Islamic republic of Afghanistan Ministry of higher education Kabul polytechnic university

Faculty of chemical technology  

The work was realized in co‐operation with 

SLOVAK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY IN BRATISLAVA FACULTY OF CHEMICAL AND FOOD TECHNOLOGY INSTITUTE OF CHMICAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING

 

 

Air Separation Diploma project  

 

 

This diploma work was realized 

In the frame work of the project  

No. SAMRS 2009/09/02 

“Development of human resource capacity of Kabul polytechnic university” 

Funded by  

 

 

 

 

Bratislava 2010                                                               Sher shah Amarkhail 

Acknowledgement:

The author would like to express his appreciation for the Scientific Training Program to Institute of Chemical and Environmental Engineering, Faculty of Chemical and Food Technology of the Slovak University of Technology and Slovak Aid program (SMARS/2009/09/02) for financial support of this project. I would like to say my hearth thank to Doc. Ing. Juma Haydary, PhD. for his guidance and assistance during the all time of my training visit in Slovakia. My thank belongs also to Prof. Dr. Noor Mohammad Zamani and Prof Ahmad Ali Farhat my supervisors at the Kabul Polytechnic University for their kind guidance and support.

Content 

Introduction                                                                                                                                             1 

2. Theoretical parts                                               3                           

    1.2 Air properties                                                                                                                      3 

      2.2 Air  separat ion  technologies                                                                                                             8  

            2.2.1 Cryogenic Air separation                                                           10 

      2.2.2 Air clearing                                                 15 

           2.2.3 Air compression                               17 

           2.2.4 Cooling of Air                               20 

           2.2.5 Air distillation                               23 

                  2.3 Products of Air separation and their applications                                                        24 

3. Practical parts                        30 

          3.1 Thermodynamic of air separation                 30 

          3.2 Calculation of air distillation by McCabe‐Thiele method          34 

          3.3 Aspen simulation of air separation process            42 

          3.3.1 Technical specifications of KT – 1000 M plant            43 

          3.3.2 Results of ASPEN simulation                47 

4. Mechanical aspects of air distillation tower              61 

               4.1 Basic parameters of calculations                     61  

                4.1.1 Calculated pressures                         61  

        4.1.2Calculated Temperature                                                          63 

        4.1.3 Reactionary longitudinal model        63 

        4.1.4Coefficient Suture Stability Weld                64 

       4.2 Specified structural surpluses                    65 

         4.2.1 Selection of the Virtual Injections              66 

        4.3 Mechanical Calculation of distillation tower           68 

        4.3.1 Calculation Cylindrical Body of the tower            69 

5. Safety aspects of air distillation process              73 

        5.1 Major hazards of chemical Production             73 

        5.2Material properties in plant (separation of air) was planning       73 

        5.3Major risks in the production system (air separation)         74 

        5.4 Safe Conditions from operation of compressor          75 

        5.5 Facility for Defense employees individual             75 

       5.6 Sources of fire ignition materials               76 

       5.7 Way of making off fire                 76 

       5.8 Electrical safety                  77 

       5.9 Rules of the technical Repair of Compressor when its be not danger                          78 

       5.10 Ventilation products and its kinds                                  79 

6. Control of air distillation columns               80 

       6.1 Capital investment costs  80 

       6.2 Controlling Pressure in Distillation  81 

        6.2.1Vent to Atmosphere  82 

        6.2.2 Cooling Water  82 

        6.2.3Flooded Condenser – 1  83 

        6.2.4Flooded Condenser – 2  84 

        6.3 Controlling Tops Composition in Distillation  85 

        6.3.1 Reflux Rate  85 

        6.3.2 Reflux Ratio  86 

        6.3.3 Distillate Rate  86 

         6.4 Distillation Column Control Examples            87 

6. Economic evaluation of air distillation              92 

6.1 Capital investment costs                                                        92 

 6.2 Operational costs                                                                                                                 93 

Summary 97 

Conclusion                       98 

Symbols                       98 

 References                                 101 

 

 

 

 

     

1

1. Introduction 

The components presented  in air (Nitrogen, Oxygen, Argon etc.) are very often applied 

components in chemical technology. Large quantities of high‐purity air products are used in 

several industries,  including the steel, chemical, semiconductor, aeronautical, refining, food 

processing, and medical industries.  

Air at lower temperatures (‐196oC) becomes in liquid and so we can do the distillation of the 

air to  its components. Distillation of air  is currently the most commonly used technique for 

production  of  pure  oxygen,  nitrogen  and Argon  on  an  industrial  scale. An  example  of  an 

industrial process that requires pure oxygen and nitrogen is an IGCC (integrated gasification 

combined cycle), where the oxygen is fed to a gasified and the nitrogen to a gas turbine. The 

History of air separation has long time, in 1895 World´s first air liquefaction plant on a pilot 

plant scale, commercial scale, production scale, 1904  ‐World's  first air separation plant  for 

the  recovery of nitrogen, 1910 World's  first air  separation plant using  the double  column 

rectification  process,  1950  First  Linde‐Frankl  oxygen  plant  without  pressure  recycle  and 

stone filled reactors, 1954 World's first air separation plant with air purification by means of 

absorbers, 1978 Internal compression of oxygen is applied to tonnage air separation plants, 

1984 World's  largest VAROX air separation plant with variable oxygen demand adjustment, 

1990 World's first tale‐controlled air separation plant with unmanned operation. Pure argon 

production by rectification. 1991 World's  largest air separation plant with packed columns, 

1992 Air separation plants produce mega pure gases, and 1997 Lined sets a new milestone 

in air separation history. Four nitrogen generation  trains are being provided, each  in  itself 

constituting  the  largest  air  separation  plant  ever  built. Nitrogen  capacity  1,200 MMSCFD 

(40,000  t/d).  2000  Development  of  the  advanced  multi‐stage  bath  type  condenser.  In 

chemical  technology we  need  to  allot  of  oxygen,  nitrogen  and  argon.  Air  separation  has 

become a process integral to many manufacturing processes. 

The largest markets for oxygen are in primary metals production, chemicals and gasification, 

clay,  glass  and  concrete  products,  petroleum  refineries,  and welding.  The  use  of medical 

oxygen  is  an  increasing market. Gaseous  nitrogen  is  used  in  the  chemical  and  petroleum 

industries and it is also used extensively by the electronics and metals industries for its inert 

properties. Liquid nitrogen is used in applications ranging from cryogenic grinding of plastics 

2

to  food  freezing. Argon,  the  third major  component of air,  finds uses as an  inert material 

primarily  in welding,  steelmaking,  heat  treating,  and  in  the manufacturing  processes  for 

electronics.  

The  separation  of  air  into  its  components  is  an  energy  intensive  process.  The  companies 

designing  air  separation  processes  have  aggressively  reduced  the  required  energy  to  the 

point that  it  is possible to sell a truckload of  liquid nitrogen  for  is  less than many common 

consumer  products.  This  surprising  result  has  been  accomplished  by  advances  in  process 

design, process operation, manufacturing approaches and techniques, and improvements in 

supply  chain  management.  Process  designs  have  increasingly  utilized  mass  and  energy 

integration. Substituted process operations have  increased the ability to operate efficiently 

at  a wider  range of product on  requirements,  significantly  improved productivity  through 

pervasive Automation and advanced  control developed  the capability  to efficiently handle 

rapid  production  rate  and  product  split  changes,  and  leveraged  advances  in  remote 

communications.  Supply  chain  improvements  have  ranged  from  improved  purchasing 

practices to optimized scheduling of product delivery to coordinated operation of separate 

facilities. 

Much has been written concerning the design of air separation processes and certainly the 

worldwide  patent  activity  for  flow  sheet  and  equipment  innovation  continues.  Advanced 

control has been practiced in the air separation business for decades. The first application of 

computer control  for an air separation plant was completed  in  the early 1970s. Since  that 

time, most advanced control technologies have been applied  in an attempt to  improve the 

efficiency and productivity of air separation facilities. 

The current work aims  to describe  the air separation process  including heat exchange and 

cryogenic distillation. An ASPEN Plus  simulation of  cryogenic  air  separation  into Nitrogen, 

Oxygen and Argon  is created. The  influence of different process parameters on distillation 

efficiency is analyzed.  

 

 

 

 

 

   

3

2. THEORETICAL PART 

 

2.1   Air properties 

Air is a mixture of gases, consisting primarily of nitrogen (78 %), oxygen (21 %) and 

the inert gas argon (0.9 %). The remaining 0.1 % is made up mostly of carbon dioxide and the 

inert gases neon, helium, krypton and xenon. Air can be separated into its components by 

means of distillation in special units. Air is usually modeled as a uniform (no variation or 

fluctuation) gas with properties averaged from the individual components. 

 

 

 

Figure 1: Air composition 

 

 

Dry Air:   Dry Air  is  relatively uniform  in  composition, with primary  constituents as  shown 

below. Ambient air, may have up to about 5% (by c volume) water content and may contain 

a number of other gases (usually in trace amounts) that are removed at one or more points 

in the air separation and product purification system.   

The two most dominant components  in dry air are Oxygen and Nitrogen. Oxygen has a 16 

atomic unit mass and Nitrogen has 14 atomic units mass. Since both of these elements are 

4

diatomic  in air  ‐ O2 and N2, the molecular mass of Oxygen  is 32 and the molecular mass of 

Nitrogen is 28. Table 1 shows some properties of air components.  

 

Table 1: Some properties of air components  

Gas 

Ratio compared to Dry Air (%)  Molecular 

Mass  

‐ M ‐ 

(kg/kmol) 

Chemical 

Symbol 

Boiling Point 

By volume  By weight  (K)  (oC) 

Oxygen  20.95  23.20  32.00  O2  90.2  ‐182.95 

Nitrogen  78.09  75.47  28.02  N2  77.4  ‐195.79 

Carbon Dioxide  0.03  0.046  44.01  CO2  194.7  ‐78.5 

Hydrogen  0.00005  ~ 0  2.02  H2  20.3  ‐252.87 

Argon  0.933  1.28  39.94  Ar  84.2  ‐186 

Neon  0.0018  0.0012  20.18  Ne  27.2  ‐246 

Helium  0.0005  0.00007  4.00  He  4.2  ‐269 

Krypton  0.0001  0.0003  83.8  Kr  119.8  ‐153.4 

Xenon  9 10‐6  0.00004  131.29  Xe  165.1  ‐108.1 

 

Other components in air: 

Sulfur dioxide ‐ SO2 ‐ 1.0 parts/million (ppm)  

• Methane ‐ CH4 ‐ 2.0 parts/million (ppm)  

• Nitrous oxide ‐ N2O ‐ 0.5 parts/million (ppm)  

• Ozone ‐ O3 ‐ 0 to 0.07 parts/million (ppm)  

5

• Nitrogen dioxide ‐ NO2 ‐ 0.02 parts/million (ppm)  

• Iodine ‐ I2 ‐ 0.01 parts/million (ppm)  

• Carbon monoxide ‐ CO ‐ 0 to trace (ppm)  

• Ammonia ‐ NH3 ‐ 0 to trace (ppm)  

Dry air properties at temperatures ranging 175 ‐ 500 K are indicated in the table 2. 

 

Table 2: Some properties of air at temperatures ranging 175 ‐ 500 K 

Temperature 

(K) 

Specific Heat Capacity  Ratio of 

Specific 

Heats

‐ k ‐ 

(cp/cv) 

Dynamic 

Viscosity 

‐ μ ‐ 

10‐5 

(kg/m s) 

Thermal 

Conductivity

10‐5 

(kW/m K) 

Prandtl 

Number 

Kinematic 

Viscosity1) 

‐ ν ‐ 

10‐5 

(m2/s) 

Density1) 

‐ ρ ‐ 

(kg/m3) ‐ cp ‐ 

(kJ/kgK) 

‐ cv ‐ 

(kJ/kgK) 

175  1.0023  0.7152  1.401  1.182  1.593  0.744  0.586  2.017 

200  1.0025  0.7154  1.401  1.329  1.809  0.736  0.753  1.765 

225  1.0027  0.7156  1.401  1.467  2.020  0.728  0.935  1.569 

250  1.0031  0.7160  1.401  1.599  2.227  0.720  1.132  1.412 

275  1.0038  0.7167  1.401  1.725  2.428  0.713  1.343  1.284 

300  1.0049  0.7178  1.400  1.846  2.624  0.707  1.568  1.177 

325  1.0063  0.7192  1.400  1.962  2.816  0.701  1.807  1.086 

350  1.0082  0.7211  1.398  2.075  3.003  0.697  2.056  1.009 

375  1.0106  0.7235  1.397  2.181  3.186  0.692  2.317  0.9413 

6

400  1.0135  0.7264  1.395  2.286  3.365  0.688  2.591  0.8824 

450  1.0206  0.7335  1.391  2.485  3.710  0.684  3.168  0.7844 

500  1.0295  0.7424  1.387  2.670  4.041  0.680  3.782  0.7060 

 

Common Pressure Units frequently used as alternative to "one Atmosphere" 

76 Centimeters (760 mm) of Mercury  

• 29.921 Inches of Mercury  

• 10.332 Meters of Water  

• 406.78 Inches of Water  

• 33.899 Feet of Water  

• 14.696 Pound‐Force per Square Inch  

• 2116.2 Pounds‐Force per Square Foot  

• 1.033 Kilograms‐Force per Square Centimeter  

• 101.33 Kilopascal  

Table 3: Some other physical properties of air components:  

               Nitrogen  Oxygen 

Normal boiling point °K  126.1     154.4 

critical pressure    at                     34.6  51.3 

Critical temperature °K                     77.35         90.19 

      

                                              

  Oxygen has the highest boiling point of the three main components and  is taken from the 

bottom of the LP column. Nitrogen is taken from the top of the LP or HP columns. An argon 

7

rich stream can be product in other distillation columns withdrawn from the middle of the LP 

column.  Figure  2  (Source:  reference  [9]  www.engineeringtoolbox.com/dry‐air‐properties‐

d_973.html) shows the air density versus temperature and pressure.   

 

 

 Figure 2: Air density versus temperature and pressure 

 

 

8

2.2  Air  separat ion  technologies  

 Air  separation  plants  are  designed  to  generate  oxygen,  and  argon  from  air  through  the 

process  of  compression,  cooling,  liquefaction  and  distillation  of  air.  Air  is  separated  for 

production  of  oxygen,  nitrogen,  argon  and  ‐  in  some  special  cases  ‐  other  rare  gases 

(krypton, xenon, helium, neon)  through cryogenic  rectification of air. The products can be 

produced  in  gaseous  form  for  pipeline  supply  or  as  cryogenic  liquid  for  storage  and 

distribution by truck. One of the largest producers of air separation plants is Lined Company. 

It has built approx. 2,800 cryogenic air separation plants in more than 80 countries (Source: 

http://tn‐sanso‐plant.com/en/air.html  [4])  and  has  the  leading  market  position  for  air 

separation plants.  

 

 

 

 

Figure 3: air separation scheme 

 

Air can be separated  into  its components by means of distillation  in special units. So‐called 

air  fractionating  plants  employ  a  thermal  process  known  as  cryogenic  rectification  to 

separate  the  individual  components  from  one  another  in  order  to  produce  high‐purity 

nitrogen, oxygen and argon in liquid and gaseous form.  

