Установка разделения воздуха, способ получения продукта, содержащего аргон, и способ изготовления установки разделения воздуха - RU2659698C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к установке разделения воздуха, способу получения аргонового продукта низкотемпературным разделением воздуха и к способу изготовления соответствующей установки разделения воздуха.

Уровень техники

Получение аргона низкотемпературным разделением воздуха описано, например, в статье “Noble Gases” в Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (doi: 10.1002/14356007.a17_485). Как изображено, например, на Фиг. 18 процитированного источника, аргон может быть получен в традиционных установках разделения воздуха с помощью известных двухколонных систем разделения азота и кислорода и дополнительного блока получения аргона.

В таких двухколонных системах аргон концентрируется в колонне низкого давления в области так называемого аргонового перехода (также обозначаемой как “аргоновый живот” или “аргоновый пузырь”), и там его концентрации в газовой фазе достигают вплоть до 15%. При практическом применении обогащенный аргоном поток отводят из колонны низкого давления несколько ниже данного участка с максимумом содержания аргона с тем, чтобы он имел меньшее содержание азота.

Обогащенный аргоном поток направляют в так называемую колонну сырого аргона. В случае колонны сырого аргона речь идет о разделительной колонне, служащей для разделения аргона и кислорода. В традиционных установках разделения воздуха колонна сырого аргона может быть образована односекционной колонной, однако также описаны двухсекционные или образованные несколькими секциями колонны, например в EP 0 628 777 B1.

В известные колонны сырого аргона подают обогащенный аргоном поток с содержанием аргона, составляющим, например, 10%. В колонне сырого аргона из данного потока получают богатый аргоном поток, который может быть еще раз очищен в находящейся ниже по ходу колонне чистого аргона. В колонне чистого аргона может быть получен аргоновый продукт с содержанием аргона вплоть до 99,9999% или более. Данный аргоновый продукт обычно получают в жидкой форме, чтобы облегчить хранение и транспортировку.

Способы получения аргона освещенного уровня техники известны, например, из следующих публикаций: DE 2 325 422 A, EP 0 171 711 A2, EP 0 377 117 B2 (соответствует US 5 019 145 A), DE 403 07 49 A1, EP 0 628 777 B1 (US 5 426 946 A), EP 0 669 508 A1 (US 5 592 833 A), EP 0 669 509 B1 (US 5 590 544 A), EP 0 942 246 A2, EP 1 103 772 A1, DE 196 09 490 A1 (US 5 669 237 A), EP 1 243 882 A1 (US 2002/178747 A1), EP 1 243 881 A1 (US 2002/189281 A1) и FR 2 964 451 A3.

При изготовлении установок разделения воздуха для получения аргона возникают проблемы из-за размеров применяемых колонн, в особенности колонны сырого аргона. Двухколонная система разделения азота и кислорода может в целом достигать высоты почти 60 м; колонна сырого аргона в односекционной форме также имеет размеры в данном диапазоне.

Соответствующие установки разделения воздуха едва ли уже можно изготавливать заранее, так как соответствующие группы составных элементов, как правило, уже невозможно транспортировать на дальние расстояния. Это означает, что их необходимо изготавливать в соответствующем пункте назначения. По различным причинам это невыгодно, среди прочего из-за того, что соответствующий персонал не доступен в пункте назначения или является дорогостоящим. В связи с этим затраты на изготовление соответствующих установок разделения воздуха значительно повышаются.

Напротив, желательным является в значительной степени модульное изготовление соответствующей установки разделения воздуха на месте производства. Индивидуальные элементы предпочтительно размещают на месте производства уже в соответствующих охлаждающих теплоизолированных кожухах (‘Coldbox’), а в пункте назначения их необходимо лишь соединить друг с другом. Для этого предпочтительно также можно использовать модули, так называемые блоки с трубной обвязкой Piping Skids.

В заявке US 2001/0001364 A1 предложено часть колонн установки разделения воздуха, служащей для получения аргона, формировать в виде двух секций и проводить их размещение, которое позволяет уменьшить размер охлаждающего теплоизолированного кожуха Coldbox для данных колонн.

Хотя данное разбиение на части облегчает изготовление установок разделения воздуха, продолжает существовать потребность в усовершенствованиях. Поэтому в основе изобретения лежит задача экономически особенно выгодного изготовления и эксплуатации установки разделения воздуха упомянутого выше типа.

