NO166224B - Fremgangsmaate og innretning for fremstilling av gassformig nitrogen ved lavtemperaturdestillering av luft. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en innretning for fremstilling av gassformig nitrogen ved lavtemperaturdestillering av luft. Nærmere bestemt er oppfinnelsen rettet mot en energieffektiv fremgangsmåte og apparatur for isolering av nitrogen fra luft i et separa-sjonssystem med dobbel tilførsel og to trykkolonner.

Fremstillingen og tilgjengeligheten av nitrogen som produkt har vært et mål som tidligere har vært oppnådd med varierende grad av hell. Anvendelsen av slike nitrogenprodukter har generelt vært av liten skala sett i volumsammenheng.

I den senere tid har nitrogen i store mengder i funnet anvendelse ved vedlikehold og forbedring av prosesser for utvinning av råolje. Tidligere ble slike råoljereserver, etter uttømming av det naturlige trykket, enten avsluttet, eller naturgass som ble utvunnet sammen med råoljen ble gjeninnført som et trykkmedium for råoljen. Ettersom prisen på både råolje og naturgass har steget er det blitt ønskelig å utvinne råolje ved lavt trykk eller fra reser-voarer som normalt ikke ville produsere, og det er også blitt ønskelig å benytte andre trykkopprettholdende- eller trykkøkende medier enn naturgass.

For at et slikt alternativt trykkgivende medium skal være kostnadseffektivt må store mengder av mediet være tilgjengelig til svært lav pris. Industrien har rettet sin oppmerksomet mot nitrogen som en lett tilgjengelig kilde for et inert trykkgivende medium som er tilgjengelig i store mengder over hele verden. Store luftsepareringsanlegg er konstruert for å tilveiebringe de nødvendige mengder av nitrogen for trykkopprettholdelse eller forbedret råoljeutvinning. For at nitrogen skal være et attraktivt medium for råoljeutvinning må prisen holdes så lav som mulig. Det har vært gjort en rekke forsøk på å fremstille store mengder nitrogen under effektive betingelser slik at en kosteffektiv mengde nitrogen kan oppnås.

I britisk patent 1 215 377 foreslås en luftseparerings-apparatur hvor nitrogen fremstilles som et produkt ved luftsepareringen. Luft komprimeres innledningsvis og avkjøles før den renses for vann og karbondioksyd i forskjellige absorpsjonsmiddelsjikt. En del av den rensede luften ekspanderes så i en ekspansjonsinnretning hvor arbeid utføres før hele luftstrømmen innføres i høytrykkstrinnet av en totrinns, lav- og høytrykkdestillasjonskolonne. Strømmen fra toppen og bunnen av høytrykkskolonnen innføres i lavtrykkskolonnen i tilbakestrømning relativt lavtrykkskolonnen. En varmer-kondensator forbinder lavtrykkskolonnen og høytrykks-kolonnen termodynamisk. En del av nitrogenet som utvinnes i kondensatoren av høytrykkskolonnen fjernes som produkt og gjenoppvarmes. En del av det oksygenrike avfallet fra bunnen av lavtrykkskolonnen fjernes og ekspanderes for å kondensere nitrogen i den øverste delen av lavtrykkskolonnen, mens det oksygenanrikede avfallet gjenoppvarmes og fjernes som en avfalIsstrøm. Et andre nltrogenprodukt ved lavt trykk fjernes fra den øvre delen av lavtrykkskolonnen som et produkt og gjenoppvarmes sammen med andre proses-strømmer fra kolonnen. Denne patenterte syklusen leverer all tilførselsluften til høytrykkskolonnen og leverer ikke noe tilførselsluft direkte til lavtrykkskolonnen. Dette reduserer den potensielle virkningsgraden av separasjonssystemet. Systemet må også komprimere tilførselsluften til et relativt høyt trykk fordi hele tilførselsstrømmen ekspanderes til et redusert trykk som igjen er lik trykket av høytrykkstrinnet i destillasjonskolonnen. Dette resulterer også i nedsatt effektivitet.

Et annet totrinnsdestillasjonskolonnesystem for fremstilling av nltrogenprodukt foreslås i US-patent 4 222 756 hvor tilførselsluften i sin helhet leveres til et høytrykkstrinn av destillasjonskolonnen, og nedkjøling tilveiebringes hovedsaklig ved ekspansjon av hele nitrogenstrømmen fra den øverste delen av høytrykkstrinnet gjennom en turbin, hvor den ekspanderte nitrogen leveres i den midtre delen av lavtrykkstrinnet av destillasjonskolonnen. En del av nitrogenet fjernes som produkt fra toppen av lavtrykkstrinnet i destillasjonskolonnen, mens resten kondenserer i en fordamper-kondensator som drives ved hjelp av oksygenanriket avfall fra bunnen av lavtrykkstrinnet i destillasjonskolonnen. Forskjellige alternative nitrogenproduserende luftsepareringsanlegg foreslås i det nevnte patentet i fig. 1, fig. 2 og fig. 3. Ingen av disse cyklene tilveiebringer store mengder nitrogen ved en slik driftseffektivitet som oppnås ved foreliggende oppfinnelse.

