PL177918B1 - Sposób i urządzenie do oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen - Google Patents

Abstract

1 . Sposób oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen, w którym wytwarza sie strumien powietrza wzbogaconego w tlen w temperatu- rze odpowiedniej dla oddzielania go przez rektyfikacje, rozdziela sie strumien na tlen i azot w kolumnie rektyfikacyjnej o niskim cisnieniu, doprowadza sie wykropliny cieklego azotu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim cisnieniu, wywoluje sie przeplyw do góry ponownie odparowanego tlenu przez kolumne rektyfikacyjna o niskim cisnieniu, wycofuje sie parowy strumien tlenu wzboga- conego w argon z posredniego obszaru przenikania masy kolumny rektyfika- cyjnej o niskim cisnieniu, przynajmniej czesciowo skrapla sie parowy strumien tlenu wzbogaconego w argon, redukuje sie cisnienie przynajmniej czesci skrop-- lonego strumienia wzbogaconego w argon, wprowadza sie otrzymany strumien o zredukowanym cisnieniu do posredniego obszaru wymiany masy w kolumnie argonowej, oraz oddziela sie od niego ciecz wzbogacona w argon i ciecz zuboz ona w argon, przy czym skraplanie strumienia tlenu wzbogaconego w argon przeprowadza sie poprzez posrednia wymiane ciepla z ciecza zubozona w ar- gon, oddzielona w kolumnie argonowej, znamienny tym , ze pozostala czesc skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon zawraca sie do rektyfika- cyjnej kolumny o niskim cisnieniu (10, 106) 9. Urzadzenie do oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen, zawierajace srodki do wytwarzania strumienia powietrza wzbogaco- nego w tlen w temperaturze odpowiedniej dla jego oddzielania przez rektyfi- kacje, kolumne rektyfikacyjna o niskim cisnieniu dla rozdzielania strumienia na tlen i azot, pierwszy skraplacz-reboiler dla dostarczania wykroplin cieklego azotu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim cisnieniu, kanal dla przeplywu parowego strumienia wzbogaconego w argon z posredniego ob- szaru przenikania masy kolumny rektyfikacyjnej o niskim cisnieniu na po- sredni poziom przenikania masy kolumny argonowej dla oddzielania cieczy wzbogaconej w argon i cieczy zubozonej w argon od parowego strumienia wzbogaconego w argon, srodki redukcji cisnienia w kanale i drugi skraplacz- reboiler polaczony z kolumna argonowa, przy czym kanaly skraplajace dru- giego skraplacza-reboilera znajduja sie w polozeniu w kanale po stronie cis- nienia wyzszego srodków redukcji cisnienia, tak by umozliwic skroplenie przynajmniej czesci parowego strumienia wzbogaconego w argon przez po- slednia wymiane ciepla z ciecza zubozona w argon oddzielona w kolumnie ar- gonowej, znamienne tym, ze po stronie cisnienia nizsze go . . . FIG. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen.

Najważniejszym przemysłowym sposobem oddzielania powietrza jest rektyfikacja. W typowym procesie rektyfikacji przeprowadza się etapy sprężania strumienia powietrza, oczyszczania uzyskanego strumienia sprężonego powietrza przez usunięcie z niego pary wodnej i dwutlenku węgla, oraz wstępnego ochładzania powietrza poprzez wymianę ciepła z powracającymi strumieniami produktów do temperatury odpowiedniej dla jego rektyfikacji. Rektyfikację przeprowadza się w tak zwanej „podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej”, składającej się z kolumny o wyższym i niższym ciśnieniu, czyli jedna kolumna działa przy wyższym ciśnieniu niż druga. Większość nadchodzącego powietrza wprowadza się do kolumny o wyższym ciśnieniu i dzieli się na ciekłe powietrze wzbogacone w tlen i parę azotu. Parę azotu skrapla się. Część skroplin wy4

177«?18 korzystuje się jako ciekłe wykropliny w kolumnie o wyższym ciśnieniu. Ciecz wzbogacona w tlen z dna kolumny o wyższym ciśnieniu jest używana do wytwarzania strumienia zasilającego kolumnę o niższym ciśnieniu. Zwykle, strumień cieczy wzbogaconej w tlen dochładza się w obszarze pośrednim kolumny o niższym ciśnieniu przez zawór dławiący, albo redukujący ciśnienie. Ciecz wzbogaconąw tlen rozdziela się na zasadniczo czysty tlen i azot w kolumnie o niższym ciśnieniu. Gazowe produkty tlenowe i azotowe odbiera się z kolumny o niższym ciśnieniu, przy czym zwykle tworzą się strumienie zwrotne podlegające wymianie ciepła z nadchodzącym strumieniem powietrza. Ciekłe wykropliny dla kolumny o niższym ciśnieniu są wytwarzane przez odebranie pozostałości skroplin z kolumny o wyższym ciśnieniu, dochłodzenie ich i przesłanie ich na wierzchołek kolumny o niższym ciśnieniu przez zawór dławiący, czyli redukujący ciśnienie. Przepływ pary do góry przez kolumnę o niższym ciśnieniu z jej dna wymusza się przez ponowne odparowanie ciekłego tlenu. Ponowne odparowanie przeprowadza się poprzez wymianę ciepła pomiędzy ciekłym tlenem na dnie kolumny o niższym ciśnieniu, a azotem z kolumny o wyższym ciśnieniu. W rezultacie para azotu skrapla się.

Lokalną koncentrację argonu wytwarza się na poziomie pośrednim kolumny o niższym ciśnieniu poniżej tego, na którym wprowadza się ciekłe powietrze wzbogacone w tlen. Jeśli wymagane jest wytwarzanie produktu argonowego, to strumień pary wzbogaconej w tlen pobiera się w pobliżu kolumny o niższym ciśnieniu, gdzie koncentracja argonu osiąga zwykle poziom 5 do 15% objętości argonu i wprowadza do dolnego obszaru bocznej kolumny, w której produkt argonowy oddziela się od niego. Zwykle nie podejmuje się kroków dla dostosowania ciśnienia strumienia pary tlenu wzbogaconego w argon podczas jego przepływu z kolumny o niższym ciśnieniu do kolumny z argonem. Wykropliny dla kolumny z argonem dostarcza się przez skraplacz w części czołowej kolumny. Skraplacz ochładza się przez przynajmniej część ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, wprowadzanego do kolumny o niższym ciśnieniu.

Znane jest wykorzystanie półek sitowych w kolumnie argonowej dla zapewnienia kontaktu między cieczą a parą. Ponieważ argon i tlen mają podobne lotności, zwykle używa się wielu półek w kolumnie argonowej. Uzyskany spadek ciśnienia w kolumnie argonowej pozwala na utrzymanie odpowiednio małej różnicy temperatur między skroplonym argonem a cieczą wzbogaconą w tlen, użytą do ochładzania skraplacza czołowego.

Od połowy lat 80-tych duże zainteresowanie skupiało się na wykorzystaniu wypełnienia zamiast półek, dla zapewnienia kontaktu ciecz-para w kolumnach urządzenia rozdzielającego powietrze. Rozwiązanie według opisu patentowego EP-A-0 377 117 potwierdza, że przez użycie odpowiedniej wysokości wypełnienia w kolumnie argonowej można z niej uzyskać zasadniczo wolny od tlenu produkt argonowy. Jeśli wykorzystuje się płyty destylacyjne w kolumnie argonowej, spadek ciśnienia będzie wystarczający dla obniżenia temperatury skraplania argonu wolnego od tlenu tak, by skraplacz czołowy przestał pracować, gdy należy wprowadzić ciecz wzbogaconąw tlen do kolumny o niższym ciśnieniu. Jednak różnica temperatur strumieni cieczy wzbogaconej w tlen i argonu w części czołowej skraplacza staje się niekorzystnie wysoka. W opisie patentowym EP-B-341 512 przedstawiono sposób sterowania różnicą ciśnień w części czołowej skraplacza, za pomocą zaworu redukującego ciśnienie strumienia tlenu wzbogaconego w argon, który przepływa z kolumny o niższym ciśnieniu do kolumny argonowej. W opisie patentowym EP-594 214 przedstawiono proces, w którym tlen wzbogacony w argon jest używany do ponownego odparowania w kolumnie argonowej, w której jest skroplony. Strumień skroplonego tlenu wzbogacony w argon jest wprowadzany do kolumny argonowej w pośrednim obszarze przenikania masy, ale ciecz nadal powraca z dna kolumny argonowej do tego samego obszaru kolumny o niższym ciśnieniu, z której odciąga się tlen wzbogacony w argon.

