ES2224579T3 - Metodo para recuperar dioxido de carbono de una corriente de alimentacion. - Google Patents

Metodo para recuperar dioxido de carbono de una corriente de alimentacion.

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ES2224579T3 ES99500067T ES99500067T ES2224579T3 ES 2224579 T3 ES2224579 T3 ES 2224579T3 ES 99500067 T ES99500067 T ES 99500067T ES 99500067 T ES99500067 T ES 99500067T ES 2224579 T3 ES2224579 T3 ES 2224579T3
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Abstract

EL PROCEDIMIENTO DE ESTA INVENCION RECUPERA CO 2 DE UNA CORRIENTE DE ALIMENTACION FRIA DE ENTRADA QUE CONTIENE UNA BAJA CONCENTRACION DEL MISMO E INCLUYE LAS SIGUIENTES OPERACIONES: UNA CORRIENTE DE ALIMENTACION DE ENTRADA PASA A TRAVES DE UN TERMOCAMBIADOR, CONTRA UN FLUJO COMPRIMIDO DE LA CORRIENTE DE ALIMENTACION DE ENTRADA, PARA ENFRIAR EL FLUJO COMPRIMIDO, EL CUAL ES POSTERIORMENTE ENFRIADO Y COMPRIMIDO A UNA ALTA PRESION, ALIMENTADO A UNA COLUMNA DE DESTILACION Y EN ESTA CONVERTIDO EN UN GAS DE PURGA QUE INCLUYE CO 2 LIQUIDO DE FONDO DE CO 2 DE ALTA PUREZA. UNA PRIMERA PARTE DEL CO 2 LIQUIDO DEL FONDO ES EXPANDIDA PARA OBTENER UN PRIMER FLUJO DE REFRIGERANTE DE CO 2 LIQUIDO ENFRIADO, EL CUAL ES POSTERIORMENTE EVAPORADO CONTRA EL GAS DE PURGA PARA RECUPERAR DE ESTE CO 2 CONDENSADO. EL CO 2 CONDENSADO ES REINTRODUCIDO EN LA COLUMNA DE DESTILACION. UNA SEGUNDA PARTE DEL CO 2 LIQUIDO DE FONDO ES EXPANDIDA PARA OBTENER UN SEGUNDO FLUJO DE REFRIGERANTE CO 2 LIQUIDO ENFRIADO, QUE ES UTILIZADO PARA SUBENFRIAR LA SALIDA DEL PRODUCTO CO 2 .

Description

Método para recuperar dióxido de carbono de una corriente de alimentación.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un método para la recuperación di dióxido de carbono (CO_{2}) a partir de una corriente de alimentación que incluye una concentración relativamente baja de CO_{2} y a un método que recupera el CO_{2} para recircularlo a través de una unidad de refrigeración.
Antecedentes de la invención
En la congelación convencional de un alimento con CO_{2}, se obtiene CO_{2} líquido a partir de un depósito de almacenamiento a aproximadamente -17,8ºC (0ºF) y alrededor de 2068,5 kPa (300 psig), y se inyecta en un congelador. Cuando el CO_{2} líquido presurizado se evapora súbitamente hasta la presión atmosférica, forma una mezcla de CO_{2} sólido ("hielo seco") y vapor de CO_{2} frío. La sublimación del CO_{2} sólido y el calentamiento del CO_{2} en forma de vapor a partir de la temperatura de sublimación (-78,5ºC) (-109,3ºF) hasta la temperatura deseada del congelador (usualmente entre -73,3ºC y -45,56ºC (-100ºF y -50ºF)) proporciona la refrigeración necesaria para congelar el alimento. El alimento que se ha de congelar entra y sale del congelador continuamente, y se mueve a través del congelador sobre un transportador. Después de haberse calentado hasta la temperatura del congelador, el vapor de CO_{2} abandona el congelador a través de los orificios de entrada y salida, y algunas veces también a través de un conducto de escape.
La alimentación de un alimento requiere típicamente una relación de aproximadamente uno a uno (1:1) en peso de CO_{2} líquido al alimento. Como resultado, se pierden grandes cantidades de vapor de CO_{2} hacia la atmósfera mediante una congelación convencional. Por ejemplo, una única unidad congeladora en espiral estándar puede consumir 10.000 toneladas de CO_{2} por año. El coste del CO_{2} representa la mayor parte del coste de la congelación. La recuperación y la recirculación del CO_{2} desde el congelador podrían disminuir sustancialmente el coste del alimento congelado. Además, la recirculación podría producir beneficios medioambientales, tales como emisiones reducidas de CO_{2} hacia la atmósfera y transporte reducido en camiones de CO_{2} líquido.
Desafortunadamente, los procedimientos utilizados en instalaciones comerciales convencionales para efectuar la licuefacción y la purificación de CO_{2} a partir de corrientes gaseosas serían antieconómicos para la recirculación al congelador. El CO_{2} líquido comercial se produce a partir de fuentes de subproductos industriales que contienen típicamente 98% de CO_{2} (todas las concentraciones de CO_{2} están dadas en porcentaje en moles, sobre base seca) y más. En contraste, los típicos congeladores de alimentos funcionan a unas concentraciones de CO_{2} de 40-80%, debido a la infiltración de aire a través de los orificios del congelador. El escape de vapor de CO_{2} es diluido típicamente aún más con aire del ambiente para calentar el escape y evitar la acumulación de hielo en el sistema de escape. Las pérdidas por purga de CO_{2}, procedentes de procesos convencionales de licuefacción y purificación aumentan enormemente según disminuye la concentración de CO_{2} en el gas de alimentación. Estas pérdidas hacen demasiado alto el coste de los procesos convencionales para un uso económico al recuperar CO_{2} a partir de congeladores típicos.
Los congeladores pueden ser modificados para reducir la infiltración de aire y suministrar mayores concentraciones de CO_{2} a un sistema de recirculación de CO_{2}. Sin embargo, incluso a una concentración de 90% de CO_{2} en el congelador, los métodos convencionales de licuefacción y purificación de CO_{2} sufrirían unas pérdidas de aproximadamente 29%, que son todavía demasiado grandes para ser económicas.
Se necesita un procedimiento simple, económico y confiable para la licuefacción y la purificación de CO_{2} a partir del vapor recuperado durante la congelación de un alimento. Para ser económico, el procedimiento debe tener unas pérdidas de CO_{2} sustancialmente menores que los métodos convencionales.
Un procedimiento convencional para la producción de CO_{2} se muestra en la Figura 1. Una fuente de gas bruto 1 se obtiene como un subproducto industrial, tal como a partir de una instalación de productos de amoníaco, una refinería de petróleo o una fuente de fermentación. Las características del gas bruto varían, pero para una producción económica usando métodos convencionales, la concentración de CO_{2} está típicamente por encima de 95%. Las fuentes de gases brutos se obtienen típicamente a temperatura ambiente o por encima de ella, y a menudo están saturadas con agua. Para fines ilustrativos, se supone que la fuente de gas bruto 1 contiene 98% de CO_{2} a una presión de 34,5 kPa (20 psia) y a una temperatura de 32,22ºC (90ºF). El gas pasa a través del intercambiador de calor 2 y es enfriado a 10ºC (50ºF) en intercambio con el refrigerante de amoníaco. Como resultado, el agua se condensa fuera del gas y se retira por el separador 4.
La corriente de gas enfriado 5 es comprimida por el compresor 6 a 413,7 kpa (75 psia), y el calor de compresión se elimina en el intercambiador 8. La corriente gaseosa 9 que abandona el intercambiador 8 se enfría a 35ºC (95ºF), lo cual permite la separación de agua condensada en el separador 10. La corriente gaseosa 11 se comprime por el compresor 12 a aproximadamente 2068,5 kPa (315 psia) (corriente 13), se enfría en el intercambiador de calor 14 a 10ºC (50ºF), y se alimenta como la corriente 15 al separador 16, donde se separa el agua condensada. La corriente 17 de gas enfriado es tratada por secadores absorbentes 18 para retirar más cantidad de agua con el fin de conseguir un bajo punto de rocío, típicamente alrededor de -62,22ºC (-80ºF). Los secadores funcionan en un modo oscilante, estando en funcionamiento uno de los lechos mientras que el otro lecho está siendo regenerado. La corriente de gas seco 19 es utilizada para proporcionar calor al rehervidor de la columna 20 de purificación de CO_{2}. El gas seco 21 es condensado parcialmente a -20,56ºC (-5ºF) en intercambio con el refrigerante de amoníaco en el intercambiador 22, proporcionando una corriente de alimentación 23 en dos fases para la columna 20.
