IT202100032876A1 - Impianto e processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto - Google Patents

Impianto e processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto Download PDF

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Vittorio Dell'acqua
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Rita S R L
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Description

Impianto e processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto
Settore della tecnica
La presente invenzione si riferisce ad un impianto per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto, ad esempio aria atmosferica. Inoltre, la presente invenzione riguarda un processo per l?ottenimento di ossigeno e azoto allo stato gassoso mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto.
Arte nota
Ossigeno e azoto sono alcuni dei gas pi? comuni che vengono estratti dall?aria atmosferica, la quale compone l?atmosfera terrestre. L?ossigeno e l?azoto estratti dall?aria atmosferica trovano impiego in una molteplicit? di settori. L?ossigeno, per esempio, trova applicazione in medicina, nell?industria per saldare e tagliare metalli o per fondere vetro e metalli, nel settore ambientale come coadiuvante negli impianti di depurazione dell?acqua e per risanare e ripopolare i laghi eccessivamente concimati, nell?industria farmaceutica come reagente per la produzione di farmaci. L?azoto viene utilizzato nell?industria chimica come gas inerte per
l?inertizzazione e il raffreddamento, nell?industria alimentare come gas per la congelazione rapida e il confezionamento in atmosfera modificata.
Sono noti diversi metodi per la produzione di ossigeno e azoto estratti dall?aria fra cui menzioniamo l?estrazione mediante adsorbimento, l?estrazione mediante utilizzo di apposite membrane di estrazione oppure l?estrazione mediante separazione criogenica dell?aria, ossia separazione dell?aria a temperature molto basse.
I primi due metodi vengono in genere utilizzati in impianti di piccola taglia, ossia in impianti in cui la produzione di ossigeno e azoto gassosi arriva a circa 1 ton/ora. Tuttavia, questi metodi presentano l?inconveniente di avere notevoli consumi energetici.
Il terzo metodo summenzionato, ossia quello per l?ottenimento di ossigeno e azoto mediante separazione criogenica dell?aria prevede sostanzialmente tre fasi principali: una prima fase di rimozione delle impurit? dell?aria, una seconda fase di liquefazione dell?aria e una terza fase di distillazione dell?aria liquida. La fase di rimozione delle impurit? dell?aria prevede una compressione iniziale dell?aria ed una fase di pulizia dell?aria mediante setacci molecolari che permettono la rimozione del vapore acqueo e dell?anidride carbonica. La fase di liquefazione dell?aria prevede di portare l?aria compressa a temperature criogeniche, ossia molto basse, mediante l?impiego di una serie di scambiatori di calore e di sottoporre l?aria raffreddata ad una fase di espansione mediante un?apposita turbina di espansione, che la raffredda ulteriormente fino a quando non viene liquefatta. La fase di distillazione dell?aria prevede la separazione dell?aria liquefatta nelle sue componenti costituenti mediante l?impiego di colonne di distillazione all?interno delle quali l?azoto fuoriesce sotto forma di gas dalla parte superiore della colonna di distillazione e l?ossigeno fuoriesce sotto forma liquida dal basso della colonna di distillazione.
Alcuni esempi di impianti e processi per l?ottenimento di ossigeno e/o azoto gassoso mediante separazione criogenica dell?aria vengono descritti nei documenti: US2021080171 (A1); CN101839612 (A); US2008216512 (A1); JP2017150698.
Il metodo summenzionato per l?ottenimento di ossigeno e azoto mediante separazione criogenica dell?aria presenta consumi energetici pi? contenuti quando utilizzati su impianti di grandi dimensioni, tuttavia quando viene impiegato in un impianto di piccola taglia, anche questo metodo non ? scevro di inconvenienti. Infatti, il metodo per l?ottenimento di ossigeno e azoto mediante separazione criogenica dell?aria presenta notevoli consumi energetici negli impianti di piccola taglia. Per fare un esempio, utilizzando questo metodo, in un impianto di grandi dimensioni si stima un consumo energetico di circa 300 kWh per una tonnellata di ossigeno, mentre in impianti di piccola taglia i consumi energetici arrivano attorno a 500 kWh per tonnellata di ossigeno.
Scopo della presente invenzione ? di ovviare agli inconvenienti dell?arte nota e di fornire un impianto per l?ottenimento di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto, ad esempio aria atmosferica che presenti consumi energetici contenuti.
Ulteriore scopo dell?invenzione ? quello di fornire un impianto per l?ottenimento di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto che possa essere realizzato industrialmente a costi contenuti.
Non ultimo scopo della presente invenzione ? di fornire un processo per l?ottenimento di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto, ad esempio aria atmosferica.
