ES2200417T3 - Sistema de rectificacion criogenica para producir nitrogeno de pureza ultra alta y oxigeno de pureza ultra alta. - Google Patents

Sistema de rectificacion criogenica para producir nitrogeno de pureza ultra alta y oxigeno de pureza ultra alta.

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ES2200417T3 ES99103064T ES99103064T ES2200417T3 ES 2200417 T3 ES2200417 T3 ES 2200417T3 ES 99103064 T ES99103064 T ES 99103064T ES 99103064 T ES99103064 T ES 99103064T ES 2200417 T3 ES2200417 T3 ES 2200417T3
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Abstract

SISTEMA PARA PRODUCCION DE NITROGENO Y OXIGENO DE PUREZA ULTRAELEVADA CON UNA ELEVADA RECUPERACION MEDIANTE RECTIFICACION CRIOGENICA DEL AIRE DE ALIMENTACION QUE UTILIZA UNA COLUMNA PRINCIPAL, UNA COLUMNA AUXILIAR Y UNA COLUMNA DE DESTILACION, EN DONDE LA COLUMNA DE DESTILACION ES ACCIONADA POR EL FLUIDO DEL CAZO DE LA COLUMNA PRINCIPAL Y EL FLUIDO ADICIONAL DE PROCESO GENERADO EN LA COLUMNA AUXILIAR ES UTILIZADO EN LA COLUMNA PRINCIPAL.

Description

Sistema de rectificación criogénica para producir nitrógeno de pureza ultra alta y oxígeno de pureza ultra alta.
Campo técnico
Este invento se refiere a una método y a un aparato para producir nitrógeno de pureza ultra alta y oxígeno de pureza ultra alta por rectificación criogénica de aire de alimentación.
Técnica anterior
Se requiere nitrógeno de pureza ultra alta, particularmente a presión elevada, para procesos de fabricación que son muy sensibles a contaminantes, tales como en la producción de semiconductores y otros componentes electrónicos. Se puede producir efectivamente nitrógeno de pureza ultra alta por la rectificación criogénica de aire de alimentación. Ha surgido recientemente una necesidad de utilización de oxígeno de pureza ultra alta, junto con nitrógeno de pureza ultra alta, en dichos procesos de fabricación. Se puede producir oxígeno de pureza ultra alta utilizando una planta convencional de rectificación criogénica para la producción de nitrógeno de pureza ultra alta; sin embargo, dicho sistema reduce la recuperación del nitrógeno de pureza ultra alta y conduce a un consumo de energía mayor comparado con la disposición de nitrógeno de pureza ultra alta convencional para cualquier cantidad dada de nitrógeno producido.
Por consiguiente, es un objetivo de este invento proporcionar un sistema de rectificación criogénica que pueda producir tanto nitrógeno de pureza ultra alta como oxígeno de pureza ultra alta, a la vez que reduce las penalizaciones de recuperación de nitrógeno y de consumo de energía experimentadas hasta ahora con los sistemas conocidos.
Sumario del invento
El objetivo anterior se consigue por medio del presente invento, un aspecto del cual es un
método para producir nitrógeno de pureza ultra alta y oxígeno de pureza ultra alta mediante la rectificación criogénica de aire de alimentación, tal como se define en la reivindicación 1,
y un aparato para producir nitrógeno de pureza ultra alta y oxígeno de pureza ultra alta por rectificación criogénica de aire de alimentación, tal como se define en la reivindicación 6.
Tal como se utiliza aquí, la expresión "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende primordialmente oxígeno y nitrógeno, tal como aire de ambiente.
Tal como se utiliza aquí, el término "columna" significa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, esto es una columna o zona de contacto, en la que fases de líquido y vapor se ponen en contacto en contracorriente para efectuar la separación de una mezcla de fluido, como por ejemplo, por contacto de las fases de vapor y líquido en una serie de bandejas o placas separadas verticalmente montadas dentro de la columna y/o elementos de empaquetamiento, tales como empaquetamiento estructurado o aleatorio. Para un tratamiento adicional de columnas de destilación, véase el Chemical Engineer's Handbook, quinta edición, editado por R. H. Perry y C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, sección 13, El proceso de destilación continua.
