NO180696B - Fremgangsmåte ved kryogenrektifisering for fremstilling av produkt med höy gjenvinning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved kryogenrektifisering for fremstilling av produkt med høy gjenvinning i henhold til krav l's ingress.

Produkter med høyt trykk, som for eksempel oksygen og nitrogen, fremstilt ved kryogenrektifisering av fødeluft blir stadig mer etterspurt på grunn av slike anvendelsesområder som for eksempel kraftanlegg kombinert-syklus kull-gass-dannelse, hvor alle produktene fra det kryogene rektifi-seringsanlegget kan brukes ved høyt trykk.

En måte å fremstille produkter med høyt trykk fra et kryogen-rektif iseringsanlegg er å komprimere produktene som frem-stilles av anlegget til det ønskede trykket. Denne til-nærmelsen er imidlertid kostbar, både på grunn av de store kapitalkostnadene og på grunn av de høye drifts- og ved-likeholdskostnadene for kompressorene.

En annen måte å fremstille produkter med høyt trykk fra et kryogenrektifiseringsanlegg er å operere anleggets kolonner ved et høyere trykk. Dette vil imidlertid øke separasjonsbe-lastningen og gjenvinningsbelastningen på systemet, fordi kryogenrektifiseringen avhenger av komponentenes relative flyktighet og den relative flyktigheten blir redusert med økende trykk. Dette er spesielt tilfelle når de ønskede produktene fra anlegget er flytende oksygen og/eller flytende nitrogen, da dette reduserer tilgjengeligheten av refluks med høy kvalitet, som kan brukes for å forbedre separasjonen og derved øke produktgjenvinningen med et høyere rektifiserings-trykk.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en fremgangsmåte for kryogenrektifisering som kan fremstille produkter ved høyt trykk med forbedret gjenvinning i forhold til det som kan oppnås ved konvensjonelle systemer.

Denne og andre hensikter vil fremgå fra den videre be-skrivelsen av foreliggende oppfinnelse hvorav et trekk er: En fremgangsmåte ved kryogenrektifisering for fremstilling av produkt med høy gjenvinning, kjennetegnet ved at den innbefatter: (A) tilveiebringe fødeluft i en høytrykkskolonne og separere fødeluften i denne ved kryogenrektifisering til nitrogenanriket fluid og oksygenanriket fluid; (B) føre nitrogenanriket fluid inn i en lavtrykkskolonne som operer ved et lavere trykk enn høytrykkskolonnen; (C) fjerne oksygenanriket fluid fra høytrykkskolonnen, redusere trykket til hele det fjernede oksygenanrikede fluidet til tilnærmet driftstrykk i lavtrykkskolonnen, fordampe en del av det resulterende oksygenanrikede fluidet med redusert trykk ved indirekte varmeveksling med kondenserende nitrogenholdig fluid tatt fra høytrykkskolonnen og føre en annen del av det resulterende oksygenanrikede fluidet med redusert trykk direkte inn i lavtrykkskolonnen;

(D) føre fordampet oksygenanriket fluid inn i lavtrykkskolonnen og føre nitrogenholdig fluid tatt fra

varmevekslingen med oksygenanriket fluid inn i lavtrykkskolonnen ved et punkt over punktet hvor fordampet oksygenanriket fluid føres inn i lavtrykkskolonnen og

(E) separere oksygenanriket fluid og nitrogenanriket fluid i lavtrykkskolonnen ved kryogenrektifisering til

nitrogenrikt fluid og oksygenrikt fluid for gjenvinning som produkt.

