ITMI961471A1 - AIR FRACTIONATION SYSTEM, OR A MIXTURE OF OXYGEN AND NITROGEN, FOR THE PREPARATION OF NITROGEN. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Il presente trovato ha come oggetto un impianto di frazionamento dell'aria, o di una miscela di ossigeno e di azoto, per la produzione di azoto. The present invention relates to a plant for the fractionation of air, or of a mixture of oxygen and nitrogen, for the production of nitrogen.
Attualmente, gli impianti di frazionamento dell'aria per la produzione di azoto in pressione e purezza superiore al 98%, operano con una sola colonna di frazionamento. In questi tipi di impianto, la colonna di frazionamento è alimentata con aria compressa, parzialmente liquefatta, ottenendo, alla sommità della colonna, azoto in pressione e purezza superiore al 98% e, alla base della colonna, una miscela ternaria liquida costituita da ossigeno, azoto ed argon. L'azoto liquido di riflusso per la rettifica viene ottenuto condensando, in uno scambiatore di calore con funzione di condensétore-evaporatore, parte dell'azoto gassoso che sale nella colonna evaporando, previo sottoraffreddamento ed espansione adiabatica, la miscela ternaria liquida ottenuta alla base della colonna. Currently, the air fractionation plants for the production of nitrogen under pressure and purity higher than 98%, operate with a single fractionation column. In these types of plants, the fractionation column is fed with compressed air, partially liquefied, obtaining, at the top of the column, nitrogen under pressure and purity higher than 98% and, at the base of the column, a liquid ternary mixture consisting of oxygen, nitrogen and argon. The reflux liquid nitrogen for rectification is obtained by condensing, in a heat exchanger with the function of condenser-evaporator, part of the gaseous nitrogen that rises in the column, evaporating, after subcooling and adiabatic expansion, the liquid ternary mixture obtained at the base of the column.
All'uscita dello scambiatore, con funzione di condensatore-evaporatore, la miscela ternaria, previo riscaldamento, subisce un'espansione isoentropica, fornendo le frigorie necessarie per compensare le perdite termiche dell'impianto e ottenere parte dell'azoto prodotto allo stato liquido. At the outlet of the exchanger, acting as a condenser-evaporator, the ternary mixture, after heating, undergoes isentropic expansion, providing the frigories necessary to compensate for the thermal losses of the system and obtain part of the nitrogen produced in the liquid state.
L'azoto prodotto con questo tipo di impianto è solo una parte dell'azoto contenuto nell'aria trattata nella colonna di frazionamento in quanto una parte si trova nella miscela ternaria liquida che si forma alla base della colonna di frazionamento. The nitrogen produced with this type of plant is only a part of the nitrogen contained in the air treated in the fractionation column as a part is found in the liquid ternary mixture that forms at the base of the fractionation column.
Con gli impianti di questo genere, generalmente, si ottiene una produzione di azoto che è generalmente pari al 40-50% dell’aria che alimenta la colonna di frazionamento. With plants of this kind, generally, a nitrogen production is obtained which is generally equal to 40-50% of the air that feeds the fractionation column.
Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un impianto di frazionamento dell'aria, o di una miscela di ossigeno ed azoto, che consenta di produrre azoto con un rendimento di estrazione superiore rispetto al rendimento ottenibile con gli impianti di tipo tradizionale. The aim of the present invention is to provide an air separation plant, or a mixture of oxygen and nitrogen, which allows nitrogen to be produced with an extraction efficiency higher than the efficiency obtainable with traditional type systems.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di realizzare un impianto che, presentando un rendimento superiore rispetto al rendimento degli impianti di tipo tradizionale, consenta un considerevole risparmio di energia per m di azoto prodotto. Within the scope of this aim, an object of the invention is to provide a system which, having a higher efficiency than the efficiency of traditional systems, allows a considerable saving of energy per m of nitrogen produced.
Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un impianto che presenti un'elevata semplicità di conduzione. Another object of the invention is to provide a plant which is extremely simple to operate.
