ES2242331T3 - Procedimiento y dispositivo para la descomposicion del aire de baja temperatura. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la descomposicion del aire de baja temperatura.

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ES2242331T3 ES99112289T ES99112289T ES2242331T3 ES 2242331 T3 ES2242331 T3 ES 2242331T3 ES 99112289 T ES99112289 T ES 99112289T ES 99112289 T ES99112289 T ES 99112289T ES 2242331 T3 ES2242331 T3 ES 2242331T3
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Abstract

Procedimiento para la descomposición del aire a baja temperatura, en el que se introduce el aire de partida (1) en una primera columna rectificadora (3) y se toma de un depósito (24, 16) dentro de la primera columna rectificadora (3) una fracción de transferencia (6, 7) de densidad p en estado líquido, se sobreenfría esta fracción por intercambio de calor indirecto (8), se deja que se expanda (14, 14a, 18) y se la conduce a un paso adicional (5, 23) del procedimiento, en donde el nivel del líquido en el depósito (24, 16) se encuentra a un primer nivel h1 y está a una primera presión p1, la fracción de transferencia expandida es alimentada al paso adicional (5, 23) del procedimiento a un segundo nivel más alto h2 (h2 > h1) y a una segunda presión más baja (p2 < p1), la diferencia de las dos presiones Ap = p1 - p2 es menor que la presión hidrostática (Phidr = p u gu [h2 - h1]) generada por una columna de líquido de la fracción de transferencia entre los niveles primero y segundo Ap = p1 - p2< p u g u [h2 - h1] (g: aceleración terrestre).

