CZ20003611A3 - Způsob výroby plynného a kapalného dusíku kryogenní rektifikací - Google Patents

Abstract

Způsob spočívá v ochlazování přiváděného vzduchu nepřímou výměnou tepla s chladící stlačenou vícesložkovou tekutinou, kterou je perfluorovaný uhlovodík, fluorovaný uhlovodík, fluorether nebo atmosférický plyn, přivedení ochlazeného vzduchu do kryogenní rektifikační kolony za vzniku dusíkem obohacené páry a kyslíkem obohacené kapaliny, odvedení části dusíkem obohacené páry, kondenzaci zbývající části dusíkem obohacené páry k získání dusíkem obohacené kapaliny, přičemž kondenzace zbývající části dusíkem obohacené páry se provádí nepřímou tepelnou výměnou s kyslíkem obohacenou kapalinou.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby plynného a kapalného dusíku kryogenni rektifikací, přičemž obecně se vynález týká kryogenni rektifikace přiváděného vzduchu a zejména kryogenni rektifikace přiváděného vzduchu za účelem výroby dusíku.

Dosavadní stav techniky

Při výrobě plynného dusíku kryogenni rektifikací přiváděného vzduchu je chlazení, nezbytné pro provoz separace, obvykle zajišťováno turboexpanzí jednoho nebo více technologických proudů, například určitého podílu přiváděného vzduchu. Takový turboexpanzní systém je sice účinný, avšak energeticky velmi náročný. Často je kromě plynného dusíku požadována i výroba dusíku kapalného. Takový systém klade na celý provoz kryogenni separace vzduchu podstatně vyšší nároky pokud se týče chlazení, jelikož značné množství chladu opouští provoz spolu s kapalným dusíkem. Tento problém narůstá s rostoucím množstvím dusíku odvedeného v kapalné formě. Velmi žádoucí by byl systém schopný vyrábět plynný i kapalný dusík při spotřebě menšího množství energie, než je zapotřebí doposud.

Cílem vynálezu je tedy poskytnout způsob kryogenni separace vzduchu pro výrobu plynného i kapalného dusíku, který ve srovnání se známými způsoby umožňuje výrobu obou produktů při snížené spotřebě energie.

• · · • · · · ·

Podstata vynálezu

Předmětný vynález dosahuje cílů uvedených výše v textu, i cílů dalších způsobem, který bude pro odborníka pracujícího v daném v oboru zřejmý z popisu tohoto vynálezu.

Jedním z aspektů předmětného vynálezu je způsob výroby plynného dusíku a kapalného dusíku kryogenní rektifikací přiváděného vzduchu, zahrnující:

(A) kompresi vícesložkové chladící tekutiny, zchlazení této stlačené vícesložkové chladící tekutiny, expanzi této ochlazené a stlačené vícesložkové chladící tekutiny a ohřátí této expandované vícesložkové chladící tekutiny nepřímou tepelnou výměnnou se zmíněnou chladící stlačenou vícesložkovou chladící tekutinou a také s přiváděným vzduchem za účelem získání ochlazeného přiváděného vzduchu;

(B) přivedení ochlazeného přiváděného vzduchu do kryogenní rektifikační kolony a rozdělení přiváděného vzduchu kryogenní rektifikací v kryogenní rektifikační koloně na dusíkem obohacenou páru a kyslíkem obohacenou kapalinu;

(C) oddělení prvního podílu dusíkem obohacené páry představuj ícího produkt, plynný dusík;

(D) kondenzaci druhého podílu dusíkem obohacené páry k získání dusíkem obohacené kapaliny; a (E) odvedení alespoň určitého podílu dusíkem obohacené kapaliny představujícího produkt, kapalný dusík.

Dalším aspektem předmětného vynálezu je způsob výroby plynného dusíku a kapalného dusíku kryogenní rektifikací přiváděného vzduchu, zahrnující :

(A) kompresi vícesložkové chladící tekutiny, zchlazení této stlačené vícesložkové chladící tekutiny, expanzi této ochlazené a stlačené vícesložkové chladící tekutiny a ohřátí této expandované vícesložkové chladící tekutiny nepřímou tepelnou výměnnou s uvedenou chladící stlačenou vícesložkovou tekutinou a také s přiváděným vzduchem k získání ochlazeného přiváděného vzduchu;

(B) přivedení ochlazeného přiváděného vzduchu do první kryogenní rektifikační kolony a rozdělení přiváděného vzduchu kryogenní rektifikaci v prvni kryogenní rektifikační koloně na dusíkem obohacenou páru a kyslíkem obohacenou tekutinu;

(C) přivedení kyslíkem obohacené tekutiny do druhé kryogenní rektifikační kolony a rozdělení kyslíkem obohacené tekutiny ve druhé kryogenní rektifikační koloně kryogenní rektifikaci na tekutinu bohatou na dusík a tekutinu bohatou na kyslík;

(D) odděleni alespoň určitého podílu tekutiny bohaté na dusík představujícího produkt, kapalný dusík; a (E) oddělení alespoň určitého podílu alespoň jednoho produktu, dusíkem obohacené páry nebo tekutiny bohaté na dusík, jako produktu ve formě plynného dusíku.

V tomto textu použitý výraz kolona označuje destilační nebo frakcionační kolonu nebo zónu, to znamená kontaktní kolonu nebo zónu, ve které jsou kapalná a parní fáze protiproudně v kontaktu za účelem rozdělení tekuté směsi, jako například stykem parní a kapalné fáze v soustavě svisle uspořádaných pater nebo desek umístěných v koloně a/nebo na částicích výplně, například strukturované či sypané výplně. Další podrobnosti týkající se destilačních kolon je možno nalézt v publikaci Chemical Engineer’s Handbook, páté vydání, R. H. Perry a C. H. Chílton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, The Continuous Distillation Process.

