MXPA99011686A - Sistema de rectificacion criogenica con generacion de refrigeracion hibrida - Google Patents

Abstract

Un sistema para generar refrigeración y proporcionar la refrigeración a una planta de rectificación criogénica en donde, además de la refrigeración generada por turbo-expansión, se genera refrigeración adicional para la planta recirculando refrigerante de componentes múltiples en un circuito de refrigeración.

Description

SISTEMA DE RECTIFICACIÓN CRIOGÉNICA CON GEN ERACIÓN DE REFRIGERACIÓN HÍBRIDA CAM PO TÉCN ICO Esta invención se refiere de manera general a rectificación criogénica y, más particularmente, a la provisión de refrigeración para una planta de rectificación criogénica para llevar a cabo la rectificación criogénica.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA La rectificación criogénica como tal, por ejemplo, la rectificación criogénica de aire de alimentación para producir oxígeno, nitrógeno y argón, requiere la provisión de refrigeración para la planta de rectificación criogénica. Típicamente cada refrigeración es proporcionada mediante la turbo-expansión de una corriente de proceso. La turbo-expansión es un paso de energía intensiva y es muy costoso especialmente cuando se requieren grandes cantidades de refrigeración tal como cuando se requieren uno o más productos líquidos. En el caso de separación criogénica de aire, cuando se desea el producto argón además de los productos nitrógeno y oxígeno, la turbo-expansión de aire de alimentación puede reducir la recuperación de argón. Consecuentemente, es un objetivo de la invención proporcionar un sistema para proporcionar refrigeración a una planta de rectificación criogénica en donde no toda la refrigeración requerida para operar la planta es generada mediante turbo-expansión de una corriente de proceso.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA I NVENCIÓN El anterior y otros objetivos, los cuales se harán aparentes para aquellos expertos en la técnica a la lectura de esta descripción, se obtienen mediante la presente invención, un aspecto de la cual es: un método para proporcionar refrigeración para una planta de rectificación criogénica que comprende: (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimidos para producir refrigeración y calentar el fluido refrigerante de componentes múltiples expandido mediante intercambio de calor indirecto con un fluido de proceso pasando con esto refrigeración del fluido refrigerante al fluido de proceso; (B) pasar refrigeración del fluido de proceso a la planta de rectificación criogénica; (C) turbo-expandir una corriente de fluido para generar refrigeración y pasar refrigeración de la corriente de fluido turbo-expandido a la planta de rectificación criogénica; y (D) usar la refrigeración generada por el fluido refrigerante de componentes múltiples y la refrigeración generada por la corriente de fluido turbo-expandido para producir por lo menos un producto mediante rectificación criogénica dentro de la planta de rectificación criogénica. Otro aspecto de esta invención es: Un aparato para proveer refrigeración a una planta de rectificación criogénica que comprende: (A) un circuito de refrigeración con fluido refrigerante de componentes múltiples que comprende un compresor, medios de expansión y un intercambiador de calor, y medios para pasar fluido refrigerante de componentes múltiples del compresor a los medios de expansión, de los medios de expansión al intercambiador de calor y del intercambiador de calor al compresor; (B) medios para pasar fluido de proceso a través del íntercambiador de calor y medios para pasar refrigeración del fluido de proceso a la planta de rectificación criogénica; (C) un turbo-expansor para generar refrigeración y medios para pasar refrigeración del turbo-expansor a la planta de rectificación criogénica; y (D) medios para recuperar producto de la planta de rectificación criogénica. Como se usa en la presente, el término "refrigeración" significa la capacidad para rechazar calor de una temperatura más baja a una temperatura más alta, típicamente desde una temperatura sub-ambiente a la temperatura ambiente circundante.

Como se usa en la presente, el término "planta de rectificación criogénica" significa una instalación para destilar de manera fraccionada una mezcla mediante rectificación criogénica, que comprende una o más columnas y la tubería, válvulas y equipo de intercambio de calor concomitantes a la misma. Como se usa en la presente, el término "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende principalmente oxígeno, nitrógeno y argón, tal como aire ambiental. Como se usa en la presente, el término "columna" significa una columna o zona de destilación a fraccionación , es decir, una columna o zona de contacto, en donde fases líquida 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 vapor y líquida en una serie de charolas o platos separados verticalmente montados dentro de la columna y/o sobre 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, editado por R. H . Perry y C. H . Chilton, McGraw-H ill Book Company, New York, Sección 1 3, El Proceso de Destilación Continua. El término "columna doble" se usa para dar a entender una columna de presión mayor que tiene su porción superior en relación de intercambio de calor con la porción inferior de una columna de presión inferior. Una discusión adicional de columnas dobles aparece en "La Separación de Gases" de Ruheman , Oxford University Press, 1949, capítulo Vi l , Separación Comercial de Aire.

