ES2203009T3 - Separacion de monoxido de carbono a partir de mezclas gaseosas contaminadas con nitrogeno que tambien contienen hidrogeno y metano. - Google Patents
Separacion de monoxido de carbono a partir de mezclas gaseosas contaminadas con nitrogeno que tambien contienen hidrogeno y metano.Info
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Abstract
EL MONOXIDO DE CARBONO ES SEPARADO DE UNA MEZCLA GASEOSA QUE CONTENGA HIDROGENO Y METANO Y ESTE CONTAMINADA CON NITROGENO DEPURANDO (8) EL MONOXIDO DE CARBONO CON UNA PARTE DE VAPOR (5) DE LA CARGA (1) MEDIANTE LAVADO CON METANO LIQUIDO (36); SEPARANDO (15) EL HIDROGENO DISUELTO DE LA CORRIENTE DE METANO LIQUIDO RESULTANTE CARGADO CON CO (13); FRACCIONADO (22) LA CORRIENTE DE METANO LIQUIDO (18) RESULTANTE LIMPIADA CON HIDROGENO Y CARGADA CON CO PARA SEPARAR DE LA MISMA EL NITROGENO; Y FRACCIONANDO (32) EL LIQUIDO DE LA PARTE INFERIOR (26) RESULTANTE LIBERADO DEL NITROGENO EN VAPOR SUPERIOR (35) DEL PRODUCTO CO Y EL LIQUIDO DE LA PARTE INFERIOR DE METANO (36). SI LA MEZCLA GASEOSA CONTIENE TAMBIEN ARGON, EL CONTENIDO DE ARGON PUEDE EXTRAERSE CON EL CONTENIDO DE METANO PARA EVITAR UNA FASE INDEPENDIENTE DE SEPARACION DEL ARGON COMO SE PRECISA EN PROCEDIMIENTOS DE TECNICAS ANTERIORES.
Description
Separación de monóxido de carbono a partir de
mezclas gaseosas contaminadas con nitrógeno que también contienen
hidrógeno y metano.
El presente invento se refiere a la separación de
monóxido de carbono a partir de mezclas gaseosas que contienen
monóxido de carbono ("CO"), hidrógeno, metano y nitrógeno.
Tiene aplicación particular, pero no exclusiva, en la separación de
monóxido de carbono a partir de gas de síntesis que consiste
esencialmente en monóxido de carbono, hidrógeno y metano pero
contaminado con nitrógeno, especialmente cuando está
co-contaminado con argón.
El monóxido de carbono se obtiene habitualmente
mediante la separación a partir gases de síntesis producidos por la
conversión catalítica u oxidación parcial de gas natural,
combustibles u otras materias primas de hidrocarburos. Además de
monóxido de carbono, estos gases contienen principalmente hidrógeno
y metano pero están contaminados a menudo con cantidades
significativas de nitrógeno (derivado de la alimentación o añadido
durante el tratamiento). El procesado de separación criogénica
convencional deja nitrógeno como una impureza en el monóxido de
carbono, que, tanto por razones medioambientales como por razones
de procesado, es inaceptable para algunos usos del monóxido de
carbono. El problema de la contaminación con nitrógeno del producto
de monóxido de carbono está siendo un problema que creciente con el
uso de materias primas más marginales en procesos de reformado.
Además, hay una demanda creciente de monóxido de carbono libre de
argón, que es normalmente un co-contaminante con el
nitrógeno. De acuerdo con esto, hay una demanda para la separación
eficiente y eficaz del nitrógeno contaminante y, si se requiere, de
argón, a partir de las alimentaciones que contienen monóxido de
carbono.
La separación de nitrógeno sólo o con
co-contaminante de argón a partir del monóxido de
carbono es relativamente difícil en comparación con la separación
de hidrógeno o metano. Los procedimientos de técnicas anteriores
para la separación de nitrógeno a partir de gas de síntesis
normalmente incluyen las etapas secuenciales de separar el
hidrógeno a partir de la alimentación de gas de síntesis, separar
el metano a partir de la corriente libre de hidrógeno resultante, y
separar el nitrógeno a partir de la corriente resultante libre de
hidrógeno y metano para dejar una corriente purificada de producto
CO.
El documento
US-A-4.478.621 describe un
procedimiento tal para la recuperación de monóxido de carbono en el
que la alimentación de gas de síntesis se condensa parcialmente y
la mezcla de dos fases resultante se alimenta a una columna de
lavado en la que el monóxido de carbono se separa de la fase vapor
mediante contacto con una corriente de metano líquido para
proporcionar metano cargado de CO que contiene algo, habitualmente
3-4%, de hidrógeno. Una corriente de CO recirculada
por una bomba de calor proporciona un enfriamiento indirecto
intermedio a la columna de lavado para eliminar el calor de la
disolución de monóxido de carbono en metano. El hidrógeno residual
se separa a partir del metano cargado de CO en una columna de
extracción para alcanzar las especificaciones requeridas de
producto del monóxido de carbono. El metano cargado de CO sin
hidrógeno se separa en vapor de monóxido de carbono contaminado de
nitrógeno en la parte superior y líquido rico en metano en la parte
inferior en una columna de fraccionamiento de separación de metano
en la que tanto el enfriamiento de la parte superior como el
hervido de la parte inferior se proporciona indirectamente por la
corriente de CO recirculada por una bomba de calor. El nitrógeno se
separa a partir del monóxido de carbono de la parte superior en una
columna de fraccionamiento nitrógeno/CO para proporcionar un
producto líquido de CO en la parte inferior. El enfriamiento de la
parte superior de la columna de fraccionamiento nitrógeno/CO se
proporciona indirectamente mediante el líquido expandido de
producto de CO de la parte inferior y el hervido de la parte
inferior se proporciona directamente por la corriente de CO
recirculada por una bomba de calor.
