BRPI0619924A2

BRPI0619924A2 - processo de separação de ar por destilação criogênica

Info

Publication number: BRPI0619924A2
Application number: BRPI0619924-0A
Authority: BR
Inventors: Cayeux Olivier De; Richard Dubettier-Grenier; Alain Guillard; Bot Patrick Le
Original assignee: Air Liquide
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2011-10-25
Also published as: CN101331374A; RU2008128818A; CN101331374B; KR101341278B1; UA96431C2; FR2895068B1; KR20080074175A; WO2007068858A3; FR2895068A1; WO2007068858A2; RU2387934C2

Abstract

PROCESSO DE SEPARAçãO DE AR POR DESTILAçãO CRIOGêNICA. Segundo um primeiro funcionamento em um aparelho de separação de ar, se comprime em um compressor principal (1) todo o ar destinado à destilação, se envia uma primeira vazão de ar comprimido pelo menos no compressor principal, purificado e arrefecido em uma linha de troca (6) à coluna média pressão (8) de uma dupla coluna, se separa a vazão de ar em um dos fluxos enriquecidos com nitrogênio e com oxigênio na coluna média pressão, se estira uma vazão de oxigênio líquido (16) da coluna baixa pressão, se pressuriza-a até uma pressão elevada e se vaporiza-a na linha de troca para formar uma primeira vazão gasosa rica em oxigênio e à pressão elevada, se liqúefaz pelo menos uma parte (24) do ar comprimido no compressor principal e se envia a parte liqúefeita à dupla coluna e se produz também uma segunda vazão gasosa rica em oxigênio (115) , mas a uma pressão menos elevada do que a primeira vazão gasosa rica em oxigênio e conforme um segundo funcionamento, se aumenta a pressão de liqúefaçáo do ar, regulando-se as superfícies que orientam o fluxo do compressor principal (1) que fixa essa pressão, se reduz a produção da segunda vazão gasosa rica em oxigênio e se aumenta o estiramento da primeira vazão gasosa rica em oxigênio.

Description

PROCESSO DE SEPARAÇÃO DE AR POR DESTILAÇÃO CRIOGÊNICA

A presente invenção é relativa a um processo de separação de ar por destilação criogênica, em particular a um processo e a uma instalação de fornecimento de oxigênio com duas pressões e/ou com duas purezas.

Certos contextos industriais necessitam do fornecimento simultâneo, em grandes quantidades, de oxigênio com uma única pureza sob pressões diferentes, até mesmo de oxigênio praticamente puro e de oxigênio impuro sob pressões diferentes.

Por outro lado, certas aplicações industriais necessitam das quantidades consideráveis de oxigênio impuro sob diversas pressões: gaseificação do carvão, gaseificação de resíduos petrolíferos, redução - fusão direta do minério de ferro, injeção de carvão nos altos fornos, metalurgia dos metais não ferrosos, etc.

Uma unidade de produção siderúrgica compreende classicamente vários elementos que têm necessidades diferentes em oxigênio, tal como descrito em "The Making, Shaping and Teating of Steel", AISE, 1985. O alto forno consome ar rico em oxigênio média pressão (P < 1000 kPa) e em certos casos baixa pureza. O oxigênio baixa pureza tem uma pureza entre 80 e 97 %. Ao contrário, os conversores e os fornos com arco consomem oxigênio à alta pressão (P > 1500 kPa por injeção em conversor, e P > 2500 kPa tipicamente nos reservatórios tampões gás instalado a montante dos conversores) com uma alta pureza entre 9 9 e 99,8 %. Para fornecer essas duas qualidades de oxigênio, são freqüentemente previstos dois aparelhos de produção de oxigênio por destilação de ar, aquele que produz o oxigênio média pressão sendo, por exemplo, um aparelho com coluna de mistura do tipo descrito na patente US-A-4022030 e EP-a- 0531182 e aquele que produz oxigênio alta pureza sendo tipicamente um aparelho com dupla coluna clássica.

Todas as purezas mencionadas são percentagens molares e as pressões são pressões absolutas.

A presente invenção visa a resolver o seguinte problema: às vezes, o cliente tem necessidades aumentadas em oxigênio alta pressão, enquanto que não tem mais necessidade de oxigênio média pressão (ou não tem mais necessidade de tanto oxigênio média pressão / ou pode funcionar com uma quantidade reduzida (até mesmo nula) de oxigênio média pressão [como é o caso para o alto forno]).

A finalidade da invenção é de satisfazer o cliente sem ter de recorrer nem a um segundo aparelho de separação de ar, nem à vaporização de oxigênio líquido criogênico que vem de uma estocagem.

