SE506864C2 - Förfarande för tillhandahållande av kvävgas från en lokal luftseparatoranläggning, som ger åtminstone syrgas som produkt - Google Patents

Description

506 864 2 När en kund har behov av stora mängder syrgas, såsom ca 15 ton per dag eller mer, tillhandahålles syrgas van- ligtvis lokalt från en syrgasanläggning. För närvarande finns främst två kommersiella typer av syrgasanläggningar i drift. För det första finns kryogena anläggningar, vilka utnyttjar luftkondensering och destillering, och för det andra finns icke-kryogena anläggningar baserade på tryck- adsorption (PSA), vakuumadsorption (VSA) eller en kombi- nation av dessa båda. För ett antal klassiska syrgas- tillämpningar krävs också en liten kvantitet kvävgas för rensning, överföring, avskärmning, bearbetning och/eller andra ändamål. Även om nya syrgasanläggningar av kryogentyp också skulle tillskottet av extra kvävgaskapacitet vara fördelaktigt, kan utformas att producera en ström av kvävgas, speciellt om den kan ha varierbar renhet. Existerande syr- gasanläggningar av kryogentyp har emellertid ofta liten eller ingen kvävgaskapacitet. Dessutom möjliggörs ingen återvinning av en kvävgassidoström från adsorptionspro- cessen för syrgasanläggningar baserade på PSA- eller VSA-processen.

Det föreligger således allmänt fortfarande behov av en anordning för tillhandahållande av kvävgas från vilken industriell anläggning som helst med ett behov av kvävgas.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen består väsentligen i överdimensionering av kompressororganen, som är anordnade i en ny anläggning såsom en kemisk anläggning eller en luftsepareringsanlägg- ning, när sådana organ är anordnade, och användning av den extra tryckluften till matning av ett kvävgasmembran, för åstadkommande av lokal kvävgasprodukt, så att behovet av lokal kvävgas till anläggningarna uppfylls (eller andra extra lokala behov). För existerande anläggningar, vars existerande kompressororgan kan förstärkas eller vars kompressororgan behöver bytas ut av någon anledning, an- vänds den extra, tillgängliga tryckluften till matning av 506 864 3 ett kvävgasmembran. Uppfinningen är speciellt användbar i de fall där det finns behov av en liten kvantitet kvävgas i anläggningen, speciellt när kvävgasbehoven kan vara av varierande flödesstorlek och/eller renhet under olika tidsperioder. Uppfinningen är också speciellt användbar i de fall där en anläggning är ansluten till pipelines, som tillhandahåller kvävgas och/eller syrgas, när det finns extra behov av kvävgas med annan renhet (exempelvis låg renhet jämfört med kvävgas tillförd av en pipeline), eller när endast en syrgaspipeline existerar och en liten mängd kvävgas är nödvändig, vilken renhet kan variera från en kund till en annan eller variera under olika tidsperioder för samma kund.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig 1 visar en syrgasanläggning, dess tillhörande tryckluftskompressor och styrsystem i enlighet med känd teknik.

Fig 2 visar en grundläggande utföringsform av före- liggande uppfinning som är baserad pá en syrgasanläggning, som har en inbyggd tryckluftskompressor som kan användas i syrgasanläggningar av kryogentyp, PSA- och/eller VSA- -processer.

Fig 3 visar ytterligare en utföringsform av förelig- gande uppfinning baserad på en syrgasanläggning, varvid anslutning till tryckluft kan genomföras före eller efter torkning, vilket indikeras med prickad linje.

Fig 4 visar ytterligare en utföringsform av förelig- gande uppfinning, varvid lufttorkaren är borttagen och ersatt med membranseparatorn, vilken är så dimensionerad att den ger tillräckligt med kvävgas för att täcka det behov som finns hos de externa kvävgastillämpningarna och hos gasströmmen. 506 864 4 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I enlighet med föreliggande uppfinning tillhandahålls ett förfarande för att på ett ekonomiskt sätt producera kvävgas från en lokal anläggning, exempelvis en syrgas- anläggning, oberoende av det förfarande medelst vilket syrgasen produceras.

Föreliggande uppfinning grundar sig på att vissa an- läggningar har ett regelbundet eller återkommande behov av små kvantiteter kvävgas, vilket behov är dyrt att till- fredsställa, medan det lokalt redan finns anordningar tillgängliga för åstadkommande av tryckluft, vanligtvis för manövrering av organ som används för genomförande av anläggningsprocessen. Anläggningen kan exempelvis vara en kemisk anläggning med en tryckluftskompressor. Anläggning- en kan också vara en luftseparatoranläggning med en tryck- luftskompressor. Även om anläggningen har en trycklufts- kompressor är emellertid den använda huvudkompressorn eller kompressorn överdimensionerad för att den också skall mata ett kvävgasproducerande membran.

