MXPA00008436A

MXPA00008436A - Sistema de rectificacion criogenica para producir oxigeno de muy alta pureza.

Info

Publication number: MXPA00008436A
Application number: MXPA00008436A
Authority: MX
Inventors: Patrick Bonaquist Dante
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-08-06
Also published as: DE60004450D1; DE60004450T2; CN1286387A; EP1081450B1; ES2200766T3; US6173586B1; ATE247266T1; CA2317158C; CA2317158A1; BR0003863A; KR20010067125A; EP1081450A1

Abstract

Un sistema de separacion de aire criogenico para producir oxigeno de muy alta pureza que emplea una columna de menor presion que tiene un volumen en su porcion inferior que se pega por medio de un diafragma, y una columna actualizadora que se comunica con la columna de menor presion de una manera definida en relacion con el diafragma.

Description

SISTEMA DE RECTIFICACIÓN CRIOGÉNICA PARA PRODUCIR OXIGENO DE MUY ALTA PUREZA Campo Técnico Esta invención se relaciona generalmente con la rectificación criogénica de aire de alimentación y, más particularmente, con la rectificación criogénica de aire de alimentación para producir oxígeno.

Antecedentes de la Técnica En la rectificación criogénica del aire de alimentación en los productos de nitrógeno y oxígeno, el oxígeno típicamente se produce a una pureza de aproximadamente 99.5 por ciento en moles. Debido a las volatilidades relativas de los componentes del aire, el argón en el aire de alimentación tiende a concentrarse con el oxígeno más bien que con el nitrógeno. De conformidad con lo anterior, el remanente del producto de oxígeno típico que fluye de un proceso de separación de aire criogénico convencional se integra primordialmente de argón. Para la mayoría de los usos, la presencia de esta pequeña cantidad de argón en la corriente de oxígeno no es un problema. Sin embargo, en situaciones similares, tal como en el uso de oxígeno en la producción de productos químicos tal como el óxido de etileno, el argón, en virtud de su inercia, se somete a una acumulación dentro del reactor químico que requie-re una ventilación periódica del reactor para evitar que se retrase la reacción de la producción. La anterior ventilación periódica ocasiona una pérdida de productos valiosos. Se puede atender el problema de la carga de la reac-ción de producción como resultado de la acumulación de argón por medio de incrementar la pureza de la entrada de oxígeno al reactor, y se conocen los sistemas para producir el oxígeno de una mayor pureza que la convencional. Sin embargo, los sistemas anteriores generalmente pueden producir relativamente pequeñas cantidades de oxígeno de pureza elevada. Por otro lado, los sistemas anteriores generalmente no se pueden adaptar fácilmente a sistemas de rectificación criogénica existentes, diseñados para producir el oxígeno de pureza convencional . De conformidad con lo anterior, un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de rectificación criogénica mejorado para la producción _de oxígeno de muy alta pureza. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de rectificación criogénica mejorado para la producción de oxígeno de muy alta pureza que pueda ser fácilmente retroajustado a los sistemas existentes diseñados para producir oxígeno de pureza convencional.

