NL8304118A

NL8304118A - Werkwijze voor de produktie van stikstofgas.

Info

Publication number: NL8304118A
Application number: NL8304118A
Authority: NL
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1982-12-02
Filing date: 1983-12-01
Publication date: 1984-07-02
Also published as: DK551983D0; GB2131147A; DK161084B; NO834422L; NO162258B; US4453957A; DK551983A; GB8332133D0; GB2131147B; CA1210315A; DK161084C

Description

,, i -Τ' N.0. 32115

Werkwijze voor de produktie van stlkstofgas*

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het winnen van stikstofgas en ligt in het algemeen op het gebied van de cryogene scheiding van lucht en in het bijzonder op het gebied van de cryogene scheiding van lucht voor het winnen van stikstof* 5 Een toepassing van stikstof, die steeds belangrijker wordt, is als vloeistof voor toepassing bij technieken voor de secundaire winning van olie of gas. Bij dergelijke technieken wordt een vloeistof in de grond gepompt om de verwijdering van olie of gas uit de grond te vergemakkelijken. Stikstof is vaak de gebruikte vloeistof, omdat deze relatief 10 overvloedige mate beschikbaar is en omdat het verbranding niet ondersteunt.

Wanneer stikstof wordt toegepast bij dergelijke verbeterde technieken voor het winnen van olie of gas, wordt het in het algemeen onder een verhoogde druk, die ongeveer 3447 - 68948 kPa kan bedragen, in de 15 grond gepompt.

De produktie van stikstof door cryogene scheiding van lucht is algemeen bekend. Bij een algemeen bekende werkwijze worden twee kolommen met een onderlinge warmte-uitwLsseling toegepast. De ene kolom bevindt zich onder een betrekkelijk hoge druk, en hierin wordt de lucht tevoren 20 gescheiden in een met zuurstof verrijkte fractie en een fractie, die rijk is aan stikstof. De andere kolom bevindt zich onder betrekkelijk lage druk, waarin de uiteindelijke scheiding van de lucht en het pro-dukt wordt uitgevoerd. Met behulp van een dergelijke werkwijze onder toepassing van een dubbele kolom wordt de scheiding van lucht op doel-25 matige wijze uitgevoerd en kan een hoog percentage, tot ongeveer 90%, van de stikstof in het uitgangsmateriaal worden gewonnen. Een dergelijke werkwijze bezit echter een nadeel, wanneer de stikstof gewenst is voor de toepassing bij de verbeterde winning van olie of gas, omdat de geproduceerde stikstof een relatief lage druk, in het algemeen van on-30 geveer 103-172 kPa, bezit. Dit maakt een samenpersing in aanzienlijke mate van de stikstof noodzakelijk, voordat deze kan worden toegepast bij verbeterde methoden voor de winning van olie of gas. Deze verdere samenpersing is nogal kostbaar.

Er zijn ook cryogene werkwijzen voor het scheiden van lucht onder 35 toepassing van een enkele kolom bekend, waarbij stikstof onder hoge druk, met name onder een druk van ongeveer 483-621 kPa, wordt geproduceerd. Stikstof met een dergelijke druk vermindert aanzienlijk de kosten van het onder druk brengen van de stikstof tot de waarde, die nodig 8 3 0 ί 1 1 6 2 t i « is voor de verbeterde winningsmethoden voor olie en gas in vergelijking met de kosten van het onder druk brengen van de stikstof, die wordt ge-produceerd door scheiding onder toepassing van een gebruikelijke dubbele kolom. Met dergelijke werkwijzen, waarbij een enkele kolom wordt 5 toegepast, kan echter slechts een betrekkelijk laag percentage, namelijk maximaal ongeveer 60%, van de stikstof in de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht worden gewonnen. Bovendien zal bij het uitvoeren van de scheiding in.de kolom onder een hogere druk teneinde stikstof te produceren met een hogere druk dan ongeveer 489-629 kPa zelfs een lager per-10 centage dan de hierboven aangegeven 60% worden gewonnen.

Bij een andere bekende werkwijze voor de produktie van stikstof onder hoge druk, wordt een gebruikelijke dubbele kolom toegepast, die onder verhoogde druk wordt bedreven. Deze inrichting lijkt op de gebruikelijke inrichting met een dubbele kolom, maar de als uitgangsmate-15 riaal gebruikte lucht bezit een verhoogde druk en daardoor worden de kolommen onder een hogere druk bedreven. Aangezien de bovenste kolom onder een hogere druk wordt bedreven dan in de gebruikelijke inrichting met een dubbele kolom, wordt de geproduceerde stikstof met een toegenomen druk verkregen. Deze werkwijze bezit echter het nadeel, dat alle 20 bij de werkwijze gebruikte vloeistoffen in de bovenste kolom worden behandeld, hetgeen een toename van de afmetingen van de bovenste kolom tot gevolg heeft. Een ander nadeel is dat de druk van de geproduceerde stikstof beperkt wordt tot de druk van de bovenste of onderste drukko-lom.

