MX2008001840A

MX2008001840A - Metodo de separacion de aire.

Info

Publication number: MX2008001840A
Application number: MX2008001840A
Authority: MX
Inventors: Neil Mark Prosser; Richard John Jibb
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-02-24
Also published as: EP2122283A2; WO2008112728A3; WO2008112728A2; CN101266095A; US20080223077A1

Abstract

Un método de separación de aire en el cual el flujo de aire líquido, producido por vaporización de un flujo de oxígeno líquido bombeado, es introducido en una columna de presión más baja y opcionalmente, una columna de presión más elevada de una unidad de separación de aire. El flujo de aire líquido es enfriado extrayendo una alimentación de aire principal a la columna de presión más elevada desde un intercambiador de calor principal a una temperatura más caliente que el flujo de aire líquido para incrementar la recuperación de argón en una columna de argón conectada a una columna de presión más baja. Esta temperatura es seleccionada de manera que el flujo de aire líquido alcanza una temperatura promedia de los flujos de retorno siendo alimentado en el intercambiador de calor principal desde las columnas de presión más lata y más baja en un rango entre 2K y aproximadamente 3K.

Description

METODO DE SEPARACION DE AIRE Campo de la Invención Un método para separar aire en el cual un producto de oxigeno presurizado es producido vaporizando un flujo de oxigeno líquido bombeado en vez de licuar un flujo de aire en un intercambiador de calor principal y un producto de argón es producido en una zona de separación de argón conectado a una columna de presión más baja la cual es operativamente asociada en una relación de transferencia de calor con una columna de presión más elevada. Más particularmente, la presente invención se refiere a un tal método en el cual un flujo de aire de alimentación principal es expulsado desde el intercambiador de calor principal a una temperatura que es más caliente que el flujo de aire líquido para sub-enfriar el flujo de aire líquido, y de esta manera incrementar la recuperación de argón. Antecedentes de la Invención La separación de aire en nitrógeno, fracciones de oxígeno y argón han sido conducidas en unidades de separación de aire en el cual está comprimido el aire, purificado y enfriado en un intercambiador de calor principal a una temperatura apropiada para su rectificación. El aire es introducido en una columna de presión más elevada de un arreglo de columna doble que también tiene una columna de presión más baja en una relación de transferencia de calor con una columna de presión más elevada.

Los productos de nitrógeno y oxígeno pueden ser extraídos desde las columnas de presión más bajas y más elevadas. Un flujo rico en argón puede ser removido desde la columna de presión más baja e introducido en la columna de argón para producir la parte superior de columna rica en argón. La parte superior de columna rica en argón es condensado, típicamente con el uso de todo o una parte de flujo de oxígeno líquido crudo, producido como partes inferiores de la columna de la columna de presión más elevada, para generar reflujo de líquido para la columna de argón. Una porción de la parte superior de columna rica en argón es tomada como producto de argón. Es también conocido que para producir producto de oxígeno de alta presión en un tal arreglo presurizando un flujo rico en oxígeno compuesto de partes inferiores de columna de oxígeno producido en la columna de presión más baja bombeando el flujo y vaporizándolo en el intercambiador de calor principal en vez de licuar el flujo de aire que constituye parte del aire que ha sido comprimido a una presión alta. El flujo de aire líquido resultante es expandido e introducido en una columna de presión más baja o ambas, las columnas de presión más alta y más baja. Un ejemplo de tal planta se muestra en la Patente de EE.UU No. 6, 293, 126. En esta patente, el flujo de aire de alimentación principal es expulsado desde el intercambiador de calor principal a una temperatura más caliente que el del flujo de aire que después es comprimido y licuado para producir flujo de aire líquido. En un intento de simplificar la construcción de una tal planta, el flujo de oxígeno líquido crudo no es subenfriado ni anteriormente a su uso en condensar en reflujo de argón ni en su introducción en la columna de presión más baja. Como resultado, existe una fracción de vapor mayor del flujo de oxígeno líquido crudo entrando en la columna de presión más baja después de la expansión que hubiera de otra manera ocurrido, tuvo el flujo de oxigeno líquido crudo que ha sido subenfriado. De esta manera, el líquido en relación de vapor en un punto en la columna de presión más baja debajo del punto en el cual el flujo rico en argón es extraído para refinado posterior en la columna de argón es menor que de otra manera haya sido posible. Además, extrayendo un flujo de aire principal a una temperatura más caliente que el flujo de aire líquido en la medida que pueda estar cerca de la temperatura del flujo de retorno utilizado para enfriar el aire que entra. Como resultado, los requerimientos de presión para el flujo de aire que es después comprimido y licuado son usualmente mayor que el flujo y/o presión que de otra manera haya sido requerido y el flujo de aire de alimentación principal no ha sido expulsado a una temperatura más caliente. El subenfríamíento posterior del flujo de aire líquido tiende a compensar para el líquido reducido a la relación de vapor en la columna de presión más baja. Estos resultados en más poder han sido consumidos en una tal planta sin cualquier incremento en la recuperación de argón.