Different type of air separation technologies was developed: 

9

• Cryogenic Air separation 

• Membrane Air separation 

• Separation by adsorption  

• Other 

Different technologies are applicable for different requirement on amount and purity of the 

products.  Figure  (4)  shows  the Oxygen  production  process  selection  grid. A  similar  graph 

describing the ranges for which the different nitrogen processes are applicable can be seen 

in Fig. (4)  

 

 

 

Figure 4: Oxygen production process selection grid 

 

Methods such as membrane separation are also available but they are currently used far less 

pervasively than the other two approaches.  

 

 

 

10

 

Figure 5: Nitrogen production process selection grid. 

 

2.2.1 Cryogenic Air Separation  

Cryogenic  air  separation  process  is  one  of  the most  popular  air  separation  process,  used 

frequently in medium to large scale plants. It is the most preferred technology for producing 

nitrogen, oxygen, and argon as gases and/ or  liquid products and supposed to be the most 

cost  effective  technology  for  high  production  rate  plants.  In  today's market  scenario,  all 

liquefied  industrial  gas  production  plants make  use  of  cryogenic  technology  to  produce 

liquid products. 

There are different variations arising from differences in user requirements in the cryogenic 

air separation cycles to produce industrial gas products. The cycle of processing depends on:  

• How many products are required  (whether simply oxygen or nitrogen, both oxygen 

and nitrogen, or nitrogen, oxygen and argon). 

• Required purities of the products. 

• Gaseous product delivery pressures. 

• Lastly whether the products need to be stored in Liquid form.  

11

In the cryogenic gas processing, various equipment is used like the distillation columns, heat 

exchangers,  cold  interconnecting piping etc. which operate at  very  low  temperatures  and 

hence must be well insulated. These items are located inside sealed "cold boxes". Cold boxes 

are tall structures with either round or rectangular cross section. Depending on plant type, 

size and capacity, cold boxes may have a height of 15 to 60 meters and 2 to 4 meters on a 

side. 

Basic steps of cryogenic air separation:  

First Step: The first step in any cryogenic air separation plant is filtering and compressing air. 

After filtration the compressed air is cooled to reach approximately ambient temperature by 

passing through air‐cooled or water‐cooled heat exchangers. In some cases  it  is cooled  in a 

mechanical  refrigeration  system  to  a  much  lower  temperature.  This  leads  to  a  better 

impurity  removal, and also minimizing power  consumption,  causing  less  variation  in plant 

performance  due  to  changes  in  atmospheric  temperature  seasonally. After  each  stage  of 

cooling and compression, condensed water is removed from the air. 

Second Step: The second step  is removing  the  remaining carbon dioxide and water vapor, 

which must  always  be  removed  to  satisfy  product  quality  specifications.  They  are  to  be 

removed before the air enters the distillation portion of the plant. The portion is that where 

the very  low  temperature can make  the water and carbon dioxide  to  freeze which can be 

deposited on the surfaces within the process equipment. There are two basic methods to get 

rid of water vapor and carbon dioxide ‐ molecular sieve units and reversing exchangers. 

Third Step: The  third step  in  the cryogenic air separation  is  the  transfer of additional heat 

against product  and waste  gas  so  as  to  bring  the  air  feed  to  cryogenic  temperature.  The 

cooling  is usually done  in  brazed  aluminum heat  exchangers.  They  let  the  heat  exchange 

between  the  incoming  air  feed  and  cold  product  and  waste  gas  streams  leave  the  air 

separation process. The very cold temperatures required for distillation of cryogenic 

Products  are  formed  by  a  refrigeration  process  comprising  expansion  of  one  or  more 

elevated pressure process streams. 

Fourth Step: This step involves the use of distillation columns to separate the air into desired 

products. For example, the distillation system for oxygen has both "high" and "low" pressure 

12

columns. Nitrogen plants can have one or two column. While oxygen leaves from the bottom 

of the distillation column, nitrogen leaves from the top. Argon has a boiling point similar to 

that  of  oxygen  and  it  stays  with  oxygen.  If  however  high  purity  oxygen  is  needed,  it  is 

necessary that at an intermediate point argon must be removed from the distillation system. 

Impure oxygen produced in the higher pressure distillation column is further purified in the 

lower  pressure  column.  Plants  which  produce  high  purity  oxygen,  nitrogen  or  other 

cryogenic gases require more distillation stages.  

Figure 4  shows  the basic  steps of cryogenic air  separation provided by MESSER. The basic 

steps of this technology are described as:    

Compression of air: Ambient air  is drawn  in, filtered and compressed to approx 6 bar 

by a compressor.  

Precooking of air: To separate air into its components, it must first be liquefied at an 

extremely low temperature. As a first step, the compressed air is precooled with chilled 

water. 

 Purification of air: Impurities such as water vapor and carbon dioxide are then 

removed from the air in a so‐called molecular sieve. 

Cooling  of  air:  Because  the  gases  which  make  up  air  only  liquefy  at  very  low 

temperatures, the purified air  in the main heat exchanger  is cooled to approx.  ‐175°C. The 

cooling  is  achieved  by means  of  internal  heat  exchange,  in which  the  flows  of  cold  gas 

generated during the process cool the compressed air. Rapid reduction of the pressure then 

causes  the compressed air  to cool  further, whereby  it undergoes partial  liquefaction. Now 

the air is ready for the separating column, where the actual separation takes place. 

 

 

13

 

 

Figure 6 : Basic steps of air separation 

Separation of air: Separation of air into pure oxygen and pure nitrogen is performed in 

two columns, the medium‐pressure and the low‐pressure Columns. The difference in boiling 

point of the constituents is exploited for the separation process. Oxygen becomes a liquidate 

‐183°C and nitrogen at ‐196°C. The continuous evaporation and condensation brought about 

by the intense exchange of matter and heat between the rising steam and the descending 

liquid produces pure nitrogen at the top of the low‐pressure column and pure oxygen at the 

bottom. Argon is separated in additional columns and involves some extra steps in the 

process.  

 Withdrawal and storage: Gaseous oxygen and nitrogen are fed into pipelines for 

transport to users, e.g. steelworks. In liquid form, oxygen, nitrogen and argon are stored in 

tanks and transported to customers by tanker Lorries. 

14

Cryogenic air separation flow diagram: 

 The cryogenic air separation flow diagram given below does not represent any particular 

plant and shows in a general way many of the important steps involved in producing oxygen, 

nitrogen, and argon as both gas and liquid products. 

 

Figure 7: Cryogenic air separation flow diagram 

 

LIN  assist  plants:  are  special  kinds  of  cryogenic  plant  that  can  cost‐effectively  produce 

gaseous  nitrogen  at  relatively  low production  rates.   They  differ  from  "normal"  cryogenic 

plants in that they do not have their own mechanical refrigeration system.  They effectively 

"import"  the  refrigeration  required  for  on‐site  nitrogen  production  from  a  remote  high‐

volume, high efficiency merchant liquid plant. They accomplish this by continuously injecting 

a small amount of  liquid nitrogen  into the distillation process. The "imported" LIN provides 

reflux for distillation, then vaporizes and mixes with the  locally‐produced gaseous nitrogen, 

becoming part of  the  final product stream.  This arrangement simplifies  the plant, reduces 

capital  cost  (versus  a  "normal"  cryogenic  plant with  its  own  refrigeration  cycle)  and  can, 

15

under  the  right  conditions, provide better overall economics  than either  an  all‐bulk‐liquid 

supply or a new cryogenic nitrogen plant with a standard internal refrigeration cycle.  

 

2.2.2   Air clearing 

Before distillation the air should be cleared from different  impurities and components. The 

exits of  impurity  like  compass  ,wet  ,carbon dioxide, and another  impurity  in air make  the 

problems in air distillation so we have to clear the air before the that process. 

Clearing the air from compass and Dry it: 

 The content of compass  in air  is about 0.002 – 0.02  g/m3 so  for clearing  the air  from  this 

impure we use the oil filters. Air passes these filters and clears from compass. In a big plant 

with large capacity of products we use the several sections of automatic filters with a patch 

or section of locomotive. Wet in air belongs to the status of the weathers. Value of the wet 

in air when air bee 100% saturate by it in the below table. 

                   Table 4:  correlation of air with wet from t °C  

                                                

 

     

    

 

 

 

Drying of the air can be realized with one of these forms: 

1‐ Adsorption  with  SiO2.H2O  :  We  can  get  the  SiO2.H2O  by  sluice  hydrate  of  aced  of 

SiO2.H2O and its bait size is 3 – 7mm. after drying by SiO2.H2O contain of the wet is 0.03 

g/m3  decrease and its dew dot is ‐52.   

Co  wet  g/m3  t °C  Co wet  g/m3 t °C 

2.31 

1.01 

0.44 

0.117 

0.038 

‐10

‐20 

‐30 

‐40 

‐50 

50.91

30.21 

17.22 

9.93 

4.89 

40

30 

20 

10 

0 

16

2 – Adsorption by Active Al2O3.H2O:  Active Al2O3.H2O and another oxidant is SiO, Na2O, and 

OF product via sluice tray hydroid oxidant Almonium. 

Active Al2O3.H2O possessor of very better mechanical substance then SiO2.H2O and it better 

suction  the wet. After  the drying with Al2O3.H2O  the content of wet  in air 0.005g/m3 be  in 

decrease. And it mach with the ‐64 dot of dew. Redaction of the adsorbent by Hate nitrogen 

up to 170 – 180°C for SiO2.H2O for Al2O3.H2O 245 – 270°C.  

For adsorption of air from wet also we use the almonium silicates, sodium, and etc. 

3 – Making  ice:    In same of the air separation plant that work with two pressure cycle and 

frizzing with NH3. Drying the air  in heat exchanger at first cooling by the gutter oxygen and 

nitrogen up to 5°C after that with ebullient NH3 up to ‐40 – 45 °C bee cooled. Usually we use 

two ammonic heat exchanger that work automatic when one of them hates the other one 

be cooled. 

                

Air clearing from carbon dioxide:  

 In beg plant  that has beg capacity clearing  the air  from CO2  in  the  scrubber of alkali  that 

washed  by  SOLUTION  of  the  sodium  hydro  oxide  or  potassium  hydroxide.  Same  time  in 

regenerators of oxygen and nitrogen do  that. During  the passage of air  from  regenerators 

the CO2 become freeze on the absorbent of the O2, N2. The freeze CO2 then clears from air 

and  the  CO2  on  absorbent  clearing  by  the  predicted  O2and  N2.  There  also  use  two 

regenerators  that work on periodic  system and after a  few mints  change  they are places. 

Content of CO2 after scrubber of alkali and regenerator 15 – 20 cm3/m3 and it will be in the 

liquid  form  the  air  or  same  times  it  is  like  a  ingredient  suspension  so  it  can make  same 

problems in valves and shut the hole of plates in separation tower.  

Clearing air from acetylene:     

Air clearing  from acetylene because  it’s very dangerous  for  the air separation plant  so  it’s 

important to clear air from it because if acetylene aggregation it will be explosion. Acetylene 

has low part pressure in the air so it can’t distant in heat exchanger and in regenerator and 

it’s aggregation in liquid. Acetylene has low solubility in air, oxygen and nitrogen so it can be 

very easy clean in SiO2.H2O filters.  Use the different mark of the SiO2.H2O.               

 

17

2.2.3 Air compression 

The  air  compression  refrigeration  cycle  was  studied  long  ago.  Several  disadvantages 

prevented  air  from  being  used  as  a  working  fluid  in  refrigeration.  These  included  low 

volumetric  refrigerating  effect,  which  may  result  in  a  large  compressor,  and  low  COP 

(compression)  due  to  low  efficiencies  of  the  compressor  and  expander.  After  CFC’s 

(chlorofluorocarbons)  invention  in the1930s, people paid  little attention to air compression 

refrigeration System: 

Representation  on  enthalpy–entropy  coordinates  and  a  circuit  diagram  of  an  open  air‐

compression  refrigeration  system  for air  conditioning and hot water cooled by cool water 

are  shown  in  Fig 8. The outdoor  air  at 2  is drawn  into  the  atomizing  chamber,  cooled  to 

saturated  air  at  3  with  some  fine  water  droplets  and  then  compressed  by  an  axial 

compressor. A flow of compressed air at 4 with higher temperature, T4, and high pressure, 

P4,  is  obtained.  Then,  the  compressed  air  at  4  is  cooled  to  saturated  air  at  7  with  a 

temperature T7 by cool water/underground water in a surface heat exchanger after the axial 

compressor outlet. 

 

  

Figure 8: enthalpy–entropy coordinates 

 

Figure 8 Representation on enthalpy–entropy  coordinates  and  circuit diagram of  an open 

air‐compression  refrigeration  system  for  air  conditioning  and  hot  water  cooled  by  cool 

water. 

 

18

Some vapor  is condensed, and the  latent heat of the vapor  is discharged from 4 to7. Then, 

the saturated air at 7 is expanded and cooled to the cool air at 8 in the turbine. The cool air 

at 8 is then ducted to the air conditioned rooms. The cool water is heated in the surface heat 

exchanger.  Water  injection  before  the  axial  compressor  aims  to  decrease  both  the 

temperature of the working fluid and the polytrophic exponent in the compression process. 

Thus, we can save some compression work. This method has been used in a jet engine when 

a  fighter plane  increases  its speed. However, the difference  is that what  is  injected  in a  jet 

engine is water, alcohol, etc. The water vapor in the compressed air can easily be extracted 

by  a  surface  heat  exchanger.  With  the  same  temperature,  the  humidity  ratio  of  the 

saturated wet air at high Pressure P4 is only about P3/P4 of that at pressure P3. The method 

of using  compressed air  to  acquire dry  air has been used  in  some workshops  the  system 

above differs from a conventional air cycle system. There are many characteristics in this air–

vapor refrigeration circle. 

Firstly, an axial compressor and a turbine are used in the above system. 

The characteristics of turbo‐machines are large mass flow rate and high efficiency. The other 

types  of  compressor  and  expander  have  none  of  the  above  advantages.  Secondly,  these 

refrigeration system  intakes precooled wet air with  fine water droplets, and some vapor  is 

condensed during the air cooling from 4 to 7.  

The amount of water extracted from the high pressure wet air can reach 18–30 g/kg (d.a.), 

and  the  amount of  latent heat discharged  from  the  vapor  condensed,  about  45–75  kJ/kg 

(d.a.),  exceeds  the  sensible  heat  from  the  air,  30–50  kJ/kg  (d.a.).  For  this  reason,  the 

refrigeration  load  in  this  air–vapor  refrigeration  system depends on a  combination of  the 

sensible 

 

The humidity ratio of wet air, D, is obtained from 

                                                                                               (2.1) 

 

The enthalpy of wet air, H, is calculated from 

 

                H = 1.006t + 0.001D (2501 + 1.805t)                                                             (2.2) 

19

 

The adopted relation for water vapor between saturation 

Pressure and saturation temperature, Ps = f (ts), is selected from Ref [2] 

To calculate the saturated temperature of the wet air from the saturated enthalpy, Esq. (1) 

and (2) and Ps = f(ts) are used. 