Questi ed altri scopi sono raggiunti dall?impianto e processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto come rivendicato nelle annesse rivendicazioni.
Descrizione sintetica dell?invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un impianto ed un processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto, ad esempio aria atmosferica. Preferibilmente, l?ossigeno e l?azoto ottenuti a seguito della separazione criogenica della miscela di gas contenente ossigeno ed azoto presentano una purezza elevata, preferibilmente compresa fra 94% e 97% che possono essere utilizzati in vari processi industriali. Come noto, un grado di purezza elevato ? un?indicazione da un lato della qualit? dell?ossigeno o azoto ottenuti a seguito della separazione criogenica dell?aria atmosferica e dall?altro lato di un baso contenuto di altri gas presenti nel flusso di ossigeno o azoto ottenuti. L?impianto della presente invenzione ? un impianto di piccola taglia, ossia un impianto in cui la produzione di ossigeno e azoto gassosi sono preferibilmente inferiori ad 1 ton/h.
L?impianto secondo l?invenzione comprende una stazione di pretrattamento di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto. La stazione di pretrattamento della miscela di gas contenente ossigeno ed azoto comprende a sua volta almeno un compressore e almeno uno scambiatore di calore, in cui il flusso di miscela di gas contente ossigeno ed azoto in ingresso ? portato ad una determinata pressione e temperatura. La stazione di pretrattamento comprende, inoltre, mezzi di rimozione delle impurit? dal flusso di miscela di gas in cui le impurit? presenti nel flusso di miscela di gas, come ad esempio il vapore acqueo e l?anidride carbonica, sono rimosse ed ? ottenuto un flusso di miscela di gas purificato.
L?impianto comprende, inoltre, una stazione di preliquefazione del flusso di miscela di gas purificato comprendente a sua volta una pluralit? di scambiatori di calore atti ad eseguire una serie di fasi di raffreddamento per portare il flusso di miscela di gas purificato ad una temperatura di circa -150?C e ottenere un flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto.
L?impianto comprende, inoltre, una stazione di separazione del flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto comprendente una colonna di separazione atta ad eseguire la separazione del flusso di miscela di gas nelle sue componenti, al fine di ottenere almeno un flusso di ossigeno liquido ed un flusso di azoto gassoso. La colonna di separazione ? dotata di uscita per il flusso di ossigeno liquido posta ad una prima estremit? della colonna, preferibilmente in basso alla colonna di separazione, e di uscita per il flusso di azoto gassoso posta ad una seconda estremit? della colonna, preferibilmente prevista in alto alla colonna di separazione.
Vantaggiosamente, secondo l?invenzione, la stazione di separazione comprende inoltre uno scambiatore di calore atto a raffreddare ulteriormente il flusso di miscela di gas fino alla liquefazione totale. Preferibilmente, lo scambiatore di calore ? posto in basso alla colonna di separazione. Ancor pi? preferibilmente, lo scambiatore ? integrato con la colonna di separazione.
Vantaggiosamente, lo scambiatore della colonna di separazione opera a temperatura costante e ad alta pressione. Pi? preferibilmente, lo scambiatore di calore della colonna di separazione opera sul flusso di miscela di gas ad una temperatura compresa tra -150?C e -165?C e ad una pressione di circa 20 bar.
Vantaggiosamente, secondo l?invenzione, la stazione di preliquefazione comprende un gruppo frigorifero, preferibilmente esterno alla stazione di preliquefazione, atto a fornire una parte delle frigorie necessarie per raffreddare il flusso di miscela di gas purificato ed un?altra parte delle frigorie necessarie per raffreddare il flusso di miscela di gas purificato ? ottenuta mediante recupero delle frigorie del flusso di ossigeno liquido, che riscaldandosi passa dallo stato liquido allo stato gassoso, e del flusso di ?azoto gassoso in uscita dalla colonna di separazione.
Grazie al fatto che le frigorie necessarie per il raffreddamento e quindi la liquefazione della miscela di gas sono recuperate dai flussi di azoto gassoso e ossigeno liquido provenienti dalla colonna di separazione, si ottiene un notevole risparmio energetico dell?impianto, non essendo necessario utilizzare turbine di espansione per espandere il flusso di miscela di gas come prevedono invece gli attuali impianti noti nel settore.