Раскрытие сущности изобретения

В свете вышеизложенного согласно настоящему изобретению предлагается установка разделения воздуха, способ получения аргонового продукта низкотемпературным разделением воздуха и способ изготовления соответствующей установки разделения воздуха с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления представляют собой соответствующий объект зависимых пунктов формулы изобретения, а также нижеследующего описания.

Преимущества изобретения

Согласно изобретению предложена установка разделения воздуха, которая выполнена с возможностью получения продукта, содержащего аргон, низкотемпературным разделением сжатого и охлажденного исходного воздуха. Установка разделения воздуха имеет колонну высокого давления, образованную несколькими секциями колонну низкого давления и образованную несколькими секциями колонну сырого аргона. Образованная несколькими секциями колонна низкого давления и образованная несколькими секциями колонна сырого аргона, каждая, имеют по меньшей мере один донный участок и один расположенный пространственно отдельно от него головной участок. В частности, образованная несколькими секциями колонна низкого давления и образованная несколькими секциями колонна сырого аргона, каждая, образованы двумя секциями.

Установка разделения воздуха работает, основываясь на поясненных выше принципах, причем обогащенный аргоном поток колонны низкого давления может быть отведен из установки разделения воздуха.

Что касается “продукта, содержащего аргон”, речь может идти, например, о жидком аргоне (LAR), газообразном аргоне (GAR, при необходимости получаемом так называемым внутренним сжатием) или так называемом Fake Argon (неочищенный аргон, который газообразным в холодном состоянии подают в остаточный газ). Далее изобретение проиллюстрировано преимущественно на примере жидкого чистого аргона (LAR), который кратко обозначают как “аргоновый продукт”.

“Образованная двумя секциями” колонна образована, как упомянуто, таким образом, что два участка (головной участок и донный участок) расположены пространственно отдельно друг от друга. Известные установки разделения воздуха могут иметь, например, системы колонн для разделения азота и кислорода, в которых колонна высокого давления и колонна низкого давления расположены отдельно друг от друга и соединены через головной конденсатор с возможностью теплообмена. Такие системы колонн “образованы двумя секциями”. Термин “образованы двумя секциями” отграничивает, тем самым, соответствующие конфигурации от конструктивных блоков, в которых элементы соединены друг с другом постоянным образом и не расположены с возможностью отделения друг от друга.

Терминами “донный участок” и “головной участок” обозначают, соответственно, участки образованных двумя секциями колонн, которые по своей функции, в особенности касательно образующихся в них фракций или потоков, соответствуют низшему или, соответственно, высшему участкам традиционных, образованных одной секцией колонн. Донный участок имеет, например, кубовый резервуар, головной участок имеет, например, головной конденсатор. Тем самым, головной участок представляет собой часть колонн, которая соединена с соответствующим конденсатором, и в которой флегма подается в соответствующие колонны. В образованной одной секцией колонне низкого давления известных установок разделения воздуха в кубовой части получают богатую кислородом фракцию, которая может быть отведена в виде кислородного продукта. Тем самым, это осуществляется также в кубовой части донного участка образованной двумя секциями колонны низкого давления. Вверху образованной одной секцией колонны низкого давления известных установок разделения воздуха, соответственно, может быть отведен газообразный азотный продукт, что равным образом справедливо для верхней части головного участка образованной двумя секциями колонны низкого давления. Вверху образованной одной секцией колонны сырого аргона и, соответственно, в верхней части головного участка образованной двумя секциями колонны сырого аргона отводят поток сырого аргона и направляют его в колонну чистого аргона, из кубовой части образованной одной секцией колонны сырого аргона и, соответственно, из кубовой части донного участка образованной двумя секциями колонны сырого аргона возвращают в колонну низкого давления образующийся кубовый продукт.

Если образованная “несколькими секциями” колонна низкого давления и/или сырого аргона имеет более двух секций, тогда между донным и головным участком предусмотрены дополнительные промежуточные участки. Индивидуальные участки (донный, головной и при необходимости промежуточные участки) соединены друг с другом посредством трубопроводов и при необходимости насосов, чтобы таким образом реализовать производство, которое также осуществляется при использовании соответствующей односекционной колонны.

