СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА НА СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ПРИ ПОМОЩИ КРИОГЕННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ Российский патент 2010 года по МПК F25J3/04 

Предлагаемое изобретение относится к способу разделения воздуха на составные части при помощи криогенной дистилляции и, в частности, относится к способу и к установке, предназначенным для подачи кислорода при двух значениях давления и/или при двух степенях его чистоты.

В некоторых обстоятельствах промышленного производства существует необходимость в одновременной подаче в значительных количествах кислорода одной и той же степени чистоты, но под разными давлениями, и даже практически абсолютно чистого кислорода, и кислорода с примесями под различными давлениями.

В то же время, в некоторых промышленных применениях имеется потребность в значительных количествах кислорода с примесями при различных давлениях, например при газификации угля, при газификации нефтяных остатков, при непосредственном восстановлении и плавлении железной руды, при введении кокса в доменные печи, при осуществлении металлургических процессов с не содержащими железа металлами и т.д.

Металлургическая производственная установка обычно имеет в своем составе множество элементов, обладающих различными потребностями в кислороде, как это описано, например, в работе "The Making, Shaping and Treating of Steel", AISE, 1985. Доменная печь потребляет воздух, обогащенный кислородом и производимый обычно путем смешивания обычного сжатого воздуха с кислородом под некоторым средним давлением (Р<10 бар) и, в некоторых случаях, обладающего достаточно низкой чистотой. Этот кислород так называемой относительно низкой чистоты имеет чистоту, заключенную в диапазоне от 80% до 97%. Зато конвертеры и дуговые печи потребляют кислород под относительно высоким давлением (Р>15 бар для подачи в конвертер и обычно Р>25 бар в буферных газовых емкостях, установленных перед конвертерами) и с достаточно высоким уровнем чистоты, имеющим величину в диапазоне от 99% до 99,8%. Для подачи кислорода, обладающего двумя этими различными качествами, часто предусматриваются две технологические установки для производства кислорода при помощи дистилляции воздуха, то есть одна установка, которая предназначена для производства кислорода под средним давлением и представляет собой, например, установку с колонной смешивания типа той, которая описана в патентных документах US-A-4022030 и EP-A-0531182, и другая установка, которая предназначена для производства кислорода высокой степени чистоты и обычно представляет собой классическую установку со сдвоенной колонной.

Все упомянутые в предшествующем изложении степени чистоты представляют собой величину молярного процентного содержания кислорода, и упомянутые давления представляют собой абсолютные давления.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы решить следующую проблему: в ряде случаев у клиента имеется потребность увеличивать потребление кислорода под высоким давлением, при этом отпадает необходимость в использовании кислорода под средним давлением (или отпадает необходимость в использовании именно такого количества кислорода под средним давлением, или имеется возможность функционировать с уменьшенным (или даже равным нулю) количеством кислорода под средним давлением [как это имеет место в случае доменной печи]). Цель данного изобретения состоит в том, чтобы удовлетворить такие потребности клиента, не прибегая при этом ни к использованию второй установки для разделения воздуха на составляющие, ни к испарению жидкого криогенного кислорода, поступающего из того или иного хранилища.

В соответствии с одним из объектов предлагаемого изобретения предусматривается способ разделения воздуха на составляющие при помощи криогенной дистилляции в установке разделения воздуха, имеющей в своем составе систему колонн, в котором

i) в соответствии с первым процессом:

a) в главном компрессоре сжимают весь объем воздуха, предназначенный для дистилляции;

b) направляют первый поток воздуха, сжатый по меньшей мере в главном компрессоре, очищенный и охлажденный в линии теплообмена, в колонну среднего давления сдвоенной колонны;

c) поток воздуха разделяют на потоки, обогащенные азотом и обогащенные кислородом, в колонне среднего давления;

d) потоки, обогащенные азотом и обогащенные кислородом в упомянутой колонне среднего давления, направляют в колонну низкого давления упомянутой сдвоенной колонны непосредственно или косвенным образом;

e) поток, богатый азотом, отбирают из колонны низкого давления и нагревают его в линии теплообмена;

f) поток жидкого кислорода отбирают из колонны низкого давления, давление этого потока повышают до относительно высокого значения давления и обеспечивают его испарение в линии теплообмена для того, чтобы сформировать первый газообразный поток, имеющий высокое давление и обогащенный кислородом;

g) обеспечивают сжижение по меньшей мере части воздуха, сжатого в главном компрессоре и, в случае необходимости, дополнительно сжатого в по меньшей мере втором компрессоре, и направляют эту сжиженную часть воздуха в двойную колонну;

h) производят также второй поток газообразного продукта, обогащенного кислородом, но имеющий давление, несколько меньшее, чем давление упомянутого первого потока газообразного продукта, обогащенного кислородом,

ii) в соответствии со вторым процессом:

a) повышают давление сжижения воздуха путем регулирования системы лопаток главного компрессора и, в случае необходимости, второго компрессора, которые фиксируют это давление;

b) сокращают, в случае необходимости до нуля, производство второго потока газообразного продукта, обогащенного кислородом;

c) повышает отбор первого потока газообразного продукта, обогащенного кислородом.

