WO2018111067A1 - Sistema de licuefaccion de gases por medio de condensación flash, enfriador criogénico e intercambiador de calor bahx - Google Patents

Sistema de licuefaccion de gases por medio de condensación flash, enfriador criogénico e intercambiador de calor bahx Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the method and apparatus used for condensation of gases at cryogenic temperatures, combines the effects of a flash separator, a plate and fin heat exchanger, and a very low temperature cooling system known as cryocooler.
  • 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
  • the gas liquefaction industry conventionally uses turboexpansors to generate the cooling necessary to bring the gases to cryogenic temperatures.
  • Figure 1 Shows a representation of the device for the partial condensation of a gas or a gas mixture; which is composed of a cryogenic container, inside is the aluminum plate and fin heat exchanger and the cryogenic cooler, both placed in vertical orientation.
  • the heat exchanger has a set of open plates connected to an expansion chamber located in its upper part; how much in addition to one or more sections of plates through which one or more cooling fluids flows;
  • the flash expansion devices are placed for the entry of the gaseous mixture, which is sprayed uniformly on the heat exchanger, once it has been expanded in the expansion chamber located in the part upper heat exchanger itself.
  • FIG. 1 Shows the diagram of the gas inside the heat exchanger, in the upper part of the heat exchanger an expansion chamber for the gas arrangement is placed, where the gas injection devices that are partially condensed are placed and they form a film or downward flow that flows through the heat exchanger passages and, against flow, the refrigerant gas circulates upwards.
  • the gas that is not partially condensed is condensed by the cryogenic cooler that is located inside the heat exchanger.
  • the present invention is the improvement of a device for the condensation of gases at cryogenic temperatures.
  • the proposed equipment combines the cooling effects of a cryo-fan (3) of the Stirling, Gifford McMahon or Pulse Tube type; which has been mounted on a plate and fin heat exchanger (2) in order to extend the cooling surface.
  • the flow of pressurized feed gas enters a feed chamber (8) located at the top of the heat exchanger (2).
  • a feed chamber located at the top of the heat exchanger (2).
  • one or more expansion devices (4) are disposed where the gas is released, in conditions in which Joule Thompson effect cooling and partial condensation occurs, whereby the upper chamber functions as a flash condenser (4 ), while the lower part of the plate exchanger (2), mechanically connected to the cold focus of the cryocooler (3) functions as a falling film condenser.
  • the proposed device will receive a pressurized gas inlet flow (1) that will be expanded by a decrease in pressure in valves or any other expansion device, and will have two outflows.
  • the equipment is contained in a tank to which a cryocooler has been connected (3).
  • the cold focus of this cryocooler is arranged inside the tank in which the equipment components will be placed.
  • the temperature of this cold spot will be lower than the liquefaction temperature of the gas or mixture of gases to condense in the proposed device.
  • the cold focus of the cryocooler (3) will be inserted in a plate and fin heat exchanger (2) constructed with high thermal conductance material, in order to extend the heat exchange surface, thus a greater cooling surface, with the ability to condense the gases entered into the device.
  • the plates and fins of this element will be placed in vertical orientation, so that the equipment functions as a falling film condenser.
  • an expansion chamber (8) will be located in which the pressurized gas injection device (s) will be placed.
  • the orifices or expansion valves arranged in that chamber will produce a sudden expansion or rapid reduction of the pressure of the fluid injected so that, in addition to cooling by the Joule Thompson effect, a partial condensation of the gas or gases entered will also be generated, operating said chamber as a flash condenser and, in the case of gas mixtures, as a flash separator (4).
  • a condensate gas downflow film is created, which is further cooled by the heat exchange between the condensed flow and the refrigerant flow (5).
  • the gas comes into contact with the cryogenic cooler that is placed inside the plate and fin heat exchanger unit (2); when the gas is in contact and the condensation of the gas occurs with the cold focus of the cryocooler.
  • the benefits present in the invention obtaining the separation of the air with energy efficiency, greater obtaining of condensed air volume, use of a distillation tower of smaller size, compact design and reuse of waste gases from the separation process in towers of liquefaction.

