ES2219230T3 - Procedimiento y dispositivo para obtener un producto de oxigeno a presion por descomposicion de aire a baja temperatura. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para obtener un producto de oxigeno a presion por descomposicion de aire a baja temperatura.

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ES2219230T3 ES00115777T ES00115777T ES2219230T3 ES 2219230 T3 ES2219230 T3 ES 2219230T3 ES 00115777 T ES00115777 T ES 00115777T ES 00115777 T ES00115777 T ES 00115777T ES 2219230 T3 ES2219230 T3 ES 2219230T3
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Abstract

Procedimiento para la obtención de un producto de oxígeno a presión por descomposición de aire a baja temperatura en un sistema de rectificación que presenta una columna de alta presión (13) y una columna de baja presión (14), en el que ¿ se introduce una primera corriente de aire de carga (12) en la columna de alta presión (13), ¿ se pone (39) a presión en estado líquido una fracción (38) rica en oxígeno procedente de la columna de baja presión (14) y se entrega (41) esta fracción a una columna mezcladora (16), ¿ se introduce una segunda corriente de aire de carga (6, 15, 306, 406) en la zona inferior de la columna mezcladora (16) y se la pone en contacto de contracorriente con la fracción (41) rica en oxígeno, ¿ haciéndose funcionar la columna mezcladora (16) a una presión (pMiS) que es más baja que la presión de funcionamiento (PHDS) de la columna de alta presión (13), y en el que ¿ se extrae de la zona superior de la columna mezcladora (16) oxígeno gaseoso impuro a presión (51) como producto de cabeza y se recupera éste como producto de oxígeno a presión (52), caracterizado porque ¿ una corriente de aire total (1), que contiene la primera y la segunda corrientes de aire de carga, es comprimida (2) a una primera presión (p1) que es más baja que la presión de funcionamiento (pHDS) de la columna de alta presión (13), y es depurada (3) a aproximadamente esta primera presión (p1), ¿ se distribuye la corriente de aire total depurada(4) en la primera (5) y la segunda (6, 306, 406) corrientes de aire de carga y ¿ se comprime adicionalmente (8, 108) la primera corriente de aire de carga (5) por separado de la segunda corriente de aire de carga hasta una segunda presión (p2) que es al menos igual a la presión de funcionamiento (PHDS) de la columna de alta presión (13).

Description

Procedimiento y dispositivo para obtener un producto de oxígeno a presión por descomposición de aire a baja temperatura.
La invención concierne a un procedimiento y un dispositivo para obtener un producto de oxígeno a presión por descomposición de aire a baja temperatura según los respectivos preámbulos de las reivindicaciones 1 y 9. Un procedimiento y un dispositivo de la clase citada son conocidos por el documento EP 697576 Al. En la invención se hace funcionar la columna mezcladora a una presión que es más baja que la presión de funcionamiento de la columna de alta presión del sistema de dos columnas que sirve para la separación de nitrógeno-oxígeno.
El sistema de rectificación de la invención puede estar construido como un sistema de dos columnas, por ejemplo como un sistema clásico de doble columna, pero también como un sistema de tres o más columnas. Además de las columnas para la separación de nitrógeno-oxígeno, dicho sistema puede presentar otros dispositivos para obtener otros componentes del aire, especialmente gases nobles (por ejemplo, criptón, xenón y/o argón).
La fracción rica en oxígeno, que se emplea como carga para la columna mezcladora, presenta una concentración de oxígeno que es más alta que la del aire y que, por ejemplo, está en 70 a 99,5% en moles, preferiblemente 90 a 98% en moles. Por columna mezcladora se entiende una columna de contacto a contracorriente en la que una fracción gaseosa fácilmente volátil es enviada al encuentro de un líquido difícilmente volátil.
El procedimiento según la invención es adecuado especialmente para la obtención de oxígeno impuro gaseoso a presión. Como oxígeno impuro se designa aquí una mezcla con un contenido de oxígeno de 99,5% en moles o menos, especialmente 70 a 99,5% en moles. Las presiones del producto son, por ejemplo, de 2,2 a 4,9 bares, preferiblemente 2,5 a 4,5 bares. Por supuesto, en caso necesario, el producto a presión puede comprimirse aún más en estado gaseoso.
