PL175600B1

PL175600B1 - Sposób i urządzenie do oddzielania powietrza

Info

Publication number: PL175600B1
Application number: PL94303271A
Authority: PL
Inventors: Thomas Rathbone
Original assignee: Boc Group Plc
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1999-01-29
Also published as: ES2130355T3; EP0633438A1; KR100291684B1; TW314475B; CN1097247A; DE69417299D1; AU682848B2; DE69417299T3; KR950003776A; AU6073594A; DE69417299T2; EP0633438B2; JPH0719727A; EP0633438B1; NZ260393A; PL303271A1; GB9405071D0; ES2130355T5; US5438835A

Abstract

1. Sposób oddzielania powietrza, w którym rozdziela sie schlodzone i oczyszczone po- wietrze w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego cisnienia na ciecz wzbogacona w tlen i pare azotu, oddziela sie strumien cieczy wzbogaconej w tlen przy cisnieniu o wielkosci lezacej miedzy wielkoscia cisnienia na wierzcholku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego cisnienia a wielkoscia na dnie kolumny rektyfikacyjnej niskiego cisnienia, rozdziela sie strumien dalej wzbogaconej cieczy w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego cisnienia na tlen i azot oraz dopro- wadza sie wykropliny cieklego azotu do kolumn rektyfikacyjnych wysokiego i niskiego cis- nienia, znamienny tym, ze oddzielanie strumienia cieczy wzbogaconej w tlen przeprowadza sie poprzez odparowywanie rzutowe strumienia cieczy wzbogaconej w tlen, wytwarza sie mieszanine cieczy i pary o cisnieniu z zakresu miedzy wielkoscia cisnienia na wierzcholku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego cisnienia, a wielkoscia na dnie kolumny rektyfikacyjnej niskiego cisnienia, a nastepnie oddziela sie otrzymana mieszanine cieczy i pary na fazy ciekla i parowa, przy czym wytwarza sie ciecz dalej w zbogacona w tlen i pare posrednia i odparowu- je sie dalej wzbogacona ciecz, natomiast czesc wykroplin cieklego azotu wytwarza sie przez skraplanie strumienia pary azotu przez posrednia wymiane ciepla z ciecza z posredniego ob- szaru przenikania mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego cisnienia. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do oddzielania powietrza.

Najpopularniejszym sposobem oddzielania powietrzajest rektyfikacja. Najczęściej wykorzystywane cykle oddzielania powietrza zawierają etapy sprężania strumienia powietrza, oczyszczania uzyskanego strumienia sprężonego powietrza przez usunięcie pary wodnej i dwutlenku węgla oraz schładzania strumienia sprężonego powietrza w wymienniku ciepła i wytworzenia strumieni o temperaturze odpowiedniej dla ich rektyfikacji. Rektyfikację przeprowadza się w tzw. “podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej”, która składa się z kolumn rektyfikacyjnych wysokiego i niskiego ciśnienia, czyli jedna z dwóch kolumn działa w wyższym ciśnieniu niż druga. Większość, jeśli nie całość, powietrza wprowadza się do kolumny wysokiego ciśnienia i dzieli na ciekłe powietrze wzbogacone w tlen i ciekłą parę azotu. Parę azotu kondens^e się. Część tego kondensatu wykorzystuje się jako wykro^ny w kolumnie wysokiego ciśnienia. Ciecz wzbogaconą w tlen zawraca się na dno kolumny wysokiego ciśnienia, dochładza i wprowadza do obszaru pośredniego kolumny niskiego ciśnienia przez zawór dławiący, który redukuje ciśnienie. Ciecz wzbogaconą w tlen rozdziela się na zasadniczo czysty tlen i azot w kolumnie niskiego ciśnienia. Oba strumienie uzyskiwane są w stanie pary z kolumny niskiego ciśnienia i tworzą strumienie powrotne, które wymieniają ciepło z nadchodzącym strumieniem powietrza. Ciekłe wykropliny są dostarczane do kolumny niskiego ciśnienia po odebraniu pozostałości kondensatu z kolumny wysokiego ciśnienia, dochłodzeniu go i przesłaniu na wierzchołek kolumny niskiego ciśnienia przez zawór dławiący albo ograniczający ciśnienie.

Zazwyczaj, kolumna niskiego ciśnienia działa wyłącznie w ciśnieniach w zakresie od 1 do 1,5 atmosfer. Ciekły tlen z dna kolumny niskiego ciśnienia wykorzystywany jest do zapewnienia warunku kondensacji na szczycie kolumny wysokiego ciśnienia. Zatem, para azotu z wierzchołka kolumny wysokiego ciśnienia wymienia ciepło z ciekłym tlenem na spodzie kolumny niskiego ciśnienia. W ten sposób można odparować wystarczającą ilość tlenu dla spełnienia wymagań kolumny niskiego ciśnienia dotyczących ponownego odparowania i zapewnienia dobrej wydajności uzyskiwania tlenu w stanie gazowym. Ciśnienie na wierzchołku kolumny wysokiego ciśnienia, a zatem ciśnienie do którego spręża się nadchodzące powietrze, ma być tak dobrane, by temperatura kondens^ącego azotu była o jeden albo dwa stopnie Kelvina wyższa od temperatury wrzenia tlenu w kolumnie niskiego ciśnienia. W wyniku tych zależności, generalnie nie jest możliwe działanie kolumny wysokiego ciśnienia poniżej ciśnienia około 5 barów.

Poprawę procesu oddzielania powietrza, która umożliwia pracę kolumny wysokiego ciśnienia przy ciśnieniu poniżej 5 barów, zaproponowano dla przypadku, gdy produkt tlenowy nie ma wysokiej czystości, przykładowo od 3 do 20% zawartości zanieczyszczeń. W opisie patentowym USA-4 410 343 (Ziemer) pokazano, że w przypadku gdy bardziej wymagana jest taka niższa czystość tlenu niż uzyskanie wspomnianego połączenia między kolumnami o niższym i wyższym ciśnieniu, powietrze jest wykorzystywane do odparowania tlenu na spodzie kolumny niskiego ciśnienia zarówno dla uzyskania ponownego odparowania w tej kolumnie jak i odparowania produktu tlenowego. Uzyskane, skondensowane powietrze jest następnie doprowadzane do obu kolumn. Strumień pIisu wzbogaconego w tlen jest odciągany z kolumny wysokiego ciśnienia, przesyłany przez zawór dławiący a jego część wykorzystywana jest do zapewnienia warunku na kondensację azotu na wierzchołku kolumny wysokiego ciśnienia..

W opisie patentowym USA-3 210 951 przedstawiono także sposób wytwarzania czystego tlenu, w którym powietrze wykorzystuje się do odparowania tlenu na dnie kolumny niskiego ciśnienia dla zapewnienia ponownego odparowania w tej kolumnie i odparowania produktu tleno4

175 600 wego. W tym celu jednak, ciecz wzbogacona w tlen pochodząca z obszaru pośredniego kolumny niskiego ciśnienia wykorzystywana jest dla zapewnienia warunku kondensowania pary azotu wytwarzanej w kolumnie wysokiego ciśnienia. Proces ten może zapewnić redukcję ciśnienia roboczego kolumny wysokiego ciśnienia do około 4 barów.

Sposoby przedstawione w opisach patentowych USA-3 210 951 i USA 4 410 343 są mniej korzystne w przypadku, gdy kolumna niskiego ciśnienia ma działać w ciśnieniu powyżej 1,5 bara.