Como se discutirá posteriormente, la presente invención proporciona un método para separar aire en el cual la recuperación de argón es aumentada arriba de lo posible en las sistemas de separación de aire de la técnica anterior, como se ha discutido anteriormente, mientras se minimiza la cantidad de poder de exceso que es necesariamente utilizada para aumentar la recuperación de argón. Breve Descripción de la Invención La presenta invención proporciona un método de separar el aire. De acuerdo con el método, se produce un primer flujo de aire comprimido y purificado y un segundo flujo de aire comprimido y purificado. El segundo flujo de aire comprimido y purificado tiene una presión más elevada que el primer flujo comprimido y purificado. Estos flujos son enfriados dentro del intercambiador de calor principal a través de un intercambio de calor indirecto con flujos de retorno que son producidos en una unidad de separación de aire. Los flujos de retorno incluyen al menos parte de un flujo de oxígeno líquido bombeado y como resultado del intercambio de calor indirecto se produce un flujo de aire de alimentación principal y de aire líquido desde el aire comprimido y purificado. El flujo de aire de alimentación principal es introducido en una columna de presión más elevada de la unidad de separación de aire y el flujo de aire líquido es expandido y al menos una parte del flujo de aire líquido es introducido en una columna de presión más baja de la unidad de separación de aire. Un flujo rico en argón desde la columna de presión más baja es introducido en una zona de separación de argón formado al menos por una columna para producir una parte superior de columna que contiene argón y un flujo de producto que contiene argón compuesto de una parte superior de columna que tiene argón. Se debe de notar, que el término "zona de separación de argón" como aquí y en las reivindicaciones se utiliza, incluye una columna de argón sencilla, y a menudo se refiere a eso en la técnica como una columna de argón crudo, también como las columnas en serie que proporcionan un número suficiente de etapas de separación en donde el producto de argón tiene niveles muy bajos de oxígeno, típicamente menos de 10 ppm. Un flujo de oxígeno líquido crudo compuesto de partes inferiores de columna liquida de la columna de presión más elevada y un flujo líquido rico en nitrógeno compuesto de una parte superior de columna de nitrógeno líquido de la columna de presión más elevada son enfriados. Al menos parte del flujo de oxígeno líquido crudo y al menos parte del flujo líquido rico en nitrógeno son introducidos en la columna de presión más baja. El flujo de aire de alimentación principal es extraído desde el intercambiador de calor principal a una temperatura más caliente que la del flujo de aire líquido e introducido en la columna de presión más elevada al menos a esta temperatura.

Preferiblemente, la temperatura del flujo de aire de alimentación principal está en un rango de entre 6K y aproximadamente 25K más caliente que el flujo de aire líquido, y más preferiblemente, en un rango de 8K hasta aproximadamente 15K más caliente que el flujo de aire líquido. El efecto de esto es para subenfriar el flujo de aire líquido, y de esta manera incrementar el contenido del líquido del mismo después de que haya sido expandido para aumentar el liquido a relación de vapor en la columna de presión más baja y de esta manera incrementar la recuperación de argón. Se debe de notar que como el técnica previa, no puede haber simplificación tal como para no subenfriar el flujo de oxígeno líquido crudo. Si estos flujos no serían subenfriados, la recuperación de argón sufriría de manera que el líquido en relación de vapor abajo del punto de introducción del flujo de aire líquido o parte del mismo sería menor debido a la evolución de vapor durante la expansión del mismo. Además, como en la técnica previa, la temperatura del flujo de aire de alimentación principal es seleccionado de manera que el flujo de aire líquido tiene la temperatura aproximada que se aproxima a una temperatura promedia de los flujos de retorno de no menos de un rango de entre 0.2 K y aproximadamente 3K, y preferiblemente entre 0.4K y 2K. La temperatura promedia es una temperatura calculada en la cual el producto de flujo y entalpia de los flujos de retorno en un extremo frió del intercambiador de calor principal es igual al producto de los flujos de retorno en sus temperaturas actuales. Como se discutirá posteriormente, se ha encontrado aquí por los inventores que si la temperatura es un poco menor, dado el hecho de que un intercambiador de calor principal es únicamente de medida finita, el requerimiento de compresión para el segundo flujo de aire comprimido y purificado incrementará sin aumento marcado en la recuperación de argón. Para sobrepasar el extremo caliente y la fuga de calor, como bien se conoce en la técnica, se debe generar la refrigeración. Hay un número de rutas para hacer esto y que son compatibles con la presente invención. Por ejemplo, se puede producir un tercer flujo de aire comprimido y purificado. El tercer flujo de aire comprimido y purificado puede ser parcialmente enfriado dentro del intercambiador de calor principal e introducido en un turbo expansor para producir un flujo de salida para la generación de refrigeración. El flujo de salida puede ser después introducido en una columna de presión más baja. Un cuarto flujo de aire comprimido y purificado puede ser producido extrayendo el cuarto flujo de aire comprimido y purificado desde una etapa intermediaria de un compresor utilizado en formar el segundo flujo de aire comprimido y purificado. El cuarto flujo comprimido y purificado es expandido dentro de otro turbo expansor y combinado con el primer flujo de aire comprimido y purificado dentro del intercambiador de calor principal para incrementar la producción de líquido.

Como un método alternativo para generar refrigeración, un flujo de la parte superior de columna de nitrógeno compuesto de una parte superior de columna de nitrógeno puede ser parcialmente calentada dentro del intercambiador de calor principal y después expandido dentro del turbo expansor para producir un flujo de salida para la generación de la refrigeración. El flujo de salida puede ser después introducido en el intercambiador de calor principal y después plenamente calentado en el mismo lugar. En una modalidad de la presente invención, el flujo de aire líquido puede ser introducido en una turbina liquida para expandir el flujo de aire líquido a una presión apropiada para su introducción en la ubicación intermedia de la columna de presión más elevada. El flujo de oxigeno líquido crudo y el flujo líquido rico en nitrógeno pueden ser subenfriados a través de un intercambiador de calor indirecto con flujos de retorno que son formados desde un flujo de vapor rico en nitrógeno compuesto de la parte superior de columna y columna de presión más baja y un flujo de vapor de desecho enriquecido con nitrógeno para una medida menor que el flujo de vapor rico en nitrógeno. El flujo de de vapor rico en nitrógeno y el flujo de vapor de desperdicio pueden ser introducidos en el intercambiador de calor principal después de haber sido subenfriado el flujo de oxígeno líquido y el flujo de líquido rico en nitrógeno.

