Sistemas y métodos para separación del gas usando motores de inducción de alta velocidad con compresores centrífugos

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.

La separación de un gas de una mezcla con otros gases es un proceso industrial importante. En tales procesos.

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