NO833590L - Anlegg for produksjon av gassformig nitrogen - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et anlegg for fremstilling

av gassformig nitrogen.

I konvensjonelle luftprepareringsanlegg er det mulig å redusere fremstillingshastigheten med helt opp til 50%, Imidlertid kan slike endringer ikke gjennomføres hurtig,

de tar et karakteristisk ca. 1 time (under datakontroll)

hvis produktkvaliteten skal opprettholdes.

For visse tekniske anvendelser er det ønskelig å ha en tilførsel av nitrogen, som sterkt kan økes eller reduse-

res i korte tidsrom. For visse anvendelser er det således ønskelig å være i stand til å variere produksjonshastig-

heten fra 0 til maksimalt utbytte.

Lignende betraktninger har vært til stede i forbindelse

med fremstilling av gassformig oksygen og, for å møte dette problem, utviklet den kryogene forskning, sent i femtiårene den såkalte Wechsel 'Speicher Prosess . Prinsippet bak denne prosess er at under perioder med lavt oksygenbehov fremstiller anlegget flytende oksygen, som føres til lagring. I perio-

der med høyt oksygenbehov blir den gassformige oksygentil-førsel supplementert ved å fordampe flytende oksygen. Kuldebalansen i anlegget opprettholdes ved fremstilling av flytende nitrogen, mens flytende oksygen fordampes og for-damping av flytende nitrogen,- når flytende oksygen fremstilles .

Det har lenge vært kjent at prinsippene bak Wechsel Speicher Process kunne anvendes på fremstilling av gassformig nitrogen. Imidlertid har det også vært kjent fra arbeider med fremstilling av gassformig oksygen, at produksjonshastig-heten ikke kunne varieres hurtig uten tap av produktkvaliteten .

Det er nå funnet at relativt hurtige variasjoner i fremstillingshastigheten kan oppnås uten ugunstig virkning på produktkvalitetene, forutsatt, og i henhold til- oppfinnelsen, at et anlegg for fremstilling av gassformig nitrogen, omfatter en varmeveksler for avkjøling av mateluft,

en destillasjonskolonne for opptak av i det minste en del av mateluften, en beholder, en tilbakeløpskondensator anordnet i beholderen, og anordnet for underbruk og mottatt damp fra destillasjonskolonnen, og tilbakefører flytende tilbakeløp til denne, en rørledning som forbinder den nedre del av destillasjonskolonnen med beholderen og med en ekspa-sjonsventil anordnet deri, en rørledning for avtrekking av nitrogenprodukt fra destillasjonskolonnen, og bringer nitro-genproduktet i varmevekslingskontakt med mateluft, en lagringstank for uren, flytende oksygen(LOX) i forbindelse med nevnte beholder, midler for å bringe uren flytende oksygen fra nevnte urene LOX-lagringstank til varmeveksling med damp fra nevnte destillasjonskolonne for å tilveiebringe tilbake-løp for destillasjonskolonnen, en lagringstank for flytende nitrogen (LIN) som står i forbindelse med destillasjonskolonnen, midler for å tilbakeføre flytende nitrogen fra nevnte lagringstank for flytende nitrogen, til destillasjonskolonnen og/eller beholderen, en rørledning for transport av avgass fra beholderen, midler for oppvarming av avgassen, en ekspansjonsanordning for å ekspandere avgassen, midler for å regulere strømmingen av avgass igjennom ekspansjonsanord-ningen og midler for å bevirke varmeveksler, mellom ekspandert avgass og mateluft.

Fortrinnsvis er beholderen en destillasjonskolonne.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen, og for å vise hvor-dan den kan gjennomføres i praksis, skal det som et eksempel henvises til de ledsagende tegninger hvor; Fig 1 er et forenklet flytdiagram av en utførelsesform av et anlegg for fremstilling av gassformig nitrogen i henhold til oppfinnelsen, og : Fig 2 er et forenklet flytdiagram av en andre utførelses form av et anlegg for fremstilling av gassformig nitrogen i henhold til oppfinnelsen.

