BRPI0612537A2 - método de gerar nitrogênio e aparelho para uso no mesmo - Google Patents

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BRPI0612537A2
BRPI0612537A2 BRPI0612537-9A BRPI0612537A BRPI0612537A2 BR PI0612537 A2 BRPI0612537 A2 BR PI0612537A2 BR PI0612537 A BRPI0612537 A BR PI0612537A BR PI0612537 A2 BRPI0612537 A2 BR PI0612537A2
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BR
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pressure column
liquid
nitrogen
air
low pressure
Prior art date
Application number
BRPI0612537-9A
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English (en)
Inventor
Koji Tanaka
Ryosuke Matsubayashi
Junya Suenaga
Akira Yoshino
Shinya Okumura
Original Assignee
Air Water Inc
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Publication date
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Abstract

MéTODO DE GERAR NITROGêNIO E APARELHO PARA USO NO MESMO. é provido um método de gerar nitrogênio que inclui separar criogenicamente o ar comprimido introduzido em uma coluna de alta pressão 11, armazenar o ar liquido 13 em uma parte inferior da coluna de alta pressão 11 e tomar nitrogênio na forma gasosa desde uma parte superior da coluna de alta pressão 11, introduzir o ar líquido 13 armazenado na parte inferior da coluna de alta pressão 11 dentro da coluna de baixa pressão 12, separando criogenicamente o ar líquido 13 introduzido na coluna de baixa pressão 12, e armazenando ar líquido enriquecido de oxigênio 22 na parte inferior da coluna de baixa pressão 12 e tomar nitrogênio na forma gasosa desde uma parte superior da coluna de baixa pressão 12 como um gás produto. O ar líquido 13 tomado através de um tubo de extração 20 é introduzido dentro de uma parte da parte de retificação 12a da coluna de baixa pressão 12 na qual o numero teórico de placas de um lado inferior da coluna é fixado dentro da faixa de uma para dez.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE GERAR NITROGÊNIO E APARELHO PARA USO NO MESMO".
Campo Técnico
A presente invenção refere-se a um método de gerar nitrogênioe um aparelho para uso no mesmo.
Antecedentes da Técnica
Um exemplo de aparelhos de gerar nitrogênio do tipo de injeçãode refrigerante atualmente em uso, é de um tipo de retificação única, comomostrado na figura 3. Este aparelho de gerar nitrogênio executa as etapasde: comprimir ar como uma matéria-prima em um compressor de ar 31; pas-sar o ar comprimido através de um separador de dreno 32 e um resfriadorCFC 33 em colunas de adsorção 34 para remover dióxido de carbono e á-gua do ar comprimido; introduzir o ar comprimido passado através das colu-nas de adsorção 34 através de uma tubulação de suprimento 35 dentro deum trocador de calor principal 36 para nele trocar calor do ar comprimidocom um fluido refrigerante; introduzir o ar comprimido resfriado até umatemperatura ultra baixa através de uma tubulação de entrada 37 em umacoluna de retificação 38 para liqüefazer criogenicamente e separar o arcomprimido nela, desta forma produzindo um produto de gás nitrogênio; in-troduzir o produto de gás nitrogênio através de uma tubulação de extração39, dentro do acima mencionado trocador de calor principal 36, para aumen-tar a temperatura do produto de gás nitrogênio até próximo da temperaturaambiente, e alimentar o produto de gás nitrogênio dentro de uma tubulaçãoprincipal 40. A coluna de retificação 38 acima mencionada será descrita emmaior detalhe. A coluna de retificação 38 adicionalmente resfria o ar com-primido, resfriado a uma temperatura ultra baixa por um trocador de calorprincipal 36, para liqüefazer parte do ar comprimido em ar líquido 41, destaforma armazenando o ar líquido 41 em uma parte de fundo dele, enquantoarmazenando somente nitrogênio na forma gasosa em uma parte superiordele. A coluna de retificação 38 inclui uma fracionadora 42 incorporando umcondensador 42a em seu topo de coluna. Parte do gás nitrogênio armaze-nado na parte superior da coluna de retificação 38 é alimentada através deuma primeira tubulação de refluxo 43a no acima mencionado condensador42a. a pressão na acima mencionada fracionadora 42 é menor do que nacoluna de retificação 38. O ar líquido 41 (contendo 50 a 70% de N^; e 30 a50% de O2) acumulado na parte de fundo da coluna de retificação 38 é ali-mentado através de uma tubulação de alimentação 44 com uma válvula deexpansão 44a em uma fracionadora 42, e é gaseificado para resfriar a tem-peratura interna até uma temperatura não maior do que o ponto de ebuliçãodo nitrogênio líquido. Este resfriamento liqüefaz o gás nitrogênio alimentadodentro do condensador 42a, e o nitrogênio líquido passa através de uma se-gunda tubulação de refluxo 43b para fluir para baixo e ser suprido para aparte superior da coluna de retificação 38. Nitrogênio líquido é injetado e su-prido como um líquido refrigerante desde um tanque de nitrogênio líquido(não mostrado) através de uma tubulação de entrada 45 para dentro da co-luna de retificação 38. O nitrogênio líquido flui para baixo dentro da colunade retificação 38 para contatar em contra corrente e resfriar o ar comprimidoelevando-se desde a parte de fundo da coluna de retificação 38, desta formaliqüefazendo parte do ar comprimido. Neste processo, um componente deponto de ebulição alto no ar comprimido é liqüefeito e armazenado na partede fundo da coluna de retificação 38, e o gás nitrogênio que é um compo-nente de ponto de ebulição baixo é armazenado na parte superior da colunade retificação 38 (o ponto de ebulição do oxigênio: aproximadamente -183°C;e o ponto de ebulição do nitrogênio: aproximadamente -196°C). Na figura 3,o numerai de referência 46 designa uma tubulação de saída de gás de rejei-to para alimentar ar líquido gaseificado (gás de rejeito) dentro da fracionadora42 no trocador de calor principal 36 para diminuir a temperatura do gás com-primido passando através dele, 47 designa uma primeira tubulação de libera-ção para liberar o ar líquido gaseificado passado através do trocador de calorprincipal 36 para a atmosfera, 48 designa uma segunda tubulação de libera-ção para liberar um gás He na forma gasosa (tendo um ponto de ebuliçãoinferior ao daquele do gás nitrogênio) contido no gás nitrogênio para a at-mosfera, e 49 designa uma caixa fria para isolar com vácuo o interior dela.