Los procesos de separación de vapor y líquido en contacto dependen de la diferencia de presiones de vapor de los componentes. El componente de presión de vapor alta (o más volátil o de bajo punto de ebullición) tenderá a concentrase en la fase de vapor, mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o de alto punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación mediante el cual se puede utilizar el enfriamiento de una mezcla de vapores para concentrar el componente(s) volátil(es) en la fase de vapor y, de ese modo, el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina vaporizaciones y condensaciones parciales sucesivas como las obtenidas por un tratamiento de contracorriente de las fases de vapor y líquido. El contacto en contracorriente de las fases de vapor y líquido es generalmente adiabático y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Las disposiciones de proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas son frecuentemente columnas de rectificación denominadas, de manera intercambiable, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación llevado a cabo, al menos en parte, a temperaturas a o por debajo de 150 grados Kelvin (K).
Tal como se utiliza aquí, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa el llevar los dos fluidos a relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o intermezclado entre los fluidos.
Tal como se utiliza aquí, la expresión "condensador superior" significa un dispositivo de intercambio de calor que genera líquido de flujo descendente de columna, a partir de vapor de columna.
Tal como se utiliza aquí, la expresión "evaporador inferior" significa un dispositivo de intercambio de calor que genera vapor flujo ascendente de columna a partir de líquido de columna.
Tal como se utilizan aquí, los términos "turboexpansión" y "turboexpansor" significan, respectivamente, un método y un aparato para el flujo de gas a alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del gas, generando de ese modo refrigeración.
Tal como se utilizan aquí, las expresiones "porción superior" y "porción inferior" significan aquellas secciones de una columna, respectivamente, por encima y por debajo del punto medio de la columna.
Tal como se utiliza aquí, la expresión "columna de destilación" significa una columna operada con suficiente flujo ascendente de vapor respecto al flujo descendente de líquido para lograr la separación de un componente volátil desde líquido al vapor en el que el componente volátil se resulta cada vez más rico ascendentemente.
Tal como se utiliza aquí, la expresión "nitrógeno de pureza ultra alta" significa un fluido que tiene una concentración de nitrógeno de al menos 99.99 porcentaje molar y que tiene una concentración de oxígeno de menos de 1,0 partes por millón (ppm), preferiblemente menos de 0,1 ppm.
Tal como se utiliza aquí, el término "oxígeno de pureza ultra alta" significa un fluido que tiene una concentración de oxígeno de al menos 99.99 porcentaje molar.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una representación esquemática de una realización preferida del sistema de rectificación criogénica de este invento.
La figura 2 es una representación esquemática de otra realización preferida del sistema de rectificación criogénica de este invento.
La figura 3 es una representación esquemática de otra realización preferida más del sistema de rectificación criogénica de este invento.
Los números de los dibujos son los mismos para elementos comunes.
Descripción detallada
En la práctica de este invento la columna auxiliar, que opera a una presión menor que la de la columna principal, se desacopla de la operación de la columna de destilación de oxígeno de pureza ultra alta porque la columna de destilación es calentada por fluido procedente de la columna principal. Esto permite que la columna auxiliar opere a una presión incluso menor, mejorando, de este modo, la recuperación de nitrógeno de esa columna y, por último, del sistema en general. El invento se describirá con mayor detalle con referencia a los dibujos.
Haciendo referencia ahora a la figura 1, el aire de alimentación 1 se divide en una primera corriente de aire de alimentación 2 y en una segunda corriente de aire de alimentación 3. La primera corriente de aire de alimentación 2 es enfriada por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno en un intercambiador de calor primario 4, y la primera corriente de aire de alimentación enfriada resultante 5 es hecha pasar a la porción inferior de la columna principal 6. La segunda corriente de aire de alimentación 3 es comprimida por el paso a través de un compresor 7, y la segunda corriente de aire de alimentación comprimida 8 es enfriada por el paso parcial por el intercambiador de calor primario 4. La segunda corriente de aire de alimentación comprimida enfriada 9 es turboexpandida por el paso a través del turboexpansor 10 y la segunda corriente de aire de alimentación turboexpandida resultante 11 es hecha pasar a la porción inferior de la columna auxiliar 12.