I henhold til et annet trekk ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et anlegg for utøvelse av ovennevnte fremgangsmåte som er kjennetegnet ved at det innbefatter:

(A) et kryogent rektifiseringsapparat innbefattende en høytrykkskolonne og en lavtrykkskolonne; (B) en refluksvarmeveksler, trykkreduksjonsorgan, organ for å føre fluid fra den nedre delen av høytrykkskolonnen til trykkreduksjonsorganet, organ for å føre fluid fra trykkredusjonsorganet til refluksvarmeveksleren og fra denne til lavtrykkskolonnen, og organ for å føre fluid fra trykkreduksjonsorganet direkte inn i lavtrykkskolonnen; (C) organ for å føre fluid fra høytrykkskolonnen til refluksvarmeveksleren og fra refluksvarmeveksleren inn i lavtrykkskolonnen i en strøm ved et punkt over punktet hvor fra den nedre delen av høytrykkskolonnen føres inn i lavtrykkskolonnen og (D) organ for å gjenvinne produkt fra lavtrykkskolonnen.

Ytterligere fordelaktige utførelsesformer av fremgangsmåten

og anlegget i henhold til oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

Med begrepet "kolonne" som brukes her, menes en destilla-sjons-eller fraksjoneringskolonne eller -sone, d.v.s. en kontaktkolonne eller sone hvor væske- og dampfaser er i motstrømskontakt for å frembringe separasjon av en fluidum-blanding som for eksempel ved å kontakte damp-og væskefasene og damp/væskekontaktelementer, slik som en serie vertikalt adskilte trau eller plater anordnet i kolonnen og/eller på pakkeelementer, som kan være strukturerte og/eller ran-domiserte pakningselementer. For en ytterligere diskusjon av destillasjonskolonner, se Chemical Engineers' Handbook, femte utgave, redigert av R. H. Perry og C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, "Distillation", B. D. Smith, et al., side 13-3, The Continuous Distillation Process.

Damp- og væskekontakt-separasjonsprosesser avhenger av forskjellen i damptrykk for komponentene. Komponenten med høyt damptrykk (eller mer flyktig eller lavtkokende) har en tendens til å konsentreres i dampfasen, mens. komponenten med lavt damptrykk (eller mindre flyktig eller høyerekokende) vil ha en tendens til å konsentreres i væskefasen. Destillasjon er den separasjonsprosessen hvorved oppvarming av en flytende blanding kan brukes for å konsentrere de flyktige komponentene i dampfasen og derved de mindre flyktige komponentene i væskefasen. Separasjonsprosessen er partiell kondensasjon, hvorved kjøling av en dampblanding kan brukes for å konsentrere de flyktige komponentene i dampfasen og derved de mindre flyktige komponentene i væskefasen. Rektifisering eller kontinuerlig destillasjon er separasjonsprosesser som kombinerer suksessiv partiell fordampning og kondensering som oppnås ved en motstrømsbehandling av damp og væskefasene. Denne motstrømskontakten mellom damp og væskefasene er adiabatisk og kan innbefatte integral eller differensial kontakt mellom fasene. Separasjonsprosessarrangementet som anvender prinsippene med rektifisering for å separere blandinger blir ofte kalt rektifiseringskolonner, destillasjonskolonner eller fraksjoneringskolonner. Kryogen rektifisering er en rektifiseringsprosess som i det minste delvis utføres ved lav temperatur, som f.eks. temperaturer ved eller lavere enn 150°K.

Begrepet "indirekte varmeveksling" som brukes her, betyr å bringe de to fluidumstrømmene i varmevekslende kontakt uten noen fysisk kontakt eller sammenblanding av fluidene med hverandre.

Begrepet "fødeluft" som brukes her betyr en blanding innbefattende hovedsakelig nitrogen og oksygen som f.eks. luft.

Begrepet "kompressor" som brukes her betyr en anordning for å øke trykket til en gass.

Begrepet "ekspander" som brukes her, angir en anordning som brukes for å ekstrahere arbeid fra en komprimert gass ved å redusere dens trykk.

Begrepet "øvre del" og "nedre del" betyr de seksjonene til en kolonne hhv. over og under kolonnens midtpunkt.

Begrepet "refluks" som brukes her, betyr den nedstrømmende væskefasen i en kolonne dannet av kondenserende damp.

