ES2197539T3 - Sistema rectificador criogenica de columnas en serie para producir nitrogeno de alta pureza. - Google Patents

Sistema rectificador criogenica de columnas en serie para producir nitrogeno de alta pureza.

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ES2197539T3 ES99106879T ES99106879T ES2197539T3 ES 2197539 T3 ES2197539 T3 ES 2197539T3 ES 99106879 T ES99106879 T ES 99106879T ES 99106879 T ES99106879 T ES 99106879T ES 2197539 T3 ES2197539 T3 ES 2197539T3
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Abstract

SISTEMA DE COLUMNAS EN SERIE PARA PRODUCIR CANTIDADES RELATIVAMENTE GRANDES DE NITROGENO GASEOSO Y LIQUIDO DE GRAN PUREZA UTILIZANDO UNA PRIMERA COLUMNA QUE PRODUCE EL GAS DE GRAN PUREZA Y UNA SEGUNDA COLUMNA PARA EL LIQUIDO DE GRAN PUREZA, REFLUYENDO EL FLUIDO DE LA PARTE SUPERIOR DE LA PRIMERA COLUMNA HACIA LA SEGUNDA.

Description

Sistema de rectificación criogénica de columnas en serie para producir nitrógeno de alta pureza.
Campo técnico
Esta invención se refiere a un método y un aparato para producir nitrógeno gaseoso de alta pureza y nitrógeno líquido de alta pureza según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 3, respectivamente. Un método y un aparato de esta clase se conocen por el documento EP-A-0496355.
Técnica antecedente
El nitrógeno gaseoso de alta pureza está teniendo usos crecientes como gas de protección o de inertización en la fabricación de componentes de alto valor, tal como semiconductores, en donde la ausencia de contaminación por oxígeno es crítica en el proceso de fabricación. Típicamente el nitrógeno de alta pureza se produce por la rectificación criogénica de aire y su canalización mediante tuberías directamente a la planta de fabricación de semiconductores. Aunque las plantas de separación de aire criogénico son muy fiables, estas plantas, como todas las instalaciones de producción, están sometidas a disrupciones que podrían dar como resultado una reducción o una parada del flujo de nitrógeno de alta pureza desde la planta de separación de aire criogénico hacia la planta de fabricación de semiconductores. Para evitar las consecuencias catastróficas de tal reducción o parada del flujo, las plantas de nitrógeno de alta pureza tienen un depósito de almacenamiento de líquido lleno con nitrógeno líquido de alta pureza que se puede vaporizar rápidamente y pasar a la planta de fabricación de semiconductores si es necesario.
Aunque la planta de nitrógeno de alta pureza puede ser capaz de convertir en líquido parte del nitrógeno de alta pureza, en el mejor de los casos únicamente puede producir pequeñas cantidades de tal líquido. En consecuencia, es una práctica convencional llevar nitrógeno líquido de alta pureza al depósito de almacenamiento por un camión cisterna u otros medios de transporte desde una planta de producción de nitrógeno líquido de alta pureza. Aunque esta práctica convencional sirve a la finalidad pretendida de mantener el depósito de almacenamiento lleno con nitrógeno líquido de alta pureza en caso de que sea necesario su utilización, esto es costoso y engorroso. Es deseable tener una instalación que pueda producir nitrógeno gaseoso de alta pureza y que también pueda producir cantidades relativamente grandes de nitrógeno líquido de alta pureza de modo que pueda eliminarse el transporte de tal líquido a la instalación.
En consecuencia, es un objeto de esta invención proporcionar un sistema de rectificación criogénica que puede producir cantidades relativamente grandes tanto de nitrógeno gaseoso de alta pureza como nitrógeno líquido de alta pureza.
Resumen de la invención
Lo anterior se obtiene por la presente invención, uno de cuyos aspectos es:
Un método para producir nitrógeno gaseoso de alta pureza y nitrógeno líquido de alta pureza según la reivindicación 1.
Otro aspecto de la invención es:
Un aparato para producir nitrógeno de alta pureza por rectificación criogénica según la reivindicación 3.
El término ``aire de alimentación'' significa, como se emplea en este documento, una mezcla que comprende principalmente oxígeno y nitrógeno, tal como aire ambiente.
El término ``columna'' significa, como se emplea en este documento, una columna o zona de destilación o fraccionamiento, es decir, una columna o zona de contacto, en la que las fases de líquido y vapor se ponen en contacto a contracorriente para efectuar la separación de un mezcla fluida, como por ejemplo, poniendo en contacto las fases de vapor y líquido en una serie de bandejas o placas separadas verticalmente montadas dentro de la columna y/o elementos de envasado tal como envasado estructurado o aleatorio. Para una exposición 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, The Continuous Distillation Process.