В соответствии с другими факультативными аспектами предлагаемого изобретения:

- второй поток газообразного продукта, обогащенного кислородом, производится путем отбора жидкого потока из колонны низкого давления и предварительного повышения его давления до несколько менее высокого давления перед испарением в линии теплообмена;

- второй поток газообразного продукта, обогащенного кислородом, производится путем отбора потока газообразного продукта из колонны смешивания, запитываемой воздухом, или из колонны низкого давления;

- по меньшей мере один второй компрессор обеспечивает сжатие всего воздуха, предназначенного для данной установки;

- по меньшей мере один второй компрессор обеспечивает сжатие только части воздуха, предназначенного для данной установки;

- в ходе второго процесса обеспечивают увеличение потока, направляемого во второй компрессор;

- часть воздуха, сжатого во втором компрессоре, подвергается расширению в турбине, соединенной с вторым компрессором, и затем направляется в двойную колонну, в которой этот поток, расширенный в ходе второго процесса, уменьшается по отношению к расширенному потоку в ходе первого процесса;

- в ходе второго процесса поток, направляемый во второй компрессор, поддерживается на постоянном уровне по отношению к тому же потоку в ходе первого процесса;

- в ходе второго процесса увеличивают количество газа, направляемого в турбину, приводящую в движение второй компрессор, по отношению к количеству газа, направляемого в ходе первого процесса;

- первый поток, обогащенный кислородом, имеет чистоту, превышающую 98,5%, и второй поток, обогащенный кислородом, имеет чистоту, составляющую менее 98%;

- в ходе первого процесса в качестве конечного продукта из сдвоенной колонны отбирают жидкий поток, обогащенный кислородом, и в ходе второго процесса отбор этого потока сокращают, в случае необходимости, до нуля;

- сумма первого и второго потоков, обогащенных кислородом, является по существу постоянной как в первом, так и во втором процессах;

- в ходе первого процесса некоторый поток воздуха расширяется в турбине и направляется в сдвоенную колонну и в ходе второго процесса этот подвергшийся расширению поток воздуха либо выбрасывается в атмосферу, либо некоторая часть этого расширенного потока воздуха направляется в сдвоенную колонну, тогда как остальная часть этого потока выбрасывается в атмосферу;

- в ходе второго процесса сжатый воздух, поступающий из резервного компрессора, направляют в сдвоенную колонну;

- часть обрабатываемого воздуха поступает от вентилятора доменной печи;

- в ходе первого процесса производят поток азота под давлением и/или поток аргона под давлением путем испарения жидкой фазы под давлением, и в ходе второго процесса сокращают или останавливают производство этого или этих потоков;

- в ходе первого процесса производят поток жидкого азота и/или жидкого аргона в качестве конечного продукта, и в ходе второго процесса сокращают или останавливают производство этого или этих потоков;

- первый и второй потоки, обогащенные кислородом, имеют одну и ту же степень чистоты или же различные степени чистоты.

В соответствии с другим аспектом предлагаемого изобретения предусматривается способ формирования потока кислорода высокого давления, в котором в соответствии с первым процессом каждая из двух установок разделения воздуха обеспечивает выдачу кислорода высокого давления, и в соответствии со вторым процессом первая из двух упомянутых установок производит поток кислорода высокого давления, увеличенный по отношению к потоку в соответствии с первым процессом, а вторая установка выдает уменьшенный и даже нулевой поток, причем по меньшей мере первая установка функционирует так, как об этом было сказано в предшествующем изложении и, кроме исходного производства, обеспечивает производство кислорода высокого давления в количестве по меньшей мере 50% от количества кислорода высокого давления, производимого в ходе первого процесса, при помощи второй установки.

В соответствии с другими аспектами изобретения предусматривается, что:

- компрессор воздуха второй установки направляет сжатый воздух в первую установку в процессе выполнения второго процесса,

- ни одно из устройств повышения давления воздуха не приводится в движение двигателем.

На фиг.1, 2 и 3 представлена установка для разделения воздуха, функционирующая в соответствии со способом по данному изобретению, а на фиг.4 схематически представлена система установок, предназначенных для разделения воздуха, в которой по меньшей мере одна из этих установок функционирует в соответствии с предлагаемым изобретением.

Технологическая установка для дистилляции воздуха, представленная на фиг.1, имеет в своем составе главным образом: компрессор 1 для воздуха, устройство 2, предназначенное для очистки сжатого воздуха в воде и в присутствии углекислого газа CO₂ при помощи адсорбции, причем эта установка содержит две емкости адсорбции 2A, 2B, одна из которых функционирует в режиме адсорбции, в то время как другая емкость работает в режиме регенерации, систему 3, образованную турбиной и компрессором высокого давления, содержит турбину 4 расширения и, в случае необходимости, компрессор 5 высокого давления, вал которого связан с валом турбины 4, теплообменник 6, образующий линию теплового обмена в данной установке, двойную колонну 7 дистилляции, содержащую колонну 8 среднего давления, поверх которой располагается колонна 9 низкого давления, и испаритель-конденсатор 10, обеспечивающий связь парообразной фазы (азот) из головной части колонны 8, взаимодействующей с упомянутым теплообменником, с жидкой фазой (кислород) резервуара колонны 9, резервуар 11 жидкого кислорода, дно которого связано с насосом 12 для жидкого кислорода, и резервуар 13 жидкого азота, дно которого связано с насосом 14 для жидкого азота.