25 Nog een andere werkwijze voor het produceren van stikstof onder verhoogde druk wordt beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.222.756. In dit octrooischrift wordt de toepassing beschreven van een dubbele kolom met een terugvloeicondensor in de bovenste kolom. Bij deze werkwijze wordt stikstof met verhoogde druk bovenuit de bovenste ko-30 lom gewonnen en wordt in die bovenste kolom terugvloeiing tot stand gebracht door expanderen van met zuurstof onder hoge druk verrijkte vloeistof, die onder in die bovenste kolom is geproduceerd. Deze werkwijze bezit echter ook het nadeel, dat alle bij de werkwijze gebruikte vloeistoffen in de bovenste kolom moeten worden behandeld, hetgeen een 35 toename van de afmetingen van de bovenste kolom tot gevolg heeft. Verder is deze werkwijze nadelig omdat de druk van de geproduceerde stikstof beperkt is tot de druk van de bovenste of onderste drukkolom.

Weer een andere werkwijze voor de produktie van stikstof onder hoge druk omvat het verwijderen van enige geproduceerde stikstof aan de 40 bovenzijde van de onderste of de onder betrekkelijk hoge druk bedreven 8 3 0½ 1 18 Ψ -¾ 3 kolom. De op deze wijze gewonnen stikstof wordt gewoonlijk aangeduid als "shelf vapor". Deze werkwijze is nadelig, omdat de shelf vapor, die als produkt wordt verwijderd, niet beschikbaar is voor de toepassing voor de terugvloeüng in de bovenste kolom. Dit heeft een nadelige in-5 vloed op de terugvloelverhouding van de bovenste kolom, wat een verminderde winning van stikstof tot gevolg heeft. Derhalve kan deze werkwijze alleen doelmatig worden toegepast voor de produktie van geringe hoeveelheden zich onder hoge druk bevindende stikstof.

Vaak is het gewenst zuurstof onder normale of verhoogde druk ter 10 beschikking te hebben voor de toepassing bij een werkwijze, die verwant is met de werkwijze, waarbij de stikstof onder verhoogde druk wordt toegepast. Bij wij2e van voorbeeld kan het in een dergelijke situatie gewenst zijn, zuurstof met een relatief geringe zuiverheid toe te voeren voor verbrandingsdoeleinden voor het voortbrengen van synthetische 15 brandstoffen en stikstof onder verhoogde druk voor een verbeterde winning van olie of gas. Een andere dergelijke toepassing zou kunnen liggen op het gebied van het zuiveren van metalen en bij het behandelen van metalen, zoals bij het zuiveren van aluminium, waarbij stikstof onder verhoogde druk kan worden toegepast voor het werken onder een stik-20 stofatmosfeer en zuurstof met een geringe zuiverheid kan worden toegepast voor de verbranding. Ofschoon er werkwijzen bekend zijn voor de produktie van stikstof en zuurstof, zou het gewenst zijn te beschikken over een werkwijze, waarbij grote hoeveelheden stikstof onder verhoogde druk en tevens enige zuurstof kunnen worden geproduceerd.

25 Derhalve heeft de uitvinding ten doel een werkwijze te verschaffen voor de cryogene scheiding van lucht onder toepassing van een dubbele kolom, waarbij stikstof onder verhoogde druk en met een grote opbrengst wordt gewonnen.

Verder heeft de uitvinding ten doel een werkwijze voor de cryogene 30 scheiding van lucht onder toepassing van een dubbele kolom te verschaffen, waarbij stikstof onder verhoogde druk en met een grote opbrengst wordt geproduceerd, terwijl de noodzaak van het behandelen van alle werkwijze-stromen in de bovenste kolom wordt vermeden.

Vervolgens heeft de uitvinding ten doel een werkwijze te verschaf-35 fen voor de cryogene scheiding van lucht onder toepassing van een dubbele kolom, waarbij stikstof in een grote opbrengst en onder verhoogde druk wordt geproduceerd, terwijl de druk van de geproduceerde stikstof niet wordt beperkt tot de druk van de bovenste of onderste drukkolom.

Verder heeft de uitvinding ten doel een werkwijze te verschaffen 40 voor de cryogene scheiding van lucht onder toepassing van een dubbele 83 04 1 18 4 r . .

kolom, waarbij stikstof onder verhoogde druk en met een hoge opbrengst wordt geproduceerd, door grote hoeveelheden stikstof te verwijderen uit de "shelf vapor" van de zich onder betrekkelijk hoge druk bevindende kolom als geproduceerde stikstof, terwijl de terugvloeiverhoudingen van 5 de bovenste kolom of de doelmatigheid van de scheiding van de bovenste kolom niet nadelig wordt beïnvloed.

Voorts heeft de uitvinding ten doel een werkwijze te verschaffen voor het op efficiënte wijze produceren van grote hoeveelheden stikstof onder verhoogde druk, terwijl tevens enige zuurstof wordt geprodu-10 ceerd.

