ES2239634T3 - Sistema criogenico de licuefaccion de gas industrial. - Google Patents

Sistema criogenico de licuefaccion de gas industrial.

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ES2239634T3 ES01100462T ES01100462T ES2239634T3 ES 2239634 T3 ES2239634 T3 ES 2239634T3 ES 01100462 T ES01100462 T ES 01100462T ES 01100462 T ES01100462 T ES 01100462T ES 2239634 T3 ES2239634 T3 ES 2239634T3
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Michael Anthony Marino
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Abstract

Un método para licuar un gas industrial, que comprende: (A) comprimir (2, 3) gas industrial para producir gas industrial comprimido (13) y comprimir más (22, 23) una porción del gas industrial comprimido (17) para producir, una primera porción de gas industrial comprimido (16) y una segunda porción de gas industrial más comprimido (27); (B) enfriar la primera porción de gas industrial (16), turboexpandiendo (20) la primera porción de gas industrial enfriado (19) y calentar la primera porción de gas industrial turboexpandido (21) mediante intercambio de calor indirecto de flujo contracorriente horizontal con la segunda porción de gas industrial más comprimido (29) para enfriar la segunda porción de gas industrial más comprimido; (C) dividir la segunda porción de gas industrial enfriada en una primera parte (30) y en una segunda parte (33), turboexpandir (31) dicha primera parte y calentar la primera parte turboexpandida (32) mediante intercambio de calor indirecto con la segunda parte, de lasegunda porción de gas industrial enfriado en flujo vertical para licuar dicha segunda parte; y (D) recuperar la segunda parte de gas industrial licuado como gas industrial licuado producto (38).