 

 

Axial compressor 

 During  the  compression  process  of  the  wet  air,  the  fine water  droplets  in  the  air may 

evaporate.  Because  the  evaporation  of  water  takes  in  heat,  we  can  regard  the  ideal 

compression process of the wet air  in  the compressor as a polytrophic process. Therefore, 

we can obtain the ideal work of the compressor per kilogram dry air, WC, from 

                   

     W c =              (Rair + 0.001DRvapor) T3 [1 – ( p4/p3 )n ‐1/n]                                        (2.3) 

in which n is the polytrophic exponent for the compression process. 

The practical work consumed by  the axial compressor  is Wc/gc  in which gc  is  the  thermal 

efficiency of the compressor. 

 

Turbine 

 The saturated air with a pressure of P7 and a temperature of T7 before the turbine has been 

dehumidified  in  the  surface  heat  exchanger  by  cooling water. At  point  7,  the  amount  of 

vapor  included  in  the  saturated  air  is  very  small,  about  P3/P7  of  the  amount  included  in 

saturated air at P3. Thus, the water condensed in the air is in fog. Nevertheless, expansion of 

the saturated air in the turbine cannot be regarded as an adiabatic expansion of an ideal gas. 

With  the decrease of  the wet air pressure  in  the  turbine,  the  temperature of  the wet air 

decreases, and some heat  is discharged during the condensation of some water vapor. The 

heat discharged may cause increases in both the temperature of the turbine outlet and the 

work done  in the expansion. For this problem, we can  imagine that no phase change exists 

and  that  there  is  some heat added  to  the wet air during  the expansion process when we 

calculate the work done by the expansion process. According to the above assumption, this 

problem  can  be  simplified  to  a  problem  of  the  polytrophic  expansion  of  an  ideal  gas. 

20

Consequently, we can obtain  the  ideal work done by  the expansion, Wt,  through  iteration 

and then obtain the real work generated by the turbine and the temperature of the turbine 

outlet. The following are the steps to calculate Wt and T8. 

1. Determine Ps7 from T7, D7 from Ps7 and P7, and H7 from D7 and T7. 

2. Get gas constant R for the saturated air at 7 by using 

The formula: 

             R = 0.001(287 + 0.461D7+0461D7) 

3. Calculate the initial Wt to iterate according to an adiabatic 

Expansion of an ideal gas. 

4. Calculate the enthalpy of the saturated air at 8 by using 

             H8 = H7 – Wt+ 

5. Determine T8, Ps8 D8 using H8 and P8 

      

Heat of air and the latent heat of vapor. 

Lastly, the cool from the cooling water was used. Usually, 

it cannot be used. 

 

2.2.4 Cooling of air  

Air cooling is a method of dissipating heat. It works by making the object to be cooled have a 

larger surface area or have an increased flow of air over its surface, or both. The air will be 

cooled by the counter‐flowing gaseous oxygen, gaseous nitrogen and waste nitrogen in the 

main heat exchanger of the rectification column until liquefying temperature of the air. 

The area of low temperature are divided in two parts 

1. Medium cool     ‐ 70 ÷  ‐ 100 °C 

2. Recondite cool     >  ‐ 100 °C 

The average cool is created by vaporization of liquid phase. These liquids are called 

ingredient of cool. For example when NH3, SO2, CO2, C3H8, C4H10 etc.  Are vaporized the heat 

of ambient is used for evaporation and the ambient temperature decreases. Then the 

vaporized gases are compressed and cooled in compressor and heat exchangers so it 

21

becomes liquid again. For creation of liquid nitrogen, O2, H2 , air etc. the recondite cool is 

used.  

In general for overtake of recondite cool we use three systems as below: 

1. Cascade vaporization  

2. Fast pressure drop by transmission of gas 

3. Adiabatically expansion of gas with external work  

The first one creates medium cool, the second and third are creating recondite cool. Two 

kind of transmission effect we have: 

1. Differential effect 

2. Integral effect 

The change of temperature caused by a very small change of pressure is called differential 

effect of transmission.  And it is shown by this formula  

                       αi = [ ]i=cont                                                                                                                                        ( 2.4) 

The change of temperature caused by a large change of pressure is called integral effect of 

transmission.  And it is shown by this formula  

                       ΔTi = T1‐ T2 =                                        (2.5)         

T1,T2 are  gas temperature before and after the transmission. The transmission effect of 

every gas can be positive, negative or zero. The temperature that equals zero by the effect of 

transmission is called “change point”.   

Adiabatically expansion of gas with external work 

One  of  another  way  to  create  low  temperature  is  adiabatically  expansion  of  gas  with 

external work that occurs  in turbo machine or  in compressors. The adiabatically expansion 

effect of transmission of gas is equal to the: 

                               αs =  s cont                                                                            (2.6) 

22

By  adiabatic  expansion  the  decrease  of  temperature  is  more  significant  than  the 

transmission of gas.  

The work done by adiabatic expansion is equal to the difference of air enthalpies in the enter 

and exit of machine. 

                             L = i1 – i2     kj/kg 

When ds =0 the final temperature can be find from this formula  

                            

 = ( ) k‐1/k 

     T2, T1 ‐ are temperatures of gas before and after the expansion. 

     P1, P2 ‐ first and second pressure of gas. 

     K ‐ Adiabatically characteristic.   

By  increase of the pressure and reduction of temperature the quantity of αs reduces and  it 

become near or close to the αi quantity. And near to the climacteric temperature area both 

affect of adiabatically expansion and effect of Transmission of gas are  the  same and  they 

create identical cool. 

Recondite cool cycles: 

1‐ Cycles that using effect of Transmission of gas:  

a) Cycle of one stage Transmission of gas  

b) Cycle with tow pressure of air 

c) Cycle with rotation of low pressure 

2‐ Cycle by using Adiabatically expansion: 

a) Clod cycle 

b) Kapisa cycle 

c) Liroza cycle 

d) Composite cycle 

For more details of air cooling cycles see (Reference: lessen chapter [3]) 

 

23

2.2.5 Air distillation 

In an air separation unit for separating air by cryogenic process, thereby recovering oxygen, 

nitrogen and Argon, column of duplex type rectification tower is used. The air is fed into the 

lower column with higher pressure. Liquid nitrogen is introduced into the upper column as a 

reflux  from  lower  column  and  a  oxygen  reached  stream  from  the  bottom  of  the  lower 

column  is  fed  to  the  bottom  of  the  higher  column.  Distillate  from  the  upper  column  is 

practically pure Nitrogen,  bottom  of  this  column  in Oxygen  and Argon  reached  stream  is 

removed from the middle part of the upper column.  

Air distillation column 

Distillation column combined from bottom 

column (2), condenser and reboiler (3) and 

upper column (4). Bottom column work 

under 5.5‐ 6.5 at pressure and its   

allocation for preliminary distillation of air 

in to nitrogen and mixed of oxygen and air 

that has 60 – 65% nitrogen and 35 – 40 % 

oxygen.  In upper column that works at 1.3 

– 1.4 at for finally distillation of mixed 

oxygen and air in to nitrogen and oxygen. 

 

1‐ Liquid oxygen and air 

2‐ Bottom column 3‐ condenser – reboiler 4 – 

upper column 5 – stages 

6‐ Liquid nitrogen packet 7‐ valve  

8‐ pipes    

                                                                               Figure 9: air distillation column 

 In the medal of bottom and upper column condenser and reboiler located that condensing 

of nitrogen for bottom column and vaporizing oxygen for upper column. Condensation 

temperature of nitrogen in bottom column is 96 – 97 °K and oxygen vaporization 

temperature in upper column is 92 – 93 °K. 

24

Compressed air in 120 ‐200 at in siding at the lower parts of column 2 by temperature of 145 

– 155 °K after that other process accomplishment on it. At the end gases nitrogen products 

from  top of  column 4, oxygen products  from  the  top of  condenser 3 and Argon  from  the 

medal  of  column  4  .number  of  theoretical  stage  in  upper  column  are  about  36  up  to  56 

stages and in bottom column 24 up to 36 stages.     

The produced Nitrogen, Oxygen and Argon purity is: 

  Mol fraction of oxygen 98.7%, mol fraction of nitrogen 99.0%, mol fraction of Argon99.5 %. 

2.3 Products of air separation and their applications   

These are the Air products:  

Oxygen:      Oxygen makes up 21 percent of the air we breathe. Our bodies need oxygen to 

support life, so oxygen has many medical and healthcare uses. 

Oxygen is also used in many industries, in clouding metal and glass manufacturing, chemicals 

and petroleum processing, pharmaceuticals, pulp and paper, aerospace, wastewater 

treatment and even fish farming. 

Chemical formula: O2‐ other names: oxygen gas, gaseous Oxygen (GOX), liquid oxygen (LOX)      

 Physical and Chemical Properties 

     Oxygen has no color or smell. Oxygen is slightly heavier than air and slightly water soluble. 

Oxygen  combines  readily  with many  elements  to  form  compounds  called  “oxides.”  One 

example  is  iron oxide, or rust, that  forms on  iron  in the presence of oxygen and moisture. 

Although  oxygen  itself  is  nonflammable,  combustible  materials  burn  more  strongly  in 

oxygen. Even though most applications use oxygen in the gas form, it can be cooled to a pale 

Blue  liquid  at  extremely  low  temperatures  (‐297°F/‐183°C).  To  put  that  temperature  into 

perspective, water freezes at 32°F/0°C. 

 

Uses and Benefits 

      Our bloodstream absorbs oxygen from the air in our lungs to fuel the cells in our bodies. 

Healthcare providers use medical oxygen for patients in surgery and for those who have 

difficulty breathing. For home use, lightweight Portable oxygen cylinders give patients 

freedom to gout in to the community. 

25

Oxygen promotes combustion, so it help manufacturers save upland energy and reduce the 

emission of green house gases such as carbon dioxide, nitrogen oxide or sulfur oxide. 

Using  oxygen‐enriched  air  increases  production  efficiency  in  steel,  rocket  fuel,  glass, 

chemical and metallurgical processing applications. 

Manufacturers of aluminum, copper, gold and  lead use oxygen to remove metals from ore 

more efficiently. As a result, they can often use  lower‐grade ores and raw materials, which 

helps conserve and extend our natural resources. For metal fabrication, oxygen is often used 

with acetylene, propane, and other gases to cut and weld metals. 

The chemical and petroleum industries combine oxygen with hydrocarbon building blocks to 

make products such as antifreeze, plastic and nylon. 

The pulp and paper  industry uses oxygen  to  increase paper whiteness while  reducing  the 

need  for other bleaching chemicals. They also use  it  to  reduce odors and other emissions. 

Municipal and industrial wastewater plants use oxygen to make the treatment process more 

efficient and increase basin capacity during plant expansions or plant upsets. Municipal 

Water plants use oxygen as feed gas to their ozone systems to remove taste, odor and color 

from drinking water. Oxygenated water also improves the health and size of the fish for fish 

farming operations so farmers around the world can supply high‐quality food. 

Industrial Use: We ship oxygen as a high‐pressure gas or a cold  liquid. We often ship and 

store  larger quantities of oxygen  in  liquid  form, because  it occupies much  less  space  that 

way. Depending on how much oxygen gas our customer uses, we store and ship  it  in high‐

pressure  cylinders  and  tubes.  Industry  guidelines  cover  the  storage  and  handling  of 

compressed gas cylinders. Workers should use sturdy work gloves, safety glasses with side 

shields and safety shoes when handling compressed gas cylinders. We store and ship  liquid 

oxygen  in  three  different  types  of  containers‐dowers,  cryogenic  liquid  cylinder  sand 

cryogenic liquid tanks. The second trainers are similar to heavy‐duty vacuum bottles used to 

keep  your  coffee  hot  or  your water  cold.  Because  of  its  low  temperature,  liquid  oxygen 

should not  come  in  contact with  skin.  If workers handle  containers of  liquid oxygen,  it  is 

important to wear a full face‐shield over safety glasses to protect the eyes and face. Workers 

should also wear clean, loose fitting, thermal‐insulated gloves; a long‐sleeved shirt and pants 

without cuffs; and safety shoes. 

The risk of fire increases when oxygen levels in the air are higher than normal. Clothing and 

hair readily trap oxygen and are highly combustible. It is important to have good ventilation 

26

when working with oxygen  and  to periodically  test  the  atmospheres  in  confined  areas  to 

ensure  that oxygen  levels do not  increase  and  create  an  increased  fire hazard. Personnel 

should know the risk, keep the area clear of combustible materials and post “No Smoking” 

signs.  Equipment  used  in  oxygen  service  must  be  cleaned  according  to  strict  industry 

guidelines to avoid contamination. 

Nitrogen:   

   Nitrogen makes up 78 percent of the air we breathe. Nitrogen has many commercial uses. 

In fact, more nitrogen is sold by volume than any other inorganic chemical. 

Nitrogen  is used  in oil  and  gas  industries, metalworking,  electronics,  food processing  and 

many manufacturing processes. 

Chemical Formula: N2 other names: nitrogen gas, gaseous Nitrogen (GAN), liquid nitrogen 

(LIN) 

Physical and Chemical Properties: 

      Nitrogen has no color or smell.  It does not burn.  It’s slightly  lighter than air and slightly 

water  soluble. Nitrogen  is  inert, which means  that  it does not  react with many materials. 

However,  it  can  form  compounds  under  certain  conditions.  For  example,  at  high 

temperatures, nitrogen  reacts with oxygen  to  form  various oxides of nitrogen.  It  can  also 

form  other  compounds  in  the  presence  of  catalysts.  When  cooled  to  extremely  low 

temperatures  (‐321°F/‐196°C), nitrogen exists  in  liquid  form. To put  that  temperature  into 

perspective, water freezes at 32°F/0°C. 

Uses and Benefits: 

     Industries use both liquid nitrogen and nitrogen gas. Nitrogen helps make many industrial 

processes safer for workers and the public. 

Refineries,  petrochemical  plants  and  marine  tankers  use  gaseous  nitrogen  to  clean  out 

vapors  and  gases  from  the  equipment  they  use.  Industries  also  use  gaseous  nitrogen  to 

“blanket,” or maintain an inert protective atmosphere over chemicals in process and storage 

equipment. Metal  fabricators  use  liquid nitrogen  to help  control  process  temperatures  in 

thermal spray coating, making the process more efficient. Machine shops use liquid nitrogen 

instead of  cutting  fluids  in machining operations, which eliminates  the need  for oil‐based 

products. Manufacturers use  liquid nitrogen to cool soft or heat‐sensitive materials so they 

can  grind  them.  They  use  cryogenic  grinding  to  produce medicines,  spices,  plastics  and 

pigments. Recyclers use liquid nitrogen to cool polymers including plastic and rubber so they 

27

can  grind  them  and  recover  key  raw materials  used  to manufacture  new  products.  For 

example,  they  use  nitrogen  to  turn  rubber  scrap  tires  into  Useable  products,  such  as 

synthetic running tracks, instead of discarding the rubber in a landfill. Many of the foods we 

eat are frozen in nitrogen‐cooled freezers. Because the nitrogen is so cold, it often improves 

the quality of the frozen food products. The liquid nitrogen replaces traditional refrigerants, 

such  as  fluorocarbons  and  ammonia, which may  cause  environmental or health  concerns 

when they leak from processing equipment. After the nitrogen cools the food, the nitrogen 

goes safely back into the air. 

