NO177728B - Kryogenisk fremgangsmåte for separasjon av luft for å fremstille nitrogen ved moderat trykk - Google Patents

Abstract

Kryogenisk prosess for separering av luft som utnytter et integrert multi-kolohnedestillasjonssystem der et nltrogenrikt. oksygenrikt og argonrikt produkt blir generert. I den kryogenlske destlllasjonsseparerlngen av luft, blir luft til å begynne med presset sammen, forbebandlet og avkjelt for separering i sine komponenter. Moderat trykk, f.eks. 172,4-551,6 KPa nitrogen blir generert med aket nltrogenproduktrenhet og bayere utvinning av både nitrogen og argon ved gjennomfaring av en bay oppkoklngshastlghet 1 bunnen til den lavere trykkolonnen, og derved skape et redusert væskestram/- dampstrømforhold (L/V) og utnytte en heyere enn vanlig nltrogentllbakestramming til toppen av den lavere trykkolonnen, der konsentrasjonen av oksygen i nitrogen er mindre enn ca. 10 ppæ ved volum eller nitrogenrenheten er minst ca. 99,5 volum-St.Avkjøling for å drive systemet blir oppnådd ved utvinning av energien fra avfallsnltrogenstrammen og oksygendampen fra den lavere trykkolonnen.En annen metode for å oppnå avkjøling er å fjerne oksygen som en bunnvæske fra den lavere trykkolonnen, ekspandere den væsken til et lavere trykk og å anvende den til å kondensere nltrogendampen som ble generert 1 en høyere tryktcolonne som har blitt ekspandert i en turbo-ekspander for å fremskaffe avkjølingen.

Description

Oppfinnelsen angår en kryogenisk fremgangsmåte for separasjon av luft og utvinning av moderat trykk nitrogen med høy argonutvinning.

En lang rekke prosesser er kjent for fremstilling av luft ved kryogenisk destillasjon til dens bestanddeler. Luftsepara-sjonsprosessen involverer typisk fjerning av kontaminerende materiale slik som karbondioksyd og vann fra en sammenpresset luftdamp før avkjøling til i nærheten av duggpunktet. Den avkjølte luften blir deretter kryogenisk destillert i et integrert muliti-kolonne destillasjonssystem som har en høytrykkskolonne, en lavtrykkskolonne og en sidearmkolonne for separasjon av argon. Sidearmkolonnen for separasjon av argon er forbundet med lavtrykkskolonnen ved at argon/- oksygendampen som inneholder ca. 8- 12% argon blir fjernet og kryogenisk destillert i sidearmkolonnen. En avfallsnitrogen-strøm blir generert for å regulere nitrogenrenheten, US-patenter nr. 4.871.382, 4.836.836 og 4.838.913.

Senere forsøk på å forbedre argonutvinningen ved reduserte kraftkostnader innbefatter anvendelse av strukturerte og andre former for pakking i lavere seksjoner til lavtrykkskolonnen. Pakkingene minimaliserer trykkfallet i lavtrykkskolonnen og benytter derved fordelen med øket relativ flyktighet mellom nitrogen og argon ved lavt trykk, og dermed begrenses kraftforbruk sammenlignet med kolonner der skuffer blir anvendt som damp-væskekontaktmediet (US-patent nr. 4.836.836).

En type av de mer konvensjonelle kryogeniske luftseparasjons-prosessene nødvendiggjør benyttelse av lavtrykkskolonne ved et trykk i området fra ca. 96,5-137,9 KPa, med sidearmkolonnen til argonseparasjon som virker ved svakt lavere trykk. Trykket som blir utnyttet i den lavere trykkolonnen er slik at nitrogen- og argonproduktspesifikasjonene kan bli tilfredsstilt ved maksimum utvinning av komponentene. Virkningstrykket er også en indikasjon på kraftforbruket i den kryogeniske destillasjonsprosessen og er et hovedmoment; operasjonstrykket blir valgt for å begrense trykkforbruket. Derfor fokuserer den samlede prosessutformingen på produkt-spesifikasjonen, produktutvinning og kraftforbruk.

