MX2014006737A - Metodo y aparato de separacion de aire. - Google Patents

Metodo y aparato de separacion de aire.

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Mathew R Watt
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Abstract

Un método y aparato para producir co-productos de oxígeno y nitrógeno, en los cuales, una corriente de aire comprimido y purificado se enfría, es condensado por completo o parcialmente y posteriormente es rectificado en una columna de destilación principal para formar una columna superior de vapor rica en nitrógeno y oxígeno líquido crudo. Una corriente de oxígeno líquido crudo es despresurizada y posteriormente separada en una columna de destilación auxiliar con un gas de separación para producir un líquido rico en oxígeno. La columna superior de vapor rico en nitrógeno de la columna de destilación principal se utiliza para formar un producto de nitrógeno y el oxígeno líquido crudo es vaporizado parcialmente para producir el gas de separación, un líquido rico en oxígeno residual y reflujo de nitrógeno líquido para la columna de destilación principal. El producto de oxígeno es formado a partir del líquido rico en oxígeno residual proporcionando ya sea un trabajo de intercambio de calor en la condensación de la corriente de aire comprimida y purificada o condensando el vapor rico en nitrógeno utilizado para someter a reflujo la columna de destilación principal.

Description

MÉTODO Y APARATO DE SEPARACIÓN DE AIRE Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método y aparato para separar aire, en el cual, los productos de oxígeno y nitrógeno son producidos como co-productos rectificando el aire comprimido y purificado en una columna de destilación principal para producir el producto de nitrógeno y la separación del oxígeno líquido crudo formado en la columna de destilación principal dentro de una columna de destilación auxiliar para producir el producto de oxígeno.
Antecedentes de la Invención El nitrógeno, se obtiene normalmente a pureza alta mediante la separación del nitrógeno del aire dentro de una planta de separación de aire criogénico que con frecuencia emplea una columna de destilación única. En dicha planta, el aire es comprimido y purificado entonces de los contaminantes de ebullición superior para producir una corriente de aire comprimida y purificada. La corriente de aire comprimida y purificada es enfriada entonces a una temperatura adecuada para su rectificación criogénica dentro de un intercambiador de calor principal y entonces es introducida en una columna de destilación única que opera aproximadamente a 3 bara o superior. El aire, dentro de la columna de destilación, es rectificado para producir una columna de vapor rica en nitrógeno superior y una columna líquida rica en oxígeno en el fondo conocida como oxígeno líquido crudo o líquido de caldero. El líquido rico en oxígeno es despresurizado en una válvula de expansión y posteriormente es introducido en un intercambiador de calor para condensar una corriente de la columna de vapor rica en nitrógeno superior y de esta manera producir nitrógeno líquido para someter a reflujo la columna de destilación. El líquido rico en oxígeno que es vaporizado parcialmente, se puede utilizar para generar refrigeración para la planta o de manera alternativa, la refrigeración puede ser provista a la planta a través de la adición de nitrógeno líquido a la columna principal o una corriente que ingresa al intercambiador de calor principal.
En general, el oxígeno no es recuperado de dichas plantas de nitrógeno de columna única. Sin embargo, existe un interés por recuperar también el oxígeno de dichas plantas. Por ejemplo, la producción de vidrio folato, normalmente requiere nitrógeno y oxígeno de baja pureza en una proporción de flujo de aproximadamente 2: 1. El oxígeno es empleado en el horno de vidrio para aumentar la recuperación y normalmente es requerido a una pureza baja de entre el 90 y el 95 por ciento y a una presión de entre 10 y 20 psig. Aunque el oxígeno puede ser provisto por una planta de adsorción de oscilación de presión al vacío separada o a través de la vaporización del líquido suministrado en el sitio, el costo agregado no se justifica. Se observará que tanto el oxígeno como el nitrógeno pueden ser producidos mediante una planta de separación de aire de columna doble típica que tiene columnas de presión alta y baja asociadas en forma operativa en una relación de transferencia de calor. Sin embargo, dicha planta no es económica en donde, por ejemplo, el vidrio folato será producido debido al requerimiento del compresión de producto y el costo capital inicial superior. La modificación de incremento de una planta de nitrógeno de columna única pequeño para entregar tanto productos de nitrógeno como de oxígeno puede cumplir en forma económica con los requerimientos de procesos, tales como la producción de vidrio folato en donde los productos de nitrógeno y oxígeno son requeridos a una presión y un índice de flujo modestos, por ejemplo, menores que 100 kcfh de nitrógeno.
En la técnica anterior, existen ejemplos de plantas de nitrógeno de columna única que han sido modificados para co-producir productos tanto de nitrógeno como de oxígeno. Por ejemplo, en la patente norteamericana 4,783,210, una corriente de fondo de columna de oxígeno líquido crudo es vaporizada parcialmente en un intercambiador de calor utilizado para la condensación de una corriente de la columna superior de vapor rica en nitrógeno producida en una columna de destilación. El líquido rico en nitrógeno resultante se utiliza para someter a reflujo la columna. Una corriente de la fase líquida resultante producida por la vaporización parcial del oxígeno líquido crudo es separada entonces en una columna de destilación secundaria o auxiliar para producir un fondo de columna, rico en oxígeno, que puede ser tomado como un producto de oxígeno. La columna de destilación auxiliar es sometida nuevamente a ebullición con otra corriente del vapor rico en nitrógeno, el cual se condensa en la nueva ebullición y puede ser tomado como el producto de nitrógeno líquido y también, puede ser utilizado para someter a reflujo la columna de destilación.
La patente Norteamericana 5,074,898 describe un generador de nitrógeno de columna único con una columna de destilación auxiliar para producir un producto de oxígeno. En esta patente, una corriente de oxígeno líquido crudo generada en una columna de destilación principal es separada en una columna de destilación auxiliar. La columna de destilación auxiliar es sometida nuevamente a ebullición con una corriente de la columna de vapor rica en nitrógeno superior producida en la columna de destilación principal. Esta condensa el vapor rico en nitrógeno para producir el reflujo para la columna de destilación principal. El líquido residual generado en la columna de destilación auxiliar puede ser tomado como un producto líquido junto con parte del vapor de nitrógeno condensado.
En ambas de estas patentes, los fondos de columna están siendo utilizados para condensar el nitrógeno, éste necesariamente debe estar a una presión menor que el nitrógeno para lograr la condensación del nitrógeno. Como resultado, el producto de oxígeno también está a presión baja. Adicionalmente, debido a que parte del fondo de la columna se toma como un producto, existirá menos fluido en el fondo para condensar el nitrógeno. En consecuencia, se limita la producción de nitrógeno. Como se planteará, la presente invención proporciona un método y aparato para producir co-productos de nitrógeno y oxígeno, que entre otras ventajas, pueden permitir que el producto de oxígeno sea producido a una presión elevada. En otro aspecto de la presente invención, los fondos de columna auxiliar están sujetos a una vaporización escalonada para permitir que se obtenga una mayor fracción de oxígeno en menor potencia en relación con aquellos procesos contemplados en la técnica anterior.
Breve Descripción de la Invención La presente invención proporciona un método para separar el aire para producir co-productos de oxígeno y nitrógeno. De acuerdo con dicho método, una corriente de aire comprimida y purificada que comprender el aire es enfriada y rectificada dentro de una columna de destilación principal para producir una columna superior de vapor rico en oxígeno y oxígeno líquido crudo. Un líquido rico en oxígeno y una columna superior auxiliar que no contienen menos del 5.0 por ciento de oxígeno sobre una base de volumen, se producen dentro de una columna de destilación auxiliar, mediante, al menos en parte, la despresurizaron de la corriente de oxígeno líquida cruda compuesta del oxígeno líquido crudo, separando la corriente de oxígeno líquido crudo con un gas de separación ascendente y vaporizando parcialmente el líquido rico en oxígeno a través del intercambio de calor indirecto con la corriente de vapor rica en nitrógeno compuesta de la columna superior de vapor rica en nitrógeno. Como resultado, una corriente de nitrógeno líquida, el gas de separación y un liquido rico en oxígeno residual se producen de este modo. La columna de destilación principal es sometida a reflujo con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquida. La frase, "por lo menos en parte" se utiliza en la presente descripción y en las reivindicaciones para indicar que podría ocurrir procesamiento adicional dentro de la columna de destilación auxiliar para producir el líquido rico en oxígeno y la columna superior auxiliar. Como se establece en lo sucesivo, aunque la columna auxiliar podría funcionar únicamente para separar la corriente de oxígeno líquido crudo, también podría funcionar para rectificar el vapor que contiene nitrógeno y oxígeno producido por dicha separación para incrementar la recuperación de oxígeno.
