NL8304119A

NL8304119A - Werkwijze voor de produktie van stikstofgas.

Info

Publication number: NL8304119A
Application number: NL8304119A
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: DK556183D0; CA1212036A; DK161085B; NL190877B; DK556183A; DK161085C; GB8332197D0; NL190877C; GB2131148B; NO158116B; NO834445L; US4439220A; GB2131148A; NO158116C

Description

N.0. 32116

Werkwijze voor de produktie van stikstofgas»

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 al- gemeen bekend. Bij een algemeen bekende werkwijze worden twee kolommen met een onderlinge warmte-uitwisseling 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 $ -; l i 1 s

} J

2 is voor de verbeterde winningsmethoden voor olie en gas in vergelijking met de kosten van het onder druk brengen van de stikstof, die wordt geproduceerd 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.

Derhalve heeft de uitvinding ten doel een werkwijze te verschaffen voor de cryogene scheiding van lucht, waarbij stikstof onder verhoogde druk en met een grote doelmatigheid van de scheiding en met een grote opbrengst wordt geproduceerd.

15 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 scheiding van lucht door 20 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; 25 (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; 30 (D) een deel van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met de eerste, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie, waarbij een eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een eerste, met zuurstof verrijkte dampfractie worden gevormd; 35 (E) het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, gebruikt als vloeistofterugloop voor de hoge-drukkolom; (F) de eerste met zuurstof verrijkte dampfractie brengt in een onder middelmatige druk bedreven kolom, die wordt bedreven bij een druk, die lager is dan de druk van de hoge-drukkolom en die ongeveer 276-1034 40 kPa bedraagt; « 8304119 3 (G) de eerste met zuurstof verrijkte dampfractie door rectificatie in de onder middelmatige druk bedreven kolom scheidt in een tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie; 5 (H) ongeveer 20-60 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, wint als zich onder middelmatige druk bevindend stikstof-gas; (I) een gedeelte van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met de tweede met 10 zuurstof verrijkte vloeistoffractie, waarbij een tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een tweede met zuurstof verrijkte dampfractie worden gevormd; (J) het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, gebruikt als vloeibare terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom; 15 en (K) het tweede, met zuurstof verrijkte dampdeel uit het proces verwijdert.

De in de onderhavige beschrijving en conclusies gebruikte uitdrukking "indirecte warmte-uitwisseling" betekent het in warmte-uitwisse-20 ling brengen van twee vloeistofstromen zonder enige fysische aanraking of onderling mengen van de vloeistoffen.

De in de onderhavige beschrijving en conclusies gebruikte uitdrukking "kolom" betekent een destillatie- of fractioneerkolom of -zone, dat wil zeggen een contactkolom of -zone, waarin vloeistof- en dampfa-25 sen in tegenstroom met elkaar in aanraking worden gebracht om scheiding van een vloeistofmengsel tot stand te brengen, zoals bijvoorbeeld door 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 verde-30 re bespreking van destillatiekolommen wordt verwezen naar Chemical Engineersf Handbook, 5e druk, uitgegeven door R.H. Perry en C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, deel 13, "Distillation" B.D. Smith c.s., biz. 13-3, The Continuous Distillation Process. Scheidingswerkwijzen waarbij damp en vloeistof met elkaar in 35 aanraking worden gebracht, zijn afhankelijk van het verschil in damp-druk van de componenten. De component met de betrekkelijk 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 40 hoge temperatuur kokende component) de neiging zal bezitten in de

8 3 0 4 1 1 S

* * > 4 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 damp-fase en daarbij de minder vluchtige component(en) in de vloeistoffase.

5 Gedeeltelijk condensatie is de scheidingswerkwijze, 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 verdam-10 pingen en condensaties, zoals worden verkregen volgens een behandeling in tegenstroom van de damp- en vloeistoffasen, 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 prin-15 cipe van de rectificatie wordt gebruikt voor 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 20 verontreinigingen zoals waterdamp en kooldioxide, en die een temperatuur 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 25 vloeistofstroom tot de dampstroom, beide uitgedrukt in mol, die in tegenstroom met elkaar in aanraking worden gebracht in de kolom om scheiding tot stand te brengen.

Fig. 1 is een schematische voorstelling van een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding.

