ES2213540T3 - Sistema de destilacion criogenica para separacion del aire. - Google Patents

Sistema de destilacion criogenica para separacion del aire.

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ES2213540T3 ES00201767T ES00201767T ES2213540T3 ES 2213540 T3 ES2213540 T3 ES 2213540T3 ES 00201767 T ES00201767 T ES 00201767T ES 00201767 T ES00201767 T ES 00201767T ES 2213540 T3 ES2213540 T3 ES 2213540T3
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Abstract

Un procedimiento para separar aire por destilación criogénica, que comprende las operaciones de alimentar aire comprimido, enfriado y purificado a una columna (101) de alta presión, donde es separado en una primera corriente enriquecida en nitrógeno en la parte superior y una primera corriente (10) enriquecida en oxígeno en el fondo, alimentar al menos parte de la primera corriente enriquecida en oxígeno a una columna (102) de presión intermedia para obtener una segunda corriente (25) enriquecida en nitrógeno en la parte superior y una segunda corriente (20) enriquecida en oxígeno en el fondo, enviar al menos parte de la segunda corriente enriquecida en nitrógeno a una columna (103) de baja presión y/o a un condensador superior (27) de una columna (104) de argón, enviar al menos parte de la segunda corriente enriquecida en oxígeno a la columna de baja presión, separar una tercera corriente (31) enriquecida en oxígeno en el fondo de la columna de baja presión y una tercera corriente (72) enriquecida en nitrógeno en la parte superior de la columna de baja presión, enviar un gas de calentamiento a un rehervidor inferior (8) de la columna de baja presión, retirar al menos parte de la tercera corriente enriquecida en oxígeno en un punto de retirada, retirar una primera corriente (33, 41) enriquecida en argón que contiene argón entre 3 y 20% molar de la columna de baja presión, enviar la primera corriente enriquecida en argón a la columna de argón que tiene un condensador superior, recuperar una segunda corriente (80) enriquecida en argón, más rica en argón que la primera corriente enriquecida en argón, en la parte superior de la columna de argón y retirar una cuarta corriente (36) enriquecida en oxígeno en el fondo de la columna de argón, caracterizado porque comprende retirar líquido (25A, 81) enriquecido en nitrógeno de la parte superior de la columna (103) de baja presión y/o de la parte superior de la columna (102) de presión intermedia y enviar el líquido (25A, 88) enriquecido en nitrógeno al condensador superior de la columna de argón.

Description

Sistema de destilación criogénica para separación del aire.
Este invento se aplica, en particular, a la separación del aire por destilación criogénica. Durante años, se han dedicado numerosos esfuerzos a la mejora de esta técnica de producción para reducir el coste del oxígeno que, fundamentalmente, constituye el consumo de energía y el coste del equipo.
Se ha sabido que un sistema de destilación a presión elevada resulta ventajoso en términos de reducción de costes y que, cuando puede utilizarse el nitrógeno comprimido, el consumo de energía del sistema es, también, muy competitivo. Resulta útil hacer notar que un sistema de presión elevada se caracteriza por el hecho de que la presión de la columna de presión inferior es superior a los 2 bar absolutos. El procedimiento usual o de baja presión, por su parte, tiene una columna de presión inferior que trabaja a una presión ligeramente superior a la atmosférica.
Cuando más alta sea la presión de la columna de presión inferior, mayor será la presión del aire que alimenta a la columna de alta presión y más compacto será el equipo para las partes caliente y fría de la instalación, lo que tiene como consecuencia una reducción significativa del coste. Sin embargo, cuanto más alta sea la presión, más difícil resultará el proceso de destilación, ya que la volatilidad de los componentes presentes en el aire (oxígeno, argón, nitrógeno, etc.) se hace más igual, de manera que exigiría más potencia llevar a cabo la separación por destilación. Por tanto, el procedimiento a presión elevada es perfectamente adecuado para la producción de oxígeno de baja pureza (pureza <98%), en el que la separación se lleva a cabo entre los componentes clave oxígeno-nitrógeno más sencillos, en lugar de los mucho más difíciles componentes clave oxígeno-argón. La volatilidad del oxígeno y del argón es tan parecida que, incluso a presión atmosférica, conseguir tal separación requeriría un elevado número de etapas de destilación y elevados regímenes de rehervido y de reflujo. El procedimiento a presión elevada en la actual configuración de ciclos del procedimiento de acuerdo con el actual estado de la técnica no es ni adecuado ni económico para la producción de oxígeno de gran pureza (pureza >98%). Dado que la principal impureza del oxígeno es el argón, la producción de oxígeno de baja pureza supone no producir argón, ya que más del 50% del argón contenido en el aire de alimentación, se pierde en los productos de oxígeno y nitrógeno.
Por tanto, es ventajoso encontrar un procedimiento a presión elevada capaz de producir oxígeno de gran pureza y, también en ciertos casos, de producir argón.
