Способ низкотемпературного разделения воздуха и устройство для разделения воздуха - RU2107871C1
Код документа: RU2107871C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу низкотемпературного разделения воздуха, при котором очищенный и охлажденный воздух вводится в дистилляционную систему, имеющую по меньшей мере одну ректификационную колонну, и там ректифицируется путем противоточного массообмена между паровой и жидкостной фазами, причем массообмен по меньшей мере в одном участке по меньшей мере одной ректификационной колонны осуществляется посредством насадки, а также к устройству для разделения воздуха для осуществления этого способа.
Уже в течение некоторого времени в низкотемпературной технике, в частности при разделении воздуха, началось применение насадок, которые прежде применялись главным образом для других задач разделения. Здесь под насадками понимаются как упорядоченные, так и неупорядоченные насадки (насыпные насадки).
Например, из EP-A-0321163 известно применение насадки по меньшей мере на одном участке колонны низкого давления двухступенчатого разделителя воздуха. При этом предлагается применять насадки, известные уже из других областей дистилляции, поскольку считается, что специальные свойства насадки не играют большой роли. Обычно насадки этого рода, в частности, упорядоченные, имеют удельную поверхность (то есть участвующую в массообмене площадь, отнесенную к общему объему наполнителя) порядка 125 - 700 м2/м3. Применение насадок более высокой плотности в промышленных разделителях воздуха до сих пор еще не известно. Патент EP-A-0 467395, в котором в целом упомянут диапазон от 250 до 1000 м2/м3, тоже ограничивается конкретным наполнением на удельные поверхности не более 700 м2/м3.
Вследствие сниженного спада давления по сравнению с колоннами, оснащенными только обычными ректификационными тарелками, этот способ может при тех же характеристиках продукта осуществляться с меньшим входным давлением. Однако возникающему из-за этого снижению энергетических затрат противостоят повышение затраты на изготовление ректификационной колонны.
Поэтому в основу настоящего изобретения положена задача создать способ и устройство вышеуказанного вида, которые была бы особенно экономически благоприятными, в частности, из-за сравнительно малых затрат на оборудование.
Эта задача решается благодаря тому, что массообмен по меньшей мере на одном участке по меньшей мере одной ректификационной колонны осуществляется посредством насадки, удельная поверхность которой составляет не менее 1000 м2/м3.
Из-за вводы и вывода различных фракций различные участки колонны разделителя воздуха имеют обычно различные нагрузки, то есть различные расходы пара и жидкости. Если, в частности, в сравнительно мало нагруженных участках ректификационной колонны для разделения воздуха используется насадка, то согласно настоящему изобретению оказалось, что из-за применения насадки с очень высокой удельной поверхностью высота соответствующей зоны колонны, заполненной насадкой, значительно уменьшается. По сравнению с известными из уровня техники способами при одинаковом воздействии массообмена получают меньшую общую высоту колонны, и вследствие этого соответственно уменьшаются затраты на оборудование. Это, разумеется, в большей степени относится к ректификационной колонне, в которой во всех заполненных участках используется насадка с удельной поверхностью не менее 7000 м2/м3.
Однако на основании прежних измерений удельных поверхностей до примерно 500 м2/м3 следовало ожидать, что гидравлические свойства очень плотных насадок заметно ухудшатся и что, в частности, потеря давления на теоретическую тарелку будет заметно возрастать по мере увеличения плотности насадки и будет также возрастать диаметр колонны, необходимый для определенной газовой нагрузки. Ввиду обоснованных ожиданий, что эта зависимость будет сохраняться при более высоких абсолютных удельных поверхностях, такие более плотные насадки, вследствие предполагаемых экономических недостатков, не считались пригодными для применения в промышленных разделителях воздуха. Кроме того, приходилось учитывать серьезность проблем с распределением газа и прежде всего жидкости на насадках при поперечном распределении газа и жидкости внутри насадки.
В результате обширных измерений, которые были проведены в дорогостоящей экспериментальной установке в условиях промышленного разделителя воздуха, оказалось, что при ректификации воздушных газов ухудшение гидравлических характеристик в насадках с удельной поверхностью свыше примерно 1000 м2/м3 оказывается гораздо меньше, чем этого можно было ожидать на основании имеющего опыта. Этот эффект столь значителен, что при применении таких плотных насадок для ректификации воздуха преимущества, обусловленные уменьшенными затратами на оборудование, однозначно перекрывают недостатки, связанные с гидравликой. Это относится, в частности, к применению насадок такого рода в сравнительно мало нагруженных участках колонны или в колонне с постоянной газовой нагрузкой.
