ES2244560T3 - Procedimiento y aparato para la produccion de oxigeno gaseoso a baja presion. - Google Patents

Procedimiento y aparato para la produccion de oxigeno gaseoso a baja presion.

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Abstract

Un procedimiento para la producción de oxígeno gaseoso (-GOX-), comprendiendo dicho procedimiento: enfriar y condensar, al menos, parcialmente aire alimentado -1) por intercambio de calor usando un medio de intercambio de calor -E1) que tiene un extremo templado y un extremo frío, para producir aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado -2); destilar dicho aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado -2) en un sistema de columnas de destilación -C1, C2) para fabricar producto de oxígeno líquido (-LOX-); eliminar una corriente -8) de dicho producto de LOX procedente del sistema de columnas de destilación -C1, C2) y vaporizar dicha corriente de producto de LOX -8) por intercambio de calor -E1) contra el aire alimentado -1) para producir GOX; y separadamente del producto de LOX, vaporizar refrigerante de LOX -10) de una fuente externa por intercambio de calor -E1) contra el aire alimentado -1) para producir refrigerante vaporizado -11), proporcionando de este modo una parte de las necesidades de refrigeración requeridas para enfriar y condensar, al menos, parcialmente el aire alimentado; comprendiendo dicho procedimiento el refrigerante de LOX que se inyecta en el medio de intercambio de calor -E1): -a) a una presión mayor que la del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor; o -b) a una presión sustancialmente igual que la del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor y en un punto intermedio entre los extremos templado y frío en el que la temperatura del medio de intercambio de calor -E1) está por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante de LOX.

Description

Procedimiento y aparato para la producción de oxígeno gaseoso a baja presión.
La presente invención se refiere, en general, a la producción de gas oxígeno ("GOX") y, en particular, a la producción de GOX a baja presión por la destilación criogénica de aire.
Existe un mercado considerable, especialmente en las industrias del vidrio y metalúrgica, para el GOX de pureza baja, por ejemplo de 90 a 98% en peso, a baja presión, por ejemplo de 1,5 a 3,0 bar absolutos (de 0,15 a 0,3 MPa). El GOX se usa en procedimientos que requieren una combustión enriquecida en oxígeno en la que la presión requerida del oxígeno en el punto de uso es cercana a la atmosférica.
Comúnmente se usa un procedimiento de adsorción de O_{2} por variación de vacío ("VSA") para aplicaciones que requieren de 90 a 93% de O_{2}. Sin embargo, se requiere a veces GOX con más de un 98% de O_{2} y, de esta forma, se usan también procedimientos en planta criogénica. Existen muchas descripciones públicas anteriores de procedimientos que usan destilación criogénica de aire para fabricar un producto de GOX. Varios de los procedimientos descritos usan un líquido criogénico de una fuente externa como refrigerante. Por ejemplo, en los documentos US-A-4853015 (Yoshino) y US-A-4732595 (Yoshino) se inyecta oxígeno líquido ("LOX") en la columna a baja presión de un sistema de destilación de doble columna para proporcionar refrigeración. En el documento US-A-4732595, se usa un expansor para proporcionar algunos de los requerimientos de refrigeración del procedimiento. El uso de tal expansor aumenta los costes de capital global y de funcionamiento del procedimiento y, como tal, es indeseable.
En el documento US-A-5408831 (Guillard et al) se destila aire de forma criogénica en un sistema de destilación de doble columna sin el uso de un expansor para proporcionar una parte de las necesidades de refrigeración. El GOX, en el intervalo de 2 a 5 bar absolutos (de 0,2 a 0,5 MPa), se toma de la columna a baja presión ("LP") del sistema de columnas de destilación como producto. Es una característica esencial del procedimiento de Guillard que se proporciona alguna refrigeración por expansión de, al menos, un producto gaseoso de una columna a LP del sistema de columnas de destilación. Un refrigerante de LOX de una fuente externa puede proporcionar parte de las necesidades de refrigeración requeridas para condensar la alimentación de aire alimentado al sistema de columnas. El refrigerante puede introducirse en la columna a LP o en el producto de GOX en una posición intermedia del intercambiador de calor principal. La temperatura actual a la que se introduce el LOX se elige para minimizar el riesgo de explosión de cualquier impureza de hidrocarburos.