• · • · · · ···· · ··· ··

Kontaktní způsoby rozdělování páry a kapaliny závisejí na rozdílu v tlacích par jednotlivých složek. Složka s vysokým tlakem par (neboli složka těkavější či níževroucí) bude mít tendenci koncentrovat se v parni fázi, zatímco složka s nízkým tlakem par (neboli složka méně těkavá či výševroucí) bude mít tendenci koncentrovat se ve fázi kapalné. Destilace je způsob dělení, pomocí kterého může být zahřívání kapalné směsi využito ke zkoncentrování těkavější složky (těkavějších složek) v parní fázi a tím pak ménětěkavé složky (ménětěkavých složek) ve fázi kapalné. Parciální kondenzace je způsob dělení, pomocí kterého může být chlazení parní směsi využito k zakoncentrování těkavěj ší složky (těkavějších složek) v parní fázi a tím pak ménětěkavé složky (ménětěkavých složek) ve fázi kapalné. Rektifikace nebo kontinuální destilace je způsob dělení, při kterém se kombinuje postupné parciální vypařování a postupná parciální kondenzace, což je dosaženo protiproudým uspořádáním styku plynné a kapalné fáze. Protiproudé uspořádání kontaktu parní a kapalné fáze může být adiabatické nebo neadiabatické a může zahrnovat integrální (stupňovitý) nebo diferenciální (spojitý) kontakt mezi fázemi. Uspořádání způsobů separace, využívající k rozdělování směsí principu rektifikace, jsou často zaměnitelně označována jako rektifikační kolony, destilační kolony nebo frakcionační kolony. Kryogenní rektifikace je způsob rektifikace prováděný alespoň částečně při teplotách 150 stupňů Kelvina (K) nebo při teplotách nižších.

V tomto textu použitý výraz nepřímá tepelná výměna označuje přivedení dvou tekutých proudů do vztahu tepelné výměny bez jakéhokoli vzájemného fyzikálního kontaktu tekutin nebo vzájemného míšení tekutin.

• · • · ·

I · · · ·

V tomto textu použitý výraz expanze označuje důsledek snížení tlaku.

V tomto textu použitý výraz produkt plynný dusík označuje plyn o koncentraci dusíku nejméně 99 molárních procent.

V tomto textu použitý výraz produkt kapalný dusík označuje kapalinu o koncentraci dusíku nejméně 99 molárních procent.

V tomto textu použitý výraz přiváděný vzduch označuje směs obsahující především kyslík a dusík, jako například okolní vzduch.

V tomto textu použité výrazy horní část a dolní část označují části kolony nad, respektive pod středem kolony.

V tomto textu použitý výraz chladivo proměnlivého zatíženi označuje vícesložkovou tekutinu, to znamená směs dvou nebo více složek, v takových poměrech, že kapalná fáze těchto složek podléhá spoj ité a zvětšuj ící se teplotní změně mezi teplotou počátku varu a teplotou rosného bodu směsi. Teplota počátku varu směsi při daném tlaku je teplota při které je směs zcela v kapalné fázi, avšak přívod tepla vyvolá tvorbu parní fáze v rovnováze s fází kapalnou.

Teplotě rosného bodu směsi při daném tlaku je teplota při které je směs zcela v parní fázi, avšak odvedení tepla vyvolá tvorbu kapalné fáze v rovnováze s fází parní.

Teplotní oblast mezi teplotou počátku varu směsi a rosnou teplotou směsi je tudíž oblast, kde kapalná a plynná fáze φ ΦΦΦ φ φ · • φ φ φ · · ·· φφφφ existují společně v rovnováze. Při praktickém provádění postupu podle předmětného vynálezu jsou teplotní rozdíly mezi teplotou počátku varu a rosnou teplotou vícesložkové chladící tekutiny nejméně 10 K (Kelvinů), ve výhodném provedení nejméně 20 K a v nejvýhodnějším provedení nejméně 50 K.

V tomto textu použitý výraz perfluorováný uhlovodík označuje jednu z následujících látek : tetrafluormetan (CF4) , perfluoretan (C₂Fg) , perfluorpropan (CgFg) , perfluorbutan (^F-^q) , perfluorpentan (CgF-^) > perfluorethen (C₂F₄), perfluorpropen (C^Fg), perfluorbuten (C₄Fg), perfluorpenten (C^F^q), hexafluorcyklopropan (cyklo-C^Fg) a oktafluorcyklobutan (cyklo-C4Fg).

V tomto textu použitý výraz fluorovaný uhlovodík označuje jednu z následujících látek : fluoroform (CHF^), pentafluoretan (C2HF5), tetrafluorethan (C2H2F4), heptafluorpropan (C3HF7), hexafluorpropan (CgF^Fg), pentafluorpropan (C3H3F5), tetrafluorpropan (C3H4F4), nonafluorbutan (C4HF9), oktafluorbutan (C4H2Fg), undekafluorpentan (C^HF-^-l) , fluormethan (CH^F) , difluormethan (CHgF), fluoretan (C2H5F), difluorethan (C2H4F2), trifluorethan (C2H3F3), difluorethen (C2H2F2), trifluorethen (C2HF3), fluorethen (C2H3F), pentafluorpropen (C3HF5), tetrafluorpropen (C3H2F4), trifluorpropen (C3H3F3) , dif luorpropen (C3H4F2) , heptaf luorbuten (C4HF-7) , hexafluorbuten (C4H2Fg) a nonafluorpenten (C5HF9),

V tomto textu použitý výraz fluorether označuje jednu z následujících látek : trifluormetoxy-perfluormethan (CF3-O-CF3), difluormethoxy-perfluormethan (CHF2-O-CF3), fluormethoxy-perfluormethan (CH2F-O-CF3),