30 Fig. 2 is een schematische voorstelling van een andere voorkeurs uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding.

Fig. 3 is een McCabe-Thiele grafiek voor twee destillatiekolommen, die kunnen worden toegepast bij de werkwijze volgens de uitvinding.

De uitvinding zal nader worden beschreven aan de hand van de teke-35 ningen.

Volgens fig. 1 wordt als uitgangsmateriaal dienende, onder druk gebrachte lucht door de inrichting voor het sterk verlagen van de temperatuur ("desuperheater") 10 geleid, waar deze wordt gekoeld en gezuiverd van verontreinigingen, zoals waterdamp en kooldioxide. De gekoel-t 40 de, gezuiverde lucht 12 wordt vervolgens door een koud einddeel omvat- 8 3 0 4 1 19 5 tende adsorptieval 13 geleid, waarin verontreinigingen, zoals koolwaterstoffen en meegesleepte vaste stoffen, worden verwijderd. De een koud einddeel omvattende adsorptieval 13 bevat een willekeurig geschikt materiaal, zoals bijvoorbeeld silicagel.

5 De onder druk gebrachte, gezuiverde, gekoelde lucht 14 wordt aan de onderzijde van de hoge-drukkolom 30 geleid, die wordt bedreven onder een druk van ongeveer 552-2068 kPa, bij voorkeur ongeveer 621-1656 kPa, in het bijzonder ongeveer 689-1104 kPa. In kolom 30 wordt de lucht gescheiden in een eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een 10 eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie. De eerste dampfractie 19, die rijk is aan stikstof, wordt verdeeld in deel 21, dat uit kolom 30 wordt verwijderd, door desuperheater 10 geleid en als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas als produkt 46 gewonnen, en deel 22, dat in condensor 18 wordt gebracht. Het dampdeel 21, dat rijk is aan stik-15 stof, kan ongeveer 20-60 gew.%, bij voorkeur ongeveer 30-50 gew.%, in het bijzonder ongeveer 35-45 gew.% van de eerste dampfractie 19, die rijk is aan stikstof, omvatten. De eerste met zuurstof verrijkte vloei-stoffractie 15 wordt bij afsluiter 16 geëxpandeerd en via 17 in condensor 18 gebracht, waar deze door indirecte warmte-uitwisseling met damp-20 deel 22, dat rijk is aan stikstof, wordt verdampt, waarbij een eerste met zuurstof verrijkte dampfractie en een eerste vloeistofdeel 23, dat rijk is aan stikstof, wordt geproduceerd. Het eerste vloeistofdeel 23, dat rijk is aan stikstof, wordt als vloeistofterugloop tegen de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht 14 in kolom-zone 24 gebruikt voor het 25 uitvoeren van de scheiding van de als uitgangsmateriaal gebruikte lucht.

De met zuurstof verrijkte stroom 25 wordt als uitgangsmateriaal aan de onderzijde in kolom 20 gebracht. De stroom 25 kan geheel uit damp of voor maximaal ongeveer 5 gew.% uit vloeistof bestaan. Kolom 20 30 wordt bedreven onder een druk, die lager is dan kolom 30, namelijk ongeveer 276-1034 kPa, bij voorkeur ongeveer 310-827 kPa, in het bijzonder ongeveer 345-621 kPa.

In kolom 20 wordt de met zuurstof verrijkte stroom 25 gescheiden in een tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede met 35 zuurstof verrijkte vloeistoffractie. De tweede dampfractie 31, die rijk is aan stikstof, wordt verdeeld in deel 32, dat uit kolom 30 wordt verwijderd, door desuperheater 10 wordt geleid en als zich onder middelmatige druk bevindend stikstofgas als produkt 47 wordt gewonnen, en deel 33, dat in condensor 29 wordt gebracht. Het dampdeel 32, dat rijk is 40 aan stikstof, kan ongeveer 20-60 gew.%, bij voorkeur ongeveer 30-50

