Procedimiento de destilación de aire con
producción de argón y correspondiente instalación de destilación de
aire.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de destilación de aire, del tipo que comprende las
etapas que consisten en:
- destilar aire en al menos una doble columna de
destilación para formar al menos un primer fluido enriquecido en
oxígeno y un primer fluido enriquecido en nitrógeno, comprendiendo
la doble columna de destilación una columna con presión superior y
una columna con presión inferior,
- verter un fluido rico en argón desde la
columna con presión inferior,
- destilar el fluido rico en argón en al menos
una columna de argón para formar un fluido enriquecido en argón y
un segundo fluido enriquecido en oxígeno,
- comprimir en al menos un compresor el fluido
enriquecido en argón,
- hacer reaccionar, en al menos una unidad de
desoxigenación, hidrógeno con el oxígeno contenido en el fluido
comprimido para desoxigenarlo produciendo agua,
- hacer pasar el fluido desoxigenado en al menos
una unidad de desecación para desecarlo, y
- destilar el fluido desecado en al menos una
columna de desnitrogenación para formar argón y un segundo fluido
enriquecido en nitrógeno.
Un procedimiento de este tipo se describe en el
documento EP-A-0509871.
En un procedimiento del tipo mencionado
anteriormente, el primer fluido enriquecido en oxígeno es, por
ejemplo, oxígeno impuro usado para garantizar la gasificación de
carbón para formar un combustible que alimenta una turbina de
gas.
Tales aplicaciones requieren cantidades muy
importantes de oxígeno.
Por tanto, es deseable proporcionar
instalaciones de destilación de aire de capacidades importantes.
No obstante, también debe tratarse de reducir
los costes globales relacionados con el funcionamiento de estas
instalaciones.
Un objetivo de la invención es por tanto
proporcionar un procedimiento de destilación de aire del tipo
mencionado anteriormente que permite proporcionar caudales
relativamente importantes del primer fluido enriquecido en oxígeno
y/o del primer fluido enriquecido en nitrógeno, y cuya puesta en
práctica supone unos costes reducidos.
Con este fin, la invención tiene por objeto un
procedimiento del tipo mencionado anteriormente, caracterizado
porque se usan al menos dos dobles columnas de destilación y al
menos dos columnas de argón que funcionan en paralelo para destilar
aire formando al menos dos fluidos enriquecidos en argón, porque se
mezclan los fluidos enriquecidos en argón aguas abajo de las dos
columnas de argón, y porque al menos un elemento elegido entre el
grupo que consiste en el compresor, la unidad de desoxigenación y la
unidad de desecación es un elemento común que se usa para comprimir
o desoxigenar o desecar de manera común los fluidos mezclados.
Según modos particulares de realización, el
procedimiento puede comprender una o varias de las características
siguientes, tomada(s) de manera aislada o según todas las
combinaciones técnicamente
posibles:
- todos los fluidos mezclados se envían a un
único elemento común elegido entre el grupo que consiste en el
compresor, la unidad de desoxigenación y la unidad de
desecación,
- un elemento común es la unidad de
desoxigenación en la que se hace reaccionar hidrógeno con los
fluidos mezclados para desoxigenarlos de manera común produciendo
agua,
- un elemento común es la unidad de desecación
en la que se hacen pasar los fluidos mezclados para desecarlos de
manera común,
- la unidad de desecación comprende un
dispositivo de desecación por adsorción,
- la unidad de desecación comprende un separador
de fases,
- un elemento común es el compresor en el que se
comprimen de manera común los fluidos mezcla-
dos,
- se calientan, aguas arriba del compresor, los
fluidos mezclados de manera común en un intercambiador de calor
común,
- se enfrían, aguas abajo de la unidad de
desecación, los fluidos desecados de manera común en un
intercambiador de calor común,
- se calientan, aguas arriba del compresor, los
fluidos mezclados y se enfrían, aguas abajo de la unidad de
desecación, los fluidos desecados en el mismo intercambiador de
calor común,
- se usa, para cada doble columna de destilación
y cada columna de argón, una columna de desnitrogenación dedicada
en la que se destila el fluido desoxigenado y desecado
respectivo.
