MXPA99011687A - Metodo para llevar a cabo separacion especialmente criogenica, a temperatura sub-ambiental que usa refrigeracion a partir de fluido refrigerante de componentes multiples - Google Patents

Abstract

Un método para separación de fluidos a baja temperatura en donde el proceso de separación es sostenido por refrigeración generada por un fluido refrigerante de componentes múltiples recirculante.

Description

MÉTODO PARA LLEVAR A CABO SEPARACIÓN ESPECIALMENTE CRIOGÉN ICA. A TEMPERATU RA SU B-AMBI ENTAL QUE USA REFRIGERACIÓN A PARTIR DE FLU IDO REFRIGERANTE DE COMPONENTES MÚLTIPLES CAMPO TÉCN ICO Esta invención se refiere de manera general a provisión de refrigeración para separación de mezclas a temperatura sub-ambiental, y es ventajosa particularmente para uso con separación criogénica.

ANTECEDENTES DE LA TÉCN ICA Én separaciones a temperatura sub-ambiental, se proporciona refrigeración a una mezcla de gases para mantener las condiciones de temperatura baja y así facilitar la separación de la mezcla en sus componentes para recuperación. Ejemplos de tales separaciones a temperatura sub-ambiente incluyen separación criogénica de aire, mejoramiento de gas natural, recuperación de hidrógeno a partir de syngas crudo, y producción de dióxido de carbono. Una manera de proporcionar la refrigeración requerida para llevar a cabo la separación es mediante la turbo-expansión de una corriente de fluido y usando la refrigeración generada por la turbo-expansión, por intercambio de calor ya sea directa o indirectamente, para facilitar la separación. Tal sistema, aunque efectivo, usa cantidades significativas de energía y puede reducir la recuperación del producto y es así costoso para operar.

La refrigeración puede ser generada también usando un circuito de refrigeración en donde un fluido refrigerante es comprimido y licuado y sufre después un cambio de fase a una temperatura dada de un líquido a un gas haciendo así su calor latente de evaporación disponible para propósitos de enfriamiento. Tales circuitos de refrigeración son usados comúnmente en refrigeradores y acondicionadores de aire domésticos. Aunque tal circuito de refrigeración es efectivo para proporcionar refrigeración a una temperatura dada y a temperaturas sub-ambientales relativamente altas, no es muy eficiente cuando se desea refrigeración a bajas temperaturas y en un amplio rango de temperaturas relativamente. Consecuentemente, es un objetivo de esta invención proporcionar un método para llevar a cabo una separación a temperatura sub-ambiental de una mezcla de fluidos, especialmente una llevada a cabo a temperaturas criogénicas, más eficientemente que con sistemas de separación convencionales y sin la necesidad de usar turbo-expansión para generar alguna de la refrigeración requerida para la separación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA I NVENCIÓN El anterior y otros objetivos que se harán aparentes al experto en la técnica a la lectura de esta descripción se obtienen mediante la presente invención, un aspecto de la cual es: un método para separar una mezcla de fluidos que comprende: (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples; (B) enfriar el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido para condensar por lo menos parcialmente el fluido refrigerante de componentes múltiples; (C) expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido para generar refrigeración; (D) emplear dicha refrigeración para mantener condiciones de baja temperatura para una mezcla de fluidos; (E) separar la mezcla de fluidos en por lo menos un componente vapor rriás volátil y en por lo menos un componente líquido menos volátil; y (F) recuperar por lo menos uno de dicho(s) componente(s) vapor más volátil y componente(s) líquido(s) menos volátil . Otro aspecto de la invención es: Un método para llevar a cabo rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende: (A) pasar aire de alimentación a una planta de rectificación criogénica y separar el aire de alimentación mediante rectificación criogénica dentro de ia planta de rectificación criogénica para producir por lo menos uno del producto nitrógeno y producto oxígeno; (B) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples, enfriando el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido para por lo menos condensar parcialmente el fluido refrigerante de componentes múltiples, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado para generar