W europejskim opisie patentowym 538 118 przedstawiono sposób przeprowadzania procesu w dwóch kolumnach, powyżej konwencjonalnych limitów ciśnieniowych bez utraty odzysku tlenu i z poprawą zużycia energii. W jednym przykładzie, ciekłe powietrze wzbogacone w tlen jest odbierane z dna kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia i doprowadzane do następnej kolumny na poziomie powyżej wszystkich powierzchni przenikania mas ciecz-para, które się w niej znajdują. Następna kolumna działa przy ciśnieniach pośrednich między tymi w kolumnach o wyższym i niższym ciśnieniu. Dalsza kolumna dostarcza ciecz i parę na poziomy pośrednie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.

Sposób i urządzenie według wynalazku umożliwiają oddzielanie powietrza przy wyższych ciśnieniach rektyfikatora niskiego ciśnienia niż wyżej wspomniane procesy, z większą wydajnością.

Sposób oddzielania powietrza, w którym rozdziela się schłodzone i oczyszczone powietrze w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia na ciecz wzbogaconą w tlen i parę azotu, oddziela się strumień cieczy wzbogaconej w tlen przy ciśnieniu o wielkości leżącej między wielkościąciśnienia na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia a wielkością na dnie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, rozdziela się strumień dalej wzbogaconej cieczy w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia na tlen i azot oraz doprowadza się wykropliny ciekłego azotu do kolumn rektyfikacyjnych wysokiego i niskiego ciśnienia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że oddzielanie strumienia cieczy wzgobaconej w tlen przeprowadza się poprzez odparowywanie rzutowe strumienia cieczy wzbogaconej w tlen, wytwarza się mieszaninę cieczy i pary o ciśnieniu z zakresu między wielkością ciśnienia na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, a wielkością na dnie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, a następnie oddziela się otrzymaną mieszaninę cieczy i pary na fazy ciekłą i parową, przy czym wytwarza się ciecz dalej wzbogaconą w tlen i parę pośrednią i odparowuje się dalej wzbogaconą ciecz, natomiast część wykroplin ciekłego azotu wytwarza się przez skraplanie strumienia pary azotu przez pośredniąwymianę ciepła z cieczą z pośredniego obszaru przenikania mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia. Parę pośrednią korzystnie poddaje się kondensacji poprzez pośredniąwymianę ciepła ze strumieniem dalej wzbogaconej cieczy, której ciśnienie ogranicza się na drodze przeciwnej do strumienia wymiany ciepła. Strumień dalej wzbogaconej cieczy korzystnie odparowuje się częściowo poprzez wymianę ciepła z parą pośrednią, a częściowo odparowaną, dalej wzbogaconą ciecz wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.

Parę pośrednią korzystnie poddaje się kondensacji poprzez pośrednią wymianę ciepła z cieczą pochodzącą z pośredniego obszaru przenikania mas w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.

Parę pośrednią korzystnie skrapla się, a otrzymany kondensat zawraca się do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia. Odparowywanie korzystnie przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem pary azotu z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, przy czym skrapla się strumień pary azotowej. Skroplonąparę azotu, wytworzoną podczas odparowywania dalej wzbogaconej cieczy, korzystnie doprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia. Odparowywanie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia korzystnie przeprowadza się przez pośredniąwymianę ciepła ze strumieniem doprowadzanego schłodzonego i oczyszczonego powietrza, przy czym doprowadzany strumień powietrza skrapla się przynajmniej częściowo. Urządzenie do oddzielania powietrza, zawierające kolumnę rektyfikacyjną wysokiego ciśnienia dla rozdzielania schłodzonego i oczyszczonego powietrza na ciecz wzbogaconąw tlen i parę azotu, kolumnę rektyfikacyjną niskiego ciśnienia do wytwarzania tlenu i azotu, separator oddzielający strumień cieczy wzbogaconej w tlen przy ciśnieniu o wielkości z zakresu

175 600 między wielkością ciśnienia na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia a wielkością na dnie kolumny niskiego ciśnienia, otwór wlotowy dla wprowadzania strumienia dalej wzbogaconej cieczy do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, grupę skraplaczy dla dostarczania wykroplin ciekłego azotu do kolumn rektyfikacyjnych wysokiego i niskiego ciśnienia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera skraplacz dla pośredniej wymiany ciepła strumienia pary azotu z cieczą z pośredniego obszaru przenikania ciepła kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, połączony z wierzchołkiem kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia przez wylot zjednej strony i przez wlot z drugiego strony, a także zawór redukujący ciśnienie, połączony z wylotem kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia i separator faz po stronie zgodnej ze zwrotem strumienia zaworu redukującego ciśnienie. Powyżej albo wewnątrz separatora faz korzystnie jest usytuowany reboiler.

Sposób i urządzenie według wynalazku zostały przedstawione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje schemat technologiczny pierwszego urządzenia do oddzielania powietrza według wynalazku, fig. 2 - schemat technologiczny drugiego urządzenia do oddzielania powietrza według wynalazku, fig. 3 - schemat McCabe-Thiele'a działania urządzenia przedstawionego na fig. 2, a fig. 4 do fig. 8 przedstawiają schematy technologiczne dalszych urządzeń do oddzielania tlenu według wynalazku.

W poniższym opisie do fig. 1 parametry podane w nawiasach kwadratowych pochodzą z symulacji komputerowej działania opisanego tam urządzenia.

Odnośnie fig. 1 z rysunków, doprowadzany strumień powietrza jest skraplany w skraplaczu 2, a uzyskany strumień skroplonego powietrza przesyłanyjest przez jednostkę oczyszczającą 4, która usuwa z niego parę wodną i dwutlenek węgla.

Jednostka 4 wykorzystuje warstwy (nie pokazano) adsorbentu dla uzyskania tego usunięcia pary wodnej i dwutlenku węgla. Warstwy są obsługiwane kolejno jedna po drugiej tak, że gdy jedna albo więcej warstw czyści doprowadzany strumień powietrza, pozostałe są regenerowane, na przykład przez odpowietrzenie strumieniem gorącego azotu.

Oczyszczony strumień doprowadzanego powietrza (temperatura 297K; ciśnienie 12,3 bara) jest dzielony na pierwszy i drugi strumień powietrza. Pierwszy strumień powietrza (natężenie przepływu - 95823 m³/h) przepływa przez główny wymiennik ciepła 6 od jego ciepłego końca 8 do jego zimnego końca 10 gdzie jest chłodzony od temperatury otoczenia do temperatury nasycenia (albo innej temperatury odpowiedniej dla oddzielenia go przez rektyfikację) [ 116,9K]. Pierwsza część ochłodzonego pierwszego strumienia powietrza (natężenie przepływu - 51082 m3/h) jest doprowadzana do dolnego obszaru kolumny rektyfikacyjnej 12 wysokiego ciśnienia przez wlot 14. Druga część pierwszego schłodzonego strumienia powietrza (natężenie przepływu 44741 m3/h) jest przynajmniej częściowo skraplana podczas przejścia przez kanały skraplające pierwszego skraplacza-reboilera 16. Uzyskane tak przynajmniej częściowo skroplone powietrze (stan - 100% cieczy; temperatura - 109,3K) jest doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej 12 wysokiego ciśnienia przez wlot 18. Kolumna rektyfikacyjna wysokiego ciśnienia 12 zawiera środki kontaktowe ciecz-para (nie pokazano) gdzie opadająca faza ciekła wchodzi w ścisły kontakt ze wznoszącą się fazą parową tak, że zachodzi przenikanie mas między tymi dwiema fazami.

