ES2216831T3

ES2216831T3 - Procedimiento e instalacion de purificacion y de separacion de aire por via criogenica sin prerrefrigeracion.

Info

Publication number: ES2216831T3
Application number: ES00400236T
Authority: ES
Inventors: Georges Kraus; Patrick Le Bot; Alain Guillard; Philippe Fraysse
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2004-11-01
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: CA2298125A1; JP2000271425A; EP1035391A1; EP1035391B1; FR2790823B1; DE60009186T2; US6240745B1; ATE262667T1; DE60009186D1; FR2790823A1

Abstract

Procedimiento de separación criogénica del aire que contenga impurezas, que se lleva a cabo según las siguientes etapas: (a) compresión del aire a separar a una presión de al menos 21.105 Pa, (b) introducción del aire a una presión de al menos 21.105 Pa en uno u otro de los dos recipientes de adsorción que funcionan en paralelo, conteniendo cada uno de ellos partículas de al menos un adsorbente, (c) adsorción de al menos una parte de las impurezas contenidas en el aire sobre las partículas del adsorbente a una presión de al menos 21.105 Pa, a una velocidad de adsorción comprendida entre 250 Nm3/h y 106 Nm3/h, y según un ciclo de tipo Temperature Swing Adsorption (TSA) y (d) refrigeración del aire purificado en la etapa (c) hasta una temperatura criogénica inferior a -120°C, (e) destilación criogénica del aire refrigerado en la etapa (d), en el que la temperatura del aire en la etapa (b) y/o en la etapa (c) es superior o igual a +15°C, en el que el aire comprimido no se somete a una prerrefrigeración posterior a la etapa (a) y previa a la etapa (b), y comprende, por otra parte, una etapa cíclica de regeneración del adsorbente por lavado con un gas de regeneración que tiene una temperatura de regeneración comprendida entre 40°C y 350°C, y una velocidad de regeneración con una velocidad de adsorción de 5 a 70%.

Description

Procedimiento e instalación de purificación y de separación de aire por vía criogénica sin prerrefrigeración.

La presente invención se refiere a procedimientos para la separación del aire atmosférico mediante destilación criogénica mejorados con la eliminación de las impurezas mediante absorción, antes de la citada destilación.

Se sabe que el aire atmosférico contiene compuestos o impurezas que se han de eliminar antes de cualquier separación criogénica del aire, es decir, antes de introducir el aire en los intercambiadores de calor del sistema de refrigeración de una unidad de separación de aire.

En particular, se pueden citar los compuestos de tipo dióxido de carbono (CO_{2}) y/o vapor de agua (H_{2}O), pero también otras impurezas.

En efecto, en ausencia de tal pretratamiento del aire, se produciría inevitablemente una condensación y solidificación en forma de hielo de estas impurezas, en particular CO_{2} y/o vapor de agua, durante la refrigeración del aire hasta una temperatura criogénica, lo que podría causar problemas de bloqueo en el equipo o unidad de separación criogénica, especialmente en los intercambiadores de calor, columnas de destilación, etc., así como un deterioro de los mismos.

Con el fin de evitar estos problemas, es habitual pretratar el aire que se va a someter a separación criogénica antes de esta separación.

Este pretratamiento del aire se denomina habitualmente lavado o purificación "en cabeza", dado que se lleva a cabo aguas arriba de la unidad de separación criogénica.

Actualmente, el pretratamiento del aire se realiza, según el caso, mediante un procedimiento TSA (Temperature Swing Adsorption) o mediante un procedimiento PSA (Pressure Swing Adsorption).

De forma convencional, un ciclo del procedimiento TSA consta de las siguientes etapas:

a) purificación del aire mediante adsorción de las impurezas a presión superatmosférica,

b) despresurización del adsorbedor hasta presión atmosférica o por debajo de la presión atmosférica,

c) regeneración completa del adsorbente a presión atmosférica con ayuda de un gas caliente, especialmente gases residuales o gases de desecho, típicamente nitrógeno impuro proveniente de una unidad de separación de aire y calentado por medio de uno o más intercambiadores de calor,

d) refrigeración del adsorbente, especialmente continuando con la introducción del mismo en el gas residual procedente de la unidad de separación de aire, pero sin calentarlo,

e) represurización del adsorbedor con aire purificado procedente, por ejemplo, de otro adsorbedor que se encuentre en fase de producción.

