СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПУТЕМ КРИОГЕННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ Российский патент 2011 года по МПК F25J3/04 

Настоящее изобретение относится к способу и установке для разделения воздуха путем криогенной дистилляции.

Зачастую желательно иметь установку для разделения воздуха, которая производит по меньшей мере в основном газ в течение по меньшей мере одного периода, когда цены на электричество выше, и по меньшей мере в основном жидкость в течение по меньшей мере одного периода, когда цены на электричество ниже. Настоящее изобретение обеспечивает установку, работающую при оптимальном энергопотреблении в обоих режимах работы.

Данная установка включает в себя воздухоразделительную колонную систему, которая может быть любого известного типа, но может, в частности, представлять собой систему из двух колонн, включающую в себя колонну высокого давления и колонну низкого давления, термически соединенные при помощи ребойлера и конденсатора на дне колонны низкого давления, где конденсируется азот с верхней части колонны высокого давления.

Все давления, упомянутые в данном тексте, являются абсолютными давлениями.

В соответствии с задачей изобретения обеспечивается процесс для производства по меньшей мере одного жидкого продукта и по меньшей мере одного газообразного продукта путем криогенной дистилляции воздуха в первом режиме работы и во втором режиме работы, при этом при таком процессе производится больше жидкости в качестве конечного продукта во втором режиме работы, чем в первом режиме работы, при этом во всех режимах работы сжатый и очищенный газообразный воздух охлаждается на линии теплообмена и направляется в по меньшей мере одну колонну колонной системы, жидкий поток, выделенный из компонентов воздуха, удаляется из колонны колонной системы и испаряется на линии теплообмена, воздух повышенного давления направляется в линию теплообмена, конденсируется и направляется в колонную систему, и часть поданного воздуха направляется в один из по меньшей мере двух расширителей и затем в колонну колонной системы, при этом:

i) в соответствии с первым режимом по меньшей мере часть поданного воздуха отводится в промежуточной точке линии теплообмена, сжимается при криогенной температуре в холодном компрессоре и направляется в линию теплообмена для дальнейшего охлаждения, после чего направляется в колонную систему, и часть поданного воздуха направляется в первый расширитель, и

ii) в соответствии со вторым режимом весь поданный воздух сжимается до высокого давления, которое по меньшей мере на 20 бар выше, чем наибольшее давление в колонне колонной системы, во втором компрессоре, охлаждается на линии теплообмена, после чего часть его направляется в колонную систему, а другая часть воздуха высокого давления направляется во второй расширитель.

В соответствии с дополнительными объектами изобретения:

- в соответствии с первым режимом часть поданного воздуха при давлении на выходе из холодного компрессора охлаждается и направляется в первый расширитель;

- холодный компрессор соединяется с первым расширителем;

- второй компрессор соединяется со вторым расширителем;

- воздух, обработанный во втором компрессоре при втором режиме работы, и в холодном компрессоре при первом режиме работы, после этого направляется к общим средствам передачи дальше по потоку в колонной системе;

- при первом режиме работы воздух направляется из холодного компрессора к линии теплообмена через трубопровод, и при втором режиме работы воздух направляется из второго компрессора ко второму расширителю через этот же трубопровод;

- при первом режиме работы воздух направляется из холодного компрессора через проход в линии теплообмена к ее холодному концу, и при втором режиме работы воздух направляется из второго компрессора к холодному концу линии теплообмена через этот же проход.

В соответствии с дополнительным объектом изобретения обеспечивается установка для разделения воздуха путем криогенной дистилляции, содержащая:

а) колонную систему,

b) линию теплообмена,

с) главный компрессор,

d) холодный компрессор, соединенный с выходом главного компрессора,

е) второй компрессор, соединенный с выходом главного компрессора,

f) первый и второй расширители,

g) средства для направления воздуха от холодного компрессора к первому расширителю,

h) средства для направления воздуха от второго компрессора ко второму расширителю,

i) средства для направления воздуха от первого и второго расширителей в колонную систему,

j) средства для направления воздуха от холодного компрессора и второго компрессора в колонную систему через средства теплообмена без пересечения как первого, так и второго расширителей.