Ί difluormethoxy-difluormethan (CHF2-O-CHF2), difluormethoxy-perfluorethan (CHF2-O-C2F5), difluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C₂HF₄), difluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CHF2~O-C2HF₄), perfluorethoxy-fluormethan (C2F5-O-CH2F), perfluormethoxy-1,1,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), perfluormethoxy-1,2,2-trifluorethan (CF₃-O-C2H₂F₃),

1,1,2,2-tetrafluorcyklopropylether (cyklo-C^i^F^-O-), 1,1,3,3, -tetraf luorcyklopropylether (cyklo-C-ji^F^j-O- ) , perfluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CF₃-O-C2HF₄),

1,1,2,3,3-pentafluorcyklopropylether (cyklo-C₃H₃~0-), perfluormethoxy-perfluoraceton (CF₃-O-CF2“O-CF₃), perfluormethoxy-perfluorethan (CF₃-O-C2F₃), perfluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CF₃-O-C2HF₄), perfluormethoxy-2,2,2-trifluorethan (CF₃-O-C2H2F₃), cyklo-perfluormethoxy-perfluoraceton (cyklo-CF2-0-CF2-0-CF2“) a perfluorcyklopropylether (cyklo-C₃Fg-0).

V tomto textu použitý výraz atmosférický plyn označuje jednu z následujících látek ; dusík (N2), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), neon (Ne), oxid uhličitý (CO2) , kyslík (O2) , oxid uhelnatý (CO) , vodík (¾) a helium (He).

V tomto textu použitý výraz netoxický znamená nepředstavuj ící akutní nebo chronické riziko v případě manipulace s danou látkou v souladu s omezeními týkaj ícími se přípustného vystavení působení této látky.

V tomto textu použitý výraz nehořlavý znamená buď bez definované teploty vzplanuti nebo s velmi vysokou teplotou vzplanutí, nejméně 600 K.

• · «··· »··· ··· ··· »··» • ···· · ·· ♦·· ·· · • · · · · · · · ·· 9 9 · · 9 9 99 99

V tomto textu použitý výraz málo rozkládající ozón znamená mající rozkladný potenciál ozónu menší než 0,15, definovaným Montrealským Protokolem, přičemž dichlordifluormethan (CCI2F2) má rozkladný potenciál ozónu rovný 1,0.

V tomto textu použitý výraz nerozkládající ozón znamená neobsahující žádnou složku, která obsahuje atom chloru, bromu nebo jódu.

V tomto textu použitý výraz normální bod varu znamená teplotu varu při tlaku 1 standardní atmosféry, tj. 14,696 liber na čtverečný palec (101,325 kPa) v absolutním vyj ádření.

Popis přiložených obrázků

Obrázek 1 představuje schematické znázorněni jednoho výhodného provedeni postupu podle vynálezu, ve kterém je k výrobě plynného dusíku a kapalného dusíku použita jedna kryogenní rektifikační kolona.

Obrázek 2 představuje schematické znázornění dalšího výhodného provedení postupu podle vynálezu, ve kterém je k výrobě plynného dusíku a kapalného dusíku použita jedna kryogenní rektifikační kolona a vícesložková tekutina je navíc použita pro tepelné čerpání kolony.

Obrázek 3 představuje schematické znázornění dalšího výhodného provedení postupu podle vynálezu, ve kterém je k výrobě plynného dusíku a kapalného dusíku použita jedna kryogenní rektifikační kolona a část kapaliny z kotle je • · · ·· · · ·· • · · ·· · • · · · · • ····· · · • · · · ···« · ·♦· ·· odpařena, stlačena a vrácena do kolony.

Obrázek 4 představuje schematické znázornění dalšího výhodného provedení vynálezu, ve kterém jsou k výrobě plynného dusíku a kapalného dusíku použity dvě kryogenní rektifikační kolony.

Vynález bude podrobně popsán s ohledem na přiložené obrázky. Pokud se týče obrázku 1 : přiváděný vzduch 60 je průchodem kompresorem 30 stlačen na tlak obvykle v rozmezí od 40 do 200 liber na čtverečný palec (psia) (od 276 kPa do 1,38 MPa) v absolutním vyjádření. Výsledný stlačený přiváděný vzduch 61 je ochlazením v dochlazovači kompresoru 31 zbaven kompresního tepla a výsledný proud odváděného vzduchu 62 je průchodem čistícím zařízením 32 vyčištěn od vysokovroucich nečistot, což je například vodní pára, oxid uhličitý a uhlovodíky. Proud vyčištěného přiváděného vzduchu 63 je potom ochlazen průchodem přes hlavní tepelný výměník i, čímž se získá proud chlazeného přiváděného vzduchu 64.

Přiváděný vzduch je ochlazen vracejícím se produktem a odpadními proudy a chlazením zajištěným vícesložkovou chladící tekutinou. Vícesložková chladící tekutina v proudu 206 je průchodem skrz recirkulační kompresor 220 stlačena na tlak obvykle v rozmezí od 60 do 600 psia (od 414 kPa do 4,14 MPa) za účelem získáni stlačené vícesložkové chladící tekutiny 201. Stlačená vícesložková chladící tekutina je průchodem skrz dochlazovač kompresoru 221 zbavena kompresního tepla, přičemž může být částečně zkondenzována. Vícesložková chladící tekutina v proudu 202 potom prochází hlavním tepelným výměníkem i, kde je dále ochlazena a současně alespoň částečně zkondenzována, přičemž může být • · · · • · · · • · · · • ♦ · · ·· ·· • · • · • · · • · · • · · · · · • · ···« · zkondenzována zcela. Ochlazená a stlačená vícesložková chladící tekutina 203 je pak expandována nebo seškrcena prostřednictvím ventilu 204. Ve výhodném provedení se při škrcení částečně odpařuje vícesložková chladící tekutina, chladí se tekutinu a vytváří se chlazení. Z důvodu některých omezujících okolností, závisejících na podmínkách tepelného výměníku, může být stlačenou tekutinou 203 před expanzí podchlazená kapalina, přičemž může po počáteční expanzi zůstávat ve formě kapaliny. Následně, po ohřátí v tepelném výměníku, bude mít tekutina dvě fáze. Expanze tlaku tekutiny přes ventil zajišťuje chlazení na základě Joule-Thomsonova jevu, tj. snižováním teploty tekutiny díky expanzi tlaku za konstantní entalpie. Za jistých okolností však může být teplota tekutiny snížena v důsledku expanzní práce.