Эта установка предназначена для подачи через трубопровод 15 газообразного кислорода, имеющего предварительно определенное высокое давление, с величиной, заключенной в диапазоне от нескольких бар до нескольких десятков бар (в приведенном здесь описании рассматриваемые давления представляют собой абсолютные давления).

Для этого жидкий кислород, извлекаемый из резервуара колонны 9 через трубопровод 16 и накапливаемый в резервуаре 11, подводится при высоком давлении при помощи насоса 12 в жидком состоянии, после чего подвергается испарению и нагреванию под этим высоким давлением в каналах 17 теплообменника 8.

Тепловая энергия, необходимая для такого испарения и нагревания, а также для нагревания и, в случае необходимости, для испарения других жидких тел, извлеченных из упомянутой двойной колонны, обеспечивается при помощи воздуха, подлежащего дистилляции, в следующих условиях.

Вся совокупность воздуха, подлежащего дистилляции, подвергается сжатию при помощи компрессора 1 до давления, превышающего среднее давление в колонне 8, но меньшего, чем упомянутое высокое давление кислорода. Затем воздух, предварительно охлажденный в устройстве 18 и затем охлажденный до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в устройстве 19, подвергается очистке в одном из резервуаров адсорбции, например в резервуаре 2А, и в своей совокупности подвергается сжатию до высокого давления при помощи компрессора 5 высокого давления, который приводится в действие при помощи турбины 4.

После этого воздух подается в горячий конец теплообменника 6 и охлаждается в целом вплоть до некоторой промежуточной температуры. При этой температуре фракция воздуха продолжает свое охлаждение и сжижается в каналах 20 теплообменника, после чего расширяется до низкого давления в дроссельном клапане 21 и вводится на промежуточном уровне в колонну 9. Оставшаяся часть воздуха, или избыточный воздух, расширяется до среднего давления в турбине 4, а затем направляется непосредственно в основание колонны 8 через трубопровод 22.

В то же время, на фиг.1 можно видеть обычные трубопроводы установок с двойной колонной, причем эти трубопроводы представлены здесь, как говорят, "с минаретом", то есть с производством азота под низким давлением: трубопроводы с 23 по 25 предназначены для подачи в колонну 9 на последовательно повышающихся уровнях дросселированной "богатой жидкой фазы" (воздух, обогащенный кислородом), дросселированной "нижней бедной жидкой фазы" (азот с примесями) и дросселированной "верхней бедной жидкой фазы" (практически чистый азот), причем три эти текучие фазы извлекаются соответственно в основании, в некоторой промежуточной точке и в головной части колонны 8; и трубопровод 28 извлечения газообразного азота, выходящий из головной части колонны 9, и трубопровод 27 отведения остаточного газа (азот с примесями), выходящий от уровня подачи нижней бедной жидкой фазы. Азот низкого давления подвергается нагреванию в каналах 28 теплообменника 6, а затем отводится через трубопровод 29, тогда как остаточный газ после его нагревания в каналах 30 этого теплообменника используется для регенерации резервуара адсорбции, то есть резервуара 2В в рассматриваемом здесь примере реализации, перед его отведением через трубопровод 31.

На фиг.1 также можно видеть, что некоторая часть жидкого кислорода 36, извлекаемого на промежуточном уровне из колонны низкого давления, складируется, после расширения в дроссельный клапан 32, в резервуаре 13, и его давление повышается при помощи насоса 14, и производство жидкого кислорода обеспечивается через трубопровод 33 (продукт средней чистоты) и/или через трубопровод 34 (продукт высокой чистоты). Некоторая часть жидкого кислорода средней чистоты испаряется после повышения давления в насосе 14 в теплообменнике 6. При этом насос 14 имеет на своем выходе давление, более низкое, чем давление на выходе насоса 12.

Таким образом, в соответствии с первым процессом данная установка производит некоторый поток 15 кислорода высокой чистоты и высокого давления, а также некоторый поток 115 кислорода средней чистоты и среднего давления.

В соответствии со вторым процессом либо клапан 32 закрыт и извлечение кислорода среднего давления больше не осуществляется, либо поток кислорода среднего давления уменьшается. В этом случае извлечение потока 16 увеличивают и обеспечивают большее испарение кислорода высокой чистоты и высокого давления, поступающего из насоса 12 в теплообменник 6. Для того чтобы обеспечить испарение этого повышенного потока, увеличивают давление на выходе из главного компрессора 1, а также поток сжатого воздуха путем регулирования системы лопаток компрессора 1. В том случае, когда отсутствует производство жидкого кислорода, сумма потоков 16 и 36 оказывается постоянной между первым и вторым процессами, поскольку поток сжатого воздуха в компрессоре 1 остается по существу постоянным между двумя процессами. В том случае, когда происходит производство жидкого кислорода, либо сумма потоков 16 и 36 является постоянной между первым и вторым процессами, либо имеется возможность производить большую сумму этих потоков в ходе второго процесса, уменьшая, или даже исключая, производство жидкого кислорода. В том случае, когда производство жидкого кислорода сокращено, часть воздуха, поступающего из турбины Claude 4, будет направлена в атмосферу после смешивания с остаточным газом 27.