Los procesos de separación por contacto de vapor y líquido dependen de la diferencia de presiones de vapor de los componentes. El componente de presión de vapor alta (o más volátil o baja ebullición) tenderá a concentrarse en la fase vapor, mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o alta ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La destilación es el proceso de separación por el cual puede usarse calentamiento de una mezcla de líquidos para concentrar el (los) componente(s) más volátil(es) en la fase vapor y por esto el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación por el cual puede usarse el enfriamiento de una mezcla de vapores para concentrar el (los) componente(s) más volátil(es) en la fase vapor y por esto el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina sucesivamente vaporizaciones y condensaciones parciales como obtenidas por un tratamiento a contracorriente de las fases vapor y líquida. El contacto a contracorriente de las fases vapor y líquida puede ser adiabático o no adiabático y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Los arreglos del proceso de separación que utiliza los principios de rectificación para separar mezclas son con frecuencia denominados intercambiablemente columnas de rectificación, columnas de destilación , o columnas de fraccionación. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación llevado a cabo por lo menos en parte a temperaturas de o por debajo de 150 grados Kelvin (K).

Como se usa en la presente, el término "intercambio de calor indirecto" significa llevar las dos corrientes de fluido a relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o intermezclado de los fluidos entre ellos. Como se usa en la presente, los términos "turbo-expansión" y "turbo-expansor" significan método y aparato respectivamente para el flujo de fluido a alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del fluido con lo que genera refrigeración . Como se usa en la presente, el término "expansión" significa efectuar una reducción en presión. Como se usa en la presente, el término "refrigerante de carga variable" significa una mezcla de dos o más componentes en proporciones tales que la fase líquida de esos componentes sufre un cambio de temperatura continuo y creciente 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. 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 extracción de calor iniciará la formación de una fase líquida en equilibrio con la fase vapor. De aquí 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, las diferencias de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío para el refrigerante de carga variable es por lo menos de 10° K, de preferencia por lo menos de 20° K y más preferiblemente de por lo menos 50° K. Como se usa en la presente, el término "fluorocarburo" significa uno de los siguientes: tetrafluorometano (CF4), perfluoroetano (C2F6), perfluoropropano (C3F8), perfluorobutano (C F?0), perfluoropentano (C5F12), perfluoroeteno (C2F ), perfluoropropeno (C3F6), perfluorobuteno (C F8), perfluoropenteno (CsF10), hexafluorociclopropano (c¡clo-C3F6), y octafluorociclobutano (ciclo-C4Fs). Como se usa en la presente, el término "hidrofluorocarburo" significa uno de los siguientes: fluoroformo (CH F3), pentafluoroetano (C2H FS), tetrafluoroetano (C2H2F4), heptafluoropropano (C3H F7), hexafluoropropano (C3H2F6), pentafluoropropano (C3H3F5), tetrafluoropropano (C3H4F4), nonafluorobutano (C4H F9), octafluorobutano (C4H2F8), undecafluoropentano (CsH Fn), fluoruro de metilo (CH3F), difluorometano (CH2F2), fluoruro de etilo (C2H5F), difluoroetano (C2H4F2), trifluoroetano (C2H3F3), difluoroeteno (C2H2F2), trifluoroeteno (C2H F3), fluoroeteno (C2H3F) , pentafluoropropeno (C3HF5), tetrafluoropropeno (C3H2F ), trifluoropropeno (C3H3F3), difluoropropeno (C3H F2), heptafluorobuteno (C HF7), hexafluorobuteno (C4H2F6), y nonafluoropenteno (C5H F9). Como se usa en la presente, el término "fluoroéter" significa uno de los siguientes: trifluorometoxi-perfluorometano (CF3-O-CF3), difluorometoxi-perfluorometano (CH F2-O-CF3), fluorometoxi-perfluorometano (CH2F-O-CF3), difluorometoxi-difluorometano (CHF2-O- CH F2), difluorometoxi-perfluoroetano (CHF2-O-C2F5), difluorometoxi-1 ,2,2,2-tetrafluoroetano (CH F2-O-C2H F4), dif luorometoxi-1 , 1 ,2,2-tetrafluoroetano (CHF2-O-C2H F ), perfluoroetoxi-fluorometano (C2Fs-O-CH2F), perfluorometoxi-1 , 1 ,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), perfluorometoxi-1 ,2,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), ciclo- 1 , 1 ,2,2-tetraf luoropropiléter (ciclo-C3H2F -O-) , cid o- 1 , 1 ,3, 3-tetraf luoropropiléter (cic!o-C3H2F4-O-), perfluorometoxi-1 , 1 ,2,2-tetrafluoroetano (CF3-O-C2H F ) , ciclo- 1 , 1 ,2 ,3,3-pentafluoropropiléter (ciclo-C3Hs-O-), perfluorometoxi-perfluoroacetona (CF3-O-CF2-O-CF3), perf luorometoxiperfluoroetano (CF3-O-C2F5), perfluorometoxi-1 ,2,2,2-tetrafluoroetano (CF3-O-C2HF4), perfluorometoxi-2, 2, 2-trif luoroetano (CF3-O-C2H2F3), ciclo-perfluorometoxi-perfluoroacetona (ciclo-CF2-O-CF2-O-CF2-), y ciclo-perfluoropropiléter (ciclo-C3F6-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 (CO2), oxígeno (O2), y helio (He). Como se usa en la presente, el término "no tóxico" significa no plantear un peligro agudo o crónico cuando se maneja de acuerdo con limites de exposición aceptables. Como se usa en la presente, el término "no inflamable" significa que o no tiene punto de flasheo o un punto de 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 reductor de ozono menor que 0.15 como lo define la convención del Protocolo de Montreal en donde el diclorofluorometano (CCI2F2) tiene un potencial reductor de ozono de 1 .0. Como se usa en la presente, el término "no reductor de ozono" significa que no tiene componente que contenga un átomo de cloro, bromo o yodo. Como se usa en la presente, el término "punto de ebullición normal" significa la temperatura de ebullición a una presión de una atmósfera estándar, es decir, 1.034 kilogramos por centímetro cuadrado absolutos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DI BUJOS La Figura 1 es una representación esquemática de una modalidad preferida de la invención en donde el circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples sirve para enfriar la alimentación del turbo-expansor. La Figura 2 es una representación más detallada del circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples empleado en la modalidad ilustrada en la Figura 1 . La Figura 3 es una representación esquemática de otra modalidad preferida de la invención en donde el intercambiador de calor del circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples es el intercambiador de calor principal de la planta de rectificación criogénica. Los numerales en los Dibujos son los mismos para los elementos comunes.

DESCRI PCIÓN DETALLADA La invención será descrita en detalle con referencia a los Dibujos.