El documento
EP-A-0676373 describe un
procedimiento similar para la recuperación de monóxido de carbono
pero en el que el hidrógeno se separa a partir de la alimentación
de gas de síntesis mediante condensación parcial. El condensado se
separa en un vapor de monóxido de carbono contaminado con nitrógeno
en la parte superior y en un líquido rico en metano en la parte
inferior en una columna de fraccionamiento de separación de
metano.
El nitrógeno se separa a partir del monóxido de
carbono en la parte superior en una columna de fraccionamiento de
nitrógeno/CO para proporcionar un producto de CO líquido en la
parte inferior. La condensación parcial de la parte superior de al
menos una de las columnas de fraccionamiento mencionadas y el
hervido de la parte inferior de la columna de fraccionamiento
nitrógeno/CO se proporciona mediante una corriente de CO
recirculada por una bomba de calor. En una realización (Figura 5),
el producto CO líquido de la parte inferior de la columna de
fraccionamiento nitrógeno/CO se destila adicionalmente en una
columna de fraccionamiento argón/CO para proporcionar un vapor de
CO libre de argón en la parte superior y un líquido enriquecido en
argón en la parte inferior. El hervido de la parte inferior para la
columna de fraccionamiento de argón/CO se proporciona también por
la corriente de CO recirculada por una bomba de calor.
La característica indicada del procedimiento del
documento EP-A-0676373 es la
reducción del consumo de energía y el coste económico de la planta,
proporcionando la condensación de la parte superior para una sola de
dichas columnas de separación y el reflujo de las otras columnas
mencionadas con líquido extraído en una localización intermedia de
dicha columna que tiene condensación en la parte superior. Sin
embargo, describe un procedimiento (Figura 2) que no tiene dicha
característica de reflujo pero condensa parcialmente la parte
superior tanto de la columna de separación de metano como de
nitrógeno.
El documento
US-A-5.592.831 describe un
procedimiento para la recuperación de monóxido de carbono a partir
de una alimentación que contiene al menos hidrógeno, monóxido de
carbono y metano. La alimentación se enfría y se condensa
parcialmente y entonces se separa con metano líquido. El hidrógeno
disuelto en la corriente resultante de metano líquido cargada de CO
se separa y la corriente de metano líquido cargada de CO sin
hidrógeno se rectifica en un vapor enriquecido de CO y un líquido
por debajo enriquecido de metano en la parte inferior. El hecho
característico del procedimiento es que el metano líquido usado
para separar la alimentación la alimentación parcialmente condensada
contiene al menos del 2 al 15% mol CO. En la práctica, el líquido
separado es una porción principal del líquido de la parte inferior
enriquecido de metano procedente de la rectificación.
El documento
DE-A-19541339 describe un
procedimiento para separar nitrógeno de gas de síntesis en el que
la alimentación de gas de síntesis se condensa parcialmente y el
hidrógeno se separa a partir de la fracción condensada en una
columna de separación para proporcionar un líquido libre de
hidrógeno rico en CO. El nitrógeno se separa de dicho líquido rico
en CO en una columna de fraccionamiento de separación de nitrógeno
para proporcionar un líquido libre de nitrógeno rico en CO en la
parte inferior. Parte de dicho líquido libre de nitrógeno rico en CO
de la parte inferior se evapora y tanto las porciones evaporadas
como las restantes (líquido) se alimentan a una columna de
fraccionamiento de separación de metano para proporcionar un vapor
de producto de CO en la parte superior y líquido de metano en la
parte inferior. Opcionalmente, el CO adicional se recupera de la
porción de vapor rica en hidrógeno de dicha condensación parcial de
la alimentación de gas de síntesis mediante, por ejemplo, adsorción
por variación de presión o separación mediante membranas y procesado
del gas limpio o el retenido en la membrana.
El hervido de las tres columnas del documento
DE-A-19541339 se proporciona
evaporando una porción del líquido respectivo de la parte inferior,
llevando de nuevo la porción evaporada a la columna relevante. En
una realización (Figura 1), la necesidad de calor para el hervido
de las tres columnas y la necesidad de condensación para el reflujo
de la columna de separación de nitrógeno se proporciona mediante
una corriente de CO recirculada por una bomba de calor, que también
proporciona directamente reflujo a la columna de separación de
metano. En las restantes realizaciones (Figuras 2 y 3), la necesidad
de calor para el hervido de las tres columnas y la necesidad de
condensación para el reflujo tanto para las columnas de separación
de nitrógeno como de metano, se proporciona mediante una corriente
(nitrógeno) en circuito cerrado por una bomba de calor.
Una ventaja específica del procedimiento del
documento DE-A-19541339 es la
ausencia de un lavado de metano. En particular, se establece que la
separación por fraccionamiento sucesiva de nitrógeno y metano evita
el uso de un lavado de metano y de este modo salva tanto los costes
económicos como los de energía. Sin embargo, en ausencia de la
recuperación opcional de CO de la fracción de vapor rica en
hidrógeno de la alimentación de gas de síntesis, el rendimiento de
CO del procedimiento es sólo de aproximadamente el 85%. La
recuperación opcional adicional del CO de la fracción de vapor rica
en hidrógeno puede aumentar el rendimiento hasta aproximadamente el
97%, pero a expensas de los costes de energía y económicos
adicionales.