Установка разделения воздуха по изобретению имеет общепринятую конфигурацию, что означает, что в колонне высокого давления из по меньшей мере одной части исходного воздуха, который может быть предоставлен, например, в форме нескольких потоков исходного воздуха, может быть получен по меньшей мере один богатый кислородом поток. Богатый кислородом поток может быть направлен по меньшей мере частично в образованную несколькими секциями колонну низкого давления, а именно сначала в ее донный участок. В образованной несколькими секциями колонне низкого давления, как пояснено, из по меньшей мере одной части обогащенного кислородом потока в так называемом аргоновом переходе может быть получен по меньшей мере один богатый аргоном поток. Он может быть направлен в образованную несколькими секциями колонну сырого аргона, а именно сначала также в ее донный участок. В колонне сырого аргона по меньшей мере из одной части обогащенного аргоном потока может быть получен по меньшей мере один богатый аргоном поток.

Здесь для соответствующих текучих сред использованы термины “потоки” и “фракции”. В случае “потока” речь идет, например, о текучей среде, которую непрерывно подают в соответствующем трубопроводе. “Фракция” представляет часть исходной смеси, например воздуха, которая может быть выделена из исходной смеси. Такая фракция может быть в любой момент подана в виде потока в соответствующей трубопроводной системе или в колонне.

Поток или фракция может быть “обогащен(а)” одним или несколькими содержащимися в нем(ей) компонентами, причем обогащенная фракция или обогащенный поток имеет более высокое содержание одного или нескольких соответствующим образом обозначенных компонентов, чем исходная смесь. В частности, обогащение имеет место тогда, когда данное содержание соответствует по меньшей мере двух-, пяти-, десяти- или стократно увеличенному значению соответствующего содержания в исходной смеси. “Богатый” одним или несколькими компонентами поток содержит преимущественно соответствующий(е) компонент(ы). Например, богатый аргоном поток может содержать по меньшей мере 80%, 90%, 95% или 99% аргона в мольном, массовом или объемном выражении.

Установка разделения воздуха по изобретению отличается тем, что по меньшей мере один жидкий поток из нижней области головного участка колонны низкого давления и из нижней области донного участка колонны сырого аргона может быть направлен посредством общего насоса в верхнюю область донного участка колонны низкого давления.

Изобретение может охватывать различные расположения колонн или их участков. Так, донный участок и/или головной участок колонны сырого аргона может быть расположен геодезически по меньшей мере частично рядом с головным участком колонны низкого давления. В данном случае колонна высокого давления, головной участок колонны низкого давления, донный участок и головной участок колонны сырого аргона также могут быть расположены геодезически по меньшей мере частично рядом друг с другом. Согласно одному дополнительному варианту осуществления предусмотрено, что донный участок или головной участок колонны сырого аргона расположен геодезически полностью выше головного участка колонны низкого давления. Также, предпочтительно, донный участок колонны низкого давления расположен в вертикальной проекции сверху рядом с ее головным участком, и донный участок колонны сырого аргона расположен в вертикальной проекции сверху рядом с ее головным участком. Одновременно, когда донный участок или головной участок колонны сырого аргона расположен геодезически полностью выше головного участка колонны низкого давления, колонна высокого давления и донный участок колонны низкого давления, с одной стороны, и головной участок или донный участок колонны сырого аргона и головной участок колонны низкого давления расположены в вертикальной проекции сверху по меньшей мере частично друг над другом.

В рамках настоящей заявки под “геодезически по меньшей мере частично рядом с” подразумевается, что низшая точка соответствующей конкретнее определенной колонны или участка колонны (здесь, например, донного участка и/или головного участка колонны сырого аргона) лежит ниже высшей точки соответствующей другой колонны или участка колонны (здесь, например, головного участка колонны низкого давления). Низшие точки соответствующих конкретнее определенных колонн или участков колонн также могут лежать на одном уровне. В упомянутом варианте осуществления, в котором донный участок и/или головной участок колонны сырого аргона расположен геодезически по меньшей мере частично рядом с головным участком колонны низкого давления, существует также горизонтальная плоскость сечения, которая рассекает как донный участок и/или головной участок колонны сырого аргона, так и головной участок колонны низкого давления.