Una fracción de vapor rica en oxígeno se forma a partir del líquido rico en oxígeno residual mediante el intercambio indirecto de calor entre una corriente del líquido rico en oxígeno residual con una corriente gaseosa que tiene una concentración de nitrógeno que no es mejor que aquella del aire, de manera que la corriente del líquido rico en oxígeno residual se vaporiza parcialmente. Una corriente de producto de oxígeno se forma a partir de la fracción de vapor, una corriente de producto de nitrógeno se forma a partir del vapor rico en nitrógeno y una columna de desecho se forma a partir de la columna superior auxiliar de la columna de destilación auxiliar. La corriente de producto de oxígeno, la corriente de producto de nitrógeno y la corriente de desecho se pasan en intercambio de calor directo con la corriente comprimida y purificada.
Como puede apreciarse a partir del planteamiento anterior, debido a que la corriente de producto de oxígeno se forma a partir de una fracción de vapor, que a su vez es producida a partir del líquido rico en oxígeno residual, la producción del producto de oxígeno ya no es acoplada directamente a la producción del nitrógeno en reflujo a la columna de destilación principal, debido a que el líquido rico en oxígeno residual no se utiliza para la condensación del vapor rico en nitrógeno de la columna de destilación principal. Como consecuencia, la remoción del líquido rico en oxígeno residual no disminuye el reflujo de nitrógeno para la columna de destilación principal y por consiguiente, la producción de nitrógeno como en la técnica anterior.
Adicionalmente, debido a que el líquido rico en oxígeno residual no se utiliza en la condensación de nitrógeno, dicho líquido puede ser producido a una presión superior.
Como se indicó anteriormente, la columna superior auxiliar únicamente puede ser producida por la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo dentro de una columna de destilación auxiliar. De manera alternativa, la columna de destilación principal es sometida a reflujo con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquida. En el último caso, la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo ocurre dentro de una sección de separación de la columna de destilación auxiliar y la separación produce una corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno. La corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno es rectificada dentro de la columna de destilación auxiliar dentro de una sección de rectificación de la columna de destilación auxiliar localizada sobre la sección de separación introduciendo la corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno dentro de la sección de rectificación y sometiendo a reflujo la columna de destilación auxiliar, y por lo tanto, la sección de rectificación con una parte adicional de la corriente de nitrógeno líquido. El efecto de esto es incrementar la recuperación de oxígeno dentro del líquido rico en oxígeno residual atrapando en efecto el oxígeno que de lo contrario podría escapar de la columna auxiliar dentro de la corriente de desecho.
En cualquiera de los cosas mencionados anteriormente, el líquido rico en oxígeno puede ser recolectado dentro de la columna de destilación auxiliar. El líquido rico en oxígeno es vaporizado parcialmente pasando una corriente de líquido rico en oxígeno y la corriente de vapor rico en nitrógeno a través del intercambiando de calor de un paso para formar el gas de separación y el líquido rico en oxígeno residual que se recolecta como una columna inferior de la columna de destilación auxiliar.
La corriente de gas puede ser la corriente comprimida y purificada. La corriente comprimida y purificada es condensada parcialmente en un condensador y la corriente del líquido residual rico en oxígeno es recolectada en un recipiente de separación. Una corriente de fase líquida formada de una fase líquida producida dentro del recipiente de separación, se introduce en el condensador y es vaporizada parcialmente en el condensador a través del intercambio de calor indirecto con la corriente comprimida y purificada, produciendo de esta manera una corriente de dos fases a partir de la corriente de fase líquida La corriente de dos fases es introducida dentro del recipiente de separación y las fases de líquido y vapor de la corriente de dos fases son desacopladas dentro del recipiente de separación para formar una fracción de vapor rica en oxígeno con la corriente del líquido rico en oxígeno residual recolectado en el recipiente de separación. La corriente de producto de oxígeno, se forma entonces descargando una corriente de la fracción de vapor rica en oxígeno del recipiente de separación.
En la modalidad de la presente invención, descrita anteriormente, el condensador puede estar localizado en una región inferior de la columna de destilación principal, de manera que el aire condensado se mezcla con el líquido proveniente de abajo producido por la rectificación para producir de esta manera el oxígeno líquido crudo como una columna inferior en la columna de destilación principal. Adicionalmente, la columna de destilación principal puede someterse a reflujo con parte de la corriente de nitrógeno líquido y la corriente de desecho intercambia calor de manera indirecta con la corriente de oxígeno líquido crudo de manera que la corriente de oxígeno líquido crudo es subenfriada antes de ser despresurizada.
Como una alternativa a la formación de la corriente gaseosa de la corriente comprimida y purificada, la corriente gaseosa puede estar compuesta de la columna superior de vapor rico en nitrógeno. En dicha modalidad, el calor es intercambiado indirectamente entre la corriente de líquido rico en oxígeno residual y la corriente gaseosa despresurizando una corriente enriquecida con oxígeno líquida y pasando la corriente de líquido rico en oxígeno residual en el intercambio de calor indirecto con la corriente gaseosa dentro de un calentador de termo sifón. Esto produce la fracción de vapor a partir de la vaporización parcial de la corriente del líquido rico en oxígeno residual y una corriente de condensado a través de condensación de la corriente de gas. La corriente de condensado se introduce en la columna de destilación principal como reflujo junto con la corriente de nitrógeno líquido.
En la modalidad descrita anteriormente, la corriente de desecho puede pasar en el intercambio de calor indirecto con la corriente de oxígeno líquido crudo antes de la despresurizaron de la corriente de oxígeno líquido crudo, de manera que la corriente de oxígeno líquido crudo es sub-enfriada.
En cualquier modalidad de la presente invención, la corriente del líquido rico en oxígeno residual puede ser presurizada de manera que la corriente de producto de oxígeno también es presurizada. Además, una corriente de refrigeración de nitrógeno líquido puede introducirse en la columna de destilación principal para impartir la refrigeración.
La presente invención también proporciona un aparato para separar el aire para producir los co-productos de oxígeno y nitrógeno. Dicho aparato incluye un intercambiador de calor principal, una columna de destilación principal y una columna de destilación auxiliar. El intercambiador de calor principal es configurado para enfriar una corriente comprimida y purificada que comprende el aire y la columna de destilación principal se configura para rectificar la corriente comprimida y purificada para producir una columna superior de vapor rica en nitrógeno y el oxígeno líquido crudo. La columna de destilación auxiliar está conectada a la columna de destilación principal y configurada de manera que una corriente de oxígeno líquido crudo, compuesta del oxígeno líquido crudo, es separada con un gas de separación ascendente dentro de la columna de destilación auxiliar y un líquido rico en oxígeno y se produce una columna superior auxiliar que no contiene menos del 5.0 por ciento de oxígeno por volumen, por lo menos en parte, como resultado de la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo. Una válvula de expansión es posicionada entre la columna de destilación principal y una columna de destilación auxiliar, de manera que la corriente de oxígeno líquido crudo es despresurizada antes de la introducción en una columna de destilación auxiliar.