Konvensjonelle multi-kolonnesystemprosesser genererer lavtrykk (103,4-137,9 KPa) nitrogenproduktdamper ved høy utvinning mens de gir lav effekt ved separering av argon. I det siste har det vært øket interesse for å generere moderat trykk nitrogen fra en kryogenisk destillasjonsprosess, på grunn av øket behov for inerte atmosfærer og øket olje-utvinning. Moderat trykk, dvs. trykk i området fra ca. 172,4-551,6 KPa nitrogen, blir generert ved operering av lavtrykk-nitrogenkolonnen ved høyere trykk enn det som blir utnyttet i konvensjonell kryogenisk luftseparasjon. Det økede trykket i lavtrykkskolonnen skaper et problem med hensyn på separa-sjonen av argon fra oksygen og nitrogen, på grunn av at relativ flyktighet mellom argon og oksygen og mellom nitrogen og argon er redusert, og gjør således at utvinning av argon er vanskeligere. Fordelen som blir oppnådd ved lavtrykks-kolonneoperasjon der de relative flyktighetene mellom argon og oksygen, og nitrogen og argon er store blir redusert når dette systemet blir tilpasset ved økning av trykket av lavtrykkskolonnen til moderattrykk som hemmer separasjon av oksygen og nitrogen fra argon, og derfor går utvinningen av argon tapt.

En fremgangsmåte for fremstilling av moderat trykk nitrogen med høy argonutvinning er fremsatt i US-patent 4.822.395. Den fremgangsmåten innbefatter blant annet at man driver argonkolonnetoppkondensatoren med lavtrykkskolonnebunner i motsetning til konvensjonelle prosesser der argonkolonne-kondensatoren blir drevet med bunner fra høytrykkskolonnen. Ved å utnytte lavtrykkskolonnebunnene for å drive argonkolonnetoppkondensatoren kan en større mengde høytrykkskolonner bli anvendt for å fremskaffe tilbakestrømming til lavtrykkskolonnen. Innføringen av høytrykkbunnene som til-bakestrømming til lavtrykkskolonnen ved et punkt over argonfjerningspunktet til sidearmkolonnen presser argon nedover mot fjerningspunktet og øker derved utvinningen av argon fra systemet.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for separering av luft som omfatter nitrogen, argon og oksygen i et integrert multi-kolonnedestillasjonssystem, som har en høytrykkskolonne (202), en lavtrykkskolonne (204) og en sidearmskolonne (206) for å gjennomføre separering av argon fra oksygen, der luftstrømmen blir komprimert, frigjort for urenheter og avkjølt ved å generere en tilførsel for kryogenisk destillering til det integrerte multi-kolonnedestillasjonssystemet, fremstilling av et nitrogenprodukt, som har et trykk i området fra 172,4 KPa til 620,6 KPa, kjennetegnet ved at den omfatter at man: etablerer og opprettholder et væske- til dampstrømforhold i bunnen av lavtrykkskolonnen (204) som er mindre enn ca. 1,4;

etablerer og opprettholder et nitrogentilbakestrømforhold i den øvre seksjonen av lavtrykkskolonnen (204) som er større enn ca. 0,5; og

etablerer og opprettholder en nitrogenkonsentrasjon i nitrogentilbakestrømmen på minst 99,5 volum-#.

Oppfinnelsen vil bli forklart nærmere ved hjelp av figurer, der: Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av en utførelsesform for generering av moderat trykk nitrogen med øket argonutvinning der hovedsakelig all nitrogendamp i høytrykkskolonnen blir direkte anvendt for å gjennomføre oppkoking i lavtrykkskolonnen og deretter som tilbakestrømmingen for lav- og høytrykks-kolonne og avkjøling blir oppnådd fra oksygendamp i lavtrykkskolonnen . Fig. 2 er en skjematisk fremstilling av en variasjon av fremgangsmåten i fig. 1 der en del av nitrogendampen fra høytrykkskolonnen blir oppvarmet og ekspandert for å fremskaffe avkjøling og blir deretter anvendt for på nytt å koke flytende oksygen generert fra bunndelen av lavtrykkskolonnen etter at trykket i denne fjærede oksygenvæsken er redusert.

