WO2017105188A1 - Unidad de separación por condensación fraccionada utilizando un separador flash y un dispositivo de crioenfriamiento - Google Patents

Unidad de separación por condensación fraccionada utilizando un separador flash y un dispositivo de crioenfriamiento Download PDF

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Definitions

  • the invention falls within the field of the production of gases such as, N2 and O2, specifically in the separation of air by liquefaction more particularly, it relates to an apparatus and a method for extracting oxygen from ambient air.
  • Tai oxygen is conventionally supplied to a patient from a high pressure compressed oxygen tank.
  • the oxygen is introduced into the tank through a large-scale commercial operation that separates the oxygen from the air, compresses the oxygen and fills the tanks.
  • the tanks are then distributed through a distribution system to individual patients. When the tanks are emptied, they are returned refilled.
  • Prior art methods of oxygen separation include the use of a turboexpansor and liquefaction in contact with ambient air against a sufficiently cold surface that one or more components in the air condense. Often, the air components are liquefied and separated for sale as individual gases, although liquid nitrogen has also been used to condense oxygen into the air.
  • Liquefaction in the prior art typically spends significant cooling energy to carry out the liquefaction. After carrying out the liquefaction, the remaining energy is lost, since it was carried in the separate components and / or lost in a compression operation.
  • conventional oxygen separation and distribution systems have been of great benefit to patients who need oxygen, it has several disadvantages that add to the cost of oxygen and make transporting the oxygen source difficult. Compression of the incoming air at which at least 1 bar is required above atmospheric pressure by prior art systems to carry out the conventional separation and movement of fluids through the system.
  • the recovered oxygen must also be highly compressed so that the total mass of oxygen contained in the tanks is large enough to distribute the cost of transport for heavy tanks over a larger mass of oxygen and, therefore, reduce the cost per unit of transport and distribution.
  • the invention W01996030297 A1 describes a process comprising the steps of: a) contacting an oxygen-containing gas with a gas diffusion cathode which does not contain hydrogen peroxide decomposition catalyst, b) providing a difference of potential between the cathode and an anode, so that the oxygen is converted to peroxide in the cathode, the peroxide is diffused through an aqueous electrolyte to the anode, and the peroxide is converted to pure oxygen in the anode.
  • It consists of a new method capable of separating oxygen by means of a bielectronic procedure.
  • the equipment comprises a single compartment electrolytic cell with at least one cathode and an anode, an inlet through the cathode of a mixture of gases containing oxygen and an outlet of the pure oxygen produced in the cell.
  • the US invention. 1800353 A refers to the separation of air into oxygen and nitrogen by air liquefaction and separation of the devices with various air separation operations adapted to simultaneously produce oxygen and pure nitrogen.
  • US Pat. 1785491 A describes the method of obtaining oxygen by the separation of air into oxygen and nitrogen, said oxygen is transported in a liquid or gaseous form from the collection vessel of the separation apparatus 5 directly-in a heat exchanger countercurrent in which The oxygen liquid evaporated, and cooled until the incoming compressed air cooled.
  • cryogenic refrigeration systems have a classification that are two different types from the point of view of operating gas flow patterns.
  • the type of circulating flow composed of a turbo-expander or a reciprocating motion valve at low temperature with a counterflow flow heat exchanger, while the oscillating type flow consists of at least one expander-valve and one regenerator.
  • the compact system can be manufactured, using the latter type.
  • many small-scale cryogenic refrigeration systems are based on the type of oscillating flow that is applied in a wide range of fields.
  • the pulse cooling tube has been considered as one of the oscillating flow type, it has potential that replaces the other type of coolers such as Stirling, GM, Solvay and the Vuillemier cycle.
  • one of the difficulties in developing the refrigerator pulse tube is its systematic design; the interactions of the compound components are complicated and it is difficult to apply thermodynamic analyzes.
  • cryogenic air separation the cryogenic air separation system in gaseous nitrogen from a high pressure column and liquid oxygen from a low pressure column, each phase flowing in flow descending by the main heat exchanger; where the boiling of oxygen is avoided to prevent dryness inside the heat exchanger.