We wszystkich opisanych procesach część oddzielania, w której koncentracja argonu w tlenie jest redukowana od 5% objętości do określonej, jest przeprowadzana wyłącznie z kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia, które umożliwiają przeprowadzenie części oddzielania w kolumnie argonowej oraz wycofanie z niej produktu tlenowego.

177 918

Zgodnie ze sposobem oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen, według wynalazku, wytwarza się strumień powietrza wzbogaconego w tlen w temperaturze odpowiedniej dla oddzielania go przez rektyfikację, rozdziela się strumień na tlen i azot w kolumnie rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, doprowadza się wykropliny ciekłego azotu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, wywołuje się przepływ do góry ponownie odparowanego tlenu przez kolumnę rektyfikacyjną o niskim ciśnieniu, wycofuje się parowy strumień tlenu wzbogaconego w argon z pośredniego obszaru przenikania masy kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, przynajmniej częściowo skrapla się parowy strumień tlenu wzbogaconego w argon, redukuje się ciśnienie przynajmniej części skroplonego strumienia wzbogaconego w argon, wprowadza się otrzymany strumień o zredukowanym ciśnieniu do pośredniego obszaru wymiany masy w kolumnie argonowej, oraz oddziela się od niego ciecz wzbogaconąw argon i ciecz zubożoną w argon, przy czym skraplanie strumienia tlenu wzbogaconego w argon przeprowadza się poprzez pośrednią wymianę ciepła z cieczą zubożoną w argon, oddzieloną w kolumnie argonowej. Sposób tego rodzaju charakteryzuje się tym, że pozostałą część skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon zawraca się do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu.

Korzystnym jest, że część skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, która jest zawracana do kolumny o niskim ciśnieniu, pobiera się z górnego strumienia, w którym zachodzi zmniejszenie ciśnienia.

Strumień powietrza wzbogaconego w argon pobiera się w stanie ciekłym z frakcjonującej kolumny o wyższym ciśnieniu, w której azot oddziela się od strumienia sprężonego powietrza, z którego usunięto parę wodną i dwutlenek węgla, oraz dalej wzbogaca się w tlen po stronie ciśnienia wyższego w miejscu wprowadzania go do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu.

Strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen przepuszcza się przez urządzenie redukujące ciśnienie do frakcjonującej kolumny o ciśnieniu pośrednim, pracującej przy ciśnieniu na jej wierzchołku niższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o wyższym ciśnieniu, ale wyższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o niskim ciśnieniu, oddziela się azot z ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen w kolumnie o ciśnieniu pośrednim, ponownie odparowuje się część cieczy z dna wytworzonej w kolumnie o ciśnieniu pośrednim, dla uzyskania w niej przepływu pary do góry i wycofuje się strumień części cieczy z dna, w postaci dalej wzbogaconego ciekłego powietrza.

Ponowne odparowanie części cieczy z dna przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła z parą azotu oddzieloną w kolumnie o wyższym ciśnieniu.

W skraplaczu na wierzchołku kolumny argonowej, parę argonu oddzieloną w kolumnie argonowej skrapla się przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem dalej wzbogaconego ciekłego powietrza. Ciekły produkt tlenowy wycofuje się z dna kolumny argonowej. Ciekły tlen wycofuje się z rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu, redukuje się jego ciśnienie i wprowadza do zbiornika, stanowiącego część kolumny argonowej, a pojedynczy strumień ciekłego tlenu wycofuje się z kolumny argonowej, spręża się i odparowuje dla wytworzenia gazowego produktu tlenowego.

Urządzenie do oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen, według wynalazku, zawiera środki do wytwarzania strumienia powietrza wzbogaconego w tlen w temperaturze odpowiedniej dla jego oddzielania przez rektyfikację, kolumnę rektyfikacyjną o niskim ciśnieniu dla rozdzielania strumienia na tlen i azot, pierwszy skraplacz-reboiler dla dostarczania wykroplin ciekłego azotu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, kanał dla przepływu parowego strumienia wzbogaconego w argon z pośredniego obszaru przenikania masy kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu na pośredni poziom przenikania masy kolumny argonowej dla oddzielania cieczy wzbogaconej w argon i cieczy zubożonej w argon od parowego strumienia wzbogaconego w argon, środki redukcji ciśnienia w kanale i drugi skraplacz-reboiler połączony z kolumnąargonową, przy czym kanały skraplające drugiego skraplacza-reboilera znajdująsię w położeniu w kanale po stronie ciśnienia wyższego środków redukcji ciśnienia, tak by umożliwić skroplenie przynajmniej części parowego strumienia wzbogaconego w argon przez pośrednią wymianę ciepła z cieczą zubożoną w argon oddzieloną w kolumnie argonowej. Urządzenie tego

177 918 rodzaju charakteryzuje się tym, że po stronie ciśnienia niższego kanałów skraplających drugiego skraplacza-reboilera, wspomniany kanał jest połączony z wlotem do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu.

Korzystnym jest, że wspomniany kanał jest połączony przez pompę z wlotem rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu.

Urządzenie zawiera korzystnie frakcjonującą kolumnę o wyższym ciśnieniu dla dostarczania strumienia powietrza wzbogaconego w tlen w stanie ciekłym do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu i azotu do kanału skraplającego pierwszego skraplacza-reboilera, główny wymiennik ciepła, jednostki oczyszczające do usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla ze strumienia sprężonego powietrza, przy czym jednostki oczyszczające mają wylot połączony, przez główny wymiennik ciepła, z wlotem powietrza frakcjonującej kolumny o wyższym ciśnieniu.

Korzystnym jest, że pomiędzy kolumnąo wyższym ciśnieniu i kolumnąo niskim ciśnieniu włączona jest pomocnicza kolumna rektyfikacyjna i trzeci skraplacz-reboiler, do zmiany składu ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen.

Pomocnicza kolumna rektyfikacyjna stanowi korzystnie frakcjonującą kolumnę o pośrednim ciśnieniu do wytwarzania części cieczy na dnie i pary wzbogaconej w azot, przy czym wlot tej pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej jest połączony przez zawór redukujący ciśnienie z wylotem kolumny o wyższym ciśnieniu. Ponadto pomocnicza kolumna rektyfikacyjna jest połączona z trzecim skraplaczem-reboilerem dla ponownego odparowania części cieczy z dna i wywołania przepływu pary do góry przez pomocniczą kolumnę rektyfikacyjną, przy czym dno pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej poprzez wylot i zawór dławiący jest połączone z kolumną o niskim ciśnieniu.

Sposób i urządzenie według wynalazku zapewniają dwie główne zalety. Po pierwsze, płyn zubożony w argon może być wytwarzany przy minimalnej zawartości argonu, zatem produkt tlenowy jest połączony z wlotem do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu.

Korzystnym jest, że wspomniany kanał jest połączony przez pompę z wlotem rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu.

Urządzenie zawiera korzystnie frakcjonującą kolumnę o wyższym ciśnieniu dla dostarczania strumienia powietrza wzbogaconego w tlen w stanie ciekłym do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu i azotu do kanału skraplającego pierwszego skraplacza-reboilera, główny wymiennika ciepła środki oczyszczające do usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla ze strumienia sprężonego powietrza, przy czym środki oczyszczające mają wylot połączony, przez główny wymiennika ciepła, z wlotem powietrza frakcjonującej kolumny o wyższym ciśnieniu.

Urządzenie zawiera korzystnie środki do zmiany składu ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen pomiędzy kolumną o wyższym ciśnieniu kolumną o niskim ciśnieniu.

Środki zmieniające skład ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen zawierają frakcjonującą kolumnę o pośrednim ciśnieniu do wytwarzania części cieczy na dnie pary wzbogaconej w azot, mającą wlot połączony przez urządzenie redukujące ciśnienie z wylotem kolumny o wyższym ciśnieniu, trzeci skraplacz-reboiler połączony z kolumnąo ciśnieniu pośrednim dla ponownego odparowania części cieczy z dna i wywołania w ten sposób przepływu pary do góry przez rektyfikacyjną kolumnę o ciśnieniu pośrednim, oraz środki dla przewodzenia strumienia części cieczy z dna wzdłuż toru, który prowadzi do kolumny o niskim ciśnieniu, jako dalej wzbogaconej cieczy.

