СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА Российский патент 1997 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к области разделения газовых смесей методом низкотемпературной ректификации.

Известен способ получения холода, осуществленный в установке БР-1Ж (КтКж-12) ЦИНТИХимнефтемаш "Криогенное кислородное и автогенное машиностроение", N 3, 1970, предназначенной для получения жидкого кислорода наряду с основным продуктом технологическим кислородом, по которому происходит предварительное разделение воздуха на азотную и кислородную фракции.

Часть потока азота после окончательного разделения воздуха смешивается с рециркулирующим потоком азота и сжимается до 30 атм. Необходимая холодопроизводительность обеспечивается за счет работы турбодетандеров на потоке воздуха основного цикла и на потоке части азота, сжатого до 30 атм. перед входом в основной теплообменник дополнительного цикла. Недостаток данного способа разделения газовых смесей с получением части жидких продуктов состоит в том, что схема циркуляционного азотного цикла является нерациональной, а его работа неэффективной ввиду больших потерь от необратимости процессов в теплообменниках.

Из известных способов разделения воздуха наиболее близким по технической сущности является способ получения холода, реализованный по авт. св. N 1636667, кл. F 25 J 3/00, опубл. 1991, бюл. N 11, в котором проводят охлаждение воздуха газообразными продуктами разделения, низкотемпературную ректификацию с получением азотной и кислородной фракций, создание рециркуляционного потока, часть которого после сжатия отводят в дополнительный турбодетандер, расширяют до давления азотной фракции после ректификации и смешивают с первой частью рециркуляционного потока перед расширением во второй ступени турбодетандера на более высоком температурном уровне, чем в первой ступени, а часть газообразной азотной фракции после ректификации смешивают с рециркуляционным потоком после первой ступени турбодетандера.

Ожиженный чистый азот частично выводится из установки как продукт. Жидкий кислород выводится из нижней части колонны низкого давления через адсорбер и в качестве продукта подается потребителю.

Потребность в холоде для получения жидких продуктов покрывает холодильный цикл, состоящий из компрессора, турбодетандеров и теплообменников. Хладагентом служит загрязненный азот, который расширяется с отдачей внешней работы.

Недостаток способа, описанного в прототипе, заключается в том, что холодопроизводительность турбодетандеров является недостаточной для получения кислорода полностью в жидком виде.

Кроме того, переход с реверсивных на нереверсивные теплообменники основного цикла требует введение в основной цикл при 280^oK холода от постороннего источника для охлаждения воды, поступающей в адсорбер.

Задача изобретения устранение перечисленных недостатков, а именно, снижение расхода энергии при максимальном получении жидких продуктов разделения.

Это достигается тем, что от первого потока, после частичного теплообмена со второй частью рециркуляционного потока отбирают часть газа, а второй поток смешивают с азотной фракцией после ректификации, направляют на теплообмен с воздухом, предварительно охлажденным водой и смешивают с ранее отобранной частью газа, направляют на охлаждение воды, после подогрева потоков образуют рециркуляционный поток из компенсационного и первого потока и направляют на сжатие, а первую часть рециркуляционного потока после расширения в первой ступени турбодетандера охлаждают с помощью стороннего охладителя. В схеме установки предусмотрена регулировочная линия, позволяющая отводить часть газа от второй части рециркуляционного потока после сжатия и предварительного охлаждения для смешения с первой частью перед расширением в первой ступени турбодетандера, что дает возможность регулировать холодопроизводительность и создавать условия для нормального температурного режима охлаждения воздуха в скруббере водой, охлаждаемой, в свою очередь, потоками азота из основного и циркуляционного цикла.

Одной из важных особенностей схемы является возможность для создания таких определенных условий работы, когда жидкую азотную фракцию подают из циркуляционного цикла в качестве флегмы в колонну среднего давления, а выходящий из верхней части колонны чистый газообразный азот направляется в конденсатор на испарение жидкого кислорода и одна часть ожиженного чистого азота выводится из установки как продукт, а другая часть поступает на ректификацию в колонну низкого давления с образованием компенсационного потока.