La invención tiene además por objeto una
instalación de destilación de aire que comprende:
- al menos una doble columna de destilación para
destilar aire formando al menos un primer fluido enriquecido en
oxígeno y un primer fluido enriquecido en nitrógeno, comprendiendo
la doble columna de destilación una columna con presión superior y
una columna con presión inferior,
- medios de vertido de un fluido rico en argón
desde la columna con presión inferior,
- al menos una columna de argón para destilar el
fluido rico en argón formando un fluido enriquecido en argón y un
segundo fluido enriquecido en oxígeno,
- al menos un compresor para comprimir el fluido
enriquecido en argón,
- al menos una unidad de desoxigenación para
hacer reaccionar hidrógeno con el oxígeno contenido en el fluido
comprimido con el fin de desoxigenarlo produciendo agua,
- al menos una unidad de desecación para hacer
pasar por ella el fluido desoxigenado con el fin de desecarlo,
y
- al menos una columna de desnitrogenación para
destilar el fluido desecado formando argón y un segundo fluido
enriquecido en nitrógeno;
caracterizada porque comprende al menos dos
dobles columnas de destilación y al menos dos columnas de argón
adaptadas para funcionar en paralelo con el fin de destilar aire
formando al menos dos fluidos enriquecidos en argón, porque la
instalación comprende medios de mezclado de los fluidos enriquecidos
en argón aguas abajo de las dos columnas de argón, y porque al
menos un elemento elegido entre el grupo que consiste en el
compresor, la unidad de desoxigenación y la unidad de desecación es
un elemento común adaptado para comprimir o desoxigenar o desecar
de manera común los fluidos mezclados.
Según modos particulares de realización, la
instalación puede comprender una o varias de las características
siguientes, tomada(s) de manera aislada o según todas las
combinaciones técnicamente posibles:
- un elemento común es la unidad de
desoxigenación que está adaptada para hacer reaccionar hidrógeno con
el oxígeno contenido en los fluidos mezclados con el fin de
desoxigenarlos produciendo agua,
- un elemento común es la unidad de desecación
que está adaptada para hacer pasar por ella los fluidos mezclados
con el fin de desecarlos de manera común,
- la unidad de desecación comprende un
dispositivo de desecación por adsorción,
- la unidad de desecación comprende un separador
de fases,
- un elemento común es el compresor que está
adaptado para comprimir de manera común los fluidos mezclados,
- la instalación comprende un intercambiador de
calor común, dispuesto aguas arriba del compresor, para calentar de
manera común los fluidos mezclados,
- la instalación comprende un intercambiador de
calor común, dispuesto aguas abajo de la unidad de desecación, para
enfriar de manera común los fluidos desecados,
- la instalación comprende un mismo
intercambiador de calor común para calentar los fluidos mezclados
aguas arriba del compresor y enfriar los fluidos mezclados y
desecados aguas abajo de la unidad de desecación,
- la instalación comprende, para cada doble
columna de destilación y cada columna de argón, una columna de
desnitrogenación dedicada para destilar en ella el fluido
desoxigenado y desecado respectivo.
La invención se comprenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue, facilitada únicamente a modo de
ejemplo y realizada haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en
los que:
la figura 1 es una vista esquemática de una
instalación de destilación de aire según un primer modo de
realización,
la figura 2 es una vista parcial esquemática de
una instalación de destilación de aire según un segundo modo de
realización de la invención.
En lo que sigue, los contenidos facilitados en
forma de porcentaje son contenidos en moles.
La figura 1 ilustra esquemáticamente una
instalación 1 de destilación de aire que comprende
esencialmente:
- dos aparatos 2A y 2B de destilación de aire
que funcionan en paralelo, y
- un aparato 3 común de desoxigenación y de
desecación conectado a los aparatos 2A y 2B.