Conforme um objeto de invenção, é previsto um processo de separação de ar por destilação criogênica em um aparelho de separação de ar, compreendendo um sistema de colunas no qual:

I) de acordo com um primeiro funcionamento:

a) se comprime em um compressor principal todo o ar destinado à destilação;

b) se envia uma primeira vazão de ar comprimido pelo menos no compressor principal, purificado e arrefecido em uma linha de troca à coluna média pressão de uma dupla coluna;

c) se separa a vazão de ar em fluxos enriquecidos com nitrogênio e com oxigênio na coluna média pressão; d) se enviam os fluxos enriquecidos com nitrogênio e com oxigênio da coluna média pressão a uma coluna baixa pressão da dupla coluna, direta ou indiretamente;

e) se estira uma vazão rica em nitrogênio da coluna baixa pressão e eles são aquecidos na linha de troca;

f) se estira uma vazão de oxigênio líquido da coluna baixa pressão, se pressuriza-a até uma pressão elevada e vaporiza-se-a na linha de troca para formar uma primeira vazão gasosa rica em oxigênio e à pressão elevada;

g) se liqüefaz pelo menos uma parte do ar comprimido no compressor principal, eventualmente após tê-lo recomprimido em pelo menos um segundo compressor e se envia a parte liqüefeita à dupla coluna; e

h) se produz também uma segunda vazão gasosa rica em oxigênio, mas a uma pressão menos elevada do que a primeira vazão gasosa rica em oxigênio;

II) conforme um segundo funcionamento:

a) se aumenta a pressão de liqüefação do ar, regulando-se as superfícies que orientam o fluxo do

compressor principal e eventualmente do segundo compressor que fixa(m) essa pressão;

b) se reduz, eventualmente a zero, a produção da segunda vazão gasosa rica em oxigênio;

c) se aumenta o estiramento da primeira vazão gasosa rica em oxigênio.

Conforme outros aspectos facultativos:

- a segunda vazão gasosa rica em oxigênio é produzida, estirando-se uma vazão líquida da coluna baixa pressão e pressurizando-a a pressão menos elevada antes de vaporizá- la na linha de troca; - a segunda vazão gasosa rica em oxigênio é produzida, estirando-se uma vazão gasosa de uma coluna de mistura alimentada pelo ar ou da coluna baixa pressão;

- pelo menos um segundo compressor comprime todo o ar destinado ao aparelho;

- pelo menos um segundo compressor comprime apenas uma parte do ar destinado ao aparelho;

- quando do segundo funcionamento, aumenta-se a vazão enviada ao segundo compressor;

- uma parte do ar comprimido no segundo compressor é expandida em uma turbina acoplada ao segundo compressor, depois enviada à dupla coluna e no qual a vazão expandida durante o segundo funcionamento reduzida em relação àquela durante o primeiro funcionamento;

- quando do segundo funcionamento, se mantém constante a vazão enviada ao segundo compressor em relação ã mesma vazão durante o primeiro funcionamento;

se aumenta a quantidade de gás enviado em uma turbina que aciona o segundo compressor no segundo

funcionamento em relação àquela enviada durante o primeiro fune ionamento;

- a primeira vazão rica em oxigênio tem uma pureza superior a 98,5 %, e a segunda vazão rica em oxigênio tem uma pureza inferior a 98 %;

- quando do primeiro funcionamento, se estira da segunda coluna, enquanto produto final uma vazão liquida rica em oxigênio e quando do segundo funcionamento o estiramento dessa vazão é reduzido eventualmente a zero;

- a soma da primeira e da segunda vazão ricas em oxigênio é substancialmente constante entre o primeiro e o segundo funcionamentos;

- durante o primeiro funcionamento, uma vazão de ar é expandida em uma turbina e enviada à dupla coluna e durante o segundo funcionamento, seja a vazão expandida é lançada na atmosfera, seja uma parte da vazão expandida é enviada à dupla coluna, enquanto que o resto é lançado na atmosfera;

durante o segundo funcionamento, se envia ar comprimido à dupla coluna, proveniente de um compressor auxiliar;

- uma parte do ar tratado vem de uma sopradora de alto forno;

durante o primeiro funcionamento, se produz uma vazão de nitrogênio sob pressão e/ou de argônio sob pressão por vaporização de líquido pressurizado, e durante o segundo funcionamento se reduz ou se pára a produção dessa vazão ou dessas vazões;

- durante o primeiro funcionamento se produz uma vazão de nitrogênio líquido e/ou de argônio líquido como produto final e durante o segundo funcionamento se reduz ou se pára

essa produção ou essas produções;

- a primeira e a segunda vazões ricas em oxigênio têm a mesma pureza ou purezas diferentes.

De acordo com um outro aspecto da invenção, é previsto um procedimento de fornecimento de uma vazão de oxigênio alta pressão, no qual, de acordo com um primeiro funcionamento, cada uma de duas instalações de separação de ar fornece oxigênio alta pressão e de acordo com um segundo funcionamento uma primeira das duas instalações fornece uma vazão de oxigênio alta pressão aumentada em relação àquela, de acordo com o primeiro funcionamento, e a segunda instalação fornece uma vazão reduzida, até mesmo a zero; pelo menos a primeira instalação que funciona conforme descrito acima e que fornece, além de sua produção inicial de oxigênio alta pressão, pelo menos 5 0 % da quantidade de oxigênio alta pressão produzida durante o primeiro funcionamento pela segunda instalação.

