СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА НА ГАЗООБРАЗНЫЕ КИСЛОРОД И АЗОТ Российский патент 2000 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к областям металлургической, химической, нефтяной промышленности и касается способов получения газообразных кислорода и азота из воздуха.

Известны способы получения газообразных кислорода и азота, включающие компремирование воздуха, его охлаждение, конденсацию и разделение получаемых фракций на газообразные кислород и азот с помощью ректификации [1].

В этих способах движущие силы ректификации в колоннах создают за счет конденсации азота с давлением 5,5 - 6,5 ата кипящим под давлением 1,25 - 1,4 ата кислородом, что приводит к высокому расходу энергии.

Наиболее близким способом к заявленному из числа известных является способ разделения воздуха на газообразные кислород и азот, выключающий компремирование атмосферного воздуха до двух значений давления, охлаждение и очистку воздуха, его конденсацию и ректификацию в основной колонне [2].

Недостатком указанного способа является недостаточная величина движущих сил процесса ректификации в основной колонне, вследствие чего снижается степень извлечения кислорода из компремированного воздуха, как в результате сброса в атмосферу, помимо колонны, газовой фракции после детандеров, так и возможного увеличения содержания кислорода в продукционном азоте.

Поставлена техническая задача: повысить величину движущих сил процесса ректификации в основной колонне и тем самым создать условия для разделения в ней всего количества компремированного воздуха с высокой степенью извлечения кислорода при снижении содержания кислорода в продукционном азоте.

Поставленная задача решена способом разделения воздуха на газообразные кислород и азот, включающим компремирование атмосферного воздуха до двух значений давления, охлаждение и очистку, его конденсацию и ректификацию в основной и дополнительной колоннах, согласно изобретению, поток воздуха с меньшим давлением полностью конденсируют путем теплообмена с жидким кислородом и жидкими смесями, отбираемыми из различных по высоте сечений основной колонны, и получаемые при этом жидкие и газообразные фракции, кроме продукционного кислорода, полностью возвращают в основную колонну.

Проведенный поиск показал отсутствие решения поставленной задачи заявленной совокупностью существенных признаков.

Предложенный способ разделения воздуха на газообразные кислород и азот поясняется схемой установки.

Установка включает: турбокомпрессор - 1; блок - 2 охлаждения и очистки воздуха и рекуперации холода продуктов разделения; кипятильник - 3 основной колонны; основную колонну - 4; турбодетандер - 5; промежуточный конденсатор - 6; дополнительную колонну - 7; конденсатор - 8 дополнительной колонны.

Атмосферный воздух (около 80% от общего количества) компремируют от давления 2,6 - 3,2 ата - поток низкого давления. Необходимое значение давления этого потока определяется принятой чистотой газообразного кислорода, например, 90% - 2,6 ата, 99,5% - 3,2 ата.

После охлаждения в блоке 2 до температуры, равной температуре сухого насыщенного пара, примерно (-180)^oC, поток низкого давления подают в кипятильник 3 основной колонны 4. При получении чистого кислорода, особенно при большой производительности установки, кипятильник основной колонны может быть разделен на секции, в одной из которых испаряется продукционный кислород, а в другой кислород, возвращаемый в основную колонну. После частичной конденсации в кипятильнике основной колонны, жидкую часть потока низкого давления подают в укрепляющую часть основной колонны, работающей под давлением 1,25 - 1,1 ата, а паровую фракцию дополнительно конденсируют в промежуточном конденсаторе при теплообмене с жидкой смесью, отбираемой из исчерпывающей части основной колонны. После конденсатора 8 дополнительной колонны 7 жидкую часть потока низкого давления дросселируют в укрепляющую часть основной колонны, а оставшуюся паровую фракцию подают в дополнительную колонну. В дополнительной колонне и ее конденсаторе оставшуюся паровую фракцию потока низкого давления полностью конденсируют и разделяют на жидкий азот и содержащую некоторое количество кислорода жидкость. Эти жидкие фракции также подают в основную колонну.

Принятая схема последовательной конденсации потока низкого давления обеспечивает достаточные величины движущих сил процесса ректификации по всей высоте основной колонны. В ее исчерпывающей части величина движущих сил поддерживается за счет последовательного испарения части жидкости, стекающей по тарелкам в конденсаторе дополнительной колонны, промежуточном конденсаторе и кипятильнике 3 основной колонны. В ее укрепляющей части величина движущих сил поддерживается за счет подачи на тарелки жидких фракций, образующихся при последовательной конденсации потока низкого давления.

Около 20% атмосферного воздуха компремируют до давления 4 - 5,5 ата - поток высокого давления. Необходимое значение давления этого потока определяется величиной потерь холода, для блоков большой мощности - 4 ата, средней 5 ата и малой - 5,5 ата, так как удельные потери холода (ккал/м³ воздуха) практически целиком определяются мощностью блока. Поток высокого давления после охлаждения до температуры (-135^oC) или (-140^oC) расширяют в турбодетандере 5 до давления основной колонны, в результате чего производится необходимое количество холода. Весь этот поток направляют для полного разделения на кислород и азот в основную колонну, так как изложенный выше метод создания в ней движущих сил исключает необходимость полного или частичного сбрасывания этого потока в атмосферу. Газообразные продукты разделения основной колонны 4 проходят блок 2 охлаждения, очистки воздуха, рекуперации холода и передаются потребителям.

Таким образом, создание достаточных движущих сил процесса ректификации в основной колонне за счет последовательной конденсации всего потока низкого давления обеспечивает достаточно полное извлечение кислорода при одновременном снижении расхода энергии.

Использование в заявленном способе потока низкого давления для создания движущих сил, а потока высокого давления для производства холода позволяет обеспечить разделение всего количества компремированного воздуха в основной колонне и, соответственно, высокую степень извлечения кислорода.

Источники информации
1. Справочник азотчика. Изд-во "Химия", Москва, 1967 г, с. 202.

2. Авторское свидетельство СССР N 542899, М. кл² F 25 J 3/04, 1975 г.

Часть потока воздуха меньшего давления полностью конденсируют, последовательно пропуская через аппараты, охлаждаемые за счет испарения жидких смесей, отбираемых из различных по высоте сечений основной колонны, и получаемые при этом жидкие и газообразные фракции, кроме продукционного кислорода, полностью возвращают в основную колонну. Использование изобретения позволит повысить величину движущихся сил процесса ректификации в основной колонне и степень извлечения кислорода при снижении содержания кислорода в продукционном азоте. 1 ил.

Способ разделения воздуха на газообразные кислород и азот, включающий компремирование атмосферного воздуха до двух значений давления, охлаждение и очистку воздуха, его конденсацию и двукратную ректификацию в основной и дополнительной колоннах, отличающийся тем, что поток воздуха с меньшим давлением полностью конденсируют, последовательно пропуская через аппараты, охлаждаемые за счет испарения жидких смесей, отбираемых из различных по высоте сечений основной колонны, и получаемые при этом жидкие и газообразные фракции, кроме продукционного кислорода, полностью возвращаются в основную колонну.