MXPA00006690A - Separacion autorefrigerante de dioxido de carbono - Google Patents

Abstract

El Dióxido de Carbono es separado de otros gases utilizando la autorefrigeración. En general, un gas de alimentación que contiene el Dióxido de Carbono es comprimido (100), y entonces el expansor (250) produce el trabajo. El Dióxido de Carbono en el gas de alimentación es licuado, y el Dióxido de Carbono licuado es entonces separado (282) de otros componentes que permanecen gaseosos. Aun cuando todas las modalidades disponibles comercialmente están contempladas, se prefieren las modalidades en las cuales los métodos y aparatos reivindicados proporcionan ventajas comerciales significantes sobre la técnica anterior. Por ejemplo, se prefiere que los gasesde alimentación sean empleados en donde la concentración de Dióxido de Carbono sea por lo menos 40%, más preferiblemente por lo menos 60%, y todavía más preferiblemente por lo menos 80%. Todos los porcentajes en la presente se dan en por ciento en mol. También se prefiere que los gases de alimentación sean comprimidos por lo menos 15 bar absolutas en todas las aplicaciones, por lo menos 30 bar absolutas en algunas modalidades, y por lo menos 60 bar absolutas en otras modalidades.

Description

SEPARACIÓN AUTOREFRIGERANTE DE DIÓXIDO DE CARBONO Campo de la invención La presente invención se relaciona a los métodos para la separación de Dióxido de Carbono de gases que contienen el dióxido de carbono.

Antecedentes de la invención Varios medios, incluyendo las refinerías petroleras, las plantas fertilizante, y plantas de fermentación, producen gases que contienen el Dióxido del Carbono (CO_) . Frecuentemente el Dióxido de Carbono es considerado un gas de desecho, y simplemente se libera a la atmósfera. En otros casos el Dióxido de Carbono puede separarse de los gases restantes, y utilizarse de alguna forma. Existen numerosos métodos conocidos para la separación del Dióxido de Carbono desde otros gases, incluyendo la absorción por solventes físicos y químicos, membranas y mallas moleculares, y así sucesivamente. Los procesos no son, sin embargo, particularmente de costo efectivo, si el Dióxido de Carbono es requerido para recuperarse como un producto licuado. Normalmente, la licuefacción del Dióxido de Carbono utilizada como parte de un proceso de separación REF.: 121425 del Dióxido de Carbono se ha realizado utilizando un agregado, (es decir, un Dióxido sin carbono) refrigerante. En la Figura de la técnica anterior 1 , por ejemplo, el gas de alimentación proporcionado por una corriente de la alimentación de gas 100 se comprime en un compresor 102, y se enfría contra agua fría en una corriente de agua 106A. El gas comprimido se pasa entonces a una unidad fría de gas 104, donde se enfría contra el agua fria de la corriente 106B y el refrigerante de la corriente 108A. El gas frío después se seca en el secador de gas 112, que utiliza normalmente desecantes de malla molecular o alúmina. El secador de gas 112 utiliza el calor de la corriente 110. La base desecante es normalmente regenerada por calor después de que está totalmente cargada con humedad. El Dióxido de Carbono en el gas seco se licúa después en una unidad de licuefacción 114 contra el refrigerante en la corriente 108B, mientras otros gases permanecen gaseosos. Finalmente, puesto que pueden disolverse las concentraciones indeseables de impurezas en el Dióxido de Carbono licuado, las impurezas son retiradas utilizando una columna de separación 116. Lo generado del proceso es una corriente depuradora que contiene las impurezas 118, y una corriente del Dióxido de Carbono purificado 120.

Es problemática la licuefacción que utiliza un refrigerante agregado como de describió en la Figura 1. Por ejemplo, los refrigerantes que tienen una eficiencia operacional elevada, incluyendo el amoníaco y los clorofluorocarbonos (CFCs), son considerados frecuentemente dañinos para el medio ambiente, y su uso en varias áreas geográficas puede restringirse severamente o incluso prohibirse. Los refrigerantes agregados también pueden ser caros a la compra y mantenerse a través del palmo de vida del proceso de separación. Aún adicionalmente, los refrigerantes introducen complejidad, que resulta en un incremento de capital y de gastos operacionales, especialmente donde los cambios regularmente requieren el uso de un refrigerante sustituto. Por lo tanto, permanece una necesidad por los métodos y aparato que proporcionen la separación del Dióxido de Carbono sin necesidad de confiar en los refrigerantes .

Breve Descripción de la Invención La presente invención se dirige a aparatos y métodos en donde el Dióxido de Carbono sea separado de otros gases utilizando la autorefrigeración . En general, un gas de alimentación que contiene el Dióxido de Carbono se comprime, y .después se expande para producir trabajo. El Dióxido de Carbono en los gases de alimentación es por lo tanto licuado, y el Dióxido de Carbono licuado después es separado de los otros componentes que permanecen gaseosos. Mientras todas las modalidades comercialmente disponibles se contemplan, se prefieren las modalidades en donde los métodos y aparato reivindicados proporcionan ventajas comerciales significantes con respecto a la técnica anterior. Por ejemplo, se prefiere que los gases de alimentación empleados en donde la concentración de Dióxido de Carbono es por lo menos del 30%, más preferiblemente por lo menos del 50%, aún más preferiblemente por lo menos del 80%, y todavía más preferiblemente por lo menos del 90%. Todos los porcentajes de gas se proporcionan en porcentaje de mol. También se prefiere que los gases de alimentación sean comprimidos a por lo menos 15 bar absolutas en todas las aplicaciones, por lo menos 30 bar absolutas en algunas modalidades, y por lo menos 60 bar absolutas en otras modalidades. Aún se prefiere adicionalmente que el Dióxido de Carbono separado del gas de alimentación se purifique a por lo menos el 98% de pureza, y más preferiblemente por lo menos el 99% de pureza.