Los aparatos 2A y 2B tienen estructuras
análogas. En todo lo que sigue, las referencias usadas para designar
los elementos correspondientes de estos dos aparatos llevarán por
tanto la misma referencia numérica seguida o bien del sufijo A o
bien del sufijo B. Debido a esta analogía de la estructura, en la
figura 1 sólo se han representado los elementos y las conexiones
esenciales del aparato 2B y a continuación sólo se describirán la
estructura y el funcionamiento del aparato 2A.
El aparato 2A de destilación comprende
esencialmente:
- una doble columna 6A de destilación que
comprende en sí misma una columna 8A con presión superior, una
columna 10A con presión inferior y un
vaporizador-condensador 12A de unión de intercambio
térmico de la cabeza de la columna 8A con la cuba de la columna
10A,
- una primera columna auxiliar 14A de
destilación denominada generalmente columna de argón, estando esta
columna 14A provista de un vaporizador-condensador
16A de cabeza,
- una segunda columna auxiliar 18A denominada
generalmente columna de desnitrogenación, estando esta columna
provista de un vaporizador 20A de cuba y de un
vaporizador-condensador 22A de cabeza,
- un compresor 24A de aire,
- una unidad 26A de depuración de aire por
adsorción, y
- un intercambiador principal 28A de calor y dos
intercambiadores auxiliares 30A y 32A de calor.
El aire que va a destilarse se comprime por el
compresor 24A, se depura por la unidad 26A, se enfría hasta cerca
de su punto de rocío por el intercambiador principal 28A y luego se
introduce en la cuba de la columna 8A.
El "líquido rico" LR (aire enriquecido en
oxígeno), vertido en la cuba de la columna 8A, se subenfría en el
intercambiador auxiliar 30A y luego se divide en dos flujos. Uno
primero de estos flujos es liberado a presión reducida en una
válvula 34A y luego se introduce en un primer nivel intermedio de la
columna 10A.
El segundo flujo de líquido rico LR se envía
hacia el vaporizador-condensador 16A de la columna
14A de argón en la que se vaporiza. Este líquido rico LR vaporizado
se reenvía hacia un segundo nivel intermedio de la columna 10A con
presión inferior. Este segundo nivel intermedio está dispuesto por
debajo del primer nivel intermedio.
Se extrae nitrógeno impuro (o residual) NR en la
cabeza de la columna 10A con presión inferior, luego se calienta,
una primera vez, al atravesar el intercambiador auxiliar 30A y, una
segunda vez, al atravesar el intercambiador principal 28A.
El "líquido pobre" LP (nitrógeno
prácticamente puro), extraído en la cabeza de la columna 8A, se
divide en dos flujos de los cuales uno primero se subenfría en el
intercambiador auxiliar 30A, luego se libera a presión reducida en
una válvula 36A y finalmente se introduce en la parte superior de la
columna 10A con presión inferior.
El segundo flujo de líquido pobre LP se envía
hacia el vaporizador-condensador 22A de cabeza de la
columna 18A de desnitrogenación, en el que se vaporiza. El líquido
pobre LP vaporizado y procedente del
vaporizador-condensador 22A se mezcla con el
nitrógeno impuro NR aguas arriba del intercambiador 30A.
Se vierte oxígeno gaseoso OG en la cuba de la
columna 10A con presión inferior, luego se calienta al atravesar el
intercambiador principal 28A a la salida del cual se distribuye por
un conducto 38A de producción, como primer producto de destilación.
Puede tratarse por ejemplo de oxigeno puro, es decir, de pureza
comprendida entre el 99 y el 99,8%.
