ES2736963A1 - Compression plant for air separation installations with conversion of residual energy into electrical power and cooling by absorption cycle - Google Patents
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Abstract
En la presente invención denominada "planta de compresión para instalaciones de separación de aire con conversión de energía residual en potencia eléctrica y refrigeración mediante ciclo de absorción" se presenta la disposición de un ciclo APC integrado en un proceso ASU. Se aprovecha el calor residual de varios procesos termodinámicos del proceso ASU principal en el ciclo de absorción con objeto de obtener energía eléctrica y capacidad de refrigeración. Dentro del ciclo APC se establece una rama de generación de potencia eléctrica mediante turbina/generador y otra de generación de energía fría o refrigeración. Es posible variar la cantidad de fluido de trabajo que se envía a cada rama de forma que la operación del ciclo APC priorice la generación eléctrica o la refrigeración. La energía eléctrica y el frío industrial generado se emplean con el objeto de reducir el consumo especifico de la planta ASU.In the present invention called "compression plant for air separation installations with conversion of residual energy into electrical power and refrigeration by absorption cycle" the arrangement of an APC cycle integrated in an ASU process is presented. Waste heat from various thermodynamic processes in the main ASU process is harnessed in the absorption cycle for electrical power and cooling capacity. Within the APC cycle, a branch of electric power generation is established by means of a turbine / generator and another of cold energy generation or refrigeration. It is possible to vary the amount of working fluid that is sent to each branch so that the APC cycle operation prioritizes power generation or cooling. The electrical energy and the industrial cold generated are used in order to reduce the specific consumption of the ASU plant.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
PLANTA DE COMPRESIÓN PARA INSTALACIONES DE SEPARACIÓN DE AIRE COMPRESSION PLANT FOR AIR SEPARATION FACILITIES
CON CONVERSIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL EN POTENCIA ELÉCTRICA Y WITH RESIDUAL ENERGY CONVERSION IN ELECTRICAL POWER AND
REFRIGERACIÓN MEDIANTE CICLO DE ABSORCIÓNCOOLING BY ABSORPTION CYCLE
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓNTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
La presente invención pertenece al campo técnico de los procesos de separación de aire del tipo ASU (Air Separation Unit). Una ASU tipo involucra, entre otros, procesos de compresión y enfriamiento de los que resulta energía residual no aprovechada.The present invention belongs to the technical field of air separation processes of the ASU (Air Separation Unit) type. A type ASU involves, among others, compression and cooling processes resulting in unused waste energy.
Este invento se basa en el aprovechamiento de energía residual (Waste heat o Low Grade Thermal Energy) mediante su conversión en energía eléctrica y capacidad de generación de refrigeración mediante un ciclo termodinámico de absorción, APC (Absorption Power Cycle), en el que se emplean fluidos de trabajo multi-componente como las disoluciones Li-Br, Li-CI o Ca-Ci, entre otros, caracterizadas por su relativamente baja, múltiple y variable temperatura de ebullición.This invention is based on the use of residual energy (Waste heat or Low Grade Thermal Energy) through its conversion into electrical energy and cooling generation capacity by means of a thermodynamic absorption cycle, APC (Absorption Power Cycle), in which they are used Multi-component working fluids such as Li-Br, Li-CI or Ca-Ci solutions, among others, characterized by their relatively low, multiple and variable boiling temperature.
OBJETIVO DE LA INVENCIÓNOBJECTIVE OF THE INVENTION
El objetivo de la presente invención denominada “PLANTA DE COMPRESIÓN PARA INSTALACIONES DE SEPARACIÓN DE AIRE CON CONVERSIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL EN POTENCIA ELÉCTRICA Y REFRIGERACIÓN MEDIANTE CICLO DE ABSORCIÓN” es la reducción del consumo específico en las unidades de separación de aire criogénicas. El consumo específico de una ASU, se define como la energía consumida necesaria para generar cada unidad de producto final (gases industriales de alta pureza).The objective of the present invention called "COMPRESSION PLANT FOR AIR SEPARATION FACILITIES WITH RESIDUAL ENERGY CONVERSION IN ELECTRICAL POWER AND REFRIGERATION BY ABSORPTION CYCLE" is the reduction of specific consumption in cryogenic air separation units. The specific consumption of an ASU is defined as the energy consumed to generate each unit of final product (high purity industrial gases).
La reducción del consumo específico obedece al aprovechamiento de la energía térmica residual en los procesos de separación de aire tipo ASU y a la integración de un ciclo de potencia por absorción operando con un fluido de relativamente baja temperatura de ebullición tal como una disolución de Litio-Bromuro (LiBr). El APC permite la conversión de energía térmica residual a eléctrica vía energía mecánica mediante su rama de potencia y la conversión simultánea de energía térmica residual en producción frigorífica mediante su rama de refrigeración, por lo que se le califica aquí como dual. De este modo, la rama de potencia aprovecha la cualidad del vapor para generar potencia eléctrica a través de un conjunto turbina-alternador mientras que la rama de refrigeración disminuye la temperatura del agua de refrigeración (en adelante Chilled Cooling Water o CCW), la cual se emplea en diversos puntos de la ASU para mejorar termodinámicamente diversos procesos y reducir, de esta forma, el consumo específico.The reduction in specific consumption is due to the use of residual thermal energy in ASU-type air separation processes and the integration of a power cycle by absorption operating with a relatively low boiling temperature fluid such as a lithium-bromide solution. (LiBr). The APC allows the conversion of residual thermal energy to electrical energy via mechanical energy through its branch of power and the simultaneous conversion of residual thermal energy into refrigeration production through its cooling branch, so it is here described as dual. In this way, the power branch takes advantage of the steam quality to generate electrical power through a turbine-alternator assembly while the cooling branch decreases the temperature of the cooling water (hereinafter Chilled Cooling Water or CCW), which is used at various points in the ASU to thermodynamically improve various processes and reduce, in this way, specific consumption.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Las ASUs (plural de ASU), se entienden aquí como aquellas cuyos procesos se desarrollan a temperaturas criogénicas y que obtienen como producto final diversos gases constitutivos de la atmósfera de manera segregada. Son considerados criogénicos, orientativamente, los procesos que llegan a desarrollarse a temperaturas inferiores al rango de -100 a -150 °C.The ASUs (plural of ASU), are understood here as those whose processes are developed at cryogenic temperatures and that obtain as a final product various constituent gases of the atmosphere in a segregated manner. The processes that develop at temperatures below the range of -100 to -150 ° C are considered cryogenic.
Las plantas de destilación de aire criogénicas tienen muchos elementos comunes y típicos aún dentro de distintos modelos o tipos. Ejemplos de referencias históricas de estos procesos y que pueden ser aclaratorios en este invento son, entre otros, US2048076A (Process for separating low boiling gas mixtures), US3127260A (separation of air into nitrogen, oxygen and argón), US3216206A (Low temperature distillation of normally gaseous substances), US3261168A (Separation of oxygen from the air), US3327488 (Refrigeration system for gas liquefaction), US4817393A (Companded total condensaron lox-boil air distillation) donde se emplea el término “companded” como referencia al proceso realizado por un “compander”, EP0321163A2 (Separating argon/oxygen mixtures) donde se cita el “Waste Gas", EP0341854A1 (Air separation process using packed columns for oxygen and argón recovery), US3358460A (Nitrogen liquefaction with plural work expansión of feed as refrigerant) donde se describe un sistema de licuación de nitrógeno y en el que se emplea el término “make-up” para el gas de procedente de! compresor homónimo, de manera que precede al compresor principal del sistema de licuación o “recycle”, EP0717249A2 (Air Separation), US4746343A (Method and apparatus for gas separation), US4883518A (Process for air fractionation by low-temperature rectification), US6116027A (Supplemental air supply for an air separation system) donde se habla de la importancia de la compresión inicial en las ASU y se contribuye con un método de suplementario de suministro de aire. Cryogenic air distillation plants have many common and typical elements even within different models or types. Examples of historical references of these processes and which may be clarifying in this invention are, among others, US2048076A (Process for separating low boiling gas mixtures), US3127260A (separation of air into nitrogen, oxygen and argon), US3216206A (Low temperature distillation of normally gaseous substances), US3261168A (Separation of oxygen from the air), US3327488 (Refrigeration system for gas liquefaction), US4817393A (Companded total condensed lox-boil air distillation) where the term “companded” is used as a reference to the process performed by a “Compander”, EP0321163A2 (Separating argon / oxygen mixtures) where the “Waste Gas”, EP0341854A1 (Air separation process using packed columns for oxygen and argon recovery), US3358460A (Nitrogen liquefaction with plural work expansion of feed as refrigerant) is cited where a nitrogen liquefaction system is described and in which the term "make-up" is used for the gas coming from the homon compressor imo, so that it precedes the main compressor of the liquefaction or recycle system, EP0717249A2 (Air Separation), US4746343A (Method and apparatus for gas separation), US4883518A (Process for air fractionation by low-temperature rectification), US6116027A (Supplemental air supply for an air separation system) where the importance of initial compression in ASUs is discussed and a supplementary method of air supply is contributed.
