ES2273675T3 - Aparato y proceso de separacion de mezcla de fluidos de capacidad variable. - Google Patents
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- F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
- F25J3/04951—Arrangements of multiple air fractionation units or multiple equipments fulfilling the same process step, e.g. multiple trains in a network
- F25J3/04963—Arrangements of multiple air fractionation units or multiple equipments fulfilling the same process step, e.g. multiple trains in a network and inter-connecting equipment within or downstream of the fractionation unit(s)
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- F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
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- F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
- F25J2250/20—Boiler-condenser with multiple exchanger cores in parallel or with multiple re-boiling or condensing streams
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
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Abstract
Proceso para aumentar la cantidad de al menos un producto fluido (36, 236, 436) enriquecido en oxígeno, producido por una primera unidad criogénica (X) de destilación de aire, que comprende enviar aire enfriado y comprimido a al menos una primera columna de destilación de la primera unidad de separación de aire que comprende al menos una columna, y retirar fluido enriquecido en oxígeno y fluido enriquecido en nitrógeno de la primera unidad, en el que la primera unidad de destilación de aire sola, antes de la integración de una segunda unidad (125) de destilación de aire a la primera unidad, produce una cantidad de A mol/h de un primer producto fluido (36) enriquecido en oxígeno y dicha cantidad de primer producto fluido enriquecido en oxígeno extraído de la primera unidad y opcionalmente de la segunda unidad se aumenta a C mol/h, comprendiendo la cantidad C al menos una corriente de fluido enriquecido en oxígeno extraída de la primera unidad, mediante integración de la segunda unidad con laprimera unidad, comprendiendo dicha integración enviar líquido vaporizado o no vaporizado enriquecido en oxígeno desde una columna individual de la segunda unidad hasta al menos una columna de la primera unidad de separación de aire y, durante el funcionamiento de la segunda unidad de destilación de aire, enviar aire enfriado y comprimido a la segunda unidad (125, 130, 133) que comprende al menos la columna individual (125), teniendo dicha columna al menos un condensador superior (129) que condensa al menos parcialmente gas enriquecido en nitrógeno en la parte superior de la columna individual de la segunda unidad en el condensador, retirar fluido enriquecido en nitrógeno de la segunda unidad, opcionalmente tras un paso de expansión para al menos parte de él, retirar líquido enriquecido en oxígeno de la columna individual y enviarlo al condensador superior, posiblemente tras un paso de destilación, para formar líquido vaporizado enriquecido en oxígeno.
Description
Aparato y proceso de separación de mezcla de
fluidos de capacidad variable.
La presente invención se refiere a un proceso
para aumentar la capacidad de un aparato de separación de aire y un
aparato y proceso de separación de aire.
Frecuentemente las plantas industriales tratan
al menos una mezcla gaseosa por destilación y/o licuefacción y/o
adsorción y/o filtración para producir al menos un producto que
puede incluir energía en forma de electricidad o vapor o un
producto líquido o gaseoso que tiene una composición o estado
diferente del de una de las mezclas gaseosas tratadas.
Generalmente, cuando la demanda de producto
aumenta, en una primera fase, la capacidad de la planta se lleva al
límite aumentando la cantidad de mezcla tratada y, si es necesario,
cambiando el equipo de planta para permitir este aumento. Una vez
que la capacidad máxima de la planta existente no es suficiente, se
inicia una segunda fase y se construye una planta similar adicional
para suministrar las demandas adicionales, produciendo por sí misma
parte del producto demandado.
Por ejemplo, en muchos casos, una planta de
separación de aire debe suministrar cantidades variables de gas y
de líquido durante su vida útil. Si la cantidad de producto
demandado aumenta, en la primera fase, la planta de separación de
aire se puede hacer funcionar a capacidad máxima como se divulga en
el documento EP-A-0678317 para
aumentar la cantidad de aire enviado a la columna.
Adicionalmente se pueden demandar productos
diferentes durante la vida útil de la planta. Por ejemplo, la
pureza demandada para un gas suministrado puede cambiar o un gas no
necesitado inicialmente puede ser demandado subsecuentemente. De
este modo, como se describe en la patente de Estados Unidos
4.869.742 y en el documento
EP-A-0699884, se pueden colocar
bandejas adicionales dentro de la columna de una planta existente o
se puede añadir una nueva columna a una planta existente como
modernización, como para proporcionar un nuevo producto. En los
ejemplos de los documentos
EP-A-0081472,
US-A-4.433.990 y
US-A-4.715.874 se divulga una planta
que produce sólo oxígeno modificada para producir también argón.
Los documentos
GB-A-1416163 y
JP-A-11325718 divulgan modificar una
planta existente aumentando el contenido de oxígeno del aire
alimentado a la unidad de separación, usando una membrana o PSA. En
el documento JP-A-11325718 parte
del aire se enriquece en oxígeno usando PSA y se envía entonces a la
entrada del compresor principal de aire de la unidad criogénica de
separación de aire. Por consiguiente, el documento
JP-A-11325718 no divulga la
integración con una segunda unidad criogénica de separación de aire,
comprendiendo una única columna con un condensador superior para
condensar gas de cabecera enriquecido en nitrógeno, en el que
líquido vaporizado o no vaporizado enriquecido en nitrógeno es
enviado a la unidad criogénica de separación de aire.