La columna de purificación 20 es una columna de destilación de diseño bien conocido por los expertos en la técnica. Típicamente, la columna 20 es una columna de lecho envuelta, aunque se pueden utilizar otros tipos de diseños de columnas de destilación. El CO_{2} líquido es purificado crecientemente según fluye hacia abajo por la columna, y sale por el fondo de la columna como una corriente líquida 27 con alta pureza, típicamente con alrededor de 99,9% de CO_{2}. La corriente de vapor 24 sale por la parte superior de la columna y contiene la totalidad de las porciones no condensables de la alimentación de gas bruto, a saber gases tales como metano, hidrógeno, nitrógeno, etc. Algo del contenido de CO_{2} de esta corriente de purga se condensa en intercambio con el refrigerante de amoníaco en el intercambiador 25 y el líquido de CO_{2} producido circula de vuelta a la columna 20 como reflujo. La corriente final de purga 26 se libera a la atmósfera.
La corriente 27 de CO_{2} líquido es a menudo subenfriada a aproximadamente -28,89ºC (-20ºF), 1999,55 kPa (305 psia), en el intercambiador 28 en intercambio con el refrigerante de amoníaco. Este subenfriamiento permite el uso de recipientes de almacenamiento a menor presión en instalaciones de producción y minimiza la vaporización del líquido cuando éste es bombeado. Después de su suministro a las instalaciones de un cliente, el CO_{2} líquido es almacenado como un líquido saturado a aproximadamente 2034,02-2102,97 kPa (310-320 psia), y de -17,33ºC a -16,28ºC (0,8-2,7ºF). Por razones de simplicidad, las condiciones de almacenamiento en la instalación de un cliente están caracterizadas como de 2068,5 kPa (300 psig), y -17,78ºC (0ºF) en el presente documento.
Las variadas características de las fuentes de gases brutos requieren muchas variaciones del procedimiento convencional descrito anteriormente. Algunas de las etapas de separación para la eliminación de agua pueden no ser necesarias, o las presiones y temperaturas pueden diferir con respecto del ejemplo. También, se necesitan a menudo operaciones unitarias adicionales para la eliminación de contaminantes tales como hidrocarburos o compuestos de azufre. El refrigerante usado es usualmente amoníaco o agua de refrigeración, o una combinación de los mismos, dependiendo del nivel de temperaturas en un intercambiador particular. Además, se han utilizado otros refrigerantes, tales como hidrocarburos y clorofluorocarburos.
No se muestra en la Figura 1 un proceso de refrigeración por amoníaco de utilidad acompañante, que suministra típicamente amoníaco líquido a diferentes niveles de presión para proporcionar refrigeración a temperaturas entre -31,67ºC (-25ºF) y 37,78ºC (100ºF). El diseño de este proceso es bien conocido en la técnica, y se utiliza ampliamente en la producción de CO_{2} y en otros muchos procesos industriales y comerciales.
Los métodos convencionales para la licuefacción de CO_{2}, utilizando refrigeración por amoníaco a 31,67ºC (-25ºF), sufren crecientes pérdidas de CO_{2} según disminuye la pureza del gas bruto. Un sistema convencional típico puede mantener una temperatura del condensador de purga tan baja como de 28,9ºC (-20ºF), suponiendo una refrigeración por amoníaco con aspiración a 6,89 kPa (1 psig) y -31,67ºC (-25ºF), y una aproximación de 2,78ºC (5ºF) en el condensador. La temperatura en el condensador de purga de -28,9ºC (-20ºF) produce una composición de la purga de 73% de CO_{2}. Para una alimentación típica de una instalación comercial con 98% de CO_{2}, esto limitaría las pérdidas a 5,5% del contenido de CO_{2} de alimentación, según se muestra por la línea de temperatura de -28,9ºC (-20ºF) en la Figura 2. Sin embargo, si la alimentación fuese vapor recuperado a partir de un congelador con 90% de CO_{2}, el proceso convencional sufriría unas pérdidas por purga de 30%, haciendo antieconómico al proceso. Por lo tanto, estas pérdidas hacen que los procesos convencionales sean antieconómicos para la recirculación de vapor recuperado a partir de una congelación de alimentos con CO_{2}.
Las pérdidas de CO_{2} en el condensador de purga pueden ser reducidas aumentando la presión en la columna o reduciendo la temperatura de condensación. Como se cita en la patente de EE.UU. 4.952.223 otorgada a Kirshnamurthy et al., el hecho de aumentar la presión presenta desventajas, incluyendo un consumo incrementado de potencia, una calidad disminuida del producto y la posibilidad de la formación de un azeótropo entre CO_{2} y oxígeno. Una presión más alta aumentaría también el coste del equipo. La disminución de la temperatura en el condensador de purga es una solución mejor.
La Figura 3 presenta las pérdidas por purga (porcentaje del contenido de CO_{2} en la corriente de alimentación que se pierde en la corriente de purga de la columna) en función de la temperatura del condensador de purga, para el caso de una corriente de alimentación con 90% de CO_{2} (típica del vapor recuperado desde un congelador, que se utiliza como una alimentación para el invento descrito a continuación). Como se muestra en la Figura 3, la pérdida en el condensador de purga para una corriente de alimentación con 90% de CO_{2} es de 30% a una temperatura de un condensador convencional de -28,89ºC (-20ºC), pero sólo de 8,3% a una temperatura reducida de
-45,56ºC (-50ºF). Unos grados de pérdidas de hasta 10% no deberían impedir que el sistema consiguiese un funcionamiento económico, y desde luego son típicos para muchas instalaciones comerciales que trabajan con CO_{2}. El reducido grado de pérdidas conseguido por una temperatura en el condensador de purga de -45,56ºC (-50ºF) se muestra también en la Figura 2 para otras concentraciones de la alimentación.
Para conseguir unas temperaturas situadas por debajo de -28,89ºC (-20ºF) en el condensador de purga con diseños convencionales se requiere el trabajo a vacío en un sistema de refrigeración del amoníaco. El trabajo a vacío es indeseable, provocando problemas tales como fugas de aire dentro del sistema del amoníaco, mayores tamaños de las conducciones de vapor, mayores necesidades de potencia, y problemas para la lubricación. Estos problemas incrementan los costes para equipos y trabajo, y disminuyen la confiabilidad. Otros refrigerantes, tales como clorofluorocarburos, pueden utilizarse en lugar de amoníaco para lograr reducidas temperaturas de purga. Sin embargo, los sistemas de refrigeración que emplean estos refrigerantes alternativos son más costosos, pueden presentar problemas de trabajo cuando se emplean para la licuefacción de CO_{2} y producen preocupaciones para el medio ambiente.
Se han aplicado métodos convencionales de licuefacción del CO_{2} aunque sin tener un éxito económico, para recircular el CO_{2} a la congelación de alimentos. Duron et al., "Reliquefies CO_{2} For Cryogenic Freezing, Food Engineering", abril de 1972, páginas 72-74, describieron un sistema desarrollado para recuperación, licuefacción, purificación y recirculación de CO_{2} en la congelación de alimentos. En el sistema descrito, se obtuvo CO_{2} gaseoso a partir del congelador a través de conductos situados a la entrada y a la salida de un congelador en espiral. Se utilizó un soplante para transferir el gas al sistema de recirculación. En el sistema de recirculación, el vapor fue comprimido, enfriado, secado, tratado para la eliminación de olores, condensado y purificado, antes de volver al congelador. Se utilizaron dos compresores centrífugos paralelos de seis etapas, con enfriamiento intermedio en cada etapa. El sistema utilizaba tres lechos de tamices moleculares para la desecación y la eliminación de olores, y un sistema de refrigeración por Freón de cuatro etapas. Se informaba que este sistema de recirculación costaba 1 millón de US\textdollar en 1972.