Соответственно, под “геодезически полностью выше” подразумевается, что низшая точка соответствующей конкретнее определенной колонны или участка колонны (здесь, например, донного участка или головного участка колонны сырого аргона) лежит выше высшей точки соответствующей другой колонны или участка колонны (здесь, например, головного участка колонны низкого давления). Если в поясненном случае донный участок или головной участок колонны сырого аргона, который расположен геодезически полностью выше головного участка колонны низкого давления, в своей низшей точки соединен текучей средой с головным участком колонны низкого давления, тогда жидкость, если пренебречь перепадом давлений, полностью стекает в головной участок колонны низкого давления.

Здесь “низшая точка” колонны или участка колонны в каждом случае представляет собой низшую позицию на дне резервуара, расположенного на своей донной стороне, например, кубового резервуара, или всего внутреннего пространства колонны или участка колонны. При этом присоединенные по обстоятельствам трубопроводы не причисляются к колонне. “Высшая точка” колонны или участка колонны представляет собой крышу колонны или участка колонны. Если колонна или участок колонны имеет головной конденсатор, тогда его высшая точка представляет собой высшую точку колонны или участка колонны.

Здесь расположение элемента “в вертикальной проекции сверху рядом с” означает расположение, при котором соответствующие элементы расположены в вертикальной проекции рядом друг с другом. Это не исключает того, что соответствующие элементы расположены по отношению друг к другу на разных (геодезических) высотах. Например, донный участок колонны низкого давления может быть расположен в вертикальной проекции сверху рядом с головным участком колонны низкого давления, однако высотное расположение может так отличаться, что геодезически высшая точка головного участка колонны низкого давления лежит все еще ниже геодезически низшей точки донного участка колонны низкого давления. Когда элементы, напротив, расположены “в вертикальной проекции сверху по меньшей мере частично друг над другом”, их периметры по меньшей мере частично пересекаются. Например, резервуар сырого аргона может быть смещен в бок, чтобы обеспечить возможность компактного построения.

Расположение по изобретению в упомянутых вариантах осуществления оказывается особенно предпочтительным, так как посредством него можно изготовить соответствующие установки разделения воздуха с заметно меньшей высотой. Например, посредством технических решений по изобретению установка разделения воздуха с колонной сырого аргона с эффективной высотой приблизительно 60 м может быть изготовлена путем соответствующего разбиения на части и расположения так, что суммарная высота конструкции составляет приблизительно 40 м.

Колонну сырого аргона с названной высотой разделяют для этого, например, на две секции. Головная часть также двухсекционной колонны низкого давления может быть размещена геодезически ниже головного или донного участка колонны сырого аргона в общем теплоизолированном кожухе Coldbox. Данное расположение имеет ряд дополнительных преимуществ, которые пояснены ниже. Донный участок колонны низкого давления может образовывать с колонной высокого давления конструктивный блок и, как таковой, может быть также размещен в соответствующем теплоизолированном кожухе Coldbox. Колонна высокого давления и донный участок колонны низкого давления могут быть соединены друг с другом через главный конденсатор с возможностью теплообмена. Данная конфигурация соответствует традиционной установке разделения воздуха с блочной колонной для криогенного разделения воздуха (содержащей колонну высокого давления и колонну низкого давления), в частности используемой фирмой Linde (так называемая «двойная колонна Linde»).

Соответствующий теплоизолированный кожух Coldbox для головного или донного участка колонны сырого аргона и головного участка колонны низкого давления имеет размер лишь приблизительно 40 м. Тем самым облегчается транспортировка. Это же справедливо для теплоизолированного кожуха Coldbox, который содержит колонну высокого давления и донный участок колонны низкого давления. Оставшийся сегмент колонны сырого азота также нуждается в конструктивной высоте, составляющей приблизительно 40 м.

Установку разделения воздуха, следовательно, можно весьма экономично изготовить и эксплуатировать, в частности благодаря упомянутому расположению насоса, предлагаемому в изобретении. В частности, такая установка разделения воздуха может быть полностью предварительно изготовлена на месте производства и транспортирована к пункту назначения в соответствующих теплоизолированных кожухах Coldbox в форме модульных блоков. Тем самым не требуется дорогостоящее соединение множества элементов в пункте назначения. Элементы установки могут быть особенно легко проверены на производстве в своей совокупности на пригодность к эксплуатации, что при известных обстоятельствах избавляет от дорогостоящей диагностики неисправностей для индивидуальных элементов в пункте назначения.

