ES2834478T3 - Método de separación criogénica de aire en una planta de separación de aire y planta de separación de aire - Google Patents

Abstract

Método de separación de aire (AIR), en el que el aire (AIR) refrigerado se separa a una primera presión de separación en una primera columna (S1) de separación en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno, y en el que el aire (AIR) refrigerado adicional se licua formando una fracción de fondo de columna de mezcla en una columna (M) de mezcla a una presión de columna de mezcla mediante el intercambio directo de calor contra una corriente líquida rica en oxígeno, que se obtiene al menos parcialmente de la fracción de fondo enriquecida con oxígeno de la primera columna (S1) de separación en una tercera columna (S3) de separación a una tercera presión de separación, caracterizado por que el aire (AIR) refrigerado adicional se separa igualmente en una segunda columna (S2) de separación a una segunda presión de separación en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno, donde la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna (S2) de separación se enfría al menos parcialmente con la fracción de fondo de la columna de mezcla de la columna (M) de mezcla haciendo pasar la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna (S2) de separación al menos parcialmente por la cámara de licuefacción de un condensador superior (E2) de la segunda columna (S2) de separación, el cual está diseñado como un condensador-evaporador cuya cámara de evaporación funciona a una presión de cámara de evaporación que se encuentra entre la presión de la columna de mezcla y la tercera presión de separación, y en el que se introduce al menos una parte de la fracción de fondo de la columna (M) de mezcla en forma líquida a la presión de la cámara de evaporación, y donde como primera presión de separación se utiliza una presión que es al menos 0,5 bar superior a la segunda presión de separación.

Description

DESCRIPCIÓN

Método de separación criogénica de aire en una planta de separación de aire y planta de separación de aire

La invención se refiere a un método de separación criogénica de aire mediante una columna de mezcla y a una planta de separación de aire adaptada para llevar a cabo un método correspondiente según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 10. Tal método o planta es conocido a partir del documento US-5715706 A.

Estado de la técnica

La producción de oxígeno o de mezclas ricas en oxígeno, en adelante denominadas productos de oxígeno, se realiza generalmente mediante la separación criogénica de aire en plantas de separación de aire con sistemas conocidos de columnas de destilación. Pueden diseñarse como sistemas de dos columnas, en particular como sistemas clásicos de doble columna, pero también como sistemas de tres o más columnas. Además, pueden proporcionarse dispositivos para obtener otros componentes del aire, en particular los gases nobles criptón, xenón y/o argón.

Para una serie de aplicaciones industriales se requiere, al menos no exclusivamente, oxígeno puro. Esto abre la posibilidad de optimizar las plantas de separación de aire con respecto a sus costes operativos y de producción, especialmente su consumo de energía (véase por ejemplo el capítulo 3.8 en Kerry, F.G.: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006).

Para este propósito pueden utilizarse, entre otras, las plantas de separación de aire con las llamadas columnas de mezcla, como se conocen desde hace tiempo. Tales plantas y métodos correspondientes se describen, por ejemplo, en los documentos DE 2204376 A1 (correspondiente a US-4022 030 A), US-5454 227 A, US 5490 391 A, DE 19803437 A1, DE 19951 521 A1, EP 1139046 B1 (US-2001/052244 A1), EP 1284404 A1 (US-6 662595 B2), DE 10209421 A1, DE 102 17093 A1, EP 1376037 B1 (US-6 776004 B2), EP 1387 136 A1 y EP 1666 824 A1. Otras plantas de separación de aire que pueden diseñarse como sistemas de tres columnas y que tienen columnas de mezcla, se describen, por ejemplo, en los documentos US-4 818 262 A y US-4 783208 A. Una planta de separación de aire con un sistema de tres columnas también se describe en DE 102009 023900 A1.

En una columna de mezcla se introduce una corriente líquida y rica en oxígeno en una sección superior y una corriente de aire gaseoso en una sección inferior, y se envían una contra la otra. Mediante el contacto intensivo, una determinada cantidad del nitrógeno más volátil de la corriente de aire se transfiere a la corriente rica en oxígeno. La corriente rica en oxígeno se vaporiza en la columna de mezcla y se extrae en su extremo superior como oxígeno gaseoso, el llamado oxígeno impuro. El oxígeno impuro puede ser extraído de la planta de separación de aire como un producto gaseoso de oxígeno.

A su vez, la corriente de aire se licua, se enriquece hasta cierto punto con oxígeno y se puede extraer en el extremo inferior de la columna de mezcla. La corriente licuada puede entonces introducirse en un punto energéticamente y/o separadamente adecuado en el sistema de columnas de destilación utilizado. Mediante el uso de una columna de mezcla, la energía necesaria para la separación de los materiales puede reducirse considerablemente a expensas de la pureza del producto gaseoso de oxígeno.

Para las plantas de separación de aire, especialmente las plantas de separación de aire con columnas de mezcla, se necesitan mejoras que aumenten la eficiencia general y reduzcan el consumo de energía.

Descripción de la invención

En este contexto, la invención propone un método de separación criogénica de aire mediante una columna de mezcla y una planta de separación de aire adaptada para llevar a cabo el método correspondiente y con las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes, así como la descripción que sigue, tienen por objeto realizaciones preferidas.

Ventajas de la invención

La presente invención se basa en un método de separación de aire en el que el aire refrigerado se separa a una primera presión de separación en una primera columna de separación de un sistema de columna de destilación al menos en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno.

