ES2233278T3 - Sistema de destilacion criogenica para separacion de aire. - Google Patents

Sistema de destilacion criogenica para separacion de aire.

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ES2233278T3 ES00201781T ES00201781T ES2233278T3 ES 2233278 T3 ES2233278 T3 ES 2233278T3 ES 00201781 T ES00201781 T ES 00201781T ES 00201781 T ES00201781 T ES 00201781T ES 2233278 T3 ES2233278 T3 ES 2233278T3
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Abstract

Un proceso para separar aire por destilación criogénica que comprende los pasos de alimentar aire comprimido, enfriado y purificado a una columna de alta presión (101) donde es separado en una primera corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior y una primera corriente enriquecida con oxígeno en la parte inferior, alimentar al menos una porción de la primera corriente enriquecida con oxígeno a una columna de presión intermedia (102) para producir una segunda corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior y una segunda corriente enriquecida con oxígeno en la parte inferior, enviar al menos una porción de la segunda corriente enriquecida con nitrógeno a una columna de baja presión (103) y/o a un condensador de la parte superior (27) de una columna de argón (104), enviar al menos una porción de la segunda corriente enriquecida con oxígeno a la columna de baja presión, separar las corrientes en la columna de baja presión en una tercera corriente enriquecida con oxígeno enla parte inferior y una tercera corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior de la columna de baja presión, enviar un gas de calentamiento a un re-ebullidor de la parte inferior (8) de la columna de baja presión, remover al menos una porción de la tercera corriente enriquecida con oxígeno (31) en un punto de remoción, remover una primera corriente enriquecida con argón que contiene entre 3 y 20% molar de argón de la columna de baja presión, enviar la primera corriente enriquecida con argón (33, 41) a la columna de argón que opera a una presión de al menos 0.5 bar más baja que la de la columna de baja presión que tiene un condensador en la parte superior, recuperar una segunda corriente enriquecida con argón (80), más rica en argón que la primera corriente enriquecida con argón, en la parte superior de la columna de argón y recuperar al menos parte de la cuarta corriente enriquecida con oxígeno (36) en la parte inferior de la columna de argón como una corriente de producto rica en oxígeno, caracterizado en que el tercer y cuarto fluidos enriquecidos con oxígeno (31, 36) tienen sustancialmente la misma pureza y que comprende enviar el tercer líquido enriquecido con oxígeno (33) a la parte inferior de la columna de argón, mezclar el tercer y cuarto fluido enriquecido con oxígeno y bombearlos juntos a una presión de vaporización.

Description

Sistema de destilación criogénica para separación de aire.
Está invención se aplica en particular a la separación de aire por destilación criogénica. A través de los años numerosos esfuerzos han sido dedicados al mejoramiento de esta técnica de producción para disminuir el costo del oxígeno el cual consiste principalmente en el consumo de energía y en el costo del equipamiento.
Ha sido conocido que un sistema de destilación de presión elevada es ventajoso para la reducción de los costos y cuando el nitrógeno presurizado puede ser utilizado el consumo de energía del sistema también es muy competitivo. Es útil notar que un sistema de presión elevada está caracterizado por el hecho de que la presión de la columna de presión más baja está por encima de 2 bar absoluta. El proceso de baja presión o convencional tiene una columna de presión más baja que opera a una presión ligeramente superior a la atmosférica.
Mientras más alta es la presión de la columna de presión más baja, más alta es la presión de aire que alimenta la columna de alta presión y más compacto es el equipo para ambas porciones fría y caliente de la planta lo que resulta en una reducción significativa del costo. Sin embargo, mientras mas alta es la presión, más difícil se hace el proceso de destilación ya que las volatilidades de los componentes presentes en el aire (oxígeno, argón, nitrógeno etc) se hacen más cercanas unas a otras de manera tal que seria necesario una mayor intensidad de energía para realizar la separación por destilación. Por lo tanto el proceso de presión elevada es bien apropiado para la producción de oxígeno de baja pureza (< 98% de pureza) donde la separación es realizada entre los componentes claves oxígeno-nitrógeno más fáciles en vez de los componentes claves oxígeno-argón mucho más difíciles. La volatilidad del oxígeno y el argón es tan cercana que incluso a presión atmosférica se requeriría un gran número de etapas de destilación y rangos altos de re-ebullición y reflujo para llevar a cabo tal separación. El proceso de presión elevada según la configuración corriente de los ciclos de los procesos del estado del arte de hoy en día no es ni conveniente ni económico para la producción de oxígeno de alta pureza (> 98% de pureza). Debido a que la principal impureza en el oxígeno es el argón, la producción de oxígeno de baja pureza implica la no producción de argón ya que más del 50% del argón contenido en el aire de alimentación se pierde en los productos de oxígeno y nitrógeno.