La divulgación de investigación 39361 (enero de
1997) describe la integración de una columna de mezclamiento en una
planta existente de separación de aire.
El documento
US-A-5170630 divulga mejorar la
pureza de nitrógeno producido por una planta modificando el
condensador y la columna y añadiendo un tanque de separación de
fases y la canalización asociada.
El documento
EP-A-0628778 describe una planta de
separación de aire en la que se mezclan y se vaporizan oxígeno
líquido de una columna de la planta y oxígeno líquido de una fuente
externa, en el intercambiador de calor de la planta de separación de
aire.
En particular, el aparato y el proceso de la
invención permiten que se aumente la capacidad de una unidad
existente de separación de aire más allá de los límites de sistemas
previamente conocidos.
Es conocido que un aparato de separación de aire
comprenda una columna doble y una columna adicional alimentada por
aire. En tales casos, la columna adicional es comúnmente una columna
de mezclamiento alimentada por un líquido rico en oxígeno en la
parte superior de la columna como se divulga en los documentos
US-A-4022030,
US-A-4883517,
US-A-5244489,
US-A-5291737 y
EP-A-0732556.
También son conocidas columnas de arrastre de
nitrógeno por los documentos
EP-A-0387872,
EP-A-0532155 y
EP-A-0542559. En ninguno de estos
casos es una corriente de aire alimentada a la columna.
Es un objeto de la presente invención minimizar
el coste de la segunda fase usando una planta adicional que puede o
no producir directamente cualquiera de los productos adicionales
demandados pero que está vinculada a la planta existente mediante
intercambios de materia y/o energía de modo que la planta existente
puede producir la cantidad adicional de producto demandado así como
nuevos productos, en algunos casos.
De este modo, el objetivo de la invención es
aumentar la cantidad de un primer producto de una instalación que
comprende una primera unidad existente sólo desde A mol/h antes de
la modificación hasta C mol/h tras la modificación, siendo
intensificada la producción de la primera unidad hasta C mol/h mayor
que A.
La presión del primer producto en cantidad A y
en cantidad C puede variar hasta en 5 bar.
La temperatura del primer producto en cantidad A
y en cantidad C puede variar hasta en 25ºC, o preferiblemente
5ºC.
Generalmente se dará el caso de que la cantidad
total de alimentación en mol/h enviada a la primera unidad
existente antes de la modificación será menor que la cantidad total
de alimentación enviada a la primera unidad (o a las unidades
primera y segunda si la alimentación se envía a ambas).
De acuerdo con una primera realización de la
invención, se proporciona un proceso de acuerdo con la
reivindicación 1.
Las composiciones del primer producto antes y
después de la integración no necesitan ser estrictamente idénticas:
por ejemplo el porcentaje de componente principal en el primer
producto en cantidad A y en cantidad C puede diferir hasta en un 5%
molar, hasta en un 1% molar o hasta en un 0,2% molar.
Generalmente, la cantidad de alimentación en
moles enviados a la primera unidad para la producción de cantidad A
sólo es menor que la cantidad de alimentación en moles enviados a la
primera unidad para la producción de cantidad C.
En general, el aumento proporcional en cantidad
de alimentación en moles enviados a la primera unidad para la
producción de cantidad C tras la adición de la segunda unidad cuando
se compara con la producción de cantidad de alimentación en moles
enviados a la primera unidad para la producción de cantidad A antes
de la adición de la segunda unidad puede ser menor, igual o mayor
que el aumento proporcional entre la cantidad C y la cantidad A.
El primer producto se puede retirar desde la
primera unidad en forma gaseosa, y/o al menos un líquido se puede
retirar desde una columna de la primera unidad y se vaporiza para
formar el primer producto y entonces se extrae de la primera unidad
en forma gaseosa para formar todo o parte del resto del primer
producto gaseoso.
Opcionalmente, la segunda unidad produce al
menos un producto que tiene una composición o una presión diferentes
al primer producto producido por la primera unidad, y/o al menos un
producto de la segunda unidad no se mezcla con el primer producto
de la primera unidad que se ha de producir en cantidades
aumentadas.
Preferiblemente, tras la integración de la
segunda unidad, al menos un fluido de la primera unidad se envía a
la segunda unidad como corriente de alimentación que ha de ser
tratada (por ejemplo calentada o enfriada) dentro de la segunda
unidad.
En algunos casos, el fluido enviado desde la
primera unidad hasta la segunda unidad es menos rico en el
componente principal del primer producto que el aire, y, en casos
particulares el fluido de la segunda unidad es más rico en el
componente principal del primer producto que el aire pero menos rico
en el componente principal del primer producto que el primer
producto.
Preferiblemente, la cantidad de fluido enviado
desde la primera unidad hasta la segunda unidad en mol/h es
sustancialmente igual a la cantidad de fluido enviado de la segunda
unidad a la primera unidad en mol/h o se diferencia de esa cantidad
en no más de un 50%, preferiblemente en no más de un 30% o incluso
de un 10%.
Preferiblemente, cuando se transfieren fluidos
de la segunda a la primera unidad y viceversa, o bien ambos o bien
todos los fluidos son líquidos, o bien ambos o bien todos los
fluidos son gases.