De bovengenoemde en verdere doelstellingen, die de deskundige op dit gebied na lezen van deze beschrijving duidelijk zullen zijn, worden bereikt volgens een werkwijze voor de produktie van stikstofgas onder een druk, die groter is dan de atmosferische druk, door de scheiding 15 van lucht door rectificatie, waarbij men (A) gereinigde, gekoelde, als uitgangsmateriaal gebruikte lucht onder een druk, die groter is dan atmosferische druk, in een hoge-druk-kolom, die wordt bedreven onder een druk van ongeveer 552-2068 kPa brengt; 20 (B) de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht door rectificeren in de hoge-drukkolom scheidt in een eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie; (C) ongeveer 20-60 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, als stikstofgas onder hoge druk wint; 25 (D) de eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie brengt in een onder middelmatige druk bedreven kolom, die zodanig is opgesteld, dat met de hoge-drukkolom warmte-uitwisseling plaatsvindt, en die wordt bedreven onder een druk, die lager is dan de druk van de hoge-drukkolom en die ongeveer 276-1034 kPa bedraagt, en waarbij uitgangsmateriaal, 30 dat in de onder middelmatige druk bedreven kolom wordt gebracht, door rectificeren wordt gescheiden in een tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie; (Ξ) ongeveer 0-60 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, als stikstofgas onder middelmatige druk wint; 35 (F) een deel van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met een deel van de tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie, waarbij een eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een eerste met zuurstof verrijkt dampdeel worden gevormd; 40 (G) tenminste een gedeelte van het eerste vloeistofdeel, dat rijk 8304118 > · 5 is aan stikstof, gebruikt als vloeistofterugloop voor de hoge-drukkolom en het eerste, met zuurstof verrijkte dampdeel als dampterugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikt; (H) tenminste een deel van de tweede dampfractie, die rijk is aan 5 stikstof, door indirecte warate-uitwisseling met een deel van de tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie condenseert, waarbij een % tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkt dampdeel worden gevormd; (I) het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, gebruikt 10 als vloeibare terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom; (J) het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, als extra vloeibare terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikt in een hoeveelheid, die equivalent is aan de hoeveelheid van on- 15 geveer 0-40 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, zodat de som van deze hoeveelheid en van het onder hoge druk bij trap (C) gewonnen stikstofgas ongeveer 20-60 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, bedraagt; en (K) het tweede, met zuurstof verrijkte dampdeel uit het proces 20 verwijdert.

De in de onderhavige beschrijving en conclusies gebruikte uitdrukking "indirecte warmte-uitwisseling" betekent het in warmte-uitwisse-ling brengen van twee vloeistofstromen zonder enige fysische aanraking of onderling mengen van de vloeistoffen.

25 De in de onderhavige beschrijving en conclusies gebruikte uitdruk king "kolom" betekent een destillatie- of fractioneerkolom of -zone, dat wil zeggen een contactkolom of -zone, waarin vloeistof- en dampfa-sen in tegenstroom met elkaar in aanraking worden gebracht om scheiding van een vloeistofmengsel tot stand te brengen, zoals bijvoorbeeld door 30 in aanraking brengen van de damp- en vloeistoffasen aan een reeks in de kolom aangebrachte platen of schotels met vertikale tussenruimten of anderzijds aan vullichamen, waarmee de kolom gevuld is. Voor een verdere bespreking van destillatiekolommen wordt verwezen naar Chemical Engineers' Handbook, 5e druk, uitgegeven door R.H. Perry en 35 C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, deel 13, "Distillation" B.D. Smith c.s., biz. 13-3, The Continuous Distillation Process. De uitdrukking "dubbele kolom" wordt gebruikt voor het aangeven van een onder betrekkelijk hoge druk bedreven kolom, waarvan de bovenzijde zich in warmte-uitwisseling bevindt met de onderzijde van een 40 onder betrekkelijk lage druk bedreven kolom. Een verdere bespreking van 8 3 0 4 1 18 6 dubbele kolommen kan worden gevonden in Ruheman "The Separation. of Gases", Oxford University Press, 1949, hoofdstuk VII, Commercial Air Separation. Scheidingswerkwijzen waarbij damp en vloeistof met elkaar in aanraking worden gebracht, zijn afhankelijk van het verschil in 5 dampdruk van de componenten. De component met de hetrekkelijk hoge dampdruk (of de meer vluchtige of bij lage temperatuur kokende component) zal de neiging bezitten in de dampfase te worden geconcentreerd terwijl de component met de betrekkelijk lage dampdruk (of minder vluchtige of bij hoge temperatuur kokende component) de neiging zal belt) zitten in de vloeistoffase te worden geconcentreerd. Destillatie is de scheidingswerkwijze, waarbij verhitting van een vloeibaar mengsel kan worden toegepast voor het concentreren van de vluchtige component(en) in de dampfase en daarbij de minder vluchtige component(en) in de vloeistoffase. Gedeeltelijk condensatie is de scheidingswerkwijze, 15 waarbij koelen van een dampmengsel kan worden toegepast voor het concentreren van de vluchtige component(en) in de dampfase en daarbij de minder vluchtige component(en) in de vloeistoffase. Rectificatie of continue destillatie is de scheidingswerkwijze, waarbij opeenvolgende gedeeltelijke verdampingen en condensaties, zoals worden verkregen vol-20 gens een behandeling in tegenstroom van de damp- en vloeistof fasen, worden gecombineerd. Het in tegenstroom in aanraking brengen van de damp- en vloeistoffase is adiabatisch en kan integraal of differentiaal contact tussen de fasen omvatten. Inrichtingen voor de scheidingswerkwijzen, waarbij het principe van de rectificatie wordt gebruikt voor 25 het scheiden van mengsels, zijn rectificeerkolommen, destilleerkolommen of fractioneerkolommen, waarvan de namen vaak worden verwisseld.