Proud 205 vícesložkové dvoufázové chladící tekutiny dodávající chlazení pak prochází tepelným výměníkem 1, kde je ohříván a zcela odpařen, a tak nepřímou tepelnou výměnou slouží k chlazení proudu 202 a rovněž k převodu chlazení do technologických proudů uvnitř tepelného výměníku, včetně proudu přiváděného vzduchu 63, tudíž přivádí chlazení vytvářené chladícím okruhem vícesložkové chladící tekutiny do provozu kryogenní rektifikace pro zajištění separačního procesu. Výsledná ohřátá vícesložková chladící tekutina vedená jako parní proud 206 je pak recyklována do kompresoru 220 a chladící cyklus začíná znovu. Zatímco v chladícím cyklu vícesložkové chladící tekutiny vysokotlaká směs kondenzuje, nízkotlaká směs naopak vře, tzn. že kondenzační teplo způsobuje var nízkotlaké kapaliny. Při každé teplotní hladině je chlazeni určeno celkovým rozdílem mezi odpařováním a kondenzací. Pro danou jednotlivou chladící kombinaci určují složení směsi, průtoková rychlost a úrovně tlaku využitelné chlazení při každé teplotní hladině. Na • · obrázku 1 je znázorněno výhodné provedení, kde vícesložková tekutina dodávající chlazení slouží k chlazení přiváděného vzduchu bez použití tekutiny zprostředkovávající převod tepla. Nicméně, je zřejmé, že by vícesložková chladící tekutina mohla ochlazovat jinou tekutinu, která by potom byla použita k chlazení proudu přiváděného vzduchu.

Proud chlazeného přiváděného vzduchu je rozdělen na větší podíl 108. který je přiveden do kryogenni rektifikační kolony 10, a na menší podíl 109. který je alespoň částečně zkondenzován průchodem tepelným výměníkem 3 a potom je jako proud 110 přiveden do kolony 10.

Kryogenni rektifikační kolona 10 pracuje při tlaku obvykle v rozmezí od 30 do 200 psia (od 207 kPa do 1,38 MPa). V kryogenni rektifikační koloně 10 je přiváděný vzduch rozdělen kryogenni rektifikací na dusíkem obohacenou páru a kyslíkem obohacenou kapalinu. Dusíkem obohacená pára je odebírána z vrchní části kolony 10 jako proud 69. První podíl 91 dusíkem obohacené páry je zahříván průchodem tepelným výměníkem 3 a výsledný proud 93 je dále ohříván průchodem hlavním tepelným výměníkem 1 za účelem získání proudu 94, který je oddělen z procesu jako produkt, plynný dusík. Obrázek 1 znázorňuje provedení, při kterém je plynný dusík v proudu 94 stlačen průchodem kompresorem 33 a výsledný proud stlačeného plynného dusíku 106 je zbaven kompresního tepla průchodem dochlazovačem kompresoru 34 a odváděn jako proud 107 jako tlakový produkt plynný dusík, nejčastěji při tlaku v rozmezí od 50 do 300 psia (od 345 kPa do 2,07 MPa). Produkt plynný dusík podle předmětného vynálezu může mít čistotu až 99,9 molárních procent dusíku nebo více.

• · · • · · • ··♦· • · « · · · © ·· ·· ·· • · © · · · • · · · · © © · © · © · · • · · · · · ·· ·· ··

Druhý podíl 70 dusíkem obohacené páry je přiváděn do horního kondenzátorů 2, kde je zkondenzován za účelem výroby dusíkem obohacené kapaliny, která je odebírána z horního kondenzátorů 2 jako proud 71. Alespoň část dusíkem obohacené kapaliny je odváděna jako proud 98 a představuje produkt kapalný dusík. Dusíkem obohacená kapalina v proudu 72 může také být přiváděna do kolony 10 jako reflux. Produkt kapalný dusík podle předmětného vynálezu může mít čistotu až 99,9 molárních procent dusíku nebo více.

Kyslíkem obohacená kapalina je odebírána ze spodní části kolony 10 jako proud 65 a dále je podchlazena průchodem tepelným výměníkem 3. Výsledná podchlazená kyslíkem obohacená kapalina 66 je seškrcena pomocí ventilu 67 a potom je jako proud 68 přivedena do horního kondenzátorů 2, kde je nepřímou tepelnou výměnou s dusíkem obohacenou párou odpařena za účelem provedení výše v textu popsané kondenzace dusíkem obohacené páry na dusíkem obohacenou kapalinu. Výsledná kyslíkem obohacená pára je odebírána z horního kondenzátorů 2 jako proud 102. ohřívána průchodem průchodem tepelným výměníkem 3, přičemž výsledný proud 104 je dále ohříván průchodem hlavním tepelným výměníkem 1 a potom odváděn ze systému jako odpadní proud 105. Ačkoli toto není v obrázku 1 zakresleno, část kyslíkem obohacené páry, která tvoří odpadní proud, může být použita k regeneraci čistícího zařízení 32.