Preferibilmente, la stazione di pretrattamento comprende due compressori e due scambiatori di calore: un primo compressore in cui il flusso di miscela di gas in ingresso ? portato ad una pressione di circa 5 bar ed una temperatura di circa 230?C; un primo scambiatore di calore in cui il flusso di miscela di gas compresso ? portato ad una temperatura di 40?C; un secondo compressore in cui il flusso di miscela di gas in uscita dal primo scambiatore ? portato ad una pressione di 20 bar ed una temperatura di circa 170?C; un secondo scambiatore di calore in cui il flusso di miscela di gas, compresso precedentemente a 20 bar, ? portato ad una temperatura di circa 40?C.
Vantaggiosamente, secondo l?invenzione, le calorie prodotte dal primo e dal secondo compressore della stazione di pretrattamento non vengono disperse, ma sono recuperate ed utilizzate nel primo e nel secondo scambiatore di calore della stazione di pretrattamento per riscaldare il flusso di azoto gassoso proveniente dalla colonna di separazione del flusso d?aria. Grazie al fatto che le calorie prodotte dal primo e dal secondo compressore non vengono disperse, ma recuperate, si ottiene un ulteriore risparmio energetico dell?intero impianto.
Preferibilmente, i mezzi di rimozione delle impurit? del flusso di miscela di gas comprendono setacci molecolari per rimuovere il vapore acqueo e l?anidride carbonica presenti nel flusso di miscela di gas.
Preferibilmente, la stazione di preliquefazione comprende almeno tre scambiatori di calore posti in serie, di cui:
- un primo scambiatore di calore atto a ricevere il flusso di miscela di gas purificato e ad eseguire una prima fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas purificato che passa da una temperatura di circa 40?C ad una temperatura di circa -130?C mediante scambio termico con il flusso di azoto gassoso e il flusso di ossigeno liquido provenienti dalla colonna di separazione del flusso di miscela di gas ed in cui il flusso di ossigeno liquido si riscalda passando dallo stato liquido allo stato gassoso, cos? da ottenere ossigeno gassoso in uscita da detto primo scambiatore di calore;
- un secondo scambiatore di calore atto ad eseguire una seconda fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas purificato che passa da una temperatura di circa -130?C ad una temperatura di circa -140?C mediante scambio termico con il fluido in uscita dal gruppo frigorifero;
- un terzo scambiatore di calore atto ad eseguire una terza fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas che passa da una temperatura di circa -140?C ad una temperatura di circa -153?C mediante scambio termico con il flusso di ossigeno liquido in uscita dalla colonna di separazione.
Preferibilmente, il gruppo frigorifero comprende a sua volta una pluralit? di scambiatori di calore che utilizzano come mezzi di scambio termico pi? preferibilmente freon e etilene per raffreddare un flusso contenente metano che ? fornito come fluido refrigerante ad una temperatura di -160?C in ingresso al secondo scambiatore della stazione di preliquefazione.
L?impianto comprende, inoltre, preferibilmente due turbine di espansione atte ad eseguire l?espansione del flusso di azoto gassoso proveniente dalla colonna di separazione. Preferibilmente, a seguito dell?espansione, il flusso di azoto gassoso passa da una pressione di 15 bar a pressione atmosferica.
La presente invenzione riguarda anche un processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno e azoto comprendente le fasi di:
- sottoporre un flusso di miscela di gas contenente ossigeno e azoto ad una fase di pretrattamento che prevede almeno una compressione iniziale ed un successivo raffreddamento ed un?ulteriore fase di rimozione delle impurit? dal flusso di miscela di gas per ottenere un flusso di miscela di gas purificato;
- sottoporre il flusso di miscela di gas purificato ad una fase di preliquefazione che prevede una serie di fasi di raffreddamento del flusso di miscela di gas purificato fino a portarlo ad una temperatura di circa -150?C per ottenere un flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto;
- sottoporre il flusso di miscela di gas parzialmente liquefatto e raffreddato ad una fase di separazione nelle sue componenti, al fine di ottenere un flusso di ossigeno liquido ed un flusso di azoto gassoso.
Secondo l?invenzione, nella fase di separazione del flusso di miscela di gas, il flusso di miscela di gas viene ulteriormente raffreddato fino a totale liquefazione. Vantaggiosamente, secondo l?invenzione, nella fase di preliquefazione del flusso di miscela di gas le frigorie necessarie a raffreddare il flusso di miscela di gas provengono in parte da un gruppo frigorifero e in parte dal recupero delle frigorie del flusso di ossigeno liquido, che si riscalda passando dallo stato liquido allo stato gassoso, e del flusso di azoto gassoso ottenuti a seguito della separazione del flusso di miscela di gas liquefatta.
Descrizione Sintetica delle Figure
Alcune forme preferite di realizzazione dell?invenzione saranno descritte nel seguito a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento alla figura 1 annessa che illustra una forma preferita di realizzazione dell?impianto secondo l?invenzione.