Como ya se ha mencionado, la separación de aire puede llevarse a cabo utilizando, por ejemplo, sistemas de doble columna. Tales sistemas de doble columna comprenden una columna de separación de alta presión y una columna de separación de baja presión. En la columna de separación de alta presión se introduce aire comprimido enfriado a una temperatura cercana a su temperatura de condensación. En la columna de separación de alta presión, este aire se separa en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno. La fracción de fondo enriquecida con oxígeno se extrae, al menos parcialmente, de la columna de separación de alta presión y se transfiere a la columna de separación de baja presión.

En la columna de separación de baja presión, se obtiene una fracción líquida rica en oxígeno al menos de la fracción de fondo enriquecida en oxígeno de la columna de separación de alta presión, que se deposita en el fondo de la columna de separación de baja presión. Sin embargo, en la columna de separación de baja presión también pueden introducirse otras corrientes, por ejemplo, una fracción de fondo de la columna de mezcla.

En la presente solicitud, las sustancias y mezclas de sustancias se denominan también corrientes y fracciones. Normalmente, una corriente es conducida como un fluido en una conducción prevista para este fin. Una fracción suele referirse a una porción de una mezcla inicial separada de una mezcla inicial. Una fracción puede formar en cualquier momento una corriente correspondiente si se hace circular de la manera adecuada. A la inversa, una corriente puede utilizarse para proporcionar una mezcla inicial de la que se puede separar una fracción.

Una corriente o una fracción puede ser rica o pobre en uno o más de los componentes que contiene, donde “ rica” puede significar una proporción de más del 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 %, 99 %, 99,5 % o 99,9 % y “pobre” puede significar una proporción de menos del 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 1 %, 0,5 % o 0,1 %, sobre una base molar, de peso y/o volumen. Una corriente o una fracción también puede ser enriquecida o empobrecida en un componente en relación con una mezcla inicial, donde “enriquecida” puede significar al menos 1,5 veces, 2 veces, 3 veces, 5 veces, 10 veces o 100 veces el contenido y “empobrecida” puede significar como máximo 0,75 veces, 0,5 veces, 0,25 veces, 0,1 veces o 0,01 veces el contenido, referido en cada caso al contenido correspondiente de la mezcla inicial respectiva. Cada uno de los términos incluye también rangos de valores, por ejemplo, con los valores mencionados como límites superiores e inferiores.

Las columnas de separación de alta presión convencionales funcionan a una presión de separación de, por ejemplo, 5 a 7,5 bar, en particular de 5,5 a 6 bar. Las columnas de separación de baja presión convencionales funcionan a una presión de separación de, por ejemplo, 1,3 a 1,8 bar, en particular de 1,3 a 1,6 bar. Estos y los siguientes valores se refieren a presiones absolutas.

La columna de separación de alta presión y la columna de separación de baja presión también pueden estar separadas entre sí, al menos estructuralmente. En este caso, se trata de los sistemas de dos columnas mencionados al principio. La columna de separación de alta presión también se denomina a veces columna de separación de media presión. Los sistemas de columna múltiple y/o sistemas de columna de destilación que están configurados para extraer componentes adicionales del aire también pueden ser utilizados dentro del ámbito de la presente invención.

Sin embargo, todos esos sistemas tienen al menos una columna en la que el aire refrigerado se separa a una presión de funcionamiento definida, denominada aquí presión de separación, al menos en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno. En la presente solicitud, esta columna de separación se denomina primera columna de separación, y la presión correspondiente se denomina primera presión de separación.

En el ámbito de la presente invención también se utiliza una columna de mezcla en la que el aire refrigerado, que se introduce en la columna de mezcla en forma gaseosa, se licua por intercambio de calor directo con una corriente líquida y rica en oxígeno. El aire refrigerado se introduce en una sección inferior de la columna de mezcla y la corriente líquida rica en oxígeno en una sección superior. Ambas corrientes son enviadas una contra la otra. Como ya se ha mencionado, el intercambio intensivo entre las dos corrientes hace que el oxígeno de la corriente líquida rica en oxígeno se acumule en el aire, mientras que, por el contrario, la corriente líquida rica en oxígeno se contamina, en particular, con nitrógeno procedente del aire. Esto también tiene lugar a una presión definida, que se denomina aquí presión de la columna de mezcla. En el fondo de la columna de mezcla, el aire licuado y el aire enriquecido con oxígeno se separan como una fracción de fondo de la columna de mezcla.

La corriente líquida y rica en oxígeno que se introduce en la columna de mezcla suele obtenerse utilizando la fracción de fondo enriquecida en oxígeno de al menos la primera columna de separación. Con este fin, como se ha mencionado anteriormente, se transfiere al menos parcialmente a la columna de separación de baja presión y se separa de ella la correspondiente fracción líquida y rica en oxígeno.

Las columnas de destilación de los sistemas de columnas de destilación de las plantas de separación de aire están provistas, al menos parcialmente, de lo que se denomina un condensador superior. Esto se aplica al menos a la columna de separación de alta presión de los sistemas clásicos de doble columna. El condensador superior de la columna de separación de alta presión, que suele estar diseñado como condensador-evaporador, suele denominarse también condensador principal. En un condensador superior, el fluido gaseoso se extrae de la parte superior de la columna correspondiente y pasa a través del condensador superior. Esto hace que el fluido gaseoso se licue al menos parcialmente. En las plantas convencionales de separación de aire, en el condensador principal (es decir, el condensador superior de la columna de separación de alta presión), se licua al menos parcialmente un producto de cabeza gaseoso (el llamado nitrógeno de cabeza) de la columna de separación de alta presión y se evapora un producto de cabeza de la columna de separación de baja presión, que está dispuesto encima de la columna de alta presión. El condensador principal se suele colocar dentro de la columna de separación de baja presión (condensador principal interno). Como alternativa, se puede colocar en un recipiente independiente fuera de la columna de baja presión y conectado a la columna de separación de baja presión por medio de conducciones (condensador principal externo).

