MXPA00009674A - Metodo de rectificacion criogenica para producir gas nitrogeno y nitrogeno liquido. - Google Patents

Metodo de rectificacion criogenica para producir gas nitrogeno y nitrogeno liquido.

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Abstract

Un metodo de rectificacion criogenica en donde ambos, gas nitrogeno y nitrogeno liquido se producen eficientemente a partir de aire empleando una o dos columnas en donde se proporciona refrigeracion para impulsar la separacion criogenica mediante un circuito de refrigeracion de fluido refrigerante de componentes multiples, de preferencia circuito cerrado.

Description

MÉTODO DE RECTIFICACIÓN CRIOGÉNICA PARA PRODUCIR GAS NITRÓGENO V NITRÓGENO LIQUIDO CAMPO TÉCNICO Esta invención se refiere generalmente a la rectificación criogénica de aire de alimentación y, más particularmente, a la rectificación criogénica de aire de alimentación para producir nitrógeno.
TÉCNICA ANTECEDENTE En la producción de gas nitrógeno mediante la rectificación criogénica de aire de alimentación, la refrigeración necesaria para impulsar la separación es suministrada generalmente por la turbo-expansión de una o más corrientes de proceso, tal como una porción ce aire de alimentación. Tal sistema de turbo-expansión es efectivo, pero muy intensivo en energía. Con frecuencia se desea la producción de nitrógeno líquido además del nitrógeno gaseoso. Tal sistema impone ura carga de refrigeración significativamente mayor sobre la planta ce separación criogénica del aire global porque una cantidad significativa ce refrigeración sale de la planta con el nitrógeno líquido. Este problerra aumenta conforme aumenta la cantidad relativa de nitrógeno recuperaco como líquido. Por lo tanto, sería altamente deseable un sistema q e pueda producir ambos, nitrógeno gaseoso y nitrógeno líquido usanco menos energía de la que se requiere hasta ahora. En consecuencia, es un objetivo proporcionar un método criogénico de separación de aire para la producción de ambos, nitrógeno gaseóse y nitrógeno l íq uido el cual perm ita la prod ucción de ambos productos con uso reducido de energ ía comparado con métodos conocidos .
B REVE DESCRI PCIÓN DE LA I NVE NC I ÓN El anterior y otros objetivos, los cuales se harán aparentes al experto en la técn ica por una lectura de esta descripción , se obtienen mediante la presente invención , un aspecto de la cual es: Un método para la prod ucción de gas nitrógeno y nitrógeno l íquido mediante la rectificación criogénica de aire de al imentación que comprende: (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples, enfriar el fluido refrigerante de com ponentes múltiples compri m ido, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples com primido, enfriado, y calentar el fluido refrigerante de componentes m últiples expandido mediante intercam bio indirecto de calor con dicho fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido q ue se enfría y también con aire de alimentación para producir aire de alimentación enfriado; (B) pasar el aire de alimentación enfriado a una colum na de rectificación criogénica y separar el aire de alimentación mediante rectificación criogénica dentro de la colum na de rectificación criogénica en vapor enriquecido con nitrógeno y líquido enriquecido con oxígeno; (C) recupera r una primera porción del vapor enriquecido ccn nitrógeno como nitrógeno gaseoso producto: (D) condensar una segunda porción del vapor enriquecido ccn nitrógeno para producir líquido enriquecido con nitrógeno; y (E) recuperar por lo menos algo del líquido enriquecido ccn nitrógeno como nitrógeno líquido producto. Otro aspecto de la invención es: Un método para la producción de nitrógeno gaseoso y nitrógeno líquido mediante la rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende: (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples, enfriar el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado, y calentar el fluido refrigerante de componentes múltiples expandido mediante intercambio indirecto de calor con dicho fluido de componentes múltiples comprimido que se enfría y también con aire de alimentación para producir aire de alimentación enfriado; (B) pasar el aire de alimentación enfriado a una primera columna de rectificación criogénica y separar el aire de alimentación mediarte rectificación criogénica dentro de la primera columna de rectificación criogénica en vapor enriquecido con nitrógeno y líquido enriquecido con oxígeno; (C) pasar fluido enriquecido con oxígeno a una segunda columna de rectificación criogénica y separar el fluido enriquecido con oxígeno dentro de la segunda columna de rectificación criogénica mediante rectificación criogénica en fluido más rico en nitrógeno y fluido más neo en oxígeno; (D) recuperar por lo menos