NO742505L

NO742505L -

Info

Publication number: NO742505L
Application number: NO742505A
Authority: NO
Inventors: W H Aitken; M J Rollings
Original assignee: Cryoplants Ltd
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1974-07-09
Publication date: 1975-02-17
Also published as: FR2238132A1; FR2238132B3; GB1472402A; JPS50131864A; IN142725B; DE2433922A1; SE7409424L

Description

Fremgangsmåte samt apparat for separering av luft til fremstilling

av flytende nitrogen.

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte samt et apparat, for separering av luft for. fremstilling av et forråd av flytende nitrogen som f. eks. deretter-kan benyttes til formål som reduksjon av brenn-barheten til en gassblanding i slike rom som lasterom, mellomrom eller andre deler på skip, særlig oljetanker eller naturgasstanker, og installasjoner på land, såsom oljetanker.

Hydrokarbondamper' i tankskip og lagringstanker, har en ten-dens til å blande seg med oksygen i luften og gi eksplosive blandin-ger. Den vanlige metode for å forhindre en slik eksplosjon er å sik-re at de eksplosive konsentrasjoner ikke .oppnås."En fremgangsmåte har vært å opprettholde en inert atmosfære i tanken ved frembringelse av en inert gass og innføring av denne i tanken hvis en oppbygging av en eksplosiv blanding enten er ventet eller vist av en registrerings-innretning.

I et kjent system blir inert gass fremstilt i store meng- ' der fra forbrenningsproduktene til skipets motor eller fra spesielt utformede brennere.. Inert gass, fra slike kilder inneholder en høy andel av karb.ondioksyd som kan reagere med visse laster og kan inne-holde korrosive oksyder, f. eks. svovel eller vanadium. Et annet potensielt problem er at en kontinuerlig krets eksisterer mellom for-brenningssonen, og den del av beholderen hvor man vil hindre en eksplosjon.

Det er derfor ønskelig å benytte i det vesentlige rent nitrogen i opprettholdelsen av den inerte atmosfære. •

Oppfinnelsen har således til hensikt å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for dannelse av i det vesentlige rent . flytende nitrogen som hvis ønsket, kan benyttes, til dannelsen av en inert atmosfære.

Ifølge oppfinnelsen er det. tilveiebragt en fremgangsmåte for separering av luft til fremstilling av flytende nitrogen, ved hvilken den innkommende luft komprimeres, kjøles i en varmeveksler og føres inn i en rektifikasjonskolonne i hvilken den innkommende luft separeres til nitrogendamp og en oksygenanriket væske, at ihvert fall en del av den oksygenanrikede væske ekspanderes og varmeutveksles med en del av nitrogendampen for å frembringe en tilbakestrømning som inn-føres i rektifikasjonskolonnen, at en annen del av nitrogendampen inn-føres i en kondensator i hvilken den komprimeres., og en del av den

væske som fremstilles i kondensatoren innføres, i rektifikasjonskolonnen for å tilveiebringe en kjøling i denne. v

Oppfinnelsen vedrører også et luftsepareringsapparat for fremstilling av flytende nitrogen, som omfatter en luftkompressor, en varmeveksler, for kjøling av den komprimerte luft, en rektifikasjonskolonne som kan drives til å separere den komprimerte luft til nitrogendamp og en oksygenanriket væske, en ekspansjonsventil for ekspan-dering av den oksygenanrikede væske, en varmeveksler for utøvelse av en indirekte kontakt mellom den ekspanderte oksygenanrikede væske og en. del av nitrogendampen for å frembringe en tilbakestrømning av nitrogen, hvilken strøm gjeninnføres i rektifikasjonskolonnen, og en kondensator i hvilken ved bruk en annen del av nitrogendampen komprimeres og fra hvilken en del av den. frembragte væske innføres i rektifikasjonskolonnen.