Целесообразно придавать насадке упорядоченную структуру, подобно тому как это имеет место в известных насадках согласно патентам DE-C-2722424 или DE-B-2722556. Однако предпочтительно применять гладкие насадки, структура которых описана в одинаковой по приоритету германской патентной заявке P 4209132.2 или в соответствующей международной патентной заявке PCT/EO .... (внутренний шифр H 92/31-WO), на которую здесь делается ссылка.
В предпочтительном дальнейшем усовершенствовании идеи изобретения массообмен в самом верхнем и/или самом нижнем участке ректификационной колонны осуществляется по меньшей мере частично посредством насадки, имеющей удельную поверхность не менее 1000 м2/м3. Самый верхний участок колонны может, например, представлять собой участок чистого азота колонны для разделения воздуха, через который пропускается только часть азотного продукта, а самый нижний участок может быть кислородным участком, в котором обычно тоже имеет место сравнительно малый расход газа и жидкости. В этих местах особенно плотная насадка может в полной мере проявить свои преимущества в отношении поверхности массообмена.
Особенно заметно это проявляется по отношению к подключению колонны для неочищенного аргона к колонне низкого давления. Обычно при этом имеется в виду колонна низкого давления двухступенчатой колонны, но в принципе возможно также и подключение колонны неочищенного аргона к единичной колонне для разделения азота и кислорода. Согласно изобретению можно как в колонне неочищенного аргона, так и в колонне низкого давления или только в одной из этих колонн, например, в колонне низкого давления, применять насадку с удельной поверхностью по крайней мере 1000 м2/м3.
Особенно благоприятные условия складываются, когда по меньшей мере на одном участке колонны неочищенного аргона массообмен осуществляется насадкой, имеющей удельную поверхность по крайней мере 1000 м2/м3. Во многих случаях большая часть массообмена, в основном также весь общий массообмен в колонне неочищенного аргона, может быть осуществлен посредством такой насадки.
В качестве примера необходимо привести способ чисто ректификационного разделения кислорода и аргона в колонне неочищенного аргона, содержащей насадки и характеризующейся очень высоким числом ступеней разделения (патент EP-A-0 377117). Вследствие этого получают очень большую монтажную высоту колонны неочищенного аргона. Путем применения в соответствии с изобретением насадки с очень большой удельной поверхностью, например 1200 или 1500 м2/м3, можно существенно уменьшить монтажную высоту такой колонны неочищенного аргона и тем самым капиталовложения на оборудование.
Кроме того, предпочтительно использовать изобретение в способе с двойной колонной, при котором дистилляционная система состоит из колонны высокого и колонны низкого давления, причем по меньшей мере часть очищенного и охлажденного воздуха вводится в колонну высокого давления, а обогащенная кислородом и содержащая большое количество азота фракция из этой колонны вводится в колонну низкого давления. Такая двойная колонна может служить, например, исключительно для получения кислорода и/или азота, либо могут подключаться разделительные колонны для получения благородных газов.
В способе с двойной колонной предпочтительно по меньшей мере на одном участке колонны низкого давления осуществлять массообмен посредством насадки, имеющей удельную поверхность по крайней мере 1000 м2/м3. В частности, можно оснастить плотной насадкой широкие участки колонны или даже всю используемую для массообмена зону колонны низкого давления.
Путем соединения с колонной высокого давления, расположенной всегда под колонной низкого давления, уменьшенная в соответствии с изобретением монтажная высота создает особо большое преимущество. Иногда можно даже отказаться от необходимых в других случаях насосов для нагнетания жидких фракций из колонны высокого давления в колонну низкого давления. Это имеет силу, в частности, тогда, когда головная часть колонны низкого давления охлаждается путем косвенного теплообмена с фракцией из нижнего участка колонны высокого давления. При использовании плотной насадки согласно данному изобретению можно также преодолевать разность высот между низом колонны высокого давления и головкой колонны низкого давления только за счет разности давлений.
В случае, если лишь некоторые участки колонны низкого давления оснащены насадкой с высокой удельной поверхностью, целесообразно на том участке колонны низкого давления, который находится под местом подвода из колонны высокого давления обогащенной кислородом фракции, по меньшей мере частично осуществлять массообмен посредством насадки с удельной поверхностью по крайней мере 1000 м2/м3. Этот участок обычно называют кислородным. Так как подача обеих фракций из колонны высокого давления происходит из участка, расположенного выше этого участка, он испытывает сравнительно низкую нагрузку.
