ES2204367T3 - Metodo para la produccion de dioxido de carbono. - Google Patents

Metodo para la produccion de dioxido de carbono.

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ES2204367T3 ES00101977T ES00101977T ES2204367T3 ES 2204367 T3 ES2204367 T3 ES 2204367T3 ES 00101977 T ES00101977 T ES 00101977T ES 00101977 T ES00101977 T ES 00101977T ES 2204367 T3 ES2204367 T3 ES 2204367T3
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Abstract

Un método para producir dióxido de carbono, que comprende: condensar una alimentación (50) que comprende dióxido de carbono y contaminantes ligeros mediante intercambio de calor indirecto con un fluido de intercambio de calor de componente puro (55) recirculante e introducir la alimentación condensada en una columna (12); separar la alimentación dentro de la columna en componentes ligeros en la parte superior (68) y producto dióxido de carbono (63); condensar parcialmente los componentes ligeros de la parte superior (68) mediante intercambio de calor indirecto con un fluido de intercambio de calor multicomponente (72) para producir líquido de reflujo (70) y vapor contaminante restante (69); separar el líquido de reflujo (70) del vapor contaminante restante (69) y hacer pasar el líquido de reflujo (70) hacia abajo por la columna (12); recuperar el producto dióxido de carbono (63) de la parte inferior de la columna (12); y subenfriar el producto dióxido de carbono (66) mediante intercambio decalor indirecto con el fluido de intercambio de calor de componente puro (55) recirculante.

