Un método para operar una planta criogénica de separación del aire,

que utiliza una columna doble que tiene una columna (40) de presión alta y una columna de presión baja (42) para rectificar el aire de alimentación para producir un producto líquido, en donde el mencionado método comprende: comprimir un flujo (60) de aire de alimentación principal compuesto por aire de alimentación, para producir un flujo de aire de alimentación principal, enfriando una parte (64) del flujo del aire de alimentación principal comprimido en un intercambiador de calor principal (50), e introducir el flujo de aire (66) principal comprimido en la columna de presión alta; comprimir además un primer flujo de gas (80) compuesto por otra parte del flujo del aire (60) de alimentación principal, enfriando parcialmente el primer flujo de gas dentro del intercambiador de calor principal, pasando el primer flujo de gas (84) a una primer temperatura desde 125K a 200K a una turbina fría (14), turboexpandiendo el primer flujo (84) de gas en la turbina fría (14) a una presión no mayor de 20,7 Kpa más alta que la presión operativa de la columna de presión menor (42) para producir un flujo de gas turboexpandido, y pasando el flujo (86) de gas turboexpandido al interior de la columna (42) de presión menor; pasar un segundo flujo (90) de gas compuesto por incluso otra parte del flujo (60) de aire de alimentación principal comprimido, a través de un configuración de turbina auto-turbo, comprendiendo un turbo-compresor (20) y una turbina caliente (24) de accionamiento del turbo-compresor, en donde el segundo flujo de gas está además comprimido, al menos en parte del mismo, en el turbo-compresor (20) sin ser enfriado en el intercambiador de calor principal, en donde el calor de compresión está eliminado del segundo flujo de aire (91) después de pasar a través del turbo-compresor y en donde entonces el segundo flujo de aire (92) se hace pasar a una segunda temperatura dentro del rango desde 200K a 320K hacia la turbina caliente (24), y en donde el segundo flujo de gas es turboexpandido en la turbina caliente (24) a una presión no menor de la presión operativa de la columna de más alta presión, y en donde el segundo flujo (94) de gas turboexpandido se hace pasar al interior de la turbina fría (14) junto con el primer flujo de gas o bien un emplazamiento intermedio del intercambiador de calor principal (50) y posteriormente a la columna de presión más alta (40); y modular el flujo del segundo flujo de gas (90) o la presión de entrada de la turbina caliente (24) para variar la producción del producto líquido

Campo técnico

Esta invención está relacionada generalmente con la separación criogénica del aire, y más en particular con la separación criogénica del aire para la producción de cantidades mejoradas de producto líquido.

Antecedentes de la técnica

La separación criogénica de aire es un proceso muy intensivo de energía debido a la necesidad de tener que generar una refrigeración de baja temperatura para activar el proceso. Este es particularmente el caso en donde grandes cantidades de producto líquido se recuperan, lo cual elimina necesariamente grandes cantidades de refrigeración del sistema. En consecuencia, es un método para la operación de una planta de separación criogénica de aire, la cual permite una operación eficiente en un modo de producción de nivel bajo de líquido, así como también en un modo de producción de nivel alto de liquido, lo cual sería muy deseable.

En el documento EP-A-0672878 que puede considerarse como la técnica anterior más próxima, se expone un método para operar una planta de separación criogénica del aire que utiliza una columna doble que tiene una columna de presión más alta y una columna de presión inferior para la rectificación del aire de alimentación para producir un producto líquido, en donde el mencionado método comprende:

comprimir un flujo de aire de alimentación principal compuesto por el aire de alimentación para producir un flujo de aire de alimentación principal comprimido, enfriando una parte del flujo de aire de alimentación principal comprimido en un intercambiador principal de calor, e introduciendo el flujo de aire de alimentación principal comprimido en el interior de la columna de presión más alta;

comprimir adicionalmente un primer flujo de gas compuesto por otra parte del flujo de aire de alimentación principal, enfriando parcialmente el primer flujo de gas dentro del intercambiador de calor principal, pasando el primer flujo de gas a una temperatura de aproximadamente 150K a una turbina fría, turbo-expandiendo el primer flujo de gas en la turbina fría para producir un flujo de gas turbo-expandido, y pasando el flujo de gas turbo-expandido en el interior de la columna de presión menor; y

comprimir adicionalmente un segundo flujo de gas, compuesto por incluso otra parte del flujo de aire de alimentación principal comprimido, y pasando una parte del segundo flujo de aire a una temperatura de aproximadamente 290K a una turbina caliente, turbo-expandiendo el segundo flujo de gas en la turbina caliente a una presión no inferior a la presión operativa de la columna de presión mayor, y pasando el segundo flujo de gas turbo-expandido al emplazamiento intermedio del intercambiador de calor principal y posteriormente a la columna de presión más alta.