Industrial Use: 

 We ship nitrogen as a high‐pressure gas or a cold  liquid. We often ship and store gases  in 

liquid form, because they occupy much less space that way. We store and ship nitrogen gas 

in two different container sizes. Depending on how much our customer uses, we provide the 

gas in high‐pressure cylinders and tubes. Industry guidelines cover the storage and handling 

of compressed gas cylinders. Workers should use sturdy work gloves, safety glasses with side 

shields and safety shoes when handling compressed gas cylinders. We also store and ship 

liquid  nitrogen  in  three  different  types  of  containers—Dewar’s,  cryogenic  liquid  cylinders 

and cryogenic  liquid tanks. These containers are similar to heavy duty vacuum bottles used 

to keep your coffee hot or your water cold. Because of its low temperature, liquid nitrogen 

should not come in contact with skin. For workers who handle containers of liquid nitrogen, 

it  is  important to wear a  full  face‐shield to protect the eyes and  face. Workers should also 

wear  clean,  loose‐fitting,  thermal‐insulated gloves; a  long‐sleeved  shirt and pants without 

cuffs; and safety shoes. To prevent suffocation, it is important to have good ventilation when 

working with nitrogen. Confined workspaces must be tested for oxygen levels prior to entry. 

If the oxygen  level  is  lower than 19.5 percent, personnel,  including rescue workers, should 

not  enter  the  area  without  special  breathing  equipment  that  provides  an  independent 

source of clean breathing air. 

 

Argon: 

 Argon  is a gas  that occurs naturally.  It makes up slightly  less  than 1 percent of  the air we 

breathe.  Argon  is  used  in metals  production,  processing  and  fabrication  and  electronics 

manufacturing. 

 Chemical formula: Ar ‐ other names: argon gas, gaseous argon (GAR), liquid argon (LAR) 

28

Physical and Chemical Properties 

   Argon has no color or smell. It does not burn. It’s heavier than air and will tend to settle in 

low‐lying areas. Argon is slightly water soluble. 

Argon is a member of a special group of gases known as the “noble” or “inert” gases. Other 

gases in this group are helium, neon and krypton. The term “inert” means that they will not 

readily combine chemically with other material When cooled to extremely low temperatures 

(‐303°F/‐186°C),  argon  exists  in  liquid  form,  known  as  a  cryogenic  liquid.  To  put  that 

temperature into perspective, water freezes at32°F/0°C. 

Uses and Benefits   

   The metals and semiconductor manufacturing  industries use argon  to purge or clean out 

vapors and gases from the equipment they use. 

Metal producers and semiconductor manufacturers also use argon to “blanket,” or maintain 

an  inert  protective  atmosphere  over  metals  and  silicon  crystals  to  prevent  unwanted 

chemical reactions from occurring. In metal fabrication processes like welding, argon shields 

the weld against the metal oxide  impurities that would form if the molten weld bead came 

in contact with oxygen. Argon gas  is also used  in heat treating furnaces to cool parts when 

other cooling gases might negatively affect the parts. 

The lighting industry uses argon for filling incandescent bulbs, because it will not react with 

the filament. In combination with other rare gases, argon creates special color effects, which 

are often called “neon lights.” Argon is also used to fill the space in insulated glass windows 

to improve the thermal efficiency of our homes. 

Industrial Use 

We ship argon as a gas or a cryogenic  liquid. We often ship and store gases  in  liquid form, 

because they occupy much less space that way. 

Depending on how much argon gas our customer uses, we store and ship it in high‐pressure 

cylinders and  tubes.  Industry guidelines cover the storage and handling of compressed gas 

cylinders. Workers should use sturdy work gloves, safety glasses with side shields and safety 

shoes when handling compressed gas cylinders. We also store and ship liquid argon in three 

different types of containers—Dewar’s, cryogenic liquid cylinders and cryogenic liquid tanks. 

These containers are similar to heavy‐duty vacuum bottles used to keep your coffee hot or 

your water  cold. Because of  its  low  temperature  liquid argon  should not  come  in  contact 

with  skin.  If workers handle containers of  liquid argon,  it  is  important  to wear a  full  face‐

29

shield  over  safety  glasses  to  protect  the  eyes  and  face. Workers  should  also wear  clean, 

closefitting,  thermal‐insulated  gloves;  a  long‐sleeved  shirt  and  pants  without  cuffs;  and 

safety shoes. To prevent suffocation, it is important to have good ventilation when working 

with  argon.  Confined workspaces must  be  tested  for  oxygen  levels  prior  to  entry.  If  the 

oxygen  level  is  lower  than  19.5  percent,  personnel,  including  rescue workers,  should  not 

enter the area without special breathing equipment. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

30

3. PRACTICAL PART 

 

3.1 Thermodynamic of air separation 

The general phase equilibrium equation that describes distribution of a component into 

vapor and liquid phase is given by:  

                yi=ki xi                                                                                                     (3.1) 

For nitrogen and oxygen system the Peng‐Robinson state equation is usually used for 

calculation of equilibrium coefficient kij.  

The  Standard  Peng‐Robinson  equation‐of‐state  is  the  original  formulation  of  the  Peng‐

Robinson  equation  of  state  with  the  standard  alpha  function.  It  is  recommended  for 

hydrocarbon  processing  applications  such  as  gas  processing,  refinery,  and  petrochemical 

processes.  Its  results  are  comparable  to  those  of  the  standard  Redlich‐Kwong‐Soave 

equation of state. 

The equation for this model is: 

                                                            (3.2 )                           

                             

Where: 

 

 

ai = fcn(T, Tci,Pci,wi) 

bi= fcn (Tci,Pci) 

Kij= kij (1) +kij

 (2) T+kij (3)/T 

( ) ( )m m m m

RT aPv b v v b b v b

= −− + + −

i ii

b x b= ∑0.5( ) (1 )i j i j iji i

a x x a a k= −∑ ∑

31

 

The model  has  option  codes which  can  be  used  to  customize  the model,  by  selecting  a 

different alpha function and other model options. For best results, the binary parameter kij 

must be determined from regression of phase equilibrium data such as VLE data. The Aspen 

Physical Property System also has built‐in kij  for a  large number of component pairs  in  the 

EOS‐LIT databank.  These parameters  are used  automatically with  the PENG‐ROB property 

method. Values in the databank can be different than those used with other models such as 

Soave‐Redlich‐Kwong or Redlich‐Kwong‐Soave, and this can produce different results. 

Using the Peng‐ Robinson equation of state the isobaric t, xy and x,y diagrams of N2‐O2 and 

Ar‐O2 binary systems at different pressures were calculated:  

a) P = 1.4 at 

 

Figure 10 :T,X,Y‐ diagram,N2 – O2 

 

 

32

 

Figure 11 :X,Y diagram,N2‐ O2 

b) P = 5 at 

 

Figure 12: T,X,Y‐ diagram,N2‐O2 

 

 

33

 

 

Figure 13: X,Y diagram,N2 – O2 

 

b – Oxygen, Argon, P=1.4 at         

                         

 

‐186.5

‐186

‐185.5

‐185

‐184.5

‐184

‐183.5

‐183

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t(°C)

X

34

Figure 14: T,X,Y‐ diagram, Ar‐ O2 

 

Figure 15: X,Y‐ diagram, Ar – O2 

 

As it results from the isobaric phase equilibrium diagrams the relative volatility of N2 to O2 is quite 

high it means that separation of N2 from O2 is not very difficult. But the relative volatility of Ar to O2 is 

very low. For this reason for separation of these components we will need large number of 

theoretical stages and large reflux ratios.  

3.2 Calculation of air distillation by McCabe‐Thiele method 

Material balance system: 

The quantity of oxygen and nitrogen that interior with air in plant is equal to the quantity of 

those gases that outside with the product of the plant. If we know the product oxygen and 

nitrogen Concentration we can know the quantity of theme by Material balance equation.  

We consider that 191.94 kmol/h of a bubble liquid air consisting of 79mol% N2 and  21 mol% 

O2  is  distillated  continuously  in  a  distillation  tower  at  a  pressure  of  1.4  atmospheres. 

Distillate contains 98 mol% of light component and Bottoms 98 mol% of heavy component. 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Y

X

35

The reflux ratio is 1.45 times of minimum reflux ratio. Following is described the calculation 

of:  

a‐ Number of theoretical stages and optimum feed stage location.  

b‐ Steam  requirement  in  reboiler and  requirement of cooling Air  in  total condenser  if 

the  steam  pressure  is  0.14  Map  and  cooling  Air  is  preheated  by  20  oC,  only 

condensation  heat  of  the  steam  is  used  and  reflux  is  returned  to  the  column  at 

boiling point.   

 

Data:  

Equilibrium data of Air in 1.4 at (mol frictions)  

 

XfN2    =   0.79  t = tfBP 

XfO2    =   0.21  q = 1 

XDN2   =   0.98 

XwN2    =   0.02 

Nf      = 6048.9 kmolh‐1 

Heat of evaporation at average column temperature: t = ‐190 °C 

ΔvhN2=6661.1 kJ/kmol             ΔvhO=5487 kJ/kmol 

MN2 =  28kg/kmol          MO2= 32kg/kmol     

 

 

 

 

x 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 1y 0 0.1732 0.3078 0.4146 0.501 0.5722 0.6318 0.7259 0.7972 0.8534 0.8993 0.9378 0.9709 0.9859 1

36

1. Scheme and mass balance: 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 16 

 

 

                                                                     ( 3.3 ) 

 

DFW

WD

WFFD

WDWFDDWDFDDFF

nnnxxxxnn

xnxnxnxnnxnxn

−=−−

=

−+=−+= )(

                                                          (3.4)  

 

nD=   

nw= 6048.9– 4652.612= 1396.288 kmol/h 

2. Prepare x‐y diagram using equilibrium data: 

WWDDFF

WDF

xnxnxnnnn

+=+=

FEED

DESTILAT

BOTTOMS

37

 

         Figure 17: X‐Y diagram, vapor and liquid N2 

       

3‐ Select on diagram point F, D and W 

 

         Figure 18: Selection of xF and xD 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Y

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Y

X

38

4‐ Draw q‐line 

q‐line is graphical interpretation of material balance of the feed stage; q represents the 

amount of liquid that accumulates at the feed stage by feeding of 1 kmol of the feed.   

q‐line equation: 

nv = nL + nD                                                                                                                                          ( 3.5) 

nv yi = nL xL + nD xD 

L Di i D

v v

n ny x xn n

= +                                                                                                                               (3.6) 

          

 

11 −−

−=

qx

xiqqyi F  

For bubble liquid Air, q=1, the slop of q‐line equation is  o

qqtg 90

1=⇒∞=

−= αα   

 

Figure 19: X‐Y drawing of q‐line 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Y

X

( 1) ( 1)D D

i i D

R ny x xR Rn= ++ +

39

5‐ Calculation of minimum reflux ration  

For calculation minimum reflux ration Rmin the operating line in the rectifying section of the 

column for at Rmin should be drawn.  

           11 minmin

min

++

+=

Rx

xRR

y D                                                                                                         

(3.7) 

We have two points of this line one is the intersection of q‐line and equilibrium curve and 

another in the intersection of 45o line and xD line.       

 

 

Figure 20: X‐Y minimum reflux ratio 

 

The minimum reflux ratio can be calculated from the slope of this line  

'''

min xyyxR D

−−

=                                                                                         (3.8)

 

Or from the section 1min +R

xD  on the y axis for x=0  

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Y

X

40

6‐ Calculate reflux ratio (R) as R=2 Rmin. 

R = 2 Rmin                                                                                                                                                   (3.9) 

'''

min xyyxR D

−−

=   

Rmin=   

R = 2 *0.727 = 1.45 

7‐ Calculate the section 1+R

xD  on the y axis for x=0                                                         

40.0145.1

98.01

=+

=+

=Rxy D

i  

8‐ Draw the operating line of the rectifying section of the column by connecting points (0,     

1+RxD ) and (xD, yD) 

9‐ Draw the operating line of the striping section of the column, by connecting intersection 

point of q‐line and operating line of rectifying section with point (xw, yw) 

 

  Figure 21: X‐Y Drawing of operating lines 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Y

X

41

10‐ Draw steps between equilibrium curve and operating lines  

Number of theoretical stages= number of steps – 1 (reboiler) 

Optimal feed stage = intersection of q‐line and operating lines 

 

Enthalpy balance of reboiler: 

QRe = [nD(R+1) + nF (q ‐ 1)] ∆vhw                                                                                      (3.10) 

∆vhw = ∆vhwO2 Xw

O2 + ∆vhwN2 Xw

N2                                                                                    (3.11) 

Δvhw = 5487×0.98 + 6661.1×0.02 = 5510.5kJ/kmol 

QRe = [4652.612(1.4 +1) +6048.9(1 – 1)] 5510.5 = 61531724 kJ/hr=17.092 MW 

 

Figure 22:  X‐Y diagram, vapor and liquid N2 

42

Enthalpy balance of total condenser: 

Qcon = nD(R+1) ∆vhD                                                                                                             (3.12) 

∆vhD = ∆vhN XDN + ∆vhO XDO                                                                                                 (3.13) 

ΔvhD = 6661.1×0.98 +5487×0.02 = 6637.62 kJ/kmol 

Qcon = 4652.612(1.4 + 1) 6637.62 = 74117449kJ/hr = 20.59 MW 

3.3 Aspen simulation of air separation process 

For  calculation  and  design  of  air  separation  process  we  have  used  the  ASPEN  Plus  air 

separation program.  It’s a new science  technology  for doing  the calculation of engineering 

process. 

In  this  project we  have  designed  the  air  separation  process  and  distillation  of  air  to  its 

components.  A  special  attention  was  devoted  to  separation  of  Argon.  However,  the 

simulation of all process including air cooling was done.   

Following are described the basic steps of simulation by ASPEN Plus  

1. Using Aspen property analysis and Peng‐Robinson equation of state, thermodynamic 

analysis of air separation was done. The results are presented in the section 3.1.  

2. Design and drawing of the process flow sheet  

Description of the air separation process flow sheet:  

This scheme is generally using for producing Argon that has different use. 

The basic  form of  the air  (3500 m3/hr at operational conditions  (t =20°C, P= 5at) or  (727.5 

kmol/hr)  that cleared  from dust and compressed  in a compressor up  to 5at pressure after 

crossing  refrigerator  and  separator  of  wet  goes  to  inside  of  oxygen  and  nitrogen 

refrigerators. Air is cooled here up to (‐ 160, ‐ 170 °C). The refrigerators work automatically. 

Airs crossing one the refrigerator so  in this  time the reversed proceeding gas of O2 and N2 

are crossing another refrigerator and after a few minutes changing them are replaced. After 

that cleared and cooled air goes to the lower parts of the air separation column (C1). Second 

parts of the air (800 m3/hr at operational conditions (t=20°C, P= 160at)) or (5321.4 kmol/hr) 

43

that compressed up to (150 – 200 at ) at first and up to( 120 ‐160at) pressure during  normal 

work  in  several  stage  compressor.  The  high  pressure  air  divided  in  to  two  proceeding  or 

parts, one parts of the air (550m3/hr)  is crossing heat exchanger (EH1) and cooling up to (‐ 

130°C) there by reversing gas of nitrogen and after that expand ring up to 5 at and enters  to 

lower parts of column C1. The another parts of high pressure air (250m3/hr)  is goes to the 

expander and expands up to 5at pressure so this parts of air also enters to the  lower parts 

of  air  separation  column C1.  in  the    result of  expand  ration  the  temperature  become  (  ‐

130°C). 

