СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 1996 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к технике получения продуктов разделения методом низкотемпературной ректификации и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности.

Известен способ разделения воздуха, реализованный в устройстве [1] включающий сжатие воздуха, очистку его, охлаждение, ректификацию в колоннах предварительного и окончательного разделения, расширение газообразного азота из колонны предварительного разделения в детандере.

Недостатком аналога является недостаточное количество продуктов, отбираемых в жидком виде.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ разделения воздуха, реализованный в устройстве [1] включающий сжатие воздуха, его очистку, разделение на два потока, первый из которых направляют на охлаждение, а второй на дожатие, охлаждение дожатого потока воздуха и расширение его в детендере, ректификацию воздуха в колоннах предварительного и окончательного разделения, расширение газообразного азота из колонны предварительного разделения в детандере, получение части продуктов разделения в жидком виде.

Недостатком данного способа является низкая эффективность, обусловленная тем, что работа двух турбодетандеров на низком температурном уровне приводит к низкой холодопроизводительности, а следовательно, к увеличению удельных энергозатрат.

Кроме того, в этом способе энергия расширения азота в детандере передается на компрессор, сжимающий этот же поток азота, что обуславливает необходимость подогрева до температуры окружающей среды азота и его повторного охлаждения и приводит к увеличению потерь от недорекуперации и гидравлического сопротивления.

Цель изобретения увеличение извлечения жидких продуктов, снижение удельных энергозатрат и капитальных затрат может быть осуществлено за счет последовательного сжатия второго потока воздуха, деления его на части после охлаждения, дополнительного охлаждения одной из его частей.

Для этого в способе разделения воздуха с получением части продукта в жидком виде путем его сжатия, очистки и разделения на два потока, первый из которых охлаждают продуктами разделения и направляют на ректификацию в колонны предварительного и окончательного разделения, второй поток перед подачей на ректификацию дожимают, охлаждают и расширяют со снятием энергии расширения, а полученный после ректификации азот из колонны предварительного разделения расширяют со снятием энергии расширения, дожатие второго потока воздуха осуществляют в двух ступенях, причем в первой ступени за счет энергии расширения этого потока, а от второго потока воздуха после охлаждения отбирают часть, дополнительно охлаждают ее до температуры на 1-5^оС выше температуры начала ожижения, затем ожижают азотом из колонны предварительного разделения и направляют на ректификацию в середину этой колонны, причем от первого потока воздуха после охлаждения отбирают часть, дополнительно охлаждают ее, дросселируют и направляют на ректификацию в середину колонны предварительного разделения, азот перед подачей на расширение нагревают вторым потоком воздуха после расширения, от азота перед нагревом его вторым потоком воздуха отбирают часть и эту часть нагревают первым потоком воздуха и частью второго потока воздуха, отобранной после охлаждения, и направляют на расширение, второй поток воздуха перед подачей на ректификацию дополнительно охлаждают азотом после чего расширения, азот расширяют до давления 0,15-0,3 МПа и при этом давлении выдают потребителю.

Сущность изобретения заключается в том, что дожатие второго потока воздуха осуществляют последовательно в двух ступенях за счет энергии расширения азота, после охлаждения делят на части и одну часть дополнительно охлаждают. Холодопроизводительность турбодетандеров в заявляемом изобретении выше, чем у прототипа (повышение удельной холодопроизводительности на м³ перерабатываемого воздуха) при сохранении неизменных соотношений в узле ректификации. Повышение холодопроизводительности приводит к повышению доли жидких продуктов, к сохранению суммарного извлечения газообразных и жидких продуктов и, следовательно, к уменьшению энергозатрат и приведенных затрат.

Сравнение предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применяемости.

На чертеже схематично изображено устройство, с помощью которого реализован заявляемый способ.

Устройство содержит компрессор 1, трубопроводами 2,3 соединенный с теплой секцией основного теплообменника 4 и холодной секцией теплообменника 5. Холодная секция теплообменника 5 посредством трубопроводов соединена с теплообменником 6, который, в свою очередь, посредством трубопроводов соединен с колонной 7 предварительного разделения.