Por lo tanto es ventajoso alcanzar un proceso de presión elevada capaz de lograr la producción de oxígeno de alta pureza y también en ciertos casos la producción de argón.
La nueva invención descrita a continuación utiliza el proceso de triple-columna básico desarrollado para la producción de oxígeno de baja pureza y adiciona una columna de argón crudo para adicionalmente separar el oxígeno de baja pureza en oxígeno de una pureza más alta junto con el sub-producto argón. Al adicionar la columna de argón crudo uno puede producir oxígeno de alta pureza (típicamente en el 99.5% de pureza por volumen) requerido para muchas aplicaciones del gas industrial y al mismo tiempo producir argón que es un producto de valor de las plantas de separación de aire.
El proceso de doble-columna de presión elevada es descrito en la patente US-A-5224045.
El proceso de triple-columna es descrito en la patente US-A-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.
La patente US-A-5245832 divulga un proceso donde un sistema de doble-columna a presión elevada es usado en conjunto con una tercera columna para producir oxígeno, nitrógeno y argón. Para realizar la destilación a presión elevada un ciclo de bombeo en caliente de nitrógeno es usado para proporcionar la re-ebullición y el reflujo necesarios para el sistema. Además de la energía requerida para la separación del argón y el oxígeno en la tercera columna el ciclo de bombeo en caliente debe también proporcionar suficiente reflujo y re-ebullición igualmente para la segunda columna de esta manera el consumo de energía y el flujo del reciclo resultante sería alto.
La patente US-A-5331818 divulga un proceso de triple columna a presión elevada donde las columnas de presión más baja están dispuestas en cascada y reciben el reflujo del nitrógeno líquido en la parte superior. La segunda columna intercambia calor en la parte inferior con la parte superior de la columna de alta presión. La tercera columna intercambia calor en la parte inferior con la parte superior de la segunda columna. Este proceso permite optimizar la eficiencia del ciclo en función de la proporción de nitrógeno de baja presión con el de alta presión producido.
Ninguno de los procesos precedentes puede ser usado económicamente y eficientemente para producir oxígeno de alta pureza o argón.
La patente EP-A-0694745 divulga en la Fig. 2 un proceso y un aparato de acuerdo al preámbulo de las reivindicaciones independientes.
La patente US-A-4433989 divulga una unidad de separación de aire que usa una columna de alta presión, una columna de presión intermedia y una columna de baja presión, siendo los re-ebullidores superiores de las columnas de presión baja e intermedia calentados por el gas de la columna de alta presión. El gas de la columna de baja presión alimenta una columna de argón cuyo condensador de la parte superior es enfriado usando liquido de la parte inferior de la columna de presión intermedia. En este caso la columna de presión intermedia no tiene condensador en la parte superior y todo el nitrógeno de esa columna es expandido para producir la refrigeración.
De acuerdo a la invención, se proporciona un proceso de acuerdo a la reivindicación 1.
Una corriente que es rica en oxígeno contiene al menos 70% molar de oxígeno, preferiblemente 80% molar de oxígeno, aún más preferiblemente 90% molar de oxígeno, aún más preferiblemente 95% molar de oxígeno, aún más preferiblemente 99% molar de oxígeno.
Es útil notar que cuando una corriente es definida como una corriente de alimentación a una columna, la localización de su punto de alimentación no es especificada, puede ser en cualquier lugar de las zonas de transferencia de calor y transferencia de masa de esta columna donde sea que exista un contacto directo entre esta corriente y la corriente de fluido interno de la columna. El re-ebullidor de la parte inferior o el condensador de la parte superior son por lo tanto considerados como parte de la columna. Como un ejemplo, una alimentación de líquido a un re-ebullidor de la parte inferior de la columna es considerada como una alimentación a esta columna.
De acuerdo a aspectos opcionales adicionales de la invención:
- el proceso comprende enviar al menos una porción de la segunda corriente de líquido enriquecida con nitrógeno a la columna de baja presión, al menos vaporizar parcialmente una porción de la segunda corriente de líquido enriquecida con oxígeno en el condensador de la parte superior de la columna intermedia, enviar al menos una porción de al menos la segunda corriente enriquecida con oxígeno parcialmente vaporizada y una porción del segundo líquido enriquecido con oxígeno a la columna de baja presión.
- la columna de argón tiene un re-ebullidor en la parte inferior calentado por una corriente de gas.
- la corriente de gas contiene al menos 90% de nitrógeno.
- la corriente de gas que calienta el re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón es al menos una porción de una de la primera, segunda y tercera corrientes enriquecidas con nitrógeno.
- el proceso comprende comprimir al menos una porción de la tercera corriente enriquecida con nitrógeno y su envío como gas de calentamiento al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón.
- el proceso comprende enviar la cuarta corriente enriquecida con oxígeno a la columna de baja presión.
