ES2251422T3 - Procedimiento e instalacion de separacion de aire. - Google Patents
Procedimiento e instalacion de separacion de aire.Info
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Abstract
Procedimiento de separación de aire, en el que se separa y depura un caudal de aire comprimido en un aparato de separación de aire (10) para producir un caudal gaseoso (11) enriquecido en nitrógeno a entre 2 y 7 bares, el caudal gaseoso enriquecido en nitrógeno es descomprimido en una turbina (17), y el caudal gaseoso descomprimido (19) es enviado a una zona de convección situada aguas abajo de una cámara de combustión (15), no teniendo que ser mezclado el caudal gaseoso descomprimido con ningún caudal de carburante, y sin que tenga que ser mezclado con ningún caudal de aire tras su descompresión, y el caudal gaseoso (11) enriquecido en nitrógeno se pre-calienta por intercambio de calor indirecto con los gases en el interior de la zona de convección de la cámara de combustión (15) antes de ser descomprimido, caracterizado porque el caudal enriquecido en nitrógeno (11) se pre-calienta por intercambio indirecto en la cámara de combustión en una etapa hasta una temperatura intermedia, y a continuación en una segunda etapa hasta la temperatura de entrada de la turbina, y el gas descomprimido enviado a la cámara de combustión (15) cede calorías al caudal gaseoso que se ha de descomprimir durante la primera etapa de pre- calentamiento.
Description
Procedimiento e instalación de separación de
aire.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a una instalación de separación de aire. En
particular, se refiere a un procedimiento que produce un caudal
enriquecido en nitrógeno, a una presión de al menos 2 bares, que
es descomprimido en una turbina.
En particular, se refiere a un procedimiento y a
una instalación de separación de aire integrados con una cámara de
combustión.
Los aparatos de separación de aire por vía
criogénica, funcionan tradicionalmente con dos columnas de
destilación, una denominada de media presión que funciona a
alrededor de 4 a 10 bares, y una denominada de baja presión que
funciona a entre 1 y 3 bares.
Un aumento de estas presiones, si bien hace que
la destilación resulte más difícil, sería interesante puesto que
permitiría reducir el volumen de los equipos (y con ello sus
costes), y permitiría reducir las irreversibilidades energéticas
debidas a las pérdidas de carga en los diferentes circuitos.
Sin embargo, resulta bastante raro poder aumentar
estas presiones debido a que es necesario valorizar la energía
contenida en los fluidos residuales "no comercializables",
tradicionalmente debido a sus purezas.
Las soluciones convencionales son, por
ejemplo:
- re-inyectar esta cantidad
residual en las turbinas de gas (en el caso particular de los
IGCC),
- tratar en turbina, en frío, este fluido, con el
fin de producir líquido,
- tratar en turbina a temperatura elevada (tal
como se describe en la solicitud de patente
EP-A-0402045).
El documento
DE-A-2553700 describe un aparato de
separación de aire que produce un caudal gaseoso enriquecido en
nitrógeno. Tras una etapa de compresión, el caudal gaseoso se
calienta por intercambio de calor indirecto en el interior de una
cámara de combustión antes de ser descomprimido en la turbina. El
gas descomprimido en la turbina sirve para
pre-calentar el gas comprimido que se va a enviar a
la cámara de combustión. El documento describe un procedimiento
conforme al preámbulo de la reivindicación 1.
El documento
US-A-3950957 divulga un aparato de
separación de aire en el que el nitrógeno producido es
descomprimido después de ser recalentado en una caldera. Las
calorías restantes en el nitrógeno descomprimido son transmitidas
a la caldera por intercambio de calor indirecto.
En el documento
US-A-5459994, un caudal de nitrógeno
se descomprime en una turbina, se mezcla con aire, se comprime y
se envía a una cámara de combustión.
En el documento
US-A-4729217, tras haber sido
mezclado con el carburante, el nitrógeno se descomprime en una
turbina y se envía a una cámara de combustión.
El documento
US-A-4557735 describe el caso en que
el nitrógeno es descomprimido a una temperatura criogénica,
comprimido, mezclado con aire, y enviado a una cámara de
combustión.