De in de onderhavige beschrijving en conclusies gebruikte uitdrukking "gereinigde, gekoelde lucht" betekent lucht, die is gezuiverd van verontreinigingen zoals waterdamp en kooldioxide, en die een tempera-30 tuur beneden ongeveer 120°K, bij voorkeur beneden ongeveer 110°K bezit.

De in de onderhavige beschrijving en conclusies gebruikte uitdrukking "terugvloeiverhouding" betekent de numerieke verhouding van de vloeistofstroom tot de dampstroom, beide uitgedrukt in mol, die in te-35 genstroom met elkaar in aanraking worden gebracht in de kolom om scheiding tot stand te brengen.

De bij trap (J) gebruikte uitdrukking "equivalent" wordt gebruikt voor het aangeven van een vloeistof als damp en betekent als zodanig eerder equivalent, betrokken op de massa dan bijvoorbeeld equivalent, 40 betrokken op het volume.

Q % Λ ft A Q

V ” 3 «j 7

Fig. 1 is een schematische voorstelling van een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, waarin niets van het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, wordt gebruikt als vloeistofterugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom en 5 een zuurstofstroom wordt geëxpandeerd voor het verschaffen van koeling van de inrichting.

Fig. 2 is een schematische voorstelling van een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij een luchtstroom wordt geëxpandeerd voor het verschaffen van koeling van de 10 inrichting.

Fig. 3 is een schematische voorstelling van een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij een gedeelte van het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, wordt gebruikt als vloeistofterugloop voor de onder middelmatige druk bedre-15 ven kolom.

De uitvinding zal nader worden beschreven aan de hand van de tekeningen.

Volgens fig. 1 wordt als uitgangsmateriaal dienende, onder druk gebrachte lucht door de inrichting voor het sterk verlagen van de tem-20 peratuur ("desuperheater") 100 geleid, waar deze wordt gekoeld en gezuiverd van verontreinigingen, zoals waterdamp en kooldioxide, en waaruit de lucht bij 102 wordt afgevoerd in een toestand, die dicht ligt bij de verzadigingstoestand. De gekoelde, onder druk gebrachte, als uitgangsmateriaal gebruikte luchtstroom 102 wordt verdeeld in een on-25 dergeschikte fractie 105 en een overwegende fractie 107. Stroom 105 wordt gebruikt voor het oververhitten van terugkerende stromen in warm-te-uitwisselaar 135 en wordt na condensatie als vloeibare luchtstroom 106 in de hoge-druk-kolom 108 geleid, die wordt bedreven onder een druk van ongeveer 552-2068 kPa, bij voorkeur ongeveer 621-1656 kPa, in het 30 bijzonder ongeveer 689-1378 kPa. Stroom 107 wordt aan de onderzijde van kolom 108 als toegevoerde, zich onder hoge druk bevindende damp toegevoerd. In kolom 108 wordt de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht door rectificatie gescheiden in een eerste dampfase, die rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie. De eerste 35 dampfractie 109, die rijk is aan stikstof, wordt verdeeld in deel 111, dat 20-60 gew.%, bij voorkeur 30-50 gew.%, in het bijzonder 35-45 gew.% van fractie 109 omvat, en dat uit kolom 108 wordt verwijderd, door warmte-uitwisselaar 135 en desuperheater 100 wordt geleid en als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas als produkt 141 bij ongeveer ka-40 mertemperatuur wordt gewonnen. Het overblijvende deel 110 van de eerste 83 0 4 1 1 8 8 r * > dampfractie, die rijk is aan stikstof, wordt in condensor 134 gebracht. De eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie wordt onder uit kolom 108 als stroom 115 verwijderd, sterk gekoeld in warmte-uitwisselaar 116 tegen de uit de onder middelmatige druk bedreven kolom 118 terugkerende 5 stroom 125, door afsluiter 119 geëxpandeerd en in de onder middelmatige druk bedreven kolom 118 gebracht, die wordt bedreven onder een druk die lager is dan de druk van de hoge-druk-kolom 108, oftewel ongeveer 276-1034 kPa, bij voorkeur ongeveer 310-827 kPa en in het bijzonder ongeveer 345-621 kPa.

10 In kolom 118 wordt het toegevoerde materiaal door rectificatie ge scheiden in een tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie. De tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie wordt gedeeltelijk in dampvorm gebracht in condensor 134 door indirecte warmte-uitwisseling met deel 110 van de 15 eerste fractie, die rijk is aan stikstof, waarbij damp-terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom wordt geleverd. Het verkregen, gecondenseerde, eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, 112 wordt als vloeistof-terugloop teruggeleid naar de onder een hogere druk bedreven kolom 108.