Se proporciona un medio para vaporizar parcialmente el líquido rico en oxígeno a través del intercambio de calor indirecto con una corriente de vapor rica en oxígeno compuesta de la columna superior de vapor rica en nitrógeno, produciendo de esta manera una corriente de nitrógeno líquido, el gas separado y el líquido rico en oxígeno residual. El medio de vaporización parcial del líquido rígido oxígeno se conecta a la columna de destilación principal, de manera que la columna de destilación principal es sometida a reflujo con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquida. El intercambiador de calor principal es conectado a la columna de destilación principal y la columna de destilación auxiliar, de manera que la corriente del producto de nitrógeno formada a partir del vapor rico en nitrógeno y una corriente de desecho formada a partir de la columna superior auxiliar de la columna de destilación auxiliar intercambian calor en forma indirecta con la corriente de aire comprimida y purificada. También se proporciona un medio para el intercambio indirecto de calor entre una corriente del líquido rico en oxígeno residual con una corriente gaseosa que tiene una concentración de nitrógeno que no es mejor que aquella del aire, de manera que la corriente del líquido rico en oxígeno residual se vaporiza parcialmente. Adicionalmente, se proporciona un medio para formar una fracción de vapor rica en oxígeno a partir de la corriente del líquido rico en oxígeno residual después de haber sido vaporizado parcialmente. El intercambiador de calor principal es conectado al medio de formación de fracción de vapor rica en oxígeno, la columna de destilación principal y la columna de destilación auxiliar, de manera que una corriente de producto de oxígeno, compuesta de la fracción de vapor rica en oxígeno, una corriente de producto de nitrógeno, compuesta de una columna superior de vapor rica en nitrógeno y una corriente de desecho compuesta de la columna superior auxiliar de la columna de destilación auxiliar, pasa dentro del intercambiador de calor principal en intercambio de calor indirecto con la corriente comprimida y purificada.
La columna auxiliar puede ser provista únicamente con una sección de separación, en donde ocurre la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo. Como alternativa, la columna auxiliar puede ser provista con una sección de separación y una sección de rectificación, localizada sobre la sección de separación. En el último caso, la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo ocurre dentro de una sección de separación de la columna de destilación auxiliar y una corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno se produce en la sección de separación que ingresa a la sección de rectificación para la rectificación de la corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno. Esta rectificación es provista para incrementar de esta manera la recuperación del oxígeno dentro del líquido rico en oxígeno residual. El medio de vaporización parcial de líquido rico en oxígeno es conectada a la columna de destilación principal, de manera que la columna de destilación se somete a reflujo con parte de la corriente de nitrógeno líquido y también es conectado a la columna de destilación auxiliar, de manera que la columna de destilación auxiliar y por lo tanto la sección de rectificación es sometida a reflujo con una parte adicional de la corriente de nitrógeno líquido. Otra válvula de expansión es posicionada entre el medio de vaporización parcial de líquido rico en oxígeno y la columna de destilación de manera que la presión de la parte adicional de la corriente de nitrógeno líquido se reduce a aquella de la columna de destilación auxiliar.
En cualquier modalidad de la presente invención, la columna de destilación auxiliar puede ser provista con medios para recolectar el líquido rico en oxígeno. El medio de vaporización parcial del líquido rico en oxígeno es una intercambiador de calor un paso conectado a una columna de destilación auxiliar y el medio de recolección de líquido rico en oxígeno, de manera que el líquido rico en oxígeno es parcialmente vaporizado dentro del intercambiador de calor de un paso a través del pasaje de la corriente de líquido rica en oxígeno, compuesta del líquido rico en oxígeno y el líquido rico en oxígeno residual se recolecta como una columna inferior de la columna de destilación auxiliar. La columna de destilación principal es conectada al intercambiador de calor de un paso de manera que la corriente de vapor rica en nitrógeno se condensa dentro del intercambiador de calor de un paso.
La corriente gaseosa puede ser la corriente de aire comprimido y purificado. En dicho caso, la corriente del medio de intercambio de calor de líquido rico en oxígeno residual y el medio de formación de fracción de vapor rico en oxígeno es un condensador y un recipiente de separación. El condensador es conectado al intercambiador de calor principal, de manera que la corriente comprimida y purificada es condensada parcialmente. El recipiente de separación es conectado a la columna de destilación auxiliar de manera que la corriente de líquido rico en oxígeno residual se recolecta en el recipiente de separación. El recipiente de separación es conectado al condensador de manera que una corriente de fase líquida, compuesta de una fase líquida producida dentro del recipiente de separación es vaporizada parcialmente en el condensador para producir una corriente de dos fases que es introducida dentro del recipiente de separación. Las fases líquida y de vapor de las dos corrientes de fase son desacopladas dentro del recipiente de separación para formar la fracción de vapor rica en oxígeno y la fase líquida y el intercambiador de calor principal es conectado al recipiente de separación de manera que la corriente de producto de oxígeno se forma a partir de la fracción de vapor rica en oxígeno.
En la modalidad anterior de la presente invención, el condensador puede estar localizado en una región inferior de la columna de destilación principal, de manera que el aire condensado se mezcla con el líquido proveniente de abajo producido por la rectificación de la corriente comprimida y purificada para producir de esta manera el oxígeno líquido crudo como una columna inferior en la columna de destilación principal. Ad icionalmente, el intercambiador de calor de un paso puede ser conectado a la columna de destilación principal, de manera que la columna de destilación principal se somete a reflujo con parte de la corriente de nitrógeno líquido. Un intercambiador de calor de subenfriamiento es conectado al intercambiador de calor de un paso, la columna de destilación auxiliar y la válvula de expansión de manera que la corriente de desecho intercambia calor en forma indirecta con la corriente de oxígeno líquido crudo dentro del intercambiador de calor de subenfriamiento y la corriente de oxígeno líquido crudo es subenfriada antes del pasaje a través de la válvula de expansión.
Como una alternativa, la corriente gaseosa puede estar compuesta del vapor rico en nitrógeno. En dicho caso, la corriente del medio de intercambio de calor de líquido rico en oxígeno residual y el medio de formación de fracción de vapor rico en oxígeno se forman mediante quemador de termosifón que tiene una cubierta. La cubierta es conectada a la columna auxiliar para recibir la corriente del líquido rico en oxígeno residual y otra válvula de expansión es posicionada entre la cubierta y la columna auxiliar de manera que la corriente del líquido rico en oxígeno residual es despresurizada. El quemador de termo sifón es conectado a la columna de destilación principal para recibir la corriente gaseosa y condensar de esta manera la corriente gaseosa a través del intercambio de calor directo con la corriente del líquido rico en oxígeno residual y de esta manera forma la fracción de vapor rica en oxígeno dentro de la cubierta y descargar una corriente condensada a la columna de destilación principal como reflujo junto con la corriente de nitrógeno líquido. El íntercambiador de calor principal es conectado a la cubierta, la columna de destilación principal y la columna de destilación auxiliar, de manera que una corriente de producto de oxígeno, formada a partir de la fracción de vapor, una corriente de producto de nitrógeno, formada a partir de la columna superior de vapor rica en nitrógeno, una corriente de desecho formada a partir de la columna superior auxiliar producida en la columna de destilación auxiliar, todo pasa dentro del intercambiador de calor principal en intercambio de calor indirecto con la corriente comprimida y purificada.
En la modalidad planteada anteriormente, el intercambiador de calor de sub-enfriamiento es posicionado entre la columna de destilación auxiliar, la columna de destilación principal y el intercambiador de calor principal, de manera que la corriente de desecho pasa en el intercambio de calor indirecto con la corriente de oxígeno de líquido crudo antes de la despresurización de la corriente de oxígeno de líquido crudo y antes de entibiar la corriente de desecho en el intercambiador de calor principal.
En cualquier modalidad de la presente invención, la columna de destilación principal puede ser provista con una entrada superior para la introducción de una corriente de refrigeración de nitrógeno líquido para impartir la refrigeración.