Foreliggende oppfinnelse overvinner ulempen med nedsatt effektivitet ved tidligere kjent teknikk for fremstilling av store volumer nitrogen ved at det fremskaffes et system som tilveiebringer bare det påkrevde høytrykkskolonneråstoffet for å generere den optimale lavtrykkskolonnedampen fra varmer-kondensatoren. Den gjenværende del av den totale lufttilførselen tilføres direkte til lavtrykkskolonnen. Ved å minimalisere andelen av den totale tilførselen av kompri-mert luft til høytrykkskolonnen kan den totale energitilfør-selen minimaliseres.

Ved at ekspansjonsstrømmen kobles fra massebalansebetrakt-ningen vil i tillegg bare den påkrevde luftstrøm føres til ekspansjonsinnretningen. Dette reduserer ineffektiviteten i varmeveksler-ekspansjonssystemet ved at kravene til bypass rundt ekspansjonssystemet reduseres.

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en fremgangsmåte

for fremstilling av gassformig nitrogen ved lavtemperatur-destillasjon av luft i to destillasjonskolonner innbefattende:

a) innføring av tilførselsluft i en første, høytrykks destillasjonskolonne; b) Innføring av tilførselsluft i en andre, lavtrykks destillasjonskolonne; c) ekspansjon av en prosesstrøm gjennom en ekspansjonsturbin for å redusere dens trykk og temperatur for å tilveiebringe nedkjøling for destillasjonsprosessen; d) kondensasjon av en nitrogen-tilbakeløpsstrøm i høytrykks-kolonnen ved varmeveksling av nitrogenet i høytrykks-kolonnen mot bunnvæsken av lavtrykkskolonnen i en fordamper-kondensator; e) fjernelse av nitrogenrik væske fra høytrykkskolonnen, ekspansjon av denne og innføring derav i lavtrykkskolonnen som tllbakeløp; f) fjernelse av en bunnstrøm fra høytrykkskolonnen, ekspansjon av denne og innføring derav i lavtrykkskolonnen; g) fjernelse av en del av den øvre nitrogendampen fra lavtrykkskolonnen som et produkt.

Fremgangsmåten er kjennetegnet ved følgende trinn:

h) fremstilling av to lufttilførselsstrømmer av forskjellig trykk ved kompresjon for å danne en lufttilførselsstrøm av

lavt trykk og en luf ttilførselsstrøm av høyt trykk, for luftstrømmen av høyt trykk I det minste delvis innføres i den første, høytrykks destillasjonskolonnen og tilførsels-strømmen av lavt trykk innføres i den andre, lavtrykkskolonnen, og

i) kondensasjon av en nitrogen tllbakeløpsstrøm i lavtrykkskolonnen I en fordamper-kondensator mot nedre væske fra lavtrykkskolonnen som ekspanderes til lavere trykk og temperatur og innføres i fordamper-kondensatoren.

Fortrinnsvis er den ekspanderte prosesstrømmen en del av tilførselsstrømmen av høyttrykksluft som deretter over-hetlngskjøles mot en annen prosesstrøm og så kombineres med lufttilførselstrømmen av lavere trykk, og den totale strømmen innføres i lavtrykkskolonnen.

Alternativt kan den ekspanderte luftstrømmen føres gjennom en varmer I lavtrykksdestillasjonskolonnen hvor den oppvarmer kolonnen mens den kondenserer, og denne kondenserte strømmen innføres så i kolonnen som tilbakestrøm.

I tillegg er det vurdert å tilveiebringe nedkjølingen for destillasjonsprossesen ved å ekspandere høytrykktilførsel-strømmen av luft delvis gjennom en turbin og delvis gjennom en Joule Thomson ventil til et intermediært trykk, hvor ekspansjonen fremdeles gjør det mulig å tilføre den ekspanderte strømmen til høytrykkskolonnen.

Nedkjølingen for destillasjonen kan alternativt skje ved hjelp av en produktstrøm av nitrogen fra toppen av høy-trykkskolonnen som ekspanderes gjennom en turbin og varme-veksles mot prosesstrømmene. Eventuelt kan en produktstrøm av nitrogen fra lavtrykkskolonnen ekspanderes gjennom en turbin slik at det tilveiebringes nedkjøling.