refrigeración, y emplear dicha refrigeración para sostener dicha rectificación criogénica; y (C) recuperar por lo menos uno de producto nitrógeno y producto oxígeno de la planta de rectificación criogénica. Como se usa en la presente, el término "refrigeración" significa la capacidad para rechazar calor de un sistema de temperatura sub-ambiental, tal como un proceso de separación a temperatura sub-ambiental, a la atmósfera circundante. Como se usa en la presente, el término "planta de rectificación criogénica" significa una instalación para destilar de manera fraccionada una mezcla mediante rectificación criogénica, que comprende una o más columnas y la tubería, válvulas y equipo de intercambio de calor concomitantes a la misma. Como se usa en la presente, el término "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende principalmente oxígeno, nitrógeno y argón, tal como aire ambiental. Como se usa en la presente, el término " columna" significa una columna o zona de destilación a fraccionación, es decir, una columna o zona de contacto, en donde fases líquida y vapor se ponen en contacto a contracorriente para efectuar la separación de una mezcla de fluidos, como por ejemplo, poniendo en contacto las fases vapor y líquida en una serie de charolas o platos separados verticalmente montados dentro de la columna y/o sobre elementos de empaque tales como empaque estructurado o aleatorio. Para una discusión adicional de columnas de destilación, ver el Manual del Ingeniero Químico, quinta edición, editado por R. H . Perry y C. H . Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Sección 1 3, El Proceso de Destilación Continua. El término "columna doble" se usa para dar a entender una columna de presión mayor que tiene su porción superior en relación de intercambio de calor con la porción inferior de una columna de presión inferior. Una discusión adicional de columnas dobles aparece en "La Separación de Gases" de Ruheman, Oxford University Press, 1949, capítulo Vi l, Separación Comercial de Aire. Los procesos de separación por contacto de vapor y líquido dependen de la diferencia de presiones de vapor de los componentes. El componente de presión de vapor alta (o más volátil o baja ebullición) tenderá a concentrarse en la fase vapor, mientras que el componente de presión de vapor baja (o menos volátil o alta ebullición) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La destilación es el proceso de separación por el cual puede usarse calentamiento de una mezcla de líquidos para concentrar el (los) componente(s) más volátil(es) en la fase vapor y por esto el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación por el cual puede usarse el enfriamiento de una mezcla de vapores para concentrar el (los) componente(s) más volátil(es) en la fase vapor y por esto el (los) componente(s) menos volátil(es) en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina sucesivamente vaporizaciones y condensaciones parciales como obtenidas por un tratamiento a contracorriente de las fases vapor y líquida. El contacto a contracorriente de las fases vapor y líquida puede ser adiabático o no adiabático y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Los arreglos del proceso de separación que utiliza los principios de rectificación para separar mezclas son con frecuencia denominados intercambiablemente columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionación.

La rectificación criogénica es un proceso de rectificación llevado a cabo por lo menos en parte a temperaturas de o por debajo de 150 grados Kelvin (K) . Como se usa en la presente, el término "intercambio de calor indirecto" significa llevar las dos corrientes de fluido a relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o intermezclado de los fluidos entre ellos. Como se usa en la presente, los términos "turbo-expansión" y "turbo-expansor" significan método y aparato respectivamente para el flujo de fluido a alta presión a través de una turbina para reducir la presión y la temperatura del fluido con lo que genera refrigeración. Como se usa en la presente, el término "expansión" significa efectuar una reducción en presión. Como se usa en la presente el término "producto nitrógeno" significa un fluido que tiene una concentración de nitrógeno de por lo menos 99 por ciento en mol. Como se usa en la presente el término "producto oxígeno" significa un fluido que tiene una concentración de oxígeno de por lo menos 70 por ciento en mol.