Description

Método para la producción de dióxido de carbono.
Campo técnico
Esta invención trata de un método para la producción de dióxido de carbono.
Técnica anterior
El dióxido de carbono tiene un gran número de usos. Por ejemplo, el dióxido de carbono es usado para gasificar o carbonatar bebidas, para enfriar, congelar y empaquetar marisco, carne, volatería, artículos horneados, frutas y vegetales, y para ampliar la duración de los productos lácteos. Es un componente medioambiental importante en los tratamientos de residuos industriales y procesamiento de agua como un sustituto del ácido sulfúrico para controlar los niveles de pH. Otros usos incluyen el tratamiento del agua potable, un pesticida compatible con el medio ambiente y un aditivo atmosférico en invernaderos para potenciar el crecimiento de los vegetales.
Generalmente, el dióxido de carbono es producido por purificación de una corriente de desecho que es un subproducto de un proceso químico orgánico o inorgánico. La corriente de residuos que comprende dióxido de carbono es condensada y a continuación tratada en una columna de destilación para producir dióxido de carbono con calidad de producto.
El documento US-A-4 704 146 describe un método para producir dióxido de carbono que comprende:
condensar parcialmente una alimentación que comprende dióxido de carbono, metano y metanol por intercambio de calor indirecto con un fluido de intercambio de calor, separar en fases la alimentación parcialmente condensada en una parte de alimentación condensada y una parte de alimentación en vapor, descargar la parte de alimentación condensada y hacer pasar la parte de alimentación en vapor a una columna;
separar la alimentación dentro de la columna en un componente ligero en la parte superior y dióxido de carbono producto;
condensar parcialmente el producto ligero en la parte superior por intercambio de calor indirecto con dicho fluido de intercambio de calor para producir líquido de reflujo y vapor remanente;
hacer pasar líquido de reflujo por columna abajo;
recuperar producto dióxido de carbono de la parte inferior de la columna; y
subenfriar el producto dióxido de carbono por intercambio de calor indirecto con dicho fluido de intercambio de calor.
A medida que la demanda de dióxido de carbono continúa creciendo, están siendo usadas más fuentes de dióxido de carbono marginales para suministrar la alimentación de dióxido de carbono crudo al sistema de purificación. Tales alimentaciones marginales pueden incluir cantidades significativas de contaminantes ligeros y así requieren significativamente más energía para llevar a cabo la licuefacción requerida previa a la destilación en producto.
De acuerdo con lo anterior, es un objeto de esta invención proporcionar un sistema que pueda tratar eficazmente una corriente de alimentación de dióxido de carbono crudo que contenga contaminantes ligeros de una manera más eficiente energéticamente que la que es posible con los sistemas de tratamiento de dióxido de carbono convencionales.
Sumario de la invención
Los objetos anteriores son conseguidos por la presente invención, un aspecto de la cual es un método para producir dióxido de carbono como se define en la Reivindicación 1.
Tal como se usa aquí, el término "columna" significa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, esto es una columna o zona de contacto, en la cual las fases líquida y vapor están en contacto a contracorriente para efectuar la separación de una mezcla fluida, como, por ejemplo, por el contacto de las fases líquida y vapor en una serie de bandejas o platos espaciados verticalmente, montados en el interior de la columna y/o en elementos de empaquetamiento, tales como empaquetamientos estructurados o aleatorios. Para más información sobre columnas de destilación, véase el Manual del Ingeniero Químico, quinta edición, editado por R. H. Perry y C.H. Chilton, McCraw-Hill Book Company, Nueva York, Sección 13, El Proceso de Destilación Continuo.
El proceso de separación por contacto de vapor y líquido depende de la diferencia de presiones de vapor de los componentes. El componente de alta presión de vapor (o más volátil o de menor punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase vapor, mientras que el componente de baja presión de vapor (o menos volátil o de mayor punto de ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación mediante el cual puede ser usado el enfriamiento de una mezcla de vapores para concentrar el componente o los componentes volátiles en la fase de vapor y de esta manera el componente o componentes menos volátiles en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina vaporizaciones parciales y condensaciones sucesivas como se obtiene por un tratamiento contracorriente de las fases líquidas y vapor. El contacto contracorriente de las fases líquida y de vapor es generalmente adiabático y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Las disposiciones para el proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas son frecuentemente denominadas columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento, indistintamente.
Tal como se usa aquí, las expresiones "parte superior" y "parte inferior" se refieren a aquellas secciones de una columna por encima y por debajo respectivamente del punto medio de la columna.
Tal como se usa aquí, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa colocar dos fluidos en relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o mezcla de los fluidos entre sí.
Tal como se usa aquí, el término "condensador" significa un intercambiador de calor indirecto en el cual una alimentación que comprende dióxido de carbono y contaminantes ligeros es condensada al menos parcialmente.
