ES2246301T3 - Procedimiento integrado de separacion de aire y de generacion de energia e instalacion para la puesta en practica de un procedimiento de este tipo. - Google Patents
Procedimiento integrado de separacion de aire y de generacion de energia e instalacion para la puesta en practica de un procedimiento de este tipo.Info
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Abstract
Procedimiento integrado de separación de aire que produce un fluido enriquecido en oxígeno y eventualmente un fluido enriquecido en nitrógeno en una instalación que comprende al menos dos aparatos de separación de aire (1, 101), que comprende cada uno al menos dos columnas de destilación, un primer compresor de aire (13), una primera cámara de combustión (17), y una primera turbina de expansión (19), en el que el aire comprimido es aportado al primer aparato de separación de aire (1) por al menos el primer compresor de aire que aporta igualmente aire comprimido a la primera cámara de combustión, al menos un compresor auxiliar (21, 121) aporta aire comprimido al segundo aparato de separación de aire (101), recibiendo el segundo aparato de separación de aire el aire tratado de al menos un compresor (13, 15) que alimenta también una cámara de combustión, siendo menor el porcentaje del aire total tratado en el segundo aparato que proviene del compresor (13, 15) que alimenta una cámara de combustión, que el porcentaje de aire tratado en el primer aparato que proviene del primer compresor de aire o que proviene tanto del primer compresor de aire como de un segundo compresor de aire (15) que alimenta igualmente una segunda cámara de combustión (23), y un gas enriquecido en nitrógeno (3) es enviado desde el primer aparato de separación de aire aguas arriba por al menos una turbina de expansión (19, 25) alimentada por gases de combustión de al menos una de las cámaras de combustión (17, 23).
Description
Procedimiento integrado de separación de aire y
de generación de energía e instalación para la puesta en práctica de
un procedimiento de este tipo.
La presente invención se refiere a un
procedimiento integrado de separación de aire y de generación de
energía.
Se sabe cómo enviar un gas enriquecido en
nitrógeno desde un aparato de separación de aire aguas arriba por
una turbina de expansión de gas de combustión. La cámara de
combustión es alimentada con aire comprimido proveniente de un
compresor de aire que puede aportar todo o una parte del aire
necesario al aparato de separación de aire (ASU) como ilustra el
documento EP-A-0538118. De forma
alternativa, como en el caso del documento
GB-A-2067688, todo el aire puede
provenir de un compresor al efecto.
En el caso en el que se desee producir argón, el
documento EP-A-568431 describe la
utilización de un sistema integrado.
Las dificultades de regulación de este tipo de
sistemas se explican en el documento
EP-A-0622595.
Generalmente por cuestiones de fiabilidad, en una
misma instalación hay dos turbinas de gas y dos aparatos de
separación de aire prácticamente idénticos que producen a la vez el
oxígeno impuro necesario para la gasificación de los combustibles y
el nitrógeno. Cada aparato de separación se alimenta a partir de un
compresor de turbina de gas y envía nitrógeno únicamente a esta
misma turbina de gas.
Un objetivo de la invención es paliar los
defectos de los sistemas conocidos.
En particular, un objeto de la invención es
permitir una mayor flexibilidad en la elección de los productos
provenientes de un sistema integrado de separación de aire y de una
turbina de gas. Según un aspecto de la invención, se prevé un
procedimiento integrado de separación de gas que produce un fluido
enriquecido en oxígeno y eventualmente un fluido enriquecido en
nitrógeno en una instalación que comprende al menos dos aparatos de
separación de aire, que comprende cada uno al menos dos columnas de
destilación, un primer compresor de aire, una primera cámara de
combustión, y una primera turbina de expansión, en el cual el aire
comprimido es aportado al primer aparato de separación de aire por
al menos el primer compresor de aire que aporta igualmente aire
comprimido a la primera cámara de combustión, al menos un compresor
auxiliar aporta aire comprimido al segundo aparato de separación de
aire, recibiendo el segundo aparato de separación de aire el aire
que trata de al menos un compresor que alimenta también una cámara
de combustión, siendo menor el porcentaje del aire total tratado en
el segundo aparato que proviene del compresor que alimenta una
cámara de combustión, que el porcentaje de aire tratado en el primer
aparato que proviene del primer compresor de aire (o que proviene
tanto del primer compresor de aire como de un segundo compresor de
aire que alimenta igualmente una segunda cámara de combustión), un
gas enriquecido en nitrógeno es enviado desde el primer aparato de
separación de aire aguas arriba por al menos una turbina de
expansión alimentada por gases de combustión de al menos una de las
cámaras de combustión y eventualmente un gas enriquecido en
nitrógeno es enviado desde el segundo aparato de separación de aire
aguas arriba por al menos una turbina de expansión alimentada por
gases de combustión de al menos una de las cámaras de
combustión.