De acordo com outros aspectos da invenção, é previsto

que:

- um compressor de ar da segunda instalação envie ar comprimido à primeira instalação, durante o segundo fune ionamento;

- nenhum superprensor de ar é acionado por um motor. As figuras 1, 2 e 3 representam um aparelho de separação de ar, capaz de funcionar, segundo o processo da invenção, e a figura 4 mostra um conjunto de aparelhos de separação de ar, dos quais pelo menos um que funciona de acordo com a invenção.

A instalação de destilação de ar representada na figura 1 compreende essencialmente: um compressor de ar 1, um aparelho 2 de purificação do ar comprimido com água e CO2, por adsorção, esse aparelho compreendendo duas garrafas de adsorção 2A, 2B, das quais uma funciona em adsorção, enquanto que a outra está em curso de regeneração, um conjunto turbina - superprensor 3 compreendendo uma turbina de expansão 4, e eventualmente um superprensor 5, cuja árvore é acoplada àquela da turbina 4, um trocador de calor 6 que constitui a linha de troca térmica da instalação, uma dupla coluna de destilação 7 compreendendo uma coluna média pressão 8 superposta por uma coluna baixa pressão 9, com um vaporizador - condensador 10 que coloca o vapor de cabeça (nitrogênio) da coluna 8 em relação de troca térmica com o líquido de cuba (oxigênio) da coluna 9, um reservatório de oxigênio líquido 11, cujo fundo é ligado a uma bomba de oxigênio líquido 12, e um reservatório de nitrogênio líquido 13, cujo fundo é ligado a uma bomba de nitrogênio líquido 14.

Essa instalação é destinada a fornecer, via um conduto 15, oxigênio gasoso sob uma alta pressão pré-determinada, que pode estar compreendida entre alguns pascais e algumas dezenas de pascais (no presente relatório, as pressões consideradas são pressões absolutas).

Para isso, oxigênio líquido estirado da cuba da coluna 9, via um conduto 16 e estocado no reservatório 11, é levado à alta pressão pela bomba 12 no estado líquido, depois vaporizado e aquecido sob essa alta pressão em passagens 17 do trocador 8.

O calor necessário a essa vaporização e a esse aquecimento, assim como ao aquecimento e eventualmente à vaporização de outros fluidos estirados da dupla coluna, é fornecido pelo ar a destilar, nas seguintes condições:

a totalidade do ar a destilar é comprimida pelo compressor 1 a uma pressão superior â média pressão da coluna 8, mas inferior à alta pressão de oxigênio. Depois o ar, pré-arrefecido em 18 e arrefecido nas proximidades da temperatura ambiente em 19, é purificado em uma, 2A, por exemplo, das garrafas de adsorção, e superprensado na totalidade à alta pressão pelo superprensor 5, o qual é acionado pela turbina 4.

O ar é então introduzido na extremidade quente do trocador 6 e arrefecido na totalidade até uma temperatura intermediária. A essa temperatura, uma fração do ar prossegue seu arrefecimento e é liqüefeita em passagens 20 do trocador, depois é expandida à baixa pressão em uma válvula de expansão 21 e introduzida em um nível intermediário na coluna 9. 0 resto do ar, ou ar excedente, é expandido ã média pressão na turbina 4, depois enviado diretamente, via um conduto 22, à base da coluna 8.

Reconhecem-se, por outro lado, na figura 1, os condutos habituais das instalações com dupla coluna, aquela representada sendo do tipo dito "com minarete", isto é, com produção de nitrogênio sob baixa pressão: os condutos 23 a 25 de injeção na coluna 9, a níveis crescente, de "líquido rico" (ar enriquecido com oxigênio) expandido, de "líquido pobre inferior" (nitrogênio impuro) expandido e de "líquido pobre superior" (nitrogênio praticamente puro) expandido, respectivamente, esses três fluidos sendo respectivamente estirados na base, em um ponto intermediário e no topo da coluna 8; os condutos 28 de estiramento de nitrogênio gasoso partindo do topo da coluna 9 e 27 de evacuação do gás residual (nitrogênio impuro) partindo do nível de injeção do líquido pobre inferior. 0 nitrogênio baixa pressão é aquecido em passagens 28 do trocador 6, depois evacuado via um conduto 29, enquanto que o gás residual, após aquecimento em passagens 30 do trocador, é utilizado para regenerar uma garrafa de adsorção, a garrafa 2B no exemplo considerado, antes de ser evacuado via um conduto 31.

