СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ КРИОГЕННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ Российский патент 2011 года по МПК F25J3/04 

Настоящее изобретение относится к разделению воздуха с помощью криогенной дистилляции.

В частности, оно относится к способу получения газообразного компонента воздуха под давлением с помощью криогенного разделения.

Зачастую требуется, чтобы установка разделения воздуха, производящая газообразный компонент воздуха под давлением, производила бы также и различное количество компонента воздуха в жидкой форме.

Как известно, данное требование реализуют за счет использования установки разделения воздуха для получения газообразного компонента под давлением, при этом установку разделения воздуха сопрягают с ожижителем для ожижения различных количеств газа из установки разделения воздуха до получения жидкости. Данный аппарат включает значительные капиталовложения.

В соответствии с изобретением предлагается новая технологическая схема, которая эффективно работает в режиме газа и режиме жидкости при вложении только разумных капитальных затрат.

Все упомянутые процентные содержания представляют собой молярные процентные содержания.

В соответствии с одним аспектом изобретения предлагается способ разделения воздуха с помощью криогенной дистилляции в дистилляционной системе, включающей, по меньшей мере, колонну высокого давления и колонну низкого давления, где воздух сжимают в главном компрессоре, сжатый воздух охлаждают в линии теплообмена, охлажденный, сжатый и очищенный воздух направляют из линии теплообмена в колонну высокого давления, обогащенный кислородом жидкий поток направляют из колонны высокого давления в колонну низкого давления, непосредственно или опосредованно, обогащенный азотом жидкий поток пересылают из колонны высокого давления в колонну низкого давления, обогащенный азотом газ удаляют из колонны низкого давления и нагревают в линии теплообмена, компонент воздуха удаляют из дистилляционной системы в жидкой форме, сжимают и нагревают в линии теплообмена, где:

i) в первом режиме работы, по меньшей мере, 90% воздуха, сжатого в главном компрессоре, дополнительно сжимают до первого давления, по меньшей мере, на 30 бар большего, чем давление колонны высокого давления, воздух при первом давлении направляют в линию теплообмена, охлаждают и разделяют на две части, при этом одну часть ожижают и направляют в дистилляционную систему, а одну часть расширяют, по меньшей мере, в одном турборасширителе перед отправлением в колонну высокого давления,

ii) во втором режиме работы самое большее 70% воздуха, сжатого в главном компрессоре, дополнительно сжимают до первого давления, по меньшей мере, на 30 бар большего, чем давление колонны высокого давления, воздух при первом давлении направляют в линию теплообмена, охлаждают и разделяют на две части, при этом одну часть ожижают и пересылают в дистилляционную систему, а одну часть расширяют, по меньшей мере, в одном турборасширителе перед отправлением в колонну высокого давления, и, по меньшей мере, 30% воздуха, сжатого в главном компрессоре, направляют при выходном давлении главного компрессора в линию теплообмена, охлаждают и направляют в колонну высокого давления.

В соответствии с дополнительными необязательными аспектами изобретения:

- компонентом воздуха, удаленным из дистилляционной системы в жидкой форме, сжатым и нагретым в линии теплообмена, являются кислород или азот;

- воздух, сжатый до первого давления, сжимают, по меньшей мере, в одном компрессоре из пары компрессоров, соединенных параллельно;

- воздух, расширенный от первого давления до давления колонны высокого давления, расширяют, по меньшей мере, в одном из двух турборасширителей, соединенных параллельно;

- во время первого режима работы воздух пересылают в оба компрессора, соединенные параллельно, и в оба расширителя, соединенные параллельно;

- во время второго режима работы воздух пересылают только в один из компрессоров, соединенных параллельно, и только в один из расширителей, соединенных параллельно;

- во время первого режима работы в качестве конечного продукта получают больше криогенной жидкости, чем во время второго режима работы;

- криогенную жидкость в качестве конечного продукта получают только во время первого режима работы.