En las plantas ASU se emplea como materias primas principales, pero no necesariamente exclusivas, el aire y la energía eléctrica. Además, en todas ellas existen procesos termodinámicos de elevado consumo de energía específica como la compresión inicial del aire hasta la presión adecuada para el proceso de destilación.In ASU plants, air and electrical energy are used as main, but not necessarily exclusive, raw materials. In addition, in all of them there are thermodynamic processes of high specific energy consumption such as the initial compression of the air to the appropriate pressure for the distillation process.
El principal sumidero de energía de una ASU típica es el compresor principal de aire, Main Air Compressor o MAC, situado en la sección inicial llamada “front-end” según el arte que caracteriza estas plantas. Las ASU de destilación de aire instaladas en la actualidad, en general, no recuperan el calor residual fruto de procesos termodinámicos de alto consumo energético, tales como la compresión principal e inicial del aire en el MAC o en compresores de línea auxiliares (compresores de gases industriales de alta pureza como producto final, típicamente -pero no limitanteoxígeno y nitrógeno gaseosos). Se denomina GOX al oxígeno gaseoso y GAN al nitrógeno gaseoso.The main energy sink of a typical ASU is the main air compressor, Main Air Compressor or MAC, located in the initial section called "front-end" according to the art that characterizes these plants. Air distillation ASUs currently installed, in general, do not recover waste heat resulting from thermodynamic processes of high energy consumption, such as the main and initial air compression in the MAC or auxiliary line compressors (gas compressors high purity industrial products as a final product, typically - but not limiting oxygen and nitrogen gas). GOX is called gaseous oxygen and GAN is gaseous nitrogen.
Además, algunas plantas de separación de aire criogénicas están dotadas de maquinaria de refrigeración mecánico-eléctrica con objeto de enfriar agua de refrigeración mediante un ciclo por compresión-laminación de vapor clásico. Se establece aquí la diferencia entre el agua de refrigeración habitual (Cooling Water o CW) y el agua de refrigeración enfriada (CCW). La CW habitualmente agua dulce o salada, es el fluido empleado en entornos industriales que se utiliza para refrigerar procesos industriales y que, en general, se enfría hasta temperaturas próximas a la atmosférica mediante torres de refrigeración de tiro natural o forzado. El agua de refrigeración enfriada (CCW) obtenida en el APC se envía al enfriador por contacto directo tras la última etapa de compresión del MAC conocido en el arte técnico que caracteriza estas instalaciones como Direct Contact After-Cooler (DCAC) y que hace las veces de enfriador de última etapa del MAC. En el enfriador por contacto directo las corrientes de CW y CCW entran en contacto directo con el aire, a contracorriente, con objeto de refrigerarlo y realizar cierto lavado de partículas y componentes indeseados.In addition, some cryogenic air separation plants are equipped with mechanical-electrical refrigeration machinery in order to cool cooling water by a compression-lamination cycle of classical steam. The difference between the usual cooling water (Cooling Water or CW) and the cooled cooling water (CCW) is established here. CW, usually fresh or salt water, is the fluid used in industrial environments that is used to refrigerate industrial processes and, in general, is cooled to temperatures close to atmospheric by means of natural or forced draft cooling towers. The cooled cooling water (CCW) obtained in the APC is sent to the cooler by direct contact after the last stage of MAC compression known in the technical art that characterizes these installations as Direct Contact After-Cooler (DCAC) and which serves as of MAC last stage cooler. In the direct contact cooler, the CW and CCW currents come into direct contact with the air, countercurrent, in order to cool it and perform some washing of unwanted particles and components.
En otras ASUs, se emplea una corriente de gas compuesto mayoritariamente por nitrógeno, procedente de la sección de destilación, pero que no cumple las especificaciones para enviarla a línea como producto final de alta pureza (conocido en el arte del que se trata como “Waste Gas”) para obtener CCW en una torre de enfriamiento adecuada (conocido en el arte en el que se trata este tipo de instalaciones como “Waste Chilling Tower”. El CCW obtenido así, también se envía al DCAC. El enfriamiento que se produce en la “Waste Chilling Tower" también puede ser sustituido, total o parcialmente, por la capacidad de refrigeración de este invento.In other ASUs, a stream of gas composed mostly of nitrogen is used, from the distillation section, but does not meet the specifications to be sent online as a high purity final product (known in the art referred to as “Waste Gas ”) to obtain CCW in a tower adequate cooling (known in the art in which this type of facility is treated as “Waste Chilling Tower.” The CCW obtained in this way is also sent to DCAC. Cooling that occurs in the “Waste Chilling Tower” can also be replaced , totally or partially, by the cooling capacity of this invention.
En el estado actual de la tecnología todavía no existe un diseño de planta industrial prevista para la operación conjunta de los procesos de compresión de una ASU con el sistema de generación de potencia eléctrica y frío industrial mediante APC. Muchos de estos procesos criogénicos se caracterizan por tener como sumidero energético el agua de refrigeración u otro fluido de evacuación energética cuya característica es disponer de una temperatura relativa baja. La energía residual de baja calidad se considera caracterizada por encontrarse a temperaturas de entre los 60 a los 140°C como rango orientativo, pero no limitativo. Además, en este invento, se especifican diversos usos termodinámicamente beneficiosos, en términos de consumo energético, de la CCW generada dentro del proceso ASU.In the current state of technology, there is still no industrial plant design planned for the joint operation of the compression processes of an ASU with the industrial power and cold generation system using APC. Many of these cryogenic processes are characterized by having as an energy sink the cooling water or other energy evacuation fluid whose characteristic is to have a low relative temperature. Low quality residual energy is considered characterized by being at temperatures between 60 and 140 ° C as an indicative range, but not limiting. In addition, in this invention, various thermodynamically beneficial uses, in terms of energy consumption, of the CCW generated within the ASU process are specified.
En consecuencia a todo lo anterior, no se conocen plantas como la que se detalla en la presente invención, donde se involucran procesos de compresión y enfriamiento de aire y sus componentes, con conversión de energía térmica residual en energía eléctrica y refrigeración mediante un sistema dual de potencia-refrigeración por absorción en combinación en un entorno de destilación criogénica de aire.As a result of all the above, there are no known plants such as the one detailed in the present invention, where processes of compression and cooling of air and its components are involved, with conversion of residual thermal energy into electrical energy and cooling by means of a dual system of power-absorption cooling in combination in an environment of cryogenic air distillation.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
En esta invención se presenta la disposición de una plata térmica que integra un ciclo APC de absorción en un proceso principal ASU para aprovechamiento de energía residual y generación de frío industrial.In this invention, the arrangement of a thermal silver that integrates an APC absorption cycle into an ASU main process for the use of residual energy and industrial cold generation is presented.
