ES2205627T3 - Sistema de rectificacion criogenica con separador integral de fase con caldera de producto. - Google Patents

Sistema de rectificacion criogenica con separador integral de fase con caldera de producto.

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Abstract

SISTEMA DE RECTIFICACION CRIOGENICO EN EL QUE UNA CALDERA ESTA INCORPORADA AL TERMOCAMBIADOR PRIMARIO SIN EXPERIMENTAR PROBLEMAS DE EBULLICION Y EVAPORACION, EN EL CUAL EL LIQUIDO PROCEDENTE DE LA PLANTA DE RECTIFICACION CRIOGENICO ES PROCESADO EN UN SEPARADOR DE FASE SITUADO AGUAS ARRIBA DE LA CALDERA DEL PRODUCTO, Y EL FLUIDO PROCEDENTE DE LA CALDERA DE PRODUCTO PASA AL INTERIOR DEL SEPARADOR DE FASE, ANTES DE SU RECUPERACION.

Description

Sistema de rectificación criogénica con separador integral de fase con caldera de producto.
Campo técnico
Esta invención se refiere generalmente a la rectificación criogénica de aire de alimentación y, más particularmente, a la rectificación criogénica de aire de alimentación para producir un producto gaseoso de presión elevada.
Estado de la técnica
En la rectificación criogénica de aire de alimentación para producir uno o más productos tales como oxígeno se desea frecuentemente que el producto se recupere como gas de presión elevada. Una forma de obtener esto es hacer funcionar la columna o columnas de la planta de separación de aire criogénico a presión elevada y recuperar directamente producto gaseoso de presión elevada de la columna de destilación. No obstante, tal sistema no es generalmente ventajoso porque la presión elevada dentro de la columna dificulta las separaciones. Preferiblemente, la separación final dentro de la columna se lleva a cabo a una presión relativamente baja y, si se desea un producto gaseoso de presión elevada, el producto se retira desde la columna y su presión es aumentada antes de la recuperación.
Para la recuperación de producto gaseoso de presión elevada, el producto puede ser retirado de la columna como gas y entonces comprimido a la presión deseada. No obstante, es más preferible generalmente que el producto sea retirado de la columna como líquido, bombeado a la presión deseada, y entonces vaporizado en una caldera de producto para obtener el gas a la presión elevada deseada.
Típicamente, la caldera de producto es un intercambiador de calor de caldera común que está separado de los otros intercambiadores de calor del sistema. Esta disposición es muy efectiva pero costosa. Es deseable que la caldera de producto esté integrada con el intercambiador de calor primario del sistema y tales disposiciones son conocidas. No obstante, en algunas situaciones la integración de la caldera de producto con el intercambiador de calor primario puede conducir a un problema de ebullición a sequedad en el que los hidrocarburos se pueden concentrar en oxígeno creando una situación de inflamabilidad y peligro potencial.
Un método de rectificación criogénica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y un aparato para fabricar producto gaseoso por rectificación criogénica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 4 son conocidos del documento EP 0464 630 A1. En este sistema, el líquido rico en oxígeno retirado de la columna de presión inferior de la planta de separación de aire criogénico para ser introducido en el separador de fase es calentado al pasar por un intercambiador de calor antes de ser introducido en el separador de fase.
Es un objeto de esta invención proporcionar un sistema de rectificación criogénica para fabricar un producto gaseoso de presión elevada empleando una caldera integrada de producto con el intercambiador de calor primario lo que permite evitar cualquier riesgo de ebullición a sequedad.
Resumen de la invención
El anterior y otros objetos, que resultarán evidentes para los especialistas en la técnica tras la lectura de esta divulgación, se obtienen por la presente invención, un aspecto de la cual es un método de rectificación criogénica para obtener producto gaseoso según se define en la reivindicación 1.
Otro aspecto de la invención es un aparato para fabricar producto gaseoso por rectificación criogénica según se define en la reivindicación 4.