Documento de Patente 1: Pedido de Patente Japonesa Aberto aInspeção pública Ν. 11 -101576 (1999).
Descrição da Invenção
Problemas a Serem Resolvidos pela Invenção
Foram feitos anteriormente aperfeiçoamentos nos aparelhos degerar nitrogênio empregando esquema único de retificação como descrito a -cima para reduzir a quantidade de ar de matéria-prima no sentido de reduziros custos de produção de gás. No entanto, a relação atual A/N (a quantidadede ar de matéria-prima/a quantidade de nitrogênio produzida) aproximada-mente igual a 2.1 está já próxima ao limite, e é difícil reduzir adicionalmente aquantidade de ar de matéria-prima para conseguir reduções em consumo depotência, a quantidade de líquido refrigerante e custos de instalações.
Em vista do acima mencionado, é um objetivo da presente in-venção prover um método de gerar nitrogênio que seja capaz de reduzir sig-nificativamente a quantidade de ar de matéria-prima para conseguir as redu-ções em consumo de potência, a quantidade de líquido refrigerante e custosde instalações, e um aparelho para uso no mesmo.
Meios Para Resolver Problemas
Para atingir o objetivo acima, um primeiro aspecto da presenteinvenção é pretendido para um método de gerar nitrogênio que compreende:comprimir ar tomado do exterior usando um meio de compressão de ar; resfri-ar o ar comprimido até uma baixa temperatura em um trocador de calor prin-cipal e então introduzir o ar comprimido em uma coluna de alta pressão; sepa-rar criogenicamente o ar comprimido introduzido na coluna de alta pressãousando uma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar com-primido; armazenar ar líquido em uma parte de fundo da coluna de alta pres-são e tomar nitrogênio na forma gasosa para uso como um líquido de refluxodesde uma parte superior da coluna de alta pressão; introduzir o ar líquidoarmazenado na parte de fundo da coluna de alta pressão através de umapassagem de extração de ar líquido dentro de uma coluna de baixa pressão;separar criogenicamente o ar líquido introduzido na coluna de baixa pressãousando uma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar líquido;armazenar ar líquido enriquecido de oxigênio em uma parte de fundo da colu-na de baixa pressão e retirar nitrogênio na forma gasosa desde uma partesuperior da coluna de baixa pressão para introduzir o nitrogênio como um gásproduto dentro da passagem de extração de gás produto; introduzir o nitrogê-nio na forma gasosa extraído para uso como o líquido de refluxo desde a par-te superior da coluna de alta pressão dentro de um condensador para liqüefa-zer o nitrogênio; refluir parte do nitrogênio líquido como o líquido de refluxopara a coluna de alta pressão e alimentar o restante do nitrogênio líquido paraa parte superior da coluna de baixa pressão; e introduzir nitrogênio líquido ouoxigênio líquido desde o exterior de um sistema dentro da coluna de baixapressão como um refrigerante para suplementar perda de calor no trocador decalor ou calor entrando do exterior, em que o ar líquido tomado através dapassagem de extração de ar líquido é introduzido dentro de uma porção deuma parte de retificação da coluna de baixa pressão na qual o numero de pla-cas teóricas de um lado de fundo da coluna é fixado dentro da faixa de umapara dez. Um segundo aspecto da presente invenção é tencionado para umaparelho para gerar nitrogênio que compreende: um meio de compressão dear para comprimir ar tomado do exterior; um trocador de calor principal pararesfriar o ar comprimido pelo meio de compressão a uma baixa temperatura;uma coluna de alta pressão para separar criogenicamente o ar comprimidoresfriado a uma baixa temperatura através do trocador de calor principal u-sando uma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar compri-mido para armazenar ar líquido em uma parte de fundo da coluna de altapressão e tomar nitrogênio na forma gasosa para uso como um líquido de re-fluxo desde uma parte superior da coluna de alta pressão; uma coluna de bai-xa pressão recebendo o ar líquido tomado da parte de fundo da coluna de altapressão através de uma passagem de extração de ar líquido e para separarcriogenicamente o ar líquido usando uma diferença no ponto de ebulição entrecomponentes no ar líquido para armazenar ar líquido enriquecido de oxigênioem uma parte de fundo da coluna de baixa pressão e para tomar nitrogênio naforma gasosa desde uma parte superior da coluna de baixa pressão; umapassagem de extração de gás produto para receber o nitrogênio tomado naforma gasosa como um gás produto desde a parte superior da coluna de bai-xa pressão; um condensador recebendo o nitrogênio na forma gasosa extraí-do para uso como o líquido de refluxo da parte superior da coluna de altapressão e para liqüefazer o nitrogênio; uma passagem de refluxo