Como se usa en la presente, el término "refrigerante de carga variable" significa una mezcla de dos o más componentes en proporciones tales que la fase líquida de esos componentes sufre un cambio de temperatura continuo y creciente entre el punto de burbuja y el punto de rocío de la mezcla. El punto de burbuja de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en donde la mezcla está toda en la fase líquida, pero la adición de calor iniciará la formación de una fase vapor en equilibrio con la fase l íquida. El punto de rocío de la mezcla es la temperatura, a una presión dada, en donde la mezcla está toda en la fase vapor, pero la extracción de calor iniciará la formación de una fase líquida en equilibrio con la fase vapor. De aquí que, la región de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío de la mezcla es la región en donde ambas fases líquida y vapor coexisten en equilibrio. En la práctica de esta invención, las diferencias de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío para el refrigerante de carga variable es por lo menos de 10° K, de preferencia por lo menos de 20° K y más preferiblemente de por lo menos 50° K. Como se usa en la presente, el término "fluorocarburo" significa uno de los siguientes: tetrafluorometano (CF ), perfluoroetano (C?Fe), perfluoropropano (C3F8), perfluorobutano (C F10) , perfluoropentano (C5F12), perfluoroeteno (C2F ), perfluoropropeno (C3F6), perfluorobuteno (C F8), perfluoropenteno (C5F10), hexafluorociclopropano (ciclo-C3F6), y octafluorociclobutano (ciclo-C F8). Como se usa en la presente, el término "hidrofluorocarburo" significa uno eje los siguientes: fluoroformo (CH F3), pentafluoroetano (C?HFg), tetrafluoroetano (C2H2F4), heptafluoropropano (C3HF7), hexafluoropropano (C3H2F6), pentafluoropropano (C3H3F5), tetrafluoropropano (C3H4F4), nonafluorobutano (C HF9), octafluorobutano (C4H2F8), undecafluoropentano (CsHFn), fluoruro de metilo (CH3F), difluorometano (CH2F2), fluoruro de etilo (C2H5F), difluoroetano (C2H4F2), trifluoroetano (C2H3F3), difluoroeteno (C2H2F2), trifluoroeteno (C2HF3), fluoroeteno (C2H3F), pentafluoropropeno (C3HFS), tetrafluoropropeno (C3H2F ), trifluoropropeno (C3H3F3), difluoropropeno (C3H4F2), heptafluorobuteno (C4HF7), hexafluorobuteno (C H2F6), y nonafluoropenteno (C5HF9). Como se usa en la presente, el término "fluoroéter" significa uno de los siguientes: trifluorometoxi-perfluorometano (CF3-O-CF3), difiuorometoxi-perfluorometano (CHF2-O-CF3), fluorometoxi-perfluorometano (CH2F-O-CF3), difluorometoxi-difluorometano (CHF2-O-CHF2), difluorometoxi-perfluoroetano (CHF2-O-C2F5), difluorometoxi-1,2,2,2-tetrafluoroetano (CHF -O-C2HF ), difluorometoxi-1, 1,2,2-tetrafluoroetano (CHF2-O-C2HF ), perfluoroetoxi-fluorometano (C2F5-O-CH2F), perfluorometoxí-1,1,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), perf luoro metoxi- 1, 2 ,2-trif luoroetano (CF3-O-C2H2F3), ciclo- 1,1, 2, 2-tetrafluoropropiléter (ciclo-C3H2F -O-), ciclo-1,1,3,3-tetrafluoropropiléter (ciclo-C3H2F -O-), perfluorometoxi-1,1,2,2-tetrafluoroetano (CF3-O-C2HF4), ciclo-1,1,2,3,3-pentafluoropropiléter (CÍCI0-C3H5-O-), perfluorometoxi-perfluoroacetona (CF3-O-CF2-O-CF3), perfluorometoxi-perfluoroetano (CF3-O-C2Fs), perfluorometoxi-1 ,2,2,2-tetrafluoroetano (CF3-O-C2HF4), perfluorometoxi-2,2,2-trifluoroetano (CF3-O-C2H2F3), ciclo-perfluorometoxi-perfluoroacetona (ciclo-CF2-O-CF2-O-CF2-), y ciclo-perfluoropropiléter (ciclo-C3F6-O). Como se usa en la presente, el término "gas atmosférico" significa uno de los siguientes: nitrógeno (N2) , argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), neón (Ne), dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2), y helio (He) . Como se usa en la presente, el término "no tóxico" significa no plantear un peligro agudo o crónico cuando se maneja de acuerdo con limites de exposición aceptables. Como se usa en la presente, el término "no inflamable" significa que o no tiene punto de flasheo o un punto de flasheo muy alto de por lo menos 600° K. Como se usa en la presente, el término "reductor bajo de ozono" significa que tiene un potencial reductor de ozono menor que 0.15 como lo define la convención del Protocolo de Montreal en donde el diclorofluorometano (CCI2F2) tiene un potencial reductor de ozono de 1 .0. Como se usa en la presente, el término "no reductor de ozono" significa que no tiene componente que contenga un átomo de cloro, bromo o yodo. Como se usa en la presente, el término "punto de ebullición normal" significa la temperatura de ebullición a una presión de una atmósfera estándar, es decir, 1 .034 kilogramos por centímetro cuadrado - absolutos.

BREVE DESCRI PCIÓN DEL DI BUJO La única Figura es una representación esquemática de una modalidad preferida de la invención en donde la separación es separación criogénica de aire y un circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples sirve para generar refrigeración para enfriar y con esto mantener las temperaturas bajas dentro de la planta de separación criogénica de aire.