Det er funnet at problemene som er forbundet med generering av et moderat trykk nitrogenprodukt fra en lavere trykkolonne i et integrert-multikolonnedestillasjonssystem som skyldes reduksjon i relative flyktigheter mellom argon og oksygen og nitrogen og argon, særlig oksygen fra argon, blir overvunnet ved generering av en høyere "oppkoking" i bunnene til den lavere trykkolonnen, sammenlignet med en konvensjonell syklus. Den økede oppkokingen reduserer væskestrøm til dampstrømforholdet (L/V) i bunnseksjonen og hjelper i å gjennomføre separering av komponentene i bunnporsjonene til den lavere trykkolonnen. Ved redusering av L/V i bunnpor-sj onen til lavtrykkskolonnen blir separasjon av argon og nitrogen fra oksygenbestanddelene i luftstrømmen øket. "Utnyttelsen av et høyere nivå med nitrogentilbakestrømming i den lavere trykkolonnen som har en høyere nitrogenkonsentrasjon som er større enn 99, 5%, fortrinnsvis 99,8 volum-#, presser argon nedover i kolonnen mot f jerningspunktet.

For å forenkle en forståelse av oppfinnelsen og begrepene med å generere en redusert L/V i bunnenseksjonen til den lavere trykkolonnen med øket høyrenhettilbakestrømming, refereres det til fig. 1. Mer detaljert blir en tilførende luftstrøm 10 til å begynne med fremstilt fra en luftstrøm for separasjon ved sammenpressing av en luftstrøm som består av oksygen, nitrogen, argon og urenheter, slik som karbondioksyd og vann i et mange-trinns kompressorsystem til et trykk i området fra ca. 551,6-2068,5 KPa og typisk i området fra 620-1244,1 KPa. Denne sammenpressede luftstrømmen blir avkjølt med kjølevann og kjølt mot en kjøleanordning og deretter sendt gjennom en molekylsikt for å fri den for vann og karbondioksydkonta-minanter.

Strøm 10, som er fri for kontaminanter, blir avkjølt til i nærheten av sitt duggpunkt i hovedvarmeveksleren 200, som danner tilførselen via strøm 12 til et integrert multi-kolonnedestillasjonssystem, som omfatter en høytrykkskolonne 202, en lavtrykkskolonne 204 og en sidearmkolonne 206 for gjennomføring av argonseparasjonen. Høytrykkskolonnen 202 blir operert ved et trykk som er i nærheten av trykket til tilførselsluftstrømmen 10 og luft blir separert i sine komponenter ved nær kontakt med damp og væske i kolonnen. Høytrykkskolonne 202 er utstyrt med destillasjonsskuffer eller pakkinger, der hvert medium er tilpasset for å gjennomføre væske/dampkontakt. En høytrykksnitrogendampstrøm blir generert ved topporsjonen til høytrykkskolonne 202 og en rå flytende oksygenstrøm blir generert ved bunnen av høytrykkskolonnen 202.

Lavtrykkskolonne 204 blir operert innenfor et trykkområde fra ca. 172,4-620,6 KPa og fortrinnsvis i området fra ca. 172,4 til 344,8 KPa for å fremstille et moderat trykk nitrogen-rikt produkt. Formålet med lavtrykkskolonnen er å skaffe tilveie høyrenhetsnitrogendamp, f.eks. som er høyere enn 99,5$ fortrinnsvis 99,8 volum-# renhet på toppen av kolonnen, med minimalt argontap og å generere en høyrenhets-oksygenstrøm. Imidlertid er i de fleste tilfeller oksygen-utvinningen av sekundær viktighet. Lavtrykkskolonnen 204 er utstyrt med damp væskekontaktmedium som omfatter destillasjonsskuffer eller en strukturert pakking. En argonsidestrøm blir fjernet fra lavtrykkskolonne 204 fra ledning 94 til sidearmskolonne 206 som opererer typisk ved et trykk i nærheten av lavtrykkskolonnetrykket. En argon-rik strøm blir fjernet fra toppen av sidearmkolonnen 206 som et produkt.

