NO169977B - Fremgangsmaate for separering av luft ved kryogen destillasjon - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for separasjon av luft ved kryogen destillasjon for fremstilling av nitrogen med høy renhet, og biprodukter av oksygen.

Forskjellige fremgangsmåter har vært kjent og anvendt tidligere for separasjon av luft til nitrogen og oksygen-dominante bestanddeler. I tillegg har anvendelsen av en enkelt trykk destillasjonskolonne vært anvendt tidligere for slike separasjoner.

US-patent nr. 2.627.731 beskriver en fremgangsmåte for rektifikasjon av luft til oksygen og nitrogen, hvori en todelt eller enkelt destillasjonskolonne alternativt blir anvendt. Luft blir avkjølt ved varmeutveksling, og direkte innført inn i destillasjonskolonnen. Et nitrogenprodukt blir fjernet fra den øverste delen av kolonnen, og en del blir . komprimert i to trinn. Nitrogenkomprimert strøm fra første trinn blir resirkulert for å på ny koke og kondensere en del av midtpunktet av kolonnen ved indirekte varmeutveksling, før den blir ført inn i den øverste delen av kolonnen som refluks. Komprimert nitrogenstrøm fra det andre trinnet blir resirkulert og delvis utvidet for å tilveiebringe kjøling. Denne utvidede strømmen blir resirkulert til nitrogenprodukt-linjen. Den gjenværende strømmen av komprimert nitrogenstrøm fra det andre trinnet koker på ny den nederste delen av kolonnen før den blir kombinert med komprimert nitrogenstrøm fra det første trinnet og ført inn i den øverste delen av kolonnen som refluks.

US-patent nr. 2.982.108 beskriver et oksygenproduserende luftseparasjonssystem hvori en del av det dannede nitrogenet fra destillasjonskolonnen blir komprimert og på ny koker av en høytrykksseksjon av kolonnen før den blir ført inn som tilbakeløp til den delen av kolonnen med lavt trykk. Mateluftstrømmen blir tilført i separate substrømmer og inn i seksjon av kolonnen med høyt trykk og i en utvidet form inn i seksjonen av kolonnen med lavt trykk.

TJS-patent nr. 3.210.951 beskriver en f raks joner ingsyklus som anvender første og andre fraksjoneringssoner som blir drevet under forskjellige trykk og som innbefatter to rekokere/kon-densatorer. Både rekokeren/kondensatoren er koblet sammen med fraksjoneringstrinnene på en slik måte som tilveiebringer den nødvendige nykokingen, og tilbakeløpsproduksjonen med minimalt trykkdifferensial mellom rektifikasjonstrinnene og som også reduserer irreversibiliteten til hele fraksjoneringsprosessen som dermed tilveiebringer den ønskede separasjonen hvori trinnet med høyt trykk drives under vesentlig redusert trykk.

US-patent nr. 3.214.926 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av flytende oksygen eller flytende nitrogen. I dette patentet er det derimot nødvendig å ha to destillasjon skol onne r , et ved høyt trykk og et ved lavt trykk for å kunne eksrahere flytende oksygen.

US-patent nr. 3.217.502 beskriver et system som anvender en enkelt trykkdestillasjonskolonne. Produktet til dette luftseparasjonssystemet er gassformig og flytende nitrogen. Urent oksygen som blir separert ut i dette systemet blir ventilert ut til spillgass. I dette patentet er det oksygen-splllgasstrømmen som blir utvidet for å tilveiebringe avkjøling for luftseparasjonssystemet.

US-patent nr. 3.277.655 beskriveren forbedring i forhold til fraksjoneringsprosessen i US-patent nr. 3.210.951. I denne prosessen resulterer varmeutvekslingen som oppstår i et av de to rekokerene/kondensatorene mellom bunnvaesken fra kolonnen med lavt trykk og det gassformige materialet fra kolonnen med høyt trykk i fullstendig fordamping av væsken fra kolonnen med lavt trykk, og dette tilfredsstiller dermed nødven-digheten av rekokeren til kolonnen med lavt trykk. I tillegg, når det flytende gassformige materialet fra kolonnen med høyt trykk blir ført inn i kolonnen med lavt trykk, forbedrer det tilbakeløpsforholdet i den øvre delen med kolonnen med lavt trykk, som øker separasjonseffektiviteten og muliggjør senkning av trykket i den gassformige blandingen som går inn i syklusen.

US-patent nr. 3.327.489 beskriver en annen forbedring i forhold til US-patent nr. 3.210.951 for å redusere trykket i fraksjoneringsanordningen med høyt trykk. I fremgangsmåten blir trykkreduksjonen tilveiebragt sammen med den assosierte energireduksjonen ved å etablere varmeutveksling mellom det gassformige materialet som eventuelt innbefatter matebland-ingen og en flytende komponent som samles i bunnen av fraksjoneringsanordningen med lavt trykk, hvori den flytende komponenten er belastet av et annet trykk.

US-patent nr. 3.492.828 beskriver en fremgangsmåte for produksjon av oksygen og nitrogen fra luft, hvori en nitrogenresirkulerende strøm blir komprimert og kondensert i en rekoker i bunnen av en destillasjonskolonne før den på ny blir introdusert inn i kolonnen som tilbakeløp. En del av nitrogenresirkuleringsstrømmen kan bli utvidet, hvori energien som blir tilveiebragt ved utvidingen driver kompressoren for hovednitrogenresirkuleringsstrømmen.