Under henvisning til figur 1 i tegningene, blir luft kompri-mert til mellom 5 og 10 bar A i kompressoren 1, og føres gjennom rørledningen 2 til en av et par molekylsikttørkere 4 der vanndamp og karbondioksyd absorberes.

Den tørre, dioksydfrie luft føres deretter gjennom rørled-ning 5 til varmeveksleren 6 der den avkjøles til den er duggfuktig. Den avkjølte, tørre karbondioksydfrie luft føres deretter i gjennom rørledning 7 til destillasjonskolonnen 8, der den separeres i en uren tLOX) andel 9, og en gassformig nitrogenfraksjon,som forlater destillasjonskolonnen 8 gjennom rørledningen 10. En del av den gassformige nitrogenfraksjon føres gjennom rørledning 11 til kondenseren 12, der den gjøres flytende før den forlater kondenseren 12 gjennom rørledningen 13. Resten av den gassformige nitrogenfraksjon fra rørlednin-gen 10 føres gjennom rørledning 14 til varmeveksleren 15, der den oppvarmes før den går ut gjennom rørledning 16. Nitrogenet oppvarmes deretter ytterligere i varmeveksleren 6 som den forlater gjennom rørledningen 17 som produkt nitrogen.

Den urene LOX-andelen 9 underkjøles i varmeveksleren 15 og føres gjennom rørledningen 18 til ventilen 19, der den ekspanderes. Den føres deretter gjennom rørledning 20 til beholderen 21. Damp forlater beholderen 21 gjennom rørledning 22, og etter gjennomgang gjennom varmeveksleren 15 og rørled-ningen 23, blir den partiellt oppvarmet i varmeveksleren 6. Den varme damp blir så ekspandert gjennom ekspanderen 24,

som den forlater gjennom rørledningen 25 med redusert temp-eratur. Dampen føres deretter gjennom varmeveksleren 6 som den forlater gjennom rørledningen 26 og luftes ut til atmos-færen som avgass. En lagringstank 27 for uren LOX er forbundet med beholderen 21 via en reversibel ledning 28, enrørledning 29 med.en ventil 30, og en tilbakeføringslinje 31

utstyrt med en pumpe 32 og en ventil 33.

En lagringstank 34 for LIN er forbundet med rørledningen 13 via en reversibel linje 35, en linje 36 med en ventil 37,

og en tilbakeføringslinje 38, utstyrt med en pumpe 39 og en ventil 40.

For å forklare driften av anlegget skal man anta et tilfelle der væske hverken strømmer til eller fra lagringstanken 37, for uren LOX, eller lagringstanken 34 for LIN. Gassformig nitrogen blir imidlertid trukket av fra produktet,nitrogen-linjen 17. Alle ventilene 30,33,37 og 40 er lukket.

Når nitrogenbehovet øker reduseres strømmen gjennom rørled-ningen 11. For å holde tilbakeløpet i destillasjonskolonnen konstant settes en pumpe 39 i gang og ventilen 40 åpnes.

På grunn av reduksjonen i strømning gjennom kondenseren 12 akkumuleres uren LOX i beholderen 21, og denne føres gjennom den reversible linje 28, den åpne ventil 30 og rørledningen 29.til en lagringstank 27 for uren LOX. Samtidig reduseres strømmen gjennom rørledning 22,ikke viste ledefinner - på ekspanderen 24 justeres for å holde trykket i destillasjonskolonnen 8 i det vesentlige konstant. Dette reduserer strømmen gjennom ekspanderen 24, og reduserer som en konsekvens, mengden av kjøling tilgjengelig i rørledning 25. Imidlertid utlignes dette tap ved en tilsvarende økning i kjøleevne tilgjengelig i rørledning 16.