algo del fluido más rico en nitrógeno como nitrógeno líquido producto; y (E) recuperar por lo menos algo de por lo menos uno del vapor enriquecido con nitrógeno y fluido más rico en nitrógeno como nitrógeno gaseoso producto. Como se usa aquí, el término "columna" significa una columna o zona de destilación o rectificación, es decir, una columna o zona oe contacto, en donde las fases de líquido y vapor se ponen en contacto a contracorriente para efectuar la separación de una mezcla de fluidos, como por ejemplo, poniendo en contacto las fases de vapor y líquido en una serie de charolas o platos separados verticalmente montados dentro de la columna y/o elementos de empaque tales como empaque estructurado o aleatorio. Para una discusión adicional de columnas de destilación, ver el Manual del Ingeniero Químico, quinta edición, editaao por R. H. Perry y C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Sección 13, The Continuous Distillation Process. Los procesos de separación por contacto de vapor y líquico depende de las diferencias en presiones de vapor de los componentes. El componente de alta presión de vapor (o más volátil o de bajo punto ce ebullición) tenderá a concentrarse en la fase vapor mientras que el componente de baja presión de vapor (o menos volátil o de alto punto ae ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La destilación es el proceso de separación por el cual se puede usar el calentamiento de u~a mezcla de líquidos para concentrar el (los) componente(s) más volátil(es) en fase vapor y por esto el (los) componente(s) menos volátil(es) en ía fase líq uida . La condensación parcial es el proceso de separación por el cual se puede usar el enfriamiento de una mezcla de vapores para concentrar el (los) componente(s) volátil(es) en la fase vapor y por esto el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líq uida . La rectificación , o destilación continua , es el proceso de separación que combina vaporizaciones y condensaciones parciales sucesivas com o se obtiene por un tratamiento a contracorriente de las fases vapor y l íq uida El contacto a contracorriente de las fases vapor y l íq uida puede ser adiabático o no adiabático y puede incluir contacto integral (a manera de etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Los arreg los del proceso de separación que utilizan los principios de la rectificación para separar mezclas son llamados intercambiablemente con frecuencia colum nas de rectificación , columnas de destilación , o colum nas de fraccionación . La rectificación criogénica es un proceso de rectificación que se lleva a cabo por lo menos en parte a temperaturas de o por debajo de 1 50 g rados Keivin (K) . Como se usa en la presente, el término "intercam bio indirecto de calor" significa llevar las dos corrientes de fluido a relación de intercambio de calor sin ningún contacto o intermezclado físico de los fluidos entre ellos. Como se usa en la presente, el térm ino "expa nsión" sig nifica efectuar una reducción en presión . Como se usa en la presente, el térm ino "nitrógeno gaseoso producto" significa un gas que tiene una concentración de nitrógeno ce por lo menos 99 por ciento en mol.
Como se usa en la presente, el término "nitrógeno líquido producto'' significa un líquido que tiene una concentración de nitrógeno de por o menos 99 por ciento en mol. Como se usa en la presente, el término "aire de alimentación'' significa una mezcla que comprende oxígeno y nitrógeno principalmente, tal como aire ambiental. Como se usa en la presente, los términos "porción superior" y "porción inferior" significan aquellas secciones de una columna arriba y abajo del punto medio respectivamente de la columna. Como se usa en la presente, el término "refrigerante de carga variable" significa un fluido de componentes múltiples, es decir, una mezcla de dos o más componentes, en proporciones tales que la fase líquida de aquellos componentes sufren un cambio de temperatura continuo y en aumento entre el punto de burbuja y el punto de rocío de la mezcla. El punto de burbuja de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en donde la mezcla está toda en la fase líquida, pero la adición de calor iniciará la formación de una fase vapor en equilibrio con la fase líquida. w El punto de rocío de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en donde la mezcla está toda en la fase vapor, pero la extración de calor iniciará ¡a formación de una fase líquida en equilibrio con la fase vapor. De acuí que, la región de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío de la mezcla es la región en donde ambas fases líquida y vapor coexisten en equilibrio. En la práctica de esta invención fas diferencias de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío para el fluido