SISTEMA PARA COMPRIMIR EN FRÍO UNA CORRIENTE DE AIRE USANDO REFRIGERACIÓN CON GAS NATURAL.

Un procedimiento para comprimir una corriente (100) de alimentación de aire a una unidad (1) de separación de aire,

que incluye una unidad (2) de licuefacción basada en LNG, que comprende: comprimir (3) la corriente de aire usando múltiples etapas (3a, 3b, 3c) de compresión; enfriar la corriente de aire a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente entre al menos dos de las múltiples etapas (3a, 3b; 3b, 3c) de compresión mediante intercambio indirecto de calor (4b; 4c) con una corriente (172, 176; 172, 175) de un medio de enfriamiento intermedio ("ICM"); y enfriar la corriente del ICM mediante intercambio indirecto de calor (188) con una corriente (166) refrigerante que comprende gas natural, caracterizado porque la unidad de licuefacción basada en LNG está integrada sinérgicamente en el procedimiento mediante la extracción de una porción (166) de la corriente de alimentación de gas natural desde la unidad de licuefacción, a una temperatura de -20ºC a -120ºC, para usarla como la corriente de refrigeración usada para enfriar el ICM, permitiendo así un aumento en la alimentación de gas natural a la unidad (2) de licuefacción

Es conocido en la técnica, que la energía requerida para comprimir un gas se puede reducir comprimiendo el gas en etapas con el fin de permitir el enfriamiento del gas entre las etapas. Finalmente se alcanza un equilibrio donde el ahorro de energía se compensa con el coste del capital necesario para dividir la etapa de compresión en cada vez más etapas, pero dependiendo del efecto de compresión en cuestión y de los costes relativos de energía frente al capital, con frecuencia el número óptimo de etapas será de varias. Esto es particularmente verdad en el caso de comprimir una corriente de aire que se introduce en una unidad de separación de aire ("ASU") criogénico típicamente dimensionada, en la que la corriente de aire se separa en una o más corrientes producto que incluyen típicamente al menos un producto de nitrógeno y un producto de oxígeno, con frecuencia un producto de argón, y con frecuencia productos de criptón y de xenón.

También es conocido en la técnica que los ahorros de energía son proporcionales a la temperatura de enfriamiento inter-etapas. En particular, el enfriamiento a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente entre las etapas, con un refrigerante como por ejemplo gas natural licuado ("LNG"), producirá unos mayores ahorros de energía que enfriar a temperatura ambiente usando agua corriente de refrigeración como refrigerante. Una vez más, finalmente se alcanza un equilibrio donde los ahorros de energía se compensan con el coste del capital necesario para la refrigeración adicional requerida para enfriar el gas inter-etapas a una temperatura cada vez más fría. Generalmente, este equilibrio no justifica el uso de algo más frío que agua de refrigeración a temperatura ambiente. Una notable excepción está, sin embargo, en el contexto de una ASU situada cerca de un terminal de LNG. En ese caso, el coste del LNG es lo suficientemente bajo como para no sólo justificar el uso del LNG, sino para justificar también tanto LNG como se requiera para enfriar la corriente de aire inter-etapas a una temperatura justo por encima del punto de congelación de los contaminantes contenidos en la corriente de aire, concretamente agua y dióxido de carbono.

Según se usa aquí (y como generalmente se refiere en la industria), "compresión en frío" significará la compresión de un gas que está a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente a la entrada de una etapa del compresor. (Contrástese este término con "compresión en caliente" que es el término de la industria para la compresión de un gas que está aproximadamente a temperatura ambiente,o por encima de la temperatura ambiente, a la entrada de una etapa del compresor). También según se usa aquí, "refrigeración con gas natural" significará o bien (i) refrigeración en forma de LNG o (ii) refrigeración en forma de un gas natural frío (es decir, a temperatura por debajo de la temperatura ambiente, especialmente bien por debajo de la temperatura ambiente), especialmente el gas natural frío que resulta del LNG vaporizado, pero solamente parcialmente calentado. Por ejemplo, el gas natural frío está a una temperatura de -20ºC a -120ºC, preferiblemente -40ºC a -100ºC.

La presente invención se refiere a un sistema que usa refrigeración por gas natural para comprimir en frío una corriente de aire; especialmente una corriente de aire que se introduce posteriormente en una ASU. La técnica muestra un sistema semejante. Véase, por ejemplo, la Figura 1 de la Solicitud de Patente Japonesa 53-124188, de Ishizu (de aquí en adelante "Ishizu") y la Patente de EE.UU. 3.886.758 de Perrotin y colaboradores, (de aquí en adelante "Perrotin").