Description

Sistema criogénico de licuefacción de gas industrial.
Campo técnico
Esta invención se refiere generalmente al intercambio de calor criogénico para la licuación de gases industriales.
Un método y aparato para licuar gases industriales similares a los de la invención son conocidos por la patente europea EP-A-0583189. Esta patente no especifica la estructura del intercambiador de calor que se utiliza cuando se realiza el procedimiento.
Técnica anterior
La licuación de gases de bajo punto de ebullición, tales como oxígeno y nitrógeno, es costosa tanto en inversión como en gasto de energía. Típicamente, los expertos han abordado el problema de mejorar el rendimiento de los licuadores utilizando múltiples turbinas y expansores de líquido. Generalmente, los intercambiadores de calor utilizados con estos sistemas están orientados en el plano vertical, debido a efectos hidráulicos del procedimiento. Esta práctica convencional lleva a largos recorridos de tubería con extremos calientes de gran diámetro interno y también requiere la utilización de un espacio significativo para el área de los intercambiadores de calor post-enfriadores y las tuberías asociadas.
En consecuencia, es un objetivo de la presente invención proporcionar un sistemade licuación de gases industriales con un diseño mejorado y menores costes que en sistemas convencionales de licuación de gases industriales.
Descripción detallada
El objetivo anterior se logra mediante la presente invención, siendo un aspecto de la cual:
Un método para licuar un gas industrial, que comprende:
(A) comprimir gas industrial para producir gas industrial comprimido y comprimir más una porción del gas industrial comprimido para producir una primera porción de gas industrial comprimido y una segunda porción de gas industrial más comprimido;
(B) enfriar la primera porción de gas industrial, turboexpandiendo la primera porción de gas industrial enfriado y calentar la primera porción de gas industrial turboexpandido mediante intercambio de calor indirecto de flujo en contracorriente horizontal con la segunda porción de gas industrial más comprimido para enfriar la segunda porción de gas industrial más comprimido;
(C) dividir la segunda porción de gas industrial enfriada en una primera parte y en una segunda parte, turboexpandir dicha primera parte y calentar la primera parte turboexpandida mediante intercambio de calor indirecto con la segunda parte, de la segunda porción de gas industrial enfriado en flujo vertical para licuar dicha segunda parte; y
(D) recuperar la segunda parte de gas industrial licuado como gas industrial licuado producto.
Otro aspecto de la invención es:
Aparato para licuar un gas industrial, que comprende:
(A) un intercambiador de calor que tiene conductos de paso de intercambio de calor orientados horizontalmente y que tiene conductos de paso de intercambio de calor orientados verticalmente en comunicación de flujo con los conductos de paso de intercambio de calor orientados horizontalmente;
(B) un primer sistema de compresión, un segundo sistema de compresión, medios para proporcionar gas industrial al primer sistema de compresión y desde el primer sistema de compresión a un conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor, y medios para proporcionar gas industrial desde el primer sistema de compresión al segundo sistema de compresión y desde el segundo sistema de compresión a un conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor;
(C) un primer turboexpansor, un segundo turboexpansor, medios para pasar gas industrial desde un conducto de paso orientado horizontalmente desde el intercambiador de calor al primer turboexpansor y desde el primer turboexpansor a otro conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor y medios para pasar gas industrial desde el intercambiador de calor al segundo termoexpansor y desde el segundo termoexpansor, bien a un conducto de paso orientado verticalmente o a un conducto de paso orientado horizontalmente; y
(D) medios para recuperar gas industrial licuado desde un conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor.
Como se utiliza en la presente invención, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa someter a los dos fluidos a una relación de intercambio de calor, sin ningún contacto físico o mezclamiento entre los fluidos.
Como se utiliza en la presente invención, el término "compresor" significa un dispositivo el cual, acepta fluido gaseoso a una presión y lo descarga a una presión mayor.
Como se utiliza en la presente invención, los términos "turboexpansión" y "turboexpansor" significan respectivamente, método y aparato para el flujo de gas de alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del gas, generando, por tanto, refrigeración.
Como se utiliza en la presente invención, los términos "subenfriamiento" y "subenfriador" significan respectivamente, método y aparato para enfriar un líquido a una temperatura menor que la temperatura de saturación de ese líquido para la presión existente.
Como se utiliza en la presente invención, la expresión "gas industrial" significa un fluido que comprende principalmente uno o más componentes, tales como nitrógeno, oxígeno, gas natural, o uno o más de otros hidrocarburos.
Breve descripción de la figura
La única figura es una representación esquemática simplificada, de una realización particularmente preferida del sistema de licuación de gas industrial criogénico de la invención.
Descripción detallada
La invención se describirá con detalle en relación a la figura. Con respecto a la figura, el gas industrial 1, por ejemplo, nitrógeno, generalmente con una presión hasta aproximadamente 1,38.10^{5} Pa, tal como el proveniente de una planta de separación de aire, se hace pasar a un primer sistema de compresión, que comprende compresor de alimentación 2 y compresor de reciclo 3. En la realización que ilustra la figura, la corriente de alimentación de gas industrial 1, se combina con la corriente de reciclo 4, para formar la corriente combinada 5, para pasar al compresor de alimentación 2.
Dentro del compresor de alimentación 2, la alimentación de gas industrial se comprime a una presión generalmente dentro del intervalo de 3,45.10^{5} Pa a 5,86.10^{5} Pa y la corriente resultante de gas industrial 6, se enfría del calor de compresión en el enfriador 7. La corriente resultante de gas industrial 8, se hace pasar al compresor de reciclo 3, del primer sistema de compresión. En la realización de la invención que ilustra la figura, tanto una corriente de retorno de presión media 9, como una corriente adicional 10 de la planta de separación de aire y una corriente de reciclo 11, del compresor 3, se hacen pasar a la corriente de gas industrial 8, para formar la corriente de gas industrial 12, y pasar al compresor de reciclo 3.
Dentro del compresor de reciclo 3, el gas industrial en la corriente 12, se comprime a una presión generalmente dentro del intervalo de 13,1.10^{5} Pa a 26,2.10^{5} Pa, para formar la corriente de gas industrial comprimido 13. El calor de compresión se elimina de la corriente 13, pasando a través del enfriador 14 y la corriente resultante de gas industrial comprimido 15, se divide en una primera porción 16 y en una segunda porción 17.
