СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МНОЖЕСТВА УСТАНОВОК ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПУТЕМ КРИОГЕННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ И МНОЖЕСТВО УСТАНОВОК ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА, РАБОТАЮЩИХ СОГЛАСНО НАЗВАННОМУ СПОСОБУ Российский патент 2011 года по МПК F25J3/04 

Настоящее изобретение относится к способу регулирования множества установок для разделения воздуха путем криогенной дистилляции, включающей, по меньшей мере, две установки для разделения воздуха путем криогенной дистилляции.

Для криогенной дистилляции обрабатываемый газ должен быть сухим и очищенным от диоксида углерода для предотвращения образования льда в холодильной камере.

Одной из наиболее эффективных систем для очистки воздуха является обработка воздуха во входном очистительном блоке. Система включает два цилиндра, из которых один действует в стадии адсорбции, другой в одной из стадий регенерации.

На некоторых предприятиях для производства нужного количества газа размещают множество установок для криогенной дистилляции.

При очистке на начальной стадии одна из стадий линии регенерации состоит в повторном повышении давления в цилиндре, который был в режиме регенерации, перед переключением его на адсорбцию.

Для всего цикла, составляющего от 120 до 300 минут, стадия сжатия обычно занимает время между 5 и 20 минутами. Этот период зависит от потока дополнительного воздуха, имеющегося в распоряжении для повторного сжатия.

В общем, от 2 до 10% воздушного потока (относительно номинальной скорости потока) используются для повышения давления в цилиндре. Поэтому количество воздуха, посылаемого в разделительную установку, во время сжатия соответственно сокращается. На предприятиях с несколькими установками для разделения воздуха стадии линии обезвоживания являются независимыми друг от друга.

На предприятии с числом N воздушных установок (N>=2) существует вероятность того, что до N стадий сжатия совпадут во времени.

Одна цель настоящего изобретения состоит в сведении к минимуму возможного числа совпадающих во времени стадий сжатия.

Согласно одной цели изобретения представляется способ регулирования множества установок для разделения воздуха путем криогенной дистилляции, множество, включающее N установок для разделения газовой смеси, в частности воздуха, где N>1, в котором газ, имеющий, по существу, одинаковый состав, подается из N установок на потребляющий блок, каждая установка включает систему дистиляционных колонн и адсорбционный блок, в котором используются, по меньшей мере, два адсорбера, каждая, с фазовым сдвигом, следует одному и тому же циклу, в котором фаза адсорбции, при высоком давлении цикла, и фаза регенерации со сниженным давлением сменяют одна другую, прерываясь при повторном повышении давления в адсорбере, способ, включающий стадию, на которой адсорберы блока располагаются параллельно, при этом установка имеет время адсорбционного цикла, отличается тем, что функционирование, по меньшей мере, некоторых очистительных установок регулируется так, что стадия повторного сжатия в одной установке начинается в иной момент времени, нежели время начала повторного сжатия в другой установке.

Согласно прочим необязательным аспектам:

- газовую смесь очищают в адсорбционном блоке выше по потоку системы колонн для каждой установки,

- функционирование адсорбционных блоков регулируют так, что стадии повторного сжатия во всех блоках происходят в разные периоды времени,

- функционирование адсорбционных блоков регулируют так, что, по меньшей мере, некоторые из адсорбционных блоков действуют, по меньшей мере, периодически с разными продолжительностями цикла,

- продолжительность цикла, по меньшей мере, одного адсорбционного блока корректируют во время действия так, чтобы стадии повторного сжатия не происходили одновременно,

- газовая смесь представляет собой воздух, и, по меньшей мере, две из установок подают газообразный кислород и/или газообразный азот, который предпочтительно является сжатым, на потребляющий блок,

- адсорбционные блоки регулируют так, чтобы число секунд, кратное отношению M/N, протекало между концом цикла в одной установке и концом цикла в другой установке, где М представляет собой среднюю продолжительность цикла для N установок,

- продолжительность цикла, по меньшей мере, одного адсорбционного блока корректируют в то время, когда цикл все еще продолжается,

- продолжительность цикла, по меньшей мере, одного адсорбционного блока корректируют согласно температуре газа, выходящего из адсорбционного блока, и/или согласно составу газа, выходящего из адсорбционного блока,

- стадия повторного сжатия для одной установки начинается, по меньшей мере, за(через) 90 минут, предпочтительно по меньшей мере, за(через) 75 минут, даже, по меньшей мере, за(через) 50 минут, более того, по меньшей мере, за(через) 40 минут до (после) начала повторного сжатия для другой установки,

- для каждой установки адсорбционный блок включает только два адсорбера.

