ES3032988T3 - Method for separating a flow rich in carbon dioxide by distillation to produce liquid carbon dioxide - Google Patents

Method for separating a flow rich in carbon dioxide by distillation to produce liquid carbon dioxide

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ES3032988T3 ES22711976T ES22711976T ES3032988T3 ES 3032988 T3 ES3032988 T3 ES 3032988T3 ES 22711976 T ES22711976 T ES 22711976T ES 22711976 T ES22711976 T ES 22711976T ES 3032988 T3 ES3032988 T3 ES 3032988T3
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Abstract

En un método para separar un flujo (0) que contiene al menos un 95% molar de dióxido de carbono y al menos una impureza más ligera que el dióxido de carbono por destilación, el flujo (1) se enfría a una primera temperatura intermedia entre las del extremo frío y el extremo caliente de un medio de intercambio de calor (10) para formar un flujo líquido a una primera temperatura y una primera presión, y se divide en al menos dos para formar una primera fracción (7) y una segunda fracción (9). La primera fracción se expande a la presión de una columna de destilación (20), denominada segunda presión, que es inferior a la primera presión, y se envía a un nivel intermedio de la columna de destilación. La segunda fracción se enfría en el medio de intercambio de calor hasta su extremo frío, se expande a la presión de la columna de destilación y se envía a un nivel de la columna de destilación por encima del punto de llegada de la primera fracción. Un flujo líquido que contiene al menos un 99% molar de dióxido de carbono se retira del fondo de la columna y una fracción (3) del flujo líquido se... presurizado en una bomba (PI) y enviado a la parte superior de la columna. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de separación de un caudal rico en dióxido de carbono por destilación para producir dióxido de carbono líquido
La presente invención se refiere a un proceso para separar un caudal rico en dióxido de carbono por destilación para producir dióxido de carbono gaseoso y/o líquido.
Más particularmente, la presente invención se refiere a un proceso para separar dióxido de carbono por destilación, llevándose a cabo esta destilación a una temperatura inferior a 0°C.
En un proceso de licuefacción de CO2 de una alimentación rica en CO2 (>95% en moles) compuesto principalmente el resto por impurezas (O2, N2, CO, H2, por ejemplo), el licuefactor de CO2 está diseñado para funcionar al 100% de su capacidad, pero también está adaptado para producir CO2 líquido a una carga muy reducida.
La presente invención se refiere a un proceso para licuar el CO2 de una alimentación rica en CO2 haciendo intervenir al propio CO2 en un circuito abierto o en un ciclo de refrigeración externo (amoniaco o CO2, por ejemplo). El proceso en frío, compuesto por un intercambiador principal y una columna de purificación, puede funcionar en una amplia variedad de funcionalidades.
En particular, con el desarrollo gradual de las unidades de captura a lo largo de los próximos años, puede resultar interesante invertir en un primer licuefactor para cubrir las demandas futuras: el licuefactor funcionando a cargas muy bajas durante los primeros años, hasta que los siguientes emisores estén listos para enviarle su CO2.
En los procesos de licuefacción de CO2 que se describen habitualmente, el proceso en frío a menudo está compuesto por una columna de destilación que sirve como equipo de purificación. La mayoría de las veces sirve para separar los incondensables en la cabeza, mientras que el fondo de la columna cumple con las especificaciones del CO2 producido.
La operatividad de las columnas de destilación es un factor importante en el rendimiento de la unidad, en particular con respecto a la especificación en la parte inferior de la columna. De hecho, las columnas están compuestas por componentes internos (rellenos, distribuidores, platos) que tienen un funcionamiento garantizado definido dentro de un intervalo restringido. Una desviación demasiado grande en las condiciones de entrada de la columna puede provocar un mal funcionamiento en la eficiencia de separación del equipo.
El documento EP 4285061 A1 propone un reflujo en la cabeza de la columna de destilación realizado por una parte del gas de entrada subenfriado. La otra parte se inyecta directamente en la columna a una altura intermedia. Por lo tanto, existe una restricción cuando es necesario operar con una carga reducida para ambas secciones de la columna.
Para resolver este problema, se prevé la adición de una bomba al esquema de licuefacción con el fin de aumentar la carga de líquido en la columna reciclando el líquido de producción.
Además del problema de carga de líquido, dado que el rendimiento de la unidad es muy sensible a la temperatura de reflujo, es necesario reciclar parte del líquido del fondo de la columna que se ha enfriado previamente.
