ES2350890T3 - Procedimiento e instalación de separación de aire por destilación criogénica. - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de separación de aire por destilación criogénica en una instalación que comprende una doble o triple columna (100, 200) de separación de aire, cuya columna que opera a la presión más elevada (100) opera a una presión denominada de presión media y un conducto de intercambio (9) en el cual: a) todo el aire es llevado a una presión elevada al menos 5 bares más elevada que la presión media y purificado a esta alta presión, b) una parte del caudal de aire purificado se refrigera en el conducto de intercambio y se divide en dos fracciones, c) cada fracción se descomprime en una turbina (17, 19), d) la presión de admisión de las dos turbinas es superior o las presiones de las dos turbinas son superiores en al menos 5 bares por encima de la presión media, e) la presión de descarga de al menos una de las dos turbinas es sustancialmente igual a la presión media, f) se envía al menos una parte del aire descomprimido en al menos una de las turbinas a la columna de presión media de la doble o triple columna, g) un aumentador de presión frío (23) mecánicamente conectado con una de las turbinas de descompresión aspira aire, que ha experimentado una refrigeración en el conducto de intercambio y descarga el aire a una temperatura por encima de la temperatura de admisión, y el fluido así comprimido es reintroducido en el conducto de intercambio en el cual al menos una parte del fluido se condensa, h) al menos un líquido presurizado procedente de una de las columnas se vaporiza en el conducto de intercambio a una temperatura de vaporización y i) la turbina (17) no acoplada al aumentador de presión frío está provista de un dispositivo de disipación de energía, caracterizado porque el dispositivo es seleccionado entre: I) un aumentador de presión (5) distinto del aumentador de presión frío y mecánicamente acoplado con la indicada turbina no acoplada al aumentador de presión frío y seguido de un refrigerante II) un sistema de freno de aceite III) un generador eléctrico (61) y porque la parte del caudal de aire purificado se divide en dos fracciones después de haber sido refrigerado en el conducto de intercambio, y eventualmente j) la temperatura de aspiración del aumentador de presión frío (23) es parecida a la temperatura de vaporización del líquido.

Description

[0001] La presente invención se refiere a un procedimiento y a una instalación de separación de aire por destilación criogénica, según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 14. Un procedimiento y una instalación de este tipo son conocidos por la Figura 4 10 del documento US-A-5475980.
[0002] Es conocido producir un gas a partir del aire bajo presión por vaporización de líquido presurizado en un conducto de intercambio de un aparato de separación de aire por intercambio de calor con un gas comprimido a 15 partir de una temperatura criogénica. Aparatos de este tipo son conocidos por los documentos FR-A-2688052, EP-A-0644388, EP-A-1014020 y FR-A-2851330.
[0003] La eficacia energética de los aparatos conocidos no es excelente pues es preciso evacuar las 20 entradas térmicas relacionadas con la compresión criogénica.
[0004] Además, para los esquemas tales como el de la Figura 7 del documento US-A-5475980, el conjunto de la turbina acoplada al aumentador de presión frío está 25 asociado con un sistema de disipación de energía (freno de aceite), integrado en el eje de las máquinas y tecnológicamente limitado a pequeñas potencias (del orden de los 70 KW).
[0005] Sin embargo, este tipo de procedimiento 30 parece tener un interés económico, en particular cuando la energía es poco valorada o disponible a bajo coste. Resulta por consiguiente potencialmente interesante poder liberarse del límite tecnológico del freno de aceite integrado en el eje del conjunto turbina/aumentador de 35 presión.
[0006] Un fin de la invención es proponer una alternativa que permita realizar esquemas de procedimiento con aumentador de presión frío sin sistema de disipación de energía integrado en el eje de turbina del aumentador de presión, y por consiguiente considerar 5 utilizar este esquema para aproximadamente todos los tamaños de aparatos de separación de aire.
[0007] Según la presente invención, está previsto un procedimiento según la reivindicación 1.