Una primera parte del flujo de oxigeno líquido crudo puede ser expandida e introducida en la columna de presión inferior y una segunda parte del flujo de oxígeno líquido crudo puede indirectamente intercambiar el calor con un flujo de la parte superior de columna de argón compuesto de la parte superior de columna de argón. Como resultado, el flujo de la parte superior de columna de argón puede ser condensada y la segunda parte del flujo de oxígeno líquido crudo puede ser parcialmente vaporizada. Los flujos de fracción de líquido y de vapor que resulta desde la vaporización parcial del flujo de oxigeno líquido crudo puede ser después introducidos en la columna de presión más baja. Parte del flujo de la parte superior de columna de argón después de que haya sido condensada puede formar el flujo de producto de argón y una parte restante del mismo después de condensación puede ser regresada a la zona de separación de argón como reflujo. Breve Descripción de los Dibujos Mientras la descripción concluye con las reivindicaciones que distintamente apuntan a la materia que los solicitantes consideran como su invención, se cree que la invención se entenderá mejor cuando se toman en cuenta los dibujos que se acompañan en los cuales: La Figura 1 es un diagrama de flujo de proceso esquemático de un aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención; La Figura 2 es una representación gráfica de las curvas de calentamiento y enfriamiento de la técnica previa en un intercambiador de calor principal; La Figura 3 es una representación gráfica de las curvas de calentamiento y enfriamiento dentro del intercambiador de calor principal que opera de acuerdo con un método de separación de aire de acuerdo con la presente invención; La Figura 4 es una vista fragmentaria, esquemática de una modalidad alternativa de la Figura 1 que muestra una modalidad alternativa para una unidad de subenfriamiento integrado con el intercambiador de calor principal; La Figura 5 es una vista fragmentaria, esquemática de una modalidad alternativa de la Figura 1 empleando la expansión de un flujo rico en nitrógeno para generar la refrigeración; y La Figura 6 es una vista fragmentaria, esquemática de una modalidad alternativa de la Figura 1 empleando la expansión posterior para incrementar la producción de liquido. Para evitar la repetición de la explicación de las figuras que se acompañan, las mismas referencias se utilizan y se repiten en las figuras en donde la descripción de elementos particulares diseñados por los numerales de referencia son idénticos. Descripción Detallada de la Invención Con referencia a la Figura 1, se ilustra una planta de separación de aire 1 es ilustrada de manera que es configurada para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención . Un flujo de aire 10 es comprimido por medio de un compresor de aire principal 12. La presión de aire del flujo comprimido resultante es establecido por la presión de una columna de presión más elevada 48 para ser discutida aquí y una caída de presión. Después de enfriar en un enfriador posterior 14 para remover el calor de compresión, el flujo de aire 10 es purificado dentro de una unidad de purificación 16 para remover las impuridades de ebullición elevadas tales como dióxido de carbono y humectante que podría congelar, como también hidrocarburos que se pueden colectar para presentar un riesgo de seguridad. La unidad de purificación 16, como bien se conoce en la técnica, pueden ser lechos de adsorbente de tamiz molecular operando fuera de la fase en un ciclo de adsorción mixto a temperatura conocida para purificar el flujo de aire 10. La comprensión y purificación del flujo de aire 10 produce un flujo de aire comprimido y purificado 18 el cual es dividido para producir un primer flujo de aire comprimido y purificado 20 que constituye la mayor porción que resulta de esta división. Una parte 22 del flujo de aire comprimido y purificado 18 es posteriormente comprimido dentro de un compresor del impulsor 24 para producir un segundo flujo de aire comprimido y purificado 28. La parte 22 del flujo de aire comprimido y purificado 18 típicamente tiene una tasa de flujo en un rango de entre 24% y aproximadamente 40% del flujo de aire comprimido y purificado 18. La presión de descarga del compresor del impulsor 24 es establecido por la presión del flujo de oxígeno líquido bombeado 122 también como se ha discutido anteriormente. Cuando la presión del flujo de aire comprimido y purificado 28 es debajo de la presión critica, la presión es típicamente menor a aproximadamente 2.5 veces la presión del flujo de oxígeno líquido bombeado 122. El calor de compresión del segundo flujo de aire comprimido y purificado 28 es preferiblemente removido después del enfriador 26. Como se discutirá posteriormente, opcionalmente, otra parte 30 del flujo de aire comprimido 18 es comprimido dentro del compresor del impulsor 32 para producir un tercer flujo de aire comprimido y purificado 36 para propósitos de refrigeración. La tasa de flujo de otra parte 30 del flujo de aire comprimido y purificado es típicamente en un rango de entre 5% y aproximadamente 20% del flujo de aire comprimido y purificado 18. El calor de compresión es preferiblemente removido desde el tercer flujo de aire comprimido y purificado 36 por un enfriador posterior 34. Se debe de mencionar que el compresor de aire 12 y el compresor del impulsor 24 son preferiblemente maquinas multi-etapas con enfriamiento entre las etapas. El compresor del impulsor 32 es una maquina de una etapa alimentada con la turbina 62. Los compresores 12 y 24 son usualmente alimentados por fuentes externas, usualmente un motor eléctrico.