Además, con el fin de mantener un perfil de condiciones constantes a lo largo de la columna, es necesario reciclar el líquido no solo en el reflujo sino también en la alimentación principal, con el fin de evitar cualquier problema con las partes internas y las secciones de la columna.
Por lo tanto, la invención permite extender la aplicación del estado de la técnica al esquema de licuefacción de CO2.
De hecho, a menudo sucede que una operación de carga reducida y larga duración está prevista para los licuefactores de CO2 por las siguientes razones:
• Mantenimiento a largo plazo.
• Fase de construcción de la unidad en el caso de un licuefactor que recoge emisiones de CO2 procedentes de varias fuentes.
• Parada de una o más fuentes por diversos motivos.
• Límite de exportación del productos etc.
En todos los casos anteriores, el licuefactor de CO2 debe ser capaz de funcionar a velocidad reducida. Con el objetivo de poder operar la columna de purificación en estas condiciones, se añade una bomba al tanque de la columna con el fin de reciclar una parte del líquido hacia su alimentación y/o a la cabeza de la columna.
Según un objeto de la invención, se prevé un proceso para separar un caudal que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono, así como al menos una impureza más ligera que el dióxido de carbono mediante destilación, en el que:
i. Se enfría el caudal a una primera temperatura intermedia entre las del extremo frío y el extremo caliente de un medio de intercambio de calor para formar un caudal de líquido a una primera temperatura y a una primera presión y se divide en al menos dos para formar una primera fracción y una segunda fracción.
ii. Se expande la primera fracción hasta la presión de una columna de destilación denominada segunda presión, inferior a la primera presión y se envía a un nivel intermedio de la columna de destilación.
iii. Se enfría la segunda fracción en el medio de intercambio de calor hasta que su extremo frío, se expande hasta la presión de la columna de destilación y se envía a un nivel de la columna de destilación por encima del punto de llegada de la primera fracción.
iv. Se obtiene un caudal de líquido que contiene al menos 99% en moles de dióxido de carbono en la caldera de la columna.
v. Una fracción del caudal de líquido es un producto líquido y otra fracción del caudal de líquido se presuriza en una bomba y se envía a la cabeza de la columna y/o a un nivel intermedio de la columna.
Según otro objeto de la invención, se prevé un proceso como el descrito anteriormente que tiene al menos dos modos de operación en los que:
a. En un primer modo de operación, el caudal que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono tiene un caudal por encima de un primer umbral, la composición de dióxido de carbono del líquido en la parte inferior de la columna es superior a un segundo umbral y la temperatura del gas de la cabeza de la columna está por debajo de un tercer umbral y ninguna parte del caudal de líquido se envía a la columna después del bombeo y, preferiblemente, una parte del líquido extraído de la caldera de la columna constituye el producto del proceso y
b. En un segundo modo de operación, el caudal que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono tiene un caudal por debajo del primer umbral, la composición de dióxido de carbono del líquido en la parte inferior de la columna es inferior al segundo umbral y la temperatura del gas en la cabeza de la columna está por encima del tercer umbral y la fracción del caudal de líquido se presuriza en la bomba y se envía a la cabeza de la columna y/o al nivel intermedio de la columna.
Según otros objetos opcionales:
• al menos una parte de la otra fracción del caudal de líquido se enfría en el medio de intercambio de calor después de haber sido presurizada en la bomba y luego se envía a la cabeza de la columna y/o al nivel intermedio de la columna.
• parte del líquido presurizado en la bomba se mezcla con la segunda fracción y el caudal formado se enfría en el medio de intercambio de calor.
• el caudal que se enfría en el medio de intercambio es un caudal de líquido y la otra fracción del líquido se presuriza y luego se envía al extremo caliente para que se enfríe.
• el caudal que se enfría en el medio de intercambio vuelve al extremo caliente del medio de intercambio en forma gaseosa.
• la otra fracción del caudal de líquido no se enfría en el medio de intercambio de calor después de haber sido presurizada en una bomba y luego se envía a la cabeza de la columna y/o a un nivel intermedio de la columna.
• una fracción del caudal de líquido no es presurizada por la bomba y se calienta en el medio de intercambio de calor a partir de una temperatura intermedia de este último y luego se envía a la columna para que se separe allí.
• la fracción del caudal de líquido que no está presurizada por la bomba se vaporiza en el medio de intercambio de calor y se envía al tanque de la columna en forma gaseosa.
