PL180037B1

PL180037B1 - Sposób kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych w ukladzie kolumny destylacyjnej PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL180037B1
Application number: PL95307631A
Authority: PL
Inventors: Kevin Mckeigue; Ramachandran Krishnamurthy
Original assignee: Boc Group Inc; The Boc Group Inc
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 2000-12-29
Also published as: ES2144571T5; FI951125A7; AU679600B2; NO950383D0; ES2144571T3; HUT70368A; CZ286306B6; DE69515068D1; CZ286223B6; MY114260A; SK32195A3; US5396772A; CZ286287B6; NO307905B1; EP0671594A1; FI120014B; EP0671594B2; CN1103040C; ZA951191B; CZ286246B6

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych w układzie kolumn destylacyjnych, mającym jedną lub więcej kolumn. Bardziej szczegółowo, przedmiotem wynalazku jest taki sposób, w którym zstępujący płyn i wstępujące fazy lotne mieszaniny stykająsię dzięki użyciu układu złożonego wypełnienia, co wpływa na rozdział składników mieszaniny gazów atmosferycznych.

Mieszaniny gazów atmosferycznych, to jest mieszaniny gazów znajdujących się w powietrzu bądź samego powietrza, na przykład azotu, tlenu, argonu itd. rozdziela się w różnych syste180 037 mach kriogenicznej destylacji, optymalizowanych dla produkcji żądanych składników gazów atmosferycznych. Zwykle powietrze, stanowiące mieszaninę gazów atmosferycznych rozdzielone jest do różnychjego składników dzięki użyciu systemu kolumn do destylacji kriogenicznej, w którym powietrze najpierw spręża się i oczyszcza, a następnie schładza do temperatur kriogenicznych, na poziomie dokładnie bądź w pobliżu punktu rosy. Schłodzone powietrze wprowadza się do kolumny destylacyjnej, w której zachodzi właściwe rozdzielanie. Po wprowadzeniu do kolumny destylacyjnej, składniki o wyższej lotności, jak na przykład azot, ulegają wrzeniu przed składnikami o niższej lotności, takimi jak tlen, tworząc wstępującą fazę gazową. Część tej wstępującej fazy gazowej ulega kondensacji, powracając do kolumny i w ten sposób daje początek zstępującej fazie płynnej. Zstępująca faza płynna styka się z wstępującą fazą gazowąprzez wiele znanych ze stanu techniki układów kontaktowych, tak, że w zstępującej fazie płynnej zagęszczają się składniki o niższej lotności, zaś wstępująca faza gazowa nasyca się składnikami o wyższej lotności.

System kolumn destylacyjnych może obejmować pojedynczą kolumnę do produkcji gazowego produktu azotowego albo układ kolumn dla dalszego oczyszczenia powietrza i wytworzenia jako produktu azotu, tlenu i argonu. Pozostałe kolumny można wykorzystać do dalszego rozdzielania i wytworzenia innych składników powietrza.

Układy kontaktowe płyn-gaz, które wykorzystuje się do zetknięcia ze sobą zstępującej fazy płynnej i wstępującej fazy gazowej mieszaniny mogą być w postaci różnych układów wypełnienia, korytek, półek itp. Układ złożonego wypełnienia jest popularnym układem kontaktowym płyn-gaz do kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych, ze względu na cechujący go niewielki spadek ciśnienia w takich układach wypełnienia. Tę cechę niewielkiego spadku ciśnienia można korzystnie uzyskać przy niższych nakładach energii, większej wydajności produkcyjnej itd. Wadą złożonego układu wypełnienia jest jego wysoki koszt początkowy, w porównaniu z kosztem tradycyjnych półek i korytek.

W znanym sposobie od dawna uważa się, iż działanie złożonych układów wypełnienia pogarsza się wraz ze wzrostem ciśnienia. Jednakże według wynalazku nieoczekiwanie stwierdzono, iż działanie złożonego układu wypełnienia może polepszyć się wraz ze wzrostem ciśnienia, gdy rozdzielanąmieszaninąjest mieszanina gazów atmosferycznych. Może to być wykorzystane do produkcji kolumn o większej wydajności przy użyciu mniejszych objętości złożonych układów wypełnienia. Zmniejszenie objętości złożonego układu wypełnienia umożliwia zaś zmniejszenie wydatków kapitałowych związanych z wytwarzaniem kolumny destylacyjnej.

W rozwiązaniu według wynalazku stwierdzono, że wydajność układu złożonego wypełniania zależy od rozdzielanej mieszaniny, zaś gdy mieszanina jest mieszaniną gazów atmosferycznych, to wydajność układu złożonego wypełniania w kolumnie destylacyjnej okazuje się w rzeczywistości wzrastać wraz z ciśnieniem. Na przykład dane ze znanego stanu techniki dla układu złożonego wypełniania mającego gęstość 750 m²/m³ wskazująna górną granicę jego zakresu działania podaną przez wzór exp[-4,064-0,5951ηψ-0,0485(1ηψ)²]. W znanym stanie techniki, jeśli jakaś część kolumny destylacyjnej działa powyżej tej górnej granicy, to nastąpi w niej przelanie. Powyższą granicę ustalono dla ciśnienia wynoszącego około 2 bary lub mniej. Powyżej 2 barów wydajność z naszego sposobu pogorszyłaby się i ta górna granica nie mogłaby zostać osiągnięta.