El intercambiador de calor 18, comprende cuatro zonas identificadas en la figura como zonas 1, 2, 3, y 4. Los conductos de paso del producto del intercambio de calor en la zona 1, están orientados verticalmente y los conductos de paso de intercambio de calor en zonas 2, 3 y 4 están orientados horizontalmente. Preferiblemente, en la zona 1 todos los conductos de paso de intercambio de calor están orientados verticalmente. Sin embargo, la invención también se puede llevar a la práctica con láminas separadoras horizontales y orientación transversal del flujo de manera que las corrientes de retorno en la zona 1, estén orientadas horizontalmente mientras que la corriente de producto esté orientada verticalmente. Los expertos en la técnica deben de entender que son permisibles ligeras desviaciones desde vertical absoluto a horizontal absoluto en la práctica de esta invención, sin comprometer mayormente la eficacia de la invención.
La primera porción de gas industrial comprimido 16, se hace pasar a una entrada de un conducto de paso de intercambio de calor horizontal en la zona 4 y se enfría fluyendo a través de ese conducto de paso para formar la primera porción de gas industrial comprimido enfriado el cual se retira de la zona 4, del intercambiador de calor 18, en la corriente 19. La primera porción de gas industrial enfriado que se encuentra en la corriente 19, se turboexpande pasando a través de calor o primer turboexpansor 20 y la primera porción resultante de gas industrial turboexpandido 21, se calienta pasando a través de zonas 3 y 4 del intercambiador de calor 18, saliendo de ahí como corriente de retorno 9, antes mencionada.
La segunda porción de gas industrial comprimido 17, se comprime de nuevo pasando a través de un segundo sistema de compresión el cual, en la realización que ilustra la figura comprende el compresor potenciador de calor 22 y compresor potenciador de frío 23. La corriente 17 se comprime pasando a través del compresor 22, a una presión generalmente dentro del intervalo de 20,68.10^{5} Pa a 87,23.10^{5} Pa y la corriente resultante de gas industrial 24, se enfría del calor de compresión pasando a través del enfriador 25. La corriente resultante 26, se comprime pasando a través del compresor 23, a una presión generalmente dentro del intervalo de 31,03.10^{5} Pa a 52,40.10^{5} Pa saliendo de ahí, como segunda porción de gas industrial más comprimido en la corriente 27. La segunda porción de gas industrial más comprimido 27, se enfría del calor de compresión pasando a través del enfriador 28 y la segunda porción resultante de gas industrial más comprimido se hace pasar a la corriente 29, por un conducto de paso de intercambio de calor horizontal en la zona 4, del intercambiador de calor 18.
La segunda porción de gas industrial más comprimido 27, se enfría pasando a través de la zonas 4, 3 y 2 del intercambiador de calor 18, mediante intercambio de calor indirecto con corrientes calentadoras que fluyen en contracorriente, tal como la corriente 21, como se describió antes, para formar la segunda porción de gas industrial enfriada, de la cual se retira una primera parte del intercambiador de calor 18, en la corriente 30 y se hace pasar por frío o segundo turboexpansor 31. La corriente 30, se turboexpande pasando a través del turboexpansor 31 y la corriente resultante turboexpandida 32, se hace pasar por un conducto de paso de intercambio de calor preferiblemente orientado verticalmente en la zona 1, del intercambiador de calor 18.
La restante, o segunda parte de la segunda porción de gas industrial enfriado se hace pasar hacia abajo, a través de la zona 1, del intercambiador de calor 18, preferiblemente en contracorriente hacia corrientes que fluyen hacia arriba, tales como la corriente 32 antes mencionada y se licua mediante intercambio de calor indirecto, para de ahí formar una segunda parte de gas industrial licuado en la corriente 33. Como se ilustra en la figura, la corriente 32 después del intercambio de calor con la segunda parte del gas industrial enfriado, pasa horizontalmente a través de la zona 2, del intercambiador de calor 18 y a continuación, se combina con la corriente 21, para pasar posteriormente a través de las zonas 3 y 4 del intercambiador de calor 18, antes de salir como la corriente 9 antes descrita.
La corriente 33, se puede recuperar como gas industrial licuado producto. La figura ilustra una realización particularmente preferida de la invención en la que la corriente 33, se subenfría antes de la recuperación. De acuerdo con esta realización particularmente preferida la corriente 33, la cual puede ser un líquido o un pseudo-líquido dependiendo de su composición y presión, se regula por estrechamiento a través de la válvula 34, a una presión generalmente dentro del intervalo de 5,51.10^{5} Pa a 8,27.10^{5} Pa y la corriente resultante 35, se subenfría pasando a través del subenfriador 36, desde el cual se retira como corriente subenfriada 37, algo o todo de la cual se recupera como gas industrial licuado producto en la corriente 38. En la realización que ilustra la figura no toda la corriente 37 se recupera directamente, sino que más bien una corriente 39, de la corriente 37, se regula por estrechamiento a través de la válvula 40, a una presión generalmente dentro del intervalo de 1,10.10^{5} Pa a 1,31.10^{5} Pa y se hace pasar como corriente 41, a través del subenfriador 36, en el que se calienta por intercambio de calor indirecto para efectuar el subenfriamiento de la corriente 35. La corriente resultante 42, se hace pasar del subenfriador 36, al intercambiador de calor 18 y se calienta pasando a través del intercambiador de calor 18, preferiblemente en contracorriente mediante intercambio de calor indirecto con las corrientes refrigerantes o condensantes antes mencionadas. La corriente 42, fluye hacia arriba en la zona 1, del intercambiador de calor 18 y horizontalmente a través de las zonas 2, 3 y 4 del intercambiador de calor 18, saliendo de ahí como corriente caliente 43, la cual se hace pasar a través de la válvula 44, para formar la corriente de reciclo 4, como se describió previamente.
Con el uso de intercambio de calor indirecto en contracorriente horizontal, en las zonas sensibles de intercambio de calor e intercambio de calor indirecto en contracorriente vertical, en la zona de condensación del intercambiador de calor de licuación, se logra una licuación más eficaz de gas industrial. Se pueden utilizar recorridos de tuberías más cortos para el funcionamiento de la unidad fuera del paquete de caja fría y se facilita el diseño del patín deslizante del equipo. El intercambio de calor sensible se maximiza, mientras que la distribución de fluidos se facilita especialmente en la zona de condensación.
Aunque la invención se ha descrito con detalle en relación a una realización particularmente preferida, también se puede utilizar una disposición de turbina paralela para llevar a cabo la invención.