Установка, представленная на фиг.2, предназначена для производства газообразного кислорода при двух значениях давления и при двух значениях степени его чистоты. Эта установка главным образом имеет в своем составе двойную колонну 41 дистилляции, главную линию 42 теплообмена, переохладитель 43, компрессор 44 для однородного воздуха, вентилятор 45 избыточного давления воздуха, турбину 46 расширения, колесо которой установлено на том же валу, что и дожимной компрессор 45 для повышения давления, дополнительный вентилятор 47, приводимый во вращение при помощи электрического двигателя 48, и насос 49 для жидкого кислорода. Двойная колонна традиционно включает в себя колонну 50 среднего давления, функционирующую под давлением примерно 6 бар, и расположенную поверх нее колонну 51 низкого давления, функционирующую под давлением, слегка превышающим атмосферное давление, с использованием в нижней части этой колонны испарителя-конденсатора 52, который приводит в соответствие теплообмен жидкого кислорода из нижней части колонны низкого давления с азотом из головной части колонны среднего давления.

В процессе функционирования по первому процессу воздушный компрессор 44 установки обеспечивает непосредственное сжатие всей совокупности воздуха до первого высокого давления, имеющего величину порядка 23 бар, и первый поток этого воздуха обрабатывается, как и в предшествующем случае, в каналах 53, в турбине 46 и в дроссельном клапане 54, после чего направляется в основание колонны 50.

Оставшаяся часть этого воздуха сжимается в два этапа при помощи двух последовательно установленных вентиляторов: первого компрессора 70, который непосредственно соединен с турбиной 46, и второго компрессора 71, непосредственно связанного с второй турбиной 72 расширения. Воздух, сжатый компрессором 70, целиком проходит в компрессор 71, а затем в каналы 56 линии 42 теплообмена, и некоторая часть этого воздуха выходит из линии теплообмена при температуре Т2, превышающей температуру Т1, для расширения в турбине 72. Выходной поток этой турбины при среднем давлении связан с основанием колонны 50, как и выходной поток турбины 46. Воздух при наиболее высоком давлении, не расширенный в турбине 72, продолжает охлаждаться и сжижается в каналах 56 вплоть до холодного конца линии теплообмена, после чего расширяется в дроссельных клапанах 57 и 57А и распределяется между двумя колоннами 50 и 51.

Здесь под терминами "устройство повышения давления" или "вентилятор" следует понимать компрессор с единственным колесом, для которого затраты энергии, по потоку обрабатываемого газа и степени сжатия, оказываются существенно меньшими, чем соответствующие параметры главного компрессора 44 данной установки, и имеют величину, например, порядка 2%-3% от величины соответствующих параметров главного компрессора. Степень сжатия такого вентилятора обычно имеет величину менее 2. Каждый из вентиляторов, о которых идет речь в данном описании, содержит на своем выходе не показанный на приведенных в приложении фигурах водяной охладитель или охладитель с использованием атмосферного воздуха.

Жидкий кислород, извлекаемый из нижней части колонны 51, доводится при помощи насоса 49 до высокого давления, после чего подвергается испарению в каналах 58 линии теплообмена перед тем, как быть удаленным из данной установки через трубопровод 59 производства продукта в качестве потока газообразного кислорода, характеризующегося высоким давлением и высокой степенью чистоты.

Жидкий кислород, извлекаемый на некотором промежуточном уровне из колонны 51, доводится при помощи насоса 70 до некоторого среднего давления, затем подвергается испарению и нагреванию в каналах 58 линии теплообмена перед тем, как быть удаленным из данной установки через трубопровод 59 производства продукта в качестве потока газообразного кислорода, характеризующегося средним давлением и средней степенью чистоты.

В то же время, в установке, представленной на фиг.2, можно видеть трубопроводы и вспомогательные устройства, обычно используемые в установках с двойной колонной: трубопровод 60 подъема в колонну 51 "обогащенной жидкой фазы" (жидкий воздух, обогащенный кислородом), получаемой в нижней части колонны 50, со своим дроссельным клапаном 61, трубопровод 62 подъема в головную часть колонны 51 "обедненной жидкой фазы" (сжиженный азот с определенным количеством примесей), извлеченной из головной части колонны 50, с дроссельным клапаном 83, а также трубопровод 64 производства жидкого кислорода, присоединенный к нижней части колонны 51, трубопровод 65 производства жидкого азота, присоединенный к трубопроводу 62, и трубопровод 66 извлечения азота с примесями, представляющего собой остаточный газ данной установки, присоединенный к головной части колонны 51, причем этот азот с примесями нагревается в переохладителе 43, а затем в каналах 67 линии теплообмена, перед тем как быть удаленным через трубопровод 68.

В соответствии со вторым процессом кислород среднего давления либо больше не извлекают, либо поток кислорода среднего давления сокращается. В этом случае извлечение потока жидкого кислорода в донной части колонны низкого давления увеличивают и таким образом обеспечивают испарение большего количества кислорода высокой чистоты и высокого давления, поступающего из насоса 49, в теплообменнике 6. Для того чтобы обеспечить испарение этого увеличенного потока, давление на выходе из компрессора 1 повышают, также как и поток сжатого воздуха, путем регулирования системы лопаток компрессора 1. Альтернативным или дополнительным образом обеспечивают регулирование потока воздуха при помощи компрессоров 70 и 71.