• la fracción del caudal de líquido que forma el producto se presuriza en la misma bomba que la otra fracción del caudal de líquido.
• la entrada de la bomba está conectada a la salida de la bomba mediante un conducto de derivación, pudiéndose abrir este conducto mediante una válvula y en el que, en caso de una reducción del caudal de líquido a bombear en la bomba, se aumenta primero el caudal de líquido bombeado enviado a la columna antes de abrir la válvula del conducto de derivación.
La invención consiste principalmente en reciclar una parte del líquido de la caldera a un nivel intermedio de la columna y/o a la cabeza de la columna. Es mejor reciclar el líquido de la caldera tanto al reflujo de la columna como también para alimentar la columna a un nivel intermedio. La cantidad se recicla de tal manera que se mantenga dentro de los límites fijados de funcionamiento de las columnas referenciadas. Por lo tanto, no hay impacto en el rendimiento del equipo. El caudal reciclado permitirá tener un caudal de reflujo (4) y un caudal de alimentación principal que permanecerá superior a 50%, preferiblemente superior a 70% de los caudales de dimensionamiento de la columna.
Por otro lado, el esquema del licuefactor de CO2 cuyo reflujo interno (7) de la columna se realiza calentando y vaporizando el líquido de la caldera e inyectándole el gas formado se podrá aumentar en las mismas proporciones mencionadas anteriormente para garantizar una buena separación. Esto se debe al hecho de que el intercambiador principal (10) está dimensionado para una carga del 100% (por lo tanto, ya no hay restricciones hidráulicas para rehervir).
De este modo, esta adición permite asegurar condiciones de separación cercanas al caso de dimensionamiento (obstrucción de líquidos y gases, relación de caudal de líquido y vapor, etc.).
La invención se describirá con más detalle con referencia a las figuras:
La Fig. 1 representa un proceso según la invención.
La Fig. 2 representa un proceso según la invención.
La Fig. 3 representa un proceso según la invención.
La Fig. 4 representa un proceso según la invención.
La Fig.1 representa un proceso según la invención.
En funcionamiento normal, se separa mediante el proceso una mezcla líquida o gaseosa 0 que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono así como al menos una impureza más ligera. Si el caudal de la corriente 0 es mayor que un umbral, y si la composición de dióxido de carbono en la corriente 8 es mayor que un segundo umbral y si la temperatura de la corriente 12 se vuelve inferior a un tercer umbral, el proceso está en un primer modo de funcionamiento normal. En este caso, se enfría el caudal de la corriente 0 hasta una primera temperatura intermedia entre las del extremo frío y el extremo caliente de un medio de intercambio de calor 10 para formar una corriente de líquido 1 a una primera temperatura y a una primera presión. La corriente 1 se divide en dos para formar dos partes 2, 4. La parte 2 se expande en una válvula V2 hasta la presión de la columna 20 y se introduce en la columna a un nivel intermedio para su separación. La parte 4 pasa a través de la válvula V1, se enfría hasta el extremo frío del medio de intercambio 10 y se expande en una válvula V5 antes de ser enviada a la cabeza de la columna para formar allí el reflujo.
Un líquido que contiene al menos 99% en moles de dióxido de carbono se extrae de la caldera de la columna y el producto 8 constituye al menos una parte del mismo. Una corriente 12 enriquecida en impurezas sale por la cabeza de la columna y puede ser enviada a la atmósfera, a un dispositivo de seguridad dedicado o recuperarse. La columna comprende medios para detectar la pureza del líquido de la caldera de la columna y medios para medir el caudal de la corriente 0 y la temperatura del gas 12.
Con el fin de alcanzar la especificación de CO2 en la caldera de columna, una parte 7 del líquido de la caldera se calienta y se vaporiza en el medio de intercambio 10 desde una temperatura intermedia hasta el extremo caliente, luego se expande ligeramente mediante la válvula V4 en la caldera de la columna 20 para formar el reflujo interno de la columna. De hecho, la columna 20 está ligeramente sobrepresurizada en comparación con el intercambiador 10, de modo que, a pesar de la pérdida de presión en el intercambiador 10, el caudal 7 en el extremo caliente siempre está a una presión más alta que la de la columna 20.