Согласно еще одной цели изобретения, представляется множество установок для разделения газовой смеси, необязательно воздуха, путем криогенной дистилляции, множество, включающее N установок разделения газовой смеси, где N>1, каждая установка, питающая потребляющий блок газом из воздуха, имеющего, по существу, одинаковый состав, и каждая установка, содержащая систему дистиляционных колонн и адсорбционный блок, в котором используются, по меньшей мере, два адсорбера, каждая, с фазовым сдвигом, следует одному и тому же циклу, в котором фаза адсорбции, при высоком давлении цикла, и фаза регенерации со сниженным давлением сменяют одна другую, прерываясь при повторном повышении давления в адсорбере, способ, включающий стадию, в которой адсорберы блока располагаются параллельно, каждая установка имеет время адсорбционного цикла, отличается тем, что он включает средство регулирования действия, по меньшей мере, некоторых из очистительных блоков так, что стадия повторного сжатия в одной установке начинается в иной момент времени, нежели время начала повторного сжатия в другой установке.

По выбору, множество включает общий нагреватель (RC) для нагревания регенерационного газа, выходящего из первой системы колонн первой из N установок выше по потоку первого адсорбционного блока, и для нагревания регенерационного газа, выходящего из второй системы колонн второй из N установок выше по потоку второго адсорбционного блока.

Изобретение описывается более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает число одновременных циклов сжатия в данный момент без применения изобретения.

Фиг.2 показывает число одновременных циклов сжатия в данный момент при использовании изобретения.

Фиг.3 и 4 показывают вариации в продолжительностях циклов для множества из четырех установок для разделения воздуха согласно изобретению.

Фиг.5 показывает вариации температур потоков, входящих в адсорбционный цилиндр и выходящих из него.

Фиг.6 показывает множество из четырех установок для разделения воздуха согласно изобретению.

Фиг.1, с числом одновременных циклов сжатия по у-оси и временем по х-оси, показывает, что на предприятии с четырьмя блоками для разделения воздуха, питающими одного и того же потребителя, могут происходить одновременно 2, 3 или 4 сжатия, имея результатом снижение чистоты и/или количества продукта для конечного потребителя, снабжаемого несколькими установками.

Изобретение применимо ко всем способам разделения воздуха, по меньшей мере, с двойной колонной (колонна среднего давления и колонна низкого давления) при производстве кислорода, именуемом нагнетанием: то есть жидкий кислород, выводимый со дна колонны низкого давления, нагнетается под давлением выше чем 10 бар, перед испарением в одном или более теплообменников.

Изобретение также применимо к установке, производящей неочищенный кислород по принципу перемешивающей колонны.

Изобретение заключается в определении для каждого цикла каждого блока для разделения воздуха, должен ли этот цикл быть слегка увеличен или, напротив, слегка сокращен, для обеспечения того, что в конечном итоге все линии различных блоков для разделения воздуха будут десинхронизированы.

При нормальном завершении цикла в цилиндре состояние функционирования цикла в других блоках служит основанием для расчета числа минут, на которые цикл в рассматриваемом цилиндре должен быть продлен или сокращен.

Например, для цилиндра, уже находящегося в стадии повторного сжатия, продолжительность цикла другого(-гих) блока(-ков) увеличивается (внутри приемлемого предела, например, 10 минут), чтобы дождаться, если возможно, завершения стадии повторного сжатия в другой системе.

Как показано в Фиг.3 и 4, оператор определяет контрольный блок, здесь блок 4. Расчет для всех блоков проводится, когда контрольный блок находится близко к завершению своего цикла (то есть при значении «Продолжительность Цикла - ДельтаМакс»).

ДельтаМакс представляет собой максимально допустимое изменение цикла для корректировки продолжительности цикла.

Каждый блок находится в одной стадии цикла (непременно более короткой, чем контрольный блок).

Поэтому имеет место ситуация:

- блок 1 при времени О,

- блок 2 при времени Р,

- блок 3 при времени Q,

и контрольный блок 4 при времени R, где R = (Продолжительность Цикла) - (ДельтаМакс) = 4М - (ДельтаМакс)

Допустим, что М = (Продолжительность Цикла)/4.

Теперь можно рассчитать неизвестные значения А, В, С и D, которые будут ограничивать или увеличивать циклы блоков 1, 2, 3 или 4, чтобы иметь М минут между двумя концами циклов.

Должна быть решена система следующих задач:

4M-R+O+A-D=М

Р-О+В-А=М

Q-P+C-B=М

R-Q+D-C=М

Пусть:

А=R-O-3·M+D

В=R-P-2·M+D

С=R-Q-M+D

При любом D; эта система имеет бесконечное число решений, но известно, что А, В, С и D должны быть между -ДельтаМакс и +ДельтаМакс.