Rektifikasjonskolonnen drives fortrinnsvis ved i det vesentlige det samme trykk som den innkommende luft komprimeres til. Den innkommende luft blir fortrinnsvis komprimert til et lavt trykk

i størrelses.området 2-4 'bar, og fortrinnsvis i området. 3-4 bar.

Det kan benyttes en eller flere varmevekslere- til å kjøle den komprimerte luft. Hovedvarmeveksleren for kjøling av den komprimerte, luft er vanligvis kjølt såvel av en strøm'som tas fra den oksygenanrikede væske og en strøm som består av en del av nitrogendampen som skal innføres, i kondensatoren. Den oksygenanrikede strøm består fortrinnsvis av minst en del oksygenanriket væske fremstilt i rektifikasjonskolonnen og er. tatt etter at den oksygenanrikede væske er blitt benyttet til å kjøle den del av nitrogendampen som tas fra tilbake strømmen .

For andre formål enn små flytende nitrogenfremstillingsan-legg er det. foretrukket å benytte en reverserende varmeveksler som hovedvarmeveksler.. I små anlegg, slik som de som benyttes, ombord på sjøgående skip, kan fordelaktig en ikke-reverserende varmeveksler, benyttes. Den komprimerte luft er. fortrinnsvis ført gjennom en adsorber eller absorber som fjerner karbondioksyd og vanndamp før luften innføres i den ikke-reverserende varmeveksler. En egnet adsorber omfatter ett eller flere lag av et egnet molekylart siktmateriale. Alternativt kan karbondioksyd og vanndamp ekstraheres, fra den innkommende luft oppstrøms for kompressoren.

I noen tilfeller er. det nødvendig å varme en eller begge de oksygenanrikede strømmer og nitrogendampstrømmen før de går inn i hovedvarmeveksleren for å forhindre en flytendegjørelse av den innkommende luft. • Oppvarmingen kan utføres ved.en varmeveksler i hvilken oksygenanriket strøm og nitrogendamp bringes, i indirekte kontakt med relativt varm luft som tas fra den komprimerte strøm som går inn i rektifikasjonskolonnen. Den således kjølte luft blir så ført tilbake til rektifikasjonskolonnen ved et nivå nær det hvor den gjenblivende komprimerte .strøm innføres.

Den kjølte luft som forlater hovedvarmeveksleren føres fortrinnsvis direkte til rektifikasjonskolonnen uten å gjennomgå noe ekspansjonstrinn.

Rektifikasjonskolonnen har fortrinnsvis skåler isteden for å være pakket for å bevirke separering av den komprimerte luft. Bare , for meget små installasjoner, kan det væf<»>e hensiktsmessig å benytte en pakket kolonne.

Selv om det kan benyttes en dobbelt rektifikasjonskolonne, er en enkel kolonne fullstendig tilstrekkelig for de fleste formål, da vanligvis oksygenanriket. væske bare må konsentreres til et oksy-geninnhold i området 35 - 40. volumprosent. En enkelt kolonne kan lett drives til å gi en meget ren\,nitrogendamp, vanligvis inneholden-de mer. enn 99,5 volumprosent nitrogen.

Kondensatoren kan være en kjølemaskin beregnet, på å utføre en egnet termodynamisk syklus, f. eks. en "Sterling"-syklus, for å gjøre nitrogendampen flytende. En slik maskin omfatter vanligvis en eller flere frem- og tilbakegående stempler eller fortrengere som bet; virker, såvel kompresjon som ekspansjon av nitrogendampen, innretnin-ger .såsom en termisk regenerator, for overføring av varme mellom.den komprimerte og den ekspanderte damp, og et forråd for oppsamling av væske som dannes i maskinen. En særlig egnet kondensator er en "Philips-kryogenerator".

Alternativt kan kondensatoren omfatte en kompressor og en ekspandéringsinnretning som er adskilt fra hverandre. F. eks. kan nitrogendampen gjøres, flytende ved først å komprimere den og så kjøle den i to eller flere varmevekslere, og en del av nitrogendampstrømmen som tas ut fra et område av kondensatoren mellom to varmevekslere,, ekspanderes i en ekspansjonsturbin som benyttes til å kjøle varme-vekslerne til kondensatoren og returneres til kondensatorens kompressor.

