ES2159905T5 - Separacion criogenica de aire con reciclado en turbina en caliente. - Google Patents

Separacion criogenica de aire con reciclado en turbina en caliente. Download PDF

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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN SISTEMA DE SEPARACION CRIOGENICA DEL AIRE, EN LA QUE EL AIRE DE ENTRADA ES COMPRIMIDO EN UN COMPRESOR DE AIRE PRIMARIO DE VARIOS PASOS; UNA PRIMERA PARTE SE TURBOEXPANSIONA Y SE SUMINISTRA A UNA PLANTA DE SEPARACION CRIOGENICA DEL AIRE Y UNA SEGUNDA PARTE SE TURBOEXPANSIONA Y, POR LO MENOS, UNA PARTE DE LA SEGUNDA PARTE TURBOEXPANDIDA SE RECICLA AL COMPRESOR DE AIRE PRIMARIO EN UNA POSICION ENTRE FASES.

Description

Separación criogénica de aire con reciclado en turbina en caliente.
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Campo técnico
Esta invención se refiere a un método y un aparato para realizar una separación criogénica de aire.
Técnica anterior
El oxígeno se produce comercialmente en grandes cantidades por la rectificación criogénica de aire de alimentación en una planta de separación criogénica de aire. A veces puede desearse producir oxígeno a mayor presión. Aunque el oxígeno gaseoso puede retirarse de la planta de separación criogénica de aire y comprimirse a la presión deseada, es generalmente preferible en cuanto a los costes de capital, retirar el oxígeno en forma líquida de la planta de separación criogénica de aire, aumentar su presión y a continuación evaporar el oxígeno líquido presurizado para producir el oxígeno gaseoso deseado a presión elevada.
La retirada del oxígeno como líquido de la planta de separación criogénica de aire elimina una cantidad significativa de refrigeración de la planta que necesita una reintroducción significativa de refrigeración en la planta. Esto es todavía más acusado cuando, además del oxígeno gaseoso a alta presión, se desea recuperar de la planta, producto líquido, por ejemplo oxígeno líquido y/o nitrógeno líquido.
Un modo muy eficaz de proporcionar refrigeración a una planta de separación criogénica de aire es turboexpandir una corriente de gas comprimido y pasar dicha corriente, o al menos la refrigeración así generada, a la planta (véanse por ejemplo los documentos EP-A-0684437 y FR-A-2714721). En situaciones en las que se retiran de la planta cantidades significativas de líquidos, con frecuencia se emplea más de un turboexpansor. Sin embargo, el uso de múltiples turboexpansores se complica debido a que pequeñas diferencias en flujos y presiones de la turbina con relación a la planta de separación criogénica de aire y al compresor de aire primario provocarán un descenso acusado de la eficacia del sistema haciéndolo no económico.
Por consiguiente, un objeto de esta invención es proporcionar un sistema mejorado para la rectificación criogénica de aire de alimentación empleando más de un turboexpansor.
Sumario de la invención
El objeto anterior es alcanzado por la presente invención, uno de cuyos aspectos es un método para realizar una separación criogénica de aire como se define en la reivindicación 1.
Otro aspecto de la invención es un aparato para realizar la separación criogénica de aire como se define en la reivindicación 5.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "oxígeno líquido" significa un líquido que tiene una concentración de oxígeno mayor que 50% en moles.
Como se utiliza en la presente memoria, el término "columna" significa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, es decir una columna o zona de puesta en contacto, en la que las fases líquida y de vapor se ponen en contacto en contracorriente para efectuar la separación de una mezcla de fluidos, como por ejemplo, mediante contacto de las fases de vapor y líquida en una serie de placas o platos espaciados verticalmente montados dentro de la columna y/o sobre elementos de relleno, tal como un relleno estructurado o al azar. Para un estudio adicional de las columnas de destilación, véase Chemical Engineer's Handbook, quinta edición, editado por R. H. Perry y C. H. Chilton, ``McGraw-Hill Book Company, New York, Sección 13, The Continuous Distillation Process. La expresión "doble columna", se utiliza para indicar una columna a mayor presión que tiene su extremo superior en relación de intercambio de calor con el extremo inferior de una columna a menor presión. Otro estudio de las dobles columnas aparece en Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Capitulo VII, Commercial Air Separation.