Opadająca faza ciekła staje się stopniowo bogatsza w tlen a wznosząca się faza parowa stopniowo bogatsza w azot. Środki stykowe ciecz-para mogą zawierać układ płyt stykowych ciecz-para oraz przyłączonych przewodów opadowych albo złożonych czy przypadkowe wypełnienie. Objętość cieczy (nie pokazano) zwykle pokrywa dno kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12.

Wlot 14 jest zwykle umieszczony tak, by powietrze było doprowadzane do kolumny 12 poniżej środków stykowych ciecz-para albo tak, by ciecz na dnie kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 była w przybliżeniu w równowadze z wchodzącym powietrzem. Zatem, ponieważ tlen jest mniej lotny niż inne podstawowe składniki (azot i argon) powietrza, ciecz zbierająca się na dnie kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 (zwykle w misce) ma większą koncentrację tlenu niż powietrze, czyli jest wzbogacona w tlen.

175 600

Wystarczająca ilość płyt albo odpowiednia wysokość wypełnienia należy do środków stykowych ciecz-para (nie pokazano) tak, aby frakcja pary odchodząca od wierzchołka środków stykowych ciecz-para była zasadniczo czystym azotem. Pierwszy strumień pary azotu jest odciągany z wierzchołka kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 20 i jest skraplany w drugim reboilerze-skraplaczu 22. Skropliny sązawracane do kolektora 30 na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wlot 24. Drugi strumień pary azotujest odciągany z wierzchołka kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 26 i jest skraplany w trzecim skraplaczu-reboilerze 28. Skroplmy sązawracane ze skraplacza-reboilera 28 do kolektora 30 przez wlot 32. Część ciekłego azotu wchodzącego do kolektora 30 jest użyta jako wykropliny ciekłego azotu w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12, inna część skroplin jest, co będzie opisane poniżej, użyta jako wykropliny w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34.

Strumień cieczy wzbogaconej w tlen (zwykle zawierającej około 32% objętościowych tlenu) (mieszanina (w stosunku molowym) 0,32 O2; 0,01 Ar; 0,67 N2; ciśnienie -12 barów; temperatura - 110,7K; natężenie przepływu - 44519 m³/h) jest odciągany z dna kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 36 i jest dochładzany w wymienniku ciepła 38. Dochłodzony strumień cieczy wzbogaconej w tlen jest przesyłany przez pierwszy zawór ograniczający ciśnienie 40 powodując powstanie mieszaniny odparowanego gazu i pozostałości cieczy dalej wzbogaconej w tlen. Mieszanina cieczy dalej wzbogaconej w tlen i gaz zubożony w tlen są wprowadzane do dolnego obszaru pośredniej kolumny rektyfikacyjnej 42 przez wlot 44. Ponowne odparowanie w pośredniej kolumnie rektyfikacyjnej 42 jest wykonywane przez drugi skraplacz-reboiler 28, który znajduje się na dnie kolumny 42. Skraplacz-reboiler 28 wytwarza przeciwny przepływ pary z dna kolumny 42. Inny skraplacz-reboiler 46 skrapla parę odebraną z wierzchołka pośredniej kolumny rektyfikacyjnej 42. Pozostała część skroplin jest zawracana do kolumny 42 jako wykropliny. Inna część użyta zostaje jako wykropliny w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34, co zostanie opisane poniżej. Odpowiednia liczba płyt destylacyjnych (nie pokazano) albo odpowiednia wysokość wypełnienia (nie pokazano) w pośredniej kolumnie rektyfikacyjnej 42 zapewnia wymianę masy między opadającą cieczą i wznoszącą się parą dla wytworzenia zasadniczo czystego azotu na wierzchołku kolumny 42. Zatem, skropliny utworzone w skraplaczu-reboilerze 46 są zasadniczo czystym azotem. W razie potrzeby, z kolumny 42 można również odebrać gazowy produkt azotowy.

Skraplacz-reboiler 28 wykonuje częściowe ponowne odparowanie cieczy na dnie pośredniej kolumny rektyfikacyjnej 42. Strumień resztkowej dalej wzbogaconej cieczy (zwykle zawierającej około 40% objętości tlenu) (mieszanina (w stosunkach molowych) O2 - 0,40; Ar 0,02; N2 0,58; ciśnienie - 8,1 bara; temperatura -105,5K; natężenie przepływu 38472 m³/h) jest ciągle wycofywany z dna pośredniej kolumny rektyfikacyjnej 42 przez wylot 48 i przesyłany przez drugi zawór redukujący ciśnienie 49 tak, by ograniczyć jego ciśnienie do wartości ciśnienia roboczego kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Pierwszy strumień tak uzyskanej dalej wzbogaconej cieczy o ograniczonym ciśnieniu (zwykle zawierającej trochę pary) przepływa przez skraplacz-reboiler 46, powodując tam chłodzenie dla skraplania w nim pary azotu. Strumień całej wzbogaconej cieczy jest sam przynajmniej częściowo odparowywany w skraplaczu-reboilerze 28. Uzyskany strumień wzbogacony w tlen (stan - 66% wagowych pary; 34% wagowych cieczy; ciśnienie - 4,5 bara; temperatura - 99,1K) jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 jako drugi strumień doprowadzony na poziomie pośrednim przez wlot 50. Jako drugi doprowadzony strumień, wycofuje się strumień ciekłego powietrza [mieszanina (stosunki molowe) O2 - 0,21; Ar - 0,01; N2 - 0,78; temperatura -109,2 K; ciśnienie -12,0 barów; natężenie przepływu 26999 m3/h], z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 52 na tym samym poziomie co wlot 18. Część (natężenie przepływu 2099 m3/h) drugiego doprowadzonego strumienia przechodzi przez zawór ograniczający ciśnienie 54 tak, by ograniczyć jego ciśnienie do wartości bliskiej temu w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Uzyskany strumień ciekłego powietrza o ograniczonym ciśnieniu wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej 34 przez wlot 56. W alternatywnym układzie, przynajmniej częściowo skroplone powietrze

175 600 może być dostarczane przez skraplacz-reboiler 16 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez zawór ograniczający ciśnienie (nie pokazano) bez uprzedniego wprowadzenia do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12. Inna część (natężenie przepływu 6000 m³/h) strumienia ciekłego powietrza wycofanego kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 52 odbierana jest z naprzeciwka zaworu 54 i przesyłana przez zawór 53 do kolumny rektyfikacyjnej o ciśnieniu pośrednim gdzie jest oddzielana.

Jak pokazano na fig. 1, kolumna rektyfikacyjna niskiego ciśnienia 34 zawiera górny stopień 58 i dolny stopień 60. Stopnie 58 i 60 swobodnie łączą się ze sobą. Należy powiedzieć, że para przechodzi przez kanał 62 z wierzchołka dolnego stopnia 60 na dno górnego stopnia 58 bez przechodzenia przez którekolwiek z urządzeń ograniczających albo zwiększających ciśnienie. Podobnie, ciecz przepływa z dna górnego stopnia 58 do wierzchołka dolnego stopnia 60 przez kanał 64 z pominięciem urządzeń ograniczających albo zwiększających ciśnienie. Zaletą układu dwu-stopniowego kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 jest to, że skraplacz-reboiler 22 może zostać umieszczony w dolnym obszarze górnego stopnia 58, a zatem może być konwencjonalnym termo-syfonem.