En la Figura 1 se ilustra una planta criogénica de separación de aire que tiene tres columnas que incluyen una columna doble que tiene columnas de presión más alta y más baja y una columna de brazo lateral de argón. Haciendo referencia ahora a la Figura 1 , aire de alimentación 60 es comprimido mediante paso a través del compresor 30 de carga de base a una presión generalmente dentro del rango desde 2.46 hasta 18 kilogramos por centímetro cuadrado absolutos (kcca). El aire de alimentación comprimido 61 resultante se enfría del calor de compresión en un post-enfriador (no mostrado) y es limpiado entonces de impurezas de ebullición elevada tales como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos por paso a través del purificador 50 y después la corriente 62 de aire de alimentación purificado se divide en tres porciones designadas 65, 63 y 72. La porción 65, que comprende generalmente desde 20 hasta 35 por ciento de la corriente 62 de aire de alimentación, se comprime además por paso a través del compresor 31 de refuerzo a una presión que puede ser hasta de 70.37 kcca, y la corriente 66 de aire de alimentación comprimida adicionalmente resultante se enfría del calor de compresión en un post-enfriador (no mostrado) y es enfriada y de preferencia por lo menos parcialmente condensada mediante intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno en el intercambiador de calor principal o primario 1 . La corriente 67 de aire de alimentación enfriada resultante se divide entonces en la corriente 68 la cual se pasa a través de la válvula 120 y a la columna 10 de presión mayor y en la corriente 69 la cual se pasa a través de la válvula 70 y como la corriente 71 a la columna 1 1 de presión menor. Otra porción 72, que comprende desde aproximadamente 1 hasta 20 por ciento de la corriente 62 de aire de alimentación, es comprimida a una presión que puede ser de hasta 21.1 1 kcca por paso a través del compresor 32, y la corriente 73 comprimida resultante es enfriada del calor de compresión por paso a través del post-enfriador 8. La corriente 74 de aire de alimentación resultante se pasa entonces a través del intercambiador de calor 5 del circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples en donde es enfriada mediante transferencia de refrigeración del fluido refrigerante de componentes múltiples recirculante como será descrito más completamente más adelante. La corriente 75 de aire de alimentación enfriada resultante, la cual en esta modalidad es el fluido de proceso que recibe refrigeración del fluido refrigerante de componentes múltiples, es turbo-expandida mediante paso a través del turbo-expansor 33 para generar refrigeración adicional, y la corriente 76 turbo-expandida resultante es pasada del turbo-expansor 33 a la columna 1 1 de presión menor. De esta manera la refrigeración generada por el circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples y la refrigeración generada mediante la turbo-expansión se pasa a la planta de rectificación criogénica con el paso de la corriente 76 a la columna 1 1 . La porción 63 restante de la corriente 62 de aire de alimentación es enfriada mediante el paso a través del intercambiador de calor principal 1 mediante intercambio de calor indirecto con las corrientes de retorno y se pasa como corriente 64 a la columna 10 de presión mayor la cual está operando a una presión generalmente dentro del rango de 2.46 a 18 kcca. Dentro de la columna 10 de presión mayor el aire de alimentación es separado mediante rectificación criogénica en vapor enriquecido en nitrógeno y líquido enriquecido en oxígeno. El vapor enriquecido en nitrógeno es retirado a partir de la porción superior de la columna 10 de presión mayor en la corriente 77 y condensada en el recalentador hervidor 2 mediante intercambio de calor indirecto con líquido hirviendo de la columna de presión menor. El líquido 78 enriquecido en nitrógeno resultante es regresado a la columna 10 como reflujo. Una porción del líquido 79 enriquecido en nitrógeno es pasado de la columna 10 al desupercalentador 6 en donde es sub-enfriada para formar la corriente 80 sub-enfriada. Si se desea, una porción 81 de la corriente 80 puede ser recuperada como producto nitrógeno líquido que tiene una concentración de nitrógeno de por lo menos 99 por ciento en mol. El remanente de la corriente 80 se pasa en la corriente 82 a ia porción superior de ia columna 1 1 como reflujo. El