Endelig kan avfallet, den oksygenanrikede strømmen fra fordamper-kondensatoren ved toppen av lavtrykkskolonnen ekspanderes gjennom en turbin slik at det tilveiebringes nedkjøling.

Foreliggende oppfinnelse tiveiebringer videre en Innretning for fremstilling av gassformig nitrogen ved lav temperaturdestillasjon av luft som omfatter: a) to destillasjonskolonner som består av en høytrykkskolonne og en lavtrykkskolonne som er forbundet via en fordamper-kondensator ; b) en innretning for føring av lufttilførselen til lavtrykksdestillasjonskolonnen; c) en innretning for føring av lufttilførselen til høytrykks-destillasjonskolonnen; d) en turbin for ekspansjon av prosesstrømmen til et lavere trykk og en lavere temperatur for å oppnå en nedkjøling; e) en innretning for føring av nitrogenstrømmen fra for-dajnper-kondensatoren mellom de to destillasjonskolonnene til lavtrykksdestillasjonskolonnen; f) en innretning for føring av den nedre strømmen fra bunnen av høytrykksdestillasjonskolonnen til lavtrykksdestillasjonskolonnen ; g) en innretning for utvinning av nitrogenproduktet fra det øvre produktet av lavtrykksdestillasjonskolonnen.

Innretningen er kjennetegnet ved

h) en innretning for å oppnå to lufttilførselsstrømmer med forskjellig trykk, hvorav lufttilførselsstrømmen med lavt

trykk føres gjennom ledningsinnretningen inn i lavtrykksdestillasjonskolonnen og lufttilførselsstrømmen med høyt trykk føres gjennom ledningsinnretningen inn I høytrykks-destillasjonskolonnen, og

i) en fordamper-kondensator i den øvre delen av lavtrykksdestillasjonskolonnen som ved varmeveksling med bunnstrømmen fra bunnen av lavtrykksdestillasjonskolonnen bringer nitrogenstrømmen til tilbakeløp.

Fig. 1 viser et skjematisk flytskjema av fremgangsmåten og innretningen ifølge foreliggende oppfinnelse hvor nedkjølingen tilveiebringes ved ekspansjon av en del av høytrykkstilførselstrømmen av luft som deretter føres til lavtrykkskolonnen. Fig. 2 viser et alternativt flytskjema hvor nedkjølingen tilveiebringes ved ekspansjon av en del av tilførsel-strømmen av luft med høyt trykk som deretter føres til høytrykkskolonnen. Fig. 3 viser et alternativt flytskjema hvor nitrogen av høyt trykk ekspanderes for å tilveiebringe nedkjøling. Fig. 4 viser et alternativt flytskjema hvor nitrogen av lavt

trykk ekspanderes for å tilveiebringe nedkjøling.

Fig. 5 viser et alternativt flytskjema hvor en avfallsstrøm,

oksygenanrlket strøm, ekspanderes for nedkjøling.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system for fremstilling av relativt store mengder nitrogen fra luft ved lavtemperatur- eller kryogendestillasjon av luft. Generelt viser systemet forbedret effektivitet sammenlignet med tidligere kjente systemer for nitrogenfremstilling. Selv om anlegg av denne størrelsen er spesielt anvendelig for produksjon av store volumnitrogen for utvinning av råolje, er det åpenbart at et slikt effektivt system kan anvendes for produksjon av nitrogen til en rekke formål.

Oppfinnelsen skal nå beskrives i større detalj i en foretrukket utførelse med referanse til fig. 1. Som vist i det skjematiske flytskjema for destillasjonsutførelsen tilveiebringes to separate tilførselsstrømmer av luft ved forskjellige trykk til systemet fra kompresjonsutstyret som ikke er vist og som er av en konvensjonell utforming. Det er under-forstått at tilførselsluften er renset for vann og karbondioksyd ved passasje gjennom et rensesystem, som f.eks.; molekylarsikt-sjikt av en utskiftbar utførelse slik at et seng er i drift mens nabosjiktet regenereres, fortrinnsvis med oksygen-anriket avfallsgass. Andre kjente rensesystemer kan også benyttes. De to luf ttilførselsstrømmen innbefatter en lufttilførselsstrøm av lavt trykk i rør 10 og en lufttil-førselsstrøm av høyt trykk i rør 12. Lufttllførselsstrømmen av lavt trykk i rør 10 avkjøles mot prosesstrømmene, innbe-fattet produktstrømmen av gassformlg nitrogen i rør 104 og avfallsstrømmen av oksygen-anriket gass i rør 94 ved varmeveksling i hovedvarmeveksleren som består av de trinnvise vekslerne 14, 18 og 20. Den avkjølte lufttllførselsstrømmen av lavt trykk i rør 36 innføres så i lavtrykksdestillasjonskolonnen 64 i destillasjonsapparatet 38 bestående av to kolonner.