Breve Descripción de los Dibujos Aunque la presente invención concluye con las reivindicaciones que señalan en forma distinta el sujeto materia que los solicitantes consideran su invención, se considera que la presente invención será comprendida mejor cuando sea tomada en conexión con los dibujos que la acompañan en los cuales: La figura 1, es una ilustración esquemática de una planta de separación de aire para realizar un método de acuerdo con la presente invención; La figura 2, es una ilustración esquemática de una modalidad alternativa de una planta de separación de aire para realizar un método de acuerdo con la presente invención; La figura 3, es una ilustración esquemática de todavía una modalidad adicional de una planta de separación de aire para realizar un método de acuerdo con la presente invención.
Descripción Detallada de la Invención Haciendo referencia a la figura 1, una planta de separación de aire 1 se ilustra con la capacidad de co-producir productos de oxígeno y nitrógeno ("N2" y "02").
Una corriente de aire comprimido y purificado 10 se enfría en un intercambiador de calor principal 12 hasta una temperatura adecuada para su rectificación en o cerca de la saturación. Como puede apreciarse, la planta de separación de aire 1 podría ser parte de una instalación que requiere aire comprimido, y como tal, una corriente de aire comprimido y purificado 10 podría formarse a partir de una parte del aire producido en dicha instalación. De manera alternativa, dicha corriente podría ser generada comprimiendo el aire, normalmente desde entre 70 psia hasta 90 psia, y posteriormente purificando el aire de contaminantes de ebullición superior que podría solidificar o concentrarse a temperaturas criogénicas; por ejemplo, dióxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos. El intercambiador de calor principal 12 puede ser de construcción de aleta de placa de aluminio de soldadura de cobre convencional. Como podrían contemplar aquellos expertos en la materia, el intercambiador de calor principal 12 podría ser formado a partir de una pluralidad de unidades que operan en paralelo.
La corriente de aire comprimida y purificada 10, después de haber sido enfriada, se introduce dentro de un condensador 14 localizada en una región inferior 16 de una columna de destilación principal 18. La columna de destilación 18 contiene elementos de contacto de transferencia de masa, tales como bandejas, empaque estructurado, empaque aleatorio o una combinación de dichos elementos que generalmente están indicados por el número de referencia 20. Preferentemente, el aire entrante es condensado parcialmente dentro del condensador 14 para producir una fracción de vapor 22 que asciende dentro de los elementos de contacto de transferencia de masa 20 para hacer contacto con una fase de líquido descendente que produce una columna superior de vapor rica en nitrógeno 23. La columna superior de vapor rica en nitrógeno 23 normalmente será nitrógeno esencialmente puro. La condensación parcial del aire produce una fracción de líquido 24 que constituye aproximadamente el 20 por ciento del aire entrante y se recolecta junto con el líquido que ha descendido dentro de los elementos 20 dentro de la región inferior 16 de la columna de destilación principal 18 como oxígeno líquido crudo 26.
Se deberá observar que, los medios alternativos para condensar el aire entrante podrían ser para localizar el condensador 14 fuera de la columna de destilación principal. En relación con dichos medios, la fracción de líquido 24 y el líquido que ha descendido dentro de la columna de destilación 20 podrían ser combinados por separado para formar el oxígeno líquido crudo 26 o podrían ser sub-enfriado y alimentados por separado a la columna 34. En otro de dichos medios, la corriente de aire comprimida y purificada podría ser introducida directamente dentro de la cubierta de columna de destilación principal. El aire podría dejarse mezclar con vapor dentro de la columna y el vapor que se hizo circular nuevamente 22 desde el condensador 14. En dicha configuración, el condensador podrían no tener endurecimiento del lado de condensación, particularmente, el gas simplemente podría ser inducido a fluir dentro del intercambiador a través de la condensación. Como una alternativa adicional, una porción de la corriente de aire enfriada 10 podría ser dirigida a la cubierta de la columna 18 y una porción entubada directamente al condensador 14. Dicha configuración podría permitir una modulación del flujo de producto de oxígeno y nitrógeno. Sin embargo, esta configuración podría requerir válvulas y medios de control adicionales. Un medio adicional podría ser emplear una corriente separada de aire que podría ser comprimida adicionalmente. La corriente de aire separada podría dividirse en, ya sea el extremo tibio, si es comprimido adicionalmente, o si no está comprimido, en el extremo caliente. La corriente podría entonces ser condensada completamente dentro del condensador 14. El aire condensado podría entonces ser introducido dentro de una ubicación entre-etapas de la columna de destilación principal 18 a través de la tubería adecuada. El aire condensado podría no ser recolectado en el depósito de la columna y en su lugar, el aire licuado podría ser alimentado en varias etapas desde el fondo de la columna de destilación principal 14.
Una corriente de oxígeno líquido crudo 28 compuesta del oxígeno líquido crudo 26, es subenfriada entonces, preferentemente, dentro de un intercambiador de calor de subenfriamiento 30 y es despresurizada dentro de la válvula de expansión 32, posicionada entre la columna de destilación principal 18 y la columna auxiliar 34, hasta una presión preferentemente de 15 a 26 psia. La corriente de oxígeno líquido crudo 28 es entonces separada dentro de una columna de destilación auxiliar 34 poniendo dicha corriente en contacto con una corriente de gas de separación ascendente 52 dentro de los elementos de contacto de transferencia de masa 36 que podrían ser bandejas, empaque estructurado, empaque aleatorio o una combinación de dichos elementos. La separación produce una columna superior auxiliar 38 que normalmente contiene entre el 80 por ciento y del 90 por ciento volumen de nitrógeno y un líquido rico en oxígeno residual 56 que normalmente contiene el 85 por ciento al 98 por ciento por volumen de oxígeno .
El líquido rico en oxígeno 40 puede ser recolectado dentro de una bandeja de recolección 42 o por medios similares en los cuales el líquido bajando es recolectado y el valor que surge se deja pasar a través de y dentro de los elementos de contacto de transferencia de masa 36. Una corriente de líquido rico en oxígeno 44, compuesto del líquido rico en oxígeno 40, se vaporiza parcialmente a través del intercambio de calor indirecto con una corriente de vapor rica en nitrógeno 46 compuesta de vapor rico en nitrógeno 23 dentro de un intercambiador de calor de un paso 48. Como resultado del intercambio de calor indirecto, se produce una corriente de nitrógeno líquido 50. La corriente del líquido rico en oxígeno 44 es vaporizada parcialmente para producir el gas de separación 52 y una corriente de líquido de gas residual 54 que se recolecta en el fondo de la columna de destilación auxiliar 34 como un líquido rico en oxígeno residual 56. Se observará que en la modalidad alternativa, una corriente de dos fases desde el lado de ebullición del intercambiador de calor de un paso podría extraerse de la columna de destilación auxiliar 34 y ser dirigida a un separador de fase separada para producir la corriente de líquido rico en oxígeno residual 68 y una fase de vapor podría entonces entubarse a la columna de destilación auxiliar 34 para formar el gas de separación 52. Aunque no es lo preferido, esto podría ser equivalente a aquello mostrado en las figuras.
Como un medio alternativo al intercambiador de calor de un paso 48 y la bandeja de recolección 42, un quemador de termosifón situado en la base de la columna auxiliar 34 podría emplearse para vaporizar parcialmente el líquido rico en oxígeno 40 que cae desde los elementos de contacto de transferencia de masa 36 dentro de la base de la columna auxiliar 34. El núcleo de dicho quemador podría asentarse dentro del líquido rico en oxígeno residual y producir el gas de separación a través de la vaporización del liquido rico en oxígeno 40. Sin embargo, esto podría no ser preferido debido a que dicho ¡ntercambiador de calor podría no operar con las diferencias de temperatura de un intercambiador de calor de un paso; y en consecuencia, el aire entrante podría tener que ser comprimido a una presión superior.
