CS256142B1

CS256142B1 - Method of nitrogen production by means of low-temperature rectification of mixture containing oxygen,nitrogen and argon,usually air,and equipment for realization of this method

Info

Publication number: CS256142B1
Application number: CS862612A
Authority: CS
Inventors: Josef Holub; Vaclav Chrz
Original assignee: Josef Holub; Vaclav Chrz
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS261286A1

Abstract

Řešení se týká způsobu výroby dusíku ze vzduchu nízkoteplotní rektifikací v jedné koloně. Je charakterizován způsobem ochlazování dvou paralelních proudů vstupního vzduchu, při němž druhý proud, ochlazovaný nejdříve odpadní frakcí, je dále ochlazován dusíkem. Zařízení je charakterizováno vzájemným propojením tří dvouprosfórových výměníků tepla a jednoho tříprostorového tak, že nízkotlaké proudy mohou být zapojeny v mezitrubkových prostorech výměníků tepla a v každém výměníku se dosahují příznivé poměry průtoků. Řešení je možno použít při výrobě dusíku v chemickém průmyslu.The present invention relates to a process for producing nitrogen from air by low temperature rectification in one Column. It is characterized by the way cooling two parallel input streams air in which the second stream is cooled first the waste fraction is further nitrogen cooled. The device is characterized by interconnecting the three two-phosphorous ones heat exchangers and one three-space so that low-pressure currents they can be connected in inter-tube spaces heat exchangers and in each exchanger favorable flow rates are achieved. The solution can be used in the production of nitrogen in the chemical industry.

Description

Vynález se týká způsobu výroby dusíku nízkoteplotní rektifikací směsi, obsahující kyslík, dusík a argon, obvykle vzduchu, a zařízení k prováděni tohoto způsobu.The invention relates to a process for the production of nitrogen by low-temperature rectification of a mixture containing oxygen, nitrogen and argon, usually air, and to an apparatus for carrying out the process.

U dosud známých způsobů výroby dusíku je vzduch před vstupem do kolony ochlazován v jediném proudu společně vsend vystupujícími produkty, nebo je rozdělen na více proudů, z nichž alespoň jeden je ochlazován v celém rozsahu teplot týmž vystupujícím produktem. Nevýhodou tohoto způsobu je nízký koeficient přestupu tepla u vzduchu a velká tlaková ztráta u produktu. Nevýhodou zařízení k provádění takového způsobu, u nichž je vzduch obvykle v mezitrubkovém prostoru čtyřprostorového výměníku tepla, je velká hmotnost výměníku.In the prior art methods of nitrogen production, the air is cooled in a single stream together with all the exiting products before it enters the column, or is split into multiple streams, at least one of which is cooled over the entire temperature range by the same exiting product. The disadvantage of this method is the low heat transfer coefficient in the air and the high pressure drop across the product. A disadvantage of devices for carrying out such a process, in which air is usually in the inter-duct space of a four-chamber heat exchanger, is the high weight of the exchanger.

Shora uvedené nevýhody jsou odstraněny způsobem výroby dusíku nízkoteplotní rektifikací směsi, obsahující kyslík, dusík a argon, jejíž první proud je nejprve ochlazován dusíkem a druhý proud nejprve odpadní frakcí obohacenou kyslíkem, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že první proud je dále ochlazován nízkotlakou odpadní frakcí á druhý proud je dále ochlazován dusíkem a středotlakou odpadní frakcí.The above disadvantages are overcome by the method of producing nitrogen by low-temperature rectification of a mixture comprising oxygen, nitrogen and argon, the first stream of which is first cooled with nitrogen and the second stream of the first with the oxygen-enriched waste fraction of the invention. the low pressure effluent fraction and the second stream is further cooled with nitrogen and the medium pressure effluent fraction.