I funksjon blir vesentlig all høytrykksnitrogendamp som blir generert i høytrykkskolonnen 202 fjernet via ledning 20 og kondensert i koker/kondensator 208 som frembringer øket oppkoking og derved etablerer et lavt vaeskestrøm- til dampstrømforhold (L/V) enn det som normalt blir utnyttet i den lavere delen av kolonnen. Denne L/V er derfor mindre enn ca. 1,4 og ofte så lav som 1,35 eller lavere. Konvensjonelle sykluser anvender typisk en del av tilførselsluften til avkjølingsformål. Fordi hovedsakelig all den avkjølte tilførselsluften blir innført i høytrykkskolonnen 202, blir økede nivåer av nitrogen generert ved toppen av høytrykks-kolonne 202 pr. enhet luft sammenpresset og introdusert via ledning 20 sammenlignet med konvensjonelle sykluser og er således tilgjengelig for å gjennomføre koking i lavtrykkskolonnen 204. Når L/V er større enn ca. 1,45, er argon/- oksygenseparasjonen mindre effektiv ved det økede trykket i lavtrykkskolonnen som blir anvendt her. Kondensert nitrogen blir fjernet fra koker/kondensator 208 via ledning 24 og splittet i to porsjoner der en del blir dirigert på nytt til høytrykkskolonnen 202 som tilbakestrømming via ledning 28. Balansen til høytrykksnitrogen blir fjernet via ledningen 26, avkjølt i varmeveksleren 210, isentapisk ekspandert i JT ventilen 212 og innført til toppen av lavtrykkskolonne 204 som tilbakestrømming til kolonnen. Siden en større mengde nitrogen blir kondensert i koker/kondensator 208, er en høyere strøm tilgjengelig i ledning 26 for utnyttelse som tilbakestrømming til lavtrykkskolonnen. Utnyttelsen av denne nitrogen tilbakestrømmingen, f.eks. større enn ca. 99,5$, fortrinnsvis 99,8 volum-56 nitrogen, og utnyttelse av et nitrogentilbakestrømmingsforhold som er større enn ca. 0,5 og ofte opptil ca. 0,55 i toppseksjonen forenkler argon/- nitrogenseparasjonen i lavtrykkskolonne 204.

Avhengig av argonutvinningsspesifikasjonene, kan en uren nitrogenstrøm bli fjernet fra høytrykkskolonnen 202 via ledning 80, underkjølt, redusert i trykk og deretter innført til lavtrykkskolonne 204 som uren tilbakestrømming. Det mindre rene nitrogenet som blir anvendt som tilbakestrømming har tendens til å redusere utvinningen av argon i systemet, og reduserer nivået av nitrogentilbakestrømming som er frembrakt via ledning 26 til toppen av lavtrykkskolonne 204.

Utnyttelsen av høynitrogen tilbakestrømmingsforholdet og høyrenhetsnitrogen som blir tilført toppen av lavtrykkskolonnen 204, via ledning 26 presser argon nedover i kolonne 204, som øker konsentrasjonen ved fjerningspunktet via ledning 94 og derved øker utvinningen. En argoninneholdende damp som har en konsentrasjon på fra ca. 8 til 12% argon blir fjernet fra intermediatpunktet i lavtrykkskolonnen 204 via ledningen 94 og tømt til sidearmkolonnen 206 for separasjon. Argon blir separert fra oksygen i sidearmkolonnen 206 og bunnfraksjonene som er rike på oksygen blir fjernet fra bunnen av kolonnen 206 og returnert via ledningen 98 til lavtrykkskolonnen 204. Sidearmskolonnen 206, lik høytrykkskolonnen 202 og lavtrykkskolonnen 204, er utstyrt med damp-væskekontaktmedium slik som skuffer eller pakking. En argonrik strøm blir fjernet fra sidearmkolonnen 206 via linje 96, der den blir splittet i to porsjoner, en porsjon blir anvendt som supplement for driving av koke/kondensator 214 i toppen av kolonnen. Balansen av strømmen blir fjernet via ledning 100 og utvunnet som en rå gassformig argonstrøm som inneholder minst 97% volum-# argon.