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Abstract

En la presente invención es la mejora de un dispositivo para la separación gas, basado en separadores flash. La función principal es lograr una dispersión homogénea sobre el intercambiador de calor con los separadores flash con el fin de lograr un mejor intercambio de calor de las gotas del condesnado del gas y las paredes del mismo intercambiador. Con la ayuda del enfriador criogénico el gas no condensado, en condensado obteniendo así un volumen del líquido. El cual posteriormente será tratado en una torre de destilación para la separación de los componentes.

Description

SISTEMA DE LICUEFACCION DE GASES POR MEDIO DE CONDENSACIÓN FLASH, ENFRIADOR CRIOGÉNICO E INTERCAMBIADOR DE CALOR BAHX
CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere al método y aparato utilizado para condensación de gases a temperaturas criogénicas, combina los efectos de un separador flash, un intercambiador de calor de placa y aleta, y un sistema de enfriamiento de muy baja temperatura conocido como crioenfriador.
ANTECEDENTES
La investigación en sistemas de refrigeración en los últimos 20 años ha dado lugar a importantes mejoras en las áreas con problemas de rentabilidad, eficiencia, tamaño, transferencia de calor y el costo. Los sistemas de refrigeración regenerativos se utilizan convenientemente en muchos sistemas criogénicos. Un número de modelos de enfriadores criogénicos están disponibles en el mercado como Stirling, GM (Gifford- McMahon), de tubo de pulsos. A pesar de que el principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración es diferente entre ellos, cada uno de estos tienen en común una superficie fría cilindrica llamada "Cabeza fría". Este tipo de cabeza fría es de diámetro pequeño y el área de refrigeración es bastante limitada, que a menudo se convierte en un obstáculo importante para el diseño térmico eficiente.
En la patente No. US6269658 Bl, "CRYOGENIC RECTIFICATION SYSTEM WITH PULSE TUBE REFRIGERATION", se describe un sistema de refrigeración necesaria, que se genera por un pulso a un gas, el gas comprimido se expande para la generación de ondas en un extremo del tubo de pulso para la transferencia en el sistema de refrigeración.
En las patentes No. US 20060260358 Al, "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 simultanea 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%.
Por otro lado mencionando los sistemas que emplean condensadores de flujo, intercambiador de calor, tipo flujo descendente principalmente son empleados para la humectabilidad adecuada de los pasajes dentro del mismo. La recirculación del líquido da como resultado el rendimiento en la transferencia de calor, así como también permiten la satisfacción de los criterios de seguridad evitando que el gas líquido hierva hasta la sequedad. Para evitar lo anterior es empleada una corriente refrigerante. El intercambiador de calor tipo de placas y alelas es el más utilizado en los sistemas de refrigeración criogénica y licuefacción de gases a grande escala. La gran ventaja es el diseño compacto y flexible, con sus múltiples capas de láminas corrugadas de aluminio separadas por placas planas para crear una serie de cámaras con aletas; las cuales proporcionan un área de superficie por unidad de volumen mucho mayor (diez veces más) que los intercambiadores de calor de tubo y carcasa convencionales. Con este tipo de intercambiadores es posible que el diseño permita configuraciones a contra flujo, flujo paralelo, flujo cruzado, multi-pasos o multi -corrientes.
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, "Ciyogenic air separation", el sistema separación criogénica del aire en el nitrógeno gaseoso a partir de una columna de alta presión y el oxígeno líquido a partir de una columna de baja presión, cada lase 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 en conjunto con intercambiadores tipo BAHX y enfriadores criogénicos.
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 crioenfriador, cuyo foco frío es dispuesto en un inrtercambiador de calor situado bajo la cámara de expansión.
La industria de licuefacción de gases convencionalmente utiliza turboexpansores para generar el enfriamiento necesario para llevar los gases a temperaturas criogénicas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE FIGURAS