Begrepet "L/V-forhold" betyr forholdet mellom mengden av væske som strømmer ned en kolonne til mengden damp som stiger i kolonnen. Fig. 1 viser skjematisk en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen hvor det kondenserende nitrogenholdige fluidet tas fra lavtrykkskolonnen. Fig. 2 viser skjematisk en annen foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen hvor det kondenserende nitrogenholdige fluidet tas fra både lavtrykkskolonnen og høytrykkskolonnen. Fig. 3 viser skjematisk en annen foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen hvor det kondenserende nitrogenholdige fluidet tas fra høytrykkskolonnen.

Generelt omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte og et anlegg som forbedrer produktgjenvinningen, spesielt produkt oksygengjenvinningen ved anvendelse av kjøling fra den nedre delen av høytrykkskolonnen for å kondensere nitrogen og derved øke L/V-forholdet i den øvre delen av lavtrykkskolonnen .

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert med henvisning til tegningene. I fig. 1 blir komprimert fødeluft 101 som er renset for høytkokende forurensninger som f.eks. vanndamp, karbondioksid og hydrokarboner, avkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 200 i indirekte varmeveksling med returstrømmen. En del 103 av den resulterende avkjølte fødeluften 102 inneholdende fra 85 til 100 prosent av fødeluften, blir ytterligere avkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 202 bli indirekte varmeveksling med returne-rende strømmer og den resulterende ytterligere avkjølte strømmen 105 føres inn i en første eller høytrykkskolonne 212. En annen del 104 som utgjør 0 til 15% av fødeluften blir ekspandert gjennom ekspanderen 220 og danner kjøling for kryogenrektifiseringen og den resulterende ekspanderte strømmen 106 føres inn i den andre eller lavtrykkskolonnen 210.

Den første eller høytrykkskolonnen 212 er høytrykkskolonnen til et dobbeltkolonne kryogenrektifiseringsapparat og opererer ved et trykk i området fra 60 til 300 psi absolutt (psia). I kolonnen 212 blir fødeluften separert ved kryogen-rektif isering til nitrogenanriket fluid og oksygenanriket fluid. Nitrogenanriket fluid blir fjernet fra kolonnen 212 som dampstrøm 150 som kondenseres ved å føre den gjennom hovedkondensatoren 214 i indirekte varmeveksling med kokende bunnfraksjoner fra kolonnen 210. Det resulterende kondenserte nitrogenanrikede fluidet 151 føres ut av hovedkondensatoren 214 og en del 152 føres tilbake i kolonnen 212 som refluks. En annen del 112 av det nitrogenanrikede fluidet 151 blir underkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 205 og 206. Den resulterende strømmen 113 ekspanderes gjennom ventilen 224 og den resulterende strømmen 114 føres inn i kolonnen 210 som refluks. I de utførelsesformene som er vist i figurene blir strøm 114 kombinert med kondensert nitrogenholdig fluid og vil bli nærmere diskutert under og denne kombinerte strømmen 115 føres inn i kolonnen 210.

Oksygenanriket fluid fjernes fra kolonnen 212 som væskestrøm 107. Den fjernede oksygenanrikede væsken blir underkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 204 og den resulterende underkjølte oksygenanrikede væsken 108 blir trykkredusert ved å føre den gjennom trykkreduksjonsventilen 222 for å gi en strøm 109 med redusert trykk som hovedsakelig er ved driftstrykket til lavtrykkskolonnen 210. En del 110 av strømmen 109 blir ført direkte inn i kolonnen 210. En annen del 140 av strømmen 109 føres inn i refluksvarmeveksleren 208 hvor den fordampes ved indirekte varmeveksling med kondenserende nitrogenholdig fluid som er tatt fra dobbeltkolonne-kryogenrektifiseringsapparatet som blir nærmere forklart under. Det resulterende fordampede oksygenanrikede fluidet 111 blir deretter ført ut fra ref luksvarmeveksleren 208 og inn i kolonnen 210.