Preferentemente, el porcentaje del aire total
tratado en el segundo aparato que proviene del compresor que
alimenta una cámara de combustión representa como máximo el 80%,
incluso como máximo el 50%, incluso como máximo el 30% del
porcentaje de aire tratado en el primer aparato que proviene del
primer compresor de aire (o que proviene tanto del primer compresor
de aire como de un segundo compresor de aire que alimenta igualmente
una segunda cámara de combustión).
En ciertos modos de puesta en práctica de la
invención se envía un gas enriquecido en oxígeno desde el primer
aparato y/o del segundo aparato a un gasificador o varios
gasificadores. Este o estos gasificador(es) aportan
combustible a la cámara de combustión (a las cámaras de
combustión).
Según unos aspectos facultativos de la
invención:
- el gas enriquecido en nitrógeno que proviene
del primer aparato de separación de aire se envía aguas arriba por
la primera turbina de expansión alimentada por gases de combustión
de una cámara de combustión y un gas enriquecido en nitrógeno
enviado desde el segundo aparato de separación de aire se envía
aguas arriba por al menos una turbina de expansión alimentada por
gases de combustión de al menos una cámara de combustión,
eventualmente de la primera turbina;
- el porcentaje de líquido criogénico producido
como producto final por el segundo aparato respecto del flujo de
aire tratado por el segundo aparato es superior al porcentaje de
líquido criogénico producido como producto final por el primer
aparato respecto del flujo de aire tratado por el primer aparato, o
en el que el segundo aparato produce líquido criogénico mientras que
el primer aparato no lo produce. Por ejemplo, el segundo aparato
puede producir un líquido enriquecido en oxígeno y/o un líquido
enriquecido en nitrógeno y/o un líquido enriquecido en argón en
relación con el aire;
- el segundo aparato de separación de aire recibe
como máximo el 50%, eventualmente como máximo el 30% del aire
comprimido que trata de uno o varios compresores que alimentan de
aire comprimido una o varias cámaras de combustión, eventualmente el
primer compresor;
- el primer aparato de separación de aire es
alimentado de aire por un segundo compresor de aire que alimenta
igualmente una segunda cámara de combustión, siendo enviados los
gases de combustión de la segunda cámara de combustión a una segunda
turbina de expansión;
- el primer aparato de separación produce un
(unos) fluidos enriquecidos en oxígeno, conteniendo este fluido como
máximo 98 mol% de oxígeno y/o estando constituido al menos el 80% de
estos productos por un fluido que contiene como máximo 98 mol% de
oxígeno, preferentemente como máximo 97 mol%;
- el primer aparato de separación produce
productos enriquecidos en oxígeno, estando constituido al menos el
90% de estos fluidos enriquecidos en oxígeno por un o unos
fluido(s) que contienen como máximo 98 mol% de oxígeno;
- el segundo aparato de separación produce un
(unos) fluidos enriquecidos en oxígeno conteniendo este fluido al
menos 98 mol% de oxígeno o estando constituido al menos el 50% de
estos fluidos enriquecidos en oxígeno por un o unos fluido(s)
que contienen al menos 98 mol% de oxígeno;
- el segundo aparato de separación produce
productos enriquecidos en oxígeno, estando constituido al menos el
70% de estos productos por un fluido que contiene al menos 98 mol%
de oxígeno;
- el primer aparato de separación de aire también
es alimentado de aire comprimido por un compresor de aire que no
alimenta a ninguna cámara de combustión y/o que sólo alimenta al
primer aparato de separación de aire;
- el segundo aparato de separación de aire es
alimentado de aire comprimido por un compresor que no alimenta a
ninguna cámara de combustión y/o que sólo alimenta al segundo
aparato de separación de aire;
- el segundo aparato de separación de aire
produce un producto final enriquecido en argón;
- solamente el segundo aparato de separación de
aire produce un producto final enriquecido en argón o el segundo
aparato de separación de aire produce más producto final (productos
finales) enriquecido en argón que el primer aparato;
- el primer aparato de separación de aire
comprende una turbina de insuflación y/o el segundo aparato de
separación de aire comprende una turbina Claude;
- un compresor alimenta los dos aparatos de
separación de aire y no alimenta ninguna cámara de combustión;
- el primer aparato y/o el segundo aparato
comprende (comprenden) una columna de baja presión de la que se
deriva un fluido producto enriquecido en oxígeno, operando esta
columna de baja presión a al menos 1,3 bares, eventualmente a al
menos 3 bares;
- el primer y/o segundo aparato comprende una
columna de baja presión y una columna de alta presión, y
eventualmente una columna que opera a presión intermedia entre la
baja y la alta;
- se comprime o se expande el aire enviado desde
el primer compresor hacia el primer y/o el segundo aparato de
separación de aire y/o se comprime o se expande el aire enviado
desde el segundo compresor hacia el primer y/o segundo aparato de
separación de aire.