La columna principal 6 está operando a una presión dentro del intervalo de 655 a 1241 Kpa (95 a 180 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia)). Dentro de la columna principal 6 el primer aire de alimentación es separado, por rectificación criogénica, en fluido enriquecido en oxígeno y fluido más rico en nitrógeno. El fluido enriquecido en oxígeno es retirado de la porción inferior de la columna principal 6 como líquido en la corriente 13, y subenfriado por el paso parcial por el intercambiador de calor primario 4. El líquido enriquecido en oxígeno subenfriado resultante 14 es entonces hecho pasar al lado de ebullición del condensador superior de columna principal 15. El fluido más rico en nitrógeno es retirado de la porción superior de la columna principal 6 como vapor en la corriente 16 y una porción 17 es hecha pasar al lado de condensación del condensador superior 15, en el que se condensa por intercambio de calor indirecto con el líquido enriquecido en oxígeno que es parcialmente vaporizado. El líquido más rico en nitrógeno resultante es hecho pasar en la corriente 18 a la porción superior de la columna principal 6 como reflujo. El vapor enriquecido en oxígeno resultante es retirado del condensador superior de columna principal 15 en la corriente 19, y una porción 20 es hecha pasar a la porción inferior de la columna auxiliar 12.
La columna auxiliar 12 está operando a una presión menor que la de la columna principal 6 y dentro del intervalo de desde 310 a 448 Kpa (45 a 65 psia). Dentro de la columna auxiliar 12, las alimentaciones en esa columna son separadas por rectificación criogénica en fluido enriquecido en nitrógeno y fluido más rico en oxígeno. El fluido más rico en oxígeno es retirado de la porción inferior de la columna auxiliar 12 como líquido en la corriente 21 y hecho pasar al lado de ebullición del condensador superior de columna auxiliar 22. El líquido enriquecido en oxígeno también es hecho pasar al lado de ebullición del condensador superior 22 desde el condensador superior 15 en la corriente 23. Un tercer fluido 24 tomado del hervidor inferior de la columna de destilación de pureza ultra alta, tal como se tratará a continuación, es también hecho pasar al lado de ebullición del condensador superior 22.
El fluido enriquecido en nitrógeno es hecho pasar como corriente de vapor 25 desde la porción superior de la columna auxiliar 12 al lado de condensación del condensador superior de columna auxiliar 22 en el que es condensado por intercambio de calor indirecto con los fluidos pasados al lado de ebullición del condensador superior 22. El líquido enriquecido en nitrógeno resultante es retirado del condensador superior 22 en la corriente 26 y una porción 27 devuelta a la columna auxiliar 12 como reflujo. Una segunda porción 28 del líquido enriquecido en nitrógeno es bombeado a una presión mayor por el paso a través de una bomba de líquido 29 y el líquido enriquecido en nitrógeno presurizado resultante 30 es hecho pasar a la porción superior de la columna principal 6 como reflujo adicional. Si se desea, se puede recuperar una porción 31 del líquido enriquecido en nitrógeno como nitrógeno líquido producto.
La adición del líquido enriquecido en nitrógeno desde la columna auxiliar hasta la columna principal mejora la cantidad y la calidad del reflujo de líquido en la columna principal 6, permitiendo de este modo la producción de fluido más rico en nitrógeno dentro de esa columna tanto a alta recuperación como a pureza ultra alta. Una porción 32 de vapor 16 más rico en nitrógeno es calentada por paso a través del intercambiador de calor primario 4 y recuperada como nitrógeno de pureza ultra alta producto en la corriente 33.