Według wynalazku stwierdzono, że dla układu złożonego wypełniania wykonanego z falistej blachy metalowej i mającego gęstość wypełniania na przykład 750 m²/m³, gdy rozdzielana mieszanina zawiera gazy atmosferyczne i gdy ciśnienie jest wyższe od około 2 barów, to znana z uprzedniego stanu techniki górna granica nie stanowi ograniczenia zakresu działania takiego układu złożonego wypełnienia. Prędkość pary C_v jest densymetryczną powierzchniową prędkością gazu. Ta prędkość gazu jest iloczynem powierzchniowej prędkości gazu i pierwiastka kwadratowego z gęstości gazu podzielonej przez gęstość płynu minus gęstość gazu. Prędkość powierzchniowa jest średnią prędkością w kolumnie opartą na prędkości przepływu masy. Stąd, jeśli kolumna działa powyżej dwóch barów, a rozdzielana mieszanina jest mieszaniną gazów atmosferycznych, prędkość przepływu masy przez kolumnę można zwiększyć poza granicę

180 037 przyjmowaną w znanym stanie techniki. Alternatywnie dla danej wymaganej prędkości przepływu masy dla kolumny, można zaprojektować kolumnę o o wiele mniej szym przekroju poprzecznym i, w konsekwencji, o większej prędkości powierzchniowej niż można by przypuszczać na podstawie informacji ze znanego stanu techniki w tej dziedzinie. Mniejsza powierzchnia przekroju poprzecznego kolumny spowoduje wykorzystanie mniejszej objętości układu złożonego wypełnienia użytego w danym zastosowaniu układu złożonego wypełnienia. W ten sposób zrealizować można oszczędności kosztów w konstrukcji kolumny destylacyjnej dla danych wymagań wydajnościowych kolumny destylacyjnej. Kolejnym punktem jest to, że przy wyższych ciśnieniach kolumna może być nie tylko cieńsza, ale również krótsza niż się sądzi w znanym stanie techniki. Jest to spowodowane tym, że HETP lub ekwiwalent wysokości półki teoretycznej zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia w kolumnie. Dlatego też w wynalazku rozważa się dwuwymiarowe oszczędności w objętości wymaganego układu złożonego wypełniania dla mieszaniny gazów atmosferycznych.

Wszystkie podane wysokości są w metrach, a wszystkie prędkości, takie jak prędkość płynu i pary są podane w metrach na sekundę. Dodatkowo wszystkie podane ciśnienia są w barach absolutnych, a wszystkie powierzchnie właściwe w metrach kwadratowych na metr sześcienny. Doświadczenia wykonano na układzie złożonego wypełnienia otrzymanym od Sulzer Brothers Limited, jednakże sposób według wynalazku nadaje się również do zastosowania w innych układach złożonego wypełnienia, produkowanych przez innych wytwórców.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w.przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat Soudrsa dla układu wypełniania MELLAPAK 750. Y, otrzymanego od Sulzer Brothers Limited, ilustrujący zakresy wydajności sposoby znanego ze stanu techniki w stosunku do zakresów otrzymywanych w sposobie według wynalazku, a fig. 2 - układ kolumny destylacyjnej zaprojektowanej do prowadzenia sposobu według wynalazku.

Pokazana na fig. 1, krzywa 1 reprezentuje znany ze stanu techniki schemat Soudersa dla układu wypełnienia MELLAPAK 750.Y (otrzymanego od Sulzer Brothers Limited, CH-8401 Winterthur, Szwajcaria) przy ciśnieniach mniejszych lub równych około 2 bary. Ten układ złożonego wypełnienia wykonany jest z falistej blachy metalowej. Powierzchnia właściwa tego układu wypełnienia wynosi około 750 m²/m³ i ma przewody przepływowe ustawione pod kątem około 45°. Wzdłuż tej krzywej, dla danej prędkości płynu, ustala się prędkość pary. Gdyby prędkość pary wzrosła powyżej wartości danej przez krzywą, wówczas układ wypełnienia uległby przelaniu, to znaczy wstępująca faza gazowa w układzie wypełnienia porywałaby znaczną część zstępującej fazy płynnej albo, w skrajnym przypadku, wstępująca faza gazowa zapobiegałaby zstępowaniu fazy płynnej przez układ wypełnienia. Przybliżone równania dla tej krzywej brzmią Cv = exp[-4,064-0,5951ηψ-0,0485(Ιηψ)²] gdy ψ]ε8ί w zakresie pomiędzy około 0,01, a około 0,1, a Cv = 0,02233ψ'⁰’⁰³⁷ gdy \pjest większe niż 0,1. Jak wspomniano wyżej ψrówne jest CL/CV. Krzywe 2 i 3 przedstawiają przykłady schematów Soudersa dla układu złożonego wypełnienia tym 750.Y stosowanego w sposobie według wynalazku przy ciśnieniach roboczych odpowiednio 4 i 6 bar i dla mieszaniny gazów atmosferycznych. Jak wynika z dwóch ostatnich krzywych, wydajność układu złożonego wypełnienia wzrosła wraz ze wzrostem ciśnienia. Przybliżone równania dla krzywej 2 brzmią Cv = exp[-3,885-0,5951ηψ-0,0485(1ηψ)²] gdy ψ jest w zakresie pomiędzy około 0,01, a około 0,1 i Cv = 0,0266ψ'°’³⁷² gdy vjest większe od 0,1. Również przybliżone równania krzywej 3 brzmią Cv = exp[-3,753-0,5951ηψ-0,0485(1ηψ)²] gdy vjest w zakresie pomiędzy około 0,01 i około 0,1 i Cv = Ο,-3Ο33ψ^0,372 gdy igjest większe niż 0,1.