En un condensador-evaporador, utilizado típicamente como condensador superior, un líquido que se va a evaporar (también llamado medio refrigerante) en una cámara de evaporación se evapora al menos parcialmente contra un fluido gaseoso en una cámara de licuefacción. Como resultado, el fluido gaseoso, que pasa por la cámara de licuefacción, se licua al menos parcialmente. Por lo tanto, un condensador-evaporador tiene una cámara de licuefacción y una cámara de evaporación. Las cámaras de evaporación y licuefacción están formadas cada una por grupos de pasajes (pasajes de licuefacción o evaporación), los cuales están en conexión fluida entre sí. La condensación de una primera corriente de fluido se lleva a cabo en la cámara de condensación, y la evaporación de una segunda corriente de fluido en la cámara de evaporación. Las dos corrientes de fluido están en intercambio de calor indirecto. Los condensadores-evaporadores también se denominan evaporadores de baño.

Según la invención, se prevé utilizar una segunda columna de separación con un condensador superior correspondiente diseñado como condensador-evaporador, en el que también se introduce aire refrigerado. Esta funciona a una segunda presión de separación. En la segunda columna de separación, el aire también se separa al menos en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno. Por lo tanto, se trata de una segunda columna de separación, que puede funcionar con una segunda presión de separación diferente a la de la primera columna de separación. La segunda presión de separación puede ser más baja que la primera. Por lo tanto, la segunda columna de separación también puede denominarse segunda columna de separación de alta presión o columna de separación de media presión.

A fin de distinguirlas entre sí, en la presente solicitud, la columna de separación en la que se obtiene la corriente líquida y rica en oxígeno que se introduce en la columna de mezcla se denomina tercera columna de separación. La presión utilizada en la tercera columna de separación se denomina tercera presión de separación. Como se ha mencionado, esta es típicamente una columna de separación de baja presión.

Según la invención, también se prevé enfriar la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna de separación con la fracción de fondo de la columna de mezcla, es decir, el aire licuado y enriquecido con oxígeno en la columna de mezcla. Al enfriar la fracción de cabeza rica en nitrógeno de la segunda columna de separación, esta puede licuarse para poderla realimentar a la segunda columna de separación.

En el ámbito de la presente invención, la segunda columna de separación está provista para este propósito del condensador superior mencionado anteriormente, el cual está diseñado en forma de un condensador-evaporador, cuya cámara de evaporación funciona a una presión que se encuentra entre la presión de la columna de mezcla y la tercera presión de separación, en la cual se obtiene la corriente rica en oxígeno líquido en la tercera columna de separación. La presión a la que funciona esta cámara de evaporación se denomina aquí presión de la cámara de evaporación. Al menos una parte de la fracción de fondo de la columna de mezcla se introduce en la cámara de evaporación en forma líquida a la presión de la cámara de evaporación. La fracción de fondo de la columna de mezcla forma un baño líquido en la cámara de evaporación del condensador superior de la segunda columna de separación. La fracción de cabeza de la segunda columna de separación pasa, al menos parcialmente, por la cámara de licuefacción del condensador superior y así calienta el baño líquido. De este modo, este último se evapora continuamente, y la fracción de cabeza de la segunda columna de separación se licua al menos parcialmente.

Como también se explicará a continuación, la presente invención, mediante el uso de la fracción de fondo de la columna de mezcla para enfriar la fracción de cabeza de la segunda columna de separación, permite una separación de aire de alimentación con los contenidos naturales de sus componentes de aire individuales con una segunda presión de separación comparativamente baja o incluso muy baja. En consecuencia, convencionalmente se utilizan bajas presiones de separación solo en columnas de separación de media presión, que, sin embargo, se alimentan al menos parcialmente con fracciones de aire previamente separadas en una columna de separación de alta presión. La fracción de fondo de la columna de mezcla es particularmente adecuada para enfriar la fracción de cabeza de la segunda columna de separación debido a su composición, que se explica a continuación, y a su bajo punto de ebullición. La fracción de fondo de la columna de mezcla, correspondientemente vaporizada, puede ser introducida en forma gaseosa en la tercera columna de separación, por ejemplo, la columna de separación de baja presión mencionada anteriormente. Una pequeña proporción de la fracción de fondo de la columna de mezcla también puede extraerse en forma líquida como descarga.

Debido a la baja presión de separación que se puede utilizar en la segunda columna de separación, solo es necesario comprimir una porción comparativamente pequeña del aire utilizado en una planta de separación de aire según la invención a presiones más altas, lo que ahorra energía del compresor y por lo tanto mejora la eficiencia.

Según la invención, como primera presión de separación se utiliza una presión que es al menos 0,5 bar más alta que la utilizada como segunda presión de separación. Además, la segunda presión de separación es ventajosamente una presión que difiere en no más de 0,5 bar de la presión utilizada como presión de la columna de mezcla. Como tercera presión de separación se utiliza ventajosamente una presión al menos 2 bar inferior a la utilizada como primera y/o segunda presión de separación. En este caso, es particularmente ventajosa, como primera presión de separación, una presión de 4 a 6 bar, en particular de 5,0 a 5,5 bar, y/o como segunda presión de separación, una presión de 3 a 5 bar, en particular de 4,0 a 4,5 bar, y/o como tercera presión de separación, una presión de 1 a 2 bar, en particular de 1,2 a 1,6 bar, y/o como presión de la columna de mezcla, una presión de 2 a 5 bar, en particular de 4,0 a 4,5 bar, como se explica a continuación.