El nuevo invento que se describe en lo que sigue, utiliza el procedimiento básico de triple columna desarrollado para la producción de oxígeno de baja pureza y añade una columna de argón para separar adicionalmente el oxígeno de baja pureza obteniendo oxígeno de pureza superior junto con argón como subproducto. Al añadir la columna de argón, se puede producir oxígeno de gran pureza (típicamente con una pureza del 99,5% en volumen), necesario para muchas aplicaciones de gas industriales y, al mismo tiempo, obtener argón, que es un producto valioso de las instalaciones de separación.
El procedimiento de doble columna a presión elevada se describe en el documento US-A-5224045.
El procedimiento de triple columna se describe en la patente norteamericana 5231837 y, también, en las siguientes publicaciones:
US-A-5257504, US-A-5438835, US-A-5341646, EP-A-636845, EP-A-684438, US-A-5513497, US-A-5692395, US-A-5682764, US-A-5678426, US-A-5666823, US-A-5675977, US-A-5868007, EP-A-833118.
El documento US-A-5245832 divulga un procedimiento en el que se utiliza un sistema de doble columna a presión elevada en conjunto con una tercera columna para producir oxígeno, nitrógeno y argón. Con el fin de realizar la destilación a presión elevada, se emplea un ciclo de bomba de calor de nitrógeno para proporcionar el rehervido y el reflujo necesarios para el sistema. Además de la potencia requerida para la separación de argón y oxígeno en la tercera columna, el ciclo de bomba de calor debe proporcionar, también, un reflujo y un rehervido suficientes para la segunda columna, de la misma manera que el flujo de recirculación y el consumo de potencia resultantes serían elevados.
El documento US-A-5331818 describe un procedimiento de triple columna a presión elevada, en el que las columnas de presión inferior están dispuestas en cascada y reciben reflujo de nitrógeno líquido por su parte superior. La segunda columna intercambia calor en el fondo con la parte superior de la columna de alta presión. La tercera columna intercambia calor en el fondo con la parte superior de la segunda columna. Este procedimiento permite optimizar la eficacia del ciclo en función de la relación entre nitrógeno producido a baja presión y nitrógeno producido a alta presión.
Ninguno de los procedimientos antes mencionados pueden ser utilizados de forma económica y eficiente para producir oxígeno de gran pureza o argón.
El documento US-A-4433989 divulga una unidad de separación del aire que emplea una columna de alta presión, una columna de presión intermedia y una columna de baja presión, siendo calentados los rehervidores inferiores de las columnas de presión baja e intermedia por gas procedente de la columna de alta presión. El gas procedente de la columna de baja presión alimenta una columna de argón cuyo condensador superior se enfría empleando líquido procedente del fondo de la columna de presión intermedia. En este caso, la columna de presión intermedia carece de condensador superior y todo el nitrógeno procedente de esa columna es expandido para generar refrigeración.
El documento US-A-5868007 describe un sistema de triple columna que utiliza una columna de argón que funciona aproximadamente a la misma presión que la columna de baja presión. Se utiliza gas procedente del fondo de la columna de argón para rehervido en la columna de presión intermedia.
El documento EP-A-694745 describe un procedimiento y un aparato de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones independientes.
El presente invento sirve para aliviar las desventajas asociadas con los procedimientos y los aparatos de la técnica anterior.
De acuerdo con el invento, se proporciona un procedimiento según la reivindicación 1.
Es útil observar que cuando una corriente se define como una alimentación a una columna, la situación de su punto de alimentación, si no se especifica, puede ser cualquiera de las zonas de transferencia másica y de transferencia térmica de esta columna donde exista contacto directo o indirecto entre esta corriente y una corriente de fluido interna de la columna. El rehervidor inferior o el condensador superior se consideran, por tanto, parte de la columna. Como ejemplo, una alimentación de líquido a un rehervidor inferior de la columna se considera como una alimentación a esta columna.
En este contexto, debe entenderse que "superior" significa cualquier punto situado hasta veinte bandejas teóricas por debajo del punto más alto de la columna.