US-patent nr. 3.731.495 beskriver et luftsepareringssystem som anvender en luftmatekompressor som får energi fra forbrenningsgasser ledet gjennom en turbin. Turbinexhaust varmerkoker strømmen for å supplementere kompressordrivkraf-ten. Elektrisk generering blir også betraktet. I tillegg anvender disse referansene to separate kolonner med forskjellige trykk for utvinning av de individuelle gassformige komponentene av luft som blir separert.

US-patent nr. 3.735.599 beskriver et kontrollsystem for en luftseparasjonsapparatur som innbefatter en reverserende varmeutveksler, en anordning for flytendegjøring av luft, en enkelt kolonne rektifikator tilveiebragt med en kondensator-fordamper og en kaldgenereringsanordning. I apparaturen blir luft avkjølt i den reverserende utveksleren og flytendegjort i anordningen som flytendegjør luft, og den flytendegjorte luften blir rektiflsert i den enkelte kolonnen for å bli separert til flytende luft som inneholder mye oksygen og veldig ren nitrogen.

US-patent nr. 3.736.762 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling, av nitrogen i gassformig og flytende form fra luft. En enkelt destillasjonskolonne blir kokt ved tilbakeløp med nitrogenproduktet kondensert i en overhengende kondensator drevet av på ny kokt urent oksygen ledet fra bunnen av nevnte kolonne. Ihvertfall en del av urent oksygen fra den overhengende kondensatoren blir utvidet for å frembringe avkjøling for fremgangsmåten.

US-patent nr. 3.754.406 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av oksygen med lav renhet, hvori en strøm med lavt trykk fra Innkommende luft blir avkjølt mot utgående gasstrømmer og matet inn i en destillasjonskolonne med høyt trykk. En strøm med høyt trykk fra innkommende luft blir avkjølt mot den utgående gasstrømmen, delvis kondensert mot kokende oksygenprodukt i en produktfordamper, og separert til gasstrømmer og flytende strømmer. Den flytende strømmen blir på forhånd avkjølt og utvidet inn i en fraksjoneringskolonne med lavt trykk. Gasstrømmen blir påny oppvarmet og utvidet for å tilveiebringe avkjøling til fremgangsmåten og blir ført inn i fraksjoneringskolonnen med lavt trykk. Flytende råoksygen fra bunnen av kolonnen med høyt trykk blir avkjølt og ført inn i kolonnen med lavt trykk etter å ha blitt anvendt for å flytendegjøre noe av oksygenet fra kolonnen med høyt trykk i en ytre rekokerkondensator. Flytende oksygenprodukt fra kolonnen med lavt trykk blir pumpet til et høyere trykk før det blir sendt til subavkjøleren og produktfordamp-eren. Gjenværende nitrogen med høyt trykk blir flytendegjort i en annen ytre rekoker/kondensator og blir anvendt som tilbakeløp for de to kolonnene. Avfallsnitrogenstrømmen blir fjernet fra kolonnen med lavt trykk.

US-patent nr. 4.222.756 beskriver en fremgangsmåte hvori en destillasjonskolonne med to trykk blir anvendt hvori begge trykkbelastede kolonneseksjonene blir kokt ved tilbakeløp med en nitrogenanriket strøm. Kolonnen med lavt trykk blir matet med en oksygenanriket strøm fra kolonnen med høyt trykk som blir utvidet for å redusere trykket og temperaturen.

US-patent nr. 4.224.045 beskriver en fremgangsmåte hvor oksygen blir fremstilt ved destillering av flytendegjort luft i en tokolonneenhet. En gassturbin som delvis blir gassfor-synt av en nitrogenproduktstrøm, tilfører energien for å komprimere luften som blir matet.

US-patent nr. 4.382.366 beskriver et luftseparasjonssystem for utvinning av en trykkbelastet, vesentlig ren oksygengass. Systemet anvender en enkelt trykkdestillasjonskolonne, og brenner en nitrogen-oksygenavfalIsstrøm for å tilveiebringe energi til luftkompressoren oksygenkompressoren og elektrisk generering. Destillasjonskolonnen har en splittmater for å utvikle tilbakeløp og rekoke og for å tilveiebringe den begynnende separeringen av væske og dampkomponentene til kolonnen.

US-patent nr. 4.400.188 beskriver en nitrogenproduksjonspro-sess hvori en enkelt nitrogenresirkuleringsstrøm tilbakekjø-ler en destillasjonskolonne som blir matet av en enkelt luftmater. Spillgassen oksygen fra kolonnen blir utvidet for å tilveiebringe en del av den nødvendige avkjølingen.

US-patent nr. 4.464.188 beskriver en fremgangsmåte og apparatur for separasjon av luft for kryogen destillasjon i en rektifikasjonskolonne ved anvendelse av to nitrogen-resirkuleringsstrømmer og en sidestrøm av mateluftstrømmen for å påny koke kolonnen. En av nitrogenresirkuleringsstrøm-mene blir utvidet for å tilveiebringe avkjøling og for å tilveiebringe energi for å komprimere mateluftsidestrømmen. US-patent nr. 4.464.191 beskriver et arrangement av destillasjonskolonner for subambient destillasjon av blandinger av to ikke-kondenserbare gasser. Arrangementet med to kolonner som utveksler væske oppnår en gitt grad av separasjon over et mindre temperaturområde enn en enkelt kolonne som produserer den separasjonen. Arrangementet ifølge patentet er spesielt nyttig for separasjon av luft for å frembringe en midlere renhet (90 til 99%) oksygen og/eller nitrogen.