Nevýhody zařízení jsou odstraněny zařízením, sestávajícím zejména z kolony, z hlavního výměníku, a zkapalňovacího výměníku, jejichž první prostory jsou propojeny, dále z teplého a studeného výměníku, jejichž první prostory jsou rovněž propojeny, a vstupního potrubí, rozděleného do dvou větví, které je charakterizováno tím, že první větev je propojena přes druhý prostor teplého výměníku, první spojovací potrubí a druhý prostor zkapalňovacího výměníku s potrubím vstupu kolony a druhá větev je propojena přes druhý prostor hlavního výměníku, druhé spojovací potrubí a druhý prostor studeného výměníku rovněž s potrubím vstupu kolony, přičemž středotlaký prostor kondenzátoru je potrubím středotlaké odpadní frakce propojen se vstupem turbiny s výhodou přes třetí prostor studeného výměníku.Disadvantages of the apparatus are eliminated by the apparatus consisting mainly of a column, a main exchanger, and a liquefaction exchanger whose first compartments are interconnected, a hot and cold exchanger whose first compartments are also interconnected, and an inlet pipe divided into two branches which is characterized in that the first branch is connected through the second heat exchanger compartment, the first connecting conduit and the second condensation exchanger compartment with the column inlet conduit and the second branch is connected through the second main heat exchanger compartment, the second connecting conduit and the second cold exchanger compartment also with the column inlet conduit wherein the medium-pressure condenser space is connected to the turbine inlet via a medium-pressure waste fraction line, preferably via a third space of the cold exchanger.

Způsob výroby dusíku podle vynálezu má výhodu, že proudy vzduchu, které se rozdělí přibližně v poměru průtoků vystupujících produktů, jsou pod teplotní úrovní vstupu expanzní turbiny opět chlazeny proudy, které jsou přibližně ve stejném poměru průtoků, aniž by muselo být prováděno jejich přerozdělení, a přitom je umožněna výměna tepla za výhodných hydrodynamických podmínek.The process for producing nitrogen according to the invention has the advantage that the air streams, which are distributed approximately in the flow ratio of the exiting products, are again cooled below the temperature level of the expansion turbine inlet, with streams which are approximately the same flow ratio without having to be redistributed; heat exchange under favorable hydrodynamic conditions is possible.

Výhodou zařízení podle vynálezu je, že nízkotlaké prostory výměníku tepla mohou být uspořádány vně teplosměnných trubek v hlavním a zkapalňovacím výměníku, zatímco v teplém a studeném výměníku jsou všechny prostory tlakové. Takové uspořádání umožňuje dosáhnout nízkou hmotnost výměníku tepla, neboť průtočné průřezy ve výměnících tepla vhodně odpovídají průtočným objemům plynů. Příkladné provedení způsob.u výroby dusíku podle vynálezu je zřejmé ze zjednodušeného technologického schématu zařízení k provádění způsobu na přiloženém obrázku.An advantage of the device according to the invention is that the low-pressure heat exchanger spaces can be arranged outside the heat exchange tubes in the main and liquefaction exchanger, while in the hot and cold exchanger all the spaces are pressurized. Such an arrangement makes it possible to achieve a low weight of the heat exchanger, since the flow cross-sections in the heat exchangers suitably correspond to the flow volumes of the gases. An exemplary embodiment of the process for producing nitrogen according to the invention is apparent from the simplified flow diagram of the apparatus for carrying out the process in the attached figure.