In the  lower parts of column C1is collected  liquid air by mol  fraction of 35 – 38 % oxygen. 

Vapors with 98% nitrogen are removed from the partial condenser Liquid distillate nitrogen 

is collected in the nitrogen packets. This nitrogen after crossing HE3 expand ring to the top 

of  column C2.  The mixture of  liquid  air  and  oxygen  from  the bottom  of  column C1  after 

crossing HE2 expand ring to the 20 stage of column C2. Nitrogen gas producted from the top 

of  column  C2  crossing  heat  exchanger  (HE3)  and  nitrogen  refrigerator  it  goes  to  use  for 

technological aim. Also produced oxygen from  lower parts of column C2 after crossing HE4 

and oxygen refrigerator to cool air that coming at first to process goes to gas cooler. From 

the middle part of column C2 an stream  reached by argon  (line38) goes  to  the column C3 

where  Argon  is  separated  from Oxygen.  From  lower  part  of  this  column  a  product with 

99.9% of oxygen is removed so this O2 mixed with C2 oxygen and after crossing HEO2 goes to 

use in other process so this oxygen has a purity of 98.7% mol fraction. 

From  the  top  of  C3  Argon with  same  nitrogen  goes  to  column  C4.  From  the  top  of  this 

column products nitrogen and  from  the bottom of  this column Argon  is received. The Mol 

fraction  of  produced  Argon  is  99.5%.  Nitrogen  produced  in  C4  is  mixed  with  Nitrogen 

produced in C2.  

3:3:1 Technical specifications of KT – 1000 M plant: 

Volume flow of the air     m3/hr: 

High pressure air           800 m3/hr      at pressure 160at    5321.4 kmol/hr 

Low pressure air            3500 m3/hr    at pressure   5at       727.5 kmol/hr 

Volume of producted oxygen      1243.877 kmol/hr 

44

Volume of producted nitrogen     4760.309 kmol/hr 

Volume of producted Argon         44.714     kmol/hr 

Mol fraction of oxygen                  98.7% 

Mol fraction of nitrogen               99.0% 

Mol fraction of Argon                   99.5 % 

 

3. Selecting components and property method  

 

 

 

 

Figure 23: components and property method for air separation 

 

45

4. Specifying entering air 

High pressure air         

Pressure:                      160 at 

Temperature:              20 °C 

Molar flow:                  5321.4kmol/hr 

Composition:               N2= 0781,O2= 0.209,Ar= 0.0093 

Low pressure air           

Pressure:                       5 ‐ 6 at 

Temperature:               20 °C 

Molar flow:                   727.5kmol/hr 

Composition:    N2= 78.1,O2=20.9,Ar = 1 

 

 

 

 

Figure 24: stream specification in ASPEN Plus 

46

5. Specifying of equipments  

HEO2: Hot stream outlet temperature: ‐130 °C 

HEN2:Hot stream outlet temperature : ‐130 °C 

HE1 : Hot stream outlet temperature : ‐130 °C 

HE2 : Hot stream outlet temperature: ‐185 °C 

HE3: Hot stream outlet temperature: ‐190 °C 

HE4: Hot stream outlet temperature: ‐176°C 

Column C1: Number of theoretical stages: 26, Air feed stage:26, Condenser pressure:  6at 

column pressure drop: 0.5at 

Distillate rate: 3500 kmol/hr 

Column C2: Number of theoretical stages: 40, feed stage:40, Condenser pressure:  1.4 at 

column pressure drop: 0.05at 

Distillate rate: 4751.99 kmol/hr, N2 purity:  0.99   , N2 recovery0.997 

Column C3: Number of theoretical stages: 100, feed stage:50, Condenser pressure:  1at 

column pressure drop: 0.0at 

Distillate rate: 53.03 kmol/hr,  O2 purity: 0.999 in bottom   , O2 recovery0.999 in bottom 

Column C4: Number of theoretical stages: 15, feed stage: 11, Condenser pressure:  1at 

column pressure drop: 0.0at 

Distillate rate: 44.71kmol/hr,  Ar purity: 0.995, Ar recovery0.998 

 

47

 

 

 

 

Figure 25: example of block specification in ASPEN Plus 

 

3.3.2 Results of ASPEN simulation  

Figure (26) shows the simulation scheme of air separation based on the above described 

input data.  The results of material and enthalpy balance for all blocks and streams are 

shown in Table(5 ).  

Other results of distillation columns are shown in Table (6) 

 

48

Air separation technology scheme  

 

Figure 26: scheme of the air separation 

1‐ C1,C2,C3 are column 2 – S1,S2,S3,S4,S5,B8,B10 are mixers  3 – HEO2,HEM2,HE1,HE2,HE3,HE4 are heat exchangers 4 – Expander   

49

Tabel 5:results of stady state simulation of air distillation process 

 

50

 

51

 

52

Table6: Results of distillation columns  

 

Temperature profile of C1 

This diagram shows the tempereture in different stage of column C1. 

It shows the teperature will be higher up from lower to the bottom of column1 

 

 

 

 

Figure 27:Temperature profile of column  C1 

 

‐176

‐175.5

‐175

‐174.5

‐174

‐173.5

‐173

‐172.5

‐172

‐171.5

‐171

0 5 10 15 20 25 30

t(C)

N

Col  condensar  

Reboiler

T (°C)  Head duty  

(Watt) 

Distill rate 

(kmol/hr) 

Refluxe rate 

(kmol/hr) 

Reflu ratio  T (°C)  Heat duty  

(Wat) 

Bottoms rate 

(kmol/hr) 

Boilup rate 

(kmol/hr) 

Boilup ratio 

C1  ‐175.35  ‐6472347.3  3500  1910.764  0.5459  ‐171.48  0  2548.9  2620.192  1.0279 

C2  ‐192.74  ‐91411835  4751.9924  58422.27 12.29 ‐180.297 91000347.4 1196.907  49392.546 41.266

C3  ‐188.872  ‐1715098.2  53.03  923.076 17.4066 ‐183.313 1710731.19 46.9698  910.8199 19.391

C4  ‐195.71  ‐106960.11  8.316  68.6828 8.2588 ‐186.123 120270.311 44.7138  67.5344 1.5103

53

Composition profile of C1 

This diagram shows the  composition of oxygen , nitrogen and  Argon in different stage 

number of column 1. 

 

 

Figure 28:  Composition profile of column C1 

 

 

Temperature profile of C2 

This diagram shows the tempereture in different stage of column C2. 

It shows the teperature will be higher up from lower to the bottom of column2 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 5 10 15 20 25 30

X

N

N2

O2

AR

54

 

Figure 29:   Temperature profile of column  C2 

 

Composition profile of C2 

This diagram shows the  composition of oxygen , nitrogen and  Argon in different stage 

number of column 2. 

 

 

Figure 30:  Composition profile oc folumn C2 

‐194

‐192

‐190

‐188

‐186

‐184

‐182

‐180

‐178

0 10 20 30 40 50

t(C)

N

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

X

N

N2

O2

AR

55

Temperature profile C3 

This diagram shows the tempereture in different stage of column C3. 

It shows the teperature will be higher up from lower to the bottom of column3 

 

 

Figure 31:Temperature profile of column C3 

 

Composition profile C3 

This diagram shows the  composition of oxygen , nitrogen and  Argon in different stage 

number of column 3. 

 

‐190

‐189

‐188

‐187

‐186

‐185

‐184

‐183

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111

t (C

)

N

56

 

Figure 32:  Composition profile of column C3 

Temperature profile C4 

This diagram shows the tempereture in different stage of column C4. 

It shows the teperature will be higher up from lower to the bottom of column4 

 

 

Figure 33:  Diagram of Temperature profile C3 

 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

X

N

N2

O2

AR

‐198

‐196

‐194

‐192

‐190

‐188

‐186

‐184

0 2 4 6 8 10 12 14 16

t(C

)

N

57

Composition profile C4 

This diagram shows the  composition of oxygen , nitrogen and  Argon in different stage 

number of column 4. 

 

Figure 34:  Diagram of Composition profile C4 

Influence of distillate flow rate in the Column C1 on Argon composition in Argon side 

stream in column C2:  

Figure (35)  shows the distillate flow rate in column C1 versus composition of Argon in side 

Argon stream in the column C2. We see in this diagram that how much distillate we bring 

from C1 to have optimal Argon composition in side stream in column C2. Maximum Argon 

mol fraction was calculated for distillate rate of around 3500 kmol/hr in column C1.  

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

X

N

N2

O2

AR

58

 

Figure 35: Distillate flow rate in column C1 versus composition of Argon in the side Argon stream in Column C2 

Influence of distillate flow rate in the Column C1 on reflux ratio in column C2:  

This diagram shows the distillate flow rate in column C1 versus reflux ratio in column 

C2.Where the purity and recovery of products were hold at constant values.   The distillate 

flow rate  in column C1 effects the reflux ratio in the column C2.  As we can see on Figure 

(36) a distillate flor rate of around 3400 kmol/hr shows a minimum for reflux ration in 

column C2.  

 

Figure 36:   Distillate flow rate in column C1 versus reflux ratio  in the column C2 

 

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

1100 1600 2100 2600 3100 3600 4100 4600 5100

XAr C

2

nD C1

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

1100 1600 2100 2600 3100 3600 4100 4600 5100

R C2

nD C1

59

Relation between number of theoretical stages and reflux ration in Argon recovery column:  

Figure  (37)  shows  the  relation  between  number  of  theoretical  stages  versus  reflux  ration  in 

column C3 when Argon has 0.99 purity and 0.999 recovery. 

Diagram  shows when  the column has 65  stages  reflux  ration  is 50  .  if we  select more  stages 

reflux ration will be lasse. when column has 80 stages reflux ration is 18 . so it’s a reflux ration 

near the minimum reflux ratio. In the case of using larger number of theoretical stages the the 

chang of reflux ratio is not significant.  

 

 

 

Relation between number of theoretical stages and Argon mol fraction at a constant reflux 

ratio in Argon recovery column:  

Figure  (38)  shows  the  relation  between  number  of  theoretical  stages  versus mol  fraction  of 

Argon in the distillate of C3 when reflux ration is (R=22) and nD = 45 kmol/hr. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

R

N

Figure 37: Number of theoretical stages versus Reflux ration in column C3 for  Argon purity: 0.99, Argon recovery:0.999

60

Diagram shows when  (R=const  ,nD =const) stage number  form  first up  to 40 stages has greet 

effects on XAr  in column C3 after that   excess of stage  in column  is not significant effect on Ar  

percentage. As an optimum number of theoretical stages 50 was selected.  

 

 

Figure 38: Number of theoretical stages versus mol fraction of Argon in the bottom of C3, R=22, nD=45 kmol/hr 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

XAr

N

61

4. Mechanical aspects of air distillation tower 

   Target of mechanic calculations set size and parts of Herbs device was planned that should 

provide strength and durability to the machine. Calculate, including basic part station mechanic 

and parts of the following devices are chemical valence. Bodies (cylinders E.) depth ring 

strength by separate ducts, fittings Flange, by relying on strength and Herbs parts devices.  

Devices in the capacity pressures (less and additional) under vacuum or outside pressure works 

and  should also  they are  in  the  fields against wind  load effects and be  tested  in earthquake 

force’.  

If you need to calculate the effect of simultaneous multiple adverse conditions when the other 

operation  can  be  performed. When  computing  the  device  elements mechanic with  stainless 

defense  wall  ML  ‐  plastic  ‐  the  creatures  lining  etc.  It  will  not  be  considered. 

To determine cast devices  that  consist of  several  segments of  the  same  formula  that  can be 

used to determine the wall thickness of two Rind devices are used. If the difference in thermal 

expansion coefficient of metal segments (3cm + X18H10T) there is In this case, the thickness of 

cortical  thickness  saturate  devices  the  basic  forms  (thick  carbon  steel)  but  also  in  such 

conditions, so calculated against surpluses rusty are not looking. When planning units of plants 

in selected case of buildings and using normal Standard numbers  that are needed  to  test the 

calculations  and  can  be  performed.  The  purpose  of  computing  tentative  is  defining  the 

authorized pressure Injections virtual machines that can be harvested. For Calculations stability 

and strength of the machines this norms OH26‐01‐13‐65/H1039‐65 are applied.  

   4.1 Basic parameters of calculations 

  4.1.1 Calculated pressures   

 Pressure  in  the  formula  calculating  machines  and  container  wall  thickness  and  stability, 

including  in  Stability has been named  and  supposedly  learned  saturate pressure  term  is  the 

working pressure. As the working pressure, the large excess pressure in case of normal flow of 

Practical technology arise,  is considered.  If the  fluid  filled device  is set  in Meanwhile Saturate 

62

pressure is needed to make that push hydrostatic also is considered, although in that case the 

quantity of 2.5% of the excess gas pressure is high. In some cases, very sensitive to the possible 

increase  in working  pressure  as  10%  of  the  time  delay  in  opening  the  valve  is  considered 

discretionary. For devices that the existence of explosive, toxic or potent substances are quickly 

Activity  Saturate  pressure  than  the  pressure  of working  long  enough  to  accept  0.1‐0.2MPa. 

Saturate  pressure  on  devices  that  maintain  and  filtration  combustion  and  explosive 

environments and Gases liquid used in the table (7 ) has been inserted.  

 

          Table 7: Saturate pressures in devices 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For element spaces with different pressures for the formation of separate (for example  in the 

machine  with  warm  shirt  or  cover)  as  the  Saturate  pressure  is  necessary  to  separate  any 

pressure or pressure greater wall thickness calculation takes the elements to be accepted. If the 

effect of simultaneous pressure comes, run calculations in this case the pressure differences are 

allowed. Test under pressure in containers or devices should be considered under the pressure 

to control test Assured, safety and functionality Karan occurs.  

P MPa          calculation pressure 

 PC MPa  effective pressure 

0.01  liquid Gas without pressure 

0.1  0.05‐0.07 

1.2PC  up to    0.3  >0.07 

0.06  <0.05 

0.8  anhydride of sulfur 

1.6  Ammoniac 

7.6  Carbon  dioxide 

63

4.1.2Calculated Temperature  

  Temperature  directly  not  included  in  calculated  formula,  but  knowing where  to  get  profile 

material  is  necessary.  Wall  material  calculated  temperature  of  the  device  is  equal  to  the 

ambient temperature that wall  is contact  it,  is taken.    If the existence of thermal  insulation  in 

the device equal to the temperature level with the wall insulation to make contact with plus 20 

˚ C is taken. If the machine is  heated by opened flames or electric heaters and open up still hot 

by  Gases  temperature  250  ˚  C  and  the  more  heated,  the  temperature  equal  to  ambient 

calculated temperature the lining is to be, adding 50 ˚ C but not less than 250 ˚ C is taken. 