US-patent nr. 4.560.397 beskriveren fremgangsmåte for produksjon av oksygen med ultrahøy renhet og nitrogen med forhøyet trykk ved kryogen-rektifikasjon av luft hvori oksygenproduktet blir utvunnet fra en sekundær kolonne ved et punkt over væskeoppsamleren mens urenhetene blir fjernet fra kolonnen i en avstand fra stedet for fjerning av produktet.

US-patent nr. 4.617.036 beskriver en fremgangsmåte for kryogen destillasjon av luft for å utvinne nitrogen i store mengder og ved relativt høyt trykk, hvori en del av nitrogen-tilbakeløpet for destillasjonen blir oppnådd ved varmeutveksling av nitrogengass i en side-rekoker mot avfallsoksygen ved redusert trykk.

US-patent nr. 4.617.037 beskriver en nitrogenproduksjons-metode hvori luft blir komprimert, og vann og karbondioksyd som er innbefattet i luften blir fjernet, og samtidig avkjølt til en temperatur som er nære ved flytendegjøringspunktet. Den resulterende rensede og avkjølede luften blir matet inn i en rektifiseringskolonne for rektifikasjon, slik at nitrogen med høy renhet blir fjernet fra rektifiseringskolonnen ovenfor og oksygenanriket flytende luft blir fjernet fra bunnen av rektifiseringskolonnen og utvidet og matet i et kondensasjonstrinn hvori den blir en tilbakekjølingskilde for rektifiseringskolonnen og en kjølekilde. I fremgangsmåten ifølge patentet, tilveiebringer en lukket sirkulerende syklus tilleggsavkjøling.

US-patent nr. 4.655.809 beskriver et luftseparasjonssystem for utvinning av trykkbelastet, vesentlig ren oksygengass. Systemet anvender en enkelt trykkdestillasjonskolonne og anvender nitrogenproduktstrømmen for å tilveiebringe energi for mateluftkompresjon segregert varmepumpefluidkompresjon og elektrisk generering. Systemet anvender en segregert varme-pumpesyklus som tilveiebringer varmeutveksling for både kolonnerekoking og tilbakekjøling.

US-patent nr. 4.662.916 og 4.662.917 beskriver variasjoner av en fremgangsmåte for separasjon av luft ved kryogen destillasjon i en enkelt kolonne for å produsere et nitrogenprodukt og et oksygenanriket produkt. I denne fremgangsmåten blir minst en del av nitrogenproduktet komprimert og resirkulert for å tilveiebringe rekoking i bunnen av destillasjonskolonnen og for å tilveiebringe mere tilbakekjøling til den øvre delen av kolonnen. I tillegg blir en del av den komprimerte luftstrømmen utvidet for å tilveiebringe arbeid, som blir anvendt for å drive en hjelpekompressor for resirkulert nitrogenstrøm-kompresj on.

US-patent nr. 4.662.918 beskriver en fremgangsmåte for separasjon av luft ved kryogen destillasjon i en enkelt kolonne for å produsere et nitrogenprodukt og et oksygenanriket produkt. I fremgangsmåten blir minst en del av nitrogenproduktet komprimert og resirkulert for å tilveiebringe rekoking i bunnen av destillasjonskolonnen og for å tilveiebringe mere tilbakekjøling til den øvre delen av kolonnen. I tillegg blir en del av den komprimerte nitrogen-resirkuleringsstrømmen utvidet for å tilveiebringe arbeid.

US-patent nr. 4.702.757 beskriver en fremgangsmåte som anvender destillasjonskolonner med høyt og lavt trykk for produksjon av et oksygenanriket luftprodukt. Mateluft blir matet til hovedvarmeutveksleren ved to trykk. Mateluften med høyt trykk fra hovedutveksleren anvendt for å tilføre avkjøling, ved utviding av en del av luften med høyt trykk før den delen blir ført inn i en mellomliggende beliggenhet i kolonnen med lavt trykk, og for å fordampe det oksygenanrikede luftproduktet før strømmen blir anvendt som til-bakekjøler for kolonnen med høyt trykk. Mateluften med lavt trykk fra hovedvarmeutveksleren blir delvis kondensert for å tilføre rekokingseffekter til en kolonne med lavt trykk og blir deretter matet til en kolonne med høyt trykk. Høytrykks-kolonnekondensatoren blir anvendt for å rekoke en mellomliggende væske i kolonnen med lavt trykk.