В соответствии с дополнительным аспектом изобретения предлагается аппарат для разделения воздуха с помощью криогенной дистилляции, включающий главный компрессор, линию теплообмена, дистилляционную систему, включающую, по меньшей мере, колонну высокого давления и колонну низкого давления, канал, соединяющий выпуск главного компрессора с линией теплообмена и линию теплообмена с колонной высокого давления, выполненный с возможностью пропускания газообразного воздуха в колонну высокого давления при выходном давлении главного компрессора, при этом выпуск главного компрессора соединяют, по меньшей мере, с одним поджимающим компрессором, выпуск поджимающего компрессора соединяют с линией теплообмена, а линию теплообмена соединяют с дистилляционной системой через средства расширения, так что воздух при выходном давлении поджимающего компрессора охлаждают при данном давлении, а после этого расширяют до давления одной из колонн дистилляционной системы.

Предпочтительно средства расширения включают два турборасширителя, соединенные параллельно, и/или поджимающий компрессор включает, по меньшей мере, одну пару компрессоров, соединенных параллельно.

Поджимающий компрессор может включать две пары компрессоров, соединенных параллельно. Несмотря на работу всех четырех компрессоров поджимающего компрессора в режиме жидкости только один компрессор из каждой параллельной пары работает в режиме газа.

Способ будет описываться более подробно при обращении к чертежу, который демонстрирует установку разделения воздуха, соответствующую изобретению.

Установка разделения воздуха использует две колонны, включающие колонну 43 высокого давления, работающую при приблизительно 5,5 бар (абс.) и термически соединенную с колонной 45 низкого давления.

В соответствии со всеми режимами работы весь воздух для дистилляции сжимают в компрессоре 3 до приблизительно 6 бар (абс.), в виде потока 5 очищают в очистительной установке 7А, 7В.

Из колонны высокого давления удаляют обогащенную жидкость 51, обедненную жидкость 53 и очень сильно обедненную жидкость, которые переохлаждают в теплообменнике 53 и пересылают в качестве флегмы в колонну низкого давления 45.

Из самого верха стойки колонны низкого давления удаляют поток чистого азота 63, который нагревают в переохладителе 53, а после этого нагревают в теплообменнике 41.

Из куба (снизу) стойки колонны низкого давления удаляют поток сбросового азота 65, который нагревают в переохладителе 53, а после этого нагревают в теплообменнике 41.

Из колонны 45 низкого давления удаляют поток жидкого кислорода 67, который сжимают в насосе 69, а после этого испаряют в теплообменнике 41 до получения продукта.

В режиме газа поток 5 разделяют на две части. 40% (моль.) воздуха в виде потока 9 пересылают в теплообменник 41, охлаждают в результате пропускания через весь теплообменник, а после этого пересылают в колонну высокого давления в газообразной форме в виде части потока 37. Остаток воздуха (то есть 60% (моль.) воздуха) образует поток 13, который сжимают вплоть до 50 бар (абс.) в виде потока 15А или 15В при помощи одного из двух соединенных параллельно поджимающих компрессоров (бустеров) 17А, 17В, а после этого в виде потока 21А или 21В при помощи одного из двух соединенных параллельно поджимающих компрессоров (бустеров) 23А, 23В. Затем поток 21А или 21В образует поток 25, который охлаждают в теплообменнике до промежуточной температуры, а после этого разделяют на две части. Поток 39 продолжают охлаждать в теплообменнике 41. Поток 27 удаляют и расширяют до давления колонны 32 высокого давления в одном из расширителей 29А, 29В, установленных параллельно. Расширитель 29А сопрягают с поджимающим компрессором 23А, а расширитель 29В сопрягают с поджимающим компрессором 23В. Расширенный поток 33А или 33В образует поток 35, который пересылают в колонну высокого давления. Поток расширяют в расширителе, сопряженном с компрессором, в котором его прежде сжимали.