Existen varias desventajas en el sistema de Duron y colaboradores. Los dobles compresores de seis etapas y el sistema de refrigerante de cuatro niveles eran complejos y costosos. Los compresores centrífugos eran limitados en su reglaje y requerían un control de la circulación anti-golpe de ariete. Las necesidades estimadas de potencia eran muy altas, cuando se comparaban con las necesidades de potencia de una instalación convencional con CO_{2}, menores que 200 kWh/ton. No hay ninguna indicación de que se utilizasen medios para reducir las pérdidas de CO_{2} en el sistema de purificación.
La patente de EE.UU. 4.952.223 otorgada a
Kirshnamurthy et al., describe un procedimiento para recircular CO_{2} desde una congelación de alimentos utilizando adsorción con oscilación de presiones (PSA). El procedimiento puede ser utilizado para corrientes de alimentación que contengan desde aproximadamente 35% hasta 98% de CO_{2}. Cuando se utiliza para recuperar CO_{2} desde congeladores de alimentos, sin embargo, la concentración esperada de CO_{2} en la alimentación es significativamente menor que 89% en volumen y puede ser tan baja como de 35% en volumen. Esa patente señala que las unidades comerciales de refrigeración que emplean CO_{2} líquido para congelar alimentos, contaminan al CO_{2} líquido con nitrógeno y oxígeno (del aire) en un grado tal que el vapor de CO_{2} agotado puede contener hasta 50% o más de los contaminantes. En este procedimiento, el vapor extraído del congelador es enviado hacia abajo por una conducción de recuperación mediante inyección de aire templado y presurizado. El vapor es comprimido, enfriado, secado, condensado y purificado por técnicas convencionales. La purga de la columna de purificación es tratada con una unidad PSA. En la unidad PSA, el CO_{2} procedente de la purga de la columna es adsorbido en un adsorbente sólido. El CO_{2} es recuperado desde el adsorbente sólido, a baja presión, y la corriente de CO_{2} a baja presión procedente del PSA es vuelta a comprimir con una bomba de vacío y enviada a la aspiración del compresor de la alimentación. La unidad de PSA es utilizada para reducir la pérdida por purga muy alta que experimentaría un procedimiento convencional con dicho gas de alimentación a baja concentración.
Puesto que el vapor procedente del congelador es diluido adicionalmente con aire antes de su recuperación, el contenido de refrigeración se pierde y el aire inyectado aumenta los costes de compresión y purificación. El sistema es complejo, requiriendo múltiples lechos de adsorbentes que funcionan en ciclos oscilantes, bombas de vacío y compresión suplementaria para recuperar el CO_{2} a baja presión. Estos factores aumentan el coste y reducen la confiabilidad de funcionamiento del sistema.
La patente de EE.UU. 5.186.008 concedida a
Appolonia et al., describe un método para aumentar la concentración de CO_{2} en el vapor retirado de un congelador para su recuperación, solventando de esta manera una de las desventajas de la patente de EE.UU. 4.952.223, antes citada. Se utilizan cámaras impelentes de escapa a la entrada y a la salida de un congelador en espiral, haciéndose variar el grado de extracción con el grado de inyección de un agente criógeno, para reducir la infiltración de aire. Un segundo soplante se utiliza para extraer vapor para su recuperación desde la parte inferior del congelador, en donde la concentración de CO_{2} es sustancialmente mayor que en la parte superior a causa de las diferencias de densidades. El caudal de masa del vapor a recuperar es controlado para que sea igual al caudal de masa del agente criógeno inyectado multiplicado por una constante (se indica una de 90%). Esto se hace para evitar una presión en exceso o defecto en el congelador, cual expulsaría más que una cantidad mínima de CO_{2}, o introduciría demasiada cantidad de aire. El vapor recuperado ha de ser recirculado por el proceso de PSA de la patente de EE.UU. 4.952.223.
Se pueden utilizar membranas selectivas para reducir la pérdida de CO_{2} en la purga de la columna de purificación. La patente de EE.UU. 4.639.257, otorgada a Duckett et al., propone tratar con una membrana selectiva la purga de la columna procedente de un proceso convencional con CO_{2}. La purga se calienta primero y luego se deja pasar a través de una unidad de membrana en donde el CO_{2} penetra selectivamente a través de la membrana. El material penetrado de CO_{2} a baja presión y de alta pureza es enviado después a la aspiración del compresor de alimentación para su recuperación. Para alimentaciones de baja concentración, se propone una segunda unidad de membranas para aumentar la concentración de las alimentaciones antes de su licuefacción y purificación. La patente de EE.UU. 4.990.168, otorgada a Saber et al., propone un procedimiento similar, excepto que la corriente de purga no es calentada antes de llegar a la unidad de membrana.
Ambos procesos con membranas sufren desventajas. Se requieren altas presiones (2654,57-2758 kPa (400-415 psia)) para el gas de alimentación a las unidades de membranas, y el material penetrado de CO_{2} se obtiene a baja presión (48,26 kPa (22 psia)), requiriendo una recompresión sustancial. También, las unidades de membranas son caras y pueden estar sujetas a ensuciamiento por contaminantes del proceso. Mientras que la patente de EE.UU. 4.990.168 enseña que no es necesario calentar la corriente de purga que pasa a la membrana, y se consiguen mayores selectividades, las bajas temperaturas reducen la permeabilidad de la membrana y aumentan el área de la superficie requerida y los gastos.
La patente de EE.UU. 4.977.745 otorgada a
Heichberger, describe un procedimiento para la producción de CO_{2} líquido a partir de fuentes de baja pureza, utilizando la expansión en turbinas de las impurezas no condensables con el fin de proporcionar la refrigeración. El gas de alimentación es enfriado para eliminar agua, comprimido, secado y condensado parcialmente. El vapor procedente de la etapa de condensación, que contiene las impurezas, se calienta y se expande en un expansor en turbina de etapas múltiples. El escape frío de la turbina se utiliza para refrigeración en el proceso, tal como para el condensador de CO_{2}.
El documento GB-A-997 507 describe un procedimiento de separación o purificación por refrigeración de una mezcla de gas que puede estar totalmente licuada y que contiene una cantidad sustancial de un componente con un punto de congelación relativamente alto. Una mezcla a la que puede aplicarse dicho procedimiento es una corriente de gas natural que, además de otras impurezas, tales como sulfuro de hidrógeno, es rica en dióxido de carbono. El procedimiento comprende enfriar la corriente de gas comprimido en un sistema que incluye un primer absorbente de calor, cargado con dicho componente, en un estado frío, y condensar dicha corriente hasta un líquido, fraccionar dicho líquido para producir dicho componente en un estado líquido y un gas contaminado con el mismo, condensar parcialmente el gas contaminado en un segundo absorbente de calor cargado con dicho componente frío, recomprimir, enfriar y expandir la fracción gaseosa para congelar el componente contaminante como un sólido, y combinar este componente sólido con líquidos de colas a partir del rehervidor fraccionador, y usar el medio combinado como líquido refrigerante en dichos absorbentes de calor.
El documento DE-A-1 467 112 describe un procedimiento para purificar el dióxido de carbono contaminado con impurezas gaseosas, incluyendo hidrocarburos ligeros, que comprenden rectificar el dióxido de carbono impuro en una primera etapa de rectificación para eliminar las impurezas más volátiles como una fracción superior y para obtener una fracción de líquido de cola, eliminar y vaporizar la fracción de líquido de cola, introducir oxígeno molecular en la fracción de colas vaporizadas, y someter a la mezcla resultante de oxígeno y fracción de colas vaporizadas a oxidación catalítica para oxidar las impurezas de hidrocarburos restantes, secar y enfriar el efluente procedente de la oxidación catalítica para licuarlo, y rectificar el efluente licuado en una segunda etapa de rectificación para eliminar las impurezas orgánicas que están presentes como una fracción superior y recuperar sustancialmente el dióxido de carbono puro como la fracción de colas de la segunda etapa de rectificación.
