Способ криогенного разделения воздуха и установка для разделения воздуха - RU2778193C2
Код документа: RU2778193C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу и установке криогенного разделения воздуха согласно соответствующим ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
Получение воздушных продуктов в жидком или газообразном состоянии путем криогенного разделения воздуха в установках разделения воздуха известно и описано, например, в H.-W.
Чистый кислород требуется, по меньшей мере не исключительно, для множества промышленных применений. Это создает возможность оптимизации установок разделения воздуха в том, что касается затрат на их установку и работу, в частности, их потребление энергии. Для подробностей ссылаются на техническую литературу, например, F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, раздел 3.8, «Development of Low Oxygen-Purity Processes». Например, для получения газообразного кислорода с повышенным давлением относительно низкой чистоты можно использовать установки разделения воздуха, имеющие так называемые смесительные колонны. В связи с этим даны ссылки на ЕР 3179186 А1 и цитированную там литературу.
В способе, предложенном в US 5704228 А для испарения жидкости путем теплообмена с конденсированным газом, давление испаряемой жидкости понижают и указанную жидкость обогащают менее летучим составляющим. Согласно альтернативному подходу, можно обогатить газ менее летучим составляющим. Можно использовать смесительную колонну. Способы для смесительной колонны также описаны в JP 2000-258054 A, US 2001/0003909 A1, CN 106123489 А и ЕР 0982554 А1.
Обычно в смесительную колонну подают, вблизи верхней части, богатую кислородом жидкость, и вблизи дна - газообразный воздух повышенного давления, так называемый воздух смесительной колонны, причем указанные жидкость и воздух подвергают массообмену. Таким образом можно извлечь так называемый кислород «с примесями» из верхней части смесительной колонны и удалить его из установки разделения воздуха в виде газового продукта. Жидкость, которую отделяют на дне смесительной колонны, можно подать в место, которое подходит в показателях энергии и/или технологии разделения, в используемой системе дистилляционных колонн. В результате использования смесительной колонны, в частности, можно уменьшить энергию, требуемую для повышения давления кислородного продукта, за счет чистоты кислородного продукта.
В установках разделения воздуха, содержащих смесительные колонны, максимальный пригодный к использованию так называемый инжекционный эквивалент значительно ограничен по причинам, объясненным более подробно ниже. Следовательно, справедливо также и то, что энергосбережение, возможное с повышением инжекционного эквивалента в установки разделения воздуха, является ограниченным.
Поэтому целью настоящего изобретения является устранение этого препятствия, увеличивая таким образом эффективность разделения воздуха в соответствующих установках и, насколько возможно, уменьшая излишние затраты.
Описание изобретения
Указанная цель достигается с помощью способа и установки криогенного разделения воздуха, имеющей соответствующие признаки независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные конфигурации представляют собой объект соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения и следующего описания.
Во-первых, далее следует более подробное объяснение некоторых терминов, используемых в описании настоящего изобретения, и его преимуществ, а также уровня техники, служащего в качестве основы.
В способах разделения воздуха для выработки холода и сжижения потоков вещества в различных местах можно использовать турбодетандеры, также называемые коротко «турбинами», как общеизвестно специалисту. Ниже ссылаются на «турбины Клода (Claude)», «турбины Лахманна (Lachmann)» и «турбины азота под давлением». Что касается функции и цели таких турбодетандеров, даны ссылки на техническую литературу, например, F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006, в частности, разделы 2.4 «Contemporary Liquefaction Cycles», 2.6 № «Theoretical Analysis of the Claude Cycle» и 3.8.1 «The Lachmann Principle».
В случае системы из двух колонн с помощью турбины Клода охлажденный воздух под давлением расширяют от относительно высокого уровня давления до уровня давления колонны высокого давления и подают в последнюю. Наоборот, с помощью турбины Лахманна охлажденный воздух под давлением расширяют до уровня давления колонны низкого давления и подают в последнюю. Наконец, с помощью турбины азота под давлением расширяют азот из колонны высокого давления.
В обычной турбине Лахманна («инжекционной турбине») расширяют воздух под давлением, который охлаждается (и в этом примере дополнительно не сжимается), от уровня давления, например, от приблизительно 500 кПа до 700 кПа (абс.) (от 5,0 до 7,0 бар (абс.)), обычного уровня давления, при котором работает колонна высокого давления, или от другого уровня давления, до уровня давления, например, от приблизительно 120 кПа до 160 кПа (абс.) (от 1,2 до 1,6 бар (абс.)), обычного уровня давления, при котором работает колонна низкого давления. Воздух, расширенный в турбине Лахманна, подают («инжектируют») в колонну низкого давления. Расширение соответствующей фракции сырья возможно из-за указанной разницы давлений между колонной высокого давления и колонной низкого давления.
Однако, воздух, расширенный таким образом в колонну низкого давления, мешает ректификации, и по этой причине количество воздуха, способного к расширению в инжекционную турбину, и, таким образом, способного к выработке таким образом холода для соответствующей установки, существенно ограничено, другими словами, ограничено даже без использования смесительной колонны. Богатые азотом воздушные продукты, которые удаляют из колонны высокого давления и выгружают из установки разделения воздуха, также влияют на ректификацию соответствующим образом. Количество воздуха, подаваемого в колонну низкого давления, плюс азота, удаленного из колонны высокого давления и выгруженного из установки разделения воздуха, можно определить по отношению ко всему воздуху, подаваемому в систему дистилляционных колонн. Полученное здесь значение номинально называют «инжекционным эквивалентом».
Таким образом, инжекционный эквивалент определяют как количество сжатого воздуха под давлением, который расширяют в колонну низкого давления установки разделения с помощью инжекционной турбины, плюс количество азота, который возможно удаляют из колонны высокого давления, и ни рециркулируют в виде жидкого обратного потока в саму колонну высокого давления, ни вводят в виде жидкого обратного потока в колонну низкого давления, по отношению к всему воздуху под давлением, подаваемому в систему дистилляционных колонн. Здесь азот, который удаляют из колонны высокого давления, может быть чистым или по существу чистым азотом из верхней части колонны высокого давления, однако он также может быть обогащенным азотом газом, который можно извлечь, с более низким содержанием азота, из колонны высокого давления из области ниже верхней части.
Если в соответствующей установке разделения воздуха используют инжекционную турбину и в последней расширяют количество M1 воздуха под давлением, количество М2 азота удаляют из колонны высокого давления и удаляют из установки разделения воздуха в виде жидкого и/или газообразного азотного продукта, другими словами не используют в качестве обратного потока в колонну высокого и/или низкого давления, и количество М3 воздуха под давлением подают в общем в систему дистилляционных колонн, инжекционный эквивалент Е в соответствующей установке вычисляют как
В основном, повышение инжекционного эквивалента в установке разделения воздуха обеспечивает уменьшение потребности в энергии.
Расширение азота или богатой азотом текучей среды из колонны высокого давления в турбине азота под давлением можно осуществлять перед тем, как указанный азот полностью нагреют в основном теплообменнике (в так называемой холодной турбине азота под давлением) или после этого (в так называемой теплой турбине азота под давлением). Потом расширенный азот можно использовать, в частности, для регенерации адсорберов. Использование турбины азота под давлением также обеспечивает понижение потребления энергии установкой разделения воздуха. Однако чистый азот или азот с примесями из колонны высокого давления, расширенный в турбину азота под давлением, также вносит вклад в инжекционный эквивалент, так как указанный азот не используют в качестве обратного потока в колонне высокого и/или низкого давления.
Если в турбину азота под давлением подают азот из верхней части колонны высокого давления, указанный азот, соответственно, является чистым. Однако в турбину азота под давлением также можно подавать азот с примесями из колонны высокого давления. В последнем случае соответствующую турбину азота под давлением также называют «турбиной азота под давлением с примесями». Турбина азота под давлением с примесями отличается тем, что богатую азотом текучую среду подают в нее из колонны высокого давления, в которой содержание азота в текучей среде ниже содержания азота в верхнем продукте колонны высокого давления, другими словами ниже максимального содержания азота в колонне высокого давления.
Причиной более низкого инжекционного эквивалента, доступного в обычных способах смесительной колонны, по отношению к другим способам криогенного разделения воздуха является, в частности, то, что поток воздуха, подаваемый в смесительную колонну, не оптимально включен в процесс ректификации в двойной колонне. В связи с этим, в частности, кислород, доступный в этом потоке воздуха, полностью проходит колонну высокого и низкого давления. Указанный кислород выгружают в форме верхнего продукта смесительной колонны из установки разделения воздуха. Наоборот, азот, содержащийся в потоке воздуха в смесительную колонну, остается (следуя способу переноса в смесительной колоне) почти полностью в кубовой жидкости смесительной колонны. Указанная кубовая жидкость обычно имеет содержание кислорода приблизительно 65% и, в известных способах, ее подают в колонну низкого давления в точке подачи, соответствующей этому содержанию кислорода.
