BR112020021060A2

BR112020021060A2 - unidade de separação de ar, e, método de separação de ar.

Info

Publication number: BR112020021060A2
Application number: BR112020021060-9A
Authority: BR
Inventors: Neil M. Prosser; James R. Handley; Brian R. Kromer
Original assignee: Praxair Technology, Inc.
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2021-02-17
Also published as: EP3784966A1; CN112005068A; KR20200130478A; CN112005068B; US10816263B2; US20190331418A1; WO2019209673A1; KR102261625B1; CA3097181A1; EP3784966B1; CA3097181C

Abstract

''UNIDADE DE SEPARAÇÃO DE AR, E, MÉTODO DE SEPARAÇÃO DE AR''. São revelados uma unidade de separação de ar sob pressão moderada e um ciclo de separação de ar que fornecem recuperação de até cerca de 96% de argônio e uma recuperação total de nitrogênio de 98% ou maior. A separação de ar é configurada para produzir uma corrente enriquecida de oxigênio de alta pureza que é usada como o refrigerante para condensar o argônio no condensador de argônio, com a corrente de oxigênio vaporizado resultante usada para regenerar a unidade pré-purificadora de adsorção por variação de temperatura. A recuperação de argônio é facilitada com o uso de uma coluna de argônio de superestágios.

Description

1 / 29 UNIDADE DE SEPARAÇÃO DE AR, E, MÉTODO DE SEPARAÇÃO DE

AR CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere à recuperação de produtos de uma unidade criogênica de separação de ar sob pressão moderada e, mais particularmente, a um sistema e método para a alta recuperação de argônio e nitrogênio a partir de uma unidade criogênica de separação de ar sob pressão moderada.

ANTECEDENTES

[002] Plantas ou instalações de separação de ar direcionadas para a produção de nitrogênio que operam em pressões moderadas (isto é, pressões que são mais elevadas do que as pressões de unidades de separação de ar convencionais) já existem há algum tempo. Em unidades de separação de ar convencionais, se nitrogênio em pressão moderada é desejado, a coluna de pressão mais baixa poderia ser operada a uma pressão acima daquela das unidades de separação de ar convencionais. No entanto, essa operação resultaria, tipicamente, em uma diminuição significativa na recuperação de argônio uma vez que muito do argônio seria perdido nas correntes ricas em oxigênio ou ricas em nitrogênio em vez de ser passado para a coluna de argônio.

[003] Para aumentar a recuperação de argônio em tais unidades de separação de ar de produção de nitrogênio, sob pressão moderada, foi desenvolvido no final da década de 1980 e início da década de 1990 um ciclo de separação de ar modificado. Consulte, por exemplo, a publicação técnica Cheung, Moderate Pressure Cryogenic Air Separation process, Gas Separation & Purification, Vol 5, março de 1991 e a patente US n° 4.822.395 (Cheung). Nesses documentos da técnica anterior, é revelado uma planta de separação de ar de produção de nitrogênio e argônio com uma recuperação ligeiramente alta de argônio. O ciclo de separação de ar modificado envolve operar a coluna de pressão mais alta a uma pressão nominal de, de preferência, entre cerca de 80

2 / 29 e 150 psia, enquanto a coluna de pressão mais baixa opera, de preferência, a uma pressão nominal de cerca de 20 para 45 de psia, e a coluna de argônio também operaria, de preferência, a uma pressão nominal de cerca de 20 a 45 psia. A recuperação de nitrogênio de alta pureza (isto é, pureza > 99,98%) em pressão moderada de cerca de 20 a 45 psia é de aproximadamente 94%. A alta recuperação de argônio a 97,3% de pureza e pressões de entre cerca de 20 e 45 psia é geralmente acima de 90%, mas é limitada a cerca de 93%.

[004] Nos ciclos de separação de ar sob pressão moderada da técnica anterior descritos acima, oxigênio líquido de alta pureza do reservatório da coluna de pressão mais baixa é usado como o refrigerante no condensador de argônio em vez de líquido de caldeira. Entretanto, quando o oxigênio líquido de alta pureza do reservatório da coluna de pressão mais baixa é usado, a coluna de argônio precisa operar em pressões mais altas do que as colunas de argônio convencionais para obter a diferença de temperatura necessária no condensador de argônio. O aumento na pressão da coluna de argônio exige que a coluna de pressão mais baixa e a coluna de pressão mais alta também operem em pressões mais altas do que as unidades de separação de ar convencionais.

[005] O uso de oxigênio líquido de alta pureza no condensador de argônio também significa que a corrente grande de vapor da caldeira que normalmente alimenta a coluna de pressão mais baixa é evitada, o que fornece um aprimoramento acentuado na recuperação. Como resultado, altas recuperações de nitrogênio e argônio são possíveis com este ciclo de separação de ar sob pressão moderada, embora as pressões elevadas penalizem de outro modo a recuperação em comparação com os ciclos de separação de ar convencionais. A operação sob pressão moderada da unidade de separação de ar é geralmente benéfica para a produção de nitrogênio, pois isso significa que a compressão de nitrogênio é menos intensiva de energia e o compressor de nitrogênio tenderá a ser menos caro do que os compressores de nitrogênio dos sistemas convencionais.

3 / 29

[006] O que é necessário é uma unidade de separação de ar com pressão moderada aprimorada e um ciclo de separação de ar sob pressão moderada que melhorem ainda mais a recuperação de argônio e aumentem a recuperação total de nitrogênio.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[007] A presente invenção pode ser caracterizada como uma unidade de separação de ar configurada para produzir um ou mais produtos de nitrogênio de alta pureza e ter uma recuperação de nitrogênio de 98 por cento ou mais. A presente unidade de separação de ar compreende (i) um sistema de compressão de ar principal configurado para receber uma corrente de ar de entrada do fluxo de alimentação e produzir uma corrente de ar comprimido; (ii) uma unidade pré-purificadora baseada em adsorção configurada para remover vapor d' água, dióxido de carbono, óxido nitroso e hidrocarbonetos da corrente de ar comprimido e produzir uma corrente de ar comprimido e purificado, sendo que a corrente de ar comprimido e purificado é dividida em ao menos uma primeira parte da corrente de ar comprimido e purificado e uma segunda parte da corrente de ar comprimido e purificado; (iii) um sistema de troca de calor principal configurado para resfriar a primeira parte da corrente de ar comprimido e purificado para produzir uma corrente de vapor/ar e para resfriar parcialmente a segunda parte da corrente de ar comprimido e purificado; (iv) uma disposição de turboexpansor configurada para expandir a segunda parte parcialmente resfriada da corrente de ar comprimido e purificado para formar uma corrente de exaustão que confere refrigeração à unidade de separação de ar; (v) um sistema de colunas de destilação que tem uma coluna de pressão mais alta tendo uma pressão operacional entre 6,0 bar e 10,0 bar e uma coluna de pressão mais baixa tendo uma pressão operacional entre 1,5 bar e 2,8 bar ligadas em uma relação de transferência de calor por meio de um condensador- refervedor, sendo que o sistema de colunas de destilação inclui adicionalmente uma disposição de coluna de argônio acoplada de modo operacional à coluna

4 / 29 de pressão mais baixa, sendo que a disposição de coluna de argônio tem ao menos uma coluna de argônio e um condensador de argônio. O sistema de colunas de destilação é configurado para receber toda a corrente de ar-vapor ou uma porção dela na coluna de pressão mais alta e para receber a corrente de exaustão na coluna de pressão mais alta ou na coluna de pressão mais alta e para produzir uma ou mais correntes enriquecidas de oxigênio a partir da coluna de pressão mais baixa e uma corrente de topo de nitrogênio a partir da coluna de pressão mais baixa. A coluna de argônio é configurada para receber uma corrente enriquecida de argônio-oxigênio da coluna de pressão mais baixa e para produzir uma corrente de fundo da coluna enriquecida de oxigênio que é retornada para ou liberada para dentro da coluna de pressão mais baixa e um topo enriquecido de argônio que é direcionado para o condensador de argônio, o qual é configurado para condensar o topo enriquecido de argônio contra a corrente enriquecida de oxigênio sub-resfriada para produzir uma corrente de argônio bruto ou uma corrente de produto de argônio, uma corrente de refluxo de argônio, uma corrente de descarta enriquecida de oxigênio e uma corrente rica em oxigênio líquido. A unidade de separação de ar inclui adicionalmente uma disposição de sub-resfriador acoplada de modo operacional ao sistema de colunas de destilação e configurada para sub-resfriar uma corrente de oxigênio de caldeira da coluna de pressão mais alta e uma corrente de nitrogênio do condensador-refervedor através de troca de calor indireta com a corrente de topo de nitrogênio a partir da coluna de pressão mais baixa. A disposição do sub-resfriador é configurada adicionalmente para sub-resfriar ao menos uma dentre as correntes enriquecidas de oxigênio a partir da coluna de pressão mais baixa através da troca de calor indireta com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio.