В режиме жидкости весь воздух из компрессора 3 образует поток 13, который сжимают вплоть до 50 бар (абс.) в виде потоков 15А, 15В при помощи двух соединенных параллельно поджимающих компрессоров 17А, 17В, а после этого в виде потоков 21А, 21В при помощи двух соединенных параллельно поджимающих компрессоров 23А, 23В. Поток 9 отсутствует. После этого потоки 21А и 21В перемешивают до получения потока 25, который охлаждают в теплообменнике до промежуточной температуры, а после этого разделяют на две части. Поток 39 продолжают охлаждать в теплообменнике 41. Поток 27 удаляют и разделяют на две части. Каждый из потоков 31А, 31В расширяют до давления колонны 32 высокого давления в расширителях 29А, 29В, установленных параллельно. Расширитель 29А сопрягают с поджимающим компрессором 23А, а расширитель 29В сопрягают с поджимающим компрессором 23В. Расширенные потоки 33А, 33В перемешивают до получения потока 35, который пересылают в колонну 43 высокого давления, получая только газообразный поток, пересылаемый в данную колонну.

В режиме жидкости совокупное количество жидкости, отбираемой в качестве конечного продукта, будь это жидкий кислород 61 или жидкий азот 59, является большим, чем количество жидкости, отбираемой в качестве конечного продукта в режиме газа.

Количество жидкости, полученное в режиме жидкости, может достигать 50% (моль.) от совокупных продуктов для данной установки разделения воздуха, работающей в соответствии с изобретением.

В дополнение к этому в любом режиме газообразный поток высокого давления может быть получен в результате закачивания жидкого азота и его испарения (с получением вплоть до 55% (моль.) потока газообразного кислорода), что улучшает удельную потребляемую мощность.

Само собой разумеется, что могут быть предусмотрены и варианты данного способа, включающие колонну промежуточного давления, колонну смешения и/или аргоновую колонну.

Способ разделения воздуха осуществляют в дистилляционной системе, включающей, по меньшей мере, колонну высокого давления (43) и колонну низкого давления (45). Воздух сжимают в главном компрессоре (3), сжатый воздух охлаждают в линии теплообмена (41) и пересылают из линии теплообмена (41) в колонну высокого давления (43). В первом режиме работы, по меньшей мере, 90% воздуха, сжатого в главном компрессоре (3), дополнительно сжимают до первого давления, по меньшей мере, на 30 бар большего, чем давление колонны высокого давления (43). Воздух при первом давлении пересылают в линию теплообмена (41), охлаждают и разделяют на две части, при этом одну часть ожижают и пересылают в дистилляционную систему, а одну часть расширяют в турборасширителе (29А, 29В) перед отправлением в колонну высокого давления (43). Во втором режиме работы, самое большее, 70% воздуха, сжатого в главном компрессоре (3), дополнительно сжимают до первого давления, по меньшей мере, на 30 бар большего, чем давление колонны высокого давления (43). Воздух при первом давлении пересылают в линию теплообмена (41), охлаждают и разделяют на две части, при этом одну часть ожижают и пересылают в дистилляционную систему, а одну часть расширяют в турборасширителе (29А, 29В) перед отправлением в колонну высокого давления. По меньшей мере, 30% воздуха, сжатого в главном компрессоре (3), пересылают при выходном давлении главного компрессора (3) в линию теплообмена (41), охлаждают и пересылают в колонну высокого давления (43). Техническим результатом является снижение капитальных затрат. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения воздуха с помощью криогенной дистилляции в дистилляционной системе, включающей, по меньшей мере, колонну (43) высокого давления и колонну (45) низкого давления, причем воздух сжимают в главном компрессоре (3), сжатый воздух охлаждают в линии (41) теплообмена, охлажденный, сжатый и очищенный воздух пересылают из линии теплообмена в колонну высокого давления, обогащенный кислородом жидкий поток (51) направляют из колонны высокого давления в колонну низкого давления непосредственно или опосредованно, обогащенный азотом жидкий поток (53, 55) пересылают из колонны высокого давления в колонну низкого давления, обогащенный азотом газ удаляют из колонны низкого давления и нагревают в линии теплообмена, компонент воздуха (67) удаляют из дистилляционной системы в жидкой форме, сжимают и нагревают в линии теплообмена, причем: i) в первом режиме работы, по меньшей мере, 90% воздуха, сжатого в главном компрессоре, дополнительно сжимают до первого давления, по меньшей мере, на 30 бар большего, чем давление в колонне высокого давления, воздух при первом давлении пересылают в линию теплообмена, охлаждают и разделяют на две части, при этом одну часть ожижают и направляют в дистилляционную систему, а одну часть расширяют в, по меньшей мере, одном турборасширителе (29А, 29 В) перед отправлением в колонну высокого давления, ii) во втором режиме работы самое большее 70% воздуха, сжатого в главном компрессоре, дополнительно сжимают до первого давления, по меньшей мере, на 30 бар большего, чем давление в колонне высокого давления, воздух при первом давлении направляют в линию теплообмена, охлаждают и разделяют на две части, при этом одну часть ожижают и направляют в дистилляционную систему, а одну часть расширяют в, по меньшей мере, одном турборасширителе (29А, 29В) перед отправлением в колонну высокого давления, и, по меньшей мере, 30% воздуха, сжатого в главном компрессоре, направляют при выходном давлении главного компрессора в линию теплообмена, охлаждают и направляют в колонну высокого давления.