Compendio de la Invención Los objetivos anteriores y otros, los cuales serán evidentes para aquellos expertos en la técnica al leer esta publicación, se adquieren por medio de la presente invención, uno de los cuales objetivos es: Un método para producir oxígeno de muy alta pureza por medio de la rectificación criogénica del aire de alimentación que comprende: (A) Pasar aire de alimentación a una columna de mayor presión y separar el aire de alimentación dentro de la columna de mayor presión por medio de la rectificación criogénica en el fluido enriquecido con nitrógeno y en el fluido enriquecido con oxígeno. (B) Pasar fluido enriquecido de nitrógeno y fluido enriquecido de oxígeno de una columna de mayor presión a una columna de menor presión que tiene un diafragma en su porción baja, y que produce líquido enriquecido de oxígeno por medio de la rectificación criogénica dentro de la columna de menor presión. (C) Pasar líquido enriquecido de oxígeno de la columna de menor presión arriba del diafragma en una columna actualizadora, y producir líquido enriquecido de oxígeno por medio de la rectificación criogénica dentro de la columna actualizadora . (D) Pasar líquido enriquecido de oxígeno de la porción inferior de la columna actualizadora dentro de la columna de menor presión abajo del diafragma, y cuanto menos parcialmente vaporizar el líquido enriquecido de oxígeno para producir fluido más rico en oxígeno; y (E) Recuperar el fluido enriquecido de oxígeno de la columna de menor presión como producto de oxígeno de muy alta pureza. Otro aspecto de la invención es : Un aparato para producir oxígeno de muy alta pureza por medio de la rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende: (A) Una columna de mayor presión y un elemento para pasar aire de alimentación dentro de la columna de mayor presión. (B) Una columna de menor presión, un elemento para pasar fluido de la columna de mayor presión dentro de la columna de menor presión, y un diafragma en la porción inferior de la columna de menor presión. (C) Una columna actualizadora, un elemento para pasar líquido de la columna de menor presión arriba del diafragma a la porción superior de la columna actualizadora, y un elemen-to para pasar vapor de la columna de menor presión abajo del diafragma a la porción inferior de la columna actualizadora. (D) Un elemento para pasar vapor de la porción superior de la columna actualizadora a la columna de menor presión arriba del diafragma, y un elemento para pasar líquido de la porción inferior de la columna actualizadora a la columna de menor presión abajo del diafragma; y (E) Un elemento para recuperar oxígeno de muy alta pureza de la columna de menor presión abajo del diafragma. Como se utiliza en la presente, el término "aire de alimentación" quiere decir una mezcla que comprende primordialmente oxígeno, nitrógeno y argón, tal como el aire en el ambiente. Como se utiliza en la presente, el término "columna" quiere decir una columna o zona de destilación o fraccionamien-to, es decir, una columna o zona de contacto, en donde las fases del líquido y del vapor están en contacto a contracorriente para efectuar la separación de una mezcla de fluido, como por ejemplo, por medio de contactar las fases de vapor y de líquido en una serie de charolas espaciadas verticalmente o placas montadas dentro de la columna y/o en elementos de empaque tal como el empaque estructurado o al azar. Para una descripción adicional de las columnas de destilación, vea el manual Chemical Engineer' s Handbook, quinta edición, editado por R. H. Perry y C. H. Chilton, de la Editorial McGraw-Hill Book Company, de Nueva York, en la Sección 13 titulada The Continuous Distillation Process (El Proceso de Destilación Continuo) . El término "columna doble" se utiliza para que signifique una columna de mayor presión que tiene su porción superior en relación de intercambio de calor con la porción inferior de una columna de menor presión. Una descripción adicional de columnas dobles se encuentra en la publicación de Ruheman "The Separation of Gases" (La Separación de Gases) , de la Oxford University Press, 1949, Capítulo VII, Commercial Air Separation (Separación de Aire Comercial) . Los procesos de separación de vapor y líquido en contacto dependen de la diferencia en las presiones de vapor para los componentes. El componente de la presión de vapor alta (o más volátil o de baja ebullición) tiende a concentrarse en la fase de vapor mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o de alta ebullición) tiende a concentrarse en la fase de líquido. La condensación parcial en el proceso de separación mediante la cual se puede utilizar el enfriamiento de una mezcla de vapor para concentrar el (los) componente (s) volátiles en la fase de vapor de tal modo que en el (los) componente (s) menos volátiles se concentren en la fase de líquido. El componente de la presión de vapor alta (o más volátil o de baja ebullición) tiende a concentrarse en la fase de vapor mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o de alta ebullición) tiende a concentrarse en la fase de líquido. La condensación parcial en el proceso de separación mediante la cual se puede utilizar el enfriamiento de una mezcla de vapor para concentrar el (los) componente (s) volátiles en la fase de vapor de tal modo que en el (los) componente (s) menos volátiles se concentren en la fase de líquido. La rectificación o destilación continua, es el proceso de separación que combina sucesivamente vaporizaciones y condensaciones parciales según se obtengan por medio de un tratamiento a contracorriente de las fases de vapor y de líquido. El contacto a contracorriente de las fases de vapor y de líquido generalmente es adiabática y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Los arreglos del proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas frecuentemente son denominadas en forma intercambiable como columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación que se lleva a cabo cuando menos en parte a temperaturas de o menos de 150 grados Kelvin (K) . Como se utiliza en la presente, el término "intercam-bio de calor indirecto" significa que se traen dos fluidos dentro de una relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o intermezcla de los fluidos uno con otro. Como se utiliza en la presente, el término "turboexpansión" y "turboexpansor" significan respectivamente el método y el aparato para el flujo de gas de alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del gas de manera tal que se genera la refrigeración. Como se utiliza en la presente, los términos "porción superior" y "porción inferior" significan aquellas secciones de una columna respectivamente arriba y abajo del punto medio de la columna. Como se utiliza en la presente, el término "charola" significa una etapa de contacto, que no es necesariamente una etapa de equilibrio, y puede significar otro aparato de contacto tal como el empaque que tiene una capacidad de separación equivalente a una charola. Como se utiliza en la presente, el término "etapa de equilibrio" significa una etapa de contacto de vapor-líquido por medio de la cual el vapor y el líquido que salen de la etapa son en equilibrio de transferencia de masa, es decir, que una charola que tiene 100 por ciento de eficiencia o el peso de un elemento de empaque equivalente a una placa teórica (HETP, por sus siglas en inglés) . Como se utiliza en la presente, el término "oxígeno de muy alta pureza" significa un fluido que tiene una concentración de oxígeno de cuando menos 99.9 por ciento en moles. Como se utiliza en la presente, el término "diafragma" significa un dispositivo que previene, o previene sustancialmente, el flujo de material a través del mismo.