[008] Alternativamente, a presente invenção pode ser caracterizada como um método de separação de ar para produzir um ou mais produtos de nitrogênio de alta pureza em uma unidade criogênica de separação de ar com

5 / 29 uma recuperação de nitrogênio de 98 por cento ou mais.

O presente método compreende as etapas de: (a) comprimir uma corrente de ar de entrada do fluxo de alimentação para produzir uma corrente de ar comprimido; (b) purificar a corrente de ar comprimido em uma unidade de pré-purificação baseada em adsorção configurada para remover vapor d' água, dióxido de carbono, óxido nitroso e hidrocarbonetos da corrente de ar comprimido para produzir uma corrente de ar comprimido e purificado; (c) dividir a corrente de ar comprimido e purificado em ao menos uma primeira parte da corrente de ar comprimido e purificado e uma segunda parte da corrente de ar comprimido e purificado; (d) resfriar a primeira parte da corrente de ar comprimido e purificado para uma corrente de ar-vapor a uma temperatura adequada para retificação em um sistema de destilação criogênica e resfriar parcialmente a segunda parte da corrente de ar comprimido e purificado; (e) expandir a segunda parte parcialmente resfriada da corrente de ar comprimido e purificado em uma turbina para formar uma corrente de exaustão; (f) retificar a corrente de ar e a corrente de exaustão em um sistema de colunas de destilação criogênica que tem uma coluna de pressão mais alta tendo uma pressão operacional entre 6,0 bar e 10,0 bar e uma coluna de pressão mais baixa tendo uma pressão operacional entre 1,5 bar e 2,8 bar, sendo que a coluna de pressão mais alta e a coluna de pressão mais baixa são ligadas em uma relação de transferência de calor através de um condensador-refervedor, sendo que a etapa de retificação produz uma ou mais correntes enriquecidas de oxigênio da coluna de pressão mais baixa, uma corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa, e uma corrente de nitrogênio condensado do condensador-refervedor; (g) sub- resfriar ao menos uma das uma ou mais correntes enriquecidas de oxigênio da coluna de pressão mais baixa em uma unidade sub-resfriadora através da troca de calor indireta com uma coluna de descarte enriquecida de oxigênio; (h) sub- resfriar uma corrente de oxigênio da caldeira da coluna de pressão mais alta e a corrente de nitrogênio condensado do condensador-refervedor através de

6 / 29 troca de calor indireta com a corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa; (i) retificar a corrente enriquecida de oxigênio-argônio extraída da coluna de pressão mais baixa em uma disposição de coluna de argônio, sendo que a disposição de coluna de argônio tem ao menos uma coluna de argônio e um condensador de argônio e sendo que a coluna de argônio é configurada para produzir uma corrente de fundo da coluna enriquecida de oxigênio e um topo enriquecido de argônio; (j) retornar a corrente de fundo enriquecida de oxigênio da coluna de argônio para a coluna de pressão mais baixa; (k) direcionar o topo enriquecido de argônio da coluna de argônio para o condensador de argônio; (l) condensar o topo enriquecido de argônio no condensador de argônio contra a corrente enriquecida de oxigênio sub-resfriada da coluna de pressão mais baixa para produzir uma corrente de argônio bruto, uma corrente de refluxo de argônio, a corrente de descarte enriquecida de oxigênio e uma corrente rica em oxigênio líquido; e (m) aquecer a corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa em um trocador de calor principal para produzir um produto de nitrogênio gasoso e obter uma porção da corrente de nitrogênio condensado do condensador-refervedor como um produto de nitrogênio líquido.

[009] No presente sistema e método, a unidade pré-purificadora baseada em adsorção é, de preferência, uma unidade de adsorção por variação de temperatura de múltiplos leitos configurada para purificar a corrente de ar comprimido, sendo que a unidade de adsorção por variação de temperatura de múltiplos leitos é configurada de modo que cada leito alterna entre uma fase de operação em linha que absorve o vapor de água, o dióxido de carbono, e o hidrocarbonetos da corrente de ar comprimido e uma fase de operação fora de linha na qual o leito é regenerado ou purgado com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio tendo, de preferência, mais que 90 por cento de teor de oxigênio e até cerca de 99,5 por cento de oxigênio. A unidade pré-purificadora baseada em adsorção inclui adicionalmente, de preferência, um aquecedor a

7 / 29 vapor, um aquecedor elétrico, ou outro aquecedor sem combustão configurado para aquecer a corrente de descarte enriquecida de oxigênio a uma temperatura menor que ou igual a cerca de 450 °F, de preferência menor que cerca de 400 °F, para uso na regeneração dos leitos adsorventes na unidade de adsorção por variação de temperatura.

[0010] Em algumas modalidades do presente sistema e método, a corrente enriquecida de oxigênio da coluna de pressão mais baixa é: (1) uma corrente enriquecida de oxigênio de alta pureza obtida a partir de um reservatório onde os fundos líquidos da coluna rica em oxigênio estão localizados e tem uma concentração de oxigênio maior que 99,5%; ou (2) uma corrente enriquecida de oxigênio de pureza mais baixa obtida vários estágios acima de um reservatório onde os fundos líquidos da coluna rica em oxigênio estão localizados e tem uma concentração de entre cerca de 93% e 99,7%.

[0011] A disposição preferencial da coluna de argônio é configurada para operar a uma pressão de entre cerca de 1,3 bar e 2,8 bar e pode ser configurada como é uma coluna de superestágios tendo entre 180 e 260 estágios de separação e uma coluna de argônio de alta proporção. Alternativamente, a disposição da coluna de argônio pode ser configurada como uma coluna de ultra-superestágios tendo entre 185 e 270 estágios de separação. Opcionalmente, um sistema de refino de argônio configurado para refinar a corrente de argônio bruto para produzir uma corrente de produto de argônio de alta pureza pode ser disposto a jusante do condensador de argônio, o sistema de refino de argônio. Em tais modalidades, o sistema de refino de argônio pode ser um sistema baseado em adsorção de argônio líquido, um sistema baseado em adsorção de argônio da fase gasosa, ou um sistema baseado em desoxigenação catalítica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] Embora a descrição a seguir do presente sistema e método conclua com reivindicações que indicam especificamente o assunto que os

8 / 29 requerentes consideram como sua invenção, acredita-se que o presente sistema e método serão melhor compreendidos quando considerados em conjunto com os desenhos em anexo nos quais a Figura 1 e a Figura 2 são esquemáticos de fluxo de processo de uma unidade de separação de ar de acordo com modalidades selecionadas do presente sistema.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0013] O sistema e o método aqui revelados fornecem uma separação criogênica de ar com uma alta recuperação de nitrogênio e alta recuperação de argônio. A corrente enriquecida de oxigênio de alta pureza produzida na coluna de pressão mais baixa do sistema de colunas de destilação revelado é usada primeiro como o meio de condensação no condensador de argônio para condensar a corrente rica em argônio e a evaporação rica em oxigênio do condensador de argônio é então usada como um gás de purga para regenerar os leitos adsorventes na unidade pré-purificadora com base em adsorção. A recuperação de argônio é facilitada com o uso de uma coluna de argônio de superestágios e uma coluna de alta proporção ou uma coluna de argônio de superestágios com seção de pasteurização e nenhuma coluna de alta proporção acoplada de modo operacional à mesma. Detalhes do presente sistema e método são fornecidos nos parágrafos a seguir. Alta recuperação de produtos de nitrogênio a pressões moderadas

[0014] Com referência à Figura 1, é mostrada uma ilustração esquemática simplificada de uma unidade de separação de ar 10. Em um sentido amplo, as unidades de separação de ar representadas incluem um trem ou sistema de compressão de ar do fluxo de alimentação principal 20, um circuito de ar de turbina 30, um sistema de troca de calor primário 50, e um sistema de colunas de destilação 70. Como usado aqui, o trem de compressão de ar do fluxo de alimentação principal, o circuito de ar de turbina, e o circuito de ar reforçador compreendem, coletivamente, o circuito de compressão de ar de ‘extremidade morna’. De modo similar, o trocador de calor principal ou

9 / 29 primário, porções do circuito de refrigeração baseado em turbina e porções do sistema de colunas de destilação são chamados de sistemas/equipamentos de ‘extremidade fria’, que são tipicamente alojados em caixas frias isoladas.