Där den lokala anläggningen redan producerar kvävgas (exempelvis en kryogen luftseparatoranläggning), kan mem- branet producera kvävgas med en renhet och/eller ett tryck som skiljer sig från den kvävgas som produceras av anlägg- ningen.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller ett förfaran- de för tillhandahållande av kvävgas från en lokal luft- separatoranläggning, som ger åtminstone syrgas som en produkt, varvid luftseparatoranläggningen omfattar organ för matning av luft till luftseparatororgan, som separerar syre från kväve för produktion av åtminstone syrgas som en produkt, organ avsedda för drivning och/eller styrning av anläggningen under åtminstone vissa tidsperioder, under vilka luftseparation sker, varvid nämnda organ påverkas av tryckluft och tryckluftskompressororgan för komprimering av luft och för generering av tryckluft för matning av nämnda organ för drivning och/eller styrning av anlägg- ningen. Förfarandet kännetecknas av följande steg: 506 864 5 a) matning av en luftström till nämnda trycklufts- kompressororgan som är överdimensionerat relativt tryckluftsbehoven för matning av nämnda organ, b) matning av åtminstone en del av tryckluftsströmmen från nämnda tryckluftskompressororgan till en kväve- membranseparator, vilket därigenom åstadkommer en ström av kvävgasprodukt, och c) luftning av en syreberikad luftström från membranet.

Den syrgasberikade luften kan dessutom i förfarandet ovan återvinnas från membranet i stället för luftning av densamma.

Det ovan beskrivna förfarandet kan vidare innefatta det ytterligare steget i form av matning av ytterligare ett membran med den syrgasberikade luftströmmen från kväv- gasmembranet.

I enlighet med detta förfarande är det också fördel- aktigt om det andra membranet är ett kvävgasmembran. Det är vidare också fördelaktigt om kompressororganet är en tryckluftskompressor och om utrustningsorganen är organ avsedda för styrning av den lokala anläggningen.

I förfarandet enligt föreliggande uppfinning kan emellertid ett ytterligare steg användas, där kvävgas- produkten leds från membranseparatorn till ett syrgasbort- tagningsorgan, såsom en deoxideringsenhet eller ett gas- reningssystem, för erhållande av kvävgas med hög renhet.

I enlighet med uppfinningen är det att föredra om den lokala anläggningen är en kryogen luftseparatorenhet, en tryckadsorptionsenhet eller en vakuumadsorptionsenhet, eller en kombination av dessa.

Det är speciellt fördelaktigt om tryckadsorption och/eller vakuumadsorption används, för vidare insprutning av avgående gaser därifrån, vilka är berikade med kvävgas, till tryckluftskompressorns inlopp. Det är vidare också fördelaktigt att vidare återvinna den syrerika avgående gasströmmen från åtminstone den ena membranseparatorn och spruta in densamma i inloppet till en eller flera adsorp- tionsenheter av en VSA-enhet. 506 864 6 För den specifika tillämpningen i lokala syrgasan- läggningar kan föreliggande uppfinning genomföras till- sammans med någon konventionell kryogen process, PSA- eller VSA-process.

I en typisk kryogen process, exempelvis, komprimeras luft till ett tillräckligt tryck i en kompressor. En huvudvärmeväxlare förkyler luften mot utloppsströmmar och extraherar koldioxid och fukt via kondensering och solidi- fiering. En expansionsanordning åstadkommer nedfrysnings- processen, medan högtrycks- och lågtryckskolonner sepa- rerar syrets och kvävets ursprungliga komponenter och koncentrerar argon. En argonkolonn kan vidare separera argonet från syret.

Allteftersom luft kyls i huvudvärmeväxlaren konden- serar och solidifierar fukt och koldioxid. Med jämna intervall ställs luftkanalerna och kanalerna för avgående kvävgas om så att luften flödar genom rena kanaler och börjar bygga upp en avsättning av fukt och koldioxid.

Samtidigt àterförgasar den àterströmmande avgående kväv- gasen det avsatta vattnet och koldioxiden, vilket däri- genom rengör kanalerna för nästa omställning. Luft kan alternativt renas från fukt och koldioxid medelst en rege- nereringsadsorptionsprocess.

Den dubbla destilleringskolonnen separerar effektivt syre och kväve, vilket ger hög utvinning av komponenter från luft.