Vê-se ainda na figura 1 que uma parte de oxigênio líquido 3 6 estirado a um nível intermediário da coluna baixa pressão é, após expansão em uma válvula de expansão 32, estocada no reservatório 13 e pressurizada pela bomba 14 e uma produção de oxigênio líquido é fornecida via um conduto 33 (média pureza) e/ou 34 (alta pureza) . Uma parte do oxigênio líquido média pureza é vaporizada, após pressurização na bomba 14 no trocador 6. A bomba 14 tem uma pressão de saída mais baixa do que a bomba 12.

Assim, de acordo com o primeiro funcionamento, o aparelho produz uma vazão de oxigênio 15 de alta pureza e alta pressão, assim como uma vazão de oxigênio 115 de média pureza e média pressão.

De acordo com um segundo funcionamento, seja a válvula 32 é fechada e não se estira mais oxigênio média pressão, seja a vazão de oxigênio média pressão é reduzida. Nesse caso, aumenta-se o estiramento da vazão 16 e vaporiza-se mais oxigênio alta pureza e alta pressão proveniente da bomba 12 no trocador 6. A fim de vaporizar essa vazão aumentada, aumenta-se a pressão de saída do compressor 1, assim como a vazão de ar comprimido, regulando-se as superfícies que orientam o fluxo do compressor 1. Se não houver produção de oxigênio líquido, a soma das vazões 16 e 36 será constante, entre o primeiro e o segundo funcionamentos, pois a vazão de ar comprimido 1 permanece substancialmente constante entre os dois funcionamentos. Se houver produção de oxigênio líquido, ou a soma das vazões 16 e 36 for constante, entre o primeiro e o segundo funcionamentos, ou se poderá produzir uma soma maior durante o segundo funcionamento, reduzindo-se até mesmo suprimindo-se a produção de oxigênio líquido. Se a produção de líquido for reduzida, uma parte do ar proveniente da turbina Claude 4 será enviada à atmosfera após ser misturada ao gás residual 27.

A instalação representada na figura 2 é destinada a produzir oxigênio gasoso com duas pressões e com duas purezas. Ela compreende essencialmente uma dupla coluna de destilação 41, uma linha de troca térmica principal 42, um subarref ecedor 43, um compressor de ar único 44, uma sopradora 45 de superpressão de ar, uma turbina de expansão 46, cuja roda é montada sobre a mesma árvore que aquela do superprensor 45, uma sopradora adicional 47 acionada por um motor elétrico 48, e uma bomba de oxigênio líquido 49. A dupla coluna é constituída, de maneira clássica, de uma coluna média pressão 50 que funciona sob aproximadamente 600 kPa e superposta por uma coluna baixa pressão 51 que funciona ligeiramente acima da pressão atmosférica com, em cuba desta, um vaporizador - condensador 52 que coloca em relação de troca térmica o oxigênio líquido de cuba da coluna baixa pressão como nitrogênio de cabeça da coluna média pressão.

Em ação durante o primeiro funcionamento, o compressor de ar 44 da instalação comprime diretamente a totalidade do ar à primeira alta pressão da ordem de 2300 kPa, e uma primeira corrente desse ar é tratada conforme anteriormente nas passagens 53, a turbina 46 e a válvula de expansão 54, depois enviado à base da coluna 50.

Ao contrário, o resto desse ar é superprensado em duas etapas, por duas sopradoras montadas em série: uma primeira sopradora 70 que é acoplada diretamente ã turbina 46, e uma segunda sopradora 71 diretamente acoplada a uma segunda turbina de expansão 72. 0 ar superprensado em 70 passa na totalidade na sopradora 71, depois nas passagens 56 da linha de troca 42, e uma parte desse ar sai da linha de troca a uma temperatura T2 superior à temperatura Tl para se expandido na turbina T2. 0 escapamento desta, à média pressão, é ligado à base da coluna 50, como aquele da turbina 46. 0 ar à mais alta pressão não expandido na turbina 72 continua seu arrefecimento e é liqüefeito nas passagens 56 até à extremidade fria da linha de troca. Depois é expandido em válvulas de expansão 5 7 e 57A e repartido entre as duas colunas 50 e 51.

Entende-se no caso por "superprensor" ou "sopradora" um compressor com uma única roda, cujo gasto de energia, pela vazão de gás tratado e a taxa de compressão, é consideravelmente inferior àquela do compressor principal 44 da instalação e, por exemplo, da ordem de 2 a 3 % desta.

A taxa de compressão dessa sopradora é geralmente inferior a dois. Cada uma das sopradoras, das quais se trata aqui, comporta em sua saída um refrigerante à água ou a ar atmosférico não representado.

O oxigênio líquido estirado em cuba da coluna 51 é levado pela bomba 4 9 a alta pressão, depois vaporizado e aquecido em passagens 58 da linha de troca, e antes de ser evacuado da instalação via um conduto de produção 5 9 como vazão de oxigênio gasoso alta pressão e alta pureza.

O oxigênio líquido estirado a um nível intermediário da coluna 51 é levado pela bomba 70 à média pressão, depois vaporizado e aquecido em passagens 58 da linha de troca, antes de ser evacuado da instalação via um conduto de produção 5 9 como vazão de oxigênio gasoso média pressão e média pureza.