[0015] No trem de compressão do fluxo de alimentação principal mostrado nas figuras, o ar de entrada do fluxo de alimentação 22 é tipicamente aspirado através de um compartimento de filtro de sucção de ar (ASFH - "Air Suction Filter House") e é comprimido em uma disposição de compressor de ar principal interresfriado multiestágios 24, para uma pressão que pode estar entre cerca de 6,5 bar(a) e cerca de 11 bar(a). Essa disposição de compressor de ar principal 24 pode incluir estágios de compressor integralmente engrenados ou estágios de compressor com acionamento direto, dispostos em série ou em paralelo. A corrente ar comprimido 26 que sai da disposição de compressor de ar principal 24 é alimentada em um pós-resfriador (não mostrado) com um eliminador de névoa integral para remover a umidade livre na corrente de ar de entrada do fluxo de alimentação. O calor de compressão dos estágios finais de compressão para a disposição de compressor de ar principal 24 é removido em pós-resfriadores mediante o resfriamento do ar do fluxo de alimentação comprimido com água da torre de resfriamento. O condensado proveniente desse pós-resfriador bem como de alguns dos interresfriadores na disposição de compressão de ar principal 24 é de preferência transportado por tubulações até um tanque de condensado e usado para fornecer água a outras porções da instalação de separação de ar.

[0016] A corrente de ar comprimido frio e seco 26 é, então, purificada em uma unidade de pré-purificação 28 para remover contaminantes com alto ponto de ebulição do fluxo de alimentação de ar comprimido frio e seco. Uma unidade de pré-purificação 28, conforme é bem conhecido na técnica, tipicamente contém dois leitos de alumina e/ou peneira molecular que operam de acordo com um ciclo de adsorção por variação de temperatura, no qual a umidade e outras impurezas, como dióxido de carbono, vapor d’água e

10 / 29 hidrocarbonetos, são adsorvidas. Enquanto um dos leitos é usado para pré- purificação do fluxo de alimentação de ar comprimido frio e seco, o outro leito é regenerado, de preferência com uma porção do nitrogênio de descarte proveniente da unidade de separação de ar. Os dois leitos alternam periodicamente o serviço. Os particulados são removidos do ar comprimido e pré-purificado do fluxo de alimentação em um filtro para poeira disposto a jusante da unidade de pré-purificação 28, a fim de produzir a corrente de ar comprimido e purificado 29.

[0017] A corrente de ar comprimido e purificado 29 é separada em frações ricas em oxigênio, ricas em nitrogênio e ricas em argônio em uma pluralidade de colunas de destilação incluindo uma coluna de pressão mais alta 72, uma coluna de pressão mais baixa 74 e uma coluna de argônio 129. Antes dessa destilação, porém, a corrente de ar comprimido e pré-purificado 29 é tipicamente dividida em uma pluralidade de correntes de ar do fluxo de alimentação, as quais podem incluir uma corrente de ar do ebulidor 42 e uma corrente de ar da turbina 32. A corrente de ar do ebulidor 42 pode ser adicionalmente comprimida em uma disposição de reforçador-compressor 44 e subsequentemente resfriada em um pós-resfriador 45 para formar uma corrente de ar sob pressão reforçada 46 que é então adicionalmente resfriada até as temperaturas necessárias para retificação no trocador de calor principal 52. O resfriamento ou resfriamento parcial das correntes de ar no trocador de calor principal 52 é, de preferência, obtido por meio de troca de calor indireta com as correntes de aquecimento, as quais incluem as correntes de oxigênio 197, 386 bem como as correntes de nitrogênio 195 provenientes do sistema de colunas de destilação 70 para produzir as correntes de ar resfriado do fluxo de alimentação 38 e 47.

[0018] A corrente de ar parcialmente resfriado do fluxo de alimentação 38 é expandida na turbina 35 para produzir a corrente de exaustão 64 que é direcionada para a coluna de pressão mais baixa 74. A refrigeração para a

11 / 29 unidade de separação de ar 10 é também tipicamente gerada pela turbina 35 e outras disposições de turbina fria e/ou quente associadas, como circuitos de refrigeração quente que são geralmente conhecidos na técnica. A corrente de ar completamente resfriada 47 é introduzida na coluna de pressão mais alta 72.

[0019] O trocador de calor principal 52 é, de preferência, um trocador de calor do tipo barbatana em placa de alumínio brasada. Esses trocadores de calor são vantajosos devido a seu design compacto, suas altas taxas de transferência de calor e sua capacidade para processar múltiplas correntes. Eles são fabricados como recipientes de pressão completamente brasados e soldados. Para unidades de separação de ar pequenas, um trocador de calor compreendendo um único núcleo pode ser suficiente. Para unidades de separação de ar maiores, lidando com fluxos mais altos, o trocador de calor pode ser construído a partir de vários núcleos, os quais precisam ser conectados em paralelo ou em série.

[0020] Os circuitos de refrigeração baseados em turbina são frequentemente chamados de uma disposição de turbina de coluna inferior (LCT - "Lower Column Turbine") ou de uma disposição de turbina de coluna superior (UCT - "Upper Column Turbine"), as quais são usadas para fornecer refrigeração a sistemas de colunas de destilação criogênica de ar com duas colunas ou com três colunas. Na disposição de UCT mostrada nas figuras, a corrente de ar comprimido e resfriado da turbina 32 está, de preferência, a uma pressão na faixa entre cerca de 6 bar(a) e cerca de 10,7 bar(a). A corrente de ar comprimido e resfriado da turbina 32 é direcionada ou introduzida no trocador de calor principal ou primário 52, no qual é parcialmente resfriada até uma temperatura em uma faixa de entre cerca de 140 e cerca de 220 Kelvin para formar uma corrente de ar de turbina comprimido e parcialmente resfriado 38 que é introduzida em um turbina 35 para produzir uma corrente de exaustão fria 64 que é então introduzida na coluna de pressão mais baixa 74 do sistema de colunas de destilação 70. A refrigeração suplementar criada pela expansão da

12 / 29 corrente 38 é, portanto, diretamente transmitida à coluna de pressão mais baixa 72, aliviando assim parte do trabalho de resfriamento do trocador de calor principal 52. Em algumas modalidades, a turbina 35 pode ser acoplada a um reforçador-compressor 34 que é usado para comprimir adicionalmente a corrente de ar da turbina 32, seja diretamente ou por engrenagem adequada.

[0021] Embora o circuito de refrigeração baseado em turbina nas figuras seja mostrado como um circuito de turbina de coluna superior (UCT) no qual a corrente de exaustão de turbina é direcionada para a coluna de pressão mais baixa, é contemplado que o circuito de refrigeração baseado em turbina possa, alternativamente, ser um circuito de refrigeração baseado em turbina de coluna inferior (LCT) ou uma turbina de coluna parcial mais baixa parcial (PLCT) onde a corrente de exaustão expandida é alimentada para a coluna de pressão mais alta 72 do sistema de colunas de destilação 70. Ainda adicionalmente, os circuitos de refrigeração baseados em turbina podem ser alguma variante ou combinação de disposição LCT, disposição UCT e/ou uma disposição de turbina de reciclagem morna (WRT, "warm recycle turbine"), geralmente conhecidos pelas pessoas versadas na técnica.

[0022] Os componentes anteriormente mencionados da corrente de ar de entrada do fluxo de alimentação, especificamente oxigênio, nitrogênio, argônio são separados no interior do sistema de colunas de destilação 70 que inclui uma coluna de pressão mais alta 72, uma coluna de pressão mais baixa 74, uma coluna de argônio de superestágios 129, um condensador-refervedor 75 e um condensador de argônio 78. A coluna de pressão mais alta 72 tipicamente opera na faixa entre cerca de 6 bar(a) e cerca de 10 bar(a), enquanto a coluna de pressão mais baixa 74 opera a pressões entre cerca de 1,5 bar(a) e cerca de 2,8 bar(a). A coluna de pressão mais alta 72 e a coluna de pressão mais baixa 74 são, de preferência, ligadas em uma relação de transferência de calor, de modo que todo, ou uma porção do topo da coluna de vapor rico em nitrogênio, extraído de um ponto próximo do topo da coluna de pressão mais

13 / 29 alta 72 como uma corrente 73, é condensado no interior de um condensador- refervedor 75 situado na base da coluna de pressão mais baixa 74 contra os fundos da coluna de líquido rico em oxigênio 77 que estão situados no fundo da coluna de pressão mais baixa. A ebulição do fundo de coluna do líquido rico em oxigênio 77 inicia a formação de uma fase de vapor ascendente no interior da coluna de pressão mais baixa 74. A condensação produz uma corrente contendo nitrogênio líquido 81, que é dividida em uma corrente de refluxo limpa de bandeja 83 que pode ser usada para refluxar a coluna de pressão mais baixa para iniciar a formação da fase líquida descendente nessa coluna de pressão mais baixa 74, e uma corrente rica em nitrogênio líquido 85 que refluxa a coluna de pressão mais alta 72.