Ishizu se refiere a un procedimiento de separación de aire criogénico de la técnica anterior (véase la Figura 1) en el que el LNG se usa para proporcionar un enfriamiento inter-etapas durante la compresión de un aire de alimentación húmedo de una ASU que incorpora un sistema de columna de destilación, y muestra que el problema de la congelación de la humedad y del dióxido de carbono durante el enfriamiento inter-etapas se puede obviar, en ese procedimiento, usando el LNG para retirar el calor generado por la compresión del aire seco de alimentación que se ha enfriado a aproximadamente -150ºC, en vez de para el enfriamiento inter-etapas (véase la Figura 2). El LNG enfría el aire comprimido, otra vez, a aproximadamente -150ºC y el aire comprimido enfriado resultante se enfrió posteriormente a aproximadamente -170ºC, antes de su introducción en el sistema de columna de destilación.

Perrotin describe un procedimiento de separación de aire criogénico en el que se usa LNG para proporcionar el efecto de condensación en una corriente producto de nitrógeno comprimido procedente de un sistema de columna de destilación para proporcionar una corriente de reflujo al sistema de columna de destilación. Opcionalmente, el LNG se usa también para proporcionar un enfriamiento inter-etapas del aire secado durante la compresión del aire de alimentación.

Una cuestión común en Ishizu y Perrotin es la exposición a una situación donde un defecto en el cambiador de calor, usado para facilitar el intercambio de calor entre el LNG y la corriente de aire inter-etapas, da como resultado la fuga de gas natural a la corriente de aire. En particular, semejante fuga permitirá que el gas natural entre en la columna de destilación junto con la corriente de aire, donde el gas natural tenderá a juntarse con el oxígeno producido en la columna de destilación y crear así mezclas potencialmente explosivas de oxígeno y gas natural. Es un objeto de la presente invención dirigir esta cuestión.

La técnica muestra el uso de LNG para enfriar la corriente de aire después de su última etapa de compresión (de aquí en adelante, la "corriente de aire finalmente comprimida"). Véase, por ejemplo, la Patente de EE.UU. 4.192.662 de Ogata y colaboradores (de aquí en adelante "Ogata" y la Solicitud de Patente de EE.UU. 2005/0126220 de Ward (de aquí en adelante "Ward").

Ogata describe un procedimiento de separación de aire criogénico en el que se usa LNG para enfriar una corriente producto de nitrógeno circulante, por lo que la corriente se puede comprimir a baja temperatura y expandirse para vaporizar oxígeno en una columna de refrigeración. En el procedimiento puesto como ejemplo, el LNG se usa también para proporcionar el efecto de refrigeración a un ciclo cerrado de compuestos clorofluorocarbonados que, a su vez, proporciona el efecto de refrigeración a la corriente de aire finalmente comprimida.

Ward describe un método para ajustar el valor del calentamiento bruto del LNG añadiendo un gas condensable mediante el cual, al menos una porción de ese gas, se condensa mediante el LNG para proporcionar una condensado mezclado que, posteriormente, se vaporiza mediante un intercambio de calor con un medio que transfiere calor. El medio que transfiere calor se puede usar, por ejemplo, como un refrigerante para acondicionar una alimentación de aire u otra corriente del procedimiento asociado con la separación de aire criogénico, o para enfriar el gas de condensación. En el procedimiento puesto como ejemplo, se usa agua y/o etilenglicol como medio que transfiere calor, y se usan porciones suyas para enfriar tanto la corriente de aire finalmente comprimida como la corriente producto de nitrógeno comprimido.

Una notable característica tanto en Ogata como en Ward es el uso de un medio de enfriamiento intermedio (ICM) para transferir la refrigeración desde el LNG hasta la corriente de aire finalmente comprimida. En particular, el ICM se enfría mediante un intercambio indirecto de calor con el LNG en un primer cambiador de calor, y el ICM enfriado resultante se usa para enfriar la corriente de aire finalmente comprimida mediante in intercambio indirecto de calor en un segundo cambiador de calor. De esta forma, Ogata y Ward se protegen de una situación en la que una fuga en el cambiador de calor usado para enfriar la corriente de aire finalmente comprimida, dé como resultado que el gas natural entre en la columna de destilación. Es necesario indicar claramente que Ogata y Ward no enseñan a usar el ICM enfriado para enfriar de forma provechosa la corriente de aire entre sus etapas de compresión en frío.

La técnica muestra también el uso de gas natural frío para el enfriamiento inter-etapas durante la compresión en frío de gas nitrógeno. Por ejemplo, la Patente de EE.UU. 5.141.543 de Agrawal y colaboradores (de aquí en adelante "Agrawal")... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para comprimir una corriente (100) de alimentación de aire a una unidad (1) de separación de aire, que incluye una unidad (2) de licuefacción basada en LNG, que comprende:

comprimir (3) la corriente de aire usando múltiples etapas (3a, 3b, 3c) de compresión; enfriar la corriente de aire a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente entre al menos dos de las múltiples etapas (3a, 3b; 3b, 3c) de compresión mediante intercambio indirecto de calor (4b; 4c) con una corriente (172, 176; 172, 175) de un medio de enfriamiento intermedio ("ICM"); y enfriar la corriente del ICM mediante intercambio indirecto de calor (188) con una corriente (166) refrigerante que comprende gas natural, caracterizado porque la unidad de licuefacción basada en LNG está integrada sinérgicamente en el procedimiento mediante la extracción de una porción (166) de la corriente de alimentación de gas natural desde la unidad de licuefacción, a una temperatura de -20ºC a -120ºC, para usarla como la corriente de refrigeración usada para enfriar el ICM, permitiendo así un aumento en la alimentación de gas natural a la unidad (2) de licuefacción.