[0008] Según otros aspectos facultativos de la 10 invención:
- las condiciones de admisión y de descarga de las dos turbinas son parecidas o idénticas en términos de presión y de temperatura; 15
- el aire enviado a las turbinas es de alta presión (Figura 2);
- el aire enviado a las turbinas se encuentra a una presión superior a la alta presión y proviene del aumentador de presión frío y/o del aumentador de 20 presión que constituye el dispositivo de disipación o que forma parte de éste (Figuras 1 y 3);
- todo el aire enviado a las turbinas proviene del aumentador de presión que constituye el dispositivo de disipación o que forma parte de éste y el aire 25 sobrepresurizado en el aumentador de presión frío continua su refrigeración en el conducto de intercambio, se descomprime, licua y se envía a al menos una columna de la doble columna o la triple columna (Figura 1); 30
- una parte del aire sobrepresurizado en el aumentador de presión frío es enviada a las turbinas y el resto continua su refrigeración en el conducto de intercambio, se descomprime, licua y se envía a por lo menos una columna de la doble columna o la triple 35 columna (Figura 3);
- al menos una parte del aire a alta presión se sobrepresuriza en el aumentador de presión frío;
- el aire a alta presión se divide en al menos dos partes, siendo una parte sobrepresuriza en el aumentador de presión fría y otra parte (el resto) 5 en el aumentador de presión que constituye el dispositivo de disipación o que forma parte de éste (Figura 1);
- al menos una parte del aire procedente del aumentador de presión que constituye el dispositivo 10 de disipación o que forma parte de éste es enviada al aumentador de presión frío (Figura 2);
- al menos una parte del aire sobrepresurizado en el aumentador de presión que constituye el dispositivo de disipación o que forma parte de éste es enviada a 15 las turbinas;
- una parte del aire procedente del aumentador de presión que constituye el dispositivo de disipación o que forma parte de éste se refrigera contra al menos un líquido que se vaporiza en el conducto de 20 intercambio, se descomprime, licua y envía a una columna de la doble o triple columna;
- se produce al menos un producto final en forma líquida;
- todo el aire gaseoso destinado a las columnas de la 25 doble o triple columna proviene de las turbinas de descompresión de aire.
[0009] Según otro aspecto de la invención, está prevista una instalación según la reivindicación 14. 30
[0010] Según otros aspectos facultativos, la instalación comprende:
- medios para enviar aire a las turbinas desde el aumentador de presión frío y/o el aumentador de 35 presión que constituye el medio de disipación de
energía o que formar parte de éste;
- medios para enviar al menos una parte del aire a destilar al aumentador de presión que constituye el medio de disipación de energía o que forma parte de éste. 5
[0011] De preferencia los dos aumentadores de presión están conectados en serie o en paralelo y las turbinas están conectadas en paralelo.
[0012] De preferencia la temperatura de aspiración del segundo aumentador de presión es superior 10 a la temperatura de entrada de las turbinas.
[0013] Se utilizará una turbina complementaria, que funciona en paralelo con la turbina del primer conjunto de turbina aumentador de presión, y equipada con su propio sistema de disipación de energía. 15 Favorablemente, este sistema será un aumentador de presión seguido de un refrigerante de agua instalado en la parte caliente.
[0014] «Parecidas en términos de presión» quiere decir que las presiones difieren como máximo 5 bares, de 20 preferencia como máximo 2 bares. «Parecidas en términos de temperatura» quiere decir que las temperaturas difieren como máximo 15oC, de preferencia como máximo 10oC.
[0015] Un aumentador de presión es un compresor 25 de una sola fase.
[0016] Todas las presiones mencionadas son presiones absolutas.
[0017] El término «condensación» comprende la pseudo condensación. El término «vaporización» comprende 30 la pseudo vaporización.
[0018] Esta invención se distingue de la del documento US-A- 5.475.980 en el sentido de que en la Figura 4 (turbina 9 opcional), las dos turbinas 8, 32 aspiran a presiones muy diferenciadas, siendo la 35 diferencia de al menos 14 bares y en la Figura 5, la
diferencia de presiones es de aproximadamente 13 bares y una turbina escapa a la baja presión, lo cual es penalizante para el oxígeno puro.
