ES2144571T5

ES2144571T5 - Metodo de separacion de gases atmosfericos.

Info

Publication number: ES2144571T5
Application number: ES95301381T
Authority: ES
Inventors: Kevin Mckeigue; Ramachandran Krishnamurthy
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 2007-09-16
Anticipated expiration: 2015-03-03
Also published as: PL307631A1; PL180037B1; AU679600B2; AU1228195A; HU214052B; DE69515068D1; HU9500640D0; CN1103040C; DE69515068T2; MY114260A; CN1109965A; TW262392B; CA2140561C; NO307905B1; CZ286306B6; JP3678787B2; CZ286246B6; CZ61295A3; SK282908B6; FI951125A0

Abstract

SE DESCRIBE UN METODO PARA SEPARAR CRIOGENICAMENTE UNA MEZCLA DE GASES ATMOSFERICOS DENTRO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION. DE ACUERDO CON EL METODO, LAS FASES LIQUIDAS Y GASEOSAS DE LA MEZCLA DE GASES ATMOSFERICOS QUE DEBEN SEPARARSE, SON PASADAS CONTRA-CORRIENTE A TRAVES DE UNA EMPAQUETADURA ESTRUCTURADA. LA COLUMNA ES ACCIONADA A UNA PRESION MAYOR DE 2 BARS Y A UN CAUDAL DE VAPOR MENOR QUE EL CAUDAL DE VAPOR CRITICO AL CUAL LA COLUMNA SE LLENA, Y QUE VARIA CON EL CAUDAL DE LIQUIDO. EL CAUDAL DE VAPOR CRITICO Y MINIMO CON LOS CUALES SE LLENA LA COLUMNA, SE ESTABLECEN DE ACUERDO CON DATOS DE EXPERIMENTACION PARA LA UTILIZACION MAXIMA DE LA COLUMNA EN TERMINOS DE VOLUMEN DE EMPAQUETAMIENTO O CAPACIDAD DE TRATAMIENTO DE LA COLUMNA. LA REALIZACION DE LA EMPAQUETADURA ESTRUCTURADA MEJORA SORPRENDENTEMENTE CON EL INCREMENTO DE LA PRESION. POR CONSIGUIENTE, LAS COLUMNAS DE UNA FUNCION DADA (EJ. CAPACIDAD) PUEDEN SER PRODUCIDAS UTILIZANDO UN VOLUMEN MENOR DE EMPAQUETADURA ESTRUCTURADA QUE EL QUE HASIDO PREDICHO TEORICAMENTE. ADICIONALMENTE, EL CUMPLIMIENTO DE LA SEPARACION EN TERMINOS DE HETP, SE INCREMENTA CON EL AUMENTO DE LA PRESION YA QUE LA ALTURA EN TECNICAS PREVIAS DE LA EMPAQUETADURA ESTRUCTURADA PUEDE UTILIZARSE PARA OBTENER UNA SEPARACION PARTICULAR.

Description

Método de separación de gases atmosféricos.

La presente invención se refiere a un método para separar criogénicamente una mezcla de gases atmosféricos en una columna de destilación. Más particularmente, la presente invención se refiere a un método en el que las fases líquida descendente y gaseosa ascendente de la mezcla se ponen en contacto mediante el uso de una empaquetadura estructurada para efectuar la separación entre los componentes de la mezcla de gases atmosféricos.

Las mezclas de gases atmosféricos, esto es mezclas de gases que se encuentran en el aire, por ejemplo nitrógeno, oxígeno y argón, o el propio aire, se separan en diversos sistemas de destilación criogénica que se optimizan para la producción de los componentes deseados del gas atmosférico. Típicamente, el aire se comprime y se purifica en primer lugar y se enfría a continuación a temperaturas criogénicas que coinciden o están muy cerca de su punto de rocío. El aire enfriado se introduce en una columna de destilación en la que tiene lugar la separación y su vapor asciende por la columna. Una porción de la fase de vapor ascendente se condensa para someter la columna a reflujo y originar con ello una fase líquida descendente. La fase líquida descendente se pone en contacto con la fase gaseosa ascendente por medio de cualquiera de una diversidad de elementos de contacto bien conocidos, de modo que la fase líquida se va haciendo más concentrada en los componentes de volatilidad más baja, al tiempo que la fase gaseosa ascendente se va haciendo cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más
alta.

El sistema de destilación puede incluir una columna sencilla para preparar un producto de nitrógeno gaseoso o una serie de columnas para refinar adicionalmente el aire y para preparar productos de nitrógeno, oxígeno y argón. Se pueden utilizar columnas adicionales para separar y producir otros componentes del aire.