Oddzielanie dwóch doprowadzonych strumieni w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 powoduje powstanie produktów tlenowych i azotowych. Stopnie 58 i 60 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 zawierają środki stykowe ciecz-para (nie pokazano), dzięki którym opadająca faza ciekła wchodzi w ścisły kontakt ze wznoszącą się fazą parową tak, że zachodzi przenikanie mas między tymi dwiema fazami. Środki stykowe ciecz-para (nie pokazano) mogą być tego samego rodzaju albo różne od środków stykowych ciecz-para użytych w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 albo kolumnie rektyfikacyjnej o ciśnieniu pośrednim 42. Ciekłe wykropliny azotu dostarczane są do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 z dwóch źródeł Pierwszym źródłem jest wylot 66 z kolektora 20, przez który wycofuje się strumień ciekłego azotu (stosunek molowy N₂ - 0,99; ciśnienie -11,9 bara; temperatura -106,6K; natężenie przepływu - 24305 m3/h). Strumień ciekłego azotu jest następnie dochładzany podczas przejścia przez wymiennik ciepła 38. Dochłodzony strumień ciekłego azotu (temperatura 94,3K; ciśnienie - 7,8 bara) przechodzi przez zawór ograniczający ciśnienie 68 i wpływa do górnego obszaru górnego stopnia 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wlot 70. Drugi strumień wykroplin ciekłego azotu jest odbierany ze skroplin ze skraplacza-reboilera 46. Drugi strumień wykroplin jest dochładzany w wymienniku ciepła 38. Dochłodzony ciekły azot (stosunek molowy, azot 1,0; temperatura - 94,3K; ciśnienie - 7,8 bara; natężenie przepływu 12047 m3/h) przepływa przez zawór ograniczający ciśnienie 72 i jest wprowadzany do górnego obszaru górnego stopnia 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 jako wykropliny ciekłego azotu. Następnie wywołuje się przepływ cieczy do dołu przez kolumnę rektyfikacyjną niskiego ciśnienia 34. Przepływ pary do góry przez kolumnę rektyfikacyjnąniskiego ciśnienia 34 powodowanyjest przez skraplacz-reboiler 16 dla ponownego odparowania na dnie dolnego stopnia 60 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Przepływ pary przez górny stopień 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 jest przyśpieszany przez skraplacz-reboiler 22 dla ponownego odparowania cieczy na dnie tego stopnia.

Produkt tlenowy, zwykle o czystości od 90 do 95% [mieszanka (stosunek molowy) O₂ - 0,95; Ar - 0,03; N₂ - 0,02; temperatura 107,3 K; ciśnienie - 4,6 bara; natężenie przepływu - 21525 mP/h] jest odciągany z dolnego obszaru dolnego stopnia 60 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wylot 76. Ten otrzymany strumień tlenu przepływa przez wymiennik ciepła 6 od jego zimnego końca 10 do ciepłego 8. W ten sposób jest on ogrzewany do temperatury otoczenia (temperatura - 294K; ciśnienie - 4,4 bara). Otrzymany strumień azotu [mieszanina(stosunek molowy) O2 - 0,001: N₂ - 0,99, temperatura - 92,8K; ciśnienie - 4,5 bara; natężenie przepływu - 78-415 m³/h] jest wycofywany przez wylot 78 z wierzchołka górnego stopnia 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Przepływa on przez wymiennik ciepła 38 powodując tam niezbędne ochłodzenie dla dochłodzenia innych strumieni przepływających przez niego. Z wymiennika ciepła 38 azot przepływa przez wymiennik ciepła 6 od jego chłodnego końca 10 do ciepłego końca 8 i opuszcza

175 600 wymiennik ciepła 6 w temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia (temperatury - 294K; ciśnienie - 4,3 bara).

Warunki zamrażania urządzenia pokazanego na fig. 1 są spełnione przy wykorzystaniu drugiego strumienia oczyszczonego powietrza (temperatura - 297K; ciśnienie 12,3 bara; natężenie przepływu - 4177 m³/h) z jednostki oczyszczającej 4 i dalszym sprężeniu go w kompresorze 80. Sprężony drugi strumień powietrza (temperatura - 297K; ciśnienie - 20,6 bara) jest następnie chłodzony do temperatury średniej w stosunku do zimnego końca 10 i ciepłego końca 8 wymiennika ciepła 6 podczas przejścia współprądowo z pierwszym strumieniem powietrza. Drugi strumień powietrza jest wycofywany (temperatura - 251,6K) z obszaru pośredniego głównego wymiennika ciepła 6 i rozprężany przez wykonanie pracy zewnętrznej w turbinie rozprężania 82. Otrzymany rozprężony strumień powietrza (temperatura - 175K; ciśnienie - 4,6 bara) jest zawracany do wymiennika ciepła 6 a następnie redukowany. Rozprężony drugi strumień powietrza odchodzi od zimnego końca 10 wymiennika ciepła 6 i jest wprowadzany (w temperaturze 117,3K) na górny stopień 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 jako trzeci strumień, który jest oddzielony od pozostałych dwóch strumieni.

Odnośnie fig. 2 z rysunku pokazano tam, że urządzenie mające podobny układ kolumnowy do tego z fig. 1 umożliwia wstawienie jednofazowego separatora 90 (w którym nie zachodzi rektyfikacja) zamiast pośredniej kolumny rektyfikacyjnej 42. W wyniku tego, dokonano pewnej liczby zmian w urządzeniu pokazanym na fig. I. Zmiany te opisano poniżej z odniesieniem do fig. 2. Po pierwsze, dodatkowe wkropliny sądostarczane do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wycofanie dalszego strumienia pary azotu przez wylot 92 w górnym obszarze kolumny rektyfikacyjnej 12 wysokiego ciśnienia i sprężenie części strumienia w innym skraplaczu-reboilerze 94. (Inna część strumienia azotu wycofana przez wylot 92 przepuszczana jest przez wymiennik ciepła 6 od jego chłodnego końca 10 do jego ciepłego końca 8 i jest odbierana jako produkt azotowy o podwyższonym ciśnieniu w temperaturze otoczenia). Otrzymane skroplmy ciekłego azotu są zawracane do kolektora 30 w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia przez wlot 96. Ochładzanie w skraplaczu-reboilerze 94 wykonywane jest przez wycofanie strumienia ciekłego tlenu z dolnego obszaru dolnego stopnia 6 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wylot 98 i przesłanie go przez zawór ograniczający ciśnienie 100 do skraplacza-reboilera 94. Ciekły tlen jest odparowywany przez wymianę ciepła z azotem z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12. Para tlenu jest wycofywana ze skraplacza-reboilera 94 przez wylot 1021 przesyłana przez główny wymiennik ciepła 6 od jego chłodnego końca 10 do jego ciepłego końca 8 w postaci produktu tlenowego. Zatem, żaden strumień tlenu gazowego nie jest wycofywany bezpośrednio ze stopnia dolnego 60 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34.

