Describimos
en este nuevo artículo un proceso de separación de gases usando motores de
inducción de alta velocidad. Más específicamente hablamos del uso de motores de
inducción con control de velocidad variable y compresores centrífugos para presurizar
y/o evacuar recipientes adsorbentes dentro de un sistema de separación de gas
de tipo adsorción.
Más
específicamente, la separación de aire puede llevarse a cabo usando procesos de adsorción, en particular,
pressure swing adsorption (PSA) y vacuum pressure swing adsorption (VPSA) type
processes. En los procesos PSA y VPSA, el aire comprimido se bombea a través de
un lecho fijo de un adsorbente exhibiendo una preferencia adsortiva para uno de
los constituyentes principales donde se obtiene un chorro de producto de
efluentes realzado en el constituyente no adsorbed. Comparado con los procesos
de separación de aire criogénico tradicional, los procesos de adsorción para
separación requieren un equipamiento relativamente simple y son relativamente
fáciles de mantener.
Los procesos
de adsorción, sin embargo, típicamente tienen una recuperación del producto más
baja que muchos procesos criogénicos. Por este motivo, las mejoras en la
eficiencia en los procesos de adsorción queda como un objetivo importante.
Algunos de tales adsorbentes han llevado a tiempos de ciclo reducidos dentro de
un proceso de adsorción dado. En consecuencia, se requieren nuevos equipos
capaces de cumplir las demandas de tiempos de ciclo reducidos.
También hay
una demanda de PSA y VPSA con menor consumo energético. El proceso básico
emplea un adsorbente selectivo para quitar al menos un componente de una mezcla
de gas, empleando cuatro pasos básicos del proceso: (1) Adsorption, (2)
depresurización, (3) purga y, (4) represurización. La mezcla de gas conteniendo
el componente más fácilmente adsorbible se pasa a través de al menos un lecho
de adsorbente capaz de adsorber los componentes más fácilmente adsorbible en
una presión de adsorción predeterminada. El chorro de gas saliendo el lecho en
su presión superior es ahora concentrado en el componente menos adsorbible, y
es quitado por ejemplo como producto. Cuando el lecho llega a ser saturado con
el componente más fácilmente adsorbible, el lecho es despresurizado a una
presión de desorción inferior para la desorción del componente más fácilmente
adsorbible, con este gas luego descargado desde el sistema. Algunos procesos
pueden incluir pasos adicionales tales como ecualización y presurización del
producto.
Los procesos
VPSA y PSA convencionales emplean sopladores de desplazamiento positivo de tipo
rotatorio tanto para la presurización como para la evacuación en un lecho
adsorbente. Estos sopladores lóbulo rotatorio convencional típicamente tienen
eficiencias más bajas y costes de mantenimiento más altos que los compresores centrífugos,
pero adaptan bastante bien la naturaleza de oscilación del ciclo oscilante de
presión.
En el
pasado, los compresores centrífugos en velocidades fijas con y sin paletas
guías de admisión (IGVs) y con un variador de frecuencia variable se han
considerado para procesos PSA y VPSA debido a sus altas eficiencias cuando se
comparan con los sopladores de lóbulo rotatorios convencionales. Para usar
compresores centrífugos en ciclos oscilantes de presión altamente dinámicos, es
necesario emplear IGVs, control de velocidad variable o una combinación de
ambos. Ya que la presión del ciclo PSA o BPSA se desvían de la condición de
presión de diseño de un compresor centrífugo de velocidad fija, la eficiencia
de la etapa se deteriora sustancialmente, especialmente cuando la operación al
ratio de presión se acerca a 1. Esto da como resultado un consumo de potencia
incrementada y un deterioro de la eficiencia del compresor promedio sobre el
ciclo PSA o VPSA. Variando continuamente las velocidades del compresor, sin
embargo, se acoplan los requerimientos de altura tanto de presurización como de
evacuación de los lechos adsorbentes, los compresores pueden teóricamente ser
operados a su eficiencia pico desde la velocidad de diseño 100 % a una
velocidad sustancialmente más baja. El consumo de potencia ahora llega a ser
muy pequeño, y de aquí, la economía de potencia promedio y la eficiencia de
ciclo total mejora dramáticamente en relación al uso de sopladores de lóbulo
rotatorio.
El uso de
compresores centrífugos de velocidad fija convencional con y sin IGVs no es
ideal debido a su rango de operación limitado. Un compresor centrífugo de
velocidad variable convencional puede tener un rango de operación mejorado y
ahorros de energía mejorados por el uso de IGVs con una reducción en caudal.
Los avances
en el diseño de IMs de alta velocidad en recientes años permite el
accionamiento directo de los compresores centrífugos y por la aplicación en
sistemas PSA o VPSA. Algunos desarrollos clave incluyen: (a) emplean varias
estrategias para limitar las pérdidas I2R del rotor, (b) solventando
el problema del crecimiento de la barra del rotor térmico, mientras que se
mantiene la estabilidad dinámica del rotor a altas velocidades, (c) diseñando
rotores que pueden resistir tensiones y fatigas a altas velocidades, (d)
diseñando un sistema de enfriamiento de motor eficiente que permite tamaño
compacto y máxima utilización de materiales, y (e) incorporación de rodamientos
magnéticos activos que toman ventaja de electrónica digital para realzar
estabilidad dinámica mientras se reducen pérdidas.
La alta
velocidad con referencia a los motores de inducción se refiere a IMs capaz de
operar a velocidades superiores a 3600 rpm, preferiblemente entre 3600 y 15000
rpm, diseñados para operación de velocidad variable. El diseño y velocidad
actual de tal IMs de alta velocidad puede variar dependiendo de los sistemas y
procesos en los que los IMs se implementan. Preferiblemente, IM estará operando
a velocidades de diseño por encima de 5000 rpm.
El sistema
que describimos es adsorción de presión/vacío PSA o VPSA con al menos un
recipiente conteniendo al menos un lecho adsorbente. El lecho adsorbente
incluye al menos un material adsorbente. En algunas configuraciones, al menos
un lecho adsorbente es cíclicamente presurizado por al menos un compresor de
alimentación y a veces evacuado por al menos un compresor de vacío, con al
menos un compresor de alimentación o al menos un compresor de vacío accionado
por un compresor centrífugo por al menos una IM de alta velocidad asociada. En
algunas configuraciones, el compresor que no es compresor centrífugo puede ser
un soplador de lóbulo rotatorio accionado por un IM.
Bibliografía
Systems and methods for gas
separation using high-speed induction motors with centrifugal compressors. US 2011/0277629
A1 United States Patent Application Publication
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