refrigerante de componentes múltiples es de por lo menos 10° K, de preferencia por lo menos 20° K y lo más preferible por lo menos 50° K. Como se usa en la presente, el término "fluorocarbono" significa uno de los siguientes: tetrafluorometano (CF4), perfluoroetano (C2Fej, perfluoropropano (C3F8), perfluorobutano (C F10), perfluoropentano (C5F12), perfluoroeteno (C2F ), perfluoropropeno (C3F6), perfluorobuteno (C4F8), perfluoropenteno (C5F10), hexafluorociclopropano (ciclo-C3F6) y octafluorociclobutano (ciclo-C4F8). Como se usa en la presente, el término "hidrofluorocarbono" significa uno de los siguientes: fluoroformo (CHF3), pentafluoroetano (C2HF5), tetrafluoroetano (C2H2F4), heptafluoropropano (C3HFr), hexafluoropropano (C3H2F6), pentafluoropropano (C3H3F5), tetrafluoropropano (C3H4F4), nonafluorobutano (C4HF9), octafluorobutano (C4H2F8), undecafluoropentano (CsHFn), fluoruro de metilo (CH3F), difluorometano (CH2F2), fluoruro de etilo (C2H5F), difluoroetano (C4H4F2), trifluoroetano (C2H3F3), difluoroeteno (C2H2F2), trifluoroeteno (C2HF3), fluoroeteno (C2H3F), pentafluoropropeno (C3HF5), tetrafluoropropeno (C3H2F4), trifluoropropeno (C3H3F3), difluoropropeno ÍC3H4F2), heptafluorobuteno C4(HF7), hexafluorobuteno (C H2F6), nonafluoropenteno (C5HF9). Como se usa en la presente, el término "fluoroéter" significa uno de los siguientes: trifluorometoxi-perfluorometano (CF-.-0-CF3), difluorometoxi-perfluorometano (CHF2-0-CF3), fluorometoxi-perfluorometano (CH2F-0-CF3), difluorometoxi-difluorometano ÍOHF2-O- CHF2), difluorometoxi-perfluoroetano (CHF2-0-C2F5), difluorometoxi- 1 ,2,2, 2-tetraf luoroetano (CHF2-0-C2HF4), difluorometox?-1.1.2,2-tetrafluoroetano (CHF2-0-C2HF ), perfluoroetoxi-1 2,2,2-fluorometanc (C2F5-0-CH2F), perfluoroetoxi-fluorometano (C2F5-0-CH2F' perfluorometoxi-1 ,1 ,2-trifluoroetano (CF3-0-C2H2F3). perfluorometoxs- 1, 2, 2-trif luoroetano (CF3-0-C2H2F3), ciclo- 1 ,1 ,2, 2-tetraf I uoropropiléter (ciclo-C3H2F4-0-), ciclo- 1 ,1 , 3, 3-tetraf I uoropropiléter (c¡clo-C3H2F_.-0-; perfiuorometoxi-1 ,1 ,2, 2-tetraf luoroetano (CF3-0-C2HF4), ciclo-1.1.2,3,3-pentaf I uoropropiléter (ciclo-C3H5-0-), perfluorometoxi-perfluoroacetona (CF3-0-CF2-0-CF3), perfluorometoxi-perfluoroacetona (CF3-0-CF:- 0-CF3), perfluorometoxi-perfluoroetano (CF3-0-C2F5), perfluorometoxi-1,2,2,2-tetrafluoroetano (CF3-0-C2HF4), perfluorometoxi-2,2,2-trlfluoroetano (CF3-0-C2H2F3), ciclo-perfluorometoxi-perfluoroacetona (ciclo-CF2-0-CF2-0-CF2-), y ciclo-perfluoropropiléter (ciclo-CsF;-O). Como se usa en la presente, el término "gas atmosférico" significa uno de los siguientes: nitrógeno (N2), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe¡. neón (Ne), dióxido de carbono (C02), oxígeno (02), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), y helio (He). Como se usa en la presente, el término "no tóxico" significa que no tiene un riesgo agudo o crónico cuando se maneja de acuerdo con límites de exposición aceptables. Como se usa en la presente, el término "no inflamable" significa ya sea que no tiene punto de flasheo (vaporización) o que tiene un punto ce flasheo muy alto de por lo menos 600° K.
Como se usa en la presente, el término "reductor bajo de ozono" significa que tiene un potencial agotador de ozono menor de 0.15 según se define por la convención del Protocolo de Montreal en donde eí diclorofluorometano (CCI2F2) tiene un potencial reductor de ozono de 1.0 Como se usa en la presente, el término "no reductor de ozonc" significa que no tiene componente el cual contiene un átomo de cloro. bromo o yodo. Como se usa en la presente, el término "punto normal de ebullición" significa la temperatura de ebullición a presión de 1 atmósfera estándar, es decir, 1.034 kilogramos por centímetro cuadrado absolutos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una representación esquemática de una modalidad preferida de la invención en donde se usa una columna de rectificación criogénica para producir el gas nitrógeno y nitrógeno líquido. La Figura 2 es una representación esquemática de otra modalidad preferida de la invención en donde se usa una columna de rectificación criogénica para producir el gas nitrógeno y el nitrógeno líquido y se usa adicionaimente el fluido de componentes múltiples para bombear calor de la columna. La Figura 3 es una representación esquemática de otra modalidad preferida de la invención en donde se usa una columna de rectificación criogénica para producir el gas nitrógeno y el nitrógeno líquido y se vaporiza, comprime y regresa a ia columna una porción del líquido de a caldera.
La Figura 4 es una representación esquem ática de otra mod a l idad preferida de la invención en donde se usan dos columnas de rectificación criogénica para producir el gas n itrógeno y el n itrógeno l íquido .