Особые преимущества при эксплуатации установки разделения воздуха по изобретению возникают из-за того, что, как упомянуто, жидкий поток из нижней области головного участка колонны низкого давления и жидкий поток из нижней области донного участка колонны сырого аргона могут быть направлены посредством общего насоса в верхнюю область донного участка колонны низкого давления. Вследствие этого полностью отпадает необходимость в предоставлении нескольких различных насосов и, тем самым, соответствующий расход энергии, а также связанный с этим подвод тепла и необходимость в соответствующем техническом обслуживании.

В контексте данной заявки колонна низкого давления предпочтительно сформирована и эксплуатируется таким образом, что упомянутый аргоновый переход находится в месте раздела между головным и донным участком колонны низкого давления. Как упомянуто, при реализации на практике обогащенный аргоном поток отводят из колонны низкого давления несколько ниже фактического максимума аргона с тем, чтобы данный поток имел меньшее содержание азота. Это может быть учтено при выборе места раздела и при эксплуатации колонны низкого давления. В результате потоки из нижней области донного участка колонны сырого аргона и из нижней области головного участка колонны низкого давления имеют одинаковые или похожие концентрации аргона, так что их можно подавать посредством общего насоса в верхнюю область донного участка колонны низкого давления.

Установка разделения воздуха по изобретению может быть изготовлена в различных конфигурациях, в частности с применением так называемой трубной обвязки Piping Skids, то есть модулей трубной обвязки, которые также обеспечивают возможность предварительно осуществляемой обвязки трубами.

Кроме того, установка разделения воздуха по изобретению предпочтительно включает в себя колонну чистого аргона, в которой может быть получен аргон с чистотой в ранее упомянутом диапазоне. Колонна чистого аргона может быть размещена в одном из упомянутых теплоизолированных кожухов Coldbox или отдельно от них, в частности в собственном теплоизолированном кожухе Coldbox.

Способ по изобретению включает в себя получение аргонового продукта низкотемпературным разделением сжатого и охлажденного исходного воздуха. В способе по изобретению обеспечивается выгода, проистекающая из ранее упомянутых преимуществ, так что на это может быть здесь явно указано.

Далее изобретение описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 схематично показана установка разделения воздуха для получения аргонового продукта согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

На Фиг. 2 схематично показана установка разделения воздуха для получения аргонового продукта согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

На чертежах соответствующие друг другу элементы показаны одинаковыми ссылочными позициями. Повторное пояснение для них не приводится.

Необходимо явно подчеркнуть, что расположение элементов установок разделения воздуха, изображенных на Фиг. 1 и 2, приведено лишь в качестве примера и что, в частности, размеры изображенных там элементов, в частности колонн, не даны в строгом соответствии с масштабом. Как упомянуто, колонна сырого аргона соответствующей установки разделения воздуха имеет, как правило, наибольшую высоту, что не передано на чертеже в строгом соответствии с масштабом. Также известны установки с так называемыми фиктивными колоннами, из которых отводят только аргон, чтобы добиться преимущества по энергии. Такие колонны явно ниже, то есть также ниже других колонн.

На Фиг. 1 схематично изображена и в совокупности обозначена позицией 100 установка разделения воздуха по изобретению для получения аргонового продукта. Установка разделения воздуха имеет в качестве агрегатов разделения колонну 1 высокого давления, двухсекционную колонну низкого давления с донным участком 2 и головным участком 3, также двухсекционную колонну сырого аргона с донным участком 4 и головным участком 5, а также колонну 6 чистого аргона. Донный участок 2 и головной участок 3 колонны низкого давления конструктивно отделены друг от друга. Головной участок 3 колонны низкого давления расположен в вертикальной проекции сверху рядом с колонной 1 высокого давления, донный участок 2 колонны низкого давления расположен над ней. Донный участок 2 и головной участок 3 колонны низкого давления вместе функционально соответствуют традиционной колонне низкого давления двойной колонны Linde. Колонна 1 высокого давления и оба колоночных участка 2 и 3 колонны низкого давления совместно образуют систему дистилляционных колонн для разделения азота и кислорода.