US-patent nr. 4.704,147 beskrive en fremgangsmåte for produksjon av et oksygenanriket luftprodukt hvor mateluft blir matet til hovedvarmeutveksleren ved to trykk. Mateluften med høyt trykk fra hovedutveksleren blir delvis kondensert for å fordampe det oksygenanrikede luftproduktet. Denne delvis kondenserte mateluften blir separert ved at dampfasen blir varmet og utvidet for å tilføre avkjøling og deretter matet til f raksjoneringsseksjonen med lavt trykk, og den flytende fasen blir anvendt for å tilbakekjøle både høy-trykks- og lavtrykks-frakskjonerings-seksjonene til en dobbelt destillasjonskolonne. Mateluften med lavt trykk fra hovedvarmeutveksleren blir matet til frakjsoneringsseksjonen med lavt trykk. Fraksjoneringsseksjons-kondensatoren med høyt trykk, blir anvendt for å tilveiebringe rekokingsegenskaper til fraksjoneringsseksjonen med lavt trykk.

US-patent nr. 4.704.148 beskriver en fremgangsmåte som anvender destillasjonskolonner med høyt og lavt trykk for separasjon av luft for å produsere oksygen med lav renhet og spillgasstrømmer av nitrogen. Mateluft fra den kalde enden av hovedvarmeutveksleren blir anvendt for å rekoke en destillasjonskolonne med lavt trykk og til å fordampe oksygenproduktet med lav renhet. Denne varmen for rekoking av kolonnen og produktfordamping blir tilført ved splitting av luftmatingen til minst tre substrømmer. En av substrømmene blir totalt kondensert og anvendt for å tilveiebringe tilbakekjøling til både destillasjonskolonnen med lavt trykk og destillasjonskolonnen med høyt trykk, substrømmen blir fortrinnsvis matet til oksygenfordamperen, mens en annen substrøm delvis blir kondensert med dampdelen av den delvis kondenserte substrømmen som blir matet til bunnen av destillasjonskolonnen med høyt trykk og den flytende delen tilveiebringer tilbakekjøling til kolonnen med lavt trykk. Den tredje substrømmen blir utvidet for å oppnå avkjøling og deretter ført inn i kolonnen med lavt trykk som kolonne-tilførsel. I tillegg blir kolonnekondensatoren med høyt trykk anvendt som en intermediær rekoker i kolonnen med lavt trykk.

Foreliggende oppfinnelse er en forbedring av en nitrogen-generator-fremgangsmåte som anvender en enkelt kryogen destillasjonskolonne for å fremstille nitrogen hvori avkjølingen for fremgangsmåten blir tilveiebragt av en spillgassekspansjonsinnretning og en luftekspansjonsinnretning. Forbedringen innbefatter hovedsakelig integrering av en sekundær destillasjonskolonne inn i en fremgangsmåte for å fremstille små mengder oksygen med høy renhet. Ved utføring av fremgangsmåten med sekundærkolonnen blir en del av oksygenrik væske fra oppsamleren til nitrogen-generatorkolon-ne-overhengende-kondensatoren fjernet og matet til en øvre del av den sekundære kolonnen. Rekoking for den sekundære kolonnen blir tilveiebragt ved kondensering av en del av nitrogenen ovenfor i forhold til nitrogen-generator-kolonnen i en rekoker/kondensator beliggende i bunnen av den sekundære kolonnen. Minst en del av den flytende nitrogen fra rekokeren/kondensatoren beliggende i bunnen av den sekundære kolonnen blir anvendt for å tilveiebringe tilbakekjøling til nitrogengenerator-kolonnen. I løpet av noen driftsmåter kan en del av det flytende nitrogenet bli fjernet fra prosessen og sendt til lagring som flytende nitrogenprodukt. Oksygenkoproduktet med høy renhet blir utvunnet fra den sekundære kolonnen ved et punkt i den sekundære kolonnen over og/eller under rekokeren/kondensatoren .

Oksygenkoproduktet med høy renhet blir utvunnet fra en spillgasstrøm som normalt blir ventilert til atmosfæren i nitrogengenerator-prosessen, uten ytterligere driftsenergi eller mateluft.

Foreliggende oppfinnelse er følgelig kjennetegnet ved at

a) separeringen utføres i et destillasjons-kolonnesystem som omfatter to destillasjonskolonner og enten en avgass-ekspander eller en luftekspander for tilveiebringelse av avkjøling; b) den første destillasjonskolonnen i destillasjons-kolonnesystemet er en rektifiseringskolonne med en toppkjøler og en sump som omgir toppkjøleren; c) en fødeluftstrøm blir komprimert og avkjølt til en temperatur nære ved duggpunktet og matet til den første destillasjonskolonnen for rektifisering til rå, flytende oksygen og en nitrogentoppfraksjon; d) rå, flytende oksygen blir fjernet fra den første destillasjonskolonnen, trykkredusert og matet til sumpen som omgir toppkjøleren; e) en første porsjon av nitrogentoppfraksjonen blir kondensert i toppkjøleren ved varmeveksling mot rå, flytende nitrogen i sumpen som omgir toppkjøleren; f) en annen porsjon av nitrogentoppfraksjonen blir fjernet fra den første destillasjonskolonnen og isolert som et biprodukt av nitrogen med høy renhet; g) den andre destillasjonskolonnen i destillasjons-systemet er en splittekolonne med en nedre koker; h) en tredje porsjon av nitrogentoppfraksjonen blir fjernet fra den første destillasjonskolonnen og kondensert i

den nedre kokeren av den andre destillasjonskolonnen, for derved å danne koking for den andre destillasjonskolonnen;

i) minst en del av det kondenserte nitrogenet som blir fremstilt i trinn (e) eller (h) blir anvendt for å tilveiebringe refluks til den første destillasjonskolonnen, ved at en porsjon av det rå, flytende oksygenet fjernes fra sumpen som omgir toppkjøleren, reduserer dets trykk og

splitter det i den andre destillasjonskolonnen som derved danner en avgasstoppfraksjon og flytende oksygen med høy renhet; og et oksygenbiprodukt med høy renhet isoleres fra den andre destillasjonskolonnen. Figur 1 er en skjematisk tegning av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse for produksjon av nitrogen og små mengder oksygen med høy renhet. Figur 2 er en skjematisk tegning av fremgangsmåten Ifølge US-patent 4.560.397, som er blitt noe modifisert for å inkorporere en reverserende varmeutveksler og flytende oksygenproduksj on.