Una porción del fluido más rico en oxígeno es retirada es la porción inferior de la columna auxiliar 12 en la corriente de líquido 34 y hecha pasar a la porción superior, preferiblemente la parte superior, de la columna de destilación 35 como alimentación de columna de destilación. La alimentación de la columna de destilación 35 no ha de contener ningún contaminante pesado, esto es, componentes menos volátiles que el oxígeno, tales como metano, criptón y xenón, para evitar tener cualquiera de estos contaminantes pesados en el producto de oxígeno de pureza ultra alta 42. Esto se puede llevar a cabo retirando la alimentación de una posición intermedia de la columna auxiliar, por ejemplo, por encima del nivel de entrada de aire de alimentación. La alimentación de la columna de destilación pasa por la columna de destilación 35 abajo contra el vapor que fluye hacia arriba y, en el proceso, los componentes más volátiles en la alimentación de la columna de destilación, tales como nitrógeno y argón, son extraídos del líquido que fluye hacia abajo e introducidos en el vapor que fluye hacia arriba, produciendo fluido de oxigeno de pureza ultra alta en la porción inferior de la columna de destilación 35, y vapor sobrante que es extraído de la columna de destilación 35 en la corriente 36. La corriente 36 es combinada con la corriente de vapor 37 del condensador superior de columna auxiliar 22 para formar una corriente residual 38 que es calentada por paso a través del intercambiador de calor primario 4 y retirada del sistema en la corriente 39.
Una porción 40 del vapor enriquecido en oxígeno 19 del condensador superior de columna principal 19 es pasada al hervidor inferior de la columna de destilación 41, en el que es condensado por intercambio de calor indirecto con líquido de oxígeno de pureza ultra alta en la porción inferior de la columna de destilación 35. Una porción de líquido de oxígeno de pureza ultra alta es vaporizada para generar el anteriormente mencionado vapor que fluye hacia arriba en la columna de destilación 35. El líquido enriquecido de oxigeno condensado resultante es hecho pasar del evaporador inferior 41 al condensador superior 22 en la corriente 24, como se describió anteriormente. La porción remanente del fluido de oxígeno de pureza ultra alta es recuperada, como vapor y/o líquido, como oxígeno de pureza ultra alta producto desde la porción inferior de la columna de destilación 35. La realización del invento ilustrada en la figura 1 muestra la recuperación de producto de oxígeno de pureza ultra alta como corriente de líquido 42.
Las figuras 2 y 3 ilustran otras realizaciones preferidas del invento. Los números de las figuras 2 y 3 son los mismos para los elementos comunes, y estos elementos comunes no se describirán de nuevo en detalle.
Haciendo ahora referencia a la figura 2, la alimentación que contiene oxígeno en la columna de destilación 35 es llevada desde la porción inferior de la columna principal 6 por encima del nivel de entrada de aire de alimentación, en lugar de desde la columna auxiliar 12, como en la realización ilustrada en la figura 1. En la realización ilustrada en la figura 2, se retira fluido enriquecido en oxígeno de la porción inferior de la columna principal 6, en la corriente de líquido 50, y se hace pasar a la porción superior de la columna de destilación 35 como la alimentación de columna de destilación.
En la realización del invento ilustrada en la figura 3, fluido enriquecido en oxígeno es hecho pasar desde la columna principal 6 en la corriente 51, como alimentación adicional, a la columna auxiliar 12, y liquido más rico en oxígeno de la columna auxiliar es hecho pasar en la corriente de líquido 34, como en la realización ilustrada en la figura 1, desde la columna auxiliar 12 a la columna de destilación 35 como la alimentación de columna de destilación.