Sumario de la invención
El método del invento es una modificación del procedimiento convencional para la producción de CO_{2} que reduce las pérdidas por purga desde la columna utilizando un refrigerante de CO_{2} y proporciona acrecentados ahorros económicos mediante subenfriamiento del CO_{2} líquido recirculado al congelador. El método del invento utiliza innovaciones que incluyen el uso rentable de la refrigeración disponible en la corriente de alimentación por medio de intercambio de calor, medios para la eliminación de olores y bacterias, y un funcionamiento completamente automático e inesperado. Éstas se consiguen con unos pocos artículos de equipamiento clásicos adicionales con relación al convencional proceso en una instalación comercial. El procedimiento mejorado no implica costosas operaciones unitarias adicionales, tales como unidades de membranas o PSA.
El método del invento recupera CO_{2} desde una corriente de alimentación fría de entrada que contiene una baja concentración de aquél, e incluye las siguientes operaciones. Una corriente de alimentación de entrada se hace pasar a través de un intercambiador de calor, en intercambio con un flujo comprimido de la corriente de alimentación de entrada, para enfriar al flujo comprimido. El flujo comprimido se enfría adicionalmente y se comprime a una alta presión, se condensa parcialmente, se alimenta a una columna de destilación y se convierte allí en un gas de purga que incluye CO_{2} y en un CO_{2} líquido de colas de alta pureza. Una primera porción del CO_{2} líquido de colas se expande para conseguir un primer flujo de refrigerante CO_{2} líquido enfriado, que se vaporiza en intercambio con el gas de purga para recuperar CO_{2} condensado desde éste, y luego el CO_{2} condensado se vuelve a introducir en la columna de destilación. Una segunda porción del CO_{2} líquido de colas es expandida para conseguir un segundo flujo de refrigerante CO_{2} líquido enfriado, que se utiliza para subenfriar la salida del producto CO_{2}.
Estas y otras características esenciales de la invención se describen en la reivindicación 1, mientras que las reivindicaciones dependientes restantes citan características adicionales de las mismas.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama de sistemas de una instalación de recuperación de CO_{2} de la técnica anterior.
La Figura 2 es una representación gráfica de las pérdidas por purga de la columna de CO_{2} en función de la concentración de la alimentación a unas temperaturas del condensador de purga de -28,89ºC (-20ºF) para la instalación de la técnica anterior de la Figura 1 y de -45,56ºC (-50ºF) para el invento de la Figura 4.
La Figura 3 es una representación gráfica de las pérdidas por purga de la columna de CO_{2} en función de la temperatura del condensador de purga para una alimentación con 90% de CO_{2}.
La Figura 4 es un diagrama de sistemas de la instalación de recuperación de CO_{2} que incorpora el invento.
La Figura 5 es un diagrama del sistema de la instalación de recuperación de CO_{2} de la Figura 4 cuando se utiliza en combinación con una unidad de refrigeración.
La Figura 6 es una representación gráfica del perfil de temperaturas de la columna para una columna de destilación de CO_{2} cuando se hace trabajar de acuerdo con el presente invento, tal como se muestra en el sistema de la Figura 4.
Descripción detallada de la invención
Se muestra en la Figura 4 un procedimiento para licuefacción, purificación y recirculación de CO_{2}, que incorpora el invento. Una corriente de gas de alimentación 50 es obtenida a partir de una fuente de CO_{2} de baja pureza, tal como un vapor recuperado de un congelador de alimentos que utiliza CO_{2} líquido como refrigerante. Unas típicas condiciones para la corriente 50 procedente de un congelador de alimentos serían de -62,22ºC (-80ºF), 2758 kPa (19 psia), 90% de CO_{2} (sobre base seca), y ésta contendría hasta 2,5% (en moles) de agua. El agua está presente predominantemente como cristales de hielo arrastrados.
La corriente de alimentación de vapor frío 50 pasa a través de un intercambiador de calor 52 en donde se calienta hasta por encima de 0ºC (32ºF), con preferencia a aproximadamente 4,44ºC (40ºF). Esto se hace para fundir cualesquiera cristales de hielo que hayan sido arrastrados en la corriente de alimentación, y también para calentar la corriente a las temperaturas típicas de aspiración del compresor. Los cristales de hielo sólido y unas temperaturas de aspiración desacostumbradamente bajas podrían afectar desfavorablemente al funcionamiento del compresor.
La corriente de vapor caliente 54 circula a través del separador 56 para eliminar agua líquida, y luego dentro del compresor 58 en donde se comprime a aproximadamente 489,54 kPa (86 psia). La presión de descarga del compresor 58 se escoge para que esté ligeramente por encima de la presión de CO_{2} en el punto triple (414,39 kPa (75,1 psia)) que facilita el uso de CO_{2} como refrigerante (descrito a continuación). La corriente 60 de descarga del compresor, calentada por el calor de compresión, pasa a través del intercambiador de calor 52 en donde calienta a la corriente entrante de vapor de alimentación 50, y en el proceso se enfría por sí misma a alrededor de 4,44ºC (40ºF). De esta manera, se captura el contenido útil de refrigeración del gas de alimentación, evitando una carga adicional sobre el sistema de refrigeración y enfriamiento. Obsérvese que no se necesita ninguna fuente de calor por separado para fundir los cristales de hielo en la alimentación, y se utiliza un único intercambiador tanto para precalentar la alimentación como para enfriar posteriormente el compresor.
La descarga enfriada 62 del compresor se combina con un vapor caliente procedente de la corriente de refrigerante CO_{2} 124 y entra en el separador 66, en donde se retira agua líquida. La temperatura del gas que entra en el separador 66 debería ser lo más fría que fuese posible para condensar la mayor cantidad de agua que fuese posible, pero debería permanecer por encima de 0ºC (32ºF) para evitar la formación de hielo. Luego el flujo es comprimido en el compresor 68 hasta una presión de descarga de aproximadamente 2123,66 kPa (323 psia) que se escoge de manera tal que esté ligeramente por encima de la presión deseada del producto, de 315 psia, permitiendo una caída de presión en el equipo. La presión del producto es ajustada a 2068,5 kPa (315 psia) de modo que sea igual a las presiones de almacenamiento y suministro de CO_{2} líquido comercial clásico, por lo que el líquido recirculado puede ser combinado con facilidad con el líquido comercial para su suministro al congelador.
La corriente 70 de descarga desde el compresor es enfriada en el intercambiador 72 hasta aproximadamente 10ºC (50ºF) y pasa a través del separador 74 para eliminar agua líquida. El separador 74 está diseñado también para eliminar aceite (introducido en la corriente de alimentación por los compresores). La corriente resultante 76 entra en uno de los dos lechos 78, 80 del secador, para la eliminación de agua. Los lechos 78, 80 del secador contienen un adsorbente sólido para la eliminación del agua. El diseño y el funcionamiento de los secadores con adsorbentes para la eliminación de humedad a partir de corrientes de CO_{2} se conocen bien en la técnica.
Los lechos 78, 80 de los secadores contienen también una cierta cantidad de carbón activado para eliminar otros contaminantes desde el CO_{2} recirculado. Los otros contaminantes pueden incluir aceite residual o compuestos volátiles procedentes del alimento existente en el congelador (tales como aceites o aromas). Se utiliza un filtro a la salida de los lechos de los secadores para evitar el arrastre de materiales en partículas desde los secadores. Adicionalmente, ese filtro o un segundo filtro se puede acoplar con un elemento que tenga un apropiado tamaño de poros (0,2 micrómetros) para eliminar bacterias desde el flujo de gas, si está presente la contaminación bacteriana en el vapor recuperado desde el congelador. Típicamente, las bacterias tienen un tamaño mayor que 0,2 micrómetros, por lo que se utilizan corrientemente filtros con ese tamaño de poros para asegurar la eliminación de bacterias desde las corrientes de procesos.