Sposób i urządzenie według wynalazku zapewniają dwie główne zalety. Po pierwsze, płyn zubożony w argon może być wytwarzany przy minimalnej zawartości argonu, zatem produkt tlenowy, zwykle w stanie płynnym, może być wycofany z kolumny argonowej bez niekorzystnego wpływu na wydajność argonu w procesie. Dzięki temu unika się konieczności zawracania strumienia zubożonego w argon do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, co umożliwia redukcję obciążenia zaworu, a zatem średnicy kolumny argonowej w porównaniu ze znanymi podobnymi procesami. Po drugie, przy zastosowaniu reboilera związanego z kolumną argonową do ponownego odparowania cieczy zubożonej w argon, poprawia się prędkość odparowywania w części dolnej kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu. W rezultacie, można uzyskać osz177 918 czędności energii w porównaniu z działaniem konwencjonalnego procesu oddzielania Ponieważ strumień tlenu wzbogacony w argon jest sam używany do podgrzania reboilera związanego z kolumną argonową, do tego celu nie wymagany jest niezależny obwód pompowania ciepła.

Strumień powietrza wzbogaconego w tlen, szczególnie w stanie płynnym, jest pobierany z kolumny frakcjonującej o wyższym ciśnieniu, w której azot jest oddzielany od strumienia sprężonego powietrza, z którego mają być usunięte para wodna i dwutlenek węgla. Zwykle, powietrze także jest dostarczane do kolumny rektyfikacyjnej z turbiny rozprężającej. Sposób i urządzenie według wynalazku umożliwiają, w porównaniu z podobnym sposobem konwencjonalnym, zwiększenie proporcji powietrza dostarczanego do kolumny o niskim ciśnieniu w stosunku do proporcji dostarczanego do kolumny o wysokim ciśnieniu, redukując w ten sposób moc jednostkową.

W pewnych przykładach sposobu według wynalazku strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen nie zmienia składu pomiędzy kolumnami o wyższym i niskim ciśnieniu. W innych przykładach sposobu według wynalazku, strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen jest dalej wzbogacany w tlen po stronie ciśnienia niższego przy wprowadzaniu do kolumny o niskim ciśnieniu. Dalsze wzbogacanie przeprowadza się przez przepuszczenie strumienia cieczy wzbogaconej w tlen z kolumny o wyższym ciśnieniu przez urządzenie redukujące ciśnienie do kolumny frakcjonującej o pośrednim ciśnieniu działającej przy ciśnieniu na swoim wierzchołku wyższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o niskim ciśnieniu, ale niższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o wyższym ciśnieniu. Następnie oddziela się azot od ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, w kolumnie o ciśnieniu pośrednim. Ponownie odparowuje się część dolnej cieczy utworzonej w kolumnie o ciśnieniu pośrednim, dla zapewnienia przepływu pary do góry i wycofuje się jako dalej wzbogacony strumień ciekłego powietrza, część dolnej cieczy. Azot oddzielony w kolumnie frakcjonującej o ciśnieniu pośrednim może być skroplony, a część skroplin wykorzystana do uzupełnienia wykroplin ciekłego azotu dostarczanych do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Inne sposoby mogą być alternatywnie wykorzystane do uzupełnienia wykroplin, na przykład ciekły azot może być dodany z niezależnego źródła.

Alternatywnym, ale mniej korzystnym sposobem wytwarzania dalej wzbogaconej cieczy, jest przesłanie strumienia cieczy wzbogaconej w tlen z kolumny o wyższym ciśnieniu przez zawór redukujący ciśnienie oraz ponowne odparowanie części uzyskanej cieczy, przy czym strumień resztkowego ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, jest pobierany jako dalej wzbogacona ciecz. Zwykle, reboiler-skraplacz wykorzystany w tej ostatniej alternatywie do ponownego odparowania cieczy, może być umieszczony w naczyniu oddzielającym fazy. Alternatywnie, reboiler może być umieszczony po stronie ciśnienia wyższego naczynia oddzielającego fazy.

Ponowne odparowanie dolnej części cieczy uzyskane w kolumnie o ciśnieniu pośrednim jest wywołane pośrednią wymianą ciepła z azotem oddzielonym w kolumnie o wyższym ciśnieniu. Kolumna o ciśnieniu pośrednim ma trzeci reboiler-skraplacz, którego kanały skraplające łączą się z wierzchołkiem kolumny o wyższym ciśnieniu dla umożliwienia przepływu azotu przez kanały skraplające i skroplenia go. Azot z kolumny o wyższym ciśnieniu jest wykorzystywany w pierwszym skraplaczu-reboilerze do ponownego odparowania kolumny o niskim ciśnieniu.

Te przykłady przeprowadzenia sposobu według wynalazku, w których ciecz wzbogacona w tlen z kolumny o wyższym ciśnieniu, jest dalej wzbogacana w tlen po stronie ciśnienia wyższego przy wprowadzaniu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, zwiększąjązdolność wytwarzania wykroplin ciekłego azotu dla kolumny o niskim ciśnieniu i są szczególnie użyteczne, gdy wymagane jest wytworzenie ciekłego produktu azotowego, do pobrania gazowego produktu azotowego bezpośrednio z kolumny o wyższym ciśnieniu, dla wprowadzenia w stanie ciekłym proporcji powietrza dostarczanego do kolumny o wyższym ciśnieniu na przykład, gdy powietrze jest używane do odparowania sprężonego ciekłego produktu tlenowego, albo dla przeprowadzenia sposobu według wynalazku tak, by układ kolumny został pozbawiony wykroplin.

Pod określeniem „kolumna rektyfikacyjna o niskim ciśnieniu” rozumie się kolumnę, która działa przy ciśnieniu na swoim wierzchołku niższym od 2 barów. Określenie „pośrednia wymia8

177 918 na ciepła” wskazuje, że nie występuje kontakt fizyczny między strumieniami poddawanymi wymianie ciepła.

Kolumna argonowa jest wypełniona. Zatem, spadek ciśnienia na metr wysokości kolumny argonowej może być względnie niski dla zapewnienia znacznego spadku ciśnienia wzdłuż urządzenia redukującego ciśnienie, przez które przechodzi strumień tlenu wzbogacony w argon, bez konieczności utrzymania ciśnienia wynoszącego około 1,5 bara na dnie kolumny o niskim ciśnieniu, albo ciśnienia niższego od atmosferycznego na wierzchołku kolumny argonowej. Odpowiednim wypełnieniem jest strukturowe wypełnienie firmy przez Sulzer Brothers Limited, pod znakiem towarowym MELLAPAK. Wierzchołek kolumny argonowej posiada związany z nim skraplacz, który jest ochładzany przez przynajmniej część cieczy wzbogaconej w tlen przepływającej do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu. Alternatywnie, skraplacz może być chłodzony przez strumień cieczy pobrany z kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.

Czystość produktu argonowej zależy od ilości półek albo wysokości wypełnienia użytego w kolumnie argonowej. W razie potrzeby, można wytwarzać produkt zasadniczo wolny od tlenu.

Część skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, która jest zawracana do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu jest pobierana po stronie ciśnienia wyższego środków redukujących ciśnienie.

Sposób i urządzenie według wynalazku są odpowiednie do wytwarzania produktu tlenowego w stanie ciekłym, albo stanie gazowym, lub dla wytwarzania oddzielnych ciekłych i gazowych produktów tlenowych. Gazowy produkt tlenowy może być utworzony przez odparowanie ciekłego tlenu wycofanego z jednej albo obu kolumn: o niskim ciśnieniu i argonowej. W takich przykładach sposobu według wynalazku, ciekły tlen może być wycofany z kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, mieć zredukowane ciśnienie i być wprowadzony do tworzącej zbiornik części kolumny argonowej dla umożliwienia wycofania pojedynczego strumienia ciekłego tlenu ze zbiornika w kolumnie argonowej, mieć podwyższone ciśnienie i zostać odparowany przez pośrednią wymianę ciepła z nadchodzącym powietrzem dla utworzenia gazowego produktu tlenowego. Jeśli około 30% produktu tlenowego musi być w stanie ciekłym, taki ciekły tlen wycofuje się całkowicie z kolumny argonowej. Jeśli produkt tlenowy ma być całkowicie w stanie gazowym, ciekły tlen pompuje się z kolumny argonowej do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu i tam się skrapla.