[0019] La invención se describirá con más detalle haciendo referencia a las figuras en las cuales: 5
- Las Figuras 1, 2 y 3 representan un aparato de separación de aire según la invención.
- En la Figura 1, un caudal de aire a la presión atmosférica se comprime a aproximadamente 15 bares 10 en un compresor principal (no ilustrado). El aire es seguidamente eventualmente refrigerado, antes de ser purificado para eliminar las impurezas (no ilustrado). El aire purificado se divide en dos. Una parte del aire 3 es enviada a un aumentador de 15 presión 5 hasta una presión entre 17 y 20 bares, y seguidamente el aire sobrepresurizado es refrigerado por un refrigerante de agua 7 antes de ser enviado al extremo caliente del conducto de intercambio principal 9 del aparato de separación de aire. El 20 aire sobrepresurizado 11 se refrigera hasta una temperatura intermedia antes de salir del conducto de intercambio y de ser dividido en dos fracciones. Una fracción 13 es enviada a una turbina 17 y el resto, una fracción 15 es enviada a una turbina 19. 25 Las dos turbinas tienen la misma temperatura y presión de aspiración y la misma temperatura y presión de salida pero evidentemente es posible que estas temperaturas y presión sean parecidas las unas a las otras en lugar de ser idénticas. Los dos 30 caudales de turbinas se mezclan para formar un caudal 21 de aire gaseoso que es enviado al sistema de columnas como se describirá con respecto a la Figura 2. En variante, la turbina 19 puede ser una turbina de insuflación que desemboca a la presión de 35 la columna de baja presión.
[0020] Otra parte 2 del aire a 15 bares que constituye el resto del aire se refrigera en el conducto de intercambio a una temperatura intermedia superior a la temperatura de aspiración de las turbinas 17, 19, 5 comprimida en un segundo aumentador de presión 23 hasta 30 bares aproximadamente e introducida en el conducto de intercambio 9 a una temperatura más elevada con el fin de continuar su refrigeramiento.
[0021] Así, el aire 37 a 30 bares se licua en el 10 conducto de intercambio y el oxígeno líquido 25 se vaporiza en el conducto de intercambio, siendo la temperatura de vaporización del líquido parecida a la temperatura de aspiración del segundo aumentador de presión 23. El aire licuado sale del conducto de 15 intercambio y es enviado al sistema de columnas.
[0022] Un caudal de nitrógeno residual 27 se calienta en el conducto de intercambio 9.
[0023] El primer aumentador de presión 5 está acoplado con una de las turbinas 17, 19 y el segundo 20 aumentador de presión 23 está acoplado con la otra de las turbinas 19, 17.
[0024] El sistema de columnas de un aparato de separación de aire está constituido por una columna de presión media 100 térmicamente conectada con una columna 25 de baja presión 200.
[0025] La columna de presión media opera a una presión de 5,5 bares pero puede operar a una presión más elevada.
[0026] El aire gaseoso 21 procedente de las dos 30 turbinas 17, 19 es el caudal enviado a la cuba de la columna de presión media 100.
[0027] El aire licuado 37 es descomprimido en la válvula 39 y dividido en dos, siendo una parte enviada a la columna de presión media 100 y el resto a la columna 35 de baja presión 200.
[0028] El líquido rico 51, el líquido pobre inferior 53 y el líquido pobre superior 55 son enviados desde la columna de presión media 100 a la columna de baja presión 200 después de las etapas de descompresión en las válvulas y de subrefrigeramiento. 5
[0029] El oxígeno líquido 57 y nitrógeno líquido 59 se extraen como productos finales de la doble columna.
[0030] El oxigeno líquido se presuriza por la bomba 500 y se envía como líquido presurizado 25 al conducto de intercambio 9. Otros líquidos, presurizados o 10 no, puede vaporizarse en el conducto de intercambio.