Inną konsekwencją użycia separatora faz 90 w urządzeniu pokazanym na fig. 2 jest to, że para odbierana z wierzchołka separatora 90 dla skroplenia w skraplaczu-reboilerze 46 zawiera podstawową ilość tlenu i nie jest odpowiednia dla zastosowania na wierzchołku górnego stopnia 58 kolumny rektyfikacyjnej 34 niskiego ciśnienia jako wykropliny ciekłego azotu. Zatem wlot 74 nie jest umieszczony w górnym obszarze górnego stopnia 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 (czyli powyżej wszystkich środków stykowych ciecz-para tam umieszczonych) ale raczej na poziomie pośrednim takim, że kilka powierzchni stykowych ciecz-para znajdzie się powyżej poziomu wlotu 74. Ponadto, skropliny ze skraplacza-reboilera 46, które są przesyłane do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 nie są dochładzane przeciwnie do ruchu podczas przejścia przez zawór ograniczający ciśnienie 72. Dla danego ciśnienia roboczego separatora 90, skraplacz-reboiler 46 działa w wyższej temperaturze niż w przypadku skraplania pary zasadniczo czystego azotu. Zatem, część dalej wzbogaconej cieczy wycofanej przez wylot 48 separatora 90 omija zawór ograniczający ciśnienie 49 i skraplacz-reboiler 46 w urządzeniu pokazanym na fig. 2 ijest wprowadzana w dół przejścia przez zawór ograniczający ciśnienie 104 i przez wlot 106 na górny stopień 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 na jej poziomie pośrednim.

Dalsząkonsekwencjąużycia separatora faz 90 w urządzeniu pokazanym na fig. 2 jest to, że brak rektyfikacji w separatorze 90 nie narzuca potrzeby zawracania któregokolwiek kondensatu

175 600 ze skraplacza-reboilera 46 do tego separatora. Natomiast, część skroplin jest pompowanych przez pompę 110 do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wlot 112. W rezultacie, prędkość wytwarzania ciekłego azotu w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 zostaje zwiększona. Ponadto, żaden strumień ciekłego powietrza nie jest wycofywany z poziomu pośredniego kolumny rektyfikacyjnej 12 dla dostarczania do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 i separatora 90. Zatem, zawory ograniczające ciśnienie 53 i 54 oraz przyłączone przewody są omijane na drodze od urządzenia pokazanego na fig. 2. Dodatkową zmianąjest to, że wszystkie pierwsze strumienie powietrza przepływają przez skraplacz-reboiler 16 i są wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia przez wlot 114, który zastępuje wloty 14 i 18 pokazane na fig. 1.

Należy również zauważyć, że w urządzeniu z fig. 2, skraplacz-reboilerjest umieszczony w kierunku przeciwnym do separatora faz 90, przy czym część cieczy w mieszaninie ciecz-para wychodzącej z zaworu redukującego ciśnienie 40 jest odparowywana naprzeciw wlotu 44 do separatora faz 90.

W oparciu o symulację komputerową przedstawiono poniżej, w tabeli 1, przykład działania urządzenia z fig. 2. W przykładzie tym, cały otrzymany azot odbierany jest ze stopnia górnego 58 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 a nie z wylotu 92 kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12.

Tabela 1

Opis strumienia	Skład (molowo)	Stan: L-ciecz G-gaz, para	Ciśn. bary	Temp/K	Natężenie m³/h
O₂	Ar	n₂
1	2	3	4	5	6	7	8
Pierwszy oczyszcz. strumień powietrza naprzeciwko ciepłego końca wymień, ciepła 6	0,21	0,01	: 0,78	G	10,45	297,0	92899
Pierwszy oczyszcz. strumień powietrza na wlocie do reboiłera-skraplacza 16	0,21	0,01	0,78	G	10,20	111,5	92899
Pierwszy oczyszcz. strumień powietrza na wlocie 114 do kolumny rektyfikac o wyższym ciśn. 12	0,21	0,01	0,78	G-0,79% L-0,21%	10,20	107,9	92899
Drugi oczyszczony strumień powietrza na wlocie do kompresora 80	0,21	0,01	0,78	G	10,45	297,0	7101
Drugi oczyszczony strumień powietrza na wylocie z kompresora 80	0,21	0,01	0,78	G	15,50	297,0	7101
Drugi oczyszczony strumień powietrza,na wlocie do turbiny 82	0,21	0,01	0,78	G	15,40	208,8	7101
Drugi oczyszczony strumień powietrza na wylocie z turbiny 82	0,21	0,01	0,78	G	4,60	155,0	7101
Drugi oczyszczony strumień powietrza na wlocie 84 na górny stopień 58 rektyfikatom 34	0,21	0,01	0,78	G	4,55	112,0	7101
Strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen na wylocie 36 kolumny rek. wysokiego ciśn. 12	0,31	0,01	0,68	L	10,20	107,9	69075
Strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen na wlocie do zaworu ograniczającego ciśnienie 40	0,31	0,01	0,68	L	10,10	105,5	69075

175 600 cd Tabeli I

1	2	3	4	5	6	7	8
Dalej wzbogacony strumień cieczy na wylocie 48 z separatora faz 90	0,38	0,01	0,61	L	6,60	102,0	43520
Odparowany dalej wzbogacony, ciekły strumień na wlocie 50 górnego stopnia 58 rektyfikatora niskiego ciśnienia 34	0,38	0,01	0,61	L-0,20% G-0,98%	4,50	99,9	25078
Dalej wzbogacony strumień (część) na wlocie 106 górnego poziomu 58 rektyfikatora o niższym ciśn. 34	0,38	0,01	0,61	L	6,60	102,0	18442
Wypływ pary z separatora	0,20	0,01	0,79	G	6,60	102,0	25554
Skroplony strumień na wlocie zaworu ograniczającego ciśnienie 72	0,20	0,01	0,79	L	6,60	99,8	14555
Skroplony strumień na wlocie pompy 110	0,20	0,01	0,79	L	6,60	99,8	11000
Strumień ciekłego azotu na wlocie 66 kolumny rekt. wysokiego ciśnienia 12	<0,01	<0,01	0,99	L	10,10	104,0	34825
Strumień ciekłego azotu na wlocie zaworu ograniczającego ciśnienie 68	<0,01	<0,01	0,99	L	9,10	94,3	34825
Wytworzony strumień azotu na wylocie 78 górnego stopnia 58 rektyfikatora niskiego ciśnienia 34	0,01	<0,01	0,99	G	4,50	92,9	78434
Wytworzony strumień azotu na zimnym końcu 10 wymiennika ciepła 6	0,01	<0,01	0,99	G	4,45	105,7	78434
Wytworzony strumień azotu na ciepłym końcu 8 wymiennika ciepła 6	0,01	<0,01	0,99	G	4,30	294,0	78434
Strumień tlenu na wlocie zaworu 100	0,95	0,03	0,02	L	4,60	106,9	21566
Wytworzony strumień tlenu na wylocie 102 skraplacza-reboilera 94	0,95	0,03	0,02	G	3,20	102,7	21566
Wytworzony strumień tlenu na ciepłym końcu 8 wymiennika ciepła 6	0,95	0,03	0,02	G	3,10	294,0	21566

Uwaga: procenty dotyczą objętości

Działanie urządzenia z fig. 2, zgodnego z przykładem z tabeli 1, jest dalej przedstawione za pomocąwykresu McCabe-Thiele'a (fig. 3), który opisuje linię operacyjną kolumny rektyfikacyjnej o niższym obciążeniu 34. Względna zgodność linii operacyjnej z linią równowagi została osiągnięta bez stosowania nadmiernej liczby teoretycznych płytek w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.

Porównano działanie urządzeń pokazanych na figurach 1 i 2 z przebiegiem procesu opisanego w opisie europejskim 538 118 (patrz tabela 1 tegoż i dołączony opis). Wyniki porównania przedstawiono w tabeli 2, poniżej.