Los elementos contactantes de líquido y gas, que se utilizan para poner en contacto las fases líquida descendente y gaseosa ascendente de la mezcla, se pueden proporcionar por diversas clases de empaquetaduras y platos. La empaquetadura estructurada se ha convertido en un elemento contactante de líquido y gas popular para la separación criogénica de la mezcla de gases atmosféricos debido a su característica de baja caída de presión. Esta característica de baja caída de presión hace posible la consecución de ventajas tales como costes de energía más bajos y mayor producción. Sin embargo, la empaquetadura estructurada era de coste alto en comparación con el coste de platos
convencionales.

El documento US-A-5 132 056 describe:

: un método para separar criogénicamente una mezcla de argón y oxígeno en una columna de destilación, comprendiendo dicho método:

: formar fases de líquido descendente y de vapor ascendente de la mezcla de los gases atmosféricos en la columna de destilación; y

: poner en contacto dichas fases de líquido descendente y de vapor ascendente de dicha mezcla dentro de la empaquetadura estructurada contenida en al menos una sección de la columna de destilación, de modo que la fase de líquido descendente se haga cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más baja de la mezcla a medida que desciende a través de dicha empaquetadura estructurada, al tiempo que la fase de vapor se hace cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más alta de la mezcla a medida que asciende a través de la empaquetadura estructurada.

En un ejemplo de este método, la empaquetadura estructurada tenía un área superficial de aproximadamente 350 m^{2}/m^{3} y las corrugaciones eran de 45º respecto a la vertical. La empaquetadura se utilizaba para preparar una mezcla de argón y oxígeno a una presión de cabeza de la columna de 1,54 kg/cm^{2} absoluta, una presión de menos de
2 bar.

Una creencia sostenida durante mucho tiempo en la técnica anterior es que el comportamiento de las empaquetaduras estructuradas se deteriora al aumentar la presión. Sin embargo, los autores de la presente invención han encontrado, sorprendentemente, que el comportamiento de las empaquetaduras estructuradas se puede mejorar al aumentar la presión, cuando la mezcla que se ha de separar es una mezcla de gases atmosféricos. Este hecho se puede poner en práctica para producir columnas de mayor capacidad utilizando volúmenes más pequeños de empaquetaduras estructuradas de los que se han considerado previamente. La disminución de volumen de la empaquetadura estructurada disminuye la inversión de capital necesaria en la fabricación de una columna de destilación.

La presente invención se refiere a un método de separar criogénicamente una mezcla de gases atmosféricos en una columna de destilación, según se define en las reivindicaciones. De acuerdo con el método, en la columna de destilación se forman las fases líquida descendente y gaseosa ascendente de la mezcla de gases atmosféricos. Las fases líquida descendente y gaseosa ascendente (esto es, vapor) de la mezcla se ponen en contacto a través de una empaquetadura estructurada contenida dentro de al menos una sección de la columna de destilación. La sección de la columna de destilación contiene dos o más elementos de la empaquetadura estructurada orientados típicamente en ángulos rectos entre sí, de manera bien conocida en la técnica y el soporte físico asociado, tal como placas de soporte y distribuidores de líquido. Como resultado del paso de las fases a través de la empaquetadura estructurada, la fase líquida descendente se va haciendo cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más baja de la mezcla a medida que desciende a través de la empaquetadura estructurada, al tiempo que la fase gaseosa ascendente se va haciendo cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más alta de la mezcla a medida que asciende a través de la empaquetadura estructurada. Esta separación de componentes de acuerdo con su volatilidad efectúa de este modo la separación criogénica. El sistema de columna de destilación criogénica se hace funcionar de modo que al menos una sección tenga una presión mayor que aproximadamente dos bares absolutos y un parámetro de flujo \Psi dentro de un intervalo entre aproximadamente 0,01 y 0,1 o mayor que aproximadamente 0,1. El parámetro de flujo \Psi es igual a C_{L} dividido por C_{V}, en que C_{V} es la velocidad del vapor de la fase ascendente de vapor y C_{L} es la velocidad del líquido de la fase descendente de líquido. El sistema de columna de destilación criogénica se hace funcionar para tener una velocidad de vapor menor que una velocidad crítica de vapor, en la cual se inunda al menos una sección de la columna de destilación, y mayor que una velocidad mínima de vapor. En un aspecto de la presente invención, la empaquetadura estructurada está constituida por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 100 m^{2}/m^{3} y 450 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 45 grados. A este respecto, la orientación de los canales de flujo se considera aquí, y en las reivindicaciones, con respecto al eje de la columna que, en la mayoría de las instalaciones de empaquetaduras estructuradas, será vertical. Para tales empaquetaduras, la velocidad mínima de vapor será igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,176 - -0,00169A], en que A es el área específica de dicha empaquetadura estructurada, cuando \Psi está dentro del intervalo y de 0,054e^{-0,00169A} \Psi^{-0,372} cuando \Psi es mayor que 0,1.