para refluirparte do nitrogênio líquido tomado do condensador como o líquido de refluxopara a coluna de alta pressão; uma passagem de alimentação para alimentaro restante do nitrogênio líquido tomado do condensador para a parte superiorda coluna de baixa pressão; e uma passagem de entrada para introduzir ni-trogênio líquido ou oxigênio líquido desde o exterior de um sistema dentro dav coluna de baixa pressão como um refrigerante para suplementar perda decalor no trocador de calor ou calor entrando do exterior, em que o ar líquidotomado através da passagem de extração de ar líquido é introduzido dentrode uma porção de uma parte de retificação da coluna de baixa pressão naqual o numero de placas teóricas de um lado de fundo da coluna é fixado den-tro da faixa de uma para dez.
Efeitos da Invenção
No processo de estudos para obter um método de gerar nitrogê-nio que seja capaz de reduzir significativamente a quantidade de ar de maté-ria-prima para conseguir reduções significativas em consumo de potência, aquantidade de líquido refrigerante e custos de instalações, e um aparelho parauso no mesmo, os presentes inventores focaram a atenção no fato de que oprocesso de alimentar o ar líquido armazenado na parte de fundo da colunade alta pressão dentro da coluna de baixa pressão para separar criogenica-mente o ar líquido novamente permite à coluna de baixa pressão a extrair ocomponente nitrogênio no acima mencionado ar líquido, desta forma conse-guindo um aperfeiçoamento na produção do gás nitrogênio de alta pureza,tomado desde fora usando os meios de compressão de ar, resfriando o arcomprimido até uma baixa temperatura no trocador de calor principal e entãointroduzindo o ar comprimido dentro da coluna de alta pressão, separandocriogenicamente o ar comprimido introduzido dentro da coluna de alta pressãousando uma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar com-primido, armazenando ar líquido na parte de fundo da coluna de alta pressãoe tomando nitrogênio na forma gasosa para uso como liquido de refluxo desdea parte superior da coluna de alta pressão, introduzindo o ar líquido armaze-nado na parte de fundo da coluna de alta pressão através da passagem deextração de ar líquido dentro da coluna de baixa pressão, separando criogeni-camente o ar líquido introduzido na coluna de baixa pressão usando uma dife-rença no ponto de ebulição entre componentes no ar comprimido, armaze-nando ar líquido enriquecido de oxigênio na parte de fundo da coluna de baixapressão e tomando nitrogênio na forma gasosa desde a parte superior da co-luna de baixa pressão para introduzir o nitrogênio como um gás produto auma passagem de gás produto, introduzindo o nitrogênio na forma gasosaextraído da parte superior da coluna de alta pressão dentro do condensadorpara liqüefazer o nitrogênio, refluindo parte do nitrogênio líquido como o líqui-do de refluxo para a coluna de alta pressão e alimentando o restante do nitro-gênio líquido à parte superior da coluna de baixa pressão, e introduzindo ni-trogênio líquido ou oxigênio líquido desde fora um sistema dentro da colunade baixa pressão como um líquido refrigerante para suplementar perda decalor no trocador de calor ou entrar calor desde fora. Assim, os inventores fi-zeram uma série de estudos. Como resultado, os presentes inventores obtive-ram a presente invenção descobrindo o fato de que a introdução do ar líquidotomado através da passagem de extração de ar líquido dentro de uma porçãoda parte de retificação da coluna de baixa pressão na qual o numero da pla-cas teóricas desde um lado de fundo de coluna é estabelecido dentro da faixade um para dez prove um aperfeiçoamento significativo na produção do gásnitrogênio de alta pureza para reduzir significativamente a quantidade de ar dematéria-prima desta forma conseguindo as reduções significativas em consu-mo de potência, a quantidade custos de instalações (ou seja, conseguindo asreduções significativas em consumo de potência, a quantidade de líquido re-frigerante e custos de instalações reduzindo o tamanho das instalações rela-cionadas ao ar de matéria-prima, e conseguindo a redução significativa naquantidade de líquido refrigerante reduzindo significativamente a quantidadede líquido refrigerante (a quantidade de injeção de nitrogênio líquido) que su-plementa a perda de calor no trocador de calor principal e utilizando a energiade resfriamento do nitrogênio líquido injetado dentro da coluna de baixa pres-são mesmo em uma região de baixa pressão). Na presente invenção, um e-xemplo de um meio de retificação para uso na parte de retificação da colunade baixa pressão pode incluir uma estrutura conhecida como bandejas ou a-condicionamentos de retificação (um acondicionamento estruturado, um a -condicionamento aleatório e semelhante.