Se contempla que los métodos y aparato reivindicados tendrán una amplia aplicabilidad. Entre otros, el Dióxido del Carbono que contiene los gases de alimentación puede surgir de diversas fuentes, incluyendo las plantas de fertilizantes, las plantas químicas, refinerías, plantas de gasificación, relleno de tierras y en suministros de gas natural. Dependiendo de la fuente, la purificación preliminar puede involucrar el retiro de (I) la materia particulada, (2) los compuestos de azufre, y (3) los compuestos orgánicos en general . Varios objetivos, características, aspectos y ventajas de la presente invención serán más claros de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la invención, junto con los dibujos que la acompañan en donde los números representan los componentes .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es un diagrama de flujo de una técnica anterior generalizada de la separación del Dióxido de Carbono que utiliza un refrigerante agregado. La Figura 2 es un diagrama de flujo de una separación del Dióxido de Carbono generalizada de acuerdo a la presente invención.

La Figura 3 es un diagrama de flujo de otra modalidad de acuerdo a la presente invención. La Figura 4 es un diagrama de flujo de una modalidad preferida en donde el Dióxido de Carbono se recupera de los gases de las colas de la planta de Hidrógeno . La Figura 5 es un diagrama de flujo de una modalidad preferida en donde el Dióxido de Carbono se recupera de una síntesis de gas de una planta de Amoníaco. La Figura 6 es un diagrama de flujo de una modalidad preferida en donde el Dióxido de Carbono se recupera de una síntesis de gas de la planta de Metanol para ajustar el reactor de alimentación de gas estequiométrico . La Figura 7 es un diagrama de flujo de una modalidad preferida en donde el Dióxido de Carbono es recuperado como un producto útil del gas del relleno de tierras mientras se produce un metano para una tubería de calidad. La Figura 8 s un diagrama de flujo de una modalidad preferida en donde el Carbono es retirado de los combustibles de la planta de energía conforme el Dióxido de Carbono realiza una captura del carbono de pre-combustión para mitigar las emisiones de gas verde.

La Figura 9 es un diagrama de flujo de otra modalidad preferida, específicamente adaptada para el manejo de una alimentación a alta presión.

Descripción Detallada La Figura 2 describe un diagrama de flujo de un proceso de autorefrigeración generalizado 200 en donde el Dióxido de Carbono es retirado de una fuente de gas . En general, una corriente de la fuente de gas 210 es pre-tratada para retirar opcionalmente las impurezas en una unidad (s) de pre-tratamiento 220 para producir un gas de alimentación 230. El gas de alimentación 230, opcionalmente junto con el gas de recirculación 272, se comprime después en el compresor 240, y se expande en el expansor 250 para producir una corriente de fase mixta 255. La corriente de fase mixta 255 tiene un componente de Dióxido de Carbono líquido y un flujo de vapor que consiste en Dióxido de Carbono no condensado y otros componentes del gas de alimentación 230. La fase mixta es separada a través del separador 260 en un flujo de vapor 270 y un flujo de Dióxido de Carbono líquido 280. Algunos o todos los flujos de vapor 270 pueden opcionalmente recircular en un intercambiador de calor 245. Donde se utiliza el intercambiador de calor 245, puede haber también una re-circulación en la corriente 272 al compresor 240 y purificarse en la corriente 271. Algunas o todas las corrientes del Dióxido de Carbono 280 pueden aplicarse directamente para varios usos 290, u opcionalmente ser precedidas por una purificación adicional u otro procesamiento 282.

Fuente de Gas 210 La fuente de gas 210 se contempla que comprende. cualquier gas que contenga el Dióxido de Carbono como un componente significante. Las fuentes de gases contemplados incluyen los gases de desecho de hidrocarburos o de procesos químicos como en refinerías de petróleo, plantas fertilizantes, petroquímicas y de fermentación. La fuente de gas puede contener una mezcla de gases que incluya hidrógeno, metano o hidrocarburos mayores, nitrógeno, monóxido de carbono, vapor de agua y otros componentes como compuestos orgánicos y de azufre. La fuente de gas 210 puede proporcionarse sustancialmente en cualquier combinación de presión y de temperatura. Las presiones normales son de 1 a 2 bar absolutas, aunque debe apreciarse que algunas fuentes como las plantas de Amoníaco (Figura 5) y la planta de Metanol (Figura 6) pueden proporcionar una corriente de gas de por lo menos 10 a 20 bar. Las temperaturas normales de la fuente de gas están entre 0°C a 50°C.

Unidad de Pre-tratamiento 220 La unidad (s) de pre-tratamiento 220 está contemplada para procesar la fuente de gas 210 antes de la condensación y licuefacción. Principalmente se contempla el pre-tratamiento por el retiro de impurezas que será por otra parte significativamente perjudicial al sistema, y pre-tratando a través de ajustar la temperatura, presión, u otras variables. Los componentes contemplados pueden retirarse durante del pre-tratamiento incluido, pero no se limitan a, derivados de azufre, compuestos orgánicos, minerales, y materia particulada. Donde la fuente de gas 210 contiene vapor de agua, una unidad 220 de pretratamiento la cual preferiblemente seca el gas a un nivel de humedad indicado que previene la formación de hielo a medida que el Dióxido de Carbono se licúa. El nivel de humedad indicado depende de las consideraciones de temperatura y de presión, y al igual de los expertos en la técnica. Cuando el gas de alimentación es secado, el secado preferiblemente ocurre corriente abajo del compresor de gas 240. Donde la fuente de gas 210 contiene la materia particulada, una unidad 220 de pre-tratamiento preferiblemente filtra el gas para retirar lo suficiente las partículas para prevenir un daño importante en las turbinas y otros componentes del sistema. Donde la fuente de gas 210 contiene azufre, una unidad de pre-tratamiento 220 preferiblemente separa las impurezas del gas para retirar el S0X/ H;S, y similares. Los secadores, filtros, separadores de impurezas convenientes, y otras unidades de pretratamiento son bien conocidas en la técnica.