El primer flujo de aire comprimido y purificado 20 y el segundo flujo de aire comprimido y purificado 28 son enfriados dentro del intercambiador de calor principal 40 para producir un flujo de aire de alimentación principal 42 que es justo o cerca de su punto de rocío y un flujo de aire líquido 44. Como se discutirá posteriormente el primer flujo de aire comprimido y purificado 20 y el segundo flujo de aire comprimido y purificado 28 son enfriados por el intercambio de calor indirecto con flujos de retorno, producido en la unidad de separación de aire 46, que son enriquecidos con oxígeno y nitrógeno. Se debe de especificar que la presente invención contempla que el segundo flujo de aire comprimido y purificado 28 podría ser debajo de la presión crítica. En este caso, el enfriamiento de tal flujo producirá un vapor de fase densa en un proceso denominado como "pseudo licuefacción" puesto que no se produce ninguna fase liquida actual. De esta manera, el término "licuefacción" o el término "líquido" cuando se usa en conexión con el flujo de aire líquido 44 aquí y en las reivindicaciones contempla ambas, una pseudo licuefacción que produce un vapor de fase densa y una licuefacción actual que produce un líquido. El flujo de aire de alimentación principal 42 es introducido en una región inferior de una columna de presión más elevada 48 de la unidad de separación de aire 46 que opera a una presión más elevada que la columna de presión más baja 50 de la unidad de separación. La unidad de separación de aire 46 también incluye una columna de argón 52 que proporciona una zona de separación de argón para el refinado de argón para producir una parte superior de columna que contiene argón desde la cual se extrae el producto de argón. La columna de argón 52 en un caso aparte podría ser reemplazada con una serie de columnas para presentar un número suficiente de etapas de separación para sustancialmente separar el oxígeno como se describe anteriormente. Aunque no está ilustrado, se entiende que la columna de presión más elevada 48, la columna de presión más baja 50 y la columna de argón 52 contienen elementos de transferencia de masas para contactar el líquido y las fases de vapor de las mezclas para ser separadas dentro de estas columnas. Estos elementos de transferencia de masas pueden ser conocidos como empaques o bandejas de tamiz estructurados, empaque de descarga o combinaciones de los mismos. El flujo de aire líquido 44 es introducido en un dispositivo de expansión de líquido 54 y es expandido a una presión apropiada para su introducción en la ubicación intermediaria de la columna de presión más elevada 48 debajo del flujo de aire de alimentación principal 42. El dispositivo de expansión de líquido 54, como se ilustra, es preferiblemente una turbina líquida en la cual el trabajo de expansión puede ser recuperado en un generador eléctrico, utilizado para manejar un compresor o disipar como calor con un freno de aceite. Es entendido que el dispositivo de expansión de líquido 54 podría ser una válvula de expansión. Después de la expansión, el flujo de aire líquido 44 es dividido en un primer flujo de líquido subsidiario 56 y un segundo flujo de líquido subsidiario 58. El segundo flujo de líquido subsidiario 58 es introducido en la columna de presión más elevada 48. Como tal, la presión de descarga del dispositivo de expansión de líquido 54 es establecido a una presión de la columna de presión más elevada 48 más la gota de presión. El primer flujo de líquido subsidiario 56 es reducido en presión por una válvula de expansión 60 y después introducido en una columna de presión más baja 50. Como le ocurriría a un especialista en la técnica, todo el flujo de aire líquido 44 podría ser introducido en la columna de presión más baja 50 y expandido a una presión apropiada para estos propósitos. Para poder refrigerar el proceso y de esta manera, sobrepasar las perdidas de extremo caliente, el tercer flujo de aire purificado y comprimido 36 después de la eliminación del calor de compresión es parcialmente enfriado dentro del intercambiador de calor principal 40. Siendo parcialmente enfriado, se pretende que el flujo es enfriado a una temperatura que es entre tcaliente y fría del intercambiador de calor principal 40. El tercer flujo de aire comprimido y purificado 36 después de que haya sido parcialmente enfriado es después introducido en un turbo expandidor 62 para producir un flujo de salida 64 el cual está introducido en una columna de presión más baja. Es obvio desde la ilustración, que la presión del flujo de salida 64 es establecido a una presión de la columna de presión más baja. La separación de aire dentro de la columna de presión más baja 48 produce una parte superior de columna de nitrógeno que es rica en nitrógeno. Adicionalmente, las partes inferiores de la columna de oxigeno líquido crudo es producido dentro de la columna de presión más elevada 48 que es enriquecida con oxígeno. Un flujo de vapor enriquecido con nitrógeno 66, compuesto de una parte superior de columna rica en nitrógeno, es introducido en un recalentador condensador 68 el cual esta localizado dentro una región inferior de la columna de presión más baja para vaporizar el líquido rico en oxígeno colectando las partes inferiores de columna de líquido dentro de la columna de presión más baja 50 en contra de la condensación del flujo de vapor rico en nitrógeno 66 para producir flujo líquido rico en nitrógeno. La parte 72 del flujo líquido rico en nitrógeno es introducido de regreso en la parte superior de la columna de presión más elevada como reflujo y la parte 74 del flujo líquido rico en nitrógeno es subenfriado a lo largo del flujo de oxigeno líquido crudo compuesto de partes inferiores de columna de oxigeno líquido de la columna de presión más elevada en una unidad de subenfríamiento 78. La parte 74 del flujo líquido rico en nitrógeno 70 es dividido en un primero y segundo flujos de nitrógeno subsidiario 80 y 82. El segundo flujo de nitrógeno subsidiario 82 puede ser tomado como producto. El primer flujo de nitrógeno líquido subsidiario 80 es reducido en presión por una válvula de expansión 84 y después introducido en la parte superior de la columna de presión más baja 50. Como sería entendido por los especialistas en la técnica, toda la parte 74 de flujo líquido rico en nitrógeno podría ser introducido en la columna de presión más baja 50. Un flujo rico en argón 86 en vapor es introducido en la columna de argón 52. El flujo rico en argón 86 típicamente contendrá entre 5% y aproximadamente 20% de argón. Una parte superior de columna rico en argón es extraído como un flujo de vapor rico en argón 88 y condensado dentro de un intercambiador de calor 90 ubicado dentro de una armazón 92. El flujo líquido rico en argón resultante 94, como un flujo 96, es introducido de regreso en la columna de argón 52 como reflujo y el flujo de producto de argón 98 puede ser extraído como un producto de argón. El flujo líquido escaso de argón resultante 100 es regresado a la columna de presión más baja 50. Dependiendo del número de etapas de la columna de argón 52, la parte superior de columna rico en argón y de esta manera el flujo de producto de argón 98 puede ser un flujo crudo que requiere procesamiento posterior para propósitos de purificación. Como es conocido en la técnica, tal flujo crudo puede ser además procesado para remover el oxígeno residual en una unidad deoxo y después en una columna de nitrógeno para remover cualquier nitrógeno residual.