En el documento EP 697576 A se comprime el aire total hasta aproximadamente la presión de la columna de alta presión y se expande el aire de la columna mezcladora a continuación hasta la presión de funcionamiento de dicha columna mezcladora, realizándose la expansión de una parte del aire de la columna mezcladora en una forma que produce trabajo. De este modo, la alta presión de esta corriente de aire parcial puede utilizarse ciertamente para la obtención de frío. Sin embargo, el procedimiento conocido no es energéticamente favorable en todos los casos.
Un proceso semejante se describe en el documento EP 1024464 Al no publicado todavía. Aquí se depuran unas corrientes de aire de carga primera y segunda por separado una de otra.
La invención se basa en el problema de indicar un procedimiento de la clase citada al principio y un dispositivo correspondiente que presenten un consumo de energía especialmente reducido.
Este problema se resuelve por el hecho de que una corriente de aire total, que comprende al menos la primera y la segunda corrientes de aire de carga, es comprimida hasta una primera presión (P_{2}) que es más baja que la presión de funcionamiento (P_{HDS}) de la columna de alta presión, y es depurada bajo aproximadamente esta primera presión (p_{1}), la corriente de aire total depurada es distribuida en la primera y la segunda corrientes de aire de carga y la primera corriente de aire de carga es comprimida adicionalmente por separado de la segunda corriente de aire de carga hasta una segunda presión (p_{1}) que es al menos igual a la presión de funcionamiento (P_{HDS}) de la columna de alta presión.
Por tanto, la corriente de aire total no es comprimida a la más alta presión en el sistema, sino a un valor más bajo. La parte o las partes del aire que necesitan una presión relativamente alta - especialmente el aire de la columna de alta presión - son comprimidas adicionalmente de forma deliberada por separado. De este modo, se puede tener suficiente con la aplicación de energía lo más pequeña posible durante la compresión del aire de carga.
Se logra el más pequeño gasto en aparatos cuando la primera presión es aproximadamente igual a la presión de funcionamiento de la columna mezcladora. En este caso, el aire de la columna mezcladora (segunda corriente de aire de carga) puede ser introducido en dicha columna mezcladora sin más medidas de variación de la presión.
Como alternativa a esto, la primera presión puede ser más baja que la presión de funcionamiento (p_{Mis}) de la columna mezcladora. En este caso, se comprime adicionalmente la segunda corriente de aire de carga, por separado de la primera corriente de aire de carga, hasta una tercera presión (p_{3}) que es al menos igual a la presión de funcionamiento (p_{MiS}) de la columna mezcladora.
Preferiblemente, la fracción rica en oxígeno puesta a presión en estado líquido es calentada en intercambio de calor indirecto con una corriente de aire recalentada antes de cargarla en la columna mezcladora. La corriente de aire recalentada está formada, por ejemplo, por una parte del aire de carga que se encuentra a la presión de la columna de alta presión. Esta se extrae, a una temperatura intermedia, del intercambiador de calor principal en el que se enfría aire de carga hasta aproximadamente el punto de rocío, y, sin más medidas de variación de la temperatura, es puesta en intercambio de calor indirecto con el líquido rico en oxígeno. De esta manera, la temperatura del líquido que se carga en la columna mezcladora es adaptada de forma óptima a las condiciones durante el intercambio de materias a contracorriente dentro de dicha columna mezcladora.
En el procedimiento se genera frío de manera favorable expandiendo una tercera corriente de aire de carga en una forma productora de trabajo e introduciéndola en la columna de baja presión. De este modo, se puede aprovechar el gradiente de presión "natural" entre la primera presión u otra presión del procedimiento para compensar pérdidas de aislamiento y eventualmente licuar una parte de los productos.
Preferiblemente, la tercera corriente de aire de carga es recomprimida antes de la expansión productora de trabajo, empleándose especialmente la energía mecánica generada durante la expansión productora de trabajo para el accionamiento del equipo de recompresión. Se puede utilizar aquí una combinación de turbina-booster en la que la turbina de expansión y el recompresor están acoplados mecánicamente a través de un árbol común.
La tercera corriente de aire de carga puede ser comprimida a la primera presión y depurada juntamente con la primera y la segunda corrientes de aire de carga. A continuación, es conducida directamente al equipo de recompresión o bien es recomprimida aún juntamente con la primera corriente de aire de carga.
Como alternativa al insuflado de la tercera corriente de aire de carga en la columna de baja presión, la segunda corriente de aire de carga puede ser expandida produciendo trabajo después de su compresión adicional y antes de su alimentación a la columna mezcladora. La compresión adicional se efectúa entonces hasta una segunda presión que es netamente más alta que la presión de la columna mezcladora.