São encontrados, por outro lado, na instalação da figura 2 os condutos e acessórios habituais das instalações de dupla coluna: um conduto 60 de subida na coluna 51 do "liquido rico" (ar enriquecido em oxigênio), coletado na cuba da coluna 50, com sua válvula de expansão 61, um conduto 62 de subida na cabeça da coluna 51 do "líquido pobre" (nitrogênio mais ou menos pronto puro) estirado na cabeça da coluna 50, com sua válvula de expansão 83, assim como um conduto 64 de produção de oxigênio liquido, implantado na cuba da coluna 51, assim como um conduto 65 de produção de nitrogênio líquido, implantado no conduto 62 e assim como um conduto 66 de estiramento de nitrogênio impuro, constituindo o gás residual da instalação implantado na cabeça da coluna 51, esse nitrogênio impuro sendo aquecido no subarrefecedor 43, depois em passagens 67 da linha de troca, antes de ser evacuado via um conduto 68.

De acordo com um segundo funcionamento, ou não se estira mais oxigênio média pressão, ou a vazão de oxigênio média pressão é reduzida. Nesse caso, aumenta-se o estiramento da vazão de oxigênio líquido na cuba da coluna baixa pressão e vaporiza-se mais oxigênio alta pureza e alta pressão proveniente da bomba 49 no trocador 6. A fim de vaporizar essa vazão aumentada, aumenta-se a pressão de saída do compressor 1, assim como a vazão de ar comprimido, regulando-se as superfícies que orientam o fluxo do compressor 1. Alternativamente ou adicionalmente, regula-se a vazão de ar por meio de sopradoras 70, 71.

Se não houver produção de oxigênio líquido e a vazão de ar comprimido no compressor 44 permanecer substancialmente constante entre os dois funcionamentos, a soma das vazões 59 e 72 será constante, entre o primeiro e o segundo funcionamentos. Ao contrario, se a vazão comprimida aumentar durante o segundo funcionamento, a soma dos produtos oxigenados gasosos poderá aumentar. A redução, até mesmo a supressão da produção de oxigênio líquido permite também maior variação nas produções gasosas. Se a produção de líquido for reduzida, pelo menos o ar proveniente de pelo menos uma das turbinas 46, 72 será enviado à atmosfera após ser misturado ao gás residual 66, durante o segundo funcionamento.

Na figura 3, uma vazão de ar à pressão atmosférica é comprimida a aproximadamente 15 bárias em um compressor principal 1. O ar é, em seguida, eventualmente arrefecido, antes de ser purificado para retirar as impurezas (não ilustrado). O ar purificado é dividido em dois. Uma parte do ar 3 é enviada a um superprensor 5 onde é comprimida até uma pressão entre 1700 e 2000 kPa. E, em seguida, o ar superprensado é arrefecido por um refrigerante à água 7, antes de ser enviado à extremidade quente da linha de troca principal 9 do aparelho de separação de ar. O ar superprensado 11 se resfria a uma temperatura intermediária, antes de sair da linha de troca e ser dividido em duas frações. É evidentemente possível que uma fração da vazão 11 prossiga seu arrefecimento até à extremidade fria da linha de troca 9 de onde sairá liqüefeito. Uma fração 13 é enviada em uma turbina 17 e o resto, uma fração 15, é enviado em uma turbina 19. As duas turbinas têm a mesma temperatura e pressão de aspiração, e a mesma temperatura e pressão de saída, mas é evidentemente possível que essas temperaturas e pressão sejam próximas umas das outras, ao invés de serem idênticas. As duas vazões turbinadas são misturadas para formarem uma vazão 21 de ar da qual uma parte 121 é enviada em direção à dupla coluna e o resto 122 em direção à coluna de mistura 300. A vazão 122 constitui uma parte da vazão 21 ou eventualmente uma fração da parte gasosa da vazão 21 no caso em que esta seria difásica. É evidentemente possível enviar toda a vazão 21 à coluna média pressão 100 e daí sair uma parte gasosa 122 para envio à coluna de mistura, a coluna média pressão substituindo, nesse caso, o separador de fases. As pressões da coluna média pressão e da coluna de mistura podem ser diferentes. Como variante, a turbina 19 pode ser uma turbina de sopro, desembocando à pressão da coluna baixa pressão.

Uma outra parte 2 do ar a 1500 kPa, que constitui o resto do ar, é resfriada na linha de troca a uma temperatura intermediária superior a temperatura de aspiração das turbinas 17, 19, comprimida em um segundo superprensor 23 até 3000 kPa aproximadamente e reintroduzida na linha de troca 9 a uma temperatura mais elevada, a fim de prosseguir seu arrefecimento.