Claims (10)

1. Un método para producir nitrógeno de pureza ultra alta y oxígeno de pureza ultra alta, por rectificación criogénica de aire de alimentación, que comprende:
(A)
Hacer pasar un primer aire de alimentación (2) a una columna principal 6 y separar el primer aire de alimentación dentro de la columna principal, por rectificación criogénica, en liquido enriquecido en oxígeno y vapor más rico en nitrógeno;
(B)
Hacer pasar un segundo aire de alimentación (3) a una columna auxiliar (12), que opera a una presión menor que la de la columna principal (6) y separar el segundo aire de alimentación, dentro de la columna auxiliar, por rectificación criogénica, en vapor enriquecido en nitrógeno y líquido más rico en oxígeno;
(C)
condensar vapor enriquecido en nitrógeno (30), tomado de la columna auxiliar (12), y pasar el líquido enriquecido en nitrógeno resultante (30) a la porción superior de la columna principal (6);
(D)
hacer pasar líquido más rico en oxígeno (34) desde la columna auxiliar (12), o liquido enriquecido en oxígeno (50) desde la columna principal (6), a la porción superior de una columna de destilación (35) y hacia abajo de la columna de destilación contra vapor que fluye hacia arriba, para producir fluido de oxigeno de pureza ultra alta en la porción inferior de la columna de destilación;
(E)
vaporizar una porción del liquido enriquecido en oxígeno (13) por intercambio de calor indirecto con vapor más rico en nitrógeno, para producir vapor enriquecido en oxígeno (19);
(F)
vaporizar una porción del fluido de oxígeno de pureza ultra alta por intercambio indirecto de calor con una porción (40) del vapor enriquecido en oxígeno (19), para producir dicho vapor que fluye hacia arriba;
(G)
recibir otra porción de fluido de oxígeno de pureza ultra alta como oxígeno de pureza ultra alta producto (42); y
(H)
recuperar vapor más rico en nitrógeno (16) como nitrógeno de pureza ultra alta producto (33).
2. El método de la reivindicación 1, en el que en el paso (D), el líquido enriquecido en oxígeno (34) es retirado de una porción intermedia de la columna auxiliar (12) en una posición por encima del nivel de entrada de aire de alimentación.
3. El método de la reivindicación 1, en el que en el paso (D), el líquido enriquecido en oxígeno (50) es retirado de la porción inferior de la columna principal (6), en una posición por encima del nivel de entrada de aire de alimentación.
4. El método de la reivindicación 1, que además comprende hacer pasar fluido enriquecido en oxígeno (51) desde la columna principal (6) a la columna auxiliar (12).
5. El método de la reivindicación 1, que además comprende recuperar una porción (31) del líquido enriquecido en nitrógeno (30) de la columna auxiliar (12).
6. Un aparato para producir nitrógeno de pureza ultra alta y oxígeno de pureza ultra alta, por rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende:
(A)
una columna principal (6), que tiene un condensador superior (15) y medios para pasar aire de alimentación a la columna principal;
(B)
una columna auxiliar (12), que opera a una presión menor que la de la columna principal (6), y que tiene un condensador superior (22) y medios para pasar aire de alimentación a la columna auxiliar;
(C)
una columna de destilación (35) que tiene un hervidor inferior (41);
(D)
medios para hacer pasar líquido enriquecido en oxígeno (13) desde la porción inferior de la columna principal (6) al condensador superior de columna principal (15), y desde el condensador superior de columna principal al evaporador inferior de columna de destilación (41);
(E)
medios para pasar vapor enriquecido en nitrógeno (25) desde la porción superior de la columna auxiliar (12) al condensador superior de columna auxiliar (22), y medios para pasar líquido enriquecido en nitrógeno (26) desde el condensador superior de columna auxiliar a la porción superior de la columna principal (6);
(F)
medios para hacer pasar líquido más rico en oxígeno (34) o líquido enriquecido en oxígeno (50) desde, al menos, una de la columna principal (6) y la columna auxiliar (12), a la porción superior de la columna de destilación; y
(G)
medios para recuperar oxígeno de pureza ultra alta de la porción inferior de la columna de destilación (35), y medios para recuperar nitrógeno de pureza ultra alta de la porción superior de la columna principal (6).
7. El aparato de la reivindicación 6, en el que los medios para hacer pasar líquido enriquecido en nitrógeno (26) desde el condensador superior de columna auxiliar (22) a la porción superior de la columna principal (6), incluyen una bomba de líquido (29).
8. El aparato de la reivindicación 6, que comprende además medios para hacer pasar líquido enriquecido en oxígeno de la porción inferior de la columna principal (6) a la porción inferior de la columna auxiliar (12).
9. El aparato de la reivindicación 6, que comprende además medios para hacer pasar vapor enriquecido en oxígeno (20) desde el condensador superior de columna principal (15) a la porción inferior de la
columna auxiliar (12).
10. El aparato de la reivindicación 6, en el que los medios para hacer pasar aire de alimentación a la columna auxiliar (12) incluye un turboexpansor (10).
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