Tabela 2

opis 538 118	Fig. 1	Fig. 2
Ciśnienie powietrza (bary)	16,0	12,33	10,45
Ciśnienie N 2 (bary)	5,0	4,27	4,27
Ciśnienie O2 (bary)	5,16	4,43	3,07
Odzysk 0,2%	99,4	97,6	97,8
Względne zużycie energii	100	92,6	86,5
Wydajność procesu	48,3	52,2	55,8

175 600

Zużycie energii w każdym z procesów określa się jako ilość energii potrzebnej do sprężenia wytwarzanych strumieni do ciśnienia dostarczanego strumienia powietrza i opisuje pracę wykonaną w procesie oddzielania. Zużycie energii wyrażono w jednostkach względnych w tabeli 2 w stosunku do procesu według opisu europejskiego 538'118, dla którego wynosi ono 100.

Należy podkreślić to, że stosunek ciśnienia powietrza, które (mniejszy spadek ciśnienia w głównym wymienniku ciepła) jest ciśnieniem na dnie kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, do ciśnienia azotu, które (niższy spadek ciśnienia) jest ciśnieniem na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia jest niższy dla pracy urządzeń według fig. 1 i 2 z dołączonego rysunku niż dla pracy według procesu znanego z opisu europejskiego 538 118. Zatem dla danego ciśnienia roboczego w kolumnie niskiego ciśnienia, kolumna wysokiego ciśnienia 12 urządzenia z fig. 1 i 2 z rysunku działa przy ciśnieniu niższym niż odpowiednia kolumna w procesie według w/w opisu 538 118. Może to być znaczącą zaletą, ponieważ warunki wytwarzania narzucają zwiększanie ciśnienia, przy którym ma działać kolumna. Ponadto, ewidentne są korzyści wynikające z oszczędności energii. Korzyści te przeważają ograniczony odzysk tlenu w sposobie według wynalazku.

W urządzeniu z fig. 1 i 2 można dokonywać wielu modyfikacji i zmian. Przykład zmodyfikowanej postaci urządzenia przedstawionego na fig. 2 znajduje się na fig. 4. Te same części na fig. 2 i 4 oznaczono tymi samymi numerami odniesienia. Ponieważ konstrukcja i działanie urządzeń na fig. 2 i 4 sązasadniczo takie same, poniżej zostaną opisane tylko te cechy urządzenia z fig. 4, które nie mają jasnego odniesienia do fig. 2.

W urządzeniu z fig. 4, kolumna rektyfikująca 34 zawiera pojedyncze naczynie 120 zamiast oddzielnych naczyń 58 i 60 z urządzenia pokazanego na fig. 2. Zatem, reboiler 22 jest umieszczony na poziomie pośrednim w naczyniu albo kolumnie 120.

Urządzenie pokazane na fig. 4 wytwarza zanieczyszczony azot obok względnie czystego azotu otrzymywanego z wylotu 78 kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Dla wytworzenia tego zanieczyszczonego azotu, wycofuje się strumień zanieczyszczonego ciekłego azotu z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 122, dochładza przy przejściu przez część wymiennika ciepła 38 i ogranicza jego ciśnienie podczas przejścia przez zawór dławiący 124 i wprowadza do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wlot 126. Wytworzony azot gazowy wycofuje się z kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wylot 128 i przepływa przez wymienniki ciepła 38 i 6 współprądowo z czystszym azotem z kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 wychodzącym przez wylot 78.

W urządzeniu z fig. 4, skraplacz-reboiler 28 umieszczony jest w naczyniu 90. Skraplacz-reboiler 28 może być termosyfonem, przynajmniej częściowo zanurzonym w naczyniu 90.

Urządzenie z fig. 5 jest zasadniczo podobne do tego z fig. 4 (zatem podobne części na obu figurach oznaczono identycznymi numerami odniesienia) z wyjątkiem reboilera 16, który umieszczono na zewnątrz kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Dodatkowo, podczas pracy urządzenia z fig. 5, skład cieczy odparowywanej w skraplaczu-reboilerze 16 jest różny od składu zanieczyszczonego ciekłego tlenu, który jest odparowany w skraplaczu-reboilerze 94. Dla uzyskania tej różnicy w składzie, ciecz odparowywana w skraplaczu-reboilerze 94 jest bezpośrednio odbierana (patrz wylot 98) z dna środków dla wymiany masy ciecz-para (nie pokazano) w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 bez przechodzenia przez zbiornik ściekowy 130 kolumny rektyfikacyjnej 34. Część cieczy opuszczającej dno środków dla wymiany masy ciecz-para w kolumnie rektyfikacyjnej 34 jest jednak zmuszana przez siłę grawitacji do przejścia przez zbiornik ściekowy 130, w którym jest mieszana z cieczą względnie bogatszą w azot, która pochodzi z poziomu wymiany masy kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przyległej ale położonej poniżej skraplacza-reboilera 22. Otrzymana parajest ponownie wprowadzana do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 na poziomie poniżej środków dla wymiany masy ciecz-para (nie pokazano) w niej umieszczonej. Przez wzbogacenie azotem cieczy odparowywanej w kanałach odparowywania skraplacza-reboilera 16, jej punkt wrzenia obniża się. Zatem, dodatkowa redukcja temperatury, przy której powietrze spręża się w skraplaczu-reboilerze 16 uzyskiwana jest przez redukcję ciśnienia, przy którym powietrze jest dostarczane przez kompresor 2 do skrap12

175 600 lacza-reboilera 16. W rezultacie, możliwe jest ograniczenie ciśnienia roboczego kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia o około 0,5 bara bez obniżenia ciśnienia roboczego w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34.

Urządzenie z fig. 6 rysunku pokazuje alternatywne modyfikacje, które mogą zostać dokonane w urządzeniu pokazanym na fig. 4 a części podobne z obu figur oznaczone są tymi samymi numerami. Przy tych zmianach, dalsze wzbogacanie cieczy wzbogaconej w tlen dokonuje się na dwóch dyskretnych stopniach, z których ten zgodny z prądem odnosi się do reboilera-skraplacza 28 i naczynia 90 urządzenia z fig. 4, a ten przeciwny do prądu nie ma odpowiednika w urządzeniu na fig. 4. Odnośnie fig. 6, ciecz wzbogacona w tlen jest wycofywana z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 36 i jest dochładzana przy przejściu przez wymiennik ciepła 38. Dochłodzona ciecz wzbogacona w tlen jest przesyłana przez zawór ograniczający ciśnienie 140 do pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 142 poniżej poziomu wszystkich środków stykowych ciecz-para (nie pokazana) znajdujących się w niej. Ciecz wzbogacona w tlen jest dzielona w pomocniczej kolumnie rektyfikacyjnej 142 na dalej wzbogaconą ciecz i parę azotu. Tak oddzielana para azotu jest zanieczyszczona. Wykropliny dla pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 142 formowane są przez wycofanie strumienia pary azotu z wierzchołka kolumny 142 i sprężanie go w skraplaczu-reboilerze 144 umieszczonym na pośrednim poziomie wymiany mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 powyżej tego, na którym znajduje się skraplacz-reboiler 22.