DESCRI PCIÓN DETALLADA La invención será descrita en detalle con referencia al Dibujo. En la Figura hay ilustrada una planta de separación criogénica de aire que tiene tres columnas, una columna doble que tiene columnas de presión más alta y más baja, y una columna con brazo lateral de argón. Haciendo referencia ahora a la Figura, aire de alimentación 60 es comprimido mediante paso a través del compresor 30 de carga de base a una presión generalmente dentro del rango desde 2.46 hasta 18 kilogramos por centímetro cuadrado absolutos (kcca). El aire de alimentación comprimido 61 resultante se enfría del calor de compresión en un post-enfriador (no mostrado) y es limpiado entonces de impurezas de ebullición elevada tales como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos por paso a través del purificador 50 y después la corriente 62 de aire de alimentación purificado se divide en dos porciones designadas 65 y 63. La porción 65, que comprende generalmente desde 20 hasta 35 por ciento de la corriente 62 de aire de alimentación, se comprime además por paso a través del compresor 31 de refuerzo a una presión mayor, que puede ser hasta de 70.37 kcca. La corriente 66 de aire de alimentación comprimida adicionalmente resultante se enfría del calor de compresión en un post-enfriador (no mostrado) y es enfriada y por lo menos parcialmente condensada mediante intercambio de calor indirecto en el intercambiador de calor principal o primario 1 con corrientes de retorno. La corriente 67 de aire de alimentación enfriada resultante se divide entonces en la corriente 68 la cual se pasa a la columna 10 de presión mayor a través de la válvula 120 y en la corriente 69 la cual se pasa a través de la válvula 70 y como la corriente 71 a la columna 1 1 de presión menor. La porción 63 restante de la corriente 62 de aire de alimentación es enfriada mediante e( paso a través del intercambiador de calor principal 1 mediante intercambio de calor indirecto con las corrientes de retorno y se pasa como corriente 64 a la columna 10 de presión mayor la cual está operando a una presión generalmente dentro del rango de 2.46 a 18 kcca. Dentro de la columna 10 de presión mayor el aire de alimentación es separado mediante rectificación criogénica en vapor enriquecido en nitrógeno y líquido enriquecido en oxígeno. El vapor enriquecido en nitrógeno es retirado a partir de la porción superior de la columna 10 de presión mayor en la corriente 77 y condensada en el recalentador hervidor 2 mediante intercambio de calor indirecto con líquido hirviendo de la columna de presión menor. El líquido 78 enriquecido en nitrógeno resultante es regresado a la columna 10 como reflujo. Una porción del líquido 79 enriquecido en nitrógeno es pasado de la columna 10 al desupercalentador 6 en donde es sub-enfriada para formar la corriente 80 sub-enfriada. Si se desea, una porción 81 de la corriente 80 puede ser recuperada como producto nitrógeno líquido que tiene una concentración de nitrógeno de por lo menos 99 por ciento en mol. El remanente de la corriente 80 se pasa en la corriente 82 a la porción superior de la columna 1 1 como reflujo. El líquido enriquecido en oxígeno se retira de la porción inferior de la columna 10 de presión mayor en la corriente 83 y se pasa al desupercalentador 7 en donde es sub-enfriada. El líquido 84 enriquecido en oxígeno sub-enfriado resultante se divide entonces en la porción 85 y la porción 88. La porción 85 se pasa a través de la válvula 86 y como corriente 87 a la columna 1 1 de presión menor. La porción 88 se pasa a través de la válvula 95 y al condensador 3 de la columna de argón en donde es evaporada parcialmente. El vapor resultante es retirado del condensador 3 en la corriente 94 y se pasa a la columna 1 1 de presión menor. El líquido enriquecido en oxígeno remanente es retirado del condensador 3 en la corriente 93, combinado con la corriente 94 para formar la corriente 96 y se pasa entonces a la columna 1 1 de presión menor. La columna 1 1 de presión menor es operada a una presión menor que la de la columna 10 de presión mayor y dentro generalmente del rango desde 1 .05 hasta 7.03 kcca. Dentro de la columna 1 1 de presión menor se separan las varias alimentaciones mediante rectificación criogénica en vapor rico en nitrógeno y líquido rico en oxígeno. El vapor rico en nitrógeno se retira de la porción superior de la columna 1 1 en la corriente 101 , se calienta mediante paso a través de los intercambiadores de calor 6, 7 y 1 , y se recuperan como nitrógeno producto en la corriente 104 que tiene una concentración de nitrógeno de por lo menos 99 por ciento en mol, de preferencia por lo menos 99.9 por ciento en mol, y lo más preferiblemente 99.999 por ciento en mol. Para propósitos de control de pureza del producto se extrae una corriente 97 de desperdicio de la columna 1 1 desde