- el proceso comprende remover la primera corriente enriquecida con argón al menos 20 bandejas teóricas por debajo del punto de máxima concentración de argón en la columna de baja presión.
- el proceso comprende remover la primera corriente enriquecida con argón a lo máximo 30 bandejas teóricas por debajo del punto de máxima concentración de argón en la columna de baja presión.
- el proceso comprende remover la primera corriente enriquecida con argón en la parte inferior de la columna de baja presión.
- el proceso comprende remover la segunda corriente enriquecida con argón como productos.
- la tercera corriente enriquecida con oxígeno contiene al menos 95% de oxígeno y la segunda corriente enriquecida con argón contiene al menos 95% de argón.
- el proceso comprende remover la primera corriente enriquecida con argón a lo máximo 5 bandejas teóricas por encima de la parte inferior de la columna de baja presión y remover la cuarta corriente enriquecida con oxígeno como un producto.
- la cuarta corriente enriquecida con oxígeno contiene al menos 95% de oxígeno.
- el proceso comprende enviar líquido enriquecido con nitrógeno desde o cerca de la parte superior de la columna de baja presión al condensador de la parte superior de la columna de argón.
- el gas de calentamiento para el re-ebullidor de la parte inferior de la columna de baja presión es gas enriquecido con nitrógeno de la columna de alta presión o aire.
- las corrientes enriquecidas con oxígeno de diferentes purezas son removidas de la columna de baja presión.
- la columna de presión intermedia tiene un re-ebullidor de la parte inferior.
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- el proceso comprende enviar un gas enriquecido con nitrógeno desde la columna de alta presión al re-ebullidor de la parte inferior de la columna intermedia.
- el proceso comprende al menos parcialmente vaporizar o sub-enfriar al menos parte del segundo fluido enriquecido con nitrógeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
- el proceso comprende al menos parcialmente vaporizar o sub-enfriar al menos parte del segundo fluido enriquecido con oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
- la columna de presión intermedia tiene un condensador de la parte superior y el proceso comprende enviar al menos parte del segundo fluido enriquecido con oxígeno a este condensador de la parte superior para la evaporación.
- el aire es enviado a la columna de presión intermedia.
De acuerdo a aspectos adicionales de la invención, se proporciona un aparato de acuerdo a la reivindicación 23.
De acuerdo a opciones adicionales:
- la columna de argón tiene un re-ebullidor de la parte superior.
- existe un conducto para enviar una tercera corriente enriquecida con nitrógeno desde la columna de baja presión al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón.
- existe un compresor para comprimir la tercera corriente enriquecida con nitrógeno antes de enviarla al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón.
- existe un conducto para enviar un líquido enriquecido con nitrógeno desde la parte superior de la columna de baja presión al condensador de la parte superior de la columna de argón.
- el conducto para remover la primera corriente enriquecida con argón está conectado a la parte inferior de la columna de baja presión.
- existe un conducto para enviar la cuarta corriente enriquecida con oxígeno a un punto intermedio de la columna de baja presión.
- existen conductos para retirar las corrientes enriquecidas con oxígeno de purezas diferentes de la columna de baja presión.
- el conducto para remover la primera corriente enriquecida con argón está conectado a un nivel intermedio de la columna de baja presión.
- existen medios para al menos parcialmente vaporizar o sub-enfriar el segundo líquido enriquecido con nitrógeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
- existen medios para al menos parcialmente vaporizar o sub-enfriar el segundo líquido enriquecido con oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
- la columna de presión intermedia tiene un re-ebullidor de la parte inferior.
- existen medios para enviar un gas enriquecido con nitrógeno desde la columna de alta presión al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de presión intermedia.
- la columna de presión intermedia tiene un condensador de la parte superior.
- existen medios para enviar al menos parte del segundo fluido enriquecido con oxígeno al condensador de la parte superior de la columna de presión intermedia.
- existen medios para enviar aire a la columna de presión intermedia.
La nueva invención emprende este aspecto por medio de la adición de una columna de argón crudo, operada a presión relativamente más baja, al proceso de columna de triple-columna de presión elevada para realizar una separación eficiente del argón y el oxígeno lo cual es una necesidad para la producción de oxígeno de alta pureza y/o la producción de argón.
En una realización (Figura 1) el proceso puede describirse como sigue:
Aire libre de impurezas tal como humedad y CO_{2} es alimentado a una columna de alta presión donde es separado en una corriente rica en nitrógeno en la parte superior y una corriente rica en oxígeno en la parte inferior.
Al menos una porción de la corriente rica en oxígeno es alimentada a una columna lateral para producir una segunda corriente rica en nitrógeno en la parte superior y una segunda corriente rica en oxígeno en la parte inferior. Esta columna lateral preferiblemente tiene un re-ebullidor que intercambia calor con el gas rico en nitrógeno en o cerca de la parte superior de la columna de alta presión.