Den andre eller lavtrykkskolonnen 210 er lavtrykkskolonnen i dobbeltkolonne-kryogenrektifiseringsapparatet og drives med et trykk lavere enn trykket i kolonne 212 og innen området fra 15 til 200 psia. I kolonnen 210 blir nitrogenanriket og oksygenanriket fluid separert ved kryogenrektifisering til nitrogenanriket fluid og oksygenanriket fluidum. Oksygenanriket fluidum blir fjernet fra kolonnen 210 som strøm 130 som oppvarmes ved å føre den gjennom varmevekslerne 202 og 200 og gjenvinnes som oksygenprodukt 132 med renhet i området fra 50 til 100%.

Ved utførelsesformen av oppfinnelsen vist i fig. 1 er det nitrogenholdige fluidet kondensert i refluksvarmeveksleren 208 nitrogenanriket fluid tatt fra lavtrykkskolonnen 210. Nitrogenanriket fluid fjernes fra lavtrykkskolonnen 210 som dampstrøm 116 som oppvarmes ved å føre den gjennom varmevekslerne 206 og 205 ved indirekte varmeveksling med underkjølt nitrogenanriket væske. Den resulterende oppvarmede nitrogenrike dampen 117 blir ytterligere oppvarmet ved å føre den gjennom varmeveksleren 204 ved indirekte varmeveksling med underkjølt oksygenanriket væske. Den resulterende ytterligere oppvarmede nitrogenrike dampen 118 blir ytterligere oppvarmet ved å føre den gjennom varmevekslerne 202 og 200 og danner nitrogenrik dampstrøm 120, hvorav en del kan gjenvinnes som nitrogenprodukt 121 med en nitrogenrenhet på minst 9756.

En annen del 122 av strømmen 120 blir komprimert ved å føre den gjennom kompressoren 216. Komprimert nitrogenrik damp 123 føres gjennom kjøleren 218 og den resulterende strømmen 124 blir avkjølt ved å føre den gjennom varmevekslerne 200 og 202. Komprimert avkjølt nitrogenrik damp 126 føres som nitrogenholdig fluid til refluksvarmeveksleren 208 hvor det kondenseres ved den tidligere nevnte indirekte varmevekslingen med fordampende oksygenanriket fluid. Den resulterende kondenserte nitrogenrike væsken 127 blir underkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 206. Den resulterende underkjølte nitrogenrike væsken 108 blir trykkredusert gjennom ventilen 226 og den resulterende strømmen 129 med redusert trykk føres inn i kolonnen 210 som ytterligere refluks ved et punkt over punktet eller punktene hvor oksygenanriket fluid føres inn i lavtrykkskolonnen 210. Som diskutert tidligere, blir i denne utførelsesformen strømmen 129 først kombinert med strømmen 114 og den resulterende kombinerte strømmen 115 føres inn i kolonnen 210.

Som angitt vil kondenseringen av det nitrogenholdige fluidet i refluksvarmeveksleren mot oksygenanriket fluidum og den etterfølgende tilførselen av kondensert nitrogenholdig fluid inn i lavtrykkskolonnen ved et punkt høyere enn innføringspunktet av oksygenanriket fluid gi ytterligere refluks for lavtrykkskolonnen og derved forbedre L/V-forholdet i den øvre delen av lavtrykkskolonnen. L/V-forholdet blir effektiv økt på grunn av at det nitrogenholdige fluidet kan kondenseres mot kokende oksygenanriket fluid ved et relativt lavt trykk, betydelig lavere enn dersom det ble kondensert mot oksygenrikt fluid, f.eks. ved å føre det gjennom hovedkondensatoren 214.

Videre vil det lave trykket redusere avblåsningstapene (flashoff) som skjer når fluidet føres inn i lavtrykkskolonnen. Det økte L/V-forholdet i lavtrykkskolonnen øker gjenvinningen ved å redusere konsentrasjonen av den mindre flyktige komponenten på hver plate i den øvre delen av kolonnen og derved redusere fraksjonen av den mindre flyktige komponenten som forlater hver plate og som forlater kolonnen.