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un impianto di frazionamento dell'aria, o di una miscela di ossigeno ed azoto, per la produzione di azoto, caratterizzato dal fatto di comprendere: This task, as well as these and other purposes which will appear better later, are achieved by a plant for the fractionation of the air, or of a mixture of oxygen and nitrogen, for the production of nitrogen, characterized in that it comprises:
-una colonna di frazionamento, provvista di un condotto di immissione di aria, o di una miscela di ossigeno ed azoto, di un condotto di uscita dell'azoto posto alla sommità della colonna di frazionamento e di un condotto di uscita della miscela ternaria, costituita da ossigeno, azoto ed argon, posto in prossimità della base della colonna di frazionamento; - a fractionation column, equipped with an inlet duct for air, or a mixture of oxygen and nitrogen, a nitrogen outlet duct placed at the top of the fractionation column and an outlet duct for the ternary mixture, consisting of from oxygen, nitrogen and argon, placed near the base of the fractionation column;
-un circuito chiuso, attuante un ciclo frigorifero o frigorigeno a gas comprendente, in sequenza: - a closed circuit, implementing a refrigeration or gas refrigeration cycle comprising, in sequence:
-un compressore; - a compressor;
-una linea di scambio per portare il gas frigorifero o frigorigeno ad una temperatura prossima alla liquefazione; - an exchange line to bring the refrigerating or refrigerating gas to a temperature close to liquefaction;
-un primo scambiatore di calore svolgente la funzione di condensatore per detto ciclo ed attuante l'evaporazione della miscela ternaria alla base di detta colonna; -a first heat exchanger performing the function of condenser for said cycle and carrying out the evaporation of the ternary mixture at the base of said column;
-un secondo scambiatore di calore con funzione di sottoraffreddatore per il gas in uscita da detto primo scambiatore di calore; -a second heat exchanger acting as a subcooler for the gas leaving said first heat exchanger;
-un organo di espansione; - an expansion organ;
-un terzo scambiatore di calore, svolgente funzione di evaporatore per detto ciclo ed attuante la condensazione dell'azoto alla sommità di detta colonna per il riflusso di rettifica. -a third heat exchanger, acting as an evaporator for said cycle and carrying out the condensation of the nitrogen at the top of said column for the rectification reflux.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, dell'impianto di frazionamento secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui l'unica figura illustra schematicamente l'impianto secondo il trovato. Further characteristics and advantages of the invention will become clearer from the description of a preferred but not exclusive embodiment of the fractionation plant according to the invention, illustrated, by way of non-limiting example, in the accompanying drawings, in which the only figure illustrates schematically the plant according to the invention.
Ccn riferimento a tale figura, l'impianto di frazionamento secondo il trovato, comprende una colonna di frazionamento 1 che può essere costituita da una colonna di frazionamento di tipo noto, ad esempio una colonna di frazionamento a piatti, a riempimento, o altro tipo di colonna esperimentato e normalmente utilizzato in impianti di frazionamento dell'aria per la produzione di azoto. With reference to this figure, the fractionation plant according to the invention comprises a fractionation column 1 which can be constituted by a fractionation column of a known type, for example a plate fractionation column, filled, or other type of column tested and normally used in air separation plants for the production of nitrogen.
La.colonna di frazionamento 1 è dotata di un condotto 2 attraverso il quale l'aria compressa, o più generalmente una miscela di ossigeno ed azoto, viene immessa all'interno della colonna di frazionamento 1. The fractionation column 1 is equipped with a duct 2 through which the compressed air, or more generally a mixture of oxygen and nitrogen, is introduced into the fractionation column 1.
In prossimità della base della colonna 1, è previsto un condotto di uscita 3 per la miscela ternaria, costituita da ossigeno, azoto ed argon che scende verso la base della colonna 1 e, in corrispondenza della sommità della colonna 1, è previsto un condotto di uscita 4 per l'azoto gassoso che sale nella colonna di frazionamento 1. In proximity to the base of the column 1, an outlet duct 3 is provided for the ternary mixture, consisting of oxygen, nitrogen and argon which descends towards the base of the column 1 and, at the top of the column 1, a duct is provided for outlet 4 for the gaseous nitrogen rising in the fractionation column 1.
L'impianto di frazionamento comprende inoltre un circuito chiuso, indicato globalmente con il numero di riferimento 6 e rappresentato in evidenza nella figura, che attua un ciclo frigorifero o frigorigeno a gas. The fractionation plant also comprises a closed circuit, globally indicated by the reference number 6 and shown in evidence in the figure, which carries out a refrigeration or gas refrigeration cycle.
Più particolarmente, il circuito 6 comprende un compressore 7 per operare la compressione del gas che viene fatto circolare, dallo stesso compressore 7, lungo il circuito 6. More particularly, the circuit 6 comprises a compressor 7 for compressing the gas which is made to circulate, by the compressor 7 itself, along the circuit 6.