Mange som anvender nitrogen trenger også en liten tilførsel av oksygen med høy renhet. Vanligvis er nødvendigheten av oksygen for stort til å bli tilført økonomisk fra fordampet, flytende oksygen og for lite for å rettferdiggjøre installa-sjon av en separat kryogen oksygengenerator. Konseptet som innbefatter en nitrogengenerator modifisert for å produsere en liten mengde oksygen med høy renhet uten betraktelig energi og kapitalinvesteringer, ville være veldig fordelaktig for denne anvendertypen. Foreliggende oppfinnelse er en løsning på dette problemet.

Foreliggende oppfinnelse er en forbedring av en nitrogen-generator-luftseparasjonsprosess som anvender en konvensjonell kryogen enkelt destillasjonskolonne nitrogengenerator, hvori avkjølingen for fremgangsmåten blir tilveiebragt ved enten en spillgassekspansjonsinnretning eller en luftekspansjonsinnretning. En nitrogengenerator-luftsepara-sjons-fremgangsmåte innbefatter at luft blir separert ved kryogen destillasjon for å produsere en eller flere ni-trogenproduktstrømmer og vanligvis blir oksygenbestanddelen i luft fjernet som en spillgasstrøm. Eksempler på nitrogen-generator-luf tseparasjons-fremgangsmåter er vist i US-patent nr. 3.217.502, 3.735.599, 3.736.762 og 4.617.037, beskrivelsene er inkorporert heri ved referanse. Forbedringen innbefatter hovedsakelig integrering av en sekundær ok-sygenkolonne inn i nitrogen-generator-fremgangsmåten for å produsere et oksygenkoprodukt med høy renhet. Oksygenkoproduktet med høy renhet blir utvunnet fra sp i ligas st rømmen fra nitrogengenerator-prosessen, mens denne strømmen vanligvis ville bli ventilert til atmosfæren. Oksygen blir produsert uten ytterligere driftsenergi eller tilførsel av luft. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse produserer-nitrogenproduktet ved forhøyet trykk, som dermed i de fleste tilfeller eliminerer nødvendigheten av produktnitrogenkompre-sjon.

For å oppnå produksjon av oksygenkoprodukt med høy renhet, blir en del av den oksygenrike væsken fra oppsamleren til nitrogen-generator-kolonneoverhengende kondensatoren matet til en øvre del av den sekundære kolonnen. Rekoking for den sekundære kolonnen blir tilveiebragt ved kondensering av en del av nitrogenet ovenfor i forhold til nitrogen-generator-kolonnen i en rekoker/kondensator beliggende i bunnen av den sekundære kolonnen. Den kondenserte nitrogenvæsken blir anvendt for å tilveiebringe tilbakekjøling til nitrogen-generator-kolonnen, og i noen driftsmåter kan en del av det flytende nitrogenet bli fjernet fra prosessen som flytende nitrogenprodukt.

Grensen for mengden av oksygen som kan bli produsert, ble bestemt av hvor mye avkjøling som er nødvendig for fremgangsmåten. Øking av matingen til den sekundære kolonne reduserer mengden av oppkokt damp fra rekokeren/kondensatoren som mater ekspansjonsturbinen. Store flytende nitrogen og/eller oksygenkrav krever store ekspansjonsstrømmer og begrenser derfor tilførselen som er tilgjengelig for den sekundære kolonnen. Nitrogenutvinning, oksygenrenhet og driftstrykk influerer strømningskravene for ekspansjonsturbinen og påvirker dermed oksygenutvinningen ved forandring av tilførselen som er tilgjengelig for den sekundære kolonnen. Oksygemitvlimingen kan ytterligere bli forøket ved hjelp av en av de følgende modifikasjonene. (1) Flytende nitrogen fra en ytre kilde kan bli matet til hoveddestillasjonskolonnen som tilbakeløp, og tilveiebringer dermed ytterligere avkjøling til fremgangsmåten. Denne ytterligere ytre avkjølingen reduserer dermed strømmen som er nødvendig for ekspansjonsturbinen og øker dermed strømningen som er tilgjengelig for den sekundære kolonnen. (2) En ekspansjonsturbin kan bli anvendt for å erstatte ekspansjonsventilen som reduserer trykket til det overliggende fra den sekundære kolonne før ventilering som avfall. Denne arbeidsekspansjonen til sekundærkolonneoverliggende strømmen (eller i det minste en del derav) vil tilveiebringe ytterligere avkjøling til fremgangsmåten og øker dermed strømningen som er tilgjengelig for den sekundære kolonnen.