Description

Procedimiento y dispositivo para la descomposición del aire a baja temperatura.
La invención concierne a un procedimiento para la descomposición del aire a baja temperatura según el preámbulo de la reivindicación 1.
Procedimientos y dispositivos pertinentes de descomposición del aire están descritos, por ejemplo, en Hausen/Lin-
de, Tieftemperaturtechnik, segunda edición 1985, capítulo 4 (páginas 281 a 337). La invención concierne especialmente a sistemas de dos columnas con una columna de presión y con una columna de baja presión dispuesta por encima de la columna de presión, y/o a sistemas de varias columnas con columnas de separación adicionales para la separación de nitrógeno y oxígeno. La columna de presión representa en este caso la "primera columna rectificadora" en el sentido de la invención; la rectificación en la columna de baja presión y/o la evaporación en el condensador de cabeza de la columna de argón bruto es el "paso adicional del procedimiento". La "fracción de transferencia" está formada aquí por el líquido del sumidero o un líquido intermedio de la columna de presión, que se introduce en la columna de baja presión o en la cámara de evaporación del condensador de cabeza de la columna de argón bruto.
La invención concierne especialmente a procedimientos de doble columna como los que se han representado en las figuras 4.21, 4.23, 4.26, 4.28 y 4.34 del capítulo 4.5 de Hausen/Linde. A diferencia de los ejemplos incluidos en Hausen/Linde, el intercambio de materias, preferiblemente en al menos una columna de separación (por ejemplo, columna de baja presión y/o columna de argón bruto), se produce en la invención al menos en parte por medio de cuerpos de relleno o un empaquetamiento ordenado.
La fracción de transferencia se acumula dentro de la primera columna rectificadora en un depósito que está formado por el sumidero de esta columna o por una taza situada en la columna. El nivel del líquido en este depósito fija el "primer nivel" h1 en el sentido de la invención. La fracción de transferencia es conducida de este depósito a un recipiente en el que se realiza un paso adicional del procedimiento, por ejemplo la columna de baja presión o la cámara de evaporación de un condensadorevaporador (por ejemplo, condensador de cabeza de la columna de argón bruto). El sitio de alimentación a este paso adicional del procedimiento define el "segundo nivel más alto" en el sentido de la invención.
Desde hace algunos años, se viene imponiendo cada vez más la utilización de estructuras internas de baja pérdida de presión en las columnas de descomposición de aire, dado que presentan una serie de ventajas. Instalaciones de descomposición del aire, en las que se utilizan rellenos empaquetados en la parte de baja presión de una columna doble, se han descrito, por ejemplo, en los documentos EP 321163 A, WO 9319335, WO 9319336 o EP 628777 A.
Un inconveniente del empleo de rellenos empaquetados consiste en que se incrementa perceptiblemente la altura de construcción en comparación con columnas de platos. En este caso, puede aplicarse la inecuación indicada en las reivindicaciones, es decir que la diferencia de presión entre la columna de presión y la columna de baja presión o entre la columna de presión y la cámara de evaporación del condensador de cabeza de la columna de argón bruto ya no es suficiente para superar la presión hidrostática correspondiente de una columna de líquido de la fracción de transferencia. Mientras que esta situación se puede presentar en algunas instalaciones incluso en el funcionamiento normal a plena carga, aparece con frecuencia particularmente en casos de funcionamiento especiales, particularmente en caso de un funcionamiento con carga insuficiente, es decir, con una cantidad de producto y de material de partida menor que en el funcionamiento a plena carga.
El problema se ha mencionado básicamente ya en el documento EP 567360 A y se ha resuelto mediante la alimentación de un "gas de aligeramiento" aguas abajo de la válvula.
La invención se basa en el problema de mejorar aún más el procedimiento antes citado y el dispositivo correspondiente.
Este problema se resuelve con la particularidad caracterizadora de la reivindicación 1.
En el marco de la invención se ha comprobado que es posible que el "gas de aligeramiento" en el sentido del documento EP 567360 A se obtenga directamente de la propia fracción de transferencia. Se evitan con ello los inconvenientes del método descrito en el documento EP 567360 A, y particularmente en la transferencia de líquido enriquecido en oxígeno desde la columna de presión no son necesarios ni un consumo de aire comprimido como "gas de aligeramiento" ni pasos adicionales complicados para la generación de "gas de aligeramiento" a partir de la fracción de transferencia; incluso se suprime una regulación adicional.
Se requiere para esto una disposición de la válvula de expansión a un nivel intermedio adecuado entre los niveles primero y segundo. La fijación concreta de este nivel intermedio es diferente para cada ejecución especial de la invención, pero puede determinarse sin dificultades con ayuda de las herramientas de cálculo que están disponibles para el experto cuando se prefije como grado de libertad la altura del nivel intermedio. En casos típicos, se dispone la válvula de expansión a un nivel intermedio de
hz = h1 + x \cdot (h2 - h1)
en donde x vale 30 a 80%, preferiblemente 40 a 70%.
Este diseño tiene que realizarse para un caso de funcionamiento determinado, por ejemplo para la puesta en marcha de la instalación. En otro ejemplo se diseña la disposición de la válvula de expansión para el caso de carga insuficiente durante el funcionamiento estacionario de la instalación; en ciertas circunstancias, tienen que estar previstos entonces unos medios adicionales para transportar el líquido de transferencia al "paso adicional del procedimiento" durante la puesta en marcha de la instalación; se pueden utilizar para esto métodos usuales de transporte de líquido (bomba mecánica, inyección de gas externo, etc.; como alternativa o adicionalmente, se puede aumentar el nivel de presión en la primera columna rectificadora durante la puesta en marcha.