En nitrogenrik produktstrøm blir fjernet fra toppen av lavtrykkskolonne 204, via ledning 70, der den blir varmet mot andre prosessf luider i varmevekslerne 210 og 200, og nitrogendampstrømmen blir fjernet fra varmeveksler 210 via ledning 72 og fra varmeveksler 200 via ledning 74. Nitrogenrenheten i produktdampstrømmen 70 blir regulert via en avf allsnitrogenstrøm som blir fjernet fra en øvre del av lavtrykkskolonnen 204 via ledning 30. Det er ved dette punktet at argontap forekommer i moderat trykk nitrogen-destillasjonssystemet. Ved kontrolløvelser som beskrevet, blir tap gjennom ledning 30 minimalisert.

Avkjøling for syklusen i fig. 1 blir gjennomført ved det som refereres til som direktemetoden. Høytrykk råflytende nitrogen (LOX) blir fjernet fra høytrykkskolonne 202 via ledning 50, avkjølt i varmeveksler 210 til en underkjølt temperatur og fjernet via ledning 52 der den blir splittet i to fraksjoner. En fraksjon blir fjernet via ledning 54 og tømt til lavtrykkskolonne 204 som tilbakestrømming, der tilbakestrømmingen blir tilført ved et punkt over punktet ved fjerning av argonfjerningen dvs., linje 94 og den andre fjernet via ledning 56 og fordampet i kokeren/kondensatoren til 214. Den fordampede rå flytende oksygenstrømmen blir fjernet via ledning 58 og tilført lavtrykkskolonnen ved et punkt under tilførselsskuffen for underkjølt flytende oksygenstrøm 54. Siden en større mengde nitrogen blir kondensert i koker/kondensator 208, blir en større mengde flytende nitrogen returnert via ledningen 28 til høytrykks-kolonnen sammenlignet med konvensjonelle prosesser. Dette gir en større, flytende strøm med rå LOX i ledning 50 som fører til en større flytende strøm i ledning 54 til lavtrykkskolonnen. Sammenlignet med den konvensjonelle prosessen, øker dette den flytende strømmen i den øvre til midtre delen av lavtrykkskolonnen og hjelper videre til å drive argon ned lavtrykkskolonnen mot tilførselsledningen 94 til sidearmkolonnen 206. Dette øker argonutvinningen.

For å gjennomføre en øket oppkoking i lavtrykkskolonnen 204 og derved opprettholde en lav L/V i bunnen og tillate høy tilbakestrømming med et høyt nitrogeninnhold til lavtrykkskolonnen 204, blir ytterligere avkjøling frembrakt ved hjelp av ekstraheringsenergi fra avfallsnitrogenstrømmen og oksygenstrømmen. Med hensyn på dette blir avfallsnitrogen fjernet fra lavtrykkskolonne 204 via ledning 30 og oppvarmet mot prosessfluider. En oksygenrik dampstrøm blir fjernet fra bunnen av lavtrykkskolonne 204 via ledning 60, ekspandert og kombinert med avfallsnitrogenstrømmen i ledning 30. Den resulterende kombinerte blandingen blir deretter oppvarmet i varmeveksler 210 og i varmeveksler 200 før ekspansjonsarbei-det og etter ekspansjon ytterligere oppvarmet i varmeveksler 200 mot innkommende luftstrøm 10. Ekspansjonen av den kombinerte strømmen blir fortrinnsvis gjennomført isentropisk i turbo-ekspanderer 216. I en foretrukket utførelsesform blir ekspansjonen i turbo-ekspandereren 216 gjennomført isentropisk med det arbeidet som er generert ved den isentropiske ekspansjonen som blir anvendt for å presse sammen en passende strøm ved varmenden til varmeveksler 200. Et slikt system blir ofte referert til som en kompander, der ekspandereren og kompressoren er knyttet sammen med energien som blir oppnådd fra ekspansjonen som blir anvendt til å sammenpresse en innkommende strøm. På en foretrukket måte kan oksygenstrømmen som skal ekspanderes bli oppvarmet i varmeveksleren 200, sammenpresset i kompanderen, avkjølt med kjølevann og deretter delvis avkjølt på nytt i varmeveksler 200 før den blir tilført turbo-ekspander 216. Dette resulterer i redusering av oksygenmengden som er nødvendig for avkjøling eller reduserer trykkforholdet gjennom ekspanderen. En oksygenrik strøm blir fjernet fra varmeveksleren 200 via ledning 68 for mulig anvendelse.

