Способ разделения воздуха посредством низкотемпературной перегонки и установка для его осуществления - RU2360194C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу и к установке для разделения воздуха низкотемпературной перегонкой.

Известно производство газа из сжатого воздуха посредством испарения находящейся под давлением жидкости в теплообменнике воздухоразделительной установки благодаря теплообмену со сжатым газом, температура которого выше криогенной температуры. Установки этого типа известны из патентных документов FR-A-2688052, ЕР-А-0644388, ЕР-А-1014020 и патентной заявки FR 03/01722.

Энергетический кпд известных установок не является превосходным, так как требуется отводить приток тепла, связанный с низкотемпературным сжатием.

Кроме того, в случае технологических схем, как, например, той, которая показана на фиг.7 патентного документа US-A-5475980, весь турбодетандер, соединенный с низкотемпературным поджимающим компрессором, связан с энергопоглощающей системой (масляным тормозом), встроенным на валу машин и технологически ограниченным до низких уровней мощности (около 7 0 кВт).

Тем не менее способ этого типа, по-видимому, является экономически выгодным, в частности, в тех случаях, когда имеется незначительное повторное использование энергии или когда энергия доступна по низкой цене. Следовательно, потенциально полезно иметь возможность обойти техническое ограничение масляного тормоза, встроенного на валу агрегата из турбодетандера, и поджимающего компрессора.

Задача изобретения заключается в обеспечении альтернативы, которая даст возможность создать технологические схемы, основанные на низкотемпературном поджимающем компрессоре, но без системы рассеяния энергии, встроенной на валу турбодетандера и поджимающего компрессора, и, следовательно, обеспечить использование этих технологических схем для воздухоразделительных установок практически всех размеров.

Один вариант настоящего изобретения относится к способу разделения воздуха посредством низкотемпературной перегонки в установке, содержащей воздухоразделительную колонну двукратного или трехкратного разделения, работающую при более высоком давлении, работает при так называемом среднем давлении и теплообменник, при котором:

a) повышают давление всего воздуха до высокого давления, по выбору, по меньшей мере, на 5 бар выше среднего давления и очищают его, по выбору, при этом высоком давлении,

b) охлаждают в теплообменнике одну часть потока очищенного воздуха и затем разделяют ее на две фракции,

c) расширяют каждую фракцию в турбодетандере,

d) обеспечивают давление на входе двух турбодетандеров (давления на входе двух турбодетандеров), которое, по меньшей мере, на 5 бар выше среднего давления,

e) обеспечивают давление на выходе, по меньшей мере, одного из двух турбодетандеров, по существу равное среднему давлению,

f) направляют, по меньшей мере, одну часть воздуха, расширенного в, по меньшей мере, одном из турбодетандеров, в колонну среднего давления колонны двукратного или трехкратного разделения,

g) подают в низкотемпературный поджимающий компрессор, механически соединенный с одним из двух турбодетандеров, воздух, который подвергают охлаждению в теплообменнике, и нагнетают компрессором воздух при температуре выше температуры на входе, и сжатую таким образом текучую среду вновь направляют в теплообменник, в котором подвергают (псевдо)конденсации, по меньшей мере, одну часть текучей среды,

h) подвергают, по меньшей мере, одну находящуюся под давлением жидкость, выходящую из одной из колонн, (псевдо)испарению в теплообменнике при температуре испарения, при этом

i) соединяют турбодетандер, не соединенный с низкотемпературным поджигающим компрессором, с поджимающим компрессором, за которым следует охладитель, и, по выбору,

ii) обеспечивают температуру на входе низкотемпературного поджимающего компрессора, близкую к температуре (псевдо)испарения жидкости.

