NO175330B - Fremgangsmåte for kryogenisk separering av en tilförsel omfattende nitrogen, oksygen og höyerekokende urenheter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for kryogenisk separering av en tilførsel som innbefatter nitrogen, oksygen og høyerekokende urenheter der det benyttes sammensatte kondensatorkokere.

Tilførsel av luft til et kryogenisk luftseparasjonsanlegg blir forrenset for høyere kokeurenheter slik som karbondi-oksid, vanndamp og hydrokarboner forut for føring av tilførselsluften i destillasjonskolonnen eller -kolonnene. Denne forrensingen blir generelt utført ved å føre til-førselsluf ten gjennom molekylsiktforrensere eller gjennom omvendte varmevekslere etterfulgt av geloppfangere. Denne forrensingen resulterer i at tilførselsluftstrømmen har meget lave konsentrasjoner av høyerekokende urenheter.

Over tid vil imidlertid noen hydrokarboner akkumulere i den oksygenanrikede væsken som blir fremstilt i rektifiserings-kolonnen(e). Dette fordi at av de tre hovedkomponentene i luft, nemlig nitrogen, argon og oksygen, har oksygen den laveste flyktigheten og således vil disse høyerekokende urenhetene gå sammen med oksygenet. Når den oksygenanrikede væsken videre blir kokt, vil de høyerekokende urenhetene fortrinnsvis forbli i væsken i stedet for at de blir kokt av. En slik økende konsentrasjon av hydrokarboner i flytende oksygen frembringer et sikkerhetsproblem.

Personer med kunnskap innenfor fagområdet har løst dette problemet ved å føre den oksygenanrikede væsken fra en koker gjennom et adsorberende sjikt for å fjerne hydrokarboner fra væsken. Væsken blir pumpet fra kokeren og gjennom adsorbentsjiktet med en væskepumpe. Et konvensjonelt væskepumpeadsor-bentsjikt er illustrert i "Oxygen: 2000 Tons/Day", Mechanical Engineering, januar 1978, R.L. Shaner og W.E. Sweeney.

Selv om dette systemet til rengjøring av kokevæske med høyerekokende urenheter har vært tilfredsstillende, har det noen ulemper. Anvendelsen av en pumpe vil f.eks., som med et hvilket som helst stykke roterende utstyr, innføre en del usikkerhet og potensiell fare i den kryogeniske luftsepara-sjonsprosessen på grunn av mulighet for feil med de bevegelige delene. I tillegg forbruker pumpen energi og innfører varme til den kryogeniske prosessen som krever en tilsvarende økning i avkjølingen og dette resulterer i en ineffektivitet i prosessen.

Således er det et mål med denne oppfinnelsen å skaffe til veie en forbedret fremgangsmåte for kryogenisk separasjon av luft der oksygenanriket kokevæske blir rengjort for høyere-kokende urenheter uten behov for en væskepumpe.

Foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for kryogenisk separering av en tilførsel som omfatter nitrogen, oksygen og høyerekokende urenheter, i en kolonne som har en toppkondensatorkoker, til nitrogenrikere damp og oksygenanriket væske som inneholder høyerekokende urenheter, kjennetegnet ved kombinasjonen at man (A) fører oksygenanriket væske fra kolonnen til toppkondensatorkokeren; (B) fører oksygenanriket væske fra toppkondensatorkokeren gjennom et adsorbentsjikt, hvor høyerekokende

urenheter fra væsken overføres til adsorbenten, hvoretter den rengjorte væsken returneres til

toppkondensatorkokeren; og

(C) fører væsken tilbake til toppkondensatorkokeren, i det minste delvis ved å kombinere væsken med damp for

å redusere dens tetthet av strøm som passerer tilbake til toppkondensatorkokeren.

Som brukt her menes det med begrepet "adsorbentsjikt" en kontaktinnretning eller sone der en fluidfaseblanding bringes i kontakt med en rigid og holdbar partikkelformig fase. Den partikkelformige fasen eller adsorbenten har egenskapen med selektivt å ta opp og lagre noen av de oppløste delene fra fluiden. For en videre diskusjon av adsorpsjon, se Chemical Engineers' Handbook, 5te utgave, utgitt av R.H. Perry og C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 16, "adsorption and Ion ExChange".