Como el mayor sumidero de energía en una ASU es el MAC, una importante fuente de energía residual son sus intercambiadores refrigeradores inter-etapas. En este invento, dicha energía es recuperada mediante un lazo de refrigeración intermedio que, tras calentarse, sirve como fluido caliente en el evaporador del APC. Existen varias fuentes de energía residual de importancia relativa, además del MAC y en los procesos de tipo ASU, que son también tenidas en cuenta. También se contemplan los posibles usos de la CCW generada en el APC. El invento se caracteriza por comprender,As the largest energy sink in an ASU is the MAC, an important source of residual energy is its inter-stage cooling exchangers. In this invention, said energy is recovered by an intermediate cooling loop that, after heating, serves as a hot fluid in the APC evaporator. There are several sources of residual energy of relative importance, in addition to MAC and in ASU-type processes, which are also taken into account. The possible uses of the CCW generated in the APC are also contemplated. The invention is characterized by understand,
a) Un ciclo de potencia por absorción o Absorption Power Cycle (APC), formado, no limitativamente, por.a) An absorption power cycle or Absorption Power Cycle (APC), formed, not limited to, by.
- Una sección de generación de potencia eléctrica por medio de un conjunto turbina/alternador.- A section of electric power generation by means of a turbine / alternator assembly.
- Una sección de generación de frío industrial formada por un intercambiadorcondensador y un intercambiador-evaporador.- An industrial cold generation section formed by a condenser exchanger and an evaporator exchanger.
- Una sección común con un intercambiador-absorbedor, bomba, intercambiador-recuperador, intercambiador-evaporador, tanque de separación de fase.- A common section with an exchanger-absorber, pump, exchanger-recuperator, exchanger-evaporator, phase separation tank.
b) Un compresor de aire que, formando parte de este invento en conjunto con el sistema APC, realiza la función de MAC integrado en una instalación ASU. Está caracterizado por comprender, entre otros y en función de las necesidades de la planta ASU, por los componentes siguientes:b) An air compressor that, as part of this invention together with the APC system, performs the MAC function integrated in an ASU installation. It is characterized by understanding, among others and depending on the needs of the ASU plant, by the following components:
- Un sistema motriz del tipo motor eléctrico o un motor alternativo de combustión interna o una turbina de vapor o una turbina de gas. En el caso de la turbina de vapor, también se incluye el condensador del vapor correspondiente.- A driving system of the electric motor type or an alternative internal combustion engine or a steam turbine or a gas turbine. In the case of the steam turbine, the corresponding steam condenser is also included.
- Un número “n” de etapas compresión, siendo “n” las etapas necesarias y no limitativas para mantener el caudal, temperaturas y relación de compresión adecuadas en el arte que caracteriza los procesos termodinámicos de compresión en el estado actual de la técnica.- A number "n" of compression stages, "n" being the necessary and non-limiting stages to maintain adequate flow, temperatures and compression ratio in the art that characterizes thermodynamic compression processes in the current state of the art.
- Un número “n-1" de intercambiadores-refrigeradores interetapas.- An “n-1” number of inter-stage heat exchangers-refrigerators.
- Una torre de contacto directo aire-agua que realiza la función de enfriador tras la última etapa de compresión con inyección de CW o CCW o ambas.- A direct air-water contact tower that performs the chiller function after the last compression stage with CW or CCW injection or both.
c) Un lazo de fluido refrigerador que adquiere energía térmica en todas las fuentes de energía residual especificadas en este invento y la entrega en el intercambiador-evaporador de la sección común del ciclo APC.c) A loop of cooling fluid that acquires thermal energy in all the residual energy sources specified in this invention and delivers it in the exchanger-evaporator of the common section of the APC cycle.
Es posible variar la cantidad de fluido de trabajo que se envía a cada rama de forma que la operación del ciclo APC priorice la generación eléctrica, la generación de frío industrial o una combinación de ambas con el porcentaje deseado de cada una. La posibilidad de generar frío industrial en el ciclo APC encaja con las necesidades de refrigeración específica en el DCAC empleado en muchas plantas ASU. Esta capacidad no se limita al uso en este elemento y puede ser empleado en la mejora termodinámica de procesos en otras zonas de una ASU típica.It is possible to vary the amount of working fluid that is sent to each branch so that the operation of the APC cycle prioritize electricity generation, industrial cold generation or a combination of both with the desired percentage of each. The possibility of generating industrial cold in the APC cycle matches the needs of specific refrigeration in the DCAC used in many ASU plants. This capacity is not limited to the use in this element and can be used in the thermodynamic improvement of processes in other areas of a typical ASU.
Este invento se plantea empleando como fluido de trabajo para el APC una disolución LiBr (pero no limitativamente). Es posible variar la concentración del fluido para adaptarla a las condiciones de operación más adecuadas. Las condiciones de operación más adecuadas con respecto a la concentración del LiBr son aquellas que permiten recuperar la mayor cantidad de energía residual posible. Además, el uso de fluidos de trabajo multl-componente permite que, para una composición y presión determinadas, el punto de ebullición-condensación del fluido no sea fijo, sino que varíe dentro de un rango. La consecuencia de ello es que, en los intercambiadores de calor, en especial en evaporadores y condensadores, las temperaturas de aproximación “pinch points” sean más próximas y duraderas en el proceso de transferencia de calor.This invention is proposed using a LiBr solution as a working fluid for the APC (but not limited to). It is possible to vary the concentration of the fluid to adapt it to the most appropriate operating conditions. The most suitable operating conditions with respect to the concentration of LiBr are those that allow recovering as much residual energy as possible. In addition, the use of multi-component working fluids allows, for a given composition and pressure, the boiling-condensation point of the fluid is not fixed, but varies within a range. The consequence of this is that, in heat exchangers, especially in evaporators and condensers, the pinch point approach temperatures are closer and longer lasting in the heat transfer process.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES
En esta sección se incluyen, a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes de las figuras 1,2, 3, 4 y 5 para mostrar y facilitar la comprensión de la invención.This section includes, by way of illustration and not limitation, the components of Figures 1,2, 3, 4 and 5 to show and facilitate the understanding of the invention.
Figura 1. Sistema MAC de ASU con post-enfriador DCAC que emplea CW y CCW mediante enfriador convencional de compresión-laminación. Figura de arte previo.Figure 1. ASU MAC system with DCAC postcooler that uses CW and CCW by conventional compression-lamination cooler. Previous art figure.
Figura 2. Sistema MAC de ASU con post-enfriador DCAC que emplea CW y CCW enfriada mediante “Waste Chilling Tower”. Figura de arte previo.Figure 2. ASU MAC system with DCAC postcooler that uses CW and CCW cooled by “Waste Chilling Tower”. Previous art figure.
Figura 3. “PLANTA DE COMPRESIÓN PARA INSTALACIONES DE SEPARACIÓN DE AIRE CON CONVERSIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL EN POTENCIA ELÉCTRICA Y REFRIGERACIÓN MEDIANTE CICLO DE ABSORCIÓN”. Figure 3. “COMPRESSION PLANT FOR AIR SEPARATION FACILITIES WITH RESIDUAL ENERGY CONVERSION IN ELECTRICAL POWER AND REFRIGERATION THROUGH ABSORPTION CYCLE”.
Figura 4. “PLANTA DE COMPRESIÓN PARA INSTALACIONES DE SEPARACIÓN DE AIRE CON CONVERSIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL EN POTENCIA ELÉCTRICA Y REFRIGERACIÓN MEDIANTE CICLO DE ABSORCIÓN” añadidas diversas fuentes de energía residual y sumideros de frío industrial.Figure 4. “COMPRESSION PLANT FOR AIR SEPARATION FACILITIES WITH RESIDUAL ENERGY CONVERSION IN ELECTRICAL POWER AND REFRIGERATION THROUGH ABSORPTION CYCLE” added various sources of residual energy and industrial cold sinks.