Компрессор 1 трубопроводами 2,8 соединен с компрессорами 9, 10 и трубопроводом 11 с теплой секцией основного теплообменника 4. Теплая секция основного теплообменника 4 трубопроводом 12 соединена с детандером 13, который трубопроводом 14 соединен с колонной 15 окончательного разделения. Теплая секция основного теплообменника 4 трубопроводом 16 соединена с холодной секцией основного теплообменника 5 и ожижителем 17 воздуха.

Колонна 7 предварительного разделения трубопроводом 18 соединена с детандером 19. Теплообменник 6 посредством трубопровода 20 соединен с колонной 7 предварительного разделения. Турбодетандер 19 трубопроводом 21 соединен с дополнительным теплообменником 22. Детандер 13 трубопроводом 14 соединен с дополнительным теплообменником 23. Теплообменник 24 трубопроводом 25 соединен с колонной 7 предварительного разделения.

Устройство работает следующим образом.

Воздух после компрессора 1 охлаждают, очищают и с температурой 280 К и давлением 0,66 МПа направляют в трубопровод 2 и делят на два потока: первый и второй потоки. Первый поток воздуха по трубопроводу 3 направляют на охлаждение за счет подогрева продуктов разделения в теплую секцию основного теплообменника 4 и холодную секцию основного теплообменника 5, затем дополнительно охлаждают в теплообменнике 6 и по трубопроводу 20 направляют в колонну 7 предварительного разделения.

Второй поток воздуха по трубопроводу 8 направляют в компрессор 9 на дожатие, а затем направляют в компрессор 10, где его еще раз дожимают до давления 1,3 МПа и по трубопроводу 11 подают на охлаждение в теплую секцию теплообменника 4. После теплообменника 4 второй поток воздуха делят на две части. Одну часть по трубопроводу 12 направляют на расширение в турбодетандер 13 и далее по трубопроводу 14 направляют в колонну 15 окончательного разделения. Вторую часть второго потока воздуха по трубопроводу 16 направляют на дополнительное охлаждение в холодильную секцию теплообменника 5, после чего эту часть дополнительно охлаждают и ожижают в ожижителе 17 воздуха и дросселируют в середину колонны 7 предварительного разделения.

Азот из колонны 7 предварительного разделения по трубопроводу 18 направляют в ожижитель 17 воздуха, дополнительный теплообменник 23 и подают на расширение в детандер 19, после детандера 19 расширенный азот по трубопроводу 21 направляют в дополнительный теплообменник 22, затем в теплообменник 6, далее в холодильную секцию основного теплообменника 5, в теплую секцию основного теплообменника 4 и выдают потребителю.

П р и м е р. Воздух после компрессора 1 делят на два потока: первый и второй.

Второй поток воздуха с температурой 280 К и давлением 0,66 МПа направляют по трубопроводу 8 в компрессор 9, где его дожимают за счет энергии расширения азота в детандере 19 до давления 0,86 МПа, при этом давлении его подают в компрессор 10, где его дожимают за счет энергии расширения воздуха в детандере 13 до давления 1,3 МПа и по трубопроводу 11 направляют в теплую секцию основного теплообменника 4. После теплообменника 4 второй поток воздуха делят на части, одну часть по трубопроводу 12 с температурой 150-200 К направляют в турбодетандер 13 на расширение, после чего по трубопроводу 14 подают в колонну 15 окончательного разделения 15.

Другую часть второго потока воздуха по трубопроводу 16 направляют в холодильную секцию основного теплообменника 5, где охлаждают до температуры 112 К и направляют в ожижитель 17 воздуха, где эту часть дополнительно охлаждают и ожижают за счет подогрева азота, подаваемого на расширение в турбодетандер 19, ожиженный поток воздуха дросселируют в середину колонны 7 предварительного разделения. Первый поток воздуха охлаждают в теплой секции основного теплообменника 4, холодной секции основного теплообменника 5, далее дополнительно охлаждают в теплообменнике 6 и затем или весь поток по трубопроводу 20 направляют в колонну 7 предварительного разделения или, в случае необходимости устранения конденсации воздуха в теплообменнике 6, этот поток после теплообменника 6 делят на части, часть по трубопроводу 20 направляют в колонну 7, а часть дополнительно охлаждают и ожижают в теплообменнике 24 до температуры 98 К и по трубопроводу 25 дросселируют в середину колонны 7.