El flujo de oxígeno líquido crudo 76 después de haber sido enfriado es después dividido y la primera parte 102 de tal flujo puede ser expandido dentro de la válvula de expansión 104 y directamente introducido en la columna de presión más baja 50. Una segunda parte 106 puede ser expandida dentro de la válvula de expansión 108 y después introducida en el intercambiador de color 92 en intercambio de color indirecto con flujo de vapor rico en argón 88 para condensar el mismo. El flujo de vapor resultante 110 puede ser introducido en la columna de presión más baja a lo largo del flujo líquido 112. El flujo de oxígeno líquido crudo 76 y la segunda parte 74 del flujo de líquido rico en nitrógeno 70 son subenfriados dentro de la unidad de enfriamiento 78 a través del intercambiador de calor indirecto con el flujo de la parte superior de columna de nitrógeno 114 y un flujo de desperdicio 116 que tiene una concentración menor de nitrógeno que el flujo de la parte superior de columna de nitrógeno 114. Al mismo tiempo un flujo rico en oxígeno 118, extraído desde la parte inferior de la columna de presión más baja 50, puede ser bombeada por una bomba 120 para producir un flujo de oxígeno líquido bombeado. El oxígeno bombeado puede también estar debajo de su presión critica y de esta manera es una fase densa o "pseudo líquida". La primera parte 124 del mismo puede ser introducida en el intercambiador de calor principal 40 para la licuefacción del segundo flujo de aire comprimido 28. También introducidos en el intercambiador de calor principal son otros flujos de retorno tales como el flujo de la parte superior de columna de nitrógeno 114 y el flujo de desecho 116. Estos flujos de retorno también sirven para enfriar el primer flujo comprimido y purificado entrante 20 para producir el flujo de aire de alimentación principal 42 y parcialmente enfriar el tercer flujo de aire comprimido 36. Cabe mencionar que las modalidades de la presente invención son posibles cuando el flujo de desperdicio 116 no está removido. Esto resulta en el flujo de la parte superior de columna de nitrógeno 114 que tiene una concentración más baja de nitrógeno y de esta manera forma un flujo de desecho. En la modalidad ilustrada, sin embargo, el flujo de la parte superior de columna 114, el flujo de desecho 116 y la primera parte 124 del flujo de oxígeno líquido bombeado 122 consisten de flujos de retorno del proceso. El flujo de la parte superior de columna de nitrógeno 114 y la primera parte vaporizada 124 del flujo de oxígeno líquido bombeado forman productos de nitrógeno y de oxígeno presurizado. La segunda parte 126 del flujo de oxígeno líquido bombeado 122 puede opcionalmente ser tomada como producto líquido. Como se indica anteriormente, el primer flujo de aire comprimido 20 no es totalmente enfriado dentro del intercambiador de calor principal 40. Se descarta la idea de producir un flujo de aire de alimentación principal 42 que tiene una temperatura más caliente que el segundo flujo de aire comprimido 28 después de su licuefacción y descarga como flujo de aire líquido 44 desde el intercambiador de calor principal 40. Como se ha mencionado anteriormente, esto causa el subenfriamiento del flujo de aire líquido 44. La temperatura del flujo de aire de alimentación principal 42 es preferiblemente en un rango entre 6K y aproximadamente 25K más caliente que el flujo de aire líquido 44. Un rango más preferido es entre 8K y aproximadamente 15K. Con referencia a la Figura 2, el perfil de temperatura dentro del intercambiador de calor principal 40 es mostrado en el cual el primer flujo de aire comprimido 20 es totalmente enfriado y de esta manera esta expulsado después de atravesar totalmente el intercambiador de calor principal 40. En esta operación particular de la técnica anterior, existe una diferencia de temperatura en el extremo frió del intercambiador de calor principal de aproximadamente 6.2K. Con referencia a la Figura 3, el perfil de temperatura dentro del intercambiador de calor principal 40 es mostrado de acuerdo con la presente invención. La expulsión del flujo de aire comprimido y purificado 20 y una temperatura más caliente y de esta manera, la producción del flujo de aire de alimentación principal 42 a una temperatura más caliente, resulta en un perfil de enfriamiento más pronunciado porque todo esto se queda dentro del intercambiador de calor principal 40 para ser enfriado es el segundo flujo de aire comprimido y purificado el cual resulta en la producción de flujo de aire líquido 24 a una temperatura subenfriada. Como resultado, menos vaporización ocurre debido a la expansión del flujo de aire líquido 44 dentro del expansor 54 y el primer flujo de líquido subsidiario 56 después del pasaje a través de la válvula 60 y el segundo flujo de líquido subsidiario 58 tiene un contenido de líquido mayor después de la introducción en la columna de presión más elevada 48. El flujo de aire de alimentación principal 42 es más caliente entrando en la columna de presión elevada. Esto resulta en un tráfico de vapor líquido mayor y de esta manera en un incremento en la producción de vapor rico en nitrógeno en la parte superior de la columna de presión 48. El contenido de líquido mayor del primer flujo de aire subsidiario 56 produce un líquido incrementado a relación de vapor debajo del punto de introducción en una columna de presión más baja 50. Adicionalmente, la producción mayor de vapor rico en nitrógeno en la parte superior de la columna de presión más elevada 48 resulta en más líquido siendo producido en la columna de presión más baja 50 como reflujo por virtud de producción incrementada de la segunda parte 74 del flujo rico en nitrógeno líquido 70. En la presente invención, puesto que el flujo de oxígeno líquido crudo 76 también se puede subenfriar, una fracción de líquido mayor de este flujo después de expansión también se puede introducir en la columna de presión más baja 50. El líquido total resultante mayor en relación de vapor dentro de la columna de presión más baja 50 resulta