Es un objetivo del presente invento proporcionar
un procedimiento más rentable para la separación de monóxido de
carbono a partir de mezclas de gases que contienen monóxido de
carbono, hidrógeno, metano y nitrógeno, especialmente aquellas que
también contienen argón.
Se ha encontrado ahora que, contrario a lo
enseñado por el documento
DE-A-19541339, es a menudo más
rentable emplear un lavado de metano cuando el contenido de metano
del gas de síntesis de alimentación excede 1% mol, especialmente
cuando el gas de síntesis tiene una relación molar hidrógeno/CO
elevada (por encima de 2,5:1; especialmente
3:1-6:1). El uso de un lavado de metano reduce las
pérdidas de CO (recuperable) con la corriente de producto de
hidrógeno, obviando por tanto, o al menos, reduciendo, la necesidad
de recircular esa corriente para obtener rendimientos de CO
altos.
Así, de acuerdo a un aspecto primero general, el
presente invento proporciona un procedimiento para separar el
monóxido de carbono de una mezcla gaseosa que contiene monóxido de
carbono, hidrógeno, metano y nitrógeno mediante separación
criogénica en la que:
el monóxido de carbono se separa de una porción
de vapor de la alimentación mediante un lavado de metano líquido
para proporcionar una corriente líquida de metano cargada de CO y
un vapor rico en hidrógeno;
el hidrógeno disuelto se separa a partir de dicha
corriente líquida de metano cargada de CO para proporcionar una
corriente líquida de metano sin hidrógeno.
dicha corriente líquida de metano cargada de CO
sin hidrógeno se fracciona en un vapor que contiene nitrógeno en la
parte superior y un líquido libre de nitrógeno en la parte
inferior; y
dicho líquido libre de nitrógeno en la parte
inferior se fracciona en un vapor de producto de CO en la parte
superior y un líquido de metano en la parte inferior.
En un segundo aspecto general, el invento
proporciona un aparato para separar monóxido de carbono de una
mezcla gaseosa que contiene monóxido de carbono, hidrógeno, metano
y nitrógeno mediante un procedimiento del invento, dicho aparato
comprende:
medios de desplazamiento para el desplazamiento
de monóxido de carbono a partir de la porción de vapor de la
alimentación mediante el lavado de líquido de metano (36) para
proporcionar la corriente líquida de metano cargada de CO y el
vapor rico en hidrógeno;
medios de extracción para la extracción del
hidrógeno disuelto a partir de la corriente líquida de metano
cargada de CO para proporcionar la corriente líquida de metano
cargada de CO sin hidrógeno;
medios de separación de nitrógeno mediante
fraccionamiento para la separación de nitrógeno a partir de la
corriente de metano líquido cargada de CO sin hidrógeno en el vapor
que contiene nitrógeno en la parte superior y el líquido libre de
nitrógeno en la parte inferior; y
medios de separación de metano mediante
fraccionamiento para la separación del líquido de la parte inferior
libre de nitrógeno en el vapor de producto de CO en la parte
superior y el líquido de metano en la parte inferior.
El presente invento proporciona una mejora en los
procedimientos de las técnicas anteriores para la separación
criogénica de monóxido de carbono a partir de una mezcla de gases
que contiene monóxido de carbono, hidrógeno, metano y nitrógeno en
la que el monóxido de carbono se separa de la alimentación usando
un lavado de metano y los contenidos de metano y nitrógeno se
separan aisladamente a partir del líquido lavado de metano cargado
de CO. La mejora es realizar la separación de nitrógeno antes de la
separación de metano.
Correspondientemente, el presente invento
proporciona una mejora en un aparato para la separación de monóxido
de carbono a partir de una mezcla gaseosa que contiene monóxido de
carbono, hidrógeno, metano y nitrógeno y comprende una columna de
separación para separar el monóxido de carbono de la alimentación
mediante el lavado de metano líquido; una columna de separación de
metano para separar el contenido de metano del contenido de
monóxido de carbono y una columna de separación de nitrógeno para
separar el contenido de nitrógeno del contenido de monóxido de
carbono. La mejora es localizar la columna de separación de
nitrógeno corriente arriba de la columna de separación de
metano.
Las ventajas del dispositivo de columna usado en
el presente invento incluyen la reducción en la necesidad de la
bomba de calor porque la alimentación a la columna de separación de
nitrógeno puede ser líquido subenfriado, en vez de vapor como en la
técnica anterior, por tanto reduciendo las necesidades del
condensador a esa columna. Además, la mayor presión de la columna
de nitrógeno con su mayor temperatura del condensador aumenta la
presión mínima en una bomba de calor de CO, por tanto se reduce la
compresión requerida en el ciclo de la bomba de calor, permitiendo
usarse un pequeño compresor con el consiguiente menor coste
económico. El coste económico también se reduce donde se desea la
separación de argón, ya que, para la mayor parte de los usos del
monóxido de carbono, no hay necesidad de una columna adicional para
la separación de argón. Cuando la mezcla gaseosa comprende argón,
puede separarse del monóxido de carbono en la columna de separación
de metano y eliminarse de allí con el líquido de metano de la parte
inferior.
