ES2207442T3 - Sistema de rectificacion criogenica para producir oxigeno a un ritmo no constante. - Google Patents

Sistema de rectificacion criogenica para producir oxigeno a un ritmo no constante.

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ES2207442T3 ES00113574T ES00113574T ES2207442T3 ES 2207442 T3 ES2207442 T3 ES 2207442T3 ES 00113574 T ES00113574 T ES 00113574T ES 00113574 T ES00113574 T ES 00113574T ES 2207442 T3 ES2207442 T3 ES 2207442T3
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Abstract

Aparato para producir oxígeno por rectificación criogénica a un ritmo de producción variable, que comprende: (A) un sistema de columna doble que comprende una columna de presión más alta (105) y una columna de presión más baja (130) y medios (22, 23, 202, 203) para hacer pasar fluido desde la parte baja de la columna de presión más alta a la columna de presión más baja; (B)un tanque (750) de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno y medios (110) para hacer pasar de fluido desde la parte baja de la columna de presión más alta al tanque de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno; (C)una caldera (107) de producto, medios (100, 106) para hacer pasar aire de alimentación a la caldera de producto y medios (11, 15) para hacer pasar aire de alimentación desde la caldera de producto a la columna de presión más alta (105); (D)un tanque (650) de almacenamiento de oxígeno líquido y medios (600) para hacer pasar fluido desde el tanque de almacenamiento de oxígeno líquido a la caldera (107) de producto; (E)medios (140, 600) para hacer pasar fluido desde la parte inferior de la columna de presión más baja (130) al tanque (650) de almacenamiento de oxígeno líquido, y medios (140) para hacer pasar fluido desde la parte más baja de la columna de presión más baja a la caldera (107) de producto; y (F)medios (143, 31) para recuperar el fluido de la caldera (107) de producto como oxígeno producto.