PříkladExample

Dělená směs kyslíku, dusíku a argonu, v tom případě vzduch, stlačený na 0,7 MPa, se přivádí vstupním potrubím 2 ^a rozděluje se na první a druhý proud. Jeho průtok činí 1 000 kmol/h. První proud prochází přes regulační armaturu 18 první větví 10 nejprve do druhého prostoru 24 teplého výměníku 2» kde se ochlazuje dusíkem, dále prvním spojovacím potrubím 13 a druhým prostorem 22 zkapalňovacího výměníku 2' kde se ochlazuje nízkotlakou odpadní frakcí, pak přes potrubí 12 vstupu kolony do paty kolony 2· Druhý proud prochíizí větví 11 nejprve do druhého prostoru 20 hlavního výměníku kde je ochlazován nízkotlakou odpadní frakcí, dále druhým spojovacím potrubím 14 a druhým prostorem 26 studeného výměníku 4, kde se ochlazuje dusíkem a středotlakou odpadní frakcí, pak rovněž přes potrubí 12 vstupu kolony do paty kolony 5·The split mixture of oxygen, nitrogen and argon, in which case the air, compressed to 0.7 MPa, is fed through inlet line 2 ^and divided into first and second streams. Its flow rate is 1,000 kmol / h. The first stream passes through the control valve 18 through the first branch 10 first to the second space 24 of the heat exchanger 2, where it is cooled with nitrogen, then through the first connecting line 13 and the second space 22 of the liquefaction exchanger 2 '. at the bottom of the column 2 · A second stream passes through the branches 11 first into the second space 20 of the main exchanger where it is cooled by the low-pressure waste fraction, then through the second connecting line 14 and the second space 26 of the cold exchanger 4 12 column inlet to column bottom 5 ·

Přitom se oba proudy vzduchu ochladí na teplotu kondensace asi 103 Κ. V koloně 2 se vzduch dělí rektifikací. Kondensace horního produktu pro zpětný tok v koloně se uskutečňuje v tlakovém prostoru 16 kondensátoru £. 7. tlakového prostoru 1_6 se odvádí tlakový dusík průtokem 380 kmol/h přes první prostor 25 studeného výměníku £ a první prostor 23 výměníku 3_i přičemž se ohřívá nejprve druhým a potom prvním proudem stlačeného vzduchu. V patě kolony se shromaž3 256142Both air jets are cooled to a condensation temperature of about 103 Κ. In column 2, the air is divided by rectification. The condensation of the top product for the backflow in the column takes place in the pressure space 16 of the capacitor 6. The pressure chamber 16 is evacuated with pressurized nitrogen at a flow rate of 380 kmol / h through the first chamber 25 of the cold exchanger 6 and the first chamber 23 of the exchanger 31, heating first with a second and then with a first stream of compressed air. 256142 was collected at the bottom of the column

Suje kapalná odpadní frakce obohacená kyslíkem, která se přes škrticí ventil 1_ vede do středotlakého prostoru 15 kondensátoru j5, kde vře při tlaku 0,33 MPa. Odpařená středotlaká odpadní frakce je vedena při průtoku 620 kmol/h potrubím 17 středotlaké odpadní frakce přes třetí prostor 27 studeného výměníku 4^ na vstupní hrdlo expansní turbiny j). V turbině odpadní frakce expanduje z tlaku 0,31 MPa na tlak 0,130 MPa za konání vnější práce, která se odvádí hřídelem do brzdicího stroje 28. Přitom se ochladí na teplotu blízkou mezi kondensace. Nízkotlaká odpadní frakce z výstupu turbiny 8_ se vede přes první prostor 21 zkapalňovacího výměníku _2, kde se ohřívá prvním proudem stlačeného vzduchu, a přes první prostor 19 hlavního výměníku 1, kde se ohřívá druhým proudem stlačeného vzduchu. Průtok vzduchu do jednotlivých proudů je regulován regulační armaturou 18 tak, aby v teplém i hlavním výměníku byl zachován téměř stejný poměr průtoku vzduchu k produktu. To jest průtok prvního proudu asi 380 kmol/h a druhého proudu asi 620 kmol/h. V důsledku řešení podle vynálezu je pak v studeném i zkapalňovacím výměníku rovněž přibližně stejný poměr průtoku vzduchu k průtoku produktů 0,60 až 0,62, a tím je zajištěn výhodný průběh teplot při ochlazování vzduchu, který vede k nejmenším ztrátám chladu, potřebného pro provoz procesu. Všechny použité výměníky tepla jsou vinutého typu, u nichž průřez pro průtok v plášti bývá větší než v trubkách.The oxygen-enriched liquid waste fraction is passed through the throttle valve 7 into the medium pressure space 15 of the condenser 15, where it boils at a pressure of 0.33 MPa. The vaporized medium-pressure waste fraction is passed at a flow rate of 620 kmol / h through the medium-pressure waste fraction line 17 through the third space 27 of the cold exchanger 4 to the inlet branch of the expansion turbine j). In the turbine, the waste fraction expands from a pressure of 0.31 MPa to a pressure of 0.130 MPa under external work, which is discharged by the shaft to the braking machine 28. In doing so, it is cooled to a temperature close to the condensation limit. The low pressure waste fraction from the outlet of the turbine 8 is passed through the first chamber 21 of the liquefaction exchanger 2 where it is heated by the first stream of compressed air and through the first chamber 19 of the main exchanger 1 where it is heated by the second stream of compressed air. The air flow to the individual streams is controlled by the control fitting 18 so that the air to product ratio is kept almost the same in both the heat exchanger and the main exchanger. That is, the flow rate of the first stream is about 380 kmol / h and the second stream is about 620 kmol / h. As a result of the solution according to the invention, in the cold and liquefaction exchanger, the airflow to product flow ratio is also approximately equal to 0.60 to 0.62, thereby ensuring an advantageous temperature-cooling curve, which leads to the least cooling losses required for operation. process. All heat exchangers used are of the winding type, in which the cross-sectional area of the flow in the shell is usually greater than in the tubes.