Los procesos de separación que ponen en contacto vapor y líquido dependen de la diferencia en las presiones de vapor de ambos componentes. El componente de alta presión de vapor (o más volátil o de bajo punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase de vapor, mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o alto punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación mediante el cual puede utilizarse el enfriamiento de una mezcla de vapor para concentrar el (los) componente(s) volátil(es)
en la fase de vapor y por tanto el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida.
La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina evaporaciones y condensaciones parciales sucesivas obtenidas por un tratamiento en contracorriente de las fases de vapor y líquida. La puesta en contacto en contracorriente de las fases de vapor y líquida es generalmente adiabática y puede incluir un contacto entre las fases integral (en etapas) o diferencial (continuo). Los dispositivos para el proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas se denominan frecuentemente de forma intercambiable columnas de rectificación, columnas de destilación o columnas de fraccionamiento. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación realizado al menos en parte a temperaturas iguales o inferiores a 150 grados Kelvin (K).
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Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa la puesta de dos corrientes de fluidos en relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o la mezcla de un fluido con el otro.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende principalmente oxígeno y nitrógeno, tal como aire ambiente.
Como se utiliza en la presente memoria, las expresiones "porción superior" y "porción inferior" de una columna significan las secciones de la columna por encima y por debajo, respectivamente, del punto medio de la columna.
Como se utiliza en la presente memoria, los términos "turboexpansión" y "turboexpansor" significan respectivamente el método y el aparato para el flujo de gas a alta presión a través de una turbina con el fin de reducir la presión y la temperatura del gas, generando con ello refrigeración.
Como se utiliza en la presente memoria, el término "compresor" significa una máquina que aumenta la presión de un gas por aplicación de trabajo.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "planta de separación criogénica de aire" significa un equipo para destilar fraccionadamente aire de alimentación, que comprende una o más columnas y tuberías, válvulas y equipo de intercambio de calor correspondientes.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "compresor de aire primario" significa un compresor que proporciona la mayor porción de la compresión de aire necesaria para hacer trabajar una planta de separación criogénica de aire.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "compresor de refuerzo" significa un compresor que proporciona más compresión con el fin de alcanzar mayores presiones de aire requeridas para la evaporación de oxígeno líquido y/o el proceso de turboexpansión en una planta de separación criogénica de aire.
Como se emplea en la presente memoria, la expresión "etapa de compresión" significa un único elemento, por ejemplo rueda de compresión, de un compresor a través del cual se aumenta la presión del gas. Un compresor debe comprender al menos una etapa de compresión.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una representación esquemática de una realización preferida de la invención.
La Figura 2 es una representación esquemática de otra realización preferida de la invención.
Los números en las Figuras son iguales para los elementos comunes.
Descripción detallada
En la práctica de esta invención una porción del aire de alimentación evita el paso por el turboexpansor primario que turboexpande el aire de alimentación en la planta de separación criogénica de aire, y, en su lugar, es turboexpandido en un turboexpansor secundario y reciclado al compresor de aire primario en una posición entre etapas. Esto reduce el consumo de energía requerido por el compresor de aire primario y aumenta así la eficacia global del sistema de separación criogénica de aire.