Wnioskiem z powyższych krzywych jest to, że jeśli podobny układ wypełnienia działa przy 2 barach zaś rozdzielaną mieszaniną są gazy atmosferyczne, to może on działać z minimum wzdłuż krzywej 1. W maksimum może on działać przy krytycznej prędkości pary, którąjest prędkość pary, przy której układ wypełnienia albo kolumna ulega przelaniu. Tę krytyczną prędkość pary można wyznaczyć doświadczalnie. W praktyce roboczej przyjmuje się tę wartość krytycznej prędkości paryjako wartość przy zbliżaniu się do warunków przelania kolumny destylacyjnej w danym układzie sterowania kolumną. Zwykle, krytyczna prędkość pary wynosi około 80% rzeczywistej prędkości pary przy przelaniu, jednakże górną granicą krytycznej prędkości pary

180 037 dla układu wypełnienia typu omówionego powyżej jest krzywa 2 jeżeli układ wypełniania bądź kolumna działa przy 4 barach i krzywa 3 jeżeli układ wypełnienia działa przy 6 barach. Te korzystne wyniki uzyskuje się tam, gdzie rozdzielanąmieszaninąjest mieszanina gazów atmosferycznych, układ wypełnienia wykonany jest z falistej blachy metalowej, a kąt ustawienia przewodu przepływowego wynosi 45°. Tak wiec kolumny destylacyjne można zaprojektować do działania przy większym przerobie niż kolumny znane ze stanu techniki lub można je zaprojektować tak, że mogą mieć mniejszą objętość układu złożonego wypełnienia dla takiego samego przerobu.

Podobne usprawnienia można wprowadzić dla innych układów złożonego wypełnienia (wykonanych z falistej blachy metalowej, działających powyżej 2 barów absolutnych i wykorzystywanych w rozdzielaniu gazów atmosferycznych), mających inne gęstości wypełniania i inne kąty ustawienia przewodów przepływowych niż stosowane w typie 750.Y układu złożonego wypełnienia, na przykład tam, gdzie powierzchnia właściwa układu złożonego wypełnienia jest w zakresie pomiędzy około 100 m²/m³ a około 450 m²/m³ a przewody przepływowe sąustawiona pod kątem pomiędzy około 30° a około 45° W warunkach minimum, kolumna może działać tak, że prędkość pary w takim układzie wypełnienia będzie równa około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951η ψ-3,176-0,00169A] gdy \yjest w zakresie około 0,01 do 0,1 i około 0,054e'^0j00169A\^’°’³⁷² gdy ψ jest większe niż 0,1. Dla układów złożonego wypełnienia mających powierzchnię właściwą w zakresie pomiędzy około 450 m²/m³ a około 100 m²/m³ i przewody przepływowe usadowione pod kątem mniej więcej pomiędzy około 30° a około 45°, kolumna może działać przy minimalnej prędkości pary przepływającej przez taki układ wypełnienia wynoszącej około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-3,748-0,000421 A] gdy ψ jest w powyższym zakresie i do około 0,03056^{-0 00}°⁴²¹^^0,372 gdy vjest większe niż 0,1. Dla układu złożonego wypełnienia, mającego powierzchnię właściwą w zakresie pomiędzy około 170 m²/m³ a około 250 m²/m³ i przewody przepływowe usadowione pod kątem około 30° lub raniej, za minimalną prędkość pary dla kolumny można przyjąć około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-2,788-0,00236A] gdy ψ]εβΙ w powyższym zakresie i do około 0,0305ε·°’^00236Αψ·°’³⁷² gdy vjost większo niż 0.1. Wreszcie, dla układu złożonego wypełnienia mającogo powierzchnię właściwą w zakresie pomiędzy około 250 m²/m³ a około 1000 m²/m³ i przewody przepływowe usadowione pod kątem około 30° lub mniej, minimalną prędkość pary z kolumny można ustawić naokoło εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-3,156-0,000893A] gdy ψjest w zakresie i do około 0,0551 e‘^{0 000893A}\/⁰’³⁷² gdy ψ]ε5ί większe niż 0,1. We wszystkich powyższych wzorach, A jest powierzchnią właściwą układu wypełnienia w m²/m³.

Stwierdzono również, że obok wydajności w odniesieniu do prędkości płynu i pary, wraz ze wzrostem ciśnienia w kolumnie zwiększa się wydajność rozdzielania układu rozdzielania układu złożonego wypełnienia. Przy ciśnieniach w zakresie pomiędzy około 3,5 bara, a około 7,5 bara, HEPT (Height Equivalent of a Theoretical Platę, równoważnik wysokości półki teoretycznej) dla układu wypełnienia typu 750.Y równy jest około 0,181 dodanego do iloczynu -0,00864 i ciśnienia. Dla ciśnień w zakresie pomiędzy około 7,5 bara, a około 20 barów, HETP wynosi około 0,116 metra. Dlatego też przy danym rozdzielaniu, liczba wymaganych teoretycznych stadiów pomnożona przez powyższe wartości HETP da pożądaną wysokość układu wypełnienia. Dotychczas uważano, że HETP rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, jednakże według wynalazku stwierdzono, że HETP zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia, po czym stabilizuje się na stałym poziomie, gdy rozdzielana mieszanina składa się z gazów atmosferycznych.

Na fig. 2 przedstawiono układ kolumny destylacyjnej 10, jednakże sposób według wynalazku nadaje się również do zastosowania w innych typach układów kolumn destylacyjnych, na przykład, w układach z podwójną kolumną, mających kolumnę wysokiego ciśnienia i kolumnę niskiego ciśnienia do wytwarzania jako produktów azotu i tlenu, w układach trzech kolumn do produkcji argonu itp.