En otro aspecto de la presente invención, la empaquetadura estructurada está formada por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 450 m^{2}/m^{3} y 1000 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 45 grados. Para tal empaquetadura, la velocidad mínima de vapor será igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi -3,748 - -0,000421A], en que A es el área específica de la empaquetadura estructurada, cuando \Psi está dentro del intervalo y de 0,0305e^{-0,000421A} \Psi^{-0,372} cuando \Psi es mayor que 0,1.

Todavía en otro aspecto de la presente invención, la empaquetadura estructurada se construye de láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 170 m^{2}/m^{3} y aproximadamente 250 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 30 grados. Para tal empaquetadura estructurada, la velocidad mínima de vapor es igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 2,788 - 0,00236A], en que A es el área específica de la empaquetadura estructurada, cuando \Psi está dentro del intervalo y de 0,0795e^{-0,00236A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que
0,1.

Todavía en otro aspecto de la presente invención, la empaquetadura estructurada está constituida por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 250 m^{2}/m^{3} y 1000 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 30 grados. Para tal empaquetadura estructurada la velocidad mínima de vapor es igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,156 - - 0,000893A], en que A es el área específica de la empaquetadura estructurada, cuando \Psi está dentro del intervalo y a 0,05515e^{-0,000893A} \Psi^{-0,372} cuando \Psi es mayor que 0,1.

En la técnica anterior se creía que el comportamiento de las empaquetaduras estructuradas se deterioraba a presiones más altas. La solicitante ha encontrado que el comportamiento de la empaquetadura estructurada depende de la mezcla que se separa. En tanto que la mezcla sea una mezcla de gases atmosféricos, se puede encontrar que el comportamiento de la empaquetadura estructurada dentro de la columna de destilación aumenta de hecho con la presión. Por ejemplo, los datos de la técnica anterior para empaquetaduras estructuradas que tienen una densidad de 750 m^{2}/m^{3} indican un límite superior de su envolvente operativa dado por la fórmula de exp[-4,064 - -0,595 ln\Psi - 0,0485(ln\Psi)^{2}]. En la técnica anterior, si una sección cualquiera de la columna de destilación se hace funcionar por encima del límite superior, la sección se inundará. Este límite anterior se obtuvo cuando la presión era de aproximadamente 2 bares o menos. Por encima de aproximadamente 2 bares, la técnica anterior indicaba que el comportamiento se deterioraría y que no se podía obtener este límite superior.

La solicitante ha encontrado que, para la empaquetadura estructurada fabricada de metal de lámina corrugada y que tiene una densidad de empaquetadura de, por ejemplo, 750 m^{2}/m^{3}, cuando la mezcla a separar contiene gases atmosféricos y cuando la presión está por encima de 2 bares, el mencionado límite superior de la técnica anterior no es una frontera de la envolvente de operación de tal empaquetadura estructurada.

C_{V}, la velocidad del vapor, tal como se utiliza aquí y en las reivindicaciones, es la velocidad densimétrica superficial del gas. Esta velocidad del gas es el producto de la velocidad superficial del gas y la raíz cuadrada de la densidad del gas dividida por la densidad del líquido menos la densidad del gas. La velocidad superficial es una velocidad media a través de la columna que se basa en el caudal másico. Por lo tanto, si la columna se hace funcionar por encima de dos bares y la mezcla a separar es una mezcla de gases atmosféricos, entonces el caudal másico a través de la columna se puede aumentar más allá del proyectado por la técnica anterior. Alternativamente, para un requisito dado de caudal másico para una columna, la columna se puede diseñar con una sección transversal muy reducida y, consecuentemente, una velocidad superficial más alta de la que habría sido prevista sobre la base de las enseñanzas de la técnica anterior en este área. El área en sección transversal más pequeña de la columna dará como resultado la utilización de un volumen más pequeño de empaquetadura estructurada que se utilice para una aplicación dada de la empaquetadura estructurada. Por lo tanto, se puede conseguir un ahorro de costes en la construcción de una columna de destilación para un requisito de comportamiento dado de la columna de destilación. Un punto adicional es que a presiones más altas, no sólo puede ser la columna más delgada, sino también más corta de lo que habría sido proyectada en la técnica anterior. Esto es porque el HETP, o altura equivalente a un plato teórico, disminuye con el aumento de la presión de la columna. Por lo tanto, la presente invención contempla un ahorro bidimensional en el volumen de la empaquetadura estructurada requerida para la mezcla de gases atmosféricos.