DESCRI PCI ÓN DETALLADA La invención será descrita en detalle con referencia a los dibujos . Haciendo referencia ahora a la Figura 1 , aire de alimentación 60 se comprime mediante un paso a través del compresor 30 hasta una presión generalmente dentro del rango desde 2.81 a 14.07 kilog ramos por centímetro cuadrado absolutos (kg/cm2 abs) . El aire de alimentación comprimido 61 resultante se enfría del calor de com presión en el enfriador posterior 31 y la corriente 62 de aire de alimentación resultante se limpia de impurezas de alta ebullición tales como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos mediante paso a través del purificador 32. La corriente 63 de aire de alimentación purificado se enfría entonces mediante paso a través del ¡ntercambiador 1 de calor principal para producir la corriente 64 de aire de al imentación enfriado . E| aire de alimentación se enfría regresando producto y corri entes de desperdicio y mediante refrigeración generada por un fluido refrigerante de componentes m últiples . E l fluido refrigerante oe componentes m últiples en la corriente 206 se com prime por paso a través del compresor 220 de reciclado hasta una presión generalmente dentro del rango desde 4.22 hasta 42.22 kg/cm2 abs para producir el fluiao refrigerante 201 de componentes múltiples comprimido . El fluico refrigerante de com ponentes m últiples com prim ido se enfría del ca l or ce compresión mediante paso a través del post-enfriador 221 y puede ser condensado parcialmente . El fluido refrigerante de componentes múltiples en la corriente 202 se pasa entonces a través del intercam biador de calor 1 principal en donde se enfría adicionalme nte, y es condensado parcialmente por lo menos, y puede ser conde nsado completamente. El fluido refrigerante 203 de componentes múltiples comprimido, enfriado se expande o estrangula después a través de la válvula 204. El estrangulam iento vaporiza de preferencia parcialmente el fluido refrigerante de componentes múltiples , enfriando el fluido y generando refrigeración . Para algunas circunstancias lim itadas, dependiendo de las condiciones del intercambiador de calor, el fluid o 203 comprimido puede ser l íquido sub-enfriado antes de la expansión y puede permanecer como líquido a la expansión inicial . Subsecuentemente , por calentam iento en el intercambiador de calor, el fluido tendrá dos fases. La expansión por presión del fluido a través de una válvula proporciona refrigeración por el efecto de Joule-Thomson , es decir, bajando la temperatura del fluido debido a la expansió n por presión a entalpia constante. Sin embargo, bajo algunas circunsta ncias, la temperatu ra del fluido puede ser disminuida debido a la expansión de trabajo . La corriente 205 de fluido refrigerante de dos fases ae componentes múltiples que soporta la refrigera ción se pasa entonces a través del intercam biador de calor 1 en donde se calienta y va poriza completamente sirviendo as í mediante intercam bio de calor indirecto para enfriar la corriente 202 y tam bién para tran sferir refrigeración a las corrientes de proceso dentro del intercambiador de calor, q ue inclu yen a corriente 63 de a ire de alimentación , pasando as í la refrigera ción generada por el circuito de refrigeración del fluido refrigerante de componentes m últiples a la planta de rectificación criogénica para sostener el proceso de separación . El fluido refrigerante de compone ntes múltiples calentado resultante en la corriente 206 de vapor se recicla entonces al compresor 220 y comienza de nuevo el ciclo de refrigeración En el ciclo de refrigeración del fluido refrigerante de componentes múltiples, mientras la mezcla de alta presión se condensa , la mezcl a de baja presión se hierve contra ésta , es decir, el calor de condensa ción hace hervir al líquido de baja presión. En cada nivel de temperatura, la diferencia neta entre la vaporización y la condensación proporcion a la refrigeración . Para una combinación, mezcla, composición de componentes de refrigeración dada, los niveles de régimen de flujo y presión determina n la refrigeración dispon ible en cada nivel de temperatura. En la Figura 1 se ilustra la modalidad preferida en donde el fluido de componentes m últiples que soporta la refrigeración sirve para enfriar el aire de alimentación sin la intervención de ningún fluido de transferencia de calor. Se entiende sin em bargo q ue el fl uido refrigera nte de componentes m últiples podría enfriar otro fluido el cual podría usarse entonces para enfriar la corriente de aire de alimentación . La corriente de aire de alimentación enfriada se divide en una porción principal 1 08 la cual se pasa a la colu m na 1 0 de rectificación criogén ica, y en una porción menor 1 09 la cual se condensa por lo m enos parcialmente mediante paso a través del intercambiador de calor 3 y se pasa después a la colum na 1 0 como corriente 1 1 0.
La columna 10 de rectificación criogénica está operando a una presión generalmente dentro del rango desde 2.11 hasta 14.07 kg/cm2 abs. Dentro de la columna 10 de rectificación criogénica el aire de alimentación se separa mediante rectificación criogénica en vapor enriquecido con nitrógeno y líquido enriquecido con oxígeno. El vapor enriquecido con nitrógeno se extrae desde la porción superior de la columna 10 en la corriente 69. Una primera porción 91 del vapor enriquecido con nitrógeno se calienta mediante paso a través del intercambiador de calor 3 y que resulta en la corriente 93 se calienta adicionalmente por paso a través del intercambiador de calor 1 principal para producir la corriente 94 para recuperación como gas nitrógeno producto. La Figura 1 ilustra la modalidad en donde el gas nitrógeno en la corriente 94 se comprime mediante paso a través del compresor 33 y la corriente 106 de gas nitrógeno comprimido resultante se enfría del calor de compresión mediante paso a través del post-enfriador 34 y se recupera en la corriente 