El líquido enriquecido en nitrógeno puede contener nitrógeno al menos 90% molar. De acuerdo con otros aspectos opcionales del invento:
- la columna de argón tiene un rehervido inferior calentado por una corriente de gas,
- esa corriente de gas contiene nitrógeno al menos 90% molar,
- la corriente de gas que calienta el rehervidor inferior de la columna de argón es, al menos, parte de una de entre la primera, la segunda y la tercera corrientes enriquecidas en nitrógeno,
- el procedimiento comprende comprimir al menos parte de la tercera corriente enriquecida en nitrógeno y enviarla como gas de calentamiento al rehervidor inferior de la columna de argón,
- el procedimiento comprende enviar la cuarta corriente enriquecida en oxígeno a la columna de baja presión,
- el procedimiento comprende retirar la primera corriente enriquecida en argón en forma líquida de la columna de baja presión,
- el procedimiento comprende retirar la primera corriente enriquecida en argón en el fondo de la columna de baja presión,
- el procedimiento comprende retirar la tercera corriente enriquecida en oxígeno y/o la segunda corriente enriquecida en argón como productos,
- la tercera corriente enriquecida en oxígeno contiene oxígeno al menos 95% molar y/o la segunda corriente enriquecida en argón contiene argón al menos 95% molar,
- el procedimiento comprende retirar la primera corriente enriquecida en argón por lo menos 5 bandejas teóricas por encima del fondo de la columna de baja presión, de preferencia 20 bandejas teóricas por encima del fondo de la columna de baja presión, y retirar la cuarta corriente enriquecida en oxígeno como producto,
- la cuarta corriente enriquecida en oxígeno contiene oxígeno al menos 95% molar,
- el gas de calentamiento para el rehervidor inferior de la columna de baja presión es gas enriquecido en nitrógeno procedente de la columna de alta presión o aire,
- las corrientes enriquecidas en oxígeno de distintas purezas se retiran de la columna de baja presión,
- la columna de baja presión funciona a más de 2 bar, preferiblemente a más de 3 bar y, del modo más preferido, a más de 4 bar,
- la columna de argón funciona a una presión menor que la columna de baja presión,
- la columna de presión intermedia tiene un rehervidor inferior,
- el procedimiento comprende enviar un gas enriquecido en nitrógeno desde la columna de alta presión al rehervidor inferior,
- el procedimiento comprende subenfriar o vaporizar, al menos parcialmente, por lo menos parte del segundo fluido enriquecido en nitrógeno antes de enviarlo a la columna de baja presión,
- el procedimiento comprende subenfriar o vaporizar, al menos parcialmente, por lo menos parte del segundo fluido enriquecido en oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión,
- la columna de presión intermedia tiene un condensador superior y el procedimiento comprende enviar al menos parte del segundo fluido enriquecido en oxígeno al condensador superior,
- se envía aire a la columna de presión intermedia.
De acuerdo con otro aspecto del invento, se proporciona un aparato de acuerdo con la reivindicación 26.
De acuerdo con otras opciones:
- el líquido enriquecido en nitrógeno contiene nitrógeno al menos 90% molar,
- la columna de argón tiene un rehervidor inferior,
- existe un conducto para enviar una tercera corriente enriquecida en nitrógeno desde la columna de baja presión al rehervidor inferior de la columna de argón,
- hay un compresor para comprimir la tercera corriente enriquecida en nitrógeno antes de enviarla al rehervidor inferior de la columna de argón,
- el conducto para retirar la primera corriente enriquecida en argón está conectado al fondo de la columna de baja presión,
- existe un conducto para enviar la cuarta corriente enriquecida en oxígeno a un punto intermedio de la columna de baja presión,
- hay medios para comprimir por lo menos un líquido enriquecido en oxígeno retirado de la columna de argón o la columna de baja presión,
- hay conductos para retirar, de la columna de baja presión, corrientes enriquecidas en oxígeno de diferentes purezas,
- el conducto para retirar la primera corriente enriquecida en argón está conectado a un nivel intermedio de la columna de baja presión,
- hay medios para subenfriar o vaporizar, al menos parcialmente, el segundo líquido enriquecido en nitrógeno antes de enviarlo a la columna de baja presión,
- hay medios para subenfriar o vaporizar, al menos parcialmente, el segundo líquido enriquecido en oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión,
- la columna de presión intermedia tiene un rehervidor inferior,
- hay medios para enviar un gas enriquecido en nitrógeno desde la columna de alta presión al rehervidor inferior de la columna de presión intermedia,
- la columna de presión intermedia tiene un condenador superior,
- hay medios para enviar al menos parte del segundo fluido enriquecido en oxígeno al condensador superior de la columna de presión intermedia,
- hay medios para enviar aire a la columna de presión intermedia,
- hay medios para expandir la primera corriente enriquecida en argón enviada desde la columna de baja presión a la columna de argón, preferiblemente constituidos por una válvula.
El nuevo invento enfoca este aspecto añadiendo una columna de argón que se hace funcionar a una presión relativamente más baja al procedimiento de columnas con triple columna de presión elevada, para realizar una separación eficiente de argón y oxígeno necesaria para la producción de oxígeno de gran pureza y/o para la producción de argón.
En una realización (Figura 1), el procedimiento puede describirse como sigue:
Se alimenta aire libre de impurezas tales como humedad y CO_{2} a una columna de alta presión en la que el aire es separado en una corriente rica en nitrógeno en la parte superior y una corriente rica en oxígeno en el fondo.
Al menos parte de la corriente rica en oxígeno es alimentada a una columna lateral para obtener una segunda corriente rica en nitrógeno en la parte superior y una segunda corriente rica en oxígeno en el fondo. Esta columna adicional tiene, preferiblemente, un rehervidor que intercambia calor con el gas rico en nitrógeno en o cerca de la parte superior de la columna de alta presión.
- Una parte de la segunda corriente rica en nitrógeno es recuperada como reflujo líquido y alimentada a la columna de baja presión.
Por lo menos parte de la segunda corriente rica en oxígeno es vaporizada, al menos parcialmente, en el condensador de cabeza de la columna adicional y esta corriente vaporizada y la parte no vaporizada son alimentadas a la columna de baja presión.