Lufttllførselsstrømmen av høyt trykk I rør 12 avkjøles innledningsvis i veksleren 14 mot prosesstrømmen i rør 104 og 94 og oppdeles så i en ekspansjonstilførselsstrøm i rør 16 og en resterende høytrykkstilførselsstrøm i rør 32. Den gjenværende tilførselsluftstrømmen avkjøles videre i veksleren 18 mot prosesstrømmene og innføres så i rør 34 i høytrykksdestillasjonskolonnen 40 i destillasjonsapparaturen 38.

Ekspansjonstilførselsstrømmen i rør 16 ekspanderes gjennom en ekspansjonsturbin eller en annen ekspansjonsmaskln 22 for å redusere trykket og temperaturen og å tilveiebringe nedkjøl-ing for destillasjonsprosessen. Den ekspanderte tilførsels-luf tstrømmen som slippes ut fra ekspansjonsturbinen 22 i røret 24 blir så overhetingsavkjølt i overhetingskjøler-varmeveksleren 26 mot en del av nitrogenproduktet i prosessen. Overhetingskjølerfunksjonen reduserer temperaturen i den ekspanderte gassen i rør 24 til en temperatur som er tilnærmet lik metningspunktet for dampen som utgjør gasstrøm-men i rør 24. Denne overhetingsavkjølte strømmen, som nå befinner seg i rør 28, kombineres med lavtrykkstilførsels-luften i rør 36 og den totale strømmen i rør 30 innføres som tilførselsgass i lavtrykkskolonnen 64 i destillasjonsapparaturen 38. Alternative fremgangsmåter for å tilveiebringe avkjøling før destillering er vist i fig. 2-5.

Alternativt kan tilførselen til lavtrykkskolonnen 64 utføres ved å føre tilførselsluf tstrømmen med lavt trykk i rør 36 direkte inn i lavtrykksdestillasjonskolonnen 64 gjennom det alternative rør 110. Den overhetingsavkjølte og ekspanderte tilførselsluftstrømmen i rør 28 kan føres gjennom en eventuell varmer 112 i lavtrykksdestillasjonskolonnen for å kondensere den overhetingsavkjølte strømmen mens en del av lavtrykkskolonnen 64 oppvarmes. Den kondenserte strømmen, som nå befinner seg i rør 114, ekspanderes gjennom en ventil 116 til lavere temperatur og trykk og innføres som tilbake-strøm ved et punkt over fordamperen 112 1 lavtrykksdestillasjonskolonnen 64.

Alternativt kan tilførselen til lavtrykkskolonnen 64 foregå ved å føre en ønsket del av lavtrykkstilførselsstrømmen i rør 36 gjennom det alternative rør 110 mens den gjenværende del kombineres med strøm 30. Denne andelsvise oppsplittingen velges slik at destillasjonen i kolonnene optimaliseres. Høytrykksdestillasjonskolonnen 40 og lavtrykksdestillasjonskolonnen 64 er termodynamisk forbundet ved hjelp av en fordamper-kondensator 42 plassert over høytrykkskolonnen 40 og i bunnen av lavtrykkskolonnen 64. Oksygenanriket bunnvæske som samles i bunnen av lavtrykkskolonnen 64 kondenserer nitrogen i høytrykkskolonnen som føres gjennom fordamper-kondensatoren 42, mens bunnvæsken 72 varmes og fordampes i lavtrykkskolonnen. Det kondenserte nitrogenet under høyt trykk som nå befinner seg i rør 44 føres delvis tilbake i rør 48 som tilbakestrøm for høytrykkskolonnen 40. En del av nitrogentilbakestrømmen i rør 44 fjernes i rør 46 og under-kjøles mot produktnitrogen i underkjølingsvarmeveksleren 58. Det underkjølte nitrogenet under høyt trykk som nå er i rør 60 ekspanderes til en lavere temperatur og et lavere trykk i ventil 62 og innføres som tilbakestrøm i lavtrykkskolonnen

64 i den øvre delen av denne. Eventuelt kan varmeren 112 være plassert under fordamper-kondensatoren 42, og flere

brett kan separere de to enhetene.