В проиллюстрированном примере варианта осуществления охлажденный и сжатый исходный воздух подают в колонну 1 высокого давления в форме двух потоков a и b. В случае потоков a и b речь может идти, с одной стороны, о так называемом турбопотоке (поток a) и, с другой стороны, о так называемом дроссельном потоке (поток b). Установка 100 разделения воздуха по изобретению, тем самым, может быть выполнена с возможностью осуществления внутреннего сжатия. Предоставление потоков a и b представлено, например в EP 2 026 024 A1. Например, атмосферный воздух может быть всосан через фильтр из воздушного компрессора и сжат там до абсолютного давления от 5,0 до 7,0 бар, предпочтительно около 5,5 бар. Воздух может быть сжат в самом воздушном компрессоре или в расположенном ниже по потоку относительного него дополнительном компрессоре (последующий компрессор) также до более высокого давления и позже подвергнут сбросу давления в расширительной машине, благодаря чему, например, может быть покрыта часть потребности в холоде, потребляемом установкой 100 разделения воздуха.

Воздух после сжатия может быть охлажден, например, в холодильнике прямого контакта в прямом теплообмене с охлаждающей водой. Охлаждающая вода может быть подведена, например, из испарительного холодильника и/или внешнего источника. Затем сжатый и охлажденный воздух может быть очищен в устройстве очистки. Данное устройство может иметь, например, несколько резервуаров, которые наполнены подходящим адсорбционным материалом, предпочтительно молекулярным ситом. Затем очищенный воздух охлаждают, как правило, в главном теплообменнике до температуры около точки росы.

Рабочие давления, в каждом случае вверху или в верхней части головного участка, составляют от 4,5 до 6,5 бар, предпочтительно около 5,0 бар в колонне 1 высокого давления и от 1,2 до 1,7 бар, предпочтительно около 1,3 бар в колонне 2, 3 низкого давления. Донный участок 2 и головной участок 3 колонны низкого давления предпочтительно эксплуатируют при по существу одинаковом давлении, что, однако, не исключает определенные перепады давления, например из-за сопротивлений трубопроводов.

Колонна 1 высокого давления и донный участок 2 колонны низкого давления находятся в обеспечивающем возможность теплообмена соединении через главный конденсатор 12 и сформированы так, что представляют собой конструктивный блок. Изобретение, однако, также принципиально применимо в системах, в которых колонна 1 высокого давления и колонна низкого давления (или ее донный участок 2) расположены отдельно друг от друга и имеют отельный, то есть не интегрированный в колонны, главный конденсатор.

Воздух, который сжижается при подаче потока b исходного воздуха в колонну 1 высокого давления, может быть частично отведен как соответствующий поток c, нагрет в противоточном холодильнике 13 частичного охлаждения и затем иным образом использован или снова сжат и предоставлен в виде потока a, b исходного воздуха.

Обогащенную кислородом фракцию d отводят из кубовой части колонны 1 высокого давления, переохлаждают в противоточном холодильнике 13 частичного охлаждения и в виде потока e, в одной части, дополнительно охлаждают в кубовом испарителе 14 колонны 6 чистого аргона. Другая часть может быть пущена в обход кубового испарителя 14. Одна часть потока e течет в испарительное пространство головного конденсатора 15 головного участка 5 двухсекционной колонны сырого аргона, другая часть течет в испарительное пространство головного конденсатора 16 колонны 6 чистого аргона. Испарившуюся в головных конденсаторах 15 и 16 часть обогащенной кислородом фракции подводят в виде потока f в головной участок 3 колонны низкого давления в первой промежуточной зоне. Жидкие остаточные части подают в виде потока g во второй промежуточной зоне головного участка 3 колонны низкого давления, которая лежит выше первой промежуточной зоны.

Газообразный азот сверху колонны 1 высокого давления может быть подогрет, в одной части, в виде потока h, например в непроиллюстрированном главном теплообменнике, до примерно температуры окружающей среды для охлаждения исходного воздуха и затем, например как проиллюстрировано в EP 2 026 024 A1, дополнительно обработан.