Selv om oppfinnelsen til nå er blitt beskrevet med hensyn til nitrogengenerator-prosess-systmer som anvender en enkelt kryogen destillasjonskolonne, er foreliggende oppfinnelse også anvendbar for nitrogengenerator-systemer som anvender en dobbel kryogen destillasjonskolonne. Eksempler på dob-beltkolonne-nitrogengeneratorer er beskrevet i US-patent nr. 4.222.756, 4.453.957 og 4.617.036, beskrivelsene til disse er inkorporert heri ved referanse. Ved utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i et dobbeltkolonnesystem, vil den flytende tilførselen til den sekundære kolonnen bli tatt fra hoved-rekoker/kondensatorområdet eller, hvor mulig, toppen av rekokeren/kondensatoren.

Figur 1 viser en foretrukket utføring av fremgangsmåten som anvender en enkelt destillasjonskolonne som produserer nitrogen og oksygen ved høyest trykk. Med referanse til figur 1, blir filtrert luft matet via linje 1 til kompressor 3 og komprimert til et forhøyet trykk. Denne filtrerte og komprimerte luften blir deretter avkjølt til avkjølende vanntemperaturer før den går inn i hovedvarmeutveksleren 7 og 9 via linje 5 (dette avkjølingsstadiet er ikke vist). Luften blir avkjølt til nære ved dogg-punktet i hovedutvekslerne 7 og 9 ved indirekte varmeutveksling med de returnerende produktene og avfallsstrømmene. Varmeutvekslerne 7 og 9 bør enten være reverserende varmevekslere for å tilveiebringe vann og karbondioksydfjerning, eller ikke-reverserende varmeutvekslere når frontendeadsorpsjonssystemet blir anvendt for å fjerne vann og karbondioksydurenheter. Den avkjølte luften går inn i nitrogengenerator-kolonne 13 via linje 11 og blir separert til en nitrogentoppfraksjon med høy renhet og en oksygenrik bunnvæske.

En del av nitrogentoppfraksjonen blir fjernet fra nitrogen-generator-kolonne 13 via linje 44 og matet til overliggende kondensator 43 hvori den blir kondensert og fjernet via linje 45. Gjenværende overliggende nitrogen blir fjernet fra nitrogen-generator-kolonne 13 via linje 51. Denne nitrogen-strømmen blir splittet i to substrømmer, linjene 53 og 81, respektivt. Først blir substrøm 53 matet til rekoker/kondensator 55, beliggende i bunnen av sekundærkolonne 39, hvori den blir kondensert og fjernet som flytende nitrogen via linje 57. Flytende nitrogen i linjene 45 og 57 blir slått sammen, og endel av det sammenslåtte flytende nitrogenet blir fjernet som flytende nitrogenprodukt via linje 61; gjenværende blir matet til toppen av nitrogen-generator-kolonne 13 som tilbakeløp. Den andre substrøm 81 blir varmeutvekslet i varmevekslerne 19, 9 og 7 for å tilveiebringe avkjøling og bli fjernet som gassformig nitrogenprodukt via linje 83.

Luft blir fjernet fra nitrogengenerator-kolonnen 13 via linje 17 og kondensert i en varmeutveksler (supervarmer) 19. Det kondenserte uttrekket, nå linje 21, blir kombinert med flytende råoksygen, i linje 15, fra bunnen av nitrogengenerator-kolonne 13. Denne kombinerte strømmen, linje 23, blir subavkjølt i varmeutveksler 19 og oppblusset i ventil 25 (som danner en tofaseblandlng) før den blir matet til overliggende områder 29 av nitrogen-generator-kolonnen 13 via linje 27. En del av den oksygenrike væsken i det overliggende område 29 blir utvunnet via linje 33, flammet i ventil 35 og matet til toppen av sekundærkolonne 39 via linje 37. Den gjenværende oksygen-rike væsken i det overliggende område 29 blir fordampet av kondenserende nitrogen i rekoker/kondensator 43 og fjernet fra kolonne 13 via linje 93. Denne strømmen 93, blir delvis oppvarmet i supervarmer 19. Den varmede strømmen, nå i linje 95, blir splittet i to substrømmer, line 97 og 101, respektivt. Substrøm 97 forbigår varmeveksler 9 ved å gå gjennom ventil 99 og blir på ny forenet med substrøm 101 som er blitt varmet i varmeveksler 9. Den gjenforenede strømmen, nå i linje 103, kan bli splittet i to deler. Første porsjon 105 blir arbeidsekspandert i ekspander 107 ved dannelse av strøm 109. Andre porsjon 111 blir ekspandert i ventil 113, mengden av materiale som strømmer i strøm 111 vil omvendt avhenge av mengden av oksygen som blir produsert i denne fremgangsmåten. Disse ekspanderte delene, linjene 109 og 115, blir kombinert med det overliggende fra sekundærkolonne 39, via linje 91 etter å ha blitt sendt igjennom trykkreduserende ventil 92 (denne ventilen kan også være en ekspansjonsturbin [ikke vist] og dermed øke mengden av avkjøling som er tilgjengelig for prosessen), og dermed danne kombinert strøm 117. Denne kombinerte strømmen 117 blir varmet i varmeutvekslerne 19, 9 og 7 og fjernet fra prosessen som en av-fallsstrøm via linje 119.