Skulle nitrogenbehovet reduseres fra det prinsipielle tilfellet, jo mer nitrogen vil gå gjennom rørledningen 11 til kondenseren 12. For å kondensere denne ytterligere nitrogen, blir en pumpe 32 satt i gang og ventilen 33 åpnet. Den ytterligere urene LOX som tilføres til beholderen 21 kondenseres den ytterligere nitrogen. Mengden nitrogen som tilbakeføres til destillasjonskolonnen 8 som tilbakeløp, forblir konstant, mens overskuddet mates til LIN lagringstanken 34, via den reversible ledning 35, rørledningen 36 og den åpne ventil 37. Den ytterligere strøm av uren, flytende oksygen til behold--eren 21 resulterer i en sterkt øket strøm gjennom rørledning 22 og ledefinnene-på ekspanderen 24 justeres for for å bibe-holde trykket i destillasjonskolonnen 8 i det vesentlige konstant. Dette øker strømmen gjennom ekspanderen 24. Imidlertid oppveies den økede mengde av tilgjengelig kjølekapasitet i rørledning 25,i reduksjonen i tilgjengelig kjølekapasitet i ledning 16.

Det vil være klart at kontroll av anlegget som beskrevet er relativt lett. Spesielt, og tatt i betraktning at luftstrømmen fra kompressoren 1 er konstant, sentreres kontrollen på a) å opprettholde trykket i destillasjonskolonnen 8 i det vesentlige konstant ved å variere ledefinnene på ekspanderen 2 4 ;

og (b) å holde tilbakeløpsstrømmen gjennom rørledningen 42

i det vesentlige konstant, idet en hver mangel i strømmingen møtes fra LIN lagringstanken 34, og et hvert overskudd styres til LIN lagringstanken 34, i hvert tilfelle tilsvarende endringer i strømmen til eller fra lagringstanken 27,for å opprettholde den totale avkjølingbalanse.

Den utførelse som er vist i fig 2 er generelt lik den som er vist i fig 1, og deler med samme funksjon er identifisert ved de samme henvisningstall. I denne utførelsform omfatter imidlertid beholderen 21 i fig 1 en lavtrykksdestillasjons-kolonne 121. En idet vesentlige ren lavtrykks nitrogenprodukt-strøm forlater toppen av lavtrykksdestillasjonskolonnen 121 gjennom rørledningen 50, og føres etter oppvarming i varme-veksleren 51 og 52 gjennom rørledning 53 til varmeveksleren 6, der den ytterligere varmes opp før den går ut gjennom rør-ledning 54. I tillegg er returledningen 35 forbundet med lav-trykksdestillas jonskolonnen 121 via en rørledning 55, utstyrt med en ventil 56.

Damp forlater også lavtrykksdestillasjonskolonnen 121 gjennom rørledning 122. Denne damp oppvarmes i varmeveksleren 6, og ekspanderes deretter i ekspanderen 12 4. Den kolde ekspander-te damp forlater atter ekspanderen 124 gjennom rørledning 125 og oppvarmes i varmeveksleren 5 før den luftes til atmos-færen som avgass gjennom rørledning 126.

I den utførelsesform som er vist er det ment at produksjonen av lavtrykksnitrogen idet det vesentlige skal være konstant og strømmen av høytrykksnitrogen variabel. For å forklare driften av anlegget,skal man anta et tilfelle der væske hverken strømmer til eller fra lagringstanken 4 7 for uren LOX 2 7 eller lagringstanken 34 for LIN. Gaåsformig nitrogen trekkes imidlertid av gjennom rørledningen 17 og 54, mens ventilen 30,33,37 og 40 alle er lukket.

Når behovet for høytrykksnitrogen økes, reduseres strømmen av nitrogen gjennom rørledningen 11, og i henhold til dette fremstilles det mindre væske i omkoker-kondensatoren 12. Imidlertid, selv ved maksimal tilførsel av høytrykksnitrogen, er det tilstrekkelig væske som dannes i omkoker-kondensatoren 12 til å tilveiebringe en konstant strøm av tilbakeløps-væske gjennom rørledning 42.