Como aquí se usa, la expresión "caldera de producto" significa un intercambiador de calor en el cual el líquido de una planta de separación de aire criogénico, normalmente a presión elevada, se vaporiza por intercambio de calor indirecto con aire de alimentación. En la práctica de esta invención, la caldera de producto comprende una parte del intercambiador de calor primario.
Como aquí se usa, la expresión "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende oxígeno primario y nitrógeno, tal como el aire ambiente.
Como aquí se usa, la expresión " columna " significa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, por ejemplo una columna o zona de contacto, en la cual las fases de líquido y vapor se ponen en contacto en contracorriente para efectuar la separación de una mezcla fluida, como por ejemplo, poniendo en contacto las fases de vapor y líquido en unas series de bandejas o platos espaciados verticalmente, montados en el interior de la columna y/o sobre elementos de empaquetamiento tales como empaquetamiento realizacióndo o aleatorio. Para una más detallada explicación sobre columnas de destilación, véase el Manual del Ingeniero Químico quinta edición, editado por R. H. Perry y C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, Sección 13, El proceso de destilación continua.
La expresión "doble columna ", se usa para definir una columna de alta presión que tiene su extremo superior en relación de intercambio de calor con el extremo inferior de una columna de baja presión. Una explicación más detallada de columnas dobles aparece en Ruheman "La separación de gases ", Oxford University Press, 1949, Capítulo VII, Separación de aire comercial.
Los procesos de separación por contacto de vapor y líquido dependen de la diferencia en las presiones de vapor de los componentes. El componente de presión de vapor alta (o más volátil o de bajo punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase de vapor mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o de alto punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. Condensación parcial es el proceso de separación por el cual el enfriamiento de una mezcla de vapor puede usarse para concentrar el componente(s) volátil(es) en la fase de vapor y en consecuencia, el componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida. Rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina vaporizaciones y condensaciones parciales sucesivas como son obtenidas por un tratamiento en contracorriente de las fases de vapor y líquido. El contacto a contracorriente de las fases de vapor y líquido es generalmente adiabático y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Las disposiciones del proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas son frecuentemente designadas indistintamente columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento. Rectificación criogénica es un proceso de rectificación llevado a cabo al menos en parte a temperaturas a o debajo de 150 grados Kelvin (K).
Como aquí se usa, las expresiones "porción superior "y "porción inferior " definen aquellas secciones de una columna respectivamente por arriba y abajo del punto medio de la columna.
Como aquí se usa, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa el aporte de dos fluidos en relación de intercambio de calor sin cualquier contacto físico o entremezcla de los fluidos entre sí.
Como se usa aquí, la expresión "intercambiador de calor primario" define el intercambiador de calor principal asociado con un proceso de separación de aire criogénico en el cual el aire de alimentación es enfriado desde la temperatura ambiente a temperaturas de frío asociadas con la destilación por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno. El intercambiador de calor primario puede incluir también corrientes líquidas de la columna de subenfriamiento y/o corrientes líquidas que vaporizan el producto.
Como se usa aquí, la expresión "separador de fases " significa un recipiente con suficiente superficie de sección en corte de manera que al entrar dos fluidos en la fase se pueden separar por gravedad en componentes separados gas y líquido que pueden entonces ser retirados del recipiente separador de fases.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una representación esquemática simplificada de una realización preferida de la invención en la cual la planta de separación de aire criogénico comprende una columna doble y el separador de fases está alojado separadamente del intercambiador de calor primario.
La Figura 2 es una representación en sección transversal de una realización preferida de la caldera de producto integral útil con la invención en la cual el separador de fases está alojado junto al intercambiador de calor primario.
Descripción detallada
La invención será descrita en detalle en referencia a los Dibujos. En referencia ahora a la Figura 1, el aire de alimentación 1 se comprime al pasar a través de la carga de base del compresor de aire y el aire de alimentación comprimido 3 se enfría por la eliminación del calor de la compresión al pasar a través del enfriador 4. El aire de alimentación resultante 5 se limpia de las impurezas de elevado punto de ebullición, tales como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos mediante el paso por un prepurificador 6 para suministrar aire de alimentación prepurificado 7.