Na presente invenção, quando uma entrada da passagem deentrada é provida em uma parte inferior da parte de retificação da coluna debaixa pressão, pode ser introduzido nitrogênio líquido ou oxigênio líquidocomo um fluido refrigerante dentro de um espaço inferior da parte de retifica-ção da coluna de baixa pressão acima mencionada.
Na presente invenção, quando é provida uma saída de gás deexaustão para introduzir um gás de exaustão em uma parte inferior da colu-na de baixa pressão para fora em uma porção inferior da parte de retificaçãoda coluna, o gás armazenado na parte inferior da acima mencionada colunade baixa pressão e contendo menos gás nitrogênio de alta pureza pode serintroduzido como o gás de exaustão para o exterior. Isto melhora ainda maisa produção do gás nitrogênio de alta pureza extraído desde a parte superiorda acima mencionada coluna de baixa pressão.
Breve Descrição dos Desenhos
A figura 1 é um diagrama mostrando uma concretização preferi-da de um aparelho de gerar nitrogênio de acordo com a presente invenção.
A figura 2 é um diagrama mostrando outra concretização preferi-da de um aparelho de gerar nitrogênio de acordo com a presente invenção.
A figura 3 é um diagrama mostrando um aparelho convencional.
Descrição dos Numerais e Caracteres de Referência
11 coluna de alta pressão
12 coluna de baixa pressão
12a parte de retificação
13 ar líquido
16 condensador
20 tubulação de extração
22 ar líquido enriquecido de oxigênioMelhor Maneira para Realizar a Invenção
A seguir será agora descrita em detalhe uma concretização pre-ferida de acordo com apresente invenção, com referências aos desenhos.
A figura 1 mostra uma concretização preferida de um aparelhode gerar nitrogênio de acordo com a presente invenção. Na figura 1 o nume-rai de referência 1 designa um aparelho de compressão de ar de matéria-prima que inclui um compressor de ar de matéria-prima 2 para comprimir artomado do exterior (até uma pressão de aproximadamente 0,47 MpaG), umtrocador de calor 3 para trocar calor com um gás de exaustão retirado deuma coluna de baixa pressão. 12 a ser descrita mais tarde e com o ar com-primido que é comprimido no compressor de ar de matéria-prima 2 para a-quecer o gás de exaustão até uma temperatura aumentada e resfriar o arcomprimido até uma temperatura diminuída, e um separador de dreno 4. Onumerai de referência 5 designa um resfriador para resfriar o ar comprimidopassado através do acima mencionado aparelho de compressão de ar de ma-téria-prima 1, e 6 e 7 designa aparelhos de pré-tratamento de ar incluindo umpar de colunas de adsorção para remover por adsorção umidade e oxido decarbono do ar comprimido passado através do resfriador 5. O numerai de re-ferência 8 designa um trocador de calor principal de um tipo de aleta de placa.
O ar comprimido passado através das acima mencionadas colunas de adsor-- ção 6 e 7 através de uma tubulação de suprimento de ar comprimido 9 é ali-mentado dentro do trocador de calor principal 8. O trocador de calor principal8 resfria o ar comprimido até uma ultra baixa temperatura (aproximadamente-175Ό) pela ação de uma troca de calor com um gás nitrogênio de alta pu-reza, um gás de exaustão e um líquido drenado a ser descrito mais tarde.
O numerai de referência 10 designa uma coluna de retificaçãode um tipo de retificação dupla que inclui uma coluna de alta pressão 12 (acio-nada a uma pressão de aproximadamente 0.45 MpaG), e a coluna de baixapressão 11 (acionada a uma pressão de aproximadamente 0,04 MpaG) provi-da sobre a coluna de alta pressão 11. Na acima mencionada coluna de altapressão 11, o ar comprimido resfriado pelo trocador de calor principal 8 ealimentado dentro de uma parte da coluna de alta pressão 11 é resfriadoainda mais e separado criogenicamente pelo uso de uma diferença no pontode ebulição entre componentes no ar comprimido, por meio do que um com-ponente de ponto de ebulição alto (oxigênio) no ar comprimido é liqüefeito earmazenado como ar líquido 13 (tendo uma concentração de oxigênio deaproximadamente 35% em voluma) em uma parte de fundo da coluna dealta pressão 11 enquanto que é retirado nitrogênio na forma de gás comoum componente de baixo ponto de ebulição desde a parte de topo da colunade alta pressão 11.