Para conseguir la presión del producto de GOX requerida, el sistema de columnas en el documento US-A-5408831 se contrapresuriza. Como resultado de esta contrapresurización del sistema de columnas, la presión del aire es necesariamente mayor, a una presión en el intervalo de 8 a 16 bar absolutos (de 0,8 a 1,6 MPa), que en procedimientos sin contrapresurización de columnas dando una considerable penalización de energía de aproximadamente un 12% para un flujo de aire dado. Tal penalización representa un aumento indeseable en los costes de funcionamiento, especialmente cuando se considera que la energía es el principal coste de funcionamiento de una 
\hbox{planta de separación de aire.}
Se desean procedimientos que produzcan GOX a baja presión en los que la energía del compresor de aire se minimice sin afectar de forma adversa tanto los costes de capital global como de funcionamiento. A este respecto se sabe proporcionar al menos parte de las necesidades de refrigeración requeridas para enfriar y condensar, al menos parcialmente, por intercambio de calor el aire alimentado antes de la destilación criogénica mediante el uso de un refrigerante de LOX de una fuente externa.
El documento US-A-5505052 (Ekins et al) describe un procedimiento para la destilación criogénica de aire usando un sistema de doble columna que tiene una columna a presión elevada ("HP") y una columna a LP para producir GOX a una presión de aproximadamente 25 bar (2,5 MPa) para uso en instalaciones que comprenden, por ejemplo, hornos de arco eléctrico adaptados para producir acero inoxidable. El oxígeno se retira en forma líquida de la base de la columna a LP, se lleva a la presión de utilización mediante una bomba y se vaporiza y se recalienta a aproximadamente temperatura ambiente en la línea de intercambio de calor contra el aire alimentado. La instalación se alimenta entonces con el oxígeno gaseoso.
Una parte del LOX retirado de la base de la columna puede enviarse a almacenamiento, por ejemplo, durante periodos de baja demanda de GOX en la instalación, en el que se mantiene hasta el momento tal en que la demanda de GOX en la instalación se vuelve elevada, con lo cual se bombea a la presión de utilización y se vaporiza y se recalienta a aproximadamente temperatura ambiente en la línea de intercambio de calor contra el aire alimentado. El LOX procedente de almacenamiento puede viajar a través de los mismos conductos de vaporización, a través de la línea de intercambio de calor que el LOX procedente del sistema de columnas o puede viajar a través de conductos de vaporización separados. La instalación se alimenta entonces con el oxígeno gaseoso.
Puede añadirse LOX adicional procedente de camiones cisterna al LOX en almacenamiento, por ejemplo, durante periodos prolongados de elevada demanda de GOX. Alternativamente, la instalación de almacenamiento puede no estar conectada al sistema de doble columna y puede ser proveída sólo por camiones cisterna. En las realizaciones ejemplificadas del procedimiento descrito en Ekins et al, el LOX, tanto procedente del sistema de doble columna como procedente del almacenamiento, entra en la línea de intercambio de calor en el extremo frío, es decir, el extremo en el que el aire enfriado sale de la línea.
En Ekins et al, tanto el producto de LOX de la columna de destilación como el LOX adicional procedente de almacenamiento se bombean a una presión (aproximadamente 25 bar (2,5 MPa)) que es considerablemente mayor que la presión de la columna a LP (aproximadamente de 5 a 6 bar (de 0,5 a 0,6 MPa)). Además, una parte de las necesidades de refrigeración totales requerimiento del procedimiento la proporciona un expansor y una parte adicional la proporciona el calentamiento y evaporación de una corriente de argón líquido.
Existe la necesidad de un procedimiento y un equipo para la producción de GOX a baja presión con menores costes de capital y funcionamiento comparados con los procedimientos existentes. Existe también la necesidad de un procedimiento para la producción de GOX a una presión más baja en el que se reduzca el riesgo de explosión resultante del depósito en la línea de intercambio de calor de impurezas, por ejemplo hidrocarburos, CO_{2} y NO_{2}, procedentes del LOX. El riesgo se discute en más detalle a continuación en la descripción general de la invención.
Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para la producción de GOX, comprendiendo dicho procedimiento:
enfriar y condensar, al menos, parcialmente aire alimentado, por intercambio de calor usando medios de intercambio de calor que tienen un extremo templado y un extremo frío, para producir aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado;
destilar dicho aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado en un sistema de columnas de destilación para fabricar producto de LOX;
eliminar una corriente de dicho producto de LOX procedente del sistema de columnas de destilación y vaporizar dicha corriente de producto de LOX por intercambio de calor contra el aire alimentado para producir GOX; y
separadamente del producto de LOX, vaporizar refrigerante de LOX de una fuente externa por intercambio de calor contra el aire alimentado para producir refrigerante vaporizado, proporcionando de este modo una parte de las necesidades de refrigeración requeridas para enfriar y condensar, al menos, parcialmente el aire alimentado;
comprendiendo dicho procedimiento el refrigerante de LOX que se inyecta en el medio de intercambio de calor:
(a)
a una presión mayor que la del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor; o
(b)
a una presión sustancialmente igual que la del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor y en un punto intermedio entre los extremos templado y frío en el que la temperatura del medio de intercambio de calor está por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante de LOX.
El medio de intercambio de calor comprende un "extremo templado" (o "extremo caliente") y un "extremo frío". El extremo templado (o extremo caliente) es el extremo en el que el aire alimentado entra en el medio de intercambio de calor y el extremo frío es el extremo en el que el aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado sale del medio de intercambio de calor. La terminología "extremo templado" (o "extremo caliente") y "extremo frío" se usan comúnmente en la técnica para distinguir los dos extremos del medio de intercambio de calor mediante sus temperaturas relativas.
El GOX puede producirse a una presión ligeramente elevada por una técnica conocida en la que el producto de LOX se retira de la columna a LP de un sistema de doble columna. El LOX se retira del sistema de columnas de destilación y se vaporiza y se calienta por intercambio de calor contra el aire alimentado. Una fracción del aire alimentado se condensa por intercambio de calor contra el LOX retirado y, de esta forma, hay menos vapor de aire que entra en el sistema de columnas de destilación que el que habría de otra manera si el aire alimentado tuviera que ser sometido a intercambio de calor indirecto con el GOX retirado del sistema de columnas. Esto tiene el efecto de reducir la eficacia de la destilación cuando se compara con un procedimiento en el que el GOX se retira del sistema de columnas de destilación. Sin embargo, como sólo se requiere GOX de baja pureza, no hay penalización en el rendimiento ya que aproximadamente 99,7% del O_{2} se convierte en producto. Por lo tanto el procedimiento es sorprendentemente eficaz.
Una razón para usar LOX como el refrigerante es que el refrigerante de LOX vaporizado puede combinarse con el GOX producido por la vaporización del producto de LOX para fabricar producto de GOX. De esta forma, no hay desperdicio de refrigerante vaporizado.
Preferentemente, el sistema de columnas de destilación comprende un sistema de columnas múltiple que tiene una columna a una presión mayor ("HP") y una columna a una presión menor ("LP") que están integradas térmicamente por la condensación de nitrógeno en cabeza de la columna a HP contra el líquido de la parte de abajo en la columna a LP. Una parte del nitrógeno de la columna a HP condensado de la parte de arriba puede subenfriarse por intercambio de calor para producir una corriente de nitrógeno subenfriado que puede alimentarse a la columna a LP.
En procedimientos preferidos, el refrigerante de LOX proporciona todas las necesidades de refrigeración requeridas sustancialmente para mantener la planta en equilibrio de energía. La expansión de una corriente de proceso no proporciona, preferentemente, ninguna necesidad de refrigeración. Cualquier fuga de calor en el procedimiento vía aislamiento y el hecho de que la corriente de producto deja el intercambiador de calor a una temperatura que es ligeramente menor que la temperatura de entrada del aire alimentado se tiene en cuenta para calcular la cantidad de refrigerante de LOX requerido.
Sorprendentemente, vaporizar y calentar el refrigerante de LOX separadamente del LOX producto tiene un efecto pequeño en los perfiles de temperatura del intercambiador de calor principal y causa sólo un incremento muy pequeño en la cantidad del refrigerante. Esto está especialmente claro para un procedimiento de la invención en el que el refrigerante de LOX se vaporiza y se calienta, sustancialmente, a la misma presión que el producto de LOX pero se introduce en el intercambiador de calor en un punto intermedio entre los extremos templado y frío del intercambiador de calor.
El refrigerante de LOX se vaporiza separadamente del producto de LOX para reducir el riesgo de cualquier problema resultante de la acumulación de impurezas de hidrocarburos como etileno debido al depósito de CO_{2} y NO_{2} en las superficies de las paredes interiores de los conductos de ebullición a través del intercambiador de calor.