Fig. 2 representerer en skjematisk fremstilling av en annen utførelsesform for generering av høyoppkoking med høy tilbakestrømming av høy renhet nitrogen til lavtrykkskolonnen. Avkjølingssystemet blir referert til som en indirekte metode sammenlignet med direkte avkjølingsmetoden som er beskrevet i fig. 1. Et nummereringssystem som tilsvarer den i fig. 1 har blitt anvendt for fellesutstyr og strømmer og kommentarer med hensyn på kolonnefunksjonen vil bli begrenset til de signifikante forskjellene mellom denne prosessen og den som er beskrevet i fig. 1. Som i fremgangsmåten i fig. 1, blir et høytrykksnitrogenprodukt fjernet fra høytrykkskolonne 202 via ledning 20. I motsetning til fig. 1, blir høytrykks-nitrogendampen fra høytrykkskolonne 202 splittet i to porsjoner der en porsjon blir fjernet via ledning 21, oppvarmet i varmeveksler 200 og isentropisk ekspandert i turbo-ekspander 216. Det ekspanderte produktet ble deretter avkjølt mot prosessfluider i varmeveksler 200 og tømt til separat koker/kondensator 218. Hvis arbeidet som blir generert ved den isentropiske ekspansjonen i turbo-ekspander 216 blir anvendt til å sammenpresse den innkommende nitrogen-tilførselen til turbo-ekspanderen ved den varme enden til hovedvarmeveksler som anvender en kompander som beskrevet tidligere for direkte metoden, kan en mindre del nitrogen bli fjernet via ledningen 21 enn der den innkomne tilførselen ikke blir sammenpresset. Kondensert nitrogen som blir fjernet fra koker/kondensator 218 via ledning 27 blir kombinert med den gjenværende delen av nitrogen fra toppen av høytrykks-kolonnen 202 som danner strømmen 28. Som vist blir balansen til strømmen via ledning 20 kondensert i koker/kondensator 208, fjernet og deretter blir en porsjon isentalpisk ekspandert i ventilen 220 før kombinasjon med nitrogenet i strømmen 27. Denne strømmen blir anvendt som en tilbakestrøm-ming til lavtrykkskolonnen 204 og blir innført nær toppen av lavtrykkskolonnen 204 før øking av argonutvinning.

Avkjøling blir gjennomført via en indirekte metode ved fjerning av en flytende nitrogenstrøm fra bunnene til lavtrykkskolonnen 204, via ledningen 59, isentalpisk ekspande-ring av den porsjonen og tømming til den fordampede delen av koke/kondensator 218 via ledningen 61. Den fordampede fraksjonen blir fjernet fra koker/kondensator 218 via ledning 63 og deretter kombinert med en mindre porsjon av lavtrykks-oksygendampen som er generert i lavtrykkskolonnen 204 og fjernet via ledning 60. Strømmen 60 blir isentalpisk ekspandert og kombinert med strømmen 63 som danner strøm 62. Prosentdelen med oksygen som er fjernet fra bunnen av lavtrykkskolonne 204 via ledning 61 er større enn bO% av samlet oksygen som er fjernet fra bunnen av kolonnen som er representert ved den kombinerte strømmen 62.

Ytterligere variasjoner av fremgangsmåten som er beskrevet i figurene 1 og 2 kan man forestille seg ved f.eks. genererin-gen av en høyere renhet oksygenstrøm. Denne variasjonen kan bli gjennomført ved å beholde oksygenstrømmen separat fra avfallsnitrogenstrømmen som blir fjernet fra den øvre delen av lavtrykkskolonne 204 via ledning 30. En separat ledning vil beholde oksygenproduktet ved en høyere renhet.

De følgende eksemplene skal illustrere utførelsesformene av oppfinnelsen.

Eksempel 1

Direkte kjølingsmetode for moderat trykknitrogen

En luftseparasjonsprosess som anvender apparater som er beskrevet i fig. 1 ble gjennomført. Tabell under fremsetter strømtallene med passende strømningshastigheter og strøm-ningsegenskaper.