Una porción de la segunda corriente rica en nitrógeno es recuperada como reflujo líquido y alimentado a la columna de baja presión.
Al menos una porción de la segunda corriente rica en oxígeno en el condensador superior de la columna lateral es vaporizada y esta corriente vaporizada y la porción no vaporizada son alimentadas a la columna de baja presión.
La columna de baja presión separa sus alimentaciones en una tercera corriente de oxígeno rica en oxígeno en la parte inferior y una tercera corriente rica en nitrógeno en la parte superior. La parte inferior de la columna de baja presión intercambia calor con la parte superior de la columna de alta presión.
Al menos una porción de la tercera corriente rica en oxígeno es recuperada como producto de oxígeno.
Una corriente oxígeno-argón es extraída por encima de la tercera corriente rica en oxígeno. Esta corriente oxígeno-argón es alimentada a la columna de argón crudo. Una corriente de argón es recuperada en la parte superior de la columna de argón crudo y una cuarta corriente rica en oxígeno en la parte inferior de la columna de argón crudo.
Las Figuras 1 a 4 muestran diagramas de flujo para diferentes procesos de separación de aire y la Figura 5 muestra un proceso de acuerdo a la invención, el cual puede ser usado para producir oxígeno que contiene al menos 98% de oxígeno y preferiblemente más de 99% de oxígeno a partir de la columna de argón.
En la Figura 1, el aire de alimentación 1 sustancialmente libre de humedad y CO_{2} es dividido en tres corrientes 3,17,50 cada una de las cuales son enfriadas en el intercambiador principal 100. La corriente de aire 3 es comprimida en un aumentador de presión 5 antes del enfriamiento, atraviesa el intercambiador de calor 100, es expandida en una válvula o una turbina de líquidos (no mostrada) y alimentada a una columna de alta presión 101 en forma líquida. La corriente 17 es alimentada a la columna de alta presión 101 en forma gaseosa. La corriente 50 es comprimida en un aumentador de presión 6 y parcialmente enfriada en un intercambiador de calor 100 antes de ser expandida en la turbina 7 y enviada a la columna de baja presión 103. Por supuesto, alternativamente o adicionalmente pudiera ser proporcionada refrigeración por medio de una turbina Claude enviando aire a la columna de alta presión o una turbina que expande gas de una de las columnas 101,102. La primera corriente enriquecida con oxígeno 10 extraída de la columna 101 es sub-enfriada, expandida y enviada a un nivel intermedio de la columna de presión intermedia 102 donde es separada en una segunda corriente enriquecida con oxígeno 20 y una segunda corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior. Una porción de la segunda corriente enriquecida con nitrógeno es extraída como reflujo líquido 25 y enviada a la parte superior de la columna de baja presión.
Una porción 9 de un primer gas enriquecido con nitrógeno de la columna de alta presión 101 es enviada al re-ebullidor de la parte inferior 11 de la columna de presión intermedia 102, condensada y enviada de regreso a la columna de alta presión como reflujo. Otros fluidos de calentamiento tal como el gas de la parte más baja de la columna de alta presión pudieran ser considerados.
Parte del primer gas enriquecido con nitrógeno de la columna de alta presión 101 es usado para calentar el re-ebullidor de la parte inferior 8 de la columna de baja presión.
Parte de la segunda corriente enriquecida con oxígeno 20 es enviada a la columna de baja presión a continuación de la expansión y el resto es enviada al condensador de la parte superior 13 de la columna de presión intermedia 102 donde se vaporiza y es enviada a la columna de baja presión 103.
Una corriente enriquecida con nitrógeno 15 es removida más abajo de la corriente 9 o al mismo nivel que la corriente 9, expandida y enviada a la columna de baja presión. En este caso no es enviado ningún liquido enriquecido con nitrógeno desde la columna de alta presión a la columna de presión intermedia.
La columna de baja presión 103 separa sus alimentaciones en una tercera corriente enriquecida con oxígeno 31 que contiene al menos 95% de oxígeno en la parte inferior y una tercera corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior. La corriente de líquido 31 es bombeada en la bomba 19 y enviada al intercambiador de calor donde se vaporiza para formar producto de oxígeno gaseoso.
El oxígeno líquido puede por supuesto ser vaporizado en un vaporizador de productos por medio del intercambio de calor con el aire o nitrógeno solamente.
La columna de presión intermedia es operada 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.