Un gas que contiene principalmente oxígeno y
argón se vierte por un conducto 39A de un tercer nivel intermedio
de la columna 10A con presión inferior. Este tercer nivel
intermedio, situado por debajo del segundo nivel intermedio,
corresponde de manera habitual al vientre de argón que forma el
perfil de la composición de argón en la mezcla gaseosa en el
interior de la columna 10A. Así, el gas vertido contiene por ejemplo
aproximadamente un 90% de oxígeno, un 10% de argón y menos de 2.000
ppm de nitrógeno. Se trata por tanto de un gas rico en argón con
respecto al aire que sólo contiene aproximadamente el 0,9%.
Este gas rico en argón se introduce en la cuba
de la columna 14A de argón. Esta columna 14A garantiza la
destilación de este gas y produce en la cuba un líquido compuesto
principalmente por oxígeno que se reenvía, por un conducto 40A,
hacia el tercer nivel intermedio de la columna 10A con presión
inferior. La columna 14A produce en la cabeza un gas enriquecido en
argón que contiene principalmente argón, normalmente un 95%,
nitrógeno, normalmente un 3%, y oxígeno, normalmente un 2%.
El reflujo en la columna 14A se garantiza
mediante condensación del gas de cabeza en el
vaporizador-condensador 16A, luego se reenvía este
gas condensado a la columna 14A. Esta condensación se garantiza
mediante la vaporización de una parte del líquido rico LR
previamente subenfriado, tal como se ha descrito anteriormente.
El gas enriquecido en argón procedente de la
columna 14A de argón se calienta en el intercambiador auxiliar 32A,
luego se mezcla en un punto 41 con el gas enriquecido en argón
procedente de la columna 14B de argón y que se ha calentado
previamente en un intercambiador auxiliar 32B.
Los dos gases así mezclados forman entonces un
solo flujo que se introduce en el aparato 3 de desoxigenación y de
desecación.
Este aparato 3 comprende esencialmente,
conectados en serie:
- un compresor 42,
- un dispositivo 44 de enfriamiento,
- una unidad 46 de desoxigenación,
- un dispositivo 48 de enfriamiento,
- una unidad 50 de desecación que comprende un
separador 51 de fases, y
- un dispositivo 52 de desecación por
adsorción.
La mezcla de gases se comprime por el compresor
42, luego se enfría en el dispositivo 44. Entonces se añade
hidrógeno, por medio de un único conducto 54, a la mezcla comprimida
y enfriada, antes de la introducción en la unidad 46 de
desoxigenación.
Esta unidad 46 de desoxigenación comprende un
reactor químico en forma de capacidad metálica que contiene un
lecho de catalizador. El oxígeno contenido en la mezcla comprimida y
enfriada reacciona con el hidrógeno añadido para formar agua.
La mezcla así desoxigenada y que contiene agua
se enfría a continuación en el dispositivo 48, luego se envía hacia
el separador 51, que es por ejemplo un crisol separador, en el que
se elimina el agua líquida contenida en la mezcla. El gas
procedente del separador 51 se envía a continuación hacia el
dispositivo 52 de desecación por adsorción que comprende
normalmente botellas llenas de alúmina y conectadas en paralelo al
separador 51. El único flujo de gas procedente del separador 51 se
envía alternativamente hacia una u otra de las botellas, estando la
botella por la que no circula el flujo en fase de regeneración. Por
tanto el único flujo de gas procedente de la unidad 50 contiene
esencialmente argón y nitrógeno, habiendo sido eliminados el oxígeno
y el agua.
Este gas sale del aparato 3 y luego se divide,
en un punto 54, en dos flujos de los cuales uno primero se envía
hacia el aparato 2A de destilación y uno segundo se envía hacia el
aparato 2B de destilación. Se observará que el caudal del flujo
enviado hacia el aparato 2A, respectivamente al 2B, es sensiblemente
igual al caudal de argón y de oxígeno vertido desde la columna 14A,
respectivamente 14B, mediante el gas enriquecido
correspondiente.