Descrizione di alcune forme preferite di realizzazione dell?invenzione
Con riferimento alla Fig. 1, viene illustrata una forma preferita di realizzazione di un impianto secondo l?invenzione per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante la separazione criogenica di un flusso di miscela di gas contenente ossigeno e azoto, ad esempio aria atmosferica, che ? stato indicato complessivamente con il riferimento 10.
L?impianto 10 secondo l?invenzione comprende una stazione di pretrattamento 11 in cui viene eseguito un trattamento di un flusso di miscela di gas contenente ossigeno e azoto Fi in ingresso nell?impianto 10.
Nella forma di realizzazione illustrata, la stazione di pretrattamento 11 del flusso di miscela di gas Fi comprende a sua volta: un primo compressore 13, in cui il flusso di miscela di gas Fi in ingresso ? portato da pressione atmosferica ad una pressione di circa 5 bar ed una temperatura di circa 230?C, pi? preferibilmente di 227?C; un primo scambiatore di calore 15 posto a valle del primo compressore 13 in cui il flusso di miscela di gas compresso Fc? ? portato ad una temperatura di 40?C; un secondo compressore 17 posto a valle del primo scambiatore di calore 15 in cuiil flusso di miscela di gas in uscita dal primo scambiatore 15 ? portato ad una pressione di 20 bar ed una temperatura di circa 170?C, pi? preferibilmente di 167?C; un secondo scambiatore di calore 19 posto a valle del secondo compressore 17 in cui il flusso di miscela di gas Fc?? in uscita dal secondo compressore 17 ? portato ad una temperatura di circa 40?C.
La stazione di pretrattamento 11 comprende, inoltre, mezzi di rimozione delle impurit? 21 dal flusso di miscela di gas compresso Fc in cui le impurit? presenti nel flusso di miscela di gas compresso Fc, come ad esempio il vapore acqueo e l?anidride carbonica, sono rimosse ed ? ottenuto un flusso di miscela di gas purificato Fp. Nella forma di realizzazione illustrata, i mezzi di rimozione delle impurit? 21 comprendono primi setacci molecolari 21a per la rimozione del vapore acqueo e secondi setacci molecolari 21b a base di allumina attivata per la rimozione dell?anidride carbonica.
L?impianto 10 comprende, inoltre, una stazione di preliquefazione 23 della miscela di gas comprendente una pluralit? di scambiatori di calore atti ad eseguire una serie di fasi di raffreddamento in cui il flusso d?aria purificato Fp ? portato da una temperatura di 40?C ad una temperatura di circa -150?C ed ? ottenuto un flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto Fl.
L?impianto 10 comprende, inoltre, una stazione di separazione 43 del flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto Fl comprendente una colonna di separazione 45 in cui viene eseguita la separazione del flusso d?aria Fl nelle sue componenti, al fine di ottenere un flusso di ossigeno liquido FO2 ed un flusso diazoto gassoso FN2.
Nella forma di realizzazione illustrata, la stazione di preliquefazione 23 comprende almeno tre scambiatori di calore 25, 27, 29 collegati in serie.
Un primo scambiatore di calore 25 della stazione di preliquefazione 23 riceve il flusso di miscela di gas purificato Fp ed esegue una prima fase di raffreddamento in cui il flusso di miscela di gas purificato Fp passa da una temperatura di circa 40?C in ingresso ad una temperatura di circa -130?C in uscita mediante scambio termico con il flusso di azoto gassoso FN2 e il flusso di ossigeno liquido FO2 provenienti da una colonna di separazione 43 posta a valle della stazione di preliquefazione 23. La pressione del flusso di miscela di gas purificato Fp all?interno del primo scambiatore di calore 25 ? di 20 bar. All?interno di questo scambiatore di calore 25 il flusso di azoto FN2 viene riscaldato passando da una temperatura di circa -163?C in ingresso ad una temperatura di circa 30?C in uscita ed il flusso di ossigeno FO2 viene riscaldato anch?esso passando da una temperatura di -150?C in ingresso ad una temperatura di 30?C in uscita dallo scambiatore di calore 25.
Il flusso di miscela di gas Fp in uscita dal primo scambiatore 25, entra in un secondo scambiatore di calore 27 della stazione di preliquefazione 23 che esegue una seconda fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas purificato Fp. Il flusso di miscela di gas purificato Fp, all?interno del secondo scambiatore di calore 27 passa da una temperatura di circa -130?C in ingresso ad una temperatura di circa -140?C in uscita mediante scambio termico con un fluido di raffreddamento FCH4 proveniente da un gruppo frigorifero 31 associato all?impianto 10. La pressione del flusso di miscela di gas purificato Fp all?interno del secondo scambiatore 27 di calore ? di 20 bar.
