ES2252164T3 - Procedimiento e instalacion de separacion de aire por destilacion criogenica. - Google Patents
Procedimiento e instalacion de separacion de aire por destilacion criogenica.Info
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Abstract
Procedimiento de separación del aire por destilación criogénica en un aparato que comprende al menos una columna (17, 47, 57), que comprende las etapas de: - comprimir el aire, depurarlo y enviar al menos una parte (7, 9) a una primera (Ia) columna (17), - separar a temperatura criogénica el aire en la columna, - comprimir al menos una parte de una fracción (25) que contiene como máximo el 30% molar de oxígeno extraído desde la cabecera de la columna, en un compresor (21), - enfriar al menos parcialmente, la citada fracción comprimida, condensarla en un hervidor de cuba (19) de la primera columna, y enviar la fracción condensada a la cabecera de la columna, y - extraer una fracción líquida (33) rica en oxígeno desde la primera columna, presurizarla a una presión superior a la de la columna (17), y evaporarla para formar un producto gaseoso bajo presión, rico en oxígeno; caracterizado porque la temperatura de aspiración del compresor es inferior a la temperatura ambiente, y el oxígeno líquido se evapora por intercambio de calor directo o indirecto con una parte del aire de alimentación (7, 9).
Description
Procedimiento e instalación de separación de aire
por destilación criogénica.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y una instalación de separación de aire por
destilación criogénica, según el preámbulo de la reivindicación 1 y
de la reivindicación 15, respectivamente. Un procedimiento y una
instalación de ese tipo son conocidos a partir del documento
DE-A-1199293.
Desde principios de siglo, la destilación de aire
se practica en una doble columna que incluye una columna de media
presión y una columna de baja presión conectadas por medio de un
intercambiador de calor.
Se han propuesto soluciones en diferentes
documentos de patente para reducir el número de columnas de dos a
una.
La patente
US-A-4947649 describe una solución
en la que se comprime el aire para introducirlo al menos
parcialmente en una columna simple. Una solución de ese tipo
solamente es aplicable cuando se desea producir nitrógeno a una
presión sensiblemente más alta que la presión atmosférica, en
particular en el caso de una integración con una turbina de gas. A
la inversa, si la presión del aire suministrado por el compresor de
la turbina de gas es muy elevada, puede ser recomendable utilizar
este procedimiento debido a que la destilación bajo alta presión
(presión superior a 15 bares), es muy difícil, y plantea problemas
tecnológicos no despreciables cuando se aproxima a la presión
supercrítica del nitrógeno (33 bares). Otro inconveniente del ciclo
descrito en esta Patente consiste en que se produce oxígeno gaseoso
a la misma presión que el aire enviado a la columna
simple.
simple.
El documento
EP-A-0584420 se refiere a una
columna simple que produce oxígeno y nitrógeno con un condensador de
cabecera y dos hervidores que operan entre 5 y 20 bares. Uno de los
hervidores se calienta con el nitrógeno comprimido a temperatura
ambiente, y enfriado a continuación.
La patente
EP-B-0606027 describe también un
procedimiento de columna simple para producir oxígeno y/o nitrógeno
bajo presión, así como al menos un producto líquido. Un
procedimiento de ese tipo no resulta interesante si no se desea
producir productos líquidos. En efecto, la presión de aire es
fundamentalmente una función de la cantidad de líquido producido.
Con producción de líquido nula o débil, la presión de aire es
inferior a 3 bares abs., lo que plantea problemas a nivel de la
concepción de la depuración en la cabecera, lo que necesita una
enorme cantidad de absorbente, haciendo que este procedimiento no
resulte económico. La patente
US-A-5794458 describe también un
procedimiento de destilación de aire en columna simple. El principal
inconveniente que se puede achacar a un diseño de ese tipo, consiste
en que incluye un compresor frío que comprime un fluido muy rico en
oxígeno. Por otra parte, de manera convencional, la compresión del
aire se realiza en uno o varios compresores que funcionan a la
temperatura ambiente.
El documento
DE-A-1199293 describe un
procedimiento de destilación de aire según el preámbulo de la
reivindicación 1, en el que un caudal de aire se separa en una
columna simple, y un caudal de oxígeno líquido se trasiega a la cuba
de la columna y se evapora por intercambio de calor con un caudal de
nitrógeno de ciclo comprimido en un compresor frío. Una parte del
nitrógeno comprimido en el compresor frío a una presión de entre 30
y 40 atms, sirve para hacer que hierva la columna simple. En este
caso, es necesario volver a calentar el nitrógeno para comprimirlo
antes de enfriarlo y licuarlo frente al oxígeno que se evapora. Esto
es costoso en lo que se refiere a energía, y complica la
construcción de los intercambiadores.