Description

Sistema de rectificación criogénica para producir oxígeno a un ritmo no constante.
Campo técnico
Este invento se refiere generalmente a la rectificación criogénica y, más particularmente, a la rectificación criogénica para producir oxígeno a un ritmo no constante.
Antecedentes de la técnica
En el curso del funcionamiento de una planta de rectificación criogénica que produce oxígeno, la demanda del producto de oxígeno puede variar. Esta variación de la demanda de producto de oxígeno requiere el correspondiente cambio en la producción de producto de oxígeno. Sin tal cambio, el sistema podría funcionar de forma poco eficiente. Además, cuanto más rápido cambie el sistema para acomodarse a la variación de la demanda, mejor será el rendimiento total del sistema.
A partir del documento EP 0 793 070 A2 se conoce un aparato de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, en el que fluido del tanque de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno se hace pasar a la columna de presión más baja.
A partir del documento EP 0 556 861 A1 se conoce un sistema similar que, sin embargo, no incluye un tanque de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno.
El documento US 5.084.081 describe un sistema de separación de aire criogénico en el que un tanque de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno se llena con fluido procedente del fondo de la columna de presión más alta, mientras que se hacen pasar gas y líquido del tanque de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno a la columna de presión más baja.
Es un objeto de este invento proporcionar un sistema de rectificación criogénica para producir oxígeno cuyo funcionamiento pueda cambiar rápidamente para adaptar la entrega del producto de oxígeno a un cambio, o sea un aumento o una disminución de la demanda del producto de oxígeno del sistema.
Resumen del invento
El anterior y otros objetos, que resultarán evidentes a las personas expertas en la materia por la lectura de esta exposición, se consiguen por medio del presente invento, que es un aparato para producir oxígeno por rectificación criogénica a un ritmo de producción no constante, tal como se define en la reivindicación 1.
Tal como se utilizan aquí, los términos "turboexpansión" y "turboexpansor" significan, respectivamente, el método y el aparato para el flujo de gas de alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del gas, generando así una refrigeración.
Tal como se utiliza aquí, el término "columna" significa una columna o zona de destilación o de fraccionamiento, esto es, una columna o zona de contacto en la que las fases de líquido y de vapor entran en contacto en contracorriente para efectuar la separación de una mezcla fluida, como por ejemplo, por contacto de las fases de vapor y líquido en una serie de bandejas o placas separadas verticalmente, montadas dentro de la columna y/o en elementos empaquetados. Para una descripción posterior de las columnas de destilación, véase el Chemical Engineer's Handbook, 5ª edición, editado por R. H. Perry y C. H. Chilton, Mc Graw-Hill Book Company, New York, Sección 13, The
Continous Distillation Process. El término doble columna se utiliza para referirse a una columna de presión más alta que tiene su extremo superior en relación de intercambio de calor con el extremo inferior de una columna de presión más baja. Una descripción adicional de las columnas dobles aparece en Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Capítulo VII, Commercial Air Separation.
Los procesos de separación por contacto de vapor y líquido dependen de la diferencia de las presiones de vapor de los componentes. La presión de vapor alta del componente (o más volátil o de bajo punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase de vapor, en tanto que la presión de vapor baja del componente (o menos volátil o de alto punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación por el que se puede utilizar el enfriamiento de una mezcla de vapor para concentrar el o los componentes volátiles en la fase de vapor y, de ese modo, el o los componentes menos volátiles, en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina vaporizaciones y condensaciones parciales sucesivas obtenidas por un tratamiento a contracorriente de las fases de vapor y líquido. El contacto a contracorriente de las fases de vapor y líquido puede ser adiabático y puede incluir contacto integral o diferencial entre las fases. A las disposiciones del proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas se las denomina, a menudo, de forma intercambiable, columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación realizado al menos en parte a temperaturas a o por debajo de 150 grados Kelvin (K).
Tal como se usa aquí, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa poner dos fluidos en relación de intercambio de calor sin contacto físico alguno ni entremezclado de los fluidos entre sí.
Tal como se usa aquí, la expresión "columna de argón" significa una columna que trata una alimentación que comprende argón y proporciona un producto que tiene una concentración de argón que supera la de la alimentación.
Tal como se usa aquí, el término "sumidero" significa la parte del fondo de una columna de destilación por debajo de las bandejas o de los elementos de empaquetado, en la que se acumula el líquido.
Tal como se usa aquí, la expresión "controlador de nivel" significa un dispositivo mecánico, neumático o electrónico o un algoritmo matemático programado en un ordenador, utilizado para control por realimentación del nivel de líquido dentro de un volumen de almacenamiento tal como un tanque o un sumidero de columna.
Tal como se usa aquí, la expresión "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende principalmente nitrógeno, oxígeno y argón, como el aire ambiente.
Tal como se usa aquí, la expresión "producto de oxígeno" significa un fluido que tiene una concentración de oxígeno comprendida entre 90 y 99,99 por ciento molar.
Tal como se usan aquí, las expresiones "parte superior" y "parte inferior" significan las secciones de una columna respectivamente por encima y por 
\hbox{debajo}
del punto medio de la columna.
Tal como se usa aquí, la expresión "caldera de producto" significa un intercambiador de calor en el que el aire de alimentación se condensa al menos parcialmente por intercambio de calor indirecto con oxígeno líquido de vaporización. La caldera de producto puede ser un intercambiador de calor independiente o autónomo o puede estar incorporada en un intercambiador de calor mayor.
Breve descripción del dibujo
La única figura es una representación esquemática de una realización preferida del sistema de producción de oxígeno criogénico de este invento, en el que se ha empleado además una columna de argón.
Descripción detallada
El invento se describirá más detalladamente haciendo referencia al dibujo. El invento se describirá primeramente en conjunción con el funcionamiento de régimen permanente y después con cambios en la demanda del producto de oxígeno, lo que requiere un aumento o una disminución del ritmo de producción de oxígeno.
Con referencia ahora a la figura, aire de alimentación 100, que ha sido limpiado de impurezas de alto punto de ebullición tales como vapor de agua, anhídrido carbónico e hidrocarburos, y que ha sido comprimido a una presión generalmente comprendida entre 6,89 y 48,26 bar (100 a 700 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia)), preferiblemente de 6,89 a 13,79 bar (100 a 200 psia), es enfriado por el paso a través de un intercambiador de calor principal 101 por intercambio indirecto de calor con corrientes de retorno. El aire de alimentación 10 resultante enfriado, limpio y comprimido se divide en tres porciones. Una primera parte 106 del aire de alimentación se hace pasar a una caldera 107 de producto en la que se condensa al menos parcialmente por intercambio de calor indirecto con oxígeno líquido en ebullición tal como se describirá posteriormente con más detalle. La corriente 11 resultante de aire de alimentación al menos parcialmente condensado se hace pasar a continuación a una columna de presión más alta 105. Otra parte 12 del aire de alimentación enfriado, limpio y comprimido, se enfría aún más y se condensa por paso parcial a través del intercambiador de calor 13 por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno, y la corriente 14 de aire de alimentación resultante se hace pasar a continuación a una columna de presión más alta 105. En la realización del invento ilustrada en la figura, las corrientes de aire de alimentación 11 y 14 se combinan para formar una corriente de aire de alimentación 15 para pasar a la columna de presión más alta 105. Otra parte 103 del aire de alimentación enfriado, limpio y comprimido se turboexpande por paso a través del turboexpansor 102 para generar refrigeración y la corriente de aire 104 de alimentación turboexpandida resultante 104 se hace pasar a una columna de presión más alta 105.