En oksygenanriket bunnvæske fra høytrykkskolonnen 40 fjernes som en bunnstrøm i rør 50 og underkjøles også mot produktnitrogen i en underkjølingsvarmeveksler 52. Den oksygenanrikede bunnstrømmen i rør 54 ekspanderes til en lavere temperatur og et lavere trykk gjennom ventilen 56 og innføres som tilførselsstrøm i midtpartiet av lavtrykksdestillasjonskolonnen 64.

Som angitt tidligere er lavtrykkskolonnen 64 termodynamisk forbundet med høytrykkskolonnen gjennom fordamper-kondensatoren 42. Den oksygenanrikede bunnvæsken 72 som samles i bunnen av lavtrykkskolonnen 64 varmes ved det kondenserende nitrogenet i fordamper-kondensatoren 42 fra høytrykkskolonnen 40. En del av bunnvæsken som Ikke varmes fjernes 1 rør 74 for å bevirke kondensering i lavtrykkskolonnen 64. Bunnvæsken i rør 74 oppdeles i en sidestrøm i rør 82 som under-kjøles mot produktnitrogenet i underkjølingsvarmeveksleren 58. Den gjenværende bunnvæskestrømmen i rør 76 underkjøles også i underkjølingsvarmeveksleren 78 mot oksygen-anriket avfallsgass i rør 90. De to underkjølte strømmene, hen-holdsvis i rør 84 og 80, kombineres i rør 86 og temperaturen og trykket reduseres ved ventil 88 før strømmen innføres som kondensasjonsmiddel som en væske 108 som kondenserer nitrogen fra lavtrykkskolonnen 64 i en fordamper-kondensator. Når den oksygen-anrikede avfallsvæsken 108 kondenserer nitrogen fordampes den i sin tur i den øverste delen 66 av destillasjonsapparaturen 38. Denne fordampede, oksygen-anrikede, avfallsstrømmen fjernes i rør 90 og gjenoppvarmes mot prosesstrømmer I underkjølingsvarmeveksleren 78 og veksler-ene 20, 18 og 14, før den fjernes i rør 94 som en avfalls-strøm som kan benyttes ved anvendelser med lav oksygenan-rlkning og/eller for rensing og regenerering av molekylarsikt-sjiktene i rensedelen av luftseparasjonssystemet (ikke vist,).

Nitrogen som er renset for oksygenforurensning ved tilbake-strømmene i lavtrykksdestillasjonskolonnen samles som en dampfase øverst i denne kolonnen. En del av denne dampen fjernes som produkt i rør 96. Det gjenværende nitrogenet kondenseres så som en flytende fase i fordamper-kondensatoren 68 og returneres som tilbakestrøm i rør 70 og eventuelt flytende produkt i rør 71. Dampproduktet i rør 96 deles i en sidestrøm 100 og en gjenværende nitrogenproduktstrøm i rør 98. Nitrogenet i rør 98 gjenoppvarmes mot prosesstrømmene i underkjølingsvarmevekslerne 58 og 52 før den gjennoppvarmes videre i rør 102 ved hovedvarmevekslertrinnene 20, 18 og 14. Nitrogenproduktsidestrømmen i rør 100 gjenoppvarmes ved passasje gjennom overhetingskjølervarmeveksleren 26 som som overhetlngsavkjøler og avkjøler den ekspanderte høy-trykksstrømmen til dampmetningspunktet. Nitrogenprodukt-sidestrømmen, som nå befinner seg i rør 106, kombineres med den gjenværende nitrogenproduktstrømmen mellom trinnene 20 og 18 i hovedvarmeveksleren, og de kombinerte nitrogenprodukt-strømmene gjenoppvarmes gjennom trinnene 18 og 14 i hovedvarmeveksleren, hvor det gjenoppvarmede nitrogenproduktet fjernes i rør 104 som et gassformig nltrogenprodukt som fortrinsvis har et oksygeninnhold på 5 ppm eller mindre.

Alternative utførelser for å tilveiebringe nedkjølingen for prosessen, som er beskrevet ovenfor og illustrert i en foretrukket utførelse i fig. 1, er vist i fig. 2-5. Den eneste fundamentale forandring ligger i prosesstrømmen som nedkjølingen tilveiebringes fra. I figurene tilsvarer like komponenter de komponentene som er omhyggelig beskrevet for fig. 1. Bare endringene fra fig. 1 tas med i diskusjonen nedenfor og de respektive figurene beskrives i detalj og angis med tykke linjer i de respektive figurer.

