CS261790B1

CS261790B1 - Process for producing pressure nitrogen

Info

Publication number: CS261790B1
Application number: CS868986A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Csc Sykora; Vaclav Ing Csc Chrz
Original assignee: Sykora Jiri; Chrz Vaclav
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1986-12-08
Publication date: 1989-02-10
Also published as: CS898686A1

Abstract

Řešení se týká způsobu výroby tlakového dusíku nízkoteplotní jednostupňovou rektifikaci stlačené adsorpčně čištěné směsi dusíku, kyslíku a argonu, při kterém je směs před rektifikaci protiproudně ochlazována produkty a chlad získáván expanzí odpadního plynu v turbíně. Podstata spočívá v tom, že práce získaná v expanzní turbíně se přímo využívá ke zvyšování tlaku směsi určené k rektifikaci.The solution concerns a method of producing pressurized nitrogen by low-temperature single-stage rectification of a compressed adsorption-purified mixture of nitrogen, oxygen and argon, in which the mixture is cooled countercurrently with the products before rectification and the cold is obtained by expanding the waste gas in a turbine. The essence is that the work obtained in the expansion turbine is directly used to increase the pressure of the mixture intended for rectification.

Description

Vynález se týká způsobu výroby tlakového dusíku jednostupňovou nízkoteplotní rektifikací stlačené adsorpčně čištěné směsi dusíku, kyslíku a argonu.The present invention relates to a process for the production of pressurized nitrogen by a single stage low temperature rectification of a compressed adsorption-purified mixture of nitrogen, oxygen and argon.

Podle známých způsobů výroby čistého tlakového dusíku jednostupňovou nízkoteplotní rektifikací vzduchu nebo směsi kyslíku, dusíku a argonu je většinou vyráběn dusík o tlaku větším než 0,5 MPa a ztráty chladu jsou kryty expansí odpadního plynu v expansní turbině. Odpadni plyn s obsahem 30 % až 40 % kyslíku v ní expanduje z tlaku 400 KPa na tlak blízký tlaku atmosferickému. Práce získaná v expansní turbině se u malých jednotek maří ve vhodném brzdicím stroji, jako je například dmychadlo, nebo olejová brzda. V větších jednotek je využívána k výrobě elektrické energie v brzdicím generátoru. Při výrobě větších množství tlakového dusíku mají však výše uvedené způsoby některé nevýhody. Získávání elektrické energie v brzdicím generátoru expansní turbiny se děje s poměrně nízkou účinností a celé soustrojí je složité a nákladné. Přímo ztrátové je maření energie v dmychadle či v olejové brzdě. Výraznějšího zlepšení se nedosáhne ani využitím dmychadla pro kompresi pomocného produktu, například regeneračního plynu pro adsorpční čištění.According to known methods for producing pure pressurized nitrogen by a single-stage low-temperature rectification of air or a mixture of oxygen, nitrogen and argon, nitrogen is generally produced at a pressure greater than 0.5 MPa and cold losses are covered by the exhaust gas expansion in the expansion turbine. The waste gas containing 30% to 40% oxygen therein expands from a pressure of 400 KPa to a pressure close to atmospheric. The work done in the expansion turbine in small units is thwarted in a suitable braking machine such as a blower or oil brake. In larger units it is used to generate electricity in the braking generator. However, the above processes have some disadvantages when producing larger amounts of pressurized nitrogen. Power generation in the expansion turbine braking generator is done with relatively low efficiency and the assembly is complex and costly. Directly lossy is wasting energy in the blower or oil brake. A noticeable improvement is also not achieved by using a blower for compressing the auxiliary product, for example a regenerative gas for adsorption purification.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny způsobem výroby tlakového dusíku podle vynálezu prováděný jednostupňovou rektifikací stlačené adsorpčně čištěné směsi dusíku, kyslíku a argonu, při kterém je směs před rektifikací protiproudně ochlazována produkovaným dusíkem a odpadním plynem a potřebný chlad získáván expansí odpadního plynu v expansní turbině, který je charakterizován tím, že práce získaná v expansní turbině se přímo využívá ke zvyšování tlaku směsi určené k rektifikaci. Stlačená směs se adsorpčně čistí od vodní páry a oxidu uhličitého po zvýšení jejího tlaku využitím práce získané v expansní turbině.These disadvantages are overcome by the process for the production of pressurized nitrogen according to the invention by a single-stage rectification of a compressed adsorption-purified mixture of nitrogen, oxygen and argon, in which the mixture is countercurrently cooled by the nitrogen and waste gas produced and expanded. in that the work obtained in the expansion turbine is directly used to increase the pressure of the mixture to be rectified. The compressed mixture is adsorptively cleaned of water vapor and carbon dioxide after increasing its pressure using the work obtained in the expansion turbine.