Figura 5. Representación parcial de una ASU genérica, de Interés para compresión del presente invento. Figura de arte previo.Figure 5. Partial representation of a generic ASU, of interest for compression of the present invention. Previous art figure.
Los números referenciados en la figura 1 (Fig. 1) se identifican como sigue:The numbers referenced in Figure 1 (Fig. 1) are identified as follows:
(1) Aire atmosférico en la espiración del MAC (Main Air Compressor).(1) Atmospheric air at the expiration of the MAC (Main Air Compressor).
(2) Aire comprimido y enfriado tras el post-enfriador DCAC.(2) Compressed and cooled air after the DCAC postcooler.
(3) Entrada de vapor de agua a la turbina motriz del MAC.(3) Water vapor inlet to the MAC turbine.
(4) Agua condensada tras paso por el condensador de la turbina del MAC.(4) Condensed water after passing through the MAC turbine condenser.
(5) Agua de refrigeración (CW) que se dirige a refrigerar fuentes de calor residual. (6) Retorno del agua de refrigeración desde las fuentes residuales de calor.(5) Cooling water (CW) that is directed at cooling waste heat sources. (6) Return of cooling water from waste heat sources.
(7) Conjunto torre de refrigeración y bomba de agua de refrigeración.(7) Cooling tower and cooling water pump set.
(8) Agua de refrigeración tras su paso por el DCAC.(8) Cooling water after passing through the DCAC.
(9) Agua de refrigeración enfriada CCW procedente del enfriador mecánicoeléctrico.(9) CCW chilled cooling water from the mechanical mechanical chiller.
(10) Agua de refrigeración (CW) de la torre de refrigeración.(10) Cooling water (CW) of the cooling tower.
(11) Turbina motriz del MAC.(11) MAC turbine.
(12) Condensador de la turbina motriz del MAC.(12) MAC drive turbine condenser.
(13) Primera etapa del MAC.(13) First stage of the MAC.
(14) Intercambiador refrigerador de la primera etapa del MAC.(14) MAC first stage cooler exchanger.
(15) Segunda etapa del MAC.(15) Second stage of the MAC.
(16) Intercambiador refrigerador de la segunda etapa del MAC.(16) MAC second stage cooler exchanger.
(17) Tercera etapa del MAC.(17) Third stage of the MAC.
(18) Intercambiador refrigerador de la tercera etapa del MAC.(18) MAC third stage cooler exchanger.
(19) Cuarta etapa del MAC.(19) Fourth stage of the MAC.
(20) DCAC (Direct Contact Aftercooler), post-enfriador de contacto directo aireagua.(20) DCAC (Direct Contact Aftercooler), air-contact direct-contact postcooler.
(21) Bomba de retorno de CW a la torre de refrigeración desde el DCAC.(21) CW return pump to the cooling tower from the DCAC.
Números referenciados en la figura 2 (Fig. 2), no coincidentes con los de la figura 1, se identifican como sigue:Numbers referenced in Figure 2 (Fig. 2), not matching those in Figure 1, They are identified as follows:
(9) Agua de refrigeración enfriada CCW procedente de la “Waste Chilling Tower”. (22) Torre de enfriamiento por “Waste gas” o “Waste Chilling Tower”.(9) CCW chilled cooling water from the “Waste Chilling Tower”. (22) Cooling tower by “Waste gas” or “Waste Chilling Tower”.
(23) "Waste gas” caliente a la salida de la “Waste Chilling Tower”.(23) Hot waste gas at the exit of the Waste Chilling Tower.
(24) CW hacia la “Waste Chilling Tower”.(24) CW towards the “Waste Chilling Tower”.
(25) “Waste Gas” procedente de la columna de destilación criogénica hacia la “Waste Chilling Tower”.(25) “Waste Gas” from the cryogenic distillation column to the “Waste Chilling Tower”.
La numeración referenciada en la figura 3 se identifica como sigue:The numbering referenced in Figure 3 is identified as follows:
(1) Aire atmosférico en la aspiración del MAC (Main Air Compressor).(1) Atmospheric air in the aspiration of the MAC (Main Air Compressor).
(2) Aire comprimido y enfriado tras el DCAC.(2) Compressed and cooled air after DCAC.
(3) Entrada de vapor de agua a la turbina motriz del MAC.(3) Water vapor inlet to the MAC turbine.
(4) Agua condensada tras paso por el condensador de la turbina del MAC.(4) Condensed water after passing through the MAC turbine condenser.
(5) Aguade refrigeración (CW) que se dirige a refrigerar fuentes de calor residual. (6) Retorno del agua de refrigeración hacia el evaporador del APC.(5) Cooling water (CW) that is directed at cooling waste heat sources. (6) Return of the cooling water to the APC evaporator.
(7) CW desde el DCAC hacia el evaporador del APC y/o torre de refrigeración. (8) Agua de refrigeración callente hacia torre de refrigeración (no representada). (9) Agua de refrigeración enfriada (CCW) procedente del evaporador del APC. (10) Agua de refrigeración (CW) de la torre de refrigeración al DCAC.(7) CW from the DCAC to the APC evaporator and / or cooling tower. (8) Hot water cooling to cooling tower (not shown). (9) Chilled cooling water (CCW) from the APC evaporator. (10) Cooling water (CW) from the cooling tower to the DCAC.
(11) Turbina motriz del MAC.(11) MAC turbine.
(12) Condensador de la turbina motriz del MAC.(12) MAC drive turbine condenser.
(13) Primera etapa del MAC.(13) First stage of the MAC.
(14) Intercambiador refrigerador de la primera etapa del MAC.(14) MAC first stage cooler exchanger.
(15) Segunda etapa del MAC.(15) Second stage of the MAC.
(16) Intercambiador refrigerador de la segunda etapa del MAC.(16) MAC second stage cooler exchanger.
(17) Tercera etapa del MAC.(17) Third stage of the MAC.
(18) Intercambiador refrigerador de la tercera etapa del MAC.(18) MAC third stage cooler exchanger.
(19) Cuarta etapa del MAC.(19) Fourth stage of the MAC.
(20) DCAC (Direct Contact Aftercooler), post-enfriador de contacto directo aireagua.(20) DCAC (Direct Contact Aftercooler), air-contact direct-contact postcooler.
(21) Bomba auxiliar de CW a la salida del DCAC(21) CW auxiliary pump at DCAC output
(22) Bomba de CW a la salida del evaporador del APC hacia fuentes de calor. (23) Disolución LiBr hacia recuperador de calor del APC (22) CW pump at the evaporator outlet of the APC to heat sources. (23) LiBr dissolution towards APC heat recovery
(24) Disolución LiBr hacia el evaporador del APC.(24) LiBr solution towards the APC evaporator.
(25) Disolución LiBr hacia el separador de fase del ciclo APC.(25) LiBr solution towards the phase separator of the APC cycle.
(26) Vapor de disolución de LiBr hacia ramas de potencia y de frío del APC.(26) LiBr dissolution steam towards APC power and cold branches.
(27) Vapor de disolución de LiBr en exhaustación de turbina hacia absorbedor del APC.(27) LiBr dissolution steam in exhaustion of turbine towards APC absorber.
(28) Disolución LiBr tras el absorbedor del APC hacia la bomba de circulación del APC.(28) LiBr dissolution after the APC absorber to the APC circulation pump.
(29) Disolución LiBr desde el separador de fase al recuperador de calor del APC. (30) Disolución LiBr hacia válvula de laminación.(29) LiBr dissolution from the phase separator to the APC heat recuperator. (30) LiBr solution towards rolling valve.
(30a) Válvula de laminación a entalpia constante.(30a) Constant enthalpy rolling valve.
(31) Disolución LiBr desde válvula de laminación hacia exhaustación de turbina del APC.(31) LiBr dissolution from the rolling valve to the exhaustion of the APC turbine.
(32) Vapor de disolución de LiBr a válvula de laminación del APC.(32) LiBr dissolution steam to APC lamination valve.
(32a) Válvula de laminación a entalpia constante.(32a) Constant enthalpy rolling valve.