O numerai de referência 15 designa uma primeira tubulação derefluxo para alimentar o gás nitrogênio de alta pureza retirado da parte detopo da acima mencionada coluna de alta pressão 11 para dentro do con-densador 16 a ser descrito abaixo. O gás nitrogênio de alta pureza alimenta-do pela primeira tubulação de refluxo 15 dentro do condensador 16 é liqüe-feito pelo condensador 16. Parte do nitrogênio líquido de alta pureza é refluí-do como um líquido de refluxo através de uma segunda tubulação de refluxo17 para a parte de topo da acima mencionada coluna de alta pressão 11,enquanto o restante do nitrogênio líquido de alta pureza é introduzido atra-vés de uma tubulação de suprimento 18 de dentro de um super-resfriador19, e resfriado pela troca de calor com o gás nitrogênio de alta pureza , e éentão suprido à parte de topo da acima mencionada coluna de baixa pressão 12. -
O numerai de referência 20 designa uma tubulação de extração(passagem de extração de ar líquido) com uma válvula de expansão 20apara alimentar o ar líquido 13 armazenado na parte de fundo da coluna dealta pressão 11 para as partes de bandeja de retificação (partes de retifica-ção) 12a da coluna de baixa pressão 12. Nesta concretização preferida, oacima mencionado ar líquido 13 é alimentado entre a bandeja de retificaçãomais inferior e a décima bandeja de retificação mais inferior (ambas nãomostradas) nas partes de retificação 12a da coluna de baixa pressão 12. Onumerai de referência 21 designa uma tubulação de entrada de nitrogêniolíquido para alimentar nitrogênio líquido desde o tanque de nitrogênio líquido(não mostrado) (suprido com nitrogênio líquido desde fora do aparelho) den-tro da parte inferior das partes de bandeja de retificação 12a da coluna debaixa pressão 12. Na coluna de baixa pressão 12, o ar líquido 13, em umestado misturado de gás-iíquido alimentado através da tubulação de extra-ção 20 é resfriado adicionalmente e separado criogenicamente pelo uso deuma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar líquido 13 pormeio do que um componente de alto ponto de ebulição (oxigênio) no ar lí-quido 13 é liqüefeito e armazenado como ar líquido enriquecido de oxigênio22 (tendo uma concentração de aproximadamente 90% em volume) em umaparte de fundo da coluna de baixa pressão 12 enquanto nitrogênio como umcomponente de baixo ponto de ebulição é retirado na forma gasosa desde-uma parte superior da coluna de baixa pressão 12 como na coluna de altapressão 11.0 gás nitrogênio de alta pureza da parte de topo da coluna debaixa pressão 12 (tendo uma concentração de aproximadamente 100% emvolume, que é aproximadamente igual à concentração de nitrogênio do gásnitrogênio de alta pureza retirado da parte de topo da coluna de alta pressão11) é obtida alimentando o ar líquido 13 armazenado na parte de fundo dacoluna de alta pressão 11 dentro da coluna de baixa pressão 12 e separan-do criogenicamente o ar líquido 13 novamente. A quantidade de gás nitrogê-nio assim obtida é muito maior do que a quantidade de gás nitrogênio obtidado aparelho de gerar nitrogênio de um tipo de retificação única.
O condensador 16 é imerso no ar líquido enriquecido de oxigê-nio 22 armazenado na parte de fundo da coluna de baixa pressão 12 acimamencionada. Como descrito acima, o condensador 16 liqüefaz o gás nitro-gênio de alta pureza retirado da parte de topo da acima mencionada colunade alta pressão 11, e evapora o ar líquido enriquecido de oxigênio 22 emtorno do condensador 16 aquecendo para gerar um gás ascendente dentroda coluna de baixa pressão 12. O gás ascendente, o nitrogênio líquido dealta pureza fluindo para baixo desde a parte de topo da coluna de baixapressão 12 e o ar líquido 13 suprido às partes de retificação 12a da colunade baixa pressão 12 são retificadas entrando em contato um com o outro,por meio do que o ar líquido enriquecido de oxigênio 22 é armazenado naparte de fundo enquanto o gás nitrogênio de alta pureza é retirado desde aparte de topo, como discutido acima.