Preferiblemente, la cantidad de fluido enviado
desde la primera unidad hasta la segunda unidad en m^{3}/h es
sustancialmente igual a la cantidad de fluido enviado de la segunda
unidad a la primera unidad en m^{3}/h o se diferencia de esa
cantidad en no más de un 50%, preferiblemente en no más de un 30% o
incluso de un 10%.
Preferiblemente, las cantidades de primer
producto A y C tienen el mismo componente principal y la cantidad
de componente principal en producto C es menor, mayor o igual a la
cantidad de componente principal en A.
En algunos casos, el o los fluidos enviados de
la segunda unidad a la primera unidad son retirados de la segunda
unidad a una temperatura subambiente y son suministrados a la
primera unidad a una temperatura subambiente, y/o el o los fluidos
enviados desde la primera unidad hasta la segunda unidad son
retirados de la primera unidad a una temperatura subambiente y son
suministrados a la segunda unidad a una temperatura subambiente.
Alternativamente, el o los fluidos enviados de
la segunda unidad a la primera unidad son retirados de la segunda
unidad a una temperatura criogénica y son suministrados a la primera
unidad a una temperatura criogénica, y/o el o los fluidos enviados
desde la primera unidad hasta la segunda unidad son retirados de la
primera unidad a una temperatura criogénica y son suministrados a
la segunda unidad a una temperatura criogénica.
El o los fluidos enviados de la segunda unidad a
la primera unidad se pueden retirar de la segunda unidad a
cualquier temperatura y se pueden suministrar a la primera unidad a
cualquier temperatura, y/o el o los fluidos enviados desde la
primera unidad hasta la segunda unidad se pueden retirar de la
primera unidad a cualquier temperatura y se pueden suministrar a la
segunda unidad a cualquier temperatura.
El fluido enriquecido en oxígeno es derivado
desde el fondo de la columna de la unidad criogénica de destilación
de columna individual y contiene entre un 25 y un 45% molar de
oxígeno.
Alternativamente, la primera unidad comprende al
menos una columna de alta presión y una columna de baja presión, y
se alimenta aire al menos a la columna de alta presión y el fluido
enriquecido en oxígeno de la segunda unidad se alimenta a la primera
unidad, en donde se separa, se mezcla y/o se trata.
En este caso, el único producto de la segunda
unidad puede ser un fluido enriquecido en nitrógeno.
Preferiblemente, líquido enriquecido en oxígeno
de la primera unidad se vaporiza en la segunda unidad, especialmente
en el intercambiador de calor de la segunda unidad.
La primera unidad de separación de aire puede
comprender al menos dos columnas de destilación y dicha primera
columna de destilación es la columna que funciona a una presión más
alta o a la presión más alta, y el producto enriquecido en oxígeno
se retira de una columna que funciona a una presión igual o
inferior.
Las características opcionales incluyen:
- enviar dicho líquido vaporizado y/o no
vaporizado enriquecido en oxígeno de la segunda unidad a la primera
unidad para que sea destilado y/o trata-
do,
do,
- enviar dicho líquido vaporizado y/o no
vaporizado enriquecido en oxígeno a otra columna de la unidad de
separación de aire,
- enviar dicho líquido no vaporizado enriquecido
en oxígeno a al menos la primera columna de destilación de la
primera unidad,
- enviar dicho líquido no vaporizado enriquecido
en oxígeno a otra columna de la unidad de separación de aire,
- enviar dicho líquido vaporizado enriquecido en
oxígeno al condensador de una columna de argón, a una columna de
baja presión o a una columna de mezclamiento,
- el aire enviado a la segunda unidad está a una
presión más alta, a una presión más baja o a una presión igual que
cualquier corriente de aire enviada a la primera unidad,
- retirar nitrógeno de producto de la segunda
unidad,
- expandir al menos parte del gas enriquecido en
nitrógeno retirado de la segunda unidad en una turbina.
De acuerdo con otra realización, se proporciona
un aparato de separación de aire de acuerdo con la reivindicación
27.
Las características opcionales de esta
realización incluyen:
- medios para retirar al menos un fluido
enriquecido en nitrógeno de la columna individual,
- medios de conducto vinculan el condensador
superior de la segunda unidad como para retirar un líquido y un gas
que contienen al menos un 20% molar de oxígeno de ella y están
conectados a la columna de alta presión y a la columna de baja
presión de la primera unidad,
- medios para retirar la corriente enriquecida
en oxígeno de la columna de baja presión de la primera unidad en
forma líquida y vaporizar la corriente de tal manera que se forme la
corriente de producto gaseoso,
- medios para enviar la corriente que contiene
más de un 20% molar de oxígeno a la columna de alta y/o mediana y/o
baja presión de la primera unidad, estando conectados dichos medios
aguas abajo de un intercambiador de calor de la primera unidad en
donde se enfría aire que ha de ser destilado en la columna de alta
presión hasta una temperatura adecuada para la destilación,
- medios para enviar fluido enriquecido en
nitrógeno desde la primera unidad hasta la segunda unidad y/o de la
segunda unidad a la primera unidad,
- medios para enviar al menos un fluido desde la
primera unidad hasta la segunda unidad, y medios para expandir el
fluido de la primera unidad dentro de la segunda unidad,
- medios para enviar al menos un líquido desde
la primera unidad hasta la segunda unidad, y medios para vaporizar
el fluido de la primera unidad dentro de la segunda unidad,
preferiblemente en una tubería de intercambio de calor de la segunda
unidad.