Breve Descripción del Dibujo La única Figura es una representación esquemática simplificada de una modalidad preferida del sistema de rectificación criogénico de la presente invención.

Descripción Detallada Se describirá la presente invención con más detalles con referencia al Dibujo. Refiriéndonos ahora a la Figura, el aire de alimenta-ción, que ha sido limpiado de impurezas de alta ebullición tal como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos, y el cual ha sido enfriado hasta aproximadamente su punto de rocío, se pasa adentro de la columna de mayor presión 1, la cual es parte de una columna doble que también incluye una columna de menor presión 2. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura, la alimentación se proporciona adentro de la columna de mayor presión 1 como una corriente de vapor 10 y opcionalmente como líquido o corriente de fase mezclada 11 la cual se pasa adentro de la columna 1 entre las etapas de equilibrio de la 1 a la 10 arriba en donde la corriente 10 se pasa adentro de la columna 1. Opcionalmente, se puede turboexpandir una porción del aire de alimentación para generar refrigeración y entonces pasarlo adentro de la columna de menor presión 2 como se ilustra por medio de la corriente 16. La columna de mayor presión 1 está en operación a una presión que está generalmente dentro del rango de desde 75 hasta 125 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) . Dentro de la columna de mayor presión 1 el aire de alimentación se separa por medio de la rectificación criogénica a fluido enriquecido con nitrógeno y fluido enriquecido por oxígeno. El fluido enriquecido con nitrógeno se retira de la porción superior de la columna de mayor presión 1 como una corriente de vapor 20 y se pasa al condensador principal 4 en donde se condensa por medio del intercambio de calor indirecto con líquido enriquecido con oxígeno como se describirá de manera más completa a continuación. El líquido enriquecido con nitrógeno que resulta se retira del condensador principal 4 como una corriente 70. Una primera porción 22 de la corriente 70 se regresa a la columna de mayor presión 1 como reflujo, y una segunda porción 2 se subenfría (que no se muestra) y entonces se pasa adentro de la porción superior de la columna de menor presión 2 en una corriente 24 como reflujo. Se retira el fluido enriquecido de oxígeno de la porción inferior de la columna de mayor presión 1 y se pasa adentro de la columna de menor presión. La modalidad de la invención ilustrada en la Figura en una modalidad preferida que emplea una columna de brazo lateral de argón con un condensador superior. De conformidad con la presente modalidad, se retira el fluido enriquecido con oxígeno de la columna de mayor presión 1 como una corriente de líquido 12 y una porción subenfriada (que no se muestra) y entonces se pasa al condensador superior de la columna de argón 5 como una corriente 13. Aquí el líquido enriquecido con oxígeno se vaporiza parcialmente, que resulta en que el vapor enriquecido con oxígeno se pase adentro de la columna de menor presión 2 como una corriente 14 y el líquido enriquecido con oxígeno remanente se pasa adentro de la columna de menor presión 2 como una corriente 15. La porción remanente del líquido enriquecido con oxígeno también se pasa adentro de la columna de menor presión 2 como una corriente 17, ya sea por separado, o como se muestra en la Figura, en combinación con la corriente 15. La columna de menor presión 2 está operando a una presión menor que la de la columna de mayor presión 1 y generalmente dentro del rango de desde 15 hasta 25 psia. Dentro de la columna de menor presión 2 las diferentes alimentaciones adentro de esa columna están separadas por la rectificación criogénica en vapor enriquecido con nitrógeno y líquido enriquecido con oxígeno. Se retira el vapor enriquecido con nitrógeno de la porción superior de la columna de menor presión 2 como