Ved faste driftsbetingelser blir mellom 5 og 15 % av det nitrogen som dannes pr. tidsenhet i kondensatoren fortrinnsvis ført tilbake til kolonnen. Det nøyaktige forhold som således blir- retur-nert kan regulers, slik at det. er sikret fordelaktige betingelser i kolonnen.. Nitrogen som føres tilbake til kolonnen kompenserer for kjøletap fra den varme ende av hovedvarmeveksleren og gjennom isolap sjonen som omgir apparatet, ifølge oppfinnelsen. ■ Resten av 'den flytende nitrogen som dannes i kondensatoren kan føres inn i en forrådsbe-holder.eller til et anlegg eller utstyr som krever en tilførsel av flytende nitrogen.

Fremgangsmåten og apparatet: Ifølge oppfinnelsen/ kan drives for å forsyne lagringsbeholdere, fra hvilke flytende nitrogen føres til rektifikasjonskolonnen for luftsepareringsmetoden og apparatet ifølge, søkerens tilsvarende søknad nr. 18.042/73.

Det er foretrukket å ta ut nitrogen fra. fremgangsmåten og apparatet, ifølge oppfinnelsen bare i form av et. flytende produkt. •

Systemet ifølge oppfinnelsen gir flere fordeler for bruk ombord på skip og på land. Det benytter et lavere lufttrykk enn en vanlig innretning for. fremstilling av. flytende nitrogen fra luft og er betydelig enklere og- således' mer pålitelig enn de vanlige luftsepareringsanlegg. Videre er. effektiviteten til systemet sammenlignbar med andre typer, luftsepareringsanlegg. I tillegg kan rektifikasjonskolonnen ved start av apparatet hurtig kjøles til de ønskede lave temperaturer, ved å benytte kondensatoren til å tilføre' flytende luft til denne..

Oppfinnelsen skal i det. følgende nærmere forklares ved hjelp av et utførelses.eksempel som er beskrevet under henvisning til tegningen som viser et skjematisk strømningsdiagram for et. apparat. Luft komprimeres til et trykk på ca. 3 bar i en luftkompressor 1 og føres gjennom en adsorber 2, som fjerner, vanndamp og karbondioksyd fra luften, og denne kjøles i en varmeveksler 3- Den kjølte luft går inn i en enkelt rektifikasjonskolonne 4 .i hvilken den separeres til nitrogendamp og en oksygenanriket væske med et ok-sygeninnhold i området. 35 - 40 volumprosent oksygen. Oksygenanriket væske trekkes ut. fra bunnen av kolonnen og ekspanderes i en ekspansjonsventil. 5 og benyttes i en varmevekslerenhet 6 til å kondensere en del av nitrogendampproduktet. som trekkes ut. fra toppen av kolonnen. Det kondenserte nitrogen føres tilbake til toppen av kolonnen for å virke .som en tilbakestrømning. Såvel den gjenblivende nitrogen som den-oksygenanrikede luft som forlater varmevekslerenheten 6 blir ført gjennom en varmevekslerenhet 7. Denne enhet er sveiset til en-heten 6 og varmer nitrogen og oksygenanrikede strømmer ved indirekte kontakt med en luftstrøm som trekkes ut. fra den. kjølte luftstrøm før hovedluftinnløpet. til kolonnen 4. Den således kjølte luft blir ført tilbake til kolonnnen 4 ved et nivå nær nivået for hovedluftinnløpet. Nitrogenstrømmen og den oksygenanrikede strøm fra varmeveksleren 6 blir så ført gjennom varmeveksleren 3 for å kjøle den.innkommende luft til en temperatur nær metningstemperaturen.