Figur 2 viser en annen utførelsesform av oppfinnelsen hvor det i tillegg til det nitrogenrike fluidet fra lavtrykkskolonnen, nitrogenholdige fluidet kondensert i refluksvarmeveksleren innbefatter nitrogenanriket fluid tatt fra høytrykkskolonnen. Referansenumrene i fig. 2 tilsvarer de i fig. 1 for samme elementer og disse samme elementene vil ikke bli diskutert detaljert igjen. I utførelsesformen vist i fig. 2 blir hele fødeluftstrømmen 102 avkjølt gjennom varmeveksleren 202 og den resulterende strømmen 153 føres inn i høytrykkskolonnen 212. En del 300 av den nitrogenanrikede dampstrømmen 105 varmes ved å føre den gjennom varmeveksleren 202 og den resulterende oppvarmede nitrogenanrikede dampen 154 ekspanderes gjennom ekspanderen 155 og gir kjøling. Den ekspanderte strømmen 156 blir deretter kombinert med strøm 126 og den kombinerte strømmen 326 føres inn i refluksvarmeveksleren 208 hvor den kondenseres ved indirekte varmeveksling med oksygenanriket fluid. Den resulterende kondenserte strømmen 157 blir underkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 206. Den resulterende underkjølte væsken 158 blir trykkredusert gjennom ventilen 226 og den resulterende strømmen 159 med redusert trykk føres inn i lavtrykkskolonnen 210 som ytterligere refluks ved et punkt over punktet eller punktene hvor oksygenanriket fluid føres inn i kolonnen 210. I denne utførelsesformen blir strømmen 159 først kombinert med strømmen 114 og den resulterende kombinerte strømmen 160 føres inn i kolonnen 210.

I figur 3 er det vist nok en utførelsesform av oppfinnelsen hvor nitrogenholdig fluid kondensert i refluksvarmeveksleren innbefatter kun nitrogenanriket fluid tatt fra høytrykksko-lonnen. Referansenumrene i fig. 3 tilsvarer de som er vist i fig. 1 og 2 for samme elementer og disse samme elementene vil ikke bli diskutert i detalj igjen. I den viste utførelsesfor-men i fig. 3 blir hele den nitrogenrike dampstrømmen 120 fjernet fra prosessen og kan gjenvinnes som nitrogenprodukt. Det bør anmerkes at ved anvendelse av oppfinnelsen i praksis behøver ikke det oksygenrike fluid og nitrogenrike fluid fremstilt for gjenvinning som produkt å gjenvinnes helt eller delvis som produkt, og kan ganske enkelt fjernes fra systemet. Ekspandert nitrogenanriket damp 156 føres som nitrogenholdig fluid til refluksvarmeveksleren 208 hvor den kondenseres ved indirekte varmeveksling med fordampende oksygenanriket fluid. Den resulterende kondenserte nitrogenanrikede væsken 161 blir underkjølt ved å føre den gjennom varmeveksleren 206. Den resulterende underkjølte nitrogenanrikede væsken 162 blir trykkredusert gjennom ventilen 226 og den resulterende strømmen 163 med redusert trykk føres inn i kolonnen 210 som ytterligere refluks ved et punkt over punktet eller punktene hvor oksygenanriket fluid føres inn i lavtrykkskolonnen 210. I den viste utførelsesfor-men blir strømmen 163 først kombinert med strøm 114 og den resulterende kombinerte strømmen 164 føres inn kolonnen 210.

Hvilke av de tre viste utførelsesf ormene som vil være mest hensiktsmessig i en spesiell situasjon vil avhenge av flere faktorer innbefattende det tilgjengelige fødelufttrykket. Dersom fødeluften er tilgjengelig ved ca. 150 psia, vil sannsynligvis utførelsesformen vist i fig. 3 være mest hensiktsmessig. Dersom fødeluften er tilgjengelig ved 250 psia, vil utførelsesformen vist i fig. 2 mest sannsynlig være hensiktsmessig. Utførelsesformen vist i fig. 1 vil være mest hensiktsmessig ved et mellomliggende fødelufttrykk.