Las fuentes comerciales de refrigerante de LOX, por ejemplo producido por una planta de separación de aire, contendrán impurezas de hidrocarburos, CO_{2} y NO_{2}. La concentración de estas impurezas en el refrigerante de LOX variará dependiendo de la planta que lo produzca, del modo de funcionamiento de la planta y de la proporción de LOX producido respecto al aire alimentado que entra en la planta. Son típicas concentraciones de aproximadamente 1.500 ppb (vol.) de CO_{2} y de aproximadamente 3.000 ppb (vol.) de NO_{2}.
Como el producto de LOX hierve a aproximadamente 2,2 bar absolutos (0,22 MPa), la solubilidad de la fase de vapor de las impurezas de CO_{2} y NO_{2} es de aproximadamente 50 ppb (vol.) y de aproximadamente 500 ppb (vol.) respectivamente. Si el refrigerante de LOX tuviera que ser introducido directamente en la corriente de producto de LOX, la concentración de impurezas de la corriente de LOX combinada estaría suficientemente incrementada para merecer el interés sobre la indeseable y peligrosa acumulación de depósitos de impurezas en el intercambiador de calor. Incluso una muy pequeña cantidad de "pérdida" de CO_{2} y NO_{2} procedente de la purificación de aire causará que la concentración de CO_{2} y/o NO_{2} sobrepase el límite de solubilidad de la fase de vapor y resulte en una obstrucción, al menos, parcial del intercambiador de calor por el CO_{2} y NO_{2} depositados.
En una realización, vaporizar el refrigerante de LOX sin causar obstrucción del intercambiador de calor por los depósitos de CO_{2} y NO_{2} se consigue vaporizando el refrigerante a una presión mayor que el producto de LOX, con lo que, a la temperatura de ebullición del refrigerante de LOX, la concentración de las impurezas de CO_{2} y NO_{2} está por debajo de los límites de la solubilidad de la fase de vapor.
En una realización alternativa, la obstrucción del intercambiador de calor por los depósitos indeseados de impurezas se evita inyectando el refrigerante de LOX en el medio de intercambio de calor a una presión que es sustancialmente igual que la presión del producto de LOX según entra en el medio de intercambio de calor, a condición de que el punto de inyección esté entre los extremos templado y frío del medio de intercambio de calor. Preferentemente, la temperatura del medio de intercambio de calor en el punto intermedio de inyección está en el intervalo de -165ºC a -80ºC, es decir, considerablemente por encima de la temperatura de ebullición del O_{2}.
En esta realización alternativa, ya que la temperatura preferida del punto de inyección en el intercambiador de calor es relativamente cálida, las solubilidades de CO_{2} y NO_{2} son relativamente altas y no se dará depósito en las superficies del intercambiador de calor. Para el intervalo preferido de presión de vaporización del O_{2}, es decir, de aproximadamente 1,5 bar absolutos (0,15 MPa) a aproximadamente 3,0 bar absolutos (0,3 MPa), la vaporización se da de hecho en el intervalo de aproximadamente -179ºC a aproximadamente -171ºC respectivamente y cualquier CO_{2} y NO_{2} sólido que se forme inicialmente no se deposita en el metal pero es transportado hacia adelante hacia una parte más templada del intercambiador de calor y después de una corta distancia toda la corriente ha alcanzado o superado aproximadamente -165ºC a -80ºC momento para el cual CO_{2} y NO_{2} se habrán sublimado en vapor y no podrán precipitar.
En realizaciones preferidas del procedimiento, la corriente de producto de LOX se presuriza antes de vaporizar dicha corriente por intercambio de calor para proporcionar GOX. La corriente de producto de LOX puede bombearse. Sin embargo, la corriente de producto de LOX, preferentemente, no se bombea y, en vez de ello se puede conseguir la presurización de forma hidrostática canalizando, por ejemplo, la corriente del sistema de columnas de destilación a una elevación menor.
La presión del producto de LOX que deja el sistema de columnas de destilación es usualmente de 1,4 bar absolutos (0,14 MPa). La presión del refrigerante de LOX está, preferentemente, en el intervalo de 4 bar absolutos (0,4 MPa) a 10 bar absolutos (1,0 MPa). La presión del producto de GOX puede estar en el intervalo de 1,5 bar absolutos (0,15 MPa) a 3,0 bar absolutos (0,3 MPa), preferentemente de 1,8 bar absolutos (0,18 MPa) a 2,5 bar absolutos (0,25 MPa).