Tilførselen til toppen av den sekundære kolonnen, linje 37, ble separert i sekundærkolonne 39 for å produsere oksygen med høy renhet, som blir fjernet som flytende oksygenprodukt fra bunnen (71) av kolonne 39 via linje 73 og som gassformig produkt via linje 75. Det gassformige produktet blir deretter varmet i varmeveksler 19, 9 og 7 for å oppnå avkjøling og fjernet som oksygenprodukt fra prosessen via linje 77.

Som nevnt tidligere kan vann, karbondioksyd og andre urenheter som kan bli fryst ut ved kryogene temperaturer bli fjernet ved anvendelse av en reserverende varmeutveksler eller ved anvendelse av et frontende-molekylært sjiktabsor-bersystem. Både det molekylære sjiktsystemet og det reserverende varmeutvekslersystemet vil tilveiebringe tilstrek-kelig fjerning av urenheter som fryses ut ved kryogene temperaturer i denne fremgangsmåten. Ingen av systemene har noen betraktelige fordeler i forhold til de andre.

Konseptet som innbefatter anvendelse av sekundær kolonne for å produsere oksygen fra en nitrogengenerator-prosess, kan bli anvendt til hovedsakelig en hvilken som helst nitrogengenerator-prosess som idag er i bruk.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse har mange fordeler, og blant disse er følgende. Fremgangsmåten eliminerer nødvendigheten av et annet kryogent luftsepara-sjonsanlegg for å produsere oksygen eller nødvendigheten av å trekke inn flytende oksygen tilstede hvor et nitrogenanlegg er nødvendig. Oppfinnelsen kan produsere en liten tilførsel av oksygen av høy renhet fra en enkelt kryogen prosess som produserer nitrogen med høy renhet ved forhøyet trykk som det primære produktet. Nitrogenproduktet blir produsert ved et forhøyet trykk (hovedsakelig hovedkolonnetrykk) som eliminerer nødvendigheten av nitrogenproduktkompresjon ved mange anvendelser. Eliminasjon av nitrogenkompresjon er en hovedfordel i forhold til en konvensjonell oksygengenerator med lavt trykk som også produserer nitrogen med lavt trykk. Oksygentrykket er også ved et forhøyet trykk (i forhold til en liten, konvensjonell oksygenanleggsprosess) som vil spare kostnadene for oksygenkompresjon. Fremgangsmåten fremstiller flytende oksygenprodukt som kan bli lagret for senere bruk i løpet av stans av anlegg. Oppfinnelsen har også den fordelen at hvis oksygen ikke er påkrevet, kan oksygenutstyret bli koblet ut og prosessen kan bli drevet som en konvensjonell nitrogengenerator. I tillegg kan prosessen bli drevet for å produsere et oksygenprodukt med lav renhet i de tilfellene hvor oksygen med høy renhet ikke er påkrevet.

For å demonstrere effektiviteten av foreliggende oppfinnelse, og for å tilveiebringe en sammenligning i forhold til tidligere måter, ble følgende eksempler (computer-simulering-er) preparert.

EKSEMPEL 1

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, som beskrevet i figur 1, ble komputer-simulert for å produsere et maksimum oksygenprodukt. Tabell I viser driftsbetingelser og strøm-ninger og sammensetninger for valgte strømmer.

EKSEMPEL 2

For å tilveiebringe en sammenligning av foreliggende oppfinnelse i forhold til den nærmeste tidligere fremgangsmåten, ble fremgangsmåtesyklus fra US-patent nr. 4.560.397, som beskrevet i figur 2, komputer-simulert for å frembringe maksimum oksygenprodukt. Fremgangsmåten i US-patent 4.560.397, er blitt noe modifisert for å være egnet for et reverserende varmeutveksler-oppsett og flytende oksygenproduksjon. Hovedsakelig er fremgangsmåten i US-patent 4.560.397 lik fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse med unntagelse av flere nøkkelelementer. Forskjellene kommer klart frem fra følgende diskusjon.

Med referanse til figur 2, blir den oksygenrike strømmen 23 splittet i to deler etter flamming i ventil 25. En første porsjon blir matet til overliggende område 29 via linje 127 og en annen porsjon, linje 133, blir flammet i ventil 35 og matet til sekundærkolonne 39 via linje 37. En flytende spredestrøm blir også trukket bort fra overliggende område 29 via linje 120. De gjenværende strømmene er de samme som i figur 1, og er blitt tilegnet vanlige tall. I tabell II er driftsbetingelser og strømstrømninger og sammensetninger for valgte strømmer valgt opp. Dette viser at en lignende fremgangsmåte beskrevet i US-patent 4.560.397 fremstiller både nitrogen med høy renhet og oksygen fra en kryogen luftseparasjonsfremgangsmåte. Denne fremgangsmåten anvender en enkelt kolonne nitrogengenerator-syklus med en sekundærkolonne for å fremstille oksygen med ultrahøy renhet. Til tross for at det er mange likhetspunkter mellom denne fremgangsmåten og fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, er det også betraktelige forskjeller: Fremgangsmåte ifølge foreliggende oppfinnelse mater all væske fra bunnen av hovedkolonnen til overliggende rekoker/kondensator og mater deretter væske fra rekokeren/kondensatoren til den sekundære kolonnen. Dette ekstratrinnet anriker matingen til den sekundære kolonnen og reduserer antall teoretiske destillasjonstrinn som er nødvendig eller øker produktutvin-ningen med det samme antall destillasjonstrinn. Patentskrift 4.560.397 splitter væsken fra bunnen av hovedkolonnen mellom rekokeren/kondensatoren og den sekundære kolonnen. Denne drar ikke fordel av oksygenanrikingen i rekokeren/kondensatoren.