Skraplanie zanieczyszczonej pary azotu w skraplaczu-reboilerze 144 jest zatem powodowane przez pośrednią wymianę ciepła z wrzącą cieczą pochodzącą z wymiany mas w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34. Część uzyskanego kondensatu wraca na wierzchołek pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 142 jako wykropliny podczas gdy inna część przechodzi przez zawór redukujący ciśnienie 146 i wchodzi do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wlot 148. Ponowne odparowanie w pomocniczej kolumnie rektyfikacyjnej 142 zapewnione jest dzięki jeszcze innemu skraplaczowi-reboilerowi 150 umieszczonemu w zbiorniku ściekowym kolumny 142. Skraplacz-reboiler 150 jest podgrzewany przez parę azotu dochodzącą z wierzchołka kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wylot 26. Azot ten jest skraplany w skraplaczu-reboilerze 150 a uzyskany kondensat zawracany jest do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia 12 przez wlot 32 jako wykropliny ciekłego azotu. Dalej wzbogacona ciecz jest wycofywana z dna pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 142 i przesyłana przez zawór ograniczający ciśnienie 40 oraz wprowadzana do skraplacza-reboilera 28 umieszczonego w naczyniu 90. Działanie tego skraplacza-reboilera 28 jest zasadniczo podobne do opisanego w odniesieniu do fig. 2.

W jednym przykładzie działania urządzenia pokazanego na fig. 6 rysunku, kolumna rektyfikacyjna wysokiego ciśnienia 12 ma ciśnienie robocze 10,2 bara, pomocnicza kolumna rektyfikacyjna 142 ma ciśnienie robocze 7,8 bara a naczynie 90 ma ciśnienie wylotowe 6,5 bara. Kolumna rektyfikacyjna niskiego ciśnienia 34 ma ciśnienie robocze około 4,5 bara, a wytwarzany zanieczyszczony ciekły tlen jest odparowywany przy ciśnieniu około 3,2 bara.

Na fig. 7 z dołączonego rysunku pokazano urządzenie, które może być traktowane jako modyfikacje tego z fig. 6 a podobne części z obu figur oznaczono tymi samymi numerami odniesienia. W tej modyfikacji, odparowywanie wytwarzanego zanieczyszczonego ciekłego tlenu przeprowadza się dla skroplenia pary azotu odebranej z wierzchołka pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 142. Zatem, pojedynczy skraplacz-reboiler użyty w urządzeniu pokazanym na fig. 7 zastępuje skraplacze-reboilery 94 i 144 z urządzenia z fig. 6. Odnośnie fig. 7, wytworzony zanieczyszczony ciekły tlen jest wycofywany z dna kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia 34 przez wylot 98, a następnie ogranicza się jego ciśnienie podczas przejścia przez zawór dławiący 100. Uzyskany płynny strumień jest wprowadzany do skraplacza-reboilera 160 i całkowicie tam odparowany. Otrzymana para jest wycofywana ze skraplacza-reboilera 160 przez wylot 162 i podgrzewana do temperatury otoczenia podczas przejścia przez główny wymiennik ciepła 6. Podgrzewanie w skraplaczu-reboilerze 160 jest zapewnione przez azot odebrany z wierzchołka kolumny pomocniczej 142. Azot skrapla się, a uzyskany kondensat wraca na wierz175 600 chołek kolumny pomocniczej 142 i służy jako wekropline dla tej kolumny. Zanieczyszczony ciekły azot jest wycofywany z wierzchołka kolumny 142 przez wylot 164, dogładzany w wymienniku ciepła 38 i łączony z zanieczyszczonym ciekłym azotem wycofanym z kolumny 122 pod wpływem ciśnienia z zaworu ograniczającego ciśnienie 166. W innym zastosowaniu i konstrukcji działanie urządzenia z fig. 7 jest analogiczne do tego z fig. 6.

W typowym przykładzie działania urządzenia z fig. 7, kolumna rektyfikacyjna wysokiego ciśnienia 12 może mieć ciśnienie robocze około 13 barów, kolumna rektyfikacyjna niskiego ciśnienia ciśnienie robocze około 6 barów, kolumna pomocnicza 142 ciśnienie robocze około 10 barów, skrarlacz-rrboiler 148 ciśnienie robocze około 8 barów a tkraplacn-rrboilrr 160 ciśnienie robocze (w kanałach parowania) około 2,6 bara.

Na fig. 8 pokazano modyfikację urządzenia z fig. 4. W tej modyfikacji, naczynie 90 zastąpiono małą kolumną reaktyfikacyjną 170 zwykle mającą kilka płyt (nie pokazano) umieszczonych ponad skraplaczem-reboilerem 28, który umieszczono na dnie kolumny 170. Strumień cieczy wzbogaconej w tlen wprowadza się do kolumny 170 przez wlot 44 na poziomie powyżej wszystkich płyt stykowych ciecz-para, które się w niej znajdują. Płyn ten opada w kolumnie 170 z płyty na płytę. Wchodzi on w kontakt z parą ze tkraplacna-reboilera 28. Wymiana masy zachodzi między wznoszącą się parą i odpadającą cieczą, co poprawia dalsze wzbogacanie cieczy w tlen. W innym zastosowaniu, konstrukcji i działaniu urządzenie z fig. 8 jest całkowicie analogiczne do urządzenia z fig. 4.

Oddzielanie strumienia wspomnianej cieczy wzbogaconej w tlen w sposobie według wynalazku przeprowadza się przez odparowywanie rzutowe strumienia cieczy wzbogaconej w tlen dla uzyskania mieszaniny ciecz-para o wspomnianym ciśnieniu między ciśnieniem na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia a tym na spodzie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia; oraz oddzielania uzyskanej mieszaniny ciecz-para na fazy ciekłą i parową dla uzyskania dalej wzbogaconej cieczy i pary pośredniej, które to etapy niekiedy określone są zespołowo jako “pośrednie oddzielanie przez odparowywanie rzutowe”. Dla przyśpieszenia tworzenia się pary pośredniej część dalej wzbogaconej cieczy poddaje się korzystnie ponownemu odparowaniu. Możliwa jest też rektyfikacja w dalszej kolumnie rektyfikacyjnej (czasami określonej jako “pośrednia kolumna rektyfikacyjna”).

Etap oddzielania strumienia cieczy wzbogaconej w tlen według wynalazku przeprowadza się przez rektyfikację pośrednią, strumień cieczy wzbogaconej w tlen wprowadza się poniżej wszystkich środków dla wymiany masy ciecz-para w dalszej kolumnie rektyfikacyjnej albo jej doprowadzeniu.

Ponowne odparowanie tej cieczy korzystnie przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła z innym strumieniem azotu z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, azot następnie poddaje się kondensacji. Skropliny azotu stanowią dalsze źródło wy^oplin, które są korzystnie wykorzystywane w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia. Dalsza kolumna rektyfikacyjna jest korzystnie wyposażona w reboiler dla ponownego częściowego odparowania οκοει na spodzie dalszej kolumny rektyfikacyjnej. Dalsza kolumna rektyfikacyjna korzystnie wytwarza azot jako parę pośrednią. Azot jest korzystnie skraplany dla uzyskania jeszcze dalszych ąykrorlie ciekłego azotu, których część korzystnie używa się w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia a inną część korzystnie używa się w dalszej kolumnie rektyfikacyjnej.