20 Een deel 122 van de tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie wordt aan de onderzijde van de onder middelmatige druk bedreven kolom 118 verwijderd, sterk gekoeld in warmte-uitwisselaar 117 tegen terugkerende stroom 125, door afsluiter 124 geëxpandeerd en in condensor 130 gebracht, waar het in dampvorm wordt gebracht, wat de met zuurstof ver-25 rijkte stroom 125 geeft. Deze stroom wordt gebruikt als de koel-stroom in warmte-uitwisselaars 117 en 116 en wordt vervolgens door warmte-uitwisselaar 135 geleid en geëxpandeerd, voor het verschaffen van koeling van de inrichting, zoals later zal worden toegelicht.

De tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, 127 wordt in 30 stroom 129 en stroom 128 verdeeld. Stroom 129 omvat 0-60 gew.%, bij voorkeur 20-50 gew.%, in het bijzonder 35-45 gew.% van fractie 127 en wordt uit de onder middelmatige druk bedreven kolom 118 verwijderd, door warmte-uitwisselaar 135 en desuperheater 100 geleid en als zich onder middelmatige -druk bevindend stikstofgas 139 bij ongeveer kamer-35 temperatuur gewonnen. Het overblijvende deel 128 wordt gecondenseerd in warmte-uitwisselaar 130, wat het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, 131 geeft, dat wordt gebruikt als vloeistof-terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom.

In fig. 1 wordt een voorkeursuitvoeringsvorm geïllustreerd, waar-40 bij de zuurstofstroom 125 wordt geëxpandeerd voor het verschaffen van 8304113 9 koeling van de inrichting. Stroom 125 wordt oververhit in warmte-uit-wisselaar 135 en in de stromen 165 en 166 verdeeld. Stroom 165 wordt verwarmd door gedeeltelijk doorleiden door warmte-uitwisselaar 100.

Stroom 166 wordt door afsluiter 168 geëxpandeerd en onder een equiva-5 lente druk toegevoegd aan stroom 165, waarbij een gecombineerde afvalstroom 170 wordt gevormd, die in turbine 144 wordt geëxpandeerd, wat koeling van de fabriek verschaft. De verkregen, zich onder lage druk bevindende gekoelde stroom 145 wordt door desuperheater 100 geleid en als stroom 146 bij kamertemperatuur verwijderd.

10 Zoals wordt aangetoond kunnen volgens de werkwijze van de uitvin ding grote hoeveelheden zich onder hoge en middelmatige druk bevindende stikstof met een grote doelmatigheid worden geproduceerd. Deel 111, dat uit de hoge-druk-kolom wordt verwijderd en als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas als produkt wordt gewonnen, omvat een beduidend 15 grotere hoeveelheid van de stikstof in de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht dan tot dusver mogelijk was. Dit deel 111 kan worden verwijderd zonder de terugvloeiverhouding in de onder middelmatige druk bedreven kolom nadelig te beïnvloeden. Tot dusver zou bij een schei-dingswerkwijze onder toepassing van een dubbele kolom de verwijdering 20 uit de onder een hogere druk bedreven kolom van een aanzienlijk deel van de "shelf vapor", weergegeven door stroom 111 in fig. 1, leiden tot een vermindering van de hoeveelheid vloeistof-terugloop, die beschikbaar is voor de onder een lagere druk bedreven kolom, omdat tenminste ongeveer 40 gew.% van de shelf vapor na condensatie voor de toepassing 25 als vloeistof-terugloop moet worden teruggeleid naar de onder een hogere druk bedreven kolom. Indien een groot deel van de shelf vapor als produkt zou worden verwijderd, zou dit tot gevolg hebben, dat de onder een lagere druk bedreven kolom met een ondoelmatige terugvloeiverhouding zou worden bedreven. De werkwijze volgens de uitvinding lost dit 30 probleem op door het verschaffen van een compenserende hoeveelheid vloeistof-terugloop naar de onder een lagere druk bedreven kolom ter compensatie van het verlies van vloeistof-terugloop, die te wijten is aan de verwijdering van de zich onder een hoge of middelmatige druk bevindende stromen, die rijk zijn aan stikstof, uit het proces, en de te-35 rugvloeiverhouding van de onder een lagere druk bedreven kolom in een gebied houden, dat een goede scheiding tot gevolg zal hebben. Deze compensatie wordt tot stand gebracht door verwijderen van een deel van de tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie uit de bovenste kolom en toepassen van deze vloeistof voor het verschaffen van een vloeistof-40 terugvloeiing door condenseren van damp, die rijk is aan stikstof, in —* 8304118 10 een condensor aan de bovenzijde van de onder een lage druk bedreven kolom.

In de onderstaande tabel worden de resultaten opgesomd van een computersimulatie van de werkwijze volgens de uitvinding, die is uitge-5 voerd volgens de uitvoeringsvorm van fig. 1, waarbij het gewonnen, zich onder hoge druk bevindende stikstofgas ongeveer 40 gew.% was van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof. De verwijzingscijfers van de stromen komen overeen met die van fig. 1. De opbrengst van de gewonnen stikstof van het proces volgens tabel A is 77%.