(33) Disolución LiBr desde válvula de laminación hacia Evaporador del APC.(33) LiBr solution from laminating valve to APC Evaporator.
(34) Vapor de LiBr hacia exhaustación de la turbina del APC.(34) LiBr steam towards exhaustion of the APC turbine.
(35) CW al absorbedor del APC.(35) CW to the APC absorber.
(36) CW desde el absorbedor del APC hacia la torre de refrigeración (no representada).(36) CW from the APC absorber to the cooling tower (not shown).
(37) CW al condensador del APC.(37) CW to the APC capacitor.
(38) CW del condensador del APC hacia la torre de refrigeración (no representada). (39) Evaporador del APC.(38) CW of the APC condenser towards the cooling tower (not shown). (39) APC Evaporator.
(40) Separador de fase del APC.(40) APC phase separator.
(41) Recuperador de calor del APC.(41) APC heat recovery.
(42) Turbina del APC.(42) APC turbine.
(43) Absorbedor del APC.(43) APC absorber.
(44) Evaporador del APC.(44) APC Evaporator.
(45) Condensador del APC.(45) APC condenser.
(46) Bomba de circulación del APC.(46) APC circulation pump.
(47) Generador eléctrico del ciclo APC.(47) APC cycle electric generator.
(48) Sección del equipo APC.(48) APC team section.
Explicación de la numeración de la figura 4 no coincidentes con los de la figura 3:Explanation of the numbering in Figure 4 not matching those in Figure 3:
(5a) CW que se dirige a recibir calor residual (intercambiadores refrigeradores(5a) CW that is directed to receive residual heat (cooler exchangers
1 one
inter-etapas de compresores de línea de GAN y GOX).inter-stages of GAN and GOX line compressors).
(5b) CW que se dirige a recibir calor residual (Motor alternativo o eléctrico del MAC).(5b) CW that is directed to receive residual heat (Alternative or electric motor of the MAC).
(5c) CW que se dirige a recibir calor residual (Sistema de licuación de GAN, compresores “make-up” y "recycle” o “reciclo”).(5c) CW that is aimed at receiving residual heat (GAN liquefaction system, “make-up” and “recycle” or “recycle” compressors).
(5d) CW que se dirige a recibir calor residual (Compresor sistema Brayton inverso).(5d) CW that is directed to receive residual heat (Compressor Brayton reverse system).
(6a) CW desde fuente de calor residual (Compresores de GAN y GOX).(6a) CW from residual heat source (GAN and GOX compressors).
(6b) CW desde fuente de calor residual (Motor alternativo o eléctrico del MAC). (6c) CW desde fuente de calor residual (Sistema de licuación de GAN).(6b) CW from residual heat source (Alternative or electric motor of MAC). (6c) CW from waste heat source (GAN liquefaction system).
(6d) CW desde fuente de calor residual (Compresor sistema Brayton inverso). (9a) CCW hacia aspiración del MAC.(6d) CW from residual heat source (Reverse Brayton System Compressor). (9a) CCW towards MAC aspiration.
(9b) CCW hacia refrigeración del condensador del MAC.(9b) CCW towards cooling the MAC condenser.
(9c) CCW hacia la torre de refrigeración de agua (CW).(9c) CCW towards the water cooling tower (CW).
(49) Conjunto de posibles corrientes de CW que se dirigen a aprovechar fuentes de calor residual.(49) Set of possible CW currents that are directed to take advantage of residual heat sources.
(50) Conjunto de posibles corrientes de CCW que se dirigen a enfriar procesos en la planta ASU.(50) Set of possible CCW currents that are aimed at cooling processes in the ASU plant.
Explicación de la numeración de la figura 5:Explanation of the numbering in Figure 5:
(51) Conjunto compresor-turbina conocido como “compander”.(51) Compressor-turbine assembly known as “compander”.
(52) Compresor final de línea de GOX.(52) GOX final line compressor.
(53) Compresor final de línea de GAN.(53) GAN final line compressor.
(54) Conjunto de destilación.(54) Distillation set.
(55) MAC de la sección de la ASU genérica representada.(55) MAC of the section of the generic ASU represented.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
En el caso ejemplo de la figura 1 (Fig. 1), se representa la zona de compresión principal e inicial de una instalación ASU, sin aplicar la mejora que supone este invento. La figura no es limitativa. Cada planta ASU tiene su propia configuración con ligeros cambios respecto a la figura 1, la cual representa la zona de compresión principal inicial de aire. Uno de los sistemas de propulsión del MAC más comunes en las ASUs es mediante un motor eléctrico, aunque no es exclusivo. El número de etapas de compresión también varía. Sin embargo, el uso de un enfriador de contacto tipo DCAC después de la última etapa del MAC está difundido casi en la totalidad de este tipo de instalaciones criogénicas.In the example case of Figure 1 (Fig. 1), the main and initial compression zone of an ASU installation is represented, without applying the improvement that this invention entails. The figure is not limiting. Each ASU plant has its own configuration with slight changes compared to Figure 1, which represents the initial main air compression zone. One of the most common MAC propulsion systems in ASUs is through an electric motor, although it is not exclusive. The number of Compression stages also varies. However, the use of a DCAC type contact cooler after the last stage of the MAC is widespread in almost all such cryogenic facilities.
En esta figural (caso-escenario no limitativo), el aire atmosférico es aspirado en el punto (1) por la primera etapa del compresor (13). Como consecuencia de la compresión, el aire ve elevada su temperatura y presión. Para disminuir dicha temperatura, se dispone un intercambiador refrigerador inter-etapas (14). A la salida de ese intercambiador se disponen la segunda (15) y tercera (17) etapas de compresión y con sus correspondientes intercambiadores refrigeradores interetapas (16) y (18). La cuarta etapa de compresión (19) dispone de un DCAC (20). El aire sale del DCAC y se dirige al resto del proceso ASU (2).In this figural (non-limiting case-scenario), atmospheric air is sucked at point (1) by the first stage of the compressor (13). As a result of compression, the air is elevated in temperature and pressure. To reduce this temperature, an inter-stage cooler exchanger (14) is provided. At the exit of that exchanger, the second (15) and third (17) compression stages and their corresponding inter-stage cooler exchangers (16) and (18) are arranged. The fourth compression stage (19) has a DCAC (20). The air leaves the DCAC and goes to the rest of the ASU process (2).
Una corriente de agua de refrigeración (CW) (5) procedente de la torre de refrigeración (7), se dirige a la zona de compresión. La CW actúa en los intercambiadores refrigeradores inter-etapas, así como en el condensador (12) de la turbina motriz (11) del MAC y retorna a la torre de refrigeración (6). La turbina citada se mueve por medio de vapor de agua. El vapor de exhaustación de la turbina (3) es condesado en el condensador (12) saliendo en estado líquido (4). También hay una corriente de CW entrante (10) en el DCAC que retorna a la torre de refrigeración de la ASU bombeada por la bomba (21). Además, hay una corriente (9) de agua de refrigeración enfriada (CCW), con temperatura menor a la del CW, entrante en el DCAC. El CCW utiliza agua, habitualmente de la torre de refrigeración (CW) de la ASU, que se enfría o bien con refrigeradores de compresión-expansión eléctricos tradicionales o bien con una corriente auxiliar de gas del proceso ASU tal y como se explica en la figura 2.A stream of cooling water (CW) (5) from the cooling tower (7) is directed to the compression zone. The CW acts on the inter-stage cooling exchangers, as well as on the condenser (12) of the MAC turbine (11) and returns to the cooling tower (6). The mentioned turbine moves by means of water vapor. The exhaust steam of the turbine (3) is condensed in the condenser (12) leaving in a liquid state (4). There is also an incoming CW current (10) in the DCAC that returns to the cooling tower of the ASU pumped by the pump (21). In addition, there is a stream (9) of cooled cooling water (CCW), with a temperature lower than that of the CW, entering the DCAC. The CCW uses water, usually from the cooling tower (CW) of the ASU, which is cooled either with traditional electric compression-expansion refrigerators or with an auxiliary gas stream from the ASU process as explained in the figure two.