El flujo de gas reenviado hacia el aparato 2A se
enfría en el intercambiador 32A de calor, luego se condensa en el
vaporizador 20A de cuba de la columna 18A de desnitrogenación. El
líquido así obtenido es liberado a presión reducida en una válvula
56A y finalmente se introduce en un nivel intermedio de la columna
18A. La condensación mencionada anteriormente garantiza la
vaporización, por el vaporizador 20A, del líquido de cuba de la
columna 18A de desnitrogenación. El reflujo en la columna 18A está
garantizado por la condensación de su gas de cabeza en el
vaporizador-condensador 22A. Esta condensación se
garantiza gracias a la vaporización de una parte del líquido pobre
LP, tal como se describió anteriormente.
La columna 18A produce en cabeza un gas que
contiene principalmente nitrógeno que se canaliza por un conducto
57A para mezclarse con el líquido vaporizado por el
vaporizador-condensador 22A, antes de la mezcla de
este líquido LP vaporizado con el nitrógeno impuro NR.
Un conducto 58A permite verter el argón líquido
puro en la cuba de la columna 18A de desnitrogenación. Normalmente,
este argón contiene entre 1 y 10 ppm de oxígeno y/o nitrógeno.
Los conductos 58A y 58B están conectados a un
conducto 60 de producción común para mezclar los dos líquidos
vertidos desde las columnas 18A y 18B y recuperar argón como segundo
producto de la destilación.
En la instalación 1, el uso de dos dobles
columnas 6A y 6B en paralelo permite producir un caudal importante
de oxígeno gaseoso OG.
Además, el uso, por cada doble columna 6A y 6B
de destilación, de una columna 18A de desnitrogenación y sobre todo
de una columna 14A de argón dedicadas permite limitar los problemas
de regulación del funcionamiento de cada una de estas columnas. En
particular, esta regulación resulta mucho más sencilla y menos
costosa que si se usasen una sola columna de argón y/o una sola
columna de desnitrogenación de manera común para las dos dobles
columnas 6A y 6B de destilación.
Se observará que para garantizar que las
columnas 14 y 18 funcionan bien como dos columnas dedicadas, se
prevén válvulas regulables (no representadas), especialmente aguas
arriba y aguas abajo de los puntos 41 de mezclado y 54 de división.
Estas válvulas permiten garantizar que los caudales de los fluidos
que alimentan las columnas 14 y 18 y vertidos desde las mismas son
tales que los funcionamientos de los aparatos 2A y 2B son
sensiblemente los mismos que si funcionasen cada uno solo.
Siendo el aparato 3 común a los dos aparatos 2A
y 2B de destilación de aire, las inversiones correspondientes por
lo tanto se reducen.
Así, el procedimiento puesto en práctica por la
instalación 1 genera globalmente inversiones y costes de regulación
relativamente reducidos.
Según un segundo modo de realización ilustrado
por la figura 2, los intercambiadores auxiliares 32A y 32B de calor
se sustituyen por un intercambiador 32 común que pertenece al
aparato 3. El intercambiador 32 está situado aguas abajo del punto
41 de mezclado y aguas arriba del punto 54 de división.
Este intercambiador 32 de calor se atraviesa,
por un lado, por los gases enriquecidos procedentes de las columnas
14A y 14B de argón y previamente mezclados para formar un único
flujo y, por otro lado, por el único flujo de gas desoxigenado y
desecado procedente de la unidad 50 de desecación.
Este segundo modo de realización permite reducir
aún más las inversiones requeridas.
Según otros modos de realización no
representados, el compresor 42, los dispositivos 44 y 48 de
enfriamiento, la unidad 46 de desoxigenación, el separador 51 de
fases y el dispositivo 52 pueden sustituirse, respectivamente, por
dos elementos correspondientes de los cuales uno está dedicado al
aparato 2A y el otro al aparato 2B. No obstante, tratará de usarse
al menos un compresor 42 común, o una unidad 46 de desoxigenación
común, o una unidad 50 de desecación común. Sin embargo, se
entiende que estos modos de realización conducen a un procedimiento
cuyos costes globales de puesta en práctica son más importantes que
los del procedimiento de las figuras 1 y 2.