Gas de Alimentación 230 El gas de alimentación 230 comprende el gas purificado que sale de la unida (s) de pre-tratamiento 220. Los métodos y aparato reivindicados son de costo efectivo dentro de una amplia gama de concentraciones de Dióxido de Carbono, concebiblemente tan bajo como el 20% de Dióxido de Carbono, pero más preferiblemente por lo menos del 30% de Dióxido de Carbono. Además, también se contemplan las eficiencias relativas de los métodos y aparato reivindicados con respecto a los sistemas convencionales deseados para mejorar con la creciente concentración de Dióxido de Carbono, tal que las concentraciones de gas de alimentación sean por lo menos del 50% de Dióxido del Carbono, por lo menos del 80% de Dióxido de Carbono, e incluso por lo menos del 90% de Dióxido de Carbono . Con respecto a otros parámetros, se contempla que el gas de alimentación 230 tendrá una presión inicial de aproximadamente 1-2 bar absolutas, aunque también se contemplan presiones mayores o menores. Por ejemplo, el gas de alimentación 230 a presiones mayores de 10 bar absolutas pueden surgir desde las plantas de Amoníaco (Figura 5) y de las plantas de Metanol (Figura 6) . El gas de alimentación 230 también se contempla para tener una temperatura similar a la temperatura ambiente, aunque también se contemplan temperaturas .más altas o más bajas.

Compresor 240 La condensación puede presentarse en cualquier etapa o combinación de etapas con respecto al pretratamiento 220, y es probable que se presente en las fases. En algunas modalidades, por ejemplo, donde la fuente de gas 210 se deriva de un medio de presión relativamente baja como una planta de fermentación, la fuente de gas 210 puede comprimirse a aproximadamente 1.2 a 20 bar absolutas antes del pre-tratamiento 220. Siguiendo el pre-tratamiento 220, la condensación adicional puede levantar el gas de alimentación 230 a por lo menos 15 bar absolutas, y preferiblemente entre aproximadamente 25 y 50 bar absolutas. Dependiendo de la composición del gas de proceso 247 y el proceso de autorefrigeración a utilizarse, la presión del gas de alimentación 230 que alimenta al expansor 250 puede estar entre 30-60 bar absolutas, 60-90 bar absolutas, e incluso medir arriba de 90 bar absolutas. Puede utilizarse cualquier compresor 240 apropiado para comprimir un gas. Se prefieren los compresores centrífugos, aunque también se contemplan otros tipos de compresores, incluyendo los compresores helicoidales, recíprocamente axiales. El compresor puede dividirse opcionalmente en dos secciones. La primer sección se dedica a la condensación del gas de alimentación inicial, mientras la segunda sección se enfoca a la condensación de la mezcla del gas de alimentación 230 y del gas de recirculación 272 a la presión requerida en la entrada del expansor de gas 250. Las etapas de inter-enfriamiento, enfriamiento del gas comprimido y/o las etapas después del enfriamiento proporcionadas en uno o más intervalos antes, durante o después de la fase de condensación, son utilizadas para reducir la temperatura del gas de alimentación 230. Preferiblemente, en una condensación de multi-fase, una etapa de enfriamiento del gas comprimido puede proporcionarse después de cada etapa de condensación. Por ejemplo, en una fase de condensación de cuatro etapas (no mostrada) , cuatro etapas de enfriamiento del gas comprimido se proporcionan una después de cada etapa de condensación. Estas etapas de enfriamiento del gas comprimido pueden emplear cualquier refrigerante conocido, para ejemplo agua o aire. Los refrigerantes son capaces de enfriar la temperatura del gas de alimentación 230 a temperatura ambiente, normalmente entre 30°C y 50°C. Normalmente, la temperatura del gas de alimentación 230 puede aumentar entre 30°C yl50°C después de cada etapa de condensación, y una etapa de enfriamiento subsecuente del gas comprimido puede disminuir entonces normalmente la temperatura del gas de alimentación 230 entre 30°C y 45°C. íntercambiador de calor 245 Una o más etapas de enfriado o enfriamiento se contemplan antes de, durante, o inmediatamente después de la fase de condensación, particularmente si la temperatura del gas de alimentación 230 se incrementa significativamente durante la condensación. Por ejemplo, un intercambiador de calor 245 puede utilizarse como se muestra para enfriar el gas que deja el compresor 240. El intercambiador de calor 245 puede ser completamente convencional, y puede recibir una corriente fría desde una fuente convencional como un refrigerante de una unidad de refrigeración. El intercambiador de calor 245 también puede, sin embargo, recibir una corriente de recirculación del gas de las colas 272 como se describe más adelante. Durante el enfriamiento del gas comprimido, la temperatura del gas de alimentación comprimido 242 se reduce abajo de la realizada por el enfriamiento del gas comprimido, mientras aún se mantiene la temperatura más alta se presenta la condensación del Dióxido de Carbono. El gas enfriado comprimido es normalmente un método ventajoso para aumentar la eficiencia de energía del proceso. El gas comprimido enfriado normalmente reduce la temperatura del gas de alimentación comprimido 242 abajo de 30°C, preferiblemente abajo de 0°C, y preferiblemente entre -25°C y -35°C. El enfriamiento del gas de alimentación 242 a temperaturas bajas antes de la expansión, es ventajoso porque se presenta una mayor condensación del Dióxido de Carbono para la misma proporción de presión de expansión. En general, se debe tener cuidado para no condensar el Dióxido de Carbono en esta fase, conforme esto puede ser perjudicial apra el expansor. Si, sin embargo, las condiciones se eligen por tener alguna condensación del Dióxido de Carbono líquido en el proceso del gas 247, un vapor líquido separador conveniente puede ser venta osamente una corriente proporcionada del expansor para proteger al expansor de la incidencia líquida. Un método de enfriamiento de gas comprimido involucra un gas de las colas 270. Puesto que el gas de las colas 270 normalmente tiene una temperatura de entre aproximadamente -35°C y -55°C alguna o la mayoría de los gases de las colas 270 puedan re-circular ventajosamente a través del intercambiador de calor 245 para ayudar en el enfriamiento del gas de alimentación que sale del compresor 240. Además, algunas o la mayoría de las corrientes gas de recirculación 272 puede alimentarse nuevamente en el proceso en la fase de condensación, preferiblemente después de purificar una cantidad fija para mantener un nivel de impureza casi constante en el vapor de recirculación. Pueden proporcionarse supervisiones continuas de gas en ubicaciones estratégicas para supervisar los niveles de impureza. La porción purificada del gas puede entonces ya sea darle salida a la atmósfera o utilizarse de alguna otra manera, como purificarse para una turbina de gas, generador de vapor o cabezal de gas combustible, .dependiendo de la cantidad y calidad de la gas de las colas. La ruta preferida tomada por el gas de recirculación 272, y el volumen relativo del gas de recirculación 272 con respecto a la corriente del gas de las colas 270 dependen de numerosos factores incluyendo la calidad, cantidad, valor calorífico y el contenido de Dióxido de Carbono del gas, el tipo de plantas involucradas, y la energía relativa y costos de capital. En la mayoría de los casos será deseable ajustar los parámetros para minimizar el consumo de energía y que sea claro para los expertos en la técnica, aunque .los exactos desechos probablemente varíen de instalación a instalación. Se contempla que la corriente de gas de recirculación 272 puede complementarse con el enfriamiento que emplea un refrigerante. El uso de tal refrigerante no elimina el proceso de la categoría de auto refrigeración porque una porción significante, como por lo menos del 20%, 30% o 50%, y en las modalidades preferidas incluye una porción mayor como por lo menos de 60%, 80% ó 90%, del efecto de enfriamiento requerido para licuar el Dióxido de Carbono proporcionado mediante comprimir y expandir la corriente de gas de alimentación 230 que contiene el Dióxido del Carbono a licuarse.