  • the main advantage of our invention is that it combines the cooling effects produced by the expansion of gases in an expansion chamber that functions as a flash condenser, with the effects of a cryocooler, whose cold focus is arranged in a heat exchanger located under the expansion chamber
  • FIG. 1 Shows a flow diagram of the air separation process; Composed of a filtering system for the supply air, a series of isothermal compressors where the outgoing air flow enters the heat exchanger that separates the main air pollutants. This air flow is cooled against the current by the nitrogen gas stream. and oxygen leaving the cryogenic container; the outflow of the heat exchanger enters the cryogenic container where it expands through the flash separator inside the gas pressurization chamber, the air is partially or totally counted.
  • the non-condensed air falls on the finned cold focus of the cryocooler, said gas condensate, a liquid-gas separator is placed in the lower part of the cryogenic container where the liquid obtained It is rich in oxygen and is sent to the heat exchanger.
  • the output current of the cryogenic container is that of gaseous nitrogen that is used as a refrigerant gas that enters the heat exchanger.
  • the schematic diagram of the invention illustrates the basic principles of operation.
  • the invention separates oxygen from the air in a process that operates at a pressure greater than atmospheric pressure, by the use of an isothermal compression system.
  • the supply air 1 is subjected to a filtering system 2; Where the filter traps the solid particles transported in the air, the cleaning of the supply air is necessary to avoid breakdowns in the equipment used in during the process of separation of the air components (oxygen and nitrogen).
  • the feed air stream enters the isothermal compressor 3, where the air is compressed in an isothermal and adiabatic manner where the air is cooled as pressure builds.
  • the air stream is introduced to the multi-current heat exchanger 13 of plates and fins type, where the air is stripped of the presence of water 4, since its condensation temperature is reached inside the heat exchanger by the currents of refrigerant gases for this case in particular nitrogen gas 6 and oxygen 14.
  • the condensation of CO, C02 and NH3 5 is also achieved.
  • the gas enters the cryogenic container 10 by means of a series of expansion devices 8 inside a pressurization chamber 7 for the gas.
  • the expansion devices are valves and / or flash separators, where, due to Joule-Thompson, the gas is partially or totally counted, the gas that is not condensed comes into contact with the cold spot of the cryogenic chiller 9; with these fins placed in the cold spot the area of contact to achieve a greater volume of condensed air.
  • the oxygen-rich condensate falls by gravity at the top of the cryogenic contain, where the liquid-gas separation system 11 is also placed; liquid oxygen is drained 12 and sent to the heat exchanger to dispose of the product for packaging, on the other hand the stream of gaseous nitrogen 6 enters as waste gas for additional cooling in the heat exchanger.

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Abstract

El presente invento describe a un dispositivo para la producción de gases como N2 y 02, específicamente en la separación de oxigeno por licuefacción, explicando el diseño de un aparato y explicando el método para la separación de aire por condensación fraccionada, produciendo una corriente líquida de oxígeno en una concentración mayor a 95% siendo este porcentaje de oxigeno liquido obtenido mayor al obtenido por técnicas convencionales. La extracción de ambos gases se lleva a cabo utilizando como materia prima al aire ambiental. El diseño del nuevo aparato de extracción ayuda a aumentar la producción de manera más rápida y eficaz.

Description

UNIDAD DE SEPARACIÓN POR CONDENSACIÓN FRACCIONADA UTILIZANDO UN SEPARADOR FLASH Y UN DISPOSITIVO DE
CRIOENFRÍAMIENTO
CAMPO TÉCNICO
La invención se encuadra en el campo de la producción de gases como, N2 y O2, específicamente en la separación de aire por licuefacción más particularmente, se refiere a un aparato y un método para extraer el oxigeno del aire ambiental.