107 como gas nitrógeno producto de presión elevada, típicamente a una presión dentro del rango desde 3.52 hasta 21.11 kg/cm2 abs. El gas nitrógeno producto de esta invención puede tener una pureza de hasta 99.9 por ciento en mol de nitrógeno o más. Una segunda porción 70 del vapor enriquecido con nitrógeno se pasa al condensador superior 2 en donde se condensa para producir líquido enriquecido con nitrógeno el cual es extraído desde el condensador superior 2 en la corriente 71. Por lo menos algo del líquido enriquecido con nitrógeno se recupera en la corriente 98 como nitrógeno líquido producto. El líquido enriquecido con nitrógeno en la corriente 72 puede pasarse tam bién a la colum na 1 0 como reflujo . El nitrógeno l íquido producto de esta invención puede tener una pureza de hasta 99.9 por ciento en mol de nitrógeno o más. El l íquido enriq uecido con oxígeno se extrae a partir de la porción inferior de la colum na 1 0 en la corriente 65 y se sub-enfría mediante pase a través del intercambiador de calor 3. El líquido 66 enriquecido con oxígeno sub-enfriado resultante se estrangula a través de la válvula 67 y después como corriente 68 se pasa al condensador superior 2 en donde se vaporiza mediante intercambio indirecto de calor con vapor enriquecido con nitrógeno para efectuar ia condensación antes mencionada del vapor enriquecido con nitrógeno a líquido enriq uecido con nitrógeno. El vapor enriquecido con oxígeno resultante se extrae de¡" condensador superior 2 en la corriente 1 02, calentada mediante paso a través del intercambiador de calor 3, la corriente 1 04 resultante calentada adicionalmente mediante paso a través del intercambiador de calor 1 principal , y removida después del sistema como corriente 1 05 de desecho. Aunque no se ilustra en la Figura 1 , una porción del vapor enriquecido con oxígeno que forma la corriente de desecho puede usarse para regenerar el purificador 32. La Figura 2 ilustra otra modalidad de la invención en donde e: circuito de generación de refrigeración del fluido refrigerante de componentes múltiples está integrado con la columna . Este arregle permite la recuperación mejorada de nitrógeno a un cuando se necesitará típicamente una cantidad mayor de energ ía para opera r el circu ito de refrigeración . Los numerales en la Fig ura 2 son los m ismos q ue aq uellos de la Figura 1 para los elementos comunes , y esos elementos com u nes no serán descritos en detalle otra vez. Haciendo referencia ahora a la Figura 2, la corriente 64 de aire de alimentación enfriado se pasa directamente a la columna 1 0. El fl uido refrigerante de componentes m últiples enfriado en la corriente 203 se enfría adicionalmente antes de la expansión. En la moda lidad ilustrada en la Fig ura 2 este enfriamiento adicional se efectúa med iante intercambio indirecto de calor con el líquido del fondo de la columna 1 C es decir, l íquido enriquecido con oxígeno, en el fondo del re-hervidor 7 Este enfriamiento adicional sirve para condensar adicionalmente y generalmente para condensar completamente la corriente 203. El fl uido de componentes múltiples licuado se pasa entonces en la corriente 217 a partir del re-hervidor 7 de fondo a la válvula 220 en donde es expand ido o estrang ulado para generar refrigeración, y se pasa después en la corriente 221 al condensador superior 2 en donde es vaporizado. El fluido refrigerante de componentes m últiples resultante se pasa del condensador superior 2 en la corriente 218 para calentar a través del intercambiador de calor 3 y la corriente 21 9 resultante se pasa al intercambiador de calor 1 principal en donde se calienta adicionalmente para efectuar el enfriam iento de las corrientes 202 y 63 com o se describió previamente. La Figura 3 ilustra otra modalidad preferida de la invención . Los numerales de la Fig ura 3 son los mism os q ue los de la Fig u ra 1 pa ra les elementos com unes, y estos elementos comunes no será n descritos en detalle otra vez. En la modalidad ilustrada en la Figura 3 ei intercambiador de calor principal se muestra como estando en dos partes designadas 1a y 1b. Haciendo referencia ahora a la Figura 3, el líquido 68 enriquecido con oxígeno se pasa a través del condensador superior 2 en donde se vaporiza parcialmente y se pasa después como corriente 333 de dos fases al separador de fases 313 en donde se separa en una porción de vapor y una porción líquida. La porción de vapor se extrae del separador de fases 313 en la corriente 336, se comprime mediante paso a través del compresor 360 y se pasa después en la corriente 337 a la porción inferic de la columna 10. La porción del líquido restante del líquido enriquecido con oxígeno se extrae del separador de fases 313 en la corriente 339, se estrangula a través de la válvula 340 y se pasa como corriente 341 ai condensador superior 2 en donde se vaporiza mediante intercambio indirecto de calor con la segunda porción del vapor enriquecido con nitrógeno. El fluido enriquecido con oxígeno vaporizado resultante se pasa del condensador superior 2 en la corriente 302 a través del intercambiador de calor 3 y parte 1b del intercambiador de calor principal para formar la corriente 329 la cual se expande por turbina a través de: expansor de turbina 380 para generar refrigeración. La corriente 304 que soporta la refrigeración, resultante se calienta después mediante paso a través del intercambiador de calor principal 1a, 1b y se remueve entonces del sistema en la corriente 305. La Figura 4 ilustra otra modalidad preferida de la invención que emplea dos columnas en donde el gas nitrógeno producto puede recuperarse en dos presiones diferentes. Los numerales de la Figura son los m ismos q ue los de la Fig ura 1 para los elementos com unes , y estos elementos com unes no serán descritos en detalle otra vez. Haciendo referencia ahora a la Figura 4, la corriente 64 de aire de alimentación enfriado se pasa d irectamente a la primera colu