Cuando se emplea un refrigerante, se prefiere un refrigerante que no dañe, relativamente el medio ambiente como el R-134A.

Expansor 250 La expansión preferiblemente se presenta inmediatamente después de la fase de condensación, pero alternativamente puede presentarse una o más etapas de enfriamiento o enfriado siguiendo con la condensación. También se prefiere que la expansión ocurra en una sola etapa para minimizar el costo, pero puede involucrar alternativamente etapas múltiples. La expansión del gas de proceso 247 es acompañada por la extracción de trabajo del sistema. Esto ocasiona una reducción en la presión y temperatura del gas de proceso 247, que a su vez condensa alguno, y preferiblemente a casi todo el Dióxido de Carbono en el gas de proceso 247. Normalmente la presión final después de la fase de expansión está entre 7 y 25 bar absolutas. El fluido 255 que sale de la fase de expansión, es una mezcla de doble fase, de vapor y líquida, por lo menos una porción del Dióxido de Carbono es líquida. La fase de vapor contiene una cantidad relativamente pequeña de Dióxido del Carbono, con el balance compuesto de otros gases como hidrógeno, nitrógeno, monóxido del carbono, o metano, normalmente dependiendo de la fuente de gas. La fase líquida también puede contener tales impurezas, aunque en concentraciones relativamente pequeñas debido a sus bajos puntos de ebullición. Puede utilizarse cualquier equipo conveniente para la expansión, aunque normalmente se contemplan los expansores de turbina.

Separador 260 Para el separador 260 se contempla cualquier separador conveniente, y puede ser completamente convencional. Un separador ejemplar es un tambor instantáneo. La corriente inferior comprende el Dióxido del Carbono sustancialmente puro 280, mientras la corriente superior 270 comprende la gas de las colas de Dióxido de Carbono sustancialmente libre.

Purificación Opcional del Dióxido de Carbono Liquido 282 Aunque la corriente del Dióxido de Carbono 280 se contempla para ser Dióxido de Carbono sustancialmente puro, la pureza sólo puede estar en el intervalo del 98% al 99.5%. Para algunas aplicaciones tal pureza es absolutamente adecuada. Para otras aplicaciones, sin embargo, la purificación adicional puede necesitarse, y la purificación adicional se contempla para lograrse utilizando cualquier medio conveniente. Para los propósitos de ilustración, un dispositivo de purificación generalizada 282 se describe en la Figura 2. La destilación se prefiere particularmente, y el proceso puede involucrar cualquier combinación de un equipo apropiado, incluyendo una columna o rehervidor de eliminación. En una modalidad particular, los detalles los cuales no se muestran, la corriente de Dióxido de Carbono 280 pasa por debajo de la columna de separación, y se elimina de impurezas mediante el Dióxido de Carbono vaporizado producido en el rehervidor que pasa hasta la columna de separación, de acuerdo a los principios conocidos en la técnica. El producto de Dióxido de Carbono resultante después de la purificación puede ser del 97% de Dióxido de Carbono, preferiblemente del 98% de Dióxido de Carbono, y más preferiblemente del 99% de Dióxido de Carbono. A través de una destilación cuidadosa u otros medios, es posible obtener una alta pureza o producto de calidad de alimentación, comprendiendo el 99.999% de Dióxido de Carbono o incluso aun más del 99.999% de Dióxido de Carbono después de la purificación. El Dióxido de Carbono purificado 284 puede almacenarse después como un líquido a baja presión y/o puede emplearse para los usos 290. Pueden liberarse a la atmósfera, las impurezas retiradas como gases de desecho desde la columna de separación de impureza, si lo permite la legislación, o usarse como una fuente de energía, como se describió anteriormente, o quemado en una hoguera. El calor utilizado en el rehervidsr puede ser de cualquier fuente conocida, aunque el calor de la presente invención para el rehervidor puede proporcionarse por gas caliente que sale de una etapa de enfriamiento o enfriado de gas comprimido, preferiblemente después de la etapa de enfriamiento final del gas comprimido. De esta manera, el consumo de energía del proceso se reduce.

Usos para el Dióxido de Carbono Líquido 290 Todos los usos 290 disponibles comercialmente se contemplan para las corrientes de Dióxido de Carbono 280 y 284. Los usos ejemplares son para la carbonatación de bebidas, soldadura de gas inerte metálica (MIG) , cubiertas de gas inerte, elaboración de cerveza y limpieza en seco.