Il gas che viene fatto circolare all'interno del circuito 6 è preferibilmente costituito da argon, oppure da una miscela di gas contenente una percentuale di argon almeno pari al 40%. The gas that is circulated inside the circuit 6 is preferably constituted by argon, or by a gas mixture containing a percentage of argon equal to at least 40%.
In alternativa, il gas che viene fatto circolare all'interno del circuito 6 potrà essere costituito anche da un gas frigorigeno di tipo noto. Alternatively, the gas which is circulated inside the circuit 6 can also consist of a known refrigerant gas.
Lungo il circuito 6, a partire dal compressore 7, sono previsti: una linea di scambio per portare il gas frigorifero o frigorigeno ad una temperatura prossima alla liquefazione, un primo scambiatore 8 con funzione di condensatore per il gas spinto lungo tale circuito, un secondo scambiatore di calore 9 con funzione di sottoraffreddatore, un organo di espansione 10 ed un terzo scambiatore di calore 11 con funzione di evaporatore. Along circuit 6, starting from compressor 7, there are: an exchange line to bring the refrigerating or refrigerating gas to a temperature close to liquefaction, a first exchanger 8 acting as a condenser for the gas pushed along this circuit, a second heat exchanger 9 with the function of subcooler, an expansion member 10 and a third heat exchanger 11 with the function of evaporator.
La linea di scambio per portare il gas frigorifero o frigorigeno ad una temperatura prossima alla liquefazione comprende un quarto scambiatore biatore di calore 12 viene anche operato il raffreddamento dell'aria prima della sua immissione nella colonna 12 ed un ulteriore riscaldamento della miscela ternaria successivamente ad una fase di espansione operata in una turbina 13. The exchange line to bring the refrigerating or refrigerating gas to a temperature close to liquefaction comprises a fourth heat exchanger 12, the air is also cooled before its introduction into the column 12 and a further heating of the ternary mixture after a expansion phase carried out in a turbine 13.
Più particolarmente, una parte della miscela ternaria gassosa, prelevata attraverso il condotto 3, viene sottoposta a riscaldamento nello scambiatore di calore 12 e quindi sottoposta ad espansione isoentropica nella turbina 13. La composizione della miscela ternaria gassosa è diversa dalla composizione ternaria liquida che si forma alla base della colonna di frazionamento 1. L'espansione isoentropica della miscela ternaria gassosa fornisce le frigorie necessarie per compensare le perdite termiche dell'impianto e per ottenere parte dell'azoto prodotto allo stato liquido. More particularly, a part of the gaseous ternary mixture, withdrawn through the duct 3, is subjected to heating in the heat exchanger 12 and then subjected to isentropic expansion in the turbine 13. The composition of the gaseous ternary mixture is different from the liquid ternary composition that is formed at the base of the fractionation column 1. The isentropic expansion of the gaseous ternary mixture provides the frigories necessary to compensate for the thermal losses of the system and to obtain part of the nitrogen produced in the liquid state.
Per completezza descrittiva, occorre dire che sulla linea di alimentazione dell'aria, o della miscela di ossigeno e di azoto, sono disposti, in modo di per sè noto, un filtro 14, un compressore 15, che può essere azionate mediante la turbina 13 che espande la miscela ternaria preventivamente riscaldata, un prepurificatore 16 ed un separatore di fase 17. For the sake of completeness of description, it must be said that on the supply line of the air, or of the mixture of oxygen and nitrogen, there are arranged, in a per se known manner, a filter 14, a compressor 15, which can be operated by means of the turbine 13 which expands the previously heated ternary mixture, a prepurifier 16 and a phase separator 17.
In prossimità della sommità della colonna 1 si può prevedere inoltre un condotto 4a per il prelievo di azoto allo stato liquido. A duct 4a can also be provided near the top of the column 1 for drawing nitrogen in the liquid state.
Il funzionamento dell'impianto secondo il trovato è il seguente. L'aria compressa, o la miscela di ossigeno ed azoto compressa, preferibilmente ad una pressione che è sostanzialmente compresa tra 2 e 20 bar, viene immessa dopo l'essiccazione e la decarbonatazione operata nel prepurificatore 17, viene immessa, parzialmente liquefatta, attraverso il condotto 2 e il separatore di fase 17, all'interno della colonna di frazionamendi calore 12 interposto tra il compressore 7 e in primo scambiatore di calore 8. The operation of the plant according to the invention is as follows. The compressed air, or the mixture of oxygen and compressed nitrogen, preferably at a pressure which is substantially between 2 and 20 bar, is introduced after the drying and decarbonation carried out in the prepurifier 17, it is introduced, partially liquefied, through the duct 2 and the phase separator 17, inside the heat fractionation column 12 interposed between the compressor 7 and the first heat exchanger 8.