Sposób i urządzenie według wynalazku zostaną objaśnione w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie pierwszy przykład urządzenia według wynalazku, fig. 2 - schemat wymiennika ciepła i związanego z nim urządzenia wytwarzającego strumienie zasilające Urządzenie z fig. 1, fig. 3 - schemat drugiego przykładu urządzenia według wynalazku, a fig. 4 przedstawia schemat wymiennika ciepła i związanego z mm urządzenia wytwarzającego strumienie zasilające urządzenie z fig. 3.

Nawiązując do fig. 1, strumienie powietrza o wyższym ciśnieniu i niższym ciśnieniu są dostarczane do podwójnej kolumny rektyfikacyjnej 6 zawierającej frakcjonującą kolumnę o wyższym ciśnieniu 8 i rektyfikacyjnąkolumnę o niskim ciśnieniu 10. Strumień o wyższym ciśnieniu dostarczanyjest do kolumny o wyższym ciśnieniu 8 w temperaturze swojego punktu rosy, albo w temperaturze nieco wyższej, przez wlot 2, który znajduje się pod wszystkimi urządzeniami kontaktującymi ciecz i parę w kolumnie o wyższym ciśnieniu 8. Te urządzenia kontaktujące ciecz i parę mogą mieć postać półek kontaktujących ciecz i parę, albo swobodnego lub strukturalnego wypełnienia. Strumień o niskim ciśnieniu jest wprowadzany przy swoim punkcie rosy albo w temperaturze nieco wyższej do kolumny o niskim ciśnieniu 10 przez wlot 4. Wlot 4 znajduje się na pośrednim poziomie przenikania masy kolumny o niskim ciśnieniu 10.

Rektyfikacyjna kolumna o wyższym ciśnieniu 8 działa zwykle przy ciśnieniu rzędu 6 barów na dnie i jest termicznie połączona z rektyfikacyjną kolumną o niskim ciśnieniu 10 przez pierwszy skraplacz-reboiler 12. Pierwszy skraplacz-reboiler 12 ma kanały skraplające, w których azot oddzielony w kolumnie o wyższym ciśnieniu 8 jest skraplany przez pośrednią wymianę ciepła z ciekłym tlenem oddzielonym w kolumnie o niskim ciśnieniu 10, gdzie część ciekłego tlenu jest ponownie odparowana. Część skroplin ciekłego azotu utworzonych w skraplaczu - reboi177 918 lerze 12 jest używana jako wykropliny w kolumnie o wyższym ciśnieniu 8. Wymiana masy odbywa się w wyniku ścisłego kontaktu między wznoszącą się parą a opadającą cieczą. W rezultacie, azot jest oddzielany od wchodzącego powietrza. Strumień cieczy jest pobierany z dna kolumny o wyższym ciśnieniu 8 przez wylot 14 i jest dochładzany w wymienniku ciepła 16. Ciecz wycofana przez wylot 14 pozostaje prawie w równowadze z powietrzem wprowadzanym przez wlot 2, dzięki czemu zostaje wzbogacona w tlen. Po stronie ciśnienia niższego wymiennika ciepła 16 strumień dochłodzonej cieczy wzbogaconej w tlen jest dzielony na dwa strumienie wtórne. Jeden strumień wtórny jest przepuszczany przez zawór redukujący ciśnienie 18 i przepływa przez skraplacz 20 związany z wierzchołkiem kolumny argonowej 22. Ten strumień wtórny cieczy wzbogaconej w tlen jest odparowany przez swoim przejściu przez skraplacz 20. Wynikowy strumień pary jest wprowadzany do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu 10 przez wlot 24 na poziomie kontaktu ciecz-para kolumny o niskim ciśnieniu 10, pod poziomem wlotu 4. Drugi strumień wtórny dochłodzonej cieczy wzbogaconej w tlen pobierany z dna kolumny o wyższym ciśnieniu 8 jest przepuszczany przez zawór redukujący ciśnienie 26 i wprowadzany do kolumny o niskim ciśnieniu 10, przez wlot 28 na poziomie wlotu 4.

Strumienie cieczy wzbogaconej w tlen wprowadzane do kolumny o niskim ciśnieniu 10 przez wloty 24, 28 i strumień powietrza wprowadzany przez wlot 4, są w mej oddzielane na produkty tlenowe i azotowe. Ponowne odparowanie w rektyfikacyjnej kolumnie o niskim ciśnieniu 10 jest uzyskane, jak już opisano, przez pośrednią wymianę ciepła w pierwszym skraplaczureboilerze 12 między ciekłym tlenem oddzielonym w kolumnie o niskim ciśnieniu 10 a parą azotu z kolumny o wyższym ciśnieniu 8, przy czym para azotu jest skraplana. Ciekłe wykropliny azotu doprowadzane są do kolumny o niskim ciśnieniu 10 przez pobranie tej części skroplonego azotu ze skraplacza-reboilera 12, która nie jest wykorzystana w kolumnie o wyższym ciśnieniu 8, dochłodzenie jej w wymienniku ciepła 16, przesłanie przez zawór redukujący ciśnienie 30 i wprowadzenie do wierzchołka kolumny o niskim ciśnieniu 10 przez wlot 32. Dla wywołania przenikania masy między opadającą cieczą a wznoszącą się parą w kolumnie o niskim ciśnieniu 10, zastosowano urządzenia kontaktowe ciecz-para, zwykle w postaci strukturalnego wypełnienia. Produkt azotowy jest wycofywany z wierzchołka kolumny o niskim ciśnieniu 10 przez wylot 34 i przechodzi przez wymiennik ciepła 16 od jego zimnego końca do ciepłego końca. Ponadto, część tlenu, która jest ponownie odparowywana w pierwszym skraplaczu-reboilerze 12 jest pobierana jako gazowy produkt tlenowy przez wylot 36. Dalej, część ciekłego tlenu oddzielonego w kolumnie o niskim ciśnieniu 10 może być pobrana jako produkt z wylotu 38.

Podstawowymi nisko wrzącymi składnikami powietrza sątlen, azot i argon. Chociaż argon zajmuje mniej niż 1% objętości powietrza, lokalne maksimum koncentracji argonu rzędu 7 do 15% objętości jest wytwarzane na pośrednim poziomie kontaktu ciecz-para w kolumnie o niskim ciśnieniu 10 poniżej poziomu wlotu 24. Strumień tlenu wzbogacony w argon jest pobierany w stanie parowym przez wylot 40 z poziomu kolumny o niskim ciśnieniu 10, gdzie koncentracja argonu jest mniejsza od maksimum, ale większa od 5%, zwykle powyżej 8%, objętości i jest przepuszczany przez drugi skraplacz-reboiler 42 związany z dnem kolumny argonowej 22. Kanał dla strumienia pary wzbogaconej w argon w drugim skraplaczu-reboilerze 42, skrapla przynajmniej część, a korzystniej cały strumień. Część otrzymanego strumienia tlenu wzbogaconego w argon przepływa przez zawór redukujący ciśnienie 44 i jest wprowadzana do kolumny argonowej przez wlot 46 na jego pośrednim poziomie kontaktu ciecz-para. Kolumna argonowa 22 jest wypełniona, a zatem wypełnienie powinno znajdować się nad i pod poziomem wlotu 46. Dlatego, kolumna argonowa 22 nie tylko wytwarza produkt argonu, to znaczy ciecz wzbogaconą w argon, ale także wytwarza produkt tlenowy, to znaczy ciecz zubożoną w argon. Produkt tlenowy jest wycofywany w stanie płynnym przez wylot 49 i zwykle jest tak samo czysty jak produkt tlenowy w kolumnie o niskim ciśnieniu 10, ale w razie potrzeby, może mieć inną czystość. Dla utrzymania czystości produktu tlenowego wytwarzanego w kolumnie argonowej 22, część skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon jest zawracana przez pompę 43 na poziom przenikania masy kolumny o niskim ciśnieniu 10, równy poziomowi wylotu 40.