La invención se describirá con mayor detalle con referencia a los dibujos. Con referencia ahora a la Figura 1, el aire de alimentación 50 a aproximadamente la presión atmosférica, se limpia de partículas haciéndolo pasar a través de una cámara filtrante 1. El aire de alimentación 51 resultante se hace pasar a continuación a un compresor de aire primario 13 que, en la realización de la invención ilustrada en la Figura 1, comprende cinco etapas de compresión, siendo la quinta o la última etapa la etapa enésima. En la práctica de esta invención el compresor de aire primario tendrá generalmente al menos 3 etapas de compresión, y típicamente tendrá de 4 a 6 etapas de compresión. El aire de alimentación 51 se hace pasar a la primera etapa de compresión 2 del compresor de aire primario 13 en la que se comprime y el aire de alimentación 52 resultante se enfría haciéndolo pasar a través del inter-refrigerante 3. El aire de alimentación 52 se comprime más a continuación haciéndolo pasar a través de una segunda etapa de compresión 4 del compresor de aire primario 13 y el aire de alimentación 53 resultante se enfría haciéndolo pasar a través del interrefrigerante 5. El aire de alimentación 53 se comprime más a continuación haciéndolo pasar a través de la tercera etapa de compresión 6 del compresor de aire primario 13 y el aire de alimentación 54 resultante se enfría haciéndolo pasar a través del inter-refrigerante 7. El aire de alimentación 54 se hace pasar a continuación a través del pre-purificador 8 en el que se limpia de las impurezas de alto punto de ebullición, tales como dióxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos.
El aire de alimentación limpio 55 se hace pasar a continuación a la cuarta etapa de compresión 9 del compresor de aire primario 13. Preferiblemente, como en la realización de la invención ilustrada en la Figura 1, se reúne la corriente del aire de alimentación 55 con el reciclado de la turbina caliente, tal como en el punto de unión 56, y la corriente 57 del aire de alimentación reunida resultante se hace pasar a la cuarta etapa de compresión 9 en la que se comprime a mayor presión. La corriente 58 de aire de alimentación resultante se enfría haciéndola pasar a través del inter-refrigerante 10 y a continuación se hace pasar a la quinta etapa de compresión 11 del compresor de aire primario 13 en la que se comprime a una presión mayor y de la que se retira como corriente 59 de aire de alimentación comprimido que tiene una presión en el intervalo de 13,8 a 51,7.10^{5} Pa. El compresor de aire primario 13 es accionado por un motor externo (no mostrado) con un rotor que mueve un mecanismo de giro 60.
El aire de alimentación comprimido 59 se enfría haciéndolo pasar a través de un post-refrigerante 12 y se divide en una primera parte 61 y una segunda parte 62. La primera parte 61 comprende desde aproximadamente 50 hasta 55 por ciento de aire de alimentación comprimido 59. La primera parte 61 se hace pasar a un intercambiador de calor principal 17 en el que se enfría por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno. Después de atravesar parcialmente el intercambiador de calor principal 17, la primera parte enfriada 63 se hace pasar a un turboexpansor primario 19 en el que se turboexpande a una presión en el intervalo de 4,5 a 5,9.10^{5} Pa. La primera parte 64 turboexpandida resultante se hace pasar a una planta de separación criogénica de aire. En la realización ilustrada en la Figura 1, la planta 65 de separación criogénica de aire es una planta de doble columna que comprende una primera columna o columna de presión superior 20 y una segunda columna o columna de presión inferior 22, y la primera parte 64 turboexpandida se hace pasar a la parte inferior de la columna de presión superior 20.
La segunda parte 62 comprende de 45 a 50 por ciento de aire de alimentación comprimido 59. La segunda parte 62 se hace pasar a un compresor de refuerzo 15 en el que se comprime más hasta una presión en el intervalo de 34,5 a 96,5.10^{5} Pa. La segunda parte 66 más comprimida se enfría haciéndola pasar a través de un refrigerante 16 y después haciéndola pasar al intercambiador de calor principal 17 en el que se enfría por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno. Al menos una porción de la segunda parte enfriada, mostrada en la Figura 1 como la corriente 67, se retira después de atravesar parcialmente el intercambiador de calor principal 17 y se hace pasar a un turboexpansor secundario 18 en el que se turboexpande a una presión en el intervalo de 5,2 a 10,3.10^{5} Pa. La segunda parte turboexpandida resultante 68 se calienta suavemente haciéndola atravesar parcialmente el intercambiador de calor principal 17 y reciclándola a continuación hasta el compresor de aire primario entre la primera y la última etapas, es decir una posición entre etapas. En la realización ilustrada en la Figura 1, el reciclado calentado 69 de turbina se hace pasar a través de un dispositivo 14 de control de la presión antes de ser reciclado al aire de alimentación 55 en el punto de unión 56 para reciclarlo al compresor de aire primario entre la tercera y cuarta etapas de compresión del compresor de aire primario 13. El dispositivo 14 de control de presión puede ser, por ejemplo, una válvula, un compresor o un soplante.