Los procesos de separación por contacto de vapor y líquido dependen de la diferencia en las presiones del vapor de los componentes. El componente de alta presión de vapor (o más volátil o de baja ebullición) tenderá a concentrarse en la fase de vapor, mientras que el componente de baja presión de vapor (o menos volátil o de alta ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación por lo que se puede utilizar el enfriamiento de una mezcla de vapor para concentrar el/los componente/s volátil/es en la fase de vapor y, por tanto, el/los componente/s menos volátil/es en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina vaporizaciones y condensaciones parciales sucesivas obtenidas por un tratamiento a contracorriente de las fases de vapor y líquida. El contacto a contracorriente de las fases de vapor y líquida es generalmente adiabático y puede incluir un contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Las disposiciones del proceso de separación que utilizan los principios de la rectificación para separar mezclas se denominan, a menudo de forma intercambiable, columnas de rectificación, columnas de destilación o columnas de fraccionamiento. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación realizado al menos en parte a temperaturas de 150 grados Kelvin (K) o por debajo de la misma.
El término ``intercambio de calor indirecto'' significa, como se utiliza en este documento, poner en una relación de intercambio de calor a dos fluidos sin ningún contacto físico o mezcla mutua de los fluidos entre sí.
El término ``condensador superior'' significa, como se utiliza en este documento, un dispositivo de intercambio de calor que genera un líquido de columna de flujo descendente de a partir de vapor de columna.
Los términos ``turboexpansión'' y ``turboexpansor'' significan, respectivamente, como se utilizan en este documento, un método y un aparato para que el flujo de gas de alta presión a través de un turbina reduzca la presión y la temperatura del gas, generando así refrigeración.
Los términos ``parte superior'' y ``parte inferior'', como se utilizan en este documento, significan las secciones de una columna, respectivamente, por encima y por debajo del punto medio de la columna.
El término ``nitrógeno de alta pureza'', como se utiliza en el presente documento, significa un fluido que tiene una concentración de nitrógeno de al menos un 99 por ciento molar, más preferiblemente al menos un 99,999 por ciento molar.
Breve descripción del dibujo
La única figura es una representación esquemática simplificada de una realización preferida del sistema de rectificación criogénica de esta invención.
Descripción detallada
La invención se describirá en detalle con referencia a la figura. Haciendo referencia ahora a la figura, se comprime aire de alimentación 60 haciéndolo pasar a través del compresor 30 de carga base a una presión generalmente dentro del intervalo de 17,2 x 10^{5} a 41,3 x 10^{5} Pa. El aire de alimentación comprimido resultante 61 se enfría del calor de la compresión en el refrigerador 4 y se hace pasar a través de la válvula 62, como corriente 63, hacia el compresor 31 que está acoplado mecánicamente al turboexpansor 32. El aire de alimentación 63 se comprime adicionalmente en el compresor 31 a una presión generalmente dentro del intervalo de 20,7 x 10^{5} a 62,05 x 10^{5} Pa. El aire de alimentación resultante 64 adicionalmente comprimido se enfría del calor de la compresión pasándolo a través del refrigerador 5 y el aire de alimentación resultante 65 se pasa a un intercambiador de calor primario 1 en el que se enfría por intercambio de calor indirecto con corrientes de retorno.
Una primera parte 68 del aire de alimentación 65 atraviesa completamente el intercambiador de calor primario 1 en el que se condensa y después se hace pasar a través de la válvula 69, como corriente 70, hacia la parte inferior de la primera columna 10. Si se desea, se puede emplear un líquido o un expansor de dos fases en lugar de la válvula 69. Se retira una segunda parte 66 del aire de alimentación 65 del intercambiador de calor primario 1 después de un recorrido parcial y se turboexpande pasando a través del turboexpansor 32 que acciona el compresor 31. El aire de alimentación resultante 67 turboexpandido se pasa a la primera columna 10.