W układzie kolumny destylacyjnej 10, podawane powietrze spręża się w sprężarce 11, a ciepło sprężania wytworzone przez sprężarkę 11 usuwane jest przez chłodnicę końcową 12. Powietrze podawane jest następnie do jednostki wstępnego oczyszczania 14, która składa

180 037 się z dwóch lub więcej pokładów adsorbenta działających poza fazą w celu adsorbcji dwutlenku węgla, wody i węglowodorów. Uzyskany strumień powietrza 16 schładzanyjest w odcinkach 18 i 20 głównego wymiennika ciepła aż do lub w pobliże jego punktu rosy i dzielony na dwa wtórne strumienie powietrza 22 i 24. Wtórny strumień powietrza 22 wprowadzany jest na spód kolumny destylacyjnej 26 dla oczyszczenia. Wtórny strumień powietrza 24 schładzany jest wtórnie we wtórnej chłodziarce 27, a następnie wprowadzanyjest jako płyn do odpowiedniej pośredniej części kolumny destylacyjnej 26.

Poprzez wprowadzenie wtórnego strumienia powietrza 22 wewnątrz kolumny destylacyjnej 26 tworzy się wstępująca faza gazowa. Zstępująca faza gazowa tworzy się przez usunięcie górnego strumienia pary azotu 28 i sprężenie górnego strumienia par azotu 28 w sprężarce głowicowej 30 dla wytworzenia strumienia powrotnego 32. Strumień powrotny 32 częściowo zawracany jest do kolumny destylacyjnej 26. Dolny strumień 36 kolumny jest wyprowadzany z kolumny destylacyjnej 26 i rozprężany do niskiej temperatury i ciśnienia poprzez zawór Joula-Thompsona J-T. Rozprężony dolny strumień 34 kolumny przechodzi następnie do sprężarki głowicowej 30 dla sprężenia górnego strumienia pary azotu 28. Uzyskany strumień 38, zawierający wysoko oczyszczony azot, jest częściowo ogrzewany we wtórnej chłodnicy 27 (ogrzewany do temperatury pomiędzy temperaturą działania kolumny destylacyjnej a temperaturą zimnego końca głównego wymiennika ciepła), a następnie ogrzewany jest w odcinkach 18120 głównego wymiennika ciepła. Dolny strumień 40 w postaci pary jest częściowo ogrzewany we wtórnej chłodnicy 27, a następnie dogrzewany ostatecznie w odcinkach 18 i 20 głównego wymiennika ciepła.

Podobnie jak we wszystkich instalacjach do kriogenicznego rozdzielania powietrza, przenikanie ciepła do instalacji wymaga stosowania chłodzenia. W rozwiązaniu przykładowym, strumień 40 dzieli się na dwa częściowe strumienie 42 i 44. Częściowy strumień 44 jest ogrzewany w odcinku 20 głównego wymiennika ciepła, a następnie łączy się z częściowym strumieniem 42. Połączony strumień podawany jest następnie do turborozprężacza 46. Strumień 48 jest odprowadzany z połączonego strumienia podawanego do turborozprężacza 46 i jest rozprężany w zaworze Joula-Thompsona (J-T) 50. Strumień 48 po rozprężeniu łączy się z rozprężonym strumieniem uwolnionym z wylotu turborozprężacza 46, tworząc strumień chłodzący 52. Strumień chłodzący 52 częściowo ogrzewa się we wtórnej chłodnicy 27 i w pełni ogrzewa się w odcinkach 18 i 20 głównego wymiennika ciepła, obniżając entalpię wchodzącego powietrza.

Poniższa tabela przedstawia przykładowe parametry pracy układu kolumny destylacyjnej 10.

Strumień	Temperatura (K)	Ciśnienie (bary)	Prędkość przepływu (kg/godz)	Skład (Mol %)
1	2	3	4	5
Strumień powietrza 16 po Jednostce Wstępnego Oczyszczania 14	302.60	6.00	4 449.66	78.11% N₂ 20.96% O₂ 0.93% Ar
Strumień powietrza 16 po odcinku 18 Głównego Wymiennika Ciepła	152.77	6.00	4 449.66	78.11% N₂ 20.96% O₂ 0.93% Ar
Strumień powietrza 16 po odcinku 20 Głównego Wymiennika Ciepła	102.84	6.00	4 449.66	78.11%N₂ 20.96% O₂ 0.93% Ar
Wtórny Strumień Powietrza_22	102.84	6.00	4 307.11	78.11%N, 20.96% O₂ 0.93% Ar