En particular, el proceso puede ser un proceso
integrado de gasificación de ciclo combinado en el que se envía
oxígeno de la unidad de separación de aire para gasificar una
sustancia que contiene carbono, produciendo por ello combustible
para la cámara de combustión a presión.
El término "mezcla fluida" cubre corrientes
líquidas o gaseosas que contienen al menos dos componentes que
tienen una composición química diferente. El fluido puede contener
alternativamente tanto fases líquidas como gaseosas.
El término "temperatura subambiente"
significa una temperatura inferior a 10ºC.
El término "temperatura criogénica"
significa una temperatura inferior a -100ºC.
El término "producto" significa un gas o un
líquido que se retira de una de las unidades, no retorna a ninguna
de las unidades y no se envía directamente a la atmósfera.
El término "turbina de Claude" significa
una turbina de aire cuya salida está conectada a una columna de
destilación del sistema distinta a la columna que funciona a una
presión más baja o a la presión más baja.
El término "fluido" significa un gas o un
líquido, un gas y un líquido, o una mezcla bifásica
gaseosa-líquida.
La invención se describirá ahora en más detalle
con referencia a las figuras 1 a 5, que son diagramas de flujo
esquemáticos de unidades de separación de aire de capacidad variable
de acuerdo con la invención, en las que:
La figura 1 muestra una primera unidad antes de
la integración con una segunda unidad;
las figuras 2 y 3 muestran la primera unidad de
la figura 1 tras la integración con dos segundas unidades
diferentes;
la figura 4 muestra otra primera unidad antes de
la integración con una segunda unidad; y
la figura 5 muestra la unidad de la figura 4
tras la integración con una segunda unidad.
En el aparato de la figura 1, una primera unidad
X de separación de aire comprende una columna doble de destilación
con una columna 25 de alta presión y una columna 27 de baja presión
vinculadas térmicamente mediante un condensador 29 de hervidor como
en plantas estándar. El sistema puede incluir adicionalmente una
columna de separación de argón alimentada por la columna de baja
presión. Las presiones de funcionamiento varían preferiblemente
entre 4 y 25 bar para la columna de alta presión.
El aire para la columna doble viene de un
compresor 30 y se envía a la columna 25 de alta presión, después de
la purificación y el enfriamiento en un intercambiador 33. Un
líquido 32 enriquecido en oxígeno se envía desde el fondo de la
columna de alta presión hasta la columna de baja presión tras la
expansión y un líquido 34 enriquecido en nitrógeno se envía desde
la columna de alta presión hasta la columna de baja presión como
reflujo. El sistema puede usar una turbina de Claude, o una turbina
de nitrógeno (no ilustrada) u otros medios conocidos para producir
la refrigeración.
El intercambiador 33 de calor, la turbina 28 y
las columnas 25, 27 están contenidas dentro de la caja fría.
Desde la columna de baja presión se produce
oxígeno gaseoso 36, bien directamente extrayendo una corriente de
gas de la columna o bien vaporizando oxígeno líquido en el
vaporizador-condensador principal o en un
vaporizador-condensador separado contra una
corriente individual de gas. Se extrae nitrógeno 38 de producto o de
desecho desde la parte superior de la columna 27 de baja presión.
Se retira nitrógeno gaseoso 43 desde la parte superior de la columna
25 de alta presión.
También se retiran como productos nitrógeno
líquido 41 y/o oxígeno líquido 42.
En el aparato de la figura 2, con el fin de
aumentar la cantidad de oxígeno gaseoso que se puede producir, una
segunda unidad se añade a la primera unidad formando la planta
existente mostrada en la figura 1.
Esta segunda unidad es un generador de nitrógeno
de columna individual.
Una corriente adicional de aire se comprime
hasta 9 bar en el compresor 130, se purifica separadamente y se
enfría en un intercambiador 133 y se envía entonces a la segunda
unidad dentro de la misma caja fría que la columna doble 25, 27.
Los intercambiadores 33, 133 de calor también están preferiblemente
dentro de la misma caja fría. Esta segunda unidad es una columna
individual 125 de destilación que tiene un condensador superior
129. Líquido 132 enriquecido en oxígeno que contiene entre un 25 y
un 45% molar de oxígeno del fondo de la columna 125 se vaporiza en
el condensador superior y se envía a la primera columna 25 después
de ser mezclado con la corriente de aire hacia esa columna. El
líquido vaporizado 136 enriquecido en oxígeno abandona el
condensador 129 y entra en la primera columna 25 a temperaturas
criogénicas aguas abajo del intercambiador 33 y no se somete
preferiblemente a ningún paso de caldeo o enfriamiento entre el
condensador superior y la primera columna.
Al menos parte del gas 138 enriquecido en
nitrógeno de la parte superior de la columna se caldea en un
intercambiador, se expande en una turbina 128 y después se caldea
hasta temperatura ambiente en el intercambiador adicional 133.
La turbina 128 puede proporcionar opcionalmente
toda la refrigeración para la unidad de separación de aire y la
segunda columna, y por lo tanto la turbina usada para la planta
existente ya no se requiere. Alternativamente, se usan ambas
turbinas 28 y 128 y se puede aumentar la producción de líquido de la
planta.