A continuación, se explican las ventajas de un método que utiliza los valores de presión mencionados y en el que el aire refrigerado se suministra con la primera presión de separación, con la segunda presión de separación y con la presión de la columna de mezcla, y se introduce en la primera columna de separación, en la segunda columna de separación y en la columna de mezcla.

El método propuesto según la invención, o en una planta de separación de aire correspondiente, puede ahorrar energía en particular al no tener que comprimir todo el aire hasta el nivel de presión de la primera columna de separación, es decir, la presión utilizada en la primera columna de separación. Como ya se ha mencionado, la primera presión de separación suele ser más alta que la segunda.

No obstante, incluso con baja presión en la segunda columna de separación, se puede obtener una fracción de fondo enriquecida con oxígeno similar a la de la primera columna de separación. Esta puede transferirse junto con la fracción de fondo enriquecida con oxígeno de la primera columna de separación a una tercera columna de separación, por ejemplo, la denominada columna de separación de baja presión. En la tercera columna de separación se puede obtener una fracción líquida rica en oxígeno a partir de las dos fracciones inferiores, es decir, de la fracción de fondo de la primera columna de separación y de la fracción de fondo de la segunda columna de separación. Sin embargo, la energía necesaria para ello es significativamente menor.

Resulta ventajoso utilizar como presión de la cámara de evaporación una presión que sea, como máximo, 0,5 bar mayor que la utilizada como tercera presión de separación. Aquí, la fracción de fondo de la columna de mezcla se expande a través de una válvula en la cámara de evaporación del condensador principal de la segunda columna de separación. La presión de la cámara de evaporación se ajusta en la medida de lo posible de manera que, por un lado, la fracción de fondo de la columna de mezcla que se evapora pueda proporcionar una cantidad máxima de frío y, por otro lado, la parte evaporada de la fracción de fondo de la columna de mezcla pueda fluir hacia la tercera columna de separación sin necesidad de medidas adicionales. Por lo tanto, la presión de la cámara de evaporación es ventajosamente al menos ligeramente superior a la tercera presión de separación a la que funciona la tercera columna de separación.

La invención logra así un método de columna de mezcla optimizado desde el punto de vista energético con una segunda columna de separación. El método de columna de mezcla propuesto es particularmente adecuado para la producción de un producto de oxígeno obtenido en forma gaseosa con una pureza de entre el 80 y el 98 %. También pueden obtenerse productos correspondientes con los métodos convencionales de columnas de mezcla, pero el método propuesto se optimiza en términos de consumo de energía debido a la menor necesidad de presión. El método según la invención es particularmente adecuado para una presión de suministro del producto de oxígeno de aprox. 4 bar.

En el método según la invención, por ejemplo, un compresor de aire principal comprime la cantidad total de aire requerido, denominado aquí también aire total, a una presión de, por ejemplo, 4,6 bar. El aire comprimido se seca y, por ejemplo, se purifica en un adsorbedor de tamiz molecular.

En este ejemplo, parte del aire, por ejemplo, alrededor de la mitad, se recomprime en un compresor secundario a una presión más alta, por ejemplo, a 5,6 bar. El resto no se recomprime. El aire recomprimido y el aire no recomprimido se enfrían en un intercambiador de calor principal. También se pueden enfriar a diferentes temperaturas diferentes proporciones o corrientes parciales del aire recomprimido y/o no recomprimido. El enfriamiento y las pérdidas de conducción dan como resultado una ligera pérdida de presión de 0,1 a 0,2 bar, por ejemplo. Así pues, el aire recomprimido y enfriado está, en la primera presión de separación, por ejemplo, a 5,4 bar, y el aire no recomprimido y enfriado está, en la segunda presión de separación, por ejemplo, a 4,3 bar.

El aire recomprimido y enfriado puede ahora alimentarse parcialmente a la primera columna de separación y ser separado allí. Otra fracción, que no necesariamente se ha enfriado a la misma temperatura que la fracción alimentada a la primera columna de separación, puede expandirse mediante la llamada turbina de inyección para generar frío. El aire correspondientemente expandido puede, por ejemplo, ser alimentado a una altura definida a una tercera columna de separación, por ejemplo, la columna de separación de baja presión.

Alternativamente, el aire recomprimido y enfriado puede introducirse completamente en la primera columna de separación y separarse allí, especialmente si se utiliza una turbina de columna de mezcla como se explica a continuación.

El aire refrigerado que no se recomprime puede ser introducido en parte en la segunda columna de separación y en parte en la columna de mezcla. En la columna de mezcla, como se ha explicado, se obtiene una fracción de fondo de la columna de mezcla. En la segunda columna de separación, el aire alimentado se separa a la segunda presión de separación. Para permitir la separación a la segunda presión de separación baja, por ejemplo, a 4,3 bar, como se ha mencionado, la fracción de cabeza de la segunda columna de separación se enfría en un condensador superior diseñado como condensador-evaporador con una parte de la fracción de fondo de la columna de mezcla. La fracción de fondo de la columna de mezcla es especialmente adecuada para este propósito. Por ejemplo, se evapora a aproximadamente 1,4 bar (es decir, a la tercera presión de separación o ligeramente por encima) y contiene aproximadamente un 65 % de oxígeno.