4.1.3 Reactionary longitudinal model   Shows the ability of Materials and its stand tough 

against deformation. Reactionary longitudinal model Prices for   high carbon steels and much 

Lager in communicate with temperatures have insert in the table ( 8) 

Table 8: Reactionary longitudinal model 

 

 

E.10‐5MPa  Under the following temperature °C steel 

350  300  250  200  150  100  20 

1.64  1.71  1.76  1.81  1.86  1.91  1.99  Carbonation 

1.86  1.91  1.94  1.97  1.99  2.00  2.00 much been 

laager 

steel E.10‐5MPa  Under the following temperature °C 

400 450 500 550 600 650 

Carbonation 1.55 1.40     

much been laager 1.81 1.75 1.68 1.61 1.53 1.45 

64

4.1.4 Coefficient Suture Stability Weld 

          In  the  calculation  of  containers  and  devices  that  has  Suture  Stability welding, must  be 

included the Stability of constant φ factor  in the formula     . This coefficient shows connection 

between Stability of weld and construction of basic materials (paper supplement). Price of the 

Coefficient  Suture  Stability Weld  is  belongs  to  the  Building  of  weld  (connection)  and  how 

something will be Weld. Automatic and Manual Weld and bilateral than unilateral better. 

 

 

Table 9: Weld coefficient Stability Suture weld of containers and devices 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

of weld            Suture shape 

If φ stitch length welding 

100% 10‐50% 

Tip to tip, or head to head two‐way approach to, bare 

Automatic or semi‐automatic     1.0 0.90 

Head‐on stitches from the butt or head to head bare 

hand a two‐way 1.0 0.90 

One‐way head‐on with layers 0.9 0.80 

Head to head 0.8 0.65 

Head‐on one‐sided semi‐automatic or automatic 0.9 0.80 

Head‐on one‐way manually 0.9 0.65 

65

Table 10: Titan coefficient Suture Stability Weld of containers and devices from 

 

4.2 Specified structural surpluses       

In the calculation of dishes and devices must be also surpluses thick C the construction 

elements to be considered. Complementary wall thickness of container elements and devices is 

determined by the following formula: 

                                                                                                 ( 4.1          )  

 

Here: SP ‐ calculate wall thickness of the container elements and devices.   

Surplus of calculate thickness   receives from the following relationship:  

   

                                                                                (4.2) 

 

Here: C1  ‐ Surplus  for metal corrosion, C2  ‐  the negative difference of  the  thickness of sheet 

metal, C3 ‐ is technologically Surplus 

Suture shape of weld                                            φ 

Automatic two‐sided head‐on along the cassia and welding work 

hand in argon environment 0.95 

Head to head two‐way automatic and manual argon environment 0.90 

Head to head thing, not a bare welding                                 0.80 

Tip of the tiny stitches in a way argon environment                  0.70 

CSS P +≥

321 CCCC ++=

66

Surplus for metal corrosion rate equal to the metal corrosion (mm / year) v beat up during the 

system  t  (typically  12‐10  years)  are:  C  =  v  t  Corrosion  of metal  speed manual  or  book  of 

laboratory test set. Surplus for metal corrosion usually 1‐2mm, which is as fast 0.1‐0.2mm/year, 

must accept. 

 If two‐way contact with the metal corrosion surplus environment for metal corrosion should be 

increased  to  compensate.  Compensation  technologically  Surplus  wall  thinning  or  elements 

within  the device  in operation  technology:  cake, bend pipes, etc. are anticipated. C1 and C2 

Surplus of  the modes consider  the price of 5% of  their  total  thickness exceeds normal  sheet 

metal. 

4.2.1Selection of the Virtual Injections  

  Injections in which certain work (safety) device without providing substance is called Building 

Virtual Injections be remembered. Virtual Injections related to mechanic properties materials, 

properties Barr and its working conditions. Virtual Injections determined by the follows 

formula: 

бDop=бη                                                                                                                                  ( 4.3 ) 

                  

Here:  б‐seizure  authorized  under  heat  normal  Saturate  MPa  wall  of  the  opinion  that  the 

construction materials devices  calculated under the tables are taken, η‐correction factor of the 

device  in which working  conditions  are  considered.  Systems  for  construction materials  have 

negative thermal lining them; agree that their seizures are the same as norm f permitted to 20 ˚ 

C is. 

If you use Normative Materials presented in Table seizures are not permitted or in the absence 

of heat saturate prices in this table, the seizures Normative permitted to be received as follows: 

1 ‐ If the temperature of carbon steels saturate wall to 380 ˚ C for steels 3 of 420 ˚ C for steel 

and many of Laager not exceed 525 ˚ C, in this case as the seizure of the two prices Normative 

permitted under the following is selected:  

67

б= бB/nB        ,      б= бT/nT                                                                                                  ( 4.4  ) 

                   

Here: бB and бT ‐ Least limit order price Stability fluidity under temperature limit Saturate, 

 nB = 2.6 and nT = 1.5 ‐ the coefficient of storage, respectively, to the extent Stability comment 

and is much fluidity.  

  Table 11: coefficients amendments authorized seizure 

 

2‐ If the wall normative temperature of Saturate prices paragraph (a) exceeds the seizure as 

permitted under the following Normative two prices that are acceptable: 

б= бD/nD           ,            б= бT/nT                                                                                          (4.5 ) 

                      

Here: бD ‐ Stability long‐term average price level of 100 thousand hours under temperatures 

Saturate and nD = 1.5 ‐ saving factor Stability comment is too long Stability. 

For testing conditions Hydrolyte dishes and devices of large steel Laager been authorized 

seizure of the following formula to determine: 

Manner  

risk of 

chemical 

substances 

Permissible 

concentration limit 

of the health  

Considering the 

Norm  mg/m3 

Much lower 

ability to blast% 

Spontaneous 

ignition 

temperature to 

inflammation ˚ C 

 

 

Correction factor η 

I Less than 5 Less than1 Less than 517 0.85 

II 50‐5 5‐1 300‐175 0.90 

III 1000‐51 10‐6 450‐301 0.95 

IV More than 1000 More than 10 More than  4501.00 

68

/nT                                                                                                               (4.6)     202.0 [б]np= б  

Here: б‐quantity price level flow conditions (under which the seizure remaining elongation 

makes up 0.2%) and is nT = 1.1.  

 

 

4.3 Mechanical Calculation of distillation tower  

Initial figures: 

1 ‐ Internal diameter of the lower tower:                                          Dб.н = 1200mm  

2 ‐ Lower Tower Height:                                                                        Hн= 1.1M                                                                   

3 ‐ Temperature:                                                                                     tn= ‐185˚C                                                                  

4 ‐ Pressure:     Pн= 6 2смкg  

5 ‐ Much Stability     δб= 3000 2смкg  

6 ‐ Save the limit of strength Stability:     nб= 2.6 

7 ‐ Internal diameter of the upper tower:      Dб.б= 1040mm                         

8 ‐ Upper Tower Height:      Hб= 3240mm                                                             

9 ‐ Temperature:      tб= ‐192˚C                                                                  

10 ‐ Pressure:     Pб= 1.6 2смкg    

11 ‐ In addition to asking for compensation of metal corrosion: C= 2mm                                                

12 ‐ Construction Material:                                                                   L62  

69

4.3.1 Calculation Cylindrical Body of the tower 

A Cylinder wall thickness (bottom) determine with help of this relationship as follows:  

        Cp

DPS нб +−

×=

ϕδ ][2.                                                                                                     ( 4.7 )                           

     28.1153

6.23000][ см

кг==δ  

    

mmcmS 12.5512.02.0312.02.06.2301

0.7202.0618.11532

0.1206==+=+=+

−×××

=  

            

The S = 6mm wall thickness are acceptable.  

Permissible pressure in the selected wall thickness [P] and seizure against the top wall are 

calculated as  

         )()]( [2][

CSDCSP

−+−

=δϕ

                                                                                                                     (4.8) 

                                                                 

            267.7

4.12084.923

)2.06.00.120()2.06.0(8.115312][ см

кгP ==−+−××

=     

 

22.78592.0

4.722)2.06.0(13.2

)2.06.00.120(6)(3.2)( см

кгCSCSDP

==−×−+

=−×−+

=ϕ

δ  

 

  B ‐ Cylindrical body wall thickness (upper) determined with help of follows relationship:                                     

        C

PDPS бб +−

×=

ϕδ ] [2.                                                                                                                          (4.9) 

                     

        mmcmS 72.2272.02.0072.02.0

23064.1663.0

6.118.115320.1046.1

==+=+=+−××

×=      

70

             

The S = 6mm wall thickness are acceptable 

Permissible pressure in the selected wall thickness [P] and seizure against the top wall δ by 

formula (4.8) are calculated as: 

            )(

)]( [ 2][CSDCSP

−+−

=δϕ

 

284.84.10404.923

)2.06.00.104()2.06.0(8.115312][ см

кгP ==−+−××

=                     

 

                         

 25.18192.004.167

)2.06.0(13.2)2.06.00.104(6.1

)(3.2)( см

кгCSCSDP

==−×−+

=−×−+

=ϕ

δ 

 

4.3.2Calculation of elliptical cap and bottom 

 A ‐ Elliptical bottom wall thickness determined by the help of following formula:  

CP

RPS +−

×=

ϕδ ] [2                                                                                                 (4.10)                               

                                                                                          

mmcmS 12.5512.02.06.2301

0.7202.068.11532

0.1206==+=+

−××

=  

                  

The bottom wall thickness equal to 6mm is accepted. 

Authorized Pressure and seizure on the top wall δ are calculated as: 

71

(4.11)                                                                                                                          )(] [)(2][

CSRCSP−+

−=

δϕ              

267.74.12004.923

)2.06.0(0.1208.11531)2.06.0(2][ см

кгP ==−+×−

=       

29038.04.722

1)2.06.0(2)2.06.00.120(6

)(2)( см

кгCSCSRP

==−

−+=

−−+

=ϕ

δ    

 

                                                                                                                                            

 B ‐ Wall thickness of the Elliptic cop cover up the formula (4.10) will be set: 

               mmcmC

PRPS 72.2272.02.0

23064.1662.0

6.118.115320.1046.1

][2==+=+

−×××

=+−

×=

ϕδ       

 

Wall thickness equal to the cap to accept 6mm. 

Permitted pressure [P] and seizure against the wall above δ by formula ( 4.11) are calculated as:  

 

             284.8

4.104923

)2.06.0(0.1048.11531)2.06.0(2][ см

кгP ==−+×−

=                            

 

         28.208

8.004.167

1)2.06.0(2)2.06.00.104(6.1

)(2)(

смкг

CSCSRP

==−

−+=

−−+

=ϕ

δ  

        29038.0

4.7221)2.06.0(2

)2.06.00.120(6)(2

)( смкг

CSCSRP

==−

−+=

−−+

=ϕ

δ  

        

  B ‐ Wall thickness of the Elliptic al cap determined with this formula (4.10): 

        mmcmC

PRPS 72.2272.02.0

23064.1662.0

6.118.115320.1046.1

][2==+=+

−×××

=+−

×=

ϕδ        

 Wall thickness of the cap is equal to the 6mm. 

72

Permitted pressure [P] and seizure against the wall above δ by formula (4.11) are calculated as:  

 

       284.8

4.104923

)2.06.0(0.1048.11531)2.06.0(2][ см

кгP ==−+×−

=  

      28.2088.004.167

1)2.06.0(2)2.06.00.104(6.1

)(2)(

смкг

CSCSRP

==−

−+=

−−+

=ϕ

δ  

             

               

   

73

5. Safety aspects of air distillation process 

5.1 Major hazards of chemical Production  

   Key risks and chemical risks follow:  

1  ‐  Level  entity warm,  sharp  steam  flow,  if  that makes  combustion  acid  thermal  burns  and 

chemical represented. Opinion because 37% occur in unfortunate situations.  

2 ‐ Mechanic injuries that cause hazards and represented mechanic injuries adverse scenarios. 

Is 14% constituted? 

3 ‐ Level entity harmful gases, toxic substances, toxic that are uniquely poisoning make up 13% 

of these events scenarios horrible.  

4 ‐ The existence is of electric currents because electrical damage and events represented. This 

happened of 11% form all adverse scenarios. 

5 ‐ Other hazards such as falls from high way, traffic occurs inside the factory and others make 

up 25% of events. 

5.2Material properties in plant (separation of air) was planning  

  Nitrogen:  ‐ Nitrogen  look  from Phonology Tl,  the concentration of  large  In  the air  than 82% 

(low ratio Oxygen) consists of the repression.  

Nitrogen pure form of industrial pressure balloon 150at the steel is sold green. In the chemical 

industry, gas transmission pipe lines Nitrogen, are denoted in green.  

  Oxygen: is the most abundant chemical element. In addition to its presence as Molecule 

diatomic O2 in the air, as combined with the Hydrogen H2O, with metals and other elements, 

can be found. In addition, many members also contain citrus Oxygen atoms are. Oxygen O2 gas 

is colorless and odorless. Oxygen not burned, but burning of other materials is necessary. 

Oxygen pure liquid form in tanks as a cold or has gas high pressure, up to about 150at, in steel 

blue balloon is transportation. In the chemical industry, transport Nell Oxygen marked with 

74

blue are. 

Carbon dioxide: odorless gas is. Than two times heavier than air, and caused shortages in       

Oxygen air.  

5.3Major risks in the production system (air separation)  

a ‐ liquid decomposition products exist that have the air temperature is low, allowing a portion 

of the ice frost such as on the human body, hands, etc. foots has places.  

b ‐ Nitrogen existence and the possibility of creating carbon Tetra collared are choking and 

poisoning.  

c ‐ Sodium Hydroxide possible solutions exist to create chemical burns in the eye, zinc, etc. are 

available. 

d ‐ Attribute possible cause explosions apart pressure, the transition and the injury is Nell. 

e ‐ Attribute flow may be caused electrical fires Lane.  

f ‐ Attribute Useful moving parts and open Mechanical vector may be causing injury mechanic. 

g ‐ The existence of steam, hot parts Condensate and equipment may be causing the burning 

part Body humans.  

h‐ Cotton Glass attributes (cotton candy) may cause eye irritation and illness is the respiratory 

tract.  

i ‐ The existence of ammonia in the neighboring branches may be causing toxicity. 

 j ‐ Oxygen entity mixed Oxygen ‐ Air Fireless materials may cause fire and explode Fireless 

materials are clothing and hair.  

 

 

 

75

5.4 Safe Conditions from operation of compressor 

  Practical  contraction  in Gases  dangers with  increasing  pressure,  temperature  and  chemical 

operations  can  lead  to explosions and  injure, Update drawn.  If  the  temperature Compressor 

contracting a severe form of increased gas and it will be calculated by the following formula. 

                             

mmPPTT /11212 )/( −=

                                                                   (5.1)                

Here:  

T2‐ Absolute temperature of gas after contracting the Calvin ˚ K  

T1‐ Absolute temperature of the gas prior to contracting Calvin ˚ K 

P1‐ Absolute pressure gas prior to contraction  

P2 ‐ Absolute pressure of gas to Contraction  

m ‐ Indicators Monetary Trope 

If the contraction of air or any other gas without making cold (Practical adiabatic) temperature 

will increase strongly. If temperatures increase energy consumption for contraction was too 

much gas, metal Tightly Compressor been low, extremely fast decomposition Oils Greasy and 

the possibility explosion were caused. 