ANTECEDENTES Muchas personas requieren o se benefician de una rica fuente de oxígeno para mejorar su respiración. Tai oxígeno se suministra convencionalmente a un paciente desde un tanque de alta presión de oxígeno comprimido. El oxígeno se introduce en el tanque mediante una operación comercial a gran escala que separa el oxígeno del aire, comprime el oxígeno y llena los tanques. Lds tanques se distribuyen a continuación a través de un sistema de distribución a los pacientes individuales. Cuando se vacían los tanques, se devuelven rellenados. Métodos de la técnica anterior de separación de oxígeno incluyen el uso de un turboexpansor y licuefacción en contacto con el aire ambiental contra una superficie suficientemente fría que uno o más componentes en el aire se condensan. A menudo, los componentes del aire se licúan y se separaran para la venta como gases individuales, aunque nitrógeno líquido también se ha utilizado para condensar el oxígeno en el aire. La licuefacción en la técnica anterior típicamente gasta energía de enfriamiento significativa para llevar a cabo la licuefacción. Después de llevar a cabo la licuefacción, la energía restante se pierde, ya que se llevó en los componentes separados y / o se pierde en una operación de compresión. Aunque los sistemas de separación y distribución de oxígeno convencionales han sido de gran beneficio para los pacientes que necesitan oxígeno, tiene varias desventajas que se suman ai coste del oxígeno y hacen el transporte de la fuente de oxígeno difícil. La compresión del aire entrante a que se necesita al menos 1 bar por encima de la presión atmosférica por los sistemas de la técnica anterior para llevar a cabo la separación convencional y el movimiento de fluidos a través del sistema. El oxígeno recuperado también debe ser altamente comprimido de manera que la masa total del oxígeno contenido en los depósitos sea lo suficientemente grande para repartir el coste del transporte para los tanques pesados sobre una masa mayor de oxígeno y, por tanto, reducir el costo por unidad de transporte y distribución.
En el estado del arte encontramos diversas variantes en la licuefacción del aire ambiental como por ejemplo, la invención US20060026988 A1 condensa directamente y separa el oxígeno del aire a presión atmosférica, la presión por enfriamiento de una superficie interior de un recipiente de confinamiento a una temperatura mayor que la temperatura de ebullición del nitrógeno y no mayor que la temperatura de punto de ebullición del oxígeno. El aire es impulsado desde la atmósfera en el recipiente y contra la superficie enfriada. Gotitas de oxígeno condensan en la superficie, caída y son recogidas por un separador de liquido / gas y el oxígeno y gases residuales en el recipiente se han agotado a lo largo de trayectorias separadas y emitida desde el sistema a la presión atmosférica. El aire entrante es pre-enfriado y el agua en el aire entrante se condensa efectuando una transferencia de calor del aire entrante a los gases separados que fluyen hacia fuera desde el recipiente.
Así mismo, la invención W01996030297 A1, describe un procedimiento comprende las etapas de: a) poner en contacto un gas que contiene oxígeno con un cátodo de difusión de gases el cual no contiene catalizador de descomposición del peróxido de hidrógeno, b) suministrar una diferencia de potencial entre el cátodo y un ánodo, de modo que se convierte el oxígeno a peróxido en el cátodo, se difunde el peróxido a través de un electrolito acuoso hasta el ánodo, y se convierte el peróxido a oxígeno puro en el ánodo. Consiste en un nuevo método capaz de separar el oxígeno mediante un procedimiento bielectrónico. El equipo comprende una celda electrolítica de un solo compartimiento con al menos un cátodo y un ánodo, una entrada a través del cátodo de una mezcla de gases que contiene oxígeno y una salida del oxígeno puro producido en ia celda.
Por otro lado, la invención EE.UU. 1800353 A se refiere a la separación de aire en oxígeno y nitrógeno por aire licuefacción y separación de los dispositivos con varías operaciones de separación de aire adaptados para producir simultáneamente oxígeno y nitrógeno puro. Adicionalmente, la patente EE.UU. 1785491 A describe el método de obtención de oxigeno por la separación de aire en oxígeno y nitrógeno, dicho oxígeno se transporta en una forma líquida o gaseosa desde el recipiente de recogida del aparato 5 de separación directamente-en una contracorriente intercambiador de calor en el que el líquido de oxígeno se evaporó, y enfría hasta que el aire comprimido entrante se enfría.