El documento
EP-A-0959314 se refiere a un
procedimiento de descompresión de una mezcla de aire y nitrógeno
residual, en el que la mezcla es enviada a una cámara de
combustión.
El esquema propuesto corresponde a tratar en
turbina el nitrógeno residual a temperatura elevada, de manera
innovadora y eficaz.
Según un objeto de la invención, se ha previsto
un procedimiento conforme a la reivindicación 1.
Opcionalmente:
- la temperatura de entrada del nitrógeno en la
turbina es de al menos 700ºC,
- el caudal gaseoso enriquecido en nitrógeno se
comprime a una presión entre 5 y 20 bares antes de ser
descomprimido,
- el aire se enfría tras su compresión por medio
de un grupo frigorífico de absorción, y el agua presurizada
destinada al grupo frigorífico se calienta por medio de los gases de
la cámara de combustión añadidos al caudal gaseoso enriquecido en
nitrógeno,
- el aire se depura en un medio de depuración
antes de ser enviado al aparato de separación, el medio de
depuración se regenera por medio de un caudal gaseoso enriquecido
en nitrógeno, y al menos una parte del caudal que ha servido para
la regeneración es enviado a la turbina de descompresión,
- el caudal enriquecido en nitrógeno se trasvasa
desde una columna simple o desde la columna a media presión y/o
desde la columna a baja presión de una columna doble, o desde la
columna a alta presión y/o desde la columna a presión intermedia
y/o desde la columna a baja presión de una columna triple,
- el caudal enriquecido en nitrógeno se mezcla
con un gas enriquecido en nitrógeno procedente de una fuente
exterior antes de ser descomprimido en la turbina,
- el caudal enriquecido en nitrógeno contiene al
menos 50 mol.% de nitrógeno y entre 0,5 y 10% molares de
oxígeno,
- la columna de la que proviene el caudal
enriquecido en nitrógeno funciona sustancialmente entre 2 y 7
bares,
- el caudal enriquecido en nitrógeno no se mezcla
con el aire antes de ser descomprimido en la turbina,
- se mezcla un caudal enriquecido en nitrógeno,
que contiene con preferencia al menos 50 mol.% de nitrógeno,
procedente de una fuente externa, con el caudal enriquecido en
nitrógeno proveniente del aparato de separación de aire, aguas
arriba de la turbina de descompresión.
Según otro objeto de la invención, se ha previsto
una instalación de separación de aire según la reivindicación
9.
Opcionalmente, la instalación puede
comprender:
- un grupo frigorífico en el que se enfría el
aire tras su compresión, un circuito de agua a presión destinada
al grupo frigorífico, y medios para calentar el circuito de agua
presurizada por medio de los gases de la cámara de combustión
añadidos al caudal gaseoso enriquecido en nitrógeno,
- un medio de depuración en el que el aire se
depura antes de ser enviado al aparato de separación, siendo el
medio de depuración regenerado por medio de un caudal gaseoso
enriquecido en nitrógeno, y medios para enviar al menos una parte
del caudal que haya servido para la regeneración, a la turbina de
descompresión,
- medios para trasvasar el caudal enriquecido en
nitrógeno desde una columna simple, o desde la columna a media
presión y/o desde la columna a baja presión de una columna doble, o
desde la columna a alta presión y/o desde la columna a presión
intermedia y/o desde la columna a baja presión de una columna
triple,
- medios para mezclar un gas residual enriquecido
en nitrógeno (que con preferencia contiene al menos 50 mol.% de
nitrógeno), procedente de una fuente externa, con el gas enriquecido
en nitrógeno que se va a descomprimir.
La invención va a ser descrita con referencia a
la figura, la cual es un esquema de instalación según la
invención.
Un caudal de aire 1 se comprime en un compresor
3, se enfría por medio de un grupo frigorífico 5, y se depura en
lechos 7 de materiales absorbentes.
A continuación, el aire se enfría en el
intercambiador principal 9 antes de ser enviado a la columna a
media presión de una columna doble.
El líquido enriquecido se envía desde la columna
a media presión hasta la columna a baja presión, y se extrae un
gas rico en oxígeno desde la columna a baja presión. Este gas rico
en oxígeno puede ser enviado, eventualmente, hasta una unidad
consumidora de oxígeno que produce un carburante 27 para una cámara
de combustión 15. Esta unidad puede ser un alto horno, una unidad
de producción de acero o de otros metales,...