Sin embargo, el aire que se introduce en la columna de mezcla no tiene que ser suministrado, o no exclusivamente, en forma de aire no recomprimido y enfriado. Por ejemplo, también es posible utilizar una turbina de columna de mezcla, en la que se introduce aire a una presión más alta que la de la columna de mezcla, y en la que se puede conseguir frío en consecuencia. El aire que se introduce en la turbina de la columna de mezcla puede suministrarse como una porción más del aire recomprimido y enfriado, pero también puede recomprimirse por separado, por ejemplo, en un compresor secundario acoplado a la turbina de la columna de mezcla.

El aire expandido en la turbina de la columna de mezcla puede entonces ser alimentado a la columna de mezcla a la presión de esta. Esto es particularmente ventajoso si no se proporciona una turbina de inyección, como se ha explicado anteriormente. Sin embargo, en determinados casos, puede proporcionarse tanto una turbina de inyección como una turbina de columna de mezcla. Si se proporciona una turbina de columna de mezcla, el aire no recomprimido ni enfriado también puede introducirse completamente en la segunda columna de separación.

En otras palabras, pueden preverse variantes del método en las que, alternativamente entre sí o en una combinación adecuada:

- el aire refrigerado se suministra a la segunda presión de separación y/o a la presión de la columna de mezcla mediante la compresión en un compresor principal y el posterior enfriamiento en un intercambiador de calor;

- el aire refrigerado se suministra a la presión de la columna de mezcla mediante compresión en un compresor principal, recompresión posterior en un compresor secundario, enfriamiento posterior en un intercambiador de calor y expansión posterior en una máquina de expansión, o

- el aire refrigerado se suministra a la primera presión de separación mediante compresión en un compresor principal, recompresión posterior en un compresor secundario y enfriamiento posterior en un intercambiador de calor.

En lugar de una turbina de columna de inyección y/o de columna de mezcla alimentada con aire refrigerado, también se puede utilizar la llamada turbina PGAN. Para ello se puede extraer de la primera columna de separación un producto de cabeza que contenga nitrógeno en forma gaseosa, calentarlo hasta 130 a 200 K en el intercambiador de calor principal y luego expandirlo en una denominada turbina PGAN, por ejemplo, de aprox. 5,3 a aprox. 1,1 bar de manera eficaz.

En comparación con los métodos convencionales en los que se utilizan turbinas de columna de mezcla, las medidas según la invención permiten un ahorro de energía de hasta el 5 % y, en comparación con los métodos convencionales en los que se utilizan turbinas de inyección, un ahorro de energía de hasta el 10 %. Como se ha explicado, estas ventajas se deben, entre otras cosas, al uso de la segunda presión de separación baja, que a su vez puede ser utilizada debido al enfriamiento de la fracción de cabeza de la segunda columna de separación con el producto de fondo de la columna de mezcla, como se propone en la invención.

En resumen, puede ser ventajoso proporcionar el aire refrigerado a la segunda presión de separación y/o la presión de la columna de mezcla mediante la compresión en un compresor principal y el enfriamiento en un intercambiador de calor. Esto es muy fácil de aplicar en los casos en que la segunda presión de separación corresponde a la presión de la columna de mezcla, porque esto significa que una corriente de aire comprimida a una presión correspondiente solo tiene que ser dividida en corrientes parciales. Sin embargo, también se puede suministrar el aire refrigerado a la presión de la columna de mezcla mediante la compresión en un compresor principal, la recompresión en un compresor secundario, el enfriamiento en un intercambiador de calor y la expansión en una máquina de expansión, es decir, la turbina de la columna de mezcla descrita. Las ventajas de esta realización consisten en una producción de refrigeración más flexible. Además, la columna de mezcla también puede funcionar con una presión de columna de mezcla que se desvía en cierta medida de la segunda presión de separación. Dado que la presión de la columna de mezcla corresponde esencialmente a la presión de descarga del producto de oxígeno producido en la columna de mezcla, esto también permite una adaptación más flexible. Por lo tanto, la columna de mezcla puede funcionar con una presión menor de la columna de mezcla. El aire refrigerado con la primera presión de separación es finalmente proporcionado ventajosamente mediante la compresión en un compresor principal y un compresor secundario y el enfriamiento posterior.

Como ya se ha explicado, en los métodos convencionales de columna de mezcla, la corriente líquida rica en oxígeno que se introduce en la columna de mezcla se obtiene separando una fracción de fondo rica en oxígeno de la fracción de fondo enriquecida en oxígeno obtenida en una columna de separación a otra columna de separación, por ejemplo, la columna de separación de baja presión, y extrayéndola de la columna de separación. En el método aquí propuesto se utiliza ventajosamente la fracción de fondo enriquecida con oxígeno de la primera y/o la segunda columna de separación, en particular ambas. La fracción de fondo rica en oxígeno se separa en la ya mencionada tercera columna de separación. Esto resulta en los ahorros descritos anteriormente. Aquí, la tercera presión de separación es ventajosamente al menos 2 bar menor que la primera y/o segunda presión de separación.

En la tercera columna de separación también es ventajoso insuflar aire refrigerado que se ha comprimido a una presión superior a la tercera presión de separación. La turbina de inyección ya explicada se utiliza para este propósito.