Ved å anvendelse av foreliggende oppfinnelse kan fødeluften separeres både i nitrogen- og oksygenprodukter ved forhøyet trykk samtidig som man oppnår en høy produktgjenvinning. Oppfinnelsen kan fremstille oksygenprodukt med en gjenvinning på minst 95% opptil ca. 99,956. Selv om oppfinnelsen er beskrevet detaljert med henvisning til utførelsesformer, vil fagmannen lett kunne innse at også andre utførelsesformer av oppfinnelsen ligger innen beskyttelsesomfanget til de medfølgende krav.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved kryogenrektifisering for fremstilling av produkt med høy gjenvinning, karakterisert ved at den innbefatter: (A) tilveiebringe fødeluft (153) i en høytrykkskolonne (212) og separere fødeluften i denne ved kryogenrektifisering til nitrogenanriket fluid (300) og oksygenanriket fluid (107); (B) føre nitrogenanriket fluid (114) inn i en lavtrykkskolonne (210) som operer ved et lavere trykk enn høytrykksko-lonnen (212); (C) fjerne oksygenanriket fluid (107, 108) fra høytrykks-kolonnen (212), redusere trykket til hele det fjernede oksygenanrikede fluidet (107, 108) til tilnærmet driftstrykk i lavtrykkskolonnen (210), fordampe en del (140) av det resulterende oksygenanrikede fluidet (109) med redusert trykk ved indirekte varmeveksling med kondenserende nitrogenholdig fluid (300, 156 ) tatt fra høytrykkskolonnen (212) og føre en annen del (110) av det resulterende oksygenanrikede fluidet (109) med redusert trykk direkte inn i lavtrykkskolonnen (210); (D) føre fordampet oksygenanriket fluid (111) inn i lavtrykkskolonnen (210) og føre nitrogenholdig fluid (163) tatt fra varmevekslingen med oksygenanriket fluid (140) inn i lavtrykkskolonnen (210) ved et punkt over punktet hvor fordampet oksygenanriket fluid (111) føres inn i lavtrykkskolonnen (210) og (E) separere oksygenanriket fluid og nitrogenanriket fluid i lavtrykkskolonnen (210) ved kryogenrektifisering til nitrogenrikt fluid (116) og oksygenrikt fluid (130) for gjenvinning som produkt (120, 132).

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at nitrogenanriket damp (300) fjernes fra høytrykkskolonnen (210), ekspanderes og anvendes som nitrogenholdig fluidum som kondenserer ved indirekte varmeveksling med oksygenanriket fluidum.

3. Anlegg for utøvelse av fremgangsmåten i henhold til krav 1, karakterisert ved at det innbefatter: (A) et kryogent rektifiseringsapparat innbefattende en høytrykkskolonne (212) og en lavtrykkskolonne (210); (B) en refluksvarmeveksler (208), trykkreduksjonsorgan (222), organ for å føre fluid (107, 108) fra den nedre delen av høytrykkskolonnen (212) til trykkreduksjonsorganet (222), organ for å føre fluid (140) fra trykkredusjonsorganet (222) til refluksvarmeveksleren (208) og fra denne til lavtrykkskolonnen (210), og organ for å føre fluid (110) fra trykkre-duks jons organet (222) direkte inn i lavtrykkskolonnen (210); (C) organ for å føre fluid (300, 154, 156) fra høytrykks-kolonnen (212) til refluksvarmeveksleren (208) og fra refluksvarmeveksleren inn i lavtrykkskolonnen (210) i en strøm (164) ved et punkt over punktet hvor (110, 111) fra den nedre delen av høytrykkskolonnen (212) føres inn i lavtrykkskolonnen (210) og (D) organ (130, 132, 116, 117, 118, 120) for å gjenvinne produkt fra lavtrykkskolonnen.

4 . Anlegg for kryogenrektifIsering ifølge krav 3, karakterisert ved at anordningen for å føre fluidum fra kryogenrektifiseringsapparatet til refluksvarmeveksleren (208) innbefatter en ekspander (155), anordning for å føre fluidum fra den øvre delen av den første kolonnen (212) til ekspanderen (155) og anordning for å føre fluidum fra ekspanderen (155) til refluksvarmeveksleren (208).