Med begrepet "kolonne" som brukt her, menes en destillasjons— eller fraksjoneringskolonne eller sone, dvs. en kontakt-kolonne eller sone der væske- og dampfaser bringes motstrøms i kontakt for å gjennomføre separasjon av en fluidblanding, som f.eks. ved å kontaktbringe dampen og væskefåsene på en serie med vertikalt atskilte bunner eller plater montert inne i kolonnen eller alternativt, ved pakking av elementene som kolonnen er fylt med. For en ytterligere diskusjon av destillasjonskolonner, se Chemical Engineers' Handbook, 5te utgave, utgitt av R.H. Perry og CE. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, "Distillation" B.D. Smith et al, side 13-3 The Continuous Distillation Process. Begrepet "dobbelt kolonne" blir anvendt og menes en høyere trykkolonne som har sin øvre ende i varmeutvekslingsrelasjon med den lavere enden til en lavere trykkolonne. En ytterligere diskusjon av doble kolonner fremkommer i Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Chapter VII, Commercial Air Separation.

Slik det er brukt her menes begrepet "likevektstrinn" et dampvæskekontakttrinn der damp og væske som forlater trinnet er i masseoverføringslikevekt. For en separasjonskolonne som anvender bunner eller plater, dvs. separate eller atskilte kontakttrinn for væske og gassfasene, vil et likevektstrinn korrespondere til en teoretisk bunn eller plate. For en separasjonskolonne som anvender pakking, dvs. kontinuerlig kontaktbringing av væske- og gassfasene, vil et likevektstrinn korrespondere til høyden av kolonnepakkingen som er ekvivalent til en teoretisk plate. Et aktuelt kontakttrinn, dvs. bunner, plater eller pakking vil ha en korrespondering til et likevektstrinn avhengig av sin masseoverførings-effektivitet.

Begrepet "indirekte varmeutveksling" som brukt her, menes at man bringer to fluidstrømmer inn i varmeutvekslingsforhold uten fysisk kontakt eller sammenblanding av fluidene med hverandre.

Som brukt her menes begrepet "kondensatorkoker" en indirekte varmeutvekslingsinnretning eller sone der dampen blir kondensert mot kokende væske. En videre diskusjon av kondensatorkokere fremkommer i Ruheman, "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Chapter VII, Commercial Air Separation. Fig. 1 er et skjematisk flytdiagram av en utførelsesform av oppfinnelsen der separasjonen blir utført med en dobbeltkolonne og sammensatte kondensatorkokere. Fig. 2 er et forenklet skjematisk flytdiagram av en annen utførelsesform av oppfinnelsen der separasjonen blir utført med en enkelt kolonne.

Oppfinnelsen er særlig fordelaktig i en luftseparasjonsprosess som benytter sammensatte kondensatorkokere slik som beskrevet i US-patent nr. 4.453.957 - Pahade et al. I slike prosesser er kjelevæskeflammer tilgjengelig for å frembringe noe eller alle drivkreftene. Dette reduserer mengden med damptilsetning som kan være nødvendig. I slike prosesser er det tilgjengelig en kjeledampstrøm med anriket oksygeninnhold ved tilstrekkelig trykk slik at det kan bli anvendt direkte som damptilsetning. En sammensatt kondensatorkoke-dobbeltkolonne luftseparasjonsprosess er illustrert i fig. 1 og oppfinnelsen vil bli beskrevet i detalj med referanse til fig. 1.

Ved nå å referere til fig. 1, blir trykkpålagt, forrenset tilførselsluft 11 avkjølt ved føring gjennom varmeutveksleren 10 ved indirekte varmeutveksling med tilbakestrømmer. En porsjon 12 av tilførselsluften blir ekspandert gjennom ekspanderer 15 for å generere avkjøling og den ekspanderte strømmen 13 "blir ført ut gjennom varmeutveksleren 10 som strøm 14. Resulterende avkjølt tilførselsluft 16 blir deretter sendt inn i en kryogenisk rektifiseringskolonne eller kolonner for separasjon. I den illustrerte utførelses-formen i figuren blir den kryogeniske rektifiseringen utført i en dobbeltkolonne der en høyere trykkolonne 20 og en lavere trykkolonne 40 er i varmeutvekslingsrelasjon. Andre kryogeniske rektifiseringsarrangementer som kan bli anvendt med denne oppfinnelsen, innbefatter en enkeltkolonne og to eller flere kolonner i serier.

Kolonne 20 opererer ved et trykk som generelt er innenfor området fra 74,8 kPa/cm<2> til 256,6 kPa/cm<2>. Tilførselsluft 16 blir separert i kolonne 20 ved kryogenisk rektifisering til toppdamp 21 og bunnvæske 17. Toppdamp 21 blir atskilt til del 22, som passerer ut gjennom varmeutveksler 10 og kan bli utvunnet som høytrykksnitrogen 26, og til del 23 som blir ført inn i bunnkondensatorkoker 25 på bunnen av lavtrykk-kolonne 40. Denne bunnkondensatorkoker kan være innenfor denne kolonnen eller kan være på utsiden av kolonnen; imidlertid opererer den ved et trykk som i hovedsak er det samme som i lavtrykkolonnen 40. Del 23 blir kondensert i kondensatorkoker 25 mot kokekolonne 40 bunner, for å generere damp oppstrøms for kolonne 40. Den resulterende kondenserte strøm 24 blir returnert til kolonne 20 som flytende refluks. Bunnvæske 17 blir underkjølt ved indirekte varmeutveksling med returstrømmer der varmeutveksler 30 og den resulterende underkjølte strøm 18 blir ekspandert gjennom ventil 27 og ført som strøm 19 inn i laveretrykkolonne 40 som opereres ved et trykk som er under den til kolonne 20 og generelt innenfor området fra 241,3 kPa til 827,4 kPa. I kolonne 40 blir strømmen 19 separert ved kryogenisk rektifisering til nitrogenrik damp og oksygenanriket væske som inneholder høyerekokende urenheter.