5.5 Facility for Defense employees individual  

       Individual means  of  protection  for  employees  include  gas mask,  glasses  defense,  special 

clothing  is  and  shoe. All employees  from materials noxious  and dinger organism means  that 

intoxication And from Power loss or loss of sight caused volumes of burns is maintained picks. 

For the members of substances harmful to the respiratory gas masks to protect I would use the 

should be. Gas masks to the members of the human organism breathing noxious fumes of the 

impact  it will  protect.  In  separators  provides  protection  from  dust.  Comment  gas masks  to 

protect the filter Principe visitors are divided  into and visitors. Aided gas mask filter breathing 

vapours visitors drop by as preliminary filter and clear and will breathe through it. Insulator gas 

76

mask  filter with a difference of visitors  from all members of  the human respiratory effects of 

harmful substances shall protect. 

5.6 Sources of fire ignition materials  

Fire ignition source materials include:  

1. Heat sources, spark ignition, hot surfaces and open fire.  

    Sparks  shot or a  result of  friction with each other metallic materials or a  result of electric 

charge ‐ arise. To avoid producing sparks in hazardous environments and explosive combustion 

by the application of copper covered steel and devises secondly by the application of fatty oil in 

their neighborhoods and third carpet material not be matched stones. Fire and then in factory 

do  so Welding, D.  R. Dash  around  in  smoking  effects  stop  smoking  comes  and  for  grow  on 

smoking  should  consider  pulling  be  special  place  to  be. Not working  at Welding Gases  and 

combustible vapors’ penetrate, the Dash should be so that the tower  is round and reactors  In 

effect of  Flame Wind  It  should be  close  to dangerous gear. The Dash  then  separated by  the 

walls of the gear is. Dash and continues to turn off the fire by fire‐fighters Lane is available. 

2. Electronic resources (Statics electronic resources) 

     Power In effect of Statics usually will fill and empty gas tank, open the flow of gasoline with 

air power creates Charge Statics is the result we can connect to the earth destroyed.  

If Charge engenders negative and positive air cleaner in case lightning comes the result can also 

connect  to  the  earth  destroyed  to  prevent  ignition  sources  said  and  from.  Explosive  device 

when  production  comes  from  about  the  explosives  concentrations  in  the  air  exceeds  its 

allowed.  Prevent  the  need  for  room  and  is  explosive  places  Gases wind  is  available  and  is 

equipped with fire equipment. 

5.7 Way of making off fire  

Making off through fire include:  

1) Come through Pine temperature materials fire place. 

77

2) Stop making Oxygen reach the fire position. 

How inclusion of water words are making off fire. Fire still different by some soluble salt, soda 

and drawn off. 

 And solution blue water should be used is the following:  

1. Gases fire for making off. 

2. For making off under voltage electrical plants are working.  

For making  low concentration or to cut off the flow Oxygen position Palm the fire  is used. For 

example, in a fire takes place this device into the device when Palm make all the material level, 

tissues and organs will occupy fire prevention Oxygen reach the surface material is fire. Palm as 

to non‐interrupted while fire  is off takes place. However actually making off  ink used to fire  if 

the  fuel  tanks which will  fire  simultaneously  into  the  tanks  are  Palm  out  by  the  cold water 

make. In addition to being some Gases, Moblaile, ammonia, electrical wire fire risk V equipment 

and marks carbon monoxide visitors counter fire Palm DP‐3 and DP‐5 is used. F. Anti‐fire carbon 

dioxide consists of conventional steel balloon filled with carbon dioxide  is. Valve balloon neck 

closed with  visitors Nell  sailfony  length  is  1‐3 meters  above  the  valve  opened  anti  fire  over 

source of fire is to push the balloon Pashas palm producing a batch is to open the valve and the 

balloon  and  the  acid  solution Alkali  there.  In  case  of  opening  valves Alkali mixed with  acid, 

resulting  in palm  interaction  is produced.  In  addition  to  fire off  the  sand  and other building 

materials are also used.  

5.8 Electrical safety 

 High electrical current the human organism to severe damaged Gay won the Remy and 

sometimes lead to death. Thus all staff and personnel regulations and a series of factories to 

security Polytechnic Total benefit know. Electrical equipment in factories because the pumps 

and high‐voltage compressor (watt380) provides that in terms of technical work is dangerous. 

The factory workers must take the following rules shall observe good and accurate. 

1. All electrical appliances must be specified under Norm used to be thrown. 

78

2. All parts of the electrical equipment of the power passes must be insulated cover.  

3. Cross section of non‐conducive to any form of electricity should not Transit electricity.  

4. Electric machine gun must Signal servers and automatically turn off electrical current donors 

in dangerous situations. 

5. Electrical devices must connect to protective earth or by wire failure is protective.  

6. While repairing electrical devices should be discontinued.  

7. With machinery and electrical devices must be the only one Do work.  

5.9 Rules of the technical Repair of Compressor when its be not danger 

   While compressor restored following the rules and regulations be in attention  

1. Compressor of conformity instructions given area to stop working.  

2. Compressor will be empty from pressure 

3. Pressure Rest absence de in the compressor is given by Mono meter.  

4.    Compressor is empty from gas.  

5. Electricity is cutting from compressor. 

6.  Compressor by Nitrogen that amount until the ventilation in the neither combustion Gases 

ventilation nor more then% 5 / 0 is. 

7. Compressor connection of other equipment to be disconnected. 

8. Compressor is drawing until the amount of air Oxygen less than 21 percent in volume and 

value Gases harmful and toxic not exceed the limits. 

9. During repair operations must be restored Compressor employees Technical recipes safe to 

observe joins seriously. 

 

79

5.10 Ventilation products and its kinds  

Ventilation Products Air Dirty to make out of work and into neighborhoods where fresh air and 

to continue to avoid creating an explosive concentration is considered. Because otherwise it 

might work, there comes to explosive concentrations. Practical in manufacturing, especially in 

the pump house, house and CPO Compressor composed of artificial ventilation are used. It is 

still room air field is also considered. Air Products must meet the following demands.  

1. Concentration in the combustion mixture should drop is less than explosive. 

2. Ventilation should be the ultimate limit of concentration to hold the rooms. 

3. For Starting Fan Electronic motors with Starting visitors must secure point with explosive 

was used. 

4. To prevent the formation of friction or impact sparks, if the router Fan body is made of 

colored metals. 

5. Ventilated rooms means a room in which he is Fan should be placed with non‐combustion 

materials and the production of the rooms are completely separate. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

80

 

6. Control of air distillation columns 

 We  start  by  analyzing  the  degrees  of  freedom  to  establish  how many  and  which  control 

parameters  it  is possible to control and/or manipulate. Then we move on to discuss different 

ways to control many variables. Generally, the variables in table (  ) need to be controlled. 

Table 12: Typical variables that have to be maintained in a distillation column. 

 

 

 

 

 

 

The two most important parameters: composition at the top of the column and the pressure of 

the column. Different control structures. 

6.1 Degrees of Freedom Analysis  

To determine the number of control degrees of freedom in a distillation column. There are two 

equivalent procedures based on the equation ‐ C.D.F. = Total No. of Streams ‐ No. of Phases 

Present + 1 All we have to do is count all the streams in the process. Separately count the total 

number of extra phases i.e. add up all occurrences of phases greater than one in all units. The 

number of control degrees of freedom is the difference between these two numbers. Figure (39 

) below shows this method.  

81

 

Figure 39: ‐ Degrees of Freedom Analysis of Distillation Column  

• Total Streams = 8  

• Extra Phases = ‐3  

• Degrees of Freedom = 5  

So  the  number  of  degrees  of  freedom  is  5.  However,  a  typical  control  strategy  for  such  a 

process would use only 4 of  these  ‐  federate, column pressure,  top and bottom composition. 

This  is  because  the  column  and  condenser  are  normally maintained  at  the  same  pressure. 

However, a valve could be placed  in  the  line between. This would actually be undesirable as 

reducing the condenser pressure will decrease the temperature driving force available from the 

cooling medium.  

6.2 Controlling Pressure in Distillation In a distillation column it is usually necessary to regulate 

the pressure in some way. Below there are five different methods described for doing this. 

• Vent to Atmosphere  

• Cooling Water  

• Flooded Condenser ‐ 1  

• Flooded Condenser ‐ 2  

82

• Partial Condenser  

One thing to note is that in none of them is a valve simply placed on the vapour line. This 

would lead to the use of a large expensive control valve. Instead the pressure is controlled 

indirectly involving the use of the condenser and/or reflux drum.  

6.2.1Vent to Atmosphere Figure (40 ) below shows the easiest way to control the pressure in a 

column operating at atmospheric pressure.  

 

Figure 40: Vent to Atmosphere  

In this case the cooling water flow stays constant and the reflux drum is vented to atmosphere. 

Thus  the  reflux  drums  and  hence  the  top  of  the  column  are  at  atmospheric  pressure.  The 

advantage of this scheme is that it requires one less control valve. The disadvantage is that the 

tops have to be sub cooled so that a minimal amount of vapour is lost through the vent. Hence 

more energy is required from the reboiler when the reflux is added to the top of the column.  

6.2.2 Cooling Water: Figure (41) shows the most common method for controlling the pressure ‐ 

adjustment of the cooling water flow.  

83

 

Figure 41: Cooling Water  

In this case if the cooling water flow is increased then more vapour is condensed and the 

vapour pressure is reduced (and vice versa).  

6.2.3Flooded Condenser ‐ 1: Figure ( 42) shows the classic flooded condenser approach.  

 

Figure 42 Flooded Condensers ‐ 1  

Again in this setup, as with the first example, there is no valve on the cooling water. Instead the 

valve is in the liquid line between the condenser and reflux drum. If this valve is closed then the 

condensed vapor i.e. liquid will build up and flood the condenser. This has the effect of reducing 

84

the  heat  exchange  area,  thus  reducing  the  amount  of  vapour  being  condensed  and  hence 

increasing the pressure. The valve can then be opened, the  liquid  level will fall,  increasing the 

heat exchange area and hence decreasing the pressure.  

6.2.4Flooded  Condenser  –  2:  Figure  (43)  shows  an  alternative  arrangement  for  a  flooded 

condenser. 

 

Figure 43: Flooded Condenser 2  

The first thing to notice about this setup is that the reflux drum and condenser are at the same 

level. The second  important point  is that the vapor  line, on which there  is the control valve, is 

very small in comparison with the overhead line. If the valve is opened there is a small escape 

of  gas  into  the  reflux  drum.  This  pushes  the  liquid  level  down  in  the  drum  and  up  in  the 

condenser, flooding it and reducing the heat exchange area as in the last example. Therefore to 

increase the pressure the valve is opened and to decrease the pressure the valve is closed.  

6.2.5Partial Condenser The final example is the control of a partial condenser.  

85

 

Figure 44: Partial Condenser  

The above scheme is used if the overhead product is required as a vapour.  

6.3 Controlling Tops Composition in Distillation: As well as pressure, the other parameter most 

likely to be controlled is the composition of the tops product. The reason is that the final 

product will most probably come from the top of the column and it is important to know its 

composition. Again, as with pressure, there are many different ways of controlling the tops 

composition. Three methods are described below.  

• Reflux Rate  

• Reflux Ratio  

• Distillate Rate  

6.3.1 Reflux Rate In this first example the reflux rate is adjusted to control the composition of 

the tops product. As the amount of reflux is changed so the temperature profile in the column 

changes and hence the composition. 

86

 

Figure 45: Reflux Rate  

6.3.2 Reflux Ratio The second example uses the reflux ratio as the control parameter 

 

Figure 46: Reflux Ratio  

When designing a distillation column it is usually the reflux ratio that is determined. This can be 

kept constant throughout operation by using two flow indicators and a ratio controller.  

6.3.3 Distillate Rate The third example is for high purity tops. It uses the distillate flow rate to 

control the distillate composition.  

87

 

Figure 47: Distillate Rate  

It can be shown that for a high purity column i.e. one with a large reflux, that the composition 

of the distillate is sensitive to the distillate flow but insensitive to the reflux rate. Therefore for 

a high purity column the control scheme outlined above is used. It should be noted that tight 

control on the level in the reflux drum is required using the reflux rate.  

6.4 Distillation Column Control Examples 

The following examples describe alternative control strategies of fairly standard form.  

• Pressure, Overheads Rate and Composition  

• Pressure, Bottoms Rate and Composition  

• Pressure, Bottoms Rate and Overhead Composition, With Partial Condenser  

• Pressure, Overhead Rate and Bottoms Composition  

• Pressure, Bottoms Rate, Overhead Rate and Composition  

In all cases actual composition controllers are shown. These could of course be replaced by 

inferential measurement from temperature, with or without cascade of a slower analyzer. 

Unless otherwise stated, it has been assumed that the feed rate to the system is not available 

as a manipulated variable.  

88

1.Pressure, Overheads Rate and Composition This is a fairly standard configuration for a single 

product  column,  i.e. when  the  bottoms  streams  is  a  by‐product,  recycle  or  goes  to  further 

processing. Although the overheads composition is regulated by adjusting the steam rate at the 

base of the column, the response of the column to heat input changes is quite rapid, and so this 

strategy  is acceptable. Pressure  control on  condenser  cooling water  is  shown; of  course  any 

other pressure control scheme would be acceptable.  

 

Figure 48: Overheads Rate and Composition  

2.  Pressure,  Bottoms  Rate  and  Composition  This  is  the  analogous  situation  to  the  previous 

case,  in  the  rather  less  usual  circumstances  where  a main  product  is  withdrawn  from  the 

bottom  of  the  column.  This  does  not work well,  since  either  the  bottom  level,  as  here,  or 

composition, has to be regulated by adjusting the reflux rate. In either case the loop involves a 

long delay due  to  the hydraulic  lags on each  tray.  It  is probably marginally better  to  regulate 

composition by steam rate since this is a more important quantity than level, although the two 

loops could be interchanged with the steam adjusting the level, which is quite a good scheme, 

and the reflux manipulating the bottoms composition, which is very poor. Fortunately this is an 

unusual  requirement,  as main  products  normally  come  from  the  top  of  columns  for  other 

reasons. A standard flooded condenser pressure control system is shown.  

89

 

Figure 49: Bottoms Rate and Composition  

 

3. Pressure, Bottoms Rate and Overhead Composition, With Partial Condenser 

This is not a particularly common strategy, but the arrangements for a column with partial 

condenser are typical. The pressure in such a system is almost always manipulated by a valve 

on the vapor product line. There is no reflux drum, and reflux rate is often set implicitly by 

adjusting the cooling load on the condenser.  

 

Figure 50: Bottoms Rate and Overhead Composition, With Partial Condenser 

90

4. Pressure, Overhead Rate and Bottoms Composition This scheme should work satisfactorily 

as all adjustments are made at the same end of the column as the related measurements. The 

pressure control scheme is the so‐called hot gas bypass. Note that the layout of condenser and 

reflux drum shown  is critical to the operation of this method, which  is actually a variation on 

the  flooded condenser approach. The bypass  is a very small pipe which bleeds vapor  into  the 

reflux drum where  it does not  immediately condense. The pressure  in the system rises as the 

bypass valve is opened.  