En la realización de la invención ilustrada en la Figura 1, el aire de alimentación prepurificado 7 se divide en tres porciones. Una parte 8 se enfría al pasar a través del intercambiador de calor primario 9 y la corriente de aire de alimentación enfriado resultante 10 se hace pasar a la primera o columna de alta presión 11 de la planta de separación de aire criogénico la cual comprende la columna segunda o de presión inferior 12. Otra parte 13 del aire de alimentación prepurificado 7 se comprime a una presión superior al pasar a través del compresor 14 y es entonces enfriado al pasar a través del intercambiador de calor primario 9. La corriente de aire de alimentación enfriado resultante 15 es turbo expandido al pasar a través del turbo expansor 16 para generar refrigeración y la corriente de aire de alimentación turbo expandido resultante 17 se hace pasar a la columna de presión inferior 12. Otra parte 18 de aire prepurificado 7 se comprime a una presión superior al pasar a través del compresor 19 y es entonces enfriado y, preferiblemente, al menos parcialmente, condensado al paso a través del intercambiador de calor primario 9. La corriente de aire de alimentación resultante 20 es entonces pasada a la columna de mayor presión 11.
La columna de más alta presión 11 funciona generalmente a una presión dentro de una banda de 4,48 a 6,21 atmósferas (65 a 90 libras de presión absoluta por pulgada cuadrada (psia)). Dentro de la columna de mayor presión 11 el aire de alimentación se separa por rectificación criogénica en vapor enriquecido en nitrógeno y líquido enriquecido en oxígeno. El líquido enriquecido en oxígeno se retira de la parte inferior de la columna de mayor presión 11 en la corriente 21, es subenfriada al paso a través del intercambiador de calor primario 9, y es entonces pasada como corriente 22 a la columna de presión inferior 12. El vapor enriquecido en nitrógeno es retirado de la parte superior de la columna de mayor presión 11 en corriente 23 y pasado al condensador principal 24, en el que es condensado por intercambio de calor indirecto con el líquido del fondo de la columna de ebullición 12. El líquido resultante 25 enriquecido en nitrógeno se divide en la porción 26, la cual se devuelve a la columna de mayor presión 11 como reflujo, y en la porción 27, la cual se subenfría al paso por el intercambiador de calor primario 9 y entonces se hace pasar como corriente 28 a la porción superior de la columna de menor presión 12, como reflujo.
La columna de presión inferior 12 funciona a menor presión que la de la columna de presión más alta 11 y generalmente dentro de la gama de 1,31 a 2,07 atmósferas (19 a 30 psia ). Dentro de columna de presión inferior 12 las varias alimentaciones a la columna se separan por rectificación criogénica en vapor rico en nitrógeno y líquido rico en oxígeno. El vapor rico en oxígeno se retira de la porción superior de la columna de presión inferior 12 en corriente 29, calentado al paso a través del intercambiador de calor primario 9, y es sacado del sistema como corriente de gas nitrógeno 30, la cual puede ser recuperada totalmente o en parte como nitrógeno producto con una concentración de nitrógeno de, al menos, 99 por ciento molar. A fines de control de la pureza del producto, una corriente desechada 31 se retira de la porción superior de la columna de presión inferior 12 por debajo del nivel de retirada de la corriente 29, calentada al paso por el intercambiador de calor primario 9, y retirada del sistema en la corriente 32.
El líquido rico en oxígeno, que tiene una concentración en oxígeno de al menos 85 por ciento molar y generalmente en la banda de 95 a 99,8 por ciento molar, se retira de la porción inferior de la columna de menor presión 12 en la corriente 33. Preferiblemente, como se ilustra en la Figura 1, el líquido rico en oxígeno se bombea a una mayor presión al paso a través de la bomba de líquido 34 para producir la corriente líquida rica en oxígeno presurizado 35. La invención tiene una utilidad particular cuando la presión del líquido de alimentación a la caldera de producto está dentro de la banda de 1,03 a 3,79 atmósferas (15 a 55 psia). Si se desea, una porción 36 del líquido rico en oxígeno bombeado 35 puede recuperarse como producto oxígeno líquido.