177 718

W kolumnie argonowej 22, unosząca się para i opadająca ciecz są ściśle kontaktowane ze sobą, dla uzyskania przenikania masy między unoszącą się parą i opadającą cieczą, niezbędnego do wytwarzania produktów tlenowych i azotowych. Jeśli wymagany jest zanieczyszczony produkt argonowy zawierający około 2% tlenu, to wypełnienie może przekroczyć poziom wlotu 46 o wartość równoważną teoretycznej liczbie półek w zakresie od 40 do 50. Jeśli jednak, potrzebny jest produkt argonowy zasadniczo wolny od tlenu, zawierający mniej niż 10 części objętościowych tlenu na milion, to wysokość wypełnienia nad poziomem wlotu 46 jest równa teoretycznej liczbie półek w zakresie od 140 do 180. Ciekły produkt argonowy jest wycofywany z wierzchołka kolumny argonowej 22 przez wylot 48 i może być dalej oczyszczany, na przykład przez umieszczenie azotu usuniętego z niego w dalszej kolumnie rektyfikacyjnej, czego nie pokazano. W razie potrzeby, wylot 48 może się znajdować poniżej wierzchołka urządzeń kontaktowych ciecz-para w kolumnie argonowej 22 tak, by zredukować zawartość azotu w produkcie argonowym. Następnie, mieszanina gazowa wzbogacona w azot może być odpowietrzona, jako mały strumień upustowy, z wierzchołka kolumny argonowej 22.

Nawiązując do fig. 2, sprężarka 50 spręża strumień powietrza. Sprężarka 50 zwykle posiada związany z nią ochładzacz wody, czego nie pokazano, dla usuwania ciepła sprężania. Strumień prężonego powietrza jest przepuszczany przez jednostkę oczyszczającą 52, w celu usunięcia z niego pary wodnej i dwutlenku węgla. Jednostka oczyszczająca 52 wykorzystuje warstwy absorbentu służącego do usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla. Warstwy są wykorzystywane kolejno tak, że gdy jedna albo więcej warstw oczyszcza zasilający strumień powietrza, pozostałe są regenerowane, na przykład przez oczyszczanie strumieniem gorącego azotu. Takie jednostki oczyszczające i ich działanie są znane i nie zostały bliżej opisane. Oczyszczone powietrze jest dzielone na dwa strumienie. Jeden strumień przechodzi przez wymiennik ciepła 54 od jego ciepłego końca 56 do zimnego końca 58 i tworzy strumień powietrza, któryjest wprowadzany do kolumny o wyższym ciśnieniu 8 przez wlot 2, jak przedstawiono na fig. 1.

Jak przedstawiono na fig. 2, drugi strumień oczyszczonego powietrzajest dalej sprężany w sprężarce czołowej 59 tak, że praca rozszerzania jest wykorzystana do napędzania sprężarki 59. Praca turbiny rozprężającej 60 powoduje także chłodzenie, które spełnia dwa wymagania dotyczące chłodzenia ze sposobu opisanego powyżej w odniesieniu do fig. 1 Pierwszym wymaganiem jest kompensowanie ciepła absorbowanego z otoczenia urządzenia. Tak absorbcja ciepła jest minimalna, dzięki otoczeniu wszystkich części urządzenia, działających poniżej temperatury otoczenia, obudową izolującą termicznie. Jednak, jeśli kolumny 8, 10 i 22 działają w niskich temperaturach, taka absorbcja ciepła nie może być wyeliminowana Drugie wymaganie dla chłodzenia, to jego niezbędność do wytwarzania ciekłych produktów Jedną z głównych zalet sposobu według wynalazku jest to, że przy częściowym wytwarzaniu tlenu w kolumnie argonowej 22, prędkość ponownego odparowywania w kolumnie o niskim ciśnieniu 10 może być poprawiona. Możliwe jest wprowadzenie większej proporcji powietrza wejściowego pod postacią powietrza o niskim ciśnieniu przez wlot 4 do kolumny o niskim ciśnieniu 10. W rezultacie, większa proporcja wejściowego powietrza przepływa przez sprężarkę czołową 59 i turbinę rozprężającą 60. Zatem, można osiągnąć wiele korzyści. Na przykład, moc jednostkowa jest mniejsza niż w porównywalnym konwencjonalnym urządzeniu. Ponadto, można uzyskać większe chłodzenie, a więc większa proporcja produktu tlenowego może być zebrana w stanie ciekłym. Alternatywnie, można także wytwarzać ciekły produkt azotowy.

Dla uzyskania chłodzenia wymiennika ciepła 54 pokazanego na fig. 2, kanały 62 i 64 sąpoprowadzone od jego zimnego końca 58 do końca ciepłego 56, dla przepływu strumieni gazowych, odpowiednio tlenu i azotu, które mogą być pobrane odpowiednio z wylotów 36 i 34 urządzenia z fig. 1.

Wracając do fig. 1, należy podkreślić, że podczas przepływu przez zawór dławiący albo redukujący ciśnienie 44, skroplony ciekły strumień wzbogacony w argon podlega spadkowi temperatury, który wiąże się ze spadkiem ciśnienia w nim. Wielkość różnicy temperatur określa rozmiar oddzielania, które może być przeprowadzone w części kolumny argonowej 22 między poziomem wlotu 46 i drugim skraplaczem-reboilerem 42, który może być typu termosyfonowe177 918 go albo dolnoprzepływowego. W ogólności, spadek ciśnienia rzędu 0,3 bara jest wystarczający dla zapewnienia niezbędnej różnicy temperatur dla wytworzenia czystego tlenu. Jeśli strukturalne wypełnienie o małym spadku ciśnienia, takie jak MELLAPAK jest wykorzystane w kolumnie argonowej 22 dla zapewnienia kontaktu ciecz-para, kolumna o niskim ciśnieniu 10 może pracować przy konwencjonalnym ciśnieniu około 1,5 bara na poziomie wylotu 40 dla pary wzbogaconej w argon. Jednocześnie, ciśnienie na wierzchołku kolumny argonowej jest utrzymywane powyżej ciśnienia atmosferycznego.

Można osiągnąć również inne zalety dzięki wprowadzaniu cieczy wzbogaconej w argon do kolumny argonowej 22 w stanie ciekłym. Jeśli działanie kolumny argonowej 22 opiera się na wykresie McCabe-Thiele, nachylenie linii pracy jest większe w przypadku gdy zasilanie kolumny 22 jest doprowadzane raczej w stanie ciekłym niż parowym. Zatem, jeśli dana jest teoretyczna liczba półek od poziomu wlotu 46 do wierzchołka kolumny i jeśli wytwarzanyjest produkt argonowy o danych parametrach, zapotrzebowanie kolumny 22 na ciekłe wykropliny argonu jest zredukowane przez wprowadzanie zasilania w stanie płynnym. Ponadto, ponieważ żadna ciecz nie powraca z dna kolumny argonowej 22 do pośredniego poziomu wymiany masy kolumny o niskim ciśnieniu 10, nie następuje stamtąd powrót argonu do kolumny o niskim ciśnieniu. Zatem, szybkość wprowadzania tlenu wzbogaconego w argon do kolumny argonowej 22 może być względnie mała w porównaniu z podobnym urządzeniem konwencjonalnym. Oba powyższe czynniki umożliwiają redukcję obciążenia kolumny, w porównaniu z podobnym urządzeniem konwencjonalnym, co daje zmniejszenie średnicy kolumny i zmniejszenie obciążenia skraplacza argonu 20. Zatem, wielkość skraplacza 20 również może być zredukowana.

Chociaż, jak opisano, oddzielanie produktu tlenowego w kolumnie argonowej 22 umożliwia przetwarzanie większej ilości powietrza o niskim ciśnieniu w kolumnie o niskim ciśnieniu 10, powiększenie korzyści może być ograniczone przez brak wykroplin ciekłego azotu w tej kolumnie. Takie ograniczenie może powstać szczególnie jeśli podwójna kolumna rektyfikacyjna musi utrzymywać odpowiednią proporcję powietrza wejściowego w stanie ciekłym. Takie wymaganie może się pojawić na przykład, gdy zasadnicza część produktu tlenowego jest wycofywana z układu kolumny w stanie ciekłym, sprężana za pomocą pompy i odparowywana dla wytworzenia produktu gazowego o podniesionym ciśnieniu.

Na figurach 3 i 4 pokazano urządzenie, które zwiększa wytwarzanie wykroplin ciekłego azotu dla kolumny o niskim ciśnieniu 10 i umożliwia przeprowadzenie sposobu według wynalazku w tak zwanym procesie pompowania cieczy.