La presente invención también difiere de la
técnica anterior por facilitar el uso de nitrógeno líquido para
separar monóxido de carbono de las fracciones en cabeza
enriquecidas en nitrógeno de la columna de separación de nitrógeno,
por lo que se proporciona refrigeración y simultáneamente se reduce
la pérdida de monóxido de carbono en la corriente enriquecida en
nitrógeno. Esto puede ser particularmente beneficioso cuando se
requiere hidrógeno a alta presión, o cuando el coste de un expansor
no está justificado y el nitrógeno líquido está disponible de
manera económica, por ejemplo de una planta de separación de aire
adyacente.
De acuerdo con el presente invento, el producto
de monóxido de carbono se suministra desde la parte superior de la
columna de separación de metano y puede proporcionarse el reflujo
mediante introducción directa de una corriente de monóxido de
carbono licuado de una bomba de calor, como es habitual para una
columna de separación de metano en una condensación parcial o una
caja fría de lavado de metano.
Generalmente, la alimentación gaseosa se condensa
parcialmente para proporcionar la porción de vapor de alimentación
y una fracción de alimentación de líquido enriquecido en CO que se
alimenta adecuadamente a la etapa de separación de hidrógeno.
Una porción del vapor enriquecido en nitrógeno en
la parte superior en la columna de separación de nitrógeno se
condensa normalmente frente a una corriente recirculada de CO por
una bomba de calor para proporcionar reflujo a la columna.
Convenientemente, el circuito de recirculación de la bomba de calor
comprende calentar una porción del producto de vapor de CO por
encima de la columna de separación de metano mediante intercambio
de calor frente a una o más corrientes de procedimiento; comprimir
la corriente calentada; al menos condensar parcialmente la
corriente comprimida mediante intercambio de calor frente a una o
más corrientes de procedimiento; separar la fracción reciclada
condensada resultante en al menos dos porciones de las cuales una
porción se evapora frente al vapor condensado de la parte superior
de la columna de separación de nitrógeno y otra porción se alimenta
como reflujo a la columna de separación de metano.
Se prefiere que una porción del vapor enriquecido
en nitrógeno de la parte superior de la columna de separación de
nitrógeno se lave con nitrógeno líquido para eliminar el monóxido
de carbono de allí y proporcionar reflujo a la columna. Esta
característica es el tema de la Solicitud de Patente Europea Nº
99300070.2 (EP-A-0928936), en
trámite junto con la presente, de la misma fecha de prioridad y
presentación.
Normalmente, el líquido de metano de la parte
inferior de la columna de separación de metano se recircula como el
líquido de lavado de metano.
Lo siguiente es una descripción, sólo a propósito
de ejemplo, y con referencia a los dibujos que se acompañan, de dos
realizaciones recientes del presente invento. En los dibujos:
La Figura 1 es una representación esquemática de
una realización preferida del presente invento y
La Figura 2 es una representación esquemática de
otra realización preferida del presente invento que también está de
acuerdo con nuestra solicitud de Patente Europea Nº 99300070.2
(EP-A-0928936), en trámite junto
con la presente.
En referencia primero a la Figura 1, el gas de
síntesis en bruto se introduce a través del conducto 1, se enfría
en el intercambiador de calor 2, y además se enfría y se condensa
parcialmente en el intercambiador de calor 3. La mezcla
parcialmente condensada se separa en el separador 4 para
proporcionar fracciones de vapor y líquido en los conductos 5 y 6,
respectivamente. El vapor en el conducto 5 se alimenta a una
columna de lavado de metano 8 donde se lava con metano líquido para
disolver el monóxido de carbono en un líquido cargado de CO en la
parte inferior que se separa en el conducto 13. El intercambiador de
calor 9 elimina el calor de la disolución de monóxido de carbono en
metano de la columna.
El vapor de la parte superior de la columna de
lavado de metano 8 se elimina en el conducto 12, se calienta en los
intercambiadores de calor 37 y 2, y abandona la planta como un
producto rico en hidrógeno en el conducto 54. Este puede procesarse
más adelante, por ejemplo en un adsorbente por variación de
presión, para proporcionar un producto de hidrógeno puro. El exceso
de hidrógeno de la columna 8 se reduce en presión mediante la
válvula de control 11 y se mezcla con otras corrientes, como se
describe más abajo, para proporcionar gas combustible 53.
El líquido de la parte inferior en el conducto 13
se reduce en presión mediante la válvula de control 10, y se
introduce en la columna de separación de hidrógeno 15. La fracción
líquida en el conducto 6 a partir del separador de alimentación 4
se reduce en presión mediante la válvula de control 7 y también se
introduce en la columna 15. A pesar de que estas alimentaciones a la
columna 15 se muestran estar por debajo de la sección que contiene
cajones o embalajes, se prefiere que estén varias etapas por encima
del final de la sección. La caldera 16 al final de la columna 15
proporciona vapor separado para el líquido por lo cual el hidrógeno
se separa mientras el vapor pasa a través de los cajones o del
embalaje en la columna 15. La necesidad de la caldera se logra
mediante intercambio de calor indirecto con una corriente de CO
recirculada por una bomba de calor y la alimentación de la mezcla
de gas. Esto se logra en el intercambiador de calor 3 pero puede
llevarse a cabo en un intercambiador de calor separado de caldera.
El metano líquido en el conducto 14 desde una localización
intermedia de la columna de lavado de metano 8 se reduce en presión
mediante la válvula de control 17 y proporciona un reflujo para la
columna 15.