líquido enriquecido en oxígeno se retira de la porción inferior de la columna 10 de presión mayor en la corriente 83 y se pasa al desupercalentador 7 en donde es sub-enfriada. El líquido 84 enriquecido en oxígeno sub-enfriado resultante se divide entonces en la porción 85 y la porción 88. La porción 85 se pasa a través de la válvula 86 y como corriente 87 a la columna 1 1 de presión menor. La porción 88 se pasa a través de la válvula 95 y al condensador 3 de ia columna de argón en donde es evaporada parcialmente. El vapor resultante es retirado del condensador 3 en la corriente 94 y se pasa como corriente 96 a la columna 1 1 de presión menor. El líquido enriquecido en oxígeno remanente es retirado del condensador 3 en la corriente 93, combinado con la corriente 94 para formar la corriente 96 y se pasa entonces a la columna 1 1 de presión menor. La columna 1 1 de presión menor es operada a una presión menor que la de la columna 10 de presión mayor y dentro generalmente del rango desde 1 .05 hasta 7.03 kcca. Dentro de la columna 1 1 de presión menor se separan las varias alimentaciones mediante rectificación criogénica en vapor rico en nitrógeno y líquido rico en oxígeno. El vapor rico en nitrógeno se retira de la porción superior de la columna 1 1 en la corriente 101 , se calienta mediante paso a través de los intercambiadores de calor 6, 7 y 1 , y se recuperan como nitrógeno producto en la corriente 104 que tiene una concentración de nitrógeno de por lo menos 99 por ciento en mol. Para propósitos de control de pureza del producto se extrae una corriente 97 de desperdicio de la columna 1 1 desde un nivel por abajo del punto de extracción de la corriente 101 , se calienta por paso a través de los intercambiadores de calor 6, 7 y 1 , y se remueve del sistema en la corriente 100. El líquido rico en oxígeno es extraído de la porción inferior de la columna 1 1 en la corriente 105 que tiene una concentración de oxígeno dentro generalmente del rango desde 70 hasta 99.9 por ciento en mol y de preferencia dentro del rango desde 95 hasta 99.5 por ciento en mol. Si se desea, se puede recuperar una porción 106 de la corriente 105 como producto de oxígeno líquido. La porción 107 restante de la corriente 105 se bombea a una presión mayor mediante paso a través de la bomba 35 para líquido y la corriente 108 presurizada se evapora en el intercambiador de calor principal 1 y se recupera como gas 1 09 de producto oxígeno a presión elevada. El fluido que comprende oxígeno y argón es pasado en ia corriente 1 10 de la columna 1 1 de presión menor a la columna 12 de argón en donde es separado mediante rectificación criogénica en fluido más rico en argón y fluido más rico en oxígeno. El fluido más rico en oxígeno es pasado de la porción inferior de la columna 12 en la corriente 1 1 1 a la columna 1 1 de presión menor. El fluido más rico en argón se pasa de la porción superior de la columna 12 en la corriente 89 de vapor al condensador 3 de la columna de argón en donde se condensa por intercambio de calor indirecto con el líquido enriquecido en oxígeno sub-enfriado evaporado parcialmente antes mencionado. El líquido más rico en argón resultante es extraído del condensador 3 en la corriente 90. Una porción 91 se pasa a la columna 12 de argón como reflujo y otra porción 92 se recupera como producto argón que tiene una concentración de argón generalmente dentro del rango desde 95 hasta 99.999 por ciento en mol. El fluido refrigerante de componentes múltiples en la corriente 201 es comprimido mediante paso a través del compresor 34 de reciclado a una presión dentro generalmente del rango desde 4.22 hasta 42.22 kcca para producir el fluido refrigerante 202 comprimido. El fluido refrigerante comprimido es enfriado del calor de compresión mediante paso a través del post-enfriador 4 enfriado con agua y puede ser condensado parcialmente. El fluido refrigerante de componentes múltiples en la corriente 203 es enfriado adicionalmente entonces mediante paso a través del intercambiador de calor 5 del circuito de refrigeración en donde es enfriado adicionalmente y condensado parcial o completamente. El fluido refrigerante 204 de componentes múltiples comprimido, enfriado es expandido o estrangulado entonces a través de la válvula 205 u opcionalmente expandido a través de una turbina de expansión. El estrangulamiento evapora parcialmente de preferencia el fluido refrigerante de componentes