Согласно другому альтернативному варианту изобретения:

- используют установку, которая в дополнение к колонне двукратного или трехкратного разделения включает смесительную колонну, и направляют воздух, выходящий из, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, в смесительную колонну,

- воздух, направленный в, по меньшей мере, один из турбодетандеров, расположенный перед смесительной колонной по направлению технологического потока, проходит из другого поджимающего компрессора, чем из низкотемпературного поджимающего компрессора, и выходит из этого поджимающего компрессора при давлении выше высокого давления,

- направляют воздух, выходящий из, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, в нижнюю часть смесительной колонны для обеспечения массообмена, и

- направляют воздух под высоким давлением к нижнему ребойлеру смесительной колонны, где он, по меньшей мере, частично конденсируется до направления в колонну двукратного или трехкратного разделения.

Согласно еще одному варианту изобретения установка для разделения воздуха низкотемпературной перегонкой содержит:

a) разделительную колонну двукратного или трехкратного разделения, колонна которого, работающая при более высоком давлении, работает при так называемом среднем давлении,

b) теплообменник,

c) средство для повышения давления всего воздуха до высокого давления выше среднего давления и средство для его очистки, по выбору, при этом высоком давлении,

d) средство для направления одной части потока очищенного воздуха в теплообменник для его охлаждения и средство для разделения этого охлажденного воздуха на две фракции,

e) два турбодетандера и средство для направления одной фракции воздуха в каждый турбодетандер,

f) средство для направления, по меньшей мере, одной части воздуха, расширенного в, по меньшей мере, одном турбодетандере, в колонну среднего давления колонны двукратного или трехкратного разделения,

g) низкотемпературный поджимающий компрессор, средство для направления воздуха, предпочтительно отведенного из промежуточной точки в основной теплообменник, к низкотемпературному поджимающему компрессору и средство для направления воздуха, дополнительно сжатого в низкотемпературном поджимающем компрессоре, в теплообменник в промежуточной точке перед точкой отвода по направлению технологического потока,

h) средство для повышения давления, по меньшей мере, одной жидкости, выходящей из одной из колонн, средство для направления, по меньшей мере, одной находящейся под давлением жидкости в теплообменную линию и средство для отвода испарившейся жидкости из теплообменника, и

i) низкотемпературный поджимающий компрессор соединен с одним из турбодетандеров, при этом

турбодетандер, не соединенный с низкотемпературным поджимающим компрессором, соединен со средством рассеяния энергии, представляющим собой поджимающий компрессор, за которым следует охладитель.

Согласно другому факультативному варианту установка содержит:

- смесительную колонну и средство для направления воздуха к смесительной колонне из, по меньшей мере, одного из турбодетандеров,

- средство для направления одной части воздуха, сжатого в поджимающем компрессоре, составляющем средство рассеяния энергии или образующем часть последнего, в, по меньшей мере, один турбодетандер перед смесительной колонной по направлению технологического потока,

- средство для направления воздуха, выходящего из, по меньшей мере, одного из турбодетандеров, в смесительную колонну для обеспечения массообмена, и

- средство для направления воздуха под высоким давлением в нижний ребойлер смесительной колонны и средство для направления воздуха, по меньшей мере, частично сконденсированного в этом нижнем ребойлере, в колонну двукратного или трехкратного разделения.

Может применяться дополнительный турбодетандер, работающий параллельно с турбодетандером первого агрегата из турбодетандера и поджимающего компрессора и снабженный своим собственным средством рассеяния энергии. Этой системой предпочтительно будет поджимающий компрессор, перед которым размещен водяной охладитель, установленный в теплой части.

Выражение "близкие с точки зрения давления" означает, что давления различаются, самое большее, на 5 бар, предпочтительно, самое большее, на 2 бара. Выражение "близкие с точки зрения температуры" означает, что температуры различаются, самое большее, на 15°С, предпочтительно, самое большее, на 10°С.

Поджимающий компрессор является одноступенчатым компрессором.

Все упомянутые давления являются абсолютными давлениями.

Термин "конденсация" включает псевдоконденсацию.

Термин "испарение" включает псевдоиспарение.

Это изобретение отличается от изобретения в патентном документе US-A-5475980 тем, что в нем на фиг.4 (факультативный турбодетандер 9) два турбодетандера 8, 32 имеют очень различающиеся давления на входе, причем эта разница составляет, по меньшей мере, 14 бар, а на фиг.5 разница в давлениях составляет около 13 бар, и турбодетандер на выходе имеет низкое давление, что вредно для производства чистого кислорода.