El metano cargado de CO sin hidrógeno se separa
de la columna de separación de hidrógeno 15 como líquido en la
parte inferior en el conducto 18, se subenfría en el intercambiador
de calor 3, se reduce en presión mediante la válvula de control 21,
y se introduce en la columna de fraccionamiento de separación de
nitrógeno 22. Esta alimentación líquida se separa en la columna 22
en un vapor que contiene nitrógeno en la parte superior, separado en
el conducto 25, y un líquido de metano cargado de CO y libre de
nitrógeno en la parte inferior, separado en el conducto 26. La
columna 22 se rehierve mediante la caldera de la parte inferior 23
y el reflujo se proporciona mediante el condensador superior 24. La
necesidad de la caldera se logra mediante intercambio de calor
indirecto con la corriente de CO recirculada por una bomba de calor
y la alimentación de la mezcla de gas. Esto se logra en el
intercambiador de calor 3 pero puede llevarse a cabo en un
intercambiador de calor separado de caldera.
El líquido de la parte inferior en el conducto 26
se subenfría en el intercambiador de calor 3 y se separa en dos
fracciones. La primera fracción en el conducto 31 se reduce en
presión mediante la válvula de control 28 y se alimenta a la
columna de fraccionamiento de separación de metano 32. La segunda
fracción se reduce en presión mediante la válvula de control 29, se
evapora parcialmente en el intercambiador de calor 3, y se
introduce a través del conducto 30 en la columna de separación de
metano 32 varias etapas por debajo de la primera fracción líquida.
Estas alimentaciones se separan en la columna 32 en un producto de
vapor de CO en la parte superior separado en el conducto 35 y
metano líquido en la parte inferior separado en el conducto 36. La
columna 32 se hierve mediante la caldera de la parte inferior 33 y
el reflujo se proporciona mediante la introducción directa de
monóxido de carbono líquido a través de la válvula de control 34.
La necesidad de la caldera se logra mediante intercambio de calor
indirecto con la corriente de CO recirculada por una bomba de calor
y la alimentación de la mezcla de gas. Esto se logra en el
intercambiador de calor 2 pero puede llevarse a cabo en un
intercambiador de calor de separado caldera.
El líquido de la parte inferior en el conducto 36
se subenfría en el intercambiador de calor 37, se bombea a mayor
presión en el bomba 38, y se alimenta como reflujo de metano a la
columna de lavado de metano 8. Cualquier exceso de líquido en la
parte inferior se reduce en presión mediante la válvula de control
39, se combina con otras corrientes de combustible, se calienta en
los intercambiadores de calor 3 y 2, y se separa de la planta como
combustible de baja presión en el conducto 53.
\newpage
La corriente de CO recirculada por la bomba de
calor se proporciona desde el compresor multietapas 40 a través de
los conductos 42 y 43. La corriente de CO de presión intermedia en
el conducto 42 se enfría en el intercambiador de calor 2, además se
enfría y condensa en el intercambiador de calor 3, y se subenfría
en el intercambiador de calor 37. La corriente de CO de alta presión
en el conducto 43 se enfría parcialmente en el intercambiador de
calor 2 y se separa en dos subcorrientes. La primera subcorriente
se expande a una presión intermedia en el expansor 45 y se envía a
través del conducto 46 al intercambiador de calor 3 para después
enfriarse y condensarse, y se subenfría en el intercambiador de
calor 37. La segunda subcorriente además es enfriada y condensada
en el intercambiador de calor 32, y subenfriada en el intercambiador
de calor 37. Estas tres corrientes subenfriadas condensadas de una
bomba de calor del intercambiador de calor 37 se reducen en presión
mediante las válvulas de control 47, 48 y 49 respectivamente, y se
combinan para proporcionar un reflujo para la columna de separación
de metano 32 y la necesidad del condensador para la columna de
separación de nitrógeno 22 mediante intercambio indirecto de calor
en el condensador 24, y eliminar el calor de la disolución de la
columna de lavado de metano 8. La corriente de CO vaporizado de una
bomba de calor del condensador 24 y del intercambiador de calor 9
se mezclan con el producto de CO en vapor en la parte superior en
el conducto 35. La corriente combinada se calienta en los
intercambiadores de calor 37 y 2, y se envía a través del conducto
41 al lado de succión del compresor 40. Una porción de la corriente
comprimida se retira de una etapa intermedia del compresor 40 para
proporcionar una corriente de producto de CO que se envía a través
del conducto 44. El resto de la corriente comprimida se recircula a
través de los conductos 42 y 43 como se describe más abajo.
El vapor enriquecido en hidrógeno en la parte
superior en el conducto 19 de la columna de separación de hidrógeno
15 y el vapor de la parte superior que contiene nitrógeno en el
conducto 25 de la columna de separación de nitrógeno 22 se reducen
en presión mediante las válvulas de control 20 y 27 respectivamente,
se mezclan con el exceso de hidrógeno de la columna de lavado 8 y
el exceso de metano líquido de debajo de la columna de separación
32, se vaporizan en el intercambiador de calor 3, entonces se
calientan en el intercambiador de calor 2 para ser enviados como
gas combustible en el conducto 53.
La Tabla 1 resume un balance de masas para una
aplicación típica de la realización de la Figura 1.