un nivel por abajo del punto de extracción de la corriente 101 , se calienta por paso a través de los intercambiadores de calor 6, 7 y 1 , y se remueve del sistema en la corriente 100. El líquido rico en oxígeno es extraído de la porción inferior de la columna 1 1 en la corriente 105 que tiene una concentración de oxígeno dentro generalmente del rango desde 90 hasta 99.9 por ciento en mol. Si se desea, se puede recuperar una porción 106 de la corriente 105 corrió producto de oxígeno l íquido. La porción 107 restante de la corriente 105 se bombea a una presión mayor mediante paso a través de la bomba 35 para líquido y la corriente 108 presurizada se evapora en el intercambiador de calor principal 1 y se recupera como gas 109 de producto oxígeno a presión elevada. El fluido que comprende oxígeno y argón es pasado en la corriente 1 10 de la columna 1 1 de presión menor a la columna 12 de argón en donde es separado mediante rectificación criogénica en fluido más rico en argón y fluido más rico en oxígeno. El fluido más rico en oxígeno es pasado de la porción inferior de la columna 12 en la corriente 11 1 a la columna 1 1 de presión menor. El fluido más rico en argón se pasa de la porción superior de la columna 12 en la corriente 89 de vapor al condensador 3 de la columna de argón en donde se condensa por intercambio de calor indirecto con el líquido enriquecido en oxígeno sub- enfriado evaporado parcialmente antes mencionado. El líquido más rico en argón resultante es extraído del condensador 3 en la corriente 90.

Una porción 91 se pasa a la columna 12 de argón como reflujo y otra porción 92 se recupera como producto argón que tiene una concentración de argón generalmente dentro del rango desde 95 hasta 99.9 por ciento en mol. Ahora será descrita en mayor detalle la operación del circuito de fluido refrigerante de componentes múltiples que sirve para generar toda la refrigeración pasada a la planta de rectificación criogénica eliminando con esto la necesidad de cualquier turbo-expansión de una corriente de proceso para producir refrigeración para la separación. Los procesos de separación a temperaturas sub-ambientales requieren refrigeración para varios propósitos. Primero, puesto que el equipo de proceso opera a bajas temperaturas, hay fuga de calor de la atmósfera ambiental al equipo que es una función de las áreas superficiales del equipo, la temperatura de la operación local, y el aislamiento del equipo. Segundo, puesto que los procesos involucran generalmente intercambio de calor entre corrientes de alimentación y retorno, hay entrada de calor neta al proceso asociada con las diferencias de temperatura para el intercambio de calor. Tercero, si el proceso produce producto l íquido a partir de alimentación gaseosa, se debe proporcionar suficiente refrigeración para la licuefacción . Cuarto, para esos procesos que utilizan bombeo de fluidos fríos, tal como bombeo de líquidos, la energía de bombeo debe ser rechazada del sistema de proceso. Quinto, para esos procesos que utilizan bombeo de líquidos y evaporación para proporcionar producto gaseoso a alta presión , comúnmente aludidos como procesos de calentador de producto, se requiere bombeo de calor entre los dos niveles de temperatura asociados con la evaporación de líquido a los niveles de presión baja y elevada. Tal bombeo de calor es proporcionado con frecuencia por una fracción del aire de alimentación en un nivel de presión elevada, pero puede ser complementado por refrigeración externa del sistema. Finalmente, puede haber otra entrada de calor misceláneo o necesidades de refrigeración para el proceso. La operación satisfactoria del proceso de separación a temperatura sub-ambiental requiere suficiente refrigeración para compensar toda la entrada de calor al sistema y con esto mantener las temperaturas bajas asociadas con el proceso. Como puede ser visualizado desde los diversos requerimientos de refrigeración enumerados antes, el proceso de preparación a temperatura sub-ambiental típico tiene un requerimiento variable de refrigeración en el rango entero de temperatura asociado con la separación, es decir, de la temperatura ambiental a la temperatura más fría dentro del proceso de separación. Generalmente los intercambiadores de calor utilizados para enfriar las corrientes de alimentación versus las corrientes de retorno incluirán el rango de temperatura completo asociado con el proceso de separación. Por lo tanto ese intercambíador es adecuado para proporcionar la refrigeración requerida. El fluido refrigerante de componentes múltiples puede ser incorporado a ese intercambiador de calor para proporcionar la refrigeración variable sobre el rango entero de temperatura. . La provisión de la refrigeración variable, como es necesario en cada temperatura, permite la igualación de las curvas de enfriamiento y calentamiento