Otras características opcionales incluyen:
- el envío de una corriente 142 enriquecida en
nitrógeno desde la parte superior de la columna 27 de baja presión
hasta el intercambiador 133 de calor en el que se caldea hasta
temperatura ambiente,
- el envío de líquido 140 rico en nitrógeno
desde la parte superior de la columna individual 125 hasta la parte
superior de la columna 27 para servir como reflujo adicional,
- la retirada de una corriente de nitrógeno de
producto desde la parte superior de la columna 25 que no se expande
en una turbina,
- al menos parte del líquido 132 de la base de
la columna 125 se puede enviar directamente a la columna 25 ó 27
sin experimentar un paso de vaporización.
La figura 3 se diferencia de la figura 2 en que
el líquido rico vaporizado 136 se envía desde el condensador 129 de
la columna 125 hasta un primer intercambiador y después hasta el
intercambiador 133 en donde se caldea hasta temperatura ambiente y
después se envía a la unidad X aguas abajo de la unidad de
purificación y se envía con el aire purificado hasta la columna
25.
Las características opcionales de esta figura 3
incluyen:
- el envío de una corriente 142 enriquecida en
nitrógeno desde la parte superior de la columna 27 de baja presión
hasta el intercambiador 133 de calor en el que se caldea hasta
temperatura ambiente,
- el envío de líquido 140 rico en nitrógeno
desde la parte superior de la columna individual 125 hasta la parte
superior de la columna 27 para servir como reflujo adicional,
- la retirada de una corriente de nitrógeno de
producto desde la parte superior de la columna 25 que no se expande
en una turbina,
- al menos parte del líquido 132 de la base de
la columna 125 se puede enviar directamente a la columna 25 ó 27 sin
experimentar un paso de vaporización.
La figura 4 muestra una primera unidad de
separación de aire que comprende una columna doble con una columna
25 de alta presión y una columna 27 de baja presión vinculadas
mediante un condensador 29 que condensa gas enriquecido en
nitrógeno de la parte superior de la columna de alta presión.
La columna de alta presión funciona a alrededor
de 6 bar y la columna de baja presión funciona a alrededor de 1,3
bar.
Se comprime aire en el compresor hasta 35 bar,
se purifica (no mostrado) y se envía a un intensificador 227 en el
que se comprime hasta 40 bar. El aire comprimido se enfría entonces
en el intercambiador 33 hasta una temperatura intermedia a la que
se divide en dos fracciones 229, 230. La fracción 230 se enfría
adicionalmente, se licua, se expande en una válvula y se envía a la
columna de alta presión al menos parcialmente en forma líquida. La
fracción 229 se expande hasta la presión de la columna de alta
presión en una turbina 228 de Claude y se envía entonces a la
columna de alta presión.
Desde el fondo de la columna 25 de alta presión
se retira líquido 32 enriquecido en oxígeno y se envía a la columna
de baja presión tras la expansión. Desde la parte superior de la
columna 25 de alta presión se retira líquido enriquecido en
nitrógeno y se envía a la parte superior de la columna de baja
presión tras la expansión.
Desde la parte superior de la columna 27 de baja
presión se retira gas 37 de desecho enriquecido en nitrógeno y se
envía al intercambiador en el que se caldea hasta temperatura
ambiente.
En el fondo de la columna de baja presión se
retira líquido 36 rico en oxígeno, se presuriza mediante una bomba
26 hasta 40 bar y se vaporiza en el intercambiador 33 para formar
oxígeno gaseoso 236 de producto.
Si el oxígeno producido debe ser puro o si se
requiere argón, se usa una columna de argón y se alimenta de la
columna de baja presión de la manera estándar. La primera unidad
puede comprender opcionalmente una columna de mezclamiento del tipo
descrito en el documento
FR-A-2169561 o en el documento
EP-A-0531182 u otros tipos bien
conocidos de columna de mezclamiento.
Por supuesto, se pueden prever otras
modificaciones obvias tales como diferentes presiones de
funcionamiento, producción de nitrógeno gaseoso a alta presión
desde la columna de alta presión, vaporización interna de argón o
nitrógeno.
En el caso en el que la cantidad de gas 236 rico
en oxígeno ya no es suficiente para las demandas del cliente, el
aparato se modifica como se muestra en la figura 5 mediante la
integración de un aparato Y.
El segundo aparato Y comprende una columna 125
de separación de aire de columna individual que tiene un condensador
superior 129, un intercambiador 133 de calor y un compresor 130 de
aire.
Se entenderá fácilmente que la columna
individual podría ser alternativamente la columna de alta presión de
una columna doble estándar o podría incluir una sección de
destilación por encima del condensador superior para enriquecer el
líquido de fondo enriquecido en oxígeno antes de que se envíe al
condensador superior.
El aire se comprime hasta 9 bar mediante el
compresor 130, se purifica (no mostrado) y se enfría en el
intercambiador 133 hasta una temperatura criogénica antes de ser
enviado al fondo de la columna individual 125. Líquido 132
enriquecido en oxígeno que contiene entre un 25 y un 45% molar de
oxígeno se envía desde el fondo de la columna 125 hasta el
condensador 129, tras la expansión, donde se vaporiza parcialmente
para formar una corriente líquida 232 a 6 bar y una corriente
gaseosa 136 a 6 bar.