Por comparación, la alimentación de gas de
síntesis en los procedimientos ejemplificados del documento
DE-A-19541339 contiene 51,5 % mol
CO, 47,5 % mol hidrógeno, 0,8% mol metano y 0,2% mol nitrógeno
(relación molar hidrógeno:CO = 0,92) y se alimenta al procedimiento
a la velocidad de aproximadamente 330 Kmol/h (170 Kmol CO) y una
presión de aproximadamente 20 bar (2000 KPa). Aproximadamente 52%
mol (170 Kmol/h) de la alimentación se separa como la fracción de
vapor rica en hidrógeno que contiene 12,5% mol CO y a una presión
de aproximadamente 20 bar (2000 KPa). Aproximadamente 44% mol (140
Kmol/h) de la alimentación se separa como CO puro (99,9 %) a una
presión de aproximadamente 2 bar (200 KPa) en la realización de la
Figura 1 (4 bar (400 KPa) después de compresión inicial de bomba de
calor), aproximadamente 1,5 bar (150 KPa) en la realización de la
Figura 2 o aproximadamente 3 bar (300 KPa) en la realización de la
Figura 3. El balance (20 Kmol/h) de la alimentación se separa como
un gas de calentamiento que contiene 32,5% CO también a una presión
de aproximadamente 1,5 bar (150 Kpa).
TABLA 1 (parte 1 de
3)
| Corriente | 1 | 5 | 6 | 12 | 13 | 14 | 18 | |
| Presión | bar abs | 22 | 21 | 21 | 21 | 21 | 21 | 11 |
| KPa | 2200 | 2100 | 2100 | 2100 | 2100 | 2100 | 1100 | |
| Temperatura | °C | 10 | -167 | -167 | -170 | -169 | -178 | -147 |
| Caudal | Kmol/h | 1270 | 1230 | 40 | 1010 | 580 | 40 | 650 |
| Hidrógeno | mol % | 78,4 | 80,9 | 2,2 | 96,0 | 2,4 | 1,8 | 0,1 |
| Nitrógeno | mol % | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,3 | 1,2 | 1,0 | 1,2 |
| Monóxido de carbono | mol % | 15,0 | 14,7 | 24,8 | 0,5 | 30,0 | 7,2 | 28,8 |
| Metano | mol % | 5,7 | 3,5 | 72,1 | 3,2 | 66,4 | 90,0 | 69,9 |
| Fracción de vapor | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
TABLA 1 (Parte 2 de
3)
| Corriente | 19 | 25 | 26 | 30 | 31 | 35 | 36 | |
| Presión | bar abs | 11 | 4 | 5 | 3 | 5 | 3 | 3 |
| KPa | 1100 | 400 | 500 | 300 | 500 | 300 | 300 | |
| Temperatura | °C | -174 | -180 | -161 | -161 | -167 | -182 | -147 |
| Caudal | Kmol/h | 20 | 10 | 640 | 320 | 310 | 180 | 450 |
| Hidrógeno | mol % | 88,5 | 6,4 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| Nitrógeno | mol % | 1,9 | 58,4 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,1 | 0,0 |
| Monóxido de carbono | mol % | 6,3 | 35,3 | 28,7 | 28,7 | 28,7 | 99,9 | 0,3 |
| Metano | mol % | 3,3 | 0,0 | 71,3 | 71,3 | 71,3 | 0,0 | 99,7 |
| Fracción de vapor | 1 | 1 | 0 | 0,3 | 0 | 1 | 0 |
TABLA 1 (Parte 3 de 3
)
| Corriente | 41 | 42 | 43 | 44 | 46 | 53 | 54 | |
| Presión | bar abs | 3 | 13 | 27 | 13 | 10 | 2 | 21 |
| KPa | 300 | 1300 | 2700 | 1300 | 1000 | 200 | 2100 | |
| Temperatura | °C | 18 | 39 | 39 | 39 | -142 | 18 | 18 |
| Caudal | Kmol/h | 900 | 230 | 500 | 180 | 190 | 80 | 1010 |
| Hidrógeno | mol % | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 34,6 | 96,1 |
| Nitrógeno | mol % | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 9,2 | 0,3 |
| Monóxido de carbono | mol % | 99,9 | 99,9 | 99,9 | 99,9 | 99,9 | 6,8 | 0,5 |
| Metano | mol % | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 49,4 | 3,2 |
| Fracción de vapor | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
La Figura 2 ilustra una realización del invento
que es particularmente beneficiosa cuando se requiere sólo una
pequeña cantidad de refrigeración externa para el procedimiento.
Características comunes con la realización de la Figura 1 se
identifican con los mismos números de referencia y sólo se
describirán las diferencias entre las dos realizaciones.
Se omite que el expansor 45 de la corriente de CO
reciclada de la Figura 1 y la corriente entera de CO de alta
presión 43 del compresor 41 se enfría y se condensa en el
intercambiador de calor 2, se subenfría en el intercambiador de
calor 37 y se reduce en presión a través de la válvula 49.
El vapor que contiene nitrógeno de la parte
superior en el conducto 25 de la columna de separación de nitrógeno
22 se introduce en la columna 55, el cual se recircula con
nitrógeno líquido introducido a través del conducto 56 y la válvula
de control 57. El líquido de la parte inferior es devuelto a través
del conducto 50 a la columna de separación de nitrógeno 22 y el
vapor de la parte superior se mezcla con las otras corrientes
proporcionando gas combustible 53. El suministro de la columna 55
no sólo proporciona el requerimiento de refrigeración proporcionado
por el expansor 45 en la Figura 1 sino que también recupera el
monóxido de carbono del vapor que contiene nitrógeno de la parte
superior mientras se eleva a través de las bandejas o
empaquetamiento de la columna 55. Como se recoge anteriormente, la
provisión de reflujo de esta manera es el tema de la Solicitud de
Patente Europea Nº 99300070.2
(EP-A-0928936), en trámite junto con
la presente.