O numerai de referência 23 designa uma tubulação de extraçãopara extrair o gás nitrogênio de alta pureza desde a parte de topo da acimamencionada coluna de baixa pressão 12. O gás nitrogênio de alta pureza éaquecido até a temperatura ambiente passando o gás nitrogênio de alta pu-reza através do super-resfriador 19 e o trocador de calor principal 8. Depoisum compressor de nitrogênio 24a de um aparelho de compressão de nitro-gênio 24 comprime o gás nitrogênio de alta pureza até uma pressão prede-terminada, o gás nitrogênio de alta pureza comprimido é introduzido em umatubulação de extração de gás nitrogênio .produto (passagem de extração degás produto) 25, e é suprido como um gás nitrogênio produto a um local decomprador. O numerai de referência 26 designa uma tubulação de extraçãode gás de exaustão desde a parte de inferior das partes de retificação 12ada acima mencionada coluna de baixa pressão 12 (ou seja, uma parte abai-xo de uma entrada de ar líquido na qual o ar líquido da tubulação de extra-ção 20 entra nas partes de retificação 12a. A tubulação de extração de gásde exaustão 26 serve para extrair um gás de exaustão (tendo uma concen-tração de oxigênio de aproximadamente 80% em volume) gerado pela eva-poração do ar líquido enriquecido de oxigênio 22 na parte de fundo da acimamencionada coluna de baixa pressão 12. Este gás de exaustão é introduzidopor uma tubulação de extração de gás de exaustão 26 dentro do trocador decalor principal 8 e é aquecido nele até a temperatura ambiente. Depois que ogás de exaustão é aquecido ainda mais no trocador de calor 3, o gás de e-xaustão aquecido é usado como um gás de regeneração para as colunas deadsorção 6 e 7, e é liberado para a atmosfera. Na figura 1, o caractere dereferência 24b designa um resfriador no aparelho de compressão de nitro-gênio 24.
O numerai de referência 28 designa linha de sistema de reservana qual evaporadores de nitrogênio líquido de reserva 28b evaporam nitro-gênio líquido dentro de um tanque de nitrogênio líquido de reserva 28a den-tro da tubulação de extração de gás nitrogênio produto 25, desta forma evi-tando a interrupção de suprimento de gás nitrogênio quando o presente apa-relho falha ou acontece uma falta do gás nitrogênio produto. Na figura 1, onumerai de referência 29 designa um caixa fria para isolar com vácuo o inte-rior dela.
O aparelho de gerar nitrogênio produz um gás nitrogênio produtoem uma maneira a ser descrita abaixo. Primeiro, o compressor de ar de ma-téria-prima 2 retira ar do exterior para dentro dele para comprimir o ar. O arcomprimido é passado através do trocador de calor 3, o separador de dreno4 e o resfriador 5 de forma que seja removida umidade do ar comprimido eque o ar comprimido seja resfriado. Depois disto o ar comprimido é alimen-tado dentro da coluna de adsorção 6 (7) de forma que a umidade e dióxidode carbono sejam removidos por adsorção do ar compressor de ar. A seguiro ar comprimido do qual a umidade e dióxido de carbono são removidos poradsorção é alimentado através da tubulação de suprimento de ar comprimi-do 9 dentro do trocador de calor principal 8 e é resfriado ate uma temperatu-ra ultra baixa no trocador de calor principal 8. O ar comprimido resfriado éintroduzido dentro da parte inferior da coluna de alta pressão 11. A seguir, oar comprimido introduzido é resfriado levando o ar comprimido em contatode contracorrente com o líquido de refluxo passado através do condensador16 de volta à parte de topo da coluna de alta pressão 11. Parte do ar com-primido é liqüefeito e armazenado como ar líquido 13 na parte de fundo dacoluna de alta pressão 11. O ar líquido 13 é alimentado através da tubulaçãode extração 20 com a válvula de expansão 20a dentro da coluna de baixapressão 12 para resfriar o condensador 16. Este resfriamento liqüefaz o gásnitrogênio de alta pureza alimentado desde a parte de topo da coluna de altapressão 11 dentro do condensador 16. Parte deste nitrogênio líquido de altapureza torna-se o líquido de refluxo o qual por sua vez passa através da se-gunda tubulação de refluxo 17 de retorno para a parte de topo da coluna dealta pressão 11, enquanto o restante do nitrogênio líquido de alta purezapassa através da tubulação de suprimento 18, é resfriado pelo super-resfriador 19, e é suprido à parte de topo da acima mencionada coluna debaixa pressão 12. No processo de resfriamento contatando o ar comprimidointroduzido e o refluxo líquido dentro da coluna de alta pressão 11 comodescrito acima, oxigênio servindo como componente de ponto de ebuliçãoalto é liqüefeito e flui para baixo e o nitrogênio permanece na forma gasosana parte de topo da coluna de alta pressão 11 e é alimentado através daprimeira tubulação de refluxo 15 para dentro do condensador 16 devido àdiferença no ponto de ebulição entre nitrogênio e oxigênio.
Por outro lado, o nitrogênio líquido servindo como a fonte de res-friamento é alimentado desde o tanque de nitrogênio líquido através da tubu-lação de entrada de nitrogênio líquido 21 dentro da coluna de baixa pressão12. O gás ascendente gerado desde o ar líquido enriquecido de oxigênio 22dentro da coluna de baixa pressão 12 é resfriado levando o gás áscendenteem contato de contracorrente com nitrogênio líquido de alta pureza supridodesde o condensador 16 para a parte de topo da coluna de baixa pressão 12e o ar líquido 13 introduzido dentro da coluna de baixa pressão 12.