Изобретение будет подробнее описано со ссылкой на чертежи, на которых:

на фиг.1 и 2 показаны технологические схемы воздухоразделительной установки согласно изобретению.

В технологической схеме на фиг.1 поток воздуха, находящийся под атмосферным давлением, сжимается до около 15 бар в основном компрессоре (не показан). Затем воздух, по выбору, охлаждается до того, как очищается (не показано) для удаления примесей. Очищенный воздух разделяется на две части. Одна часть 3 воздуха направляется к поджимающему компрессору 5, где он сжимается до давления в пределах 17 и 20 бар, и дополнительно сжатый воздух затем охлаждается в водяном охладителе 7 до направления его в тепловой конец основного теплообменника 9 воздухоразделительной установки. Дополнительно сжатый воздух 11 охлаждается до промежуточной температуры перед выходом из теплообменника и разделением на фракции. Конечно, возможно, что фракция потока 11 будет продолжать охлаждаться, пока она не достигнет холодного конца теплообменника 9, откуда она будет выходить сжиженной. Фракция 13 направляется в турбодетандер 17, а остальная часть - фракция 15 - направляется в турбодетандер 19. Два турбодетандера имеют одинаковые температуры и давления на входе и одинаковые температуры и давления на выходе, но, конечно, возможно, что эти температуры и давления будут близки друг к другу вместо того, чтобы быть одинаковыми. Два потока, выходящих из турбодетандеров, смешиваются вместе для образования потока 21 воздуха, часть 121 которого направляется в колонну двукратного разделения, а остальная часть 122 направляется в смесительную колонну 300. Поток 122 представляет собой одну часть потока 21, или, по выбору, фракцию газообразной части потока 21 в том случае, когда последний является двухфазным потоком. Конечно, можно направлять весь поток 21 в колонну среднего давления 100 и отводить из нее газообразную часть 122 для направления к смесительной колонне, причем в этом случае колонна среднего давления заменяет аппарат для разделения фаз. Давления в колонне среднего давления и смесительной колонне могут быть разными. В качестве варианта турбодетандер 19 может быть воздуходувным турбодетандером, подающим воздух при давлении в колонну низкого давления.

Другая часть 2 воздуха под давлением 15 бар, составляющая остальную часть исходного воздуха, охлаждается в теплообменнике до промежуточной температуры выше температуры на входе турбодетандеров 17, 19, сжимается во втором поджимающем компрессоре 23 до давления около 30 бар и снова направляется в теплообменник 9 при более высокой температуре для того, чтобы продолжить ее охлаждение.

Таким образом, воздух 37 с давлением около 30 бар сжижается в теплообменнике, а жидкий кислород 25 испаряется в теплообменнике, при этом температура испарения жидкости будет близка к температуре на входе второго поджимающего компрессора 23. Сжиженный воздух, выходящий из теплообменника, направляется в систему колонн.

Поток 27 бросового азота нагревается в теплообменнике 9.

Первый поджимающий компрессор 5 соединен с одним из турбодетандеров 17 или 19, в то время как второй поджимающий компрессор 23 соединен с другим из турбодетандеров 19 или 17.

Система колонн воздухоразделительной установки образована колонной среднего давления 100, термически соединенной с колонной низкого давления 200, имеющей дефлегматор, смесительной колонной 300 и необязательной аргонной колонной (не показана). Колонна низкого давления не обязательно имеет дефлегматор.

Колонна среднего давления работает при давлении 5,5 бар, но она может работать при более высоком давлении.

Поток 121 воздуха, выходящий из двух турбодетандеров 17, 19, направляется в нижнюю часть колонны среднего давления 100.

Сжиженный воздух 37 расширяется в дросселе 39 или, по выбору, в турбодетандере и направляется в систему колонн.

Обогащенная жидкость 51, нижняя обедненная жидкость 53 и верхняя обедненная жидкость 55 направляются из колонны среднего давления 100 к колонне низкого давления 200 после стадий дросселирования и переохлаждения.