Однако с точки зрения технологии разделения указанная точка подачи находится в области колонны низкого давления, которая расположена относительно глубоко, другими словами в точке, в которой содержание кислорода все еще является относительно высоким. Секцию ректификации или разделения, расположенную ниже точки подачи, уже можно рассматривать как кислородную секцию, так как ниже точки подачи для кубового продукта смесительной колонны не осуществляют никакой дополнительной подачи в колонну низкого давления. Следовательно, необходимо отделить азот от потока воздуха в смесительную колонну (который проходит в колонну низкого давления в форме кубовой жидкости смесительной колонны) из очень глубокого положения с точки зрения технологии разделения. Однако при данных условиях указанное разделение является чрезвычайно сложным и требует относительно высокой мощности на основном конденсаторе. Следовательно, необходимо соответственно уменьшить инжекционное количество в колонну низкого давления, или упомянутый инжекционный эквивалент, чтобы обеспечить возможность удовлетворительно выполнить разделение.
Устройства, используемые в установке разделения воздуха, описаны в цитированной технической литературе, например, в Haring в разделе 2.2.5.6 «Apparatus». Там, где следующие определения в ней не отклоняются от этого, поэтому явно ссылаются на цитированную техническую литературу в отношении лингвистического использования в контексте данной заявки.
Колонны ректификации или разделения, которые используют в криогенном разделении воздуха, содержат так называемые секции разделения. Секция разделения является областью ректификационной колонны, которая оборудована внутренними устройствами разделения или структурами разделения, такими как ситчатые тарелки или структурированные или неструктурированные уплотнения. Секция разделения отличается, в частности, тем, что она расположена между двумя точками подачи текучих сред в соответствующую ректификационную колонну или расположена между точкой подачи и точкой удаления текучей среды, и тем, что между указанными двумя точками подачи или точкой подачи и точкой удаления не присутствуют никакие дополнительные точки подачи или точки удаления текучей среды в ректификационную колонну или из ректификационной колонны. Соответствующие точки подачи являются трубопроводами подачи текучих сред в ректификационную колонну, причем указанные трубопроводы используют для регулярной подачи в течение работы соответствующей установки разделения воздуха. То же самое соответственно применимо для точек удаления. Однако при этом нельзя исключать соответствующую ректификационную колонну, также содержащую дополнительные отверстия между точками подачи. Указанные дополнительные отверстия, однако, не используют в течение нормальной работы установки разделения воздуха. Термины «дистилляция» и «ректификация» используют здесь синонимически.
В рамках данного словоупотребления жидкости и газы могут быть богатыми или бедными одним или более компонентами, где «богатый» может представлять содержание не менее 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% или 99,99% и «бедный» может представлять содержание не более 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% или 0,01% на молярной, массовой или объемной основе. Выражение «преимущественно» может соответствовать определению «богатый». Кроме того, жидкости и газы могут быть обогащенными или обедненными одним или более компонентами, где эти выражения относятся к содержанию в начальной жидкости или начальном газе, из которых жидкость или газ были получены. Жидкость или газ являются «обогащенными», если указанная жидкость или газ имеет содержание соответствующего компонента, составляющее по меньшей мере 1,1-кратное, 1,5-кратное, 2-кратное, 5-кратное, 10-кратное, 100-кратное или 1000-кратное содержание от содержания в начальной жидкости или в начальном газе, и являются «обедненными», если указанные жидкость или газ имеют содержание соответствующего компонента, составляющее не более 0,9-кратного, 0,5-кратного, 0,1-кратного, 0,01-кратного или 0,001-кратного содержания от содержания в начальной жидкости или в начальном газе. Здесь, когда упоминается, например, «кислород» или «азот», под этим также нужно понимать жидкость или газ, которые богаты кислородом или азотом, но которые не обязательно должны состоять исключительно из них.
Для характеристики давлений и температур в данной заявке используют термины «уровень давления» и «уровень температуры», которые предназначены для выражения того, что давления и температуры в соответствующей установке не нужно использовать в форме точных значений давления и температуры для осуществления идеи изобретения. Однако такие давления и температуры обычно изменяются в конкретных интервалах, составляющих, например, ±1%, 5%. 10%, 20% или даже 50% от среднего значения. Здесь соответствующие уровни давления и уровни температур могут лежать в отдельных интервалах или в перекрывающихся интервалах. В частности, уровни давления, например, включают неизбежные или ожидаемые потери давления. То же самое соответственно применимо к уровням температур. Указанные здесь уровни давления в барах являются абсолютными давлениями.
Преимущества изобретения Как объясняется, в известных способах со смесительной колонной используемый инжекционный эквивалент значительно ниже по сравнению с другими способами криогенного разделения воздуха. Следовательно, область использования соответствующих способов значительно ограничена или, в некоторых случаях, требуются дополнительные средства, которые приводят к заметному повышению затрат. В этой связи необходимо иметь многослойный компрессор для газообразного азота, если, помимо кислородного продукта, также поставляют относительно большое количество азота под давлением.
Также имеет место, что в случае повышенного производства жидкости (которое значительно больше, чем смываемое количество, требуемое для выгрузки нежелательных компонентов), способы со смесительной колонной являются относительно невыгодными, так как в этом случае либо необходимо допустить относительно плохой выход кислорода (что приводит к высоким эксплуатационным расходам по причине высокого количества инжекции), либо требуются другие меры, такие, например, как дополнительная турбина среднего давления в сочетании с так называемым объединением с воздухом высокого давления. Уменьшение выхода кислорода происходит от того, что в случае повышенного производства жидкости требуется более высокая холодная мощность, однако, это можно удовлетворить только с помощью более высокого количества турбин или более высокого количества инжекции. Однако в обычных смесительных колоннах это быстро приводит к уменьшению выхода кислорода, другими словами больше молекул воздуха (больше подаваемого воздуха) требуется в способе для получения такого же числа молекул кислородного продукта. Использование дополнительных упомянутых средств приводит к повышенным затратам на монтирование оборудования для соответствующих установок.
Если рассматривают теплообменник в оптимизированном (но обычном) способе смесительной колонны, тогда, даже в случае получения чистого газа, для указанного теплообменника необходимо иметь относительно большие размеры, так как мощность турбины (или количество инжекции в турбину) также очень сильно зависит от так называемых потерь на перенос на теплом конце теплообменника. Поэтому в способе смесительной колонны потери на перенос необходимо поддерживать относительно низкими путем повышения площади поверхности переноса в теплообменнике.
В настоящем изобретении преодолены упомянутые недостатки таким образом, что не поток воздуха, но вместо него поток другого вещества подают в смесительную колонну или в сравнимое устройство, используемое для массообмена (такое устройство также называют ниже просто «смесительная колонна»). В этом случае в рамках настоящего изобретения используют обогащенную кислородом жидкость из колонны высокого давления, в частности, ее кубовую жидкость. Указанную жидкость, которая уже обогащена кислородом по отношению к атмосферному воздуху, в частности, подают в жидкой форме в смесительную колонну или соответствующее устройство и в ходе процесса смешивают с жидкостью, стекающей вниз в смесительной колонне или в соответствующем устройстве, в частности, на дне. С помощью испарителя смешанную жидкость испаряют, как объяснено ниже, и полученный пар поднимается в смесительной колонне или в соответствующем устройстве. Таким образом, по изобретению газовую фазу в соответствующей смесительной колонне или в соответствующем устройстве образуют не с помощью воздуха под давлением, а скорее этим альтернативным образом.
Процесс испарения в этом случае осуществляют, в частности, путем (частичной) конденсации потока воздуха при соответствующем давлении. В частности, сжиженный таким образом воздух можно затем переохладить и подать в колонну низкого давления в подходящей точке подачи. Однако указанная точка подачи расположена относительно высоко в колонне низкого давления, другими словами в положении, в котором содержание кислорода является уже относительно низким. Жидкость, извлекаемая со дна колонны высокого давления, таким образом является, как если бы она была (с точки зрения баланса жидкости) разделена на две фракции, а именно на первую фракцию, которая обогащена до некоторой степени кислородом путем частичного испарения в конденсаторе смесительной колонны, и жидкий воздух. Это разделение обеспечивает лучшую оптимизацию отношений жидкость/пар (Ж/П) в колонне низкого давления и, таким образом, лучшую аппроксимацию равновесия и рабочих линий на диаграмме МакКабе-Тиле (MacCabe-Thiele). Следовательно, в рамках настоящего изобретения в колонне низкого давления преимущественно обеспечена дополнительная секция разделения. Часть кубовой жидкости из колонны высокого давления (возможно также смешанной с жидкостью, стекающей вниз в смесительной колонне) испаряют путем сжижения воздуха и проводят в газовой форме в смесительную колонну.