[0031] El nitrógeno gaseoso es opcionalmente extraído de la columna de presión media y se refrigera igualmente por el conducto de intercambio 9.
[0032] El nitrógeno 33 es extraído en cabeza de 15 la columna de baja presión y se calienta (conducto 29) en el conducto de intercambio, después de haber servido para subrefrigerar los líquidos de reflujo.
[0033] El nitrógeno residual 27 es extraído desde un nivel inferior de la columna de baja presión y se 20 recalienta en el conducto de intercambio, después de haber servido para subrefrigerar los líquidos de reflujo.
[0034] La columna puede eventualmente producir argón tratando un caudal extraído de la columna de baja presión 200. 25
[0035] En la variante de la Figura 1, solo una parte del aire sobrepresurizado en el primer aumentador de presión es enviada a las turbinas 17, 19. El resto del aire 41 se encuentra licuado a la salida del conducto de intercambio. El líquido es seguidamente descomprimido en 30 una válvula 43 y mezclado con el líquido 30 descomprimido en la válvula 39. El resto de la Figura es idéntico al de la Figura 1.
[0036] En la Figura 2, un caudal de aire a la presión atmosférica es comprimido a 15 bares en un 35 compresor principal 1. El aire es seguidamente
eventualmente refrigerado y purificado para eliminar las impurezas y refrigerado. Una primera parte del aire purificado es superpresurizada en el primer aumentador de presión 5 hasta una presión de aproximadamente 17 bares antes de ser refrigerada por un refrigerante de agua 7. 5
[0037] A la salida del refrigerante 7, el aire 11 es sobrepresurizado en el segundo aumentador de presión 23 hasta aproximadamente 30 bares después de haber sido refrigerado hasta una temperatura intermedia del conducto de intercambio 9, próxima a la temperatura de evaporación 10 del oxígeno líquido. El aire a 30 bares es seguidamente reintroducido en el intercambiador 9 a una temperatura más elevada y se refrigera atravesando el conducto de intercambio y se encuentra licuado. El aire 33 se divide en dos, se descomprime y envía a las dos columnas 100, 15 200.
[0038] La segunda parte 2 del aire a 15 bares se refrigera en el conducto de intercambio a una temperatura inferior a la temperatura de aspiración del aumentador de presión 23, sale del conducto de intercambio y se divide 20 en dos. Cada parte del aire se descomprime en una turbina 17, 19 antes de ser enviada a la columna de presión media 100.
[0039] El aumentador de presión caliente 5 está acoplado con la turbina 17 y el aumentador de presión 25 fría 23 está acoplado con la turbina 19.
[0040] En la Figura 2, las dos turbinas 17 y 19 son alimentadas no con aire procedente del aumentador de presión caliente sino con aire a presión elevada. El aumentador de presión frío 23 sobrepresuriza todo el aire 30 procedente del aumentador de presión caliente 5 y este aire se licua seguidamente. La presión de entrada de las turbinas es por consiguiente más baja que en la Figura 1. El resto de la Figura 2 es idéntico a la Figura 1.
[0041] En la Figura 3, el aumentador de presión 35 caliente 5 se suprime. Todo el aire 1 es enviado al
conducto de intercambio a una sola presión superior de 5 a 10 bares a la presión media. Este aire es extraído del conducto de intercambio a una temperatura intermedia y todo el aire se sobrepresuriza a una temperatura inferior a la temperatura ambiente hasta una presión de 18 bares 5 en el aumentador de presión frío 23. Seguidamente el aire sobrepresurizado se divide en dos. Una parte 33 continua su refrigeramiento hasta el extremo frío del conducto de intercambio, se licua y se descomprime para ser enviada a al menos una columna del sistema de columnas 100, 200. 10
[0042] El resto del aire sale del conducto de intercambio a una temperatura intermedia inferior a la temperatura de aspiración del aumentador de presión frío, se divide en dos y se envía a dos turbinas 17, 19 con las mismas condiciones o condiciones parecidas en temperatura 15 y presión a la entrada y a la salida. El caudal reunido de aire descomprimido en las turbinas 17, 19 es enviado a la columna media de presión y constituye la única entrada de aire gaseoso en la doble columna.