10

Tabel A

Stroom Verwij zingscijfer Waarde

Als uitgangsmateriaal gebruikte lucht 101 15 stroom, m^/h 90.755 druk, kPa 1.020

Zuurstof bij de bovenste condensor 125 stroom, m^/h 32.791 zuiverheid, gew.% θ£ 58 20 druk, kPa 193

Zuurstof aan de warme zijde 146 stroom, m^/h 32.791 zuiverheid, gew.%* O2 58 druk, kPa 103 25 Als produkt verkregen, zich onder hoge druk bevindende stikstof 141 stroom, m^/h 34.688 zuiverheid, dpm O2 4 druk, kPa 951 30 Als produkt verkregen, zich onder middelmatige druk bevindende stikstof 139 stroom, m^/h 23.276 zuiverheid, dpm O2 4 druk, kPa 496 35

In fig. 2 wordt een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding toegelicht. De verwijzingscijfers in fig. 2 komen overeen met die van fig. 1 plus 100 wat betreft de overeenkomende elementen. Volgens de uitvoeringsvorm van fig. 2 wordt als uitgangsmate-40 riaal gebruikte lucht 201 door warmte-uitwisselaar 200 geleid, maar een kleine fractie 204 wordt slechts gedeeltelijk doorgeleid. Het overwe- 8304118 11 gende deel 203 passeert volledig warmte-uitwisselaar 200 en treedt uit als stroom 202. Stroom 204, de zogenaamde overmaat-luchtfractie, wordt door middel van turbine 244 geëxpandeerd voor het verschaffen van koeling van de inrichting en via 245 door warmte-uitwisselaar 200 bij 242 5 afgevoerd. De rest van de uitvoeringsvorm van fig. 2 is dezelfde als die van fig. 1, behalve dat de zuurstofstroom 225 niet met behulp van een turbine wordt geëxpandeerd.

Zoals blijkt zal de werkwijze volgens de uitvinding volgens fig. 1 of 2 op doelmatige wijze grote hoeveelheden zich onder hoge en middel-10 matige druk bevindende stikstof leveren. In een aantal situaties kan het gewenst zijn ook een hoeveelheid zuurstof met een grotere zuiverheid dan de volgens de uitvoeringsvorm van fig. 1 verkrijgbare zuiverheid te produceren. Indien men zuurstof met een dergelijke toegenomen zuiverheid wenst te verkrijgen, terwijl nog steeds op doelmatige wijze 15 stikstof onder verhoogde druk wordt geproduceerd, zou men de werkwijze volgens de uitvinding volgens de uitvoeringsvorm van fig. 3 kunnen uitvoeren. In fig. 3 komen de verwijzingscijfers overeen met die van fig.

1 plus 200 wat betreft de overeenkomende elementen.

Volgens fig. 3 wordt de werkwijze op soortgelijke wijze uitgevoerd 20 als de in fig. 1 beschreven werkwijze, behalve dat het eerste vloei-stofdeel, dat rijk is aan stikstof, 312 niet geheel wordt teruggeleid naar de hoge-drukkolom 308 als vloeistof-terugloop. In plaats daarvan wordt stroom 312 verdeeld in stroom 313, die als vloeistof-terugloop wordt teruggeleid naar hoge-drukkolom 308, en in stroom 314, die in 25 warmte-uitwisselaar 317 wordt gekoeld, door afsluiter 324 wordt geëxpandeerd en met stroom 331 wordt verenigd onder vorming van de verenigde vloeistof-terugloopstroom 332. Deze inrichting maakt de produktie van zuurstof met een grotere zuiverheid in vergelijking met de inrichtingen volgens fig. 1 of 2 mogelijk. Aangezien in de onder middelmatige 30 druk bedreven kolom nu een tweevoudige bron van terugvloeiende vloeistof kan worden gebruikt, kan de zuurstofstroom een kleinere hoeveelheid omvatten en daardoor een grotere zuiverheid bezitten. Tot ongeveer 40 gew.Z, de equivalente hoeveelheid, betrokken op de massa, van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, kan na condensatie als 35 vloeistof-terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom dienen. Zoals kan worden ingezien, is de zuiverheid van het zuurstofpro-dukt, dat volgens de in fig. 3 geïllustreerde werkwijze kan worden bereikt, omgekeerd gerelateerd aan de hoeveelheid zich onder hoge druk bevindende stikstof, die kan worden geproduceerd door verwijderen als 40 stroom 311. Derhalve wordt de produktie van zich onder hoge druk bevin- 83 0 · " ·! 3

V

12 ψ dende stikstof tot een maximum verhoogd, wanneer niets van het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, wordt gebruikt als terugloop in de onder middelmatige druk bedreven kolom, en de zuiverheid van de zuurstof wordt maximaal gehouden, wanneer ongeveer 40 gew.% van de mas-5 sa van de eerste stikstof bevattende dampfractie na condensatie onder vorming van het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, wordt gebruikt als terugloop in de onder middelmatige druk bedreven kolom.