Здесь испаренное количество приблизительно соответствует воздуху, сжиженному в способе (который затем подают в колонну низкого давления). Следовательно, возникает соответствующая аналогия: кубовую жидкость из колонны высокого давления практически разделяют между двумя жидкими фракциями разного состава.
Однако значительным преимуществом соединения по изобретению является, что подаваемый воздух полностью проводят в систему дистилляционных колонн, и в ней его можно соответственно использовать для получения воздушных продуктов. Как упоминалось, в обычных способах поток воздуха, подаваемый в смесительную колонну, не оптимально включен в процесс ректификации в двойной колонне и, в частности, кислород, присутствующий в этом потоке воздуха, полностью проходит колонну высокого и низкого давления. Однако указанный поток воздуха осуществляет это в рамках настоящего изобретения. Таким образом, отношения ректификации заметно улучшаются, и затраты, требуемые для ректификации, уменьшаются. В связи с этим, никакие молекулы кислорода не проходят ректификационные колонны, как в обычных способах (весь кислород обрабатывают в указанных колоннах согласно технологии разделения), и в колонне низкого давления не накапливается никакого избыточного азота, который необходимо отделять с большими затратами. Таким образом, мощность основного конденсатора можно заметно понизить или, в соответствующей установке, значительно повысить инжекционный эквивалент и связанные с этим возможные сбережения энергии.
Посредством использования настоящего изобретения достигается значительно более высокая эффективность по сравнению с обычными способами смесительной колонны. Использование настоящего изобретения также позволяет в некоторых случаях значительно уменьшить объем основного теплообменника. Это возможно, в частности, по причине значительно большей инжекции, которую допускает настоящее изобретение. Кроме того, в рамках настоящего изобретения, если воздух подают в колонну низкого давления таким образом, можно использовать только одну генераторную турбину. Отсутствует необходимость в двух блоках, которые требуются в обычных способах со смесительными колоннами для соответствующих случаев полу-загрузки или жидкости. Кроме того, результатом являются заметно меньшие размеры различных деталей, таких как напорная колонна и основной конденсатор.
Для достижения упомянутых преимуществ настоящее изобретение основывается на способе криогенного разделения воздуха с использованием установки разделения воздуха, содержащей систему дистилляционных колонн, которая содержит колонну высокого давления, работающую при первом уровне давления, колонну низкого давления, работающую при втором уровне давления, ниже первого уровня давления, и колонну массообмена, работающую при третьем уровне давления. Колонна массообмена может работать, в частности, при уровне давления, который лежит между уровнем давления колонны высокого давления и уровнем давления колонны низкого давления. Колонну массообмена можно в основном сконструировать так, что она сравнима с известной смесительной колонной. В частности, она содержит для объясненных ниже текучих сред точки подачи и удаления, в каждом случае на подходящих высотах, и содержит структуры массообмена, которые можно сконструировать, например, в форме ситчатых тарелок или в форме структурированных или неструктурированных насадок. Как объяснено ниже, в рамках настоящего изобретения колонна массообмена соответствует конденсатору-испарителю, который работает, как объяснено ниже. Кроме того, в рамках настоящего изобретения колонна массообмена, как объяснено ниже, оборудована дополнительной промежуточной точкой удаления для жидкости и может, в частности, содержать связанную с ней дополнительную секцию отделения. В рамках настоящего изобретения соответственно обеспечены средства подачи удаленной жидкости в колонну низкого давления.
В колонне массообмена жидкую первую текучую среду с первым содержанием кислорода и газовую вторую текучую среду со вторым содержанием кислорода, ниже первого содержания кислорода, подвергают массообмену друг с другом, где газовую третью текучую среду с третьим содержанием кислорода, пониженным по отношению к первому содержанию кислорода, удаляют из колонны массообмена и по меньшей мере частично выгружают из установки разделения воздуха, и жидкую четвертую текучую среду с четвертым содержанием кислорода, соответствующим по меньшей мере второму содержанию кислорода, удаляют из колонны массообмена и по меньшей мере частично подают в колонну низкого давления. В связи с этим, работа смесительной колоны, используемой в рамках настоящего изобретения, поэтому соответствует обычным смесительным колоннам, в которых соответствующие потоки веществ (в этом случае жидкий поток из колонны низкого давления и поток воздуха под давлением) подвергают массообмену, и верхний газ и кубовую жидкость удаляют из смесительной колонны.
Аналогично, также как и в обычном случае, в течение работы смесительных колонн в рамках настоящего изобретения первую текучую среду образуют здесь с использованием богатой кислородом жидкости из колонны низкого давления. В частности, указанную жидкость без дополнительного изменения вводят в жидкой форме в колонну массообмена в верхней области, и она просачивается вниз в указанной колонне.
Однако согласно изобретению предусмотрено, что вторую текучую среду образуют с использованием обогащенной кислородом жидкости, удаленной из колонны высокого давления, в частности, кубовой жидкости колонны высокого давления. В этом случае «вторая текучая среда» относится здесь к текучей среде, поднимающейся в газообразной форме в колонне массообмена. В рамках настоящего изобретения этого достигают посредством дополнительного использования жидкости, образованной в колонне массообмена, в частности, ее кубовой жидкости. Обогащенную кислородом жидкость, удаленную из колонны высокого давления, испаряют для образования второй текучей среды. Здесь в рамках настоящего изобретения указанную жидкость испаряют вместе с жидкостью, образованной в колонне массообмена. Испарение осуществляют с использованием конденсатора-испарителя, который описан ниже более подробно, в частности, при непрямом теплообмене со сжатым и охлажденным подаваемым воздухом.
В рамках настоящего изобретения первое содержание кислорода может составлять от 90 до приблизительно 99 мольн. %, в частности от 93 до 98,5 мольн. %, второе содержание кислорода может составлять от 30 до 45 мольн. %, в частности, от 33 до 40 мольн. %, третье содержание кислорода может составлять от 80 до 98 мольн. %, в частности, от 90 до 97,5 мольн. % и четвертое содержание кислорода может составлять от 55 до 72 мольн. %, в частности от 59 до 67 мольн. %. В остающейся фракции указанные текучие среды преимущественно содержат азот и, в меньшей степени, благородные газы.
Эти меры делают возможным достижение упомянутых преимуществ. То, что здесь в колонну массообмена не подают никакого воздуха под давлением, но скорее образуют пар, поднимающийся в колонне массообмена, в частности, путем испарения обогащенной кислородом жидкости из колонны высокого давления и жидкости, образованной в колонне массообмена, в частности, ее кубовой жидкости, означает, что, как упоминалось, подаваемый воздух полностью направляют в систему дистилляционных колонн и в ней соответственно разделяют. Таким образом, как уже объяснялось, отношения ректификации заметно улучшаются, и затраты, требуемые для ректификации, снижаются, в частности, поскольку никакие молекулы кислорода не проходят ректификационные колонны, и никакого избыточного азота, который необходимо отделять с большими затратами, не накапливается в колонне низкого давления. Необходимо обратиться к приведенным выше дополнительным объяснениям. В частности, использование настоящего изобретения приводит к уменьшению затрат в отношении разделения и требуемой мощности конденсатора. Таким образом, можно инжектировать большее количество воздуха в колонну низкого давления с тем результатом, что понижается общее энергопотребление.
Как упоминалось, в рамках настоящего изобретения вторая текучая среда представляет собой газ, поднимающийся в колонне массообмена. Как уже подробно обсуждалось выше, в рамках настоящего изобретения указанную вторую текучую среду образуют так, что обогащенную кислородом жидкость, удаленную из колонны высокого давления, и кубовую жидкость колонны массообмена испаряют с помощью конденсатора-испарителя.
В рамках настоящего изобретения обогащенная кислородом жидкость из колонны высокого давления, которую используют в течение образования второй текучей среды, может иметь содержание кислорода от 38 до 42 мольн. %, например, приблизительно 40 мольн. %. Как упоминалось, использование соответствующего конденсатора-испарителя делает возможным конденсацию или частичную конденсацию воздуха параллельно с соответствующим испарением, причем указанный воздух затем можно подавать, в частности, в колонну низкого давления.