De esta forma, el primer aparato de separación de
aire recibe proporcionalmente más aire de una turbina de gas que el
segundo aparato de separación de aire. Este segundo aparato puede
producir un flujo enriquecido en nitrógeno que es enviado a la
turbina de gas.
De esta forma el primer aparato de separación de
aire recibe más aire de una turbina de gas que el segundo aparato de
separación de aire.
El grado de integración determina qué productos
se pueden extraer de cada aparato, en general los productos más
puros en oxígeno y/o en argón que provienen del segundo aparato cuyo
funcionamiento será más estable gracias al bajo grado de
integración.
Ahora se describirán unos procedimientos según la
invención haciendo referencia a las Figuras 1 y 2 que son dibujos
esquemáticos de instalaciones integradas.
En la Figura 1, un compresor 13 se alimenta de
aire y envía un primer flujo de aire a una cámara de combustión 17
con combustible, un segundo flujo de aire a un primer aparato de
separación de aire 1 y eventualmente un tercer flujo de aire a un
segundo aparato de separación de aire 101, siendo el tercer flujo en
general inferior al segundo flujo.
Los medios para refrigerar el aire de la
temperatura de salida del compresor 13 a una temperatura cercana a
la ambiental aguas arriba del aparato de separación de aire 1 y
aguas arriba del aparato de separación de aire 101 no se
ilustran.
El primer aparato de separación de aire 1 es
igualmente alimentado de aire por un compresor 21 que no alimenta
más que a éste y el segundo aparato de separación de aire 101 es
igualmente alimentado por un compresor 121 que no alimenta más que a
éste.
De forma alternativa, cada uno de los compresores
21, 121 puede alimentar al primer y al segundo aparato de separación
de aire o uno solo de los compresores 21 o 121 puede alimentar al
primer y al segundo aparato de separación de aire (no
ilustrado).
El primer aparato de separación de aire,
típicamente del tipo de doble o de triple columna, produce al menos
un gas enriquecido en nitrógeno 3 y un gas a alta presión
enriquecido en oxígeno 5 que contiene como máximo 98 mol% de
oxígeno, eventualmente como máximo 95 mol% de oxígeno o incluso como
máximo 93 mol% de oxígeno que es enviado a un gasificador 31. El gas
enriquecido en nitrógeno es enviado a la cámara de combustión 17 o a
otro punto aguas arriba de la turbina 19.
El primer aparato puede eventualmente producir
una pequeña cantidad de líquido.
En el ejemplo no produce argón.
Una parte del aire enviado al aparato de
separación de aire 1 puede ser enviada a éste mediante una turbina
de insuflación (que alimenta la columna de baja presión de la doble
o triple columna).
El segundo aparato de separación de aire produce
oxígeno 105 que contiene al menos 98 mol% de oxígeno, argón gaseoso
y/o líquido y eventualmente líquidos ricos en nitrógeno u oxígeno,
así como un flujo de nitrógeno impuro 103 que puede eventualmente
ser enviado a la cámara de combustión 17.
Opcionalmente una parte del oxígeno 105 puede ser
enviada al gasificador 31.
El segundo aparato 101 es preferentemente de tipo
a presión, por tanto con una columna de baja presión de la que se
obtiene el fluido enriquecido en oxígeno que opera por encima de 1,5
bares, preferentemente por encima de 3 bares.
El segundo aparato puede comprender una columna
de depuración de un flujo enriquecido en argón.
Preferentemente una parte del aire enviado al
segundo aparato 101 es expandida en una turbina Claude operando a la
presión más elevada antes de ser enviada a la columna de destilación
de aire.
Preferentemente la relación entre el flujo de
aire enviado desde el compresor 121 hacia el aparato 101 y el flujo
de aire (si hay uno) enviado desde el compresor 13 hacia este
aparato 101 es superior a la relación entre el flujo de aire enviado
desde el compresor 21 hacia el aparato 1 y el flujo de aire enviado
desde el compresor 13 hacia este aparato 1.