Además, con respecto a un ciclo del procedimiento PSA, éste consiste básicamente en las mismas etapas a), b) y e), pero se distingue del procedimiento TSA en cuanto a la etapa de regeneración (etapa c)), durante la cual no se calientan el gas o los gases residuales, y por consiguiente por la ausencia de la etapa d) y, en general, por un tiempo de ciclo más corto que en un procedimiento TSA.

Preferiblemente, los dispositivos de pretratamiento del aire comprenden al menos dos absorbedores funcionando en paralelo, es decir, de manera alternativa, estando uno de los adsorbedores en fase de producción, al tiempo que el otro se encuentra en fase de regeneración.

Tales procedimientos TSA o PSA de purificación del aire se describen, por ejemplo, en los documentos US-A-3,738,084, US-A-5,531,808, US-A-5,587,003 y US-A-4,233,038.

No obstante, se sabe que, cuando se utilizan partículas de adsorbente para prepurificar el aire antes de su separación mediante destilación criogénica, habitualmente se realiza un ajuste (mediante refrigeración con agua) de la temperatura del aire condensado desde una temperatura generalmente de al menos 80°C, o incluso mayor, hasta la temperatura ambiente, además de una posterior prerrefrigeración del aire antes de su introducción en el adsorbedor o adsorbedores, llevándose esto a cabo generalmente con ayuda de un grupo frigorífico que refrigera el aire desde la temperatura ambiente hasta una temperatura inferior a la temperatura ambiente.

Esto se explica con mayor claridad en el documento Industrial Gases & Cryogenics Today, IOMA Broadcaster, Air Purification for cryogenic air separation units, Ene. Feb. 1984, p. 15 y siguientes o en el documento EP-A-438282.

En efecto, se recomienda particularmente prerrefrigerar el aire antes de someterlo a una etapa de separación por adsorción dado que, como saben los expertos en la materia, cuanto menor sea la temperatura de adsorción, más eficaz será la adsorción de las impurezas.

En otras palabras, la eficacia de la prepurificación del aire se favorece notablemente a bajas temperaturas, es decir, a temperaturas próximas a 5°C, o se favorece aún más a temperaturas notablemente más bajas.

Posteriormente, tras su paso a través de la zona de purificación, es decir, el adsorbedor o los adsorbedores, el aire libre de todas o de algunas de sus impurezas perjudiciales, especialmente de tipo CO_{2} y H_{2}O, en general se refrigera seguidamente hasta una temperatura criogénica, es decir, habitualmente hasta una temperatura inferior a
-120°C aproximadamente, antes de enviarse a la unidad de destilación criogénica e introducirse en una o más columnas de destilación en las que se separará con el fin de recuperar el nitrógeno, el oxígeno y/o el argón.

No obstante, el hecho de tener que emplear una etapa de prerrefrigeración del aire antes de su introducción en el adsorbedor o los adsorbedores plantea varios inconvenientes que tienen un impacto negativo con respecto al interés industrial del procedimiento global.

En efecto, esta etapa de prerrefrigeración del aire aumenta notablemente la inversión global, complica el procedimiento, puede plantear problemas de fiabilidad y por consiguiente conduce a un coste adicional de la planta, dado que resulta necesario proporcionar entonces medios de prerrefrigeración, tales como intercambiadores de calor o similares, es decir, un grupo frigorífico.

Se pueden citar los documentos US-A-4,249,915, EP-A-733393, EP-A-718576, EP-A-718576, US-A-5,463,869 y JP-A-54103778 que describen diversos procedimientos para el tratamiento del aire antes de su separación criogénica con el propósito de producir nitrógeno y oxígeno.