180 037

c. d. tabeli

1	2	3	4	5
Wtórny Strumień Powietrza 24 przed Wtórną chłodnicą 22	102.84	6.00	142.55	78.11%N₂ 20 96% O₂ 0.93% Ar
Wtórny Strumień Powietrza 24 po Wtórnej Chłodnicy 28	98.61	6.00	12-42.55	78.11%N₂ 20.96% O₂ 0.93% Ar
Strumień Dołu Kolumny 34	100.83	6.00	2 429.01	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.50% Ar
Strumień Dołu Kolumny 34 po Zaworze J-T 36	90.00	2.50	2 429.01	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.50% Ar
Strumień Wynikowy 38	96.14	5.87	2 020.64	99.72% N, 0.28% O₂0.00% Ar
Strumień Wynikowy 38 po Chłodnicy Wtórnej 27	101.87	5.87	2 020.64	99.72% N₂ 0.28% O₂ 0.00% Ar
Strumień Wynikowy 38 po odcinku 20 Głównego Wymiennika Ciepła	148.68	5.87	2 020.64	99.72% N, 0.28% O, 0.00% Ar
Strumień Wynikowy 38 po odcinku 18 Głównego Wymiennika Ciepła	300.8	5.87	2 020.64	99.72% N, 0.28% O₂0.00% Ar
Bogaty Strumień Pary 40 przed Wtórną Chłodnicą 27	93.31	2.50	2 429.01	59.04% N, 39.46% O₂ 1.5% Ar
Bogaty Strumień Pary 40 po Wtórnej Chłodnicy 27	101.84	2.50	2 429.01	59.04% N₂ 39.46% O, 1.5% Ar
Częściowy Strumień 44	101.84	2.50	502.58	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar
Częściowy Strumień 42	101.84	2.50	1 926.44	59.04% N, 39.46% O₂ 1.5% Ar
Częściowy Strumień 44 po częściowym ogrzaniu w odcinku 20 Głównego Wymiennika Ciepła	146.68	2.50	502.58	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar

180 037

c. d. tabeli

1	2	3	4	5
Połączenie Strumieni 42 i 44 podawane do Turborozpręzacza 46	111.38	2.50	448.73	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar-
Strumień 48 podawany do Zaworu J-T 50	111.38	2.50	1 980.28	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar
Połączenie Strumieni_42 i 44 po Turborozprężaczu 46	91.68	1.02	448.73	59.04% N₂ 39.46% O, 1.5% Ar
Strumień 48 po zaworze J-T 5Ώ	109.33	1.02	1 980.28	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar
Strumień Chłodzący 52	106.05	1.02	2 429.01	59.04% N, 39.46% O₂ 1.5% Ar
Strumień Chłodzący 52 po Wtórnej Chłodnicy 27	101.80	1.02	2 429.01	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar
Strumień Chłodzący 52 po odcinku 18_Głównego Wymiennika Ciepła	146.68	1.02	2 429.01	59.04% N, 39.46% O₂ 1.5% Ai
Strumień Chłodzący 52 po odcinku 20 Głównego Wymiennika Ciepła	300.08	1.02	2 429.01	59.04% N₂ 39.46% O₂ 1.5% Ar

Kolumna destylacyjna 26 wykorzystuje trzy odcinki układu złożonego wypełnienia oznaczone jako I, II i III. W tym przykładzie, w tworzeniu tych odcinków stosuje się układ wypełnienia mający gęstość 750 m²/m³, taki jak układ złożonego wypełnienia typu 750.Y produkowany przez Sulzer Brothers Limited. W tym projekcie, odcinek I ma około 27 stadiów teoretycznych, odcinek 11 ma około 26 stadiów teoretycznych, a odcinek III ma około 6 stadiów teoretycznych. Poniższa tabela przedstawia wydajność każdego z tych odcinków i wyliczenie C_L, a także wysokość układu wypełnienia w sposobie według wynalazku.

	Odcinek ł	Odcinek II	Odcinek III
GÓRA	DÓŁ	GÓRA	DÓŁ	GÓRA	DÓŁ
1	2	3	4	5	6	7
Pl (kg/m³)	714.6	771.2	771.2	820.1	822.4	836.8
p„ (kg/m³)	24.26	24.80	24.80	24.19	24.19	24.06
L (m³/godz)	3.528	3.333	3.333	2.909	3.065	2.903
V (m³/godz)	187.2	185.2	185.2	182.3	182.3	181 5
Cj. (m/s)	0.005784	0.005459	0.005459	0.004758	0.005013	0.004746

180 037

II

c. d. tabeli

1	2	3	4	5	6	7
Cv (m/s)	0.05655	0.05438	0.05438	0.05118	0.05112	0.05032
V(C_L/C_v)	0.1023	0.1004	0.1004	0.0930	0.09806	0.09433
C_v zachłyśn.	0.07067	0.07116	0.07116	0.07239	007187	0.07291
% zachłyśn.	80.02	76.41	76.41	69.82	71.13	69.02
HETP	0.130	0.130	0.130	0.130	0.130	0.130
Wysokość (m)	3.5	-	3.37	-	0.78	-

W poniższej tabeli przedstawiono wydajność kolumny destylacyjnej 26 zaprojektowanej do pracy znanym sposobem z granicą przelewania C_v.

	Odcinek I	Odcinek II	Odcinek III
GÓRA	DÓŁ	GÓRA	DÓŁ	GÓRA	DÓŁ
Pl (kg/m³)	714.6	771.2	771.2	820.1	822.4	836.8
Pv (kg/m³)	24.26	24.80	24.780	24.19	24.19	24.06
L (m³/godz)	3.528	3.333	3.333	2.909	3.065	2.903
V (m³/godz)	187.2	185.2	185.2	182.3	182.3	181.5
C_L (m/s)	0.005784	0.005459	0.005459	0.004758	0.005013	0.004746
C_v (m/s)	0.05655	0.05438	0.05438	0.05118	0.05112	0.05032
V(C_L/C_v)	0.1023	0.1004	0.1004	0.09300	0.09806	0 09433
Cv przelania	0.05184	0.05220	0.05220	0.0370	0.05263	0.05342
C_v projekt.	0.04147	0.04176	0.04176	0.04296	0.04213	0.04274
% przelania	80.02	76.41	76.41	69.91	71.21	69.1
HETP	0.193	0.193	0.193	0.193	0 193	0.193
Wysokość (m)	5.21	-	5.02	-	1.16	-