una corriente 25 y se remueve del sistema. Se puede recuperar la corriente 25 de vapor enriquecido con nitrógeno en su totalidad o en parte como producto de nitrógeno que tiene una concentración de nitrógeno de cuando menos 99.9 por ciento en moles. Para propósitos del control de pureza del producto se retira una corriente de desperdicios 23 de la porción superior de la columna de menor presión 2 por abajo del nivel de retiro de la corriente 25, y se remueve del sistema. La columna de menor presión 2 contiene un diafragma 9 en la porción inferior pero encima del condensador principal 4, y se recolecta el líquido enriquecido con oxígeno en la superficie superior del diafragma 9. El diafragma puede estar inmediatamente encima del condensador principal y puede haber una o más etapas de equilibrio entre el condensador principal y el diafragma. El líquido enriquecido con oxígeno de arriba del diafragma 9, ya sea, como se muestra en la Figura, del líquido que se recolecta en el diafragma 9, o de una charola o cama empacada arriba del diafragma 9, se pasa de una columna de menor presión 2 adentro de la porción superior de una columna actualizadora 7. En la modalidad que se ilustra en la Figura, este pasaje de líquido enriquecido con oxígeno se ilustra por medio de la corriente 31. El vapor del volumen de la columna de menor presión 2 se pasa en la corriente 35 adentro de la porción inferior de la columna actualizadora 7. La columna actualizadora 7 está operando a una presión que está generalmente dentro del rango de desde 16 a 26 psia. Dentro de la columna actualizadora 7 los fluidos que pasaron adentro de esa columna están separados por medio de la rectificación criogénica adentro del vapor enriquecido con nitrógeno y líquido enriquecido con oxígeno. Se retira el vapor enriquecido con nitrógeno de la porción superior de la columna actualizadora 7 en una corriente 32 y se pasan adentro de la columna de menor presión 2 arriba del diafragma 9. Se retira el líquido enriquecido con oxígeno de la porción inferior de la columna actualizadora 7 en una corriente 33, se pasa a través de la bomba 8, y se bombea como una corriente 34 adentro de la columna de menor presión 2 abajo del diafragma 9. El líquido enriquecido con oxígeno es cuando menos parcialmente vaporizado por medio del intercambio de calor indirecto con el vapor enriquecido con nitrógeno condensador mencionado anteriormente en el condensador principal 4, y una porción del vapor enriquecido con oxígeno que resulte se pasa adentro de la porción inferior de la columna actualizadora 7 a través de una línea 35 como se describe anteriormente. Se retira otra porción del vapor enriquecido con oxígeno de la columna de menor presión 2 abajo del diafragma 9 en una corriente 30 y se recupera como producto de muy alta pureza de oxígeno. Si se desea, algo del líquido enriquecido de oxígeno se puede recuperar como oxígeno líquido de muy alta pureza ya sea directamente de la columna actualizadora 7 o de la columna de menor presión 2 abajo del diafragma 9. Como se menciona anteriormente, la modalidad de la invención ilustrada en la Figura es una modalidad preferida en donde se emplea una columna de brazo lateral de argón para producir el argón del producto. Refiriéndonos nuevamente a la Figura, se retira una corriente que comprende argón y oxígeno de la columna de menor presión 2 arriba del diafragma 9 en la corriente 44 ya sea inmediatamente arriba del diafragma 9, es decir, sin etapas de equilibrio entre el nivel de retiro de la corriente 44 y del diafragma 9, o con una o más etapas de equilibrio entre el nivel de retiro de la corriente 44 y el diafragma 9. La corriente 44 se pasa adentro de la columna de argón 3 en donde la misma se separa por medio de la rectificación criogénica en vapor enriquecido con argón y el líquido que contiene oxígeno remanente. El líquido que contiene oxígeno remanente se pasa en la corriente 45 de la porción