Una corriente de gas seco 82 pasa a través del rehervidor de una columna de destilación 84, donde cede su calor sensible y es enfriada hasta cerca de su punto de rocío para la condensación del CO_{2}. La corriente resultante 86 es condensada parcialmente en intercambio con el refrigerante amoníaco de aproximadamente -31,67ºC (-25ºF) en el intercambiador 88. El nivel del refrigerante amoníaco, de aproximadamente 6,89 kPa (16 psia) y -31,67ºC (-25ºC), se escoge para mantener la presión de aspiración en el compresor de amoníaco por encima de la presión del ambiente, para evitar problemas de funcionamiento con el sistema de amoníaco. La corriente 90 parcialmente condensada, a aproximadamente -25,56ºC (-14ºF), se alimenta luego a la columna 84, que trabaja a aproximadamente 2075,39 kPa (316 psia). En la realización preferida, la columna de destilación 84 es una columna de lecho relleno.
El CO_{2} líquido es purificado crecientemente según va circulando hacia abajo por la columna 84, saliendo como fracción de colas 92 de la columna con una alta pureza. Para obtener el refrigerante CO_{2}, una porción 94 de la fracción de colas de la columna circula a través de la válvula 96 para producir una corriente 98 de CO_{2} líquido y vapor a baja presión a aproximadamente 489,54 kPa (86 psia) y -52,78ºC (-63ºF). La presión de la corriente 98 de refrigerante CO_{2} coincide con la presión de descarga del compresor 58 y con la presión de aspiración del compresor 68.
La presión de la corriente 98 se escoge de manera tal que esté ligeramente por encima de la presión de CO_{2} en el punto triple (414,39 kPa (75,1 psia)). Esta condición se escoge para evitar la formación de CO_{2} sólido, ("hielo seco"), que podría afectar desfavorablemente el funcionamiento del equipo. La presión del refrigerante CO_{2} deberá tan baja como sea practicable, puesto que unas presiones más bajas conseguirán unas temperaturas más bajas del refrigerante CO_{2}, y correspondientemente una menor pérdida de CO_{2} desde el condensador de purga 100. Sin embargo, la presión no deberá descender por debajo de un límite ajustado por encima de la presión en el punto triple para mantener el control de la presión por encima de este punto triple.
La corriente de refrigerante CO_{2} 98 pasa a través de un condensador de purga 100 en el que la porción líquida del refrigerante CO_{2} se vaporiza, enfriando a la corriente gaseosa de purga 101 de la columna hasta alrededor de - 45,56ºC (-50ºF). El enfriamiento de la corriente de gas de purga 101 de la columna da lugar a que el vapor se condense, formando un líquido que está enriquecido en cuanto a la concentración de CO_{2} en comparación con el vapor de purga. El líquido condensado circula de vuelta a la columna 84 como reflujo. La corriente de purga final 102, agotada en su contenido de CO_{2}, o bien es liberada a la atmósfera directamente o es utilizada como gas para regeneración de los secadores antes de su liberación.
Una porción adicional 104 de la fracción de colas 92 de la columna es dejada circular a través de la válvula 106 para producir una corriente 108 de CO_{2} líquido y vapor a baja presión a aproximadamente 489,54 kPa (86 psia) y -52,78ºC (-63ºF). La corriente 108 de refrigerante dióxido de carbono circula a través del intercambiador 110, y absorbe calor, dando lugar a que la porción líquida del refrigerante hierva y forme vapor. Esto subenfría a la porción remanente 112 de la fracción de colas de la columna, produciendo la corriente 114 de producto CO_{2} líquido final a aproximadamente -45,56ºC (-50ºC), 2068,5 kPa (315 psia).
Los vapores 116 y 118 del refrigerante dióxido de carbono abandonan los intercambiadores 100 y 110 a aproximadamente -52,78ºC (-63ºF) (que es la temperatura de saturación del refrigerante CO_{2}). Los intercambiadores pueden ser diseñados alternativamente para conseguir temperaturas más calientes de salida para el refrigerante CO_{2}, con el fin de utilizar algo del contenido de refrigeración sensible de la corriente, si se desea. Las corrientes del refrigerante CO_{2} son combinadas para formar la corriente 120, luego calentadas en el intercambiador 122 a alrededor de 15,56ºC (60ºF). La fuente de calor en el intercambiador 122 puede ser la descarga de gas procedente del compresor de amoníaco, que se puede enfriar desde la temperatura de descarga de aproximadamente 71,11ºC (160ºF) hasta cerca de su temperatura de saturación de 37,78ºC (100ºF) por medio de este intercambio. De esta manera, se utiliza el potencial de refrigeración sensible del vapor refrigerante CO_{2}, y se reduce la carga sobre los condensadores de amoníaco. El gas CO_{2} caliente 124 es luego combinado con la corriente que pasa a la aspiración de la segunda etapa 68 de compresión de CO_{2}. Si el CO_{2} procedente del almacenamiento se utiliza para la regeneración de secadores, el flujo de regeneración 126 puede también ser combinado y enviado a la aspiración del compresor 68.
Se puede utilizar calor adicional para el rehervidor de la columna de purificación por subenfriamiento del condensado de amoníaco en un conjunto separado de tubos 130 del rehervidor. Esto permite que la pureza del producto se consiga con una columna 84 más pequeña y menos costosa que si el calor del rehervidor fuese limitado a la corriente de alimentación a la columna. También proporciona flexibilidad de trabajo ajustando el régimen de borboteo para conseguir la pureza requerida del producto.
El método del invento es completamente automatizado por uso de un controlador lógico programable (no mostrado). El sistema se pone en marcha automáticamente cuando el vapor se recupera desde el congelador, se ajusta espontáneamente durante el funcionamiento a variaciones en las condiciones de circulación del gas recuperado, y se detiene automáticamente cuando se interrumpe el flujo de gas recuperado desde el congelador. También, el control automático mejora la idoneidad para su instalación en equipos de congelación de alimentos.
El consumo neto de energía por tonelada de CO_{2} líquido recirculado es de aproximadamente 210 kWh/ton para el presente invento (para una corriente de alimentación con 90% de CO_{2}), que es significativamente menos que los 460 kWh/ton estimados para el sistema de la técnica anterior descrito en la cita de Duron y colaboradores, antes discutida. El costo de capital estimado para el sistema propuesto es también significativamente menor que el informado por Duron y colaboradores. Hay varios factores que conducen a la ventaja económica del invento. En primer lugar, el sistema emplea un equipo de diseño clásico que se utiliza ampliamente en instalaciones de producción de CO_{2}. En segundo lugar, el refrigerante CO_{2} puede conseguir eficazmente que las temperaturas en el condensador de purga se aproximen a la de -56,62ºC (-69,9ºF) (la temperatura en el punto triple de CO_{2}) sin requerir el trabajo en vacío. En tercer lugar, el procedimiento emplea a la vez refrigerante de CO_{2} y refrigerante amoníaco en los márgenes de temperaturas en los que éstos son óptimamente idóneos y sumamente eficaces. Finalmente, el procedimiento hace un uso eficaz de la energía por intercambio de calor entre las corrientes del procedimiento; por ejemplo, no se pierde el contenido de refrigeración del vapor del congelador, sino que se utiliza para proporcionar enfriamiento posterior para la primera etapa de compresión de CO_{2}.
El método del invento puede funcionar por toda una gama de condiciones del gas de alimentación. Por ejemplo, el procedimiento puede trabajar con concentraciones de CO_{2} de alimentación mayores o menores que la concentración de CO_{2} de 90% que aquí se describe. Cuando disminuye la concentración de CO_{2} de alimentación, sin embargo, se producen varias consecuencias: aumenta la pérdida de CO_{2} desde la purga 102 de la columna, disminuye la fracción de demanda del congelador satisfecha por el CO_{2} líquido recirculado, aumenta el coste por unidad de CO_{2} recirculado, y disminuyen los ahorros económicos para todo el funcionamiento en el congelador. El margen preferido de concentraciones de CO_{2} de alimentación es de aproximadamente 85-100%. La temperatura de la corriente de alimentación puede variar, dependiendo de la temperatura de funcionamiento del congelador. Unas típicas temperaturas del congelador están en el margen de aproximadamente -78,89ºC a -17,78ºC
(-110ºF a 0ºF).