8 * ƒ·. i 1 Q

vvv j i ! 9 6 gew.%, in het bijzonder ongeveer 35-45 gew.% van de tweede dampfractie 31, die rijk is aan stikstof, omvatten. De tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie 26 wordt bij afsluiter 27 geëxpandeerd en via 28 naar condensor 29 geleid, waarin deze wordt verdampt door indirecte 5 warmte-uitwisseling met dampdeel 33, dat rijk is aan stikstof. Evenals de expansie bij afsluiter 16 wordt de expansie van de met zuurstof verrijkte vloeistoffractie bij afsluiter 27 uitgevoerd voor het ontwikkelen van een druk-differentiaal en derhalve een temperatuur-differen-tiaal, zodat de zich onder een relatief hoge druk bevindende damp, die 10 rijk is aan stikstof, kan worden gecondenseerd tegen de zich onder een relatief lage druk bevindende, met zuurstof verrijkte vloeistof. Het verkregen tweede vloeistofdeel 34, dat rijk is aan stikstof, wordt gebruikt als vloeistof-terugloop tegen met zuurstof verrijkte damp in ko-lom-deel 35 voor het uitvoeren van de scheiding.

15 De tweede met zuurstof verrijkte dampfractie 36, die wordt gevormd door de condensatie van het dampdeel 33, dat rijk is aan stikstof, kan door desuperheater 10 worden geleid en uit het proces worden verwijderd. De uitvoeringsvorm van fig. 1 dient ter toelichting van een voor-keursuitvoeringsvorm, waarbij de afvalstroom 36, waarin nog enige druk-20 energie aanwezig is, en wordt gebruikt voor het verschaffen van koeling van de inrichting. Volgens deze voorkeursuitvoeringsvorm wordt de met zuurstof verrijkte afvalstroom 36 in de fracties 37 en 38 verdeeld. Fractie 37 wordt in lucht-desuperheater 10 gebracht en gedeeltelijk verwarmd. Deze stroom dient voor het verschaffen van onbalans in het 25 koude einddeel voor het regelen van de temperatuur om zelf-reiniging van de omkeerwarmte-uitwisselaar te verzekeren. Omkeerwarmte-uitwisse-laars en de vereisten met betrekking tot de zelf-reiniging ervan zijn op zichzelf bekend. De onbalans-stroom wordt als stroom 39 uit de desuperheater verwijderd. Stroom 38 wordt bij afsluiter 43 geëxpandeerd en 30 als stroom 41 naar stroom 39 geleid, waarbij deze stromen worden verenigd onder vorming van stroom 42. Deze stroom 42, die zich nog steeds onder druk bevindt, wordt in turbo-expandeerinrichting 40 geëxpandeerd, waaruit deze als stroom 44 wordt verwijderd, welke stroom wordt geleid naar desuperheater 10, verwarmd op omgevingstemperatuur en als stroom 35 45 uit het systeem wordt verwijderd. De toepassing van de met zuurstof verrijkte afvalstroom voor het verschaffen van koeling van de inrichting is voordelig omdat de kolommen nu onder een hogere druk worden bedreven dan wanneer de met zuurstof verrijkte stroom alleen door de desuperheater wordt geleid. Dit levert een stikstofprodukt met een hogere 40 druk op. Dit voordeel treedt op wanneer omkeer- of primaire warmte-uit-

8 3 0 * 1 1 Q

"· 7 wisselaars als de desuperheater worden gebruikt. Wanneer omkeerwarmte-uitwisselaars worden gebruikt is een ander voordeel de verhoogde opbrengst aan stikstofprodukt dankzij de hogere druk van de binnentredende, als uitgangsmateriaal gebruikte lucht.

5 In tabel A worden typische werkwijze-omstandigheden vermeld, die zijn verkregen bij een computersimulatie van de aan de hand van fig. 1 beschreven werkwijze. De verwijzingscijfers van de stromen komen overeen met die van fig. 1. Zoals uit tabel A blijkt was de opbrengst van . de gewonnen stikstof 79%, betrokken op de in als uitgangsmateriaal ge-10 bruikte lucht aanwezige stikstof.