Особенно предпочтительно, если ранее сжатое и охлажденное количество воздуха дополнительно охлаждают и по меньшей мере частично сжижают в конденсаторе-испарителе, причем указанное количество воздуха затем подают в систему дистилляционных колонн. Здесь указанное количество воздуха называют «первым» количеством воздуха лишь для упрощенной ссылки или лингвистической ссылки. Здесь первое количество воздуха можно сжать до первого уровня давления, другими словами до уровня давления колонны высокого давления, но также до более высокого или более низкого уровня давления, до дополнительного охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения. Как объясняется ниже, используемый здесь уровень давления согласован, в частности, с требуемым уровнем давления газовой третьей текучей среды, которую удаляют из колонны массообмена и которую поставляют в качестве газового кислородного продукта. Для сжатия здесь используют, в частности, основной воздушный компрессор установки разделения воздуха, или указанный основной воздушный компрессор включают вместе с другими компрессорами или вспомогательными компрессорами при сжатии. Охлаждение, выполняемое изначально до дополнительного охлаждения в конденсаторе-испарителе, осуществляют, в частности, в основном теплообменнике. Как объясняется, в этом случае можно полностью сжижить соответствующее первое количество воздуха и подать его в колонну низкого давления или частично подать в колонну высокого давления и в колонну низкого давления. Однако в некоторых случаях также может быть преимуществом, если соответствующее первое количество воздуха частично сжижают и подают, в частности, в форме двухфазного потока в колонну высокого давления.
Другими словами, можно обеспечить, что отмеряют сжатое и охлажденное первое количество воздуха и выполняют его сжатие и охлаждение, так что указанное количество воздуха по меньшей мере частично сжижают в конденсаторе-испарителе ввиду дополнительного охлаждения, которое здесь осуществляют, где после сжижения первое количество воздуха по меньшей мере частично подают в колонну низкого давления или, например, также в колонну высокого давления и в колонну низкого давления. Как также объяснено ниже со ссылкой на Фиг. 3, в этом случае также можно подать первое количество воздуха, по меньшей мере частично сжиженное в конденсаторе-испарителе, только в колонну низкого давления. Указанное количество воздуха, в частности, проводят перед этим через переохладитель. В частности, в этом случае можно обеспечить, что помимо первого количества воздуха, в колонну высокого давления подают дополнительно сжатый и охлажденный, хотя и не сжиженный, воздух, который, в частности, не проводят через конденсатор-испаритель. Первое количество воздуха, а также не сжиженный воздух, подаваемые в колонну высокого давления, формируют, в частности, используя поток сжатого воздуха, который удаляют на холодной стороне из основного теплообменника соответствующей установки. Указанный поток воздуха сжимают, в частности, до уровня давления, при котором работает колонна высокого давления.
В другой конфигурации настоящего изобретения можно обеспечить, что сжатое и охлажденное первое количество воздуха, которое в этом случае сжижают только частично в конденсаторе-испарителе ввиду дополнительного охлаждения, которое здесь осуществляют, составляет весь воздух, подаваемый в колонну высокого давления, другими словами, в колонну высокого давления не подают никакого дополнительного воздуха, помимо первого частичного количества. В частности, в этом случае помимо первого количества воздуха и второго количества воздуха, объясненного ниже, никакого дополнительного воздуха не подают в систему дистилляционных колонн.
В обоих случаях обеспечивают среду в форме соответствующего количества воздуха, с помощью которой обогащенную кислородом жидкость из колонны высокого давления можно испарить вместе с кубовой жидкостью колонны массообмена. Используемый здесь воздух можно полностью подать в систему дистилляционных колонн. В отличие от обычных способов смесительной колонны весь подаваемый воздух поэтому включен в ректификацию.
Как упоминалось, уровень давления, при котором подаваемый воздух проводят через конденсатор-испаритель, соответствует, в частности, требуемому уровню давления газовой третьей текучей среды, которую удаляют из колонны массообмена и которую предоставляют в качестве газового кислородного продукта. В одной конфигурации настоящего изобретения сжатие первого количества воздуха выполняют здесь до первого уровня давления перед по меньшей мере частичным сжижением в конденсаторе-испарителе. Газовую третью текучую среду удаляют из установки разделения воздуха или из холодильной камеры такой установки разделения воздуха, в частности, в этом случае при относительно низком уровне давления. Этот упомянутый последним уровень давления может составлять, например, приблизительно 320 кПа (3,2 бар) или менее. Здесь средняя разница температур в основном конденсаторе, который соединяет колонну высокого давления и колонну низкого давления путем теплообмена может, в частности, составлять приблизительно 1К. В принципе можно использовать более высокое давление кислородного продукта, однако это привело бы к первому уровню давления, который для этого необходимо дополнительно повышать. Однако это в общем связано с более плохой общей эффективностью Для соответствующего сжатия можно, в частности, обеспечить основной воздушный компрессор, из которого удаляют первое количество воздуха при первом уровне давления. Также можно обеспечить удаление первого количества воздуха из основного воздушного компрессора при более низком уровне давления, и указанное количество воздуха затем довести до первого уровня давления с помощью одного или более вспомогательных компрессоров или последующих компрессоров. Однако первое количество воздуха можно соответствующим образом также сжать в общем только до уровня давления, который ниже первого уровня давления, в частности, с последующей подачей в колонну низкого давления. В таком случае можно удалить газовую третью текучую среду из колонны массообмена установки разделения воздуха или из холодильной камеры такой установки разделения воздуха, в частности, при относительно низком или даже более низком уровне давления.
Альтернативно, сжатие первого количества воздуха до по меньшей мере частичного сжижения в конденсаторе-испарителе также можно выполнять до уровня давления выше первого уровня давления. В этом случае газовую третью текучую среду удаляют из установки разделения воздуха или из холодильной камеры соответствующей установки разделения воздуха, в частности, при уровне давления, который больше 320 кПа (3,2 бар). Этот упомянутый последним уровень давления может быть ниже или составлять около первого уровня давления. Первый уровень давления соответствует уровню давления колонны высокого давления, которая работает, в частности, при приблизительно 500-700 кПа (5,0-7,0 бар). Уровень давления, до которого в этом случае сжимают первое количество воздуха, может, в частности, на 100 кПа - 700 кПа (1-7 бар) превышать первого уровня давления, например, составлять от 600 кПа до 1,4 МПа (от 6 до 14 бар). Соответствующее сжатие также можно выполнять в основном воздушном компрессоре, например, если это обеспечивает соответствующее конечное давление. В таком случае также можно удалить другие потоки воздуха из основного воздушного компрессора при более низком уровне давления. При этом также можно удалить первое количество воздуха из основного воздушного компрессора при более низком уровне давления и затем довести указанное количество воздуха до уровня давления выше первого уровня давления с помощью одного или более вспомогательных компрессоров или последующих компрессоров. Здесь газовую третью текучую среду можно удалить из колонны массообмена или из установки разделении воздуха или из ее холодильной камеры, в частности, при уровне давления, который составляет от 350 кПа до 1,1 МПа или от 400 кПа до 800 кПа (от 3,5 бар до 11 бар или от 4 до 8 бар) (за вычетом потерь давления в теплообменнике и в трубопроводах). Альтернативно, также возможно сжатие первого количества воздуха до по меньшей мере частичного сжижения в конденсаторе-испарителе до уровня давления ниже первого уровня давления.
В способе по изобретению ранее сжатое и охлажденное подобным образом количество воздуха, которое здесь называют «вторым» количеством воздухом лишь для упрощенной ссылки или лингвистической ссылки, преимущественно расширяют до второго уровня давления и подают в колонну низкого давления. В этом случае указанное количество воздуха является количеством воздуха, которое расширяют в турбодетандере (турбине Лахманна, инжекционной турбине) и которое значительно влияет на количество азота под давлением или жидкого продукта, который можно в целом удалить из установки. Количество удаляемого продукта(ов) жидкого воздуха в каждом случае рассматривают ниже. Данное количество в каждом случае выражают в виде эквивалентного количества жидкого азота, причем последнее вычисляют, исходя из 1,08-кратного количества удаленного жидкого кислорода плюс количество удаленного жидкого азота. Эквивалентное количество жидкого азота выражают в стандартных кубических метрах в час.