La primera columna 10 se opera a una presión generalmente dentro del intervalo de 8,3 x 10^{5} a 12,4 x 10^{5} Pa. Dentro de la primera columna 10 se separa el aire de alimentación por rectificación criogénica en un primer vapor de nitrógeno de alta pureza y en un primer fluido enriquecido con oxígeno. Se retira el primer fluido enriquecido con oxígeno de la parte inferior de la primera columna 10 en la corriente líquida 71 y subenfría haciéndolo pasar a través del subrefrigerador o supercalentador 7 de desechos. El primer líquido enriquecido con oxígeno subenfriado resultante 72 se hace pasar a través de la válvula 73 y, como corriente 74, hacia el condensador superior 2 de la primera columna.
Se retira un primer vapor de nitrógeno de alta pureza de la parte superior de la primera columna 10, como corriente 75, y se calienta una primera parte 77 de la corriente 75 pasándola a través del intercambiador de calor primario 1 y se recupera como nitrógeno gaseoso de alta pureza de producto 78. Una segunda parte 76 del primer vapor de nitrógeno de alta pureza 75 se pasa al condensador superior 2 de la primera columna en donde se condensa por intercambio de calor indirecto con el primer fluido enriquecido con oxígeno. El nitrógeno líquido de alta pureza condensado resultante se pasa a la corriente 20 desde el condensador superior 2 de la primera columna hacia la parte superior de la primera columna 10 como reflujo.
Un primer líquido enriquecido con oxígeno 74 se vaporiza parcialmente por el intercambio de calor indirecto antes mencionado con el primer vapor de alta pureza en el condensador superior 2 de la primera columna. El primer vapor enriquecido con oxígeno resultante se pasa a la corriente 84 desde el condensador superior 2 de la primera columna a través de la válvula 85 y, como corriente 86, hacia la parte inferior de la segunda columna 11. El líquido enriquecido con oxígeno restante se retira del condensador superior 2 de la primera columna en la corriente 80 y se subenfría pasándolo a través del subrefrigerador o supercalentador 6 de desechos. La corriente subenfriada resultante 81 se hace pasar a través de la válvula 82 y, como corriente 83, hacia el condensador superior 3 de la segunda columna.
La segunda columna 11 se hace funcionar a una presión generalmente dentro del intervalo de 2,8 x 10^{5} a 4,8 x 10^{5} Pa. Dentro de la segunda columna 11 se separa el primer fluido enriquecido con oxígeno por rectificación criogénica en un segundo vapor de nitrógeno de alta pureza y en un segundo fluido enriquecido con oxígeno. El segundo fluido enriquecido con oxígeno se retira de la parte inferior de la segunda columna 11 como corriente 87 de líquido, se pasa a través de la válvula 88 y, como corriente 89, hacia el condensador superior 3 de la segunda columna. Asimismo, se puede hacer pasar un líquido adicional o exógeno 104 hacia el lado de ebullición del condensador superior 3 de la segunda columna junto con el primer líquido enriquecido con oxígeno 83 y el segundo líquido enriquecido con oxígeno 89.
Un segundo vapor de nitrógeno de alta pureza se retira de la parte superior de la segunda columna 11 y se pasa, como corriente 90, hacia el lado de condensación del condensador superior 3 de la segunda columna, en donde se condensa por intercambio de calor indirecto con los fluidos que se pasaron hacia el lado de ebullición del condensador superior 3 de la segunda columna. El vapor de ebullición resultante se retira del condensador superior 3 de la segunda columna en una corriente 100, se calienta haciéndolo pasar a través de los supercalentadores 6 y 7 y del intercambiador de calor primario 1 y se retira del sistema en la corriente 103.
Se retira un segundo nitrógeno líquido de alta pureza del condensador superior 3 de la segunda columna en la corriente 91 y una primera parte del mismo se pasa, como corriente 92, hacia la parte superior de la segunda columna 11 como reflujo. Una segunda parte 93 del nitrógeno líquido de alta pureza 91 se bombea a través de una bomba de líquido 21 para formar una corriente de nitrógeno líquido de alta pureza bombeada 94. Se puede recuperar una parte 95 de la corriente 94 como producto líquido de nitrógeno de alta pureza. El resto 96 de la corriente 94 se pasa a través de la válvula 97 y, como corriente 98, hacia la parte superior de la primera columna 10 como reflujo adicional, permitiendo que el sistema de doble columna en serie produzca cantidades relativamente grandes de nitrógeno gaseoso y líquido de alta pureza desde el condensador superior de la primera columna y de la segunda columna, respectivamente.