El nitrógeno impuro gaseoso 11 que contiene entre
menos de uno y varios tantos por ciento molares de oxígeno,
disponible a la temperatura ambiente y a presión moderada (2 a 7
bares) en la cabecera de la columna a baja presión de la columna
doble con un caudal de 50.000 Nm^{3}/h a 500.000 Nm^{3}/h, se
comprime en un compresor 13 hasta una presión del orden de 10 a 20
bares, después de haber regenerado el lecho de material absorbente
7. Aquél contiene las impurezas atrapadas por este último.
Este fluido, que está entonces a una temperatura
del orden de 90 a 150ºC (puesto que no existe refrigerante final
aguas abajo del compresor 13), se recalienta en dos etapas separadas
A, B, en una cámara de combustión 15 hasta una temperatura del
orden de 700 a 800ºC.
La cámara de combustión 15 está alimentada por
carburante 27 y aire 25 comprimido o por otra fuente de oxígeno.
El aire comprimido puede provenir de un inyector de aire FD
("forced draft fan").
La cámara de combustión está constituida
eventualmente por un horno que tiene al menos un quemador.
El nitrógeno residual recalentado se descomprime
a continuación hasta una presión próxima a la presión atmosférica
en una turbina de descompresión 17 acoplada a un generador eléctrico
y/o a medios de compresión del aparato de separación de aire.
El fluido descomprimido 19, a una temperatura de
350 a 450ºC, se mezcla entonces con los humos de la cámara de
combustión a un nivel sensiblemente idéntico, intermedio entre las
dos etapas de recalentamiento A, B citadas anteriormente, con el
fin de minimizar las irreversibilidades.
El calor residual de los humos añadidos al
nitrógeno residual, se utiliza para recalentar agua presurizada 21
(a alrededor de 110 - 130ºC), necesaria para el funcionamiento del
grupo frigorífico de absorción 5 (bromuro de litio o equivalente),
destinado a enfriar el aire entrante en el aparato de separación de
aire.
El balance energético global es particularmente
interesante y permite valorizar la energía poco elevada.
Existe adecuación entre las necesidades del grupo
frigorífico del aparato de separación de aire y las calorías
disponibles en los humos de la cámara de combustión al nivel de
temperatura indicado.
Este esquema permite valorizar la energía
contenida en el nitrógeno residual sin tener los costosos circuitos
necesarios para la producción de agua de caldera.
Debido a la inyección de nitrógeno residual, el
contenido en vapor de agua de los humos es relativamente bajo, y
permitirá recuperar la energía a niveles de temperatura bajos, sin
riesgo de condensación (y por tanto de corrosión) en la chimenea
de la cámara de combustión.
Al menos una parte del nitrógeno residual, al
igual que el calor disponible en el sistema (compresión o calor
residual de los humos), puede ser utilizada para regenerar los
lechos de materiales absorbentes del aparato de separación de aire
antes de que sea comprimido, calentado en la cámara de combustión,
y enviado a la turbina.
Evidentemente, la columna doble de la figura
puede ser sustituida por una columna triple tal como la del
documento EP-A-0538118.
El nitrógeno a descomprimir puede ser extraído de
la columna que opera a la presión más baja y/o de la columna que
opera a la presión más elevada y/o de la columna que opera a presión
intermedia (en el caso en que el aparato de separación de aire
fuera de columna triple).
La cámara de combustión puede estar
sobredimensionada de manera que pueda producir también vapor,
funcionando como una caldera.
Una parte del nitrógeno residual puede ser
adquirida en diferentes puntos de manera que sirva de gas de apoyo
y/o de enfriamiento de los álabes o del rotor de la turbina de
descompresión del nitrógeno, o de otra turbina.
Una parte del nitrógeno residual puede ser
inyectado a nivel de los quemadores de la cámara de combustión
para controlar el nivel de NO_{x}.
El esquema puede ser concebido, evidentemente,
sin compresor de nitrógeno, sobre todo si la columna a baja
presión opera a una presión por encima de 1,4 bares.