La figura 2 representa otro caso-escenario, no limitativo, similar al de la figura 1 pero con el añadido de la “Waste Chilling Tower’’. En muchas instalaciones ASU, se emplea una corriente de gas de composición mayoritaria nitrógeno, procedente de la sección de destilación y pasante por el MHE o "Main Heat Exchanger” como se le conoce en el arte que caracteriza estas instalaciones, pero que no cumple las especificaciones para enviarla a línea como producto final (conocido en el arte en el que se trata estas instalaciones como “Waste Gas” para obtener CCW en la “Waste Chilling Tower”). El enfriamiento que se produce en esta torre es resultado del contacto directo entre el “Waste Gas” y el CW. Por lo tanto, la “Waste Chilllng Tower” sustituye a los enfriadores eléctricos para la obtención de CCW en muchas instalaciones ASU. El enfriamiento que produce esta torre puede ser sustituido, total o parcialmente, por la capacidad de refrigeración de este invento, liberando total o parcialmente el potencial de refrigeración de la corriente “Waste gas”. El elemento (9) de esta figura es CCW que ha sido enfriada en la “Waste Chilllng Tower" (22) mediante “Waste Gas” (25) por contacto directo. La corriente (24) es CW entrante a (22) y (23) el “Waste Gas” caliente tras enfriar la CW y saliente de la “Waste Chilling Tower”.Figure 2 represents another case-scenario, not limiting, similar to that of Figure 1 but with the addition of the “Waste Chilling Tower”. In many ASU installations, a gas stream of majority nitrogen composition is used, from the distillation section and through the MHE or "Main Heat Exchanger" as it is known in the art that characterizes these facilities, but does not meet the specifications to be sent online as the final product (known in the art in which these facilities are treated as "Waste Gas" to obtain CCW in the "Waste Chilling Tower"). The cooling that occurs in this tower is the result of direct contact between the “Waste Gas” and the CW. Therefore, the “Waste Chilllng Tower” replaces the electric chillers to obtain CCW in many ASU installations. The cooling produced by this tower can be replaced, totally or partially, by the cooling capacity of this invention, totally or partially unleashing the cooling potential of the "Waste gas" current. The element (9) of this figure is CCW that has been cooled in the “Waste Chilllng Tower” (22) by “Waste Gas” (25) by direct contact. The current (24) is CW incoming to (22) and ( 23) the hot “Waste Gas” after cooling the CW and protruding from the “Waste Chilling Tower”.
La figura 3 es la PLANTA DE COMPRESIÓN PARA INSTALACIONES DE SEPARACIÓN DE AIRE CON CONVERSIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL EN POTENCIA ELÉCTRICA Y REFRIGERACIÓN MEDIANTE CICLO DE ABSORCIÓN. Las fuentes de calor residual de las figuras 1 y 2 son los intercambiadores inter etapas del MAC y el condensador de su turbina motriz. El aire atmosférico es aspirado en el punto (1) por la primera etapa del compresor (13). Como consecuencia de la compresión, el aire ve elevada su temperatura y presión. Para disminuir dicha temperatura, se dispone un intercambiador refrigerador Ínter-etapas (14). A la salida de ese intercambiador se disponen la segunda (15) y tercera (17) etapas de compresión y sus correspondientes intercambiadores refrigeradores inter etapas (16) y (18). La cuarta etapa de compresión (19) dispone de un DCAC (20). El aire sale del DCAC y se dirige al resto del proceso ASU (2).Figure 3 is the COMPRESSION PLANT FOR AIR SEPARATION FACILITIES WITH RESIDUAL ENERGY CONVERSION IN ELECTRICAL POWER AND REFRIGERATION THROUGH ABSORPTION CYCLE. The sources of residual heat of Figures 1 and 2 are the inter-stage exchangers of the MAC and the condenser of its drive turbine. The atmospheric air is sucked in point (1) by the first stage of the compressor (13). As a result of compression, the air is elevated in temperature and pressure. To reduce this temperature, an inter-stage refrigerator exchanger (14) is provided. At the exit of that exchanger, the second (15) and third (17) compression stages and their corresponding inter-stage cooling exchangers (16) and (18) are arranged. The fourth compression stage (19) has a DCAC (20). The air leaves the DCAC and goes to the rest of the ASU process (2).
La bomba de CW (22) envía el agua de refrigeración hacia las fuentes de calor residual (5) en un circuito de transferencia energética tipo lazo, con objeto de ganar calor en el condensador de la turbina del MAC (12) y en los intercambiadores inter etapas (14), (16) y (18). Posteriormente, la CW retorna (6) hacia el evaporador del APC (39) para ceder este calor. El ciclo APC (48) es un sistema de aprovechamiento de energía residual mediante absorción que genera energía eléctrica y capacidad de refrigeración. En este invento que diseña una planta conjunta de sistemas que emplea una disolución de litio-bromuro (LiBr) como fluido de trabajo en el ciclo APC. Dentro de este ciclo APC (48) mostrado en la figura 3 y con fines explicativos no limitativo, se distingue entre:The CW pump (22) sends the cooling water to the waste heat sources (5) in a loop-type energy transfer circuit, in order to gain heat in the MAC turbine condenser (12) and in the exchangers inter stages (14), (16) and (18). Subsequently, the CW returns (6) to the APC evaporator (39) to give up this heat. The APC cycle (48) is a system for using residual energy through absorption that generates electrical energy and cooling capacity. In this invention, he designs a joint system plant that uses a lithium bromide (LiBr) solution as a working fluid in the APC cycle. Within this APC cycle (48) shown in Figure 3 and for non-limiting explanatory purposes, a distinction is made between:
a) Sección común formada por elementos (39), (40), (41), (43), (46) y (30a).a) Common section formed by elements (39), (40), (41), (43), (46) and (30a).
1 one
b) Sección de generación potencia formada por los elementos (42) y (47). c) Sección de generación de frío industrial formada por los elementos (44), (45) V (32a).b) Power generation section formed by elements (42) and (47). c) Industrial cold generation section formed by the elements (44), (45) V (32a).
La CW caliente que ha adquirido calor en las fuentes de calor residual de la ASU, cede dicha energía en el evaporador (39) del APC. Desde el evaporador el LiBr calentado (25) mediante la energía residual, se dirige a un recipiente separador (40) donde se produce una separación de fase liquida-vapor (parte inferior y superior respectivamente). Parte del vapor (principalmente componentes más volátiles) del LiBr (26) se dirige a la rama de potencia del ciclo APC y la otra parte a la rama de refrigeración. La cantidad de LiBr circulada por la rama de potencia o de refrigeración de la APC puede ser variada según las necesidades operativas, de manera que se priorice una, la otra o una combinación de ellas.The hot CW that has acquired heat in the waste heat sources of the ASU, transfers this energy in the evaporator (39) of the APC. From the evaporator, the heated LiBr (25) by residual energy is directed to a separating vessel (40) where a liquid-vapor phase separation occurs (lower and upper part respectively). Part of the steam (mainly more volatile components) of the LiBr (26) is directed to the power branch of the APC cycle and the other part to the cooling branch. The amount of LiBr circulated through the APC power or cooling branch can be varied according to operational needs, so that one, the other or a combination of them is prioritized.