 

Figure 51: Overhead Rate and Bottoms Composition  

5. Pressure, Bottoms Rate, Overhead Rate and Composition: Since three regulated quantities 

are  specified,  the  feed  to  the unit must be  available  as  an  adjustment. Apart  from  this,  the 

arrangements are similar to those of the first example. Level control on the column base is not 

very satisfactory due to the lags between the feed and the bottom of the column, but any other 

arrangement would be worse. 

91

 

Figure 52: Bottoms Rate, Overhead Rate and Composition 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

92

6. Economic evaluation of air distillation 

In this chapter the economics of the air distillation process is evaluated. For building an air 

distillation plant the initial cost of equipments and operational costs are important.  

6.1 Capital investment costs 

In an air distillation plant there are used a number of expensive devices. Most important of 

them are compressors, distillation columns, and heat exchangers. Using Aspen Economic 

Evaluation we have calculated the cost of equipment used in the simulation scheme (Figure26) 

and also feed air compressors. The results of these calculations are shown in Table 13. The total 

Investment costs were calculated as 29720000 USD. Considering a 15 year period of plant 

operation the annually investment costs are: 1981333 USD.  

Table13: calculation of investment costs 

NO  Name   Type  Direct Cost 

(USD) 

NO Name Type  Direct 

Cost(USD) 

1  B1  DGC CNTRIF  15726500 15 C3‐ reflux pump DCP CENTRIF  34800

2  B2  DGC CNTRIF  2163300 16 C3‐tower DTW TRAYED  2758400

3  B4  DHE FLOAT HEA  90500 17 C4‐cnod acc DHT HORIZ DRU  127200

4  C1‐cond acc  DHT HORIZ DRU  219500 18 C4‐reb DRB U TUBE  65400

5  C1‐ reflux pump  DCP CENTRIF  61200 19 C4‐reflux pump DCP CENTRIF  24100

6  C1‐ tower  DTW TRAYED  450700 20 C4‐tower DTW TRAYED  165900

7  C2‐ cond  DHE FIXED T S  572400 21 Expander DTUR TURBOEX  63000

8  C2 ‐reb  DRB U TUBE  143000 22 HE1 DHE FLOAT HEA  294600

9  C2‐reflux pump  DCP CENTRIF  338600 23 HE2 DHE FLOAT HEA  207200

10  C2‐tower  DTW TRAYED  5183100 24 HE3 DHE FLOAT HEA  278700

11  C3‐cond  DHE FIXED T S  25 HE4 DHE FLOAT HEA  374700

12  C3‐cond acc  DHT HORIZ DRU  147600 26 HEN2 DHE FLOAT HEA  94000

13  C3‐ reb  DRB U TUBE  41600 27 HEO2 DHE FLOAT HEA  94000

14  total     25138000 28 total 4582000

TOTAL                                                                                          =    29720000 USD 

93

6.2 Operational costs 

The operational cost includes mainly the following:  

a‐ Cost of raw materials, basic materials and semi‐manufacturing products and auxiliary 

materials. 

b‐  Fuel costs for the State of technological work 

c‐ Water 

d‐ Electricity 

e‐  Steam 

f‐ workers, technical engineering employees 

Table14:  calculate the basic material costs and auxiliary materials, fuel costs, electricity, water vapor and air 

 

Costs of raw materials, electricity, water and steam are given in Table 14. The staff cost is 

calculated and included in Table 15.  

NO  Name Measurement 

Unit 

Norm of 

consumptio

n unit 

Annual 

production 

capacity 

The total 

consumptio

n in year 

Prices per 

unit 

The total 

price of 

(USD) 

1  A  2  3 4 5 6  7

1  at.  Air  Nm3/hr  135572 

222688000 m

3  O2  

1084576000   0.01  10845760 

2  Silica gel  kg/27836 m3 O2  0.08 640  0.5  320

3 sodium hydro 

oxide kg/27836N m3 O2  2.8  22400   0.375  8400  

4  Aluminium oxide  kg/27836N m3 O2  0.06  480   0.377   181 

5 carbon tetra 

chloride kg/ Nm3 O2  0.9  7200   0.9  6480  

6  Electricity  Kw hr   22269  178152000  0.05   8907600 

7  Recycled Water   kg/27836Nm3 O2 9 72000 0.5  36000

8  Steam  kg/27836 Nm3 O2  20  160000    0.18  28800  

9  Total  19833541 

94

Norm used for fuel, electricity, steam, water and compressed air for the unit continues to 

produce and annual production of technological calculations are taken in this case.  

Annual production capacity × Norm used for produced 27836M3 = the total consumption in year  

Number of workers can be received: 

             09.1SnCN ⋅⋅⋅=                                                                                                   (6.1) 

 In the above formula: 

N ‐ Total number of personnel  

C ‐ Number of equipment that is equal to 9. 

n‐ Managed norm the number of people who have been here two set 

 S ‐ The number of shafts in a working day which is equal to 3. 

              1.09 –is it Words for workers who take leave due to illness or above the present work 

after considered:     

                   5986.5809.1329 ≈=×××=N

Employees engineering ‐ technical and low rating personnel can be set so as follows. 

A ‐ Engineering Employees can be as much as% 12 ÷ 8 total numbers of workers included were 

closed. 11% agree that here we have been following. 

     (6.2) 

          

B ‐ Number of low‐ranking personnel can be of size% 8 ÷ 5 includes the total number of workers 

can shut agreed. Here are the 5% was accepted.   

                      %5

%10059X

                       395.2100

595==

×=X                                                         (6.3) 

69.5100

5910==

×=X

%10%10059

X

95

C ‐ Number of workers is equal to: 

(Engineering staff + staff) ‐ Total = Total workers = 50 

Wages were calculated in Table (15) 

            Table15: Wages be paid 

NO  Staff category  Total workers 

includes in list 

Degree 

of tariff 

monthly rate of 

pay (USD) 

Annual wages 

1  A  2 3 4 5 

1  Engineering Staff  6 4 500 36000 

2  Workers  50 1 250 150000 

3  servants  3 3 150 5400 

Total  191400 

 

Now we arrange the estimate comprehensive: 

                               Table16: estimated the comprehensive 

No  List of expenditure items  Total expenditures 

Percentage of the total comments 

1  Total from Table 14  19833541  77.37 

2  Wage  191400  0.75 

3  Insurance  22968  0.09 

4  Annual  depreciation  2972000  11.59 

5  Administrative costs  1381194.54  5.39 

7  Intrinsic value of branch  24401103.54  95.19 

8  factory general expenditure  1220055.177  4.76 

9  Non‐productive expenditure  12200.55177  0.05 

10  Total expenditure was cost  25633359.27  100 

 

Intrinsic value of the product (unit) (tons, cubic meter), is calculated through the division. 

96

If the estimated O2, N2 sales price per normal cubic meter is 0.05 USA, and Ar sales price per 

normal cubic meter is 0.25 USD, the provisions in this case is equal to:  

Annually: 

QO2= 222688000 Nm3/year          H O2 = 222688000 × 0,05 = 11134400 USD 

QN2=845299463Nm3/year             H N2 = 845299463 × 0.05 = 42264973 USD 

Q Ar=9909083.3Nm3/year             H Ar = 9909083.3 × 0.25 = 2477270 USD 

H=HO2+HN2+HAr                   H =55876643  USD 

             P = H ‐ C                                                                                                                                        (6.4) 

            P = 55876643 – 25633359 = 30243284USD 

Payback period of investment is approximately one year.  

97

Summary 

This project describes the cryogenic air separation to its components (Nitrogen, Oxygen 

and Argon). A special attention was devoted to the separation of argon. In theoretical part we 

included  information  about  air  properties,  separation  process,  air  cooling,  air  clearing, 

distillation of air, products of air and their application and other aspects of air separation. 

         In practical parts we have described: Thermodynamic of air separation, in this section the 

Peng‐Robinson state equation for calculation of equilibrium coefficient of nitrogen and oxygen 

system was used. And also the isobaric t, xy and x,y diagrams of N2‐O2 and Ar‐O2 binary systems 

at different pressures were analyzed. After that we Calculated air distillation by McCabe‐Thiele 

method, and Enthalpy balance of reboiler and total condenser was done.  

Aspen simulation of air separation process forms the core of this work.  The process flowsheet 

including heat exchange and cryogenic separation was designed. Material and enthalpy balance 

calculations in steady state were made for all basic process equipment. The work contents the 

results of process simulation  including results of material and enthalpy balances, temperature 

and composition profiles  in all columns. The optimal parameter of distillation column such as 

reflux ratio, number of theoretical stages and feed stages  were set.   

Mechanical calculation of air distillation tower, safety aspects of air distillation process, 

Principles of control of air distillation columns are another chapters of this work. And finaly the 

economy  of  air  distillation  process  is  evaluated.  Using  Aspen  Economic  evaluation  the 

investment costs of air distillation process was estimated. The operational costs of the proces 

were obtained based on the literature information and Afghanistan conditions.  

 

 

 

 

 

   

98

Conclusion  

An air separation plant processing 6048,9 kmol/hr of air to the basic air components Nitrogen 

(4761,98 kmol/hr), Oxygen (1242,77 kmol/hr) and Argon (44, 15 kmol/ hr) was designed. Purity 

of  produced    Nitrogen  and  Oxygen  is  99  %  and  purity  of  Argon  99,99  %.  A  system  of  4 

distillation towers was designed for separation of air into Nitrogen, Oxygen and Argon.  

From the thermodynamic analysis of binary  isobaric diagrams of the systems N2‐O2 and Ar‐O2 

results that cryogenic  separation of Nitrogen and Oxygen and also separation of Nitrogen from 

Argon  is not very difficult, but separation of Argon  from Oxygen can require  large number of 

theoretical stages and large value of reflux ratio.  

Argon is separated in the last two columns. A side stream reached with Argon is drawn out from 

the top part of the column C2. In column C3 a mixture of Argon and Nitrogen is distillated from 

Oxygen,  which  is  removed  from  the  bottom  of  this  column.  The mixture  of  Nitrogen  and 

Oxygen  is separated  in the column C4. The purity and recovery of Argon beside conditions  in 

columns C3 and CC4 can be  influenced also by different factors  in columns C1 and C2, such as 

distillate rate of column C1, side stream stage, and reflux ratio in the column C2. The influence 

of these parameters was investigated.  

From the economic evaluation of the process results that the cost of basic equipments for air 

distillation process is around 30 millions USD, However the energy consumption of the process 

is very high.   

 

Symbols  

1. O2 – Oxygen  

2. N2 – Nitrogen 

3. Ar – Argon 

4. D – Humidity ratio of wet air (g/kg)or(d.a) 

5. H – Enthalpy of wet air kg/kg 

99

6. Wt – ideal input work of turbine   (kg/kg) 

7. Wc – ideal input work of compressor  (kg/kg) 

8. N – exponent 

9. R – gas constant   (kg/kg K) 

10. T – temperature   °C,°K 

11. Twet – wet bulb temperature 

12. W – Water 

13. ηc – Efficiency of compressor  

14. ηt – Efficiency of turbine 

15. Wm – practical work consumed by system  (kJ/kg) 

16. B – wet air pressure Pa 

17. α i – Differential effect 

18. ∆Ti – Integral effect of transmission 

19. αs – Adiabatically effect of transmission 

20. i1,2  ‐ Enthalpies 

21. Yi – Mole fraction in vapor phase 

22. Ki – Equilibrium coefficient  

23. R – Reflux ratio 

24. HE – Heat exchanger  

25. C1, 2... – Column 

26. Φ – stitch length welding 

27. Sp  ‐ Calculated wall thickness 

28. σ – Seizure authorized 

100

29. σB ,σT – least limit order price stability authorized 

30. nB,nT – Stability comment , much fluidity 

31. η – Correction factor 

32. Dbn – Internal diameter ,  mm 

33. Hn – Height  ,  mm 

34. tn – Temperature   , °C 

35. δb – Much Stability ,   kg/cm2 

36. C – Surplus    ,  mm 

37. m – indicators monetary trope 

38. N – Number of personnel 

39. C – Number of equipment 

40. n – Managed norm 

41. S – Number of shafts 

42. I – Producing Currency 

43. i ‐ Producing Unit value 

44. R ‐ Utility level 

45.  H – Full value unit production 

46. C – Intrinsic value of production 

47. XD – mole fraction of distillate  

48. Xw – mole fraction of bottom 

49. ∆vhw – Heat of evaporation  

 

101

References 

 [1].Dr.‐Carl‐von‐Linde‐Strasse6‐14, 82049Pullach, Germany, 1/11/2010 

http://www.linde‐engineering.com/en/process_plants/ air separation_ history/index.html,  

[2] Energy Conversion and Management 48 (2007) 2255–2260,  Available online 18 June 2007, 

14/11/2010 

[3] Hamlin S, Hunt R, Tasso SA., Technology. Apple Thermo Eng 1998; 18(10):1139–48. 2007  

[4] ASHRAE Handbook –  fundamentals volume, 2001, ASHRAE 1791, Tulie Circle, Atlanta, GA 

30329, United States of America. 

[5] Chikrenof A.   And, By navichos Translator Abdul Ali Halim and Ahmed Ali Farhat,  filtration 

equipment, material  technology and non‐member, diploma quid  students  for projects Dicker 

field  chemical  technology,  Part. Monetary  Publications  Kabul  Polytechnic,  1358,  page  154, 

4/11/2010 

 [6] Site Designed and Maintained by Industrialgasplants.com , 24/11/2010 

http://www.industrialgasplants.com/cryogenic‐air‐separation.html 

[7] On‐Site & Plant Division Toyo Bldg., 1‐3‐26 Koyama, Shinagawa‐ku, Tokyo 142‐8558, JAPAN, 

http://www.tn‐sanso.co.jp http://tn‐sanso‐plant.com/en/air.html , 18/11/2010 

[8] Air Products and Chemicals Inc., 7201 Hamilton Boulevard, Allentown, PA 18195‐1501, USA 

Available online 22 August 2006 Computers and Chemical Engineering 30 (2006) 1436–1446 

 [9] Surabhi Fabs Pvt. Ltd. and ISO 9001:2000 Certified Company, 

 [10] Engineering tool boox.com, www.google.com 

http://www.engineeringtoolbox.com/dry‐air‐properties‐d_973.html,12.11.2010 

[11] Dr. M.J. Willis, Department of Chemical and Process Engineering, University of Newcastle, 

Written: December, 1999 ‐ March, 2000, 2010  

 [12]  Engineering  Division,  Dr.‐Carl‐von‐Linde‐Str.  6‐14,  and  82049  Pullach,  Germany.,

www.linde.com 

[13] Haydary J, Pavlík T, Steady‐state and dynamic simulation of crude oil distillation using ASPEN Plus and ASPEN Dynamics, Petroleum and Coal,  51(2),  100‐109, 2009 

102

 [14] AShenkoa, A, v, Pro. Mohammad masoom. Guide guild organizing projects, planning and 

management institutions for monetary fields Polytechnic Broadcast Cable Chemical Technology, 

1365, 16 pages economics lessen chapter, 1/11/2010, 

[15]Pro. Shah Mohammad besmel, (Bsml Sh. M.)Polytechnic principles of safe and not to work 

in chemical industries, publishing "side" of Iran, 1382, page 320, 22/11/2010 

[16] J.W. Ponton 2007, the ECOSSE Control Hyper Course, 

http://www.google.com/url?sa=t&source,19/11/2010