múltiples, enfriando el fluido y generando refrigeración. Bajo algunas circunstancias limitadas, dependientes de las condiciones del intercambiador de calor, el fluido comprimido 204 puede ser líquido sub-enfriado antes de la expansión, y puede permanecer como líquido siguiendo a la expansión inicial. Subsecuentemente, por calentamiento en el intercambiador de calor, el fluido podría contener dos fases. La corriente 206 de fluido refrigerante de dos fases de componentes múltiples que soporta la refrigeración, que tiene una temperatura dentro generalmente del rango desde 125 hasta 225° K, de preferencia 150 a 175° K se pasa entonces a través del intercambiador de calor 5 en donde es calentado y evaporado completamente sirviendo así mediante intercambio de calor indirecto para enfriar la corriente 203 y también para transferir refrigeración a la corriente 74 de aire de alimentación para producir la corriente 75 de aire de alimentación enfriada. La corriente 75 se pasa finalmente a la columna 1 1 pasando así la refrigeración generada por el circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples a la planta de rectificación criogénica. El fluido refrigerante de componentes múltiples calentado resultante en la corriente 201 de vapor es reciclado entonces al compresor 34 y el ciclo de refrigeración comienza otra vez. La expansión por presión de un fluido a través de una válvula proporciona refrigeración mediante el efecto de Joule-Thomson, es decir, bajando la temperatura del fluido debido a la reducción de presión a entalpia constante. Sin embargo, bajo algunas circunstancias la expansión de fluido podría ocurrir utilizando una turbina de expansión de líquido o de dos fases para que la temperatura del fluido fuera disminuida adicionalmente debido a la extracción de trabajo por la turbina. Generalmente, para refrigerantes de componentes múltiples, el enfriamiento agregado debido a la expansión por turbina del líquido o de dos fases podría ser relativamente bajo comparado con el enfriamiento asociado con la expansión por válvula. Sin embargo, para expansión de gas en una turbina, tal como la turbo-expansión de aire de alimentación en el turbo-expansor 33, el enfriamiento de fluido asociado con la extracción de trabajo es considerablemente mayor del que estaría disponible mediante una expansión por válvula de la corriente de gas. La diferencia clave es que siguiendo a la expansión por presión del fluido refrigerante de componentes múltiples, hay disponible cantidades variables de refrigeración conforme el fluido es recalentado, mientras que para la corriente de gas que es turbo-expandida hay disponible una cantidad uniforme de refrigeración conforme el gas es recalentado. Así la combinación del refrigerante de componentes múltiples y la corriente turbo-expandida puede proveer refrigeración de proceso como se necesite sobre un amplio rango de temperatura. El resultado es una igualación estrecha de refrigeración requerida y suministrada sobre un amplio rango de temperatura dentro del proceso que resulta en requerimientos menores de energía del sistema para la provisión de la refrigeración requerida total. El fluido refrigerante de componentes múltiples contiene dos o más componentes con el fin de proporcionar la refrigeración requerida en cada temperatura. La selección de componentes refrigerantes dependerá de la carga de refrigeración versus temperatura para la aplicación del proceso en particular. Componentes adecuados serán seleccionados dependiendo de sus puntos de ebullición normales, calor latente, e inflamabilidad, toxicidad, y potencial de reducción de ozono. Una modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, 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 fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres, y por lo menos un gas atmosférico. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta ¡nvención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos 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 fluorocarburos, hidrofluorocarburos, fluoroéteres y gases atmosféricos. En una modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste únicamente de fluorocarburos. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos e hidrofluorocarburos. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos y gases atmosféricos. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos, fluoroéteres y gases atmosféricos.

El fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención puede contener otros componentes tales como hidroclorofluorocarburos y/o hidrocarburos. De preferencia el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidroclorofluorocarburos. En otra modalidad preferida de la invención el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidrocarburos. Lo más preferible, el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidroclorofluorocarburos ni hidrocarburos. Lo más preferible, el fluido refrigerante de componentes múltiples es no tóxico, no inflamable y no reductor de ozono y lo más preferible, cada componente del fluido refrigerante de componentes múltiples es cualquiera un fluorocarburo, hidrofluorocarburo, fluoroéter o gas atmosférico. La invención es particularmente ventajosa para uso en lograr eficientemente temperaturas criogénicas a partir de temperaturas ambientales. Las Tablas 1 -5 enlistan ejemplos preferidos de mezclas de fluidos refrigerantes de componentes múltiples útiles en la práctica de esta invención. Los rangos de concentración dados en las Tablas están en por ciento en mol.

TABLA 1 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF?2 5-25 C4F? o 0- 15 C2F6 0-30 C F4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 2 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3Fs 5-25 C4F?o 0-15 C3F8 10-40 CHF3 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 3 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3FS 5-25 15 C2H2F4 0-20 C2HF5 5-20 CF4 10-50 Ar 0-40 20 N2 10-80 TABLA 4 COMPON ENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CHF2-O-C2H F4 5-25 25 C H-?o 0-15 CF3-O-CH F2 10-40 CF3-O-CF3 0-20 CF4 10-50 30 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 5 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 CF3-O-CHF2 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N2 10-80 La Figura 3 ilustra otra modalidad preferida de la invención. Los numerales en la Figura 3 son los mismos que los de la Figura 1 para los elementos comunes los cuales no serán descritos en detalle otra vez. La modalidad ilustrada en la Figura 3 difiere de la ilustrada de la Figura 1 solamente porque no hay intercambiador de calor separado para el circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples. En su lugar, el intercambiador de calor principal se usa como el intercambiador de calor para el circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples. En la modalidad ilustrada en la Figura 3 la corriente 74 de aire de alimentación comprimido se pasa a través del intercambiador de calor principal 1 en lugar de a través de un intercambiador de calor separado, y ahí es enfriado y recoge refrigeración mediante intercambio de calor indirecto con la corriente 206 de fluido refrigerante de componentes múltiples que soportan la refrigeración la cual pasa también a través del intercambiador de calor principal 1 en lugar de a través de un intercambiador de calor separado.