en más argón siendo presente dentro del flujo rico en argón 86 y de esta manera, una mayor recuperación de argón en relación. Se debe de notar, que el mismo incrementará la recuperación de oxigeno, aunque a una menor medida". Sin embargo, puesto que, típicamente, el oxígeno está siendo suministrado a clientes bajo contratos de suministro, la planta puede ser operada para encontrar las necesidades comerciales por disminución del grado de compresión de aire principal para también bajar los requerimientos de alimentación total de un método conducido de acuerdo con la presente invención mientras se puede tomar ventaja de la recuperación de argón incrementado posible en el método inventivo demostrado en esta invención. Sin embargo, como el flujo de aire de alimentación principal 20 se vuelve más caliente, la temperatura del flujo de aire líquido 42 se vuelve progresivamente más bajo. Para poder prevenir las curvas de calentamiento y enfriamiento dentro del intercambiador de calor principal 40 del cruce, más aire tendría que ser comprimido dentro del compresor del impulsor 24 y de esta manera incrementar los requerimientos de alimentación de la planta. Incrementado el flujo del 30 es otra manera de compensar la diferencia de temperatura menor en el extremo frió del intercambiador de calor 40. Eso tiende a incrementar la alimentación total y disminuir la recuperación de argón. Los inventores aquí encontraron que la expulsión del flujo de aire de alimentación principal 40 a una temperatura especifica, predefinida, permite la temperatura del flujo de aire líquido que sea controlado para alcanzar las temperaturas de los flujos de retorno, específicamente, el flujo de la parte superior de columna de nitrógeno 114, el flujo de desecho 116 y el flujo de oxigeno líquido bombeado 124. Este control permite un incremento en recuperación de argón sin los incrementos innecesarios en los requerimientos de poder para la compresión del aire. En un intercambiador de calor de aletas, el flujo de aire de alimentación principal 42 debe ser expulsado del intercambiador de calor principal 40 a una temperatura de manera que el flujo de aire líquido 44 tenga una temperatura que alcanza una temperatura promedia de los flujos de retorno no menos de un rango entre 0.2K y aproximadamente 3K, y preferiblemente entre 0.4K y 2K. Bajo este rango en temperatura, los requerimientos de alimentación rápidamente aumentan sin cualquier aumento apreciable en recuperación de argón. Como se ha mencionado anteriormente, esta "temperatura promedia" es calculada para ser una temperatura en la cual los tiempos de flujo, la entalpia es igual a los tiempos de flujo, la entalpia de estos flujos de retorno a su temperatura actual en el extremo frió del intercambiador de calor principal 40. En la modalidad ilustrada, los flujos de retorno en el extremo frió del intercambiador de calor principal 40 son la primera parte 124 del flujo de oxigeno líquido bombeado 122, y el flujo de una parte superior de columna de nitrógeno 114 y el flujo de desperdicio 116 en el extremo caliente de la unidad de subenfriamiento 78. Se debe de notar que si cualquier flujo adicional es expulsado del sistema de columna y después alimentado al intercambiador de calor principal 40, entonces estos flujos serán contados en este calculo de temperatura promedia. Como se conocerá, el control de esta temperatura del flujo de aire de alimentación principal 44 es efectuado por diseño del intercambiador de calor principal 40 y más específicamente, la ubicación de un salida del mismo para descargar el flujo de aire de alimentación principal 42. Con referencia a la Figura 4, en una modalidad alternativa de la planta de separación de aire mostrada en la Figura 2, el intercambiador de calor principal 40 y la unidad de subenfriamiento 28 pueden ser combinados en una unidad sencilla 40'. La planta de separación de aire ilustrada en la Figura 4 funciona de la manera establecida para el aparato de la Figura 1. Con referencia a la Figura 5, una modalidad alternativa de la planta de separación de aire mostrada en la Figura 1 es ilustrada. Un flujo de vapor enriquecido con nitrógeno 130 puede ser extraído desde un flujo de vapor rico en nitrógeno 66 y una porción restante 67 de un flujo de vapor rico en nitrógeno 66 puede ser introducido en un recalentador condensador 68. El flujo de vapor enriquecido con nitrógeno 130 es introducido en el intercambiador de calor principal 40" en el cual es parcialmente calentado y después introducido en un turbo expansor 132 acoplado a un generador 134. El flujo de salía enfriado resultante 136 es introducido en el intercambiador de calor principal 40" que es suministrado por un pasaje para totalmente calentar este flujo y de esta manera refrigerar el proceso. Otro método diferente al método alternativo de generación de refrigeración, la planta ilustrada en la Figura 5 es de otra manera identificada a la mostrada en la Figura 1. Con referencia a la Figura 6, todavía otra modalidad alternativa de la planta de separación de aire es ilustrada en la Figura 1 se muestra. En esta modalidad, un cuarto flujo de aire comprimido 150 es tomado desde una etapa intermediaria del compresor impulsor 24, preferiblemente, la primera o segunda etapa del mismo. El cuarto flujo de aire comprimido resultante 150 es después comprimido dentro de un compresor 152 para producir flujo de aire comprimido 154 que, después de la eliminación de calor de compresión dentro de un enfriador posterior 156, es introducido en una turbina 158 para producir un flujo de salida 160 que es combinado con el primer flujo de aire comprimido 20 en una ubicación intermediaria y el nivel de temperatura del intercambiador de calor principal 40" tiene un entrada proporcionado para este propósito. Esto resulta en una capacidad de producir más líquido que la planta mostrada en la Figura 1. Otra modificación distinta a la descrita en este párrafo, el restante de la planta sería de otra manera idéntica a la planta de separación de aire mostrada en la Figura 1.