Sumario de la invención

La presente invención es un método de operación de una planta criogénica de separación del aire tal como se define en la reivindicación 1.

Tal como se utiliza aquí, el término “columna” significa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, es decir, una columna o zona, en donde las fases de liquido y vapor entran en contacto en contracorriente para realizar la separación de una mezcla de fluidos, como por ejemplo, mediante el contacto de las fases de vapor y liquido sobre una serie de bandejas separadas verticalmente montadas dentro de los elementos de la columna y/o elementos de empaquetado tal como estén estructurados o empaquetados aleatoriamente. Para una exposición adicional de las columnas de destilación, consúltese el Manual del Ingeniero Químico, quinta edición, editado por R.

H. Perry y C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, Sección 13, El proceso de destilación continua. Una columna doble comprende una columna de alta presión, que tiene su extremo superior en una relación de intercambio de calor con el extremo inferior de una columna de presión menor.

Los procesos de separación de contacto del vapor y el líquido dependen de la diferencia de las presiones del vapor para los componentes. La componente de la presión de vapor más elevada (o más volátil o de baja ebullición) tenderá a concentrar en la fase de vapor, mientras que la presión del vapor menor (o menos volátil o de alta ebullición tenderá a concentrarse en la fase de líquido. La condensación parcial es el proceso de separación por medio de la cual el enfriamiento de una mezcla de vapor puede utilizarse para concentrar los componentes volátiles en la fase de vapor, y por tanto en los componentes menos volátiles en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina las vaporizaciones parciales sucesivas y las condensaciones obtenidas por un tratamiento de contracorriente de las fases de vapor y líquido. El contacto de contracorriente de las fases de vapor y líquido es generalmente adiabático y puede incluir un contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Las configuraciones del proceso de separación que utilizan los principios de la rectificación para separar las mezclas se denominan frecuentemente en forma intercambiable como columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación llevado a cabo al menos en parte a temperaturas iguales o menores de 150 grados Kelvin (K).

Tal como se utiliza aquí, el término “intercambio de calor indirecto” significa el puenteado de dos fluidos en una relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o intermezclado de los fluidos entre sí.

Tal como se ha utilizado aquí, el término “aire de alimentación” significa una mezcla que comprende primariamente oxigeno, nitrógeno y argón, tal como el aire ambiente.

Tal como se ha utilizado aquí, los términos de “porción superior” y “porción inferior” de una columna significa aquellas secciones de la columna que están respectivamente por encima y por debajo del punto medio de la columna.

Tal como se ha utilizado aquí, los términos “turboexpansión”y “turboexpansor” o “turbina” significan respectivamente un método o aparato para el flujo del fluido de alta presión a través de un dispositivo de turbina, para reducir la presión y la temperatura del fluido, generándose por tanto la refrigeración.

Tal como se ha utilizado aquí, el término “planta de separación criogénica de aire” significa la columna o columnas en donde el aire de alimentación se separa por rectificación criogénica para producir nitrógeno, oxígeno y/o argón, así como también con la interconexión de tuberías, válvulas, intercambiadores de calor y similares.

Tal como se ha utilizado aquí, el término “compresor” significa una máquina que incrementa la presión de un gas por medio de la aplicación de trabajo.

Tal como ha utilizado aquí, el término “subenfriamiento” significa el enfriamiento de un líquido a una temperatura menor que la temperatura de saturación de dicho líquido para la presión existente.

Tal como se ha utilizado aquí, el término “presión operativa” de una columna significa la presión en la base de la columna.

Breve descripción de los dibujos

Las figuras 1-5 son representaciones esquemáticas de las configuraciones preferidas para la realización del método de separación criogénica del aire de esta invención.