Nella forma di realizzazione illustrata, il fluido di raffreddamento FCH4 utilizzato come mezzo termico nel secondo scambiatore di calore 27 ? metano liquido ed ? ottenuto mediante un gruppo frigorifero 31 associato alla stazione di preliquefazione 23. Il gruppo frigorifero 31 comprende una pluralit? di scambiatori di calore 31a, 31b, 31c, 31d che utilizzano mezzi di scambio termico, come ad esempio freon e etilene, per raffreddare un flusso di metano al fine di ottenere un flusso di metano liquido FCH4 ad una temperatura di circa -160?C che verr? utilizzato nel secondo scambiatore di calore 27 della stazione di preliquefazione 23. Il gruppo frigorifero esterno 31 comprende, inoltre, degli scambiatori ad aria 31f, 31g, 31h e compressori del tipo chiller associati agli scambiatori 31a, 31b, 31c, 31d.
Nella forma di realizzazione illustrata, il gruppo frigorifero 31 comprende un primo scambiatore di calore 31a in cui il flusso di metano FCH4 proveniente dal secondo scambiatore 27 della stazione di preliquefazione 23 passa da una temperatura di -160?C ad una temperatura di circa -40?C mediante l?impiego di un primo compressore chiller 32 e di un primo scambiatore ad aria 31f. Il flusso di metano in uscita dal primo scambiatore di calore 31a passa in un secondo scambiatore di calore 31b del gruppo frigorifero 31, in cui mediante scambio termico con un mezzo di scambio termico contenente etilene viene raffreddato fino ad una temperatura di -90?C. L?etilene, nel secondo scambiatore 31b del gruppo frigorifero 31 ha una temperatura di circa -100?C. A valle del secondo scambiatore di calore 31b del gruppo frigorifero 31, sono associati un terzo scambiatore di calore 31c ed un quarto scambiatore di calore 31d che utilizzano come mezzo di scambio termico freon al fine di riscaldare e successivamente raffreddare l?etilene in uscita dal secondo scambiatore di calore 31b del gruppo frigorifero 31. Il terzo 31c ed il quarto 31d scambiatore di calore del gruppo frigorifero 31 cooperano con rispettivi compressori chiller 34, 36 e scambiatori di calore ad aria 31g, 31h al fine di portare il flusso di etilene a temperature predeterminate.
Il gruppo frigorifero 31 comprende inoltre appositi sistemi di sicurezza 38a, 38b per evitare malfunzionamenti del gruppo frigorifero 31 in caso di elevati valori di pressione.
Il flusso di miscela di gas purificato Fp, in uscita dal secondo scambiatore di calore 27, entra in un terzo scambiatore di calore 29 della stazione di preliquefazione 23 che esegue una terza fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas Fp. Il flusso di miscela di gas purificato Fp, all?interno del terzo scambiatore di calore 29 passa da una temperatura di circa -140?C in ingresso ad una temperatura di circa -150?C in uscita, preferibilmente di circa -153?C, mediante scambio termico con il flusso di ossigeno liquido FO2 proveniente dalla stazione di separazione 43. La pressione del flusso di miscela di gas purificato Fp all?interno del terzo scambiatore di calore 29 ? di 20 bar.
Il flusso di miscela di gas Fl in uscita dal terzo scambiatore 29 della stazione di preliquefazione 23 ha una temperatura di circa -153?C e una pressione di 20 bar ed ? parzialmente liquefatto. Il flusso di miscela di gas Fl parzialmente liquefatto passa nella stazione di separazione 43 dove il flusso di miscela di gas ? totalmente liquefatto e subisce una fase di separazione nelle sue componenti a seguito della qquale si ottiene un flusso di ossigeno liquido FO2 ed un flusso di azoto gassoso FN2.
Vantaggiosamente, la stazione di separazione 43 comprende un ulteriore scambiatore di calore 47 atto a ricevere il flusso di miscela di gas Fl parzialmente liquefatto ed in cui il flusso di miscela di gas Fl ? ulteriormente raffreddato fino ad ottenere la liquefazione totale del flusso di miscela di gas.
Nella forma di realizzazione illustrata, lo scambiatore di calore 47 ? posto in basso alla colonna di separazione 45, pi? preferibilmente lo scambiatore di calore 47 ? integrato con la colonna di separazione 45.