Se debe señalar que, tal como se usan aquí y en las reivindicaciones, todas las alturas están en metros y todas las velocidades, tales como las velocidades de líquido y vapor, están en metros por segundo. Adicionalmente, todas las presiones están en bares absolutos y todas las áreas específicas están en metros cuadrados por metro cúbico. Un punto adicional es que, aunque muchos experimentos se llevaron a cabo con empaquetaduras estructuradas obtenidas de Sulzer Brothers Limited, la presente invención tendría igual aplicabilidad para empaquetaduras estructuradas obtenidas de otros fabricantes.

El método de acuerdo a la invención se describirá ahora a título de ejemplo haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 es un diagrama de Souders para la empaquetadura MELLAPAK 750.Y, obtenida de Sulzer Brothers Limited, que ilustra las envolventes de comportamiento de la técnica anterior frente a las utilizadas en la presente invención; y

la Figura 2 es un sistema de columna de destilación diseñado de acuerdo con la presente invención.

Haciendo referencia a la Figura 1, la curva 1 representa un diagrama de Souders de la técnica anterior de la empaquetadura MELLAPAK 750.Y (obtenida de Sulzer Brothers Limited, CH-8401 Winterthur, Suiza) a presiones menores que o iguales a aproximadamente 2 bares. Esta empaquetadura estructurada, así como cualquiera de las aquí mencionadas, se construye de lámina de metal corrugada. El área específica de esta empaquetadura es aproximadamente 750 m^{2}/m^{3} y tiene canales de flujo orientados en un ángulo de aproximadamente 45º. A lo largo de esta curva, para una velocidad de líquido dada, la velocidad del vapor está fijada. Si se aumentara la velocidad del vapor por encima de la dada por la curva, la empaquetadura estaría en estado inundado, esto es la fase de vapor ascendente dentro de la empaquetadura se incorporaría con una porción significativa de fase líquida descendente o, en el caso extremo, la fase de vapor ascendente impediría que la fase líquida descendiera a través de la empaquetadura. Las ecuaciones aproximadas de esta curva son C_{V} = exp[-4,064 - 0,595 ln\Psi - 0,0485(ln\Psi)^{2}], cuando \Psi está dentro de un intervalo entre aproximadamente 0,01 y aproximadamente 0,1 y C_{V} = 0,02233 \Psi^{-0,37} cuando \Psi es mayor que 0,1. Tal como se menciona anteriormente, \Psi es igual a C_{L}/C_{V}. Para fines ejemplares, las Curvas 2 y 3 presentan ejemplos de diagramas de Souders de la empaquetadura estructurada 750. Y de acuerdo con la presente invención a presiones operativas de 4 y 6 bares, respectivamente, y para una mezcla de gases atmosféricos. Como es evidente a partir de las dos últimas curvas, el comportamiento de la empaquetadura estructurada ha aumentado con el aumento de la presión. Las ecuaciones aproximadas de la Curva 2 son C_{V} = exp[-3,885 - 0,595 ln\Psi - 0,0485(ln\Psi)^{2}], cuando \Psi está dentro de un intervalo entre 0,01 y 0,1 y C_{V} = 0,0266 \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1. Además, las ecuaciones aproximadas de la Curva 3 son C_{V} = exp[-3,753 - 0,595 ln\Psi - 0,0485 (ln\Psi)^{2}], cuando \Psi está dentro de un intervalo entre 0,01 y 0,1 y C_{V} = 0,03033 \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1.