Modalidades Específicas En la Figura 3, un sistema 300 se emplea para separar el Dióxido de Carbono de un gas de alimentación 312 que comprende el Dióxido de Carbono. El sistema 300 comprende una pluralidad de compresores, expansores y separadores colocados en serie como se mostró. El sistema 300 es impulsado por una turbina de vapor u otro primer movedor 317 unido al sistema de condensación 303 presente al principio del sistema 300. El sistema de condensación 303 comprende tres compresores 302, 304 y 306 colocados en serie y en comunicación fluida. Un compresor adicional de gas de recirculación 305, se posiciona entre el sistema de condensación 303 y el intercambiador de calor que enfría el gas 309, donde el enfriamiento del gas de condensación se presenta, y comprende una entrada para el gas de alimentación 312 y el gas de recirculación 314 producidos por una separación de la mezcla de doble fase 328 que es el resultado de la expansión. Entre cada uno de los compresores 302, 304, 306 y 305, y entre compresor 305 y el intercambiador de calor que enfría el gas 309, los refrigerantes de gas comprimido en la forma de intercambiadores de calor 319a, 319b, 319c y 319d se proporcionan para el enfriamiento del gas comprimido. El agua fría CWS fluye a través de los refrigerantes de gas comprimido 319a, 319b, 319s y 319d,. y deduce el calor desde el gas de alimentación 312 que pasa junto a, finalizando en el C R. El gas de alimentación 312 y el gas de recirculación 314 son mezclados, y la mezcla se designa como un gas de proceso 312a. Se posiciona el intercambiador de calor que enfría el gas comprimido 309 corriente arriba del compresor de gas de recirculación 305 para enfriar el gas de proceso 312a antes de entrar en el expansor 307. El gas frío de recirculación 314 desde el separador 311 fluye a través del intercambiador de calor que enfría el gas 309, y deduce el calor del gas de proceso 312a. El uso del gas de recirculación 314 en el intercambiador de calor que enfría el gas permite a la temperatura del gas de procesos 312a enfriarse bajo temperatura ambiente. El intercambiador de calor que enfría el gas 309 está en comunicación con el compresor de gas de recirculación 305, tal que el gas de recirculación 314 pueda reciclarse del separador 311, por medio del intercambiador de calor que enfría el gas 309, nuevamente en el compresor de gas de recirculación 305. Para prevenir a la estructura de impurezas en el gas de recirculación 314, la parte del gas 314 se purifica a través de la corriente 318 a una turbina de gas para la generación de energía. La corriente arriba del intercambiador de calor de enfriamiento de gas 309 es un expansor 307, que preferiblemente conduce directamente al separador de vapor/líquido 311 por medio de la corriente 328. El expansor 307 disminuye la presión del gas de alimentación 312 a aproximadamente 22 bar absolutas, resultando en una condición a donde el Dióxido de Carbono se condensa, la corriente 328 comprende una mezcla de doble fase de vapor que contiene impurezas (gas de recirculación) 314, y un líquido que contiene el Dióxido de Carbono 320. La mezcla es separada en el separador 311. El separador 311 comprende una entrada 321 para la mezcla de doble fase 328 del expansor 307. Una salida 323 se proporciona en la parte superior del separador 311 para el vapor 314, guiando al intercambiador de calor de enfriamiento del gas 309, y al compresor de gas de recirculación 305. Una segunda salida 325 también se proporciona en el fondo del separador 311 para el líquido que contiene el Dióxido de Carbono 320, conducido en la columna de separación de impureza 330.

La columna de separación de impureza 330 coopera con un rehervidor 310. Una primer salida 322 se proporciona en el rehervidor 310 para el retiro del Dióxido de Carbono líquido al almacenamiento, y una segunda salida 324 se proporciona en la parte superior de la columna de separación 330 para el retiro de la impurezas en la corriente de vapor 316. El método de uso debe ser rápidamente entendible. Un gas de alimentación en seco 312 se alimenta en el sistema 300 en el primer compresor 302 del sistema de condensación 303. Si el gas de alimentación está húmedo, un secante de gas (no mostrado) puede utilizarse, y tal secante de gas se localiza preferiblemente entre el intercambiador de calor 319c y la producción de un gas de proceso 312a. El gas de alimentación 312 está comprimido, y las salidas del compresor 302. El gas de alimentación 312 pasa a través de un refrigerante del gas comprimido 319a, donde el agua fría reduce la temperatura. El proceso s_e repite con el gas de alimentación 312 que entra al compresor 304, después el compresor 306 se enfría después de cada condensación a través del agua en los refrigerantes 319b y 319c, normalmente a una temperatura de aproximadamente 40 °C. En la salida del sistema de condensación 303, el gas de alimentación 312 tiene una presión de aproximadamente 22 bar absolutas. Después de la etapa de enfriamiento del gas comprimido 319c, el gas de alimentación 312 se pasa a través del rehervidor 310 donde el gas de alimentación 312 es enfriado adicionalmente mediante el líquido frío de la columna de separación 330. El gas de proceso 312a está adicionalmente comprimido en el compresor de gas de recirculación a una presión de 45 bar absolutas. El gas del proceso 312a sale del compresor de recirculación de gas 305 para enfriarse primero en un refrigerante 319d, y además se enfría en el intercambiador de calor que enfria el gas 309, donde la temperatura del gas de proceso 312a disminuye adicionalmente. El gas de proceso 312a entonces entra en el expansor 307, donde la expansión ocurre a un intervalo de presión entre 9 y 22 bar absolutas. Cuando el trabajo es arrastrado del gas del proceso 312a, la temperatura disminuye de entre -25 y -55°C, y se presenta la condensación de parte del Dióxido de Carbono. La mayoría de los otros componentes de 312a permanecen gaseosos a esta temperatura. El gas de proceso 312a sale del expansor 307 convirtiéndose de este modo en una mezcla de doble fase de vapor y líquido.