mna 1 1 0 de rectificación criogénica la cual está operando a una presión generalmente dentro del rango desde 7.037 hasta 14.074 kg/cm2 abs . Si se desea , una porción 85 del vapor enriquecido con nitrógeno se pasa a través dei intercam biador de calor 1 principal y se recupera como gas nitrógeno producto elevado en la corriente 86. El líquido enriquecido con n itrógeno entero en la corriente 71 se pasa a la colum na 1 1 0 como reflujo. En la modalidad ilustrada en la Figura 3, algo del l íq uido en riq uecido con oxígeno pasado al condensador superior 2 no se condensa . El vapor en riq uecido con oxígeno del condensador superior 2 se pasa en la corriente 76 a través de la válvula 77 y como corriente 78 a la seg unda columna 1 1 1 de rectificación criogénica. El líq uido enriquecido con oxígeno restante se extrae del condensador superior 2 en la corriente 81 y se sub-enfría mediante paso a través del intercambiador de calor o sub-enfriador 5. El líquido enriquecido con oxígeno sub-enfriado resultante se pasa del sub-enfriador 5 en la corriente 82 a través de la válvula 83 y entonces como corriente 84 a la segunda columna 1 1 1 de rectificación criogénica la cual está operando a una presión menor que aquella de la primera columna 1 1 0 de rectificación criogénica ¡ generalmente dentro del rango desde 2.1 1 hasta 9. 15 kg/cm2 abs . Dentro de la columna 1 1 1 el fluido enriquecido con oxígeno provisto a esa columna se separa mediante rectificación criogénica en un fl uido más rico en nitrógeno y un fluido más rico en oxígeno El fluido más rico en nitrógeno se extrae de la porción superior de la columna 111 en la corriente de gas 188 y, si se desea, una porción 191 puede calentarse mediante paso a través de los intercambiadores de calor 5, 3 y 1 / recuperarse como gas nitrógeno producto en la corriente 194. Si se desea, la corriente 194 puede ser comprimida mediante paso a través del compresor 133, la corriente 176 resultante en el post-enfriador 134, y la corriente 177 resultante recuperarse como el gas nitrógeno producto Algo, o toda, la corriente 188 se pasa al condensador superior 6 como corriente 90 en donde se condensa para formar líquido más rico en nitrógeno el cual se extrae del condensador superior 6 en la corriente 195. Una porción 198 de la corriente 195 se recupera como nitrógeno líquido producto y otra porción 196 de la corriente 195 se pasa a la columna 111 como reflujo. Alternativamente, el fluido más rico en nitrógeno puede extraerse a partir de la columna 111 como líquido, una primera porción recuperarse como nitrógeno líquido producto, y una segunda porción bombearse y pasarse después a la porción superior de la columna 110 como reflujo. El fluido más rico en oxígeno se extrae de la porción inferior de la segunda columna 111 en la corriente líquida 199, pasarse a través de la válvula 100 y después como corriente 101 se pasa al condensadc superior 6 en donde se vaporiza mediante intercambio indirecto de cale con el vapor más rico en nitrógeno que se condensa, antes mencionadc El vapor más rico en oxígeno resultante se extrae del condensade superior 6 en la corriente 102, se calienta mediante paso a través de los intercambiadores de calor 5, 3 y 1 y se rem ueve del sistem a como corriente 1 78 de desecho. El fluido refrigerante de componentes m últiples contiene dos o más com ponentes con el fin de proporcionar la refrigeración requerida en cada temperatura . La selección óptima de componentes de refrigerante dependerá de la carga de refrigeración versus temperatura pa ra el sistema particular. Los componentes adecuados serán escog idos dependiendo de sus puntos de ebullición normales, calor latente, e inflamabilidad, toxicidad, y potencial de agotamiento de ozono. Una modalidad preferible del fluido refrigerante de com ponentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos dos componentes del g rupo que consiste de fluorocarbonos. hidrofluorocarbonos y fluoroéteres. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarbonos hidrofluorocarbonos y fluoroéteres, y por lo menos un gas atmosférico. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo m enos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarbonoe hidrofluorocarbonos y fluoroéteres, y por lo menos dos gases atmosféricos. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos un fluoroéter y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarbonos , h idrofluorocarbonos , fluoroéteres y g ases atmosféricos . En una modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste únicamente de fluorocarbonos. En otra moda lidao preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste únicamente de fluorocarbonos e hidrofluorocarbonos . En otra mod a l idaa preferida el fluido refrigerante de componentes m últiples consiste únicamente de fluorocarbonos y gases atmosféricos . En otra modalidao preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste únicamente de fluorocarbonos, hidrofluorocarbonos y fluoroéteres . En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes mú ltiples consiste únicamente de fluorocarbonos, fluoroéteres y gases atmosféricos. El fluido refrigerante de componentes m últiples útil en ia práctica de esta invención puede contener otros componentes tales como hidroclorofluoroca rbonos y/o hidrocarburos . De preferencia, el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidroclorofluorocarbonos. En otra modalidad preferida de la invención e. fluido refrigerante de componentes m últiples no contiene hidrocarburos Lo más preferible , el fluido refrigerante de componentes m últiple s no contiene hidroclorofluorocarbonos ni hidrocarburos. Lo más preferible, e fluido refrigerante de componentes m últiples es no tóxico , no inflam a ble ,. no agotador de ozono y lo más preferible cada componente del fluido refrigerante de componentes m últiples es cualq uiera un fluoroca rbonc hidrofluorocarbono , fluoroéter o gas atmosférico .