La corriente de nitrógeno líquido 50, en su totalidad, o una parte del mismo, como se ilustró, puede ser introducida dentro de la columna de destilación principal 18 como una corriente de reflujo 58. El resto, como una corriente de nitrógeno líquido adicional 60 (válvula de paso despresurizadas 63) y una corriente de desecho 62, compuesta de la columna superior auxiliar 38, puede ser introducida primera dentro del intercambiador de calor de sub-enfriamiento 30 en intercambio de calor indirecto con la corriente de oxígeno líquido crudo 28 para los propósitos de subenfriamiento del mismo y posteriormente ser pasado en el intercambio de calor indirecto con la corriente de aire comprimido y purificado entrante 10 para ayudar a enfriar el mismo dentro del intercambiador de calor principal 12. De manera alternativa, la corriente 60 y la corriente 62 puede combinarse y entibiarse. Después de haberse entibiado, la corriente de nitrógeno líquido adicional 60 podría ser descargado del intercambiador de calor principal 12 como un co-producto de nitrógeno gaseoso ("N2") y la corriente de desecho 62 podría ser utilizada en la regeneración de adsorbentes empleados en una unidad de purificación previa utilizado para purificar previamente el aire entrantes y utilizado en conexión con la planta de separación de aire 1. Adicionalmente, también es posible reciclar la totalidad o parte de dicha corriente comprimiendo nuevamente esta y combinándola con el aire entrante. Se debe observar que la utilización de la corriente 60 es opcional, la vaporización de la corriente de nitrógeno líquido 60 sirva para proporcionar una corriente de subenfriamiento adicional 28 también y por lo tanto habilita la producción de oxígeno mayor.
Se debe observar que la corriente de reflujo de nitrógeno líquido 60 podría ser extraída de una ubicación entre etapas de la columna 20 antes del pasaje a través de la válvula 63.
También se observará que el intercambiador de calor de sub-enfriamiento 30 o 30' a ser planteados, podría integrarse con el intercambiador de calor principal 12. Es igualmente posible que una modalidad de la presente invención pudiera ser construida sin el uso de dichos intercambiadores de calor de sub-enfriamiento 30 o 30'. En cualquier caso, en la modalidad ilustrada, la corriente de nitrógeno líquido adicional 60 puede ser despresurizado en una válvula de expansión 63 antes de pasar a través del intercambiador de calor de sub-enfriado 340 y un intercambiador de calor principal 12.
Se obtiene el co-producto de nitrógeno por el calentamiento de la corriente de producto de nitrógeno 64, compuesto de la columna superior de vapor rica en nitrógeno 23, dentro del intercambiador de calor principal 12, a través del intercambio de calor indirecto con la corriente de aire comprimida y purificada 10 para ayudar también al enfriamiento del mismo. Como se ilustra, la corriente de producto de nitrógeno 64 y la corriente de vapor rica en nitrógeno 46 se producen dividiendo una corriente de vapor rica en nitrógeno 66 removida de la parte superior de la columna de destilación principal 18 en las dos corrientes anteriores. Sin embargo, la corriente de producto de nitrógeno 64 y la corriente de vapor rica en nitrógeno 46 podría ser removida por separado de la columna de destilación principal 18 Se observará que debido a que toda la corriente de nitrógeno líquida 50 podría introducirse en la columna de destilación principal 18 como reflujo, el co-producto de nitrógeno podría ser formado únicamente a partir de la corriente de producto de nitrógeno entibiada 64.
El co-producto de oxígeno es producido removiendo una corriente el líquido enriquecido con oxígeno residual 68, compuesto del líquido rico en oxígeno residual 56, e introduciendo dicha corriente dentro de un recipiente de separación 70. Una corriente de fase líquida 72 compuesta de la fase líquida 74, es parcialmente vaporizada en el condensador 14 para producir una corriente de dos fases 76 a través del intercambio de calor indirecto a con la corriente de aire comprimido y purificado entrante 10, mediante lo cual se condensa parcialmente la corriente de aire comprimida y purificada 10. Las fracciones de líquido y vapor de la corriente de dos fases 76 son desacopladas dentro del recipiente de separación para formar una fracción de vapor y una fase líquida 74 producida por el desacoplamiento con la corriente y la adición del líquido rico en oxigeno residual 68. Una válvula de control (no mostrada) puede emplearse para modular la presión de operación del recipiente 70. La corriente de producto de oxígeno se forma a partir de una corriente de fase de vapor 80 compuesta de la fracción de vapor 78. Una corriente de drenaje 82 que se pasa a través de una válvula 84 puede ser recolectada opcionalmente como un producto líquido (o dirigida como un vaporizador de drenaje de contaminantes). De manera alternativa, una porción de la corriente 68 puede ser extraída como un producto líquido y enviada para el almacenamiento adecuado.
Se observará que la corriente del líquido rico en oxígeno residual 68 puede ser presurizado como un resultado de la columna de destilación auxiliar 34 siendo situada a una altura sobre la columna de destilación principal 18. Esto tiene como resultado un producto de oxígeno presurizado. Una alternativa todavía adicional, es presurizar la corriente del líquido rico en oxígeno residual por medio de una bomba mecánica o el uso de la bomba en conexión con el líquido superior producido situando la columna de destilación auxiliar 34 sobre la columna de destilación principal 18.
Como se ilustró, el condensador 14 actúa como un termo sifón. Como un medio alternativo para formar el producto de oxígeno, es posible que el recipiente de separación 70 pudiera ser construido para alojar el condensador 14. En dicho caso, la corriente de dos fases podría sale del condensador en el interior del recipiente de separación 70. Sin embargo, se considera que la modalidad ilustrada es más rentable para dicho arreglo. Adicionalmente, si más de apenas el 20 por ciento del producto de oxígeno, en donde será tomado como un producto líquido por medio de la corriente de drenaje 82, entonces podría ser posible configurar nuevamente el condensador 14 como un intercambiador de calor de un paso con ahorros potenciales adicionales en el consumo de energía. En dicho arreglo, la corriente de líquido rico en oxígeno residual 68 podría ser entubada directamente al condensador 14. El producto parcialmente vaporizado podría entonces ser separado en un recipiente de separación de fase y ahí podría no ser una corriente de retorno, tal como la corriente de líquido enriquecida con oxígeno que está siendo introducida dentro del condensador 14.
Haciendo referencia a la figura 2, una modalidad alternativa de la presente invención se ilustra como una planta de separación de aire 2. Se observará que en donde los elementos ilustrados en la figura 2 pueden tener la misma descripción que el planteamiento anterior con respecto a la figura 1, dichos elementos mostrados en la figura 2 emplearán los mismos números de referencia que aquellos de la figura 1; y por brevedad, no se plantearán adicionalmente. La planta de separación de aire 2 está diseñada de manera específica para permitir que una fracción más grande del oxígeno contenido en el aire sea recuperada como producto. Esto se logra a través de un incremento en el reflujo de nitrógeno líquido para la columna de destilación principal 18.
En la planta de separación de aire 2, la corriente de aire comprimido y purificado 10 después de haber sido enfriado dentro del intercambiador de calor principal 12, se introduce en la columna de destilación principal 20 y se rectifica para producir una columna superior de vapor rica en nitrógeno 23 y una columna inferior de oxígeno líquido crudo 26'. Una corriente de oxígeno líquido crudo 28' puede opcionalmente ser subenfriado en una unidad de subenfriamiento 30' y separado 34 después de haber sido despresurizado dentro de la válvula de expansión 320. Una primera corriente de vapor rico en nitrógeno 46 se condensa en el intercambiador de calor de un paso 48 para producir una primera corriente de nitrógeno líquido 50 y líquido rico en oxígeno residual 56 en la forma que se describió con respecto a la planta de separación de aire 1. La corriente resultante del líquido rico en oxígeno residual 68 producido en la columna de destilación auxiliar 34 se introduce dentro de un quemador de termo sifón 86 después de haber sido despresurizado en una válvula de expansión 90. La corriente del líquido rico en oxígeno residual 68 es vaporizada parcialmente a través de intercambio de calor indirecto con una corriente gaseosa 92 que puede ser compuesto de una columna superior de vapor rico en nitrógeno 23 de la columna de destilación principal 18. ñ La corriente gaseosa 92 pasa dentro de un núcleo 94 localizado dentro de una cubierta 96 del quemador de termo sifón 86 para lograr el intercambio de calor.