Obrázek 2 znázorňuje jiné provedeni vynálezu, ve kterém je chladicí okruh vícesložkové chladicí tekutiny spojen s kolonou. Toto uspořádáni dává možnost lepšího výtěžku dusíku, i když je pro tento případ příznačné, že k fungování chladicího okruhu bude zapotřebí větší množství energie. Vztahové značky v obrázku 2 j sou pro společné prvky φφ φφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φφ φφ «· · • φ • φ * φ φ · φ φφφφ • · φφφφ φ stejné jako vztahové značky v obrázku 1 a tyto společné prvky nebudou znovu podrobně popisovány.

Pokud se týče obrázku 2 : proud ochlazeného přiváděného vzduchu 64 je přiváděn přímo do kolony 10. Ochlazená vícesložková chladící tekutina tvořící proud 203 je před expanzi ještě více ochlazena. V provedení znázorněném na obrázku 2 je toto další chlazení provedeno nepřímou tepelnou výměnou se spodní kapalinou kolony 10, tj. s kyslíkem obohacenou kapalinou v dolním vařáku 7. Toto další chlazení slouží k další kondenzaci a zpravidla k úplné kondenzaci proudu 203. Zkapalněná vícesložková tekutina je potom jako proud 217 přiváděna z dolního vařáku 7 k ventilu 220. kde je expandována nebo seškrcena za účelem vytvoření chlazení a potom je v proudu 221 přiváděna do horního kondenzátoru 2, ve kterém je odpařována. Výsledná vícesložková chladící tekutina je z horního kondenzátoru 2 jako proud 218 přiváděna k ohřátí přes tepelný výměník 3 a výsledný proud 219 je přiváděn do hlavního tepelného výměníku 1, kde je dále ohříván za účelem chlazení proudů 202 a 63, jak bylo popsáno výše v textu.

Obrázek 3 znázorňuje jiné výhodné provedení vynálezu. Vztahové značky uvedené na obrázku 3 jsou pro společné prvky stejné jako vztahové značky na obrázku 1 a tyto společné prvky nebudou znovu podrobně popisovány. V provedeni znázorněném na obrázku 3 je patrné, že hlavni tepelný výměník je zkonstruován jako dvoudílný, přičemž jednotlivé části jsou označeny la a lb.

Pokud se týče obrázku 3 : kyslíkem obohacená kapalina 68 je vedena do horního kondenzátoru 2, kde je částečně odpařována a potom přiváděna jako dvoufázový proud 333 do

Φ« 4 » · φΦΦΦ

• Φ ΦΦ» 44

ΦΦΦ

ΦΦ

Φ Φ Φ · • Φ

Φ Φ separátoru fází 313. ve kterém je rozdělena na parní část a kapalnou část. Parní část je odebírána ze separátoru fází 313 jako proud 336. stlačena průchodem skrz kompresor 360 a potom je vedena jako proud 337 a zavedena do spodní části kolony 10. Zbývající kapalná část kyslíkem obohacené kapaliny je odebírána ze separátoru fází 313 jako proud 339. seškrcena přes ventil 340 a jako proud 341 je potom přiváděna do horního kondenzátoru 2, kde je odpařována nepřímou tepelnou výměnnou s druhým podílem dusíkem obohacené páry. Výsledná odpařená kyslíkem obohacená tekutina je jako proud 302 vedena z horního kondenzátoru 2 přes tepelný výměník 3. a část lb hlavního tepelného výměníku, čímž se získá proud 329. který je turboexpandován turboexpandérem 380 za účelem vytváření chlazení. Výsledný proud 304 dodávající chlazení je potom ohříván průchodem hlavním tepelným výměníkem la a lb a následně jako proud 305 odstraňován ze systému.

Obrázek 4 znázorňuje další výhodné provedení postup podle vynálezu využívající dvou kolon, ve kterém může být produkt plynný dusík získáván při dvou různých tlacích. Vztahové značky na obrázku 4 jsou pro společné prvky stejné jako vztahové značky na obrázku 1 a tyto společné prvky nebudou znovu podrobně popisovány.

Pokud se týče obrázku 4 : proud ochlazeného přiváděného vzduchu 64 je přiváděn přímo do první kryogenní rektifikační kolony 110. která pracuje při tlaku obvykle v rozmezí od 100 do 200 psia (od 689 kPa do 1,38 MPa).

V případě potřeby, je část dusíkem obohacené páry 85 vedena hlavním tepelným výměníkem 1 a odebírána jako tlakový produkt plynný dusík v proudu .86. Veškerá dusíkem obohacená kapalina představující proud 71 je vracena do kolony 110

4 4 4 · β 4 · · · · ♦ · · · · ·

4 4 4 4 4 4

4 »444 »· · · »« jako reflux. V provedeni znázorněném na obrázku 3 není část kyslíkem obohacené kapaliny přiváděné do horního kondenzátoru 2 odpařena.

Kyslíkem obohacená pára z horního kondenzátoru 2 je vedena jako proudu 76 ventilem 77 a potom jako proud 78 do druhé kryogenní rektifikační kolony 111. Zbývající kyslíkem obohacená kapalina je odebírána z horního kondenzátoru 2 jako proud 81 a dále podchlazována průchodem tepelným výměníkem nebo podchlazovacím zařízením 5. Výsledná podchlazená kyslíkem obohacená kapalina je jako proud 82 vedena z podchlazovacího zařízení 5 ventilem 83 a potom jako proud 84 do druhé kryogenní rektifikační kolony 111, která pracuje při tlaku nižším než tlak při kterém pracuje první kryogenní rektifikační kolona 110 a obvykle při tlaku v rozmezí od 30 do 130 psia (od 207 kPa do 896 kPa).

V koloně 111 je kyslíkem obohacená tekutina, která je do této kolony nastřikována, rozdělována kryogenní rektifikací na tekutinu bohatou na dusík a tekutinu bohatou na kyslík. Tekutina bohatá na dusík je odebírána z horní části kolony 111 v plynném proudu 188 a v případě potřeby může být podíl 191 ohříván průchodem tepelnými výměníky 5, a 1 a odváděn v proudu 194 jako produkt plynný dusík.