Остаточный газообразный азот сверху колонны 1 высокого давления по меньшей мере частично конденсируется в главном конденсаторе 12. Полученный при этом жидкий азот частично подают в виде флегмы в колонну 1 высокого давления. Другую часть после переохлаждения в противоточном холодильнике 13 частичного охлаждения направляют в виде потока i к верхней части головного участка 3 колонны низкого давления. Газообразный поток j сверху головного участка 3 колонны низкого давления после прохождения через противоточный холодильник 13 частичного охлаждения может быть использован различным образом или далее использован в установке разделения воздуха.

Жидкий поток k кислорода из кубовой части донного участка 2 колонны низкого давления может быть посредством насоса 17 сжат в жидком состоянии и затем подан, например, в резервуар жидкого кислорода (LOX). Часть данного кислорода может быть также испарена для предоставления газообразного кислорода, используемого для создания давления (так называемое внутреннее сжатие).

Разделение колонны низкого давления на донный участок 2 и головной участок 3 и их эксплуатация осуществляется таким образом, что в нижней части головного участка 3 колонны низкого давления концентрируется обогащенная аргоном фракция. При этом речь идет об области так называемого аргонового перехода (также обозначаемой “аргоновым животом” или “аргоновым участком”). Данное обогащение возникает, как известно специалисту в данной области, благодаря летучести аргона, которая лежит между таковой азота и таковой кислорода. Если в колонне низкого давления используют обычные флегмовые числа, тогда аргоновый переход лежит выше и ниже промежуточной зоны, в которой подают обогащенную кислородом фракцию (потоки f и g). В паровой фазе могут быть достигнуты концентрации аргона вплоть до 15%. Чтобы уменьшить концентрацию азота, обогащенный аргоном поток обычно, однако, отводят ниже данной промежуточной зоны, как это имеет место в данном случае (поток m).

В установке 100 разделения воздуха поток I течет из верхней части донного участка 2 колонны низкого давления в головной участок 3 колонны низкого давления в его нижней области, вследствие чего донный участок 2 и головной участок 3 колонны низкого давления частично функционально спарены. На этой же высоте из головного участка 3 колонны низкого давления отводят богатый аргоном поток m и подают его в донный участок 4 колонны сырого аргона. Подача осуществляется непосредственно через кубовую часть донного участка 4 колонны сырого аргона.

Кубовую жидкость из кубовой части головного участка 3 колонны низкого давления и из кубовой части донного участка 4 колонны сырого аргона через насос 18 возвращают в виде потока n в донный участок 2 колонны низкого давления. Посредством этого осуществляется, с одной стороны, функциональное спаривание первого колоночного участка 2 и второго колоночного участка 3 колонны низкого давления и, с другой стороны, колонна сырого аргона интегрируется через донный участок 4 в систему разделения.

Головной конденсатор 15 головного участка 5 колонны сырого аргона может быть сформирован в виде конденсатора флегмы. Газ с верхнего конца головного участка 5 колонны сырого аргона течет вниз и втекает в каналы для флегмы и частично там конденсируется. Полученный при этом конденсат течет вниз в противотоке к поднимающемуся газу в каналах для флегмы и используется в головном участке 5 колонны сырого аргона в качестве жидкой флегмы. На стороне испарения головной конденсатор 15 предназначен для работы как конденсатор для ванны. Охлаждающая текучая среда, которая образована здесь жидкой обогащенной кислородом фракцией из колонны 1 высокого давления, течет вниз поверх одного или нескольких боковых отверстий и втекает в каналы для испарения и частично там испаряется. Благодаря эффекту термосифона жидкость захватывается, выходит вместе с испаренной частью на верхнем конце каналов для испарения и возвращается назад ванну с жидкостью. Головной конденсатор 15 также предназначен для работы в качестве испарителя для ванны на стороне испарения.

Из верхнего конца каналов для флегмы поток сырого аргона n отбирают в газообразном состоянии через боковой коллектор и подают в колонну 6 чистого аргона в промежуточной зоне. Головной конденсатор 16 колонны 6 чистого аргона в данном примере работает на стороне сжижения обычным образом, то есть поток o газа из верхней части колонны 6 чистого аргона течет сверху вниз через каналы для сжижения. (Альтернативно, также головной конденсатор 16 колонны 6 чистого аргона и/или главный конденсатор 12 могли бы быть предназначены для работы в качестве конденсаторов флегмы). Из головного конденсатора 16 колонны 6 чистого аргона отводят поток p остаточного газа и в данном примере сбрасывают в атмосферу (ATM). Альтернативно, он может быть возвращен через собственный нагнетатель в колонну 1 высокого давления или колонну 2, 3 низкого давления и/или перед воздушным компрессором.