La implicación de las curvas anteriores es que si se hace funcionar una empaquetadura similar a las anteriores al menos a 2 bares y la mezcla a separar es de gases atmosféricos, entonces, como mínimo, la empaquetadura se puede hacer funcionar a lo largo de la Curva 1. Como máximo, se puede hacer funcionar a una velocidad crítica de vapor que es la velocidad de vapor a la que se inunda la empaquetadura o la columna. Esta velocidad crítica de vapor se puede determinar experimentalmente y, en la práctica operativa, se considera como un valor próximo a las condiciones de inundación basado en el control de la columna disponible. Típicamente, la velocidad crítica del vapor es aproximadamente el 80% de la velocidad real del vapor en la inundación. Sin embargo, el límite superior de la velocidad crítica del vapor para el tipo de empaquetadura anteriormente comentado es la curva 2 si la empaquetadura o columna se hace funcionar a 4 bares y la curva 3 si la empaquetadura se hace funcionar a 6 bares. De nuevo, estos resultados se obtienen cuando la mezcla a separar es una mezcla de gases atmosféricos, la empaquetadura se fabrica a partir de lámina de metal corrugada y el ángulo del canal de flujo es 45 grados. Como resultado, la columna se puede diseñar para que funcione a un rendimiento mayor que el de una columna de la técnica anterior, o se puede diseñar con un volumen más bajo de la empaquetadura estructurada del que se habría utilizado sobre la base de los diseños de la técnica anterior.

Los autores han encontrado mejoras similares para otras empaquetaduras estructuradas (constituidas por láminas de metal corrugadas, que funcionan por encima de 2 bares absolutos, y que se utilizan en separaciones de gases atmosféricos) que tienen otras densidades de empaquetadura y ángulos de los canales de flujo distintos de los de empaquetaduras estructuradas del tipo 750.Y. Por ejemplo, en los casos en los que el área específica de la empaquetadura estructurada está dentro de un intervalo entre 100 m^{2}/m^{3} y 450 m^{2}/m^{3} y los canales de flujo están orientados en un ángulo de 45 grados. En un mínimo, se puede hacer que la columna funcione de modo que la velocidad del vapor a través de tal empaquetadura sea igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,176 - 0,00169A], cuando \Psi está dentro del intervalo de 0,01 y 0,1 y a 0,054e^{-0,00169A} \Psi^{-0,372} cuando \Psi es mayor que 0,1. Para empaquetaduras estructuradas que tienen un área específica dentro de un intervalo entre 450 m^{2}/m^{3} y 1000 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo entre 30 grados y 45 grados, se puede hacer que la columna funcione a una velocidad de vapor mínima a través de tal empaquetadura de exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,748 - 0,000421A], cuando \Psi está dentro del intervalo anterior, y a 0,0305e^{-0,000421A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1. Para empaquetaduras estructuradas que tienen un área específica dentro de un intervalo entre 170 m^{2}/m^{3} y 250 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 30 grados, se puede considerar una velocidad de vapor mínima para la columna de exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 2,788 - 0,00236A], cuando \Psi está dentro del intervalo anterior y a 0,0305e^{-0,00236A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1. Finalmente, para empaquetaduras estructuradas que tienen un área específica dentro de un intervalo entre 250 m^{2}/m^{3} y 1000 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 30 grados, se puede establecer una velocidad de vapor mínima de la columna igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,156 - 0,000893A], cuando \Psi está dentro del intervalo y a 0,0551e^{-0,000893A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1. En todas las cantidades precedentes, A es el área específica de la empaquetadura en m^{2}/m^{3}.

Los autores también han encontrado que, además del comportamiento con respecto a las velocidades de líquido y vapor, el comportamiento de la separación de las empaquetaduras estructuradas aumenta con la presión de la columna. A presiones en un intervalo entre aproximadamente 3,5 bares y aproximadamente 7,5 bares, en que la HETP (Altura Equivalente de un Plato Teórico) para una empaquetadura 750.Y es aproximadamente igual a 0,181 añadida al producto de -0,00864 y la presión. Para presiones en un intervalo entre aproximadamente 7,5 bares y aproximadamente 20 bares, se ha encontrado que la HETP es aproximadamente igual a 0,116 metros. Por lo tanto, para una separación dada, el número de etapas teóricas requeridas, multiplicado por los valores de la HETP precedente dará la altura de empaquetadura deseada. En la técnica anterior, se pensó que la HETP aumentaba con el aumento de la presión. Se puede ver que, en la presente invención, la HETP disminuye con el aumento de presión, y a continuación se estabiliza a un valor constante cuando la mezcla a separar es una que contiene gases
atmosféricos.

Haciendo referencia a la Figura 2, se ilustra un sistema 10 de columna de destilación. Se entiende, no obstante, que la presente invención es igualmente aplicable a otros tipos de sistemas de columnas de destilación, por ejemplo sistemas de doble columna, que tienen columnas de alta y baja presión para elaborar productos de nitrógeno y oxígeno, sistemas de tres columnas para la producción de argón.