La columna de baja presión separa sus alimentaciones en una tercera corriente rica en oxígeno en el fondo y una tercera corriente rica en nitrógeno en la parte superior. El fondo de la columna de baja presión intercambia calor con la parte superior de la columna de alta presión.
Al menos parte de la tercera corriente rica en oxígeno es recuperada como producto de oxígeno.
Una corriente de oxígeno-argón es extraída por encima de la tercera corriente rica en oxígeno. Esta corriente de oxígeno-argón es alimentada a la columna de argón. En la parte superior de la columna de argón se recupera una corriente de argón y en el fondo de la columna de argón se recupera una cuarta corriente rica en oxígeno.
Las Figuras 1 a 5 muestran diagramas de flujo para diferentes procedimientos de separación de aire de acuerdo con el invento, todos los cuales pueden utilizarse para producir oxígeno con al menos un 98% de oxígeno y, preferiblemente, más del 99% de oxígeno.
En la realización de la Figura 1, aire 1 de alimentación, sustancialmente libre de humedad y de CO_{2} se divide en tres corrientes 3, 17, 50, cada una de las cuales es enfriada en el intercambiador principal 100. La corriente de aire 3 es comprimida en un compresor 5 antes de enfriarla, pasa por el intercambiador de calor 100, es expandida en una válvula y alimentada a una columna 101 de alta presión en forma líquida. La corriente 17 se enfría en el intercambiador de calor 100 y es alimentada a la columna 101 de alta presión en forma gaseosa. Vapor de agua 50 es comprimido en un compresor 6 y es enfriado, al menos parcialmente, en el intercambiador de calor 100, antes de ser expandido en una turbina 7 y de ser enviado a la columna 103 de baja presión. Por supuesto, alternativa o adicionalmente, podría proporcionarse refrigeración mediante una turbina Claude enviando aire a la columna de alta presión o un gas de expansión de turbina procedente de una o de varias de las columnas 101, 102, 103. Una primera corriente 10 enriquecida en oxígeno extraída de la columna 101 es subenfriada en un subenfriador 83, expandida y enviada a un nivel intermedio de la columna 102 de presión intermedia, en la que es separada en una segunda corriente 20 enriquecida en oxígeno y una segunda corriente enriquecida en nitrógeno en la parte superior. Parte de la segunda corriente enriquecida en nitrógeno es extraída como reflujo líquido 25 y enviada a la parte superior de la columna de baja presión. Alternativamente, toda o parte de esta corriente puede ser enviada al condensador superior 27 de la columna 104 de argón, como se muestra en línea interrumpida 25A.
Una parte 9 de un primer gas enriquecido en nitrógeno procedente de la columna 101 de alta presión, es enviada al rehervidor inferior 11 de la columna 102 de presión intermedia, condensado y enviado de nuevo a la columna de alta presión como reflujo. Podrían considerarse otros fluidos de calentamiento tales como gas procedente de la parte más baja de la columna de alta presión.
Parte del primer gas enriquecido en nitrógeno procedente de la columna 101 de alta presión, es utilizado para calentar el rehervidor inferior 8 de la columna de baja presión.
Parte de la segunda corriente 20 enriquecida en oxígeno es enviada a la columna de baja presión tras la expansión y el resto es enviado al condensador superior 13 de la columna 102 de presión intermedia, donde se vaporiza, por lo menos parcialmente, y es enviado a la columna 103 de baja presión, unas pocas bandejas por debajo de la otra parte de la corriente 20.
Una corriente 15 enriquecida en nitrógeno es retirada por debajo de la corriente 9 o desde el nivel de la corriente 9, expandida y enviada a la columna de baja presión. En este caso, no se envía líquido enriquecido en nitrógeno desde la columna de alta presión a la columna de presión intermedia.
La columna 103 de baja presión, separa sus alimentaciones en una tercera corriente 31 rica en oxígeno, que contiene al menos oxígeno al 95% en el fondo y una tercera corriente rica en nitrógeno en la parte superior. La corriente líquida 31 es bombeada, en la bomba 19 y enviada al intercambiador de calor 100, donde es vaporizada para formar un producto de oxígeno gaseoso.
El oxígeno líquido puede ser vaporizado, naturalmente, en un vaporizador de producto distinto, por intercambio térmico con sólo aire o nitrógeno.
También es posible producir nitrógeno líquido a presión retirando nitrógeno líquido de una de las columnas, bombeándolo y vaporizándolo en el intercambiador de calor 100 o en otro punto.
La columna de presión intermedia es hecha funcionar a una presión más baja que la presión de la columna de alta presión, pero más alta que la presión de la columna de baja presión.