Proud 194 může být v případě potřeby stlačen průchodem kompresorem 133. vzniklý proud 176 ochlazen v dochlazovači kompresoru 134 a výsledný proud 177 odváděn jako produkt plynný dusík. Část, nebo i celý proud 188 je jako proud 90 přiváděna do horního kondenzátoru 6, ve kterém je zkondenzována, aby tak vytvořila kapalinu bohatou na dusík, která je z horního kondenzátoru 6. odebírána v proudu 195. Část 198 proudu 195 je odváděna jako produkt kapalný dusík a druhá část 196 proudu 195 je vracena do kolony 111 jako • · « • · • · · · · · reflux. V alternativním provedeni může být tekutina bohatá na dusík odebírána z kolony 111 jako kapalina, první část odváděna jako produkt kapalný dusík a druhá část přečerpávána a potom přiváděna do horní části kolony 110 jako reflux.

Tekutina bohatá na kyslík je jako kapalný proud 199 odebírána ze spodní části druhé kolony 111. vedena ventilem 100 a potom je jako proud 101 přiváděna do horního kondenzátoru 6, kde je odpařována nepřímou tepelnou výměnnou s kondenzuj ící párou bohatou na dusík zmiňovanou výše v textu. Výsledná pára bohatá na kyslík je jako proud 102 odebírána z horního kondenzátoru 6, ohřívána průchodem tepelnými výměníky 5, 3 a 1 a odstraňována ze systému jako odpadní proud 178.

Vícesložková chladící tekutina obsahuje dvě nebo více složek, aby zajišťovala potřebné chlazení při každé teplotě. Nejvhodnější výběr složek chladivá bude pro konkrétní systém záviset na chladícím zatížení v závislosti na teplotě.

Vhodné složky budou vybrány v závislosti na jejich normálních teplotách varu, teple fázového přechodu, hořlavosti, toxicitě a potenciálu rozkládání ozónu.

Výhodné provedeni vícesložkové chladící tekutiny vhodné při praktické aplikaci postupu podle předmětného vynálezu obsahuje alespoň dvě složky ze skupiny zahrnující perfluorované uhlovodíky, fluorované uhlovodíky a fluorethery.

Jiné výhodné provedeni vícesložkové chladicí tekutiny vhodné při praktické aplikaci postupu podle předmětného vynálezu obsahuje alespoň jednu složku ze skupiny zahrnující • * » · · φ φφφφ β perfluorované uhlovodíky, fluorované uhlovodíky a fluorethery, a alespoň jeden atmosférický plyn.

Další výhodné provedení vícesložkové chladící tekutiny vhodné při praktické aplikaci postupu podle předmětného vynálezu obsahuje alespoň dvě složky ze skupiny zahrnující perfluorované uhlovodíky, fluorované uhlovodíky a fluorethery, a alespoň dva atmosférické plyny.

Dalši výhodné provedení vícesložkové chladící tekutiny vhodné při praktické aplikaci postupu podle předmětného vynálezu obsahuje alespoň jeden fluorether a alespoň jednu složku ze skupiny zahrnující perfluorované uhlovodíky, fluorované uhlovodíky, fluorethery a atmosférické plyny.

Ve výhodném provedení se vícesložková chladící tekutina skládá pouze z perfluorovaných uhlovodíků. V jiném výhodném provedení se vícesložková chladící tekutina skládá pouze z perfluorovaných uhlovodíků a fluorovaných uhlovodíků. V dalším výhodném provedení se vícesložková chladící tekutina skládá pouze z perfluorovaných uhlovodíků a atmosférických plynů. V dalším výhodném provedení se vícesložková chladící tekutina skládá pouze z perfluorovaných uhlovodíků, fluorovaných uhlovodíků a fluoretherů. V dalším výhodném provedení se vícesložková chladící tekutina skládá pouze z perfluorovaných uhlovodíků, fluoretherů a atmosférických plynů.

Vícesložková chladící tekutina vhodná k použití v postup podle předmětného vynálezu může obsahovat další složky, jako například chlorfluorované uhlovodíky a/nebo uhlovodíky. Ve výhodném provedení tato vícesložková chladící tekutina neobsahuje chlorfluorované uhlovodíky. V dalším * ·· ·· 9 9

9 9 9 · · · 9

9 9 9 9 9 »

9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9

99 * 9 ·· Μ· výhodném provedení vynálezu vícesložková chladící tekutina neobsahuje uhlovodíky. V nejvýhodnějším provedení vícesložková chladící tekutina neobsahuje ani chlorfluorované uhlovodíky ani uhlovodíky. V nejvýhodnějším provedení je vícesložková chladící tekutina netoxická, nehořlavá a nerozkládající ozón a v nejvýhodnějším provedení je každá složka vícesložkové chladící tekutiny buď perfluorovaný uhlovodík, fluorovaný uhlovodík, fluorether nebo atmosférický plyn.

Vynález je obzvlášť výhodný pro využití při účinném dosahování kryogennich teplot z teplot okolí.

V následujících tabulkách 1-8 jsou uvedeny příklady výhodných provedení směsí vícesložkové chladící tekutiny vhodných při používání předmětného vynálezu. Koncentrační rozmezí udávaná v Tabulkách jsou v molárních procentech.