La columna de alta presión 105 forma parte de un sistema de doble columna que, también, comprende una columna de presión más baja 130. La columna de presión más alta 105 funciona a una presión generalmente comprendida entre 4,83 y 6,89 bar (70 a 100 psia). Dentro de la columna de presión más alta 105, el aire de alimentación se separa por rectificación criogénica en vapor enriquecido en nitrógeno y líquido enriquecido en oxígeno. El vapor enriquecido en nitrógeno se retira de la parte superior de la columna primera o de presión más alta, 105, en la corriente 16 y se hace pasar al primer condensador 17 en el que se condensa por intercambio de calor indirecto con el líquido en ebullición del fondo de la columna de presión más baja. El líquido 18 enriquecido en nitrógeno resultante se divide en una primera parte 19 que es hecha pasar de vuelta a la columna de presión más alta 105 como líquido de reflujo, y en una segunda parte 20, que se subenfría por paso parcial a través del intercambiador de calor 13 contra corrientes de retorno, y después se hace pasar como corriente 21 a la parte superior de la columna 130 de presión más baja como líquido de reflujo.
El líquido enriquecido en oxígeno tiene una concentración de oxígeno generalmente comprendida entre 25 y 45 por ciento molar. El líquido enriquecido en oxígeno se retira de la parte inferior de la columna de presión más alta 105 en la corriente 22 y se subenfría por paso parcial a través del intercambiador de calor 13 contra corrientes de retorno antes de ser hecho pasar a la columna de presión más baja 130. La realización del invento ilustrado en la figura es una realización preferida en la que, también, se utiliza una columna de argón con un condensador superior y en la que parte o todo el líquido subenfriado enriquecido en oxígeno se trata primeramente en el condensador superior de la columna de argón antes de hacerlo pasar a la columna de presión más baja. Haciendo nuevamente referencia a la figura, el líquido subenfriado 23 enriquecido en oxígeno se hace pasar al condensador superior 131 de la columna de argón, en donde se vaporiza al menos parcialmente por intercambio de calor indirecto con el vapor de cabeza de la columna de argón. El vapor enriquecido en oxígeno resultante y cualquier resto de líquido enriquecido en oxígeno se hacen pasar, respectivamente, en las corrientes 202 y 203 desde el condensador superior 131 a la columna de presión más baja 130.
La columna segunda o de presión más baja 130 funciona a una presión menor que la de la de presión más alta 105 y generalmente comprendida entre 1,03 y 2,07 bar (15 a 30 psia). Dentro de la columna de presión más baja 130, los fluidos hechos pasar a esta columna se separan por rectificación criogénica en vapor de nitrógeno y oxígeno líquido. El vapor de nitrógeno se retira de la parte superior de la columna de presión más baja 130 en la corriente 24, calentada por paso a través de los intercambiadores de calor 13 y 101 y se recupera, total o parcialmente, como corriente 150 de producto nitrógeno con una concentración de nitrógeno generalmente comprendida entre 99 y 99,999 por ciento molar. Con fines de control de pureza del producto, un vapor de agua 25 se retira de la parte superior de la columna de presión más baja 130 por debajo del punto de retirada de la corriente 24, calentado por el paso a través de los intercambiadores de calor 13 y 101, y se retira del sistema como corriente 151.
De la parte inferior de la columna de presión más baja 130, en la corriente 26 se retira una corriente que comprende principalmente argón y oxígeno y se hace pasar a la columna de argón 120 donde se separa por rectificación criogénica en fluido más rico en argón y fluido más rico en oxígeno. El fluido más rico en oxígeno se hace pasar desde la columna de argón 120 como corriente de líquido 27 de vuelta a la columna de presión más baja 130. El fluido más rico en argón se hace pasar como vapor de cabeza de la columna de argón al condensador superior 131 en la corriente 28 donde se condensa, al menos parcialmente, por intercambio de calor indirecto con el líquido, antes mencionado, enriquecido en oxígeno, que se vaporiza al menos parcialmente. Una parte 29 del fluido más rico en argón resultante se utiliza como reflujo en la columna 120 y se recupera otra parte 30 como producto argón sin tratar con una concentración de argón generalmente comprendida entre 95 y 99,999 por ciento molar.
Se retira el líquido de oxígeno del sumidero de la columna de presión más baja 130 en la corriente 140 y se le hace pasar a la caldera 107 de producto en la que se vaporiza por intercambio de calor indirecto con el aire de alimentación en condensación parcial, antes mencionado. Opcionalmente, la corriente de líquido 140 puede bombearse (no mostrado) a una presión mayor antes de pasar por la caldera 107 de producto. El vapor de oxígeno resultante se hace pasar a la corriente 143 desde la caldera 107 de producto a través del intercambiador de calor principal 101, donde se calienta, y desde el que se recupera como producto de oxígeno en la corriente 31.
El invento permite cambiar rápidamente el ritmo de obtención de oxígeno producto en la corriente 31 sin imponer un funcionamiento ineficiente del sistema. El invento consigue estos resultados mediante la utilización de un tanque de almacenamiento 650 de oxígeno líquido y de un tanque de almacenamiento 750 de líquido enriquecido en oxígeno.
Durante parte del proceso de producción, cuando se desea que aumente el ritmo de producción de oxígeno producto, de forma que sea mayor que el ritmo nominal de producto de oxígeno del sistema, se aumenta el flujo de aire de alimentación 106 a la caldera 107 y el oxígeno líquido procedente del tanque 650 de almacenamiento de oxígeno se hace pasar por el conducto 600 a la corriente 140 para pasar a la caldera 107 de producto para la producción adicional de oxígeno producto. La presión de la fase gaseosa del tanque 650 de almacenamiento de oxígeno líquido se mantiene por el conducto 144 entre la caldera 107 de producto y el tanque 650 de almacenamiento de oxígeno líquido. El líquido enriquecido en oxígeno se hace pasar desde el sumidero de la columna de presión más alta 105 por el conducto 118 al tanque de almacenamiento 750 de líquido enriquecido en oxígeno. El tanque de almacenamiento 750 está situado físicamente a la misma altura que el sumidero del líquido de la columna de presión más alta 105. El nivel del líquido enriquecido en oxígeno en el sumidero de la columna de presión más alta 105 y el tanque 750 de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno son controlados por un controlador de nivel que controla el nivel de líquido en el sumidero de la columna 105.
Durante parte del proceso de producción, cuando se desea que disminuya el ritmo de obtención de oxígeno producto, de forma que sea menor que el ritmo nominal de producto de oxígeno del sistema, se disminuye el flujo de aire de alimentación 106 en la caldera 107, y parte del oxígeno líquido procedente del sumidero de la columna de presión más baja 130 que, de otra forma habría pasado a la caldera 107 de producto, es hecha pasar a través del conducto 600 al tanque 650 de almacenamiento de oxígeno líquido. El líquido enriquecido en oxígeno es hecho pasar desde el tanque de almacenamiento 750 de líquido enriquecido en oxígeno al sumidero de la columna de presión más alta 105 para el paso a la columna de presión más baja. Al líquido enriquecido en oxígeno y el vapor enriquecido en oxígeno en equilibrio con el líquido enriquecido en oxígeno, preferiblemente les está permitido fluir libremente entre el sumidero de la columna 105 y el tanque 750 utilizando los conductos 118 y 110 respectivamente. Preferiblemente, cuando el proceso funciona en el modo de aumento o de disminución del ritmo de producción de oxígeno producto, la relación entre el flujo de líquido enriquecido en oxígeno en el conducto 118 y el flujo de oxígeno líquido que fluye por el conducto 600 está comprendido entre 1,10 y 1,15 en una base molar.