Claims (10)

1. Un método para licuar un gas industrial, que comprende:
(A) comprimir (2, 3) gas industrial para producir gas industrial comprimido (13) y comprimir más (22, 23) una porción del gas industrial comprimido (17) para producir, una primera porción de gas industrial comprimido (16) y una segunda porción de gas industrial más comprimido (27);
(B) enfriar la primera porción de gas industrial (16), turboexpandiendo (20) la primera porción de gas industrial enfriado (19) y calentar la primera porción de gas industrial turboexpandido (21) mediante intercambio de calor indirecto de flujo contracorriente horizontal con la segunda porción de gas industrial más comprimido (29) para enfriar la segunda porción de gas industrial más comprimido;
(C) dividir la segunda porción de gas industrial enfriada en una primera parte (30) y en una segunda parte (33), turboexpandir (31) dicha primera parte y calentar la primera parte turboexpandida (32) mediante intercambio de calor indirecto con la segunda parte, de la segunda porción de gas industrial enfriado en flujo vertical para licuar dicha segunda parte; y
(D) recuperar la segunda parte de gas industrial licuado como gas industrial licuado producto (38).
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la segunda parte de gas licuado (35) se subenfría (36) antes de recuperarlo como gas industrial licuado producto (38).
3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que un flujo parcial de la segunda parte licuada y subenfriada se reduce en presión (40) y a continuación, se calienta (36) mediante intercambio de calor indirecto para llevar a cabo el subenfriamiento de la segunda parte licuada.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el flujo parcial calentado resultante (42) se calienta más mediante intercambio de calor indirecto en contracorriente vertical (18), con la segunda parte de gas industrial enfriado para ayudar a licuar dicha segunda parte.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el flujo parcial más calentado resultante se calienta una vez más, mediante intercambio de calor indirecto en contracorriente horizontal con la segunda porción de gas industrial más comprimido, para ayudar a enfriar dicha segunda porción de gas industrial.
6. Aparato para licuar un gas industrial, que comprende:
(A) un intercambiador de calor (18) que tiene conductos de paso de intercambio de calor orientados horizontalmente y que tiene conductos de paso de intercambio de calor orientados verticalmente en comunicación de flujo con los conductos de paso de intercambio de calor orientados horizontalmente;
(B) un primer sistema de compresión (2, 3), un segundo sistema de compresión (22, 23), medios para proporcionar gas industrial al primer sistema de compresión (1) y desde el primer sistema de compresión a un conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor y medios (17) para proporcionar gas industrial desde el primer sistema de compresión al segundo sistema de compresión y desde el segundo sistema de compresión a un conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor (18);
(C) un primer turboexpansor (20), un segundo turboexpansor (31), medios (19) para pasar gas industrial de un conducto de paso orientado horizontalmente desde el intercambiador de calor al primer turboexpansor y desde el primer turboexpansor a otro conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor y medios (30) para pasar gas industrial desde el intercambiador de calor al segundo termoexpansor y del segundo termoexpansor, bien a un conducto de paso orientado verticalmente o a un conducto de paso orientado horizontalmente; y
(D) medios (35, 36, 37, 38) para recuperar gas industrial licuado desde un conducto de paso orientado horizontalmente del intercambiador de calor.
7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, que además comprende un subenfriador (36), en el que los medios para recuperar gas industrial licuado de un conducto de paso orientado verticalmente del intercambiador de calor incluye el subenfriador.
8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, que además comprende una válvula reguladora (40), medios (39) para pasar el gas industrial licuado desde el subenfriador a la válvula reguladora y medios (41) para pasar fluido de la válvula reguladora de vuelta al subenfriador.
9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 8, que además comprende medios (42) para pasar el gas industrial licuado reducido en presión desde el subenfriador (36) al intercambiador de calor.
10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, que además comprende medios (9, 43) para pasar fluido desde el intercambiador de calor al primer sistema de compresión.
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