В том случае, когда отсутствует производство жидкого кислорода и поток сжатого воздуха в компрессоре 44 остается по существу постоянным между двумя процессами, сумма потоков 59 и 72 является постоянной между первым и вторым процессами. Зато в том случае, когда поток сжатого воздуха возрастает в ходе второго процесса, сумма содержащих кислород продуктов может возрастать. Снижение или даже остановка производства жидкого кислорода обеспечивает возможность большего разнообразия в производстве газообразных продуктов. В том случае, когда производство жидкого продукта сокращено, по меньшей мере часть воздуха, поступающего из по меньшей мере одной из турбин 46, 72, будет направляться в атмосферу после смешивания с остаточным газом 66 при выполнении второго процесса.

На фиг.3 поток воздуха при атмосферном давлении подвергается сжатию до давления, составляющего примерно 15 бар, в главном компрессоре 1. Затем этот воздух в случае необходимости охлаждается перед тем, как быть очищенным от различных примесей (эта часть процесса не проиллюстрирована). Очищенный таким образом воздух разделяется на две части. При этом некоторая часть 3 этого воздуха направляется в устройство 5 повышения давления, где он воздух сжимается до давления, имеющего величину в диапазоне от 17 до 20 бар, после чего этот сжатый воздух охлаждается при помощи водяного охладителя 7 перед тем, как быть направленным в горячий конец главной линии 9 теплообмена установки для разделения воздуха. Сжатый воздух 11 охлаждается вплоть до некоторой промежуточной температуры перед тем, как выйти из линии теплообмена и быть разделенным на две фракции. При этом вполне очевидно, что возможно обеспечить условия, при которых одна фракция потока 11 продолжала бы подвергаться охлаждению вплоть до холодного конца линии 9 теплообмена, откуда этот воздух будет извлекаться в сжиженном состоянии. При этом фракция 13 направляется в турбину 17, а оставшаяся часть, то есть фракция 15, направляется в турбину 19. Обе упомянутые турбины имеют одну и ту же температуру и одно и то же давление всасывания, и одну и ту же температуру и одно и то же давление на выходе, но очевидно имеется возможность того, чтобы эти температуры и давления были просто близки друг к другу вместо того, чтобы быть совершенно идентичными. Два потока упомянутых турбин смешиваются между собой для того, чтобы сформировать поток 21 воздуха, часть 121 которого направляется в двойную колонну, а остальная часть 122 направляется в колонну 300 смешивания. Поток 122 образует некоторую часть потока 21 или, в случае необходимости, некоторую фракцию газообразной части потока 21 в случае, когда этот поток будет являться двухфазным. Очевидно, что возможно направить весь поток 21 в колонну 100 среднего давления и выводить из нее газообразную часть 122 для того, чтобы направить ее в колонну смешивания, причем в этом случае колонна среднего давления заменяет сепаратор фаз. Давления в колонне среднего давления и в колонне смешивания могут быть различными. В качестве варианта реализации турбина 19 может представлять собой турбину нагнетания, открывающуюся при давлении колонны среднего давления.

Другая часть 2 воздуха под давлением, имеющим величину 15 бар и представляющая собой оставшуюся часть воздуха, подвергается охлаждению в линии теплообмена до некоторой промежуточной температуры, превышающей температуру всасывания турбин 17 и 19, сжимается во втором устройстве 23 повышения давления вплоть до давления, составляющего примерно 30 бар и снова вводится в линию 9 теплообмена при более высокой температуре для продолжения ее охлаждения.

Таким образом, воздух 37 под давлением, составляющим примерно 30 бар, подвергается сжижению в линии теплообмена и жидкий кислород 25 подвергается испарению в линии теплообмена, причем температура испарения жидкости является близкой к температуре всасывания второго устройства 23 повышения давления. Сжиженный воздух выходит из линии теплообмена и направляется в упомянутую систему технологических колонн.

Первое устройство 5 повышения давления соединено с одной из турбин 17, 19 и второе устройство 23 повышения давления соединено с другой из этих турбин 19, 17.

Система колонн установки для разделения воздуха имеет в своем составе колонну 100 среднего давления, термически связанную с колонной 200 низкого давления с минаретом, колонну 300 смешивания и, в качестве опции, колонну производства аргона (не показана). Колонна низкого давления не обязательно содержит упомянутый минарет.

Колонна среднего давления действует при давлении, составляющем 5,5 бар, но имеет возможность действовать и при более высоком давлении.

Воздух 121, поступающий из двух турбин 17, 19, представляет собой поток, направляемый в донную часть колонны 100 среднего давления.

Сжиженный воздух 37 расширяется в дроссельном клапане 39 или, в случае необходимости, в турбине, и направляется в систему колонн.

Обогащенная жидкая фаза 51, обедненная нижняя жидкая фаза 53 и обедненная верхняя жидкая фаза 55 направляются из колонны 100 среднего давления в колонну 200 низкого давления после осуществления этапов расширения в клапанах и в переохладителе.

Далее будет описано действие предлагаемой установки в соответствии с первым процессом.