En el procedimiento según la invención es favorable que la fracción de transferencia sea sobreenfriada, antes de la expansión, por intercambio de calor indirecto. Se evita así total o parcialmente la formación de una mezcla bifásica aguas arriba de la expansión, de modo que se produzca únicamente durante la expansión la deliberada formación de burbujas de vapor según la invención. El sobreenfriamiento se efectúa en general en las proximidades del primer nivel.
Preferiblemente, se realiza un sobreenfriamiento justamente tan fuerte que la fracción de transferencia se presente ya por completo o sustancialmente por completo en forma líquida inmediatamente aguas arriba de la expansión, pero no esté ya sobreenfriada.
En el diseño de una instalación se realiza esto prácticamente de modo que primero se fija el sobreenfriamiento. La medida del sobreenfriamiento de la fracción de transferencia se determina en general con independencia del proceso de transporte del líquido y se determina por otros criterios, por ejemplo la tendencia a generar relativamente poco gas de desprendimiento súbito al efectuar la alimentación al segundo recipiente. El proceso de expansión, especialmente la disposición de la válvula de expansión, se determina a continuación de modo que, con el sobreenfriamiento prefijado, la fracción de transferencia se presente justamente todavía en estado líquido monofásico inmediatamente antes de la expansión y no se presenten un sobreenfriamiento apreciable ni burbujas de vapor en cantidad apreciable.
La invención concierne, además, a un dispositivo para la descomposición del aire a baja temperatura según las reivindicaciones 3 y 4.
La invención y otros detalles de la misma se explican seguidamente de forma más pormenorizada haciendo referencia a un ejemplo de ejecución representado esquemáticamente en el dibujo. En el ejemplo de ejecución se muestra tanto la transferencia de líquido del sumidero de la columna de presión y de nitrógeno de la columna de presión a la columna de baja presión como la obtención de argón con traspaso de líquido del sumidero de la columna de presión al condensador de una columna de argón bruto.
En el procedimiento representado en el esquema se enfría aire purificado 1 bajo una presión de 4 a 20 bares, preferiblemente 5 a 12 bares, en un intercambiador de calor 2 hasta aproximadamente el punto de rocío en contra de corrientes de producto y se alimenta dicho aire a la columna de presión 3 de un equipo rectificador de dos etapas. La columna de presión 3 está en relación de intercambio de calor con una columna de baja presión 5 a través de un condensador-evaporador común 4.
Líquido 6 del sumidero y nitrógeno 7 son retirados de la columna de presión 3, sobreenfriados en un circulador 8 de contracorriente e introducidos con estrangulación al menos en parte en la columna 5 de baja presión. Oxígeno 9, nitrógeno 10 y nitrógeno impuro 11 son retirados de la columna de baja presión en forma gaseosa. Los productos pueden ser retirados también al menos parcialmente en estado líquido (oxígeno 9a, nitrógeno l0a).
En la columna de presión el sumidero forma un depósito 24 para el líquido de la columna que sale del tramo más inferior de intercambio de materias. El líquido del sumidero, que se acumula en este depósito, forma la fracción de transferencia en el sentido de la invención. El "primer nivel" h1 viene determinado por el nivel del líquido en el sumidero de la columna de presión. La fracción de transferencia 6 es sobreenfriada en el circulador 8 de contracorriente. La fracción de transferencia sobreenfriada afluye en una primera parte 13 a una válvula de expansión 14 que está dispuesta al nivel hz. Durante la expansión 14 se genera tanto vapor que la diferencia de presión remanente es suficiente para presionar la fracción de transferencia como mezcla bifásica 15 hacia la columna de baja presión, concretamente en el "segundo nivel" h2. En un ejemplo numérico concreto se cumple:
h1 = 3100 mm
hz = 22100 mm
h2 = 46100 mm
El método según la invención de traspaso de un líquido puede aplicarse exactamente igual al nitrógeno líquido 7 procedente de la columna de presión como "fracción de transferencia" (adicional). El "primer nivel" está formado en este caso por el nivel del líquido dentro de la taza 16, en la que se recoge el líquido que viene del condensador principal 4. Se efectúa nuevamente un sobreenfriamiento en el circulador 8 de contracorriente. El nitrógeno sobreenfriado 17 pasa a una válvula de expansión 18 que está dispuesta a un nivel intermedio hz' y, por último, sigue hasta el sitio de alimentación 19 ("segundo nivel" h2') en la cabeza de la columna de baja presión.
Si se obtiene adicionalmente argón, tal como se representa en el dibujo, la invención puede aplicarse también al transporte de una fracción de transferencia líquida hasta la cámara de evaporación del condensador de cabeza de una columna de argón bruto. La columna de argón bruto está formada en el ejemplo por dos tramos 20a, 20b cuya función se ha descrito con detalle en la patente europea EP 628777 B1 y en la patente norteamericana correspondiente US 5426946. La invención puede utilizarse en cualquier clase conocida de obtención de argón bruto en la que una fracción de oxígeno 21 que contiene argón, procedente de la columna 5 de baja presión, sea introducida en una columna de argón bruto, produciéndose en la zona superior de la columna de argón bruto un producto de argón 22a, 22b, empobrecido en oxígeno, en estado gaseoso y/o líquido.
La fracción de transferencia adicional está formada en el ejemplo representado en el dibujo por una parte 13a del líquido sobreenfriado 6 del sumidero de la columna de presión 5. Ésta se expande en una válvula de expansión 14a que está dispuesta a un nivel intermedio. Este nivel intermedio está situado en el ejemplo a la misma altura o aproximadamente a la misma altura que el nivel intermedio hz. La fracción de transferencia 15a - expandida en 14a - del sumidero 12 de la columna de presión 3 es introducida a un "segundo nivel" h2'' en la cámara de evaporación 23 del condensador de cabeza de la columna de argón bruto.