Una planta de separación de aire según la invención se configura para llevar a cabo un método tal como se ha explicado anteriormente y dispone de los medios adecuados.

En particular, los medios que están diseñados para enfriar la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna de separación con la fracción de fondo de la columna de mezcla comprenden un condensador superior de la segunda columna de separación, que está diseñado como condensador-evaporador, a través de cuya cámara de licuefacción fluye la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y cuya cámara de evaporación puede enfriarse con la fracción de fondo de la columna de mezcla, y en el que la fracción de fondo de la columna de mezcla está presente en forma líquida.

En una planta correspondiente, la columna de mezcla está dispuesta ventajosamente por encima de la segunda columna de separación. Esto permite un diseño constructivo especialmente compacto de las correspondientes plantas de separación de aire. Una disposición “ por encima de” significa que las proyecciones de la columna de mezcla y de la segunda columna de separación se superponen al menos parcialmente en un plano horizontal. El plano horizontal corresponde para ello a un plano perpendicular al eje longitudinal de las columnas correspondientes. Durante el funcionamiento, el eje longitudinal es perpendicular a la superficie terrestre.

Además, en el marco de la presente invención, la columna de mezcla y la segunda columna de separación están diseñadas ventajosamente juntas en forma de una columna de una sola pieza. Una columna de una sola pieza está rodeada por un armazón de metal común que encierra las respectivas partes de la columna y dentro del cual las partes de la columna pueden estar dispuestas como compartimentos. Un ejemplo de una columna de una pieza con dos secciones de columna es la clásica columna doble de Linde con la columna de separación de alta y baja presión. Así, la columna de mezcla y la segunda columna de separación también pueden formar una columna doble en el marco de la presente invención.

El condensador superior de la segunda columna de separación está dispuesto ventajosamente dentro o por debajo de la columna de mezcla en una columna correspondiente de una sola pieza (correspondiente a un condensador principal interno de una columna doble de Linde).

La invención se explicará en mayor detalle haciendo referencia a las figuras anexas, en las que se ilustra una realización preferida de la invención.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra una representación esquemática de una planta de separación de aire según una realización especialmente preferida de la invención.

Realización de la invención

En la Figura 1 se muestra una planta de separación de aire según una realización especialmente preferida de la invención, que se representa en su conjunto con el número 10. La Figura 1 muestra las presiones utilizadas en conducciones específicas mediante campos discontinuos. Estas presiones representan simplemente valores ilustrativos no limitativos. Los valores de presión y los rangos de valores que pueden utilizarse en una planta 10 de separación de aire correspondiente se han explicado anteriormente.

A la planta 10 de separación de aire se alimenta aire AIR comprimido y purificado, entre otros, a través de una conducción a y una conducción b. La compresión y la purificación se llevan a cabo de manera conocida, por ejemplo, en un compresor principal con sistemas de filtros en la parte anterior y lavadores de aire o dispositivos de adsorción en la parte posterior. Una planta 10 de separación de aire correspondiente puede funcionar con compresores principales y secundarios, de manera que el aire AIR suministrado pueda ser suministrado a diferentes presiones, en este caso, por ejemplo, 5,6 bar en la conducción a y 4,4 bar en la conducción b.

El aire alimentado a la planta 10 a través de la conducción a se alimenta a un intercambiador E1 de calor y se enfría en él. A través de una conducción c, parte de este aire puede ser extraído del intercambiador E1 de calor en el extremo frío y, a través de una conducción d, otra parte a una temperatura intermedia. Debido al enfriamiento y a las pérdidas de presión, el aire de las conducciones c y d está a una presión ligeramente inferior a la de la conducción a.

La presión en la conducción c corresponde a la presión de separación de una primera columna S1 de separación y, en el ejemplo que se muestra, es de 5,4 bar. El aire correspondiente se introduce por la conducción c en una sección inferior de la primera columna S1 de separación. En esta última, el aire alimentado puede separarse de manera conocida en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno.

En la conducción d, el aire extraído del intercambiador E1 de calor a la temperatura intermedia puede ser alimentado a una máquina X1 de expansión, que está acoplada a un convertidor B de energía, por ejemplo, un freno oleohidráulico. El aire correspondientemente expandido sale de la máquina X1 de expansión a través de una conducción e.

El aire alimentado a la planta 10 a través de la conducción b se alimenta igualmente al intercambiador E1 de calor y se enfría en él. El aire puede ser alimentado a través de una conducción f a una presión que también es ligeramente reducida en comparación con la presión de la conducción b, por ejemplo 4,3 bar, a una parte en una sección inferior de una segunda columna S2 de separación y, a través de una conducción g, a otra parte de una sección inferior de una columna M de mezcla.

La segunda columna S2 de separación y la columna M de mezcla también pueden diseñarse como una unidad estructural (columna de una sola pieza). La segunda columna S2 de separación y la columna de mezcla del ejemplo mostrado funcionan a una presión de 4,3 bar.

Una corriente líquida rica en oxígeno se introduce en la columna M de mezcla a través de una conducción h en una sección superior y se envía contra el aire alimentado a través de la conducción g a la presión de la columna de mezcla. Debido al contacto intensivo entre el aire de la conducción g y la corriente líquida rica en oxígeno de la conducción h, parte del nitrógeno del aire se transfiere a la corriente rica en oxígeno. La corriente rica en oxígeno se vaporiza, el aire se licua, se enriquece simultáneamente con oxígeno hasta cierto punto y se separa como una fracción de fondo en una sección inferior de la columna M de mezcla. La fracción de fondo de la columna de mezcla puede extraerse de la sección inferior de la columna M de mezcla a través de las conducciones i y k.

