ES2252164T3 - Procedimiento e instalacion de separacion de aire por destilacion criogenica. - Google Patents

Procedimiento e instalacion de separacion de aire por destilacion criogenica.

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ES2252164T3
ES2252164T3 ES01400413T ES01400413T ES2252164T3 ES 2252164 T3 ES2252164 T3 ES 2252164T3 ES 01400413 T ES01400413 T ES 01400413T ES 01400413 T ES01400413 T ES 01400413T ES 2252164 T3 ES2252164 T3 ES 2252164T3
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ES
Spain
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air
oxygen
fraction
compressor
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Jean-Pierre Tranier
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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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.
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;
- 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.
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.
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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