I lys av den mindre strøm gjennom omkoker-kondensatoren 12 reduseres volumet av uren LOX som fordampes fra bunnen av lavtrykksdestillasjonskolonnen 121. For å holde strømmen av damp gjennom kolonnen konstant, blir lederfinnene på ekspanderen 124 justert for å redusere strømmen gjennom rørledning 122. På samme-tid blir pumpen 39 satt igang, og ventilen 40 åpnet, for å holde strømmen gjennom rørledning 55 i det vesentlige konstant. På denne måte forblir forholdet mellom mol.gass som strømmer opp destillasjonskolonnen 121 og mol væske,som beveger seg ned destillasjonskolonnen 121,i det vesentlige konstant. Fordi imidlertid den reduserte mengde varme som er tilgjengelig fra omkoker-kondensatoren 12 akkumuleres urent,flytende oksygen i sumpen i lavtrykksdestillasjonskolonnen 121, og dette overføres til lagringstanken 4 7 for uren LOX, ved å åpne ventilen 30. Hva angår varmeveksleren 6,blir reduksjonen i strøm gjennom ekspanderen 124 i sterk grad oppveiet av den økede strøm av høytrykksnitrogen

gjennom rørledningen 14.

I det tilfellet der behovet for høytrykksnitrogen reduseres

ut fra det prinsipielle tilfellet økes strømmen av gassformig nitrogen gjennom omkoker-kondensator 12. For å kondensere ytterligere damp, blir pumpen 32 startet og ventilen 33 åpnet, for å tillate uren LOX å strømme inn i sumpen i lavtrykksde-stillas jonskolonnen 121.Strømmen av flytende nitrogen gjennom rørledningene 42 og 55 holdes konstant under drift av anlegget, og overskytende flytende nitrogen, som fremstilles, føres gjennom returledningen 25 til LIN.lagringstanken 34 ved å

åpne ventilen 37. For å holde strømmen av damp opp lavtrykks-destillas jonskolonnen 121 i det vesentlige konstant, justeres léderfinnene på ekspanderen 24 for å øke strømmen gjennom rørledning 122. Hva angår varmeveksleren 6, blir en redusert strøm av nitrogen gjennom rørledningen 14, sterkt oppveiet av øket strøm gjennom ekspanderen 124.

Det skal bemerkes at mens anleggene som beskrevet primært er ment for drift med en konstant lufttilførsel, er det også mulig å opprettholde en konstant høytrykks nitrogentilførsel ved forskjellige lufttilførselsmengder. Imidlertid skal det bemerkes at endringer i lufttilførselen ikke kan gjennomføres hurtig- uten fare for produktkvaliteten, og denne drifts-metode er kun anbefalt der energiomkostningene varierer ved tidspunktet på dagen eller fra dag til dag i uken.

Claims (2)

1. Et anlegg for fremstilling av gassformig nitrogen, karakterisert ved at de omfatter en varmeveksler 6 for avkjøling av mateluft, en destillasjonskolonne 8 for å motta i det minste en del av mateluften, en beholder 21, en tilbakeløpskondehsator 12 anordnet i beholderen 21, og anordnet for i bruk å motta damp fra destillasjonskolonnen 8 og returnere flytende tilbakeløp til denne, en linje 18,20 som forbinder den,nedre del av destillasjonskolonnen 8 med beholderen 21 og med en ekspansjonsventil 19, en rørledning 14 for avtrekking av nitrogenprodukt fra desti-llas jonskolonnen 8, og brdnge dette nitrogenprodukt til varmeveksling med nevnte mateluft, en lagringstank 2 7 for urent flytende oksygen, LOX, i forbindelse med nevnte beholder 21, midler for å bringe urent flytende oksygen fra lagringstanken 27 i varmeveksling med damp fra destillasjonskolonnen for å tilveiebringe tilbakeløp for denne, en lagringstank 34 for flytende nitrogen, LIN, i forbindelse med destil-las jonskolonnen 8, midler for å tilbakeføre flytende nitrogen fra lagringstanken 34 til destillasjonskolonnen og eller beholderen 21, en rørledning 22 for transport av avgass fra beholderen 21, midler for oppvarming av avgassen, en ekspander 24 for å ekspandere avgassen, midler for å regulere strømmen av avgass gjennom ekspanderen, samt midler for bevirke varmeveksling gjennom ekspandert avgass og mateluft.

2. Et anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved beholderen 21 er en destillasjonkolonne.