TABULKA 1

Složka	Koncentrační rozmezí
C5H12	5 - 25
C4H10	0-15
C3H8	10 - 40
C2Hó	0-30
cf4	10 - 50
Ar	0-40
n2	10 - 80

• · ♦ · · * · · • · · · ♦ · · · · · · «·· ··· · · · * ······ · · · · · · · · • · ·»···»· • · · · · ··» · · ·· ··

TABULKA 2

Složka	Koncentrační rozmezí
C3H3F5	5-25
C4H10	0-15
C3H8	10 - 40
chf3	0 - 30
cf4	10 - 50
Ar	0-40
N2	10 - 80

TABULKA	3
Složka	Koncentrační rozmezí
C3H3F5	5-25
C3H2F6	0-15
C2H2F4	0-20
C2HF5	5-20
C2F6	0 - 30
CF4	10 - 20
Ar	0 - 40
N2	10 - 80

• · · * · · · · · · • · «*«· · · · · ··· · · · » · · « * φφφφ * · · · · · φφ φ • · φφφφφφφ φφφ * · ·· »· φ · · ·

TABULKA 4

Složka	Koncentrační rozmezí
chf2-o-c2hf4	5 - 25
C4H10	0-15
cf3-°-C2F3	10 - 40
C2F6	0 - 30
cf4	10 - 50
Ar	0-40
N2	10 - 80

TABULKA	5
Složka	Koncentrační rozmezí
C3H3F5	5-25
C3H2F6	0-15
cf3-o-c2f3	10 - 40
chf3	0-30
cf4	0-25
Ar	0-40
N2	10 - 80

* * 9 « · · * · ft * · ·

TABULKA 6

Složka	Koncentrační rozmezí
c2hci2f3	5-25
c3hcif4	0-15
C2HF5	10 - 40
C3F8	0 - 30
cf4	0-25
Ar	0-40
N2	10 - 80

TABULKA	7
Složka	Koncentrační rozmezí
c3hci2f3	5 - 25
c3hcif4	0-15
cf3-o-c2f5	10 - 40
chf3	0-30
cf4	0-25
Ar	0-40
N2	10 - 80

• · · · » · · · · « φ · φ φ · » φ » · φ φ φ φ • · φ φφφ »· ί ♦ φ ·

TABULKA 8

Složka	Koncentrační rozmezí
c3hci2f3	5-25
c2hcif4	0-15
c2h2f4	0-15
C2HF5	10 - 40
chf3	0 - 30
cf4	0-25
Ar	0-40
N2	10 - 80

Vynález je zvlášť užitečný pro zajišťování chlazení v širokém teplotním rozmezí, které zahrnuje kryogenní teploty. Ve výhodném provedení postupu podle vynálezu má každá ze dvou nebo více složek chladící směsi normální teplotu varu, která se liší o alespoň 5 K, v ještě výhodnějším provedení o alespoň 10 K a v nejvýhodnějším provedení o alespoň 20 K, od normální teploty varu každé jiné složky v této chladící směsi. To zvyšuje účinnost zajišťování chlazení v širokém teplotním rozmezí, které zahrnuje kryogenní teploty. V obzvlášť výhodném provedení vynálezu je normální teplota varu nejvýševroucí složky vícesložkové chladící tekutiny nejméně o 50 K, v ještě výhodnějším provedení nejméně o 100 K a v nejvýhodnějším provedení nejméně o 200 K větší než normální teplota varu nejniževroucí složky vícesložkové chladící tekutiny.

Ačkoli okruhy toku vícesložkové chladící tekutiny • ·

znázorněné na přiložených obrázcích jsou okruhy toku jednotlivou uzavřenou smyčkou, může být vhodné použít i jiná uspořádání toku. Například může být vhodné použít několikanásobné nezávislé okruhy toku, každý s vlastní chladící směsí a technologickými podmínkami. Takové několikanásobné okruhy by mohly snadněji zajistit chlazení při různých teplotních rozmezích a zjednodušit chladící systém. Také může být vhodné zařadit v okruhu toku rozdělování fází při jedné nebo více teplotách a umožnit tak vnitřní recyklaci části chladící kapaliny. Taková vnitřní recyklace chladicí kapaliny by odstranila zbytečné chlazení chladící kapaliny a zamezila by zamrzání chladící kapaliny. Ve výhodném provedení bude chlazení vytvářené vícesložkovým chladícím okruhem veškeré chlazeni potřebné k fungování provozu a výrobě požadovaných produktů. Při aplikaci postupu podle předmětného vynálezu však může být využito také chlazeni z jiných zdrojů, jako například z turboexpanze technologického proudu.

Složky a jejich koncentrace, které tvoří vícesložkovou chladící tekutinu vhodnou pro použití v postupu podle předmětného vynálezu jsou složky vytvářející vícesložkovou chladící tekutinu proměnlivé koncentrace a ve výhodném provedení udržují takovou proměnlivou koncentrační charakteristiku v celém teplotním rozmezí v celém postupu podle vynálezu. To výrazně zvyšuje výkonnost, se kterou může být chlazení vytvářeno a využíváno v celém širokém teplotním rozmezí. Skupina složek, definovaná ve výhodném provedení, má navíc výhodu v tom, že tyto složky mohou být použity k vytvoření tekutých směsí, které jsou netoxické, nehořlavé a málo rozkládající nebo nerozkládající ozón. To poskytuje další výhody před obvyklými chladivý, která jsou většinou toxické, hořlavé a/nebo rozkládající ozón.

Ve výhodném provedení obsahuje vícesložková chladící tekutina proměnlivé koncentrace, vhodná pro aplikaci postupu podle předmětného vynálezu, která je netoxická, nehořlavá a nerozkládající ozón, dvě nebo více složek ze skupiny zahrnující C₅F₁₂, CHF₂-O-C₂HF₄, C₄HF₉, C₃H₃F₅, C₂F₅-O-CH₂F, c₃h₂f₆, chf₂-o-chf₂, c₄f₁₀, cf₃-o-c₂h₂f₃, c₃hf₇, ch₂f-o-cf₃, c₂h₂f₄, chf₂-o-cf₃, c₃f₈, c₂hf₅, cf₃-o-cf₃,

C₂Fg, CHF₃, CF₄, kyslík, argon, dusík, neon a helium.