La invención concierne, además, a un dispositivo según la reivindicación 9.
Se explican seguidamente la invención y otros detalles de la misma en forma más pormenorizada haciendo referencia a ejemplos de ejecución representados en los dibujos. Muestran en éstos:
la figura 1, un procedimiento y un dispositivo con expansión productora de trabajo de una parte del aire comprimido a la primera presión,
la figura 2, un proceso modificado con expansión productora de trabajo de una parte del aire comprimido a la segunda presión,
la figura 3, un procedimiento con expansión productora de trabajo del aire de la columna mezcladora y
la figura 4, otra variante de la figura 1 sin recompresión del aire de la turbina.
En el proceso representado en la figura 1 se lleva aire de carga 1 en un compresor de aire 2 de dos etapas con refrigeración posterior a una primera presión p_{1} de, por ejemplo, 2,7 a 3,7 bares, preferiblemente alrededor de 3,2 bares, y dicho aire de carga entra a esta presión en un equipo de depuración 3 que está formado preferiblemente por un par de adsorbedores de tamices moleculares. El aire total depurado 4 es distribuido en tres corrientes parciales 5, 6, 7.
La primera corriente de aire de carga 5 es comprimida adicionalmente en un primer recompresor 8 a una segunda presión p_{2} de, por ejemplo, 4,4 a 7,0 bares, preferiblemente alrededor de 5,7 bares, y entra en un intercambiador de calor principal 10 después de una refrigeración posterior 9. La primera corriente de aire de carga sale del intercambiador de calor principal 10 por una tubería 11 a aproximadamente la temperatura del punto de rocío y es alimentada a una columna de alta presión 13 a través de una tubería 12. La presión de funcionamiento P_{HDS} de la columna de alta presión 13 es, por ejemplo, de 4,3 a 6,9 bares, preferiblemente alrededor de 5,6 bares. Además, el sistema de rectificación presenta una columna de baja presión 14 que se hace funcionar por debajo de, por ejemplo, 1,3 a 1,7 bares, preferiblemente alrededor de 1,5 bares.
La segunda corriente de aire de carga 6 es conducida también por el intercambiador de calor principal 10 a aproximadamente la primera presión p_{1} (menos pérdidas de potencia y pérdidas de presión en el equipo de depuración) y pasa finalmente a la columna mezcladora a través de una tubería 15. El punto de alimentación está inmediatamente por encima del sumidero de la columna mezcladora 16.
La tercera corriente parcial 7 es recomprimida desde aproximadamente la primera presión p_{1} en un segundo recompresor 17 hasta una tercera presión p_{3} de, por ejemplo, 3,8 a 5,6 bares, preferiblemente alrededor de 4,7 bares, y, después de una refrigeración posterior 18, es conducida por la tubería 19 al extremo caliente del intercambiador de calor principal. Sin embargo, es enfriada únicamente hasta una temperatura intermedia y ya antes del extremo frío es retirada nuevamente del intercambiador de calor principal 10 por una tubería 50 y expandida produciendo trabajo en una turbina 20. El aire expandido 21 es insuflado en la columna de baja presión 14. El recompresor 17 y la turbina 20 están acoplados mecánicamente de forma directa.
El sistema de rectificación está construido en los ejemplos de ejecución como un aparato Linde clásico de doble columna con un condensador-evaporador 22 en calidad de condensador principal. Sin embargo, la invención puede utilizarse también en sistemas de rectificación con otra configuración de condensador y/o de columna.
Líquido 23 enriquecido en oxígeno procedente del sumidero de la columna de alta presión 13 es enfriado en un primer aparato de subenfriamiento a contracorriente 24 y alimentado, después de una estrangulación 25, a la columna de baja presión 14 en un punto intermedio 26. Nitrógeno gaseoso 27 procedente de la cabeza de la columna de alta presión 13 puede ser calentado en una parte 28 en el intercambiador de calor principal 10 y recuperado como producto de nitrógeno a presión 29. El resto 30 es condensado de forma sustancialmente completa en el condensador principal 22. El nitrógeno líquido 31 obtenido de este modo es entregado al menos en una parte 32 como retorno a la columna de alta presión 13. En caso necesario, se puede retirar otra parte 33 como producto líquido. Un líquido intermedio 34 (nitrógeno impuro) de la columna de alta presión sirve, después del subenfriamiento 24 y la estrangulación 35, como retorno para la columna de baja presión. Nitrógeno impuro gaseoso 36 procedente de la cabeza de la columna de baja presión es calentado en los intercambiadores de calor 24 y 10 y retirado finalmente por la tubería 37. Como se ha representado, este nitrógeno puede ser utilizado como gas de regeneración para el equipo de depuración 3.
