СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО АЗОТА Российский патент 1997 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к неорганической химии и может применяться в установках, предназначенных для получения жидкого азота сравнительно небольшой производительности (примерно до 2 т/ч).

Известен способ получения жидкого азота, включающий разделение воздуха и кубовую жидкость [1]
Недостатками указанного способа являются высокое давление однозначно предполагающее использование поршневых компрессоров, сложных теплообменников и холодильное оборудование на уровне 225 255 К.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения жидкого азота, включающий разделение воздуха на детандируемую и разделяемую, в свою очередь, на азот и кубовую жидкость, испарение кубовой жидкости и охлаждение воздуха потоком детандированного воздуха и потоком паров кубовой жидкости [2]
Недостатком указанного способа являются пониженное извлечение жидкого азота и повышенный удельный расход энергии.

Решаемая задача повышение экономичности способа путем увеличения выхода жидкого продукта и снижения удельных энергозатрат.

Это достигается тем, что согласно предлагаемому способу получения жидкого азота, включающему охлаждение воздуха, разделение его в процессе охлаждения на две части, первую часть детандируют и возвращают на охлаждение воздуха, а вторую направляют на ректификацию с получением азота и кубовой жидкости, кубовую жидкость испаряют, пары направляют на охлаждение воздуха, в процессе охлаждения воздуха пары кубовой жидкости детандируют и после детандирования возвращают на охлаждение воздуха, при этом детандирование паров кубовой жидкости ведут с начальной температурой более высокой, чем температура начала детандирования первой части воздуха.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых операций, а именно: в процессе охлаждения воздуха пары кубовой жидкости детандируют и возвращают на охлаждение, что означает увеличение холодопроизводительности на единицу сжимаемого в компрессоре воздуха;
пары кубовой жидкости детандируют с начальной температурой более высокой, чем температура начала детандирования первой части, т. к. с повышением начальной температуры детандирования растет теплоперепад на единицу потока в детандере. Наличие отличительных признаков приводит к увеличению выхода жидкого азота на единицу потока сжимаемого в компрессоре и соответственно уменьшению удельных энергозатрат.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичным всем признакам заявленного изобретения, следовательно соответствует критерию "новизна", сравнение существенных признаков предложенного способа и известных решений дает основание считать, что предложено техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

На чертеже изображена схема установки, позволяющая реализовать предложенный способ.

Установка состоит из компрессора I с выходящим из него потоком 2, тормозных газодувок 3 и 4 выходящими потоками 5 и 6, блока комплексной очистки 7, соединенного потоком 8 через теплообменники 9, 10, 11 с теплообменниками 12, поток 13 соединяет теплообменник 12 с колонной 14. Теплообменник 11 потоком 15 соединен с турбодетандером 16. Турбодетандер 16 потоком 17 соединен с отделителем жидкости 18. Нижняя часть колонны 14 потоком кубовой жидкости 19 соединена с конденсатором 20, теплообменниками 12, 11 и 10 и турбодетандером 21. Турбодетандер 21 потоком 22 соединен с теплообменниками 10 и 9. Колонна 14 потоком 23 соединена с отделителем жидкости 18. Отделитель жидкости 18 потоками 24 и 25 соединен с переохладителем азота 26. Поток 27 соединяет отделитель жидкости 18 и переохладитель азота 26 с теплообменниками 12, 11, 10, 9. Поток 28 отбор (дренаж) для обеспечения проточности из конденсатора 20.

Способ получения жидкого азота осуществляется следующим образом:
Воздух поток 2 сжимают в компрессоре 1 до давления 0,7 1 МПа, разделяют на два потока и сжимают в газодувках 3 и 4 до давления 0,9 1,3 МПа потоки 5 и 6 очищают от влаги, углекислоты и других растворимых в воздухе примесей в блоке комплексной очистки (БКО) 7. Воздух поток 8 охлаждают в теплообменниках 9, 10, 11 и разделяют на два потока.

Первую часть воздуха поток 15 расширяют в турбодетандере 16. Поток 17 парожидкостная смесь, жидкость отделяют и испаряют за счет охлаждения потока азота потока 23 в отделитель-испарителе 18.

Вторую часть воздуха поток 13 направляют в колонну 14, где разделяют на кубовую жидкость поток 19 и жидкий азот-поток 23.

Поток 19 испаряют в конденсаторе 20, нагревают последовательно в теплообменниках 12, 11, 10, расширяют в детандере 21 поток 22 и подогревают в теплообменниках 10 и 9. Небольшой поток 28 отводится из конденсатора 20 для обеспечения проточности.

Жидкий азот поток 23 охлаждают в отделителе-испарителе 18 и разделяют на два потока. Большая часть поток 24 охлаждают за счет испарения меньшей части потока 25 в переохладителе 26 и выводят из установки в качестве продукта. Поток 25 присоединяют к потоку 17 и поток 27 подогревают в теплообменниках 12, 11, 10, 9.