I tillegg forårsaker mating av den sekundære kolonnen fra rekokeren/kondensatoren at væskefasen blir rikere med hensyn på nitrogen (56Sé N2) enn væskefasen i rekokeren/kondensatoren i fremgangsmåten i patentskrift 4.560.397 (omtrent 39# N2). Den høyere konsentrasjonen av nitrogen tillater at rekokeren/kondensatoren drives ved et høyere trykk og dermed et høyere innføringstrykk til ekspansjonsturbinen. Dette høyere trykket vil resultere i at mere kjøling er tilgjengelig for væskeproduksjon. For en bestemt avkjølingsladning vil dette høyere trykket redusere ekspanderingsstrømmen og øke strømmen som er tilgjengelig for den sekundære kolonnen som resulterer i en økning i oksygenproduksjon.

En annen forskjell i US-patent 4.560.397, som forklart i selve patentet, er anvendelse av en mekanisk pumpe for å returnere noe av væsken fra bunnen av den sekundære kolonnen til rekokeren/kondensatoren på hovedkolonnen. Den foreslåtte fremgangsmåten eliminerer den mekaniske pumpen ved kontinuer-lig å fjerne en flytende oksygenstrøm fra "bunnen av den sekundære kolonnen. Denne strømmen kan bli lagret som flytende oksygen eller fordampet, og anvendt som gassformig produkt. Eliminering av pumpen reduserer opprettholdelsen som er assosiert med pumper og forbedrer påliteligheten og effektiviteten til fremgangsmåten.

Disse forskjellene resulterer i en hovedforskjell når det gjelder mengden av oksygenprodukt som kan bli fremstilt ved hjelp av de to fremgangsmåtene. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan fremstille, når den blir drevet slik at det blir fremstilt maksimalt oksygen, 3,54 kg-mol gassformig oksygen med høy renhet og 0,090 kg-mol flytende oksygen med høy renhet for hver 45,36 kg-mol luft som blir matet. Derimot kan fremgangsmåten ifølge US-patent 4.560.397, når den blir drevet på en måte som produserer maksimalt oksygen, bare produsere 2,61 kg-mol gassformig oksygen med en høy renhet, og 0,090 kg-mol flytende oksygen med høy renhet når hver 45,36 kg-mol luft som blir matet. Dette er en økning på over 34# i mengden av oksygen med en høy renhet som kan bli fremstilt ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, dvs. en 34% økning i produksjon uten en økning i luft som blir matet, en reduksjon i mengden av nitrogenprodukt eller en økning i energi som er nødvendig for å drive fremgangsmåten. Denne forskjellen er en betraktelig forbedring innenfor dette fagområdet.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for separering av luft ved kryogen destillasjon for fremstilling av nitrogen med høy renhet og biprodukter av oksygen, karakterisert ved at a) separeringen utføres i et destillasjons-kolonnesystem som omfatter to destillasjonskolonner og enten en avgass-ekspander eller en luftekspander for tilveiebringelse av avkjøling; b) den første destillasjonskolonnen i destillasjons-kolonnesystemet er en rektifiseringskolonne med en toppkjøler og en sump som omgir toppkjøleren; c) en fødeluftstrøm blir komprimert og avkjølt til en temperatur nære ved duggpunktet og matet til den første destillasjonskolonnen for rektifisering til rå, flytende oksygen og en nitrogentoppfraksjon; d) rå, flytende oksygen blir fjernet fra den første destillasjonskolonnen, trykkredusert og matet til sumpen som omgir toppkjøleren; e) en første porsjon av nitrogentoppfraksjonen blir kondensert i toppkjøleren ved varmeveksling mot rå, flytende nitrogen i sumpen som omgir toppkjøleren; f) en annen porsjon av nitrogentoppfraksjonen blir fjernet fra den første destillasjonskolonnen og isolert som et biprodukt av nitrogen med høy renhet; g) den andre destillasjonskolonnen i destillasjons-systemet er en splittekolonne med en nedre koker; h) en tredje porsjon av nitrogentoppfraksjonen blir fjernet fra den første destillasjonskolonnen og kondensert i den nedre kokeren av den andre destillasjonskolonnen, for derved å danne koking for den andre destillasjonskolonnen; i) minst en del av det kondenserte nitrogenet som blir fremstilt i trinn (e) eller (h) blir anvendt for å tilveiebringe refluks til den første destillasjonskolonnen, ved at en porsjon av det rå, flytende oksygenet fjernes fra sumpen som omgir toppkjøleren, reduserer dets trykk og splitter det i den andre destillasjonskolonnen som derved danner en avgasstoppfraksjon og flytende oksygen med høy renhet; og et oksygenbiprodukt med høy renhet isoleres fra den andre destillasjonskolonnen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man ekspanderer en del av toppfraksj onen fra den andre destillasjonskolonnen før fjerning av denne som avgass.