La invención es ventajosa particularmente para uso para alcanzar eficientemente temperaturas criogénicas a partir de temperaturas ambientales. Las Tablas 1-8 enlistan ejemplos preferidos de mezclas de fluidos refrigerantes de componentes múltiples útiles en la práctica ae esta invención. Los rangos de concentración dados en las Tablas están en por ciento en mol. TABLA 1 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF12 5-25 C F10 0-15 C3F8 10-40 C2F6 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 _N¿ 10-80 TABLA 2 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F 5-25 C F?o 0-15 C3F8 10-40 CHF3 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 10-80 TABLA 3 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 C3H2Fe 0-15 C2H2F4 0-20 C2HF3 5-20 CF4 10-50 Ar 0-40 , 10-80 TABLA 4 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CHF2-0-C2HF4 5-25 C H-?o 0-15 CF4 10-50 Ar 0-40 N, 10-80 TABLA 5 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 C3H2F8 0-15 CF3-O-C2F3 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N, 10-80 TABLA 6 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C2H C I F 3 5-25 C3HCIF4 0-15 C2HF5 10-40 C3F8 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N, 10-80 TABLA 7 COMPONENTE RANGO DE C ONCEN TRACION C3HCI2F3 5-25 C3HCIF4 0-15 CF3-0-C2F3 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N7 10-80 TABLA 8 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3HCI2F3 5-25 C2HCIF4 0-15 C2H2F 0-15 C2HF5 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N¿ 10-80 La invención es útil especialmente para proporcionar refrigeración en un amplio rango de temperaturas que abarca temperaturas criogénicas. En una modalidad preferida de la invención cada uno de los dos o más componentes de la mezcla refrigerante tiene un punto de ebullición normal el cua l difiere en por lo menos 5 grados Kelvin , más preferiblemente en por lo menos 1 0 grados Kelvin , y lo más preferible en por lo menos 20 grados Kelvin , a partir del punto de ebul lición norm al de cada otro com ponente en esa mezcla refrigera nte. Esto aumenta la efectividad para proporcionar refrigeración sobre un amplio rango de temperaturas el cual abarca temperaturas criogénicas. En una modalidao particularmente preferida de la invención , el punto de ebullición norma* del componente de ebullición más alta del fluido refrigerante de componentes múltiples es por lo menos de 50° K, de preferencia por lo menos 1 00° K, lo más preferible por lo menos 200° K, más que el punto de ebullición normal del componente de más bajo punto de ebullición del fluido refrigerante de componentes múltiples . Aunq ue los circuitos de flujo del fluido refrigerante de componentes múltiples ilustrados en los d ibujos son circu itos de flujo sencillo ae circuito cerrado, puede ser deseable utilizar otros arreglos de flujo . Pc ejemplo , puede ser deseable usar circuitos múltiples de flujo independiente, cada uno con su propia mezcla refrigerante y condiciones de proceso . Tales circuitos múltiples podrían proporcionar refrigeración más rápidamente en diferentes rangos de tem peratura y reducir la complejidad del sistema refrigerante. También , puede ser deseable incluir separaciones de fase en el circuito de flujo en una o más temperatu ras para permitir el reciclado interno de algo del l íqu ico refrigerante. Tal reciclado interno del l íq u ido refrigerante evitarla enfriamiento innecesario del l íquido refrigerante y evitaría ei congelam iento del l íquido refrigerante . De preferencia , la refrigeracic- generada por el circuito de refrigeración de com ponentes m últiples será toda la refrigeración requerida para operar el proceso y genera r los productos deseados . Sin embargo, también se puede usar refrigeración de otras fuentes , tales como turbo-expansión de una corriente de proceso , en la práctica de esta invención . Los componentes y sus concentraciones q ue constituyen el fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención son tales como para formar un fluido refrigerante de componentes m últiples de carga variable y de preferencia mantienen tal característica de carga variable en todo el rango entero de temperatura del método de la invención . Esto aumenta marcadamente la eficiencia con la cual puede generarse refrigeración y utilizarse sobre tal amplio rango de temperaturas. El grupo definido preferido de componentes tiene un beneficio agregado porque puede usarse para formar mezclas de fluidos las cuales son no tóxicas, no inflamables y no o poco reductoras de ozono . Esto proporciona ventajas adicionales sobre refrigerantes convencionales los cuales son típicamente tóxicos, infla mables y/o reductores de ozono. Un fluido refrigerante de componentes m últiples de carga variable preferido útil en la práctica de esta invención el cual es no tóxico , nc inflamable y no reductor de ozono comprende dos o más componentes del grupo que consiste de C5F1 2, CH F2-0-C2HF4, C4H F3, C3H3FS, C2F5-0-CH2F, C3H2F6, CH F2-0-CH F2, C4F1 0, CF3-0-C2H2F3, C3H F7, CH2F-0 -CF? C2H2F4, CHF2-0-CF3, C3F8, C2H F5, CF3-0-CF3, C2F6, CH F3, C F4. 02. Ar N2, Ne y He.