[0043] El aumentador de presión frío 23 está 20 acoplado con la turbina 19 y la turbina 17 está acoplada con un generador eléctrico 61 que puede ser sustituido por un freno de aceite.
25

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES
  2. 1. Procedimiento de separación de aire por destilación criogénica en una instalación que comprende una doble o triple columna (100, 200) de separación de 5 aire, cuya columna que opera a la presión más elevada (100) opera a una presión denominada de presión media y un conducto de intercambio (9) en el cual:
    a) todo el aire es llevado a una presión elevada al 10 menos 5 bares más elevada que la presión media y purificado a esta alta presión,
    b) una parte del caudal de aire purificado se refrigera en el conducto de intercambio y se divide en dos fracciones, 15
    c) cada fracción se descomprime en una turbina (17, 19),
    d) la presión de admisión de las dos turbinas es superior o las presiones de las dos turbinas son superiores en al menos 5 bares por encima de la 20 presión media,
    e) la presión de descarga de al menos una de las dos turbinas es sustancialmente igual a la presión media,
    f) se envía al menos una parte del aire 25 descomprimido en al menos una de las turbinas a la columna de presión media de la doble o triple columna,
    g) un aumentador de presión frío (23) mecánicamente conectado con una de las turbinas de 30 descompresión aspira aire, que ha experimentado una refrigeración en el conducto de intercambio y descarga el aire a una temperatura por encima de la temperatura de admisión, y el fluido así comprimido es reintroducido en el conducto de 35 intercambio en el cual al menos una parte del
    fluido se condensa,
    h) al menos un líquido presurizado procedente de una de las columnas se vaporiza en el conducto de intercambio a una temperatura de vaporización y
    i) la turbina (17) no acoplada al aumentador de 5 presión frío está provista de un dispositivo de disipación de energía, caracterizado porque el dispositivo es seleccionado entre:
    I) un aumentador de presión (5) distinto del aumentador de presión frío y mecánicamente 10 acoplado con la indicada turbina no acoplada al aumentador de presión frío y seguido de un refrigerante
    II) un sistema de freno de aceite
    III) un generador eléctrico (61) 15
    y porque la parte del caudal de aire purificado se divide en dos fracciones después de haber sido refrigerado en el conducto de intercambio, y eventualmente 20
    j) la temperatura de aspiración del aumentador de presión frío (23) es parecida a la temperatura de vaporización del líquido.
  3. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el 25 cual las condiciones de admisión y de descarga de las dos turbinas (17, 19) son parecidas o idénticas en términos de presión y de temperatura.
  4. 3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el 30 cual el aire (2) enviado a las turbinas (17, 19) se encuentra a presión elevada.
  5. 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el cual el aire (13, 15) enviado a las turbinas 35 se encuentra a una presión superior a la presión elevada
    y proviene del aumentador de presión frío (23).
  6. 5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el cual todo el aire enviado a las turbinas (17, 19) proviene del aumentador de presión (5) que constituye el 5 dispositivo de disipación o que forma parte de éste y el aire sobrepresurizado en el aumentador de presión frío (23) continua su refrigeramiento en el conducto de intercambio se descomprime, licua y se envía al menos a una columna (100, 200) de la doble columna o la triple 10 columna.
  7. 6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual una parte (13, 15) del aire sobrepresurizado en el aumentador de presión frío (23) es 15 enviada a las turbinas (17, 19) y el resto (33) continua su refrigeramiento en el conducto de intercambio, se descomprime, licua y envía a al menos una columna de la doble columna o la triple columna.
    20
  8. 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el cual al menos una parte del aire a la presión elevada se sobrepresuriza en el aumentador de presión frío (23).