Tal como se usa aquí, la expresión "contaminantes ligeros" significa una o más especies que tienen una presión de vapor mayor que la del dióxido de carbono. Ejemplos de contaminantes ligeros incluyen nitrógeno, oxígeno, argón, hidrógeno y monóxido de carbono.
Tal como se usa aquí, la expresión "fluido de intercambio de calor multicomponente" significa un fluido que tiene dos o más componentes con diferentes curvas de saturación (puntos de ebullición).
Un fluido de intercambio de calor multicomponente es un fluido de transferencia de calor que tiene al menos dos componentes. Las corrientes que se condensan parcialmente en un intervalo de temperaturas son condensadas más eficientemente usando ciertos fluidos de intercambio de calor multicomponente que están diseñados para seguir ajustadamente la curva de transferencia de calor de condensación (Q vs T) mediante la selección adecuada de componentes, composición y presión de operación. El fluido de intercambio de calor multicomponente apropiado minimiza el trabajo perdido en el proceso mediante la reducción de la diferencia de temperaturas entre la corriente de condensación por enfriamiento en relación al fluido de intercambio de calor multicomponente por evaporación a través del intercambiador de calor de condensación parcial.
Tal como se usa aquí, el término "subenfriamiento" significa enfriar un líquido para que esté a una temperatura menor que la temperatura de saturación del líquido para la presión existente.
Tal como se usa aquí, los términos "turboexpansión" y "turboexpansor" significan el método y el aparato respectivamente para el flujo de gas a alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del gas, generando de esta manera refrigeración.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una representación esquemática de una realización preferida de la invención.
Descripción detallada
La invención comprende, en general, el uso de un fluido intercambiador de calor multicomponente que recircula en un circuito intercambiador de calor, para licuar parcialmente la salida superior de la columna de destilación o para licuar al menos algo, preferiblemente toda, la alimentación a la columna para la separación del dióxido de carbono de los contaminantes ligeros. El fluido de intercambio de calor multicomponente permite que la licuefacción sea llevada a cabo con menos energía de la que sería necesaria si se usara la turboexpansión para generar refrigeración, o si fuera usado un refrigerante de componente puro convencional para absorber el calor de condensación.
La invención será descrita en detalle con referencia al dibujo. En referencia ahora a la Figura 1, la corriente de alimentación 50, que comprende dióxido de carbono, contaminantes ligeros y vapor de agua, típicamente a aproximadamente la presión ambiente, es pasada al compresor 1 en el cual es comprimida a una presión generalmente en el intervalo de 413,7 a 620,5 kPa. La corriente de alimentación 50 es cogida típicamente del efluente de desecho de un sistema de producción químico orgánico o inorgánico tal como, por ejemplo, uno que produce etanol y/o otros alcoholes. La concentración de dióxido de carbono en la alimentación está generalmente dentro del intervalo de 25% a 98% molar sobre una base seca. La invención tendrá utilidad particularmente para tratar una alimentación en la cual los contaminantes ligeros comprenden al menos el 15% molar sobre una base seca.
La alimentación comprimida 51 es enfriada mediante el paso a través del enfriador 2 de funcionamiento mediante aire o agua y la humedad condensada es separada en el separador de fases 3. La alimentación es entonces comprimida de nuevo mediante el paso a través del compresor 4 hasta una presión generalmente dentro del intervalo de 1930 a 2241 kPa. La alimentación 52 así comprimida es a continuación enfriada de nuevo mediante el paso a través de los enfriadores 5 y 6. La humedad condensada es retirada en el separador de fases 7 y la alimentación es a continuación secada mediante el paso a través del lecho absorbente 8.
La corriente de alimentación 53 enfriada y secada es entonces enfriada hasta cerca de su punto de rocío mediante el paso a través del rehervidor de columna 9 y es entonces suministrada mediante un conducto al condensador 10, en el cual es condensada al menos parcialmente, de preferencia condensada sustancialmente en su totalidad por intercambio de calor indirecto con fluido de intercambio de calor recirculante de componente puro. Preferiblemente, el componente puro del fluido de intercambio de calor es amoniaco. Otros fluidos de intercambio de calor de componente puro que pueden ser usados en la práctica en esta invención incluyen propano y refrigerantes de hidrocarburos halogenados. La alimentación condensada 54 resultante es expandida a través de la válvula 11 e introducida en la columna 12, preferiblemente, como se ilustra en la Figura 1, por la parte superior de la columna 12.
De vuelta ahora a la Figura 1, el fluido de intercambio de calor 55 gaseoso es comprimido hasta una presión moderada mediante el paso a través del compresor 15 y a continuación introducido en el postenfriador de contacto directo 16. El fluido de intercambio de calor gaseoso a presión moderada es extraído del postenfriador 16 en la corriente 56 y comprimido a una presión alta en el compresor 17. El fluido a alta presión es entonces condensado sustancialmente en su totalidad mediante el paso a través del intercambiador de calor 18 por intercambio de calor indirecto con, por ejemplo, agua o aire, y entonces es pasado a través de la válvula 19 e introducido en el postenfriador 16 como el medio de enfriamiento. El fluido intercambiador de calor líquido enfriado a presión moderada es extraído del postenfriador 16 en la corriente 57. Si se desea, como se ilustra en la Figura 1, una parte 58 de la corriente 57 es hecha pasar a través del enfriador 6 para enfriar la alimentación y retornada a continuación al postenfriador 16. La parte restante de la corriente 57 es hecha pasar a través de la válvula 20 y dividida a continuación en corrientes 59 y 60. La corriente 59 es suministrada mediante conducto al condensador 10, en el cual es vaporizada por intercambio de calor indirecto con la alimentación que se condensa mencionada más arriba, y el fluido intercambiador de calor vaporizado resultante es extraído del condensador 10 como corriente 61. La corriente 60 es introducida en el subenfriador 13 en el cual es vaporizada por intercambio de calor indirecto con el producto que se subenfría. La corriente 62 vaporizada resultante es combinada con la corriente 61 para formar la corriente gaseosa 55 y se repite el ciclo de refrigeración en bucle cerrado.