La primera corriente enriquecida con argón 33 la cual es una corriente de líquido en este ejemplo que contiene entre 3 y 20% molar de argón es extraída por encima de la corriente de la parte inferior 31. La corriente 33 contentiva de oxígeno y argón es alimentada a un nivel intermedio de la columna de argón crudo 104 en forma líquida, seguida de la expansión en una válvula o turbina (no mostrada), donde es separada en una corriente de argón crudo 80 en la parte superior y en una cuarta corriente enriquecida con oxígeno 36 en la parte inferior. De esta manera la columna de argón es solamente alimentada por una corriente de líquido con un mínimo de componentes gaseosos debido al sello en la válvula. La corriente de líquido 36 es bombeada a la presión de la corriente 31 y allí mezclada. En esta realización la columna de argón crudo opera a una presión más baja que la columna de baja presión y es re-ebullida por medio de una corriente rica en nitrógeno 70, que contiene al menos 95% molar de nitrógeno y preferiblemente al menos 98% molar de nitrógeno, enviada desde la parte superior de la columna de baja presión al re-ebullidor de la parte inferior 23 y luego retornada a la parte superior de la columna de baja presión 103.
En este caso si fuera necesario pudieran ser usadas bandejas adicionales en la columna de argón para producir argón de alta pureza (99.9999%).
El condensador de la parte superior 27 de la columna de argón es enfriado usando líquido enriquecido con nitrógeno expandido 81 de la parte superior de la columna de baja presión 103 que contiene al menos 95% molar de nitrógeno y preferiblemente al menos 98% molar de nitrógeno. El líquido vaporizado es calentado en el sub-enfriador 83 y luego en el intercambiador de calor 100 para formar nitrógeno de baja presión 85.
Alternativamente líquido enriquecido con nitrógeno de la parte superior de la columna de presión intermedia o la parte superior de la columna de alta presión o la combinación de ambos líquidos enriquecidos con nitrógeno pueden ser usados para enfriar el condensador 27. Otra técnica alternativa es enviar el gas enriquecido con nitrógeno de la parte superior de la columna de baja presión al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón donde es condensado para formar un líquido enriquecido con nitrógeno. Al menos una porción de este líquido enriquecido con nitrógeno puede ser enviado al condensador de la columna de argón donde es vaporizado por el calor de intercambio con el gas de la parte superior de la columna para proporcionar la acción de reflujo necesaria.
El gas enriquecido con nitrógeno de la parte superior de la columna de baja presión es también calentado en los intercambiadores 83,100 para formar nitrógeno de presión media 72.
El nitrógeno de alta presión 93 es removido de la columna de alta presión y enviado al intercambiador de calor 100.
Adicionalmente o alternativamente, el nitrógeno líquido puede ser removido de una de las columnas, bombeado y vaporizado en el intercambiador de calor 100. El argón líquido puede ser removido de la columna de argón 104.
Ejemplo: para ilustrar el proceso de la Figura 1, una simulación fue conducida para mostrar las corrientes claves:
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El proceso de la Figura 2 difiere del de la Figura 1 en que la re-ebullición de la columna de argón crudo 104 es lograda por compresión adicional de una parte de la corriente 85 (o el producto de nitrógeno de la columna de baja presión) en el compresor 81 a temperatura ambiente, enfriamiento de la corriente comprimida en el intercambiador 100 y la condensación de esta corriente de reciclo en el re-ebullidor de la parte inferior 23 de la columna de argón crudo. La corriente 85 contiene al menos 90% de nitrógeno. El líquido condensado es alimentado a la parte superior de la columna de baja presión 103. Esta situación se aplica cuando la presión del aire de alimentación es baja resultando en una presión más baja en la columna de baja presión de manera tal que no sea posible en lo adelante re-ebullir la columna de argón crudo con el gas rico en nitrógeno en la parte superior de la columna de baja presión.
El proceso de la Figura 3 difiere del de la Figura 2 en que en vez de recuperar la cuarta corriente rica en oxígeno 36 como producto esta corriente es bombeada y reciclada de vuelta a la columna de baja presión para una destilación adicional en el mismo nivel que el punto de retiro de la corriente 33. La primera corriente enriquecida con argón 33 es enviada a la parte inferior de la columna de argón 104.
En el proceso de la Figura 4 el nitrógeno reciclado es usado para re-ebullir la columna de argón 104. La cuarta corriente enriquecida con oxígeno 36 es bombeada y vaporizada en el intercambiador de calor sin ser mezclada con otra corriente. En vez de producir el producto de oxígeno de alta pureza a partir de la columna de baja presión, la corriente oxígeno-argón 41 es extraída de la parte inferior de la columna de baja presión y enviada a un nivel intermedio de la columna de argón crudo donde es destilada en oxígeno de alta pureza 36 en la parte inferior y corriente de argón crudo 80 en la parte superior.