La rama de potencia aprovecha la cualidad del vapor para generar potencia eléctrica a través de un conjunto turbina (42) - alternador (47). En la turbina existe un proceso de transformación del estado del LiBr caracterizado por una entalpia específica relativamente alta en potencia mecánica y ésta en energía eléctrica en el generador movido por la turbina. En la exhaustación de la turbina (27), el LiBr tiene una entalpia específica relativamente baja, pero todavía se caracteriza por ser una mezcla bifásica líquido-vapor. La condensación de esta corriente se produce en el absorbedor del ciclo APC (43), produciéndose el proceso contrario al del evaporador, tanto en términos de cambio de fase como en términos de concentración de los componentes volátiles. El enfriamiento tiene lugar mediante una corriente de CW entrante en el absorbedor (35). Una vez condensado, el LiBr (28) es bombeado mediante la bomba (46) del ciclo APC. El LiBr a alta presión (23) se dirige al intercambiador recuperador de calor (41). En este equipo la corriente de LiBr sufre un calentamiento previo al evaporador (39).The power branch takes advantage of the quality of the steam to generate electric power through a turbine assembly (42) - alternator (47). In the turbine there is a process of transformation of the LiBr state characterized by a specific enthalpy relatively high in mechanical power and this in electrical energy in the generator moved by the turbine. In the exhaustion of the turbine (27), the LiBr has a relatively low specific enthalpy, but is still characterized as a biphasic liquid-vapor mixture. Condensation of this current occurs in the APC cycle absorber (43), the opposite process of the evaporator taking place, both in terms of phase change and in terms of concentration of volatile components. The cooling takes place by means of an incoming CW current in the absorber (35). Once condensed, the LiBr (28) is pumped by the pump (46) of the APC cycle. The high pressure LiBr (23) is directed to the heat recovery exchanger (41). In this equipment, the LiBr current undergoes a preheating to the evaporator (39).
Desde la parte inferior del separador de fase (40) la corriente de LiBr caliente (29) se dirige al intercambiador recuperador de calor para ceder energía. A la salida del ¡ntercambiador recuperador, la corriente LiBr (30) sufre una laminación a entalpia constante mediante la válvula (30a), disminuyendo su temperatura, para dirigirse a la exhaustación de la turbina (27). From the lower part of the phase separator (40) the hot LiBr current (29) is directed to the heat recovery exchanger to transfer energy. At the exit of the recovery exchanger, the LiBr current (30) undergoes constant enthalpy lamination by means of the valve (30a), lowering its temperature, to direct the exhaustion of the turbine (27).
La rama de refrigeración disminuye ia temperatura de agua de refrigeración de manera que pueda ser empleada posteriormente (9) en el enfriador de última etapa o post-enfriador del MAC (20), nominalmente en un enfriador de contacto directo aireagua de contacto directo (DCAC), en este caso no limitativo, de manera que integra el ciclo APC con la ASU o en cualquiera de los otros sistemas contemplados en la figura 4. El enfriamiento de CW para obtener CCW se realiza en varios pasos. El primer paso es el condensador (45) donde la disolución LiBr se refrigera con CW entrante (37) hasta conseguir el cambio de fase a líquido (32). Esta corriente líquida sufre una laminación a entalpia constante mediante una válvula adecuada a ello (32a), obteniéndose así una corriente de CW enfriada o CCW (33). Esta corriente fría de LiBr absorbe calor de la corriente de CW saliente del DCAC (20) que es impulsada (7) por la bomba correspondiente (21) en el evaporador (44), En función de las necesidades operativas, parte o toda de esta agua de refrigeración puede ser retornada a ia torre de refrigeración (8), en vez de al evaporador y retornar al DCAC por la vía (10). La corriente de LiBr que ha absorbido calor en el evaporador (44), se dirige (34) a la exhaustación de la turbina de la rama de potencia (27). En la exhaustación de la turbina se unen tres corrientes, (27), (31) y (34) que, como una misma corriente se dirige en estado licuado (28) a la bomba del sistema (46) tras el paso por el absorbedor (43).The cooling branch decreases the cooling water temperature so that it can be subsequently used (9) in the MAC last stage cooler or post-cooler (20), nominally in a direct contact air contact direct cooler (DCAC) ), in this non-limiting case, so that it integrates the APC cycle with the ASU or in any of the other systems referred to in Figure 4. The cooling of CW to obtain CCW is carried out in several steps. The first step is the condenser (45) where the LiBr solution is cooled with incoming CW (37) until the phase change to liquid (32) is achieved. This liquid stream undergoes constant enthalpy lamination by means of a valve adapted thereto (32a), thus obtaining a stream of cooled CW or CCW (33). This cold LiBr current absorbs heat from the outgoing CW current of the DCAC (20) which is driven (7) by the corresponding pump (21) in the evaporator (44), depending on the operational needs, part or all of this Cooling water can be returned to the cooling tower (8), instead of the evaporator and return to the DCAC via the route (10). The current of LiBr that has absorbed heat in the evaporator (44), is directed (34) to the exhaustion of the turbine of the power branch (27). In the exhaustion of the turbine, three currents are joined, (27), (31) and (34) which, as the same current, is directed in the liquefied state (28) to the system pump (46) after passing through the absorber (43).
Además de ser posible controlar el paso del LiBr por la rama de potencia y/o de refrigeración del sistema APC, es posible variar la concentración de la solución LiBr en función de las necesidades operativas que, en general pero no limitativamente, busca obtener las condiciones más favorables en criterios termodinámicos para maximizar la recuperación energética, siempre y cuando se evite la cristalización del fluido. La naturaleza de la composición bi-componente del LiBr hace que la condensación o evaporación se produzca como función de la concentración de cada uno de ellos en la mezcla.In addition to being able to control the passage of LiBr through the branch of power and / or cooling of the APC system, it is possible to vary the concentration of the LiBr solution depending on the operational needs that, in general but not limitation, seeks to obtain the conditions more favorable in thermodynamic criteria to maximize energy recovery, as long as fluid crystallization is avoided. The nature of the bi-component composition of LiBr causes condensation or evaporation to occur as a function of the concentration of each of them in the mixture.
En la figura 4, se representa mediante el conjunto (49) las corrientes de CW que se dirigen a aprovechar fuentes de calor residual alternativas a las representadas en la figura 3 y típicas en las instalaciones ASU.In figure 4, the CW currents that are directed to take advantage of residual heat sources alternative to those represented in figure 3 and typical in ASU installations are represented by the assembly (49).
El elemento (5a) hace referencia a la posibilidad de recuperar calor residual del motor eléctrico refrigerado motriz del MAC, cuando éste lleve este tipo de motoresThe element (5a) refers to the possibility of recovering residual heat from the MAC's motor-cooled electric motor, when it carries this type of motor
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refrigerados como elemento motriz. Otra opción es enviar CW al motor de combustión interna alternativo que mueve el MAC, en el caso que se disponga este tipo de elemento motriz. La opción del motor eléctrico y la del motor de combustión interna, así como la mostrada en ia figura 3 o la 4 de turbina de vapor, son excluyentes por lo que, en general, sólo existe una funcionando como elemento motriz del MAC, en una misma planta ASU y al mismo tiempo. El elemento (5b) hace referencia a la posibilidad de calor residual del sistema de refrigeración del compresor de línea de producto final de GOX (oxígeno gaseoso) -número (52) en figura 5- y del compresor de línea de producto final de GAN (nitrógeno gaseoso) -número (53) en figura 5- que habitualmente equipan a las plantas ASU. En términos generales, el aprovechamiento es similar al de los enfriadores ínter-etapas del MAC. El elemento (5c) hace referencia a la posibilidad de recuperar calor residual del compresor “make-up” y del compresor “reciclo” (tal y como se los conoce en el arte que caracteriza estas plantas criogénicas) del sistema de licuación de GAN que equipa a muchas de las plantas ASU con este sistema de obtención de UN (nitrógeno líquido). En términos generales, el aprovechamiento es similar al de los enfriadores ¡nter-etapas del MAC.refrigerated as a driving element. Another option is to send CW to the alternative internal combustion engine that moves the MAC, if this type of driving element is available. The option of the electric motor and that of the internal combustion engine, as well as the one shown in figure 3 or 4 of the steam turbine, are exclusive, so that, in general, there is only one operating as a driving element of the MAC, in a same ASU plant and at the same time. The element (5b) refers to the possibility of residual heat of the refrigeration system of the GOX final product line compressor (gaseous oxygen) -number (52) in Figure 5- and of the GAN final product line compressor ( gaseous nitrogen) -number (53) in figure 5- that usually equip ASU plants. In general terms, the use is similar to that of MAC inter-stage coolers. Element (5c) refers to the possibility of recovering residual heat from the “make-up” compressor and the “recycle” compressor (as they are known in the art that characterizes these cryogenic plants) of the GAN liquefaction system that It equips many of the ASU plants with this UN (liquid nitrogen) system. In general terms, the use is similar to that of the non-stage MAC coolers.