Один из предпочтительных способов осуществления заявленного изобретения может состоять в том, что из головной части низкого давления забирают азот, а под головной частью - неочищенный азот, при этом массообмен на участке колонны низкого давления, который находится между местами выведения азота и неочищенного азота, по меньшей мере частично осуществляют посредством упорядоченной насадки, имеющей удельную поверхность более 1000 м2/м3. Возможно осуществление заявленного изобретения с помощью способа, заключающегося в том, что содержащий аргон кислородный поток забирают из колонны низкого давления под местом ввода обогащенной кислородом фракции и разделяют в колонне неочищенного аргона на неочищенный аргон и остаточную фракцию; что газ из головной части колонны неочищенного аргона подвергают косвенному теплообмену с испаряющейся фракцией из колонны высокого давления, причем испаряющуюся при косвенном теплообмене фракцию вводят в колонну низкого давления; и что массообмен на участке колонны низкого давления, находящемся между местом подвода испарившейся фракции и местом выведения содержащего аргон кислородного потока, по меньшей мере частично осуществляют посредством упорядоченной насадки, имеющей удельную поверхность более 1000 м2/м3.
Предпочтительные варианты осуществления заявленного способа, таким образом, относятся и к участку чистого кислорода, расположенному между головной частью колонны низкого давления, из которой забирается чисто кислородная фракция, и местом вывода неочищенного азота под головной частью, а также к промежуточному аргоновому участку. Последний находится между местом вывода кислородного потока, содержащего аргон, подводимого в колонну неочищенного аргона, и местом подачи фракции, испаряющейся в косвенном теплообмене с газом из головной части колонны неочищенного аргона. В одном из этих участков или в каждом из них предпочтительно осуществлять массообмен по меньшей мере частично посредством насадки, имеющей удельную поверхность не менее 1000 м2/м3.
Дополнительно массообмен в колонне высокого давления может по меньшей мере частично осуществлять посредством насадки. При этом может идти речь о насадке с высокой удельной поверхностью, хотя возможно также применение менее плотной насадки. Реже целесообразно применение очень плотной насадки исключительно в колонне высокого давления.
Изобретение относится также к установке для разделения воздуха согласно пунктам 13 - 24 формулы изобретения.
В дальнейшем изобретение, а также другие его подробности объясняются с помощью примеров выполнения, которые схематически изображены на фигурах. Иллюстрируемые фигурами способы имеют каждый по меньшей мере две ректификационные ступени; однако изобретение применимо и к одноступенчатому способу разделения воздуха.
На фиг. 1 изображен способ разделения воздуха согласно изобретению; на фиг. 2 - способ с четырьмя участками в
колонне низкого давления, при котором дополнительно часть воздуха вдувается непосредственно в колонну низкого давления; на фиг.3 - другой вариант способа согласно изобретению с подключенной к колонне
низкого давления колонной неочищенного аргона и с пятью участками в колонне низкого давления; на
фиг. 4 - еще один вариант с колонной неочищенного аргона и непосредственным вдуванием воздуха
с шестью участками в колонне низкого давления.
Соответствующие друг другу этапы способа и отличительные признаки устройства имеют в примерах выполнения одинаковые ссылочные цифры.
В способе, схематично изображенном на фиг.1, очищенный воздух 1 под давлением 4 - 20 бар, предпочтительно 5 - 12 бар, охлаждается в теплообменнике 2 противотоком по отношению к потоку продуктов примерно до точки росы и подается в колонну 3 высокого давления двухступенчатой ректификационной установки. Колонна 3 высокого давления через общий конденсатор-испаритель 4 находится в процессе теплообмена с колонной 5 низкого давления.
Отводимая жидкость 6 и азот 7 выводятся из колонны 3 высокого давления, охлаждаются в противоточном теплообменнике 8 и вводятся в колонну 5 низкого давления. Из этой колонны забираются кислород 9, азот 10 и неочищенный азот 11. Эти продукты могут также по крайней мере частично выводиться в жидком виде. Для наглядности на схеме способа это не показано.
Колонна 5 низкого давления в способе и устройстве по фиг.1 имеет следующие участки:
A - участок чистого азота (выше трубопровода 11 для неочищенного
азота);
B - участок неочищенного азота (ограничен трубопроводом 11 для неочищенного азота и трубопроводом 6 для отводимой жидкости);
E - участок кислорода (ниже отверстия
трубопровода 6 для отводимой жидкости).