Figura 1. Muestra una representación del dispositivo para la condensación parcial de un gas o una mezcla gaseosa; el cual se compone de un contenedor criogénico, en su interior se sitúa el intercambiador de calor de placas y aletas de aluminio y el enfriador criogénico, ambos colocados en orientación vertical. El intercambiador de calor tiene un conjunto de placas abiertas conectadas a una cámara de expansión ubicada en su parte superior; cuanta además con una o más secciones de placas por las que fluye uno o más fluidos refrigerantes; en la parte superior el intercambiador de calor están colocados los dispositivos de expansión flash para el ingreso de la mezcla gaseosa, que se rocía de manera uniforme sobre el intercambiador de calor, una vez que ha sido expandida en la cámara de expansión situada en la parte superior del propio intercambiador de calor. La fracción condensada de la mezcla gaseosa fluye por las paredes del intercambiador de calor y se deposita en la parte inferior del contenedor criogénico el cual posee una salida de descarga ubicado en su parte inferior. Figura 2. Muestra el diagrama del gas en el interior del intercambiador de calor, en la parte superior del intercambiador de calor se coloca una cámara de expansión para la disposición del gas, donde están colocados los dispositivos de inyección de gases que se condensan parcialmente y forman un película o flujo descendente que fluye por el interior de los pasajes del intercambiador de calor y, a contra flujo el gas refrigerante circula de manera ascendente. El gas que no es condensado de manera parcial se condensa por el enfriador criogénico que está situado en el interior el intercambiador de calor.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención es la mejora de un dispositivo para la condensación de gases a temperaturas criogénicas. El equipo propuesto combina los efectos de enfriamiento de un crioenfirador (3) del tipo Stirling, Gifford McMahon o Tubo de Pulso; que ha sido montado en un ínter cambiador de calor de placa y aleta (2) con el propósito de extender la superficie de enfriamiento. El flujo de gas presurizado de alimentación ingresa a una cámara de alimentación (8) situada en la parte superior del intercambiador de calor (2). En dicha cámara se dispone uno o más dispositivos de expansión (4) donde el gas es liberado, en condiciones en las que se produce un enfriamiento por efecto Joule Thompson y una condensación parcial, por lo cual la cámara superior funciona como condensador flash (4), mientras que la parte inferior del intercambiador de placas (2), conectada mecánicamente al foco frió del crioenfriador (3) funciona como condensador de película descendente.
El dispositivo propuesto recibirá un flujo de ingreso de gas presurizado (1) que será expandido por decremento de presión en válvulas o cualquier otro dispositivo de expansión, y dispondrá de dos flujos de salida.
Estructuralmente el equipo esta contenido en un tanque al que ha sido conectado un crioenfriador (3). El foco frío de este crioenfriador se dispone en el interior del tanque en el que se colocarán los componentes del equipo. La temperatura de este foco frío será menor a la temperatura de licuefacción del gas o mezcla de gases a condensar en el dispositivo propuesto. El foco frío del crioenfriador (3) será insertado en un intercambiador de calor de placa y aleta (2) construido con material de elevada conductancia térmica, con el fin de extender la superficie de intercambio de calor, de este modo se dispondrá de una mayor superficie de enfriamiento, con capacidad de condensar los gases ingresados al dispositivo. Las placas y aletas de este elemento se colocarán en orientación vertical, de modo que el equipo funciona como un condensador de película descendente.
En la parte superior del elemento de intercambio de calor (2), se ubicará una cámara de expansión (8) en la que será colocado el o los dispositivos de inyección de gases presurizados. Los orificios o válvulas de expansión dispuestos en esa cámara producirán una expansión repentina o reducción rápida de la presión del fluido ingresado de manera que, además de producirse un enfriamiento por el efecto Joule Thompson, se generará además una condensación parcial del o los gases ingresados, haciendo funcionar a dicha cámara como un condensador flash y, para el caso de las mezclas gaseosas, como separador flash (4). Dentro de los pasajes del intercambiador de calor (2) se crea una película de flujo descendente de gas condensado, el cual se enfría aún más por el intercambio de calor entre el flujo condensado y el flujo del refrigerante (5). Mencionando al gas que no fue condenado por los separadores flash, el gas entra contacto con el enfriador criogénico que es colocado en el interior de la unidad del intercambiador de calor de placas y aletas (2); al estar en contacto el gas y con el foco frío del crioenfriador se produce la condensación del gas.
Los beneficios presentes en la invención: obtención de la separación del aire con eficiencia energética, mayor obtención de volumen de aire condensado, utilización de una torre de destilación de menor tamaño, diseño compacto y reutilización de gases de residuo del proceso de separación en torres de licuefacción.