[0023] A corrente de ar resfriado de fluxo de alimentação 47 é, de preferência, uma corrente de vapor-ar ligeiramente acima de seu ponto de orvalho, embora possa estar em ou ligeiramente abaixo do seu ponto de orvalho, que é alimentado para dentro da coluna de pressão mais alta para retificação resultante da transferência de massa entre uma fase de vapor ascendente e uma fase líquida descendente que é iniciada pela corrente de refluxo 85 que ocorre no interior de uma pluralidade de elementos de contato de transferência de massa, ilustrados como bandejas 71. Isso produz um fundo de coluna de oxigênio líquido bruto 86, também conhecido como líquido de caldeira, que é obtido como corrente 88, e o topo da coluna rica em nitrogênio 89, obtido como corrente líquida limpa de bandeja 83.

[0024] Na coluna de pressão mais baixa, a fase de vapor ascendente inclui o aquecimento, até a fervura, do condensador-refervedor bem como a corrente de exaustão 64 da turbina 35 que é sub-resfriada na unidade de sub- resfriamento 99B e introduzida como uma corrente de vapor em um local intermediário da coluna de pressão mais baixa 72. O líquido descendente é iniciado pela corrente de refluxo de nitrogênio 83, que é enviada para a unidade de sub-resfriamento 99A, onde é sub-resfriado e subsequentemente expandido

14 / 29 na válvula 96 antes da introdução na coluna de pressão mais baixa 74 em um local próximo do topo da coluna de pressão mais baixa. Se necessário, uma pequena porção da corrente de refluxo de nitrogênio resfriada 83 pode ser obtida através da válvula 101 como produto de nitrogênio líquido 98.

[0025] A coluna de pressão mais baixa 74 é também dotada de uma pluralidade de elementos de contato de transferência de massa, que podem ser bandejas, ou empacotamento estruturado, ou empacotamento aleatório, ou outros elementos conhecidos na técnica de separação criogênica de ar. Os elementos de contato na coluna de pressão mais baixa 74 são ilustrados como empacotamento estruturado 79.

[0026] Como mostrado na modalidade da Figura 1, a separação que ocorre no interior da coluna de pressão mais baixa 74 produz um fundo de coluna de líquido rico em oxigênio 77 extraído como uma corrente líquida enriquecida de oxigênio 90 que tem uma concentração de oxigênio maior que 96% e um topo de coluna com vapor rico em nitrogênio 91 que é extraído como uma corrente de produto de nitrogênio gasoso 95. A corrente de líquido enriquecida de oxigênio 90 é, de preferência, bombeada através da bomba 180, então sub-resfriada em uma unidade de sub-resfriamento 99B através de troca de calor indireta com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio 196 e então passada para o condensador de argônio 78 onde é usada para condensar a corrente rica em argônio 126 obtida a partir do topo 123 da coluna de argônio

129.

[0027] A corrente de oxigênio vaporizado que é fervida do condensador de argônio 78 é uma corrente de descarte enriquecida de oxigênio 196 que é aquecida dentro do sub-resfriador 99B. A corrente de descarte aquecida enriquecida de oxigênio 197 é direcionada para o trocador de calor principal ou primário e então usada como um gás de purga para regenerar a unidade pré-purificadora baseada em adsorção 28. Adicionalmente, uma corrente de descarte de nitrogênio 93 pode ser extraída da coluna de pressão

15 / 29 mais baixa para controlar a pureza da corrente gasosa de produto de nitrogênio

95. A corrente de descarte de nitrogênio 93 é, de preferência, combinada com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio 196 a montante do sub-resfriador 99B. Além disso, a corrente de descarte de oxigênio de vapor 97 pode ser necessária em alguns casos em que mais oxigênio está disponível do que o necessário para operar o condensador de argônio 78, mais provavelmente quando a produção de argônio é reduzida.

[0028] A corrente líquida 130 é retirada do recipiente do condensador de argônio 120, passada através de uma armadilha para gel 370 e retornada para a base ou próximo da base da coluna de pressão mais baixa 74. A armadilha para gel 370 serve para remover dióxido de carbono, óxido nitroso, e certos contaminantes pesados que poderiam de outro modo se acumular no sistema. Alternativamente, um fluxo pequeno pode ser retirado através da corrente 130 como um dreno do sistema de modo que a armadilha para gel 140 seja eliminada (não mostrado).

[0029] De preferência, o condensador de argônio mostrado nas figuras é um condensador de argônio descendente. A configuração descendente faz com que o delta de temperatura eficaz (ΔT) entre a corrente de condensação e a corrente de ebulição seja menor. Conforme indicado acima, a diferença de temperatura ΔT menor pode resultar em pressões operacionais reduzidas dentro da coluna de argônio, da coluna de pressão mais baixa, e da coluna de pressão mais alta, o que corresponde a uma redução na potência necessária para produzir as várias correntes de produto bem como a recuperação aprimorada de argônio. O uso do condensador de argônio descendente também possibilita uma redução potencial no número de estágios de coluna, particularmente para a coluna de argônio. O uso de um condensador de argônio descendente também é vantajoso do ponto de vista de capital, em parte, porque a bomba 180 já é necessária nos ciclos de separação de ar aqui revelados. Além disso, a corrente líquida 130 já fornece uma corrente líquida contínua que sai do envoltório do

16 / 29 condensador de argônio que também fornece o umedecimento necessário das superfícies de refervura para evitar que o condensador de argônio "ferva até a secura".

[0030] A corrente de produto de nitrogênio 95 é passada através da unidade de sub-resfriamento 99A para sub-resfriar a corrente de refluxo de nitrogênio 83 e a corrente de líquido de caldeira 88 através de troca de calor indireta. Conforme indicado acima, a corrente sub-resfriada de fluxo de nitrogênio 83 é expandida na válvula 96 e introduzida em um local mais superior da coluna de pressão mais baixa, enquanto a corrente líquida sub- resfriada da caldeira a 88 é expandida na válvula 107 e introduzida em um local intermediário da coluna de pressão mais baixa 74. Após a passagem através das unidades de sub-resfriamento 99A, a corrente de nitrogênio aquecida 195 é aquecida adicionalmente no interior do trocador de calor principal ou primário 52 para produzir uma corrente gasosa aquecida de produto de nitrogênio 295.

[0031] Voltando à modalidade mostrada na Figura 2, a separação que ocorre dentro de coluna de pressão mais baixa 74 também produz um fundo de coluna de líquido rica em oxigênio 77 extraída como uma corrente de líquido enriquecida de oxigênio 380 tendo uma concentração de oxigênio maior que 99,5%. A coluna de pressão mais baixa produz adicionalmente uma menor corrente de líquido enriquecida de oxigênio de pureza mais baixa 398 de preferência obtida a partir da coluna de pressão mais baixa 74 em um local alguns estágios acima do ponto onde a primeira corrente líquida enriquecida de oxigênio 380 é extraída. A corrente líquida rica em oxigênio de pureza mais baixa 398 terá uma concentração de oxigênio entre cerca de 93% e 99,7%. A disposição da coluna de destilação produz adicionalmente um topo de coluna com vapor rico em nitrogênio 91 que é extraído como uma corrente de produto de nitrogênio gasoso 95.

[0032] A corrente de líquido enriquecida de oxigênio de alta pureza 380 é bombeada para dentro da bomba 385 e a corrente de oxigênio bombeado

17 / 29 resultante 386 é direcionada para o trocador de calor principal 52 onde ela é aquecida para produzir uma corrente de produto de oxigênio gasoso de alta pureza 390. A corrente líquida enriquecida de oxigênio de pureza mais baixa 398 é bombeada através da bomba 180, então, de preferência, sub-resfriada em uma unidade de sub-resfriamento 99B através de troca de calor indireta com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio 196 e então passada para o condensador de argônio 78 onde é usada para condensar a corrente rica em argônio 126 obtida a partir do topo 123 da coluna de argônio 129. Conforme mostrado na Figura 2, uma porção da corrente líquida enriquecida de oxigênio de pureza mais alta 380 pode ser obtida como produto de oxigênio líquido 395.

[0033] A corrente 392, após a bomba 385 é, de preferência, passada através de armadilha de gel 370. É então devolvida à base ou próximo da base da coluna de pressão mais baixa 74. A corrente líquida 130 é retirada do recipiente condensador de argônio 120 e retornada para a coluna de pressão mais baixa imediatamente abaixo do local de retirada da corrente 398. A armadilha para gel 370 serve para remover dióxido de carbono, óxido nitroso, e certos hidrocarbonetos pesados que poderiam de outro modo se acumular no sistema. Alternativamente, um fluxo pequeno pode ser retirado através da corrente 392 como um dreno do sistema de modo que a armadilha para gel 370 seja eliminada (não mostrada). A corrente de drenagem pode ser retirada antes da bomba 385. Nesse caso, a corrente 395 pode representar uma corrente de drenagem ou uma corrente de produto de oxigênio líquido além de uma corrente de drenagem.