Vantaggiosamente, lo scambiatore di calore 47 opera sul flusso di miscela di gas Fl che presenta una temperatura compreso fra -153?C in ingresso dello scambiatore 47 e -163?C in uscita dallo scambiatore 47 ed una pressione di circa 20 bar. Il fatto di mantenere un intervallo di temperatura costante nello scambiatore di calore 47 della stazione di separazione 43 rappresenta un ulteriore vantaggio in termini di consumi energetici dell?impianto 10.
La colonna di separazione 45 comprende pacchi strutturati 46 che agevolano la separazione del flusso di miscela di gas nelle sue componenti. I pacchi strutturati 46 consentono di ridurre l?altezza complessiva della colonna di separazione 45 e sono definiti preferibilmente da un sistema di lamelle ondulate applicate a griglie di sostegno. La colonna di separazione 45 riempita con i pacchi strutturati presenta non solo minori perdite di carico, ma anche una minore altezza, dato che questo tipo di riempimento fa s? che ogni pacco presenti una minore altezza equivalente di un piatto teorico (HETP) utilizzato in un riempimento casuale. Tutto ci? si traduce in una migliore efficienza della colonna di separazione e in un minore costo di manutenzione.
La colonna di separazione 45 ? inoltre dotata di uscita 49a per il flusso di ossigeno liquido FO2 e di uscita 49b per il flusso di azoto gassoso FN2. Nella forma di realizzazione illustrata, l?uscita 49a per l?ossigeno liquido ? posta ad una prima estremit?, in basso alla colonna di separazione 45 in quanto l?ossigeno ottenuto a seguito della separazione ? in forma liquida e l?uscita 49b per l?azoto gassoso ? posta ad una seconda estremit?, in alto alla colonna di separazione 45, in quanto l?azoto ottenuto a seguito della separazione della miscela di gas ? in forma gassosa.
Il flusso di ossigeno liquido FO2 ed il flusso di azoto gassoso FN2 in uscita dalla colonna di separazione 45 presentano una temperatura di circa -163?C ed una pressione di 15 bar, a seguito di una leggera espansione ottenuta mediante una corrispondente valvola di espansione 41 associata alla colonna di separazione 45.
Il flusso di ossigeno FO2 in uscita 49a dalla colonna di separazione 45 ? sottoposto ad un?ulteriore espansione mediante una corrispondente valvola di espansione 51 posta tra la colonna di separazione 45 e il terzo scambiatore di calore 29 della stazione di preliquefazione 23. A seguito dell?espansione, il flusso di ossigeno FO2, le cui frigorie verranno recuperate nel primo 27 e nel terzo scambiatore di calore 25 della stazione di preliquefazione 23, avr? una temperatura di circa -175?C ed una pressione di 2 bar. Le frigorie del flusso dell?ossigeno liquido FO2 vengono recuperate nel primo 25 e nel terzo scambiatore di calore 29 della stazione di preliquefazione 23, in cui il flusso di ossigeno liquido si riscalda, come precedentemente descritto, fino a quando il flusso di ossigeno FO2 non passa dallo stato liquido allo stato gassoso, cos? da ottenere ossigeno gassoso in uscita dal primo scambiatore di calore 25 della stazione di preliquefazione 23.
Il flusso di azoto gassoso FN2 viene ricircolato, recuperando una parte delle frigorie nel primo scambiatore di calore 25 della stazione di preliquefazione 23, dove cedendo le frigorie al flusso di miscela di gas Fp da liquefare, viene riscaldato, arrivando ad una temperatura di circa 30?C. Dopodich?, il flusso di azoto FN2 entra nel secondo scambiatore 19 della stazione di pretrattamento 11 dove ? riscaldato ulteriormente, sfruttando le calorie prodotte dal secondo compressore 17 della stazione di pretrattamento 11, fino ad arrivare ad una temperatura di 150?C. Il flusso di azoto in uscita dal secondo scambiatore di calore 19 della stazione di pretrattamento 11 passa in una prima turbina di espansione 53 dalla quale fuoriesce ad una temperatura di circa 30?C ed una pressione 5 bar. Dopodich?, il flusso di azoto entra nel primo scambiatore di calore 15 della stazione di pretrattamento 11 dove si riscalda ulteriormente, sfruttando le calorie prodotte dal primo compressore 13 della stazione di pretrattamento 11, fino ad arrivare ad una temperatura di circa 220?C. Il flusso di azoto FN2 passa in una seconda turbina di espansione 55 dalla quale fuoriesce ad una temperatura di circa 30?C e pressione atmosferica.