Jak przedstawiono na figurze 3, podwójna kolumna rektyfikacyjna 102 zawiera kolumnę o wyższym ciśnieniu 104, termicznie połączoną z kolumną o niskim ciśnieniu 106, przez pierwszy skraplacz-reboiler 108. Sprężone gazowe powietrze o wysokim ciśnieniu jest wprowadzane w swoim punkcie rosy, albo w temperaturze mu bliskiej i zwykle przy ciśnieniu około 6 barów na dno kolumny o wysokim ciśnieniu 104 przez wlot 110. Ciekłe powietrze jest wprowadzane do kolumny o wyższym ciśnieniu 104 przez drugi wlot 112 na pośrednim poziomie wymiany masy. Część ciekłego powietrzajest pobierana po stronie ciśnienia wyższego wlotu 112, dochładzana w wymienniku ciepła 114, ma redukowane ciśnienie przez zawór dławiący albo redukujący ciśnienie 116 i jest wprowadzana do kolumny o niskim ciśnieniu 106 przez wlot 118, który znajduje się na pośrednim poziomie wymiany masy. Urządzenia zapewniające kontakt ciecz-para umieszczone w kolumnie o niskim ciśnieniu 106, zapewniają kontakt między faząciekłąi fazą parową, umożliwiając przenikanie masy. Takie urządzenia są także umieszczone, ale nie pokazane na rysunku, w kolumnie o wyższym ciśnieniu 104. Urządzenia zapewniające kontakt ciecz-para w kolumnach mogą zawierać półki albo, w przypadku kolumny o niskim ciśnieniu 106, strukturalne wypełnienie. Podobnie jak wlot 118 dla ciekłego powietrza, kolumna o niskim ciśnieniu 106 również ma wylot 120 dla gazowego powietrza o niskim ciśnieniu.

Powietrze, które wchodzi do kolumny o wyższym ciśnieniu 104 zostaje pozbawione azotu przez przeciwprądowy kontakt między unoszącą się parą i opadającymi ciekłymi wykroplinami w kolumnie o wyższym ciśnieniu 104. Ciekłe wykropliny azotowe dla kolumny o wyższym ciśnieniu 104 są wytwarzane przez skraplanie azotu w pierwszym skraplaczu-reboilerze 108 poprzez pośred12

177 918 nią wymianę ciepła z ciekłym tlenem oddzielonym w kolumnie o niskim ciśnieniu 106, przy czym część ciekłego tlenujest ponownie odparowana. Część ciekłych skroplin azotowych z pierwszego skraplacza-reboilera 108 jest wykorzystywana jako wykropliny w kolumnie frakcjonującej o wyższym ciśnieniu 104. Reszta skroplin jest dochładzana przy przejściu przez wymiennik ciepła 114 i ma redukowane ciśnienie przy przejściu przez zawór dławiący 121. Po stronie ciśnienia niższego zaworu dławiącego 121, ciekłe skropliny azotowe są wprowadzane na wierzchołek kolumny o niskim ciśnieniu 106 jako wykropliny..

Inaczej niż w urządzeniu pokazanym na fig. 1, pierwszy skraplacz-reboiler 108 nie jest jedynym źródłem ciekłych wykroplin azotowych dla kolumn 104 i 106. Strumień cieczy wzbogaconej w tlen jest wycofywany z dna kolumny o wyższym ciśnieniu 104 przez wylot 122, jest dochładzany w wymienniku ciepła 114 i przepuszczany przez zawór redukujący ciśnienie 124 do obszaru dna pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 126, albo kolumny o ciśnieniu pośrednim, który to zawór pracuje na jej wierzchołku przy ciśnieniu zwykle około 3 barów nizszym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o wyższym ciśnieniu 104, ale wyższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o niskim ciśnieniu 106. Pomocnicza kolumna rektyfikacyjna 126 posiada na dnie trzeci skraplacz-reboiler 128, który jest użyty do skraplania pary azotowej pobieranej z wierzchołka kolumny o wyższym ciśnieniu 104. Uzyskane wykropliny ciekłego azotu mogą być użyte w jednej z kolumn 104 i 106. Ponadto, pomocnicza kolumna rektyfikacyjna 126 ma skraplacz 130, służący do skraplania azotu oddzielonego w niej. Tylko część ciekłego azotujest zwracana do kolumny 126 jako wykropliny. Pozostała część jest dochładzana w wymienniku ciepła 114, ma redukowane ciśnienie podczas przechodzenia przez zawór dławiący 132 i jest mieszana ze strumieniem ciekłego azotu, który przechodzi przez zawór dławiący 121 w obszarze po stronie ciśnienia niższego zaworu dławiącego 121.

Trzeci skraplacz-reboiler 128 ponownie odparowuje część cieczy wzbogaconej w tlen, którajest zbierana na dnie pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 126. W rezultacie, ciecz jest dalej wzbogacana w tlen, jednocześnie następuje przepływ pary do góry przez kolumnę 126. Pomocnicza kolumna rektyfikacyjna 126 zawiera urządzenia, zapewniające kontakt ciecz-para, na przykład półki destylacyjne albo wypełnienie, które umożliwiająprzenikarne masy między opadającą ciecz a unoszącą się parą, w wyniku czego azot jest oddzielany w pomocniczej kolumnie rektyfikacyjnej 126. Strumień dalej wzbogaconej cieczyjest wycofywany z dna pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 126 przez wylot 133 i jest dzielony na dwa oddzielne strumienie. Jeden ze strumieni dalej wzbogaconej cieczy przepływa przez zawór dławiący' 134 i jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu 106 przez wlot 136 umieszczony na ogół na tym samym poziomie co wlot 120, ale poniżej poziomu wlotu 118. Drugi strumień dalej wzbogaconej cieczyjest przesyłany przez zawór dławiący 138 ijest używany do ochładzania skraplacza 130, związanego z wierzchołkiem pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej 126. W rezultacie, tylko część drugiego dalej wzbogaconego strumienia cieczy jest ponownie odparowana. Otrzymana mieszanina para-ciecz wypływa ze skraplacza 130 ijest używana do ochładzania innego skraplacza 140, związanego z wierzchołkiem kolumny argonowej 142. Większość cieczy zawartej w strumieniu jest odparowana, a zasadniczo cały parowy strumień, wzbogacony w tlen, przepływa przez skraplacz 140 do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu 106 przez wlot 144.

Strumienie powietrza wprowadzane do kolumny o niskim ciśnieniu i06 przez wloty 118 i 120 i strumienie cieczy wzbogaconej w tlen wprowadzane do niej przez wloty 136 i 144 są w niej rozdzielane na tlen i azot. Jak wspomniano, przepływ pary do góry przez kolumnę o niskim ciśnieniu 106 jest wywołany przez pierwszy skraplacz-reboiler 108, a przepływ wykroplin ciekłego azotujest wprowadzany do kolumny o niskim ciśnieniu 106 na jej wierzchołku. Urządzenia zapewniające kontakt ciecz-para w kolumnie o niskim ciśnieniu 106 zapewniają ścisły kontakt między unoszącą się parą i opadającą cieczą, a otrzymane przenikanie mas wywołuje niezbędne oddzielanie. Gazowy produkt azotowy jest wycofywany przez wylot 146 na wierzchołku kolumny o niskim ciśnieniu 106 i przepływa przez wymiennik ciepła 114, od jego zimnego końca do ciepłego. Produkt tlenowy w stanie ciekłym jest wycofywany z dna kolumny o niskim ciśnieniu 106 przez wylot 148. W razie potrzeby, produkt tlenowy w stanie gazowym również może być

177 918 wycofywany przez wylot 150.Tlen wycofany przez wylot 150 stanowi produkt o niskim ciśnieniu, natomiast ciekły tlen wycofany przez wylot 148 może być sprężony i przetworzony na produkt tlenowy o wysokim ciśnieniu.

W sposób podobny do opisanego, w odniesieniu do kolumny o niskim ciśnieniu 10, pokazanej na fig. 1, wytwarza się lokalne maksimum koncentracji argonu w kolumnie o niskim ciśnieniu 106, pokazanej na fig. 3, na poziomie poniżej wlotu 144. Strumień wzbogacony w argon zwykle zawierający przynajmniej 8% objętościowych argonu, ale posiadający koncentrację argonu mniejsząod maksimum pojawiającego się w kolumnie o niskim ciśnieniu 106, jest wycofywany w stanie parowym przez wylot 152 i jest częściowo, a korzystnie całkowicie skraplany przy przejściu przez drugi skraplacz-reboiler 154. Skraplanie jest wywołane przez pośrednią wymianę ciepła strumienia tlenu wzbogaconego w argon z ciekłym tlenem oddzielonym w kolumnie argonowej 142, przy czym część ciekłego tlenu jest ponownie skraplana. Otrzymany strumień zawierający skroplmy jest dzielony na dwie części. Jedna część przepływa z drugiego skraplacza-reboilera 154 przez zawór dławiący 156 i jest wprowadzana do kolumny argonowej 142 na pośrednim poziomie wymiany masy. Konstrukcja i działanie kolumny argonowej 142 są takie, jak w przypadku kolumny 22, pokazanej na fig. 1. Druga część skroplin z drugiego skraplaczareboilera 154 jest zawracana przez pompę 155 na zasadniczo ten sam pośredni poziom wymiany masy kolumny o niskim ciśnieniu 106 co poziom wylotu 152, z którego strumień tlenu wzbogacony w argon jest pobierany do skraplania. Drugi skraplacz-reboiler 154 działa także jako skraplacz pośredni dla kolumny o niskim ciśnieniu 106.