Por otra parte, se debe mencionar que los sistemas de refrigeración criogénicos actuales cuentan con una clasificación que son dos tipos diferentes desde el punto de vista de los patrones de flujo del gas de operación. El tipo de flujo circulante compuesto de un turbo-expansor o una válvula de movimiento alternativo a baja temperatura con un intercambiador de calor de flujo en contracorriente, mientras que el flujo tipo oscilante consiste por lo menos en un expansor-válvula y un regenerador. Así, el sistema compacto se puede fabricar, utilizando el tipo de este último. De hecho, muchos sistemas de refrigeración criogénica de pequeña escala están basados en el tipo de flujo oscilante que se aplican en una amplia gama de campos. Se ha considerado el tubo enfriador de pulsos, como uno del tipo de flujo oscilante, tiene potencial que reemplaza el otro tipo de enfriadores tales como, Stirling, GM, Solvay y el ciclo de Vuillemier. Sin embargo, una de las dificultades para desarrollar el tubo de impulsos refrigerador es su diseño sistemático; las interacciones de los componentes compuestos son complicadas y es difícil de aplicar análisis termodinámicos.
En el caso del tipo de flujo circulante, la función de cada componente, tal como un compresor, un intercambiador de calor de flujo en contracorriente, un expansor o una válvula JT, son bastante independientes entre sí. Sin embargo, la función de! regenerador para hacer oscilar los sistemas de refrigeración criogénicos tipo de flujo tiene una fuerte dependencia de otros componentes. Por lo tanto, el diseño de la oscilación de tipo de flujo en el enfriador criogénico es mucho más complicado.
A continuación se mencionan algunas de las patentes relacionadas con la invención propuesta.
En la patente No. US6269658 B1, "CRYOGENIC RECTIFICATION SYSTEM WITH PULSE TUBE REFRIGERARON", un sistema de rectificación criogénica, en el que algunos o todos, la refrigeración necesaria para producir la rectificación se genera proporcionando un pulso a un gas y luego se hace pasar el gas comprimido a un tubo de impulsos en el que el gas se expande en una refrigeración de generación de ondas en un extremo del tubo de pulso para la transferencia en el sistema de refrigeración.
En las patentes No. US 20060260358 A1 , "GAS SEPARATION LIQUEFACTION MEANS AND PROCESSES" y No. WO2006124796A2, "GAS SEPARATION LIQUEFACTION MEANS AND PROCESSES", en donde los dispositivos de separación de gas criogénico de columna simple o doble, es suministrada por un enfriador criogénico y por un proceso de estrangulamiento de Joule-Thompson, donde puede ocurrir la condensación del gas directamente de la parte fría del enfriador criogénico que tal vez está situado en el interior del espacio térmicamente aislado de la columna de destilación. El sistema es particularmente útil para aplicaciones médicas, tales como proporcionar el oxígeno de alta pureza seguro y económico para su uso en el hogar. Los principios de la invención incluyen una columna de realización combinada de la producción simultánea de líquido de alta pureza de oxígeno y nitrógeno gaseoso. Otro diseño de doble columna ofrece la temperatura y presión reducida de separación con facilidad de extracción entre el oxígeno y nitrógeno. Si se requieren tanto el oxígeno gaseoso y líquido, la pureza debe ser aproximada ai 95% que se puede producir con una buena recuperación, es decir, con la pureza de nitrógeno de aproximadamente 91%.
En la patente No. US7421856B2, "Cryogenic air separation with once-through main condenser", donde la separación criogénica del aire de una columna de alta presión de oxígeno líquido y de una columna de baja presión pasa a través de un solo paso al intercambiador de calor principal, en donde no todo el oxígeno líquido se evapora. La salida del vapor del condensador tiene una relación de masa del caudal dentro del rango de 0,05 a 0,5.
En la patente No. CA2612311C, "Cryogenic air separation", el sistema separación criogénica del aire en el nitrógeno gaseoso a partir de una columna de alta presión y el oxigeno líquido a partir de una columna de baja presión, cada fase que fluye en flujo descendente por el intercambiador de calor principal; en donde se evita la ebullición del oxígeno para evitar la sequedad dentro del intercambiador de calor.