Eventualmente los dos compresores 21 y 121 pueden
ser sustituidos por un solo compresor que alimenta los aparatos 1,
101.
En la Figura 2 un primer compresor de aire 13
aporta aire al primer aparato de separación de aire 1 y a una
primera cámara de combustión 17, cuyos gases de combustión alimentan
una primera turbina de expansión 19 que permite la generación de
electricidad.
Un segundo compresor de aire 15 aporta aire al
aparato de separación de aire 1 y a una segunda cámara de combustión
23, cuyos gases de combustión alimentan una segunda turbina de
expansión 25 que permite la generación de electricidad. Un tercer
compresor de aire 21 aporta aire exclusivamente al aparato de
separación de aire.
Los medios para refrigerar el aire de la
temperatura de salida de los compresores 13, 15 a una temperatura
cercana a la ambiental aguas arriba por el primer aparato de
separación de aire 1 y aguas arriba por el segundo aparato de
separación de aire 101 no se ilustran.
El gas residual 3 del aparato de separación 1
puede ser enviado aguas arriba por la primera y/o la segunda
turbina, por ejemplo a la primera y/o a la segunda cámara de
combustión y/o a la entrada de la primera y/o la segunda
turbina.
El gas a presión enriquecido en oxígeno 5 es
preferentemente enviado a uno o varios gasificadores 31, 131 donde
sirve para producir combustible para al menos una de las cámaras de
combustión 17 y 23.
Los compresores 13, 15, 21 pueden aportar aire a
presiones diferentes, por ejemplo diferentes en al menos 0,5 bares
unas de otras. Los flujos a presiones más elevadas pueden ser
expandidos a la presión más baja a fin de depurar todos los flujos
de aire juntos.
Si no, los flujos pueden ser enviados a columnas
del ASU que operan a presiones diferentes con una depuración
adaptada.
En la instalación de la Figura 2 hay dos aparatos
de separación de aire 1, 101, que tiene cada uno al menos dos
columnas de destilación y que eventualmente tiene cada uno su propio
vaso frío.
El aparato 1 produce los mismos productos que los
descritos anteriormente: el aparato 101 produce al menos nitrógeno
residual 103 y gas enriquecido en oxígeno eventualmente a varias
presiones o al menos a alta presión.
El nitrógeno residual 103 puede ser enviado a la
primera y/o a la segunda cámara de combustión o de forma alternativa
puede ser devuelto a la atmósfera, utilizado para la refrigeración,
utilizado para las depuraciones del primer y/o segundo aparatos 1,
101 o utilizado de otra forma.
El oxígeno 105 puede ser enviado a otro
gasificador 131, al gasificador 31, o empleado de otra forma, en
particular si su pureza es diferente a la del oxígeno 5. Como se ha
descrito anteriormente, el aparato 101 puede aportar principal o
únicamente oxígeno puro a más de 98 mol% de oxígeno mientras que el
primer aparato puede producir única o principalmente oxígeno impuro
a menos de 95 mol% de oxígeno.
El aparato 101 es alimentado de aire por un
compresor al efecto 121 y eventualmente muy parcialmente por el
primer compresor 13 y/o el segundo compresor 15 y/o el compresor al
efecto 21 y/o un compresor al efecto que envía aire a los dos
aparatos de separación de aire.
Claims (18)
1. Procedimiento integrado de separación de aire
que produce un fluido enriquecido en oxígeno y eventualmente un
fluido enriquecido en nitrógeno en una instalación que comprende al
menos dos aparatos de separación de aire (1, 101), que comprende
cada uno al menos dos columnas de destilación, un primer compresor
de aire (13), una primera cámara de combustión (17), y una primera
turbina de expansión (19), en el que el aire comprimido es aportado
al primer aparato de separación de aire (1) por al menos el primer
compresor de aire que aporta igualmente aire comprimido a la primera
cámara de combustión, al menos un compresor auxiliar (21, 121)
aporta aire comprimido al segundo aparato de separación de aire
(101), recibiendo el segundo aparato de separación de aire el aire
tratado de al menos un compresor (13, 15) que alimenta también una
cámara de combustión, siendo menor el porcentaje del aire total
tratado en el segundo aparato que proviene del compresor (13, 15)
que alimenta una cámara de combustión, que el porcentaje de aire
tratado en el primer aparato que proviene del primer compresor de
aire o que proviene tanto del primer compresor de aire como de un
segundo compresor de aire (15) que alimenta igualmente una segunda
cámara de combustión (23), y un gas enriquecido en nitrógeno (3) es
enviado desde el primer aparato de separación de aire aguas arriba
por al menos una turbina de expansión (19, 25) alimentada por gases
de combustión de al menos una de las cámaras de combustión (17,
23).