A través de la conducción i, la fracción de fondo de la columna de mezcla puede ser alimentada a través de una válvula (no mostrada) a una cámara de evaporación, situada debajo de esta, de un condensador superior E2 de la segunda columna S2 de separación que está diseñado como un condensador-evaporador. La fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna S2 de separación puede fluir a través de la cámara de licuefacción del condensador superior E2 mediante un sistema I de conducciones. Parte del condensado obtenido en la cámara de condensación del condensador superior E2 puede ser alimentado como reflujo a la segunda columna S2 de separación, y otra parte puede ser alimentada a través de una conducción m a un intercambiador E3 de calor diseñado como subenfriador y luego alimentada a través de una conducción n a una sección superior de una tercera columna S3 de separación. La tercera columna S3 de separación está diseñada como una columna de separación de baja presión.

La fracción de fondo de la columna de mezcla en la conducción k también pasa a través del intercambiador E3 de calor y puede ser alimentada a la tercera columna S3 de separación a través de la conducción o a una altura definida. Una porción evaporada de la fracción de fondo de la columna de mezcla, que se ha utilizado para enfriar el condensador principal E2, también puede ser alimentada a la tercera columna S3 de separación a través de una conducción p. Dado que la cámara de evaporación del condensador principal E2 funciona a una presión de la cámara de evaporación que se encuentra entre la presión de la columna de mezcla a la que funciona la columna M de mezcla y la tercera presión de separación a la que funciona la tercera columna S3 de separación, el fluido de la cámara de evaporación del condensador principal E2 puede fluir hacia la tercera columna S3 de separación sin necesidad de medidas adicionales.

En la parte superior de la columna M de mezcla se puede extraer, a través de una conducción q y una válvula V1, una corriente gaseosa rica en oxígeno obtenida mediante la vaporización de la corriente líquida rica en oxígeno de la conducción h y el intercambio con el aire de la conducción g. La corriente gaseosa rica en oxígeno se calienta en el intercambiador E1 de calor y se libera a través de una válvula V2 a una presión de, por ejemplo, 4,0 bar como producto GOX gaseoso de oxígeno. Otra porción de la corriente líquida rica en oxígeno puede ser liberada a través de una válvula V3 como fracción LOX de enjuague. Esta liberación tiene lugar en pequeñas cantidades, por lo que el oxígeno líquido no constituye un producto de una correspondiente planta 10 de separación de aire. Su extracción tiene como objetivo principal eliminar componentes como el metano que contiene.

La fracción de fondo enriquecida con oxígeno de la segunda columna S2 de separación puede extraerse a través de una conducción r, enfriarse en el intercambiador E3 de calor y alimentarse a la tercera columna S3 de separación a través de una conducción s y una válvula V4.

Desde la primera columna S1 de separación, la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno puede ser extraída y condensada parcialmente en un intercambiador E4 de calor a través de un sistema t de conducciones y devuelta en forma líquida a la primera columna S1 de separación. El intercambiador E4 de calor está diseñado como un condensador superior y se enfría con una fracción de fondo líquida y rica en oxígeno de la tercera columna S3 de separación.

A través de una conducción u puede extraerse una parte adicional de la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la primera columna S1 de separación, hacerla circular a través del intercambiador E1 de calor, y liberarla como gas SG de purga a través de una válvula V5.

La fracción de fondo enriquecida con oxígeno puede extraerse de la primera columna S1 de separación a través de una conducción v, pasar por el intercambiador E3 de calor y, junto con la fracción de fondo rica en oxígeno de la segunda columna de separación S2, pasar a la tercera columna S3 de separación a través de la conducción s. Una fracción adicional puede extraerse de la primera columna de separación a través de una conducción w y, después de pasar por el intercambiador E3 de calor, también puede introducirse en la tercera columna S3 de separación a través de la conducción n explicada.

En la tercera columna S3 de separación se separa una fracción de fondo rica en oxígeno de la fracción de fondo enriquecida en oxígeno de la primera y segunda columnas S1, S2 de separación y utilizando las corrientes posteriores que se alimentan. El aire de la conducción e que es expandido por la máquina X1 de expansión también es alimentado (soplado) a la tercera columna de separación.

La fracción de fondo rica en oxígeno puede ser extraída a través de una conducción x y alimentada al intercambiador E3 de calor por medio de una bomba P1. Después de un calentamiento inicial en este, la fracción de fondo rica en oxígeno puede ser alimentada a través de una conducción y al intercambiador E1 de calor, calentada más todavía y finalmente alimentada a la sección superior de la columna M de mezcla a través de la conducción h explicada.

Una fracción gaseosa puede ser extraída a través de una conducción z en la parte superior de la tercera columna de separación, calentada por los intercambiadores E3 y E1 de calor y descargada de la planta 10 de separación de aire. Esta fracción puede ser utilizada en el sistema previo de purificación de aire y/o liberada a la atmósfera ATM.