[0034] Opcionalmente, uma porção menor do ar que flui no circuito de ar da turbina 30 não é retirada na corrente da turbina do fluxo de alimentação

38. A corrente de pressão intensificada opcional 48 é retirada na extremidade fria do trocador de calor 52, total ou parcialmente condensada, deixada até a pressão na válvula 49 abaixar e alimentada à coluna de pressão mais alta 72,

18 / 29 vários estágios a partir do fundo. A corrente 48 é utilizada apenas quando a magnitude da corrente de oxigênio bombeada 386 é suficientemente elevada. Recuperação e refino de argônio

[0035] A disposição da coluna de argônio usada na modalidade acima descrita pode ser configurada como uma coluna de argônio de superestágios, de preferência com uma coluna com alta proporção de argônio acoplada de modo operacional com a mesma. Novamente com referência à Figura 1, a coluna de argônio de superestágios 129 recebe um fluxo de alimentação de vapor contendo argônio e oxigênio 121 proveniente da coluna de pressão mais baixa 74 e refluxo rico em argônio de corrente descendente 122 recebido de um condensador de argônio 78 situado acima da coluna de argônio de superestágios

129. A coluna de argônio de superestágios 129 tem entre cerca de 180 e 260 estágios de separação e serve para retificar a vapor contendo argônio e oxigênio mediante a separação do argônio a partir do oxigênio em um vapor de topo enriquecido de argônio 126 e um fundo líquido rico em oxigênio que é retornado para a coluna de pressão mais baixa como a corrente 124. Os elementos de contato de transferência de massa preferenciais 125 no interior da coluna de argônio de superestágios 129 são, de preferência, empacotamentos estruturados. Todo ou uma porção do topo do vapor rico em argônio resultante 126 é, de preferência, direcionado para o condensador de argônio 78 onde é condensado contra a corrente enriquecida de oxigênio sub-resfriada a partir da coluna de pressão mais baixa 74. O condensado resultante é uma corrente de argônio líquido bruto retirada do condensador de argônio 78, a maioria do qual é retornada para a coluna de argônio de superestágios 129 como corrente de refluxo de argônio 122.

[0036] A coluna com alta proporção de argônio 160 também recebe uma porção da corrente de argônio líquido bruto que sai do condensador de argônio 78 como corrente 162 cuja pressão na válvula 164 é modulada e introduzida em um local intermediário da coluna com alta proporção de argônio

19 / 29

160. O argônio bruto é retificado dentro da coluna de alta proporção 160 para formar o fundo de argônio líquido 166 e uma coluna de topo de alta proporção contendo nitrogênio 168. A corrente de produto de argônio líquido de alta pureza 165 é obtida do fundo do argônio líquido 166 da coluna com alta proporção de argônio 160.

[0037] Uma porção do topo de coluna rica em nitrogênio extraído próximo do topo da coluna de pressão mais alta 72 também é desviada como corrente 163 para o refervedor da coluna de alta proporção 170 disposto no fundo da coluna com alta proporção de argônio 160 onde a corrente é condensada para formar a corrente de nitrogênio líquido 172. A corrente de nitrogênio líquido 172 é então direcionada ou transferida para o condensor da coluna alta proporção 175 onde fornece o trabalho de refrigeração para condensar ou parcialmente condensar o topo da coluna de alta proporção rica em nitrogênio 168. A corrente de nitrogênio vaporizada 174 que sai do condensador da coluna de alta proporção 175 é direcionada a e misturada com a corrente de produto de nitrogênio 95 a montante da unidade de sub- resfriamento 99A.

[0038] O topo da coluna de alta proporção rica em nitrogênio 168 é obtido de um local perto do topo da coluna de alta proporção 160 e subsequentemente condensado ou parcialmente condensado no condensador da coluna de alta proporção 175. A corrente resultante 176 é enviada para um separador de fase 177 configurado para ventilar a porção vaporizada 178 enquanto retorna a porção líquida 179 como refluxo para a coluna com alta proporção de argônio 160. Com o uso dessa disposição, a recuperação de argônio que pode ser obtida na planta de separação de ar pode ser tão alta quanto 96%.

[0039] Em uma configuração alternativa, a coluna de alta proporção de argônio é eliminada e produto de argônio com pureza é produzido diretamente da coluna de superestágios. Neste caso, uma outra seção de destilação é incluída

20 / 29 no topo da coluna de superestágios. Nesta seção de destilação adicional, muitas vezes chamada de uma zona de pasteurização, pequenas quantidades de nitrogênio podem ser removidas para garantir um produto de argônio de pureza confiável. A corrente pequena mais rica em nitrogênio é ventilada do topo da coluna 129 e o produto de argônio é retirado abaixo da zona de pasteurização. Uma seção de destilação mais alta logo acima da corrente de drenagem de vapor 121 na coluna de pressão mais baixa é necessária de modo que menos nitrogênio entre na coluna de superestágios 129. Isso é mostrado na patente US n° 5.133.790.

[0040] As correntes ricas em argônio bruto retiradas da disposição de coluna de argônio podem ser recuperadas ou purificadas em sistemas ou disposições de refino de argônio alternativos, como um sistema de purificação/refino de argônio baseado em adsorção líquido, um sistema de purificação/refino de argônio baseado em adsorção de fase gasosa, ou um sistema de purificação/refino de argônio baseado em desoxigenação catalítica. Uso de corrente de descarte enriquecida de oxigênio como gás de regeneração para pré-purificador baseado em adsorção

[0041] Quando uma unidade de pré-purificação baseada em adsorção é usada, é desejável que um fluxo contínuo de correntes comprimidas, secas, pré- purificadas e resfriadas de ar entrem no sistema de colunas de destilação da unidade de separação de ar. A pré-purificação é, de preferência, feita mediante o uso de múltiplos leitos adsorventes, de preferência dispostos como uma unidade de adsorção por variação de temperatura de dois leitos. No pré- purificador baseado em adsorção por variação de temperatura de dois leitos preferencial, um leito está em uma fase de operação em linha que adsorve as impurezas no ar de entrada do fluxo de alimentação enquanto o outro leito está em uma fase de operação fora de linha na qual o leito está sendo regenerado com toda ou uma porção da corrente de oxigênio de descarte de alta pureza. Em muitos ciclos de adsorção de dois leitos, pode haver um curto período de

21 / 29 sobreposição quando ambos os leitos estão em uma fase de operação em linha à medida que o um leito alterna da fase de operação em linha para a fase de operação fora de linha e o outro leito alterna da fase de operação fora de linha para a fase de operação em linha.

[0042] Como é bem conhecido na técnica, o leito de adsorção que opera na fase em linha só pode permanecer em linha até atingir a sua capacidade de adsorção das impurezas e a passagem de impurezas provavelmente ocorrerá. O ponto de passagem de impurezas é geralmente definido pelo tempo necessário para que os contaminantes, por exemplo vapor d' água e dióxido de carbono, atinjam níveis inaceitáveis na saída, sugerindo que o leito de adsorção está saturado com contaminantes. Quando o ponto de passagem é atingido, o leito adsorvente em linha é removido da linha e o leito previamente regenerado é colocado de volta em linha para adsorver as impurezas no ar do fluxo de alimentação..

[0043] A unidade de adsorção por variação de temperatura preferencial é uma disposição de composto adsorvente que inclui ao menos uma camada de alumina 284 abaixo e ao menos uma camada de peneira molecular 286. A alumina é usada para remover a maior parte do vapor d' água enquanto a peneira molecular é usada para remover o vapor d' água, dióxido de carbono, óxido nitroso, e hidrocarbonetos contaminantes do ar de entrada do fluxo de alimentação. Um leito composto é tipicamente projetado com suficiente alumina no fundo do leito para remover a maior parte da água da corrente de ar comprimido do fluxo de alimentação, com o restante removido por uma camada de peneira acima do mesmo. Os leitos compostos têm, tipicamente, requisitos mais baixos de fluxo de gás de purga ou de regeneração e exigem aproximadamente 30% menos de energia de regeneração do que os leitos de peneiras uma vez que eles podem ser regenerados em temperaturas mais baixas.