del intercambiador de calor compuesto y con esto se reducen los requerimientos de energía del proceso de separación. Tal igualación de refrigeración requerida y suministrada en todos los niveles de temperatura dentro del intercambiador de calor permite al intercambiador de calor operar en diferencias de temperatura uniformes o aproximadamente uniformes en toda su longitud completa. Aunque la situación antes descrita es la práctica preferida para la invención, se entiende que pueden permitirse alguna desviación para práctica aceptable. Por ejemplo, es bien sabido que la igualación de curvas de enfriamiento y calentamiento es más importante a temperaturas menores. Por lo tanto, un sistema aceptable podría tener igualación de curva más cerrada por debajo de 200° K que en la región de temperatura de 200° K a 300° K.. También, aunque se prefiere incorporar el circuito refrigerante de componentes múltiples en toda la longitud entera del intercambiador de calor, puede ser aceptable incluir el circuito refrigerante dentro de solamente una porción de la longitud del intercambiador de calor. La siguiente descripción ilustra el sistema de fluido refrigerante de componentes múltiples para proveer refrigeración en todo el intercambiador de calor primario uno. El fluido refrigerante de componentes múltiples en la corriente 201 se comprime mediante paso a través del compresor 34 de reciclado a una presión generalmente dentro del rango de 4.22 a 42.22 kcca para producir el fluido refrigerante 202 comprimido. El fluido refrigerante comprimido es enfriado del calor de compresión mediante paso a través del post-enfriador 4 y puede ser condensado parcialmente. El fluido refrigerante de componentes múltiples en la corriente 203 es entonces pasado a través del intercambiador de calor 1 en donde es enfriado adicionalmente y es condensado por lo menos parcialmente y puede ser condensado completamente. El fluido refrigerante 204 de componentes múltiples comprimido, enfriado es expandido o estrangulado entonces a través de la válvula 205. El estrangulamiento evapora parcialmente de preferencia el fluido refrigerante de componentes múltiples, enfriando el fluido y generando refrigeración. Bajo algunas circunstancias limitadas, dependientes de las condiciones del intercambiador de calor, el fluido comprimido 204 puede ser líquido sub-enfriado antes de la expansión, y puede permanecer como líquido hasta la expansión inicial. Subsecuentemente, por calentamiento en el intercambiador de calor, el fluido tendrá dos fases. La expansión a presión del fluido a través de una válvula proporcionaría refrigeración por el efecto de Joule-Thomson, es decir bajando la temperatura del fluido debido a la expansión por presión a entalpia constante. Sin embargo, bajo algunas circunstancias, la expansión del fluido podría ocurrir utilizando una turbina de expansión de dos fases o líquida, tal que la temperatura del fluido sería disminuida debido al trabajo de expansión. La corriente 206 de fluido refrigerante de dos fases de componentes múltiples que soporta la refrigeración se pasa entonces a través del intercambiador de calor 1 en donde es calentado y evaporado completamente sirviendo así mediante intercambio de calor indirecto para enfriar la corriente 203 y también para transferir refrigeración a las corrientes de proceso dentro del intercambiador de calor, incluyendo las corrientes de aire de alimentación 66 y 63, pasando así la refrigeración generada por el circuito de refrigeración de fluido refrigerante de componentes múltiples a la planta de rectificación criogénica para sostener el proceso de separación. El fluido refrigerante de componentes múltiples calentado resultante en la corriente 201 de vapor es rec?clado entonces al compresor 34 y el ciclo de refrigeración comienza otra vez. En el ciclo de refrigeración del fluido refrigerante de componentes múltiples mientras la mezcla de alta presión es condensada, la mezcla de baja presión es hervida en su contra, es decir el calor de condensación hace hervir el líquido de baja presión. En cada nivel de temperatura, la diferencia neta entre la evaporación y la condensación proporciona la refrigeración. Para una combinación de componentes refrigerantes dada, la composición de mezcla, régimen de flujo y niveles de presión determinan la refrigeración disponible en cada nivel de temperatura. El fluido refrigerante de componentes múltiples contiene dos o más componentes con el fin de proporcionar la refrigeración requerida en cada temperatura. La selección de componentes refrigerantes dependerá de la carga de refrigeración versus temperatura para la aplicación del proceso en particular. Componentes adecuados serán seleccionados dependiendo de sus puntos de ebullición normales, calor laten e, e inflamabilidad, toxicidad, y potencial de reducción de ozono.