Así pues, el objetivo de la presente invención consiste en paliar los problemas e inconvenientes mencionados anteriormente proporcionando un procedimiento de separación del aire por vía criogénica que no requiera la prerrefrigeración del aire por medio de un grupo frigorífico, antes de su introducción en el adsorbedor o los adsorbedores de la unidad de lavado en cabeza, es decir, un procedimiento de separación del aire por vía criogénica simplificado en comparación con los procedimientos existentes en la actualidad.

Por consiguiente, la presente invención se refiere a un procedimiento de separación criogénica del aire que contenga impurezas, que se lleva a cabo según las siguientes etapas:

(a) compresión del aire a separar a una presión de al menos 21.10^{5} Pa,

(b) introducción del aire a una presión de al menos 21.10^{5} Pa en uno u otro de los dos recipientes de adsorción que funcionan en paralelo, conteniendo cada uno de ellos partículas de al menos un adsorbente,

(c) adsorción de al menos una parte de las impurezas contenidas en el aire sobre las partículas del adsorbente a una presión de al menos 21.10^{5} Pa, a una velocidad de adsorción comprendida entre 250 Nm^{3}/h y 10^{6} Nm^{3}/h, y según un ciclo de tipo Temperature Swing Adsorption (TSA) y

(d) refrigeración del aire purificado en la etapa (c) hasta una temperatura criogénica inferior a -120°C,

(e) destilación criogénica del aire refrigerado en la etapa (d),

en el que la temperatura del aire en la etapa (b) y/o en la etapa (c) es superior o igual a +15°C, en el que el aire comprimido no se somete a una prerrefrigeración posterior a la etapa (a) y previa a la etapa (b), y comprende, por otra parte, una etapa cíclica de regeneración del adsorbente por lavado con un gas de regeneración que tiene una temperatura de regeneración comprendida entre 40°C y 350°C, y una velocidad de regeneración con una velocidad de adsorción de 5 a 70%.

Dependiendo del caso, el procedimiento según la invención puede comprender una o más de las siguientes características:

- tras la destilación criogénica, se recupera al menos un compuesto elegido entre nitrógeno, oxígeno, argón o sus mezclas. El compuesto o los compuestos producidos de esta forma pueden tener una pureza variable y, preferentemente, se recupera al menos uno de estos compuestos en forma líquida con el fin de valorizar la energía aportada por el aumento de la presión del aire;

- en la etapa (c), la adsorción se lleva a cabo a una presión comprendida entre 21.10^{5} Pa y 40.10^{5} Pa, ventajosamente entre 22.10^{5} Pa y 38.10^{5} Pa;

- en la etapa (a), la compresión se lleva a cabo a una presión de entre 21.10^{5} Pa y 40.10^{5} Pa, ventajosamente de entre 22.10^{5} Pa y 38.10^{5} Pa;

- en la etapa (b), el aire introducido en el recipiente de adsorción se encuentra a una temperatura de adsorción de al menos +21°C, preferiblemente entre +25°C y +65°C, ventajosamente entre +30°C y +50°C. Cuando el aire que sale de la etapa de compresión se encuentra a una temperatura demasiado elevada, por ejemplo +80°C, se refrigera con el fin de llevarlo a un intervalo de temperatura del procedimiento según la invención pero, en cualquier caso, a una temperatura de al menos +15°C. En otras palabras, opcionalmente, el procedimiento de la invención puede comprender una etapa complementaria de ajuste de la temperatura del aire, después de la etapa (a) y antes de la etapa (b), pero sin constituir de este modo una etapa de prerrefrigeración convencional utilizando un grupo frigorífico. Ventajosamente, esta etapa complementaria de ajuste de la temperatura del aire consiste simplemente en disminuir la temperatura del aire mediante intercambio térmico por medio de uno o más intercambiadores de calor, preferiblemente intercambiadores a través de los cuales circule agua;

- en la etapa (c), las impurezas adsorbidas se eligen entre el grupo formado por dióxido de carbono, vapor de agua, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre e hidrocarburos;

- el adsorbente se elige entre zeolitas, alúminas, geles de sílice y sus mezclas;

- la destilación criogénica de la etapa (e) se lleva a cabo a una presión comprendida entre 10^{5} Pa y 30.10^{5} Pa, preferiblemente del orden de 1,3.10^{5} Pa a 20.10^{5} Pa;