Assim, o ar 37 a 3000 kPa aproximadamente se liqüefaz na linha de troca e o oxigênio líquido 25 se vaporiza na linha de troca, a temperatura de vaporização do líquido estando próxima da temperatura de aspiração do segundo superprensor 23. 0 ar liqüefeito sai da linha de troca e é enviado para o sistema de colunas.

O primeiro superprensor 5 é acoplado com uma das turbinas 17, 19 e o segundo superprensor 23 é acoplado com a outra das turbinas 19, 17.

O sistema de colunas de um aparelho de separação de ar é constituído por uma coluna média pressão 100 termicamente ligada com uma coluna baixa pressão 200 com minarete, uma coluna de mistura 300 e uma coluna de argônio opcional (não ilustrada). A coluna baixa pressão não comporta obrigatoriamente minarete.

A coluna média pressão opera a uma pressão de 550 kPa, mas pode operar a uma pressão mais elevada.

O ar 121 proveniente das duas turbinas 17, 19 é a vazão enviada na cuba da coluna média pressão 100.

O ar liqüefeito 3 7 é expandido na válvula 3 9 ou eventualmente em uma turbina e enviado ao sistema de colunas.

Líquido rico 51, líquido pobre inferior 53 e líquido pobre superior 55 são enviados a partir da coluna média pressão 100 para a coluna baixa pressão 200, após etapas de expansão em válvulas e de subarrefecimento.

Será então descrita a operação do aparelho, de acordo com um primeiro funcionamento.

Oxigênio líquido é pressurizado pela bomba 500 e enviado como líquido pressurizado 25 em direção â linha de troca 9. Uma parte do líquido 501 pode ser estocada para servir de produto líquido. Outros líquidos pressurizados ou não podem ser vaporizados na linha de troca.

Nitrogênio gasoso é opcionalmente estirado da coluna média pressão e se resfria também na linha de troca 9.

Nitrogênio 3 3 é estirado na cabeça da coluna baixa pressão e se aquece na linha de troca. Após ter servido para subresfriar os líquidos de refluxo.

Nitrogênio residual 27 é estirado de um nível inferior da coluna baixa pressão e se aquece na linha de troca 9, após ter servido para subresfriar os líquidos de refluxo.

A coluna pode eventualmente produzir argônio, tratando uma vazão 51 estirada em coluna baixa pressão 200. A vazão 52 é o líquido de cuba enviado da coluna de argônio, se houver uma.

A coluna de mistura 3 00 é alimentada na cabeça por um líquido 3 5 rico em oxigênio est irado a um nível intermediário da coluna baixa pressão 200 pressurizado pela bomba 600 e em cuba por uma vazão de ar gasoso 122 proveniente das turbinas 17, 19. A coluna de mistura opera essencialmente à média pressão.

Uma vazão de oxigênio gasoso 13 7 ê estirada na cabeça da coluna de mistura e se aquece em seguida na linha de troca 9 e uma vazão líquida 41 é estirada na cuba e enviada à coluna baixa pressão, após expansão em uma válvula. É possível estirar uma vazão intermediária da coluna 3 00 que é enviada à coluna baixa pressão.

O segundo funcionamento difere do primeiro pelo fato de a produção de oxigênio da coluna de mistura ser reduzida, até mesmo suprimida. Nesse caso, aumenta-se o estiramento da vazão de oxigênio líquido 3 5 em cuba da coluna baixa pressão e vaporiza-se mais oxigênio alta pureza e alta pressão proveniente da bomba 600 no trocador 9 para formar a vazão 125. A fim de vaporizar essa vazão aumentada, aumenta-se a pressão de saída do compressor 1, assim como a vazão de ar comprimido, regulando-se as superfícies que orientam o fluxo do compressor 1. Alternativamente ou adicionalmente, regula-se a vazão de ar e sua pressão por meio do superprensor frio 23. Assim, a pressão do ar 37 pode ser modificada para o segundo funcionamento, modificando-se as superfícies que orientam o fluxo do compressor 1e/ ou aquelas do superprensor frio 23 .

De acordo com a variante do segundo funcionamento, no qual a coluna de mistura não produz oxigênio, não se envia mais ar 122 em cuba da coluna de mistura. Esta não é mais alimentada também com oxigênio liquido e seu funcionamento é parado. 0 excesso de ar é enviado à dupla coluna. 0 superprensor 23 comprime o ar 2 a uma pressão mais elevada,

o que permite vaporizar mais oxigênio liquido, aumentando o estiramento em cuba da coluna baixa pressão para pressurizar uma vazão maior na bomba 500. O único gás rico em oxigênio produzido é o oxigênio média pressão e média pureza.

De acordo com uma outra variante do segundo funcionamento, se envia menos ar 12 2 em cuba da coluna de mistura. Esta recebe menos oxigênio liquido 3 5 e seu funcionamento é reduzido. 0 excesso do ar é enviado à dupla coluna.

O superprensor 23 comprime o ar 2 a uma pressão mais elevada, o que permite vaporizar mais oxigênio líquido, aumentando o estiramento em cuba da coluna baixa pressão para pressurizar uma vazão maior na bomba 500.