La columna 12 está operando a una presión generalmente dentro del intervalo de 1724 a 2206 kPa. Dentro de la columna 12 la alimentación es separada mediante destilación en componentes ligeros en la parte superior y producto dióxido de carbono. El líquido de alimentación fluye hacia abajo por la columna 12 contra un flujo ascendente de vapor y los contaminantes ligeros son separados del flujo descendente de líquido al flujo ascendente de vapor para formar el componente ligero en la parte superior de la columna 12 y el producto dióxido de carbono en el fondo de la columna 12.
El producto líquido dióxido de carbono, que tiene generalmente una concentración de dióxido de carbono de al menos 99,9% molar, es extraído de la parte inferior de la columna 12 en la corriente 63. Una parte 64 es vaporizada mediante el paso a través del rehervidor 9 en intercambio de calor indirecto con la alimentación de enfriamiento, y la parte vaporizada 65 resultante es introducida de nuevo en la columna 12 para servir como vapor en flujo ascendente. Otra parte 66 de la corriente 63 es subenfriada mediante el paso a través del subenfriador 13, hecha pasar a través de la válvula 14 y recuperada como producto dióxido de carbono en la corriente 67.
El vapor ligero de la parte superior 68, que contiene una fracción incrementada de contaminantes ligeros con respecto a la de la alimentación, y que contiene también algo de dióxido de carbono, es extraída de la parte superior de la columna 12, condensada parcialmente mediante el paso a través del intercambiador de calor 71, e introducida en el separador de fases 31. El vapor contaminante no condensado restante es extraído del separador de fases 31 en la corriente de vapor 69 y calentado mediante el paso a través del intercambiador de calor 71 antes de ser retirado del sistema. El líquido de reflujo resultante es introducido mediante la corriente 70 en la parte superior de la columna 12 desde el separador de fases 31 y a continuación desciende por la columna 12.
El intercambiador de calor 71 es operado mediante un fluido de intercambio de calor multicomponente recirculante que está compuesto preferiblemente del refrigerante usado para operar el intercambiador de calor 10, por ejemplo amoníaco, y un segundo compuesto de punto de ebullición más bajo, por ejemplo nitrógeno. Otros compuestos de punto de ebullición más bajo que pueden ser usados incluyen argón, metano, etano y los refrigerantes designados como R14, R23, R32 y R125. El fluido de intercambio de calor multicomponente 72 es comprimido en el compresor 73 y a continuación enfriado, preferiblemente condensado total o parcialmente, mediante el paso a través del intercambiador de calor 74 por intercambio de calor indirecto con un fluido de enfriamiento adecuado como agua o aire forzado. El fluido 75 resultante es condensado a continuación y/o subenfriado mediante el paso a través del intercambiador de calor 76 y es entonces dividido en dos partes. Se reduce la presión de la primera parte 77 mediante el paso a través de la válvula 78 y a continuación se hace pasar a través del intercambiador de calor 71 para condensar parcialmente el vapor ligero de la parte superior. Se reduce la presión de la segunda parte 79 a través de la válvula 80 y a continuación se hace pasar a través del intercambiador de calor 76 para condensar y/o subenfriar el fluido de intercambio de calor multicomponente 75. Las corrientes 77 y 79 son recombinadas para formar la corriente 72 y se repite el ciclo de refrigeración de bucle cerrado.
Ahora, con el uso de esta invención, se puede producir dióxido de carbono con calidad de producto efectiva y eficientemente mediante rectificación criogénica de una alimentación que contenga niveles significativos de contaminantes ligeros.

Claims (2)

1. Un método para producir dióxido de carbono, que comprende:
condensar una alimentación (50) que comprende dióxido de carbono y contaminantes ligeros mediante intercambio de calor indirecto con un fluido de intercambio de calor de componente puro (55) recirculante e introducir la alimentación condensada en una columna (12);
separar la alimentación dentro de la columna en componentes ligeros en la parte superior (68) y producto dióxido de carbono (63);
condensar parcialmente los componentes ligeros de la parte superior (68) mediante intercambio de calor indirecto con un fluido de intercambio de calor multicomponente (72) para producir líquido de reflujo (70) y vapor contaminante restante (69);
separar el líquido de reflujo (70) del vapor contaminante restante (69) y hacer pasar el líquido de reflujo (70) hacia abajo por la columna (12);
recuperar el producto dióxido de carbono (63) de la parte inferior de la columna (12); y
subenfriar el producto dióxido de carbono (66) mediante intercambio de calor indirecto con el fluido de intercambio de calor de componente puro (55) recirculante.
2. El método de la Reivindicación 1, en el cual el fluido de intercambio de calor multicomponente (72) consiste en amoníaco y nitrógeno.
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