Давление жидкого кислорода повышается при помощи насоса 500, и этот жидкий кислород направляется в качестве жидкой фазы 25 повышенного давления в линию 9 теплообмена. Некоторая часть 501 этой жидкой фазы может быть складирована для того, чтобы служить готовым жидким продуктом. Другие жидкости, давление которых может быть повышено или не повышено, могут испаряться в упомянутой линии теплообмена.

Газообразный азот в случае необходимости извлекается из колонны среднего давления и подвергается охлаждению также в линии 9 теплообмена.

Азот 33 извлекается из головной части колонны низкого давления и нагревается в линии теплообмена после того, как он выполнит свою функцию дополнительного охлаждения жидкостей обратного течения.

Остаточный азот 27 извлекается из нижнего уровня колонны низкого давления и нагревается в линии 9 теплообмена после того, как он выполнит свою функцию дополнительного охлаждения жидкостей обратного течения.

Колонна в случае необходимости имеет возможность производить аргон, обрабатывая поток 51, извлекаемый из колонны 200 низкого давления. Поток 52 представляет собой жидкую фазу из донной части, снова направляемую в колонну аргона, если эта колонна является единственной.

Колонна 300 смешивания запитывается в своей головной части жидкостью 35, обогащенной кислородом и извлекаемой на некотором промежуточном уровне из колонны 200 низкого давления, давление которой повышается при помощи насоса 600, и запитывается в своей донной части потоком 122 газообразного воздуха, поступающего из турбин 17, 19. Эта колонна смешивания действует главным образом при среднем давлении.

Поток 137 газообразного кислорода извлекается из головной части колонны смешивания и затем нагревается в линии 9 теплообмена, и поток 41 жидкой фазы извлекается из донной части и направляется в колонну низкого давления после расширения в дроссельном клапане. Имеется возможность извлекать некоторый промежуточный поток из колонны 300, который направляется в колонну низкого давления.

Второй процесс отличается от первого процесса тем, что производство кислорода из колонны смешивания сокращается или даже останавливается. В этом случае увеличивают отбор потока 35 жидкого кислорода из донной части колонны низкого давления и обеспечивают испарение большего количества кислорода высокой чистоты и высокого давления, поступающего из насоса 600 в теплообменник 9, для формирования потока 125. Для того чтобы обеспечить испарение этого увеличенного потока, давление на выходе из компрессора 1 повышают, также как и поток сжатого воздуха, путем регулирования системы лопаток компрессора 1. Альтернативным или дополнительным образом обеспечивают регулирование потока воздуха и его давления посредством холодного устройства 23 повышения давления. Таким образом, давление воздуха 37 может быть модифицировано для второго процесса путем изменения положения системы лопаток компрессора 1 и/или путем изменения положения лопаточных аппаратов холодного устройства 23 повышения давления.

В соответствии с другим вариантом второго процесса, когда колонна смешивания не производит кислорода, воздух 122 в донную часть колонны смешивания больше не направляют. Кроме того, эта колонна больше не запитывается и жидким кислородом, и ее функционирование прекращается. При этом избыточное количество воздуха направляется в двойную колонну. Устройство 23 повышения давления сжимает воздух 2 до более высокого давления, что позволяет обеспечить испарение большего количества жидкого кислорода путем увеличения его извлечения из донной части колонны низкого давления для более существенного повышения давления потока в насосе 500. При этом только производимый обогащенный кислородом газ представляет собой кислород среднего давления и средней степени чистоты.

В соответствии с еще одним возможным вариантом осуществления второго процесса в донную часть колонны смешивания направляют меньше воздуха 122. Эта колонна смешивания принимает меньше жидкого кислорода 35, и ее функционирование сокращается. При этом избыточное количество воздуха направляется в сдвоенную колонну.

Устройство 23 повышения давления сжимает воздух 2 до более высокого давления, что позволяет обеспечить испарение большего количества жидкого кислорода путем увеличения извлечения из донной части колонны низкого давления для повышения давления более значительного потока в насосе 500.

В данном случае предлагаемая установка производит больше кислорода 25 среднего давления и средней степени чистоты, чем при выполнении первого процесса, но продолжает производить уменьшенное количество кислорода 137 низкой степени чистоты и низкого давления.

В том случае, когда отсутствует производство жидкого кислорода 501 и поток сжатого воздуха в компрессоре 1 остается по существу постоянным между двумя процессами, сумма потоков 125 и 137 является постоянной между первым и вторым процессами. Зато в том случае, когда поток сжатого воздуха увеличивается во втором процессе, сумма газообразных продуктов, обогащенных кислородом, может возрастать. Снижение и даже исключение производства жидкого кислорода 501 позволяет также обеспечить большее разнообразие в производстве газообразных продуктов. В том случае, когда производство жидкой фазы сокращено, по меньшей мере часть воздуха, поступающего из по меньшей мере одной из турбин 17, 19, будет направлена в атмосферу после смешивания с остаточным газом 27 во втором процессе.

В течение второго процесса желательно изменять соотношение количество воздуха, направляемого в турбины 17 и 19, таким образом, чтобы в случае, когда количество сжатого потока в устройстве 23 повышения давления возрастало, турбина 19, приводящая в движение это устройство повышения давления, принимала бы повышенное процентное содержание воздуха, поступающего из холодного устройства 23 повышения давления, и турбина 17, как следствие, принимала бы уменьшенное процентное содержание этого воздуха.