Vantaggiosamente, sfruttando le calorie prodotte dai compressori 13, 17 della stazione di pretrattamento 11 si ottiene un recupero energetico di circa 30 kW/h per una quantit? di aria di circa 1000 m<3>/h in ingresso dell?impianto 10 e una quantit? di ossigeno di circa 200 m<3>/h in uscita dall?impianto 10.
L?invenzione cos? come descritta ? suscettibile di numerose modifiche e varianti rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Impianto (10) per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contente ossigeno ed azoto, comprendente:
- una stazione di pretrattamento (11) per il trattamento di un flusso di una miscela di gas contenente ossigeno ed azoto (Fi) comprendente almeno un compressore (13, 17) e almeno uno scambiatore di calore (15, 19), in cui il flusso di miscela di gas (Fi) in ingresso ? portato a pressione e temperatura predeterminate, e mezzi di rimozione (21) delle impurit? dal flusso di miscela di gas (Fi), in cui le impurit? presenti nel flusso di miscela di gas (Fi) sono rimosse ed ? ottenuto un flusso di miscela di gas purificato (Fp);
- una stazione di preliquefazione (23) del flusso comprendente una pluralit? di scambiatori di calore (25, 27, 29) atti ad eseguire una serie di fasi di raffreddamento in cui il flusso di miscela di gas purificato (Fp) ? portato ad una temperatura di circa -150?C ed ? ottenuto un flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto (Fl);
- una stazione di separazione (43) del flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto (Fl) comprendente una colonna di separazione (45), in cui viene eseguita la separazione del flusso di miscela di gas (Fl) nelle sue componenti al fine di ottenere almeno un flusso di ossigeno liquido (FO2) e un flusso di azoto gassoso (FN2), e dotata di rispettive uscite (49a, 49b) per il flusso di ossigeno liquido (FO2) e per il flusso di azoto gassoso (FN2),
caratterizzato dal fatto che la stazione di separazione (43) comprende inoltre uno scambiatore di calore (47) in cui il flusso di miscela di gas raffreddato e parzialmente liquefatto (Fl) viene raffreddato ulteriormente fino alla sua liquefazione totale, dal fatto che la stazione di preliquefazione (23) comprende un gruppo frigorifero (31) atto a fornire una parte delle frigorie necessarie per raffreddare il flusso di miscela di gas purificato (Fp) e dal fatto che un?altra parte delle frigorie necessarie per raffreddare il flusso di miscela di gas purificato (Fp) ? ottenuta mediante recupero delle frigorie del flusso di ossigeno liquido (FO2) che si riscalda passando dallo stato liquido allo stato gassoso e del flusso di azoto gassoso (FN2) in uscita dalla colonna di separazione (43) del flusso di miscela di gas (Fl).
2. Impianto (10) secondo la rivendicazione 1, in cui la stazione di pretrattamento (11) comprende due compressori (13, 17) e due scambiatori di calore (15, 19): un primo compressore (13) in cui il flusso di miscela di gas in ingresso (Fi) ? portato da pressione atmosferica ad una pressione di circa 5 bar e ad una temperatura di circa 230?C; un primo scambiatore di calore (15) in cui il flusso di miscela di gas compresso (Fc?) in uscita dal primo compressore (13) ? portato ad una temperatura di circa 40?C; un secondo compressore (17) in cui il flusso di miscela di gas in uscita dal primo scambiatore di calore (15) ? portato ad una pressione di circa 20 bar e ad una temperatura di circa 170?C; un secondo scambiatore di calore (19) in cui il flusso di miscela di gas compresso (Fc??) in uscita dal secondo compressore (17) ? portato ad una temperatura di circa 40?C.
3. Impianto (10) secondo la riv.e 1 o 2, in cui le calorie prodotte dall?almeno un compressore (13, 17) della stazione di pretrattamento (11) sono recuperate ed utilizzate nell?almeno uno scambiatore di calore (15, 19) della stazione di pretrattamento (11) in cui il flusso di azoto gassoso (FN2) proveniente dalla colonna di separazione (45) del flusso di miscela di gas (Fl) viene riscaldato.
4. Impianto (10) secondo la riv.e 1 o 2 o 3, in cui i mezzi di rimozione delle impurit? (21) comprendono setacci molecolari (21a, 21b) mediante i quali sono rimossi almeno il vapore acqueo e l?anidride carbonica presenti nel flusso di miscela di gas (Fc??) ed ? ottenuto un flusso di miscela di gas purificato (Fp).