Nitrogenrikere damp 41 blir fordelt til del 42, som "blir varmet ved føring gjennom varmeutvekslere 30 og 10, og kan bli utvunnet som laveretrykk-nitrogen 47 og til del 43 som blir ført inn i en andre kondensatorkoker 45. Del 43 blir kondensert i kondensatorkoker 45 mot kokende oksygenanriket væske og den resulterende kondenserte strøm 44 blir sendt ned i kolonne 40 som refluksvæske.

Oksygenanriket væske passerer ut av kolonne 40 fra kondensatorkoker 25 som en strøm 28 og underkjølt ved indirekte varmeutveksling gjennom varmeutveksler 30. Den resulterende underkjølte strøm 29 blir ekspandert gjennom ventil 49 og passerer 31 inn i toppkondensatorkoker 45. Trykket i toppkondensatorkoker 45 er lavere enn det som kolonne 40 opererer ved og generelt innenfor området fra 82,7 kPa til 241,3 kPa. Det typiske trykket i toppkondensatorkokeren 45 er 124,1 kPa. Innenfor kondensatorkokeren 45 blir den oksygenanrikede væsken kokt ved indirekte varmeutveksling med kondensering av nitrogenrikere damp, og den resulterende oksygenanrikede damp 38 blir oppvarmet ved passering gjennom varmeutvekslerne 30 og 10 og ført ut som strøm 48.

Ved at oksygenanriket væske kontinuerlig blir kokt i toppkondensatorkokeren 45, blir den gjenværende ufordampede væske progressivt rikere når det gjelder høyerekokende hydrokarbonurenheter. For å rengjøre den oksygenanrikede væsken for disse urenhetene, blir en strøm 36 med oksygenanriket væske ført ut av toppkondensatorkokeren 45 og gjennom adsorbentsjiktet 50. Adsorbentsjiktet 50 omfatter generelt silikagel som adsorberingsmiddel. Andre adsorberingsmidler som er hensiktsmessig for anvendelse til rensing av oksygenanrikede væsker med høyerekokende urenheter, kan inkludere molekylærsikter og aluminiumoksider. Flythastigheten gjennom adsorbentsj iktet 50 kan være opp til 25$ av tilførsels-luf tstrømmen 16 på en molar basis og mest typisk ca. 10$. Rengjort oksygenanriket damp 37 blir deretter returnert til toppkondensatorkoker 45 for fortsatt bearbeiding.

Væske blir tatt fra bunnen av toppkondensatorkoker 45 og flyter ved statisk hjelp, dvs. ved tyngdekraft gjennom linje 36 til lavere plassert adsorbentsjikt 50. Væsken passerer gjennom adsorbentsjiktet for fjerning av hydrokarbon-kontaminanter. Den rengjorte væsken flyter deretter gjennom leder 37 til nedstrømssiden for ventil 49. Væsken passerer deretter gjennom leder 34 tilbake til toppkondensatorkoker 45. Væske fra laverenivå-kondensatorkoker 25 strømmer gjennom leder 28, blir ventilekspandert gjennom ventil 49 og passerer deretter gjennom leder 34 til toppkondensatorkoker 45. Væsken fra kondensatorkoker 25 blir kombinert med resirkulerings-væsken 37.

Kondensatorkoker 25 opererer ved et høyere trykknivå enn kondensatorkoker 45. Trykkforskjellen gjør det mulig å overføre væsken fra bunnen av kondensatorkoker 25 gjennom leder 28, gjennom ventil 49, gjennom leder 34 og inn i kondensatorkoker 45. Siden væsken i linje 28 er mettet og dens trykk er redusert ved passering gjennom ventil 49, vil noe av væsken flamme og dermed er den resulterende fluiden i leder 34 to-fase. Den tilgjengelige trykkforskjellen er typisk tilstrekkelig slik at væsken fra leder 37 kan bli tilsatt nedstrøms for ventil 49 og den resulterende kombi-nerte væske- og dampstrøm kan bli transportert til toppkondensatorkoker 45. Avhengig av tilgjengelig trykkforskjell, høydeforskjellene mellom kondensatorkokerne 25 og 45 og mengden resirkulerende væske i leder 37, kan det imidlertid være nødvendig å øke dampporsjonen i strømmen i leder 34. Dette kan bli gjort ved å tilsette noe damp fra bunnen av lavere porsjon med kolonne 40 gjennom leder 32, ventil 35 og leder 33. Nettoresultatet er at damptilsetningen tillater at væsketrykket i leder 36 mer effektivt sirkulerer væske gjennom adsorbentsjikt 50. Tilsetning av damp til kondensatorkoker-returnerende strøm reduserer strømtettheten. De