La corriente líquida 232 se incorpora en la
corriente 32 de la figura 4 y se envía a la columna 27 de baja
presión. La corriente 136 de gas se divide en dos fracciones 236,
336. La fracción 236 se mezcla con el aire 229 de la turbina 228 de
Claude y se envía a la columna 25 de alta presión.
La corriente 336 se expande en la turbina 128
tras un paso de caldeo en el intercambiador 133 y se caldea
adicionalmente después hasta temperatura ambiente tras el
mezclamiento con una corriente 140 de nitrógeno de desecho de la
columna 27 de baja presión.
Opcionalmente, una pequeña parte 436 del oxígeno
líquido de la primera unidad se vaporiza en el intercambiador 133 de
calor de la segunda unidad.
El efecto global de enviar las corrientes 232,
236 enriquecidas en oxígeno desde la segunda unidad hasta la
primera unidad es posibilitar que se extraiga de la columna 27 de
baja presión una cantidad aumentada de oxígeno 36. Esta cantidad
aumentada de oxígeno se puede vaporizar toda en el intercambiador 33
de la primera unidad o en parte en ese intercambiador 33 y en parte
en otro lugar, por ejemplo en el intercambiador 133. El aumento en
la cantidad de oxígeno producido está en la región del 30% de la
producción máxima de la unidad de la figura 4.
La pureza del oxígeno 36 se reduce ligeramente
tras la integración de la unidad Y del 99,995% molar al 99,99%
molar; sin embargo, en muchos casos esto es aceptable.
La línea discontinua entre las dos unidades X e
Y de la figura 5 indica simplemente las diferentes unidades.
Preferiblemente, las dos unidades estarán dentro de la misma caja
fría o, en su defecto, la transferencia de fluidos 140, 232, 236,
336 tendrá lugar no obstante sin caldear estos fluidos, de manera
que permanecen preferiblemente a temperaturas criogénicas.
En el caso en el que la primera unidad incluía
una columna de mezclamiento, se puede enviar fluido desde la segunda
unidad hasta la columna de mezclamiento.
En todos los ejemplos dados para las figuras 1 a
5, se apreciará que la primera unidad podría adoptar cualquier
forma de planta conocida de separación de aire. Podría ser, por
ejemplo, una columna individual con un condensador superior y/o un
hervidor inferior, una columna individual con al menos una bandeja
de destilación o una sección de envasado por encima del condensador
superior en la que el líquido enriquecido en oxígeno se alimenta a
la bandeja superior o a la parte superior de la sección de envasado,
una columna individual que es la columna de alta presión de una
columna doble que comprende una columna de alta presión y una
columna de baja presión, una columna doble con un cierto número de
hervidores o condensadores en la columna de baja presión o de alta
presión, una columna triple con cualquier número de hervidores o
condensadores en la columna de baja presión, de mediana presión o
de alta presión, en la que la columna de baja presión se calienta
con gas de la parte superior de la columna de alta y/o mediana
presión, cualquiera de los sistemas previamente mencionados con una
o unas columnas de argón, una columna de producción de criptón o
xenón y/o al menos una columna de mezclamiento.
Los productos pueden ser producidos en forma
líquida o forma gaseosa que se extrae en forma gaseosa o líquida
desde una columna desde la primera, y opcionalmente la segunda,
unidad.
La vaporización de un líquido extraído de la
primera o de la segunda unidad puede tener lugar en un
intercambiador de calor de la primera o de la segunda unidad. En
particular, un líquido extraído de la primera unidad puede tener
lugar en un intercambiador de calor de la segunda unidad y/o un
líquido extraído de la segunda unidad puede tener lugar en un
intercambiador de calor de la primera unidad.
También se apreciará que la segunda unidad
podría comprender dos o más unidades similares funcionando a
presiones diferentes, todas las cuales envían fluido y/o reciben
fluido de la primera unidad.
Claims (34)
1. Proceso para aumentar la cantidad de al
menos un producto fluido (36, 236, 436) enriquecido en oxígeno,
producido por una primera unidad criogénica (X) de destilación de
aire, que comprende enviar aire enfriado y comprimido a al menos
una primera columna de destilación de la primera unidad de
separación de aire que comprende al menos una columna, y retirar
fluido enriquecido en oxígeno y fluido enriquecido en nitrógeno de
la primera unidad, en el que la primera unidad de destilación de
aire sola, antes de la integración de una segunda unidad (125) de
destilación de aire a la primera unidad, produce una cantidad de A
mol/h de un primer producto fluido (36) enriquecido en oxígeno y
dicha cantidad de primer producto fluido enriquecido en oxígeno
extraído de la primera unidad y opcionalmente de la segunda unidad
se aumenta a C mol/h, comprendiendo la cantidad C al menos una
corriente de fluido enriquecido en oxígeno extraída de la primera
unidad, mediante integración de la segunda unidad con la primera
unidad, comprendiendo dicha integración enviar líquido vaporizado o
no vaporizado enriquecido en oxígeno desde una columna individual de
la segunda unidad hasta al menos una columna de la primera unidad
de separación de aire y, durante el funcionamiento de la segunda
unidad de destilación de aire, enviar aire enfriado y comprimido a
la segunda unidad (125, 130, 133) que comprende al menos la columna
individual (125), teniendo dicha columna al menos un condensador
superior (129) que condensa al menos parcialmente gas enriquecido
en nitrógeno en la parte superior de la columna individual de la
segunda unidad en el condensador, retirar fluido enriquecido en
nitrógeno de la segunda unidad, opcionalmente tras un paso de
expansión para al menos parte de él, retirar líquido enriquecido en
oxígeno de la columna individual y enviarlo al condensador
superior, posiblemente tras un paso de destilación, para formar
líquido vaporizado enriquecido en oxígeno.