La mezcla de doble fase' 328 se alimenta en el separador 311, donde el vapor 314 (gas de recirculación) relativamente mayor en impurezas y relativamente inferior en contenido de Dióxido de Carbono, es liberado por la salida 323 en la superficie del separador 311. La salida 323 lleva al intercambiador de calor que enfría el gas 309 donde la recirculación del vapor 314 se utiliza como un refrigerante para bajar la temperatura del gas de alimentación 312 anterior a la entrada en el expansor 307. La mayor cantidad de vapor 314 sale del intercambiador de calor que enfría el gas 309 pudiendo reciclarse en el compresor de gas de recirculación 305, con una parte 318 purificada del sistema y alimentando a o una turbina de gas, un generador de vapor, cabezal de gas combustible 327, depende de su pureza y constituyentes. La cantidad de vapor 314 que alimenta a o al compresor de recirculación de gas 305 o al generador de energía 327 dependerá en le mayor contenido de Dióxido de Carbono del gas, la mayor proporción del reciclaje para el compresor de gas de recirculación 305. El Dióxido de Carbono líquido 320 de la mezcla de doble fase 328 es mayor en el contenido de Dióxido de Carbono, y puede contener un poco de impurezas como hidrógeno, nitrógeno, metano o monóxido de carbono. El Dióxido de Carbono líquido 320 entonces se alimenta desde la salida 325 en el fondo del separador 311, y en la columna de separación de impureza 330 donde cualquier impureza es retirada. La columna de separación de impureza es normalmente operada a una presión de 18 a 22 bar absolutas. La mayoría del Dióxido de Carbono líquido 320 contiene un poco de impurezas que entran en la columna de separación 330 en una boquilla de entrada 329, y pasan debajo de la columna en el rehervidor 310 donde alguna parte forma un vapor debido a la entrada de calor. La fuente de calor es un gas caliente .del refrigerante de gas comprimido 319c. Como el líquido 320 es vaciado sobre la torre que lo condensa abajo (no mostrada) de la columna de separación 330, el vapor producido en el rehervidor sube hasta la columna de separación 330, retirando cualquier impureza del Dióxido del Carbono líquido. De esta manera, el Dióxido del Carbono líquido 320 del separador 311 se purifica y se retira del rehervidor 310 a través de la salida 322, y se envía al almacenamiento 331. La presión de la columna de separación 330 se sostiene relativamente a presión constante en el intervalo de 18 y 22 bar utilizando un regulador de presión. La corriente de vapor 316 que consiste de impurezas y una cantidad pequeña de Dióxido de Carbono, sale de la columna de separación 330 por medio de la salida 324, a la atmósfera, o se alimenta a un generador de energía de turbina de gas 327 por un desviador (no mostrado) . La Figura 4 describe una aplicación de un proceso de autorefrigeración como un proceso de autorefrigeración 200 para la recuperación simultánea del Dióxido de Carbono e Hidrógeno de las gases de las colas de la unidad de Absorción de Balance de Presión (PSA) de una Planta de Hidrógeno 400. La unidad de PSA se utiliza para la purificación de Hidrógeno. Normalmente, las gases de las colas de la PSA 410 en su mayor parte contienen Dióxido de Carbono y aproximadamente del 10% al 30% de Hidrógeno. Los gases de las colas de la PSA se alimentan en el proceso de autorefrigeración del Dióxido de Carbono 200 donde la mayoría del Dióxido de Carbono se recupera como un producto líquido 430. Una corriente rica en Hidrógeno 420 es producida como un subproducto. La corriente 420 es o se recicla de regreso' a la Planta de Hidrógeno 400 o a otra unidad de la PSA para la recuperación adicional de Hidrógeno. La Figura 4 también describe la recuperación del Dióxido de Carbono desde un sistema de eliminación de Dióxido de Carbono basado en un disolvente de la Planta de Hidrógeno 440. En lugar de tener el sistema de la PSA para la purificación de Hidrógeno, algunas plantas de Hidrógeno estén equipadas con sistemas de eliminación de Dióxido de Carbono basados en disolventes. Estos sistemas producen una corriente llamada separadora (o regeneradora) de la gas de las colas 450 que contiene aproximadamente arriba del 90% por volumen de Dióxido de Carbono. El Dióxido de Carbono se produce como un líquido 470 por el proceso de autorefrigeración 2011. Una corriente de purificación 460 contiene cantidades pequeñas de Dióxido de Carbono, Hidrógeno, Metano y el Dióxido de Carbono es co-producido y puede utilizarse como un combustible de la planta. La Figura 5 describe una aplicación del proceso de autorefrigeración 200 para la producción de Amoníaco. El gas natural libre de Azufre 505 y la corriente 510 se alimentan en el reformador de metano de vapor 515. La mayoría de la alimentación de metano se convierte en un gas de síntesis (syngas) 520 que se comprende de Hidrógeno y Monóxido de Carbono. El syngas 520 se alimenta en el reformador secundario 530 donde la mayoría del metano restante se convierte en syngas en el reformador secundario a través de la adición de aire 525. El syngas 535 que sale 530 se alimenta en un sistema de conversión de cambio CO 545, donde el Monóxido de carbono 535 es además convertido por un vapor 540, para producir más Hidrógeno y Dióxido de Carbono. El volumen del Dióxido ^ de Carbono en la corriente 550 es eliminado por el Sistema de Autorefrigeración 200 como un producto líquido 555. La corriente 555 pueden venderse como un subproducto o utilizarse para la elaboración de urea. El syngas 560 se alimenta entonces a una unidad de PSA 565 donde se produce una mezcla de Hidrógeno/Nitrógeno 575. El gas de cola570 de la unidad de PSA se utiliza como combustible en el reformador de vapor de metano 515. La corriente 575 que se alimenta en una unidad de Purificación de Syngas de Amoníaco 580 donde se convierte el Dióxido de Carbono residual y el Monóxido de Carbono en Metano que puede tolerarse por el catalizador de la Síntesis de Amoníaco. La corriente 585 de la unidad 580 que se alimenta en el Bucle de Síntesis de Amoníaco donde se produce el Amoníaco. La recuperación de Dióxido de carbono desde las plantas de Amoníaco basadas en la Reformación Autotérmica o las tecnologías de Oxidación Parcial puede llevarse a cabo como se describió anteriormente utilizando el proceso de autorefrigeración- 200.