En el sistema 10 de columna de destilación, el aire alimentado se comprime en un compresor 11 y el calor de compresión producido por el compresor 11 se extrae por un refrigerante 12 posterior. El aire se alimenta a continuación a una unidad 14 de pre-purificación, que puede constar de dos o más lechos adsorbentes que operan desfasados para adsorber dióxido de carbono, agua e hidrocarburos. La corriente 16 de aire resultante se enfría en las secciones 18 y 20 del intercambiador de calor principal a, o cerca de su punto de rocío y se divide en dos corrientes 22 y 24 subsidiarias de aire. La corriente 22 subsidiaria de aire se introduce en el fondo de una columna de destilación 26 para el refino. La corriente 24 subsidiaria de aire se subenfría dentro de un subenfriador 27 y se introduce a continuación como un líquido en una etapa intermedia apropiada de la columna de destilación
26.

Mediante la introducción de la corriente 22 subsidiaria de aire se crea una fase de vapor ascendente dentro de la columna de destilación 26. La fase líquida descendente se crea al extraer una corriente 28 de vapor de nitrógeno de sobrecabeza de torre y condensar una corriente 28 de vapor de nitrógeno de sobrecabeza de torre dentro de un condensador 30 de cabeza, para producir una corriente 32 de reflujo. La corriente 32 de reflujo se hace volver en parte hacia la columna de destilación 26. Una corriente 34 de fondo de columna se extrae de la columna de destilación 26 y se expande a baja temperatura y presión por vía de la válvula 36 de Joule-Thompson (J-T). La corriente 34 del fondo de la columna expandida se hace pasar a continuación al condensador 30 de cabeza para condensar la corriente 28 de vapor de nitrógeno de sobrecabeza de torre. Una corriente 38 de producto, que contiene nitrógeno de alta pureza, se calienta parcialmente dentro del subenfriador 27 (se calienta a una temperatura entre la temperatura a la que funciona la columna de destilación y la del extremo frío del intercambiador de calor principal) y a continuación se calienta completamente dentro de las secciones 18 y 20 del intercambiador de calor principal. La corriente de fondo de columna vaporizada, designada por el número de referencia 40, se calienta parcialmente dentro del subenfriador 27 y a continuación se calienta completamente dentro de las secciones 18 y 20 del intercambiador de calor
principal.

Como con todas las plantas de separación criogénica de aire, la fuga de calor en la planta requiere la generación de refrigeración. En la presente realización, la corriente 40 se divide en dos corrientes parciales 42 y 44. La corriente parcial 44 se calienta parcialmente dentro de la sección 20 del intercambiador de calor principal y a continuación se combina con la corriente parcial 42. La corriente combinada se alimenta a continuación a un turboexpansor 46. La corriente 48 se sangra de la corriente combinada que se alimenta al turboexpansor 46 y se expande en una válvula 50 de Joule-Thompson (J-T). La corriente 48, después de la expansión, se combina con una corriente expandida descargada desde el escape del turboexpansor 46 para producir una corriente refrigerante 52. La corriente refrigerante 52 se calienta parcialmente dentro del subenfriador 27 y se calienta completamente dentro de las secciones 18 y 20 del intercambiador de calor principal para bajar la entalpía del aire que entra.

La siguiente tabla es un ejemplo calculado de un posible funcionamiento de un sistema 10 de columna de destilación.

1

2

La columna de destilación 26 utiliza tres secciones de empaquetadura estructurada designadas como I, II y III. En este ejemplo, se utiliza una empaquetadura que tiene una densidad de 750 m^{2}/m^{3} para formar las secciones y tal empaquetadura puede ser una empaquetadura estructurada 750.Y obtenida de Sulzer Brothers Limited. En el diseño, la Etapa I tiene aproximadamente 27 etapas teóricas, la Etapa II tiene aproximadamente 26 etapas teóricas y la Etapa III tiene aproximadamente 6 etapas teóricas. El siguiente cuadro es el comportamiento de cada una de las secciones y un cálculo de C_{L}, y la altura de la empaquetadura de acuerdo con la presente invención.

3

Lo siguiente es un cuadro del comportamiento de columna de la columna de destilación 26 diseñada con un límite de inundación C_{V} de acuerdo con la técnica anterior.