El procedimiento puede comprender además combinar refrigerante de LOX con el aire alimentado enfriado y al menos parcialmente condensado para enfriar adicionalmente el aire alimentado, preferentemente durante el enfriamiento de la planta. El procedimiento puede comprender también introducir refrigerante de LOX en el sistema de columnas de destilación bajo el control de nivel.
El refrigerante de LOX lo proporciona, preferentemente, una planta de separación de aire.
El procedimiento puede comprender además retirar al menos una corriente de producto de gas nitrógeno procedente del sistema de columnas de destilación.
El aire alimentado se purifica preferentemente antes del intercambio de calor para reducir las concentraciones de las impurezas de CO_{2} y NO_{2} a un nivel que garantice que estas concentraciones de impurezas en el producto de LOX están por debajo de sus solubilidades de la fase de vapor en las condiciones de presión de vaporización y temperatura de intercambio de calor. El aire alimentado puede purificarse usando, por ejemplo, un sistema adsorbente por variación de temperatura que usa alúmina y CaX o un sistema adsorbente por variación de presión que usa alúmina y 13X.
En un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona el equipo para realizar el procedimiento del primer aspecto de la presente invención para producir oxígeno gaseoso, comprendiendo dicho equipo:
un medio de intercambio de calor para enfriar y condensar, al menos, parcialmente el aire alimentado para producir aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado, teniendo dicho medio de intercambio de calor un extremo templado y un extremo frío;
un sistema de columnas de destilación para destilar aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado para fabricar producto de LOX;
un medio de conducto para transportar el aire alimentado enfriado desde el medio de intercambio de calor al sistema de columnas de destilación; y
un medio de conducto para transportar el producto de LOX desde el sistema de columnas de destilación hasta el medio de intercambio de calor;
comprendiendo además dicho equipo:
(a)
un medio de conducto para transportar el refrigerante de LOX a una presión mayor que la presión del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor proveniente de un suministro externo al medio de intercambio de calor pero que no comprende un expansor para expandir una corriente de proceso para proporcionar las necesidades de refrigeración; o
(b)
un medio de conducto para transportar el refrigerante de LOX a una presión que es sustancialmente igual que la presión del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor procedente de un suministro externo a un punto intermedio entre los extremos templado y frío del medio de intercambio de calor en el que la temperatura del medio de intercambio de calor está por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante de LOX y el medio de intercambio de calor tiene circuitos separados para el refrigerante de LOX y el producto de LOX.
El equipo está preferentemente adaptado o construido para realizar cualquier combinación de las características preferidas de los procedimientos discutidos anteriormente.
Es preferible minimizar la cantidad de refrigerante de LOX consumido por el procedimiento ya que es caro. La cantidad requerida depende mucho de número de unidades de transferencia (NTU) del medio de intercambio de calor. La NTU se define como sigue:
NTU = (T_{airecaliente} - T_{\text{airefrío}}) / DT \ medio
En la que:
T_{airecaliente} = temperatura del aire del extremo caliente del intercambiador de calor;
T_{\text{airefrío}} = temperatura del aire del extremo frío del intercambiador de calor;
DT medio = media eficaz de la temperatura diferencial entre las corrientes caliente y fría en el intercambiador de calor entre la entrada y la salida de aire.
El medio de intercambio de calor del equipo puede tener, al menos, 55 NTU, preferentemente de 70 a 90 NTU y más preferentemente aproximadamente 80 NTU.
La cantidad de refrigerante de LOX consumida en el procedimiento depende también mucho de la ganancia de calor a través del aislamiento. Preferentemente, la parte criogénica del equipo, es decir, el sistema de columnas de destilación y el medio de intercambio de calor, están aislados a vacío para reducir la pérdida de calor.
En realizaciones especialmente preferidas, el refrigerante de LOX se hace pasar a través de medios de intercambio de calor vía un circuito separado al producto de LOX. El refrigerante de LOX se hace pasar, preferentemente, a través del medio de intercambio de calor vía un único conducto. Además, el refrigerante de LOX se introduce preferentemente en el medio de intercambio de calor en un punto intermedio entre los extremos frío y templado del medio de intercambio de calor en el que la temperatura del metal del medio de intercambio de calor está por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante.
Lo siguiente es una descripción sólo a modo de ejemplo y con referencia al dibujo que le acompaña, que es un diagrama de flujo de una realización actualmente preferida de la invención.