[0044] Os pré-purificadores baseados em adsorção por variação de temperatura operam, de preferência, com tempos de ciclos para a adsorção "em

22 / 29 linha" na faixa de entre cerca de 6 e 12 horas. Devido a esses longos tempos de ciclo, os pré-purificadores de adsorção por variação de temperatura podem despressurizar e repressurizar ao longo de um intervalo de tempo mais longo em comparação com as unidades de adsorção por variação de pressão, resultando em uma operação mais estável da coluna para a unidade de separação de ar. Os tempos de ciclos mais curtos ajudam a manter baixos os custos iniciais de capital porque menos adsorvente e alturas adsorventes mais curtas são necessárias em leitos orientados verticais e horizontais. Entretanto, tempos de ciclos mais longos fornecem custos operacionais reduzidos devido a perdas parasíticas reduzidas de energia de descarga e regeneração. O ar de entrada comprimido ou as temperaturas de ar do fluxo de alimentação dos pré- purificadores de adsorção por variação de temperatura podem estar na faixa de 37°F até 75°F e tipicamente o ar da corrente do ar de entrada comprimido é, de preferência, resfriado para entre cerca de 40°F e 60°F. As duas formas comuns de refrigeradores de ar do fluxo de alimentação usadas para resfriar a corrente de ar comprimido incluem um pós-resfriador de estágio dual e um pós- resfriador de contato direto (não mostrado).

[0045] Um pré-purificador de adsorção por variação de temperatura também exige um fluxo de gás de purga ou de regeneração que esteja entre cerca de 5% e 30% do ar do fluxo de alimentação ou fluxo de corrente de ar de entrada comprimido, e com mais preferência um fluxo igual a cerca de 10% da corrente de ar do fluxo de alimentação de entrada comprimido. O fluxo de gás de purga passa através da contracorrente de leito até o fluxo de ar do fluxo de alimentação. O fluxo de gás de purga carrega o calor de regeneração para dentro do leito onde ele faz com que os contaminantes dessorvam do adsorvente, remove os contaminantes dessorvidos do leito e resfria o leito no final do ciclo de regeneração. No início do ciclo de regeneração, o gás de purga é aquecido durante a purga quente. Mais tarde no ciclo, o gás de purga não é aquecido, e essa é a purga fria.

23 / 29

[0046] O aquecedor de regeneração precisa ser dimensionado de modo que ele possa aquecer o fluxo de gás de purga de sua temperatura inicial até a temperatura de regeneração desejada. Considerações importantes no dimensionamento do aquecedor de regeneração são a temperatura inicial do gás de purga ou de regeneração, s taxa de fluxo do gás de purga ou de regeneração necessária, a perda de calor entre o aquecedor e os leitos adsorventes e a eficiência do aquecedor. Quando o gás de regeneração ou de purga é uma corrente enriquecida de oxigênio, a temperatura de saída do aquecedor deve ser menor que cerca de 400 °F por razões de segurança. Com a seleção de materiais especiais, a temperatura de saída do aquecedor pode ser, com segurança, ser tão alta quanto 450 °F. Além disso, apenas aquecedores a vapor, elétricos ou outros aquecedores sem combustão devem ser usados quando o gás de regeneração ou de purga é uma corrente enriquecida de oxigênio.

[0047] A razão entre purga e fluxo de alimentação (P/F) é a razão entre o fluxo de gás de purga ou de regeneração e o fluxo de ar do fluxo de alimentação. A razão P/F necessária é dependente de várias variáveis, incluindo tipo de adsorvente, temperatura de regeneração, tempo de ciclo, e razão de purga quente, mas, de preferência, está na faixa entre cerca de 0,05 e 0,40. A temperatura mais alta de regeneração reduz a razão P/F necessária. Tempos de ciclos mais longos exigem razões P/F ligeiramente mais baixas. A razão de purga quente é a razão entre o tempo de purga quente e o tempo total de purga (isto é, tempo de purga quente mais tempo de purga fria). A razão de purga quente de cerca de 0,40 é tipicamente usada para pré-purificadores de adsorção por variação de temperatura para assegurar que tempo suficiente de purga fria esteja disponível para resfriar eficazmente o leito de adsorção, mas algumas unidades de separação de ar podem operar em razões mais altas de purga quente. Razões menores de purga quente resultam em razões maiores de P/F uma vez que a mesma quantidade de calor precisa ser levada para o leito de adsorção em um período de tempo mais curto.

24 / 29

[0048] O soprador de regeneração 297 é usado, de preferência, para aumentar a pressão de corrente de descarte 290 o suficiente para passar através da unidade de pré-purificação baseada em adsorção para fins de regeneração. Na saída do soprador de regeneração 297, a pressão da corrente de descarte 290 é elevada de modo que ela passará através do aquecedor de regeneração, dos recipientes de pré-purificação e de seus leitos adsorventes associados, e das válvulas associadas para então escapar para a atmosfera. O soprador de regeneração 297 é, de preferência, configurado para elevar a pressão da corrente de descarte 290 que sai do trocador de calor principal em cerca de 0,1 bar(a) a 0,3 bar(a).

[0049] Embora o uso do soprador de regeneração seja opcional, a operação da unidade de separação de ar sem o soprador de regeneração exige que o sistema de coluna de destilação seja operado a uma pressão suficientemente alta para que a corrente de descarte que sai do trocador de calor principal possa passar através da unidade de pré-purificação. Dito de outra forma, o uso do soprador de regeneração permite a redução na pressão operacional da coluna de argônio e da coluna de pressão mais baixa em cerca de 0,15 bar(a) a 0,5 bar(a) e a redução na pressão da coluna de pressão mais alta em cerca de 0,35 bar(a) a 2,0 bar(a).

[0050] O principal benefício de um soprador de regeneração no ciclo de separação de ar revelado é primeiramente relacionado à produção de argônio. Sem um soprador de regeneração, alta recuperação de argônio é viável, mas mesmo assim a pressão mais alta na coluna de argônio resulta na necessidade de muitos estágios de separação na coluna de argônio e estágios potencialmente adicionais na coluna de pressão mais baixa. O design e a sensibilidade operacional da recuperação de argônio também são grandes. O uso de um soprador de regeneração, e a concomitante redução das pressões na coluna de destilação, tende a tornar mais fácil a recuperação de argônio. A recuperação do argônio irá melhorar, especialmente em cenários ou

25 / 29 modalidades em que a recuperação de argônio alvejada é menor e também reduz o requisito de estagiamento da coluna de argônio e da coluna de pressão mais baixa.

[0051] Com referência novamente às figuras, é mostrada uma ilustração esquemática de uma unidade de separação de ar 10 com um pré- purificador de adsorção por variação de temperatura 28. No processo de adsorção por variação de temperatura há, geralmente, múltiplas etapas diferentes que cada leito adsorvente tem que passar, especificamente: mistura; adsorção; mistura, despressurização; purga quente; purga de frio; e repressurização. A Tabela 1, abaixo, mostra a correlação do desempenho das etapas no interior dos dois leitos adsorventes. N° da etapa Estado do leito adsorvente n° Duração Estado do leito adsorvente n° Duração 1 (min) 2 (min) 1 Mistura 20 Mistura 20 2 Despressurização 10 Adsorção 450 3 Purga quente 170 4 Purga fria 250 5 Repressurização 20 6 Mistura 20 Mistura 20 7 Adsorção 450 Despressurização 10 8 Purga quente 170 9 Purga fria 250 10 Repressurização 20 Tabela 1. Exemplo de ciclos e tempos de adsorção por variação de temperatura de dois leitos

[0052] No exemplo acima, durante as etapas de "mistura", ambos os leitos adsorventes estão "em linha" e as válvulas 262, 264, 266, e 268 estão abertas, enquanto as válvulas 304, 306, 314 e 316 estão fechadas. A corrente de ar do fluxo de alimentação é dividida uniformemente entre os dois leitos durante essa etapa sem gás de purga ou de regeneração no sistema. Enquanto "em linha", os leitos adsorventes 281 e 282 estão adsorvendo vapor d' água e outros contaminantes como dióxido de carbono. O propósito desta etapa de mistura é diluir a quantidade de calor residual deixado no leito adsorvente

26 / 29 durante a regeneração e assim impedir que uma corrente aquecida seja alimentada de volta para a caixa fria que aloja as colunas de destilação.