Si el caudal de la corriente 0 se vuelve inferior al primer umbral y si la composición de dióxido de carbono en la corriente 8 se vuelve inferior al segundo umbral y si la temperatura de la corriente 12 se vuelve superior al tercer umbral, el proceso se modifica para operar según un segundo modo en el que otra fracción 3 del líquido de la caldera se presuriza mediante una bomba y se envía a la cabeza de la columna 20 y/o a un nivel intermedio de la columna 20 para separarse después de expansión. En este ejemplo, la fracción 3 se divide en dos después de bombeo en la bomba P1, expandiéndose una parte 6 en la válvula V3 y mezclándose con el caudal 2 para entrar en la columna. El resto 5 se mezcla con la segunda fracción 4 aguas abajo de la válvula V1 y se enfría en el medio de intercambio 10 y se envía al reflujo de la columna 4.
Para hacer esto, se puede usar el paso en el intercambiador destinado al subenfriamiento. De la misma forma que para el reflujo interno, dado que este paso está dimensionado para una carga de 100%, no habrá tensión hidráulica.
De lo contrario, el resto 5 y la segunda fracción 4 pueden subenfriarse independientemente uno del otro.
De este modo, este subenfriamiento permite obtener una temperatura lo más baja posible para el reflujo, lo que permite un rendimiento todavía muy alto incluso durante operaciones con cargas bajas. Esto es tanto más necesario si se ha aumentado el reflujo interno.
En resumen, cuando el caudal de la corriente 0 se vuelve inferior al primer umbral y cuando la pureza en 8 se vuelve inferior al segundo umbral y la temperatura en 12 se vuelve superior al tercer umbral, la bomba P1 se pone en marcha con el fin de reciclar el líquido del fondo de la columna hacia al menos una de las entradas. El caudal de la corriente 7 se incrementa con el fin de alcanzar la especificación del producto en la salida 8.
Al mismo tiempo, con el fin de obtener un buen rendimiento y un buen funcionamiento de la columna de destilación, los caudales de las corrientes 5 y 6 se corrigen en función de la medición del caudal de rehervido en la corriente 7.
En el caso de evolución del volumen de dióxido de carbono a tratar, si la cantidad a tratar es inicialmente baja, la bomba se usa para enviar el líquido de la caldera al nivel intermedio y/o a la parte superior de la columna y, cuando la cantidad de dióxido de carbono a tratar ha aumentado lo suficiente, la bomba ya no se usa.
La columna 20 puede funcionar a una presión superior a 7 bar o superior a 10 bar.
La Fig. 2 muestra una variante de la Fig. 1 en la que la columna 20 funciona a baja presión (por ejemplo, >7 bar pero < 10 bar). En este caso, el líquido bombeado a la bomba P1 está lo suficientemente frío como para que el líquido 5 pueda ser reinyectado directamente aguas abajo de la expansión de reflujo 4 en la válvula V5 con un impacto mínimo o nulo en el rendimiento del proceso. El líquido 5 se expande en una válvula V6 sin haberse enfriado en el medio de intercambio 10 y sin haberse mezclado con el líquido 4 aguas arriba de la válvula V5. Esto permite reducir la presión de descarga de la bomba P1 y, por lo tanto, optimizar el esquema.
La Fig. 3 muestra una variante de la Fig. 1 en el caso en que el CO20 esté en estado líquido a la entrada del intercambiador principal 10 y/o cuando no haya expansión intermedia por medio de la válvula V1 para formar el reflujo de la columna; en este caso, es posible devolver el líquido de la caldera 3 desde la bomba P1 a la entrada del intercambiador principal 10 para mezclarlo con la corriente 0. El objetivo de esto es minimizar las interfases de las tuberías y optimizar la energía total del proceso a una velocidad reducida. De hecho, esto induce a reenviar un líquido frío y puro en CO2 a la entrada del intercambiador 10.
Aquí no es necesario retirar el líquido que se va a separar del medio de intercambio 10 para separarlo en las partes 1,4. La parte 1 se expande en la válvula V2 para formar la alimentación principal 2 de la columna 20.
La Fig. 4 muestra una variante de la Fig. 1 en el caso en el que una bomba P1 prevista para exportar la producción 8 de la columna se use para llevar a cabo este reciclaje junto con la exportación de la producción 8. De este modo, esto permite limitar las inversiones. Sin embargo, se podrá añadir una válvula V7 con el fin de devolver la presión del producto 8 a aquella a la que debe almacenarse.