Den oksygenanrikede luftstrøm blir så ført ut fra proses-sen (som vist på tegningen med pilen 12), og nitrogenstrømmen føres til en kondensator 9. Flytende nitrogen som dannes i kondensatoren 9 blir ført bort, fra denne med en pumpe .10. Fra 5 - 15 %. av det. flytende nitrogen som passerer pr. tidsenhet gjennom pumpen .10, inn-føres under et trykk på ca. 3,5 bar i toppen av kolonnen (som angitt på tegningen med pilen 8). Resten av det. flytende nitrogen er (som angitt på tegningen med pilen 11) ført til en lagringstank (ikke vist).

For å starte anlegget blir det. frembragt flytende luft i kondensatoren 9 og overført ved hjelp av pumpen 10 til kolonnen 4.. Dette kjøler kolonnen med det resultat at dampen som tas fra kolonnen 4 og føres til kondensatoren 9 blir stadig rikere på nitrogen. Når den er tilstrekkelig ren, kan overføringen av, fl<y>tende nitrogen fra kondensatoren 9 til lagringstanken begynne.

Claims

1. Fremgangsmåte for separering av luft for fremstilling av

. flytende nitrogen, karakterisert ved at luft komprimeres og kjøles i en varmeveksler, og føres inn i en rektif ikas j ons-kolonne i hvilken den innkommende luft oppdeles i en nitrogendamp ©g en oksygenanriket væske, at minst en del av den, oksygenanrikede væske ekspanderes og varmeutveksles med en del av nitrogendampen for å frembringe en tilbakestrømning som innføres i rektifikasjonskolonnen, at en annen del av nitrogendamp innføres i en kondensator i hvilken den komprimeres og at en del av den væske som fremstilles, i kondensatoren blir innført i rektifikasjonskolonnen for å frembringe en kjøl-ing i denne .■ 2.. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at rektifikasjonskolonnen drives i det vesentlige ved det samme trykk som den innkommende luft komprimeres til.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1. eller 2, karakterisert ved . at den innkommende luft komprimeres til et. trykk i området 2 .-4 atmosfærer.

4. Fremgangsmåte ifølge ett eller, flere av de foranstående krav, karakterisert ved at det benyttes en enkelt rektif ikasj onskolonne.

5- Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at kondensatoren er en frysemaskin beregnet på å gjøre nitrogendamp flytende.

6. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 - 4,. karakterisert ved at kondensatoren omfatter en kompressor og en ekspansjonsinnretning som er adskilt fra hverandre.

7. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ' ved at mellom 5 og 16 % av det nitrogen som føres inn i kondensatoren pr. tidsenhet returnees til rektifikasjonskolonnen.

8. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at det flytende nitrogen som fremstilles' føres inn i rektif ikas jonskolonnen til luftseparerings-apparatet ifølge søknad nr. 18042/73.

9. Luftsepareringsapparat for fremstilling av flytende nitrogen, karakterisert ved 'at det omfatter en luftkompressor, en varmeveksler for kjøling av den komprimerte luft, en rektif ikas j onskolonne, for separering av den komprimerte luft til nitrogendamp og oksygenanriket væske,, en ekspans j onsventil. for ekspander-ing av den oksygenanrikede væske,, en varmeveksler for indirekte kontakt mellom den ekspanderte .oksygenanrikede væske og en del av nitrogendampen for å tilveiebringe en tilbakestrømning av nitrogen, hvilken strøm blir gjeninnført i rektifikasjonskolonnen, og en kondensator i hvilken ved bruk, en annen del av nitrogendampen komprimeres og fra hvilken en del av den væske som frembringes innføres i rektifika-sj onskolonnen.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at det benyttes en enkelt rektifikasjonskolonne.

11. Apparat ifølge krav 9 eller 10,k,arakterisert ved at kondensatoren er en frysemaskin beregnet for å gjøre nitrogendamp. flytende. '■ 12.. Apparat ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at kondensatoren omfatter en kompressor og en ekspansjonsinnretning som er adskilt fra hverandre.