Po porównaniu powyższych tabel okazuje się, że maksymalna prędkość pary, to jest prędkość pary przy przelaniu jest większa w kolumnie destylacyjnej działającej w warunkach sposobu według wynalazku niż w kolumnie pracującej w warunkach znanego sposobu, na podstawie porównania odpowiednich odcinków. Ponadto stwierdzono, że HETP jest niższe w kolumnie destylacyjnej działającej w warunkach sposobu według wynalazku w stosunku do znanego stanu techniki w każdym odcinku kolumny destylacyjnej. Jak wspomniano poprzednio, korzyści te można zrealizować albo poprzez uzyskanie zwiększonej wydajności przy danej stałej objętości układu złożonego wypełnienia, albo poprzez zmniejszenie objętości układu złożonego wypełnienia przy danej stałej wydajności kolumny. Należy zwrócić uwagę na włączenie do powyższych tabel pozycji „C_v Projekt.” i „% przelania”. Pozycje te podano z tego względu, że zwykle kolumny destylacyjne nie działają w warunkach przelania. Są one raczej zaprojektowane i działają w warunkach zbliżania się do stanu przelania, które może nastąpić przy C_v wynoszącym około 80% przelania. Określenia „L” i „V” użyte w tabeli są średnimi prędkościami objętościowymi przepływu płynu i pary.

Przyjmując wymaganą wydajność z fig. 1, poniższa tabela podsumowuje możliwe oszczędności w układzie złożonego wypełnienia w kolumnie destylacyjnej 26 zaprojektowanej do pracy sposobem działania według wynalazku, w stosunku do znanego ze stanu techniki działania kolumny destylacyjnej 26.

180 037

Rozmiar wyposażenia	Stan techniki	Wynalazek
średnica kolumny (m)	0,55	0,47
2 powierzchnia kolumny (m )	0,24	0,17
wysokość układu wypełnienia (m)	11,39	7,64
objętość układu wypełnienia (m³)	2,68	1,31
HETP (cm)	19,30	13,00
Wobec stanu techniki :
średnica kolumny	100%	85,6%
przekrój poprzeczny kolumny	100%	73,4%
wysokość układu wypełnienia	100%	67,0%
objętość układu wypełnienia	100%	48,8%

Jak widać z powyższej tabeli, w kolumnie działającej i zaprojektowanej do pracy sposobem według wynalazku w stosunku do tej samej kolumny działającej i zaprojektowanej do pracy sposobem według stanu techniki wystarczy zastosować zaledwie połowę układu wypełnienia.

180 037

FIG. I

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych w układzie kolumny destylacyjnej, zawierającym przynajmniej jedną kolumnę destylacyjną z wypełnieniem, polegający na tym, że tworzy się zstępującą fazę płynną i występującą fazę gazowąmieszaniny gazów atmosferycznych w co najmniej jednej kolumnie destylacyjnej przez wprowadzanie fazy pary tej mieszaniny gazów poniżej wypełnienia jako wstępującej fazy gazowej, która to faza pary po dojściu do szczytu kolumny podlega skropleniu, inicjując powstawanie zstępującej fazy płynnej, lub przez wprowadzanie mieszaniny gazów w postaci płynnej do kolumny destylacyjnej powyżej wypełnienia jako zstępującej fazy płynnej, która następnie poprzez odparowanie tworzy wstępującą fazę gazową lub taż przez wprowadzenie dwufazowego przepływu mieszaniny gazów do kolumny i przez rozdzielenie pary od płynu w kolumnie dla utworzenia wstępującej fazy gazowej i zstępującej fazy płynnej, po czym kontaktuje się zstępującą fazę płynną i występującą fazę gazową w układzie złożonego wypełnienia, znajdującym się w co najmniej jednym odcinku co najmniej jednej kolumny destylacyjnej, w temperaturze w zakresie 83 - 133°K i pod ciśnieniem w zakresie 2-20 barów, i rozdziela się tę mieszaninę gazów, w miarę jak zstępująca faza płynna coraz bardziej nasyca się składnikami mieszaniny o niższej lotności, zaś wstępująca faza gazowa nasyca się coraz bardziej składnikami mieszaniny o wyższej lotności, przy czym stosuje się układ złożonego wypełnienia w postaci falistej blachy metalowej o gęstości wypełnienia w zakresie od około 100 m²/m³ do około 450 m²/m³ oraz w postaci przewodów przepływowych ustawionych pod kątem od około 30° do około 45°, przy czym w tym przynajmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej stosuje się ciśnienie większe niż około 2 bary, i utrzymuje się parametr przepływu ψ, równy C_L/C_V, gdzie C_v jest szybkością przepływu pary wstępującej fazy gazowej, a C| jest szybkością przepływu płynu zstępującej fazy płynnej, w zakresie od około 0,01 do około 0,1 albo większy od 0, l, znamienny tym, że parę wstępującej fazy gazowej prowadzi się z szybkością przepływu niższą od krytycznej szybkości przepływu pary, przy której w tym co najmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej następuje przelanie, ale większą od minimalnej szybkości przepływu pary równej około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,59511ηψ-3,176-0,00169A], gdy parametr przepływuψmieści się w zakresie od 0,01 do 0,1, i równej około 0,054ε'⁰’^00169Λψ·°·³⁷², gdy parametr przepływu ψjest większy od 0,1, gdzie A jest powierzchnią właściwą układu złożonego wypełnienia.
2. Sposób kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych w układzie kolumny destylacyjnej, zawierającym przynajmniej jedną kolumnę destylacyjną z wypełnieniem, polegający na tym, że tworzy się zstępującą fazę płynnąi wstępującą fazę gazowąmieszaniny gazów atmosferycznych w co najmniej jednej kolumnie destylacyjnej przez wprowadzanie fazy pary tej mieszaniny gazów poniżej wypełnienia jako wstępującej fazy gazowej, która to faza pary po dojściu do szczytu kolumny podlega skropleniu, inicjując powstanie zstępującej fazy płynnej, lub przez wprowadzanie mieszaniny gazów w postaci płynnej do kolumny destylacyjnej powyżej wypełnienia jako zstępującej fazy płynnej, która następnie poprzez odparowanie tworzy wstępującą fazę gazową lub też przez wprowadzenie dwufazowego przepływu mieszaniny gazów do kolumny i przez rozdzielenie pary od płynu w kolumnie dla utworzenia wstępującej fazy gazowej i zstępującej fazy płynnej, po czym kontaktuje się zstępującą fazę płynną i wstępującą fazę gazową w układzie złożonego wypełnienia, znajdującym się w co najmniej jednym odcinku, co najmniej jednej kolumny destylacyjnej, w temperaturze w zakresie 83 - 133°K i pod ciśnieniem w zakresie 2-20 barów, i rozdziela się tę mieszaninę gazów, w miarę jak zstępująca faza płynna coraz bardziej nasyca się składnikami mieszaniny o niższej lotności, zaś wstępująca faza gazowa nasyca się coraz bardziej składnikami mieszaniny o wyższej lotności, przy czym