V dalším výhodném provedení obsahuje vícesložková chladící tekutina proměnlivého zatížení, vhodná při aplikaci postupu podle předmětného vynálezu, která je netoxická, nehořlavá, nerozkládající ozón a má nízký potenciál globálního oteplování, dvě nebo více složek ze skupiny zahrnující CHC1₂F₃, CHF₂-O-C₂HF₄, C₃H₃F₃, C₂F^-O-CH₂F, ^C3^H2^F6’ CHF₂-O-CHF₂, CHC1F₄, CF₃-O-C₂H₂F₃, C₃HF_?, ch₂f-o-cf₃, c₂h₂f, chf₂-o-cf₃, c₂hf₅, cf₃-o-cf₃, chf₃, cf₄, kyslík, argon, dusík, neon a helium.

Ačkoli byl vynález podrobně popsán se zřetelem na určitá výhodná provedení, pro odborníky pracující v daném oboru je zřejmé, že v rámci podstaty a rozsahu patentových nároků jsou i jiná provedení vynálezu.

φφφ φ φφφφ « φ φ · φ φ φ φ φφφφ • φφφ φ · φ φ φ φ ·

• · φ «· φ · · « ΐν £χϋ-3&11

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku kryogenní rektifikaci přiváděného vzduchu vyznačující se tím, že zahrnuj e :

   (A) kompresi vícesložkové chladící tekutiny, zchlazení stlačené této vícesložkové chladící tekutiny, expanzi této ochlazené a stlačené vícesložkové chladící tekutiny a ohřátí této expandované vícesložkové chladící tekutiny nepřímou tepelnou výměnnou s touto chladíc! stlačenou vícesložkovou chladící tekutinou a také s přiváděným vzduchem za účelem výroby ochlazeného přiváděného vzduchu;

   (B) přivedení ochlazeného přiváděného vzduchu do kryogenní rektifikační kolony a rozdělení přiváděného vzduchu kryogenní rektifikací v kryogenní rektifikační koloně na dusíkem obohacenou páru a kyslíkem obohacenou kapalinu;

   (C) odvedeni prvního podílu dusíkem obohacené páry představující produkt, plynný dusík;

   (D) kondenzaci druhého podílu dusíkem obohacené páry k získání dusíkem obohacené kapaliny; a (E) odvedení alespoň určitého podílu dusíkem obohacené kapaliny představujícího produkt, kapalný dusík.
2. 2. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že kondenzace druhého podílu dusíkem obohacené páry k získáni dusíkem obohacené kapaliny je prováděna nepřímou tepelnou výměnou s kyslíkem obohacenou kapalinou.
3. 3. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že navíc zahrnuje další

   9 9 · » * · • · chlazeni stlačené vícesložkové chladící tekutiny před expanzi vícesložkové chladící tekutiny.
4. 4. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 3, vyznačující se tím, že další chlazení vícesložkové chladící tekutiny je prováděno nepřímou tepelnou výměnou s kyslíkem obohacenou kapalinou.
5. 5. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že každá složka vícesložkové chladící tekutiny je buď perfluorovaný uhlovodík, fluorovaný uhlovodík, fluorether nebo atmosférický plyn.
6. 6. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že kyslíkem obohacená kapalina je částečně odpařována za účelem získání parního podílu a kapalného podílu, kapalný podíl je odpařován nepřímou tepelnou výměnou s druhým podílem dusíkem obohacené páry, čímž se získá dusíkem obohacená kapalina, a parní podíl je potom stlačován a potom přiváděn do kryogenní rektifikační kolony.
7. 7. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku kryogenní rektifikaci přiváděného vzduchu vyznačující se tím, že zahrnuj e :

   (A) kompresi vícesložkové chladící tekutiny, zchlazení stlačené vícesložkové chladící tekutiny, expanzi této ochlazené a stlačené vícesložkové chladicí tekutiny a ohřátí této expandované vícesložkové chladící tekutiny nepřímou tepelnou výměnnou s touto chladící stlačenou vícesložkovou tekutinou a také s přiváděným vzduchem za účelem výroby ochlazeného přiváděného vzduchu;

   (B) přivedení ochlazeného přiváděného vzduchu do první φφφ · ·· φφφφ • » · φ · · · φφφφ ♦ · · φφφ · · · φ «ΦΦΦΦΦ φ φ φφφ φ φ φ φ φ φφφφφφ· •Φφφ φ φφφ ·· φφ φφ kryogenní rektifikační kolony a rozděleni přiváděného vzduchu kryogenní rektifikací v první kryogenní rektifikační koloně na dusíkem obohacenou páru a kyslíkem obohacenou tekutinu;

   (C) přivedeni kyslíkem obohacené tekutiny do druhé kryogenní rektifikační kolony a rozdělení kyslíkem obohacené tekutiny ve druhé kryogenní rektifikační koloně kryogenní rektifikací na tekutinu bohatou na dusík a tekutinu bohatou na kyslík;

   (D) odvedení alespoň určitého podílu tekutiny bohaté na dusík představující produkt kapalný dusík; a (E) odděleni alespoň určitého podílu alespoň jednoho produktu, dusíkem obohacené páry nebo tekutiny bohaté na dusík, jako produktu ve formě plynného dusíku.
8. 8. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 7, vyznačující se tím, že jak kyslíkem obohacená pára tak i tekutina bohatá na dusík jsou odváděny jako produkt plynný dusík.
9. 9. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 7, vyznačující se tím, že kyslíkem obohacená tekutina je do druhé kryogenní rektifikační kolony přiváděna jako kapalina a zároveň jako pára.
10. 10. Způsob výroby plynného a kapalného dusíku podle nároku 7, vyznačující se tím, že každá složka vícesložkové chladící tekutiny je buď perfluorovaný uhlovodík, fluorovaný uhlovodík, fluorether nebo atmosférický plyn.