En vez de producir todo el oxígeno a alta pureza, es posible concebir un esquema donde solamente una porción 31 es proporcionada a alta pureza (es decir por encima de 98% de oxígeno) y otra porción es producida a baja pureza (por ejemplo 93% de O_{2}). En esta situación (se refiere a la Figura 1) la corriente de oxígeno de baja pureza puede ser extraída directamente de la corriente 33 o en la columna de baja presión 103 en la vecindad de la bandeja donde la corriente 33 es extraída. Esta configuración permite optimizar el consumo de energía en función de la cantidad de oxígeno puro producido.
Si el argón no es necesario uno puede reducir el número de bandejas teóricas de la columna de argón crudo por encima del punto de alimentación de la corriente 33. En esta situación la corriente de argón crudo todavía contiene suficiente concentración de oxígeno y puede ser desechada, usada para enfriar el aire de alimentación o enviarlo de vuelta a la columna de baja presión.
El número de bandejas en la columna de baja presión puede ser dispuesto para proporcionar una corriente de alimentación oxígeno-argón a la columna de argón crudo que contiene menos que 3ppm, preferiblemente menos que 1ppm de nitrógeno. El producto de argón crudo no contendrá por lo tanto nitrógeno (rango de ppm) y otra columna no sería necesaria para remover el nitrógeno. Si un número suficiente de bandejas están instaladas en la columna de argón crudo la corriente de argón crudo puede ser destilada a niveles de ppm de contenido de oxígeno de manera que el producto de argón final pueda ser producido directamente a partir de la columna de argón crudo. Esta columna de crudo puede ser de una sección única o múltiple con bombas de transferencia de líquidos entre las 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 una columna lateral. Será apreciado que las columnas pueden ser dispuestas de manera diferente, por ejemplo las columnas de alta presión y de baja presión pudieran ser posicionadas una junto a la otra, la columna de presión intermedia pudiera formar una estructura única con la columna de alta y/o baja presión etc. Por la misma razón la columna de argón crudo puede ser colocada junto con la columna de baja presión con el liquido enriquecido con nitrógeno de condensación del re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón crudo siendo transferido de vuelta a la columna de baja presión por medio de bombas por ejemplo.
Las versiones ilustradas muestran el uso del gas enriquecido con nitrógeno de la columna de alta presión para re-ebullir la columna de baja presión. Por supuesto aire u otro gas de una de las columnas pudiera ser usado para re-ebullir la columna de baja presión si otro re-ebullidor es proporcionado para condensar el gas enriquecido con nitrógeno contra un liquido de la parte más arriba de la columna de baja presión.
La columna de alta presión puede operar entre 10 y 20 bar, la columna de presión intermedia entre 6 y 13 bar, la columna de baja presión entre 3 y 7 bar y la columna de argón entre 1.1 y 2.5 bar.
La corriente rica en oxígeno de la parte inferior de la columna de argón contiene al menos 80% de oxígeno, preferiblemente 90% de oxígeno y aún más preferiblemente 95% de oxígeno.
Se puede observar de la descripción precedente que la tercera y cuarta corriente enriquecida con oxígeno puede ser extraída como productos de oxígeno. Para los ciclos de OXL bombeado (donde el oxígeno líquido es bombeado a presión alta luego vaporizado por intercambio de calor indirecto con aire de alta presión o nitrógeno para producir producto de oxígeno gaseoso de alta presión) uno puede evitar tener dos conjuntos diferentes de bombas de OXL para dos corrientes de productos por medio de la expansión de la tercera corriente enriquecida con oxígeno líquido en el sumidero de la columna de argón para mezclar con el cuarto material enriquecido con oxígeno y la corriente combinada de oxígeno líquido es entonces bombeada por un conjunto único de bombeo a presión más alta. La energía necesaria para el bombeo es ligeramente superior pero la disposición de la bomba es más simple y menos costosa.
De esta forma como se muestra en la Figura 5, la tercera corriente enriquecida con oxígeno es enviada a la parte inferior de la columna de argón en la región del re-ebullidor. Es entonces retirada con el resto del líquido de la parte inferior, bombeada a una presión de vaporización y evaporada en el intercambiador.
La tercera y cuarta corrientes enriquecidas con oxígeno pueden ser removidas en forma líquida o gaseosa.
El proceso puede ser usado para producir oxígeno, nitrógeno o argón en forma líquida si se dispone de una refrigeración suficiente.
Todas o algunas de las columnas pueden contener empaque estructurado del tipo corrugado cruzado o del tipo Werlen/Lehman descrito en la patente EP-A-0845293.
Aire puede ser enviado a la unidad de separación de aire desde el compresor de una turbina de gas o el soplete de un alto horno, posiblemente después de una etapa de compresión adicional.