Nitrógeno líquido 38 es retirado del sumidero de la columna de baja presión, puesto a una presión de, por ejemplo, 5,7 a 6,5 bares, preferiblemente alrededor de 6,1 bares, en una bomba 39, calentado en un segundo aparato de subenfriamiento a contracorriente 40 y, finalmente, entregado (41) a la cabeza de la columna mezcladora 16. En el segundo aparato de subenfriamiento a contracorriente 40 se enfría especialmente una corriente de aire recalentada 42 que se deriva de la primera corriente de aire de carga aguas arriba del extremo frío del intercambiador de calor principal, concretamente a una temperatura intermedia que es más baja que la temperatura de entrada de la turbina 20. Después de su enfriamiento a través de una tubería 43, esta corriente de aire se reúne nuevamente con la primera corriente de aire de carga 11. A través de la válvula 44 se ajusta la cantidad de la corriente de aire que circula por el segundo aparato de subenfriamiento a contracorriente.
Oxígeno gaseoso impuro a presión 51 es retirado de la cabeza de la columna mezcladora 16, calentado en el intercambiador de calor principal 10 y recuperado como producto 52. Se extraen de la columna mezcladora un líquido de sumidero 45 y un líquido intermedio 46 y se alimentan éstos a un punto adecuado de la columna de baja presión 14 a través de las tuberías 47 y 48, respectivamente.
La figura 2 se diferencia de la figura 1 únicamente porque la tercera corriente de aire de carga 207 es comprimida adicionalmente junto con la segunda corriente de aire de carga en el primer recompresor 108. De este modo, se alcanza una presión de entrada más alta en la turbina 20 y, por consiguiente, se genera más frío.
En la variante de la figura 3 se hace funcionar el equipo de depuración a una primera presión p_{1}' que es más alta que la presión de funcionamiento p_{MiS} de la columna mezcladora. La primera presión p_{1}' es aquí de, por ejemplo, 2,7 a 3,7 bares, preferiblemente alrededor de 3,2 bares. La segunda corriente de aire de carga 306 se expande aquí aguas arriba de su alimentación a la columna mezcladora. No existe una tercera corriente de aire de carga que se insufle en la columna de baja presión. La segunda corriente de aire de carga 306 es comprimida adicionalmente, aguas abajo de su derivación del aire total depurado, en el segundo recompresor 317, el cual es accionado por la turbina 320. La segunda corriente de aire de carga 349 comprimida adicionalmente a, por ejemplo, 3,8 a 5,6 bares, preferiblemente alrededor de 4,7 bares, es alimentada a la turbina 320 por una tubería 350 y expandida allí produciendo trabajo hasta aproximadamente la presión p_{MiS} de la columna mezcladora.
Análogamente a lo que ocurre en la figura 3, en el procedimiento de la figura 4 al equipo de depuración 3 se hace funcionar a una primera presión especialmente baja p_{11}'' de, por ejemplo, 2,7 a 3,7 bares, preferiblemente alrededor de 3,2 bares. Al igual que en la figura 1, la turbina 420 es solicitada con una tercera corriente de aire de carga 407, 450 que, no obstante, no se recomprime aquí, sino que se expande directamente produciendo trabajo desde aproximadamente la primera presión p_{1}'' hasta aproximadamente la presión de la columna de baja presión. El recompresor 418 accionado por la turbina es utilizado aquí para comprimir adicionalmente la segunda corriente de aire de carga hasta la segunda presión pe, la cual es aproximadamente igual a la presión de funcionamiento p_{MiS} de la columna mezcladora.
En todos los ejemplos de ejecución el compresor de aire y el recompresor 8, 108 se han construido de preferencia conjuntamente como una máquina de tres etapas. Expresado de otra manera, la compresión adicional de la primera corriente de aire de carga se realiza en la tercera etapa de una máquina, cuyas etapas primera y segunda sirven para la compresión del aire aguas arriba del equipo de depuración 3. Como alternativa a esto, esta máquina puede estar construida también con cuatro etapas, estando dispuestas en este caso las tres primeras etapas delante del equipo de depuración 3.