Eksempel 2

Indirekte avkjølIngsmetode for moderat trykk nitrogen

Luft ble separert ifølge fremgangsmåten som beskrevet i fig.

2 der tabell 2 under viser strømtallene og strømhastigheter og strømegenskaper.

Eksempel 3

Sammenligningstest

Tabell 3 fremsetter en sammenligning mellom fremgangsmåter som er beskrevet i fig. 1 og 2 sammenlignet med en moderat nitrogengenererende prosess beskrevet i US-patent nr. 4.822.395 der oksygenet fra lavtrykkskolonnen blir anvendt til å drive kokeren/kondensatoren i sidearmkolonnen for å gjennomføre separasjon av argon og høytrykkbunnene fra høytrykkskolonnen som ble anvendt for å frembringe en vesentlig proporsjon av tilbakestrømmingen til lavtrykkskolonnen .

Kommentarer med hensyn på eksemplene 1. 2 og 3

Den økede oppkoking og nitrogentilbakestrømming i eksempel 1 og 2 blir oppnådd på grunn av at all tilførselsluften blir tilført ved bunnen av høytrykkskolonnen, og all nitrogenet generert ved toppen blir kondensert mot flytende oksygen ved bunnen av høytrykkskolonnen. Dette frembringer høyere dampstrøm i bunnseksjonen til lavtrykkskolonnen og en større mengde flytende nitrogen fra koker/kondensatoren. Det flytende nitrogenet som returnerer som tilbakestrømming til høytrykkskolonnen er nå høyere enn det fra konvensjonell lavtrykksyklus fordi i den foreslåtte prosessen, blir mer luft rektifiert i høytrykkskolonnen. Dette medfører at en øket mengde rå flytende nitrogen fra bunnen av høytrykks-kolonnen blir tilført lavtrykkskolonnen som uren tilbake-strømming. Videre er en større mengde flytende nitrogen nå tilgjengelig fra koker/kondensator ved toppen av høytrykks-kolonnen for tilbakestrømming til lavtrykkskolonnen. Dette øker den flytende strømmen i toppseksjonen av lavtrykkskolonnen .

Effekten som er diskutert over blir oppnådd på grunn av avkjøling er frembrakt direkte eller indirekte gjennom oksygenstrøm fra bunnen av lavtrykkskolonnen. I direktemetoden fordamper høytrykksnitrogen i en moderattrykk-oksygenstrøm som deretter blir ekspandert for å oppnå avkjøling. I den indirekte metoden blir flytende oksygen trykksenket og høytrykksnitrogen blir kondensert mot denne væsken etter at den blir ekspandert for avkjøling. Begge metodene bibeholder den høye oppkoking og tilbakestrømming til lavtrykkskolonnen.

Det er viktig å bemerke at fremgangsmåten i US-patent 4.822.395 også oppnår en større dampstrøm i bunnseksjonen til lavtrykkskolonnen. Den tilfører også en mye større mengde rå flytende oksygen til lavtrykkskolonnen. Imidlertid er dens flytende nitrogentilbakestrømming til lavtrykkskolonnen mindre enn den til foreliggende oppfinnelse. Derfor er den flytende strømmen i seksjonen fra toppen av lavtrykkskolonnen til det rå flytende oksygentilførselspunktet i denne kolonnen høyere hos de foreslåtte prosessene. Denne nøkkelforskjellen er ansvarlig for bedre yteevne til foreliggende oppfinnelse.

Det er interessant å sammenligne resultatene fra eksempel 1 og 2 med eksemplet som er diskutert i US-patent 4.822.395. Tabell 3 sammenligner resultatene. Oppfinnelsene for alle komponentene i teksten og tabell 3 er definert som prosentdel av samlet mengde som er tilstede i tilførselsluftstrømmen som blir utvunnet. Hvis alt oksygenet fra luften ble utvunnet, ville dens utvinning således være 100$. Tidligere kjente patenterte prosesser fremstiller oksygen med en utvinning på 99,9$ med renhet på 99,75$ sammenlignet med. 99, 9% utvinning med renhet på 99,86$ i foreliggende eksempel. Utvinningen av nitrogen i den patenterte prosessen har imidlertid 94,6$ sammenlignet med 97, 3% for foreliggende eksempel. Denne økningen i nitrogenutvinning er meget viktig fordi disse anleggene er primært nitrogenfremstillende anlegg som er utformet for en bestemt mengde nitrogenprodukt. Dette vil senke kraftforbruket i prosessen. Et annet viktig resultat er i argonutvinningen som er 94,4$ og er betydelig høyere enn 92,7$ som rapporteres i patentet.