Výhoda způsobu výroby tlakového dusíku podle vynálezu tkví v tom, že umožňuje dosáhnout nižší měrné spotřeby energie oproti známým způsobům. V důsledku toho, že je přímo využívána práce získaná v expansní turbině expansí odpadního plynu k zvýšení tlaku směsi pro rektifikaci dochází ke snížení spotřeby energie pro základní stlačení. Je možné při stejné spotřebě energie na základní stlačení vyrábět kromě plynného tlakového dusíku i části produkce v kapalném stavu.The advantage of the process for producing pressurized nitrogen according to the invention is that it makes it possible to achieve a lower specific energy consumption than the known processes. By directly utilizing the work obtained in the expansion turbine by expanding the waste gas to increase the pressure of the rectification mixture, the energy consumption for the basic compression is reduced. It is possible to produce, in addition to gaseous pressurized nitrogen, also parts of the production in the liquid state with the same basic compression energy consumption.

Zjednodušené technologické schéma příkladného postupu výroby tlakového dusíku jednostupňovou nízkoteplotní rektifikací podle vynálezu je na obrázku. Jde o výrobu dusíku o čistotě 99,999 I Bj a tlaku 800 kPa. Směs dělená rektifikací je v tomto případě vzduch. Vzduch se odebírá z atmosféry a sacím potrubím 2 se vede do základního kompresoru 2· ^v základním kompresoru 2 se vzduch stlačuje na tlak 775 kPa, následuje ochlazení stlačeného vzduchu v chladiči 3 chladicí vodou na teplotu 30 °C a odloučení vodních kapek v prvním odlučovači <1. Tlak vzduchu se dále zvyšuje v brzdicím kompresoru 5 na hodnotu 885 kPa přímým využitím práce získané expansí odpadního plynu v expansní turbině 6. Vzduch se pak chladí v dochlazovači 2, teplém výměníku 2 ^a výparníku 2 chladicí jednotky až na teplotu 2 °C. Po odloučeni kapkové vody v druhém odlučovači 10 se vzduch adsorpčně čistí od vodní páry a kysličníku uhličitého v levém adsorbéru 11, zatímco pravý adsorbér 12 je regenerován. Adsorbentem jsou molekulová síta. Vyčištěný stlačený vzduch se ochlazuje protiproudně v hlavních výměnících 13 vystupujícím dusíkem a odpadním plynem na teplotu blízkou teplotě sytosti (104 K). Ochlazený vzduch je dělen jednostupňovou rektifikací v koloně 14 na dusík s obsahem kyslíku menším než 0,01 % 0^, který je odebírán z hlavy kolony 14 jako produkt, a na bohatou kapalinu a obsahem 30 až 32 % Oj, která se shromažduje v patě kolony 24. Produkovaný tlakový dusík protiproudně ohřívá vstupující vzduch v hlavních výměnících 13 a teplém výměníku 2 ^a vystupuje potrubím 17 tlakového dusíku. Reflux v koloně 14 se zajištuje kondensátorem 15, ve kterém na úkor kondenzace tlakového dusíku vře seškrcená bohatá kapalina za tlaku 440 kPa. Odpařená bohatá kapalina je odpadním plynem. Ten se ohřívá v hlavních výměnících 13 na teplotu 124 Κ. V expansní turbině 2 expanduje odpadní plyn na tlak 120 kPa. Práce získaná expansí v expansní turbině 6 se přímo používá k dotlačování vzduchu v brzdicím kompresoru 2 díky spojení obou strojů hřídelem 12· Při expansi se odpadní plyn ochladl na teplotu 90 K a po ohřátí v hlavních výměnících 13 a teplém výměníku 2 jo ² části vypouštěn do atmosféry potrubím 19 odpadního plynu, zčásti je využíván pro regeneraci pravého adsorbéru po ohřátí v ohřívači 20. Část dusíku ·· xískává v kapalné· stave a odtahuj· se a hlavy kolony potrubím 18 kapalného dusíku.A simplified flow diagram of an exemplary process for producing pressurized nitrogen by a one step low temperature rectification