Si se desea, una porción de la segunda parte 66 puede atravesar completamente el intercambiador de calor principal 17 en el que se licua. Esta porción, mostrada con el número 70 en la realización ilustrada en la Figura 1, se hace pasar a través de la válvula 23 y a la columna 20 de presión superior. En lugar de pasar a través de la válvula 23, la porción 70 puede hacerse pasar a través de una fase densa, que es una turbomáquina de fluido o líquido supercrítico, para recuperar la energía de la presión. Típicamente el trabajo recuperado del árbol accionará un generador eléctrico.
La columna 20 de presión superior trabaja a una presión generalmente en el intervalo de 4,5 a 5,9.10^{5} Pa. En la columna 20 de presión superior, el aire de alimentación alimentado a la columna 20 se separa por rectificación criogénica en vapor enriquecido en nitrógeno y líquido enriquecido en oxígeno. El líquido enriquecido en oxígeno se retira desde la parte inferior de la columna 20 de presión superior en forma de una corriente 71, se subenfría haciéndola pasar a través del sub-refrigerante 25, y se hace pasar a través de la válvula 28 a la columna 22 de presión inferior. El vapor enriquecido en nitrógeno se retira de la columna 20 de presión superior en forma de la corriente 72 y se hace pasar al condensador principal 21 en el que se condensa por intercambio de calor indirecto con el líquido hirviente del fondo de la columna 22 de presión inferior. El líquido enriquecido en nitrógeno 73 resultante se retira del condensador principal 21, una primera porción 74 se devuelve como reflujo a la columna 20 de presión superior y una segunda porción 75 se subenfría haciéndola pasar a través del sub-refrigerante 26 y se hace pasar a través de la válvula 27, a la columna 22 de presión inferior. Si se desea, puede recuperarse una porción del líquido enriquecido en nitrógeno como nitrógeno líquido producto que tiene una concentración de nitrógeno de al menos 99,99 por ciento en moles. En la realización de la invención ilustrada en la Figura 1, se hace pasar una porción 76 de líquido enriquecido en nitrógeno 75 a través de la válvula 30 y se recupera como nitrógeno líquido producto 77.
La columna 22 de presión inferior se hace trabajar a una presión menor que la de la columna 20 de presión superior y generalmente en el intervalo de 1,0 a 1,7.10^{5} Pa. Dentro de la columna 22 de presión inferior las diversas alimentaciones se separan por rectificación criogénica en vapor rico en nitrógeno y líquido rico en oxígeno. El vapor rico en nitrógeno se retira de la parte superior de la columna 22 de presión inferior como la corriente 78, se calienta por paso a través de los intercambiadores de calor 26, 25 y 17 y se retira del sistema como la corriente 7 9 que puede recuperarse como nitrógeno gaseoso producto que tiene una concentración de nitrógeno de al menos 99,99 por ciento en moles. Para controlar la pureza del producto, se retira una corriente 80 que contiene nitrógeno de la columna 22 de presión inferior por debajo del nivel del que se retira la corriente 78. La corriente 80 se calienta por paso a través de los intercambiadores de calor 26, 25 y 17 y se retira del sistema como la corriente 81.
El líquido rico en oxígeno, es decir oxígeno líquido, se retira de la porción inferior de la columna 22 de presión inferior como una corriente 82 de oxígeno líquido. Si se desea puede recuperarse una porción del líquido rico en oxígeno como oxígeno líquido producto, tal como en la realización ilustrada en la Figura 1 en la que la corriente 83 se ramifica de la corriente 82, se hace pasar a través de la válvula 29 y se recupera como la corriente 84 de oxígeno líquido.