La figura 6 es una representación gráfica de la curva de enfriamiento para el intercambiador de calor principal en la práctica del sistema de separación criogénica del aire de esta invención ilustrada en la figura 1.

Los numerales en los dibujos son los mismos para los elementos comunes.

Descripción detallada

En general, la invención es un método para operar una planta de separación criogénica de aire en donde un gas de flujo, el cual puede ser el aire de alimentación o vapor de nitrógeno enriquecido procedente de la columna de presión más alta, y que tiene una temperatura en general dentro del rango desde 125K a 200K, más preferiblemente desde 140K a 190K, que se turboexpande a través de una primera turbina, denominada como la turbina fría, a una presión no mayor de 20,7 Kpa, más alta que la presión operativa de la columna de menor presión.... [Seguir leyendo]

1. Un método para operar una planta criogénica de separación del aire, que utiliza una columna doble que tiene una columna (40) de presión alta y una columna de presión baja (42) para rectificar el aire de alimentación para producir un producto líquido, en donde el mencionado método comprende:

comprimir un flujo (60) de aire de alimentación principal compuesto por aire de alimentación, para producir un flujo de aire de alimentación principal, enfriando una parte (64) del flujo del aire de alimentación principal comprimido en un intercambiador de calor principal (50), e introducir el flujo de aire (66) principal comprimido en la columna de presión alta;

comprimir además un primer flujo de gas (80) compuesto por otra parte del flujo del aire (60) de alimentación principal, enfriando parcialmente el primer flujo de gas dentro del intercambiador de calor principal, pasando el primer flujo de gas (84) a una primer temperatura desde 125K a 200K a una turbina fría (14), turboexpandiendo el primer flujo (84) de gas en la turbina fría (14) a una presión no mayor de 20,7 Kpa más alta que la presión operativa de la columna de presión menor (42) para producir un flujo de gas turboexpandido, y pasando el flujo (86) de gas turboexpandido al interior de la columna (42) de presión menor;

pasar un segundo flujo (90) de gas compuesto por incluso otra parte del flujo (60) de aire de alimentación principal comprimido, a través de un configuración de turbina auto-turbo, comprendiendo un turbo-compresor

(20) y una turbina caliente (24) de accionamiento del turbo-compresor, en donde el segundo flujo de gas está además comprimido, al menos en parte del mismo, en el turbo-compresor (20) sin ser enfriado en el intercambiador de calor principal, en donde el calor de compresión está eliminado del segundo flujo de aire

(91) después de pasar a través del turbo-compresor y en donde entonces el segundo flujo de aire (92) se hace pasar a una segunda temperatura dentro del rango desde 200K a 320K hacia la turbina caliente (24), y en donde el segundo flujo de gas es turboexpandido en la turbina caliente (24) a una presión no menor de la presión operativa de la columna de más alta presión, y en donde el segundo flujo (94) de gas turboexpandido se hace pasar al interior de la turbina fría (14) junto con el primer flujo de gas o bien un emplazamiento intermedio del intercambiador de calor principal (50) y posteriormente a la columna de presión más alta (40); y

modular el flujo del segundo flujo de gas (90) o la presión de entrada de la turbina caliente (24) para variar la producción del producto líquido.

2. El método de la reivindicación 1, en donde al menos algún producto de oxigeno (142) es recuperado como el producto líquido a partir de la planta criogénica de separación del aire.

3. El método de la reivindicación 1, en donde al menos algún producto de nitrógeno (116) es recuperado como el producto líquido de la planta criogénica de separación del aire.

4. El método de la reivindicación 1 que comprende además una columna de argón (44), que hace pasar el fluido desde la columna de presión menor (42) a la columna de argón, y recuperando el producto de argón (126) desde la columna de argón.

5. El método de la reivindicación 4, en donde al menos parte del producto de argón recuperado (126) es recuperado como el producto líquido.

6. El método de la reivindicación 1, en donde la segunda temperatura está dentro del rango de 280K a 320K.

7. El método de la reivindicación 1, en donde la operación de la turbina caliente (24) se activa o desactiva durante el tiempo que esté operando la turbina fría (14), para modular el flujo de la turbina caliente (24).