В рассматриваемом здесь случае устройство повышения давления приводится в движение при помощи воздушной турбины, но при этом понятно, что это устройство повышения давления может быть приведено в движение при помощи азотной турбины, паровой турбины или любой другой турбины, имеющейся в распоряжении в конкретном производстве.

Предлагаемое изобретение позволяет, в частности, обеспечить решение проблемы, которая возникает в том случае, когда две технологические установки для разделения воздуха производят кислород высокого давления. В том случае, когда одна из этих установок больше не производит кислород высокого давления или производит его меньше, другая установка имеет возможность увеличить производство кислорода высокого давления ценой производства кислорода среднего давления, функционируя в соответствии с предлагаемым изобретением. В случае необходимости полученный дополнительный воздух отводится в другую установку из воздушного компрессора или устройства повышения давления воздуха той установки, которая остановлена или обеспечивает сокращенное производство. В частности, предлагаемое изобретение позволяет выдавать до 50% продукта, поступавшего ранее от установки, которая была остановлена или работает в сокращенном режиме.

При этом очевидно, что имеется возможность производства кислорода при двух различных давлениях в первом процессе и, в случае необходимости, во втором процессе, закачивая единственный поток кислорода в насос и обеспечивая расширение части этого потока. При этом очевидно, что в данном случае эти потоки будут иметь одну и ту же степень чистоты.

Предлагаемая установка также имеет возможность производить азот и/или аргон под давлением путем испарения откачанного азота и аргона. Также возможны понижение или прекращение производства азота и/или аргона под давлением во втором процессе по отношению к их производству в первом процессе.

Предлагаемая технологическая установка также имеет возможность производить жидкий азот в качестве конечного продукта в первом процессе. В этом случае может быть рассмотрено снижение или полная остановка производства жидкой фазы во втором процессе.

На фиг.4 представлены две установки для разделения воздуха ASU 1 и ASU 2, причем по меньшей мере первая установка ASU 1 функционирует в соответствии с предлагаемым изобретением. В обе установки при помощи соответствующих компрессоров С1, С2 закачивается воздух. В том случае, когда установка ASU 2 сокращает производство кислорода 15 высокой чистоты, установка ASU 1 начинает функционировать в соответствии со вторым процессом для производства большего количества кислорода 15 высокого давления. Для обеспечения взаимодействия очищенный или не очищенный воздух может быть направлен из компрессора С2 в установку ASU 1.

В соответствии с первым процессом в установке разделения воздуха весь объем воздуха, предназначенный для дистилляции, сжимают в главном компрессоре (1). Первый поток воздуха, сжатого в главном компрессоре, очищенного и охлажденного в линии (6) теплообмена, направляют в колонну (8) среднего давления сдвоенной колонны. Поток воздуха разделяют на потоки, обогащенные азотом и обогащенные кислородом, в колонне среднего давления. Поток (16) жидкого кислорода извлекают из колонны низкого давления, давление этого потока повышают и обеспечивают его испарение в линии теплообмена для того, чтобы сформировать первый газообразный поток, имеющий высокое давление и обогащенный кислородом. Часть (24) воздуха, сжатого в главном компрессоре, сжижают и направляют эту сжиженную часть в сдвоенную колонну, производят также второй газообразный поток (115), обогащенный кислородом, но с меньшим давлением, чем давление упомянутого первого газообразного потока (115), обогащенного кислородом. В соответствии со вторым процессом повышают давление сжижения воздуха путем регулирования системы лопаток главного компрессора (1), который устанавливает это давление, производство второго газообразного потока, обогащенного кислородом, сокращается, и, таким образом, отбор первого газообразного потока, обогащенного кислородом, увеличивается. Использование изобретения позволит обеспечить изменение требуемого потребителем количества кислорода высокого и среднего давления без использования дополнительной установки. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ разделения воздуха на составные части при помощи криогенной дистилляции в установке разделения воздуха, имеющей в своем составе систему колонн, при котором:
i) в соответствии с первым процессом:
a) сжимают в главном компрессоре (1, 44) весь объем воздуха, предназначенный для дистилляции;
b) направляют первый поток воздуха, сжатого по меньшей мере в главном компрессоре, очищенного и охлажденного в линии (6, 42, 9) теплообмена, в колонну (8, 50, 100) среднего давления сдвоенной колонны;
c) разделяют поток воздуха на потоки, обогащенные азотом и обогащенные кислородом, в колонне среднего давления;
a) направляют эти потоки, обогащенные азотом и обогащенные кислородом в колонне среднего давления, в колонну (9, 51, 200) низкого давления упомянутой сдвоенной колонны непосредственно или косвенным образом;
e) извлекают поток, обогащенный азотом, из колонны низкого давления и нагревают его в линии теплообмена;
f) извлекают поток жидкого кислорода из колонны низкого давления, обеспечивают повышение давления этого потока до относительно высокого давления и обеспечивают его испарение в линии теплообмена для того, чтобы сформировать первый газообразный поток (15, 59, 125), обогащенный кислородом и с высоким давлением;
g) сжижают по меньшей мере часть воздуха, сжатого в главном компрессоре и, в случае необходимости, дополнительно сжатого в, по меньшей мере, втором компрессоре, после чего направляют эту сжиженную часть воздуха в сдвоенную колонну;
h) производят также второй поток газообразного продукта, обогащенный кислородом (115, 72, 137), но имеющий давление, несколько меньшее, чем давление упомянутого первого потока газообразного продукта, обогащенного кислородом;
ii) в соответствии со вторым процессом:
a) повышают давление сжижения воздуха путем регулирования системы лопаток главного компрессора и, в случае необходимости, системы лопаток второго компрессора, которые фиксируют это давление;
b) сокращают, в случае необходимости до нуля, производство второго потока газообразного продукта, обогащенного кислородом;
c) повышают отбор первого потока газообразного продукта, обогащенного кислородом.