Popsané příkladné řešení umožňuje vést nízkotlakou odpadní frakci v plášťovém prostoru výměníku a plyny s vyšším tlakem v trubkách. Tím vznikají příznivé hydrodynamické podmínky pro přestup tepla a výsledkem jsou menší rozměry výměníků tepla než při dosud známých řešeních.The described exemplary solution makes it possible to lead the low-pressure waste fraction in the shell of the exchanger and gases with higher pressure in the tubes. This results in favorable hydrodynamic conditions for heat transfer and results in smaller heat exchanger dimensions than in prior art solutions.

Vynález nachází uplatnění zejména u zařízení na výrobu dusíku ze vzduchu a směsí podobného složení.The invention finds particular application in plants for producing nitrogen from air and mixtures of similar composition.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Process for producing nitrogen by low-temperature rectification of a mixture comprising oxygen, nitrogen and argon, wherein the compressed mixture is divided into first and second streams, wherein the first stream is first cooled with nitrogen and the second first with oxygen-enriched waste fraction and cold is obtained by expanding the medium pressure waste fraction in an expansion turbine from which a low pressure waste fraction emerges, characterized in that the first stream is further cooled by the low pressure waste fraction and the second stream is further cooled by nitrogen and the medium pressure waste fraction.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising, in particular, an inlet duct bifurcated into a first and a second branch, a column, a pressurized and medium pressure condenser, a turbine, heat exchangers and a duct, the turbine outlet being connected via a duct through the first the liquefaction exchanger compartment with the first main heat exchanger compartment and the column head being connected via a conduit, optionally through a condenser pressure compartment, to the first cold heat exchanger compartment and the first heat exchanger compartment, characterized in that the first branch (10) is connected through a second heat compartment (24) exchanger (3), first connecting pipe (13) and second chamber (22) of the liquefaction exchanger (2) with the pipe (12) of the column inlet (5) and the second branch (11) is connected through the second chamber (20) of the main exchanger (1). ), a second connecting pipe (14) and a second chamber (26) of the cold exchanger (4) also with the pipe inlet (12) of the wheel The medium pressure space (15) of the condenser (6) is connected to the inlet of the turbine (8) via a medium pressure line (17), preferably via a third space (27) of the cold exchanger (4).

1 drawing

Severography, η. p., MOST

Price 2,40 Kčs