Jeśli etap oddzielania strumienia ciecny wzbogaconej w tlen jest przeprowadzany podczas pośredniego oddzielania prnez odparowanie, to częściowe ponowne odparowanie może być przeprowadzane przeciwnie lub w fazie z oddzielaniem. Częściowe ponowne odparowywanie przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła z innym strumieniem pary azotu n kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, gdzie skrapla się azot. Skroplony azot stanowi dalsze źródło wykroplin, które korzystnie używa się w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia. Jeszcze dalsze ąykrorliey ciekłego azotu korzystnie wytwarza się prnez pośredni^wymianę ciepła azotu n kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia z ciekłym tlenem wycofanym n dolnego obszaru kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, który to ciekły tlen korzystnie dochodzi do pośredniego ąemieeeika ciepła pod ciśeireiem niższym od tego na wierzchołku kolumny rektefikacej 14

175 600 nej niskiego ciśnienia. Ciekły tlen jest następnie odparowywany i może być traktowany jako produkt. Jeszcze dalsze wykropliny ciekłego azotu są zwykle używane jako wykropliny w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia.

W etapie oddzielania strumienia cieczy wzbogaconej w tlen w sposobie według wynalazku przeprowadza się pośrednie oddzielanie przez odparowanie, a wspomniana para pośrednia jest korzystnie skraplana, zaś uzyskane skropliny zawracane do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, co przyspiesza wytwarzanie , wykroplin ciekłego azotu.

Niezależnie od tego jak przeprowadza się etap oddzielania strumienia cieczy wzbogaconej w tlen, skraplanie pary pośredniej korzystnie przeprowadza się przez pośredniąwymianę ciepła ze strumieniem wspomnianej dalej wzbogaconej cieczy, który to strumień ogranicza się pod wpływem ciśnienia w wymienniku ciepła. Strumień wspomnianej dalej wzbogaconej cieczy zwykle częściowo odparowuje się a pozostałą ciecz korzystnie wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia. W razie potrzeby, strumień dalej wzbogaconej cieczy można doprowadzić do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia przepuszczając przez pośredni wymiennik ciepła parę pośrednią. Alternatywnie, para pośrednia może zostać skroplona przez pośredniąwymianę ciepła z cieczą otrzymaną z pośredniego obszaru przenikania mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, następnie ciecz odebrana z pośredniego obszaru przenikania mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnieniajest częściowo ponownie odparowywana. Jest ona korzystnie zawracana do obszaru przenikania mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.

Ponowne odparowywanie w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia przeprowadza się zwykle jako pośredniąwymianę ciepła w reboilerze-skraplaczu ze strumieniem schłodzonego i oczyszczonego powietrza, który to strumień powietrza jest tam częściowo skraplany.

Kolumna rektyfikacyjna wysokiego ciśnienia i dalsza kolumna rektyfikacyjna mogą zawierać zwykłe kolumny rektyfikacyjne. Kolumna rektyfikacyjna niskiego ciśnienia może także zawierać pojedynczą kolumnę rektyfikacyjną albo dwie oddzielne kolumny. Te ostatnie układy dają korzyści polegające na tym, że wspomniany skraplacz dla pośredniej wymiany ciepła strumienia wspomnianej pary azotu z cieczą z obszaru pośredniego przenikania masy komory rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia może być umieszczony w dolnym obszarze jednej kolumny, a zatem może być skraplaczem-reboilerem konwencjonalnego typu termosyfonowego.

Tlen oddzielony w kolumnie rektyfikacyjnej pod niższym ciśnieniem jest oczyszczony w 85 do 96%. Azot oddzielony w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia jest korzystnie oczyszczony przynajmniej w 90%.

Zamrażanie dla sposobu według wynalazku może być uzyskane przez rozszerzenie spowodowane przez pracę zewnętrzną strumienia doprowadzanego powietrza albo strumienia azotu.

175 600

FIG.6

82

175 600

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób oddzielania powietrza, w którym rozdziela się schłodzone i oczyszczone powietrze w kolumnie rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia na ciecz wzbogaconą w tlen i parę azotu, oddziela się strumień cieczy wzbogaconej w tlen przy ciśnieniu o wielkości leżącej między wielkością ciśnienia na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia a wielkością na dnie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, rozdziela się strumień dalej wzbogaconej cieczy w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia na tlen i azot oraz doprowadza się wykropliny ciekłego azotu do kolumn rektyfikacyjnych wysokiego i niskiego ciśnienia, znamienny tym, że oddzielanie strumienia cieczy wzbogaconej w tlen przeprowadza się poprzez odparowywanie rzutowe strumienia cieczy wzbogaconej w tlen, wytwarza się mieszaninę cieczy i pary o ciśnieniu z zakresu między wielkością ciśnienia na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, a wielkością na dnie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, a następnie oddziela się otrzymaną mieszaninę cieczy i pary na fazy ciekłąi parową, przy czym wytwarza się ciecz dalej wzbogaconą w tlen i parę pośrednią i odparowuje się dalej wzbogaconą ciecz, natomiast część wykroplin ciekłego azotu wytwarza się przez skraplanie strumienia pary azotu przez pośrednią wymianę ciepła z cieczą z pośredniego obszaru przenikania mas kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że parę pośredniąpoddaje się kondensacji poprzez pośredniąwymianę ciepła ze strumieniem dalej wzbogaconej cieczy, której ciśnienie ogranicza się na drodze przeciwnej do strumienia wymiany ciepła, strumień dalej wzbogaconej cieczy odparowuje się częściowo poprzez wymianę ciepła z parą pośrednią, a częściowo odparowaną, dalej wzbogaconą ciecz wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że parę pośredniąpoddaje się kondensacji poprzez pośredniąwymianę ciepła z cieczą pochodzącą z pośredniego obszaru przenikania mas w kolumnie rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że parę pośrednią skrapla się, a otrzymany kondensat zawraca się do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odparowywanie przeprowadza się przez pośredniąwymianę ciepła ze strumieniem pary azotu z kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia, przy czym skrapla się strumień pary azotowej.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że skroploną parę azotu, wytworzoną podczas odparowywania dalej wzbogaconej cieczy, doprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odparowywanie kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem doprowadzanego schłodzonego i oczyszczonego powietrza, przy czym doprowadzany strumień powietrza skrapla się przynajmniej częściowo.
8. Urządzenie do oddzielania powietrza, zawierające kolumnę rektyfikacyjną wysokiego ciśnienia dla rozdzielania schłodzonego i oczyszczonego powietrza na ciecz wzbogaconą w tlen i parę azotu, kolumnę rektyfikacyjną niskiego ciśnienia do wytwarzania tlenu i azotu, separator oddzielający strumień cieczy wzbogaconej w tlen przy ciśnieniu o wielkości z zakresu między wielkością ciśnienia na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia a wielkością na dnie kolumny niskiego ciśnienia, otwór wlotowy dla wprowadzania strumienia dalej wzbogaconej cieczy do kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia, grupę skraplaczy dla dostarczania wykroplin ciekłego azotu do kolumn rektyfikacyjnych wysokiego i niskiego ciśnienia, znamienne tym, że zawiera skraplacz (22) dla pośredniej wymiany ciepła strumienia pary azotu z cieczą z pośredniego obszaru przenikania ciepła kolumny rektyfikacyjnej niskiego ciśnienia (34), połączony z wierzchołkiem kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia (12) przez wylot (20)

175 600 z jednej strony i przez wlot (24) z drugiej strony, a także zawór (40) redukujący ciśnienie połączony z wylotem (36) kolumny rektyfikacyjnej wysokiego ciśnienia i separator faz (90) po stronie zgodnej ze zwrotem strumienia zaworu (40) redukującego ciśnienie.
9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, ze powyżej albo wewnątrz separatora faz (90) jest usytuowany reboiler (28).