Una modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, y fluoroéteres. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos u? componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres, y por lo menos un gas atmosférico. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres, y por lo menos dos gases atmosféricos. Otra modalidad preferible del fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención comprende por lo menos un fluoroéter y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos fluoroéteres y gases atmosféricos. En una modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste únicamente de fluorocarburos. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos e hidrofluorocarburos. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos y gases atmosféricos. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres. En otra modalidad preferida el fluido refrigerante de componentes múltiples consiste solamente de fluorocarburos, fluoroéteres y gases atmosféricos. El fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención puede contener otros componentes tales como hidroclorofluorocarburos y/o hidrocarburos. De preferencia, el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidroclorofluorocarburos. En otra modalidad preferida de la invención el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidrocarburos. Lo más preferible, el fluido refrigerante de componentes múltiples no contiene hidroclorofluorocarburos ni hidrocarburos. Lo más preferible, el fluido refrigerante de componentes múltiples es no tóxico, no inflamable y no reductor de ozono y lo más preferible, cada componente del fluido refrigerante de componentes múltiples es cualquiera un fluorocarburo, hidrofluorocarburo, fluoroéter o gas atmosférico. La invención es particularmente ventajosa para uso en lograr eficientemente temperaturas criogénicas a partir de temperaturas ambientales. Las Tablas 1 -5 enlistan ejemplos preferidos de mezclas de fluidos refrigerantes de componentes múltiples útiles en la práctica de esta invención. Los rangos de concentración dados en las Tablas están en por ciento en mol.

TABLA 1 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CsF?2 5-25 C4F?o 0- 15 C3F8 10-40 C2F8 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 10 TABLA 2 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3F8 10-40 CHF3 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 3 COM PONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3Fs 5-25 C3H3Fe 0-1 5 C2HF5 5-20 C2F8 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 4 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN CHF2-O-C2H F4 5-25 C H-?o 0-1 5 CF3-O-CHF2 10-40 CF3-O-CF3 0-20 C2F8 0-30 CF4 10-50 Ar 0-40 N2 10-80 TABLA 5 COMPONENTE RANGO DE CONCENTRACIÓN C3H3F5 5-25 C3H2F8 0-15 CF3-O-CHF2 10-40 CHF3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N2 10-80 La invención es útil especialmente para proporcionar refrigeración sobre un amplio rango de temperatura, particularmente uno que abarque temperaturas criogénicas. En una modalidad preferida de la invención cada uno de los dos o más componentes de la mezcla refrigerante tiene un punto de ebullición normal el cual difiere en por lo menos 5 grados Kelvin, más preferiblemente por lo menos 10 grados Kelvin, y lo más preferible por lo menos 20 grados Kelvin, del punto de ebullición normal de cada otro componente en esa mezcla refrigerante. Esto aumenta la efectividad para proporcionar refrigeración sobre un amplío rango de temperatura, particularmente uno que abarque temperaturas criogénicas. En una modalidad particularmente preferida de la invención, el punto de ebullición normal del componente de ebullición más alto del . fluido refrigerante de componentes múltiples es por lo menos 50° K, de preferencia por lo menos 100° K, lo más preferiblemente por lo menos 200° K, mayor que el punto de ebullición normal del componente de ebullición más bajo del fluido refrigerante de componentes múltiples. Aunque el circuito de flujo del fluido refrigerante de componentes múltiples ¡lustrado en el Dibujo es un circuito de flujo sencillo de anillo cerrado, puede ser deseable utilizar otros arreglos para aplicaciones específicas. Por ejemplo, puede ser deseable usar circuitos múltiples de flujo independiente, cada uno con sus propias mezclas refrigerantes y condiciones de proceso. Tales circuitos múltiples podrían proporcionar más rápidamente refrigeración en rangos diferentes de temperatura y reducir la complejidad del sistema refrigerante. También, puede ser deseable incluir separaciones de fase en el circuito de flujo en una o más temperaturas para permitir reciclado interno de algo del l íquido refrigerante. Tal reciclado interno del líquido refrigerante evitaría el enfriamiento innecesario del líquido refrigerante y prevendría el congelamiento del líquido refrigerante. Los componentes y sus concentraciones que hacen el fluido refrigerante de componentes múltiples útil en la práctica de esta invención son tales que forman un fluido refrigerante de componentes múltiples de carga variable y mantienen de preferencia tal característica de carga variable en todo el rango entero de temperatura del método de