2. Способ по п.1, в котором компонентом воздуха, удаленным из дистилляционной системы в жидкой форме, сжатым и нагретым в линии теплообмена, является кислород или азот.

3. Способ по п.1, в котором воздух, сжатый до первого давления, сжимают в, по меньшей мере, одном компрессоре из пары компрессоров (17А, 17В, 23А, 23 В), соединенных параллельно.

4. Способ по п.1, в котором воздух, расширенный от первого давления до давления в колонне высокого давления, расширяют в, по меньшей мере, одном из двух турборасширителей (29А, 29В), соединенных параллельно.

5. Способ по пп.3 и 4, в котором во время первого режима работы воздух направляют в оба компрессора (17А, 17В, 23А, 23В), соединенных параллельно, и/или в оба турборасширителя (29А, 29В), соединенных параллельно.

6. Способ по пп.3 и 4, в котором во время второго режима работы воздух направляют только в один из компрессоров (17А, 17В, 23А, 23В), соединенных параллельно, и/или только в один из турборасширителей (29А, 29В), соединенных параллельно.

7. Способ по п.1, в котором во время первого режима работы в качестве конечного продукта (59, 61) получают больше криогенной жидкости, чем во время второго режима работы.

8. Способ по п.7, в котором криогенную жидкость (59, 61) в качестве конечного продукта получают только во время первого режима работы.

9. Аппарат для разделения воздуха с помощью криогенной дистилляции, содержащий главный компрессор (3), линию (41) теплообмена, дистилляционную систему, содержащую, по меньшей мере, колонну высокого давления (43) и колонну низкого давления (45), канал (9), соединяющий выпуск главного компрессора с линией теплообмена и линию теплообмена с колонной высокого давления, выполненный с возможностью пропускания газообразного воздуха в колонну высокого давления при выходном давлении главного компрессора, при этом выпуск главного компрессора соединен с, по меньшей мере, одним поджимающим компрессором (17А, 17В, 23А, 23В), выпуск поджимающего компрессора соединен с линией теплообмена, а линия теплообмена соединена с дистилляционной системой через средства расширения (29А, 29В), так что воздух при выходном давлении поджимающего компрессора охлаждают при данном давлении, а после этого расширяют до давления в одной из колонн дистилляционной системы.

10. Аппарат по п.9, где средства расширения включают в себя два турборасширителя (29А, 29В), соединенных параллельно, и/или поджимающий компрессор содержит, по меньшей мере, одну пару компрессоров (17А, 17В, 23А, 23В), соединенных параллельно.