Antes de la evaporación se aumenta la presión del líquido rico en oxígeno. En la realización ilustrada en la Figura 1, la porción principal 85 de la corriente 82 se hace pasar a la bomba de líquidos 24 en la que se bombea a una presión en el intervalo de 10,3 a 96,5.10^{5} Pa. La corriente 86 de oxígeno líquido presurizada resultante se hace pasar a través del intercambiador de calor principal 17 en el que se evapora por intercambio de calor indirecto tanto enfriando la primera parte del aire de alimentación 61 como enfriando la segunda parte del aire de alimentación 66. El oxígeno gaseoso resultante se retira del intercambiador de calor principal 17 como la corriente 87 y se recupera como oxígeno gaseoso producto que tiene una concentración de oxígeno de al menos 50 por ciento en moles. El oxígeno líquido se evapora ventajosamente por paso a través de un intercambiador de calor principal 17 en lugar de por una caldera separada del producto puesto que esto permite que una porción del trabajo de enfriamiento de la corriente 61 sea impartida a la corriente 86 reduciendo con ello la presión requerida de la corriente 66 de aire de alimentación reforzada. Por otra parte, se elimina la necesidad de un segundo aparato intercambiador de calor para la evaporación de la corriente 86.
La Figura 2 ilustra otra realización de la invención. Los elementos de la realización ilustrada en la Figura 2 que son comunes con los de la realización ilustrada en la Figura 1 no se estudiarán de nuevo con detalle.
Con referencia ahora a la Figura 2 la segunda parte 66 más comprimida, después de hacerla pasar a través del refrigerante 16 se divide en la corriente 88 y en la corriente 89. La corriente 8 9 se comprime más haciéndola pasar a través del compresor 31, se elimina el calor de compresión haciéndola pasar a través del refrigerante 32 y se hace pasar a través del intercambiador de calor principal 17 en el que se licua. El aire de alimentación líquido resultante 90 se hace pasar a través de la válvula 23 y a la columna 20 de presión superior. En lugar de pasar a través de la válvula 23, el aire de alimentación 90 puede hacerse pasar a través de una turbomáquina de fase densa para recuperar la energía de presión y típicamente el trabajo recuperado del árbol accionará un generador eléctrico. La corriente 88 de la segunda parte 66 se enfría haciéndola pasar a través del intercambiador de calor principal 17 y se turboexpande haciéndola pasar a través del turboexpansor secundario 18. La corriente turboexpandida resultante 91 se bifurca en la corriente 92, que pasa a través del dispositivo 14 de control de presión y se recicla al compresor de aire primario, y en la corriente 93 que se enfría en el intercambiador de calor principal 17, se pasa a través de la válvula 33 y se reúne con la corriente 64 de descarga del turboexpansor primario para formar la corriente 94 que se hace pasar a la columna 20 de presión superior de la planta de separación criogénica de aire 65. La realización de la invención ilustrada en la Figura 2 es particularmente ventajosa cuando la descarga del compresor de refuerzo 15 es insuficiente para calentar la corriente 86 de oxígeno vaporizante. La bifurcación de la corriente 91 de turboexpansión caliente en las corrientes 92 y 93 se emplea ventajosamente en situaciones en las que el flujo de la corriente de reciclo 92 es superior a la requerida para suministrar los flujos deseados del producto líquido. Aumentando el flujo de la corriente 93, denominada corriente de derivación de reciclo, puede reducirse el consumo de energía del procedimiento, permitiendo una producción más eficaz de producto líquido.
Ahora con la práctica de esta invención en la que al menos una porción de la descarga caliente de turbina se recicla al compresor de aire primario en una posición entre etapas, puede realizarse eficazmente la separación criogénica de aire con el uso de múltiples turboexpansores. La planta de separación criogénica de aire puede comprender una única columna, o puede comprender tres o más columnas, tal como cuando la planta de separación criogénica de aire comprende una doble columna con una columna con un brazo lateral para argón. Los compresores de refuerzo 15 y 31 pueden ser accionados por un motor externo o por el trabajo del árbol de la expansión derivada de los turboexpansores 18 y 19.