La patente
US-A-5475980 describe un
procedimiento de doble columna para la destilación de aire, el cual,
de manera original, propone comprimir una parte del aire necesario
para la destilación en un compresor frío. El inconveniente de una
solución de este tipo consiste en la complejidad de la línea de
intercambio de la que se extrae el fluido frío que se va a comprimir
con anterioridad a reintroducirlo.
En los procedimientos de destilación de aire
según la invención que utilizan una columna simple, un compresor
frío comprime un fluido cuyo contenido en oxígeno no supera el 30%
molar. Otra ventaja de un diseño de ese tipo consiste en que es
mejor en cuanto a energía que el diseño descrito en la patente
US-5794458, puesto que la turbina de la invención,
al estar sobre un fluido que entra en la caja fría y no un fluido
que sale de la caja fría, la cantidad de calor intercambiado en el
intercambiador principal es considerablemente inferior al de las
irreversibilidades menores. Otro aspecto de la invención consiste en
producir oxígeno a una presión superior a la presión de la columna
simple comprimiendo un líquido rico en oxígeno (ya sea mediante
bomba, o ya sea mediante altura hidrostática), a una presión
superior a la de la columna simple, y evaporándolo ya sea por
intercambio de calor indirecto en un intercambiador principal o un
evaporador exterior, o ya sea por contacto directo en una columna de
mezcla. Por último, la co-producción de productos
líquidos en más productos gaseosos, no resulta ya necesaria para
hacer que este procedimiento sea atractivo en la medida de lo
posible.
La temperatura ambiente está definida por la
temperatura de aspiración del compresor de aire principal de
alimentación de la unidad de separación.
De acuerdo con la invención, se ha previsto un
procedimiento de separación de aire conforme a la reivindicación
1.
De acuerdo con otros aspectos de la
invención:
- se trasiega un producto gaseoso rico en
nitrógeno a la cabecera de la primera (Ia) columna;
- se comprime una fracción que contiene como
máximo el 30% molar del oxígeno extraído de la columna, en un
compresor cuya temperatura de aspiración es inferior a la
temperatura ambiente, a una presión inferior a 30 bares abs;
- la presión de la primera (Ia) columna está
comprendida entre 1,3 y 20 bares abs, con preferencia entre 3 y 10
bares abs;
- la fracción comprimida contiene como máximo el
19% molar de oxígeno y al menos el 81% molar de nitrógeno, con
preferencia al menos el 90% molar de nitrógeno;
- al menos una parte del aire se descomprime en
una turbina con anterioridad a enviarlo a la primera (Ia)
columna;
- la producción de trabajo por la descompresión
de al menos una parte del aire sirve al menos parcialmente para
comprimir la fracción que contiene como máximo el 30% de oxígeno en
una o varias etapa(s) de compresión;
- al menos una parte del aire se comprime a alta
presión, se condensa y se envía a la primera (Ia) columna;
- una parte no descomprimida del aire, se
condensa evaporando un fluido interno o extraído de la primera
columna (Figura 2);
- la evaporación de la fracción líquida rica en
oxígeno, se efectúa por contacto directo en una columna auxiliar
denominada de mezcla (Figura 3);
- una columna auxiliar destinada a la producción
de argón se alimenta a partir de la primera columna (figura 4);
- se destila en una columna auxiliar un líquido
enriquecido en oxígeno extraído de la columna simple, para producir
una fracción más rica en oxígeno y una fracción empobrecida en
oxígeno, reintroducidas en la primera columna (Figura 5);
- al menos una parte del aire destinado a una
columna del aparato llega desde el compresor de una turbina de gas,
y/o un gas enriquecido en nitrógeno proveniente de la primera (Ia)
columna se reenvía al sistema de la turbina de gas;
- la presión de entrada de la turbina de gas es
superior a 15 bares abs;
- la pureza del oxígeno gaseoso producido es de
al menos el 80% molar, con preferencia al menos el 90% molar;
- la temperatura de aspiración del compresor frío
es inferior a -100ºC, o con preferencia inferior a
-150ºC;
-150ºC;
- se produce o no se produce líquido como
producto final;
- el caudal de aire que sirve para evaporar el
líquido rico en oxígeno se condensa al menos parcialmente, y se
envía a la primera columna;
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
ha previsto una instalación de separación según la reivindicación
15.