8 3 0 % 1 ! 9

ί V

8

Tabel A

Stroom Verwijzingscijfer Waarde

Als uitgangsmateriaal gebruikte lucht 11 stroom, m^/h 27.184 temperatuur, °K 278 druk, kPa 896

Als uitgangsmateriaal in de hoge-drukkolom gebruikte lucht 14 stroom, m^/h 27.184 druk, kPa 876

In de onder middelmatige druk bedreven kolom gebracht uitgangsmateriaal 25 stroom, m^/h 16.452 zuiverheid, gew.Z O2 35 druk, kPa 476

Met zuurstof verrijkte afvaldamp 36 stroom, m^/h 10.194 zuiverheid, gew.Z Q2 56 druk, kPa 172

Als produkt verkregen, zich onder hoge druk bevindende stikstof 21 stroom, m^/h 10.732 zuiverheid, dpm O2 4 druk, kPa 855

Als produkt verkregen, zich onder middelmatige druk bevindende stikstof 32 stroom, m^/h 6.258 zuiverheid, dpm O2 4 druk, kPa 462

Gewonnen stikstof, Z 79

In fig. 2 wordt een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding toegelicht, waarbij een fractie van de als uitgangsmateriaal dienende lucht wordt gebruikt voor het regelen van de temperatuur van de omkeerwarmte-uitwisselaar en voor koeling van de in-5 richting. Aangezien in de lucht-desuperheater een luchtfractie voor zowel de regeling van de temperatuur als de koeling van de inrichting wordt gebruikt in plaats van een stroom, die rijk is aan zuurstof, heeft deze uitvoeringsvorm enige voordelen met betrekking tot de be- 8304119 9 trouwbaarheid van de installatie. Verder kan volgens deze uitvoeringsvorm van de werkwijze als uitgangsmateriaal dienende lucht met een lagere druk worden gebruikt omdat, aangezien de afval-zuurstofstroom uit de onder middelmatige druk bedreven kolom niet wordt geëxpandeerd voor 5 de koeling van de inrichting, deze daardoor een lagere druk kan bezitten. De verwijzingscijfers in fig. 2 komen overeen met die van fig. 1 wat betreft de overeenkomende elementen.

Volgens fig. 2 wordt onder druk gebrachte, gereinigde en gekoelde, als uitgangsmateriaal dienende lucht bij 84 verdeeld in deel 14, dat in 10 kolom 30 wordt geleid, en in deel 86, dat ongeveer 10-30 gew.% van de als uitgangsmateriaal dienende lucht kan omvatten. Stroom 86 wordt verwarmd door gedeeltelijk passeren van desuperheater 10 en in turbo-ex-pandeerinrichting 87 geëxpandeerd tot een middelmatige druk bereikt is. De zich onder middelmatige druk bevindende lucht wordt vervolgens via 15 88 in de onder middelmatige druk bedreven kolom 20 geleid, waarin deze door rectificatie wordt gescheiden in damp, die rijk is aan stikstof, en met zuurstof verrijkte vloeistof, die ten dele de tweede dampfrac-tie, die rijk is aan stikstof, respectievelijk de tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie omvat. De rest van de werkwijze komt overeen 20 met de werkwijze, die is beschreven bij de toelichting van de uitvoeringsvorm volgens fig. 1.

In tabel B worden typische werkwijze-omstandigheden vermeld, .die zijn verkregen bij een computersimulatie van de werkwijze volgens fig.

2. De verwijzingscijfers van de stromen komen overeen met die van fig.

25 2. Bij de in tabel B samengevatte werkwijze was de opbrengst van de ge wonnen stikstof 80% van de in de als uitgangsmateriaal dienende lucht aanwezige stikstof.

8 3 u 4 1 1 9 10

Tabel B

Stroom Verwijzingscijfer· Waarde

Als uitgangsmateriaal gebruikte lucht 11 stroom, m^/h 75.946 temperatuur, °K 278 druk, kPa 738

Als uitgangsmateriaal in de hoge-drukkolom gebruikte lucht 14 stroom, m^/h 64.166 druk, kPa 724

Als uitgangsmateriaal in de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikte lucht 88 stroom, m^/h 11.780 druk, kPa 372

In de onder middelmatige druk bedreven kolom gebracht uitgangsmateriaal 25 stroom, m^/h 37.435 zuiverheid, gew.% O2 36

Met zuurstof verrijkte afvaldamp 36 stroom, m^/h 27.722 druk, kPa 124 zuiverheid, gew.% 0£ 58

Als produkt verkregen, zich onder hoge druk bevindende stikstof 21 stroom, m^/h 26.731 druk, kPa 703 zuiverheid, dpm O2 4

Als produkt verkregen, zich onder middelmatige druk bevindende stikstof 32 stroom, m^/h 21.521 druk, kPa 359 zuiverheid, dpm O2 4

Gewonnen stikstof, % 80

Volgens de werkwijze van de uitvinding worden verrassend voordelige resultaten verkregen door toepassing van twee scheidingskolommen, die onder een specifieke druk worden bedreven en waarbij een bepaalde relatie van de samenstelling van de toegevoerde materialen vereist is.