Claims (9)

1. Procedimiento para la obtención de un producto de oxígeno a presión por descomposición de aire a baja temperatura en un sistema de rectificación que presenta una columna de alta presión (13) y una columna de baja presión (14), en el que
\bullet se introduce una primera corriente de aire de carga (12) en la columna de alta presión (13),
\bullet se pone (39) a presión en estado líquido una fracción (38) rica en oxígeno procedente de la columna de baja presión (14) y se entrega (41) esta fracción a una columna mezcladora (16),
\bullet se introduce una segunda corriente de aire de carga (6, 15, 306, 406) en la zona inferior de la columna mezcladora (16) y se la pone en contacto de contracorriente con la fracción (41) rica en oxígeno,
\bullet haciéndose funcionar la columna mezcladora (16) a una presión (p_{MiS}) que es más baja que la presión de funcionamiento (P_{HDS}) de la columna de alta presión (13), y en el que
\bullet se extrae de la zona superior de la columna mezcladora (16) oxígeno gaseoso impuro a presión (51) como producto de cabeza y se recupera éste como producto de oxígeno a presión (52),
caracterizado porque
\bullet una corriente de aire total (1), que contiene la primera y la segunda corrientes de aire de carga, es comprimida (2) a una primera presión (p_{1}) que es más baja que la presión de funcionamiento (p_{HDS}) de la columna de alta presión (13), y es depurada (3) a aproximadamente esta primera presión (p_{1}),
\bullet se distribuye la corriente de aire total depurada(4) en la primera (5) y la segunda (6, 306, 406) corrientes de aire de carga y
\bullet se comprime adicionalmente (8, 108) la primera corriente de aire de carga (5) por separado de la segunda corriente de aire de carga hasta una segunda presión (p_{2}) que es al menos igual a la presión de funcionamiento (P_{HDS}) de la columna de alta presión (13).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera presión (p_{1}) es aproximadamente igual a la presión de funcionamiento (p_{MiS}) de la columna mezcladora (16).
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera presión es más baja que la presión de funcionamiento (p_{MiS}) de la columna mezcladora (16) y porque la segunda corriente de aire de carga (306, 406) es comprimida adicionalmente (317, 417) por separado de la primera corriente de aire de carga hasta una tercera presión (p_{3}) que es al menos igual a la presión de funcionamiento (p_{MiS}) de la columna mezcladora (16).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la fracción rica en oxígeno puesta a presión en estado líquido es calentada, antes de ser entregada (41) a la columna mezcladora (16), por intercambio de calor indirecto (40) con una corriente de aire recalentada (42).
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se expansiona (20, 420) produciendo trabajo una tercera corriente de aire de carga (7, 50, 207, 407, 450) y se introduce (21) ésta en la columna de baja presión (14).
6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque se recomprime (17) la tercera corriente de aire de carga (7) antes de la expansión productora de trabajo (20), empleándose especialmente energía mecánica generada durante la expansión productora de trabajo (20) para la recompresión (17).
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque la tercera corriente de aire de carga está formada por una parte de la corriente de aire total (4) aguas abajo del equipo de depuración (3) y es alimentada (7, 207) al equipo de recompresión (17) directamente o bien después de una compresión adicional conjunta (108) con la primera corriente de aire de carga.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se expande (320) la segunda corriente de aire de carga (306, 349, 350) produciendo trabajo antes de su introducción en la columna mezcladora.
9. Dispositivo para obtener un producto de oxígeno a presión por descomposición de aire a baja temperatura con un sistema de rectificación que presenta una columna de alta presión (13) y una columna de baja presión (14), y con
\bullet una primera tubería de aire de carga (5, 11, 12) que conduce a la columna de alta presión (13),
\bullet una tubería de líquido (38, 41) para extraer una fracción rica en oxígeno de la columna de baja presión (14), que contiene medios (39) para aumentar la presión y que conduce a una columna mezcladora (16),
\bullet una segunda tubería de aire de carga (6, 15) que conduce a la zona inferior de la columna mezcladora (16),
\bullet una tubería de producto de oxígeno que está unida con la zona superior de la columna mezcladora (16), y
\bullet una tubería de aire total que se extiende a través de un compresor de aire (2) y un equipo de depuración (3) y que está unida aguas abajo con la primera y la segunda tuberías de aire carga, caracterizado porque
\bullet un recompresor (8, 108) está dispuesto en la primera tubería de aire de carga (5, 11, 12).
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