  9. 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 25 anteriores, en el cual el aire a presión elevada se divide en al menos dos partes, siendo una parte sobrepresurizada en el aumentador de presión frío (23) y la otra parte o el resto en el aumentador de presión (5) que constituye el dispositivo de disipación o que forma 30 parte de éste.
  10. 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual al menos una parte del aire procedente del aumentador de presión (5) que constituye el 35 dispositivo de disipación o que forma parte de este se
    envía al aumentador de presión frío (23).
  11. 10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el cual al menos una parte del aire sobrepresurizado en el aumentador de presión (5) que 5 constituye el dispositivo de disipación o que formar parte de este se envía a las turbinas (17, 19), siendo la presión del aire enviado a las turbinas eventualmente superior a la presión elevada.
    10
  12. 11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el cual al menos una parte del aire procedente del aumentador de presión (5) que constituye el dispositivo de disipación o que forma parte de éste se refrigera contra al menos un líquido que se vaporiza en 15 el conducto de intercambio, se descomprime, licua y envía a una columna de la doble o triple columna.
  13. 12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el cual se produce al menos un producto 20 final (57, 59) en forma líquida.
  14. 13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el cual todo el aire gaseoso (21) destinado a las columnas de la doble o triple columna 25 proviene de las turbinas de descompresión de aire.
  15. 14. Instalación de separación de aire por destilación criogénica que comprende:
    30
    a) una doble o triple columna (100, 200) de separación de aire, cuya columna (100) que opera a la presión más elevada opera a una presión denominada presión media,
    b) un conducto de intercambio (9), 35
    c) medios para llevar todo el aire a una presión
    elevada por encima de la presión media y medios para purificarlo a esta presión elevada,
    d) medios para enviar una parte del caudal de aire purificado al conducto de intercambio para refrigerarlo y medios para dividir este aire 5 refrigerado en dos fracciones,
    e) dos turbinas (17, 19) y medios para enviar una fracción de aire a cada turbina,
    f) medios para enviar al menos una parte del aire descomprimido en por lo menos una de las turbinas 10 a la columna de presión media de la doble o triple columna,
    g) un aumentador de presión frío (23), medios para enviar el aire extraído, de preferencia, en un punto intermedio, del conducto de intercambio 15 principal al aumentador de presión frío y medios para enviar aire sobrepresurizado en el aumentador de presión frío al conducto de intercambio en un punto intermedio río arriba del punto de extraído,
    h) medios (500) para presurizar al menos un líquido 20 procedente de una de las columnas, medios para enviar al menos un líquido presurizado al conducto de intercambio y medios para obtener un líquido vaporizado del conducto de intercambio,
    i) el aumentador de presión frío se acopla a una de 25 las turbinas (19) y
    j) la turbina no acoplada (17) al aumentador de presión frío se acopla a un medio de disipación de energía
    caracterizada porque el medio de disipación 30 comprende:
    I) un aumentador de presión (5) distinto al aumentador de presión frío y mecánicamente acoplado a la indicada turbina no acoplada 35 al aumentador de presión frío y seguido de
    un refrigerante o
    II) un sistema de freno de aceite o
    III) un generador eléctrico (61)
    y porque los medios para dividir el aire en dos fracciones se encuentran río abajo del conducto de 5 intercambio.
  16. 15. Instalación según la reivindicación 14, que comprende medios para enviar aire a las turbinas desde el aumentador de presión frío (23) y/o del aumentador de 10 presión (5) que constituye el medio de disipación de energía o que forma parte de éste.
  17. 16. Instalación según la reivindicación 14 ó 15 que comprende medios para enviar al menos una parte del aire a destilar al aumentador de presión (5) que constituye el 15 medio de disipación de energía o que forma parte de éste.
  18. 17. Instalación según una de las reivindicaciones 14 a 16, en la cual los dos aumentadores de presión (5, 23) están conectados en serie o en paralelo y las turbinas 20 (17, 19) están conectadas en paralelo.
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