Una corriente de aire alimentado purificado y comprimido 1, que tiene una concentración de CO_{2} y NO_{2} suficientemente baja para evitar depósito en el circuito principal de LOX del intercambiador de calor principal E1, entra en el intercambiador de calor principal E1, preferentemente del tipo platefin, en el que se enfría a una temperatura criogénica y se condensa, al menos, parcialmente. Una corriente de aire alimentado al menos parcialmente condensada 2 se elimina del intercambiador de calor principal E1 y alimenta la columna a presión elevada C1 en un sistema de destilación de doble columna C1, C2 que tiene un condensador del evaporador E2.
La corriente de aire alimentada 2 se destila en la columna a presión elevada C1 y se condensa en el condensador E2 una corriente de vapor rica en nitrógeno para producir una corriente condensada rica en nitrógeno 13. Una parte 5 de la corriente condensada rica en nitrógeno 13 se devuelve a la columna de presión elevada C1 como reflujo para purificar el gas que asciende y la parte 4 que permanece se envía a la parte más alta de la columna a presión baja C2 vía el intercambiador de calor principal E1 en el que se subenfría. Una corriente rica en oxígeno 6 se elimina de la columna a presión elevada C1 y alimenta la columna a presión baja C2 en una posición opcionalmente intermedia vía un intercambiador de calor para subenfriar la corriente.
Las dos corrientes de líquido 4,6 que entran en la columna a presión baja C2 se destilan debido al vapor que sube del evaporador E2. Una corriente de vapor de nitrógeno de desecho a presión baja 7 se retira de la parte más alta de la columna a presión baja y se calienta a temperatura ambiente en el intercambiador de calor principal E1. Una corriente de producto de LOX 8 se retira de la parte más baja de la columna a presión baja C2 y se canaliza a una elevación más baja para conseguir presión estática o se bombea para conseguir presión antes de ser vaporizada y después se calienta a temperatura ambiente en el intercambiador de calor principal E1 para formar la corriente de GOX 9. De esta forma, puede obtenerse directamente de la planta el GOX a una presión generalmente en el intervalo de 1,8 a 2,5 bar absolutos (de 0,18 a 0,25 MPa).
Incluso, aunque la parte criogénica de la planta está aislada a vacío para minimizar la pérdida de calor, debe suministrarse alguna refrigeración para mantener un equilibrio de refrigeración. Una corriente de refrigerante de LOX 10 se introduce en un circuito separado del intercambiador de calor principal E1 en un punto intermedio entre los extremos templado y frío y a una presión igual a o mayor que la de la corriente de producto de LOX 8 de una forma que evita el depósito de CO_{2} y NO_{2}. La corriente de refrigerante de LOX 10 se vaporiza y se calienta a temperatura ambiente para producir una corriente 11 de refrigerante de LOX vaporizado que se combina con la corriente de GOX 9 para formar una corriente de producto de GOX 12.
En un ejemplo específico, un flujo de aire de 10.000 Nm^{3}/h (163 Nm^{3}/s) se comprime a aproximadamente 6 bar absolutos (0,6 MPa), se purifica, se enfría en el intercambiador de calor principal E1 y se alimenta la columna a HP C1 a 5,5 bar absolutos (0,55 MPa). El refrigerante de LOX procedente de una fuente externa con una pureza de aproximadamente 99,8% de O_{2}, se inyecta en el intercambiador de calor principal E1 a un caudal de aproximadamente 50 Nm^{3}/h (0,8 Nm^{3}/s) en el que se vaporiza y se calienta a temperatura ambiente. El producto de LOX con una pureza de aproximadamente un 95% de O_{2} y un flujo de O_{2} contenido de 2.090 Nm^{3}/h (35 Nm^{3}/s) abandona la columna a presión baja C2 a aproximadamente 1,4 bar absolutos (0,14 MPa). La presión de la corriente del producto de LOX aumenta aproximadamente 0,8 bar absolutos (0,08 MPa) debido a la carga de presión y después de la vaporización y calentamiento deja el intercambiador principal de calor a 2,0 bar absolutos (0,2 MPa). Las dos corrientes de GOX calentadas se combinan dando un flujo de O_{2} contenido de 2.140 Nm^{3}/h (36 Nm^{3}/s) de GOX.