Такое построение схемы, когда ректификационные колонны можно устанавливать на одной отметке, позволяет существенно уменьшить высоту блока разделения установки и понизить как удельные, так и капитальные затраты.

Проводимый анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичности всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".

На чертеже приведена схема установки, реализующая предлагаемый способ.

Установка для реализации предлагаемого способа состоит из турбокомпрессора для сжатия воздуха 1, теплообменника для охлаждения воды 2, основного теплообменника 3, адсорбера 4, ректификационной 5 колонны среднего давления, ректификационной колонны 6 низкого давления, конденсатора 7, переохладителя 8, переохладителя 9, теплообменника 10, колонны 11 сырого аргона, конденсатора 12 колонны сырого аргона, турбокомпрессора для сжатия азота 13, 1-ой ступени турбодетандера 14, 2-ой ступени турбодетандера 15, теплообменника 16, теплообменника 17, теплообменника 18, теплообменника 19, теплообменника 20, отделителя жидкости 21, емкости 22 для слива жидкого кислорода, емкости 23 для слива жидкого азота, скруббер 24.

Конкретный пример выполнения способа. Сжатый в компрессоре 1 воздух охлаждается в воздушном скруббере 24 водой. Вода охлаждается в теплообменнике 2 азотом, поступающим из основного и циркуляционного цикла. Из скруббера поток воздуха направляется в адсорбер 4, где он очищается от примесей (паров воды, двуокиси углерода и углеводородов), после чего его подают на охлаждение в основной теплообменник блока разделения 3, а затем в ректификационную колонну среднего давления 5. В колонне воздух разделяют методом низкотемпературной ректификации на азотную и кислородную фракции. Часть азотной фракции направляют в дополнительный циркуляционный цикл. Обратный поток азота основного цикла после окончательного разделения в колонне низкого давления подогревается в переохладителях азотной флегмы 8 и кубовой жидкости 9, смешивается с циркуляционным потоком и после подогрева в основном теплообменнике 3 и присоединения части обратного потока азота, после расширения во второй ступени турбодетандера 15, на входе в теплообменник 16, охлаждает воду, поступающую в воздушный скруббер. Часть обратного потока азота из циркуляционного цикла (перед входом обратного потока в теплообменник 16) используют для дополнительного охлаждения воды, а после смешения с компенсационной частью потока азота основного цикла, возвращается обратно в циркуляционный цикл и поступает после смешения с обратным потоком азота в турбокомпрессор 13. После сжатия первая часть потока охлаждается в теплообменниках 16, 17 и частично ожижается в теплообменнике 18 потоками азота после расширения во второй ступени турбодетандера, а также из колонны среднего давления 5 (нижней ректификационной колонны) и из отделителя жидкости 21 после дросселирования первой части потока. Другая часть потока после расширения в дополнительном турбодетандере 14 дополнительно охлаждается сторонним охладителем и после смешения с потоками азота, выходящими из отделителя жидкости 21 и из колонны среднего давления 5, поступает во вторую ступень турбодетандера 15 и после расширения направляется на охлаждение и ожижение первой части потока за исключением циркуляционного потока, поступающего в основной цикл.

Жидкий азот после дросселирования первой части потока из отделителя жидкости 21 проходит переохладитель 8, после чего в качестве орошающей флегмы поступает в верхнюю ректификационную колонну низкого давления 6. Чистый жидкий азот поступает из "карманов" верхней части колонны среднего давления 5 в переохладитель 8, сливаясь в емкость 23, а затем направляется потребителю. Жидкий кислород из основного конденсатора 7 проходит переохладитель 10 и адсорбер, после чего сливается в емкость 22, а затем направляется потребителю.

Значительное повышение холодопроизводительности турбодетандера, а также ввод на циркуляцию газообразного потока из нижней колонны позволяет максимально повысить термодинамическую эффективность работы теплообменников и дает возможность вести процесс разделения в установке с минимальными энергозатратами и максимальным выходом жидких продуктов разделения кислорода и азота при различном их количественном соотношении.