Claims (36)

1. Un proceso para separar aire por destilación criogénica que comprende los pasos de alimentar aire comprimido, enfriado y purificado a una columna de alta presión (101) donde es separado en una primera corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior y una primera corriente enriquecida con oxígeno en la parte inferior,
alimentar al menos una porción de la primera corriente enriquecida con oxígeno a una columna de presión intermedia (102) para producir una segunda corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior y una segunda corriente enriquecida con oxígeno en la parte inferior, enviar al menos una porción de la segunda corriente enriquecida con nitrógeno a una columna de baja presión (103) y/o a un condensador de la parte superior (27) de una columna de argón (104), enviar al menos una porción de la segunda corriente enriquecida con oxígeno a la columna de baja presión,
separar las corrientes en la columna de baja presión en una tercera corriente enriquecida con oxígeno en la parte inferior y una tercera corriente enriquecida con nitrógeno en la parte superior de la columna de baja presión,
enviar un gas de calentamiento a un re-ebullidor de la parte inferior (8) de la columna de baja presión,
remover al menos una porción de la tercera corriente enriquecida con oxígeno (31) en un punto de remoción,
remover una primera corriente enriquecida con argón que contiene entre 3 y 20% molar de argón de la columna de baja presión,
enviar la primera corriente enriquecida con argón (33,41) a la columna de argón que opera a una presión de al menos 0.5 bar más baja que la de la columna de baja presión que tiene un condensador en la parte superior, recuperar una segunda corriente enriquecida con argón (80), más rica en argón que la primera corriente enriquecida con argón, en la parte superior de la columna de argón y recuperar al menos parte de la cuarta corriente enriquecida con oxígeno (36) en la parte inferior de la columna de argón como una corriente de producto rica en oxígeno,
caracterizado en que el tercer y cuarto fluidos enriquecidos con oxígeno (31,36) tienen sustancialmente la misma pureza y que comprende enviar el tercer líquido enriquecido con oxígeno (33) a la parte inferior de la columna de argón, mezclar el tercer y cuarto fluido enriquecido con oxígeno y bombearlos juntos a una presión de vaporización.
2. El proceso de la Reivindicación 1 que comprende enviar al menos una porción de la segunda corriente de líquido enriquecido con nitrógeno (25) a la columna de baja presión (103), al menos vaporizar parcialmente una porción de la segunda corriente de líquido enriquecida con oxígeno (20) en el condensador de la parte superior (13) de la columna intermedia (102), enviar al menos una porción de al menos la segunda corriente enriquecida con oxígeno parcialmente vaporizada y una porción del segundo líquido enriquecido con oxígeno a la columna de baja presión (103).
3. El proceso de la Reivindicación 1 ó 2 donde la columna de argón tiene un re-ebullidor en la parte inferior (23) calentado por una corriente de gas.
4. El proceso de la Reivindicación 3 donde la corriente de gas contiene al menos 95% de nitrógeno.
5. El proceso de la Reivindicación 4 donde la corriente de gas que calienta el re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón es al menos una porción de una de la primera, segunda y tercera corrientes enriquecidas con nitrógeno.
6. El proceso de la Reivindicación 5 que comprende comprimir al menos una porción de la tercera corriente enriquecida con nitrógeno y su envío como gas de calentamiento al re-ebullidor de la parte inferior (23) de la columna de argón.
7. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende remover la primera corriente enriquecida con argón (33,41) de la columna de baja presión en forma líquida.
8. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende remover la primera corriente enriquecida con argón (41) en la parte inferior de la columna de baja presión.
9. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende remover la segunda corriente enriquecida con argón (80) como producto.
10. El proceso de cualquier reivindicación precedente donde la tercera corriente enriquecida con oxígeno contiene al menos 95% molar de oxígeno y/o la segunda corriente enriquecida con argón contiene al menos 95% molar de argón.
11. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende remover la primera corriente enriquecida con argón (33,41) a lo máximo 5 bandejas teóricas por encima de la parte inferior de la columna de baja presión.
12. El proceso de cualquier reivindicación precedente donde la cuarta corriente enriquecida con oxígeno contiene al menos 95% molar de oxígeno.
13. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende enviar líquido enriquecido con nitrógeno (81) desde la parte superior de la columna de baja presión al condensador de la parte superior (27) de la columna de argón.
14. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende enviar líquido enriquecido con nitrógeno (9) desde la parte superior de la columna de alta presión al condensador de la parte superior (27) de la columna de argón.
15. El proceso de cualquier reivindicación precedente donde el gas de calentamiento para el re-ebullidor de la parte inferior (8) de la columna de baja presión (103) es gas enriquecido con nitrógeno de la columna de alta presión o aire.
16. El proceso de cualquier reivindicación precedente donde la columna de baja presión opera entre 3 y 7 bar.
17. El proceso de cualquier reivindicación precedente donde la columna de presión intermedia (102) tiene un re-ebullidor de la parte inferior (11).
18. El proceso de la Reivindicación 17 que comprende enviar un gas enriquecido con nitrógeno desde la columna de alta presión al re-ebullidor de la parte inferior (11) de la columna intermedia.
19. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende al menos parcialmente vaporizar o sub-enfriar al menos parte del segundo fluido enriquecido con nitrógeno y/o al menos parte del segundo fluido enriquecido con oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
20. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende enviar aire a la columna de presión intermedia (102) y/o la columna de baja presión (103).
21. El proceso de cualquier reivindicación precedente donde la columna de argón recibe a lo máximo 2% de alimentación gaseosa.
22. El proceso de cualquier reivindicación precedente que comprende enviar al menos una porción de la corriente enriquecida con nitrógeno condensado desde el re-ebullidor de la parte inferior (23) de la columna de argón al condensador de la parte superior (27) de la columna de argón.
23. Un aparato para separar aire por destilación criogénica que comprende una columna de alta presión (101), una columna de presión intermedia (102), una columna de baja presión (103) que tiene un re-ebullidor de la parte inferior (8) y una columna de argón (104) que tiene un condensador de la parte superior (27), un conducto para enviar aire a la columna de alta presión, un conducto para enviar al menos parte de un primer líquido enriquecido con oxígeno desde la columna de alta presión a la columna de presión intermedia, un conducto para enviar un segundo fluido enriquecido con oxígeno desde la parte inferior de la columna de presión intermedia a la columna de baja presión, un conducto para enviar un segundo fluido enriquecido con nitrógeno desde la parte superior de la columna de presión intermedia a la columna de baja presión y/o al condensador de la parte superior de la columna de argón, un conducto para enviar un gas de calentamiento al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de baja presión, un conducto para remover un tercer fluido enriquecido con oxígeno de la columna de baja presión, un conducto para enviar un líquido enriquecido con nitrógeno desde la columna de alta presión a la columna de baja presión, un conducto para enviar una primera corriente enriquecida con argón desde la columna de baja presión a la columna de argón, medios para expandir la primera corriente enriquecida con argón (33,41) aguas arriba de la columna de argón, un conducto para retirar una segunda corriente enriquecida con argón de la columna de argón y un conducto para retirar una cuarta corriente enriquecida con oxígeno de la columna de argón y remover al menos parte de la cuarta corriente enriquecida con oxígeno como una corriente de producto caracterizado en que comprende medios para mezclar el tercer y cuarto líquidos enriquecidos con oxígeno y luego bombearlos a una presión de vaporización, incluyendo dichos medios un conducto para enviar el tercer líquido enriquecido con oxígeno a la parte inferior de la columna de argón (104).
24. El aparato de la Reivindicación 23 donde la columna de argón tiene un re-ebullidor de la parte superior (23).
25. El aparato de la Reivindicación 24 que incluye un conducto para enviar una tercera corriente enriquecida con nitrógeno desde la columna de baja presión al re-ebullidor de la parte inferior (23) de la columna de argón (104).
26. El aparato de la Reivindicación 25 que incluye un compresor (81) para comprimir la tercera corriente enriquecida con nitrógeno antes de enviarla al re-ebullidor de la parte inferior de la columna de argón.
27. El aparato de una de las reivindicaciones 23 a 26 que comprende un conducto para enviar un líquido enriquecido con nitrógeno (81) desde la parte superior de la columna de baja presión al condensador de la parte superior (27) de la columna de argón.
28. El aparato de una de las reivindicaciones 23 a 27 donde el conducto para remover la primera corriente enriquecida con argón (41) está conectado a la parte inferior de la columna de baja presión.
29. El aparato de una de las Reivindicaciones 23 a 28 donde el conducto para remover la primera corriente enriquecida con argón (33) está conectado a un nivel intermedio de la columna de baja presión.
30. El aparato de una de las Reivindicaciones 23 a 29 que comprende medios para al menos parcialmente vaporizar o sub-enfriar el segundo líquido enriquecido con nitrógeno y/o el segundo líquido enriquecido con oxígeno antes de enviarlo a la columna de baja presión.
31. El aparato de una de las Reivindicaciones 23 a 30 donde la columna de presión intermedia tiene un re- ebullidor de la parte inferior (11).
32. El aparato de la Reivindicación 31 que comprende medios para enviar un gas enriquecido con nitrógeno desde la columna de alta presión al re-ebullidor de la parte inferior (11) de la columna de presión intermedia.
33. El aparato de la Reivindicación 23 a 32 donde la columna de presión intermedia tiene un condensador de la parte superior (13).
34. El aparato de la Reivindicación 33 que comprende medios para enviar al menos parte del segundo fluido enriquecido con oxígeno al condensador de la parte superior de la columna de presión intermedia.
35. El aparato de la Reivindicación 23 a 34 que comprende medios para enviar aire a la columna de presión intermedia y/o la columna de baja presión.
36. El aparato de la Reivindicación 23 a 35 donde el medio de expansión es una válvula.
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