0 aparelho produz mais oxigênio média pressão e média pureza 25 do que com o primeiro funcionamento, mas continua a produzir uma quantidade reduzida de oxigênio baixa pureza e baixa pressão 137 .

Se não houver produção de oxigênio líquido 501 e a vazão de ar comprimido no compressor 1 permanecer substancialmente constante entre os dois funcionamentos, a soma das vazões 125 e 137 será constante, entre o primeiro e segundo funcionamentos. Ao contrário, se a vazão comprimida aumentar durante o segundo funcionamento, a soma dos produtos oxigenados gasosos poderá aumentar. A redução até mesmo a supressão da produção de oxigênio líquido 501 permite também mais variação nas produções gasosas. Se a produção de liquido for reduzida, pelo menos uma parte do ar proveniente de pelo menos uma das turbinas 17, 19 será enviada à atmosfera após ser misturada ao gás residual 27 durante o segundo funcionamento.

Durante o segundo funcionamento, é desejável variar a relação das quantidades de ar enviadas às turbinas 17, 19, de modo que, se a vazão superprensada no superprensor 23 aumentar, a turbina 19 que aciona esse superprensor receberá uma percentagem aumentada do ar proveniente do superprensor frio 23 e a turbina 17, evidentemente uma percentagem reduzida.

No caso, o superprensor é acionado por uma turbina de ar, mas será facilmente compreendido que o superprensor poderia ser acionado por uma turbina de nitrogênio, uma turbina a vapor ou uma outra turbina presente no local.

A invenção permite, em particular, resolver o problema apresentado, quando dos aparelhos de separação de ar produzem oxigênio alta pressão. Se um dos aparelhos não o produzir mais ou o produzir menos, o outro poderá aumentar a produção de oxigênio alta pressão a preço da produção de oxigênio média pressão, funcionando de acordo com a invenção. Eventualmente, o ar adicional requerido pode ser levado ao outro aparelho, a partir de um compressor de ar ou de um superprensor de ar do aparelho em parada ou funcionamento reduzido. Em particular, a invenção permite ao outro aparelho fornecer até 50 % do produto proveniente anteriormente do aparelho em parada ou em funcionamento reduzido.

É evidentemente possível produzir as duas pressões de oxigênio durante o primeiro e eventualmente o segundo funcionamentos, bombeando uma vazão única de oxigênio em uma bomba e expandindo uma parte. Nesse caso, as vazões terão evidentemente a mesma pureza.

O aparelho pode também produzir nitrogênio e / ou argônio sob pressão por vaporização de nitrogênio e de argônio bombeados. Também é considerável diminuir ou parar as produções de nitrogênio e / ou argônio sob pressão durante o segundo funcionamento em relação à produção durante o primeiro funcionamento.

O aparelho pode também produzir nitrogênio líquido como produto final durante o primeiro funcionamento. Nesse caso, é considerável reduzir ou parar a produção de líquido durante o segundo funcionamento.

A figura 4 mostra dois aparelhos de separação de ar ASU 1 e ASU 2, dos quais pelo menos o primeiro ASU 1 funciona de acordo com a invenção. Os dois aparelhos são alimentados com ar por seus compressores respectivos C1, C2. Se o aparelho ASU 2 reduzir sua produção de oxigênio alta pureza 15, o ASU 1 começará a funcionar de acordo com o segundo funcionamento, para produzir mais oxigênio alta pressão 15. Para assistir, o ar purificado ou não purificado pode ser enviado do compressor C2 ao aparelho ASU 1.