El elemento (5d) indica la posibilidad de recuperar el calor residual del CW que se envía a la refrigeración del aire tras el compresor del ciclo de Brayton abierto e inverso en el conjunto compresor-turbina (conocido comúnmente como “compander" en el arte que caracteriza estas instalaciones) y que se emplea con asiduidad en las plantas ASU previa entrada del aire a la columna de destilación criogénica de baja presión (LPC). El “compander” está representado en la figura 5 con el número (51). Como existe un intercambio de calor tras el compresor con el MHE, se antepone un enfriador con CW para refrigerar en la medida de lo posible el aire tras el compresor y antes del MHE. El MHE es el intercambiador de calor principal en una planta ASU y está representado en la figura 5 sin numeración. Las columnas de destilación de alta presión (HPC) y baja presión (LPC) están representadas de manera simplificada en la figura 5 dentro del conjunto (54).The element (5d) indicates the possibility of recovering the residual heat of the CW that is sent to the air cooling after the compressor of the open and reverse Brayton cycle in the compressor-turbine assembly (commonly known as "compander" in the art that characterizes these facilities) and that it is used regularly in ASU plants prior to air entering the low pressure cryogenic distillation column (LPC) .The “compander” is represented in figure 5 with the number (51). a heat exchange after the compressor with the MHE, a cooler with CW is put in place to cool as much as possible the air after the compressor and before the MHE.The MHE is the main heat exchanger in an ASU plant and is represented in Figure 5. Unnumbered The high pressure (HPC) and low pressure (LPC) distillation columns are represented in a simplified manner in Figure 5 within the assembly (54).
El aprovechamiento de las fuentes de calor residual sigue una lógica selectiva, es decir, pueden aprovecharse todas, una, ninguna o una combinación a voluntad de ellas para el funcionamiento de este invento, siempre que no sean excluyentes. Téngase en cuenta que tal y como están representadas, el uso de una turbina motrizThe use of waste heat sources follows a selective logic, that is, all, one, none or a combination of them can be used at will for the operation of this invention, provided they are not exclusive. Note that as they are represented, the use of a driving turbine
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en el MAC haría innecesaria la conexión (5a), diseñada para sistemas motrices alternativos. Los elementos (6a), (6b), (6c) y (6d) corresponden a los retornos calientes hacia el evaporador del APC de la CCW previamente enviada desde el conjunto (49). El grupo (50) hace referencia al conjunto de usos que puede tener el CCW procedente del evaporador (44) del APC. Consta de los elementos (9a), (9b) y (9c).in the MAC it would make the connection (5a), designed for alternative drive systems unnecessary. The elements (6a), (6b), (6c) and (6d) correspond to the hot returns to the APC evaporator of the CCW previously sent from the assembly (49). Group (50) refers to the set of uses that the CCW may have from the evaporator (44) of the APC. It consists of the elements (9a), (9b) and (9c).
El elemento (9a) hace referencia a la opción de enviar CCW a la aspiración del MAC, con objeto de enfriar el aire aspirado por él. Por razones termodinámicas obvias, realizar un enfriamiento previo a la compresión reduce la cantidad de energía necesaria para ello. Esto es especialmente cierto en climas cálidos, donde es interesante el enfriamiento del aire aspirado en el MAC para reducir la energía necesaria para la compresión. Lo anterior es una vía clara para la reducción del consumo específico de la planta ASU. El elemento (9b) hace referencia a la opción de enviar CCW al condensador de la turbina del MAC, en el caso de ser ese el método de propulsión de este. Enviar CCW en lugar de CW a refrigerar el condensador, disminuye la temperatura de condensación tras la exhaustación de la turbina. Esto resulta en un aumento del salto entálpico (Ah) en la misma. El aumento del Ah disponible implica que para las mismas necesidades de compresión en el MAC, el caudal de vapor requerido para dicha compresión disminuya. Esto, por tanto, también conduce a la reducción del consumo específico de la ASU. El elemento (9c) hace referencia a enviar CCW hacia el sistema de retorno a la torre de refrigeración.The element (9a) refers to the option of sending CCW to the MAC aspiration, in order to cool the air sucked by it. For obvious thermodynamic reasons, performing pre-compression cooling reduces the amount of energy needed for it. This is especially true in hot climates, where it is interesting to cool the air sucked into the MAC to reduce the energy required for compression. The above is a clear way to reduce the specific consumption of the ASU plant. The element (9b) refers to the option of sending CCW to the MAC turbine condenser, in the case that this is the propulsion method of this. Send CCW instead of CW to cool the condenser, the condensation temperature decreases after exhaustion of the turbine. This results in an increase in the enthalpy jump (Ah) in it. The increase in available Ah implies that for the same compression needs in the MAC, the steam flow required for said compression decreases. This, therefore, also leads to the reduction of the specific consumption of the ASU. Element (9c) refers to sending CCW to the return system to the cooling tower.
Los elementos (7a), (7b) y (7c) corresponden a los retornos calientes, hacia el evaporador de la rama de frío del APC, de la CCW previamente enviada desde el conjunto (50), siendo la (7c) la aportación desde la torre de refrigeración.The elements (7a), (7b) and (7c) correspond to the hot returns, towards the evaporator of the cold branch of the APC, of the CCW previously sent from the assembly (50), the (7c) being the contribution from the cooling tower
La figura 5 propone un ejemplo, no limitativo y simplificado de disposición del “frontend” de una ASU genérica, donde además se incluyen los compresores finales de línea de GOX (52) y GAN (53) y parte de la zona de destilación (54). Téngase en cuenta que la configuración puede cambiar de una ASU a otra. Por ejemplo, los compresores de GAN y GOX pueden variar en su número de etapas. Por lo tanto, esta figura debe servir como elemento para mejorar la descripción del invento en su contexto de destilación de aire, pero no limitarla. El "compander” (51) es el conjunto de compresor/turbina que configura un sistema de refrigeración de Brayton inverso y abierto, habitualmente empleado en ASUs, y cuyo principal propósito es el de pre enfriar ei aire antes de su entrada en la columna de destilación de baja presión en el ejemplo de esta figura.Figure 5 proposes an example, non-limiting and simplified arrangement of the “frontend” of a generic ASU, which also includes the final line compressors of GOX (52) and GAN (53) and part of the distillation zone (54 ). Note that the configuration may change from one ASU to another. For example, GAN and GOX compressors may vary in their number of stages. Therefore, this figure should serve as an element to improve the description of the invention in its context of air distillation, but not limit it. The "compander" (51) is the compressor / turbine assembly that configures a reverse Brayton cooling system and open, usually used in ASUs, and whose main purpose is to pre-cool the air before entering the low pressure distillation column in the example in this figure.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
En coherencia con la descripción del invento con las figuras 3 y 4, se resalta una realización preferente de la invención “PLANTA DE COMPRESIÓN PARA INSTALACIONES DE SEPARACIÓN DE AIRE CON CONVERSIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL EN POTENCIA ELÉCTRICA Y REFRIGERACIÓN MEDIANTE CICLO DE ABSORCIÓN" correspondiente a la figura 3.In accordance with the description of the invention with Figures 3 and 4, a preferred embodiment of the invention is highlighted "COMPRESSION PLANT FOR AIR SEPARATION FACILITIES WITH RESIDUAL ENERGY CONVERSION IN ELECTRICAL POWER AND COOLING BY ABSORPTION CYCLE" corresponding to the figure 3.
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