inferior de la columna de argón 3, la cual opera a una presión que generalmente está dentro del rango de desde 15 hasta 25 psia, adentro de la columna de menor presión 2 a un nivel arriba del diafragma 9, típicamente desde 20 hasta 50 etapas de equilibrio arriba del diafragma 9. El vapor enriquecido con argón se pasa en la línea 40 de la columna de argón 3 adentro del condensador superior 5 en donde se condensa parcialmente por medio de un intercambio de calor indirecto con el anteriormente mencionado líquido enriquecido con oxígeno que está parcialmente vaporizado. El resultante fluido enriquecido con argón de dos fases se pasa en la corriente 41 al separador de fase 6 en donde es separado por la gravedad en vapor enriquecido con argón, el cual se recupera como la corriente del producto de argón 42 que tiene una concentración de argón de desde 90 hasta aproximadamente 100 por ciento en moles, y en un líquido enriquecido con argón el cual se regresa a la columna de argón 3 en la corriente 43 como reflujo. Si se desea, se puede recuperar una porción 46 de la corriente 43 como producto de argón líquido. Una ventaja particular de la presente invención es que se puede retroajustar fácilmente a una separación de aire criogénico convencional existente como para producir oxígeno de muy alta pureza. Por ejemplo, se pueden ensamblar con anticipación la columna actualizadora 7, la bomba 8 y la mayoría de las líneas 31, 32, 33, 34 y 35 y empacarlas de tal manera que se les permita que sean instaladas a un lado de la planta existente que contiene la columna de menor presión 2 mientras que la planta existente aun está en operación. Una vez que los nuevos elementos están en su lugar, la planta existente se cierra. Entonces se instala el diafragma 9 en la columna de menor presión 2 existente y, al mismo tiempo, se hacen las conexiones de las líneas 31, 32, 34 y 35 a la columna de menor presión 2 existente. A pesar de que la invención se ha descrito en detalle con referencia a una modalidad particularmente preferida, aquellos expertos en la técnica reconocerán que existen otras modalidades de la invención dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo, se podrían combinar o de otra manera integrar la columna de argón y la columna actualizadora. En tal caso, el remanente del líquido que contiene oxígeno, representado por medio de la corriente 45 en la Figura, fluiría hacia la porción superior de la columna actualizadora. También, algo del vapor de la porción superior de la columna actualizadora podría fluir en la porción inferior de la columna de argón.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir oxígeno de muy alta pureza por medio de la rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende : (A) Pasar aire de alimentación adentro de una columna de mayor presión y separar el aire de alimentación dentro de la columna de mayor presión por medio de una rectificación criogénica dentro de un fluido enriquecido con nitrógeno y un fluido enriquecido con oxígeno. (B) Pasar fluido enriquecido con nitrógeno y fluido enriquecido con oxígeno de la columna de mayor presión adentro de una columna de menor presión que tiene una diafragma en su porción inferior, y producir líquido rico en oxígeno por medio de una rectificación criogénica dentro de la columna de menor presión. (C) Pasar líquido rico en oxígeno desde la columna de menor presión arriba del diafragma adentro de una columna actualizadora, y producir líquido rico en oxígeno por medio de una rectificación criogénica dentro de una columna actualizadora . (D) Pasar líquido rico en oxígeno desde la porción inferior de la columna actualizadora adentro de la columna de menor presión abajo del diafragma, y cuando menos vaporizar parcialmente el líquido rico en oxígeno para producir fluido rico en oxigeno; y (E) Recuperar fluido rico en oxígeno desde la columna de menor presión como producto de oxígeno de muy alta pureza.