De verenigde hoeveelheden van het gewonnen, zich onder hoge druk bevindende stikstofgas en het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stik-10 stof, dat als terugvloeiing in de onder middelmatige druk bedreven kolom is gebruikt, mag echter niet hoger zijn dan ongeveer 60 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof. Bij voorkeur bedraagt deze gecombineerde hoeveelheid 30-50 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof. Dit zal voldoende terugloop verzekeren, die 15 moet worden teruggeleid naar de onder hoge druk bedreven kolom om op doelmatige wijze de scheiding door rectificatie te kunnen uitvoeren. Verder heeft het feit, dat zuurstof met een grotere zuiverheid kan worden geproduceerd, een verbeterde winning van stikstof tot gevolg en een ander voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding ten opzichte van 20 de bekende werkwijzen volgens de stand van de techniek is dat geen tweevoudige terugloop-toevoer wordt toegepast.

In een aantal situaties kan het wenselijk zijn, de geproduceerde zuurstof onder een hogere druk dan de omgevingsdruk te verkrijgen. Dergelijke zuurstof kan onder een druk van maximaal ongeveer 276 kPa wor-25 den gewonnen. Wanneer de druk van de geproduceerde zuurstof toeneemt, zal de druk van de twee stikstofprodukten ook toenemen. Het zich onder hoge druk bevindende stikstofprodukt zal zich onder de hoogste druk bevinden, die ongeveer overeenkomt met de druk van de hoge-drukkolom. Het zich onder middelmatige druk bevindende stikstofprodukt zal ongeveer de 30 druk van de onder middelmatige druk bedreven kolom bezitten, die lager moet zijn dan die van de hoge-drukkolom, zodat de warmte-uitwisseling in condensor 334 kan plaatsvinden. Dienovereenkomstig moet de druk van de geproduceerde zuurstof lager zijn dan die van de onder middelmatige druk bedreven kolom teneinde de warmte-uitwisseling in condensor 330 35 mogelijk te maken. Anderzijds zou een kleine fractie van de zuurstof aan de onderzijde van de onder middelmatige druk bedreven kolom of van enige evenwichtstrappen boven de onderkant kunnen worden verwijderd en als zich onder hoge druk bevindende stikstof worden gewonnen.

Ofschoon de werkwijze volgens de uitvinding in detail is beschre- 40 ven aan de hand van drie voorkeursuitvoeringsvormen, zullen deskundigen

8 7 Λ A «3. i Ö 0 V ‘J i I Q

13 begrijpen, dat er vele andere uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding zijn. Het kan bijvoorbeeld wenselijk zijn naast het gasvormige stikstofprodukt een hoeveelheid* vloeibaar stikstofprodukt te vormen door verwijderen en winnen van een deel van de terugloop boven 5 in elke kolom. Volgens een andere uitvoeringsvorm kan het wenselijk zijn de gecondenseerde luchtstroom na oververhitten van de terugkerende stromen in de onder middelmatige druk bedreven kolom in plaats van in de hoge-drukkolom te brengen. Volgens nog een andere uitvoeringsvorm kan het wenselijk zijn een als uitgangsmateriaal gebruikte luchtfractie 10 of het zich onder hoge druk bevindende stikstofprodukt te gebruiken voor het verschaffen van koeling van de inrichting in plaats van de af-val-stikstofstroom. Wanneer een luchtfractie wordt gebruikt voor het verschaffen van koeling van de inrichting, kan die fractie vervolgens als uitgangsmateriaal in een kolom worden gebracht of kan deze, zoals 15 wordt weergegeven in fig. 2, door de desuperheater uit het proces worden geleid voor het regenereren van de bij omgevingstemperatuur bedreven adsorptiebedden, die worden gebruikt voor het tevoren zuiveren van lucht. Er zou ook een klein deel van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, kunnen worden geëxpandeerd voor het regelen van het tem-20 peratuurprofiel van de lucht-desuperheater en voor het verschaffen van koeling van de inrichting en vervolgens in de onder middelmatige druk bedreven kolom kunnen worden geleid. Volgens een andere mogelijkheid zou een afval-stikstofstroom uit de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikt kunnen worden voor expansie voor het verschaffen van 25 koeling van de inrichting. Een dergelijke stroom zou met voordeel kunnen worden toegepast als hulpmiddel voor het regelen van de terugvloei-verhoudingen in de onder middelmatige druk bedreven kolom. Volgens nog een andere mogelijkheid zou de toevoer van de eerste, met stikstof verrijkte vloeistoffractie onder in de onder middelmatige druk bedreven 30 kolom in plaats van boven de onderzijde, zoals wordt weergegeven in de figuren, kunnen plaatsvinden.

Onder toepassing van de onderhavige uitvinding kunnen thans grote hoeveelheden zich onder verhoogde druk bevindende stikstof in een hoge opbrengst worden geproduceerd door toepassing van een inrichting met 35 een dubbele kolom. Desgewenst kan de werkwijze volgens de uitvinding ook worden toegepast voor het produceren van een hoeveelheid zuurstof onder de heersende of verhoogde druk.