В предлагаемом способе, с целью снижения энергозатрат на получение жидких продуктов разделения и уменьшения капитальных затрат, охлаждение воды, подаваемой в скруббер, осуществляют в теплообменнике потоками азота основного и циркуляционного циклов и после их подогрева до положительных температур образуют циркуляционный поток, направляемый на сжатие.

Важной особенностью предлагаемого способа является возможность установки ректификационных колонн среднего и низкого давления на одном уровне, когда жидкий азот подают из циркуляционного цикла в качестве флегмы на ректификацию в колонну среднего давления, а чистый газообразный азот отбирается из верхней части колонны и направляется в конденсатор на испарение жидкого кислорода, а часть ожиженного азота поступает на ректификацию в колонну низкого давления.

Таким образом, как энергозатраты так и капитальные затраты существенно понижаются и создаются условия для создания универсальной схемы установки разделения воздуха и возможности ее применения в различном диапазоне производительностей для получения жидких продуктов кислорода и азота при изменении их количественного соотношения.

Сравнение существенных признаков предлагаемого и известных технических решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Использование: в установках разделения воздуха низкого давления с циркуляционными циклами для удовлетворения нужд промышленности в жидких продуктах разделения воздуха - кислорода, азота и аргона, которые необходимы в различном количественном соотношении. Сущность изобретения: в предлагаемом способе охлаждение воды, подаваемой в скруббер, осуществляют в теплообменнике потоками азота основного и циркуляционного циклов и после их подогрева до положительных температур образуют циркуляционный поток, направляемый на сжатие. Важной особенностью предлагаемого способа является возможность установки ректификационных колонн среднего и низкого давления на одном уровне, когда жидкий азот подают из циркуляционного цикла в качестве флегмы на ректификацию в колонну среднего давления; чистый газообразный азот отбирается из верхней части колонны и направляется в конденсатор на испарение жидкого кислорода, а часть ожиженного чистого азота поступает на ректификацию в колонну низкого давления. Таким образом, как энергозатраты так и капитальные затраты существенно понижаются и создаются условия для создания универсальной схемы установки разделения воздуха и возможности ее применения в различном диапазоне производительностей для получения жидких продуктов - кислорода, азота и аргона, при изменении их количественного соотношения. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения холода путем разделения воздуха, включающий его низкотемпературную ректификацию с получением азотной и кислородной фракций, образование рециркуляционного потока, сжатие последнего, разделение его на две части, расширение первой части в первой ступени турбодетандера, дросселирование второй части с получением жидкой и газообразной фракций, подачи жидкой фракции на ректификацию с образованием компенсационного потока, смешение газообразной фракции с азотной фракцией и подачу этой смеси на теплообмен с второй частью рециркуляционного потока, смешение с первой частью рециркуляционного потока после первой ступени расширения и расширение во второй ступени турбодетандера, разделение на два потока, подачу первого потока на теплообмен со второй частью рециркуляционного потока, отличающийся тем, что от первого потока после частичного теплообмена с второй частью рециркуляционного потока отбирают часть газа, а второй поток смешивают с азотной фракцией после ректификации, направляют на теплообмен с воздухом, предварительно охлажденным водой, и смешивают с ранее отобранной частью газа, направляют на охлаждение воды, после подогрева потоков образуют рециркуляционный поток из компенсационного и первого потока и направляют на сжатие, а первую часть рециркуляционного потока после расширения в первой ступени турбодетандера охлаждают с помощью стороннего хладоносителя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что от второй части рециркуляционного потока после сжатия и частичного теплообмена отделяют долю потока и возвращают на смешение с первой частью рециркуляционного потока перед расширением в первой ступени турбодетандера. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что жидкую фракцию подают на ректификацию с образованием газообразного азота для испарения жидкой кислородной фракции и получения жидкой азотной фракции, которую направляют на ректификацию с образованием компенсационного потока.