Una primera corriente 33 de líquido enriquecido en argón, que contiene argón entre un 3 y un 20% molar, es extraída por encima de la corriente inferior 31. La corriente 33, que comprende principalmente oxígeno y argón, es expandida en una válvula, evaporada súbitamente de forma que contenga como máximo un 2% de gas y alimentada en forma, en su mayor parte líquida, a un nivel intermedio de la columna de argón 104, en la que es separada en una corriente de argón 80 en la parte superior y una cuarta corriente 36 enriquecida en oxígeno en el fondo. Así, la única alimentación a la columna de argón, es una alimentación líquida.
La corriente líquida 36 es bombeada a la presión de la corriente 31 y mezclada con ella. En esta realización, la columna de argón funciona a una presión menor que la columna de baja presión y es sometida a rehervido por la corriente 70 rica en nitrógeno, que contiene nitrógeno al menos 95% molar y, preferiblemente, nitrógeno al menos 98% molar, enviada desde la parte superior de la columna de baja presión al rehervidor inferior 23 y devuelta luego a la parte superior de la columna de presión inferior 103.
En este caso, el argón es crudo, pero si fuese necesario, podrían utilizarse bandejas adicionales en la columna de argón para producir argón de gran pureza (99,9999%).
El condensador superior 27 de la columna de argón es enfriado utilizando líquido 81 enriquecido en nitrógeno, expandido, procedente de la parte superior de la columna 103 de baja presión que contiene nitrógeno al menos 95% molar y, preferiblemente, nitrógeno al menos 98% molar. Este líquido puede suplementarse mediante una corriente 25A que contiene nitrógeno al menos 90% molar procedente de la columna de alta presión y/o suplementarse o sustituirse por una corriente que contenga nitrógeno al menos 10% molar, procedente de la columna 102 de presión intermedia. El líquido vaporizado es calentado en un subenfriador 83 y, luego, en el intercambiador de calor 100 para formar el nitrógeno 85 a baja presión. Otra técnica alternativa es enviar el gas enriquecido en nitrógeno desde la parte superior de la columna de baja presión al rehervidor inferior de la columna de argón, donde es condensado para formar líquido enriquecido en nitrógeno. Al menos parte de este líquido enriquecido en nitrógeno puede ser enviado al condensador de la columna de argón, donde es vaporizado por intercambio térmico con el gas de cabeza de la columna de argón, para proporcionar la acción de reflujo necesaria.
El gas enriquecido en nitrógeno procedente de la parte superior de la columna de baja presión también es calentado en los intercambiadores de calor 83, 100, para formar el nitrógeno 72 a media presión.
Se retira nitrógeno 93 a alta presión de la columna de alta presión y se le envía al intercambiador de calor 100.
Además, o alternativamente, nitrógeno líquido puede ser retirado de una de las columnas, bombeado y vaporizado en el intercambiador de calor 100. Argón líquido puede ser retirado de la columna 104 de argón.
También pueden producirse líquidos como productos finales.
Ejemplo
Para ilustrar el procedimiento de la Figura 1, se llevó a cabo una simulación para mostrar las corrientes claves del nuevo invento:
1
La realización de la Figura 2 se diferencia de la de la Figura 1 en que se consigue el rehervido de la columna 104 de argón comprimiendo adicionalmente parte de la corriente 85 (o del producto de nitrógeno procedente de la columna de baja presión) en un compresor 81 a temperatura ambiente, enfriando la corriente comprimida en el intercambiador 100 y condensando esta corriente de recirculación en el rehervidor inferior 23 de la columna de argón. La corriente 85 contiene nitrógeno al menos 90% molar. El líquido condensado es alimentado a la parte superior de la columna 103 de baja presión. Esta situación se aplica cuando la presión del aire de alimentación es baja, dando como resultado una presión más baja en la columna de baja presión, de tal forma que no sea ya posible el rehervido de la columna de argón con el gas rico en nitrógeno en la parte superior de la columna de baja presión.
La realización de la Figura 3 difiere de la de la Figura 2 en que, en lugar de recuperar como producto la cuarta corriente 36 rica en oxígeno, esta corriente es bombeada y recirculada de vuelta a la columna de baja presión para destilación ulterior al mismo nivel que el punto de retirada de la corriente 33. La primera corriente 33 enriquecida en argón es enviada al fondo de la columna 104 de argón.
En la realización de la Figura 4, se utiliza nitrógeno recirculado para rehervir la columna 104 de argón. La cuarta corriente 36 enriquecida en oxígeno es bombeada y vaporizada en el intercambiado de calor sin mezclarse con otra corriente. En lugar de obtener el producto de oxígeno de gran pureza a partir de la columna de baja presión, la corriente 41 de oxígeno-argón es extraída del fondo de la columna de baja presión y enviada a un nivel intermedio de la columna de argón, donde es destilada para obtener oxígeno 36 de gran pureza en el fondo y la corriente de argón 80 en la parte superior.
En lugar de obtener la totalidad del oxígeno con gran pureza, es posible concebir un esquema en el que solamente se proporcione una parte 31 de gran pureza (por ejemplo, oxígeno de más del 98%) y se obtenga otra parte con una pureza inferior (por ejemplo, oxígeno del 95% o 1 menos). En esta situación (con referencia a la Figura 1), la corriente de oxígeno de baja pureza puede ser extraída directamente de la corriente 33 o en la columna 103 de baja presión, cerca de la bandeja donde se extrae la corriente 33. La configuración permite optimizar el consumo de energía en función de la cantidad de oxígeno puro producida.