2. Un procedimiento de la reivindicación 1, en el que las múltiples etapas de compresión comprenden una etapa inicial (3a), dos o más etapas intermedias (3b) y una etapa final (3c), y en el que el enfriamiento de la corriente de aire comprende enfriar la corriente de aire a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente mediante el intercambio indirecto de calor con la corriente (172) del ICM entre cada una de las etapas intermedias.

3. Un procedimiento de la reivindicación 2, en el que la corriente (100) de aire se enfría a temperatura por debajo de la temperatura ambiente antes de la etapa inicial (3a) mediante intercambio indirecto de calor (4) con la corriente (172, 377) del ICM.

4. Un procedimiento de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que la corriente (106) de aire se enfría a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente después de la etapa final (3c) de compresión mediante intercambio indirecto de calor (4d) con la corriente (172, 374) del ICM.

5. Un procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente del ICM comprende un refrigerante que es incombustible en presencia de oxígeno.

6. Un procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente del ICM es un líquido que no se vaporiza después de proporcionar refrigeración a la compresión del aire.

7. Un procedimiento de la reivindicación 6, en el que la corriente del ICM comprende una mezcla de etilenglicol y agua.

8. Un procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la unidad (2) de licuefacción licúa al menos una corriente producto (130, 140) de nitrógeno de la separación de aire.

9. Un procedimiento de la reivindicación 8 que comprende:

enfriar una corriente (186) de un medio de enfriamiento intermedio ("ICM") mediante intercambio indirecto de calor (188) con una corriente (166) refrigerante que comprende gas natural; comprimir (3) la corriente (100) de aire en múltiples etapas (3a, 3b, 3c) de compresión; enfriar la corriente (102; 104) de aire a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente entre al menos dos de las múltiples etapas (3a, 3b; 3b, 3c) de compresión mediante intercambio indirecto de calor (4b; 4c) con la corriente (172, 176; 172, 175) del ICM; separar la corriente (110) de aire comprimida y enfriada, en la ASU (1), en al menos una corriente producto (130, 140) de nitrógeno, y una corriente producto (125) de oxígeno, después de las etapas de enfriamiento' y de compresión; enfriar la, al menos una, corriente producto de nitrógeno en una unidad (2) de licuefacción mediante intercambio de calor con la corriente (260) refrigerante; y sacar desde una sección intermedia de la unidad (2) de licuefacción una porción (166) de la corriente refrigerante a una temperatura de -20ºC a -120ºC y usar dicha porción (166) para la etapa de enfriamiento (188) de la corriente del ICM.

10. Un aparato para el procedimiento de la reivindicación 9 que comprende:

un compresor (3) que comprime una corriente en múltiples etapas, comprendiendo las múltiples etapas, una etapa inicial (3a), al menos una etapa intermedia (3b) y una etapa final (3c); un primer cambiador de calor (4b) que enfría la corriente (102) de aire entre la etapa inicial (3a) y la, al menos una, etapa intermedia (3b) con una corriente (172, 176) de un medio de enfriamiento;

un segundo cambiador de calor (4c) que enfría la corriente (104) de aire entre la, al menos una, etapa intermedia (3b) y la etapa final (3c) con la corriente (172, 175) del medio de enfriamiento; una unidad de separación de aire ("ASU") (1) que separa la corriente (110) de aire en al menos una corriente producto (130, 140) de nitrógeno y al menos una corriente producto (125) de oxígeno; y una unidad (2) de licuefacción que licúa la, al menos una, corriente producto de nitrógeno mediante intercambio de calor con una corriente (260) de gas natural; caracterizado porque el aparato incluye un tercer cambiador de calor (188) que enfría una corriente (186) de un medio de enfriamiento intermedio ("ICM") mediante intercambio de calor con una porción (166) de la corriente de gas natural extraída de una sección intermedia de una unidad (2) de licuefacción y la corriente (172) de ICM enfriada proporciona las corrientes del medio de enfriamiento de dichos primero y segundo cambiadores de calor.

11. Un aparato de la reivindicación 10, en el que hay más de una etapa intermedia (3b), y el aparato comprende

respectivos cambiadores de calor que enfrían la corriente de aire entre cada una de las etapas intermedias con una 15 corriente (172) de un medio de enfriamiento intermedio ("ICM").

12. Un aparato de la reivindicación 10 o la reivindicación 11, que comprende además un cambiador de calor (4a) que enfría la corriente (100) de aire antes de la etapa final (3a) con la corriente (172, 377) del medio de enfriamiento intermedio ("ICM").

13. Un aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende además un cambiador de calor (4b) que enfría la corriente (106) de aire después de la etapa final (3c) con la corriente (172, 374) del medio de enfriamiento intermedio ("ICM").