I EP-A-081178 visas exempelvis en syrgasproducerande anordning, som innefattar en tryckdestilleringskolonn, som matas av en tryckluftskompressor driven av en gasturbin, vilken i sin tur matas av trycksatt gas vilken härrör från förbränningen av syrehaltig avgående kväve med bränslegas.

Processer som är baserade på adsorption, såsom tryck- adsorption och/eller vakuumadsorption, vilka respektive är kända som VSA- och/eller PSA-processer, grundar sig på ett förfarande i vilket gasinnehållet i rågasblandningen som har den högre affiniteten för adsorbenten, hålls på ytan av adsorbenten i ett adsorptionssteg och de svagare adsor- 506 864 7 berade komponenterna lösgörs från adsorptionsenheten som är fylld med adsorbenten.

Med PSA-processen uppnås desorption av den adsorbe- rade fasen genom reducering av trycket efter adsorptions- steget och vanligtvis genom sköljning av adsorbenten med en del av den mindre adsorberade gasen, och speciellt vid ett tryck av l bar eller mera. Desorptionstrycket kan emellertid reduceras till ett tryck av mindre än 1 bar medelst en vakuumpump och adsorbenten också sköljas med en del av den mindre adsorberade gasen. Processer som utnytt- jar sådan vakuumdesorption är så kallade VSA-processer.

I en typisk tryckadsorptionsprocess, exempelvis vid utnyttjande av den differentiella adsorptionen av kväve och luftföroreningar från syre på zeoliter, trycksätts en första enhet av ett multipelskiktsystem, av vilka vardera innefattar två skikt, där det första avlägsnar vatten och koldioxid och det andra adsorberar kvävgas från den ström- mande luften. Syrgasprodukten strömmar sedan vidare till produktkompressorn om behov finns för detta. Beroende på driftcykeln och andra förhållanden kan produkten bestå av upp till 95 volym% syre med resten argon och kvävgas. En typisk PSA-process beskrivs i US-A-3 866 428.

Typiska VSA-processer beskrivs i US-A-3 493 296, 4 684 377 eller 5 015 271.

US-A-5 015 271 beskriver ett VSA-system med två adsorptionsenheter, till vilket endast åtgår något mer energi än VSA-systemet med tre adsorptionsenheter, men vilket är mer fördelaktigt vad gäller krav på anläggnings- investeringar till följd av det begränsade antalet venti- ler och adsorptionsenheter som används. Den beskrivna pro- cessen styr de båda adsorptionsenheterna var för sig så att rågasmatningen och desorptionen av adsorbenten inte stoppas någon gång under separationsprocessen, och separa- tion av ràgasen sker delvis under reducerat tryck när det maximala adsorptionstrycket uppnåtts. 506 864 8 I enlighet med föreliggande uppfinning och speciellt vid användning av vilken kryogen process, PSA- och/eller VSA-process som helst, utnyttjas en tryckluftskompressor som är överdimensionerad relativt anläggningens behov.

Kompressorn kan emellertid vara ansluten till de andra komponenterna i luftseparatorsystemet på en mängd olika sätt.

Membranseparatorn kan exempelvis vara ansluten till tryckluftskompressorn före lufttorkaren. I ett sådant fall kommer endast den externa kvävgastillämpningen alternativt tillämpningarna att tillföras gas från membranseparatorn, och den torrluftstillförsel som krävs för drift av PSA- eller VSA-processen kommer fortfarande att tillföras från lufttorkaren.

Membranseparatorn kan enligt ett annat alternativ vara anslutet efter lufttorkaren, för att man skall dra nytta av renandet av luften från ett sådant system. I likhet med arrangemanget tidigare kommer emellertid endast den externa kvävgastillämpningen alternativt tillämpning- arna att tillföras gas från membranseparatorn.

Lufttorkaren kan vidare avlägsnas och ersättas med membranseparatorn. Denna separator är så dimensionerad att den täcker behoven hos den externa kvävgastillämpningen alternativt tillämpningarna och hos gasströmmen. Denna gasström är därvid inte luft utan en torr kvävgasström från membranseparatorn.

Eftersom membranseparatorn är tillverkad av flera membranknippen kan den därtill i enlighet med följande uppfinning vara anordnad i två eller flera knippgrupper, som tillför kvävgas med varierande renhet och tryck för den externa tillämpningen alternativt tillämpningarna och/eller gasbehoven för säkerställande av maximal kost- nadseffektivitet för det totala systemet. Den externa tillämpningen alternativt tillämpningarna kan exempelvis ha en 99% kvävgasrenhet, medan däremot renheten hos styr- gasen kan vara 90%. Eftersom renheten hos kvävgasen från membransystemet på en given genomträngningsarea är en 506 864 9 funktion av inloppsluftens flöde, vilket innebär att vid samma flöde krävs färre fibrer från knippet för åstad- kommande av 90% ren kvävgas än för åstadkommande av 99% ren kvävgas. Antingen har grupperna samma genomträngnings- area, vilket betyder att mindre än 90% kvävgas kommer att produceras eller så har de olika genomträngningsareor, vilket innebär att varje flöde kan anpassas, innefattande samma flöden för båda kvaliteterna.