Otro fluido refrigerante de componentes m últiples de carga variable preferido útil en la práctica de esta invención el cua l es no tóxico, no inflama ble, no reductor de oxígeno y q ue tiene bajo potencial de calentam iento global comprende dos o más componentes del grupo que consiste de CHCI2F3, CHF2-0-C2HF4, C3H3F5, C2F5-0-CH2F, C3H2F= , CH F2-0-CHF2, CHCIF4, CF3-0-C2H2F3, C3HF , C H2F-0-CF3, C2H2F4, CH F2-0-CF3, C2HF5, CF3-0-CF3, CHF3, CF4, 02, Ar, N2, Ne y He. Aunque la invención ha sido descrita en detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas, aq uellos expertos en la técnica reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y el alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES 1. Un método para la producción de gas nitrógeno y nitrógeno líquido mediante la rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende: (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples. enfriar el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado, y calentar el fluido refrigerante de componentes múltiples expandido mediante intercambio indirecto de calor con dicho fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido que se enfría y también con aire de alimentación para producir aire de alimentación enfriado; (B) pasar el aire de alimentación enfriado a una columna de rectificación criogénica y separar el aire de alimentación mediante rectificación criogénica dentro de la columna de rectificación criogénica en vapor enriquecido con nitrógeno y líquido enriquecido con oxígeno; (C) recuperar una primera porción del vapor enriquecido con nitrógeno como gas nitrógeno producto; (D) condensar una segunda porción del vapor enriquecido con nitrógeno para producir líquido enriquecido con nitrógeno; y (E) recuperar por lo menos algo del líquido enriquecido con nitrógeno como nitrógeno líquido producto.
  2. 2. El método de la reivindicación 1 en donde la condensación de la segunda porción del vapor enriquecido con nitrógeno para producir l íq uido en riquecido con nitrógeno se lleva a cabo mediante intercam bio indirecto de calor con l íquido en riq uecido con oxígeno
  3. 3. El método de la reivind icación 1 q ue comprende además enfria' adicionalmente el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido antes de la expansión del fluido refrigerante de com ponentes m últiples.
  4. 4. El método de la reivind icación 3 en donde el enfriam iento adicional del fluido refrigerante de com ponentes m últiples se lleva a cabo mediante intercam bio indirecto de calor con l íquido enriquecido con oxígeno.
  5. 5. El método de la reivindicación 1 en donde cada componente de' fluido refrigerante de com ponentes múltiples es cualquiera un fluorocarbono, hidrofluorocarbono, fluoroéter o gas atmosférico.
  6. 6. El método de la reivindicación 1 en donde el l íquido enriq uecido con oxígeno se vaporiza parcialmente para producir una porción de vapor y una porción líq uida, la porción l íqu ida se vaporiza mediante intercambio indirecto de calor con la segunda porción del vapor enriquecido con nitrógeno para producir el líquido enriquecido con nitrógeno , y la porción de vapor se com prime y se pasa después a la columna de rectificación criogénica .
  7. 7. Un método para la producción de gas nitrógeno y nitrógeno líquido mediante la rectificación criogénica de aire de al imentación que comprende: (A) com primir un fluido refrigerante de com ponentes m últiples, enfriar el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado, y calentar el fluido refrigerante de componentes múltiples expandido mediante intercambio indirecto de calor con dicho fluido de componentes múltiples comprimido que se enfría y también con aire de alimentación para producir aire de alimentación enfriado; (B) pasar el aire de alimentación enfriado a una primera columna de rectificación criogénica y separar el aire de alimentación mediante rectificación criogénica dentro de la primera columna de rectificación criogénica en vapor enriquecido con nitrógeno y fluido enriquecido con oxígeno; (C) pasar el fluido enriquecido con oxígeno a una segunda columna de rectificación criogénica y separar el fluido enriquecido con oxígeno dentro de la segunda columna de rectificación criogénica mediante rectificación criogénica en fluido más rico en nitrógeno y fluido más rico en oxígeno; (D) recuperar por lo menos algo del fluido más rico en nitrógeno como nitrógeno líquido producto; y (E) recuperar por lo menos algo de por lo menos uno del vapor enriquecido con nitrógeno y fluido más rico en nitrógeno como gas nitrógeno producto.
  8. 8. El método de la reivindicación 7 en donde ambos, vapor enriquecido con nitrógeno y fluido más rico en nitrógeno se recuperan como gas nitrógeno producto.
  9. 9. El método de la reivindicación 7 en donde el fluido enriquecido con oxígeno se pasa a la segunda columna de rectificación criogénica tanto como un líquido y como un vapor.
  10. 10. El método de la reivindicación 7 en donde cada componente del fluido refrigerante de componentes múltiples es cualquiera un fluorocarbono, hidrofluorocarbono, fluoroéter o gas atmosférico.
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