Насос 500 создает повышенное давление жидкого кислорода и в качестве жидкости под давлением 25 направляет его в теплообменник 9. Другие жидкости, независимо от того, находятся ли они под давлением или нет, могут подвергаться испарению в теплообменнике.

По выбору, газообразный азот отводится из колонны среднего давления и охлаждается опять же в теплообменнике 9.

Азот 33 отводится из верха колонны низкого давления и нагревается в теплообменнике после использования для переохлаждения флегмы.

Бросовый азот 27 отводится из более низкого уровня колонны низкого давления и нагревается в теплообменнике после использования для переохлаждения флегмы.

По выбору, колонна может быть использована для производства аргона посредством обработки потока 51, выходящего из колонны низкого давления 200. Поток 52 - это остатки от перегонки, направляемые от аргонной колонны, если она имеется.

В верхнюю часть смесительной колонны 300 подается обогащенная кислородом жидкость 35, отводимая из промежуточного уровня колонны низкого давления 200 и нагнетаемая насосом 600, а в ее нижнюю часть подается поток 122 газообразного воздуха, выходящего из турбодетандеров 17, 19. Смесительная колонна по существу работает при среднем давлении.

Поток 37 газообразного кислорода отводится из верхней части смесительной колонны и затем нагревается в теплообменнике 9, а поток 41 жидкости отводится как остаток и после дросселирования направляется в колонну низкого давления. Из колонны 300 можно отводить промежуточный поток, который направляется в колонну низкого давления.

В технологической схеме на фиг.2 поток воздуха, находящегося под атмосферным давлением, сжимают до около 15 бар в основном компрессоре (не показан). Затем воздух, по выбору, охлаждается до его очистки (не показано) для удаления примесей. Очищенный воздух разделяется на две части. Одна часть 3 воздуха направляется в поджимающий компрессор 5, где он сжимается до давления в пределах 17 и 20 бар, и дополнительно сжатый воздух затем охлаждается в водяном охладителе 7 перед направлением его в теплый конец основного теплообменника 9 воздухоразделительной установки. Дополнительно сжатый воздух 11 охлаждается до промежуточной температуры перед его разделением на две фракции 103, 123. Фракция 103, выходящая из теплообменника, снова разделяется на две фракции. Одна фракция 13 направляется к турбодетандеру 17, а остальная часть - фракция 15 - направляется к турбодетандеру 19. Два турбодетандера имеют одинаковые температуры и давления на входе и одинаковые температуры и давления на выходе, но, конечно, возможно, что эти температуры и давления будут близки друг к другу вместо того, чтобы быть одинаковыми. Два потока, выходящих из турбодетандеров, смешиваются вместе для образования потока 21 воздуха, одна часть 121 которого направляется в колонну двукратного разделения, а остальная часть - часть 122 - направляется в смесительную колонну 300. В качестве варианта турбодетандер 19 может быть воздуходувным турбодетандером, подающим воздух при давлении в колонне низкого давления.

Фракция 123 продолжает охлаждаться в теплообменнике 9 и выходит из него перед холодным концом для направления к нижнему ребойлеру 301 смесительной колонны 300, где фракция, по меньшей мере, частично конденсируется для образования потока 125.

Другая часть 2 воздуха под давлением 15 бар, составляющая остальную часть исходного воздуха, охлаждается в теплообменнике до промежуточной температуры выше температуры на входе турбодетандеров 17, 19, сжимается во втором поджимающем компрессоре 23 до давления около 30 бар и снова вводится в теплообменник 9 при более высокой температуре для того, чтобы продолжить ее охлаждение.

Таким образом, воздух 37 с давлением около 30 бар сжижается в теплообменнике, а жидкий кислород 25 испаряется в теплообменнике, при этом температура испарения жидкости близка к температуре на входе второго поджимающего компрессора 23. Сжиженный воздух, выходящий из теплообменника, направляется в систему колонн после смешивания со сжиженным воздухом 125, выходящим из ребойлера 301.

Поток 27 бросового азота нагревается в теплообменнике 9.