2. El proceso de la reivindicación 1, en el que
la cantidad de alimentación en moles enviados a la primera unidad
para la producción de la cantidad A sólo es menor que la cantidad de
alimentación en moles enviados a la primera unidad para la
producción de la cantidad C.
3. El proceso de la reivindicación 1 o 2, en el
que la cantidad de alimentación en moles enviados a la primera
unidad para la producción de la cantidad A sólo es menor que la
cantidad de alimentación en moles enviados a las unidades primera y
segunda para la producción de la cantidad C.
4. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que el aumento proporcional en la cantidad de
alimentación en moles enviados a la primera unidad para la
producción de la cantidad C tras la adición de la segunda unidad en
comparación con la producción de cantidad de alimentación en moles
enviados a la primera unidad para la producción de la cantidad A
antes de la adición de la segunda unidad en menor, igual o mayor que
el aumento proporcional entre la cantidad C y la cantidad A.
5. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que al menos un líquido se retira de al menos una
columna de la primera unidad y se vaporiza para formar al menos
parte del primer producto, y después se extrae de la primera unidad
en forma gaseosa.
6. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que al menos parte de la cantidad aumentada de
primer producto C se trata, preferiblemente mediante caldeo, en un
elemento de la segunda unidad.
7. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que al menos un producto de la segunda unidad no se
mezcla con el primer producto de la primera unidad que ha de ser
producido en cantidades aumentadas.
8. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que, tras la integración de la segunda unidad, al
menos un fluido (142, 436) de la primera unidad se envía a la
segunda unidad como corriente de alimentación que ha de ser tratada
dentro de la segunda unidad.
9. El proceso de la reivindicación 8, en el que
al menos un fluido (140) enviado desde la primera unidad hasta la
segunda unidad es menos rico en el componente principal del primer
producto que el aire o que el primer producto.
10. El proceso de la reivindicación 8, en el
que al menos un fluido (140) enviado de la segunda unidad a la
primera unidad es más rico en el componente principal del primer
producto que el aire pero menos rico en el componente principal del
primer producto que el primer producto.
11. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que la cantidad de fluido (140, 436) enviado desde
la primera unidad hasta la segunda unidad, opcionalmente para ser
separado en la segunda unidad, en mol/h es sustancialmente igual a
la cantidad de fluido (232, 236) enviado de la segunda unidad a la
primera unidad, opcionalmente para ser separado en la primera
unidad, en mol/h, o se diferencia de esa cantidad en no más de un
50%.
12. El proceso de la reivindicación 11, en el
que la cantidad de fluido enviado desde la primera unidad hasta la
segunda unidad, opcionalmente para ser separado en la segunda
unidad, en m^{3}/h es sustancialmente igual a la cantidad de
fluido enviado de la segunda unidad a la primera unidad,
opcionalmente para ser separado en la segunda unidad, en m^{3}/h,
o se diferencia de esa cantidad en no más de un 50%.
13. El proceso de cualquiera de las
reivindicaciones 38 a 41, en el que las cantidades de primer
producto A y C tienen el mismo componente principal y la cantidad
de componente menor está entre las cantidades A y C multiplicadas
por como mucho un factor de 1,2, opcionalmente 2 cuando el
componente principal es oxígeno o argón.
14. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que las cantidades de primer producto A y C tienen
el mismo componente principal y la cantidad de componente principal
en el producto C es menor, mayor o igual a la cantidad de
componente principal en A.
15. El proceso de cualquier reivindicación
anterior, en el que al menos uno o unos fluidos (141, 142) enviados
desde la segunda unidad hasta la primera unidad se retiran de la
segunda unidad a una temperatura subambiente y se suministran a la
primera unidad a una temperatura subambiente, y/o en el que al menos
uno o unos fluidos enviados desde la primera unidad hasta la
segunda unidad se retiran de la primera unidad a una temperatura
subambiente y se suministran a la segunda unidad a una temperatura
subambiente. (Figura 2, 4, 5, 8, 9, 15, 16).
16. El proceso de la reivindicación 15, en el
que al menos uno o unos fluidos (141, 142) enviados desde la
segunda unidad hasta la primera unidad se retiran de la segunda
unidad a una temperatura criogénica y se suministran a la primera
unidad a una temperatura criogénica, y/o en el que al menos uno o
unos fluidos enviados desde la primera unidad hasta la segunda
unidad se retiran de la primera unidad a una temperatura criogénica
y se suministran a la segunda unidad a una temperatura criogénica.
(Figura 8, 9).
17. El proceso de la reivindicación 1, en el
que el fluido enriquecido en oxígeno, derivado del fondo de la
columna y/o del contenedor superior, contiene entre un 25 y un 45%
molar de oxígeno.