180 037 stosuje się układ złożonego wypełnienia w postaci falistej blachy metalowej o gęstości wypełnienia w zakresie od około 450 m²/m³ do około 1000 m²/m³ oraz w postaci przewodów przepływowych ustawionych pod kątem od około 30° do około 45°, przy czym w tym przynajmniej jednym odcinku kolumny stosuje się ciśnienie większe niż około 2 bary, i utrzymuje się parametr przepływu ψ, równy C_L/C_V, gdzie C_v jest szybkością przepływu wstępującej fazy gazowej, a C_Ljest szybkością przepływu płynu zstępującej fazy płynnej, w zakresie od około 0,01 do około 0,1 albo większy od 0,1, znamienny tym, że parę wstępującej fazy gazowej prowadzi się z szybkością przepływu niższą od krytycznej szybkości przepływu pary, przy której w tym co najmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej następuje przelanie, ale większą od minimalnej szybkości przepływu pary równej około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-3,748-0,000421 A], gdy ψ jest w zakresie od 0,01 do 0,1, i równej około 0,0305e-°’⁰⁰⁰⁴²¹\|/-⁰’³⁷², gdy \|/jest większe od 0,1, gdzie A jest powierzchnią właściwą układu złożonego wypełnienia.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się układ złożonego wypełnienia mający gęstość wypełnienia około 750 m²/m³ i zawierający przewody przepływowe ustawione pod kątem około 45°, przy czym w tym przynajmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej stosuje się ciśnienie równe około 4 bary, i jako krytyczną szybkość przepływu pary stosuje się wielkość równą około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-3,885], gdy parametr przepływu ψ]ε8ί w zakresie od 0,01 do 0,1, i równą około 0,0266ψ-^0,372, gdy paramotr przepły wu ψ] est większy niż 0,1.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się układ złożonego wypełnienia mający gęstość wypełnienia około 750 m²/m³ i zawierający przewody przepływowe ustawione pod kątem około 45°, przy czym w tym przynajmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej stosuje się ciśnienie równe około 6 barów, i jako krytyczną szybkość przepływu pary stosuje się wielkość równą około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-3,753], gdy parametr przepływu ψjest w zakresie od 0,01 do 0,1 i równą około 0,03033ψ-°’³⁷², gdy parametr przepły wu ψ]est większy niż 0,1.
5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie w zakresie od około 3,5 barów do około 7,5 barów i stosuje się układ złożonego wypełnienia mający gęstość wypełnienia około 750 m²/m³ i zawierający przewody przepływowe ustawione pod kątem około 45° i mający wysokość, która wyrażona w metrach jest równa iloczynowi n(0,l 81-0,00864P), gdzie n jest liczbą teoretycznych stadiów wymaganych do wytworzenia wstępnie określonych stężeń składników mieszaniny o niższej i wyższej lotności, zaś P jest ciśnieniem.
6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie w zakresie od około 7,5 bara do około 20 barów i stosuje się układ złożonego wypełnienia mający gęstość wypełnienia około 750 m²/m³ i zawierający przewody przepływowe ustawione pod kątem około 45° i mający wysokość, która wyrażona w metrach jest w przybliżeniu równa iloczynowi liczby teoretycznych stadiów wymaganych do wytworzenia wstępnie określonych stężeń składników o niższej i wyższej lotności oraz liczby 0,116.
7. Sposób kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych w układzie kolumny destylacyjnej, zawierającym przynajmniej jedną kolumnę destylacyjną z wypełnieniem, polegającym na tym, że tworzy się zstępującą fazę płynną i występującą fazę gazowąmieszaniny gazów atmosferycznych w co najmniej jednej kolumnie destylacyjnej przez wprowadzanie fazy pary tej mieszaniny gazów poniżej wypełnienia jako wstępującej fazy gazowej, która to faz pary po dojściu do szczytu kolumny podlega skropleniu, inicjując powstanie zstępującej fazy płynnej, lub przez wprowadzanie mieszaniny gazów w postaci płynnej do kolumny destylacyjnej powyżej wypełnienia jako zstępującej fazy płynnej, która następnie poprzez odparowanie tworzy wstępująca fazę gazową, lub też przez wprowadzenie dwufazowego przepływu mieszaniny gazów do kolumny i przez rozdzielenie pary od płynu w kolumnie dla utworzenia wstępującej fazy gazowej i zstępującej fazy płynnej, po czym kontaktuje się zstępującą fazę płynną i wstępującą fazę gazowąw układzie złożonego wypełnienia, znajdującym się w co najmniej jednym odcinku, co najmniej jednej kolumnie destylacyjnej, w temperaturze w zakresie 83 - 133°K i pod ciśnieniem w zakresie 2 - 20 barów, i rozdziela się tę mieszaninę gazów, w miarę jak zstępująca faza płynna coraz bardziej nasyca się składnikami mieszaniny o niższej lotności, zaś wstępująca faza gazowa nasyca się coraz bardziej składnikami mieszaniny o wyższej