В первой альтернативе в этом случае сжатие второго количества воздуха до его охлаждения и его расширения до второго уровня давления выполняют до уровня давления, который выше первого уровня давления, в частности, на 100 кПа - 1,1 МПа (1-11 бар) выше первого уровня давления, например, составляет от 600 кПа до 1,8 МПа (от 6 до 18 бар), где один или более жидких воздушных продуктов удаляют из установки разделения воздуха в эквивалентном количестве жидкого азота, которое соответствует до 3,5 мольн. % от количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн, и которое соответствует, в частности, более чем 1,5 мольн. % от количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн. Здесь богатый азотом продукт(ы) под давлением образуют, используя текучую среду, удаленную из колонны высокого давления. В этой конфигурации настоящего изобретения таким образом можно обеспечить относительно большое количество соответствующих продуктов. Сжатие второго количества воздуха до уровня давления выше первого уровня давления можно в этом случае подобным образом выполнять в основном воздушном компрессоре, если последний обеспечивает соответствующее конечное давление. В этом случае дополнительные потоки воздуха, например, первое количество воздуха, можно удалять из соответствующего основного воздушного компрессора при подходящем равном или более низком уровне давления. Также можно сначала выполнить сжатие в основном воздушном компрессоре до более низкого уровня давления, где затем можно осуществить последующее сжатие в одном или более вспомогательных компрессорах или соответствующих последующих компрессорах.
Наоборот, во второй альтернативе сжатие второго количеств воздуха до его охлаждения и его расширения до второго уровня давления выполняют только до первого уровня давления, где один или более жидких воздушных продуктов удаляют из установки разделения воздуха в эквивалентном количестве жидкого азота, которое соответствует до 1,7 мольн. % от количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн, и которое соответствует, в частности, более чем 0,7 мольн. % от количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн. В этой конфигурации настоящего изобретения таким образом можно обеспечить меньшее количество соответствующих продуктов, чем выше. Сжатие можно выполнять любым требуемым образом, в частности, в основном воздушном компрессоре. Дополнительные воздушные фракции, в частности, первую воздушную фракцию, можно в этом случае сжать до того же уровня давления или более высокого уровня давления.
Наконец, в рамках настоящего изобретения можно также осуществить в третьей альтернативе сжатие второго количества воздуха до его охлаждения и его расширения до второго уровня давления, выполняемое до уровня давления, который ниже первого уровня давления, где один или более жидких воздушных продуктов удаляют из установки разделения воздуха в эквивалентном количестве жидкого азота, которое соответствует до 1,0 мольн. % от количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн, и которое соответствует, в частности, (без учета количества предохранительных промывок) более чем 0,0 мольн. % количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн. Эта конфигурация настоящего изобретения поэтому подходит для тех случаев, в которых она предназначена для предоставления чрезвычайно небольшого количества соответствующих продуктов. Сжатие можно осуществлять здесь, в частности, в основном воздушном компрессоре, из которого в этом случае второе количество воздуха можно удалить, в частности, при промежуточном уровне давления. Здесь это является особенно выгодным в показателях энергии, если последующее сжатие воздуха все еще выполняют перед очисткой воздуха. Здесь очистка воздуха должна состоять из двух адсорберов, работающих при различных давлениях (известных из WO 2013/053425 А2). В частности, если сжатие второго количества воздуха до его охлаждения и его расширения до второго уровня давления выполняют до уровня давления, который ниже первого уровня давления, возможно соответствующее сжатие первого количества воздуха до по меньшей мере частичного сжижения в конденсаторе-испарителе до уровня давления ниже первого уровня давления. Соответствующие уровни давления ниже первого уровня давления могут в этом случае, в частности, быть равными друг другу.
Во всех объясненных случаях поэтому можно приспособить конфигурацию способа по изобретению в каждом случае для требуемого давления газовой третьей текучей среды, которую удаляют из колонны массового переноса или из установки разделения воздуха или из ее холодильной камеры, другими словами богатого кислородом продукта под давлением, и в каждом случае для требуемого количества одного или более богатых азотом продуктов под давлением и/или одного или более жидких продуктов. В этом случае, в общем, можно осуществить сжатие первого количества воздуха, другими словами того количества воздуха, которое затем по меньшей мере частично сжижают в конденсаторе-испарителе колонны массообмена, до первого уровня давления или до более высокого или более низкого уровня давления (последнее, в частности, в случае, когда по меньшей мере частично сжиженный воздух подают в колонну низкого давления и в случае относительно низких давлений продуктов) и сжатие второго количества воздуха, другими словами того количества воздуха, которое затем последовательно расширяют, в частности, в турбодетандере, и подают в колонну низкого давления, до уровня давления, который выше, находится на уровне или ниже первого уровня давления. Наоборот, дополнительное количество воздуха, которое подают в колонну высокого давления после проведения через основной теплообменник и которое выше по потоку от основного теплообменника и выше по потоку от колонны высокого давления, не подвергают дополнительному воздействию средств, воздействующих на давление и/или температуру, преимущественно сжимают до первого уровня давления выше по потоку от основного теплообменника. В зависимости от достигаемого уровня давления основной воздушный компрессор используют сам по себе или используют сочетание основного воздушного компрессора и одного или более вспомогательных компрессоров и/или последующих компрессоров.
В другой конфигурации настоящего изобретения также можно соответствующее ранее сжатое и охлажденное второе количество воздуха расширить до первого уровня давления и подать в колонну высокого давления, в которой сжатие второго количества воздуха до его охлаждения и его расширения до первого уровня давления в этом случае выполняют до уровня давления, который выше первого уровня давления и, кроме того, один или более газовых богатых азотом продуктов под давлением в этом случае удаляют из установки разделения воздуха в общем количестве, которое соответствует до 30 мольн. % от количества вещества, подаваемого в общем в систему дистилляционных колонн.
По настоящему изобретению жидкую пятую текучую среду с пятым содержанием кислорода, между третьим и четвертым содержаниями кислорода, удаляют из колонны массообмена и по меньшей мере частично подают в колонну низкого давления. Пятую текучую среду удаляют из колонны массообмена между точкой подачи первой текучей среды и точкой подачи обогащенной кислородом жидкости. По изобретению пятую текучую среду или ее фракцию, подаваемую в колонну низкого давления, подают в колонну низкого давления в положении, которое расположено ниже положения, при котором четвертую текучую среду или ее фракцию, подаваемую в колонну низкого давления, подают в колонну низкого давления. Данные два положения преимущественно являются одной или более областями разделения или секциями разделения, отделенными друг от друга. Если колонна массообмена имеет общее число теоретических или практических тарелок от 5 до 40, точка удаления пятой текучей среды может быть расположена, в частности, на 10-30 теоретических или практических тарелок выше дна колонны массообмена. Как упоминалось, колонна массообмена может в этом случае содержать дополнительную секцию разделения. Согласно особенно предпочтительному воплощению настоящего изобретения колонна массообмена поэтому содержит первую и вторую секцию разделения, которые, в частности, каждая содержит структуры массообмена подходящего типа, в частности, в форме разделительных тарелок (ситчатых тарелок) или в форме структурированных или неструктурированных насадок. Собирающая структура для жидкости, в частности, в форме так называемой чашки, с помощью которой пятую текучую среду можно собрать и выгрузить, расположена между первой и второй секциями разделения. Область, которая не содержит структур массообмена представленного типа, расположена, в частности, между первой и второй секциями разделения.
Удаление пятой текучей среды из колонны массообмена и подачу ее в колонну низкого давления, которая для этой цели может также быть оборудована соответствующей дополнительной секцией разделения, приводит не только к лучше оптимизированным отношениям жидкость/пар (Ж/П) в колонне низкого давления, но также к достижению улучшения массообмена в колонне массообмена, так как профиль концентрации в более низкой области колонны становится ближе к линии равновесия. В результате давление богатого кислородом воздушного продукта можно повысить без необходимости одновременного повышения соответствующего давления воздуха. Основная причина этого состоит в том, что жидкость, стекающая вниз в нижней секции колонны массообмена, содержит значительно меньше кислорода (жидкость таким образом становится холоднее), и при смешивании двух жидкостей происходит меньше потерь.
Кроме того, в рамках настоящего изобретения предложено использование так называемого конденсатора-испарителя напорного течения (в частности, в так называемой «прямоточной» конфигурации) в качестве конденсатора-испарителя для испарения обогащенной кислородом жидкости, удаляемой из колонны высокого давления, и кубовой жидкости колонны массообмена.
В конденсаторе-испарителе напорного течения поток жидкости проводят под напором через зону испарения с помощью ее собственного давления и частично испаряют в ней. Указанное давление создают, например, с помощью столба жидкости в трубопроводе подачи в зону испарения и, таким образом, чисто гидростатически. Здесь высота указанного столба жидкости соответствует потере давления в зоне испарения. Смесь газа и жидкости, выходящую из зоны испарения, разделенную на фазы в «прямоточном» конденсаторе-испарителе указанного типа, проводят непосредственно дальше на следующую стадию способа или в расположенное ниже по потоку устройство и, в частности, не вводят в ванну для жидкости конденсатора-испарителя, из которой фракцию, остающуюся в жидкой форме, необходимо снова извлекать.