- incluye una etapa de regeneración del adsorbente a una temperatura de regeneración comprendida entre 100°C y 280°C. De un modo conocido per se, el adsorbente se regenera cíclicamente calentándolo hasta la temperatura de regeneración lavando las partículas de adsorbente con un gas elegido entre nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y oxígeno;

- la presión de regeneración se encuentra comprendida entre 1.10^{5} Pa y 30.10^{5} Pa;

- las partículas de adsorbente se eligen entre partículas de zeolita de tipo faujasita, X, LSX, A, mordenita, o sus mezclas, y preferiblemente las partículas de zeolita son de tipo X o LSX con una proporción Si/Al \leq 1,15, preferiblemente cercana a 1;

- las partículas de adsorbente se eligen entre partículas de alúmina activada y de alúmina impregnada;

- al menos un adsorbente contiene al menos un lecho o al menos una capa de partículas de zeolita y al menos un lecho o al menos una capa de partículas de alúmina, y preferiblemente al menos un lecho o al menos una capa de partículas de alúmina está situado aguas arriba de al menos un lecho o al menos una capa de partículas de zeolita con relación a la dirección del flujo del aire.

Ahora la invención se va a entender más claramente con la ayuda del siguiente ejemplo comparativo y de las figuras anexadas, proporcionadas a título de ilustración pero sin ser limitantes.

Ejemplo comparativo

Con el fin de mostrar la eficacia del procedimiento según la presente invención, se han llevado a cabo ensayos comparativos utilizando, por una parte, un procedimiento de separación del aire según la técnica anterior con o sin prerrefrigeración antes de la eliminación de las impurezas por adsorción y, por otra parte, un procedimiento de separación del aire según la presente invención.

El procedimiento según la técnica anterior se llevó a cabo por medio de una planta conocida, como la que se ilustra en la figura 1, mientras que el procedimiento según la invención se llevó a cabo con una planta según la presente invención, tal y como se muestra en la figura 2.

Más específicamente, la figura 1 esquematiza una planta para la separación del aire por vía criogénica en la que el aire atmosférico que contenga impurezas, particularmente de tipo CO_{2} y/o vapor de agua, se somete sucesivamente a:

- compresión por medio de un compresor 1, por ejemplo de tipo refrigerado con agua;

- un ligero ajuste en términos de temperatura mediante un intercambiador de calor 7 con circulación de agua;

- prerrefrigeración mediante un grupo frigorífico o un sistema de refrigeración 2 hasta una temperatura del orden de +5°C o incluso inferior a +5°C;

- introducción en cualquiera de los adsorbedores 3a y 3b para su purificación mediante la adsorción de las impurezas en uno o más lechos de adsorbente, por ejemplo un adsorbente de tipo zeolita;

- refrigeración hasta una temperatura criogénica, por ejemplo hasta -170°C, en un sistema de refrigeración 4 que contenga uno o más intercambiadores de calor;

- separación posterior mediante destilación criogénica en una o más columnas 5 de destilación criogénica con el fin de producir nitrógeno y/u oxígeno, especialmente en forma líquida y/o gaseosa.

En otras palabras, según este procedimiento de la técnica anterior, el aire se somete a una etapa de prerrefrigeración mediante el sistema de refrigeración 2 antes de su purificación por adsorción en los adsorbedores 3a ó 3b, que funcionan en paralelo.

Por otra parte, la figura 2 muestra un diagrama de una planta de separación del aire por vía criogénica según la presente invención, que es análoga a la de la figura 1, con la excepción del hecho de que, en este caso, se ha suprimido el sistema de refrigeración 2.

En otras palabras, según la figura 2, el aire se envía directamente, tras la compresión y ajuste opcional (en 7) de su temperatura hasta una temperatura de al menos +15°C, preferiblemente entre +25 y +50°C, a al menos uno de los adsorbedores 3a y 3b para su pretratamiento antes de su refrigeración hasta alcanzar una temperatura criogénica y su separación mediante destilación criogénica del modo descrito anteriormente.