Il primo scambiatore di calore 8, nel quale viene attuata la condensazione del gas che circola all'interno del circuito 6, utilizza quale fluido refrigerante la miscela ternaria alla base della colonna 1. The first heat exchanger 8, in which the gas that circulates inside the circuit 6 is condensed, uses the ternary mixture at the base of the column 1 as the refrigerant fluid.
Il secondo scambiatore di calore 9, nel quale viene attuato un sottoraffreddamento del gas che circola all'interno del circuito 6, utilizza quale fluido refrigerante l'azoto che esce alla sommità della colonna 1, nonché lo stesso gas in uscita dal terzo scambiatore di calore 11. Il secondo scambiatore di calore 9 potrà utilizzare, in aggiunta o in sostituzione dell'azoto o del gas che esce dal terzo scambiatore di calore 11, anche un fluido refrigerante esterno. The second heat exchanger 9, in which the gas circulating inside the circuit 6 is subcooled, uses the nitrogen that exits at the top of the column 1 as the refrigerant fluid, as well as the same gas exiting the third heat exchanger 11. The second heat exchanger 9 can use, in addition to or in place of the nitrogen or the gas coming out of the third heat exchanger 11, also an external refrigerant fluid.
L'organo di espansione 10 potrà essere costituito, in modo di per sè noto, da una valvola di laminazione isoentalpica o da una macchina di espansione isoentropica. The expansion member 10 may be constituted, in a per se known manner, by an isenthalpic lamination valve or by an isentropic expansion machine.
Il terzo scambiatore di calore 11, nel quale viene attuata l'evaporazione del gas che circola all'interno del circuito 6, sottrae calore all'azoto alla sommità della colonna 1 provocandone la condensazione e il riflusso verso il basso, che ne deriva, viene utilizzato per la rettifica. The third heat exchanger 11, in which the evaporation of the gas circulating inside the circuit 6 is carried out, removes heat from the nitrogen at the top of the column 1, causing it to condense and the resulting reflux downwards, is used for rectification.
Il quarto scambiatore di calore 12, che svolge la funzione di raffreddatore per il gas che circola lungo il circuito 6, utilizza quali fluidi refrigeranti: la miscela ternaria in uscita dalla colonna attraverso il condotto 3, l'azoto in uscita dalla sommità della colonna attraverso il condotto 4, il gas del circuito 6 in uscita dal terzo scambiatore di calore 11 prima della sua immissione nel compressore 7. Nel quarto scarato 1. The fourth heat exchanger 12, which acts as a cooler for the gas circulating along the circuit 6, uses as refrigerant fluids: the ternary mixture leaving the column through the duct 3, the nitrogen leaving the top of the column through the duct 4, the gas of the circuit 6 exiting the third heat exchanger 11 before its introduction into the compressor 7. In the fourth discharging 1.
La miscela ternaria composta da ossigeno, azoto ed argon scende verso la base della colonna di frazionamento 1 e fuoriesce da questa attraverso il condotto 3. The ternary mixture composed of oxygen, nitrogen and argon descends towards the base of the fractionation column 1 and exits from this through the duct 3.
L'azoto, allo stato gassoso, sale lungo la colonna di frazionamento 1 e fuoriesce da questa attraverso il condotto 4. The nitrogen, in the gaseous state, rises along the fractionation column 1 and exits from this through the duct 4.
A seguito della condensazione dell'azoto operata dallo scambiatore di calore 11, una parte dell'azoto rifluisce verso il basso attuando la rettifica. Following the condensation of the nitrogen operated by the heat exchanger 11, a part of the nitrogen flows back downwards, carrying out the rectification.
Il gas che circola all'interno del circuito 6, in uscita dal compressore 7, presenta preferibilmente una pressione compresa tra 0 bar e 30 bar e viene convogliato attraverso il quarto scambiatore 12 ove subisce un primo raffreddamento. Il gas, in uscita dal quarto scambiatore 12, viene inviato attraverso il primo scambiatore di calore 8 ove tale gas subisce una condensazione cedendo calore alla miscela ternaria provocandone l'evaporazione. The gas which circulates inside the circuit 6, leaving the compressor 7, preferably has a pressure between 0 bar and 30 bar and is conveyed through the fourth exchanger 12 where it undergoes a first cooling. The gas, leaving the fourth exchanger 12, is sent through the first heat exchanger 8 where this gas undergoes condensation, giving up heat to the ternary mixture causing its evaporation.