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4

Si se comparan los dos cuadros anteriores, la velocidad de vapor máxima, es decir la velocidad de vapor en la inundación es mayor en una columna de destilación que se hace funcionar de acuerdo con la presente invención respecto a la de la técnica anterior, sobre la base de una comparación de sección a sección. Además, la HETP es menor en una columna de destilación que se hace funcionar de acuerdo con la presente invención respecto a una de la técnica anterior en cada sección de la columna de destilación. Como se ha mencionado anteriormente estas ventajas se pueden poner de manifiesto tanto por una mayor producción para un volumen dado de empaquetadura estructurada, como por una disminución del volumen de la empaquetadura estructurada para un comportamiento de columna dado. Aquí es apropiado señalar la inclusión de las columnas de "C_{V} de diseño" y "% de inundación" de las tablas anteriores. Estas cifras se dan porque las columnas de destilación generalmente no se hacen funcionar en inundación. Más bien, se diseñan y se hacen funcionar próximas a la base de inundación que puede estar en un C_{V} de aproximadamente 80% de la inundación. También se debe mencionar que los términos "L" y "V" son los caudales volumétricos medios de líquido y de vapor.

Suponiendo el comportamiento requerido de la Figura 1, la siguiente tabla compendia el posible ahorro de volumen de empaquetadura estructurada en una columna de destilación 26 diseñada para funcionar de acuerdo con la presente invención frente a un funcionamiento de la técnica anterior de la columna de destilación 26.

5

Como se puede ver a partir de la tabla anterior, se necesita utilizar aproximadamente la mitad de empaquetadura en la columna que se hace funcionar y que se diseña de acuerdo con la presente invención respecto a la misma columna que se hace funcionar y que se diseña de acuerdo con la técnica anterior.

Claims

1. Un método para separar criogénicamente una mezcla de gases atmosféricos dentro de una columna de destilación, comprendiendo dicho método:

formar fases de líquido descendente y de vapor ascendente de dicha mezcla de dichos gases atmosféricos dentro de la columna de destilación;

poner en contacto dichas fases de líquido descendente y de vapor ascendente de dicha mezcla dentro de una empaquetadura estructurada contenida en al menos una sección de la columna de destilación de modo que dicha fase de líquido descendente se haga cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más baja de dicha mezcla a medida que desciende a través de dicha empaquetadura estructurada, al tiempo que dicha fase de vapor se hace cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más alta de dicha mezcla a medida que asciende a través de dicha empaquetadura estructurada;

estando constituida dicha empaquetadura estructurada por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 100 m^{2}/m^{3} y 450 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 45 grados; y

hacer que la columna funcione de modo que dicha sección esté a una presión mayor que dos bares, un parámetro de flujo \psi, igual a C_{L}/C_{V}, donde C_{V} es la velocidad del vapor de la fase ascendente de vapor y C_{L} es la velocidad del líquido de la fase descendente de líquido, que tiene un valor mayor que 0,1 o dentro de un intervalo de parámetro de flujo entre 0,01 y 0,1, en donde la velocidad del vapor es menor que una velocidad crítica del vapor en la cual dicha sección de dicha columna de destilación se inunda, y mayor que una velocidad mínima del vapor igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,176 - 0,00169A], cuando \Psi está dentro de dicho intervalo de parámetros de flujo e igual a 0,054e^{-0,00169A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1, en que A es el área específica de la empaquetadura estructurada.

2. Un método para separar criogénicamente una mezcla de gases atmosféricos dentro de un sistema de columna de destilación, comprendiendo dicho método:

poner en contacto dichas fases de líquido descendente y vapor ascendente de dicha mezcla dentro de una empaquetadura estructurada contenida en al menos una sección de la columna de destilación de modo que dicha fase de líquido descendente se haga cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más baja de dicha mezcla a medida que desciende a través de dicha empaquetadura estructurada, al tiempo que dicha fase de vapor se hace cada vez más concentrada en los componentes de volatilidad más alta de dicha mezcla a medida que asciende a través de dicha empaquetadura estructurada;

estando constituida dicha empaquetadura estructurada por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 450 m^{2}/m^{3} y 1000 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 45 grados; y

hacer que la columna funcione de modo que dicha sección esté a una presión mayor que dos bares, un parámetro de flujo \psi, igual a C_{L}/C_{V}, en que C_{V} es la velocidad del vapor de la fase ascendente de vapor y C_{L} es la velocidad del líquido de la fase descendente de líquido, que tiene un valor mayor que 0,1 o dentro de un intervalo de parámetros de flujo entre 0,01 y 0,1, en donde la velocidad del vapor es menor que una velocidad crítica del vapor en la cual dicha sección de dicha columna de destilación se inunda, y mayor que una velocidad mínima del vapor igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,748 - 0,000421A], cuando \Psi está dentro de dicho intervalo de parámetros de flujo, e igual a 0,0305e^{-0,000421A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1, donde A es el área específica de la empaquetadura
estructurada.