Vad gäller de olika möjligheter som finns att använda ett membran eller flera membran som är anordnade tillsam- mans, görs häri hänvisning till den amerikanska patent- skriften 5 240 471.

Föreliggande uppfinning kan emellertid genomföras tillsammans med vilken kryogen process, PSA- eller VSA- -process som helst, som använder vilket arrangemang av element med överdimensionerade kompressorer som helst.

Förutom de ovan beskrivna utföringsformerna kan ock- så flera andra modifieringar användas.

Exempelvis kan en reningsenhet såsom en deoxiderings- eller en gasreningsenhet installeras nedströms efter mem- branseparatorn, för åstadkommande av en kvävgasström med hög renhet. En deoxideringsenhet är en enhet i vilken vanligtvis en del kvävgas är anordnad att katalytiskt för- brännas med det syre som återfinns i kvävgasen. En gas- reningsenhet har samma deoxidationsfunktion och utnyttjar exempelvis en liten mängd silangas SiH4, som är ett kraf- tigt reduktionsmedel, som reagerar med syret under välkän- da betingelser.

Membranenheten kan vidare installeras inomhus i samma byggnad som den kryogena processen, PSA- och/eller VSA- -processen för skydd mot dåligt väder och för förenkling av underhållet.

Membranenheten kan vidare styras med samma dator, eller styrenheter som resten av den kryogena processen, PSA- och/eller VSA-processen. 506 864 10 Luftinloppet på och den avgående gasen från PSA- och/eller VSA-processen kan vidare vara anslutna till varandra. Detta möjliggör matning av gas som redan är berikad med kväve till membranseparatorn i stället för vanlig luft. En mellanliggande bufferttank med adekvat kondensatavluftning kan behövas.

Den avgående syreberikade gasströmmen från membran- separatorn kan också återvinnas och insprutas vid PSA- och/eller VSA-adsorberarnas inlopp antingen uppströms eller nedströms i förhållande till PSA-tryckluftkompres- sorn eller VSA-luftblåsaren.

För ytterligare beskrivning av föreliggande uppfin- ning kommer nu Fig 1-4 att beskrivas mera detaljerat.

Fig l visar för uppfinningens ändamål de grundläg- gande dragen hos en syrgasanläggning enligt känd teknik.

Separatoranläggningen som producerar syrgasprodukt kan vara av vilken typ som helst (PSA, VSA, kryogen, etc) som tidigare beskrivits, och styrs av organ såsom ventiler, påverkansdon, etc. Dessa organ är pneumatiskt reglerade organ, vilka behöver tryckluft (eller gas) för påverkan.

Anläggningen omfattar sålunda en tryckluftskompressor (eller tryckgaskompressor), som matar organen via exempel- vis ett förfilter, en lufttorkare och ett följdfilter.

Tryckluftkompressorn är dimensionerad att täcka behoven av tryckluft till organen.

Fig 2 representerar en utföringsform av uppfinningen vad gäller en syrgasanläggning. Syrgasanläggningen är i grunden identisk med den i Fig l (även om förfilter, tor- kar och följdfilter inte visas). Tryckluftkompressorn är emellertid överdimensionerad jämfört med den i Fig 1, på så sätt att nämnda överdimensionerade kompressor också kan mata ett kvävgasmembransystem tillverkat av ett knippe av ihåliga fibrer vanligtvis tillverkade av en polymer, såsom polyamid, polyimid, polysulfon eller liknande, varvid nämnda knippe är placerat i ett förslutet hölje, varvid tryckluften matar utsidan av fibrerna medan syre före- trädesvis tränger igenom den ihåliga fiberns vägg (genom- 506 864 ll trängande gas), medan kväve inte tränger igenom (icke- -genomträngande gas). Den icke-genomträngande gasen, som kan vara kvävgas med en exceptionell renhet, återvinns såsom en produkt tillförd till användaren, medan den genomträngande gasen, som är en syreberikad gas (jämfört med luft), luftas (avgående gas) eller kan återvinnas och användas som en biprodukt.