Допустим, что D таково, что A+B+C+D=0 (когда система стабильна, решение должно быть A=B=C=D=0).

Это дает D=(-3·R+O+P+Q+6·M)/4.

Тогда решение системы:

D = Максимум(-ДельтаМакс; Минимум(+ДельтаМакс;

(-3·R+O+P+Q+6·M)/4))

С = Максимум(-ДельтаМакс; Минимум(+ДельтаМакс;

(-3·Q+R+O+P+2·M)/4))

В = Максимум(-ДельтаМакс; Минимум(+ДельтаМакс;

(-3·P+Q+R+O-2·M)/4))

А = Максимум(-ДельтаМакс; Минимум(+ДельтаМакс;

(-3·O+P+Q+R-6·M)/4))

Вышеописанный способ расчета является простым; очевидно, могут обсуждаться другие, более сложные способы.

Благодаря изобретению максимальное потребление энергии соответствует общему расчетному потреблению плюс дополнительное потребление, соответствующее однократному сжатию. Это существенно помогает снизить размеры и тем самым стоимость системы снабжения электрической энергией.

Например, при четырех установках для разделения воздуха, 5% потребления воздуха на повторное сжатие, и энергии сжатия воздуха, обеспеченной расширением водяного пара, максимальное расходование пара для четырех установок должно быть 4·Расчет+5%·Расчет=405 Расчет вместо 4·Расчет+4·5%·Расчет=420 Расчет согласно прототипу.

Максимальное время, которое система может использовать, зависит от нагрузки блока. Тем самым при высокой нагрузке система может увеличивать или сокращать продолжительность цикла на 5 минут (например). При пониженной нагрузке (при более длинной линии) система может увеличивать или сокращать продолжительность цикла на 10 минут.

При пониженной нагрузке продолжительность цикла также может быть увеличена на 10 минут и сокращена на 20 минут (согласно течению стадии охлаждения, то есть температура отходящего газа, покидающего цилиндр в стадии охлаждения, является достаточно низкой). Как показано на Фиг.5, температура на выпускном патрубке цилиндра падает в начале цикла, затем повышается до достижения теплового максимума, около 105 минут на чертеже. Как только этот максимум был пройден, продолжительность цикла может быть сокращена, например, если температура отходящего газа является более низкой, чем нормальная температура отходящего газа +10°С, и чем температура окружающей среды +10°С.

Предел максимального увеличения цикла может быть отрегулирован путем повышения содержания диоксида углерода на выходе из цилиндра выше данного порогового значения. Например, если содержание диоксида углерода увеличивается до 1 млн^-1 выше порогового значения, цилиндр должен быть заменен.

Таким образом, разница между началами двух стадий повторного сжатия для двух установок системы составляет около 37 минут.

Эта система также обеспечивает применение одного и того же нагревателя для двух или более блоков. Это обусловливается тем, что периоды регенерации горячего газа также являются десинхронизированными.

Поскольку общая скорость потока сжатого газа во всех воздушных компрессорах варьирует меньше, чем в прототипе, меньше варьирует и их энергопотребление, тем самым обеспечивая дополнительное преимущество:

Когда энергия сжатия получается от расширения водяного пара, то расходование пара варьирует меньше (меньшие колебания в сети паропроводов, тем самым нет риска падения давления в паровом коллекторе).

Когда компрессор имеет привод от электромотора, становится гораздо более простым прогнозирование потребления блоком электрической энергии, и тем самым оптимизируются платежи (в особенности, если стоимость энергии рассчитывается по фиксированной части и переменной части).

Фиг.6 показывает множество из четырех установок для разделения воздуха. Установка 1 получает сжатый воздух 1C. Этот воздух очищается в адсорбционном блоке 1А, цикл которого отрегулирован согласно изобретению, и адсорбционный блок производит отходящий газовый поток 1W, который служит для регенерации, этот поток 1R выходит из системы дистиляционных колонн 1В. Очищенный воздух 1Е подается в систему колонн 1В и разделяется с образованием газообразного кислорода 1GOX путем испарения нагнетаемого жидкого кислорода или любым другим известным способом.

Каждая из установок 2, 3 и 4 работает, по существу, таким же образом, как описано для установки 1, и они подробно не описываются. Например, установки от 1 до 4 могут представлять собой нагнетательные блоки, как описано в книге "The Technology of Catalytic Oxidations", Editions Technip, авторы Arpentinier et al., или установки с перемешивающими колоннами. Потоки 1GOX, 2GOX, 3GOX и 4GOX направляются в потребляющий блок 5, такой как блок для газификации или блок частичного окисления.