5 Teneinde het onverwachte karakter van de voordelen van de werkwijze 83 0 4 1 19 11 volgens de uitvinding te verduidelijken wordt verwezen naar fig. 3, waarin een McCabe-Thiele-grafiek voor destillatiekolommen, die kunnen worden toegepast bij de werkwijze volgens de uitvinding, is weergegeven. Zie bijvoorbeeld Unit Operations of Chemical Engineering, McCabe 5 and Smith, McGraw Hill Book Company, New York, 1956, hoofdstuk 12, biz. 689-708 voor een bespreking van McCabe-Thiele-grafieken.

In fig. 3 wordt lucht benaderd als een binair systeem, bestaande uit stikstof en zuurstof, waarbij argon en andere gassen worden voorgesteld als zuurstof.

10 In fig. 3 is lijn A de meetkundige plaats van gelijke damp- en vloeistofsamenstellingen. Kromme C is de evenwichtskromme van de hoge-drukkolom en toont de meetkundige plaats van de evenwichtsdampsamen-stellingen voor vloeibare samenstellingen in de gehele kolom en op overeenkomstige wijze is kromme B de meetkundige plaats van evenwichts-15 omstandigheden voor de onder middelmatige druk bedreven kolom. In de hoge-drukkolom zou als uitgangsmateriaal dienende lucht H in de nagenoeg verzadigde toestand van de damp, zoals wordt voorgesteld door de toevoerlijn F, worden behandeld. Lijn D toont de representatieve vloei-stof-tot-damp terugvloeiverhouding voor de kolom en is daarbij de meet-20 kundige plaats van de massabalans van de damp- en vloeistofsamenstellingen in de gehele kolom. Zoals uit fig. 3 blijkt wordt het in de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikte uitgangsmateriaal met een samenstelling bij J van ongeveer 35 gew.Z zuurstof onder uit de hoge-drukkolom afgevoerd en na het verdampen ervan wordt het het als ver-25 zadigde damp in de onder middelmatige druk bedreven kolom toegevoerde materiaal, voorgesteld door de horizontale toevoerlijn G. Lijn E stelt de meetkundige plaats van de vloeistof-tot-damp verhouding voor van de onder middelmatige druk bedreven kolom en, zoals kan worden ingezien, is deze vloeistof-tot-damp- of terugvloeiverhouding slechts in geringe 30 mate hoger dan de terugvloeiverhouding van de hoge-drukkolom, vooge-steld door de lijn D. Derhalve zal het duidelijk zijn, dat het toevallig is, dat de evenwichtslijn B voor de onder middelmatige druk bedreven kolom een hoger stikstofgehalte van de dampsamenstelling in elke bepaalde vloeibare toestand bezit of anders zou de aangegeven terug-35 vloeiverhouding voor de onder middelmatige druk bedreven kolom onvoldoende zijn om te kunnen worden bedreven. Met andere woorden, de onder een middelmatige druk bedreven kolom bevindt zich onder een druk, die het mogelijk maakt een uitgangsmateriaal met een hoger zuurstofgehalte bij de terugvloeiverhouding in vergelijking met die, welke nodig is in 40 de hoge-drukkolom, te behandelen. Dientengevolge kan de onder middelma- 83 04 1 1 9 12 tige druk bedreven kolom een opbrengst aan stikstofprodukt hebben die vergelijkbaar is met die van de hoge-drukkolom, ondanks het in de onder middelmatige druk bedreven kolom gebruikte uitgangsmateriaal met een hoger zuurstofgehalte. Dit komt omdat de lagere bedrijfsdruk van de on-5 der middelmatige druk bedreven kolom opweegt tegen het uitgangsmateriaal met het hogere zuurstofgehalte. Indien een beduidend hogere te-rugvloeiverhouding vereist zou zijn voor de onder middelmatige druk bedreven kolom, zou deze moeten worden verkregen door vermindering van het stikstofprodukt uit die kolom en daardoor vermindering van de op- * 10 brengst aan stikstofprodukt uit het naar die onder middelmatige druk bedreven kolom geleide materiaal. De werkwijze volgens de uitvinding omvat de combinatie van verschillende toevoerstromen naar afzonderlijke kolommen, die onder verschillende drukken worden bedreven, zodat elke kolom in een doelmatige opbrengst stikstofprodukt, voorgesteld door 15 punt N, produceert.

