WO2017105191A1 - Proceso de separación de aire - Google Patents

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Martin VELEZ DE LA ROCHA
Cinthya Araceli RUIZ PARDO
Luz Mercedes OLIVAS DURAN
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Velez De La Rocha Martin
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Definitions

  • the present invention belongs to the technical field of process engineering, particularly to the separation of gases by fractional distillation, after liquefaction; where cooling is supplied for the cryogenic gas separation process by means of a flash evaporation device that is assisted by a pulse tube cryocooler.
  • thermoacoustic refrigerator has also set a low temperature limit for the critical temperature gradient, since it is also based on heat transfer to the solid structure. A low temperature of approximately 195 K has been achieved with this type of refrigerator.
  • 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.
  • each component such as a compressor, a counter current flow heat exchanger, an expander or a Joule-Thompson valve
  • the function of the regenerator to oscillate the flow type cryogenic refrigeration systems has a strong dependence on other components. Therefore, the design of the flow type oscillation in the cryogenic cooler is much more complicated.
  • WO2006124796A2 "GAS SEPARATION LIQUEFACTION MEANS AND PROCESSES"
  • the single or double column cryogenic gas separation devices are supplied by a Cryogenic chiller and by a throttling process of Joule-Thompson, where condensation of gas can occur directly from the cold part of the cryogenic chiller that is perhaps located inside the thermally insulated space of the distillation column.
  • the principles of the invention include a combined embodiment column of the simultaneous production of high purity oxygen and nitrogen gas liquid.
  • Another double column design offers reduced temperature and pressure separation with ease of extraction between oxygen and nitrogen. If both gaseous and liquid oxygen are required, the purity should be approximately 95% that can be produced with a good recovery, that is, with the nitrogen purity of approximately 91%.
  • FIGURES Figure 1 shows a flow diagram of the air separation process.
  • Figure 2 shows a diagram of flash separator and a cryocooler; the supply air enters to contain cryogenic expands through the flash separator, producing a cooling and causing the effect of Joule-Thompson, this effect partially condenses the gas.
  • the uncondensed gas touches the surface of the finned cold spot of the cryogenic cooler and is condensed.
  • the cryogenic container has a discharge of liquid gas.
  • the patent describes a process of cryogenic separation of gases by means of distillation in a single column (16) for this particular case.
  • Mix of gases (1) is first compressed in an isothermal process (2-6), and subsequently cooled against counter current by outflows (9) of the process in (8).
  • the gaseous mixture is subsequently cooled in a device that, in addition to developing Joule Thompson effect cooling, that is, expansion cooling in a throttle valve (11), is aided by a cryogenic cooling unit (12) Stirling type (S) ), Gifford McMahon (QM) or Pulse Tube (TP).
  • a cryogenic cooling unit (12) Stirling type (S) ), Gifford McMahon (QM) or Pulse Tube (TP).
  • the combined cooling unit (throttling expansion, plus cryocooler) will be designed to function as a flash separator (11): the cryocooler (S, GM or TP) will be arranged vertically from the top; there will be several throttling holes through which the flow of previously cooled and compressed gas mixture will be conducted.
  • the expanded gaseous mixture (and cooled by Joule Thompson effect), will partially condense and come into contact with the walls of the finned cold spot (13-14) of the cryocooler (12), which, once in contact with the liquid phase of the Mixing, it will work as a falling film capacitor.
  • the finned cold spot (13-14) of the cryocooler will have a plate-shaped design.
  • cryocooling device with flash separation (11-12) currents (13) will be obtained which will be led to a rectification distillation column (14) for the fractional separation of the components of the gas mixture.
  • the most volatile component of the mixture will be sent countercurrently (15) to a heat exchanger (8) to cool the mixture of input gases from the isothermal compression phase.

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Abstract

La presente invención proporciona los medios y procesos que satisfacen la necesidad para la separación criogénica del aire y presta la refrigeración necesaria para que se lleve a cabo por medio de un enfriador criogénico y separador flash, donde el aire condesa parcialmente sobre el foco frío del enfriador criogénico. La columna simple dará la pureza a la separación del gas, con ayuda del enfriador criogénico. Los principios de la invención tal como se señala en este documento incluyen la combinación del enfriador criogénico y separador flash en conjunto, y posteriormente por la columna de destilación simple. Que ofrece la obtención de oxígeno liquido y nitrógeno gaseoso, con una pureza de oxígeno superior al 96%. Los avaneces en esta técnica y los beneficios que aportan se llevan a cabo mediante el establecimiento de variables dentro de los dispositivos utilizados para la separación criogénica del gas.