La corriente gaseosa 92 es condensada para producir una corriente condensada 98 que es introducida en la columna de destilación principal 18 como parte del reflujo para dicha columna. Toda la corriente de nitrógeno líquida 50, producida en el intercambiador de calor de un paso 48, se introduce en la columna de destilación principal 18 como columna de reflujo. Esta condensación por etapas de la columna superior de vapor rico en nitrógeno incrementará el reflujo de nitrógeno líquido y por lo tanto, la capacidad incrementada de la planta de separación de aire 2 para producir el producto de nitrógeno.
Como puede apreciarse, otros medios en lugar del calentador de termo sifón 86 podrían emplearse incluyendo un ¡ntercambiador de calor de un paso si la corriente de drenaje 106 fuera de flujo suficiente. Adicionalmente, aunque no está ilustrado, en lugar del vapor rico en nitrógeno, una corriente que tiene una concentración de nitrógeno no menor que el aire, podría introducirse en el núcleo 94 del calentador de termo sifón 86. Por ejemplo, es posible comprimir una corriente de aire y licuar dicha corriente en el intercambiador de calor principal 12. Después de lo cual, éste podría introducirse en una ubicación intermedia de la columna de destilación principal 18. Una corriente gaseosa que tiene aproximadamente la misma composición que dicha corriente de líquido podría pasarse entonces dentro del núcleo 94 del calentador de termo sifón 86 y ser condensada. La corriente condensada resultante podría ser introducida dentro de una ubicación de la columna de destilación principal en la cual, la composición del líquido de columna que baja fue el mismo o casi el mismo de dicho condensado o introducido dentro de la columna de destilación auxiliar 34 para separación y la producción del co-producto de oxígeno .
La vaporización parcial de la corriente del líquido rico en oxígeno residual 68 crea vapor y fracciones de líquido que se recolectan en la cubierta como una fracción de vapor 100 y una fase de líquido. Una corriente de fase de vapor 104, compuesta de la fracción de vapor 100, se pasa en un intercambio de calor indirecto con la corriente de aire comprimida y purificada entrante 10, dentro del ¡ntercambiador de calor principal 12, para entibiar la corriente de fase de vapor 100, para producir el producto de oxígeno ("02") y para ayudar a enfriar la corriente de aire comprimida y purificada 10. Una corriente de drenaje 106 compuesta de la false líquida 102 puede ser despresurizada en una válvula 108 y recolectada como un producto de oxígeno líquido. En dicha modalidad, opcionalmente, la corriente de desecho 62 puede pasarse en el intercambio de calor indirecto con la corriente de oxígeno líquido crudo 28' dentro del intercambiador de calor de subenfriamiento 30'. La corriente de desecho 62, también se pasa en forma subsiguiente en intercambio de calor indirecto con en un intercambio de calor indirecto con la corriente de aire comprimida y purificada 10, dentro del intercambiador de calor principal 12, para entibiar la corriente de fase de vapor 62 y ayudar a enfriar la corriente de aire comprimido y purificado 10. La corriente de desecho 62 podría ser reciclada de regreso en el aire entrante. Esto puede lograrse después de entibiar el intercambiador 12 por la mezcla directa con el aire de alimentación o después para compresión adicional. Como en la planta de separación de aire 1 , la corriente de producto de nitrógeno 64, compuesto de la columna superior de vapor rica en nitrógeno 23, dentro del intercambiador de calor principal 12, a través del intercambio de calor indirecto con la corriente de aire comprimida y purificada 10 para ayudar también al enfriamiento del mismo.
Haciendo referencia tanto a la figura 1 como a la figura 2, se imparte la refrigeración ya sea a la planta de separación de aire 1 o la planta de separación de aire 2 por medio de una corriente de nitrógeno líquido 110 que se hace pasar a través de una válvula de control de flujo 112 y posteriormente es introducida en una entrada superior 114 localizada en la parte superior de la columna de destilación principal 18. Dicha corriente puede ser obtenida de un tanque de almacenamiento en el sitio y puede ser de presión alta o baja. La adición de dicha corriente compensa la fuga de calor ambiente, así como también las pérdidas de extremo tibio en las que se incurre con la operación del intercambiador de calor principal 12. Se debe observar que la corriente de líquido 110 podría ser introducida directamente en una de las corrientes de vapor que ingresa a los intercambiadores de calor 30' o 12. Como podría apreciarse, una porción del aire entrante podría ser expandida antes de la introducción en la columna de destilación principal 18. En este sentido, una porción de la corriente de aire comprimido y purificado después de enfriamiento parcial dentro del intercambiador de calor principal 12 podría ser expandida y posteriormente mezclada con la corriente de gas de desecho 62. Otra posibilidad podría ser someter a presión posterior del sistema de columna de destilación de la columna de destilación principal 18 y la columna de destilación auxiliar 34 y la corriente de desecho 62 podría ser entibiada parcialmente dentro del intercambiador de calor principal 12, expandida en un turbo expansor y entibiada adicionalmente dentro del intercambiador de calor principal 12. El uso de un turbo expansor puede producir la posibilidad de tomar un producto líquido del sistema de columna. Una porción del nitrógeno líquido obtenido de los condensadores 48 o 96 puede ser enviada a un almacenamiento adecuado. Una alternativa todavía adicional es que una corriente de oxígeno líquido podría ser introducida o combinada con la corriente del líquido rico en oxígeno residual 68 y posteriormente introducida dentro de la cubierta 96 del calentador de termo sifón 86.
Haciendo referencia a la figura 3, una planta de separación de aire 1' se ilustra constituyendo una modalidad alternativa a la planta de separación de aire 1 mostrada en la figura 1. En la planta de separación de aire 1, una columna auxiliar 34' se muestra provista con una sección de separación 36a que puede ser provista con elementos de contacto de transferencia de masa 36, como los que se plantearon anteriormente con respecto a la figura 1. La corriente de oxígeno líquido crudo 28 es separada dentro de dicha sección de separación 36a, como se describió anteriormente y en lugar de producir directamente una columna superior auxiliar, produce un vapor que contiene nitrógeno y oxígeno. La columna auxiliar 34a también es provista con una sección de rectificación 36b situada sobre la sección de separación 36a para rectificar dicho vapor que contiene nitrógeno y oxígeno y de esta manera recuperar parte del oxígeno que de lo contrario podría haber sido ventilado desde la planta en la corriente de desecho 62. Esta sección de rectificación es sometida a reflujo por la corriente de nitrógeno líquido 60' que es introducida en la parte superior de la columna auxiliar 34' después de haber sido despresurizada mediante una válvula 63'. Como puede apreciarse, la misma modificación podría haberse hecho a la planta mostrada en la figura 2. En dicho caso, la columna auxiliar podría ser modificada en una forma similar a aquella mostrada en la figura 3. En el caso de la modalidad de la figura 2, parte de la corriente de condensado 98 podría ser utilizada para someter a reflujo la columna auxiliar 34'.
Como puede apreciarse, todo lo que se contempla es al recuperación de parte del oxígeno que de otra manera podría perderse en el desecho para incrementar la recuperación de oxígeno. Sin embargo, debe afectarse un equilibrio entre la recuperación de oxígeno incrementada y el hecho de que el nitrógeno líquido está siendo tomado del nitrógeno líquido que de otra manera ha sido utilizado para someter a reflujo la columna de destilación principal y de esta manera, la producción de nitrógeno. Cualquier rectificación mayor podría estar acompañada por un incremento en el flujo de la corriente de nitrógeno líquido 60' y por lo tanto, una disminución en el producto de nitrógeno disponibles 64 debido a que el índice de reflujo de la columna principal debe mantenerse con el objeto de mantener la pureza del producto de nitrógeno. Una manera más concreta para establecer dicha limitación es que el desempeño de la sección de rectificación 36b, cuando es tomada en conexión con aquella de la sección de separación 36a debe ser que la columna superior auxiliar 38 dentro de la columna auxiliar 36 debe contener no menos del 5.0 por ciento de oxígeno sobre una base de volumen. Con el objeto de lograr esto, normalmente, una proporción del +índice de flujo de la corriente de nitrógeno líquida 60' al flujo de nitrógeno disponible total de la columna 18 (la suma de las corrientes 60 y 64) debe estar entre el 0.1 y el 0.4 y una proporción de líquido a vapor en la sección de rectificación 36b de entre 0.23 o menos.