La Figura 6 describe una aplicación de un proceso de autorefrigeración como un proceso de autorefrigeración 200 para la elaboración de Metanol. La Síntesis de gas 620, que es una mezcla de Hidrógeno, Monóxido de Carbono y Dióxido de Carbono, es producida por la oxidación parcial del gas natural 605 utilizando Oxígeno 610 en un reactor de oxidación parcial (gasificador) 615. Para la elaboración de Metanol es importante ajustar la estequiometría del gas de síntesis tal que la proporción siguiente sea satisfecha: ( CH2 CDÍDXÍCÍC de Ca rbono ) / ( Cco+ Coióxido de Ca rbono ) — 2 0 Donde CHC = Concentración del Hidrógeno en la corriente 655 Cco Concentración del Monóxido de Carbono en la corriente 655 CDióxido de carbono = Concen t r ación del Dióxido de Carbono en la corriente 655 Para lograr la proporción anterior, una porción calculada 625 de syngas total 620 de la unidad 615 se alimenta al Sistema de Conversión de Cambio de Monóxido de Carbono 635. El volumen del Monóxido de Carbono en la corriente 625 se convierte a Dióxido de Carbono. La syngas 640 de la unidad 635 se alimenta al proceso de autorefrigeración 200 donde el Dióxido de Carbono es eliminado como una corriente líquido 645. El gas de cola delgado de Dióxido de Carbono 650 se mezcla con la Corriente 630 (que pasa por las unidades 635 y 200) y se alimenta como la Corriente 655 para el Bucle de Síntesis de Metanol donde se produce el Metanol. La corriente 655 cumple con la proporción estequiométrica discutida anteriormente . La Figura 7 describe una aplicación de un proceso de autorefrigeración como un proceso de autorefrigeración 200 para la producción de Dióxido de Carbono y de gas Metano de una fuente especifica desde una fuente de gas de desecho 705. Aquí, la corriente 705 probablemente contiene aproximadamente cantidades iguales de Metano y Dióxido de Carbono. Además, la Corriente 705 contiene varios compuestos orgánicos en cantidades variantes, y rastros de aire. Estas impurezas son eliminadas en la unidad de Eliminación de Impurezas 710. Se alimenta el gas 715 desde la unidad 710 para el proceso de autorefrigeración 200 donde el volumen del Dióxido del Carbono es eliminado como un producto líquido. El gas de cola 725 se alimenta a la presión requerida, normalmente en el intervalo de 30 a 45 bar a un Sistema de Membrana 730. La Corriente 740 de la Unidad 730 contiene el volumen del Metano en la Corriente 725 y 1.5 a 3% por volumen de Dióxido de Carbono como impureza. Se recicla el gas de cola 735 desde la unidad 730 que contiene Dióxido de Carbono y una parte pequeña del Metano en la Corriente 725 para la Unidad 200. La corriente 740 que contiene Metano enriquecido se alimenta en una tubería de gas. La Figura 8 describe una aplicación de un proceso de autorefrigeración como el proceso de autorefrigeración 200 para la producción de combustibles bajos en Carbono. En los últimos años, se ha incrementado la preocupación sobre el calentamiento global. La separación de emisiones de Dióxido de Carbono de las plantas de energía está planeándose. Un planteamiento que se ha considerado es la captura del carbono antes de la combustión del combustible. Esta planeación se llama Captura de Carbono de Pre-combustión. En la captura de carbono de la pre-combustión, un syngas que contiene Hidrógeno y Monóxido de Carbono es producido por un Proceso de Producción de Syngas 800. Este proceso puede basarse en la Reformación del Vapor de Metano, o la Reformación Autotermal u Oxidación Parcial o combinaciones de estos procesos. El synge 810 se alimenta a un Sistema de Conversión de Cambio de CO 830 donde la mayoría del Monóxido de Carbono se convierte a Dióxido de Carbono. Si se requiere, la Corriente 820 se agrega a la Unidad 830. El volumen del Dióxido de Carbono en la Corriente 840 es eliminado por el proceso de autorefrigeración, como un proceso de autorefrigeracíón 200, como una corriente líquida 850. El gas de cola que tiene un contenido de Carbono altamente reducido y casi todo el Hidrógeno en la Corriente 840 se alimenta en el medio de generación de energía con la corriente 860. La emisión de carbono desde el medio de generación de energía por consiguiente se reduce enormemente. La Figura 9 describe el Proceso de Autorefrigeración del Dióxido de Carbono básico 200 modificado para manejar un gas de la fuente de alta presión 910. Se diseña la configuración del Proceso de Autorefrigeración de Dióxido de Carbono para manejar un gas de la fuente de alta presión 900 y se describe más adelante . En la configuración 900, la fuente de gas 910 está disponible a presiones entre 30 y 80 bar absolutas. Se trata el gas de la fuente 910 en una unidad de pre-tratamiento 920 para eliminar las impurezas como los compuestos orgánicos y el azufre. Si el gas tiene humedad, está seco. El gas tratado 930 es mezclado con gas de recirculación 997 para formar el gas de proceso 998. El gas de proceso 998 se alimenta en la unidad de enfriamiento de pre-expansión 940, donde el gas de proceso enfriado 950 es producido por el intercambio de calor con vapor frío 990 del separador líquido de vapor 975. El gas de proceso enfriado 950 se alimenta en el expansor de gas 960. La expansión de gas junto con la extracción de trabajo en el expansor de gas, conduce a la producción de Dióxido de Carbono líquido. La proporción de presión de los expandidores de gas se selecciona para lograr el nivel requerido de la eliminación de Dióxido de Carbono. Una mezcla de doble fase 970 de vapor y líquido sale del expansor de gas 960 y se alimenta en un separador de líquido de vapor 975. El Dióxido de Carbono líquido separado 980 de la unidad 975 se envía directamente a los usos 988 o a la unidad de purificación de Dióxido de Carbono 985. El Dióxido del Carbono purificado de la unidad 985 se envía a los usos 988. El gas de proceso 990 que constituye el vapor del 975 es utilizado por la corriente de enfriamiento 998 en la unidad de enfriamiento de pre-expansión 940. El gas de proceso 992 se alimenta desde la unidad 940 al compresor de gas de recírculación 995 donde el gas se condesa a una presión bastante alta para mezclarse con el gas tratado 930. El gas procesado comprimido 999 del compresor de gas de recirculación 995 es dividido en dos corrientes. La primer corriente 997 se mezcla con el gas tratado 930 y alimentada a la unidad de enfriamiento de pre-expansión como la corriente 998. La segunda corriente 996 es el gas de cola (purga) para controlar el aumento de los constituyentes del Dióxido de carbono de la fuente de gas. El gas de cola 996 se utiliza normalmente como un reactor de alimentación, un syngas, o combustible para plantas de energía. Alternativamente, el gas de cola 996 se envía para una purificación adicional o para quemarse. Si una presión inferior puede tolerarse para el uso final del gas de cola 996, entonces el gas de cola puede dividirse antes del compresor de recirculación de gas 995 para el ahorro de energía de condensación. Así, se han descrito las modalidades específicas y aplicaciones de la separación del Dióxido de Carbono por autorefrigeración. Debe ser claro, sin embargo, para estos expertos en la técnica que más modificaciones además de las ya descritas son posibles sin apartarse de los conceptos inventivos. Por consiguiente, la materia objeto inventiva no será restringida excepto en el espíritu de las reivindicaciones anexas.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos o productos a que la misma se refiere. Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes :

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Un método de separación de Dióxido de Carbono desde un gas de alimentación caracterizado porque comprende: licuar por lo menos una primer porción del Dióxido de Carbono en el gas de alimentación para producir un Dióxido de Carbono líquido por lo menos en parte para expander el gas de alimentación para producir trabajo; y separar un Dióxido de Carbono líquido del gas de alimentación.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración de Dióxido de Carbono comprende por lo menos 40% del gas de alimentación.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración de dióxido de Carbono comprende por lo menos 60% del gas de alimentación.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración de Dióxido de Carbono comprende por lo menos 80% del gas de alimentación.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de alimentación comprende una fuente de gas derivada de un relleno de tierras.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de alimentación comprende una fuente de gas derivada de una refinería .

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de alimentación comprende una fuente de gas derivada de un gas natural.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende purificar el gas de la fuente que incluye por lo menos uno de los procesos siguientes: eliminar el agua de la fuente de gas; filtrar la materia particulada de la fuente de gas; y retirar los derivados de azufre de la. fuente de gas

9. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque adicionalmente comprende comprimir el gas de alimentación a por lo menos 15 bar absolutas.

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque comprime el gas de alimentación que comprende una presión de por lo menos 30 bar absolutas.

11. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque comprime el gas de alimentación que comprende una presión de por lo menos 60 bar absolutas.

12. El método de conformidad con la reivindicación 9 , caracterizado porque la compresión comprende comprimir el gas de alimentación utilizando un compresor centrífugo.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la expansión comprende expandir el gas de alimentación utilizando un expansor centrífugo.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el Dióxido de Carbono líquido se purifica a por lo menos 99% de pureza .

15. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la autoref igeración calcula por lo menos aproximadamente 30% del enfriador empleado en licuar el Dióxido de Carbono .

16. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la autorefrigeración calcula por lo menos aproximadamente 60% del enfriamiento empleado en licuar el Dióxido de Carbono .

17. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el Dióxido de Carbono comprende por lo menos 40% del gas de alimentación, y donde el gas de alimentación comprende una fuente de gas derivada de por lo menos uno del gas natural, syngas, y gas de relleno de tierras, y donde la autorefrigeración calcula por lo menos aproximadamente el 30% del enfriamiento empleado en licuar el Dióxido de Carbono .

18. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el Dióxido de Carbono comprende por lo menos 40% del gas de alimentación, y donde el gas de alimentación además comprende comprimir el gas de alimentación a por lo menos 15 bar absolutas, y donde la autorefrigeración calcula por lo menos aproximadamente el 30% del enfriamiento empleado en licuar el Dióxido de Carbono.

19. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de alimentación comprende comprimir el gas de alimentación a por lo menos 15 bar absolutas y donde el Dióxido de Carbono líquido se purifica a por lo menos 99% de pureza, y donde la autorefrigeración se calcula por lo menos aproximadamente el 30% del enfriamiento empleado en licuar el Dióxido de Carbono. SEPARACIÓN AUTOREFRIGERANTE DE DIÓXIDO DE CARBONO RESUMEN DE LA INVENCIÓN El Dióxido de Carbono es separado de otros gases utilizando la autorefrigeración. En general, un gas de alimentación que contiene el Dióxido de Carbono es comprimido (100), y entonces el expansor (250) produce el trabajo. El Dióxido de Carbono en el gas de alimentación es licuado, y el Dióxido de Carbono licuado es entonces separado (282) de otros componentes que permanecen gaseosos. Aun cuando todas las modalidades disponibles comercialmente están contempladas, se prefieren las modalidades en las cuales los métodos y aparatos reivindicados proporcionan ventajas comerciales significantes sobre la técnica anterior. Por ejemplo, se prefiere que los gases de alimentación sean empleados en donde la concentración de Dióxido de Carbono sea por lo menos 40%, más preferiblemente por lo menos 60%, y todavía más preferiblemente por lo menos 80%. Todos los porcentajes en la presente se dan en por ciento en mol. También se prefiere que los gases de alimentación sean comprimidos por lo menos 15 bar absolutas en todas las aplicaciones, por lo menos 30 bar absolutas en algunas modalidades, y por lo menos 60 bar absolutas en otras modalidades .