according to the invention is shown in the figure. This is the production of nitrogen with a purity of 99.999 liters and a pressure of 800 kPa. The mixture divided by rectification in this case is air. The air is taken from the atmosphere and fed through the intake manifold 2 to the basic compressor 2. ^{In the} basic compressor 2, the air is compressed to a pressure of 775 kPa, followed by cooling the compressed air in the cooler 3 with cooling water to 30 ° C. 1. The air pressure is further increased in the braking compressor 5 to 885 kPa by directly utilizing the work obtained by the exhaust gas expansion in the expansion turbine 6. The air is then cooled in the aftercooler 2, the heat exchanger 2 ^{and the} evaporator 2 of the cooling unit up to 2 ° C. After the drop water has been separated in the second separator 10, the air is adsorbed from water vapor and carbon dioxide in the left adsorber 11, while the right adsorber 12 is regenerated. The adsorbent is molecular sieves. The purified compressed air is cooled countercurrently in the main exchangers 13 by exiting nitrogen and off-gas to a temperature close to the saturation temperature (104 K). The cooled air is divided by a single stage rectification in column 14 into nitrogen with an oxygen content of less than 0.01% O, which is taken from the top of the column 14 as a product, and into a rich liquid and 30 to 32% Oj, which is collected at the foot. Column 24. The produced pressurized nitrogen countercurrently heats the incoming air in the main exchangers 13 and the heat exchanger 2 ^and exits through the pressurized nitrogen line 17. Reflux in column 14 is provided by a condenser 15 in which, at the expense of pressure nitrogen condensation, the throttled rich liquid boils at a pressure of 440 kPa. The vapor-rich liquid is a waste gas. It is heated in the main exchangers 13 to 124 Κ. In the expansion turbine 2, the waste gas expands to a pressure of 120 kPa. The work obtained by the expansion in the expansion turbine 6 is used directly presses the air brake compressor 2 through connection of both machine shaft 12. · When the expansion of the waste gas is cooled off to a temperature of 90 K and after heating in the main heat exchangers 13 and the warm exchanger 2 jo ² parts discharged into Part of the nitrogen is recovered in the liquid state and withdrawn and the column head through the liquid nitrogen line 18.

Hlavní výhodou způsobu výroby tlakového dusíku podle vynálezu je snížení měrné spotřeby energie a nižší investiční náklady. Způsob proto nalezne uplatněni při výrobě větších množství tlakového čistého dusíku.The main advantage of the process for producing pressurized nitrogen according to the invention is the reduction of specific energy consumption and lower investment costs. The process will therefore find application in the production of larger amounts of pressurized pure nitrogen.

Claims

Process for producing pressurized nitrogen by a one-stage low-temperature rectification of a compressed adsorption-purified mixture of nitrogen, oxygen and argon, wherein the mixture is countercurrently cooled by the produced nitrogen and waste gas and the necessary cold by rectifying the waste gas in an expansion turbine. in an expansion turbine it is directly used to increase the pressure of the mixture to be rectified.

2. A process according to claim 1, wherein the pressurized mixture is adsorbed from water vapor and carbon dioxide after increasing its pressure by utilizing the work obtained in the expansion turbine.