Claims (4)

1. Procedimiento para la descomposición del aire a baja temperatura, en el que se introduce el aire de partida (1) en una primera columna rectificadora (3) y se toma de un depósito (24, 16) dentro de la primera columna rectificadora (3) una fracción de transferencia (6, 7) de densidad \rho en estado líquido, se sobreenfría esta fracción por intercambio de calor indirecto (8), se deja que se expanda (14, 14a, 18) y se la conduce a un paso adicional (5, 23) del procedimiento, en donde
-
el nivel del líquido en el depósito (24, 16) se encuentra a un primer nivel h1 y está a una primera presión p1,
-
la fracción de transferencia expandida es alimentada al paso adicional (5, 23) del procedimiento a un segundo nivel más alto h2 (h2 > h1) y a una segunda presión más baja (p2 < p1),
-
la diferencia de las dos presiones \Deltap = p1 - p2 es menor que la presión hidrostática (\rho_{hidr} = \rho \cdot g\cdot [h2 - h1]) generada por una columna de líquido de la fracción de transferencia entre los niveles primero y segundo
\Deltap = p1 - p2 < \rho \cdot g \cdot [h2 - h1] 
\hskip1cm
(g: aceleración terrestre),
caracterizado porque la expansión (14, 14a, 18) se realiza de modo que las burbujas de gas que se producen durante la expansión reducen la densidad de la fracción de transferencia hasta el punto de que la diferencia de presión \Deltap es suficiente para alimentar la fracción de transferencia al paso adicional (5, 23) del procedimiento, no alimentándose una corriente gaseosa o líquida a la fracción de transferencia aguas debajo de la expansión (14, 14a, 18) ni alimentándose una corriente líquida a la fracción de transferencia entre el sobreenfriamiento (8) y la expansión (14, 14a, 18).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el sobreenfriamiento (8) se realiza de modo que la fracción de transferencia (13, 13a, 17) se presente por completo o sustancialmente por completo en forma líquida inmediatamente aguas arriba de la expansión (14, 14a, 18).
3. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la reivindicación 1, que está diseñado para al menos un caso de funcionamiento y que presenta una primera columna rectificadora (3) con un depósito (24, 16) para una fracción de transferencia líquida y una tubería de líquido (6 - 13 - 15, 6 - 13a - 15a, 7 - 17 - 19) que está unida con el depósito (24, 16) de la primera columna rectificadora (3) y con un recipiente adicional (5, 23), que presenta una válvula de expansión (14, 14a, 18) entre estas uniones y que, aguas arriba de la válvula de expansión (14, 14a, 18), se extiende a través de un intercambiador de calor (8) para enfriar la fracción de transferencia por intercambio de calor indirecto, en donde
-
en el caso de funcionamiento, el nivel del líquido en el depósito (24, 16) se encuentra a un primer nivel h1 y está a una primera presión p1,
-
en el recipiente adicional (5, 23) reina en el caso de funcionamiento una segunda presión (p2) en el sitio de la unión entre la tubería de líquido (15, 15a, 19) y el recipiente adicional (5, 23),
-
el sitio de unión entre la tubería de líquido (15, 15a, 19) y el recipiente adicional (5, 23) está dispuesto a un segundo nivel más alto h2 (h2 > h1),
-
la diferencia de las dos presiones \Deltap = p1 - p2 en el caso de funcionamiento es menor que la presión hidrostática (\rho_{hidr} = \rho g [h2 - h1]) generada por una columna de líquido de la fracción de transferencia entre los niveles primero y segundo:
\Deltap = p1 - p2 < \rho g [h2 -h1] 
\hskip1cm
g: aceleración terrestre,
caracterizado porque la válvula de expansión (14, 14a, 18) está dispuesta de modo que en el caso de funcionamiento las burbujas de gas que se producen durante la expansión reducen al expandirse la densidad de la fracción de transferencia hasta el punto de que la diferencia de presión Ap es suficiente para alimentar la fracción de transferencia al recipiente adicional (5, 23), no alimentándose una corriente gaseosa o bifásica a la fracción de transferencia aguas abajo de la válvula de expansión (14, 14a, 18) ni alimentándose una corriente líquida a la fracción de transferencia entre el intercambiador de calor (8) y la válvula de expansión (14, 14a, 18).
4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el intercambiador de calor (8) está dispuesto de modo que en el caso de funcionamiento la fracción de transferencia se presenta por completo o sustancialmente por completo en forma líquida inmediatamente aguas arriba de la válvula de expansión (14, 14a, 18).
ES99112289T 1999-05-12 1999-06-25 Procedimiento y dispositivo para la descomposicion del aire de baja temperatura. Expired - Lifetime ES2242331T3 (es)

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