Los siguientes son ejemplos calculados de la operación de la planta de separación de aire 1, como se ilustra en la Figura 1, que es llevada a cabo de acuerdo con el método de la presente invención (Tabla 1) y un método de técnica previa en el cual el flujo de aire de alimentación principal 42 es retirado desde el intercambiador de calor principal 40 a la temperatura del extremo frió del intercambiador de calor principal 40 (Tabla 2). En ambos ejemplos, las plantas son diseñadas para producir un flujo de oxigeno gaseoso de 1000 (primera parte 124 del flujo de oxigeno líquido bombeado 122 después de la vaporización en el intercambiador de calor principal 40) y un flujo de oxígeno líquido unificado de 34 (segunda parte 126 del flujo de oxígeno líquido bombeado 122).

TA B LA 1 No. Ref. Flujo Flujo Temperatura Presión, Composición Porcentaje , K psia de vapor 18 4948 282.0 88.0 aire 100 20 2815 282.0 88.0 aire 100 28(después de 1453 305.4 1100 aire 100 enfriamiento en enfriador posterior 26) 42 2815 108.9 84.0 aire 100 44 1453 97.9 1099 aire 0 58 436 96.2 83.7 aire 0 56 (después de válvula 1017 82.0 20.1 aire 14.8 60) 36(después de la descarga del intercambiador de calor 679 144.9 136.8 aire 100 principal 40) 64 679 89.2 20.2 aire 100 82 34.0 81.9 17.8 99.9998% 0 N2+Ar 98 36.1 89.1 450 99.9998 Ar 0 126 34.0 96.3 450 99.6%02 0 124(después de 1000 291.0 446 99.6%02 100 vaporización dentro del intercambiador de calor principal 40) 116(después de haber 815 291.0 17.2 98.6N2 100 sido totalmente calentado en el intercambiador de calor principal 40). 114 (después de haber 3029 291.0 16.9 99.9999% 100 sido totalmente N2+Ar calentado dentro del intercambiador de calor principal 40) TABLA 2 Por medio de comparación, la recuperación de argón de la presente invención, como se muestra en la tabla 1, es de 78.1%. La recuperación de argón para un método de la técnica previa, representada en la Tabla 2, es de 74.1%. Igualmente, la recuperación de oxígeno desde la Tabla 1 es de 99.3%, la recuperación de oxígeno de la Tabla 2 es de 98.9%. El grado más bajo del secado de los flujos 56 y 58 como entran en las columnas de destilación de presión más baja elevada y más baja 48 y 60, para la presente invención como se muestra en la Tabla 1 (vapor en porcentaje) y la temperatura más caliente del flujo de aire de alimentación principal 42, lleva a recuperaciones de flujo de producto mejorado. El secado reducido es un resultado de la temperatura más baja del flujo de aire líquido 44 en la presente invención. En la Tabla 1, el flujo del segundo flujo de aire comprimido y purificado 28 es requerido ser 1.9% más elevado que en la técnica anterior. Como resultado, el consumo del poder para la presente invención un poco más alto que en la técnica anterior. Mientras la invención haya sido descrita con referencia a la modalidad preferida, como ocurriría a los expertos en la técnica, varios cambios, adiciones y omisiones se pueden hacer sin partir del espíritu y el alcance de la presente invención como se menciona en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de separación de aire comprende: producir un primer flujo de aire comprimido y purificado y un segundo flujo de aire comprimido y purificado que tiene una presión más elevada que el primer flujo de aire comprimido y purificado; enfriar el primer flujo de aire comprimido y purificado y el segundo flujo de aire comprimido y purificado en un intercambiador de calor principal, a través de un intercambio de calor indirecto con flujos de retorno producidos un una unidad de separación de aire que incluye al menos una parte de un flujo de oxigeno líquido bombeado, y de esta manera producir un flujo de aire de alimentación principal y un flujo de aire líquido; introducir el flujo de aire de alimentación principal en una columna de presión más elevada de una unidad de separación de aire, expandiendo el flujo de aire líquido e introduciendo al menos una parte del flujo de aire líquido en una columna de presión más baja de la unidad de separación de aire; introducir un flujo rico en argón desde la columna de presión más baja en una zona de separación de argón al menos en una columna para producir un aparte superior de columna que contiene argón y un flujo de producto que contiene argón compuesto de una parte superior de columna que contiene argón; subenfriar un flujo de oxigeno líquido crudo compuesto de las partes inferiores de la columna líquida de la columna de presión más elevada y un flujo líquido rico en nitrógeno compuesto de una parte superior de columna de nitrógeno liquido de la columna de presión más elevada e introduciendo al menos una parte del flujo de oxigeno líquido crudo y al menos una parte del flujo líquido rico en nitrógeno en la columna de presión más baja; y el flujo de aire de alimentación principal siendo extraído del intercambiador de calor a una temperatura más caliente que el flujo de aire líquido e introducido en la columna de presión más elevada al menos a esta temperatura, y de esta manera subenfriar el flujo de aire líquido y aumentar el contenido líquido del mismo después de haber expandido para mejorar el líquido a relación de vapor en la columna de presión más baja y así incrementar la recuperación de argón, la temperatura siendo seleccionada de manera que el flujo de aire líquido tiene una temperatura que alcanza la temperatura promedia de los flujos de retorno de no menos de un rango entre 0.2 K y aproximadamente 3K, la temperatura promedia siendo una temperatura calculada e la cual un producto de flujo y entalpia de los flujos de retorno en un extremo frío del ¡ntercambiador de calor principal es igual al producto de flujo y la entalpia de los flujos de retorno en sus temperaturas actuales.