СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ВОЗДУХА Российский патент 2018 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к способу производства жидких и газообразных кислородсодержащих продуктов низкотемпературным разделением воздуха с применением колонны смешивания и соответствующей установки разделения воздуха.

Предшествующий уровень техники

Получение кислорода или смесей с высоким содержанием кислорода, обозначенных далее как кислородсодержащие продукты, осуществляют, главным образом, низкотемпературным разделением воздуха в установках разделения воздуха с известными по существу системами дистилляционных колонн. Они могут быть выполнены в виде двухколонных систем, в частности, в виде традиционных систем со сдвоенными колоннами, а также в виде систем из трех или более колонн. Кроме того, могут быть предусмотрены устройства для получения других компонентов воздуха, в частности инертных газов, таких, как криптон, ксенон и/или аргон.

По меньшей мере для ряда вариантов промышленного применения не требуется исключительно чистый кислород. Это обстоятельство открывает возможность оптимизировать установки разделения воздуха в отношении капитальных затрат и производственных расходов, особенно в отношении потребления энергии (см., например, главу 3.8 в "Kerry, F.G., Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Raton: CRC Press, 2006").

С этой целью могут применяться, например, установки разделения воздуха с так называемыми колоннами смешивания соответственно EP 0531182 A1, EP 0697576 A1, EP 0698772 A1, EP 1139046 A1, DE 10139727 A1, DE 10228111 A1, DE 19951521 A1, а также US 5490391 A. В верхнюю часть колонны смешивания подают жидкий поток с высоким содержанием кислорода, а в нижнюю часть подают газообразный поток воздуха, направляя их в противотоке друг к другу. Благодаря интенсивному контактированию некоторая часть легколетучего азота переходит из потока воздуха в поток с высоким содержанием кислорода. Поток с высоким содержанием кислорода испаряется в колонне смешивания и отводится из верхней части в виде газообразного "неочищенного" кислорода. Неочищенный кислород может отводиться из установки разделения воздуха в виде газообразного кислородсодержащего продукта. В свою очередь, поток воздуха сжижается, обогащается некоторым количеством кислорода и отводится из нижней части колонны смешивания. Затем сжиженный поток воздуха может быть подан в приемлемый в отношении энергетики и/или техники разделения узел применяемой системы дистилляционных колонн. Благодаря применению колонны смешивания может быть значительно уменьшено потребление энергии, необходимой для разделения веществ, за счет чистоты газообразного кислородсодержащего продукта.

Недостаток известных установок, функционирующих с колоннами смешивания, состоит в ограниченной возможности отвода жидких продуктов, так как они, как пояснено далее, выполнены в виде чисто газовых установок. Таким образом, максимальная масса жидкого азота и жидкого кислорода, отводимого из установок с колоннами смешивания, ограничена, как правило, самое большее 0,5% от количества воздуха, поданного в целом.

Поэтому существует потребность в улучшенных способах и устройствах для производства жидких и газообразных кислородсодержащих продуктов низкотемпературным разделением воздуха, в случае которых может быть получена повышенная доля жидких продуктов.

Раскрытие сущности изобретения

С учетом изложенного предлагаются способ и устройство для производства жидких и газообразных кислородсодержащих продуктов низкотемпературным разделением воздуха с отличительными признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изложены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения, а также в приведенном далее описании.

Преимущества изобретения

Способ по настоящему изобретению предназначен для производства жидкого кислородсодержащего продукта и газообразного кислородсодержащего продукта низкотемпературным разделением воздуха. С этой целью применяют систему дистилляционных колонн установки разделения воздуха. Для получения жидкого кислородсодержащего продукта жидкую фракцию с первым, более высоким, значением содержания кислорода отбирают из разделительной колонны системы дистилляционных колонн и в жидком виде выводят из установки разделения воздуха. Для получения газообразного кислородсодержащего продукта жидкую фракцию со вторым, более низким, значением содержания кислорода отбирают из той же разделительной колонны системы дистилляционных колонн и в колонне смешивания испаряют при давлении в колонне смешивания за счет воздуха, подаваемого в колонну смешивания, как было пояснено ранее. Газообразный кислородсодержащий продукт также выводят из установки разделения воздуха, но в газообразном состоянии.