No processo deste resfriamento, oxigênio servindo como o com-ponente de alto ponto de ebulição no ar comprimido é liqüefeito, flui parabaixo e é armazenado como o ar líquido enriquecido de oxigênio 22 na partede fundo da coluna de baixa pressão 12 para resfriar o condensador 16, e onitrogênio na forma gasosa é retirado da parte de topo da coluna de altapressão 11 através da tubulação de extração 23 dentro do super-resfriador19 e o trocador de calor principal 8, aquecido até próximo da temperaturaambiente e é alimentado para fora como o gás nitrogênio produto devido àdiferença no ponto de ebulição entre nitrogênio e oxigênio. O gás de exaus-tão na parte de fundo da acima mencionada coluna de baixa pressão 12, éretirado pela tubulação de extração de gás de exaustão 26 e é usado comoo gás de regeneração para as colunas de adsorção 6 e 7, e é liberado para aatmosfera.
Conforme descrito acima, esta concretização preferida usa acoluna de retificação 10 ao tipo de retificação dupla para alimentar o ar líqui-do 13 armazenado na parte inferior da coluna de alta pressão 11 dentro dacoluna de baixa pressão 12, por meio de que separar ciogenicamente o arlíquido novamente. Por conseguinte, a produção do gás nitrogênio de altapureza é aprefeiçoada significativamente (melhorada até uma relação A/Naproximadamente igual a 1,4). Isto reduzsignificativamente a quantidade dear matéria-prima para reduzir o tamanho das instalações relacionadas com oar de matéria-prima (o compressor de ar de matéria-prima 2, o par de colu-nas de adsorção 6 e 7, suas instalações incidentais de tubulação e simila-res), portanto reduzindo o consumo de energia e custos das instalações,adicionalmente, esta concretização preferida reduz significativamente aquantidade de refrigerante (a quantidade de inverção ao nitrogênio líquido)que suplementa a perda de calor no trocador de calor principal 8, e utiliza aenergia de resfriamento do nitrogênio líquido injetado dentro da coluna debaixa pressão 12 mesmo em uma região de baixa pressão para adicional-mente reduzir a quantidade de injeção do nitrogênio líquido. Adicionalmente,esta concretização preferida reduz o tamanho da caixa fria 29 para diminuiro vazamento de calor da caixa fria 29, por meio de que obtém a redução a-dicional na quantidade de injeção de nitrogênio líquido. Nesta concretizaçãopreferida, a quantidade de injeção do nitrogênio líquido pode ser reduzidapara aproximadamente 0,5% da quantidade de nitrogênio produto.
A figura 2 mostra uma segunda concretização preferida do apa-relho de gerar nitrogênio de acordo com a presente invenção. A segundaconcretização preferida é adaptada para alimentar nitrogênio líquido comouma fonte de resfriamento desde o tanque de nitrogênio líquido para a partede topo da coluna de baixa pressão 12 na primeira concretização preferidadescrita acima. Outras partes da segunda concretização preferida são simi-lares àquelas da primeira concretização preferida, e numerais semelhantessão usados para designar partes similares. A segunda concretização preferi-da produz funções e efeitos similares àqueles da primeira concretização pre-ferida descrita acima.
A primeira e segunda concretizações preferidas descritas acimausam as partes de bandeja de retificação como as partes de retificação 12ada acima mencionada coluna de alta pressão 11 (ou seja, a retificação é rea-Iizada pelas bandejas de retificação). A presente invenção, no entanto, nãoesta limitada a isto. A retificação pode ser realizada usando vários acondi-cionamentos, tais como um acondicionamento estruturado, um acondicio-namenío aleatório e semelhante. Neste caso o ar líquido 13 a ser armazena-do na parte de fundo da acima mencionada coluna de alta pressão 11 é in-troduzido dentro de uma parte do acondicionamento tendo uma altura cor-respondente à primeira à décima placas teóricas nas partes de retificação12a as quais acomodam o acondicionamento. O nitrogênio líquido é introdu-zido dentro da parte inferior das partes de retificação 12a da coluna de baixapressão 12 ou da parte superior das partes de retificação 12a tal como a par-te de topo na primeira e segunda concretizações preferidas descritas acima,mas pode ser introduzida dentro de qualquer parte (incluindo as partes deretificação 12a) da coluna de baixa pressão 12 ou-dentro de qualquer parteda coluna de alta pressão 11.0 nitrogênio líquido é introduzido dentro dacoluna de baixa pressão 12 como uma fonte de resfriamento na primeira esegunda concretizações descritas acima. No entanto, ar líquido pode serintroduzido no lugar do nitrogênio líquido.
Aplicabilidade Industrial
A presente invenção melhora significativamente a produção dogás nitrogênio de alta pureza para reduzir significativamente a quantidade dear de matéria-prima, desta forma conseguindo reduções significativas noconsumo de potência, a quantidade de líquido refrigerante e os custos de instalações.