Fig 3 visar en utföringsform av uppfinningen som är likadan som den i Fig 2 förutom att tryckluften som matar membranet antingen hämtas vid förfiltrets utlopp och sålunda kan innehålla en del fukt, eller efter torkning, och ytterligare en filtrering när torr luft är nödvändig, vilket är bättre för membranet (fuktig luft kan vara skad- lig för membranet).

Fig 4 visar det fall där organen påverkas av kompri- merad kvävgas från membransystemet. Efter förfiltrering matas tryckluften till membranet och kvävgasprodukten används både av användaren och efter filtrering för på- verkan av organen. Alternativt átervinns den utgående syreberikade gasen för matning av luftseparatoranlägg- ningen, speciellt i fallet med en PSA/VSA-syrgasenhet där detta kan förbättra systemets totala produktion.

För var och en av Fig 2-4 kan membransystemets tempe- ratur och/eller tryck regleras, vilket i en del fall kan möjliggöra generering av kvävgas med hög renhet med ett acceptabelt flöde, vilket krävs i elektroniktillämpningar.

För anordningen i respektive figur kan vidare mem- branseparatorn vara ett kaskadsystem, såsom beskrivs i den amerikanska patentskriften 5 240 471. Vilken typ av memb- rankaskadsystem som helst som åstadkommer kvävgas med olika renhet kan emellertid användas, såsom låg renhet för organen och högre renhet för användaren. Även om det är fördelaktigt att använda ett membran för produktion av kvävgasprodukt kan en PSA-kvävgasprocess användas i stället för membranet utan att detta faller utanför uppfinningen.

Claims (12)

506 864 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för tillhandahållande av kvävgas från en lokal luftseparatoranläggning, som ger åtminstone syrgas som en produkt, varvid luftseparatoranläggningen omfattar organ för matning av luft till luftseparator- organ, som separerar syre från kväve för produktion av åtminstone syrgas som en produkt, organ avsedda för driv- ning och/eller styrning av anläggningen under åtminstone vissa tidsperioder, under vilka luftseparation sker, varvid nämnda organ påverkas av tryckluft och trycklufts- kompressororgan för komprimering av luft och för genere- ring av tryckluft för matning av nämnda organ för drivning och/eller styrning av anläggningen, k ä n n e t e c k - n a t av följande steg: a) matning av en luftström till nämnda trycklufts- kompressororgan som är överdimensionerat relativt tryckluftsbehoven för matning av nämnda organ, b) matning av åtminstone en del av tryckluftsströmmen från nämnda tryckluftskompressororgan till en kväve- membranseparator, vilket därigenom åstadkommer en ström av kvävgasprodukt, och c) luftning av en syreberikad luftström från membranet.

2. Förfarande enligt krav 1, vilket vidare omfattar matning av nämnda tryckluftsström från nämnda kompressor till en tork och/eller filter före matning av densamma till nämnda membranseparator.

3. Förfarande enligt krav l eller 2, varvid nämnda kvävemembranseparator är anordnad i två eller flera grupper, som ger kvävgas med olika renhet och tryck.

4. Förfarande enligt något av krav 1-3, vilket vidare omfattar ledning av nämnda ström av kvävgasprodukt från nämnda membranseparator till syreavlägsningsorgan för erhållande av kvävgas med hög renhet. 506 864 13

5. Förfarande enligt krav 4, varvid syrgasborttag- ningsorganet är en deoxideringsenhet eller en gasrenings- enhet.

6. Förfarande enligt något av krav 1-5, varvid nämnda lokala anläggning är en kryogen luftseparatorenhet.

7. Förfarande enligt något av krav l-6, varvid nämnda lokala anläggning är en tryckadsorptionssenhet och/eller en vakuumadsorptionsenhet.

8. Förfarande enligt krav 7, vilket vidare omfattar insprutning av avgående gas från nämnda tryckadsorptions- enhet och/eller vakuumadsorptionsenhet till trycklufts- kompressorns inlopp, vilken gas är berikad med kvävgas.

9. Förfarande enligt krav l eller 8, vilket vidare omfattar återvinning av den avgående syreberikade strömmen från åtminstone en membranseparator och insprutning av densamma vid ett inlopp av en eller flera adsorptionsen- heter av PSA- och/eller VSA-enheten.

10. Förfarande enligt något av krav 1-9, vilket om- fattar återvinning av den syreberikade luftströmmen från membranet i stället för luftning av densamma.

11. ll. Förfarande enligt något av krav 1-10, vilket vidare omfattar matning av ytterligare ett membran med den syreberikade luftströmmen från kvävgasmembranet i stället för luftning av denna.

12. Förfarande enligt krav ll, varvid nämnda ytterli- gare membran är ett kvävgasmembran.