Азот, подаваемый из колонны 7 предварительного разделения по трубопроводу 18 на расширение, после подогрева в ожижителе 17 воздуха подогревают в дополнительном теплообменнике 23 за счет охлаждения расширенного в детандере 13 воздуха и с температурой 108-113 К направляют на расширение в детандер 19. Для регулирования вышеуказанной температуры после ожижителя 17 можно подогревать часть азота в холодной секции теплообменника 5 за счет охлаждения первого потока воздуха и одной части второго потока воздуха, после чего эту часть азота подмешивают к части азота, подогретой в дополнительном теплообменнике 23.

Расширенный в детандере 13 воздух после охлаждения в дополнительном теплообменнике 23 дополнительно охлаждают в дополнительном теплообменнике 22 и направляют в колонну 15 окончательного разделения.

Расширенный в детандере 19 азот до давления 0,15-0,3 МПа по трубопроводу 21 выдают потребителю.

Если температура азота, подаваемого в турбодетандер 19, будет меньше 108 К, то возможно образование жидкого азота в проточной части турбодетандера, что нежелательно, так как при этом понижается эффективность машины и требуется принятие мер для отделения жидкости.

Если температура азота, подаваемого в турбодетандер 19, будет больше 113 К, то это приведет к понижению температуры перед турбодетандером 13, в результате чего суммарная эффективность понизится.

При расширении азота в турбодетандере 19 до давления меньше 0,15 МПа исключается возможность транспортирования продукционного азота без дополнительной компрессии, а при расширении азота более 0,3 МПа существенно снижается холодопроизводительность турбодетандера.

Реализация заявляемого технического решения позволит уменьшить удельные затраты энергии на 8
Кроме экономического эффекта за счет снижения расхода энергии, будет получен также дополнительный эффект за счет снижения капитальных затрат. Капитальные затраты будут уменьшены за счет увеличения степени извлечения жидких продуктов на 25% а также за счет исключения специального компрессора для сжатия продукционного азота.

Использование: криогенная техника, в частности получение продуктов разделения методом низкотемпературной ректификации. Сущность изобретения: воздух сжимают, очищают и разделяют на два потока, один из которых после холодной секции основного теплообменника дополнительно охлаждают в другом теплообменнике, а другой поток воздуха последовательно дожимают в двух ступенях компрессора, охлаждают и делят на две части. Одну из частей дополнительно охлаждают, ожижают и направляют на ректификацию. 5 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА с получением части продукта в жидком виде путем его сжатия, очистки и разделения на два потока, первый из которых охлаждают продуктами разделения и направляют на ректификацию в колонны предварительного и окончательного разделения, второй поток перед подачей на ректификацию дожимают, охлаждают и расширяют со снятием энергии расширения, а полученный после ректификации азот из колонны предварительного разделения расширяют со снятием энергии расширения, отличающийся тем, что дожатие второго потока воздуха осуществляют в двух ступенях, причем в первой ступени за счет энергии расширения этого потока, а от второго потока воздуха после охлаждения отбирают часть, дополнительно охлаждают ее до температуры на 1 - 5^oС выше температуры начала ожижения, затем ожижают азотом из колонны предварительного разделения и направляют на ректификацию в середину этой колонны. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что от первого потока воздуха после охлаждения отбирают часть, дополнительно охлаждают ее, дросселируют и направляют на ректификацию в середину колонны предварительного разделения. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что азот перед подачей на расширение нагревают вторым потоком воздуха после расширения. 4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что от азота перед нагревом его вторым потоком воздуха отбирают часть и эту часть нагревают первым потоком воздуха и частью второго потока воздуха, отобранной после охлаждения, и направляют на расширение. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток воздуха перед подачей на ректификацию дополнительно охлаждают азотом после его расширения. 6. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что азот расширяют до давления 0,15 - 0,3 МПа и при этом давлении выдают потребителю.