Claims (4)

1. Método de gerar nitrogênio compreendendo: comprimir ar to-mado do exterior usando meios de compressão de ar (1); resfriar o ar com-primido a uma baixa temperatura em um trocador de calor principal (3) e en-tão introduzir o ar comprimido em uma coluna de alta pressão (11); separarcriogenicamente o ar comprimido introduzido na coluna de alta pressão (11)usando uma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar com-primido; armazenar ar líquido em uma parte de fundo da coluna de alta pres-são (11) e tomar nitrogênio na forma gasosa para uso como um líquido derefluxo desde uma parte superior da coluna de alta pressão;caracterizado pelo fato de compreender ainda as etapas de:- introduzir o ar líquido armazenado na parte de fundo da colunade alta pressão (11), através de uma passagem de extração de ar líquido(20), dentro de uma coluna de baixa pressão (12);- separar criogenicamente o ar líquido introduzido na coluna debaixa pressão (12) usando uma diferença no ponto de ebulição entre com-ponentes no ar líquido;- armazenar ar líquido enriquecido de oxigênio em uma parte defundo da coluna de baixa pressão (12) e retirar nitrogênio na forma gasosadesde uma parte superior da coluna de baixa pressão (12) para introduzir onitrogênio como um gás produto dentro da passagem de extração de gásproduto (23);- introduzir o nitrogênio na forma gasosa extraído para uso comoo líquido de refluxo desde a parte superior da coluna de alta pressão (11)dentro de um condensador (16) para liqüefazer o nitrogênio;- refluir parte do nitrogênio líquido como o líquido de refluxo paraa coluna de alta pressão (11) e alimentar o restante do nitrogênio líquido pa-ra a parte superior da coluna de baixa pressão (12); e- introduzir nitrogênio líquido ou oxigênio líquido, proveniente deum sistema externo, dentro da coluna de baixa pressão (12) como um refri-gerante para suplementar perda de calor no trocador de calor (3) ou com-pensar calor entrando do exterior, sendo que o ar líquido tomado através dapassagem de extração de ar líquido (20) é introduzido dentro de uma partede retificação (12a) da coluna de baixa pressão (12), na qual o numero deplacas teóricas de um lado de fundo da coluna (12) é fixado dentro da faixade uma até dez.
2. Aparelho para gerar nitrogênio compreendendo:- meios de compressão de ar (1) para comprimir ar tomado doexterior;- um trocador de calor principal (3) para resfriar o ar comprimidopelos meios de compressão a uma baixa temperatura; e- uma coluna de alta pressão (11) para separar criogenicamenteo ar comprimido resfriado a uma baixa temperatura através do trocador decalor principal (3) usando uma diferença no ponto de ebulição entre compo-nentes no ar comprimido para armazenar ar líquido em uma parte de fundoda coluna de alta pressão (11) e tomar nitrogênio na forma gasosa para usocomo um líquido de refluxo desde uma parte superior da coluna de altapressão (11); e- um condensador (16) que recebe o nitrogênio na forma gasosaextraído para uso como o líquido de refluxo da parte superior da coluna dealta pressão (11) e para liqüefazer o nitrogênio para liqüefazer o nitrogêniocaracterizado pelo fato de compreender ainda- uma coluna de baixa pressão (12) recebendo o ar líquido toma-do da parte de fundo da coluna de alta pressão (11) através de uma passa-gem de extração de ar líquido e para separar criogenicamente o ar líquidousando uma diferença no ponto de ebulição entre componentes no ar líquidopara armazenar ar líquido enriquecido de oxigênio em uma parte de fundoda coluna de baixa pressão e para tomar nitrogênio na forma gasosa desdeuma parte superior da coluna de baixa pressão;- uma passagem de extração de gás produto (23) para receber onitrogênio tomado na forma gasosa como um gás produto desde a parte su-perior da coluna de baixa pressão (12);- uma passagem de refluxo (15) para refluir parte do nitrogêniolíquido tomado do condensador como o líquido de refluxo para a coluna dealta pressão (11);- uma passagem de alimentação para alimentar o restante do ni-trogênio líquido tomado do condensador (16) para a parte superior da colunade baixa pressão; e- uma passagem de entrada (21) para introduzir nitrogênio líqui-do ou oxigênio líquido desde o exterior de um sistema dentro da coluna debaixa pressão (12) como um refrigerante para suplementar perda de calor notrocador de calor ou calor entrando do exterior, sendo que o ar líquido toma-do através de uma passagem de extração de ar líquido (20) na parte de fun-do da coluna de alta pressão (11) é introduzido dentro de uma parte de retifi-cação (12a) da coluna de baixa pressão (11), na qual o numero de placasteóricas de um lado de fundo da coluna é fixado dentro da faixa de uma até dez.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pe-Io fato de que a passagem de entrada (21) entra numa região inferior da par-te de retificação (12a) da coluna de baixa pressão (12).
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracteriza-do pelo fato de compreender ainda uma saída de gás de exaustão (26) emuma parte inferior da parte de retificação da coluna de baixa pressão.
BRPI0612537-9A 2005-06-23 2006-06-16 Método de gerar nitrogênio e aparelho para uso no mesmo BRPI0612537B1 (pt)

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