Жидкий кислородсодержащий продукт далее обозначается как "чистый", а газообразный кислородсодержащий продукт обозначается как "неочищенный" кислород, причем возможные значения содержания кислорода приведены далее. Чистота "чистого" кислородсодержащего продукта устанавливается в зависимости от типа применяемой установки разделения воздуха и требований соответствующего потребителя. Получение "неочищенного" газообразного кислородсодержащего продукта может быть, как было пояснено, энергетически эффективно реализовано с колоннами смешивания. Термины "более высокое" и "более низкое" содержание кислорода соотносятся друг с другом.

В рамках данной заявки речь идет о получении кислород- и азотсодержащих продуктов. "Продукт" выводят из описанной установки и, например, направляют на хранение в резервуар или на потребление. Он больше не циркулирует в контурах внутри установки, но может быть соответственно использован перед выводом из установки, например, как хладоноситель в теплообменнике. Таким образом, термин "продукт" не относится к фракциям или потокам, которые остаются собственно в пределах установки и используются исключительно в ней, например, в виде флегмы, хладагента или продувочного газа.

Кроме того, термин "продукт" относится к указанию количества. "Продукт" соответствует по меньшей мере 1%, предпочтительно по меньшей мере 2%, например, по меньшей мере 5% или по меньшей мере 10% от количества воздуха, поданного в соответствующую установку. Меньшие количества жидких фракций, в том числе обычно образующихся побочно в специализированных газовых установках и при необходимости отбираемых из таких установок, не представляют собой "продукты" в смысле настоящей заявки. Как далее поясняется, вследствие отбора жидких продуктов установка разделения воздуха "лишается" значительного потенциала холода, который частично можно возместить испарением этих жидких продуктов. Однако такой отбор имеет какие-либо последствия, начиная только лишь с некоторого отбираемого количества, то есть только тогда, когда фактически отбирается "продукт" в смысле приведенного ранее определения.

Требования промышленных потребителей к продуктам, получаемым на установках разделения воздуха, и, таким образом, к обуславливаемым ими конструктивным принципам иногда значительно различаются. Таким образом, для некоторых вариантов применения известны специализированные газовые установки, на которых могут быть получены преимущественно или исключительно газообразные продукты, например кислород и/или азот. В других вариантах применения, напротив, требуются жидкие продукты и, таким образом, специализированные жидкостные установки.

Отбор жидких продуктов из газовых установок, как правило, невозможен, даже если такие жидкие продукты получаются на них в качестве промежуточных продуктов, например, в разделительной колонне. Поэтому использованные в них конструктивные принципы также не могут быть беспроблемно перенесены на жидкостные установки. Криогенные жидкости, полученные как промежуточные продукты, в газовых установках могут быть испарены и, в частности, использованы для охлаждения подаваемого воздуха. Однако если жидкие продукты, например жидкий кислород и/или азот, должны отбираться из установки разделения воздуха, то вследствие этого система лишается некоторого потенциала холода. Поэтому "недостающий" в жидкостных установках холод должен возмещаться дополнительно и, в конечном счете, в виде мощности компрессора.

В настоящем изобретении раскрыты его особенные преимущества в отношении применяемых в данном случае установок для производства газообразного кислородсодержащего продукта, например, с чистотой, меньшей 98% мол. (молярных процентов), и при этом одновременно большого количества жидкого кислородсодержащего продукта, являющегося "чистым" в смысле, использованном в данном описании. При этом способ является высокоэффективным и позволяет производить в жидкой форме продукты в количестве от 1 до 5% или от 1 до 10% от общего количества воздуха, подаваемого в сжатом виде на установку разделения (обозначенного в рамках данной заявки как "общий поток воздуха"). Хотя в настоящей заявке преимущественно описано получение жидкого кислорода, но также может быть соответствующим образом получен и жидкий азот.