I fig. 2 tilveiebringes avkjølingen ved oppdeling av høy-trykkstilførselsstrømmen 202 i en ekspansjonstilførselsstrøm 204 og en gjenværende strøm 206. Strømmen 204 ekspanderes til et intermediært lavere trykk og en lavere temperatur i turbinen 208 før turbinutløpsgassen 212 kombineres med den gjenværende strømmen 206 som har fått sitt trykk redusert ved en Joule Thomson ventil 210. Den kombinerte strømmen 214 Innføres så i høytrykkskolonnen 216. Dette adskiller seg fra utførelsen i fig. 1 hvor turbinutløpsgassen går til lavtrykkskolonnen. Fordi høytrykkstilførselen etter ekspansjon i sin helhet går til høytrykkskolonnen føres lavtrykkstilfør-selsstrømmen i rør 218 direkte til lavtrykkskolonnen.

I fig. 3 tilveiebringes nedkjølingen ved å fjerne et nitro-gennprodukt med høyt trykk fra høytrykkskolonnen 304 i rør 306. Strømmen gjenoppvarmes i varmeveksleren 308. Den gjenoppvarmede strømmen 310 ekspanderes til lavere trykk og temperatur i turbin 312. Turbinutløpet 314 kombineres med lavtrykksnitrogenprodukt 316 fra lavtrykkskolonnen og den samlede strømmen 316 fra lavtrykkskolonnen og den samlede strømmen 318 tilveiebringer varmeveksling mot prosesstrømmen i hovedvarmeveksleren. Høytrykkstilførselsluftstrømmen 302 går direkte til høytrykkskolonnen 304 og lufttllførselsstrøm-men med lavt trykk 320 går direkte til lavtrykkskolonnen.

I fig. 4 tilveiebringes nedkjølingen ved ekspansjon av det gassformige nitrogenproduktet med lavt trykk i rør 402 og 406 gjennom en turbin 408 etter passasje gjennom varmeveksleren 404. Nitrogenturbinutløpet 410 gjennoppvarmes så mot prosesstrømmene i hovedvarmeveksleren.

I fig. 5 tilveiebringes nedkjølingen ved hjelp av den oksygen-anrikede avfallsstrømmen 502. Etter passasje gjennom varmeveksleren 504 ekspanderes den oksygen-anrikede avfallsstrømmen, som nå befinner seg i rør 506, til et lavere trykk og en lavere temperatur i turbinen 508. Turbinutløpet 510 gjenoppvarmes så mot prosesstrømmene i hovedvarmeveksleren .

I de tre foregående utførelsene kan tilførselen til ekspansjonsinnretningen passere gjennom et ekstra varmevekslertrinn ved høyere temperatur før ekspansjonen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer forbedret effektivitet ved fremstilling av store mengder nitrogen ved å kombi-nere flere nøkkeltrekk i en totrykks-destillasjonsutførelse med to kolonner. Utførelsen tilveiebringer to lufttilfør-selsstrømmer med henholdsvs høyt og lavt trykk for uavhengig tilførsel til høytrykks- og lavtrykkskolonnene. Denne utførelsen innbefatter også en oppvarmer-kondensator og en fordamper-kondensator som forbinder de to destillasjonskolonnene termodynamisk og tilveiebringer ekstra tilbake-strømning for kolonnene, derved gjøres separasjonen i kolonnene mer effektivt. Fortrinnsvis deles en del av høytrykks-luftstrømmen fra den gjenværende høytrykksluftstrøm og ekspanderes i en ekspansjonsturbin til et trykk som er tilnærmet lik trykket i lavtrykkskolonnen, slik at den ekspanderte tilførselsluftstrømmen kan føres direkte til lavtrykkskolonnen, derved økes effektiviteten og det tilveiebringes avkjøling for separasjonsprosessen.

Alternativt kan det benyttes andre nedkjølingsfremgangsmåter som illustrert i fig. 2-6. I tillegg kan øket nitrogentil-bakestrøm tilveiebringes til lavtrykkskolonnen ved å fjerne en del av tilbakestrømmen fra høytrykkskolonnen og ekspandere den ved toppen av lavtrykkskolonnen. Disse trekkene I komblansjon tilveiebringer bare den tilførselen som kreves til høytrykkskolonnen for å generere den optimale lavtrykkskolonnedampen fra fordamper-kondensatoren. Den gjenværende del av den totale lufttilførselen føres direkte til lavtrykkskolonnen. Ved å minimalisere andelen av den totale lufttilførselen som komprimeres for tilførsel til høytrykks-kolonnen kan det totale energibehovet for luftkomprimering minimaliseres. I tillegg frakobler de spesielle kombina-sjonene av trekk i flytskjemaene ved foreliggende oppfinnelse ekspansjonsstrømmen fra massebalansebetraktningene, slik at bare den påkrevde strøm av tilførselsluf t som er nødvendig for nedkjøling tas til ekspansjonsturbinen. Dette reduserer ineffektiviteten av varmeveksler-ekspansjonssystemet ved å redusere behovet for bypasstrømmer.