Aunque la presente invención ha sido descrita haciendo referencia a las modalidades preferidas, como contemplarán aquellos expertos en la materia, una variedad de cambios, adiciones y omisiones pueden realizarse sin alejarse del espíritu y alcance de la presente invención como se establece en las reivindicaciones anexas.

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1. Un método para separar aire para producir coproductos de oxígeno y nitrógeno, dicho método comprende: enfriar una corriente comprimida y purificada de aire; rectificar la corriente comprimida y purificada dentro de una columna de destilación principal para producir una columna superior de vapor rica en nitrógeno y oxígeno líquido crudo; producir un líquido rico en oxígeno y una columna superior auxiliar que no contienen menos del 5.0 por ciento de oxígeno sobre una base de volumen, dentro de una columna de destilación auxiliar, mediante, al menos en parte, la despresurización de la corriente de oxígeno líquida cruda compuesta del oxígeno líquido crudo, separando la corriente de oxígeno líquido crudo con un gas de separación ascendente y vaporizando parcialmente el líquido rico en oxígeno a través del intercambio de calor indirecto con la corriente de vapor rica en nitrógeno compuesta de la columna superior de vapor rica en nitrógeno, produciendo de esta manera una corriente de nitrógeno líquido, el gas de separación y un líquido rico en oxígeno residual; someter a reflujo la columna de destilación principal con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquida; formar una fracción de vapor rica en oxígeno a partir del líquido rico en oxígeno residual mediante el intercambio indirecto de calor entre una corriente del líquido rico en oxígeno residual con una corriente gaseosa que tiene una concentración de nitrógeno que no es mejor que aquella del aire, de manera que la corriente del líquido rico en oxígeno residual se vaporiza parcialmente. formar: una corriente de producto de oxígeno a partir de la fracción de vapor; una corriente de producto de nitrógeno a partir de la columna superior de vapor rica en nitrógeno; y una corriente de desecho a partir de la columna superior auxiliar; y pasar la corriente de producto de oxígeno, la corriente de producto de nitrógeno y la corriente de desecho en intercambio de calor directo con la corriente comprimida y purificada.
2. El método tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado además porque la columna superior auxiliar únicamente es producida por la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo dentro de una columna de destilación auxiliar.
3. El método tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado además porque: la columna de destilación principal es sometida a reflujo con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquida; la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo ocurre dentro de una sección de separación de la columna de destilación auxiliar; la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo dentro de la columna de destilación auxiliar produce una corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno; y la corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno es rectificada dentro de la columna de destilación auxiliar dentro de una sección de rectificación de la columna de destilación auxiliar localizada sobre la sección de separación introduciendo la corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno dentro de la sección de rectificación y sometiendo a reflujo la columna de destilación auxiliar, y por lo tanto, la sección de rectificación con una parte adicional de la corriente de nitrógeno líquido, incrementando de esta manera la recuperación de oxígeno dentro del líquido rico en oxígeno residual.
4. El método tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado además porque: el líquido rico en oxígeno es recolectado dentro de la columna de destilación auxiliar; y el líquido rico en oxígeno es vaporizado parcialmente pasando una corriente de líquido rico en oxígeno compuesta del líquido rico en oxígeno y la corriente de vapor rico en nitrógeno a través del intercambiando de calor de un paso para formar el gas de separación y el líquido rico en oxígeno residual que se recolecta como una columna inferior de la columna de destilación auxiliar.
5. El método tal y como se describe en la reivindicación 4, caracterizado además porque: la corriente gaseosa es la corriente comprimida y purificada. la corriente comprimida y purificada es condensada parcialmente en un condensador; la fracción de vapor rica en oxígeno se forma: colectando la corriente de líquido rico en oxígeno residual en un recipiente de separación; introduciendo una corriente de fase líquida formada de una fase líquida producida dentro del recipiente de separación dentro del condensador y vaporizando parcialmente la corriente de fase líquida en el condensador a través del intercambio de calor indirecto con la corriente comprimida y purificada, produciendo de esta manera una corriente de dos fases a partir de la corriente de fase líquida; introduciendo la corriente de dos fases dentro del recipiente de separación y desacoplando las fases de líquido y vapor de la corriente de dos fases dentro del recipiente de separación para formar una fracción de vapor rica en oxígeno con la corriente del líquido rico en oxígeno residual recolectado en el recipiente de separación; y la corriente de producto de oxígeno, se forma descargando una corriente de la fracción de vapor rica en oxígeno del recipiente de separación.
6. El método tal y como se describe en la reivindicación 5, caracterizado además porque el condensador está localizado en una región inferior de la columna de destilación principal, de manera que el aire condensado se mezcla con el líquido proveniente de abajo producido por la rectificación para producir de esta manera el oxígeno líquido crudo como una columna inferior en la columna de destilación principal.
7. El método tal y como se describe en la reivindicación 6, caracterizado además porque: la columna de destilación principal es sometida a reflujo con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquida; y la corriente de desecho intercambia indirectamente calor con la corriente de oxígeno líquido crudo de manera que la corriente de oxígeno líquido crudo es subenfriada antes de ser despresurizada.
8. El método tal y como se describe en la reivindicación 4, caracterizado además porque: la corriente gaseosa está compuesta de la columna superior de vapor rica en nitrógeno; el calor es intercambiado indirectamente entre la corriente de líquido rico en oxígeno residual y la corriente gaseosa despresurizando una corriente enriquecida de oxígeno líquido y pasando la corriente al líquido rico en oxígeno residual en intercambio de calor indirecto con la corriente gaseosa dentro de un calentador termo sifón, produciendo de esta manera la fracción de vapor a partir de la vaporización parcial de la corriente de líquido rico en oxígeno residual y una corriente de condensado a través de la condensación de la corriente de gas; y la corriente de condensado se introduce en la columna de destilación principal como reflujo junto con la corriente de nitrógeno líquido.
9. El método tal y como se describe en la reivindicación 8, caracterizado además porque la corriente de desecho pasa en intercambio de calor indirecto con la corriente de oxígeno líquido crudo antes de la despresurización de la corriente de oxígeno líquido crudo, de manera que la corriente de oxígeno líquido crudo es sub-enfriada.
10. El método tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado además porque la corriente del líquido rico en oxígeno residual es presurizada de manera que la corriente de producto de oxígeno también es presurizada.
11. El método tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizado además porque la corriente de refrigeración de nitrógeno líquido es introducida en la columna de destilación principal para impartir la refrigeración.