Een voordeel van de uitvoeringsvorm volgens fig* 2 kan worden toegelicht aan de hand van de positie van de lijnen L en M, die de terug-vloeiverhoudingen voor de twee zones van de onder middelmatige druk bedreven kolom voorstellen. De toevoer van enige als uitgangsmateriaal 20 dienende lucht in de vorm van damp naar de onder middelmatige druk bedreven kolom maakt een hogere terugvloeiverhouding in de onderste zone mogelijk en maakt daardoor een lagere terugvloeiverhouding in de bovenste zone van de onder middelmatige druk bedreven kolom mogelijk, terwijl het bedrijven van de inrichting niet nadelig wordt beïnvloed.

25 Het produkt van de werkwijze volgens de uitvinding is stikstof met een verhoogde druk. In het algemeen zal de stikstof worden gewonnen met een zuiverheid van tenminste 99 mol.%. Van zuurstof verschillende gassen, zoals argon, worden bij de zuiverheidsberekeningen als stikstof beschouwd. Bij voorkeur wordt de stikstof gewonnen met een zuiverheid 30 van tenminste 99,5%, in het bijzonder tenminste 99,9%. Verder kan enige stikstof, maximaal ongeveer 5% van het produkt, als vloeistof worden gewonnen indien een deel van de terugloopstroom 23 en/of terugloop-stroom 34 niet vereist is ter verkrijging van de gewenste terugvloeiverhouding in de geschikte kolom.

35 Volgens een andere variatie van de werkwijze kunnen de met zuur stof verrijkte vloeistofstromen 15 en 26 uit de kolommen afzonderlijk of beide sterk worden gekoeld tegen de zuurstof-afvalstroom en/of de stikstof-produktstromen. Dit kan de doelmatigheid van de werkwijze verbeteren.

40 Volgens nog een andere variatie van de werkwijze kan enige als 8 3 0 4 1 1 § 13 uitgangsmateriaal dienende lucht worden gebruikt voor het oververhitten van de afval- en produktstromen en zou de gevormde gecondenseerde, als uitgangsmateriaal dienende lucht, die ongeveer 1-3% van het totale uitgangsmateriaal kan uitmaken, op een tussenliggend punt in elke kolom 5 kunnen worden gebracht·

Volgens nog een andere variatie van de werkwijze kan de met zuurstof verrijkte afvalstroom 36 onder druk worden gehouden en kan het zich onder hoge druk bevindende stikstofprodukt worden geëxpandeerd tot middelmatige druk voor het verschaffen van koeling van de inrichting.

10 Volgens een verdere variatie van de werkwijze kan de lucht-desu- perheater niet-terugkeer- of primaire warmte-uitwisselaars toepassen voor het koelen van de als uitgangsmateriaal dienende lucht tegen de terugkerende stromen. Bij een dergelijke uitvoering van de werkwijze zouden de algemeen bekende technieken van "warm-end” of reiniging door 15 adsorptie bij omgevingstemperatuur van de als uitgangsmateriaal dienende lucht kunnen worden toegepast. Koeling van de inrichting zou nog kunnen worden verschaft door lucht, geproduceerde stikstof of expansie van afvalzuurstof.

Verder zal het duidelijk zijn, dat men desgewenst de afval-zuur-20 stofstroom kan winnen als zuurstofprodukt met een relatief geringe zuiverheid .

Onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding kan men op doelmatige wijze grote hoeveelheden stikstof met een hoge druk en in een grote opbrengst produceren.