Como se ha mencionado anteriormente, el aire también puede ser introducido en la columna M de mezcla a través de una máquina de expansión, llamada entonces turbina de columna de mezcla. Esta puede proporcionarse como complemento o como alternativa a la máquina X1 de expansión, que también se denomina turbina de inyección.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

   i. Método de separación de aire (AIR), en el que el aire (AIR) refrigerado se separa a una primera presión de separación en una primera columna (S1) de separación en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno, y en el que el aire (AIR) refrigerado adicional se licua formando una fracción de fondo de columna de mezcla en una columna (M) de mezcla a una presión de columna de mezcla mediante el intercambio directo de calor contra una corriente líquida rica en oxígeno, que se obtiene al menos parcialmente de la fracción de fondo enriquecida con oxígeno de la primera columna (S1) de separación en una tercera columna (S3) de separación a una tercera presión de separación, caracterizado por que el aire (AIR) refrigerado adicional se separa igualmente en una segunda columna (S2) de separación a una segunda presión de separación en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno, donde la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna (S2) de separación se enfría al menos parcialmente con la fracción de fondo de la columna de mezcla de la columna (M) de mezcla haciendo pasar la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna (S2) de separación al menos parcialmente por la cámara de licuefacción de un condensador superior (E2) de la segunda columna (S2) de separación, el cual está diseñado como un condensador-evaporador cuya cámara de evaporación funciona a una presión de cámara de evaporación que se encuentra entre la presión de la columna de mezcla y la tercera presión de separación, y en el que se introduce al menos una parte de la fracción de fondo de la columna (M) de mezcla en forma líquida a la presión de la cámara de evaporación, y donde como primera presión de separación se utiliza una presión que es al menos 0,5 bar superior a la segunda presión de separación.
2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que como primera presión de separación se utiliza una presión que es al menos 1 bar más alta que la utilizada como segunda presión de separación.
3. 3. Método según la reivindicación 1 o 2, en el que como segunda presión de separación se utiliza una presión que difiere en no más de 0,5 bar de la presión utilizada como presión de la columna de mezcla.
4. 4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que como tercera presión de separación se utiliza una presión de al menos 2 bar menos que la presión utilizada como primera y/o segunda presión de separación.
5. 5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que como presión de la cámara de evaporación se utiliza una presión superior en no más de 0,5 bar a la utilizada como tercera presión de separación.
6. 6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que como primera presión de separación se utiliza una presión de 4 a 6 bar, en particular de 5,0 a 5,5 bar, y/o como segunda presión de separación una presión de 3 a 5 bar, en particular de 4,0 a 4,5 bar, y/o como tercera presión de separación una presión de 1 a 2 bar, en particular de 1,2 a 1,6 bar, y/o como presión de la columna de mezcla una presión de 2 a 5 bar, en particular de 4,0 a 4,5 bar.
7. 7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aire (AIR) enfriado se suministra respectivamente con la primera presión de separación, con la segunda presión de separación y con la presión de la columna de mezcla y se introduce en la primera columna (S1) de separación, en la segunda columna (S2) de separación y en la columna (M) de mezcla.
8. 8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la corriente líquida rica en oxígeno se obtiene separando una fracción de fondo rica en oxígeno de la fracción de fondo enriquecida en oxígeno de la primera y/o segunda columnas (S1, S2) de separación en la tercera columna (S3) de separación a la tercera presión de separación y extrayéndola de la tercera columna (S3) de separación.
9. 9. Método según la reivindicación 8, en el que el aire (AIR) que se ha comprimido y enfriado a una presión superior a la tercera presión de separación se expande a la tercera presión de separación en al menos una máquina (X1) de expansión y se alimenta a la tercera columna (S3) de separación.
10. 10. Planta (10) de separación de aire adaptada para llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con

    - una primera columna (S1) de separación que está adaptada para separar aire (AIR) refrigerado a una primera presión de separación al menos en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno,

    - una columna (M) de mezcla que está adaptada para licuar aire (AIR) refrigerado adicional a una presión de columna de mezcla por intercambio directo de calor contra una corriente líquida rica en oxígeno a una fracción de fondo de la columna de mezcla,

    - una segunda columna (S2) de separación que tiene un condensador superior (E2) diseñado como un condensador-evaporador, y que está adaptada para separar aire (AIR) refrigerado adicional a una segunda presión de separación, igualmente al menos en una fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno y una fracción de fondo enriquecida con oxígeno,

    - una tercera columna (S3) de separación que está adaptada para recuperar al menos parcialmente de la fracción de fondo enriquecida en oxígeno de la primera columna (S1) de separación la corriente líquida rica en oxígeno a una tercera presión de separación, caracterizada por que

    - se proporcionan medios adaptados para enfriar al menos parcialmente la fracción de cabeza enriquecida en nitrógeno de la segunda columna (S2) de separación con la fracción de fondo de la columna de mezcla de la columna (M) de mezcla, donde estos

    • conducen la fracción de cabeza enriquecida con nitrógeno de la segunda columna (S2) de separación al menos parcialmente a través de la cámara de licuefacción del condensador superior (E2) de la segunda columna (S2) de separación, • hacen que la cámara de evaporación del condensador superior (E2) funcione a una presión de cámara de evaporación que se encuentra entre la presión de la columna de mezcla y la tercera presión de separación, y

    • alimentan a la cámara de evaporación del condensador superior (E2) al menos una parte de la fracción de fondo de la columna de mezcla de la columna (M) de mezcla de forma líquida a la presión de la cámara de evaporación,

    - y se proporcionan medios que están adaptados para utilizar como primera presión de separación una presión que es al menos 0,5 bar más alta que la presión utilizada como segunda presión de separación.

    Planta (10) de separación de aire según la reivindicación 10, en la que la columna (M) de mezcla junto con la segunda columna (S2) de separación está diseñada en forma de columna de una sola pieza y/o la columna (M) de mezcla está dispuesta encima de la segunda columna (S2) de separación.