12. Un aparato para separar aire para producir coproductos de oxígeno y nitrógeno, dicho aparato comprende: un intercambiador de calor principal configurado para enfriar una corriente comprimida y purificada que comprende el aire; una columna de destilación principal configurada para rectificar la corriente comprimida y purificada para producir una columna superior de vapor rica en nitrógeno y oxígeno líquido crudo; una columna de destilación auxiliar está conectada a la columna de destilación principal y configurada de manera que una corriente de oxígeno líquido crudo, compuesta del oxígeno líquido crudo, es separada con un gas de separación ascendente dentro de la columna de destilación auxiliar y un líquido rico en oxígeno y se produce una columna superior auxiliar que no contiene menos del 5.0 por ciento de oxígeno por volumen, por lo menos en parte, como resultado de la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo; una válvula de expansión es posicionada entre la columna de destilación principal y una columna de destilación auxiliar, de manera que la corriente de oxígeno líquido crudo es despresurizada antes de la introducción en una columna de destilación auxiliar; medios para vaporizar parcialmente el líquido rico en oxígeno a través de intercambio de calor indirecto con una corriente de vapor rica en nitrógeno compuesta de una columna superior de vapor rica en nitrógeno, produciendo de esta manera una corriente de nitrógeno líquido, el gas de separación y un líquido rico en oxígeno residual; medios de vaporización parcial de líquido rico en oxígeno conectados a la columna de destilación principal, de manera que la columna de destilación principal se somete a reflujo con por lo menos parte de la corriente de nitrógeno líquido; el intercambiador de calor principal es conectado a la columna de destilación principal y la columna de destilación auxiliar, de manera que la corriente del producto de nitrógeno compuesta de la columna superior de vapor rico en nitrógeno y una corriente de desecho formada a partir de la columna superior auxiliar de la columna de destilación auxiliar intercambian calor en forma indirecta con la corriente de aire comprimida y purificada. medios para intercambiar calor en forma indirecta entre una corriente del líquido rico en oxígeno residual con una corriente gaseosa que tiene una concentración de nitrógeno que no es menor que aquella del aire, de manera que la corriente del líquido rico en oxígeno residual se vaporiza parcialmente y medios para formar una fracción de vapor rica en oxígeno a partir de la corriente del líquido rico en oxígeno residual después de haber sido vaporizado parcialmente; y el intercambiador de calor principal es conectado al medio de formación de fracción de vapor rica en oxígeno, la columna de destilación principal y la columna de destilación auxiliar, de manera que una corriente de producto de oxígeno, compuesta de la fracción de vapor rica en oxígeno, una corriente de producto de nitrógeno, compuesta de una columna superior de vapor rica en nitrógeno y una corriente de desecho compuesta de la columna superior auxiliar de la columna de destilación auxiliar, pasa dentro del intercambiador de calor principal en intercambio de calor indirecto con la corriente comprimida y purificada.
13. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 12, caracterizado además porque la columna auxiliar puede ser provista únicamente con una sección de separación, en donde ocurre la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo.
14. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 12, caracterizado además porque: la columna auxiliar tiene una sección de separación y una sección de rectificación, localizada sobre la sección de separación . la separación de la corriente de oxígeno líquido crudo ocurre dentro de una sección de separación de la columna de destilación auxiliar y una corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno se produce en la sección de separación que ingresa a la sección de rectificación para la rectificación de la corriente de vapor que contiene nitrógeno y oxígeno, incrementado de esta manera la recuperación de oxígeno dentro del líquido rico en oxígeno residual; el medio de vaporización parcial de líquido rico en oxígeno es conectada a la columna de destilación principal, de manera que la columna de destilación se somete a reflujo con parte de la corriente de nitrógeno líquido y también es conectado a la columna de destilación auxiliar, de manera que la columna de destilación auxiliar y por lo tanto la sección de rectificación es sometida a reflujo con una parte adicional de la corriente de nitrógeno líquido; y otra válvula de expansión es posicionada entre el medio de vaporización parcial de líquido rico en oxígeno y la columna de destilación de manera que la presión de la parte adicional de la corriente de nitrógeno líquido se reduce a aquella de la columna de destilación auxiliar.
15. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 12, caracterizado además porque: la columna de destilación auxiliar tiene medios para recolectar el líquido rico en oxígeno; el medio de vaporización parcial del líquido rico en oxígeno es una intercambiador de calor un paso conectado a una columna de destilación auxiliar y el medio de recolección de líquido rico en oxígeno, de manera que el líquido rico en oxígeno es parcialmente vaporizado dentro del intercambiador de calor de un paso a través del pasaje de la corriente de líquido rica en oxígeno, compuesta del líquido rico en oxígeno y el líquido rico en oxígeno residual se recolecta como una columna inferior de la columna de destilación auxiliar; y la columna de destilación principal es conectada al intercambiador de calor de un paso de manera que la corriente de vapor rica en nitrógeno se condensa dentro del intercambiador de calor de un paso.
16. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 15, caracterizado además porque: la corriente gaseosa es la corriente de aire comprimido y purificado. el medio de intercambio de calor de líquido rico en oxígeno residual y el medio de formación de la fracción de vapor rica en oxígeno es un condensador conectado al intercambiador de calor principal, de manera que la corriente comprimida y purificada es condensada parcialmente y un recipiente de separación; el recipiente de separación es conectado a la columna de destilación auxiliar de manera que la corriente de líquido rico en oxígeno residual se recolecta en el recipiente de separación; el recipiente de separación es conectado al condensador de manera que una corriente de fase líquida, compuesta de una fase líquida producida dentro del recipiente de separación es vaporizada parcialmente en el condensador para producir una corriente de dos fases que es introducida en el recipiente de separación, las fases de líquido y vapor de la corriente de dos fases son desacopladas dentro del recipiente de separación para formar la fracción de vapor rica en oxígeno y la fase líquida; y el intercambíador de calor principal es conectado al recipiente de separación, de manera que la corriente de producto de oxígeno es formada a partir de la fracción de vapor rica en oxígeno.
17. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 16, caracterizado además porque el condensador está localizado en una región inferior de la columna de destilación principal, de manera que el aire condensado se mezcla con el líquido proveniente de abajo producido por la rectificación de la corriente comprimida y purificada para producir de esta manera el oxígeno líquido crudo como una columna inferior en la columna de destilación principal;
18. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 17, caracterizado además porque: el intercambiador de calor de un paso está conectado a la columna de destilación principal, de manera que la columna de destilación principal se somete a reflujo con parte de la corriente de nitrógeno líquido; y un intercambiador de calor de subenfriamiento es conectado al intercambiador de calor de un paso, la columna de destilación auxiliar y la válvula de expansión de manera que la corriente de desecho intercambia calor en forma indirecta con la corriente de oxígeno líquido crudo dentro del intercambiador de calor de subenfriamiento y la corriente de oxígeno líquido crudo es subenfriada antes del pasaje a través de la válvula de expansión .
19. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 15, caracterizado además porque: la corriente gaseosa está compuesta de vapor rico en nitrógeno; la corriente del medio de intercambio de calor de líquido rico en oxígeno residual y el medio de formación de fracción de vapor rico en oxígeno es un quemador de termosifón que tiene una cubierta; la cubierta conectada a la columna auxiliar para recibir la corriente del líquido rico en oxígeno residual; otra válvula de expansión está posicionada entre la cubierta y la columna auxiliar de manera que la corriente del líquido rico en oxígeno residual es despresurizada; el quemador de termo sifón es conectado a la columna de destilación principal para recibir la corriente gaseosa y condensar de esta manera la corriente gaseosa a través del intercambio de calor directo con la corriente del líquido rico en oxígeno residual y de esta manera forma la fracción de vapor rica en oxígeno dentro de la cubierta y descargar una corriente condensada a la columna de destilación principal como reflujo junto con la corriente de nitrógeno líquido; y el intercambiador de calor principal es conectado a la cubierta, la columna de destilación principal y la columna de destilación auxiliar, de manera que una corriente de producto de oxígeno, formada a partir de la fracción de vapor, una corriente de producto de nitrógeno, formada a partir de la columna superior de vapor rica en nitrógeno, una corriente de desecho formada a partir de la columna superior auxiliar producida en la columna de destilación auxiliar, pasa dentro del intercambiador de calor principal en intercambio de calor indirecto con la corriente comprimida y purificada.
20. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizado además porque un intercambiador de calor de sub-enfriamiento es posicionado entre la columna de destilación auxiliar, la columna de destilación principal y el intercambiador de calor principal, de manera que la corriente de desecho pasa en el intercambio de calor indirecto con la corriente de oxígeno de líquido crudo antes de la despresu rización de la corriente de oxígeno de líquido crudo y antes de entibiar la corriente de desecho en el intercambiador de calor principal.
21. El aparato tal y como se describe en la reivindicación 12, caracterizado además porque la columna de destilación principal tiene una entrada superior para la introducción de una corriente de refrigeración de nitrógeno líquido para impartir la refrigeración .
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