В способе по изобретению конденсатор-испаритель поэтому сконструирован так, что в указанном конденсаторе-испарителе поток жидкости, содержащий по меньшей мере часть обогащенной кислородом жидкости, удаленной из колонны высокого давления, и по меньшей мере часть кубовой жидкости из колонны массообмена проводят под напором через зону испарения с помощью его собственного давления, в частности, чисто гидростатически, другими словами без дополнительного повышения давления с помощью насоса (но, возможно, при определенном гидростатическом давлении или общем основном давлении, при котором предоставляют поток жидкости, в частности, объясненном выше рабочем давлении выше атмосферного колонны массообмена) и частично испаряют в ней, где, в частности, предотвращают повторное протекание через зону испарения фракции, не испаренной в течение частичного испарения.
Использование соответствующих конденсаторов-испарителей напорного течения обеспечивает установление давления кислородного продукта, полученного в форме третьей текучей среды в соответствующей установке, на значительно более высоком уровне, чем в случае обычных конструкций конденсаторов-испарителей (так называемых «бассейновых» конденсаторов-испарителей). В рамках настоящего изобретения использование объясненных типов конденсаторов-испарителей является приемлемым из-за большого избытка жидкости и относительно низкого содержания кислорода.
В рамках настоящего изобретения первую текучую среду можно формировать, используя кубовую жидкость из колонны низкого давления. Наоборот, согласно другой конфигурации первую текучую среду формируют, используя жидкость, которую удаляют из колонны низкого давления на несколько теоретических или практических тарелок выше дна, где дополнительную жидкость удаляют со дна колонны низкого давления и выгружают из установки разделения воздуха. Таким образом также можно предоставить чистый кислородный продукт в форме дополнительной жидкости, удаленной из колонны низкого давления.
В рамках настоящего изобретения, как упоминалось, воздух под давлением, в частности, инжектируют в колонну низкого давления. Как упоминалось, это вносит вклад в инжекционный эквивалент. Следовательно, его количество можно повысить по сравнению с известными установками разделения воздуха, содержащими смесительные колонны. В способе согласно соответствующей конфигурации настоящего изобретения таким образом можно расширить сжатый и охлажденный воздух до второго уровня давления с помощью одного или более турбодетандеров и подать в колонну низкого давления. Здесь воздух можно сжать до первого уровня давления, другими словами до уровня давления колонны высокого давления, а также до более высокого или более низкого уровня давления, как уже объяснялось выше со ссылкой на второе количество воздуха. Для сжатия здесь, в частности, используют основной воздушный компрессор установки разделения воздуха или указанный основной воздушный компрессор включен в сжатие вместе с дополнительными компрессорами или вспомогательными компрессорами. Охлаждение осуществляют, в частности, в основном теплообменнике. До и/или в течение расширения соответствующую фракцию воздуха можно охладить, в частности, в основном теплообменнике установки разделения воздуха. Расширение можно осуществлять, например, с помощью генераторной турбины. Альтернативно, также можно осуществлять расширение в турбине, которая соединена с вспомогательным компрессором и которая доводит дополнительную фракцию воздуха до еще более высокого уровня давления. Указанную дополнительную фракцию воздуха можно, в частности, охладить перед ее дополнительным сжатием или подать во вспомогательный компрессор в теплом состоянии. Кроме того, или в качестве альтернативы для использования соответствующего вспомогательного компрессора, возможно использование отдельного последующего компрессора, который доводит фракцию воздуха до уровня давления, более высокого, чем первый уровень давления.
Как объяснялось, в рамках настоящего изобретения можно загрузить колонну массообмена, в частности, кубовой жидкостью из колонны высокого давления. Однако, также можно (дополнительную) кубовую жидкость удалить из колонны высокого давления и, не подавая в колонну массообмена, подать непосредственно, другими словами неизмененную по составу вещества, в колонну низкого давления. Это соответствует нормальной работе установке разделения воздуха.
В другой конфигурации способа по изобретению обогащенную азотом или богатую азотом текучую среду можно удалить в газовой форме из колонны высокого давления и затем расширить с помощью одного или более турбодетандеров. Таким образом, можно использовать так называемые турбины азота под давлением, как объяснено во введении. В частности, также возможно использование так называемых турбин азота под давлением с примесями. Соответственно расширенные текучие среды можно подать в колонну низкого давления или выгрузить из установки разделения воздуха. Такие текучие среды вносят вклад в инжекционный эквивалент.
Настоящее изобретение также распространяется на установку разделения воздуха, содержащую систему дистилляционных колонн, которая содержит колонну высокого давления, выполненную для работы при первом уровне давления, колонну низкого давления, выполненную для работы при втором уровне давления, ниже первого уровня давления, и колонну массообмена, выполненную для работы при третьем уровне давления, где установка разделения воздуха выполнена для осуществления массообмена в колонне массообмена жидкой первой текучей среды с первым содержанием кислорода и газовой второй текучей среды со вторым содержанием кислорода, ниже первого содержания кислорода, друг с другом, для удаления газовой третьей текучей среды с третьим содержанием кислорода, пониженным по отношению к первому содержанию кислорода, из колонны массообмена и по меньшей мере частичной выгрузки указанной третьей текучей среды из установки разделения воздуха, для удаления жидкой четвертой текучей среды с четвертым содержанием кислорода, соответствующим по меньшей мере второму содержанию кислорода, из колонны дополнительного массообмена и для по меньшей мере частичной подачи указанной четвертой текучей среды в колонну низкого давления и для образования первой текучей среды с использованием по меньшей мере части богатой кислородом жидкости, удаленной из колонны низкого давления. Установка разделения воздуха также выполнена для образования второй текучей среды с использованием обогащенной кислородом жидкости, удаленной из колонны высокого давления. Более того, установка разделения воздуха выполнена для смешивания и для частичного испарения в конденсаторе-испарителе обогащенной кислородом жидкости, удаленной из колонны высокого давления, и кубовой жидкости колонны массообмена.
В этом случае в установке разделения воздуха по изобретению сконструирован конденсатор-испаритель, и он включен в установку разделения воздуха, так что поток жидкости, который содержит по меньшей мере часть обогащенной кислородом жидкости, удаленной из колонны высокого давления, и по меньшей мере часть кубовой жидкости из колонны массообмена, проводят под напором через зону испарения с помощью его собственного давления и частично испаряют в ней.
Более того, по изобретению установка разделения воздуха выполнена для удаления жидкой пятой текучей среды с пятым содержанием кислорода, между третьим и четвертым содержаниями кислорода, из колонны массообмена между точкой подачи первой текучей среды и точкой подачи обогащенной кислородом жидкости и для по меньшей мере частичной подачи указанной пятой текучей среды в колонну низкого давления, в которой обеспечены средства, которые выполнены для подачи пятой текучей среды или ее фракции, подаваемой в колонну низкого давления, ниже четвертой текучей среды или ее фракции, подаваемой в колонну низкого давления. Для удаления и подачи потоков текучей среды по изобретению обеспечены соответствующие средства, например, соединительные трубопроводы и т.п.
Для признаков и преимуществ соответствующей установки разделения воздуха следует явно дать ссылки на приведенные выше объяснения в отношении способа по изобретению и различных его преимущественных конфигураций. Соответствующая установка разделения воздуха, в частности, выполнена для практической реализации соответствующего способа и содержит соответствующие средства.
В установке разделения воздуха по изобретению колонна высокого давления и колонна низкого давления, в частности, соединены друг с другом теплообменным образом с помощью многоуровневого каскадного испарителя или испарителя с падающей пленкой.
Изобретение объясняется более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показаны предпочтительные воплощения изобретения.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 1 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 1 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 2 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 3 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 4 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 5А показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 5В показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 5С показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 6 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 7 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 8 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
На Фиг. 9 показана установка разделения воздуха согласно одному воплощению изобретения в форме упрощенной схемы технологического процесса.
Подробное описание изобретения
На чертежах элементы, которые соответствуют друг другу структурно или функционально, обозначены одинаковыми номерами позиций и, для ясности, не объясняются повторно. Установки разделения воздуха согласно предпочтительным воплощениям настоящего изобретения показаны в каждом случае на основе чертежей. Однако соответствующие объяснения таким же образом относятся к способам согласно предпочтительным конфигурациям настоящего изобретения, так что когда детали или соответствующие установки описывают ниже, соответствующие объяснения для стадий способа, выполняемые с помощью указанных деталей, также применимы. На чертежах потоки жидких веществ каждый показаны с помощью заполненных (черных) стрелок, и потоки газовых веществ каждый показаны с помощью незаполненных (белых) стрелок.