2. Procedimiento según la reivindicación 1 en el
que el gas enriquecido en nitrógeno (3) que proviene del primer
aparato de separación de aire (1) es enviado aguas arriba por la
primera turbina de expansión (19) alimentada por gases de combustión
de una cámara de combustión (17), y un gas enriquecido en nitrógeno
(103) enviado desde el segundo aparato de separación de aire (101)
es enviado aguas arriba por al menos una turbina de expansión (19,
25) alimentada por gases de combustión de al menos una cámara de
combustión (17, 23), eventualmente por la primera turbina.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2 en el que el porcentaje de líquido criogénico
producido como producto final por el segundo aparato (101) respecto
del flujo de aire tratado por el segundo aparato es superior al
porcentaje de líquido criogénico producido como producto final por
el primer aparato (1) respecto del flujo de aire tratado por el
primer aparato, o en el que el segundo aparato produce líquido
criogénico mientras que el primer aparato no lo produce.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó
3, en el que el segundo aparato de separación de aire (101) recibe
como máximo el 50%, eventualmente como máximo el 30% del aire
comprimido que trata de uno o varios compresores (13, 15) que
alimentan de aire comprimido una o varias cámaras de combustión,
eventualmente el primer compresor.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer aparato de
separación de aire (1) es alimentado de aire por un segundo
compresor de aire (15) que alimenta igualmente una segunda cámara de
combustión (23), siendo enviados los gases de combustión de la
segunda cámara de combustión a una segunda turbina de expansión
(25).
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer aparato de
separación (1) produce un (unos) fluidos enriquecidos en oxígeno
(5), conteniendo este fluido como máximo 98 mol% de oxígeno y/o
estando constituido al menos el 80% de estos productos por un fluido
que contiene como máximo 98 mol% de oxígeno.
7. Procedimiento según la reivindicación 6 en el
que el primer aparato de separación (1) produce productos (5)
enriquecidos en oxígeno, estando constituido al menos el 90% de
estos fluidos enriquecidos en oxígeno por un o unos fluido(s)
que contienen como máximo 98 mol% de oxígeno.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el segundo aparato de
separación (101) produce un (unos) fluidos enriquecidos en oxígeno
(105) conteniendo este fluido al menos 98 mol% de oxígeno o estando
constituido al menos el 50% de estos fluidos enriquecidos en oxígeno
por un o unos fluido(s) que contienen al menos 98 mol% de
oxígeno.
9. Procedimiento según la reivindicación 8 en el
que el segundo aparato de separación produce productos enriquecidos
en oxígeno, estando constituido al menos el 70% de estos productos
por un fluido que contiene al menos 98 mol% de oxígeno.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer aparato de
separación de aire (1) también es alimentado de aire comprimido por
un compresor (21) que no alimenta a ninguna cámara de combustión y/o
que sólo alimenta al primer aparato de separación de aire.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el segundo aparato de
separación de aire (101) es alimentado de aire comprimido por un
compresor (121) que no alimenta a ninguna cámara de combustión y/o
que sólo alimenta al segundo aparato de separación de aire.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el segundo aparato de
separación de aire (101) produce un producto final enriquecido en
argón.
13. Procedimiento según la reivindicación 12 en
el que solamente el segundo aparato de separación de aire (101)
produce un producto final enriquecido en argón o en el que el
segundo aparato de separación de aire (101) produce más producto
final (productos finales) enriquecido en argón que el primer aparato
(1).
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer aparato de
separación de aire comprende una turbina de insuflación y/o el
segundo aparato de separación de aire comprende una turbina
Claude.
15. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que un compresor alimenta los
dos aparatos de separación de aire (1, 101) y no alimenta ninguna
cámara de combustión.
16. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer aparato (1) y/o el
segundo aparato comprende (comprenden) una columna de baja presión
de la que se deriva un fluido producto enriquecido en oxígeno,
operando esta columna de baja presión a al menos 1,3 bares,
eventualmente a al menos 3 bares.
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer y/o segundo
aparato (101) comprende una columna de baja presión y una columna de
alta presión, y eventualmente una columna que opera a presión
intermedia entre las presiones baja y alta.
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que se comprime o se expande el
aire enviado desde el primer compresor (13) hacia el primer y/o el
segundo aparato de separación de aire (1, 101) y/o se comprime o se
expande el aire enviado desde el segundo compresor (15) hacia el
primer y/o segundo aparato de separación de aire (101).
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