La salida de la bomba P1 está conectada a su entrada a través de una válvula para asegurar un caudal de aspiración mínimo, estando esta válvula normalmente cerrada. En el caso de reducción del caudal 3, primero se abren las válvulas V3, V5 y, a continuación, la válvula. Esta válvula puede estar presente en todos los esquemas con el mismo funcionamiento en caso de reducción del caudal 3.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Proceso para separar un caudal (0) que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono, así como al menos una impureza más ligera que el dióxido de carbono mediante destilación, en el que:
i. se enfría el caudal (1) a una primera temperatura intermedia entre las del extremo frío y el extremo caliente de un medio de intercambio de calor (10) para formar un caudal de líquido a una primera temperatura y a una primera presión y se divide en al menos dos para formar una primera fracción (2) y una segunda fracción (4),
ii. se expande la primera fracción hasta la presión de una columna de destilación (20) denominada segunda presión, inferior a la primera presión y se envía a un nivel intermedio de la columna de destilación,
iii. se enfría la segunda fracción en el medio de intercambio de calor hasta que su extremo frío, se expande hasta la presión de la columna de destilación y se envía a un nivel de la columna de destilación por encima del punto de llegada de la primera fracción.
iv. se obtiene un caudal de líquido que contiene al menos 99% en moles de dióxido de carbono en la caldera de la columna,
v. una fracción (8) del caudal de líquido es un producto líquido y otra fracción (3) del caudal de líquido se presuriza en una bomba (P1) y se envía a la cabeza de la columna y/o a un nivel intermedio de la columna.
2. Proceso según la reivindicación 1, que tiene al menos dos modos de funcionamiento, en los que:
a. en un primer modo de operación, el caudal (0) que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono tiene un caudal por encima de un primer umbral, la composición en dióxido de carbono del líquido en la parte inferior de la columna es superior a un segundo umbral y la temperatura del gas de la cabeza (12) de la columna está por debajo de un tercer umbral y ninguna parte del caudal de líquido se envía a la columna después del bombeo y, preferiblemente, una parte del líquido extraído de la caldera de la columna constituye el producto del proceso y
b. en un segundo modo de operación, el caudal que contiene al menos 95% en moles de dióxido de carbono tiene un caudal por debajo del primer umbral, la composición en dióxido de carbono del líquido en la parte inferior de la columna es inferior al segundo umbral y la temperatura del gas en la cabeza de la columna está por encima del tercer umbral y la fracción del caudal de líquido se presuriza en la bomba (P1) y se envía a la cabeza de la columna y/o al nivel intermedio de la columna.
3. Proceso según una de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos una parte (5) de la otra fracción del caudal de líquido se enfría en el medio de intercambio de calor (10) después de haber sido presurizado en la bomba (P1) y, a continuación, se envía a la cabeza de la columna y/o al nivel intermedio de la columna.
4. Proceso según la reivindicación 3, en el que una parte del líquido presurizado en la bomba (P1) se mezcla con la segunda fracción y el caudal formado se enfría en el medio de intercambio de calor (10).
5. Proceso según la reivindicación 3 o 4, en el que el caudal (0) que se enfría en el medio de intercambio (10) es un caudal de líquido y la otra fracción (3) del líquido se presuriza y luego se envía al extremo caliente para que se enfríe.
6. Proceso según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el caudal (0) que se enfría en el medio de intercambio (10) vuelve al extremo caliente del medio de intercambio en forma gaseosa.
7. Proceso según una de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la otra fracción (6) del caudal de líquido no se enfría en el medio de intercambio de calor (10) después de haber sido presurizada en una bomba (P1) y luego se envía a la cabeza de la columna y/o a un nivel intermedio de la columna.
8. Proceso según una de las reivindicaciones precedentes, en el que una fracción (7) del caudal de líquido no es presurizada por la bomba (P1) y se calienta en el medio de intercambio de calor (10) a partir de una temperatura intermedia de este último, y luego se envía a la columna (20) para ser separada allí.
9. Proceso según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la fracción (8) del caudal de líquido que forma el producto se presuriza en la misma bomba (P1) que la otra fracción (3) del caudal de líquido.
10. Proceso según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la entrada de la bomba (P1) está conectada a la salida de la bomba mediante un conducto de derivación, pudiendo ser abierto este conducto mediante una válvula (V8) y en el que, en caso de reducción del caudal de líquido (3) que se va a bombear en la bomba, se aumenta primero el caudal de líquido bombeado enviado a la columna antes de abrir la válvula del conducto de derivación.
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