El líquido rico en oxígeno 35 se hace pasar al separador de fases 37 y líquido desde el separador de fases 37 se pasa como corriente 38 a la sección de la caldera de producto del intercambiador de calor primario 9 en el que es vaporizado parcialmente por intercambio de calor indirecto con el aire de alimentación refrigerante. El flujo de líquido rico en oxígeno en la corriente 38 se controla para asegurar el requisito de vaporización parcial del líquido en la sección de la caldera de producto. El fluido de dos fases resultante se retorna al separador de fases 37 desde la caldera de producto y el vapor 40 se retira del separador de fases 37 y se recupera como producto oxígeno gaseoso que tiene una concentración de oxígeno de al menos, 85 por ciento molar. Preferiblemente, como se ilustra en la Figura 1, la corriente de oxígeno gaseoso 40 se calienta al pasar a través del intercambiador de calor primario 9 antes de su recuperación como corriente 41. El uso del separador de fases evita la vaporización completa del líquido dentro el intercambiador de calor y en consecuencia evita la condición de ebullición a sequedad que podía concentrar hidrocarburos en el oxígeno líquido enriquecido y constituir una condición arriesgada.
La realización de la invención ilustrada en la Figura 1 tiene el separador de fases alojado separadamente de la sección de la caldera de producto del intercambiador de calor primario. Puede ser preferible que el separador de fases se aloje juntamente con la caldera de producto y una tal realización así se ilustra en la Figura 2.
En referencia ahora a la Figura 2, se ha mostrado en ella la sección de la caldera de producto 50 alojada juntamente con el separador de fases 51 con la barra espaciadora vertical 52 entre ellos. La realización como se muestra en la Figura 2, constituiría la porción inferior del intercambiador de calor primario y se muestra en sección transversal. Como es bien conocido en la técnica de intercambiadores de calor, los pasos de ebullición 61 y los pasos de refrigeración 60 se forman por platos apilados y conjunto de aletas en forma alternada y utilizando barras separadoras asociadas y distribuidores para introducir y recoger los fluidos de los pasos individuales. El líquido 53 de la planta de separación de aire criogénico se hace pasar al separador de fases 51 a través de la entrada 54 y forma el baño líquido 55 dentro del separador de fases 51. Si se desea, el líquido puede ser recuperado del separador de fases 51 en corriente de producto líquido 56.
El líquido del baño de líquido 55 se hace pasar al fondo de los pasos 61 del intercambiador de calor de la caldera de producto 50 y hasta estos pasos del intercambiador de calor debido a la presión superior del líquido del baño 55. Dentro de estos pasos del intercambiador de calor la corriente de líquido de flujo ascendente es vaporizada parcialmente por intercambio de calor indirecto con la corriente de aire de alimentación refrigerante de flujo descendente en los pasos 60. El fluido de dos fases resultante se extrae de la parte superior de los pasos del intercambiador de calor y se devuelve al separador de fases 51. El líquido 57 del fluido de dos fases cae y se hace parte del baño líquido 55, mientras que el vapor 58 del fluido de dos fases se extrae del separador de fases 51 a través de la salida 59 para recuperación del gas producto. En la realización mostrada en la Figura 2, el gas producto se calienta al paso a través del intercambiador de calor primario antes de la recuperación. Aunque la sección de la caldera de producto 50 está situada generalmente en el fondo del intercambiador de calor primario 9, se comprenderá que los pasos refrigerantes del aire de alimentación 60 puedan extenderse a través de la longitud total del intercambiador de calor primario. La corriente refrigerante de aire de alimentación 20 es enfriada primero contra las corrientes de retorno en la parte superior del intercambiador de calor primario y entonces enfriada más y condensada en la parte inferior, es decir, la sección de la caldera de producto, del intercambiador de calor primario.