180 037 lotności, przy czym stosuje się układ złożonego wypełnienia w postaci falistej blachy metalowej o gęstości wypełnienia w zakresie od około 170 m²/m³ do około 250 m²/m³ oraz w postaci przewodów przepływowych ustawionych pod kątem do około 30°, przy czym w tym przynajmniej jednym odcinku kolumny stosuje się ciśnienie większe niż około 2 bary, i utrzymuje się parametr przepływuψ, równy C_L/C_V, gdzie C_v jest szybkościąprzepływu pary wstępującej fazy gazowej, a C_L jest szybkościąprzepływu płynu zstępującej fazy płynnej, w zakresie od około 0,01 do około 0,1 albo większy od 0,1, znamienny tym, że parę wstępującej fazy gazowej prowadzi się z szybkościąprzepływu niższą od krytycznej szybkości przepływu pary, przy której w tym co najmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej następuje przelanie, ale większą od minimalnej szybkości przepływu pary równej około οχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-2,788-0,00236A], gdy parametr przepływu vjest w zakresie od 0,01 do 0,1, i równej około 0,0796e'°’^00236Ay·⁰’³⁷², gdy parametr przepływu ψ jest większy od 0,1, gdzie A jest powierzchnią właściwą wspomnianego układu złożonego wypełnienia.
8. Sposób kriogenicznego rozdzielania mieszaniny gazów atmosferycznych w układzie kolumny destylacyjnej, zawierającym przynajmniej jedną kolumnę destylacyjną z wypełnieniem, polegający na tym, że tworzy się zstępującą fazę płynnąi wstępującą fazę gazową mieszaniny gazów atmosferycznych w co najmniej jednej kolumnie destylacyjnej, przez wprowadzanie fazy pary tej mieszaniny gazów poniżej wypełnienia jako wstępującej fazy gazowej, która to faza pary po dojściu do szczytu kolumny podlega skropleniu, inicjując powstanie zstępującej fazy płynnej, lub przez wprowadzanie tej mieszaniny gazów w postaci płynnej do kolumny destylacyjnej powyżej wypełnienia jako zstępującej fazy płynnej, która następnie poprzez odparowanie tworzy wstępującą fazę gazową lub też przez wprowadzenie dwufazowego przepływu mieszaniny gazów do kolumny i przez rozdzielenie pary od płynu w kolumnie dla utworzenia wstępującej fazy gazowej i zstępującej fazy płynnej, po czym kontaktuje się zstępującą fazę płynną i wstępującą fazę gazową w układzie złożonego wypełnienia, znajdującym się w co najmniej jednym odcinku, co najmniej jednej kolumny destylacyjnej, w temperaturze w zakresie 83 - 133°K i pod ciśnieniem w zakresie 2 - 20 barów, i rozdziela się tę mieszaninę gazów, w miarę jak zstępująca faza płynna coraz bardziej nasyca się składnikami mieszaniny o niższej lotności, zaś wstępująca faza gazowa nasyca się coraz bardziej składnikami mieszaniny o wyższej lotności, przy czym stosuje się układ złożonego wypełnienia w postaci falistej blachy metalowej o gęstości wypełnienia w zakresie od około 250 m²/m³ do około 1000 m²/m³ oraz w postaci przewodów przepływowych ustawionych pod kątem do około 30°, przy czym w tym przynajmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej stosuje się ciśnienie większe niż około 2 bary, i utrzymuje się parametr przepływu ψ, równy CL/CV, gdzie Cv jest szybkością przepływu pary wstępującej fazy gazowej, a CL jest szybkościąprzepływu płynu zstępującej fazy płynnej, w zakresie od około 0,01 do około 0,1 albo większy od 0,1, znamienny tym, że parę wstępującej fazy gazowej prowadzi się z szybkościąprzepływu niższą od krytycznej szybkości przepływu pary, przy której w tym co najmniej jednym odcinku kolumny destylacyjnej następuje przelanie, ale większąod minimalnej szybkości przepływu pary równej około εχρ[-0,0485(1ηψ)²-0,5951ηψ-3,156-0,000893 A], gdy parametr przepływu \pjest w zakresie od 0,01 do 0,1 i równej około 0,055 ΐ5ε·°>^000893Λψ-^ϋ·³⁷²; gdy parametr przepływu ψ jest większy od 0,1, gdzie A jest powierzchnią właściwą wspomnianego układu złożonego wypełnienia.

* * *