hydrostatiske trykkforskjellene mellom adsorbentsjikt væske-

innløpslinje 36 og tofase-porsjonene i returlinje 34, frembringer de ønskede drivkreftene til sirkulasjon.

Ved anvendelse av fremgangsmåten i denne oppfinnelsen kan man nå separere luft ved kryogenisk rektifisering og rengjort oksygenanriket væske med høyere kokeurenheter ved passering i kontakt med adsorbent uten behov for en væskepumpe. Dette fjerner farene som er tilknyttet feil i bevegelige deler, reduserer innføring av varme i den kryogeniske prosessen, er mindre kostbar enn en væskepumpe, og reduserer kraftforbruk.

Fig. 2 illustrerer fremgangsmåten i denne oppfinnelsen utført på en enkel kolonne som har en enkel kondensatorkoker. Ved nå å referere til fig. 2, blir tilførselsluf t 60 ført inn i kolonne 61 der den blir separert ved kryogenisk rektifisering til nitrogenrikere damp og oksygenanriket væske som inneholder høyerekokende urenheter. Nitrogenrikere damp 62 blir skilt til produkt 63 og til del 64 som passerer inn i toppkondensatorkoker 65 der den blir kondensert mot kokende oksygenanriket væske og den resulterende kondenserte strøm 66 blir ført ned kolonne 61 som refluksvæske. Oksygenanriket væske blir ført ut fra eller nær bunnen av kolonne 61 som strøm 67, ekspandert og flammet gjennom ventil 68 og ført til 69 til toppkondensatorkoker 65 som opererer ved et trykk som er mindre enn det som kolonne 61 er operert ved. Innen toppkondensatorkoker 65 blir den oksygenanrikede væsken kokt ved indirekte varmeutveksling med kondensert nitrogenrikere damp og resulterende damp 70 passerer ut av systemet. En strøm 71 med oksygenanriket væske passerer ut av toppkondensatorkoker 65 og gjennom adsorbentsjiktet 72. Rengjort oksygenanriket strøm 73 blir kombinert med delvis væske fra trykkavlastet kjele i strøm 69 og returnert til toppkondensatorkoker 65 for fortsettelse av bearbeidingen.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for kryogenisk separering av en tilførsel som omfatter nitrogen, oksygen og høyerekokende urenheter, i en kolonne som har en toppkondensatorkoker, til nitrogenrikere damp og oksygenanriket væske som inneholder høyerekokende urenheter, karakterisert ved kombinasjonen at man (A) fører oksygenanriket væske fra kolonnen til toppkondensatorkokeren ; (B) fører oksygenanriket væske fra toppkondensatorkokeren gjennom et adsorbentsjikt, hvor høyerekokende urenheter fra væsken overføres til adsorbenten, hvoretter den rengjorte væsken returneres til toppkondensatorkokeren; og (C) fører væsken tilbake til toppkondensatorkokeren, i det minste delvis ved å kombinere væsken med damp for å redusere dens tetthet av strøm som passerer tilbake til toppkondensatorkokeren.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kolonnen inneholder en i og for seg kjent andre kondensatorkoker på bunnen av kolonnen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at adsorbentsjiktet omfatter silikagel, aluminium-oksid og/eller molekylærsikt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at noe av den oksygenanrikede væsken som blir ført fra kolonnen til toppkondensatorkokeren blir fordampet og den fordampede oksygenanrikede væsken danner tetthets-reduserende damp i trinn (C).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den partielle fordampingen av oksygenanriket væske "blir oppnådd ved å redusere trykket til den oksygenanrikede væsken.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at damp blir fjernet fra kolonnen og danner minst en del av den tetthets-reduserende dampen i trinn (C).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kolonnetilførselsdamper danner minst en del av den tetthets-reduserende dampen i trinn (C).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at luft danner minst en del av den tetthets-reduserende dampen i trinn (C).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at damp fra høytrykkolonnen danner minst en del av den tetthets-reduserende dampen i trinn (C).

10. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at dampen fra den i og for seg kjente andre kondensatorkokeren på bunnen av kolonnen danner minst en del av den tetthets-reduserende dampen i trinn (C).