8 3 0 4 1 1')

Claims

1. Werkwijze voor de produktie van stikstofgas 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) een deel van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, 15 condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met de eerste, met zuurstof verrijkte vloeistoffractie, waarbij een eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, en een eerste, met zuurstof verrijkte dampfractie worden gevormd; (E) het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, gebruikt 20 als vloeistofterugloop voor de hoge-drukkolom; (F) de eerste met zuurstof verrijkte dampfractie brengt in een onder middelmatige druk bedreven kolom, die wordt bedreven bij een druk, die lager is dan de druk van de hoge-drukkolom en die ongeveer 276-1034 kPa bedraagt; 25 (G) de eerste met zuurstof verrijkte dampfractie door rectificatie in de onder middelmatige druk bedreven kolom scheidt in een tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en een tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie; (H) ongeveer 20-60 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is 30 aan stikstof, wint als zich onder middelmatige druk bevindend stikstofgas; (I) een gedeelte.van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met de tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie, waarbij een tweede vloeistofdeel, 35 dat rijk is aan stikstof, en een tweede met zuurstof verrijkte dampfractie worden gevormd; (J) het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, gebruikt als vloeibare terugloop voor de onder middelmatige druk bedreven kolom; en 40 (K) het tweede, met zuurstof verrijkte dampdeel uit het proces 8304 1 1 S verwijdert.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men de ho-ge-drukkolom bedrijft onder een druk van ongeveer 621-1378 kPa.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat men de ho-5 ge-drukkolom bedrijft onder een druk van ongeveer 689-1104 kPa.

4. Werkwijze volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat men de onder middelmatige druk bedreven kolom bedrijft onder een druk van ongeveer 310-827 kPa.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat men de on- 10 der middelmatige druk bedreven kolom bedrijft onder een druk van ongeveer 345-552 kPa.

6. Werkwijze volgens conclusie 1-5, met het kenmerk, dat men een gedeelte van het eerste vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, als vloeibaar stikstofprodukt wint.

7. Werkwijze volgens conclusie 1-6, met het kenmerk, dat men een gedeelte van het tweede vloeistofdeel, dat rijk is aan stikstof, wint als vloeibaar stikstofprodukt.

8. Werkwijze volgens conclusie 1-7, met het kenmerk, dat men ongeveer 5 gew.% van de eerste met zuurstof verrijkte vloeistoffractie in 20 de onder middelmatige druk bedreven kolom brengt.

9. Werkwijze volgens conclusie 1-8, met het kenmerk, dat men de tweede met zuurstof verrijkte dampfractie voor de verwijdering uit het proces verwarmt en expandeert.

10. Werkwijze volgens conclusie 1-9, met het kenmerk, dat men on- 25 geveer 10-30 gew.% van de gezuiverde, gekoelde, als uitgangsmateriaal gebruikte lucht verwarmt, expandeert en als uitgangsmateriaal in de onder middelmatige druk bedreven kolom brengt, waarin het wordt verdeeld in delen, die de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, en de tweede met zuurstof verrijkte vloeistoffractie vormen.

11. Werkwijze volgens conclusie 1-10, met het kenmerk, dat men on geveer 30-50 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, in trap (C) wint als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat men ongeveer 35-45 gew.% van de eerste dampfractie, die rijk is aan stikstof, 35 in trap (G) wint als zich onder hoge druk bevindend stikstofgas.

13. Werkwijze volgens conclusie 1-12, met het kenmerk, dat men ongeveer 30-50 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, in trap (H) wint als zich onder middelmatige druk bevindend stikstofgas.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat men onge- 83041'" »«' V veer 35-45 gew.% van de tweede dampfractie, die rijk is aan stikstof, in trap (H) wint als zich onder middelmatige druk bevindend stikstof-gas.

15. Werkwijze volgens conclusie 1-14, met het kenmerk, dat men 5 tenminste een deel van de tweede met zuurstof verrijkte dampfractie wint als zuurstofprodukt met een relatief geringe zuiverheid.

16. Werkwijze volgens conclusie 1-15, met het kenmerk, dat men ongeveer 1-3 gew.% van de gezuiverde, gekoelde, als uitgangsmateriaal gebruikte lucht condenseert door indirecte warmte-uitwisseling met pro- 10 dukt- of afvalstromen en in de onder hoge of middelmatige druk bedreven kolom brengt.

17. Werkwijze volgens conclusie 1-16, met het kenmerk, dat men tenminste een deel van de eerste dampfractie, die als stikstofgas als produkt is gewonnen, voor het winnen expandeert. I I I I I I I 8304119