Claims

REIVINDICACIONES Lo que reclama la siguiente invención es:
1. Un dispositivo para la licuefacción parcial o total de un gas o una mezcla de gases previamente presurizada y enfriada, que utiliza los efectos combinados de un condensador flash y un crioenfrador; en el que el gas se alimenta a través de un dispositivo de expansión ubicado en una cámara para ese efecto, que está instalada sobre un intercambiador de calor de placa y aleta, en el cual el gas que ha sido parcialmente condensado a consecuencia del cambio de presión fluye en trayectoria descendente, en contacto con la superficie de las aletas del intercambiador de calor en donde sucede una mayor condensación del fluido el cual desciende y es captado en el fondo del recipiente que contiene al sistema completo, por donde es descargada la fracción condensada del fluido; mientras que la fase no condensada sale del sistema por una salida instalada en la parte superior del recipiente contenedor.
2. Un dispositivo de expansión de un gas o una mezcla gaseosa como el descrito en la reivindicación 1, que puede ser de placa de orificio, válvula de expansión o una turbina de expansión o cualquier dispositivo para la disminución de la presión del fluido gaseoso alimentado, que es parcialmente condensado en virtud del cambio de presión del fluido un enfriamiento del mismo. Este dispositivo es ubicado dentro de una cámara de expansión situada sobre un intercambiador de calor de placa y aleta, por donde fluye las fracciones líquida y gaseosa del fluido alimentado.
3. Un intercambiador de calor de placa y aleta, como el descrito en la reivindicación 1, ubicado bajo una cámara de expansión como la descrita en la reivindicación 2, en el que las placas y aletas que lo conforman están a una temperatura inferior al punto de condensación del fluido alimentado, por tener insertado el foco frío de un crioenfriador. El gas o mezcla gaseosa proveniente de la cámara de expansión, fluye en trayectoria descendente en contacto con la superficie del intercambiador de calor, incrementando la fracción condensada del fluido, que podrá condensarse total o parcialmente.
4. Un dispositivo crioenfriador, como el descrito en la reivindicación 1, que puede ser de tipo de tipo Stirling, o Gifford McMahon o de Tubo de Pulso, cuyo foco frió tiene una temperatura inferior al punto de condensación del gas alimentado al sistema, y que es insertado en un intercambiador de calor de placa y aleta, como el descrito en la reivindicación 3, con el fin de expandir el área de enfriamiento del foco frío.
5. Un dispositivo como el descrito en la reivindicación 1, que recibe una mezcla gaseosa y capaz de lograr la separación parcial de los gases componentes de esa mezcla, al modificar la composición de las fracciones líquida y gaseosa resultante.
6. Un dispositivo de intercambio de calor como el descrito en la reivindicación 3, que recibe un fluido refrigerante que pasa por una de las secciones de placas del intercambiador, con el fin de retirar calor del fluido principal que ha sido ingresado en la cámara de expansión.
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