В соответствии с другими дополнительными объектами:

- средства для направления воздуха от холодного компрессора к первому расширителю и средства для направления воздуха от второго компрессора ко второму расширителю включают в себя общий отрезок трубопровода;

- средства для направления воздуха от холодного компрессора и второго компрессора в колонную систему через средства теплообмена без пересечения как первого, так и второго расширителей, включают в себя по меньшей мере один общий проход в средствах теплообмена;

- установка включает в себя третий расширитель и средства для направления воздуха из колонной системы к третьему расширителю и затем к средствам теплообмена.

Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи. Фиг.1, 2 и 3 изображают схемы потока воздуха для воздухоразделительной установки в соответствии с изобретением. Пунктирными линиями обозначены соединения между компрессором и турбиной.

В способе по фиг.1 используется система с двумя колоннами, в которой колонна 65 высокого давления размещена под колонной 67 низкого давления и термически соединена с ней посредством ребойлера и конденсатора 69.

Во всех режимах работы, охлажденный, очищенный и сжатый газообразный воздух подается в колонну 65 высокого давления. Обратные потоки (не показано) направляются из колонны высокого давления в колонну 67 низкого давления так же, как и в предшествующем уровне техники. Дополнительно, во всех режимах, газообразный азот 61 удаляется из верхней части колонны 67 низкого давления и подогревается в теплообменнике 19 в то время, пока лишний азот 59 удаляется из нижней части колонны 67 низкого давления и подогревается в теплообменнике 19 до его использования для регенерации очищающего блока 8.

На фиг.1 весь воздух сжимается до давления 15,5 бар в компрессоре 1 и охлаждается в охладителе 4 для формирования потока 3. После дальнейшего охлаждения в охладителе 6 воздух очищается в очищающем блоке 8. Выход компрессора 1 соединен с входом компрессора 5 и с теплообменником 19.

Когда установка работает в газовом режиме, воздух из компрессора 1 не направляется в компрессор 11 в качестве потока 5. Весь воздух направляется к теплому концу линии 19 теплообмена через открытый клапан 13 в качестве потока 7. Воздух 7 охлаждается до промежуточной температуры линии 19 теплообмена и сжимается до давления 26 бар в холодном компрессоре 37. Клапан 21 открыт, и весь сжатый воздух затем направляется обратно в линию 19 теплообмена через трубопровод 23, дальше охлаждается в трубопроводе 43 и разделяется на две части при промежуточной температуре, более низкой, чем температура на входе в холодный компрессор 37. Одна часть охлаждается полностью в линии 19 теплообмена как поток 41, в то время как остальная часть 33 направляется через клапан 35 на турбину 39, соединенную с холодным компрессором 37. Расширенный воздух затем направляется в колонну колонной системы. В данном примере, воздух направляется в виде потока 45 к колонне 65 высокого давления, формируя подачу лишь газа в колонну высокого давления.

При этом режиме жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).

Когда установка работает в жидкостном режиме, весь воздух из компрессора 1 направляется к компрессорам 11, 17 в виде потока 5 и сжимается до давления 34 бар, клапан 15 открывается и клапан 13 закрывается. Воздух 5 высокого давления затем дополнительно сжимается до давления 47 бар в компрессоре 17 и направляется к теплому концу линии 19 теплообмена. После частичного охлаждения потока 5 он разделяется на две части, одна часть 41 охлаждается полностью в линии 19 теплообмена при помощи трубопровода 43, и остальная часть 31 направляется на турбину 29 через трубопровод 23 и клапан 21. Поток 45 расширенного воздуха направляется в колонну колонной системы, в этом случае в колонну 65 высокого давления. Компрессор 17 соединяется с расширителем 49, который расширяет воздух 47, удаленный из колонны высокого давления. Воздух 51 из расширителя 49 направляется на линию 19 теплообмена и охлаждается в ней до выброса в атмосферу. Компрессор 12 присоединен к расширителю 29.

В ходе такого жидкостного режима жидкий кислород LOX 53 и жидкий азот LIN 69 удаляются из колонн низкого и высокого давления соответственно. Дополнительно, жидкий кислород удаляется из донной части колонны 57 низкого давления и сжимается как поток 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).

Очевидно, что количество трубопроводов удовлетворяет различным целям, в зависимости от используемой модели. Охлаждающий участок 43 получает воздух при давлении 47 бар, который затем охлаждается путем прохождения через всю линию теплообмена в жидкостном режиме, и получает воздух при давлении 26 бар, выходящий из холодного компрессора 37 в газовом режиме. Дополнительно, на участке 28 наблюдается обратный поток между двумя режимами, воздух, протекающий в одном направлении от линии 19 теплообмена к турбине 29 на жидкостном режиме, и в другом направлении от холодного компрессора 37 к линии 19 теплообмена в газовом режиме.