Si no se necesita argón, se puede reducir el número de bandejas teóricas de la columna de argón por encima del punto de alimentación de la corriente 33. En esta situación, la corriente argón todavía contiene una concentración significativa de oxígeno (por ejemplo, 50% de argón y 50% de oxígeno), y puede ser descartado, utilizado para enfriar el aire de alimentación o ser enviado de vuelta a la columna de baja presión.
El número de bandejas de la columna de baja presión puede estar dispuesto para proporcionar una corriente de alimentación de oxígeno-argón a la columna de argón que contenga menos de 3 ppm, de preferencia menos de 1 ppm de nitrógeno. El producto de argón, por tanto, no contendrá nitrógeno (rango de ppm) y no se necesita otra columna para la retirada de nitrógeno. Si en la columna de argón hay instalado un número suficiente de bandejas, la corriente de argón puede destilarse hasta los niveles de las ppm en cuanto a contenido de oxígeno, de tal forma que el producto de argón final puede obtenerse directamente de la columna de argón. Esta columna puede tener una sola sección o múltiples secciones, con bombas de transferencia de líquido entre secciones.
En las figuras, las columnas de alta presión, de baja presión y de argón forman una estructura única, con la columna de presión intermedia como columna adicional. Se apreciará que las columnas podrían estar dispuestas en forma diferente, por ejemplo, la columna de alta presión y la de baja presión podrían posicionarse yuxtapuestas, la columna de presión intermedia podría formar una estructura única con la columna de alta y/o la de baja presión, etc. Por lo mismo, la columna de argón podría estar situada a lo largo de la columna de baja presión, siendo transferido el líquido enriquecido en nitrógeno de condensación desde el rehervidor inferior de la columna de argón, de vuelta a la columna de baja presión mediante, por ejemplo, bombas.
A partir de la descripción que antecede, puede verse que la tercera y la cuarta corrientes enriquecidas en oxígeno pueden extraerse como productos de oxígeno. Para los ciclos bombeados LOX (en los que el oxígeno líquido es bombeado a alta presión, luego vaporizado por intercambio de calor indirecto con nitrógeno o con aire comprimido para proporcionar producto de oxígeno gaseoso a alta presión) puede evitarse tener dos grupos diferentes de bombas de LOX para dos corrientes de producto expandiendo la tercera corriente líquida enriquecida en oxígeno en el sumidero de la columna de argón, para mezclarla con el cuarto material enriquecido en oxígeno, y la corriente de oxígeno líquida combinada es bombeada luego mediante un único grupo de bombas a una presión más alta. La potencia de bombeo es ligeramente mayor pero la disposición de bombeo es más sencilla y menos costosa.
Así, como se muestra en la Figura 5, la tercera corriente enriquecida en oxígeno es enviada al fondo de la columna de argón, en la región del rehervidor. Luego, es retirada con el resto del líquido del fondo, bombeada a una presión de vaporización y evaporada en un intercambiador.
Sin embargo, si la tercera y la cuarta corrientes de oxígeno tienen diferente pureza o se requieren a distinta presión, las corrientes pueden ser retiradas y vaporizadas por separado.
La tercera y la cuarta corrientes enriquecidas en oxígeno pueden ser retiradas en forma gaseosa o líquida.
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El procedimiento puede utilizarse para producir oxígeno, nitrógeno o argón en forma líquida, si se dispone de refrigeración suficiente.
El condensador superior de la columna de argón es enfriado utilizando líquido rico en nitrógeno que es extraído de la parte superior de las columnas de presión intermedia o de baja presión. También es posible una combinación de líquidos ricos en nitrógeno procedentes de las columnas antes citadas. Los líquidos ricos en nitrógeno son extraídos, usualmente, en la parte superior de las columnas pero también puede concebirse retirar los líquidos en una posición de bandeja próxima a la parte superior de las columnas. Así, el líquido puede ser retirado, alternativamente, en un punto situado veinte bandejas teóricas por debajo del punto más alto de estas columnas. El rehervidor inferior de la columna de argón es calentado condensando gas rico en nitrógeno; el líquido condensado resultante puede ser enviado, también, al condensador superior de la columna de argón.
Las versiones ilustradas muestran el uso de gas enriquecido en nitrógeno procedente de la columna de alta presión para rehervir la columna de baja presión. Por supuesto, podría utilizarse aire u otro gas procedente de una de las columnas para rehervir la columna de baja presión si está previsto otro rehervidor para condensar el gas enriquecido en nitrógeno contra un líquido procedente de más arriba de la columna de baja presión.
La columna de alta presión puede funcionar a entre 10 y 20 bar, la columna de presión intermedia a entre 6 y 13 bar, la columna de baja presión a entre 3 y 7 bar y la columna de argón a entre 1,1 y 2,5 bar.