Som det fremgår av tabell 1 nedenfor er fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse betydelig mer effektiv enn nærmestliggende teknikk, representert ved britisk patent nr. 1,215,377 og US-patent 4,222,756.

Som det fremgår av tabell 1 gir foreliggende oppfinnelse en betydelig forbedring i effektivitet sammenlignet med nærmestliggende teknikk. Tabellen gir en sammenligning av de respektive cyklene ved en spesiell anleggsstørrelse. Det ventes imidlertid at den relative størrelsen av effektiviteten ved foreliggende oppfinnelse sammenlignet med tidligere kjente fremgangsmåter vil opprettholdes for forskjellige anleggsstørrelser.

Claims (19)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av gassformig nitrogen ved lav temperaturdestillasjon av luft i to destillasjonskolonner (40, 64) Innbefattende: a) innføring av tilførselsluft i en første, høytrykks destillasjonskolonne (40); b) innføring av tilførselsluft i en andre, lavtrykks destillasjonskolonne (64); c) ekspansjon av en prosesstrøm (16, 204, 306, 406, 506) gjennom en ekspansjonsturbin (22, 208, 312, 408, 508) for å redusere dens trykk og temperatur for å tilveiebringe nedkjøling for destillasjonsprosessen; d) kondensasjon av en nitrogen-tilbakeløpsstrøm i høytrykks-kolonnen (40) ved varmeveksling av nitrogenet i høytrykks-kolonnen (40) mot bunnvæsken (72) av lavtrykkskolonnen (64) i en fordamper-kondensator (42); e) fjernelse av nitrogenrik væske (46) fra høytrykkskolonnen (40), ekspansjon av denne (62) og innføring derav i lavtrykkskolonnen (64) som tilbakeløp; f) fjernelse av en bunnstrøm (50) fra høytrykkskolonnen (40), ekspansjon av denne (56) og innføring derav i lavtrykkskolonnen (64); g) fjernelse av en del (98) av den øvre nitrogendampen fra lavtrykkskolonnen (64) som et produkt, karakterisert ved følgende trinn: h) fremstilling av to lufttilførselsstrømmer av forskjellig trykk (10, 12) ved kompresjon for å danne en luf ttilfør-selsstrøm av lavt trykk (10) og en lufttilførselsstrøm av høyt trykk (12), for luftstrømmen av høyt trykk (12) i det minste delvis innføres i den første, høytrykks destillasjonskolonnen (40) og tilførselsstrømmen av lavt trykk (10) innføres i den andre, lavtrykkskolonnen (64), og 1) kondensasjon av en nitrogen tilbakeløpsstrøm i lavtrykkskolonnen (64) i en fordamper-kondensator (68) mot nedre væske (72) fra lavtrykkskolonnen (64) som ekspanderes (88) til lavere trykk og temperatur og innføres i fordamper-kondensatoren (68).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at et flytende nltrogenprodukt (46) fjernes fra tilbakeløpsstrømmen i trinn d) eller i).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en gassformig, oksygenanriket avfallsstrøm (90) fjernes fra toppen av fordamper-kondensatoren (68) og gjenoppvarmes (78) mot prosesstrømmer (76).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tilførselsstrømmen (10, 12) Innledningsvis tørkes for eventuell fuktighet og separeres fra eventuell karbondioksyd ved passasje gjennom et molekylærsikt-absorpsjons-system.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de to tilførselsluftstrømmene av forskjellig trykk (10, 12) avkjøles ved varmeveksling (14, 18, 20; 14, 18) mot prosesstrømmer (92, 94; 102, 104).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at i det minste en del (28) av lufttllførselsstrømmen til lavtrykkdestillasjonskolonnen (64) på nytt fordamper (112) kolonnen (64) før den innføres (114, 116) i kolonnen som tilbakeløp.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved. at den ekspanderte fremgangsmåtestrømmen fra trinn c) er en del (16) av lufttllførselsstrømmen med høyt trykk.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den ekspanderte fremgangsmåtestrømmen fra trinn c) er en nitrogenstrøm (306) av det øvre produktet fra høy-trykksdestillasjonskolonnen (40).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den ekspanderte fremgangsmåtestrømmen fra trinn c) er nitrogenproduktet (406) av det øvre produktet fra lavtrykksdestillasjonskolonnen (64).