Очевидно, что небольшое количество жидкости может быть произведено в ходе газового режима, и некоторое количество газа - в ходе жидкостного режима.

По желанию во всех режимах работы по фиг.1, азот 61 сжимается до более высокого давления в компрессоре 63.

Как показано на фиг.2, весь воздух сжимается до давления 15,5 бар в компрессоре 1 и охлаждается в охладителе 4 для формирования потока 3. После дальнейшего охлаждения в охладителе 6 воздух очищается в очищающем блоке 8. Выход компрессора 1 соединен с входом компрессора 5 и с теплообменником 19.

Когда установка работает в газовом режиме, воздух из компрессора 1 не направляется в компрессор 11 в виде потока 5. Весь воздух направляется на теплый конец линии 19 теплообмена, через открытый клапан 13 в виде потока 7. Клапан 15 закрыт. Воздух 7 охлаждается до промежуточной температуры линии 19 теплообмена и сжимается до давления 26 бар в холодном компрессоре 37. Клапан 21 открыт, и весь сжатый воздух направляется обратно в линию 19 теплообмена через трубопровод 23, дальше охлаждается в трубопроводе 43 и подразделяется на две части при промежуточной температуре, ниже чем температура на входе в холодный компрессор 37. Одна часть полностью охлаждается в линии 19 теплообмена в виде потока 41, в то время как другая часть 33 направляется через клапан 35 на турбину 39, соединенную с холодным компрессором 37. Расширенный воздух затем направляется в колонну колонной системы. В этом примере воздух направляется в виде потока 45 в колонну 65 высокого давления, образуя подачу лишь газа в колонну высокого давления.

В этом режиме жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).

Когда установка работает в жидкостном режиме, весь воздух из компрессора 1 направляется в компрессоры 11, 17 в виде потока 5 и сжимается до давления 34 бар, клапан 15 открыт, а клапан 13 закрыт. Воздух 5 высокого давления направляется на теплый конец линии 19 теплообмена. После того как поток 5 был частично охлажден, он разделяется на две части, одна часть 41 охлаждается полностью на линии 19 теплообмена через трубопровод 43, и другая часть 31 направляется на турбину 29 через трубопровод 23 и клапан 21. Расширенный поток воздуха 45 направляется в колонну колонной системы, в данном случае - в колонну 65 высокого давления. Компрессор 17 присоединен к расширителю 29.

В ходе этого жидкостного режима жидкий кислород LOX 53 и жидкий азот LIN 69 удаляются из колонны низкого и высокого давления соответственно. Дополнительно, жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).

Очевидно, что количество трубопроводов удовлетворяет различным целям, в зависимости от используемого режима. Охлаждающий участок 43 принимает воздух, который затем охлаждается путем прохождения через всю линию теплообмена в жидкостном режиме, и принимает воздух при давлении 26 бар, выходящий из холодного компрессора 37, в газовом режиме. Дополнительно, на участке 23 наблюдаются обратные потоки между двумя режимами, воздух, протекающий в одном направлении от линии 19 теплообмена к турбине 29 в жидкостном режиме, и в другом направлении от холодного компрессора 37 к линии 19 теплообмена в газовом режиме.

Очевидно, что небольшое количество жидкости может быть произведено в газовом режиме, и небольшое количество газа может быть произведено в жидкостном режиме.

По желанию, во всех режимах работы по фиг.2, азот 61 сжимается до более высокого давления в компрессоре 63.

В упрощенном варианте системы по фиг.1, как показано на фиг.3, используются лишь две воздушные турбины.

В процессе по фиг.3 может быть использована система с двумя колоннами, как показано и описано для фиг.1, в которой колонна 65 высокого давления размещена под колонной 67 низкого давления и термически соединена с ней через ребойлерный конденсатор 69.

Во всех режимах работы, как показано на фиг.1, охлажденный, очищенный и сжатый газообразный воздух подается в колонну 65 высокого давления. Обратные потоки (не показано) направляются из колонны высокого давления в колонну 67 низкого давления, как и в предшествующем уровне техники. Дополнительно, во всех режимах, газообразный азот 61 удаляется из верхней части колонны 67 высокого давления и нагревается в теплообменнике 19, в то время как лишний азот 59 удаляется из нижней части колонны 67 низкого давления и нагревается в теплообменнике 19 до того, как он будет использован для регенерации очищающего блока 8.