De acuerdo con otros aspectos inventivos:
- el aparato comprende una turbina alimentada por
aire, y la salida de la turbina se encuentra conectada a la primera
columna;
- el líquido a presión se evapora en una columna
de mezcla;
- el aparato comprende una columna de producción
de argón alimentada a partir de la primera columna, que tiene un
hervidor de cuba;
- la columna que tiene un hervidor de cuba, tiene
al menos un condensador intermedio;
- la columna que tiene un hervidor de cuba, no
tiene condensador de cabecera.
La invención se describirá ahora con referencia a
las Figuras 1 a 5, las cuales son representaciones esquemáticas de
instalaciones conforme a la invención.
En la Figura 1, el aire 1 se comprime en un
compresor 3, se depura en 5 y se divide en dos. La fracción 7 se
enfría parcialmente en el intercambiador 13, y se envía a una
turbina 15 en la que se descomprime con anterioridad a ser enviada a
la primera columna 17. El resto del aire 9 (alrededor del 35%) se
sobrepresiona en el sobrepresionador 11, y atraviesa a continuación
el intercambiador 13 en el que se condensa antes de ser enviado a la
columna, tras una etapa de sub-enfriamiento en el
intercambiador 35, algunas bandejas por encima del punto de
inyección del aire de la turbina 15. La columna opera a una presión
de entre 1,2 y 1,3 bares abs, pudiendo este procedimiento ser
utilizado hasta presiones de 20 bares abs, con preferencia inferior
a 10 bares abs.
El oxígeno 27 se trasiega a la cuba de la
columna, se presuriza mediante la bomba 23, y se envía al
intercambiador 13 en el que se evapora.
El nitrógeno 25 de la cabecera de la columna se
vuelve a calentar en el sub-refrigerador 35 antes de
ser dividido en dos partes. Una parte 31 se envía al intercambiador
13, donde se vuelve a calentar. El resto 29 se envía al compresor 21
con una temperatura de entrada de -182ºC, donde se comprime a 4,9
bares con anterioridad a ser enviado al hervidor de cuba 19 de la
primera columna 17. Allí se condensa y se reenvía a la cabecera de
la columna para que sirva de reflujo 33. La turbina 15 está acoplada
al compresor frío 21.
En la Figura 2 se encuentran los mismos caudales
7, 25, 27, 31, pero solamente una parte del caudal 7 se envía a la
turbina 15. Una parte 12 del caudal 7 sin sobrepresionar atraviesa
completamente el intercambiador y se envía a un hervidor intermedio
39 de la columna 17. El aire así condensado se envía a la columna
con el aire 9.
El oxígeno 27 se trasiega a la cuba de la
columna, se presuriza por medio de la bomba 23, y se envía al
intercambiador 13 donde se evapora.
Se podría imaginar disponer de un generador
auxiliar frío 21 con varias etapas en serie, cada una de ellas
alimentando un evaporador intermedio o de cuba. De manera general,
el generador auxiliar frío 21 puede tener varias etapas en serie,
cada una de ellas arrastrada por una turbina, o combinadas por
ejemplo por medio de un multiplicador de una sola turbina.
El nitrógeno 25 de la cabecera de la columna se
calienta de nuevo en el sub-refrigerador 21 con
anterioridad a ser dividido en dos partes. Una parte 31 se envía al
intercambiador 13 donde se calienta de nuevo. El resto 29 se envía
al compresor 21 con una temperatura de entrada de -182ºC, donde se
comprime a 4,9 bares antes de ser enviado al hervidor de cuba 19 de
la primera columna 17. Allí se condensa y se reenvía a la cabecera
de la columna para que sirva de reflujo. La turbina 15 está acoplada
al compresor frío 21.
La Figura 3 muestra el caso en el que el oxígeno
de cuba presurizado de la columna, se evapora por intercambio de
calor directo en una columna de mezcla.
El aire 1 se comprime en el compresor 3, se
depura en 5, y se divide en dos partes. La fracción 7 se enfría
parcialmente en el intercambiador 13, se envía a una turbina 15 en
la que se descomprime antes de ser enviada a la primera columna 17.
El resto del aire 9 (alrededor del 25%), se sobrepresiona en el
sobrepresionador 11, y atraviesa a continuación el intercambiador
13. La primera columna 17 opera a una presión de entre 3 y 20
bares.