Una consecuencia de la supresión de la etapa de prerrefrigeración (en 2) antes de la adsorción (fig. 2) es una temperatura de adsorción notablemente más elevada que en la técnica anterior (fig. 1) y por consiguiente más desfavorable para la adsorción.

Con el fin de compensar esta reducción del rendimiento de adsorción, según la presente invención, también se lleva a cabo, por una parte, un aumento de la presión de adsorción y, por otra parte, un posible aumento de la cantidad de adsorbente utilizado.

En efecto, los inventores han demostrado, como se muestra en la tabla siguiente, que para conseguir una adsorción eficaz de las impurezas contenidas en el aire, en ausencia de la etapa de prerrefrigeración por el sistema de refrigeración 2 anterior a la adsorción, resulta necesario aumentar notablemente la presión de adsorción del aire, es decir, purificar el aire en los adsorbedores 3a y 3b a una presión de al menos 11,4.10^{5} Pa, preferiblemente de al menos 15.10^{5} Pa y posiblemente de hasta 40.10^{5} Pa.

Este aumento de la presión permite, por una parte, reducir el contenido de vapor de agua del flujo de aire y, por otra parte, favorecer la adsorción de las impurezas contenidas en el aire mediante el aumento de su presión parcial.

En la tabla siguiente se indican las condiciones experimentales y los resultados.

TABLA

1

Resulta claramente evidente en vista de la tabla anterior que los ensayos según la invención (columna de la derecha), basados en una ausencia de prerrefrigeración mediante un sistema de refrigeración y en un aumento de la presión de adsorción, conducen a resultados completamente satisfactorios desde el punto de vista industrial, es decir, unos resultados sensiblemente equivalentes a los obtenidos mediante el uso de una etapa suplementaria de prerrefrigeración (columna de la izquierda) con ayuda de un grupo frigorífico (después de una etapa opcional de ajuste de la temperatura mediante intercambio de calor con agua o con otro refrigerante) y, en todo caso, unos resultados mucho mejores que los obtenidos mediante un procedimiento sin prerrefrigeración y sin aumento de la presión de adsorción (columna del medio) que necesita la utilización de una gran cantidad de adsorbente.

Claims

1. Procedimiento de separación criogénica del aire que contenga impurezas, que se lleva a cabo según las siguientes etapas:

(a) compresión del aire a separar a una presión de al menos 21.10^{5} Pa,

(c) adsorción de al menos una parte de las impurezas contenidas en el aire sobre las partículas del adsorbente a una presión de al menos 21.10^{5} Pa, a una velocidad de adsorción comprendida entre 250 Nm^{3}/h y 106 Nm^{3}/h, y según un ciclo de tipo Temperature Swing Adsorption (TSA) y

(e) destilación criogénica del aire refrigerado en la etapa (d),

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa (c), la adsorción se lleva a cabo a una presión comprendida entre 21.10^{5} Pa y 40.10^{5} Pa.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa (c), la adsorción se lleva a cabo a una presión comprendida entre 22.10^{5} Pa y 38.105 Pa.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa (a), el aire se comprime a una presión de al menos entre 21.10^{5} Pa y 40.10^{5} Pa, preferiblemente de entre 22.10^{5} Pa y 38.10^{5} Pa.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en la etapa (b), el aire introducido en el recipiente de adsorción se encuentra a una temperatura de adsorción de al menos +21°C, preferiblemente entre +25°C y +65°C, más preferiblemente entre +30°C y +50°C.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la etapa (c), las impurezas adsorbidas se eligen entre el grupo formado por dióxido de carbono, vapor de agua, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre e hidrocarburos.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el adsorbente se elige entre zeolitas, alúminas, geles de sílice y sus mezclas.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende, después de la etapa (a) y antes de la etapa (b), una etapa complementaria de ajuste de la temperatura del aire hasta un valor de al menos +15°C, preferentemente comprendido entre +30°C y +50°C.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque el ajuste de temperatura se realiza mediante al menos un intercambiador con agua.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de regeneración se elige entre nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y oxígeno.