Con lo citado anteriormente no se han encontrado referencias de la utilización de separadores flash acoplados a un separador criogénico.
La principal ventaja de nuestra invención es que combina los efectos de enfriamiento producidos por la expansión de gases en una cámara de expansión que funciona como condensador flash, con los efectos de un críoenfriador, cuyo foco frío es dispuesto en un intercambiador de calor situado bajo la cámara de expansión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE FIGURAS
Figura 1. Muestra un diagrama de flujo del proceso de separación de aire; compuesto de un sistema de filtrado para el aire de alimentación, una serie de compresores isotérmicos en donde el flujo de aire saliente ingresa al intercambiador de calor que separa los principales contaminantes del aire este flujo de aire es enfriado a contracorriente por la corriente de gas nitrógeno y oxígeno salientes del contendor criogénico; el flujo saliente del intercambiador de calor ingresa al contendor criogénico donde se expande por el separador flash dentro de la cámara de presurízación del gas, el aire se condesa de manera parcial o total. El aire no condensado cae sobre el foco frió aleteado del críoenfriador, condensado dicho gas, en la parte inferior del contenedor criogénico se coloca un separador de liquido-gas en donde el líquido obtenido es rico en oxígeno y se envía al intercambiador de calor. La corriente de salida del contenedor criogénico es la del nitrógeno gaseoso que se utiliza como gas refrigerante que ingresa al intercambiador de calor.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El diagrama esquemático de la invención ilustra los principios básicos de funcionamiento. La invención separa el oxígeno del aire en un proceso que opera a presión mayor que la presión atmosférica, por la utilización de un sistema de compresión isotérmico.
Haciendo referencia a la FIG. 1 , el aire de alimentación 1 se somete a un sistema de filtrado 2; en donde el filtro atrapa las partículas sólidas transportadas en el aire, la limpieza del aire de alimentación es necesaria para evitar averias en el equipo utilizado en durante el proceso de separación de los componentes del aire (oxígeno y nitrógeno). Posteriormente la corriente de aire de alimentación ingresa al compresor isotérmico 3, en donde el aire se comprime de manera isotérmica y adiabática en donde el aire es enfriado a medida que gana presión. La corriente de aire se introduce al intercambiador de calor multicorrientes 13 de tipo placas y aletas, en donde se despoja al aire de la presencia de agua 4, ya que su temperatura de condensación es alcanzada en el interior del intercambiador de calor por las corrientes de gases refrigerantes para este caso en particular nitrógeno gaseoso 6 y oxígeno 14. También se logra la condensación de CO, C02 y NH3 5. Estas corrientes de gases refrigerantes ingresan al intercambiador de calor en contracorriente al aire que está siendo enfriado.
El gas ingresa al contenedor criogénico 10 por medio de una serie de dispositivos de expansión 8 dentro de una cámara de presurización 7 para el gas. Los dispositivos de expansión son de tipo válvulas y/o separadores flash, en donde por efecto de Joule-Thompson condesa de manera parcial o total el gas, el gas que no es condensado entra en contacto con el foco frío aleteado del enfriador criogénico 9; con estas aletas colocadas en el foco frío se incrementa el área de contacto para lograr un mayor de volumen de aire condensado. El condensado rico en oxígeno cae por gravedad en la parte superior del contener criogénico, en donde también es colocado el sistema de separación de líquido-gas 11; el oxígeno líquido es drenado 12 y enviado al intercambiador de calor para disponer del producto para su envasado, por otro lado la corriente de nitrógeno gaseoso 6 ingresa como gas de residuo para refrigeración adicional en el intercambiador de calor.