Общий нагреватель служит для нагревания регенерационных потоков 1R, 2R, поскольку повторное нагревание двух потоков не происходит одновременно.

Легко понять, что изобретение может быть использовано во множестве установок для разделения смеси, имеющей в качестве своих главных компонентов водород и/или монооксид углерода, и/или метан, и/или азот.

В способе регулирования множества установок для разделения воздуха путем криогенной дистилляции газ, имеющий, по существу, одинаковый состав, направляется из N установок к потребляющему блоку (5). Каждая установка содержит систему колонн для дистилляции газовой смеси (1В, 2В, 3В, 4В), в частности воздуха, и блок для адсорбирования газовой смеси, в частности воздуха (1А, 2А, 3А, 4А), в котором используются, по меньшей мере, два адсорбера. Каждая установка с фазовым сдвигом следует одному и тому же циклу, в котором фаза адсорбции, при высоком давлении цикла, и фаза регенерации со снижением давления сменяют одна другую, завершаясь повторным сжатием в адсорбере. Способ включает стадию, на которой соединяют адсорберы параллельно. Функционирование, по меньшей мере, некоторых из очистительных блоков регулируется так, что стадия повторного сжатия для одной установки начинается в момент времени, отличный от времени начала повторного сжатия для другой установки, причем функционирование адсорбционных блоков (1А, 2А, 3А, 4А) регулируется так, чтобы, по меньшей мере, некоторые из адсорбционных блоков действовали, по меньшей мере, периодически с различными продолжительностями цикла. Использование изобретения позволит свести к минимуму число совпадающих по времени стадий сжатия. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ регулирования множества установок для разделения воздуха путем криогенной дистилляции, при этом множество содержит N установок для разделения воздуха (1, 2, 3, 4), где N>1, в котором газ, имеющий, по существу, одинаковый состав, направляется из N установок к потребляющему блоку (5), каждая установка содержит систему колонн для дистилляции газовой смеси (1В, 2В, 3В, 4В), в частности воздуха, и блок для адсорбирования газовой смеси, в частности воздуха (1А, 2А, 3А, 4А), в котором используются, по меньшей мере, два адсорбера, каждая, с фазовым сдвигом, следует одному и тому же циклу, в котором фаза адсорбции при высоком давлении цикла и фаза регенерации со снижением давления сменяют одна другую, завершаясь повторным сжатием в адсорбере, при этом способ включает стадию, на которой соединяют адсорберы параллельно, каждая установка имеет продолжительность цикла адсорбции, отличающийся тем, что функционирование, по меньшей мере, некоторых из очистительных блоков регулируется так, что стадия повторного сжатия для одной установки начинается в момент времени, отличный от времени начала повторного сжатия для другой установки,
причем функционирование адсорбционных блоков (1А, 2А, 3А, 4А) регулируется так, чтобы, по меньшей мере, некоторые из адсорбционных блоков действовали, по меньшей мере, периодически с различными продолжительностями цикла.

2. Способ по п.1, в котором функционирование адсорбционных блоков (1А, 2А, 3А, 4А) регулируется так, чтобы все стадии повторного сжатия блоков происходили в разные периоды времени.

3. Способ по п.1, в котором продолжительность цикла, по меньшей мере, одного блока (1А, 2А, 3А, 4А) корректируется во время функционирования так, чтобы стадии повторного сжатия не были одновременными.

4. Способ по п.1 или 2, в котором газовая смесь представляет собой воздух, и, по меньшей мере, две из установок подают газообразный кислород и/или газообразный азот к потребляющему блоку.

5. Способ по п.1 или 2, в котором адсорбционные блоки (1А, 2А, 3А, 4А) регулируются так, чтобы число секунд, кратное отношению M/N, проходило между концом цикла одной установки и концом цикла другой установки, где М представляет собой среднюю продолжительность цикла для N установок.

6. Способ по п.1 или 2, в котором продолжительность цикла, по меньшей мере, одного адсорбционного блока (1А, 2А, 3А, 4А) корректируется в то время, когда цикл все еще продолжается.

7. Способ по п.1 или 2, в котором продолжительность цикла, по меньшей мере, одного адсорбционного блока (1А, 2А, 3А, 4А) корректируется согласно температуре газа (1W), выходящего из адсорбционного блока, и/или согласно составу газа (1W), выходящего из адсорбционного блока.

8. Способ по п.1 или 2, в котором стадия повторного сжатия для одной установки начинается, по меньшей мере, за 90 мин до начала повторного сжатия для другой установки или через 90 мин после начала повторного сжатия другой установки.