В изображенной на фиг.2 форме выполнения способа и устройства согласно изобретению часть разделяемого воздуха пропускается через турбину 12,
совершая там работу, и по трубопроводу 13 вдувается непосредственно в колонну 5 низкого давления, не подвергаясь предварительному разделению в колонне 3 высокого давления. При этом воздух 13,
поступающий в турбину, может, например, подаваться в колонну низкого давления на высоте трубопровода 6 отводимой жидкости; однако целесообразнее подводить его ниже места отвода жидкости, как показано
на фиг.2. В результате в колонне низкого давления получаются всего четыре участка:
A и B - как на фиг.1;
C - участок неочищенного кислорода (ограничен трубопроводом 6 подвода
жидкости и трубопроводом 13 подачи воздуха из турбины);
E - участок кислорода (ниже отверстия трубопровода 13 для вдувания воздуха).
На фиг.3 показана подключенная к системе ректификации воздуха колонна 15 для неочищенного аргона. По трубопроводу 14 перехода аргона из нижней зоны колонны 5 низкого давления (ниже трубопровода 6 отводимой жидкости) забирается содержащий аргон кислородный поток, который направляется в нижнюю зону колонны 15 неочищенного аргона и там разделяется на неочищенный аргон 16 и остаточную фракцию 17. Остаточная фракция отводится обратно в колонну низкого давления. Она может переходить назад по трубопроводу 14 (если имеется достаточный перепад) или же, как показано на фиг.3, нагнетается насосом 18 по собственному трубопроводу 17.
Головная часть колонны неочищенного аргона охлаждается посредством конденсатора 19 неочищенного аргона, на испарительной стороне которого испаряется жидкость, поступившая по линии 20 из низа колонны 3 высокого давления. Испарившаяся фракция подводится по линии 21 в колонну низкого давления. Она может быть, например, подведена на высоте трубопровода 6 отводимой жидкости. Однако особенно предпочтительно осуществлять подвод между отверстием трубопровода 6 отводимой жидкости и местом подключения трубопровода для передачи аргона.
В описанном способе в колонне низкого
давления согласно фиг.3 получаются следующие участки:
C - участок неочищенного кислорода (ограничен трубопроводом 6 отводимой жидкости и линией 21 для ввода испарившейся фракции из
конденсатора 19 неочищенного аргона);
D - промежуточный участок аргона (ограничен линией 21 для ввода испарившейся фракции из конденсатора 19 неочищенного аргона и линией 14 отвода для
содержащей аргон кислородной фракции, подлежащей разделению в колонне неочищенного аргона);
E - участок кислорода (ниже линии 14 ввода для выведения содержащей аргон кислородной фракции,
подлежащей разделению в колонне неочищенного аргона).
На фиг.4 показано сочетание вариантов согласно фиг.2 и 3. Дополнительным признаком по сравнению с фиг.3 является воздух, прошедший через турбину 12 и совершивший там работу, после чего он вдувается непосредственно в колонну 5 низкого давления. Аналогично способу согласно фиг.2, прошедший через турбину воздух можно вводить, например, на высоте трубопровода 6 отводимой жидкости. Предпочтительно, как показано на фиг.4, этот воздух вводится в зоне между трубопроводом 6 отводимой жидкости и местом ввода испарившейся фракции 21 из конденсатора 19 неочищенного аргона. Таким образом, участок неочищенного кислорода разделяется еще на два подучастка C1 и C2.
Согласно изобретению массообмен в некоторых участках колонны 5 низкого давления и/или колонны 15 неочищенного аргона осуществляется по крайней мере частично посредством насадки, имеющей удельную поверхность не менее 1000 м2/м3.
Для осуществления данного изобретения не обязательно применять насадки в каждом участке колонны низкого давления; в одном или нескольких участках массообмен может частично или полностью осуществляться с помощью других элементов массообмена, например посредством обычных ректификационных тарелок колпачкового или ситчатого типа. На участке, в одном или нескольких местах которого размещена насадка, массообмен в других местах может осуществляться посредством других элементов массообмена. Предпочтительно на всех участках колонны 5 низкого давления применять главным образом насадки, чтобы осуществлять массообмен.
Простой формой реализации данного изобретения является способ согласно фиг.1, в которой на участке азота, например, на участке E кислорода и/или на участке чистого азота применяется насадка с удельной поверхностью не менее 1000 м2/м3.