Description

PROCESO DE SEPARACIÓN DE AIRE
CAMPO TÉCNICO
La presente invención pertenece al campo técnico de la ingeniería de procesos, particularmente a ia separación de gases por destilación fraccionada, previa licuefacción; en donde se suministra la refrigeración para el proceso de separación de gas criogénico mediante un dispositivo de evaporación flash que es asistido por un críoenfriador de tubo de pulso.
ANTECEDENTES El primer refrigerador de tubo de pulso fue descubierto accidentalmente en la Universidad de Syracuse por GHford y Longsworth a mediados de la década de 1960 a medida que se desarrolla el refrigerador Gifford McMahon. Se dieron cuenta de que el extremo cerrado de un tubo se puso muy caliente cuando se produjo una oscilación de presión en el interior, mientras que el extremo abierto hacia que el compresor estuviera fresco. Después de más estudios y optimización de la geometría, se logró una baja temperatura de 124 K en un extremo, cuando el extremo cerrado se enfrió con agua. En su arreglo Gifford- McMahon utilizaron un compresor para dirigir el sistema, pero no había ningún orificio o depósito separado. Había un pequeño depósito asociado con el intercambiador de calor en el extremo caliente del tubo de impulsos. Los diámetros de los tubos de impulsos eran aproximadamente 20 a 25 mm y las frecuencias de funcionamiento fueron aproximadamente 1 Hz. Este tubo de impulsos sin un orificio se conoce ahora como el tubo de pulso básico.
A principios de la década de 1980 Wheatley y compañeros de trabajo en el Laboratorio Nacional de los Alamos comenzaron a investigar los efectos del bombeo de calor a frecuencias mucho más altas que la utilizada en el tubo refrigerador de pulso básico. A frecuencias de 500 a 1.000 Hz se produciría resonancia en tubos cortos y dar lugar a una onda estacionaria. Este tubo de pulso resonante, más conocido como refrigerador termoacústico también ha establecido un límite de baja temperatura por el gradiente de temperatura crítica, ya que, también, se basa en el calor transferencia a la estructura sólida. Una baja temperatura de aproximadamente 195 K se ha logrado con esta tipo de refrigerador.
En el Instituto Técnico Bauman de Moscú en 1984 Mikulin et al. presentó un orificio en el interior del tubo de impulsos cerca del extremo caliente y logró una temperatura baja de 105 K. En 1985 Radebaugh et al. en el N IST / Boulder colocó un orificio en el exterior del tubo de impulsos, para permitir que el intercambio de calor caliente para actuar como un regulador de flujo. El orificio era una válvula de aguja, lo que permitió una optimización fácil de la impedancia de flujo. A continuación una temperatura de 60 K se logró. Las frecuencias de 5 a 10 Hz fueron utilizados en estos estudios tempranos y se limitaron por el compresor sin válvulas disponibles. Estudios fundamentales del tubo refrigerador de pulso con orificio se llevaron a cabo en el Instituto Nacional de Normas y Tecnologías (NIST) en los próximos años para comprender mejor los principios de funcionamiento de este dispositivo. Estos estudios mostraron que el tubo refrigerador pulso con orificio no se basó en el calor de transferencia con la pared del tubo. De hecho, la transferencia de calor degrada el rendimiento. Un simple modelo armónico fue desarrollado para calcular el flujo de entalpia promediada en el tiempo en el tubo de impulsos y el efecto de refrigeración resultante. El modelo asume condiciones adiabáticas en el interior del tubo de impulsos. En 1990 temperaturas por debajo de 40 K se lograron en el NIST y otros laboratorios. Sin embargo, las eficiencias en 80 K eran 3 a 5 veces menor que la de los refrigeradores Stirling y se requerían compresores más grandes para conducir refrigeradores de tubo de impulsos debido al nulo volumen adicional asociado con el componente de tubo de impulsos. Con una mejor comprensión de la operación y una mayor optimización de los regeneradores, el tubo de pulso e intercambiadores de calor, la eficiencia comparables a las de los refrigeradores Stirling en 80 K se lograron finalmente en 1990-1991. Por otra parte se debe mencionar que ios 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 ios 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 Joule-Thompson, son bastante independientes entre sí. Sin embargo, la función del 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. 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 al 95% que se puede producir con una buena recuperación, es decir, con la pureza de nitrógeno de aproximadamente 91%.
BREVE DESCRIPCIÓN DE FIGURAS La figura 1 muestra un diagrama de flujo del proceso de separación del aire. La Figura 2 muestra un diagrama de separador flash y un crioenfriador; el aire de alimentación ingresa al contener criogénico se expande por el separador flash, produciendo un enfriamiento y ocasionando el efecto de Joule-Thompson, dicho efecto condensa parcialmente el gas. El gas no condensado toca la superficie del foco frío aleteado del enfriador criogénico y es condensado. El contenedor criogénico tiene una descarga de gas líquido.
DESCRIPCIÓN
La patente describe un proceso de separación criogénica de gases por medio de destilación en una columna simple (16) para este caso en particular. La mezcla de gases (1) es en primer lugar comprimida en un proceso isotérmico (2-6), y posteriormente enfriada a contracorriente por flujos de salida (9) del proceso en (8).
La mezcla gaseosa es posteriormente enfriada en un dispositivo que, además de desarrollar enfriamiento por efecto Joule Thompson, es decir, enfriamiento por expansión en una válvula de estrangulamiento (11), es auxiliado por una unidad de enfriamiento criogénico (12) tipo Stirling (S), Gifford McMahon (QM) o Tubo de Pulso (TP).
La unidad de enfriamiento combinado (expansión por estrangulamiento, más crioenfriador) será diseñada para que funcione además como separador flash (11): el crioenfriador (S, GM o TP) será dispuesto verticalmente desde la parte superior; se dispondrá de varias orificios de estrangulamiento por donde se conducirá el flujo de mezcla gaseosa previamente enfriada y comprimida.
La mezcla gaseosa expandida (y enfriada por efecto Joule Thompson), se condensará parcialmente y entrará en contacto con las paredes del foco frío aleteado (13-14) del crioenfriador (12), que, una vez en contacto con la fase líquida de la mezcla, funcionará como condensador de película descendente. Para que esto suceda, el foco frió aleteado (13-14) del crioenfriador tendrá un diseño en forma de platos.
Del dispositivo de crioenfriamiento con separación flash (11-12) se obtendrán corrientes (13) que serán conducidas hacia una columna de destilación de rectificación (14) para la separación fraccionada de los componentes de la mezcla gaseosa. El componente más volátil de la mezcla se enviará a contracorriente (15) hacia un intercambiador de calor (8) para enfriar la mezcla de gases insumos provenientes de la fase de compresión isotérmica.