Strumień ciekłego produktu argonowego jest wycofywany z wierzchołka kolumny argonowej 142 przez wylot 160. Strumień ciekłego tlenu jest wycofywany z dna kolumny argonowej 142 przez wylot 162 za pomocą pompy 164, która unosi ciekły tlen do ciśnienia zasilającego. Ciekły tlen wycofany przez pompę 164 może także zawierać ciekły tlen z wylotu 148 kolumny o niskim ciśnieniu 106. Ponadto, przewód mający zawór dławiący (nie pokazane) może biec od wylotu 148 do dna kolumny argonowej 142.

Nawiązując do figury 4, strumień powietrza jest sprężony w pierwszej sprężarce 170. Po stronie ciśnienia niższego sprężarki 170 strumień powietrza jest przepuszczany przez jednostkę oczyszczającą 172, która usuwa z niego parę wodną i dwutlenek węgla. Jednostka oczyszczająca 172 wykorzystuje nie przedstawione złoża adsorbentu, dla uzyskania usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla. Złoża pracują kolejno tak, że gdy jedno albo więcej złóż oczyszcza strumień powietrza, pozostałe są regenerowane, na przykład przez oczyszczanie strumieniem gorącego azotu. Takie jednostki oczyszczające i ich działanie są znane.

Oczyszczony strumień powietrza jest dzielony na dwa strumienie wtórne. Pierwszy strumień wtórny oczyszczonego powietrza przepływa przez główny wymiennik ciepła 174 od jego ciepłego końca 176 do zimnego końca 178 i jest chłodzony w przybliżeniu do jego punktu rosy. Otrzymane oczyszczone powietrze tworzy część strumienia powietrza o wysokim ciśnieniu, który jest wprowadzany do kolumny o wyższym ciśnieniu 104 przez wlot 110, jak przedstawiono na fig. 3.

Wracając do figury 4, drugi strumień oczyszczonego sprężonego powietrza jest dalej sprężany w sprężarce 180. Dalej sprężony strumień powietrza jest dzielony na dwie części. Jedna część jest ochładzana, gdy przechodzi przez główny wymiennik ciepła 174 odjego ciepłego końca 176 do obszaru pośredniego i jest z niego wycofywana. Ten ochłodzony, dalej sprężony strumień powietrza jest rozprężany za pomocą turbiny rozprężającej 182 i stanowi powietrze, które jest wprowadzane do kolumny o niskim ciśnieniu 106 przez wlot 120 (patrz fig. 3).

Jak przedstawiono na figurze 4, drugi strumień sprężonego powietrza jest ponownie sprężany w sprężarce 184 i dzielony na dwa strumienie wtórne. Jeden strumień wtórny przepływa ze sprężarki 184 przez główny wymiennik ciepła 174 odjego ciepłego końca 176 do zimnego końca 178. Otrzymany ochłodzony wtórny strumień dalej sprężonego powietrza jest przesyłany przez zawór dławiący 186, a uzyskana ciecz tworzy ciekłe powietrze, które jest dzielone między wlotem 110 do kolumny o wyższym ciśnieniu 104 a wlotem 118 do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu 106 jak przedstawiono na fig. 3. Nawiązując jeszcze raz do fig. 4, drugi strumień wtórny dalej sprężonego powietrza jest rozprężany w drugiej turbinie rozprężającej 188. Otrzymany

177 918 rozprężony strumień powietrza jest wprowadzany do głównego wymiennika ciepła 174 w jego pośrednim obszarze wymiany ciepła i przepływa stamtąd do zimnego końca 178. Otrzymany zimny strumień powietrza stanowi resztę strumienia powietrza, który jest wprowadzany przez wlot 110 do kolumny o wyższym ciśnieniu 104 (patrz fig. 3). Dalej, odnośnie fig. 4, wytworzony strumień azotowy jest przesyłany z ciepłego końca wymiennika ciepła 114 (patrz fig. 3) przez kanał 190 w głównym wymienniku ciepła 174 do jego zimnego końca 178 do ciepłego końca 176. Ponadto, strumień sprężonego tlenu jest przesyłany przez pompę 114 (patrz fig. 3) przez kanał 192 w głównym wymienniku ciepła 174 od jego zimnego końca 178 do ciepłego końca 176. Tlen jest odparowywany przy przejściu przez główny wymiennik ciepła 174. Ciśnienie wyjściowe sprężarki 184 jest dobrane tak, by utrzymywać dopasowanie krzywej temperatura-entalpia odparowywanego strumienia ciekłego tlenu oraz strumienia, który wypływa z zimnego końca 178 wymiennika ciepła 174 do zaworu dławiącego 186. W powyższym przykładzie, gazowy tlen nie jest wycofywany z kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu (patrz fig. 3) przez wylot 150.

Należy podkreślić, że przy szybszym pompowaniu ciekłego tlenu przez wymiennik ciepła 174, jak pokazano na fig. 4, a więc odparowywaniu, więcej powietrza upłynnia się przy przejściu przez zawór dławiący 186. Chociaż możliwe jest oddzielanie ciekłego powietrza w kolumnie rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu 106, ilość jaka może być oddzielona jest ograniczona, a zwiększone zapotrzebowanie na wysoko ciśnieniowy produkt tlenowy oznacza, że urządzenie przedstawione na fig. 3 musi podołać szybszemu wprowadzaniu ciekłego powietrza do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 104. W rezultacie, mniejsza ilość pary azotu będzie doprowadzona do wierzchołka kolumny o wyższym ciśnieniu 104, co spowoduje wytworzenie mniejszej ilości ciekłych wykroplin azotu w pierwszym skraplaczu-reboilerze 108. Jednak, tak jak w przypadku urządzenia z fig. 1, skraplanie parowego strumienia tlenu wzbogaconego w argon i wprowadzanie go po stronie niższego ciśnienia do kolumny argonowej 142 zwiększa ilość powietrza o niskim ciśnieniu, które może być dostarczone bezpośrednio do tej kolumny przez wlot 120. Wprowadzenie powietrza ze zwiększoną prędkością do kolumny o niskim ciśnieniu 106 przez wlot 120 zwiększa zapotrzebowanie na wykropliny ciekłego azotu w górnej części kolumny rektyfikacyjnej 126 umożliwia to, że urządzenie pokazane na fig. 3 spełnia zwiększone zapotrzebowanie na wykropliny w kolumnie o niskim ciśnieniu 106, pomimo że wprowadzenie ciekłego powietrza do kolumny o wyższym ciśnieniu 104 przez wlot 112 redukuje zdolność tej kolumny do wytwarzania ciekłego azotu dla kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.

Można dokonać różnych zmian i modyfikacji urządzenia pokazanego na figurach rysunku. Na przykład, jeśli urządzenie pokazane na fig. 1 ma oddzielać strumień albo strumienie ciekłego powietrza oprócz powietrza gazowego, na przykład, jeśli takie ciekłe powietrze jest wytwarzane poprzez pośrednią wymianę ciepła z parowym, sprężonym ciekłym produktem tlenowym, to dodatkowe wykropliny ciekłego azotu dla kolumn 8 i 10 mogą być wytworzone przez upłynnienie części gazowego produktu azotowego wycofanego z kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu 10, albo z zewnętrznego źródła ciekłego azotu.

Kolumna o ciśnieniu pośrednim 126, pokazana na fig. 3, reprezentuje tylko jeden sposób uzyskania tego upłynnienia. Dodatkowe zmiany, które mogą być dokonane w urządzeniu z fig. 1, polegają na tym, że może być wytwarzany ciekły produkt azotowy, a gazowy produkt azotowy o wysokim ciśnieniu może być wycofany bezpośrednio z kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 8. Zmiany w pomocniczym urządzeniu z fig. 2 mogą być dokonane tak, by spełniały wymagania chłodzenia wynikającego ze zmian dokonanych w urządzeniu z fig. 1.