Одну часть жидкости из кубовой части колонны 6 чистого аргона испаряют в виде потока p в испарителе 14 кубовой части и полученный при этом пар используют в виде поднимающегося газа в колонне 6 чистого аргона. Остаток отбирают в виде жидкого потока q продукта чистого аргона (LAR).

Иллюстративная интеграция элементов установки 100 разделения воздуха в соответствующие теплоизолированные кожухи Coldbox пояснено на Фиг. 1 посредством пунктирных линий. При этом A обозначает первый теплоизолированный кожух Coldbox, который предназначен для вмещения колонны 1 высокого давления и донного участка 2 колонны низкого давления. Второй теплоизолированный кожух Coldbox B может быть предназначен для вмещения головного участка 3 колонны низкого давления. В проиллюстрированном примере третий теплоизолированный кожух Coldbox C предназначен для вмещения головного участка 5 колонны сырого аргона. Как пояснено, головной участок 3 колонны низкого давления и головной участок 5 колонны высокого давления (при необходимости вместе с колонной 6 чистого аргона) также размещены в общем теплоизолированном кожухе Coldbox. Такой теплоизолированный кожух Coldbox может иметь высоту, например, 40 м. Четвертый теплоизолированный кожух Coldbox D в проиллюстрированном примере показан уменьшенным и, например, также имеет высоту 40 м.

На Фиг. 2 еще более схематично показана установка разделения воздуха для получения аргонового продукта согласно дополнительному варианту осуществления изобретения. В данной установке разделения воздуха проиллюстрированы лишь колонны со 2 по 6, а иллюстрация соответствующих соединений, насосов и теплообменников в значительной степени опущена. Как видно, здесь в отличие от иллюстрации на Фиг. 1 донный участок 4 колонны сырого аргона расположен над головным участком 3 колонны низкого давления. В данном альтернативном варианте осуществления разделение колонны сырого аргона может осуществляться в другом месте, отличном от изображенного на Фигуре, при условии, что это целесообразно для расположения согласно изобретению. Также здесь возникает преимущество, заключающееся в том, что текучая среда из донного участка 4 колонны сырого аргона и из головного участка 3 колонны низкого давления может быть закачана в виде потока n посредством насоса 18 в донный участок 3 колонны низкого давления. Это же справедливо также для альтернативно предусмотренных расположений, в которых донный участок 4 и/или головной участок 5 колонны сырого аргона расположен геодезически по меньшей мере частично рядом с головным участком 3 колонны низкого давления. Также все колоночные участки с 1 по 4 могут быть расположены геодезически по меньшей мере частично рядом друг с другом.

Во всех проиллюстрированных случаях путем выбора внутренних элементов в соответствующих колоннах (ситчатые днища, насадки с различной плотностью) воздействуют соответствующим образом на диаметр колонн и посредством этого при необходимости достигают дополнительного конструктивного согласования.

Реферат

Предложена установка (100) разделения воздуха для получения продукта, содержащего аргон, низкотемпературным разделением сжатого и охлажденного исходного воздуха и способы ее работы. Установка (100) имеет колонну (1) высокого давления, образованную несколькими секциями колонну низкого давления с донным участком (2) и головным участком (3), а также образованную несколькими секциями колонну сырого аргона с донным участком (4) и головным участком (5). В колонне (1) высокого давления из по меньшей мере части исходного воздуха получают по меньшей мере один обогащенный кислородом поток (d). В колонне низкого давления из по меньшей мере части обогащенного кислородом потока (d) получают по меньшей мере один обогащенный аргоном поток (m), и в колонне сырого аргона из по меньшей мере части обогащенного аргоном потока (m) получают по меньшей мере один богатый аргоном поток (n). Жидкий поток (n) направляют из нижней области головного участка (3) колонны низкого давления и из нижней области донного участка (4) колонны сырого аргона посредством общего насоса (18) в верхнюю область донного участка (2) колонны низкого давления. Использование изобретения позволит упростить и удешевить сборку и диагностику элементов установки. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула