ES2233278T3 - Sistema de destilacion criogenica para separacion de aire. - Google Patents
Sistema de destilacion criogenica para separacion de aire.Info
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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.
\newpage
- 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:
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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