Debe notarse que la inclusión del circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples y la turbo-expansión pueden ser en cualesquiera niveles de temperatura dentro del intercambiador de calor. Por ejemplo, el refrigerante de componentes múltiples puede proveer refrigeración en niveles de temperatura mayores mientras que la turbo-expansión puede proveer refrigeración en niveles menores de temperatura. Para algunas aplicaciones de proceso dependientes de la refrigeración requerida versus patrón de temperatura, puede ser que la turbo-expansión es usada para proporcionar refrigeración a nivel de temperatura menor. Puede ser aún que algunas aplicaciones de proceso requerirían los dos métodos refrigerantes para proporcionar refrigeración para rangos traslapantes de temperatura. Además, debe ser notado que varias corrientes de proceso dentro del proceso de separación pueden ser turbo-expandidas para proporcionar refrigeración al proceso. Las corrientes de proceso adecuadas pueden incluir una corriente de alimentación, corrientes de producto o . desperdicio, o corrientes intermedias de proceso. Para separación criogénica de aire, las corrientes de proceso adecuadas podrían incluir aire de alimentación, oxígeno o nitrógeno producto, nitrógeno de desperdicio, o vapor de columna de presión mayor. Aunque la invención es ¡lustrada utilizando un circuito de flujo sencillo de anillo cerrado, algunas circunstancias pueden requerir varias variaciones de flujo para el circuito de refrigerante. Dependiendo de los requerimientos del proceso de refrigeración, puede ser deseable usar unidades múltiples de flujo independiente, cada una con mezclas refrigerantes diferentes. También puede ser que un circuito de flujo dado pudiera utilizar separaciones de fase en una o más temperaturas para permitir el reciclado interno de líquidos refrigerantes y evitar enfriamiento indeseable y posible congelamiento de esos líquidos. Finalmente, puede ser deseable incluir la turbo-expansión del fluido refrigerante gaseoso como otro medio para generar refrigeración adicional. La selección específica de condiciones de proceso y mezclas de circuito de flujo refrigerante, es decir, compuestos de mezcla, composiciones y niveles de presión dependerán de la aplicación específica del proceso y sus requerimientos asociados de refrigeración.

La invención es útil especialmente para proporcionar refrigeración sobre un amplio rango de temperatura, particularmente uno que abarque 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 cual difiere en por lo menos 5 grados Kelvin, más preferiblemente por lo menos 10 grados Kelvin , y lo más preferible por lo menos 20 grados Kelvin, del punto de ebullición normal de cada otro componente en esa mezcla refrigerante. Esto aumenta la efectividad para proporcionar refrigeración sobre un amplio rango de temperatura, particularmente uno que abarque temperaturas criogénicas. En una modalidad particularmente preferida de la invención, el punto de ebullición normal del componente de ebullición más alto del fluido refrigerante de componentes múltiples es por lo menos 50° K, de preferencia por lo menos 100° K, lo más preferiblemente por lo menos 200° K, mayor que el punto de ebullición normal del componente de ebullición más bajo del fluido refrigerante de componentes múltiples. Los componentes y sus concentraciones que hacen el fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención son tales que forman un fluido refrigerante de componentes múltiples de carga variable y mantienen de preferencia tal característica de carga variable en todo el rango de temperatura del método de la invención. Esto aumenta marcadamente la eficiencia con la cual puede ser generada la refrigeración y utilizada sobre tal rango amplio de temperatura. El grupo definido preferido de componentes tiene un beneficio agregado porque pueden ser usados para formar mezclas de fluido que son no tóxicas, no inflamables y poco o no reductoras de ozono. Esto proporciona ventajas adicionales sobre refrigerantes convencionales los cuales son típicamente tóxicos, inflamables y/o reductores de ozono. Un fluido refrigerante de componentes múltiples de carga variable preferido útil en la práctica de esta invención el cual es no tóxico, no inflamable y no reductor de ozono comprende dos o más componentes del grupo que consiste de CSF12, CH F2-O-C2H F4, C4H F9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CH F2, C4F?0, CF3-O-C2H2F3, C3H F7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CH F2-O-CF3, C3F8, C2H F5, CF3-O-CF3, C2F6, CH F3, CF4, O2, Ar, N2, Ne y He. Ahora con la práctica de esta invención uno puede proporcionar efectivamente refrigeración aumentada a una planta de rectificación criogénica. Aunque la invención ha sido descrita en detalle con referencia a ciertas modalidades particularmente preferidas, aquellos expertos en la técnica reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y el alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo, la corriente de proceso que recibe refrigeración del circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples no necesita ser aire de alimentación, y además, no necesita ser pasado físicamente a una columna de la planta de rectificación criogénica. La invención puede ser practicada en conjunto con sistemas criogénicos de separación de aire diferentes a los ilustrados en los dibujos, y puede ser practicada en conjunto con otras plantas de rectificación criogénica tales como sistemas para mejoramiento de gas natural , recuperación de hidrógeno a partir de syngas crudo, y producción de dióxido de carbono.