Claims

REIVINDICACIONES Lo que se reclama es: Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1. La presente invención describe a un dispositivo para la separación de aire por condensación fraccionada, produciendo una corriente líquida de Oxígeno en una concentración mayor a 95% que incluye: Un primer filtro de aire para retener las partículas suspendidas; la corriente de aire filtrada se comprime isotérmicamente en un compresor de una o más etapas que se alternan con respectivas etapas de enfriamiento; la corriente de aire comprimida ingresa a un intercambiador de calor de corrientes múltiples que condensa el agua y los compuestos carbonados contenidos en solución dicha corriente de aire. Una vez que la corriente de aire de ingreso ha sido comprimida y enfriada es enviada a un equipo de crioenfriamiento que contiene un dispositivo de expansión flash, en una cámara en la que la corriente de aire se enfría por efecto Joule Thompson y en la que se produce una primera etapa de condensación diferenciada de los componentes de la corriente de aire; debajo de la cámara de expansión se dispone una serie de placas conectadas al foco frío de un crioenfriador. La temperatura del foco frío del crioenfriador es controlada para que permanezca por debajo del punto de condensación del Oxígeno, pero sin alcanzar el punto de condensación del Nitrógeno; por lo que el contacto de la corriente de aire proveniente de la cámara de expansión con la superficie expandida del foco frío produce la condensación de Oxígeno, mientras que el Nitrógeno permanece en fase gaseosa. El Oxígeno condensado se acumula en el fondo del recipiente que contiene al dispositivo Condensador Flash - Crioenfriador y se desaloja del sistema mediante un separador de líquidos. La corriente de Nitrógeno en fase gaseosa sale del dispositivo y se ingresa a contracorriente en el intercambiador de calor que se utiliza para enfriar la corriente de ingreso de aire. La corriente de Oxígeno líquido también es enviada a contracorriente en el mismo intercambiador.
2. Un sistema como el descrito en la reivindicación 1 de compresión isotérmico de una o más etapas, con etapas alternadas de compresión y enfriamiento cuya corriente de aire de salida tiene una temperatura ambiente y una presión entre 6 y 7 Bar y está libre de partículas suspendidas,
3. Un sistema como el descrito en la reivindicación 1 con un intercambiador de calor de corrientes múltiples, en el que ingresa a temperatura ambiente el aire insumo y es enfriado a contracorriente de los flujos de salida del sistema de separación. En este intercambiador el aire insumo es enfriado a una temperatura inferior a los puntos de condensación del agua y de los compuestos contaminantes del aire como CO, CO2 y NH3, por lo que dispone de salidas para los condensados obtenidos en el enfriamiento.
4. Un dispositivo como el descrito en la reivindicación 1 de expansión flash contenido en una cámara de expansión que reduce bruscamente la presión de la corriente de aire insumo y que genera un enfriamiento por el que se produce una primera condensación de gotas ricas en Oxígeno. Esta cámara de expansión está dispuesta sobre el foco frío de un crioenfríador cuya superficie es expandida por un conjunto de aletas abiertas en el extremo inferior.
5. Un sistema de aletas como el descrito en las reivindicaciones 1 y cuatro que están en contacto con la superficie del foco frió del crioenfríador, que están situadas debajo de la cámara de expansión descrita en la reivindicación cuatro. Las aletas están cerradas por los lados y abiertas arriba y abajo; de esta manera fluyen por gravedad las gotas de Oxígeno condensado que se generan en la condensación producida en la expansión flash y las que se generan en la superficie de enfriamiento de las aletas. El Oxígeno condensado se acumula en el fondo del recipiente que contiene al sistema de condensación.
6. Un dispositivo de crioenfriamiento como el descrito en la reivindicación 1 que puede ser de tipo Stirling, o Gifford McMahon o de Tubo de Pulso, que posee un foco frío que es insertado entre las placas dispuestas bajo la cámara de expansión, que han sido descritas en la reivindicación cinco; la temperatura del foco frió del crioenfríador es controlada para permanecer por debajo del punto de condensación del Oxígeno pero encima del punto de condensación del Nitrógeno.
7. Un recipiente que contiene al sistema de condensación Flash - Crioenfriamiento, como el descrito en la reivindicación 1, que acumula los condensados en su fondo y los desaloja mediante un separador de líquidos que puede ser un dispositivo de flotador o mediante un sistema de sifón.
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