Claims

REIVINDICACIONES Lo que reclama la siguiente invención es:
1. Un proceso de separación de gases criogénico, en donde el aire de alimentación se somete a una compresión isotérmica y enfriamiento adiabático; posteriormente sufre un intercambio de calor en el intercambiador de calor tipo BAHX. La parte de más importancia en el proceso son los elementos que están funcionando en conjunto separador flash y crioenfriador, ambos tienen la finalidad de producir un mayor volumen de condesando de aire liquido, el cual posteriormente se envía a la columna de rectificación para la separación de oxigeno y nitrógeno. a) Suministro de gas de alimentación; el aire de alimentación tiene las condiciones estándar, libre de humedad e hidrocarburos. El aire es dirigido hacia los compresores isotérmicos.
b) Compresores isotérmicos; consta de tres compresores y tres intercambiadores de calor en donde se varia el volumen y la presión para enfriar el aire. Posteriormente el gas enfriado es introducido a un intercambiador de calor.
c) Intercambiador de calor BAHX, al introducir el gas a este equipo se enfría aún más con la ayuda del gas nitrógeno que entra a contracorriente en el interior del intercambiador de calor, que es proporcionado como gas de residuo de la torre de destilación, después el gas entra en contacto con el separador flash.
d) Un enfriador criogénico con separador flash; con la finalidad de que el gas sea condensado de una manera parcial es colocado el separador flash, y para condensar aún más aire es utilizado el enfriador criogénico con el cual se genera un mayor volumen de aire condensado, este condesado se ingresa a la columna de destilación para llevar a cabo la separación de los componentes oxígeno líquido y nitrógeno gaseoso. e) Columna de destilación simple utilizada para la obtención del oxigeno liquido como producto principal con una pureza mayor al 96% y gas nitrógeno como residuo.
La refrigeración para el proceso de separación del gas puede ser por dichos medios y donde puede ocurrir condensación parcial, directamente al menos el enfriador criogénico y el separador flash que se encuentra situado en el interior del mismo.
2. El dispositivo de enfriamiento criogénico de gas y separador flash para condensación de aire, como se cita en la reivindicación 1.
3. El dispositivo del crioenfríador puede ser de tipo Stiriing, Gifford McMahon o de Tubo de Pulso.
4. Un proceso de licuefacción de alta pureza de separación criogénica para la producción de gases líquidos, con una torre de destilación.
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