Claims (2)

1. Aparato para producir oxígeno por rectificación criogénica a un ritmo de producción variable, que comprende:
(A)
un sistema de columna doble que comprende una columna de presión más alta (105) y una columna de presión más baja (130) y medios (22, 23, 202, 203) para hacer pasar fluido desde la parte baja de la columna de presión más alta a la columna de presión más baja;
(B)
un tanque (750) de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno y medios (110) para hacer pasar de fluido desde la parte baja de la columna de presión más alta al tanque de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno;
(C)
una caldera (107) de producto, medios (100, 106) para hacer pasar aire de alimentación a la caldera de producto y medios (11, 15) para hacer pasar aire de alimentación desde la caldera de producto a la columna de presión más alta (105);
(D)
un tanque (650) de almacenamiento de oxígeno líquido y medios (600) para hacer pasar fluido desde el tanque de almacenamiento de oxígeno líquido a la caldera (107) de producto;
(E)
medios (140, 600) para hacer pasar fluido desde la parte inferior de la columna de presión más baja (130) al tanque (650) de almacenamiento de oxígeno líquido, y medios (140) para hacer pasar fluido desde la parte más baja de la columna de presión más baja a la caldera (107) de producto; y
(F)
medios (143, 31) para recuperar el fluido de la caldera (107) de producto como oxígeno producto;
caracterizado por
(G)
medios (110) para hacer pasar fluido desde el tanque (750) de almacenamiento de líquido enriquecido en oxígeno a la columna de presión más alta (105).
2. El aparato de la reivindicación 1 que comprende adicionalmente una columna de argón (120) que tiene un condensador superior (131), en el que los medios para hacer pasar fluido desde el tanque (750) de líquido enriquecido en oxígeno a la columna de presión más baja (130), incluyen el condensador superior.
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