compreendido de um material de zeólito.
10. 10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira mistura é carregada no leito de peneira molecular (220a, 220b) em uma primeira direção de fluxo e o gás é contatado com o leito de peneira molecular (220a, 220b) em uma segunda direção de fluxo oposta à primeira direção de fluxo.
11. 11. Processo para desidratar uma mistura de etanol e água, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

    a) contatar uma primeira mistura de etanol e água com um leito de peneira molecular (220a, 220b), com uma primeira temperatura na faixa de 80 a 95°C e a uma primeira pressão na faixa de 105 a 150 kPa e suficiente para estimular a primeira mistura pelo leito de peneira molecular (220a, 220b);

    b) coletar um primeiro efluente contendo etanol, tendo menos água do que a primeira mistura e retendo o leito de peneira molecular (220a, 220b) usado; e

    c) contatar o leito de peneira molecular (220a, 220b) usado com um gás de arraste a uma segunda temperatura maior do que a primeira temperatura e na faixa de 81 a 105°C, a uma segunda pressão que difere da primeira pressão em menos do que 80 kPa, para formar um segundo efluente compreendendo uma mistura de vapor do gás de arraste, água e etanol residual eluídos do leito de peneira molecular (220a, 220b) para obter um leito de peneira molecular (220a, 220b) regenerado.
12. 12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui desidratar uma segunda mistura de etanol e água com o leito de peneira molecular (220a, 220b) regenerado.

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13. 13. Processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que:

    a) o leito de peneira molecular (220a, 220b) é um leito de peneira molecular de zeólito; e

    b) a segunda pressão é igual à primeira pressão.
14. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é CO2 seco.
15. 15. Processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira temperatura é de 85°C e a segunda temperatura é de 96°C.
16. 16. Processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui:

    a) coletar e esfriar 0 segundo efluente para condensar a água e etanol para formar um gás seco recuperado e uma mistura recuperada de água e etanol;

    b) combinar a mistura recuperada de água e etanol com uma segunda mistura de água e etanol a ser desidratada; e

    c) desidratar a mistura combinada pelo ato b usando 0 leito de peneira molecular (220a, 220b) regenerado.
17. 17. Processo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que 0 gás seco recuperado é usado como 0 gás de arraste para a regeneração do leito de peneira molecular (220a, 220b).
18. 18. Processo para regenerar um leito de peneira molecular (220a, 220b) para reutilização na desidratação de um solvente orgânico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, contatar um leito de peneira molecular (220a, 220b) que tenha sido previamente carregado com uma primeira mistura de água e 0 solvente orgânico a uma primeira temperatura e a uma primeira pressão com um fluxo de um gás de arraste que não é um

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    4/6 solvente anidro a uma segunda temperatura maior do que a primeira temperatura e a uma segunda pressão que difere da primeira pressão em menos do que 80 kPa, para formar um vapor efluente (245) que compreende o gás de arraste, água e solvente orgânico residual removido do leito de peneira molecular (220a, 220b) para regenerar o leito de peneira molecular (220a, 220b) para desidratar uma segunda mistura de água e o solvente orgânico.
19. 19. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que o solvente orgânico é etanol.
20. 20. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é CO2.
21. 21. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira e segunda pressão são iguais.
22. 22. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que 0 gás de regeneração (240) é contatado com 0 leito de peneira molecular (220a, 220b) a uma pressão positiva em relação à pressão ambiente.
23. 23. Processo, de acordo com a reivindicação 22, CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão positiva é entre 105 kPa e um limite de pressão do leito de peneira molecular (220a, 220b).
24. 24. Processo, de acordo com a reivindicação 22, CARACTERIZADO pelo fato de que a pressão positiva está entre 108 e 129 kPa.
25. 25. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda temperatura é maior do que a primeira temperatura em pelo menos 5°C.
26. 26. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui coletar e esfriar 0 efluente para condensar a água e solvente orgânico para formar um gás seco e uma mistura recuperada de água e solvente orgânico.

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27. 27. Processo, de acordo com a reivindicação 26, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda mistura de água e solvente orgânico carregada no leito de peneira molecular (220a, 220b) é compreendida da mistura recuperada de água e solvente orgânico.
28. 28. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que o leito de peneira molecular (220a, 220b) é compreendido de um material de zeólito.
29. 29. Processo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira mistura é carregada no leito de peneira molecular (220a, 220b) em uma primeira direção de fluxo e o gás é contatado com o leito de peneira molecular (220a, 220b) em uma segunda direção de fluxo oposta à primeira direção de fluxo.
30. 30. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de arraste é um gás seco.
31. 31. Sistema (200) para desidratar etanol conforme o processo definido na reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

    a) um primeiro leito de peneira molecular (220a);

    b) um segundo leito de peneira molecular (220b); e

    c) montagens de válvulas de controle (225, 247, 249) configuradas para independentemente mudar um fluxo da primeira mistura de etanol/água e um fluxo de gás de arraste, entre o primeiro e segundo leitos de peneira molecular (220a, 220b), de forma que pelo menos um dentre o primeiro e segundo leito de peneira (220a, 220b) seja comprometido para desidratar o etanol ao mesmo tempo em que o outro dos leitos de peneira molecular (220a, 220b) está comprometido para ser regenerado com o gás de arraste.
32. 32. Sistema, de acordo com a reivindicação 31, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente inclui um condensador (260) e montagens de válvulas de

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    6/6 controle (225, 247, 249) configurados para coletar e condensar água e etanol residual de um efluente do leito de peneira molecular (220a, 220b) ocupado na regeneração e para dirigir a água condensada e etanol residual para o primeiro leito de peneira molecular (220a) ocupado na desidratação.

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    3/5

    0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

    Tempo