Todas las columnas o algunas de ellas pueden contener un relleno estructurado del tipo de ondulación transversal o del tipo Werlen/Lehman, descrito en el documento EP-A-0845293.
La unidad de separación de aire puede ser alimentada con aire procedente del compresor de una turbina de gas.

Claims (43)

1. Un procedimiento para separar aire por destilación criogénica, que comprende las operaciones de
alimentar aire comprimido, enfriado y purificado a una columna (101) de alta presión, donde es separado en una primera corriente enriquecida en nitrógeno en la parte superior y una primera corriente (10) enriquecida en oxígeno en el fondo,
alimentar al menos parte de la primera corriente enriquecida en oxígeno a una columna (102) de presión intermedia para obtener una segunda corriente (25) enriquecida en nitrógeno en la parte superior y una segunda corriente (20) enriquecida en oxígeno en el fondo, enviar al menos parte de la segunda corriente enriquecida en nitrógeno a una columna (103) de baja presión y/o a un condensador superior (27) de una columna (104) de argón, enviar al menos parte de la segunda corriente enriquecida en oxígeno a la columna de baja presión,
separar una tercera corriente (31) enriquecida en oxígeno en el fondo de la columna de baja presión y una tercera corriente (72) enriquecida en nitrógeno en la parte superior de la columna de baja presión,
enviar un gas de calentamiento a un rehervidor inferior (8) de la columna de baja presión,
retirar al menos parte de la tercera corriente enriquecida en oxígeno en un punto de retirada,
retirar una primera corriente (33, 41) enriquecida en argón que contiene argón entre 3 y 20% molar de la columna de baja presión,
enviar la primera corriente enriquecida en argón a la columna de argón que tiene un condensador superior,
recuperar una segunda corriente (80) enriquecida en argón, más rica en argón que la primera corriente enriquecida en argón, en la parte superior de la columna de argón y retirar una cuarta corriente (36) enriquecida en oxígeno en el fondo de la columna de argón,
caracterizado porque comprende retirar líquido (25A, 81) enriquecido en nitrógeno de la parte superior de la columna (103) de baja presión y/o de la parte superior de la columna (102) de presión intermedia y enviar el líquido (25A, 88) enriquecido en nitrógeno al condensador superior de la columna de argón.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la columna de argón tiene un rehervidor (23) calentado por una corriente de gas (70).
3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la corriente de gas (70) contiene nitrógeno al menos 90% molar.
4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la corriente de gas que calienta el rehervidor inferior de la columna de argón es, al menos, parte de una o más de las corrientes primera, segunda y tercera (93, 25, 70) enriquecidas en nitrógeno.
5. El procedimiento de las reivindicaciones 2, 3 ó 4, que comprende comprimir al menos parte del gas enriquecido en nitrógeno (93, 25, 70) y enviarlo como gas de calentamiento al rehervidor inferior de la columna de argón.
6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende enviar la cuarta corriente (36) enriquecida en oxígeno a la columna (103) de baja presión, opcionalmente a continuación de una operación de puesta a presión.
7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende retirar la primera corriente (33, 41) enriquecida en argón en forma líquida de la columna (103) de baja presión.
8. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el líquido (25A, 81) enriquecido en nitrógeno enviado al condensador superior (27) de la columna de argón contiene nitrógeno al menos 90% molar.
9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende retirar la primera corriente (41) enriquecida en argón en el fondo de la columna de baja presión.
10. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende retirar la tercera corriente (31) enriquecida en oxígeno y/o la segunda corriente (80) enriquecida en argón como productos.
11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la tercera corriente enriquecida en oxígeno contiene oxígeno al menos 95% molar y/o la segunda corriente enriquecida en argón contiene argón al menos 95% molar.
12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende retirar la primera corriente (33) enriquecida en argón en una posición situada al menos 5 bandejas teóricas por encima del fondo de la columna de baja presión y retirar la cuarta corriente (36) enriquecida en oxígeno como producto.
13. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que la cuarta corriente (36) enriquecida en oxígeno con) tiene oxígeno al menos 95% molar.
14. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de calentamiento para el rehervidor inferior (8) de la columna (103) de baja presión es gas enriquecido en nitrógeno procedente de la columna de alta presión o aire.
15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se retiran de la columna (103) de baja presión corrientes enriquecidas en oxígeno de diferentes purezas.
16. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la columna (103) de baja presión funciona a más de 2 bar.
17. El procedimiento de la reivindicación 16, en el que la columna (103) de baja presión funciona a más de 4 bar.
18. El procedimiento de las reivindicaciones 16 o 17, en el que la columna (104) de argón funciona a una presión menor que la columna (103) de baja presión.
19. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la columna (102) de presión intermedia tiene un rehervidor inferior (11).
20. El procedimiento de la reivindicación 19, que comprende enviar un gas enriquecido en nitrógeno desde la columna (101) de alta presión al rehervidor inferior (11) de la columna (102) de presión intermedia.
21. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende subenfriar o vaporizar al menos parcialmente por lo menos parte del segundo fluido (25) enriquecido en nitrógeno antes de enviarlo a la columna (103) de baja presión.
22. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende subenfriar o vaporizar al menos parcialmente por lo menos parte del segundo fluido (20) enriquecido en oxígeno antes de enviarlo a la columna (103) de baja presión.
23. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la columna (102) de presión intermedia tiene un condensador superior (13) y que comprende enviar al menos parte del segundo fluido (20) enriquecido en oxígeno al condensador superior.
24. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende enviar aire a la columna (102) de presión intermedia.
25. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende enviar al menos parte de la corriente enriquecida en nitrógeno condensada, condensada en el rehervidor inferior (23) de la columna (104) de argón desde el rehervidor inferior de la columna de argón al condensador superior (27) de la columna de
argón.
26. Un aparato para separar aire por destilación criogénica que comprende una columna (101) de alta presión, una columna (102) de presión intermedia, una columna (103) de baja presión que tiene un rehervidor inferior (8) y una columna (104) de argón que tiene un condensador superior (27), un conducto (3) para enviar aire a la columna de alta presión, un conducto (10) para enviar al menos parte de un primer líquido enriquecido en oxígeno desde la columna de alta presión a la columna de presión intermedia, un conducto (20) para enviar un segundo fluido enriquecido en oxígeno desde el fondo de la columna de presión intermedia a la columna de baja presión, un conducto (25) para enviar un segundo fluido enriquecido en nitrógeno desde la parte superior de la columna de presión intermedia a la columna de baja presión y/o al condensador superior de la columna de argón, un conducto para enviar un gas de calentamiento al rehervidor inferior de la columna de baja presión, un conducto para retirar un tercer fluido (31) enriquecido en oxígeno desde la columna de baja presión, un conducto (9) para enviar un líquido enriquecido en nitrógeno desde la columna de alta presión a la columna de baja presión, un conducto (33, 41) para enviar una primera corriente enriquecida en argón desde la columna de baja presión a la columna de argón, un conducto (25A, 81) para enviar líquido al condensador superior de la columna de argón, un conducto (80) para retirar una segunda corriente enriquecida en argón desde la columna de argón y un conducto (36) para retirar una cuarta corriente enriquecida en oxígeno desde la columna de argón, caracterizado porque comprende medios (25A, 81) para retirar el líquido a enviar al condensador superior de la columna de argón de la parte superior de la columna de baja presión y/o la parte superior de la columna de presión intermedia, estando dicho líquido enriquecido en nitrógeno.
27. El aparato de la reivindicación 26, en el que la columna de argón tiene un rehervidor inferior (23).
28. El aparato de la reivindicación 27, que incluye un conducto (70) para enviar una tercera corriente enriquecida en nitrógeno desde la columna de baja presión al rehervidor inferior de la columna de argón.
29. El aparato de la reivindicación 28, que incluye un compresor (81) para comprimir la tercera corriente enriquecida en nitrógeno antes de enviarla al rehervidor inferior (23) de la columna de argón.
30. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 29, en el que el conducto (41) para retirar la primera corriente enriquecida en argón está conectado al fondo de la columna de baja presión.
31. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 30, que comprende un conducto (33) para enviar la cuarta corriente enriquecida en oxígeno a un punto intermedio de la columna (103) de baja presión.
32. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 31, que comprende medios (19) para comprimir al menos un líquido (31, 36) enriquecido en oxígeno retirado de la columna de argón y/o de la columna de baja presión.
33. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 32, que comprende conductos para retirar corrientes enriquecidas en oxígeno de diferente pureza, de la columna de baja presión.
34. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 33, en el que el conducto (33) para retirar la primera corriente enriquecida en argón, está conectado a una altura intermedia de la columna de baja presión.
35. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 34, que comprende medios (83) para subenfriar o vaporizar, al menos parcialmente, el segundo líquido enriquecido en nitrógeno antes de enviarlo a la columna (103) de baja presión.
36. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 35, que comprende medios para subenfriar o vapori5 zar, al menos parcialmente, el segundo líquido enriquecido en oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
37. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 36, en el que la columna (102) de presión intermedia tiene un rehervidor inferior (11).
38. El aparato de la reivindicación 37, que comprende medios para enviar un gas enriquecido en nitrógeno desde la columna (101) de alta presión al rehervidor inferior (11) de la columna (102) de presión inferior.
39. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 38, en el que la columna de presión intermedia tiene un condensador superior (13).
40. El aparato de la reivindicación 39, que comprende medios (20) para enviar al menos parte del segundo fluido enriquecido en oxígeno al condensador superior (13) de la columna de presión intermedia.
41. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 40, que comprende medios para enviar aire a la columna de presión intermedia.
42. El aparato de las reivindicaciones 26 a 41, que comprende medios para expandir la primera corriente (33) enriquecida en argón, enviada desde la columna (103) de baja presión a la columna (104) de argón.
43. El aparato de la reivindicación 42, en el que los medios de expansión están constituidos por una válvula.
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