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el rango es entre 0.4K y aproximadamente 2K.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la temperatura del flujo de aire de alimentación principal es en un rango de entre 6K y hasta aproximadamente 25K más caliente que el flujo de aire líquido.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la temperatura del flujo de aire de alimentación principal está en un rango de entre 8K y aproximadamente 15K más caliente que el flujo de aire líquido.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el rango es entre 0.4K y aproximadamente 2K.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: el flujo de aire líquido es expandido a una presión apropiada para su introducción en una localización intermediaria de la columna de presión más elevada; el flujo de aire líquido es dividido en un primer flujo de líquido subsidiario y un segundo flujo líquido subsidiario; el primer flujo líquido subsidiario es introducido en la columna de presión más elevada; y el segundo flujo líquido subsidiario es expandido e introducido en la columna de presión más baja debajo del punto de descarga del flujo rico en argón a la columna de argón.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: un tercer flujo de aire comprimido y purificado es producido; el tercer flujo de aire comprimido y purificado es parcialmente enfriado dentro del intercambiador de calor principal e introducido en un turbo expandidor para producir un flujo de salida para la generación de refrigeración; y el flujo de salida es introducido en la columna de presión más baja.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde: un cuarto flujo de aire comprimido y purificado es producido extrayendo el cuarto flujo de aire comprimido y purificado desde una etapa intermediaria de un compresor utilizado para formar el segundo flujo comprimido y purificado; y el cuarto flujo de aire comprimido y purificado es expandido dentro de otro turbo expandidor y combinado con el primer flujo de aire comprimido y purificado dentro del intercambiador de calor principal para incrementar la producción de líquido.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la parte superior de columna de nitrógeno compuesta de la parte superior de columna de nitrógeno es parcialmente calentado dentro del intercambiador de calor principal, expandido dentro del turbo expandidor para producir un flujo de salida para la generación de refrigeración y el flujo de salida es introducido en el intercambiador de calor principal y totalmente calentado dentro del mismo.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 1, o 5, o 6, o 7, o 8, o 9, en donde el flujo de aire líquido es introducido en una turbina liquida para expandir el flujo de aire liquido a una presión apropiada para su introducción en una locación intermediaria de la columna de presión más elevada.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el oxigeno líquido crudo y el flujo líquido rico en nitrógeno son subenfriados a través del intercambiador de calor indirecto con los flujos de retorno que son formados de un flujo de vapor rico en nitrógeno compuesto de una columna de presión más baja y un flujo de vapor de desecho enriquecido en nitrógeno para un tamaño menor que el flujo de vapor rico en nitrógeno, el flujo de vapor rico en nitrógeno y el flujo de vapor de desecho siendo introducidos en el intercambiador de calor principal después de haber sido subenfriado el flujo de oxigeno líquido crudo y el flujo líquido rico en nitrógeno.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: una primera parte del flujo de oxigeno líquido crudo es expandida e introducida en una columna de presión más baja y una segunda parte del flujo de oxigeno líquido crudo indirectamente intercambia calor con una parte superior de columna de argón, y de esta manera condensando la parte superior de columna de argón y parcialmente vaporizando la segunda parte del flujo de oxigeno líquido crudo; los flujos de fracción de líquido y vapor resulta de la vaporización parcial del flujo de oxigeno líquido crudo introducido en la columna de presión más baja; y parte del flujo de la parte superior de la columna de argón después de que haya sido condensada en forma flujo de producto de argón y la parte restante del mismo después de la condensación es regresada a la zona de separación como reflujo.