На фиг.3, весь воздух сжимается до давления в 15,5 бар в компрессоре 1 и образует поток 3. После дальнейшего охлаждения (не показано), воздух очищается в очищающем блоке (не показано). Выход компрессора 1 соединен с входом компрессора 5 и с теплообменником 19.

Когда установка работает в газовом режиме, воздух из компрессора 1 не направляется в компрессор 11 в виде потока 5. Весь воздух направляется на теплый конец линии 19 теплообмена, через открытый клапан 13 в виде потока 7. Воздух 7 охлаждается до промежуточной температуры линии 19 теплообмена и сжимается до давления 26 бар в холодном компрессоре 37. Клапан 21 открывается, и весь сжатый воздух направляется обратно в линию 19 теплообмена через трубопровод 23, дальше охлаждается в трубопроводе 43 и подразделяется на две части при средней температуре, выше, чем температура на входе в холодный компрессор 37. Одна часть охлаждается полностью в линии 19 теплообмена в виде потока 41, в то время как остальная часть 33 направляется через клапан 35 к турбине 39, соединенной с холодным компрессором 37. Расширенный воздух затем направляется в колонну колонной системы. В этом примере воздух направляется в виде потока 45 в колонну 65 высокого давления, образуя подачу лишь газа в колонну высокого давления.

В этом режиме жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).

Когда установка работает в жидкостном режиме, весь воздух из компрессора 1 направляется в компрессор 11 в виде потока 5 и сжимается до давления 34 бар, клапан 15 открывается и клапан 13 закрывается. Воздух 5 высокого давления затем дополнительно сжимается до давления 47 бар в компрессоре 17 и направляется на теплый конец линии 19 теплообмена. После того как поток 5 был частично охлажден, он разделяется на две части, одна часть 41 охлаждается полностью на линии 19 теплообмена через трубопровод 43, и другая часть 31 направляется на турбину 29 через трубопровод 23. Расширенный поток воздуха 45 направляется в колонну колонной системы, в данном случае - в колонну 65 высокого давления. Компрессор 17 присоединен к расширителю 29. В ходе этого режима жидкий кислород LOX 53 и жидкий азот LIN 69 удаляются из колонны низкого и высокого давления соответственно. Дополнительно, жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).

Очевидно, что количество трубопроводов удовлетворяет различным целям, в зависимости от используемого режима. Охлаждающий участок 43 принимает воздух при давлении 47 бар, который затем охлаждается путем прохождения через всю линию теплообмена в жидкостном режиме, и принимает воздух при давлении 26 бар, выходящий из холодного компрессора 37, в газовом режиме. Дополнительно, на участке 23 наблюдаются обратные потоки между двумя режимами, воздух, протекающий в одном направлении от линии 19 теплообмена к турбине 29 в жидкостном режиме, и в другом направлении от холодного компрессора 37 к линии 19 теплообмена в газовом режиме.

Для всех воплощений, помимо упомянутых газового режима и жидкостного режима, могут существовать другие режимы работы.