El caudal de aire 9 no se licua en el
intercambiador, sino que se envía en forma gaseosa a la cuba de la
columna de mezcla. De este modo, la columna de mezcla opera a una
presión más elevada que la primera columna 17. Se puede prever el
hecho de hacer funcionar las dos columnas a la misma presión, o
hacer funcionar la columna de mezcla a la presión más baja. La
columna de mezcla es alimentada en su cabecera por medio del oxígeno
bombeado proveniente de la cuba de la primera columna 17, pero puede
ser alimentada en su cabecera por medio de otro caudal menos rico en
oxígeno que el caudal bombeado, o en la cuba por medio del aire
proveniente de una fuente distinta al compresor 1.
El nitrógeno 25 de la cabecera de la columna se
calienta de nuevo en el sub-refrigerador 21 antes de
ser dividido en dos partes. Una parte 31 se envía al intercambiador
13, donde se vuelve a calentar. El resto 29 se envía al compresor
21, con una temperatura de entrada de -182ºC, donde se comprime a
4,9 bares antes de ser enviado al hervidor de cuba 19 de la columna
17. Allí se condensa y se reenvía a la cabecera de la columna para
que sirva de reflujo. La turbina 15 está acoplada al compresor frío
21.
Aquí, un intercambiador 49 calienta de nuevo el
oxígeno bombeado a la cabecera de la columna de mezcla 47. El caudal
líquido intermedio de la columna de mezcla se envía a la columna 17,
y el oxígeno impuro 48 trasegado a la cabecera de ésta se envía al
intercambiador de calor 13.
La versión de la Figura 4 ilustra el caso en que
un caudal enriquecido en argón de la columna 17, alimenta una
columna de mezcla 57 que tiene un condensador de cabecera 51
enfriado por un líquido intermedio de la primera columna 17. Un
fluido enriquecido en argón, se trasiega a la cabecera de la columna
de mezcla 57.
El nitrógeno 25 de la cabecera de la columna se
calienta de nuevo en el sub-refrigerador 21 con
anterioridad a ser dividido en dos partes. Una parte 31 se envía al
intercambiador 13, donde se calienta de nuevo. El resto 29 se envía
al compresor 21, con una temperatura de entrada de -182ºC, donde se
comprime a 4,9 bares antes de ser enviado al hervidor de cuba 19 de
la primera columna 17. Allí se condensa y se reenvía a la cabecera
de la columna para que sirva de reflujo. La turbina 15 está acoplada
al compresor frío 21.
El oxígeno 27 se trasiega a la cuba de la
columna, se presuriza por medio de la bomba 23, y se envía al
intercambiador 13 donde se evapora.
La Figura 5 muestra una columna Etienne 67, con
la cuba alimentada por medio de un caudal líquido trasegado algunas
bandejas más abajo del punto de inyección del aire 9, y al mismo
nivel que el aire insuflado 7. Este líquido se presuriza por medio
de la bomba 63, antes de ser enviado a la columna Etienne. El
líquido formado en la cabecera de la columna Etienne 67 se envía a
la cabecera de la primera columna 17.
La columna Etienne que opera a 2,5 bares, tiene
un condensador de cabecera 61 enfriado por una parte del líquido de
cuba 65 de la misma columna, siendo el resto del líquido enviado a
la columna 17 por debajo del punto de inyección del aire
insuflado
7.
7.
El líquido trasegado se evapora en el condensador
61 antes de ser enviado algunas bandejas por encima del condensador
19 de la columna 17.
El nitrógeno 25 de la cabecera de la columna, se
vuelve a calentar en el sub-refrigerador 21 antes de
ser dividido en dos partes. Una parte 31 se envía al intercambiador
13, donde se calienta de nuevo. El resto 29 se envía al compresor 21
con una temperatura de entrada de -182ºC, donde se comprime a 4,9
bares antes de ser enviado a los hervidores 19, 69 de las columna
17, 67, respectivamente. En cada hervidor, se condensa y se reenvía
a la cabecera de la columna 17 para que sirva de reflujo. La turbina
15 está acoplada al compresor frío 21.
El oxígeno 27 se trasiega a la cuba de la
columna, se presuriza por medio de la bomba 23, y se envía al
intercambiador 13, donde se evapora.