La Tabla 2 resume un balance de masas para una
aplicación típica de la realización de la Figura 2.
TABLA 2 (parte 1 de
3)
| Corriente | 1 | 5 | 6 | 12 | 13 | 14 | 18 | 19 | |
| Presión | bar abs | 22 | 21 | 21 | 21 | 21 | 21 | 12 | 12 |
| KPa | 2200 | 2100 | 2100 | 2100 | 2100 | 2100 | 1200 | 1200 | |
| Temperatura | °C | 10 | -167 | -167 | -171 | -170 | -178 | -148 | -176 |
| Caudal | Kmol/h | 1270 | 1230 | 40 | 1020 | 510 | 40 | 580 | 10 |
| Hidrógeno | mol % | 78,4 | 81,2 | 2,3 | 95,8 | 2,4 | 1,8 | 0,2 | 90,0 |
| Nitrógeno | mol % | 0,8 | 0,8 | 0,9 | 0,3 | 1,3 | 1,1 | 1,2 | 1,4 |
| Monóxido de carbono | mol % | 15,0 | 14,7 | 25,5 | 0,9 | 33,0 | 10,1 | 31,6 | 6,5 |
| Metano | mol % | 5,7 | 3,4 | 71,4 | 3,0 | 63,3 | 87,0 | 67,0 | 2,4 |
| Fracción de vapor | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
TABLA 2 (Parte 2 de
3)
| Corriente | 25 | 26 | 30 | 31 | 35 | 36 | 41 | 42 | |
| Presión | bar abs | 5 | 5 | 3 | 5 | 3 | 3 | 3 | 13 |
| KPa | 500 | 500 | 300 | 500 | 0300 | 300 | 300 | 1300 | |
| Temperatura | °C | -180 | -162 | -148 | -167 | -182 | -147 | 18 | 39 |
| Caudal | Kmol/h | 30 | 570 | 100 | 470 | 180 | 390 | 900 | 460 |
| Hidrógeno | mol % | 5,5 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| Nitrógeno | mol % | 75,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,1 | 0,0 | 0,1 | 0,1 |
| Monóxido de carbono | mol % | 19,5 | 31,9 | 31,9 | 31,9 | 99,9 | 0,3 | 99,9 | 99,9 |
| Metano | mol % | 0,0 | 68,0 | 68,0 | 68,0 | 0,0 | 99,7 | 0,0 | 0,0 |
| Fracción de vapor | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
TABLA 2 (Parte 3 de
3)
| Corriente | 43 | 44 | 53 | 54 | 56 | 58 | 59 | |
| Presión | bar abs | 27 | 13 | 2 | 21 | 5 | 5 | 5 |
| KPa | 2700 | 1300 | 200 | 2100 | 500 | 500 | 500 | |
| Temperatura | °C | 39 | 39 | 18 | 18 | -180 | -181 | -181 |
| Caudal | Kmol/h | 260 | 180 | 100 | 1020 | 20 | 30 | 20 |
| Hidrógeno | mol % | 0,0 | 0,0 | 28,6 | 95,8 | 0,0 | 5,4 | 0,0 |
| Nitrógeno | mol % | 0,1 | 0,1 | 25,0 | 0,3 | 100,0 | 91,1 | 75,2 |
| Monóxido de carbono | mol % | 99,9 | 99,9 | 2,2 | 0,9 | 0,0 | 3,6 | 24,7 |
| Metano | mol % | 0,0 | 0,0 | 44,2 | 3,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| Fracción de vapor | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
Se pueden hacer numerosas modificaciones y
variaciones a las realizaciones de las Figuras 1 y 2 sin apartarse
del alcance del presente invento como se define en las
reivindicaciones siguientes. Por ejemplo, el líquido de la parte
inferior de la columna de separación de nitrógeno 22 podría
dividirse sin ningún subenfriamiento para proporcionar una porción
líquida saturada, que se reduce en presión y se alimenta a una
columna de separación de metano 32 varias etapas de equilibrio por
encima del resto de dicho líquido de la parte inferior, que es
evaporado parcialmente al menos en el intercambiador de calor 3.
La energía de destilación para los procedimientos
de las Figuras 1 y 2 es proporcionada por el sistema de
recirculación de CO por una bomba de calor y el reflujo directo de
la columna de separación de metano 32. Esto es conveniente cuando
el sistema de bomba de calor se integra compresión de producto de
monóxido de carbono. En los casos en que el producto compresor está
separado, o sólo se requiere monóxido de carbono a baja presión, la
necesidad de la bomba de calor podría ser suministrada por otros
fluidos de bomba de calor, tales como nitrógeno, añadiendo un
condensador a la columna 32 para proporcionar un reflujo mediante
intercambio de calor indirecto. En el caso de una bomba de calor de
nitrógeno, el nitrógeno líquido descrito en la Figura 2 podría ser
proporcionado por el sistema de bomba de calor y refrigeración
proporcionada por un expansor de hidrógeno, monóxido de carbono o
nitrógeno o líquido auxiliar de nitrógeno.