5. Impianto (10) secondo una qualsiasi delle riv.i precedenti, in cui la stazione di preliquefazione (23) comprende almeno tre scambiatori di calore (25, 27, 29) posti in serie, di cui:
- un primo scambiatore di calore (25) atto a ricevere il flusso di miscela di gas purificato (Fp) e ad eseguire una prima fase di raffreddamento del flusso purificato (Fp), in cui il flusso di miscela di gas purificato (Fp) passa da una temperatura di circa 40?C ad una temperatura di circa -130?C mediante scambio termico con il flusso di azoto gassoso (FN2) e il flusso di ossigeno liquido (FO2) provenienti dalla colonna di separazione (45) del flusso di miscela di gas (Fl) ed in cui il flusso di ossigeno si riscalda fino a passare dallo stato liquido allo stato gassoso, cos? da ottenere ossigeno gassoso in uscita da detto primo scambiatore di calore (25); - un secondo scambiatore di calore (27) atto ad eseguire una seconda fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas purificato (Fp), in cui il flusso di miscela di gas purificato (Fp) passa da una temperatura di circa -130?C ad una temperatura di circa -140?C mediante scambio termico con un fluido refrigerante (FCH4) proveniente dal gruppo frigorifero (31);
- un terzo scambiatore di calore (29) atto ad eseguire una terza fase di raffreddamento del flusso di miscela di gas purificato (Fp), in cui il flusso di miscela di gas purificato (Fp) passa da una temperatura di circa -140?C ad una temperatura di circa -153?C mediante scambio termico con il flusso di ossigeno liquido (FO2) in uscita dalla colonna di separazione (45).
6. Impianto (10) secondo una qualsiasi delle riv.i precedenti, in cui il gruppo frigorifero comprende a sua volta una pluralit? di scambiatori di calore (31a - 31d) che utilizzano come mezzi di scambio termico freon e etilene per raffreddare un flusso di metano e fornire un fluido refrigerante (FCH4) ad una temperatura di circa -160?C in ingresso al secondo scambiatore (27) della stazione di preliquefazione (23).
7. Impianto (10) secondo una qualsiasi delle riv.i precedenti, in cui lo scambiatore di calore (47) della colonna di separazione (45) ? posto ad una prima estremit? in basso alla colonna di separazione (45) ed opera sul flusso di miscela di gas (Fl) ad una temperatura compresa tra -150?C e -165?C e ad una pressione di circa 20 bar.
8. Impianto (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno due turbine di espansione (53, 55), in cui il flusso di azoto gassoso (FN2) proveniente dalla colonna di separazione (45) viene espanso, passando da una pressione di circa 15 bar a pressione atmosferica.
9. Processo per la produzione di ossigeno e azoto gassosi mediante separazione criogenica di una miscela di gas contenente ossigeno e azoto comprendente le fasi di: - predisporre un impianto come rivendicato nelle rivendicazioni da 1 a 8;
- sottoporre un flusso di miscela di gas contenente ossigeno e azoto (Fi) ad una fase di pretrattamento che prevede almeno una compressione iniziale, il successivo raffreddamento ed un?ulteriore fase di rimozione delle impurit? dal flusso di miscela di gas per ottenere un flusso di miscela di gas purificato (Fp);
- sottoporre il flusso di miscela di gas purificato (Fp) ad una fase di preliquefazione che prevede di sottoporre detto flusso di miscela di gas purificato (Fp) ad una serie di fasi di raffreddamento fino a portarlo ad una temperatura di circa -150?C e ottenere un flusso di miscela di gas parzialmente liquefatto e raffreddato (Fl);
- sottoporre il flusso di miscela di gas parzialmente liquefatto e raffreddato (Fl) ad una fase di separazione nelle sue componenti per ottenere un flusso di ossigeno liquido (FO2) ed un flusso di azoto gassoso (FN2);
in cui nella fase di separazione il flusso di miscela di gas (Fl) viene ulteriormente raffreddato fino a totale liquefazione ed in cui nella fase di preliquefazione del flusso di miscela di gas (Fl) le frigorie necessarie a raffreddare il flusso di miscela di gas purificato (Fp) provengono in parte da un gruppo frigorifero (31) ed in parte dal recupero delle frigorie del flusso di ossigeno liquido (FO2) che si riscalda passando dallo stato liquido allo stato gassoso e del flusso di azoto gassoso (FN2) ottenuti a seguito della separazione del flusso di miscela di gas liquefatto (Fl).
10. Processo secondo la riv.e 9, in cui le calorie prodotte nella fase di compressione iniziale del pretrattamento dell?aria (Fi) sono recuperate e utilizzate per riscaldare il flusso di azoto gassoso (FN2) ottenuto a seguito della separazione del flusso di miscela di gas liquefatto (Fl).
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