Claims (10)

1. REIVI N DICACION ES 1. un método para proporcionar refrigeración para una planta de rectificación criogénica que comprende: (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido para producir refrigeración y calentar el fluido refrigerante de componentes múltiples expandido mediante intercambio de calor indirecto con un fluido de proceso por lo que se pasa refrigeración del fluido refrigerante al fluido de proceso; (B) pasar refrigeración del fluido de proceso a la planta de rectificación criogénica; (C) turbo-expandir una corriente de fluido para generar refrigeración y pasar refrigeración de la corriente de fluido turbo-expandido a la planta de rectificación criogénica; y (D) usar la refrigeración generada por el fluido refrigerante de componentes múltiples expandido y la refrigeración generada por la corriente de fluido turbo-expandida para producir por lo menos un producto mediante rectificación criogénica dentro de la planta de rectificación criogénica.
2. 2. El método de la reivindicación 1 , en donde la refrigeración del fluido de proceso se pasa a la planta de rectificación criogénica pasando el fluido de proceso a una columna de la planta de rectificación criogénica.
3. 3. El método de la reivindicación 1 , en donde la refrigeración de la corriente de fluido turbo-expandido se pasa a la planta de rectificación criogénica pasando la corriente de fluido turbo-expandida a una columna de la planta de rectificación criogénica.
4. 4. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido de proceso es una corriente de aire de alimentación y en donde dicha corriente de aire de alimentación es turbo-expandida para convertirse en la corriente de fluido turbo-expandida y es pasada subsecuentemente a una columna de la planta de rectificación criogénica.
5. 5. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido refrigerante de componentes múltiples comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres.
6. 6. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido refrigerante de componentes múltiples comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres y por lo menos un gas atmosférico.
7. 7. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido refrigerante de componentes múltiples comprende por lo menos un fluoroéter y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, fluoroéteres y gases atmosféricos.
8. 8. El método de la reivindicación 1 , en donde el punto de ebullición normal del componente de ebullición más alta del fluido refrigerante de componentes múltiples es por lo menos 50° K mayor que el punto de ebullición normal del componente de ebullición más baja del fluido refrigerante de componentes múltiples.
9. 9. Un aparato para proporcionar refrigeración a una planta de rectificación criogénica que comprende: (A) un circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples que comprende un compresor, medios de expansión y un intercambiador de calor, y medios para pasar fluido refrigerante de componentes múltiples del compresor a los medios de expansión, de los medios de expansión al intercambiador de calor y del intercambiador de calor al compresor; (B) medios para pasar fluido de proceso a través del intercambiador de calor y medios para pasar refrigeración del fluido de proceso a una planta de rectificación criogénica; (C) un turbo-expansor para generar refrigeración y medios para pasar refrigeración del turbo-expansor a la planta de rectificación criogénica; y (D) medios para recuperar producto de la planta de rectificación criogénica.
10. 10. El aparato de la reivindicación 9 que comprende un intercambiador de calor principal a través del cual se pasa alimentación para la planta de rectificación criogénica, en donde el intercambiador de calor del circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples se dice intercambiador de calor principal. RESUM EN Un sistema para generar refrigeración y proporcionar la refrigeración a una planta de rectificación criogénica en donde, además de la refrigeración generada por turbo-expansión , se genera refrigeración adicional para la planta recirculando refrigerante de componentes múltiples en un circuito de refrigeración.