Il gas del circuito 6, in uscita dal primo scambiatore 8, viene convogliato al secondo scambiatore di calore 9, ove subisce il sottoraffreddamento. The gas of the circuit 6, leaving the first exchanger 8, is conveyed to the second heat exchanger 9, where it undergoes subcooling.
Successivamente al sottoraffreddamento, il gas del circuito 6 viene sottoposto ad espansione esoentropica o esoentalpìca, e convogliato quindi all'interno del terzo scambiatore di calore 11 ove evapora sottraendo calore all'azoto e provocandone la condensazione. In pratica, il terzo scambiatore 11 costituisce un evaporatore per il circuito 6 e un condensatore per l'azoto alla sommità della colonna di frazionamento 1. After the subcooling, the gas of the circuit 6 is subjected to exentropic or exenthalpic expansion, and then conveyed inside the third heat exchanger 11 where it evaporates, subtracting heat from the nitrogen and causing its condensation. In practice, the third exchanger 11 constitutes an evaporator for the circuit 6 and a condenser for the nitrogen at the top of the fractionation column 1.
Il primo scambiatore di calore 8 costituisce un condensatore per il circuito 6 e, al tempo stesso, funge da ribollitore per la miscela ternaria alla base della colonna di frazionamento 1. The first heat exchanger 8 constitutes a condenser for the circuit 6 and, at the same time, acts as a reboiler for the ternary mixture at the base of the fractionation column 1.
Il gas del circuito 6, in uscita dal terzo scambiatore di calore 11, ritorna nel compressore 7 dopo essere stato riportato alla temperatura ambiente attraverso lo scambiatore 12. The gas of the circuit 6, leaving the third heat exchanger 11, returns to the compressor 7 after having been brought back to the ambient temperature through the exchanger 12.
L'azoto in uscita dalla colonna di frazionamento 1 attraverso il condotto 4 presenta una purezza superiore al 98%. The nitrogen leaving the fractionation column 1 through the duct 4 has a purity higher than 98%.
La quantità di azoto liquido prodotto dipende: dalla pressione di alimentazione dell'aria, o miscela di ossigeno ed azoto, alla colonna di frazionamento 1, dalla composizione della miscela ternaria gassosa in uscita dalla colonna di frazionamento 1, in quanto minore è la percentuale di ossigeno in tale miscela ternaria e maggiore è la quantità di miscela che viene inviata all'espansione isoentropica attuata dalla turbina 13. The quantity of liquid nitrogen produced depends on: on the air supply pressure, or mixture of oxygen and nitrogen, to the fractionation column 1, on the composition of the ternary gas mixture leaving the fractionation column 1, as the percentage of oxygen in this ternary mixture and the greater the quantity of mixture that is sent to the isentropic expansion carried out by the turbine 13.
Da prove sperimentali, si è verificato che la quantità di azoto che si ottiene con l'impianto secondo il presente trovato è superiore al 50%, e può raggiungere fino l'80%, della quantità di aria o miscela di ossigeno ed azoto immessa nella colonna di frazionamento 1. From experimental tests, it has been verified that the quantity of nitrogen obtained with the plant according to the present invention is greater than 50%, and can reach up to 80%, of the quantity of air or mixture of oxygen and nitrogen introduced into the fractionation column 1.
Si è in pratica constatato come l'impianto secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di produrre azoto con una purezza superiore al 98% e con un rendimento sensibilmente superiore rispetto al rendimento degli impianti per la produzione di azoto di tipo tradizionale; tale superiore rendimento consente un sensibile risparmio nei costi energetici per la conduzione dell'impianto stesso. In practice it has been found that the plant according to the invention fully achieves the intended aim as it allows nitrogen to be produced with a purity higher than 98% and with a significantly higher yield than the yield of conventional nitrogen production plants; this higher efficiency allows a significant saving in energy costs for running the plant itself.
L'impianto così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti. The system thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept; moreover, all the details can be replaced by other technically equivalent elements.
In pratica, i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica. In practice, the materials used, as well as the dimensions, may be any according to the requirements and the state of the art.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 0001 | Granted |