2. Способ по п.1, при котором второй поток газообразного продукта, обогащенного кислородом, производится путем отбора потока жидкой фазы (36) из колонны низкого давления и его сжатия до менее высокого давления перед его испарением в линии теплообмена.

3. Способ по п.1, при котором второй поток газообразного продукта, обогащенного кислородом, производится путем отбора потока газообразного продукта из колонны смешивания (300), запитываемой воздухом, или из колонны низкого давления.

4. Способ по пп.1-3, при котором, по меньшей мере, второй компрессор (5) обеспечивает сжатие всей совокупности воздуха, предназначенного для установки.

5. Способ по п.1, при котором, по меньшей мере, второй компрессор (70, 71, 23) обеспечивает сжатие только части воздуха, предназначенного для установки.

6. Способ по п.5, при котором в ходе второго процесса увеличивают поток, направляемый во второй компрессор (70, 71, 23).

7. Способ по п.6, при котором часть воздуха, сжатого во втором компрессоре (70, 71, 23), расширяется в турбине, после чего направляется в сдвоенную колонну, и в соответствии с которым этот поток (15), подвергающийся расширению в ходе второго процесса, уменьшается по отношению к потоку, расширенному в ходе первого процесса.

8. Способ по п.1, при котором в ходе второго процесса поток, направляемый во второй компрессор (70, 71, 23) поддерживают на постоянном уровне по отношению к тому же потоку в первом процессе.

9. Способ по п.8, при котором в ходе второго процесса количество газа, направляемого в турбину (19, 46, 72), приводящую в движение второй компрессор (70, 71, 23), увеличивают по отношению к количеству газа, направляемого в ходе первого процесса.

10. Способ по п.1, при котором первый поток (15, 59, 125), обогащенный кислородом, имеет степень чистоты, превышающую 98,5%, и второй поток (115, 72, 137), обогащенный кислородом, имеет степень чистоты, составляющую менее 98%.

11. Способ по п.1, при котором в ходе первого процесса отбирают из сдвоенной колонны в качестве конечного продукта некоторый поток (34, 501) жидкой фазы, обогащенный кислородом, и в ходе второго процесса отбор этого потока сокращают и, в случае необходимости, до нуля.

12. Способ по п.1, при котором сумма первого и второго потоков, обогащенных кислородом, является, по существу, постоянной как в первом, так и во втором процессах.

13. Способ по п.1, при котором в ходе первого процесса некоторый поток воздуха расширяется в турбине (4, 46, 72, 19) и направляется в сдвоенную колонну и в ходе второго процесса этот подвергшийся расширению поток воздуха либо выбрасывается в атмосферу, либо некоторая часть этого расширенного потока воздуха направляется в сдвоенную колонну, тогда как остальная часть этого потока воздуха выбрасывается в атмосферу.

14. Способ по п.1, при котором в ходе второго процесса сжатый воздух, поступающий из резервного компрессора, направляют в сдвоенную колонну.

15. Способ по п.1, при котором часть обрабатываемого воздуха поступает от вентилятора доменной печи.

16. Способ по п.1, при котором в ходе первого процесса производят некоторый поток азота под давлением и/или поток аргона под давлением путем испарения жидкой фазы при повышенном давлении и в ходе второго процесса сокращают или прекращают производство этого (этих) потока(ов).

17. Способ по п.1, при котором в ходе первого процесса производят некоторый поток жидкого азота и/или жидкого аргона в качестве конечного продукта и в процессе осуществления второго процесса сокращают или останавливают это(и) производство(а).

18. Способ по п.1, при котором первый и второй потоки, обогащенные кислородом, имеют одну и ту же степень чистоты или же различные степени чистоты.

19. Способ по п.1, при котором упомянутый главный компрессор сжимает весь обрабатываемый воздух до давления сжижения воздуха.

20. Способ формирования потока кислорода высокого давления, при котором при первом процессе каждая из двух установок разделения воздуха (ASU 1, ASU 2) производит кислород (15) высокого давления и при втором процессе первая из двух установок (ASU 1) производит поток кислорода высокого давления, увеличенный по отношению к потоку в соответствии с первым процессом, а вторая установка производит уменьшенный поток и даже нулевой поток, причем, по меньшей мере, первая установка функционирует в соответствии с одним из предшествующих пунктов и производит дополнительно к своей исходной продукции кислород высокого давления в количестве, по меньшей мере, 50% от количества кислорода высокого давления, производимого второй установкой при первом процессе.

21. Способ по п.20, при котором компрессор (С2) воздуха второй установки направляет сжатый воздух в первую установку в ходе второго процесса.