En numerosas refinerías existen unidades de tipo
FCC ("fluidized catalytic cracking") en las que el gas de
regeneración se encuentra disponible a alrededor de 700ºC y de 3 a 4
bares. Este gas se trata generalmente en turbina, y después las
calorías son recuperadas.
Se ha encontrado que, con frecuencia, las FCC son
de tamaño modesto, y con ello la inversión de la turbina no se
justifica económicamente. Así, se podría proponer descomprimir este
gas al mismo tiempo tras haberlo mezclado con el nitrógeno.
Resulta igualmente posible descomprimir otros
gases residuales con un fuerte contenido en nitrógeno (por encima
de 50 mol %) con nitrógeno proveniente de la ASU.
Como variante, este o estos gas(es)
puede(n) ser mezclado(s) con el nitrógeno en los
puntos indicados por las flechas de puntos 20, 23, 24, 31 (antes o
después de la primera etapa de calentamiento, justamente aguas
arriba del compresor de nitrógeno), en función de su temperatura y
de su presión.
\newpage
Aplicación
1
| N_{2} | 72,5% |
| Ar | 1% |
| CO_{2} | 14% |
| O_{2} | 1% |
| H_{2}O | 11,5% |
Trazas de CO, NO_{x} y
SO_{2}
El caudal es del mismo orden de magnitud que el
del nitrógeno residual (es decir, 50.000 Nm^{3}/h a 500.000
Nm^{3}/h). La presión es típicamente de 2 a 6 bares abs.
- Nota:
- la regeneración de la FCC puede ser mejorada mediante el enriquecimiento del aire. En este caso, el oxígeno destinado al enriquecimiento puede provenir de la ASU que suministra el nitrógeno.
Segundo caso de
aplicación
En estas unidades, se produce un gas que contiene
al menos 50 mol.%, en la cabecera de una columna de absorción,
alimentada por aire.
También son posibles otras integraciones más
completas:
- ya sea a nivel de la inyección de oxígeno para
la producción de gas de síntesis que permita fabricar amoníaco que
sirva después para realizar ácido nítrico,
- ya sea por enriquecimiento del aire destinado a
la fábrica de ácido nítrico propiamente dicho (aplicado en general
durante el destaponamiento). Se trata ahí de un caudal pequeño.
La presión es, típicamente, de 2 a 10 bares abs.,
y el caudal de 20.000 Nm^{3}/h a 200.000 Nm^{3}/h.
Claims (13)
1. Procedimiento de separación de aire, en el que
se separa y depura un caudal de aire comprimido en un aparato de
separación de aire (10) para producir un caudal gaseoso (11)
enriquecido en nitrógeno a entre 2 y 7 bares, el caudal gaseoso
enriquecido en nitrógeno es descomprimido en una turbina (17), y el
caudal gaseoso descomprimido (19) es enviado a una zona de
convección situada aguas abajo de una cámara de combustión (15), no
teniendo que ser mezclado el caudal gaseoso descomprimido con
ningún caudal de carburante, y sin que tenga que ser mezclado con
ningún caudal de aire tras su descompresión, y el caudal gaseoso
(11) enriquecido en nitrógeno se pre-calienta por
intercambio de calor indirecto con los gases en el interior de la
zona de convección de la cámara de combustión (15) antes de ser
descomprimido, caracterizado porque el caudal enriquecido en
nitrógeno (11) se pre-calienta por intercambio
indirecto en la cámara de combustión en una etapa hasta una
temperatura intermedia, y a continuación en una segunda etapa hasta
la temperatura de entrada de la turbina, y el gas descomprimido
enviado a la cámara de combustión (15) cede calorías al caudal
gaseoso que se ha de descomprimir durante la primera etapa de
pre-calentamiento.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la temperatura de entrada del nitrógeno en la turbina (17) es
de al menos 700ºC.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que el caudal gaseoso enriquecido en
nitrógeno es comprimido a una presión entre 5 y 20 bares antes de
ser descomprimido.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el aire se enfría después de su
compresión por medio de un grupo frigorífico (5), y el agua
presurizada (21) destinada al grupo frigorífico se calienta
mediante los gases de la cámara de combustión añadidos al caudal
gaseoso enriquecido en nitrógeno.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el aire se depura en un
medio de depuración (7) antes de ser enviado al aparato de
separación, el medio de depuración se regenera por medio de un
caudal gaseoso (11) enriquecido en nitrógeno, y al menos una parte
del caudal que ha servido para la regeneración es enviado a la
turbina de descompresión (17).