В описании чертежей устройство, называемое выше «колонной массообмена», просто называют «смесительной колонной». Как пояснялось, она отличается от обычной смесительной колонны рядом признаков.
На Фиг. 1 установка разделения воздуха согласно одному воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса показана и в общем обозначена 100.
В установке 100 разделения воздуха атмосферный воздух (AIR) всасывают через фильтр 2 с помощью обычно многоступенчатого воздушного компрессора 1 и подают в качестве потока а подаваемого воздуха в охладитель 3. После охлаждения в нем поток а подаваемого воздуха очищают в установке 4 адсорбции, в частности, освобождают от воды и диоксида углерода. Если требуется, часть воздуха из очищенного потока подаваемого воздуха, который все еще обозначен как а, дополнительно сжимают и используют для обеспечения подачи требуемого воздуха любым потребителям (Cust Air).
В установке 100 разделения воздуха фракцию потока а подаваемого воздуха, в виде так называемого инжекционного потока b, сначала охлаждают до промежуточного уровня температуры в основном теплообменнике 5 установки 100 разделения воздуха, расширяют в турбодетандере 6 (турбине Лахманна), который соединен с генератором G, и подают в колонну 12 низкого давления системы 10 дистилляционных колонн, которая также содержит колонну 11 высокого давления и смесительную колонну 13.
В установке 100 разделения воздуха дополнительную фракцию потока а подаваемого воздуха, в форме потока с вещества, охлаждают до конечного уровня температуры в основном теплообменнике 5 установки 100 разделения воздуха и затем разделяют, все еще в газовом состоянии, на два частичных потока d и е.
Частичный поток d сжижают в конденсаторе-испарителе 7, причем последний в показанном примере расположен в более низкой области смесительной колонны 13 и, как объяснено выше, сконструирован в форме конденсатора-испарителя напорного течения, пропускают через противоточный переохладитель 8 и расширяют в колонну 12 низкого давления. Частичный поток е подают в более низкую область колонны 11 высокого давления.
Обогащенную кислородом жидкость извлекают в форме потока f вещества из донной области колонны 11 высокого давления и расширяют в более низкую область области массообмена в смесительной колонне 13. Указанный поток таким образом используют вместо потока подаваемого воздуха, который обычно подают в смесительную колонну 13. В смесительной колонне 13, в частности, в конденсаторе-испарителе 7, испаряющуюся жидкость пропускают в противотоке к потоку g вещества, причем последний вводят в жидкой форме в верхнюю область области массообмена в смесительной колонне 13.
Для образования потока g вещества обогащенную кислородом жидкость удаляют со дна колонны 12 низкого давления, повышают ее давление с помощью насоса 9, пропускают через противоточный переохладитель 8 и нагревают до промежуточного уровня температуры в основном теплообменнике 5. Дополнительную обогащенную кислородом жидкость, удаленную со дна колонны 12 низкого давления и в которой повысили давление с помощью насоса 9, можно выгрузить из установки 100 разделения воздуха в виде жидкого кислородного продукта (LOX).
Газовую смесь, извлеченную с верха области массообмена смесительной колонны 13 в форме потока h вещества, полностью нагревают в основном теплообменнике 5, расширяют и предоставляют в качестве газового кислородного продукта (GOX) при уровне давления, например, приблизительно 320 кПа абс. (3,2 бар абс).
Жидкость со дна области массообмена смесительной колонны 13 частично испаряют в конденсаторе-испарителе 7. В этом случае в конденсатор-испаритель 7 подают жидкий поток в форме жидкости со дна области массообмена смесительной колонны 13, который содержит по меньшей мере часть обогащенной кислородом жидкости, удаленной из колонны 11 высокого давления, и по меньшей мере часть кубовой жидкости из колонны 13 массообмена. Поток жидкости проводят под напором через зону испарения конденсатора-испарителя 7 с помощью его собственного давления и частично испаряют в нем. Испаренная фракция поднимается в область массообмена, а не испаренную фракцию, вместе с жидкостью, стекающей вниз в смесительной колонне 13, извлекают в форме потока i вещества. Поток i вещества проводят через противоточный переохладитель 8 и расширяют в центральную область колонны 12 низкого давления.
В показанном примере смесительная колонна 13 имеет две секции разделения. Поток р жидкого вещества извлекают из промежуточной области смесительной колонны 13 и, в частности, как показано, переохлаждают и подают в колонну 12 низкого давления, причем последнюю также можно снабдить дополнительной секцией разделения. Затем жидкую пятую текучую среду удаляют в форме потока р вещества из колонны 13 массообмена между точками подачи потоков f и g вещества и по меньшей мере частично подают в колонну 12 низкого давления. Подачу в колонну 12 низкого давления осуществляют здесь ниже потока i вещества.
Богатый азотом газ с верха колонны 11 высокого давления извлекают в форме потока к вещества из колонны 11 высокого давления. Его часть, в форме потока вещества 1, нагревают в основном теплообменнике 5 и, после возможного дополнительного сжатия, предоставляют в форме газового азотного продукта под давлением (PGAN) и/или используют в качестве уплотняющего газа.
Другую часть богатого азотом газа, извлеченного в форме потока к вещества с верха колонны 11 высокого давления, сжижают в основном конденсаторе 14, который соединяет колонну 11 высокого давления и колонну 12 низкого давления с осуществлением теплообмена, и частично рециркулируют в качестве обратного потока в колонну 11 высокого давления и частично (см. указатель А) предоставляют в качестве жидкого азотного продукта (LIN). Основной конденсатор 14 может, в частности, находиться в форме многоуровневого каскадного испарителя, как описано, например, в DE 102010051526 А1.
Кроме того, жидкую обогащенную азотом смесь вещества извлекают в форме потока m вещества из промежуточной области колонны 11 высокого давления, проводят через противоточный переохладитель 8 и расширяют в колонну 12 низкого давления.
Так называемый азот с примесями извлекают в форме потока n вещества с верха колонны низкого давления и пропускают через противоточный переохладитель 8. После разделения на два частичных потока и нагрева в основном теплообменнике 5 указанный азот с примесями можно использовать в качестве регенерационного газа или охлаждающего газа в охладителе 3 или в установке 4 адсорбции.
На Фиг. 2 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она в общем обозначена 200.
Установка 200 разделения воздуха, показанная на Фиг. 2, отличается от установки 100 разделения воздуха, показанной на Фиг. 1, в основном тем, что частичный поток b подаваемого воздуха здесь дополнительно охлаждают в основном теплообменнике 5 после того, как он был расширен в турбодетандере 6.
На Фиг. 3 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 300.
Установка 300 разделения воздуха, показанная на Фиг. 3, отличается от установки 100 разделения воздуха, показанной на Фиг. 1, в основном тем, что частичный поток b подаваемого воздуха здесь сжимают во вспомогательном компрессоре 21, который механически соединен с турбодетандером 6, перед охлаждением до промежуточного уровня температуры в основном теплообменнике 5. Таким образом можно осуществить уменьшение закачиваемого количества с повышенным удалением газового азотного продукта под давлением (PGAN).
На Фиг. 4 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 400.
Установка 400 разделения воздуха, показанная на Фиг. 4, отличается от установки 100 разделения воздуха, показанной на Фиг. 1, в основном тем, что частичный поток с подаваемого воздуха не разделяют на два частичных потока d и е. Вместо этого в данном случае здесь весь частичный поток с частично конденсируют в конденсаторе-испарителе 7 и подают в колонну 11 высокого давления. Это делает возможным предоставить газовый кислородный продукт (GOX) при более высоком уровне давления, а именно при уровне давления, например, до приблизительно 400 кПа абс. (4,0 бар абс.) при разнице температур в конденсаторе 14 приблизительно 1К.
На Фиг. 5А показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 500.
Установка 500 разделения воздуха, показанная на Фиг. 5А, отличается от установки 100 разделения воздуха, показанной на Фиг. 1, в основном тем, что используют последующий компрессор 51. Указанный последующий компрессор может быть сконструирован, в частности, вместе с основным воздушным компрессором 1, в форме одного многоступенчатого механизма, из которого частичный поток b удаляют при промежуточном давлении. Он дополнительно сжимает частичный поток подаваемого воздуха, который соответствует частичному потоку d и также обозначен здесь d. Это также делает возможным предоставить газовый кислородный продукт (GOX) при более высоком уровне давления.