Claims

1. Processo de separação de ar por destilação criogênica em um aparelho de separação de ar, caracterizado pelo fato de compreender um sistema de colunas: I) conforme um primeiro funcionamento: a) se comprimir em um compressor principal (1, 44) todo o ar destinado à destilação; b) se enviar uma primeira vazão de ar comprimido pelo menos no compressor principal, purificado e arrefecido em uma linha de troca (6, 42, 9) à coluna média pressão (8, 50, 100) de uma dupla coluna; c) se separar a vazão de ar em fluxos enriquecidos com nitrogênio e com oxigênio na coluna média pressão; d) se enviarem os fluxos enriquecidos com nitrogênio e com oxigênio da coluna média pressão a uma coluna baixa pressão (9, 51, 200) da dupla coluna, direta ou indiretamente; e) se estirar uma vazão rica em nitrogênio da coluna baixa pressão e são aquecidos na linha de troca; f) se estirar uma vazão de oxigênio líquido da coluna baixa pressão, se pressurizá-Ia até uma pressão elevada e vaporizá-la na linha de troca para formar uma primeira vazão gasosa rica em oxigênio (15, 59, 125) e à pressão elevada; g) se liqüefazer pelo menos uma parte do ar comprimido no compressor principal, eventualmente após tê-lo recomprimido em pelo menos um segundo compressor, e se enviar a parte liqüefeita à dupla coluna; e h) se produzir também uma segunda vazão gasosa rica em oxigênio (115, 72, 137), mas a uma pressão menos elevada do que a primeira vazão gasosa rica em oxigênio; II) conforme um segundo funcionamento, a) se aumentar a pressão de liqüefação do ar, regulando-se as superfícies que orientam o fluxo do compressor principal e eventualmente do segundo compressor que fixa(m) essa pressão; b) se reduzir, eventualmente a zero, a produção da segunda vazão gasosa rica em oxigênio; c) se aumentar o estiramento da primeira vazão gasosa rica em oxigênio.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a segunda vazão gasosa rica em oxigênio ser produzida, estirando-se uma vazão líquida (36) da coluna baixa pressão e pressurizando-a a pressão menos elevada antes de vaporizá-la na linha de troca.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a segunda vazão gasosa rica em oxigênio ser produzida, estirando-se uma vazão gasosa de uma coluna de mistura (300) alimentada pelo ar ou pela coluna baixa pressão.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de pelo menos um segundo compressor (5) comprimir todo o ar destinado ao aparelho.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de pelo menos um segundo compressor (70, 71, 23) comprimir apenas uma parte do ar destinado ao aparelho.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de, quando do segundo funcionamento, aumentar-se a vazão enviada ao segundo compressor (70, 71, 23).

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de uma parte do ar comprimido no segundo compressor (70, 71, 23) ser expandida em uma turbina, depois enviada à dupla coluna e na qual a vazão expandida (15) durante o segundo funcionamento reduzido em relação àquele durante o primeiro funcionamento.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de, quando do segundo funcionamento, se manter constante a vazão enviada ao segundo compressor (70, 71, 23) em relação à mesma vazão durante o primeiro funcionamento.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de se aumentar a quantidade de gás enviado em uma turbina (19, 46, 72) que aciona o segundo compressor (70, 71, 23) no segundo funcionamento em relação àquela enviada durante o primeiro funcionamento.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a primeira vazão rica em oxigênio (15, 59, -125) tem uma pureza superior a 98,5 %, e a segunda vazão rica em oxigênio (115, 72, 137) tem uma pureza inferior a -98 %.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de, quando do primeiro funcionamento, se estirar da segunda coluna enquanto produto final uma vazão liquida rica em oxigênio (34, 501) e quando do segundo funcionamento o estiramento dessa vazão ê reduzido eventualmente a zero.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de a soma da primeira e da segunda vazão ricas em oxigênio ser substancialmente constante entre o primeiro e o segundo funcionamentos.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de, durante o primeiro funcionamento, uma vazão de ar ser expandida em uma turbina (4, 46, 72, 19) e enviada à dupla coluna e durante o segundo funcionamento, seja a vazão expandida é lançada na atmosfera, seja uma parte da vazão expandida é enviada à dupla coluna, enquanto que o resto é lançado na atmosfera.

14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de durante o segundo funcionamento se enviar ar comprimido à dupla coluna, proveniente de um compressor auxiliar.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato de uma parte do ar tratado vir de uma sopradora de alto forno.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, -14 ou 15, caracterizado pelo fato de, durante o primeiro funcionamento, se produzir uma vazão de nitrogênio sob pressão e / ou de argônio sob pressão por vaporização de liquido pressurizado, e durante o segundo funcionamento se reduzir ou se parar a produção dessa vazão ou dessas vazões.

17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ou 16, caracterizado pelo fato de, durante o primeiro funcionamento, se produzir uma vazão de nitrogênio líquido e/ou de argônio líquido como produto final e durante o segundo funcionamento se reduzir ou se parar essa produção ou essas produções.

18. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 ou 17, caracterizado pelo fato de a primeira e a segunda vazões ricas em oxigênio terem a mesma pureza ou purezas diferentes.

19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 ou 18, caracterizado pelo fato de o compressor principal levar o ar à pressão de liqüefação do ar.

20. Processo de fornecimento de uma vazão de oxigênio alta pressão, caracterizado pelo fato de, de acordo com um primeiro funcionamento, cada uma de duas instalações de separação de ar (ASU 1, ASU 2) fornecer oxigênio alta pressão (15) e, de acordo com um segundo funcionamento, uma primeira das duas instalações (ASU 1) fornecer uma vazão de oxigênio alta pressão aumentada em relação àquela, de acordo com o primeiro funcionamento, e a segunda instalação fornecer uma vazão reduzida, até mesmo a zero; pelo menos a primeira instalação funcionando de acordo com uma das reivindicações precedentes e que fornece além de sua produção inicial de oxigênio alta pressão pelo menos 5 0 % da quantidade de oxigênio alta pressão produzida durante o primeiro funcionamento pela segunda instalação.

21. Processo, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de um compressor de ar (C2) da segunda instalação enviar ar comprimido à primeira instalação durante o segundo funcionamento.