Пример конкретного выполнения способа. Воздух-поток 2 сжимают в компрессоре 1 до давления 0,84 МПа, разделяют на два потока и сжимают в газодувке 3 0,612 м³/м³ п. в. в газодувке 4 0,373 м³/м³ п. в. до давления 1,16 МПа. Поток 8 0,985 м³/м³ п. в. воздуха (здесь и далее считаем, что утечка в машинах расширения 16, 21 и дожатия 3, 4 составляют 1,5 от потока на входе) очищают от влаги, углекислоты и других растворимых в воздухе примесей в БКО 7. Воздух-поток 8 охлаждают с 295 К в теплообмениках 9, 10, 11 соответственно до 251,1 К, 176,7 К, 133 К и разделяют на два потока.

Первую часть воздуха 0 622 м³/м³ п. в. расширяют в турбодетандере 16 с 1,1 МПа до давления 0,12 МПа. Поток 17 парожидкостная смесь 0,613 м³/м³ п. в. содержащая 2,58 жидкости. Жидкость отделяют и испаряют в отделителе-испарителе 18.

Вторую часть воздуха 0,363 м³/м³ п. в. поток 13 - направляют в колонну 14, где разделяют на кубовую жидкость 0,2617 м³/м³ п. в. поток 16 содержащую 28,7 О₂ и жидкий азот поток 23. Поток 19 при температуре 102,8 К и давлении 0,596 МПа испаряют в конденсаторе 20, нагревают последовательно в теплообменниках 12, 11, 10 соответственно до 119,2 К, 172,7 К, 240 К, расширяют в турбодетандере 21 с 240 К, 0,565 МПа до 0,125 МПа, 172,7 К. Поток 22 0,257 м³/м³ п. в. подогревают в теплообмениках 10 и 9 соответственно до 240 К и 290,5 К. Для обеспечения проточности из конденсатора 20 отводится небольшой поток 0,001 м³/м³ п. в. поток 28.

Жидкий азот поток 23 0,1016 м³/м³ п.в. с концентрацией 1 О₂ и температурой 105,3 K, охлаждают в отделителе-испарителе 18 до 90,5 К и разделяют на два потока. Большую часть поток 24 0,0923 м³/м³ п. в. охлаждают до 82 К за счет испарения меньшей части - потока 25 0,0093 м³/м³ п. в. в переохладителе 26 и выводят из установки в качестве продукта. Поток 25 присоединяют к потоку 17, поток 27 0,622 м³/м³ п. в. подогревают последовательно в теплообмениках 12, 11, 10 и 9 соответственно до 119,2 К, 172,7 К, 240 К и 290,5 К.

В конкретном примере удельный теплоперепад на потоке кубовой жидкости при расширении с 240 К и 0,565 МПа до 0,125 МПа 1924 Дж/моль, а при детандировании воздуха с 1,0 МПа до 0,12 МПа, но с начальной температурой 133 К, теплоперепад на потоке воздуха 1324 Дж/моль, Т. е. даже при меньшей степени расширения, но благодаря более высокой начальной температуре, теплоперепад на потоке кубовой жидкости в 1,45 раза (1924/1324) больше, чем на потоке воздуха.

В описанном примере холодопроизводительность в детандере 21 составляет - 37 от общей холодопроизводительности детандеров.

Давление за детандером 21 принято больше, чем за детандером 16, т. к. большая часть потока 22 после теплообменника 9 используется для регенерации БКО 7.

При температуре изотермического сжатия 300 К, КПД изотермического сжатия 0,65, КПД адиабатического расширения в детандерах 16 и 21 соответственно 0,8 и 0,79, утечках в машинах расширения и дожатия 1,5 на колесо и температуре жидкого азота 82 К удельные затраты энергии в компрессоре 0,9 кВт ч/кг. Если утечки в машинах дожатия и расширения будут сведены к нулю (по последним данным утечки могут быть приближены к нулю ), удельный расход энергии в компрессоре будут 0,85 кВт-ч/кг.

Использование: в неорганической химии. Сущность изобретения: способ получения жидкого азота может применяться в установках, предназначенных для получения жидкого азота сравнительно небольшой производительности /примерно до 2 т/ч/ при давлении разделяемого воздуха после компрессора - 0,7 - 1 МПа. Изобретение позволяет при изотермическом КПД компрессора 0,65 и адиабатическом КПД детандера 0,8 уменьшить расход энергии на 1 кГ жидкого азота до 0,85 квт-ч/кг. Для этого пары кубовой жидкости подогревают до температуры более высокой, чем температура начала детандирования воздуха, детандируют и направляют на охлаждение воздуха. 1 ил.

Способ получения жидкого азота методом низкотемпературной ректификации, включающий охлаждение воздуха, разделение его в процессе охлаждения на две части, первую из которых детандируют и возвращают на охлаждение воздуха, а вторую направляют на ректификацию с получением азота и кубовой жидкости, которую испаряют, а пары направляют на охлаждение воздуха, отличающийся тем, что в процессе охлаждения воздуха пары кубовой жидкости детандируют и возвращают на охлаждение воздуха, при этом детандирование паров кубовой жидкости ведут с начальной температурой, более высокой, чем температура начала детандирования первой части воздуха.