Первый поджимающий компрессор 5 соединен с одним из турбодетандеров 17 или 19, в то время как второй поджимающий компрессор 13 соединен с другим из турбодетандеров 19 или 17.

Система колонн воздухоразделительной установки образована колонной среднего давления 100, термически соединенной с колонной низкого давления 200, имеющей дефлегматор, смесительной колонной 300 и необязательной аргонной колонной (не показана). Колонна низкого давления не обязательно имеет дефлегматор.

Колонна среднего давления работает при давлении 5,5 бар, но она может работать при более высоком давлении.

Поток 21 газообразного воздуха, выходящий из двух турбодетандеров 17, 19, направляется в нижнюю часть колонны среднего давления 100.

Сжиженный воздух 37 расширяется в дросселе 39 и направляется, по меньшей мере, в колонну среднего давления 100.

Обогащенная жидкость 51, нижняя обедненная жидкость 53 и верхняя обедненная жидкость 55 направляются из колонны среднего давления 100 в колонну низкого давления 200 после стадии дросселирования и переохлаждения.

Насос 500 создает повышенное давление жидкого кислорода и в качестве жидкости под давлением 25 направляет его в теплообменник 9. В дополнение к этому или альтернативно этому другие жидкости, независимо от того, находятся ли они под давлением или нет, могут подвергаться испарению в теплообменнике.

По выбору, газообразный азот отводится из колонны среднего давления и охлаждается в теплообменнике 9.

Азот 33 отводится из верхней части колонны низкого давления и нагревается в теплообменнике после использования для переохлаждения флегмы.

Бросовый азот 27 отводится из более низкого уровня колонны низкого давления и нагревается в теплообменнике после использования для переохлаждения флегмы.

По выбору, колонна может быть использована для производства аргона посредством обработки потока 51, отводимого из колонны низкого давления 200.

В верхнюю часть смесительной колонны 300 подается только обогащенная кислородом жидкость 35, отводимая из промежуточного уровня колонны низкого давления 200 и нагнетаемая насосом 600. Смесительная колонна по существу работает при среднем давлении. При изменении давления потока 123 смесительная колонна 300 может работать при давлении, отличающемся от среднего давления, по выбору, одна часть обогащенной жидкости 51 может быть направлена в нижнюю часть колонны 300.

Поток 37 газообразного кислорода отводится из верхней части смесительной колонны и нагревается в теплообменнике 9, а поток 41 жидкости отводится как остаток и после дросселирования направляется в колонну низкого давления.

Реферат

Изобретение относится к способу и установке для разделения воздуха посредством низкотемпературной перегонки. Согласно изобретению повышают давление всего воздуха до высокого давления, большего, чем среднее давление, и очищают его. Охлаждают в теплообменнике (9) часть потока (11) очищенного воздуха и затем разделяют ее на две фракции (13, 15). Расширяют в турбодетандере (17, 19) каждую из фракций, при этом давление на входе двух турбодетандеров, по меньшей мере, на 5 бар больше, чем среднее давление. Кроме того, давление на выходе, по меньшей мере, одного из двух турбодетандеров по существу равно среднему давлению. Часть воздуха, который был расширен в одном из турбодетандеров, направляют в колонну среднего давления (100) колонны двукратного или трехкратного разделения. После этого в низкотемпературный компрессор (23), который механически соединен с одним (19) из турбодетандеров, подают воздух, который был охлажден в основном теплообменнике, и нагнетают воздух при температуре больше, чем температура на входе. Сжатую таким образом текучую среду снова направляют в теплообменник, в котором конденсируется, по меньшей мере, одна часть текучей среды. Кроме того, находящуюся под давлением жидкость (25), выходящую из одной из колонн (200), подвергают (псевдо)испарению в теплообменнике при температуре испарения, и турбодетандер (17), который не соединен с низкотемпературным поджимающим компрессором, соединяют с поджимающим компрессором (5), за которым следует охладитель. Использование изобретения позволит обеспечить возможность использования технологических схем, основанных на низкотемпературном поджимающем компрессоре без системы ра�

Формула