El caudal de vapor recuperado desde el congelador puede variar por una amplia gama debido a diferentes modos de funcionamiento del congelador, y depende del tipo y del tamaño del equipo seleccionado. En la realización preferida del invento, los compresores utilizados son compresores de tornillo sinfín, que pueden funcionar por una amplia gama de caudales, típicamente una relación de 10:1 del caudal máximo al caudal mínimo. Típicamente, la capacidad del compresor se escoge para proporcionar el equilibrio deseado de eficacia y flexibilidad de funcionamiento para los caudales esperados.
Una realización del presente invento, utilizada para recircular CO_{2} desde un congelador de alimentos, combinada con subenfriamiento del criógeno líquido, se muestra en la Figura 5. El CO_{2} líquido 200 es introducido en el congelador 202 a través de válvulas de proyección y otros métodos conocidos en la técnica. Una porción 204 del vapor del congelador es retirada del congelador 202 por utilización de un soplante 206 y enviada a través de una tubería 208 al sistema 210 de recirculación de CO_{2}. El sistema de recirculación 210 constituye el sistema mostrado en la Figura 4. Una válvula 212 puede ser abierta o cerrada para evacuar el vapor del congelador hacia la atmósfera, si éste no es apropiado para recirculación, o si hay disponible vapor en exceso más allá de la capacidad del sistema de recirculación 210. El vapor puede no ser apropiado para recirculación si la concentración de CO_{2} es demasiado baja para el trabajo apropiado del sistema de recirculación.
El CO_{2} líquido recirculado 214 producido por el sistema de recirculación 210 es combinado con la corriente de reposición de CO_{2} líquido comercial 216 obtenido del depósito de almacenamiento a granel 218. En una realización preferida, el líquido recirculado y el líquido de reposición son ambos subenfriados a -45,56ºC (-50ºF) y 2068,5 kPa (300 psig), y el sistema de almacenamiento 218 es un sistema de almacenamiento subenfriado. Los flujos de líquido de recirculación y de líquido de reposición deben de ser controlados para suministrar el flujo requerido de CO_{2} líquido 200 al congelador 202. Unos medios de conseguir esto consisten en permitir que el líquido de recirculación 214 circule dentro de un depósito 220, y hacer variar el flujo de líquido de reposición 216 dentro del depósito 220 para mantener un nivel constante en el depósito 220. Esto también mezcla las dos corrientes líquidas para conseguir una composición uniforme en el líquido suministrado al congelador 202. Se pueden utilizar otros métodos de combinar el líquido de reposición con el líquido recirculado. Por ejemplo, el líquido de recirculación puede ser introducido en algún punto en el proceso 210 de recirculación de CO_{2}, o el líquido de recirculación 214 puede circular dentro del depósito de almacenamiento 218.
Modificaciones de la realización
El diseño del sistema antes descrito se puede modificar para utilizar diferentes fuentes de gas para la regeneración de los secadores por adsorbente. El gas de purga 102 procedente de la columna 84 (Figura 4) puede ser calentado y enviado a los lechos 78 u 80 de secador para regenerar el adsorbente en los lechos. El gas de regeneración calienta el adsorbente sólido y retira la humedad expulsada fuera del lecho. Por ejemplo, si la concentración de CO_{2} en el vapor recuperado del congelador está por debajo de aproximadamente 95%, entonces el caudal del gas de purga desde la columna será suficiente para su uso como gas de regeneración en el secador. Si la concentración de CO_{2} de alimentación está por encima de aproximadamente 95%, entonces la circulación del gas de purga será insuficiente para regenerar completamente los lechos del secador. En ese caso, el CO_{2} líquido procedente del almacenamiento a granel puede ser vaporizado para suplementar o reemplazar el gas de purga para la regeneración. Alternativamente, se pueden utilizar para la regeneración otras fuentes de vapor de CO_{2} seco, tal como vapor de refrigerante CO_{2}.
Si se utiliza el gas de purga para la regeneración del secador, éste es liberado a la atmósfera de manera tal que los gases no condensables (nitrógeno, oxígeno, etc.) sean eliminados desde el proceso. Si se utiliza vapor de CO_{2} para la regeneración, éste o bien puede ser liberado a la atmósfera, o recirculado a las operaciones de compresión para ser recuperado.
El diseño puede ser modificado para conseguir el diseño más rentable, considerándose dado el tipo de diseños de equipos corrientemente disponibles para diferentes capacidades. Por ejemplo, se puede utilizar un único compresor de CO_{2} compuesto para las dos etapas de compresión de CO_{2}, en vez de utilizar dos compresores por separado. El único compresor deberá ser diseñado para la introducción de corrientes a presión intermedia, tal como la corriente de refrigerante CO_{2} 124 y el gas de regeneración 126 de la Figura 4. En esta realización, el intercambiador de calor 52 se utiliza para enfriar la corriente 70 de descarga del compresor, y se elimina el separador 66.
Se pueden utilizar diferentes diseños de los compresores, tales como compresores de tornillo sinfín anegado en aceite, de tornillo sinfín exento de aceite, de movimiento alternativo o centrífugos. El diseño del equipo del compresor apropiado para este procedimiento es bien conocido en la técnica.
El intercambio de calor puede ser realizado también en etapas. Por ejemplo, el intercambiador de calor 72 situado después del enfriador de segunda etapa en la Figura 4, puede constar de dos unidades, la primera enfriada por agua o un condensado de amoníaco a aproximadamente 37,78ºC (100ºF), y la segunda enfriada por amoníaco a baja presión o bien a aproximadamente 4,44ºC o -31,67ºC (40ºF o -25ºF). Se pueden utilizar otros fluidos y sistemas de transferencia de calor cuando ello sea apropiado, tales como el agua de una torre de refrigeración, etilenglicol, propilen-glicol, salmueras, clorofluorocarburos, hidrocarburos, etc, para proporcionar enfriamiento o calentamiento según se requiera. Además, se pueden escoger para intercambio de calor diferentes pares de corrientes de procesos. Por ejemplo, la corriente de refrigerante CO_{2} puede ser calentada, antes de recircularla al compresor de CO_{2}, utilizando una fuente de calor distinta de la corriente de descarga del compresor de amoníaco, tal como la descarga del compresor de CO_{2}, la alimentación de la columna, el condensado de amoníaco, etc. Son posibles otras variaciones y resultarán evidentes a los expertos en la técnica, dependiendo de la capacidad deseada, de las condiciones del sitio de uso, el equipo disponible, y factores económicos.
El diseño del sistema se puede hacer variar para conseguir diferentes purezas del CO_{2} líquido recirculado. Por ejemplo, la columna de purificación 84 puede ser diseñada para conseguir un CO_{2} de alta pureza equivalente al CO_{2} líquido de calidad comercial. Alternativamente, el diseño del proceso se puede alterar para producir CO_{2} líquido menos puro si éste cumple los requisitos de la aplicación, y si consigue ahorros económicos adicionales. Una manera en la que se puede conseguir esta modificación consiste en utilizar menos altura del relleno (menos etapas en equilibrio de separación) en una columna de destilación para disminuir la pureza del producto y reducir el costo de la columna.
El diseño del condensador de purga 100 de la columna en la Figura 4 se puede hacer variar también para conseguir un óptimo rendimiento económico del sistema. La temperatura de condensación de diseño puede ser hecha variar desde una tan caliente como la de aproximadamente -23,33ºC (-10ºF) (que está en el margen empleado en diseños convencionales que utilizan el refrigerante amoníaco) hasta una tan fría como de aproximadamente -56,62ºC (-69,9ºF) (la del punto triple del CO_{2}). En los ejemplos que aquí se dan, la corriente de purga es enfriada a -45,56ºC (-50ºF) utilizando refrigerante CO_{2} a -52,78ºC (63ºF), con una temperatura de aproximación de 7,22ºC (13ºF) en el intercambiador de calor del condensador de purga 100. La temperatura de
-52,78ºC (-63ºF) del refrigerante CO_{2} resulta de la decisión de ajustar la presión del refrigerante a 489,54 kPa (86 psia), o aproximadamente 68,95 kPa (10 psi) por encima de la presión en el punto triple de 413,7 kPa (75 psia). Un incremento de 68,95 kPa (10 psi) por encima del punto triple se escoge para evitar la posibilidad de que se formen sólidos, lo cual puede ocurrir si la presión desciende hasta el punto triple o por debajo de éste. La formación de sólidos en el refrigerante CO_{2} puede obstruir al equipo. Sin embargo, el incremento entre la presión del refrigerante CO_{2} y la presión en el punto triple puede ser mayor o menor que 68,95 kPa (10 psi), dependiendo de los diseños de equipo que se utilizan y de la experiencia en funcionamiento.