Claims (10)

  1. \global\parskip0.970000\baselineskip
    1. Un método para realizar una separación criogénica de aire, que comprende:
    (A) comprimir aire de alimentación en un compresor de aire primario que tiene una pluralidad de primera a enésima etapas de compresión para producir aire de alimentación comprimido;
    (B) hacer pasar una primera parte del aire de alimentación comprimido a un intercambiador de calor principal, donde se enfría por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno, turboexpandir la primera parte enfriada retirada del intercambiador de calor principal y hacer pasar la primera parte turboexpandida a una planta de separación criogénica de aire;
    (C) comprimir más una segunda parte del aire de alimentación comprimido, hacer pasar la segunda parte más comprimida al intercambiador de calor principal, donde se enfría por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno, turboexpandir al menos una porción de la segunda parte enfriada retirada del intercambiador de calor principal, volver a introducir la segunda parte turboexpandida en el intercambiador de calor principal y reciclar al menos algo de la segunda parte turboexpandida tras haber cruzado parcialmente el intercambiador de calor principal, al aire de alimentación entre las etapas de compresión primera y enésima;
    (D) producir oxígeno líquido en la planta de separación criogénica de aire, retirar oxígeno líquido de la planta de separación criogénica de aire, y hacerlo pasar a través del intercambiador de calor principal, donde se evapora por intercambio de calor indirecto tanto con la primera parte de enfriamiento del aire de alimentación como con la segunda parte de enfriamiento del aire de alimentación, para producir oxígeno gaseoso; y
    (E) recuperar oxígeno gaseoso como producto.
  2. 2. El método de la reivindicación 1, en el que se reúne una porción de la segunda parte turboexpandida con la primera parte turboexpandida y se hace pasar a la planta de separación criogénica de aire.
  3. 3. El método de la reivindicación 1, que comprende además recuperar oxígeno líquido de la planta de separación criogénica de aire.
  4. 4. El método de la reivindicación 1, que comprende además producir nitrógeno líquido en la planta de separación criogénica de aire y recuperar nitrógeno líquido de la planta de separación criogénica de aire.
  5. 5. Aparato para realizar una separación criogénica de aire que comprende:
    (A) un compresor de aire primario que tiene una pluralidad de primera a enésima etapas de compresión, un intercambiador de calor principal, un turboexpansor primario y una planta de separación criogénica de aire;
    (B) medios para hacer pasar aire de alimentación a la primera etapa del compresor de aire primario y medios para retirar el aire de alimentación desde la enésima etapa del compresor de aire primario;
    (C) medios para hacer pasar el aire de alimentación desde la enésima etapa del compresor de aire primario al intercambiador de calor principal, desde el intercambiador de calor principal al turboexpansor primario y desde el turboexpansor primario a la planta de separación criogénica de aire;
    (D) un compresor de refuerzo, un turboexpansor secundario, medios para hacer pasar el aire de alimentación desde la enésima etapa del compresor de aire primario al compresor de refuerzo, desde el compresor de refuerzo al intercambiador de calor principal, desde el intercambiador de calor principal al turboexpansor secundario y desde el turboexpansor secundario al compresor de aire primario entre la primera y enésima etapas de compresión; y
    (E) medios para hacer pasar oxígeno líquido desde la planta de separación criogénica de aire al intercambiador de calor principal y medios para recuperar oxígeno gaseoso desde el intercambiador de calor principal.
  6. 6. El aparato de la reivindicación 5, en el que el compresor de aire primario tiene al menos 3 etapas de compresión.
  7. 7. El aparato de la reivindicación 5, en el que los medios para pasar oxígeno líquido desde la planta de separación criogénica de aire hasta el intercambiador de calor principal comprenden una bomba de líquidos.
  8. 8. El aparato de la reivindicación 5, en el que la planta de separación criogénica de aire comprende una doble columna que comprende una columna de presión superior y una columna de presión inferior.
  9. 9. El aparato de la reivindicación 8, en el que los medios para hacer pasar aire de alimentación desde el turboexpansor primario hasta la planta de separación criogénica de aire comunican con la columna de presión superior.
  10. 10. El aparato de la reivindicación 5, que comprende además medios para hacer pasar aire de alimentación desde el turboexpansor secundario hasta la planta de separación criogénica de aire.
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