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den ekspanderte prosesstrømmen fra trinn c) er den gassformige, oksygenanrikede avfallsstrømmen (506).

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lufttllførselsstrømmen med høyt trykk (12) oppdeles i en lufttilførselsstrøm (16) for ekspansjonsinnretningen og en restdel (32), hvor lufttllførselsstrømmen (16) for ekspansjonsinnretningen ekspanderes gjennom ekspansjonsturbinen (22) og restdelen (32) innføres i høytrykksdestil-lasjonskolonnen (40), og hvor overhetningsvarmen for den ekspanderte lufttilførselen (24) føres bort ved varmeveksling (26) mot prosesstrømmen (96, 100).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at en del (100) av nitrogenproduktet fører bort overhetningsvarmen av den ekspanderte lufttllførselsstrømmen (24).

13. Innretning for fremstilling av gassformig nitrogen ved lav temperaturdestillasjon av luft som omfatter: a) to destillasjonskolonner (40, 64) som består av en høytrykkskolonne (40) og en lavtrykkskolonne (64) som er forbundet via en fordamper-kondensator (42); b) en innretning (30, 36, 110) for føring av lufttilførselen til lavtrykksdestillasjonskolonnen (64); c) en innretning (32, 34) for føring av lufttilførselen til høytrykksdestillasjonskolonnen (40); d) en turbin (22, 202, 312, 408, 508) for ekspansjon av prosesstrømmen (16, 204, 304, 406,506) til et lavere trykk og en lavere temperatur for å oppnå en nedkjøling; e) en innretning (44, 46, 58, 60, 62) for føring av nitrogen-strømmen fra fordamper-kondensatoren (42) mellom de to destillasjonskolonnene (40, 64) til lavtrykksdestillasjonskolonnen (64); f) en innretning (50, 52, 54, 56) for føring av den nedre strømmen fra bunnen av høytrykksdestillasjonskolonnen (40) til lavtrykksdestillasjonskolonnen (64); g) en innretning (96, 98, 100, 102, 104, 106) for utvinning av nitrogenproduktet fra det øvre produktet av lavtrykksdestillasjonskolonnen (64), karakterisert ved de følgende trekkene: h) en innretning for å oppnå to lufttilførselsstrømmer med forskjellig trykk (10, 12), hvorav lufttllførselsstrømmen med lavt trykk (10) føres gjennom ledningsinnretningen (30, 36, 110) inn i lavtrykksdestillasjonskolonnen (64) og lufttllførselsstrømmen med høyt trykk (12) føres gjennom ledningsinnretningen (32, 34) inn i høytrykksdestilla-sjonskolonnen (40), og i) en fordamper-kondensator (68) i den øvre delen av lavtrykksdestillasjonskolonnen (64) som ved varmeveksling med bunnstrømmen (72) fra bunnen av lavtrykksdestillasjonskolonnen (64) bringer nitrogenstrømmen til tilbakeløp.

14. Innretning ifølge krav 13, karakterisert ved at den omfatter en innretning for adskillelse av en del (16) av lufttllførselsstrømmen med høyt trykk (12), for å ekspandere denne i turbinen (22) og innføre turbinavgassen (24) i lavtrykksdestillasjonskolonnen (64).

15. Innretning ifølge krav 14, karakterisert ved at den innbefatter en varmeveksler (62) for bortfør-else av overhetningsvarmen for å avkjøle den ekspanderte turbinavgassen (24) mot prosesstrømmene (100) før turbinavgassen (24) innføres i lavtrykksdestillasjonskolonnen (64).

16. Innretning ifølge krav 13, karakterisert ved at den innbefatter en innretning (70) for fra fordamper-kondesator (68) å tilveiebringe et tilbakeløp til lavtrykksdestillasjonskolonnen (64).

17. Innretning ifølge krav 13, karakterisert ved at den innbefatter en ekspansjonsinnretning (58, 62, 52, 56) for nitrogenstrømmen fra trinn e) og bunnstrømmen fra trinn f).

18. Innretning ifølge krav 14, karakterisert ved at den omfatter en fordamper (112) 1 lavtrykksdestillasjonskolonnen (64) som avkjøler lufttllførselsstrømmen (30) til kolonnen (64) og på nytt koker opp dette fluidet i kolonnen (64).

19. Innretning ifølge krav 13, karakterisert ved at den innbefatter en hovedvarmeveksler (14, 18) for avkjøling av tilførselsstrømmen med lavt trykk (10) og tilførselsstrømmen med høyt trykk (12) mot prosesstrømmene (92, 94; 102, 104).