la invención. Esto aumenta marcadamente la eficiencia con la cual puede ser generada la refrigeración y utilizada sobre tal rango amplio de temperatura. El grupo definido preferido de componentes tiene un beneficio agregado porque pueden ser usados para formar mezclas de fluido que son no tóxicas, no inflamables y poco o no reductoras de ozono. Esto proporciona ventajas adicionales sobre refrigerantes convencionales los cuales son típicamente tóxicos, inflamables y/o reductores de ozono. Un fluido refrigerante de componentes múltiples de carga variable preferido útil en la práctica de esta invención el cual es no tóxico, no inflamable y no reductor de ozono comprende dos o más componentes del grupo que consiste de CSF12, CHF2-O-C2HF , C H F9, C3H3Fs, C2F5-O-CH2F, CsHzFß, CHF2-O-CH F2, C4F?o, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CH F2-O-CF3, C3F8, C2H F5, CF3-O-CF3, C2F6, CH F3, CF4, O2, Ar, N2, Ne y He. Aunque la invención ha sido descrita en detalle con referencia a una cierta modalidad preferida, aquellos expertos en la técnica reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y el alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo, la invención puede ser practicada en conjunto con otros sistemas criogénicos de separación de aire y con otros sistemas criogénicos de separación tales como mejoramiento de gas natural y recuperación de hidrógeno o helio. También puede ser usada para llevar a cabo separaciones no criogénicas a temperaturas sub-ambientales tales como recuperación de dióxido de carbono.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1 . Un método para separar una mezcla de fluidos que comprende:
2. (A) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples; (B) enfriar el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido hasta condensar por lo menos parcialrnente el fluido refrigerante de componentes múltiples; (C) expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado, para generar refrigeración ; (D) emplear dicha refrigeración para mantener condiciones de temperatura baja para una mezcla de fluidos; (E) separar la mezcla de fluidos en por lo menos un componente de vapor más volátil y en por lo menos un componente líquido menos volátil; y (F) recuperar por lo menos uno de dichos componente(s) de vapor más volátil y componente(s) líquido menos volátil. 2. El método de la reivindicación 1 , en donde la separación de la mezcla de fluidos se lleva a cabo en una planta de rectificación criogénica.
3. 3. El método de la reivindicación 1 , en donde la expansión del fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado produce un fluido refrigerante de componentes múltiples de dos fases.
4. 4. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido refrigerante de componentes múltiples comprende por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres y por lo menos un gas atmosférico.
5. 5. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido refrigerante de componentes múltiples comprende por lo menos dos componentes del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos y fluoroéteres y por lo menos dos gases atmosféricos.
6. 6. El método de la reivindicación 1 , en donde el fluido refrigerante de componentes múltiples comprende por lo menos un fluoroéter y por lo menos un componente del grupo que consiste de fluorocarburos, hidrofluorocarburos, fluoroéteres y gases atmosféricos.
7. 7. El método de la reivindicación 1 , en donde el punto de ebullición normal del componente de ebullición más alta del fluido refrigerante de componentes múltiples es por lo menos 50° K mayor que el punto de ebullición normal del componente de ebullición más baja del fluido refrigerante de componentes múltiples.
8. 8. Un método para llevar a cabo la rectificación criogénica de aire de alimentación que comprende: (A) pasar aire de alimentación a una planta de rectificación criogénica y separar el aire de alimentación mediante rectificación criogénica dentro de la planta de rectificación criogénica para producir por lo menos uno del producto nitrógeno y producto oxígeno; (B) comprimir un fluido refrigerante de componentes múltiples, enfriar el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido hasta condensar por lo menos parcialmente el fluido refrigerante de componentes múltiples, expandir el fluido refrigerante de componentes múltiples comprimido, enfriado para generar refrigeración, y emplear dicha refrigeración para sostener dicha rectificación criogénica; y (C) recuperar por lo menos uno del producto nitrógeno y producto oxígeno de la planta de rectificación criogénica.
9. 9. El método de la reivindicación 8, en donde la refrigeración generada mediante la expansión del fluido refrigerante de componentes múltiples es la única refrigeración empleada para sostener la rectificación criogénica.
10. 10. El método de la reivindicación 8, en donde la compresión, enfriamiento y expansión del fluido refrigerante de componentes múltiples se lleva a cabo en un circuito cerrado. RESU M EN Un método para separación de fluidos a baja temperatura en donde el proceso de separación es sostenido por refrigeración generada por un fluido refrigerante de componentes múltiples recirculante.