Claims (5)

1. Un método para producir nitrógeno gaseoso de alta pureza (78) y nitrógeno líquido de alta pureza (95) que comprende: (A) hacer pasar aire de alimentación (67, 70) a una primera columna (10) que tiene un condensador superior (2) y separar el aire de alimentación por rectificación criogénica dentro de la primera columna en un primer vapor de nitrógeno de alta pureza (75) y en un primer fluido enriquecido con oxígeno (71); (B) recuperar una parte (77, 78) del primer vapor de nitrógeno de alta pureza (75) como nitrógeno gaseoso de alta pureza; (C) hacer pasar el primer fluido enriquecido con oxígeno (71, 86) a la parte inferior de una segunda columna (11) que tiene un condensador superior (3) y separar el primer fluido enriquecido con oxígeno por rectificación criogénica dentro de la segunda columna en un segundo vapor de nitrógeno de alta pureza (90) y en un segundo fluido enriquecido con oxígeno (87); (D) condensar el segundo vapor de nitrógeno de alta pureza (90) en el condensador superior (3) de la segunda columna para producir nitrógeno líquido de alta pureza (91); y (E) hacer pasar una parte (92) del nitrógeno líquido de alta pureza (91) a la parte superior de la primera columna (10); caracterizado porque una parte (93) del nitrógeno líquido de alta pureza (91) se recupera como producto (95) de nitrógeno líquido de alta pureza, una parte (66, 67) del aire de alimentación se turboexpande antes de hacerse pasar hacia la primera columna (10), el líquido enriquecido con oxígeno (80, 83) se pasa desde el condensador superior (2) de la primera columna hacia el condensador superior (3) de la segunda columna con el fin de condensar por intercambio de calor indirecto el segundo vapor de nitrógeno de alta pureza (90), y líquido exógeno (104) se hace pasar hacia el lado de ebullición del condensador superior (3) de la segunda columna.
2. El método de la reivindicación 1, en el que el segundo vapor de nitrógeno de alta pureza (90) también se condensa por intercambio de calor indirecto con el segundo fluido enriquecido con oxígeno (87, 89), que se hace pasar al condensador superior de la segunda columna.
3. Aparato para producir nitrógeno de alta pureza por rectificación criogénica, que comprende: (A) una primera columna (10) que tiene un condensador superior (2) y medios para hacer pasar aire de alimentación (67, 70) hacia la primera columna; (B) medios para recuperar un primer vapor de nitrógeno de alta pureza (77, 78) de la parte superior de la primera columna (10); (C) una segunda columna (11) que tiene un condensador superior (3) y medios para hacer pasar un primer fluido enriquecido con oxígeno (71, 86) desde la parte inferior de la primera columna (10) hacia la segunda columna; (D) medios para hacer pasar un segundo vapor de nitrógeno de alta pureza (90) desde la parte superior de la segunda columna (11) hacia el condensador superior (3) de la segunda columna; y (E) medios para hacer pasar nitrógeno líquido de alta pureza (96, 98) desde el condensador superior (3) de la segunda columna hacia la parte superior de la primera columna (10); caracterizado por medios para recuperar nitrógeno líquido de alta pureza (93, 95) desde el condensador superior (3) de la segunda columna como producto de nitrógeno líquido de alta pureza, comprendiendo dichos medios para hacer pasar aire de alimentación (67, 70) hacia la primera columna (10) un turboexpansor (32) para turboexpandir una parte (66, 67) del aire de alimentación antes de hacerlo pasar hacia la primera columna, medios para hacer pasar líquido enriquecido con oxígeno (80, 83) desde el condensador superior (2) de la primera columna hacia el condensador superior (3) de la segunda columna, y medios para hacer pasar líquido exógeno (104) hacia el lado de ebullición del condensador superior (3) de la segunda columna.
4. El aparato de la reivindicación 3, en el que los medios para hacer pasar el primer fluido enriquecido con oxígeno (71, 86) desde la parte inferior de la primera columna (10) a la segunda columna (11) incluyen el condensador superior (2) de la primera columna.
5. El aparato de la reivindicación 3, que comprende además medios para hacer pasar el segundo fluido enriquecido con oxígeno (87) desde la parte inferior de la segunda columna (10) hacia el condensador superior (3) de la segunda columna.
ES99106879T 1998-04-08 1999-04-07 Sistema rectificador criogenica de columnas en serie para producir nitrogeno de alta pureza. Expired - Lifetime ES2197539T3 (es)

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