Przy innej modyfikacji, skraplacz 20 związany z wierzchołkiem kolumny argonowej 22, jak na fig. 1, może być chłodzony przez ciekły strumień pobierany z pośredniego obszaru przenikania masy kolumny o niskim ciśnieniu 10. Ciekły strumień jest przynajmniej częściowo odparowany i zawracany do kolumny o niskim ciśnieniu 10.

Urządzenie pokazane na fig. 3 może być modyfikowane przez odwrócenie kierunku przepływu dalej wzbogaconej cieczy po stronie ciśnienia niższego zaworu 138. Czyli od zaworu 138 dalej wzbogacona ciecz przepływa przez skraplacz 140 związany z kolumną argonową 142, a po stronie ciśnienia niższego skraplacza 140 przepływa przez skraplacz 130 związany z kolumną

177 918 frakcjonującą o pośrednim ciśnieniu 126. W razie potrzeby zarówno skraplacz 130 jak i 140 mogąbyć połączone w pojedynczy wymiennik ciepła. Ze skraplacza 130 teraz odparowany, dalej wzbogacony strumień tlenu przepływa przez wlot 144 do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu 106.

Określenie „zawór redukujący ciśnienie” zostało użyte w odniesieniu do typu zaworu często alternatywnie określanego jako „zawór rozprężający” albo „zawór dławiący”. Zawór redukujący ciśnienie nie musi mieć ruchomych części i może po prostu zawierać kawałek rury ze stopniem między częścią wlotową o mniejszej powierzchni wewnętrznego przekroju poprzecznego i częścią wylotową o większej powierzchni wewnętrznego przekroju poprzecznego. Gdy ciecz przepływa przez stopień, podlega redukcji ciśnienia.

177 918

177 918

177 918

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4.00 zł.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen, w którym wytwarza się strumień powietrza wzbogaconego w tlen w temperaturze odpowiedniej dla oddzielania go przez rektyfikację, rozdziela się strumień na tlen i azot w kolumnie rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, doprowadza się wykropliny ciekłego azotu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, wywołuje się przepływ do góry ponownie odparowanego tlenu przez kolumnę rektyfikacyjną o niskim ciśnieniu, wycofuje się parowy strumień tlenu wzbogaconego w argon z pośredniego obszaru przenikania masy kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, przynajmniej częściowo skrapla się parowy strumień tlenu wzbogaconego w argon, redukuje się ciśnienie przynajmniej części skroplonego strumienia wzbogaconego w argon, wprowadza się otrzymany strumień o zredukowanym ciśnieniu do pośredniego obszaru wymiany masy w kolumnie argonowej, oraz oddziela się od niego ciecz wzbogaconą w argon i ciecz zubożoną w argon, przy czym skraplanie strumienia tlenu wzbogaconego w argon przeprowadza się poprzez pośrednią wymianę ciepła z cieczą zubożoną w argon, oddzieloną w kolumnie argonowej, znamienny tym, że pozostałą część skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon zawraca się do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu (10,106).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że część skroplonego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, która jest zawracana do kolumny o niskim ciśnieniu (10,106) pobiera się z górnego strumienia, w którym zachodzi zmniejszenie ciśnienia.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że strumień powietrza wzbogaconego w argon pobiera się w stanie ciekłym z frakcjonującej kolumny o wyższym ciśnieniu (8,104), w której azot oddziela się od strumienia sprężonego powietrza, z którego usunięto parę wodną i dwutlenek węgla, oraz dalej wzbogaca się w tlen po stronie ciśnienia wyższego w miejscu wprowadzania go do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu (10,106).
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że przepuszcza się strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen przez urządzenie redukujące ciśnienie (124) do frakcjonującej kolumny o ciśnieniu pośrednim (126), pracującej przy ciśnieniu na jej wierzchołku niższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o wyższym ciśnieniu (104), ale wyższym od ciśnienia na wierzchołku kolumny o niskim ciśnieniu (106), oddziela się azot z ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen w kolumnie o ciśnieniu pośrednim (126), ponownie odparowuje się część cieczy z dna wytworzonej w kolumnie o ciśnieniu pośrednim (126), dla uzyskania w niej przepływu pary do góry i wycofuje się strumień części cieczy z dna w postaci dalej wzbogaconego ciekłego powietrza.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że ponowne odparowanie części cieczy z dna przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła z parą azotu oddzieloną w kolumnie o wyższym ciśnieniu (104).
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że w skraplaczu (140) na wierzchołku kolumny argonowej (142) parę argonu oddzieloną w kolumnie argonowej (142) skrapla się przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem dalej wzbogaconego ciekłego powietrza.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że ciekły produkt tlenowy wycofuje się z dna kolumny argonowej (22, 142).
8. 8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że ciekły tlen wycofuje się z rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu (10,106), redukuje się jego ciśnienie i wprowadza do zbiornika, stanowiącego część kolumny argonowej (22,142), a pojedynczy strumień ciekłego tlenu wycofuje się z kolumny argonowej (22,142), spręża się i odparowuje dla wytworzenia gazowego produktu tlenowego.

   177 918
9. 9. Urządzenie do oddzielania argonu i tlenu z powietrza wzbogaconego w tlen, zawierające środki do wytwarzania strumienia powietrza wzbogaconego w tlen w temperaturze odpowiedniej dla jego oddzielania przez rektyfikację, kolumnę rektyfikacyjną o niskim ciśnieniu dla rozdzielania strumienia na tlen i azot, pierwszy skraplacz-reboiler dla dostarczania wykroplin ciekłego azotu do kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu, kanał dla przepływu parowego strumienia wzbogaconego w argon z pośredniego obszaru przenikania masy kolumny rektyfikacyjnej o niskim ciśnieniu na pośredni poziom przenikania masy kolumny argonowej dla oddzielania cieczy wzbogaconej w argon i cieczy zubożonej w argon od parowego strumienia wzbogaconego w argon, środki redukcji ciśnienia w kanale i drugi skraplacz-reboiler połączony z kolumną argonową, przy czym kanały skraplające drugiego skraplacza-reboilera znajdująsię w położeniu w kanale po stronie ciśnienia wyższego środków redukcji ciśnienia, tak by umożliwić skroplenie przynajmniej części parowego strumienia wzbogaconego w argon przez pośrednią wymianę ciepła z cieczą zubożoną w argon oddzieloną w kolumnie argonowej, znamienne tym, że po stronie ciśnienia niższego kanałów skraplających drugiego skraplacza-reboilera (42,154), wspomniany kanałjest połączony z wlotem do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu (10,106).
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że wspomniany kanał jest połączony przez pompy (43,155) z wlotem rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu (10,106).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że zawiera frakcjonującą kolumnę o wyższym ciśnieniu (8,104) dla dostarczania strumienia powietrza wzbogaconego w tlen w stanie ciekłym do rektyfikacyjnej kolumny o niskim ciśnieniu (10,106) i azotu do kanału skraplającego pierwszego skraplacza-reboilera (12,108), główny wymiennik ciepła (54, 174), jednostki oczyszczające (52,172) do usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla ze strumienia sprężonego powietrza, przy czym jednostki oczyszczające (52,172) mają wylot połączony, przez główny wymiennik ciepła (54, 174), z wlotem powietrza (2, 110) frakcjonującej kolumny o wyższym ciśnieniu (8,104).
12. 12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że pomiędzy kolumną o wyższym ciśnieniu (104) i kolumną o niskim ciśnieniu (106) włączona jest pomocnicza kolumna rektyfikacyjna (126) i trzeci skraplacz-reboiler (128) do zmiany składu ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen.
13. 13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że pomocnicza kolumna rektyfikacyjna (126) stanowi frakcjonującą kolumnę o pośrednim ciśnieniu do wytwarzania części cieczy na dnie i pary wzbogaconej w azot, przy czym wlot tej pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej (126) jest połączony przez zawór redukujący ciśnienie (124) z wylotem (122) kolumny o wyższym ciśnieniu (104), ponadto pomocnicza kolumna rektyfikacyjna (126) jest połączona z trzecim skraplaczem-reboilerem (128) dla ponownego odparowania części cieczy z dna i wywołania przepływu pary do góry przez pomocniczą kolumnę rektyfikacyjną(126), przy czym dno pomocniczej kolumny rektyfikacyjnej (126) poprzez wylot (133) i zawór dławiący (134) jest połączone z kolumną o niskim ciśnieniu (106).