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.Info
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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.
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]
\hskip1cmg: 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).
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