Способ производства жидкого продукта (53) и газообразного продукта (55, 61) путем криогенной дистилляции воздуха производит больше жидкости в качестве конечного продукта в втором режиме, чем в первом режиме. Во всех режимах работы сжатый и очищенный газообразный воздух охлаждается в линии (19) теплообмена и направляется в колонну колонной системы (65, 67). Поток жидкости (55), насыщающий компонент воздуха, удаляется из колонны колонной системы и испаряется в линии теплообмена. Воздух (3) при повышенном давлении направляется в линию теплообмена, конденсируется и направляется в колонную систему, и часть поданного воздуха направляется к одному из по меньшей мере двух расширителей (29, 39), и затем в колонну колонной системы. В соответствии с первым режимом работы часть (7) поданного воздуха удаляют из промежуточной точки линии теплообмена, сжимают при криогенной температуре в холодном компрессоре (37) и направляют к линии теплообмена для дальнейшего охлаждения, и направляют в колонную систему, а часть поданного воздуха направляется в первый расширитель (39). В соответствии со вторым режимом весь поданный воздух (5) сжимают до высокого давления, которое по меньшей мере на 20 бар выше, чем самое высокое давление в колонне колонной системы, во втором компрессоре (11, 12, 17), охлаждают в линии теплообмена и направляют частично в колонную систему, и другую часть воздуха высокого давления направляют во второй расширитель (29). Использование изобретения позволит обеспечить работу при оптимальном энергопотреблении при обоих режимах работы. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ производства по меньшей мере одного жидкого продукта (53) и по меньшей мере одного газообразного продукта (55, 61) путем криогенной дистилляции воздуха в первом режиме работы и втором режиме работы, при этом способ производит больше жидкости в качестве конечного продукта во втором режиме, чем в первом режиме, при этом во всех режимах работы сжатый и очищенный газообразный воздух охлаждается в линии (19) теплообмена и направляется в по меньшей мере одну колонну колонной системы (65, 67), поток жидкости (55), насыщающий компонент воздуха, удаляется из колонны колонной системы и испаряется в линии теплообмена, воздух (3) при повышенном давлении направляется в линию теплообмена, конденсируется и направляется в колонную систему, и часть поданного воздуха направляется к одному из по меньшей мере двух расширителей (29, 39), и затем в колонну колонной системы, при этом
a) в соответствии с первым режимом работы по меньшей мере часть (7) поданного воздуха удаляют из промежуточной точки линии теплообмена, сжимают при криогенной температуре в холодном компрессоре (37) и направляют к линии теплообмена для дальнейшего охлаждения, направляют в колонную систему, а часть поданного воздуха направляется в первый расширитель (39), и
b) в соответствии со вторым режимом весь поданный воздух (5) сжимают до высокого давления, которое по меньшей мере на 20 бар выше, чем самое высокое давление в колонне колонной системы, во втором компрессоре (11, 12, 17), охлаждают в линии теплообмена и направляют частично в колонную систему, и другую часть воздуха высокого давления направляют во второй расширитель (29).

2. Способ по п.1, в котором в соответствии с первым режимом часть поданного воздуха под давлением на выходе из холодного компрессора охлаждается и направляется в первый расширитель (39).

3. Способ по п.1 или 2, в котором холодный компрессор (37) присоединен к первому расширителю (39).

4. Способ по п.1 или 2, в котором второй компрессор (11, 12, 17) присоединен ко второму расширителю (29).

5. Способ по п.1 или 2, в котором воздух, обработанный во втором компрессоре (11, 12, 17) во втором режиме и в холодном компрессоре (37) в первом режиме после этого направляют к общим передающим средствам (23) дальше по ходу перемещения в колонной системе.

6. Способ по п.5, в котором в первом режиме воздух направляется от холодного компрессора (37) к линии (19) теплообмена через трубопровод (23), и во втором режиме воздух направляется из второго компрессора (11, 12, 17) ко второму расширителю (29) через тот же трубопровод.

7. Способ по п.5, в котором в первом режиме воздух направляется от холодного компрессора (37) через проход в линии теплообмена (19) к ее холодному концу, и во втором режиме воздух направляется из второго компрессора (11, 12, 17) к холодному концу линии теплообмена через тот же проход.

8. Установка для разделения воздуха путем криогенной дистилляции, содержащая
a) колонную систему (65, 67),
b) линию (19) теплообмена,
c) главный компрессор (1),
d) холодный компрессор (37), соединенный с выходом главного компрессора,
e) второй компрессор (11, 12, 17), соединенный с выходом главного компрессора,
f) первый и второй расширители (29, 39),
g) средства (21, 23, 43, 33, 35) для направления воздуха из холодного компрессора к первому расширителю,
h) средства (21, 22, 23, 31) для направления воздуха от второго компрессора ко второму расширителю,
i) средства (45, 51) для направления воздуха от первого и второго расширителей в колонную систему,
j) средства (41) для направления воздуха от холодного компрессора и второго компрессора в колонную систему через средства теплообмена без пересечения как первого, так и второго расширителей.

9. Установка по п.8, в которой средства для направления воздуха от холодного компрессора (37) к первому расширителю и средства для направления воздуха от второго компрессора (11, 12) ко второму расширителю (29) включают в себя общий участок трубопровода (23).

10. Установка по п.8, в которой средства для направления воздуха от холодного компрессора (37) и второго компрессора (11, 12) в колонную систему через средства теплообмена (19) без пересечения как первого, так и второго расширителей (29, 39) включают в себя по меньшей мере один общий проход (23) в средствах теплообмена.

11. Установка по любому из пп.8-10, включающая в себя третий расширитель (49) и средства для направления воздуха (47) от колонной системы к третьему расширителю и затем к средствам теплообмена (19).