Как дополнительно показано на Фиг. 5А, здесь воздух, сжиженный в конденсаторе-испарителе 7 смесительной колонны 13, также частично (см. указатель В) подают в колонну 11 высокого давления.
На Фиг. 5В показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 510. Установка 510 разделения воздуха составляет вариант установки 500 разделения воздуха согласно Фиг. 5А.
Установка 510 разделения воздуха, показанная на Фиг. 5В, отличается от установки 500 разделения воздуха, показанной на Фиг. 5А, в основном тем, что вместо последующего компрессора 51 используют два последующих компрессора 52 и 53. Указанные два последующие компрессоры также можно сконструировать, вместе с основным воздушным компрессором 1, в форме одного многоступенчатого механизма, из которого частичный поток b удаляют при промежуточном давлении. Здесь сначала последующий компрессор 52 сжимает количество воздуха, которое соответствует сумме частичных потоков, также обозначенных c и d. Частичный поток с охлаждают при соответствующем уровне давления, который достигают путем сжатия в последующем компрессоре 52. Частичный поток d дополнительно сжимают в последующем компрессоре 53 и затем охлаждают. Вариант установки 510 разделения воздуха, показанный на Фиг. 5В, обеспечивает, в частности, относительно низкое производство жидкости или производство газового азотного продукта под давлением (PGAN), с тем результатом, что инжектируемый поток, то есть частичный поток b, сжимают до относительно низкого уровня давления.
Подаваемый воздух для колонны 11 высокого давления, то есть частичный поток с, сжимают до ее уровня давления. В варианте установки 510 разделения воздуха, показанном на Фиг. 5В, также обеспечивают предоставление газового кислородного продукта (GOX) при более высоком уровне давления. Поэтому соответственно дополнительно сжимают воздух частичного потока d.
На Фиг. 5С показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 520. Установка 520 разделения воздуха составляет другой вариант установки 500 разделения воздуха согласно Фиг. 5А.
Установка 520 разделения воздуха, показанная на Фиг. 5С, отличается от установки 500 разделения воздуха, показанной на Фиг. 5А, в основном тем, что вместо последующего компрессора 51 используют последующий компрессор 54. Последний также можно сконструировать, вместе с основным воздушным компрессором 1, в форме одного многоступенчатого механизма, из которого, однако, в данном случае затем частичный поток подаваемого воздуха, который соответствует частичному потоку с, удаляют при промежуточном давлении. Последующий компрессор 54 сжимает количество воздуха, которое соответствует сумме частичных потоков, также обозначенных здесь b и d. Частичные потоки b и d охлаждают при соответствующем уровне давления, которого они достигают путем сжатия в последующем компрессоре 54.
Вариант установки 520 разделения воздуха, показанный на Фиг. 5С, предоставляют, в частности, для относительно высокого производства жидкости или производства газового азотного продукта под давлением (PGAN). Газовый кислородный продукт (GOX) в этом случае получают при более высоком давлении и по этой причине выполняют обычное последующее сжатие частичных потоков b и d. Турбодетандер 6 сконструирован так, чтобы содержать ступень вспомогательного компрессора.
На Фиг. 6 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 600.
Установка 600 разделения воздуха, показанная на Фиг. 6, отличается от установки 500 разделения воздуха, показанной на Фиг. 5, в основном тем, что используют последующий компрессор 61, который дополнительно сжимает частичный поток подаваемого воздуха, который соответствует частичному потоку с и здесь также обозначен с, и который дополнительно сжимает частичный поток подаваемого воздуха, который соответствует частичному потоку d и здесь также обозначен d. В этой конфигурации также основной воздушный компрессор 1 и последующий компрессор 61 можно, в частности, сконструировать в форме одного многоступенчатого механизма, из которого частичный поток b удаляют при промежуточном давлении.
Установка 600 разделения воздуха, показанная на Фиг. 6, особенно подходит, если получают небольшое количество жидких продуктов или газового азотного продукта под давлением (PGAN), и в случае давления кислородного продукта, которое сравнимо с давлением в установке 100 разделения воздуха согласно Фиг. 1. Турбинное количество, то есть количество воздуха, расширенного в турбодетандере 6, в этом случае является большим, однако охлаждающая способность является относительно низкой, так как градиент давления в турбодетандере является относительно низким. В этом случае иногда также необходимы относительно большие (основные) теплообменники, однако эффективность остается очень высокой, так как турбинное количество не сжимают в то же самое время до конечного давления.
На Фиг. 7 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 700.
Установка 700 разделения воздуха, показанная на Фиг. 7, отличается от установки 500 разделения воздуха, показанной на Фиг. 5, в основном тем, что используют последующий компрессор 71, который, однако, дополнительно сжимает только частичный поток подаваемого воздуха, который соответствует частичному потоку с и также обозначен здесь с. Эта конфигурация подходит, в частности, для тех случаев, в которых помимо получения небольшого количества жидких продуктов или небольшого количества газового азотного продукта под давлением (PGAN) она предназначена для получения газового кислородного продукта (GOX) при уровне давления менее приблизительно 320 кПа абс. (3,2 бар абс).
На Фиг. 8 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 800.
Установка 800 разделения воздуха, показанная на Фиг. 8, отличается от установки 100 разделения воздуха, показанной на Фиг. 1, в основном тем, что используют холодный вспомогательный компрессор 81, который дополнительно сжимает частичный поток подаваемого воздуха, который соответствует частичному потоку d и также обозначен здесь d и который был ранее охлажден в основном теплообменнике 5.
В конфигурации установки 800 разделения воздуха согласно Фиг. 8 только лишь один уровень давления преобладает в основном теплообменнике (или используют только один компрессор), однако, тем не менее, получают более высокое давление кислородного продукта. Повышение давления потока d воздуха, конденсируемого в конденсаторе-испарителе 7 смесительной колонны 13, осуществляют с помощью холодного вспомогательного компрессора 81. В этом случае (основной) теплообменник 5 представляет собой относительно большую конструкцию, и избыток охлаждающей способности практически преобразуют в более высокое давление. Преимущество состоит в том, что не нужно использовать никакого дополнительного компрессорного устройства или компрессорной ступени. Устройство, состоящее из турбодетандера 6 и холодного вспомогательного компрессора 81, можно дополнительно соединить с генератором или масляным тормозом.
Как дополнительно показано на Фиг. 8, здесь, как и в конфигурации согласно Фиг. 5, воздух, сжиженный в конденсаторе-испарителе 7 смесительной колонны 13, также частично подают (см. указатель В) в колонну 11 высокого давления.
На Фиг. 9 показана установка разделения воздуха согласно другому воплощению настоящего изобретения в форме сильно упрощенной схемы технологического процесса, и она обозначена в общем 900.
Установка 900 разделения воздуха, показанная на Фиг. 9, отличается от установки 100 разделения воздуха, показанной на Фиг. 1, в основном тем, что образуют поток g вещества путем использования жидкости, которую удаляют выше дна колонны 12 низкого давления. Здесь чистый кислород с содержанием кислорода приблизительно 99,5% удаляют в форме потока о вещества со дна колонны 12 низкого давления и предоставляют в качестве жидкого кислородного продукта (LOX). В частности, поток о вещества можно провести через противоточный переохладитель 8.
Реферат
Предложен способ криогенного разделения воздуха с использованием установки (100-900) разделения воздуха. В колонне (13) массообмена жидкую первую текучую среду и газовую вторую текучую среду подвергают массообмену друг с другом. Газовую третью текучую среду удаляют из колонны (13). Жидкую четвертую текучую среду из колонны (13) подают в колонну (12) низкого давления и образуют пятую текучую среду, используя по меньшей мере часть богатой кислородом жидкости, удаленной из колонны (12). Вторую текучую среду образуют, используя обогащенную кислородом жидкость, удаленную из колонны (11) высокого давления. Обогащенную кислородом жидкость из колонны (11), и кубовую жидкость колонны (13) смешивают и частично испаряют с помощью конденсатора-испарителя, в котором жидкий поток, который содержит по меньшей мере часть обогащенной кислородом жидкости из колонны (11), и по меньшей часть кубовой жидкости из колонны (13), проводят под напором через зону испарения с помощью его собственного давления и частично испаряют в ней. Жидкую пятую текучую среду удаляют из колонны (13) между точкой подачи первой текучей среды и точкой подачи обогащенной кислородом жидкости и подают в колонну (12) ниже четвертой текучей среды, подаваемой в колонну (12). Техническим результатом является снижение энергозатрат. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.