Los aspectos económicos de la presente invención se comparan de forma favorable con los de las plantas de VSA de O_{2} a flujos de producto por encima de 870 Nm^{3}/h (15 Nm^{3}/s). La presente invención tiene el mismo o menor coste de gas sin los mucho mayores costes de capital o temas de fiabilidad de las plantas de VSA de O_{2}. Además, los aspectos económicos de la presente invención también se comparan de forma favorable con los de una planta criogénica con un expansor a una capacidad de aproximadamente 3.480 Nm^{3}/h (58 Nm^{3}/s). De nuevo la presente invención es económica teniendo el mismo coste de gas y menor coste de capital.
No es obvio introducir el refrigerante de LOX en el intercambiador de calor en un punto intermedio entre los extremos templado y frío para proporcionar refrigeración por varias razones. Primero, es menos eficaz termodinámicamente proporcionar refrigeración por intercambio indirecto de calor usando una corriente de refrigerante de LOX inyectado en un intercambiador de calor separadamente del producto de LOX en vez de proporcionar una refrigeración equivalente por inyección del refrigerante de LOX directamente en la corriente de producto de LOX antes de la vaporización en el intercambiador de calor. Además, el diseño de un intercambiador de calor que sea adecuado para realizar la invención es más complicado y, por lo tanto, más caro que un intercambiador de calor convencional. Además, es simplemente termodinámicamente ineficaz inyectar una corriente de refrigerante de LOX en una parte templada de un intercambiador de calor. Una razón para inyectar el refrigerante de LOX de esta forma es reducir la probabilidad de liberación de una energía explosiva que sigue a la acumulación de hidrocarburos como resultado del depósito de impurezas disueltas en el LOX.
Algunas de las ventajas de la realización ejemplificada de la presente invención son las siguientes:
\bullet
el sistema de columnas de destilación no está contrapresurizado y, por tanto, se minimiza la presión del aire;
\bullet
el GOX se produce con un flujo mínimo de aire ya que, sustancialmente, todo el O_{2} en el aire alimentado y todo el refrigerante de LOX se convierten en producto de GOX;
\bullet
como resultado de la falta de contrapresurización y flujo de aire mínimo, se minimiza la potencia del compresor de aire;
\bullet
el GOX se produce a aproximadamente 2,0 bar absolutos (0,2 MPa) directamente a partir de la sección criogénica; y
\bullet
como resultado de usar aislamiento a vacío y un intercambiador de calor principal con, al menos, 55 NTU, se minimiza la cantidad de refrigerante de LOX.
Se apreciará que la invención no está restringida a los detalles descritos anteriormente con referencia a las realizaciones preferidas sino que pueden hacerse numerosas modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance de la invención como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (25)

1. Un procedimiento para la producción de oxígeno gaseoso ("GOX"), comprendiendo dicho procedimiento:
enfriar y condensar, al menos, parcialmente aire alimentado (1) por intercambio de calor usando un medio de intercambio de calor (E1) que tiene un extremo templado y un extremo frío, para producir aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado (2);
destilar dicho aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado (2) en un sistema de columnas de destilación (C1, C2) para fabricar producto de oxígeno líquido ("LOX");
eliminar una corriente (8) de dicho producto de LOX procedente del sistema de columnas de destilación (C1, C2) y vaporizar dicha corriente de producto de LOX (8) por intercambio de calor (E1) contra el aire alimentado (1) para producir GOX; y
separadamente del producto de LOX, vaporizar refrigerante de LOX (10) de una fuente externa por intercambio de calor (E1) contra el aire alimentado (1) para producir refrigerante vaporizado (11), proporcionando de este modo una parte de las necesidades de refrigeración requeridas para enfriar y condensar, al menos, parcialmente el aire alimentado;
comprendiendo dicho procedimiento el refrigerante de LOX que se inyecta en el medio de intercambio de calor (E1):
(a)
a una presión mayor que la del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor; o
(b)
a una presión sustancialmente igual que la del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor y en un punto intermedio entre los extremos templado y frío en el que la temperatura del medio de intercambio de calor (E1) está por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante de LOX.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que a temperatura del medio de intercambio de calor (E1) en el punto intermedio en el que se inyecta el refrigerante de LOX está en el intervalo de -165ºC a -80ºC.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende además combinar el refrigerante de LOX vaporizado (10) con el GOX (9) producido por la vaporización del producto de LOX para fabricar producto de GOX (12).
4. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sistema de columnas de destilación comprende un sistema de columnas múltiple que tiene una columna (C1) a presión más alta ("HP") y una columna (C2) a presión más baja ("LP") integradas térmicamente por la condensación de nitrógeno en cabeza de la columna HP contra el líquido de la parte de abajo de la columna LP.
5. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que no se proporciona ninguna necesidad de refrigeración por expansión de una corriente de proceso.
6. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el refrigerante de LOX (10) proporciona toda la necesidad de refrigeración externa requerida para mantener el procedimiento en equilibrio de energía.
7. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la presión del refrigerante de LOX (10) está en el intervalo de 0,4 MPa (4 bar absolutos) a 1,0 MPa (10 bar absolutos).
8. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además presurizar la corriente de producto de LOX (8) antes de vaporizar dicha corriente por intercambio de calor (E1) para proporcionar GOX (9).
9. Un procedimiento según la reivindicación 8, en el que la corriente de producto de LOX no se presuriza bombeando la corriente.
10. Un procedimiento según la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en el que la corriente de producto de LOX se presuriza hidrostáticamente.
11. Un procedimiento según la reivindicación 8, en el que la corriente de producto de LOX se presuriza bombeando la corriente.
12. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la presión del producto del GOX está en el intervalo de 0,15 MPa (1,5 bar absolutos) a 0,3 MPa (3,0 bar absolutos).
13. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la presión del producto de GOX (12) está en el intervalo de 0,18 MPa (1,8 bar absolutos) a 0,25 MPa (2,5 bar absolutos).
14. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende además combinar el refrigerante de LOX con el aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado para enfriar adicionalmente el aire alimentado.
15. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, que comprende además introducir el refrigerante de LOX en el sistema de columnas de destilación bajo el control de nivel.
16. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que una planta de separación de aire proporciona el refrigerante de LOX.
17. El equipo para realizar el procedimiento de la reivindicación 1, para producir oxígeno gaseoso, comprendiendo dicho equipo:
un medio de intercambio de calor (E1) para enfriar y condensar, al menos, parcialmente el aire alimentado (1) para producir aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado, teniendo dicho medio de intercambio de calor (E1) un extremo templado y un extremo frío;
un sistema de columnas de destilación (C1, C2) para destilar aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado (2) para fabricar producto de LOX (8);
un medio de conducto para transportar el aire alimentado enfriado y, al menos, parcialmente condensado (2) desde el medio de intercambio de calor (E1) al sistema de columnas de destilación (C1, C2); y
un medio de conducto para transportar el producto de LOX (8) desde el sistema de columnas de destilación (C1, C2) hasta el medio de intercambio de calor (E1);
comprendiendo además dicho equipo:
(a)
un medio de conducto para transportar refrigerante de LOX (10) a una presión mayor que la presión del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor desde un suministro externo al medio de intercambio de calor (E1) pero no comprende un expansor para expandir una corriente de proceso para proporcionar las necesidades de refrigeración; o
(b)
un medio de conducto para transportar refrigerante de LOX (10) a una presión que es sustancialmente igual que la presión del producto de LOX que entra en el medio de intercambio de calor desde un suministro externo a un punto intermedio entre los extremos templado y frío del medio de intercambio de calor en el que la temperatura del medio de intercambio de calor está por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante de LOX y el medio de intercambio de calor tiene circuitos separados para el refrigerante de LOX y el producto de LOX.
18. El equipo según la reivindicación 17, adaptado o construido para realizar el procedimiento como se definió en una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 16.
19. El equipo según la reivindicación 17 o la reivindicación 18, en el que la parte criogénica del equipo está aislada a vacío para reducir la pérdida de calor.
20. El equipo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que el medio de intercambio de calor (E1) tiene, al menos, 55 NTU.
21. El equipo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, en el que el medio de intercambio de calor (E1) tiene de 70 a 90 NTU.
22. El equipo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, en el que el medio de intercambio de calor (E1) tiene aproximadamente 80 NTU.
23. El equipo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, en el que, en la opción (a), el medio de intercambio de calor tiene circuitos separados para el refrigerante de LOX y el producto de LOX.
24. El equipo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 23, en el que, en la opción (b), el equipo no comprende un expansor para expandir una corriente de proceso para proporcionar necesidades de refrigeración.
25. El equipo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 24, en el que el refrigerante de LOX (10) se hace pasar a través del medio de intercambio de calor (E1) vía un único conducto.
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