3. Un método para separar criogénicamente una mezcla de gases atmosféricos dentro de una columna de destilación, comprendiendo dicho método:

estando constituida dicha empaquetadura estructurada por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 170 m^{2}/m^{3} y 250 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 30 grados; y

hacer que la columna funcione de modo que dicha sección esté a una presión mayor que dos bares, un parámetro de flujo \psi, igual a C_{L}/C_{V}, donde C_{V} es la velocidad del vapor de la fase ascendente de vapor y C_{L} es la velocidad del líquido de la fase descendente de líquido, que tiene un valor mayor que 0,1 o dentro de un intervalo de parámetros de flujo entre 0,01 y 0,1, en donde la velocidad de vapor es menor que una velocidad crítica de vapor en la cual dicha sección de la columna de destilación se inunda, y mayor que una velocidad mínima del vapor igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 2,788 - 0,00236A], cuando \Psi está dentro de dicho intervalo de parámetros de flujo e igual a 0,0796e^{-0,00236A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1, donde A es el área específica de dicha empaquetadura estructurada.

4. Un método para separar criogénicamente una mezcla de gases atmosféricos dentro de una columna de destilación, comprendiendo dicho método:

estando constituida dicha empaquetadura estructurada por láminas de metal corrugadas con un área específica dentro de un intervalo entre 250 m^{2}/m^{3} y 1000 m^{2}/m^{3} y canales de flujo orientados en un ángulo de 30 grados; y

hacer que la columna funcione de modo que dicha sección esté a una presión mayor que dos bares, un parámetro de flujo \psi, igual a C_{L}/C_{V}, donde C_{V} es la velocidad del vapor de la fase ascendente de vapor y C_{L} es la velocidad del líquido de la fase descendente de líquido, que tiene un valor mayor que 0,1 o dentro de un intervalo de parámetros de flujo entre 0,01 y 0,1, en que la velocidad del vapor es menor que una velocidad crítica del vapor en la cual dicha sección de la columna de destilación se inunda, y mayor que una velocidad mínima del vapor igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2}
- 0,595 ln\Psi - 3,156 - 0,000893A], cuando \Psi está dentro de dicho intervalo y hasta 0,05515e^{-0,000893A} \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1, en donde A es el área específica de la empaquetadura estructurada.

5. Un método según la reivindicación 2, en el que:

dicha empaquetadura estructurada tiene una densidad de empaquetadura de aproximadamente 750 m^{2}/m^{3};

dicha sección está a una presión de 4 bares; y

dicha velocidad crítica del vapor es igual a aproximadamente exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,885], cuando \Psi está dentro de dicho intervalo de parámetros de flujo y a 0,0266 \Psi^{-372} cuando \Psi es mayor que 0,1.

6. Un método según la reivindicación 2, en el que:

dicha al menos una sección está a una presión de 6 bares; y

dicha velocidad crítica de vapor es igual a exp[-0,0485(ln\Psi)^{2} - 0,595 ln\Psi - 3,753], cuando \Psi está dentro de dicho intervalo de parámetros de flujo y hasta aproximadamente 0,03033 \Psi^{-0,372}, cuando \Psi es mayor que 0,1.

7. Un método según la reivindicación 2, en el que:

dicha empaquetadura estructurada tiene una densidad de empaquetadura de 750 m^{2}/m^{3};

dicha presión está en un intervalo entre 3,5 bares y 7,5 bares; y

dichas fases de líquido y de vapor de dicha mezcla se ponen en contacto mediante una altura de dicha empaquetadura estructurada en dicha sección de la columna de destilación de tal modo que dichas fases líquida y gaseosa contienen componentes de dicha mezcla de volatilidad más baja y más alta, respectivamente, en concentraciones predeterminadas y dicha altura de la empaquetadura estructurada en metros es igual a n[0,181-0,00864P], donde n es el número de etapas teóricas requeridas para producir dichas concentraciones predeterminadas de dichos componentes de volatilidad más baja y más alta y P es dicha presión.

8. Un método según la reivindicación 2, en el que:

dicha presión está en un intervalo entre 7,5 bares y 20 bares; y

dichas fases de líquido y de vapor de dicha mezcla se ponen en contacto mediante una altura de dicha empaquetadura estructurada en dicha sección de la columna de destilación de tal modo que dichas fases líquida y gaseosa contienen componentes de dicha mezcla de volatilidad más baja y más alta, respectivamente en concentraciones predeterminadas y dicha altura de empaquetadura estructurada en metros es igual al producto del número de etapas teóricas requeridas para producir dichas concentraciones predeterminadas de dichos componentes de volatilidad más baja y más alta y 0,116.