2. Un método de conformidad con la reivindicación 1 que además comprende pasar fluido rico en oxígeno como vapor desde la columna de menor presión abajo del diafragma adentro de la porción inferior de la columna actualizadora.

3. Un método de conformidad con la reivindicación 1 que además comprende vapor rico en nitrógeno en la columna actualizadora y pasar vapor rico en nitrógeno desde la porción superior de la columna actualizadora adentro de la columna de menor presión arriba del diafragma.

4. Un método de conformidad con la reivindicación 1 que además comprende pasar un fluido que contiene argón desde la columna de menor presión arriba del diafragma adentro una columna de argón y separar el fluido que contiene argón por medio de una rectificación criogénica dentro de la columna de argón para producir fluido rico en argón para recuperar como producto de argón.

5. Un método de conformidad con la reivindicación 4 que además comprende pasar líquido desde la porción inferior de la columna de argón adentro de la columna de -menor presión arriba del diafragma .

6. Un aparato para producir oxígeno de muy alta pureza por medio de la rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende: (A) Una columna de mayor presión y un elemento para pasar el aire de alimentación dentro de la columna de mayor presión. (B) Una columna de menor presión, un elemento para pasar líquido de la columna de mayor presión adentro de una columna de menor presión, y un diafragma en la porción inferior de la columna de menor presión. (C) Una columna actualizadora, un elemento para pasar líquido desde la columna de menor presión arriba del diafragma a la porción superior de la columna actualizadora, y un elemento para pasar el vapor desde la columna de menor presión abajo del diafragma a la porción inferior de la columna actualizadora. (D) Un elemento para pasar el vapor desde la porción superior de la columna actualizadora a la columna de menor presión arriba del diafragma, y un elemento para pasar líquido desde la porción inferior de la columna actualizadora a la columna de menor presión abajo del diafragma; y (E) Un elemento para recuperar oxígeno de muy alta pureza desde la columna de menor presión abajo del diafragma.

7. Un aparato de conformidad con la reivindicación 6 que además comprende una columna de argón con un condensador superior, un elemento para pasar fluido desde la columna de menor presión arriba del diafragma a la columna de argón, y un elemento para recuperar el argón en producto desde la porción superior de la columna de argón.

8. Un aparato de conformidad con la reivindicación 7 que además comprende un elemento para pasar fluido desde la porción inferior de la columna de argón adentro de la columna de menor presión arriba del diafragma.

9. Un aparato de conformidad con la reivindicación 6 en donde la columna de menor presión incluye un condensador principal abajo del diafragma y no existen etapas de equilibrio entre el condensador principal y el diafragma.

10. Un aparato de conformidad con la reivindicación 6 en donde la columna de menor presión incluye un condensador principal abajo del diafragma y existen una o más etapas de equilibrio entre el condensador principal y el diafragma.