Además, el condensador de purga 100 puede ser diseñado para funcionar a una temperatura de aproximación más cercana que los 7,22ºC (13ºF) utilizados en los ejemplos que aquí se dan. Cuanto más cercana sea la temperatura de aproximación, tanta más área de transferencia de calor se requiere, y mayor es el gasto del equipo. Típicamente, se emplean unas temperaturas de aproximación de diseño mínimo de 2,78ºC a 11,11ºC (5ºF a 20ºF), pero el valor final utilizado es determinado con frecuencia de manera tal que se consiga un óptimo de rentabilidad. Es ventajoso trabajar cerca del punto triple y a bajas temperaturas de purga, siempre y cuando que se mantenga un trabajo confiable, puesto que esto disminuye la pérdida de CO_{2} en la corriente de purga. Por ejemplo, si la corriente de refrigerante CO_{2} fuera mantenida a una presión para conseguir una temperatura del refrigerante de
-53,89ºC (-65ºF), y la temperatura de aproximación en el intercambiador fuese de 2,78ºC (5ºF), se conseguiría una temperatura de purga de -51,11ºC (-60ºF). Tal como se muestra en la Figura 3, esto reduce las pérdidas de CO_{2} a 5,98% (para una alimentación con 90% de CO_{2}) comparadas con unas pérdidas de 8,35% para una purga a -45,56ºC (-50ºF). La selección óptima de la temperatura y de la presión del refrigerante, las condiciones de purga, y el diseño del condensador de purga resultará evidente a los expertos en la técnica.
Son posibles diferentes configuraciones para el uso de refrigerante CO_{2} con el fin de conseguir mejoras incrementadas de costo o funcionales. Por ejemplo, en la Figura 4, la corriente de refrigerante CO_{2} 98 puede ser dirigida en primer lugar a través del condensador de purga 100, y luego al subenfriador 110 del producto, antes de ser enviada al intercambiador de calor 122. De esta manera, se utiliza un único circuito de refrigerante CO_{2} en vez de dos flujos separados, y la segunda válvula de descenso 106 puede ser eliminada.
Una realización adicional utiliza a la vez refrigerante amoníaco y refrigerante CO_{2} en el condensador de purga 100 o en el subenfriador 110 del producto. El refrigerante amoníaco a aproximadamente -31,67ºC (-25ºF) se puede utilizar para proporcionar enfriamiento de la corriente de purga a aproximadamente -26,11ºC hasta -28,89ºF (-15ºF hasta -20ºF), y luego el refrigerante CO_{2} se puede utilizar para disminuir aún más la temperatura de la corriente del proceso a aproximadamente -45,56ºC (-50ºF) o menos. Esto puede reducir alternativamente el caudal requerido de refrigerante CO_{2}, reduciendo con ello los costos de capital y funcionamiento para compresión del CO_{2}, y reduciendo también el tamaño y el costo de los intercambiadores de calor, los recipientes y la columna entre los compresores de CO_{2} y el subenfriador del producto. Sin embargo, este diseño aumenta también el tamaño y el costo requeridos del sistema de refrigeración por amoníaco, y pueden requerir intercambiadores de calor adicionales.
El grado de subenfriamiento del producto puede ser aumentado mediante el uso del refrigerante CO_{2} a menores temperaturas y/o reduciendo la temperatura de aproximación a la de diseño mínimo en el subenfriador 110 del producto. Se pueden conseguir cantidades variables de subenfriamiento enfriando el producto a temperaturas comprendidas entre aproximadamente -17,78ºC (0ºF) y aproximadamente -56,65ºC (-69,9ºF) (la temperatura del punto triple). El contenido de refrigeración del CO_{2} líquido aumenta según va disminuyendo la temperatura del producto. Por lo tanto, según disminuye la temperatura del producto, se necesita menos cantidad de CO_{2} líquido para proporcionar una cantidad dada de refrigeración requerida en el congelador de alimentos, lo cual puede constituir una ventaja económica. Igual que en el caso del diseño del condensador de purga, la selección de la temperatura del refrigerante CO_{2}, de la temperatura del producto y del diseño del subenfriador se hará para conseguir un rendimiento económico óptimo del sistema mientras que se mantenga un funcionamiento confiable.
El subenfriador 110 del producto puede ser diseñado también para subenfriar no solamente el líquido recirculado, sino también para reponerlo con líquido obtenido desde el depósito de almacenamiento a granel. Esta realización permite el uso de convencionales sistemas de almacenamiento a granel de CO_{2} líquido comercial, en lugar de los sistemas de almacenamiento subenfriados, que son más costosos. En este caso, sin embargo, el equipo con CO_{2} que se muestra en la Figura 4 necesita tener capacidad y diseño suficientes para el mayor caudal de refrigerante CO_{2}, lo cual aumenta el costo de esa parte del sistema. Este tipo de sistema puede requerir también cambios en el equipo y el funcionamiento del congelador. Por ejemplo, el congelador puede necesitar funcionar algunas veces con CO_{2} líquido a -17,78ºC (0ºF) convencional cuando el equipo de recirculación no está funcionando, debido a trabajos de mantenimiento o reparación, y otras veces con CO_{2} líquido subenfriado.
Una realización adicional reduce o elimina la cantidad de subenfriamiento del producto, y produce un producto CO_{2} líquido a aproximadamente 2068,5 kPa (300 psig) y -17,78ºC (0ºF) (equivalente a un CO_{2} líquido comercial típico). Esto reduce la cantidad del CO_{2} refrigerante requerido y por consiguiente los costos de capital y funcionamiento del sistema de recirculación. Un sistema de almacenamiento convencional puede utilizarse en vez de un sistema de almacenamiento subenfriado. Sin embargo, las necesidades de CO_{2} líquido del congelador son aproximadamente 20% mayores para un líquido suministrado a -17,78ºC (0ºF) en comparación con un líquido suministrado a -45,56ºC (-50ºF) (subenfriado). Estas necesidades más altas se aplican tanto al líquido recirculado como también a cualquier cantidad de líquido de reposición obtenido a partir del almacenamiento a granel de producto comercial. A causa de las mayores necesidades de CO_{2} líquido, esta alternativa da como resultado costes totales mayores para la congelación de alimentos cuando se le compara con el suministro del líquido subenfriado.
Distinciones del invento con respecto a la técnica anterior
La técnica anterior enseña que no se podría esperar que los métodos empleados en el presente invento fuesen útiles. Por ejemplo, la patente de los EE.UU. 4.639.257 señala que el alto porcentaje de CO_{2} en el gas de purga procedente de condensadores de purga refrigerados es debido a condiciones de equilibrio en la mezcla gaseosa a las usuales condiciones de funcionamiento de los condensadores. En el ejemplo que aquí se da, para la recuperación de CO_{2} a partir de mezclas que contienen hidrocarburos ligeros, la presión usual del condensador de 1896,12 kPa (290 psia) y la temperatura usual del condensador de -30ºC (-22ºF) conducen a concentraciones de vapor de alrededor de 60-70% de CO_{2}. La citada patente 4.639.257 señala también que esta situación no es mejorada sustancialmente por el funcionamiento a temperaturas más bajas, que puede conducir a la formación de azeótropos y/o a la solidificación de CO_{2}.
La patente de los EE.UU. 4.990.168 señala que una instalación convencional con 200 toneladas por día con una alimentación en alta concentración de CO_{2} tiene una corriente de purga con aproximadamente 75% de CO_{2}, dando lugar a una pérdida de 10-15% del CO_{2} de la alimentación. En contraste, el presente invento consigue concentraciones mucho más bajas de CO_{2} en la purga y menores pérdidas por purga de CO_{2}. Por ejemplo, con el presente invento, se consigue una concentración de purga de solamente 43% de CO_{2} con una temperatura de la purga de -45,56ºC (-50ºF). Esta baja temperatura de purga se consigue utilizando una baja temperatura del refrigerante CO_{2} a -52,78ºC (-63ºF) y una temperatura de aproximación de 7,22ºC (13ºF) en el condensador de purga.
Utilizando un refrigerante a baja temperatura se reducen las pérdidas por purga desde por encima de 30% del contenido de alimentación para un sistema convencional (condensador de purga a -28,89ºC 
\hbox{(-20ºF))}
hasta solo 8% (para una purga a -45,56ºC 
\hbox{(-50ºF))}
cuando se utiliza el presente invento para tratar una alimentación con 90% de CO_{2}. Las pérdidas pueden ser reducidas aún más utilizando menores temperaturas del refrigerante CO_{2} (tan bajas como las del punto triple de -56,62ºC (-69,9ºF)) y diseñando el condensador de purga para temperaturas de aproximación más cercanas.
La técnica anterior enseña que el vapor que se ha de recuperar a partir de los congeladores tiene baja pureza y no puede ser recuperado rentablemente por métodos como los que se enseñan aquí. Por ejemplo, la patente de los EE.UU. 4.952.223 señala que el vapor en los congeladores tiene significativamente menos que 89% de CO_{2}, y probablemente alrededor de 50% de CO_{2}. Aunque la patente de los EE.UU. 5.186.008 propone un método para aumentar la concentración de CO_{2} a mayores niveles, la patente propone todavía utilizar el sistema PSA de la patente de los EE.UU. 4.952.223 para licuefacción y purificación, padeciendo por ello de las desventajas de éste.
La patente de los EE.UU. 4.952.223 señala que el hecho de disminuir la temperatura del condensador de la columna para disminuir las pérdidas (tal como se hace en este invento) padece de importantes desventajas. Por ejemplo, esa patente 4.952.223 señala que en sistemas convencionales la columna de purificación está hecha de un barato acero al carbono, que se puede utilizar con temperaturas tan bajas como las de 
\hbox{-37,22ºC}
(-35ºF). Un acero inoxidable se debe de utilizar para temperaturas por debajo de -37,22ºC 
\hbox{(-35ºF),}
con un aumento importante en el costo del material. Sin embargo, se ha encontrado que en el invento del presente caso, sorprendentemente sólo el condensador de purga de la columna necesita estar hecho de un acero inoxidable.
La Figura 6 presenta un perfil calculado de temperaturas en la columna de destilación con CO_{2} 84, cuando se hace funcionar de acuerdo con el presente invento. La Etapa 1 representa el condensador de purga de la columna, las Etapas 2 hasta 11 son las etapas de equilibrio en la propia columna, y la Etapa 12 representa el rehervidor. La temperatura en la primera etapa de equilibrio por la parte superior de la columna (Etapa 2) se calcula para que sea solamente de -26,11ºC (-15ºF), y el resto de la columna funciona a temperaturas mayores, permitiendo que la columna sea hecha de acero al carbono.
Proporcionando CO_{2} líquido recirculado y de reposición en condiciones subenfriadas (-45,56ºC, 2068,5 kPa) (-50ºF y 300 psig) en lugar de hacerlo en condiciones saturadas convencionales (-17,78ºC, 2068,5 kPa) (0ºF y 300 psig) se consiguen unos ahorros de costos mediante una reducción del caudal de CO_{2} líquido que se requiere para una demanda dada de refrigeración. Por ejemplo, la diferencia de entalpías entre el CO_{2} líquido saturado a -17,78ºC (0ºF) y el vapor CO_{2} a -62,22ºC (-80ºF) (que es una temperatura típica de funcionamiento de los congeladores) proporciona un contenido teórico de refrigeración disponible de 276,14 kJ/kg (118,8 BTU/lb) de CO_{2} líquido. La correspondiente refrigeración disponible teórica para CO_{2} líquido subenfriado a -45,56ºC (-50ºF) es de 333,09 kJ/kg (143,3 BTU/lb) de CO_{2} líquido. Para una carga fija de refrigeración en un congelador, el uso de CO_{2} líquido subenfriado conseguirá una disminución de 17,1% en la circulación requerida de CO_{2} líquido. Esto reduce tanto el tamaño como el costo del sistema de recirculación que se requiere y también la cantidad del CO_{2} líquido comercial de reposición que debe ser adquirido. Ambos factores dan como resultado importantes ahorros económicos.

Claims (7)

1. Un método para la recuperación de CO_{2} desde una corriente de alimentación de entrada (50) que contiene una baja concentración de éste, que comprende las etapas de:
a.
comprimir (68) dicha corriente de alimentación de entrada (50) a una alta presión, y enfriar la corriente comprimida (70);
b.
aplicar dicha corriente de alimentación (70) comprimida durante la operación a) a una columna de destilación (84), en la que dicha corriente de alimentación (70) es convertida en un gas de purga (101) que incluye CO_{2} y un CO_{2} líquido de colas (92) de alta pureza;
c.
expandir (96) una primera porción (94) de dicho CO_{2} líquido de colas (92) de alta pureza de forma que se consiga un primer flujo de refrigerante CO_{2} líquido enfriado (98), en el que todo el dióxido de carbono queda en estado líquido;
d.
enfriar (100) dicho gas de purga (101) a través de intercambio de calor frente a dicho refrigerante CO_{2} líquido enfriado (98), formando de ese modo, a partir de dicho gas de purga (101), un líquido que está enriquecido en CO_{2} condensado y que se vuelve a introducir en dicha columna (84) mientras se purga el resto (102) de dicho gas agotado de CO_{2}, y formando también, a partir de dicho refrigerante CO_{2} líquido enfriado (98), un vapor refrigerante CO_{2} (116) que se recircula (124) como una parte de una corriente (120) al proceso de recuperación de dióxido de carbono; y
e.
expandir (106) una segunda porción (104) de dicho CO_{2} líquido de colas de alta pureza (92) para lograr un segundo caudal refrigerante CO_{2} enfriado (108), y subenfriar (110) la porción remanente (112) de dicho refrigerante CO_{2} líquido de colas de alta pureza (92) a través de intercambio de calor contra dicho caudal refrigerante CO_{2} líquido enfriado (108), formando de ese modo un producto de desagüe de CO_{2} líquido (114) y un vapor refrigerante CO_{2} (118) que se combina con dicho vapor refrigerante CO_{2} (116) en dicha corriente (120) y se recircula (124) al proceso de recuperación de dióxido de carbono.
2. El método que se cita en la reivindicación 1, en el que dicha corriente de alimentación de entrada (50) incluye una concentración de CO_{2} situada en un margen de aproximadamente 70% a 100%.
3. El método que se cita en la reivindicación 1, en el que la operación a. elimina la humedad arrastrada en dicho flujo comprimido (70) y acumula dicha humedad en un adsorbente (lechos 78,80), y dicho método incluye la etapa adicional de:
f.
subsiguientemente a la etapa de enfriamiento d., calentar el gas de purga remanente (102) y alimentar dicho gas de purga (102) que ha sido calentado hasta dicho adsorbente (lechos 78,80) para eliminar la humedad desde éste.
4. El método que se cita en la reivindicación 1, en el que dicho enfriamiento en la operación a.) comprende dos etapas de enfriamiento (72, rehervidor de 84), y en que entre dichas etapas de enfriamiento (72, rehervidor de 84), dicha corriente comprimida (70) es filtrada (salida de 78,80) para eliminar las bacterias arrastradas.
5. El método que se cita en la reivindicación 1, en el que dicho CO_{2} líquido de colas de alta pureza (114) recuperado en la etapa e. es suplementado con CO_{2} líquido en alta pureza de reposición (216) obtenido a partir de un sistema de almacenamiento independiente (218) antes del subenfriamiento.
6. El método de la reivindicación 1, que comprende además enfriar parcialmente (100) el CO_{2} procedente de dicho gas de purga (101) por medio de intercambio de calor con un refrigerante amoníaco inmediatamente antes de la operación d.
7. El método de la reivindicación 1, que comprende además subenfriar parcialmente (110) dicho CO_{2} de colas de alta pureza (112) mediante intercambio de calor con un refrigerante amoníaco inmediatamente antes de la operación e.
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