Som oppsummering vil fremgangsmåten i fig. 1 og 2 utvinne mer nitrogen og argon med høyere utvinningsverdier enn det som er beskrevet i US-patent 4.822.395. Det er verdt å bemerke at for begge disse prosessene er hovedenergikildetilførselen en hovedluftkompressor. De opplistede produktene som er diskutert i disse eksemplene krever ikke ytterligere kompresjonsenergi. Dette gjør at foreliggende prosesser er mer attraktive på grunn av høyere nitrogenutvinning.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for separering av luft som omfatter nitrogen, argon og oksygen i .et integrert multi-kolonnedestillasjonssystem, som har en høytrykkskolonne (202), en lavtrykkskolonne (204) og en sidearmskolonne (206) for å gjennomføre separering av argon fra oksygen, der luftstrømmen blir komprimert, frigjort for urenheter og avkjølt ved å generere en tilførsel for kryogenisk destillering til det integrerte multi-kolonnedestillasjonssystemet, fremstilling av et nitrogenprodukt, som har et trykk i området fra 172,4 KPa til 620,6 KPa, karakterisert ved at den omfatter at man: etablerer og opprettholder et væske- til dampstrømforhold i bunnen av lavtrykkskolonnen (204) som er mindre enn ca. 1,4; etablerer og opprettholder et nitrogentilbakestrømforhold i den øvre seksjonen av lavtrykkskolonnen (204) som er større enn ca. 0,5; og etablerer og opprettholder en nitrogenkonsentrasjon i nitrogentilbakestrømmen på minst 99,5 volum-$.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at væskestrøm til dampstrømforholdet som blir opprettholdt i bunnen av lavtrykkskolonnen (204) skjer ved kondensering av hovedsakelig all nitrogendamp som er generert i høytrykkskolonnen (202) i koker/kondensatoren (208) til lavtrykkskolonnen (204), samt at nitrogenkonsentrasjonen i tilbakestrømmen er minst 99,8 volum-$.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at en del av nitrogendampen som blir anvendt til å drive koker/kondensatoren (208) i lavtrykkskolonnen (204) blir returnert til en øvre del av høytrykkskolonnen (202) og balansen blir avkjølt, ekspandert og tømt som nitrogentil-bakestrøm til toppen av lavtrykkskolonnen (204).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at oksygendamp fjernes fra lavtrykkskolonnen (204), ekspanderer og genererer avkjøling for multi-kolonnedestilla-sj onssystemet.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at en avfallsnitrogenstrøm blir fjernet fra øvre del av lavtrykkskolonnen (204), oppvarmet mot prosessstrømmer og ekspandert, og generer dermed avkjøling for multi-kolonne-desti Hasj onssystemet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at en bunnflytende fraksjon fra høytrykkskolonnen (202), blir avkjølt og deretter splittet i to fraksjoner der en fraksjon blir tilført som tilbakestrøm til en øvre del over fjerningspunktet for argonstrømmen for separasjon i sidearmkolonnen (206) og den andre fraksjonen fordampes i koker/kondensatoren (208) i øvre del av sidearmkolonnen (206) for argonseparasjon og deretter returnert til øvre del av lavtrykkskolonnen (204).

7 . Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at en porsjon av nitrogendampen som blir generert i høytrykkskolonnen (202) blir splittet i to fraksjoner der en fraksjon blir ytterligere avkjølt og deretter isentropisk ekspandert og kondensert i koker/kondensatoren (208) før den føres til øvre del av lavtrykkskolonnen (204 ) som nitrogen-tilbakestrømming.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at fra 5 til 30$ av strømmen blir fjernet som nitrogendamp fra høytrykkskolonnen (202).