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el caudal enriquecido en
nitrógeno (11) se trasvasa desde una columna simple, o desde la
columna a media presión y/o desde la columna a baja presión de una
columna doble, o desde la columna a alta presión y/o desde la
columna a presión intermedia y/o desde la columna a baja presión de
una columna triple.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el caudal enriquecido en
nitrógeno (11) contiene al menos 50 mol.% de nitrógeno y entre 0,5
y 10% molares de oxígeno.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que se mezcla un caudal
enriquecido en nitrógeno (20, 23, 24, 31), que con preferencia
contiene al menos 50 mol.% de nitrógeno, procedente de una fuente
externa, con el caudal enriquecido en nitrógeno (11, 19) proveniente
del aparato de separación de aire (10), aguas arriba de la turbina
de descompresión (17).
9. Instalación de separación de aire para la
puesta en práctica de un procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, que comprende:
i) un aparato de separación de aire por
destilación criogénica (10),
ii) una cámara de combustión (15) seguida de una
zona de recuperación de calor que incluye al menos una zona de
convección,
iii) una turbina de descompresión (17),
iv) medios para enviar el aire al aparato de
separación de aire por destilación criogénica,
v) medios para trasvasar un caudal gaseoso
enriquecido en nitrógeno (11) desde el aparato de separación de
aire por destilación criogénica,
vi) medios para enviar el caudal gaseoso
enriquecido en nitrógeno hasta la turbina de descompresión, y
vii) medios para enviar el caudal gaseoso
enriquecido en nitrógeno desde la turbina de descompresión hasta
la zona de convección situada aguas abajo de la cámara de
combustión, y que no comprende ni medios para mezclar el aire con
el gas enriquecido en nitrógeno aguas abajo de la turbina y aguas
arriba de la cámara de combustión, ni medios para mezclar
carburante con el gas enriquecido en nitrógeno antes de su
descompresión,
viii) medios para pre-calentar el
caudal gaseoso enriquecido en nitrógeno (11) por intercambio de
calor indirecto con el gas en el interior de la cámara de
combustión (15) aguas arriba de la turbina de descompresión
(17),
caracterizado porque los medios viii) son
medios para pre-calentar el caudal enriquecido en
nitrógeno por intercambio indirecto en la cámara de combustión en
una etapa hasta una temperatura intermedia, y a continuación en
una segunda etapa hasta la temperatura de entrada de la turbina, y
comprenden medios para enviar el gas descomprimido a la cámara de
combustión con el fin de calentar el caudal gaseoso a
descomprimir.
10. Instalación según la reivindicación 9, que
comprende un grupo frigorífico (5) en el que el aire se enfría
tras su compresión, un circuito de agua presurizada (21) destinada
al grupo frigorífico, y medios para calentar el circuito de agua
presurizada por medio de los gases de la cámara de combustión
añadidos al caudal gaseoso enriquecido en nitrógeno.
11. Instalación según una de las reivindicaciones
9 ó 10, que comprende un medio de depuración (7) en el que se
depura el aire antes de ser enviado al aparato de separación, siendo
el medio de depuración regenerado por un caudal gaseoso
enriquecido en nitrógeno (11), y medios para enviar al menos una
parte del caudal que ha servido en la regeneración hasta la turbina
de descompresión.
12. Instalación según una de las reivindicaciones
9 a 11, que comprende medios para trasvasar el caudal enriquecido
en nitrógeno desde una columna simple, o desde la columna a media
presión y/o desde la columna a baja presión de una columna doble,
o desde la columna a alta presión y/o desde la columna a presión
intermedia y/o desde la columna a baja presión de una columna
triple o de una columna de mezcla.
13. Instalación según una de las reivindicaciones
9 a 12, que comprende medios para mezclar un gas residual
enriquecido en nitrógeno (20, 23, 24, 31), que contiene con
preferencia al menos 50 mol.% de nitrógeno, procedente de una
fuente externa, con el gas enriquecido en nitrógeno que se va a
descomprimir.
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