18. El proceso de la reivindicación 1 ó 17, en
el que la primera unidad comprende al menos una columna de alta
presión y una columna de baja presión y se alimenta aire al menos a
la columna de alta presión y el fluido enriquecido en oxígeno de la
segunda unidad se separa y/o se trata en la primera unidad.
19. El proceso de la reivindicación 1 a 18, en
el que el único producto de la segunda unidad es un fluido
enriquecido en nitrógeno.
20. El proceso de la reivindicación 1, en el
que la primera unidad de separación de aire comprende al menos dos
columnas de destilación y dicha primera columna de destilación es la
columna que funciona a una presión más alta o a la presión más alta
y el producto enriquecido en oxígeno se retira de una columna que
opera a una presión igual o inferior.
21. El proceso de la reivindicación 1 ó 20, que
comprende enviar dicho líquido vaporizado y/o no vaporizado
enriquecido en oxígeno desde la segunda unidad hasta la primera
unidad para ser destilado y/o tratado.
22. El proceso de la reivindicación 21, que
comprende enviar dicho líquido vaporizado y/o no vaporizado
enriquecido en oxígeno a al menos la primera columna de destilación
de la primera unidad de separación de aire.
23. El proceso de una de las reivindicaciones 1
ó 20 a 22, en el que dicho líquido vaporizado enriquecido en
oxígeno se envía al condensador de una columna de argón, a una
columna de baja presión o a una columna de mezclamiento.
24. El proceso de la reivindicación 1 ó 20 a
23, en el que el aire enviado hasta la segunda unidad está a una
presión más alta, a una presión más baja o a la misma presión que la
presión más alta de cualquier corriente de aire enviada a la
primera unidad.
25. El proceso de la reivindicación 1 ó 20 a
24, que comprende retirar nitrógeno de producto de la segunda
unidad.
26. El proceso de la reivindicación 1 ó 20 a
25, que comprende expandir al menos parte del gas enriquecido en
nitrógeno retirado de la segunda unidad en una turbina (128).
27. Un aparato de separación de aire que tiene
una primera unidad (X) que comprende al menos una columna (25, 28)
de alta presión y una columna (27) de baja presión y posiblemente
una columna de mediana presión y/o una columna de mezclamiento, que
están vinculadas térmicamente, medios para producir una corriente
que contiene más de un 20% molar de oxígeno desde una segunda
unidad (Y) que incluye medios para la destilación criogénica de
aire (125), medios para enviar al menos parte de la corriente que
contiene más de un 20% molar de oxígeno a la columna de alta y/o de
baja presión y/o la columna de mediana presión y/o la columna de
mezclamiento, medios para enviar aire enfriado y purificado al
menos a la columna de alta presión y a la segunda unidad, y medios
para retirar un producto (36, 236, 436) enriquecido en oxígeno de al
menos la primera unidad y opcionalmente de la segunda unidad del
aparato; comprendiendo la segunda unidad una columna individual
(125) con un condensador superior (129), medios para alimentar aire
enfriado y purificado a la columna individual, y medios para enviar
un fluido (132) desde la columna hasta el condensador superior, y en
el que los medios para enviar una corriente que contiene más de un
20% molar de oxígeno están conectados a al menos el condensador
superior y/o la columna individual (125) y una columna de la primera
unidad.
28. El aparato de la reivindicación 27, que
comprende medios para retirar al menos un fluido enriquecido en
nitrógeno de la columna individual
(125).
(125).
29. El aparato de la reivindicación 27 ó 28, en
el que medios de conducto están conectados al condensador superior
(129) de la segunda unidad como para retirar un líquido y/o un gas
que contiene al menos un 20% de oxígeno de él y están conectados a
la columna (25, 28) de alta presión y/o la columna (27) de baja
presión de la primera unidad.
30. El aparato de la reivindicación 27, 28 ó
29, que comprende medios para retirar un líquido (36) enriquecido
en oxígeno de la columna (27) de baja presión de la primera unidad y
vaporizar el líquido (236, 436) enriquecido en oxígeno como para
formar el producto gaseoso enriquecido en oxígeno.
31. El aparato de una cualquiera de las
reivindicaciones 27 a 30, que comprende medios para enviar la
corriente que contiene más de un 20% molar de oxígeno (232, 236) a
la o las columnas de alta y/o mediana y/o baja presión de la
primera unidad, estando conectados dichos medios aguas abajo de un
intercambiador (133) de calor de la primera unidad, en el que el
aire que ha de ser destilado en la columna de alta presión se enfría
hasta una temperatura adecuada para la destilación.
32. El aparato de una cualquiera de las
reivindicaciones 27 a 31, que comprende medios para enviar fluido
(140, 141, 142) enriquecido en nitrógeno desde la primera unidad
hasta la segunda unidad y/o desde la segunda unidad hasta la primera
unidad.
33. El aparato de cualquiera de las
reivindicaciones 27 a 32, que comprende medios para enviar al menos
un fluido (140) desde la primera unidad hasta la segunda unidad y
medios (128) para expandir o comprimir el fluido de la primera
unidad dentro de la segunda unidad.
34. El aparato de las reivindicaciones 27 a 33,
que comprende medios para enviar al menos un líquido (436) desde la
primera unidad hasta la segunda unidad y medios para vaporizar el
fluido de la primera unidad dentro de la segunda unidad,
preferiblemente en una tubería (133) de intercambio de calor de la
segunda unidad.
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