В нижеследующей таблице дан числовой пример, относящийся к колонне низкого давления с пятью участками согласно фиг.3. Обозначение участков в примерах выполнения, показанных на других фигурах, выбрано так, чтобы табличные значения можно было непосредственно перенести и на эти варианты. Для каждого из участков от A до E эта таблица содержит диапазон значений нагрузки (расход поднимающегося газа) по отношению к участку B неочищенного азота, предпочтительный диапазон значений для применяемой в данном участке насадки, а также два особенно предпочтительных значения для конкретных примеров выполнения.
Из таблицы видно, что на участке B, который нагружен больше всего, применяется сравнительно крупная насадка. Менее нагруженные участки, например участок E, предпочтительно оснащены более мелкими насадками. На промежуточном участке D аргона предпочтительно насадка имеет очень большую удельную поверхность. При этом значение 1500 м2/м3 не является верхней границей, в принципе возможно также использование больших удельных поверхностей.
Насадки, применяемые на различных участках, могут иметь одинаковую или различную структуру. Однако предпочтение следует отдавать на одном, нескольких или всех участках упорядоченным насадкам, которые описаны в германской патентной заявке P 4209132.2 или в соответствующей международной патентной заявке PCT/EP. ... того же временного ранга. Различные удельные поверхности создаются применением различных амплитуд при складывании дамелей, из которых изготавливается насадка.
Путем применения насадок согласно данному изобретению с очень большой удельной поверхностью монтажная высота колонны 5 низкого давления в примере выполнения получается значительно меньшей, чем, например, только при применении насадок с удельной поверхностью менее 1000 м2/м3.
В примерах выполнения, иллюстрируемых на фиг.1 - 4 или 3 и 4, в колонне 3 высокого давления и/или прежде всего в колонне 15 неочищенного аргона массообмен в одной или нескольких зонах или во всей колонне может осуществляться посредством насадок. Они также предпочтительно имеют структуру, описанную в германской патентной заявке P 4209132.2.
В колонне неочищенного аргона также можно применять насадки с разной удельной поверхностью, но предпочтительна насадка с постоянной удельной поверхностью. Наиболее предпочтительные значения удельной поверхности для этой насадки находится в диапазоне 1000 - 1500 м2/м3, предпочтительно 1100 - 1250 м2/м3. Предпочтительно осуществлять весь массообмен в колонне 15 неочищенного аргона посредством такой плотной насадки.
Если в колонне низкого давления или в колонне высокого давления уже применена насадка с удельной поверхностью не менее 1000 м2/м3, плотности насадок в колонне неочищенного аргона могут находиться также ниже этих пределов, предпочтительно в диапазоне 700 - 900 м2/м3, в частности около 750 м2/м3.
Кроме того, особенно целесообразно применение очень плотной насадки согласно данному изобретению в тех установках и способах разделения воздуха, в которых ректификационная колонна встроена в вакуумную камеру, например, в жидкостный бак (подробности такого способа и устройства содержатся в патенте DE-A-4135302). За счет оснащения насадкой с удельной поверхностью не менее 1000 м2/м3 одной или нескольких зон или всей зоны колонны, в которой происходит массообмен, можно уменьшить монтажную высоту колонны. Тем самым сокращаются расходы не только на изготовление колонны, но и на изготовление окружающей ее вакуумной камеры.
Вместе с тем предпочтительно применение изобретения также в отношении тех способов и устройств, при которых получаемый в жидком виде кислород испаряется с помощью конденсирующей фракции (например, воздуха высокого давления). В таких способах кислородный продукт в жидком виде многократно подвергается давлению (так называемая внутренняя конденсация), например, путем использования гидростатического потенциала или насоса. При подводе конденсированного воздуха, воздействующего на испаряющийся кислород, в некотором среднем участке колонны высокого давления может оказаться целесообразным применение в этой колонне выше и ниже места подвода насадок различной плотности.
Реферат
Способ низкотемпературного разделения воздуха и устройство для разделения воздуха предназначены для разделения воздуха. В данном способе низкотемпературного разделения воздуха очищенный и охлажденный воздух направляется в дистилляционную систему, содержащую по меньшей мере одну ректификационную колонну, и там ректифицируется путем противоточного массообмена между паровой и жидкостной фазами. Массообмен по меньшей мере в одной зоне по меньшей мере одной ректификационной колонны (3,5,15) осуществляется посредством насадки, имеющей удельную поверхность по крайней мере 1000 м2/м3. 2 с. и 22 з.п.ф-лы, 1 табл., 4 ил.