Las necesidades de la caldera para las columnas
de separación de nitrógeno y metano 22 y 32 pueden lograrse en
intercambiadores de calor de caldera separados mediante intercambio
de calor indirecto con la corriente de CO de la bomba de calor
sólo.
Claims (15)
1. Un procedimiento para separar monóxido de
carbono a partir de una alimentación gaseosa que contiene monóxido
de carbono, hidrógeno, metano y nitrógeno mediante separación
criogénica en la que:
- el monóxido de carbono se desplaza a partir de una porción de vapor (5) de la alimentación (1) mediante un lavado de metano líquido (36) para proporcionar una corriente líquida de metano cargada de CO (13) y un vapor rico en hidrógeno (12);
- el hidrógeno disuelto se extrae (15) de dicha corriente líquida de metano cargada de CO (13) para proporcionar una corriente líquida de metano cargada de CO sin hidrógeno (18); y
- los contenidos de metano y nitrógeno se eliminan separadamente de la corriente líquida de metano cargada de CO sin hidrógeno (18); en la que
- dicha corriente líquida de metano cargada de CO sin hidrógeno (18) se fracciona (22) en un vapor que contiene nitrógeno en la parte superior (25) y un líquido libre de nitrógeno en la parte inferior (26); y
- dicho líquido libre de nitrógeno en la parte inferior (26) se fracciona (32) en un producto de vapor de CO en la parte superior (35) y metano líquido en la parte inferior (36).
2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el contenido de metano de la mezcla gaseosa es de al menos 1
% mol.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o
la reivindicación 2, en el que la relación molar hidrógeno:CO en el
gas de alimentación es por encima de 2,5:1.
4. Un procedimiento según la reivindicación 3, en
el que la relación molar hidrógeno:CO en el gas de alimentación es
de 3:1 a 6:1.
5. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes,en el que la mezcla gaseosa (1) se
condensa parcialmente (2,3) para proporcionar dicha porción de
vapor de alimentación (5) y una fracción de alimentación líquida
enriquecida en CO (6).
6. Un procedimiento según la reivindicación 5, en
el que la fracción líquida de alimentación enriquecida en CO (6) se
alimenta a la etapa de separación de hidrógeno.
7. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el líquido de metano de la
parte interior (36) de la
separación-fraccionamiento de metano (32) se
recircula como metano líquido de lavado.
8. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que una porción (25) del vapor
que contiene nitrógeno de la parte superior se condensa (24) frente
a una corriente de CO recirculada por una bomba de calor para
proporcionar reflujo a la separación-fraccionamiento
de nitrógeno.
9. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la alimentación gaseosa
consiste esencialmente en monóxido de carbono, hidrógeno y metano
contaminado con nitrógeno.
10. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la mezcla gaseosa comprende
argón que se separa del monóxido de carbono en la
separación-fraccionamiento de metano y se elimina de
allí con el líquido de metano de la parte inferior.
11. Un aparato para separar monóxido de carbono a
partir de una mezcla gaseosa que contiene monóxido de carbono,
hidrógeno, metano y nitrógeno mediante un procedimiento tal y como
se define en la reivindicación 1, comprendiendo dicho aparato:
medios de desplazamiento (8) para el
desplazamiento de monóxido de carbono a partir de la porción de
vapor (5) de la alimentación (1) mediante el lavado de líquido de
metano (36) para proporcionar la corriente líquida de metano cargada
de CO (13) y el vapor rico en hidrógeno (12);
medios de extracción (15) para la extracción del
hidrógeno disuelto a partir de la corriente líquida de metano
cargada de CO (18) para proporcionar la corriente líquida de metano
cargada de CO sin hidrógeno (18);
medios de fraccionamiento de separación de
nitrógeno (22) para la separación de nitrógeno a partir de la
corriente de metano líquido cargada de CO sin hidrógeno (18) en el
vapor que contiene nitrógeno en la parte superior (25) y el líquido
libre de nitrógeno en la parte inferior (26); y
medios de fraccionamiento de separación de metano
(32) para la separación del líquido libre de nitrógeno de la parte
inferior (26) en el vapor de producto de CO en la parte superior
(35) y el líquido de metano en la parte inferior (36).
12. Un aparato tal según la reivindicación 11,
que además comprende medios de intercambio de calor (2,3) para
condensar parcialmente la mezcla gaseosa (1) para proporcionar la
porción de vapor de alimentación (5) y una fracción líquida
enriquecida en CO de alimentación (6).
13. Un aparato según la reivindicación 12, que
además comprende medios de conducción (6) para alimentar la
fracción líquida enriquecida en CO de alimentación a los medios de
extracción de hidrógeno (15).
14. Un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 13, que además comprende los medios (36, 37,
38) para recircular metano líquido de la parte inferior desde los
medios de separación-fraccionamiento de metano (32)
a los medios de desplazamiento (8) para proporcionar lavado de
metano.
15. Un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 14, que además comprende un sistema de bomba
de calor de recirculación de CO
(2,3,9,24,34,35,37,40-42,45-48,51,52)
que incluye los medios de intercambio de calor (254) para condensar
una porción (25) del vapor que contiene nitrógeno de la parte
superior para proporcionar reflujo a los medios de fraccionamiento
de separación de nitrógeno (22).
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| GB9800692 | 1998-01-13 | ||
| GBGB9800692.7A GB9800692D0 (en) | 1998-01-13 | 1998-01-13 | Separation of carbon monoxide from nitrogen-contaminated gaseous mixtures also containing hydrogen and methane |
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