8304118

Claims

1. Werkwijze voor de produktle van stlkstofgas onder een hogere druk dan atmosferische druk door scheiding van lucht door rectificatie, met het kenmerk, dat men 5 (A) gereinigde, gekoelde, als uitgangsmateriaal gebruikte lucht onder een druk, die groter is dan atmosferische druk, in een hoge-druk-kolom, die wordt bedreven onder een druk van ongeveer 552-2068 kPa brengt; (B) de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht door rectificeren in 10 de hoge-drukkolom scheidt in een eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie; (C) ongeveer 20-60 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, als stikstofgas onder hoge druk wint; (D) de eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie brengt in 15 een onder middelmatige druk bedreven kolom, die zodanig is opgesteld, dat met de hoge-drukkolom warmte-uitwisseling plaatsvindt, en die wordt bedreven onder een druk, die lager is dan de druk van de hoge-drukkolom en die ongeveer 276-1034 kPa bedraagt, en waarbij uitgangsmateriaal, dat in de onder middelmatige druk bedreven kolom wordt gebracht, door 20 rectificeren wordt gescheiden in een tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie; (E) ongeveer 0-60 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, als stikstofgas onder middelmatige druk wint; (F) een deel van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, 25 condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met een deel van de tweede, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie, waarbij een eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een eerste met zuurstof verrijkt dampdeel worden gevormd; (G) tenminste een gedeelte van het eerste vloeistofdeel, dat rijk 30 is aan stikstof, gebruikt als vloeistofterugloop voor de hoge-drukkolom en het eerste, met zuurstof verrijkte dampdeel als dampterugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikt; (H) tenminste een deel van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, door indirecte warmte-uitwisseling met een deel van de twee- 35 de, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie condenseert, waarbij een tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een tweede, met zuurstof verrijkt dampdeel worden gevormd; (I) het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, gebruikt als vloeibare terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven ko- 40 lom; 8304118 « (J) het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, als extra vloeibare terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikt in een hoeveelheid, die equivalent is aan de hoeveelheid van ongeveer 0-40 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, 5 zodat de som van deze hoeveelheid en van het onder hoge druk bij trap (C) gewonnen stikstofgas ongeveer 20-60 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, bedraagt; en (K) het tweede, met zuurstof verrijkte dampdeel uit het proces verwijdert.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men het ge hele eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, van trap (G) als vloeistof-terugloop voor de hoge-drukkolom gebruikt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men in trap (C) ongeveer 30-50 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is 15 aan stikstof, wint als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat men in trap (C) ongeveer 35-45 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, wint als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas.

5. Werkwijze volgens conclusie 1-4, met het kenmerk, dat men de 20 hoge-drukkolom bedrijft onder een druk van ongeveer 621-1656 kPa.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat men de hoge-drukkolom bedrijft onder een druk van ongeveer 689-1378 kPa.

7. Werkwijze volgens conclusie 1-6, met het kenmerk, dat men de onder middelmatige druk bedreven kolom bedrijft onder een druk van on- 25 geveer 310-827 kPa.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat men de onder middelmatige druk bedreven kolom bedrijft onder een druk van onge- · veer 345-621 kPa.

9. Werkwijze volgens conclusie 1-8, met het kenmerk, dat men in 30 trap (D) de eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie aan de onderzijde in de onder middelmatige druk bedreven kolom brengt.

10. Werkwijze volgens conclusie 1-8, met het kenmerk, dat men in trap (D) de eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie boven de onderzijde in de onder middelmatige druk bedreven kolom brengt.

11. Werkwijze volgens conclusie 1-10, met het kenmerk, dat men een deel van de eerste dampfractie, die verrijkt is met stikstof, uit de hoge-drukkolom verwijdert, expandeert en in de onder middelmatige druk bedreven kolom brengt.

12. Werkwijze volgens conclusie 1-11, met het kenmerk, dat men een 40 dampstroom, die rijk is aan stikstof, uit de onder middelmatige druk 8 3 0 A 1 * 9 * „ 16 bedreven kolom verwijdert op een punt, dat ligt tussen de punten, waar de eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie respectievelijk .het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, in de onder middelmatige druk bedreven kolom brengt en verwarmt, expandeert en uit de werk-5 wijze verwijdert.

13. Werkwijze volgens conclusie 1-12, met het kenmerk, dat men in trap (E) ongeveer 20-50 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, wint als zich onder middelmatige druk bevindend stikstof-gas.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat men in trap (E) ongeveer 35-45 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, wint als zich onder middelmatige druk bevindend stikstof-gas.

15. Werkwijze volgens conclusie 1-14, met het kenmerk, dat in trap 15 (J) de in conclusie 1 genoemde som ongeveer 30-50 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, bedraagt.

16. Werkwijze volgens conclusie 1-15, met het kenmerk, dat men het tweede met zuurstof verrijkte dampdeel wint als zuurstofprodukt.

17. Werkwijze volgens conclusie 1-16, met het kenmerk, dat men 20 tenminste een deel van het tweede met zuurstof verrijkte dampdeel ver-• warmt en .expandeert voor het verwijderen uit de werkwijze.

18. .Werkwijze volgens conclusie 1-17, met het kenmerk, dat men een hoeveelheid lucht, die een overmaat omvat ten opzichte van de als uitgangsmateriaal vereiste lucht, expandeert, verwarmt door indirecte 25 warmte-uitwisseling met als uitgangsmateriaal gebruikte lucht en uit de werkwijze verwijdert. H 1-11 + 1-1- 8304113