Claims (20)
1. Procedimiento de separación del aire por
destilación criogénica en un aparato que comprende al menos una
columna (17, 47, 57), que comprende las etapas de:
- comprimir el aire, depurarlo y enviar al menos
una parte (7, 9) a una primera (Ia) columna (17),
- separar a temperatura criogénica el aire en la
columna,
- comprimir al menos una parte de una fracción
(25) que contiene como máximo el 30% molar de oxígeno extraído desde
la cabecera de la columna, en un compresor (21),
- enfriar al menos parcialmente, la citada
fracción comprimida, condensarla en un hervidor de cuba (19) de la
primera columna, y enviar la fracción condensada a la cabecera de la
columna, y
- extraer una fracción líquida (33) rica en
oxígeno desde la primera columna, presurizarla a una presión
superior a la de la columna (17), y evaporarla para formar un
producto gaseoso bajo presión, rico en oxígeno;
caracterizado porque la temperatura de
aspiración del compresor es inferior a la temperatura ambiente, y el
oxígeno líquido se evapora por intercambio de calor directo o
indirecto con una parte del aire de alimentación (7, 9).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la fracción comprimida (25) contiene como máximo el 19% molar de
oxígeno, y al menos el 81% molar de nitrógeno.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 y 2, en el que al menos una parte (7) del aire se
descomprime en una turbina (15) con anterioridad a enviarlo a la
primera (Ia) columna.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el
que la producción de trabajo por la expansión de al menos una parte
del aire, sirve al menos parcialmente para comprimir la fracción que
contiene como máximo el 30% de oxígeno, en una o en varias etapas de
compresión.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, 2, 3
ó 4, en el que al menos una parte del aire (9) se comprime a alta
presión, se condensa y se envía a la primera (Ia) columna.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el
que una parte no descomprimida del aire se condensa evaporando un
fluido interno o extraído de la primera columna (Fig. 1, 2).
7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
6, en el que la evaporación de la fracción líquida rica en oxígeno
se efectúa por contacto directo en una columna auxiliar denominada
de mezcla (47) (Fig. 3).
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que una columna auxiliar (57)
destinada a la producción de argón, se alimenta a partir de la
primera columna (Fig. 4).
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que se destila en una columna
auxiliar, un líquido enriquecido en oxígeno, extraído de la columna
simple, para producir una fracción más rica en oxígeno y una
fracción empobrecida en oxígeno, que son reintroducidas en la
primera columna (Fig. 5).
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que al menos una parte del aire
destinado a una columna del aparato proviene del compresor de una
turbina de gas, y/o un gas enriquecido en nitrógeno proveniente de
la primera (Ia) columna se reenvía al sistema de la turbina de
gas.
11. procedimiento según la reivindicación 10, en
el que la presión de entrada de la turbina de gas es superior a 15
bares abs.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que la temperatura de aspiración del
compresor frío (21) es inferior a -100ºC.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que la temperatura de aspiración del compresor frío (21) es
inferior a -150ºC.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 13, en el que se produce, o no se produce,
líquido (78) como producto final.
15. Instalación de separación de aire por
destilación en al menos una primera columna (17) que tiene un
hervidor de cuba (19), que comprende medios (7) para enviar el aire
comprimido y depurado a la primera (Ia) columna, un compresor (21)
para comprimir un gas (25) que contiene como máximo el 30% molar de
oxígeno proveniente de la cabecera de la columna, medios para enviar
el gas comprimido al hervidor de cuba, medios (33) para reenviar el
gas comprimido, al menos parcialmente condensado en el hervidor de
cuba (19), a la cabecera de la columna, eventualmente medios para
enriquecer con nitrógeno el gas comprimido corriente arriba del
hervidor, medios (27) para trasegar un líquido enriquecido en
oxígeno a la cuba de la columna, medios (23) para presurizarlo, y
medios (13, 47) para evaporar el líquido presurizado por intercambio
de calor directo o indirecto, que se caracteriza porque
comprende medios para evaporar el líquido presurizado por
intercambio de calor directo o indirecto con el aire (9) destinado a
la primera columna, y porque el compresor tiene una temperatura de
entrada como máximo 5ºC más caliente que la temperatura de la
primera (Ia) columna, y porque el compresor tiene una temperatura de
entrada inferior a la temperatura ambien-
te.
te.
16. Instalación según la reivindicación 15, que
comprende una turbina de descompresión de aire (15), y en la que la
salida de la turbina está conectada a la primera (Ia) columna.
17. Instalación según una de las reivindicaciones
15 y 16, en la que el líquido presurizado se evapora en una columna
de mezcla (47).
18. Instalación según una de las reivindicaciones
15 a 17, que comprende una columna de producción de argón (57)
alimentada a partir de la columna (17), que tiene un hervidor de
cuba (19).
19. Instalación según una de las reivindicaciones
15 a 18, en la que la columna (17), que posee un hervidor de cuba
(19), tiene al menos un condensador intermedio (39).
20. Instalación según una de las reivindicaciones
15 a 19, en la que la columna (17), que posee un hervidor de cuba
(19), no dispone de ningún condensador de cabecera.
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