Por ejemplo, se pueden emplear otras plantas de separación de aire criogénico, tales como una planta que tenga una columna doble con una columna lateral con argón y/o una columna lateral de flujo ascendente.

Claims (8)

1. Un método de rectificación criogénica para fabricar producto gaseosos (41), que comprende:
(A)
Enfriar aire de alimentación refrigerante (1) a temperatura ambiente en un intercambiador de calor primario (9) y hacer pasar el aire de alimentación enfriado (10,15,20) a una planta de separación de aire criogénico (11,12);
(B)
separar el aire de alimentación (10,15,20) dentro de la planta de separación de aire criogénico (11,12) por rectificación criogénica para producir vapor y líquido;
(C)
hacer pasar líquido (33,35) desde la planta de separación de aire criogénico (12) a un separador de fases (37) y hacer pasar líquido (38) desde el separador de fases al intercambiador de calor primario (9);
(D)
vaporizar parcialmente el líquido (38) desde el separador de fases (37) en el intercambiador de calor primario (9) por intercambio de calor indirecto con el aire de alimentación refrigerante (8,13,18) y hacer pasar el fluido resultante (39) de retorno al separador de fases; y
(E)
recuperar vapor (40) del separador de fases (37) como producto gaseoso (41);
caracterizado porque
en el paso (C) el líquido citado (33,35) procedente de la planta de separación de aire criogénico (12) se hace pasar directamente o por medio de una bomba de líquidos (34) para aumentar la presión del citado líquido al mencionado separador de fases (37).
2. El método de la reivindicación 1, en el que el líquido (33,35) de la planta de separación de aire criogénico (12) es líquido rico en oxígeno que tiene una concentración en oxígeno de, al menos, 85 por ciento molar.
3. El método de la reivindicación 1, en el que el vapor (40) del separador de fases (37) se calienta por intercambio de calor indirecto con aire de alimentación refrigerante (8,13,18) antes de su recuperación.
4. Aparato para fabricar producto gaseoso por rectificación criogénica, que comprende:
a.
un intercambiador de calor primario (9) y medios para hacer pasar aire de alimentación (1) a temperatura ambiente al intercambiador de calor primario;
b.
una planta de separación de aire criogénico que comprende al menos una columna (11,12) y medios para hacer pasar aire de alimentación (10,15,20) desde el intercambiador de calor primario (9) a la planta de separación de aire criogénico;
c.
un separador de fases (37) y medios para hacer pasar fluido (33,35) desde la planta de separación de aire criogénico (12) al separador de fases;
d.
medios para hacer pasar fluido (38) desde el separador de fases (37) al intercambiador de calor primario (9) y desde el intercambiador de calor primario al separador de fases; y
e.
medios para recuperar producto gaseoso (40,41) desde el separador de fases (37),
caracterizado porque
los medios citados en (C) son para hacer pasar fluido (33,35) desde la planta de separación de aire criogénico (12) directamente, o mediante una bomba de líquidos (34), al separador de fases (37).
5. El aparato de la reivindicación 4, en el que el separador de fases (37) se aloja separadamente del intercambiador de calor primario (9).
6. El aparato de la reivindicación 4, en el que el separador de fases (51) se aloja juntamente con el intercambiador de calor primario.
7. El aparato de la reivindicación 4, en el que la planta de separación de aire criogénico comprende una columna doble que tiene una columna de presión superior (11) y una columna de presión inferior (12), y los medios para hacer pasar fluido (33,35) desde la planta de separación de aire criogénico al separador de fases comunica con la parte inferior de la columna de presión inferior.
8. El aparato de la reivindicación 4, en el que los medios para recuperar producto gaseoso (40,41) desde el separador de fases incluyen medios para hacer pasar vapor desde el separador de fases (37) a través del intercambiador de calor primario (9).
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