[0053] Após a etapa de "mistura", um leito adsorvente 281 é submetido ao processo de regeneração e fica "fora de linha" enquanto o outro leito adsorvente 282 recebe o fluxo completo do fluxo de alimentação e passa através da etapa de adsorção onde vapor d' água, dióxido de carbono, e hidrocarbonetos continuam a ser adsorvidos. Esse processo de regeneração é completado por meio de quatro etapas distintas, que incluem: despressurização; purga quente, purga fria; e repressurização. Será entendido pelos versados na técnica que outras etapas podem também ser incluídas. Durante a etapa de despressurização, o leito de adsorção 281 despressuriza da pressão do fluxo de alimentação para uma pressão mais baixa, tipicamente para uma pressão próxima da pressão atmosférica. Isso é realizado através do fechamento das válvulas 262 e 266 e da abertura da válvula 314. A pressão mais baixa é a pressão de regeneração e essa etapa dura cerca de 10 minutos, mas o período de tempo pode variar dependendo das restrições do equipamento ou das limitações de processo. Após a etapa de despressurização, a etapa de purga quente começa com a regeneração da coluna de descarte enriquecida de oxigênio 290 que é aquecida com o uso do aquecedor 299 para aumentar a temperatura da corrente de descarte enriquecida de oxigênio até uma temperatura mais alta que a temperatura do ar do fluxo de alimentação e geralmente acima de 300°F e abaixo de 380 °F, dependendo das restrições do processo e do material adsorvente. Uma operação tão alta quanto 400 °F é admissível. Com a seleção de material especial, a operação pode ser tão alta quanto 450 °F. Durante esse tempo, a válvula 304 se abre e permite que a corrente de descarte enriquecida de oxigênio passe através do leito adsorvente

281. Após um certo período de tempo, neste exemplo após 170 minutos, a corrente de descarte enriquecida de oxigênio desativa o aquecedor 299 ou o aquecedor, se um aquecedor elétrico, é desligado, abaixando a temperatura do

27 / 29 gás da coluna de descarte para fechar as condições ambientes, tipicamente, mas não sempre, entre cerca de 40°F e sempre 100°F. O desligamento do aquecedor elétrico ou a desativação do aquecedor inicia a etapa de purga fria, que continua a purgar o leito de adsorção com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio, mas sem o aquecimento, o que abaixa a temperatura do leito adsorvente bem como avança a frente de calor através do leito de adsorção. Neste exemplo, essa etapa de purga fria dura cerca de 250 minutos.

[0054] A etapa de repressurização para o leito de adsorção 281 é iniciada pelo fechamento das válvulas 314 e 304 e a abertura da válvula 262. Isso permite que parte da corrente de ar comprimido 26 pressurize o recipiente a partir de pressões próximas à ambiente até a pressão elevada do fluxo de alimentação. Uma vez pressurizados para a pressão de alimentação, ambos os leitos adsorventes 281 e 282 entram na etapa de mistura e como tal, as válvulas 266 se abrem permitindo que a corrente de fluxo de alimentação seja uniformemente dividida entre os leitos adsorventes 281 e 282. Depois de uma certa quantidade de tempo na etapa de mistura, os leitos adsorventes se alternam e agora o leito adsorvente 281 está em linha na etapa de adsorção e o leito adsorvente 282 passa através das etapas de regeneração.

[0055] Conforme mencionado acima, um processo de separação de ar que é executado de acordo com a presente invenção é, de preferência, realizado com o uso da corrente de descarte de oxigênio de pureza mais alta como o gás de regeneração para a unidade de pré-purificação de adsorção por variação de temperatura. Tal regeneração dos leitos adsorventes com o uso de uma corrente de oxigênio tendo uma pureza maior que 90% não foi usada nas instalações de separação de ar da técnica anterior. A presente invenção, no entanto, permite o uso de oxigênio de elevada pureza como o gás de regeneração apenas nos casos em que a temperatura do gás de regeneração é limitada a 450 °F ou com mais preferência 400 °F, o que permite, assim, uma recuperação total mais alta de nitrogênio da planta de separação de ar. A maior recuperação de nitrogênio

28 / 29 aumenta a eficiência de custo da unidade de separação de ar de produção de nitrogênio em termos de custos de capital mais baixos tanto quanto de custos operacionais mais baixos. Por exemplo, a presente planta de separação de ar de produção de nitrogênio dimensionada para produzir 3.000 mcfh de nitrogênio de alta pureza a pressão moderada e tendo uma recuperação de nitrogênio de 98,0% exigiria 3.925 mcfh de ar do fluxo de alimentação que precisa ser comprimido, pré purificado, resfriado e retificado. Por outro lado, a planta de separação de ar de produção de nitrogênio da técnica anterior, conforme descrito na patente US n° 4.822.395 dimensionada para produzir 3.000 mcfh TPD de nitrogênio de alta pureza a pressão moderada e tendo uma recuperação de nitrogênio de 94,6% exigiria 4.066 mcfh de ar do fluxo de alimentação que precisa ser comprimido, pré-purificado, resfriado e retificado. Os custos aumentados de operação da planta de separação de ar de produção de nitrogênio da técnica podem incluir energia adicional para comprimir as taxas de fluxo volumétrico aumentadas de ar de entrada do fluxo de alimentação, materiais adsorventes adicionais necessários para pré-purificar os fluxos mais altos de ar de entrada do fluxo de alimentação, e possivelmente, aumento de custos do capital de equipamento das turbomáquinas, trocadores de calor, pós- resfriadores, pré-purificadores, dispositivos de contato no interior das colunas, etc. que podem ser necessários para lidar com o aumento do volume de ar de entrada do fluxo de alimentação.

[0056] Deve-se observar aqui que, embora a remoção de vapor d' água e dióxido de carbono seja discutida na presente invenção, deve-se compreender que outras impurezas também serão removidas pelo adsorvente ou adsorventes, por exemplo óxido nitroso, acetileno e outros hidrocarbonetos traço. No entanto, o vapor d' água e o dióxido de carbono estão presentes em uma concentração muito maior do que essas outras impurezas e terão, portanto, o maior impacto sobre a quantidade de adsorvente necessária. Além disso, embora a discussão acima seja adaptada para pré-purificadores de adsorção por

29 / 29 variação de temperatura, os ensinamentos e o escopo da invenção também podem ser aplicáveis a algumas disposições de pré-purificador híbrido.

[0057] Embora o presente sistema para recuperação de argônio e nitrogênio a partir de uma unidade de separação de ar tenha sido discutido com referência a uma ou mais modalidades preferenciais e métodos associados às mesmas, ocorreria aos versados na técnica que inúmeras alterações e omissões podem ser feitas sem que se afaste do espírito e escopo das presentes invenções conforme apresentadas nas reivindicações em anexo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de separação de ar, caracterizado por compreender: um sistema de compressão de ar principal configurado para receber um fluxo de ar de alimentação de entrada e produzir um fluxo de ar comprimido; uma unidade de pré-purificação à base de adsorção configurada para remover vapor d'água, dióxido de carbono, óxido nitroso e hidrocarbonetos do fluxo de ar comprimido e produzir um fluxo de ar comprimido e purificado, sendo que o fluxo de ar comprimido e purificado é dividido em pelo menos uma primeira parte do fluxo de ar comprimido e purificado e uma segunda parte do fluxo de ar comprimido e purificado; um sistema de troca de calor principal configurado para resfriar a primeira parte do fluxo de ar comprimido e purificado para produzir um fluxo de ar de vapor e para resfriar parcialmente a segunda parte do fluxo de ar comprimido e purificado; uma disposição de turboexpansão configurada para expandir a segunda parte parcialmente resfriada do fluxo de ar comprimido e purificado para formar um fluxo de exaustão que confere refrigeração à unidade de separação de ar; um sistema de colunas de destilação que tem uma coluna de pressão mais alta tendo uma pressão operacional entre 6,0 bar e 10,0 bar e uma de coluna de pressão mais baixa tendo uma pressão operacional entre 1,5 bar e 2,8 bar ligadas em uma relação de transferência de calor por meio de um condensador-refervedor; sendo que o sistema de coluna de destilação inclui adicionalmente uma disposição de coluna de argônio acoplada operacionalmente à coluna de pressão mais baixa, a disposição de coluna de argônio tendo ao menos uma coluna de argônio e um condensador de argônio;

o sistema de colunas de destilação é configurado para receber todo ou uma porção da corrente de ar-vapor na coluna de pressão mais alta e para receber a corrente de exaustão na coluna de pressão mais baixa ou na coluna de pressão mais alta e para produzir uma ou mais correntes enriquecidas de oxigênio da coluna de pressão mais baixa e uma corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa; sendo que a coluna de argônio é configurada para receber uma corrente enriquecida de argônio-oxigênio da coluna de pressão mais baixa e para produzir uma corrente de fundo enriquecida de oxigênio que é retornada para ou liberada na coluna de pressão mais baixa e um topo enriquecido de argônio que é direcionado para o condensador de argônio; uma disposição de sub-resfriador acoplada de modo operacional ao sistema de colunas de destilação e configurada para sub-resfriar uma corrente de oxigênio de caldeira da coluna de pressão mais alta e uma corrente de nitrogênio do condensador-refervedor através de troca de calor indireta com a corrente de topo de nitrogênio a partir da coluna de pressão mais baixa; sendo que a disposição do sub-resfriador é configurada adicionalmente para sub-resfriar uma da corrente enriquecida de oxigênio da seção mais baixa da coluna de pressão mais baixa através da troca de calor indireta com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio; sendo que o condensador de argônio é configurado para condensar o topo enriquecido de argônio contra a corrente enriquecida de oxigênio sub- resfriada extraída de uma seção mais baixa da coluna de pressão mais baixa para produzir uma corrente de argônio bruto ou uma corrente de argônio de produto, uma corrente de refluxo de argônio, uma corrente de descarte enriquecida de oxigênio e uma corrente rica em oxigênio líquido; e sendo que a unidade de separação de ar é configurada para produzir um ou mais produtos de nitrogênio de alta pureza e ter uma recuperação de nitrogênio de 98 por cento ou mais.

2. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a unidade pré-purificadora baseada em adsorção ser uma unidade de adsorção por variação de temperatura de múltiplos leitos configurada para purificar a corrente de ar comprimido, sendo que a unidade de adsorção por variação de temperatura de múltiplos leitos é adicionalmente configurada de modo que cada leito alterna entre uma fase de operação em linha que adsorve o vapor d’ água, o dióxido de carbono, e os hidrocarbonetos da corrente de ar comprimido, e uma fase de operação fora de linha em que o leito está sendo regenerado com um gás de purga obtido da unidade de separação de ar e que tem um teor de oxigênio maior que 90,0 por cento.

3. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por o gás de purga ser o fluxo de descarte enriquecido com oxigênio.

4. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a unidade pré-purificadora baseada em adsorção compreender adicionalmente um aquecedor de corrente, um aquecedor elétrico, ou um outro aquecedor sem combustão configurado para aquecer a corrente de descarte enriquecida de oxigênio até uma temperatura menor que ou igual a cerca de 450 °F para uso na regeneração dos leitos adsorventes na unidade de adsorção por variação de temperatura.

5. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a corrente enriquecida de oxigênio extraída da seção mais baixa da coluna de pressão mais baixa ser uma corrente enriquecida de oxigênio de alta pureza obtida de um reservatório onde os fundos líquidos da coluna rica em oxigênio estão localizados e ter uma concentração de oxigênio maior que 99,5%.

6. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a corrente enriquecida de oxigênio extraída da coluna de pressão mais baixa da corrente enriquecida de oxigênio de pureza mais baixa obtida várias etapas acima de um reservatório onde os fundos líquido da coluna rica em oxigênio estão localizados e ter uma concentração de oxigênio de entre cerca de 93% e 99,7%.

7. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um reforçador-compressor configurado para comprimir adicionalmente a segunda parte da corrente de ar purificado e comprimido e sendo que uma porção da segunda parte adicionalmente comprimida da corrente de ar purificado é totalmente ou parcialmente condensada no trocador de calor principal e alimentada em um local intermediário da coluna de pressão mais alta.

8. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por a disposição de turboexpansão compreender adicionalmente uma turbina de reforço carregada configurada para expandir a segunda parte adicionalmente comprimida e parcialmente resfriada do fluxo de ar comprimido e purificado para formar o fluxo de exaustão, e sendo que a turbina de reforço carregada é acoplada operacionalmente para acionar o compressor de reforço.

9. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por a disposição de sub-resfriamento ser configurada adicionalmente para sub-resfriar o fluxo de exaustão através de troca de calor indireta com o fluxo de descarte enriquecido com oxigênio.

10. Unidade de separação de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a coluna de argônio ser configurada para operar a uma pressão de entre cerca de 1,3 bar e 2,8 bar.

11. Método de separação de ar para produzir um ou mais produtos de nitrogênio de alta pureza em uma unidade criogênica de separação de ar com uma recuperação de nitrogênio de 98 por cento ou mais, sendo que o método é caracterizado por compreender as etapas de: comprimir um fluxo de ar de alimentação de entrada para produzir um fluxo de ar comprimido; purificar o fluxo de ar comprimido em uma unidade de pré- purificação à base de adsorção configurada para remover vapor d'água, dióxido de carbono, óxido nitroso e hidrocarbonetos do fluxo de ar comprimido para produzir um fluxo de ar comprimido e purificado; dividir o fluxo de ar comprimido e purificado em ao menos uma primeira parte do fluxo de ar comprimido e purificado e uma segunda parte do fluxo de ar comprimido e purificado; resfriar a primeira parte do fluxo de ar comprimido e purificado para um fluxo de ar de vapor a uma temperatura adequada para retificação em um sistema de destilação criogênica e resfriar parcialmente a segunda parte do fluxo de ar comprimido e purificado; expandir a segunda parte parcialmente resfriada do fluxo de ar comprimido e purificado em uma turbina para formar um fluxo de exaustão; retificar a corrente de ar e a corrente de exaustão em um sistema de colunas de destilação criogênica que tem uma coluna de pressão mais alta tendo uma pressão operacional entre 6,0 bar e 10,0 bar e uma coluna de pressão mais baixa tendo uma pressão operacional entre 1,5 bar e 2,8 bar, sendo que a coluna de pressão mais alta e a coluna de pressão mais baixa são ligadas em uma relação de transferência de calor através de um condensador- refervedor, sendo que a etapa de retificação produz uma ou mais correntes enriquecidas de oxigênio da coluna de pressão mais baixa, uma corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa, e uma corrente de nitrogênio condensado do condensador-refervedor; sub-resfriar uma corrente enriquecida de oxigênio extraída de uma seção mais baixa da coluna de pressão mais baixa em uma unidade sub-

resfriadora através da troca de calor indireta com uma coluna de descarte enriquecida de oxigênio para produzir uma corrente enriquecida de oxigênio sub-resfriada; sub-resfriar uma corrente de oxigênio da caldeira da coluna de pressão mais alta e a corrente de nitrogênio condensado do condensador- refervedor através de troca de calor indireta com a corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa; retificar a corrente enriquecida de oxigênio-argônio extraída da coluna de pressão mais baixa em uma disposição de coluna de argônio, sendo que a disposição de coluna de argônio tem ao menos uma coluna de argônio e um condensador de argônio e sendo que a coluna de argônio é configurada para produzir uma corrente de fundo da coluna enriquecida de oxigênio e um topo enriquecido de argônio; retornar a corrente de fundo enriquecida de oxigênio da coluna de argônio para a coluna de pressão mais baixa; direcionar o topo enriquecido de argônio da coluna de argônio para o condensador de argônio; condensar o topo enriquecido de argônio no condensador de argônio contra a corrente enriquecida de oxigênio sub-resfriada para produzir uma corrente de argônio bruto, uma corrente de refluxo de argônio, a corrente de descarte enriquecida de oxigênio e uma corrente rica em oxigênio líquido; e aquecer a corrente de topo de nitrogênio da coluna de pressão mais baixa em um trocador de calor principal para produzir um produto de nitrogênio gasoso e obter uma porção da corrente de nitrogênio condensado do condensador-refervedor como um produto de nitrogênio líquido e sendo que a unidade criogênica de separação de ar tem uma recuperação de nitrogênio de 98 por cento ou mais;

sendo que a unidade pré-purificadora baseada em adsorção é uma unidade de adsorção por variação de temperatura de múltiplos leitos configurada para purificar a corrente de ar comprimido, sendo que a unidade de adsorção por variação de temperatura de múltiplos leitos é configurada de modo que cada leito alterna entre uma fase de operação em linha que adsorve o vapor de água, o dióxido de carbono, e os hidrocarbonetos da corrente de ar comprimido e uma fase de operação fora de linha na qual o leito é regenerado com a corrente de descarte enriquecida de oxigênio tendo mais que 90 por cento de teor de oxigênio.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de aquecimento da corrente de descarte enriquecida de oxigênio até uma temperatura menor que ou igual a cerca de 450 °F para uso na regeneração de leitos adsorventes.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a corrente enriquecida de oxigênio extraída da seção mais baixa da coluna de pressão mais baixa ser uma corrente enriquecida de oxigênio de alta pureza obtida de um reservatório onde os fundos líquidos da coluna rica em oxigênio estão localizados e ter uma concentração de oxigênio maior que 99,5%.

14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a corrente enriquecida de oxigênio da seção mais baixa da coluna de pressão mais baixa ser uma corrente enriquecida de oxigênio de pureza mais baixa obtida várias etapas acima de um reservatório onde os fundos líquido da coluna rica em oxigênio estão localizados e ter uma concentração de oxigênio de entre cerca de 93% e 99,7%.

15. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a disposição de coluna de argônio compreender adicionalmente uma primeira coluna de argônio configurada como uma coluna de argônio de superestágios e uma segunda coluna de argônio configurada como uma coluna de alta proporção de argônio.