Например, в основе представленного здесь способа может быть принята установка разделения воздуха с системой со сдвоенными колоннами. Такие системы со сдвоенными колоннами включают в себя разделительную колонну высокого давления и разделительную колонну низкого давления для разделения кислорода и азота. Разделительная колонна высокого давления функционирует при рабочем давлении, например, в интервале от 5 до 7,5 бар и предпочтительно от 5,5 до 6 бар, а разделительная колонна низкого давления функционирует при рабочем давлении, например, в интервале от 1,3 до 1,8 бар и предпочтительно от 1,3 до 1,6 бар. В данном случае и при последующих указаниях давления речь идет об абсолютном давлении. Разделительная колонна высокого давления и разделительная колонна низкого давления также могут быть конструктивно отделены друг от друга по меньшей мере частично. В этом случае речь идет об указанных ранее двухколонных системах.

Настоящее изобретение может быть реализовано также с системами из трех или более колонн для отделения кислорода и азота и/или с системами дистилляционных колонн, которые оборудованы для получения других компонентов. В этом случае в рамках данной заявки разделительная колонна с высоким рабочим давлением обозначается как "разделительная колонна высокого давления". Разделительная колонна, из которой, как правило, отбирают кислород, например поток с высоким содержанием кислорода, превышающим 99% мол., по терминологии данной заявки обозначается далее как "разделительная колонна низкого давления". В некоторых случаях колонна смешивания может работать также при более высоком давлении в качестве разделительной колонны высокого давления.

В соответствующем способе жидкую фракцию с первым значением содержания кислорода и жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода преимущественно отбирают из разделительной колонны низкого давления на разных высотах. Например, жидкую фракцию с первым значением содержания кислорода отбирают из нижней части разделительной колонны низкого давления, а жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода отбирают на высоте, соответствующей второму значению содержания кислорода, из бокового отвода разделительной колонны низкого давления. Высота точки отбора из разделительной колонны низкого давления соотносится, как известно, непосредственно с содержанием кислорода при соответствующих рабочих условиях, так что специалист в данной области техники может легко построить соответствующую зависимость. Отбор из бокового отвода разделительной колонны низкого давления энергетически оказывается особенно благоприятным. Таким образом, можно, в частности, избегать напрасного расходования ценного "чистого" кислорода для получения неочищенного газообразного кислородсодержащего продукта. Например, отобранный из нижней части разделительной колонны низкого давления "чистый" кислород имеет содержание кислорода, равное, например, 99,6% мол., и, вместе с этим, уже почти полностью отделен от аргона. С этой целью была осуществлена соответствующая работа по разделению. В противоположность этому жидкая фракция со вторым значением содержания кислорода, которая может быть отобрана из бокового отвода разделительной колонны низкого давления, содержит, например, 97% мол. кислорода и 3% мол. аргона. Тем самым работа, необходимая для разделения кислорода и аргона, может быть сокращена. Другими словами, энергетически выгодно использовать неочищенную выходящую фракцию в качестве требуемого газообразного кислородсодержащего продукта в "неочищенной" форме, чем снижать чистоту "чистой" фракции в колонне смешивания.

Жидкий поток с высоким содержанием кислорода, который подают в колонну смешивания, то есть поток с высоким содержанием кислорода, который соответствует отбираемой жидкой фракции по настоящему изобретению со вторым, более низким, значением содержания кислорода, преимущественно имеет содержание кислорода от 70 до 99% мол. и предпочтительно от 90 до 98% мол. Первое значение содержания кислорода в жидком кислородсодержащем продукте преимущественно составляет по меньшей мере 99% мол. и предпочтительно по меньшей мере 99,5% мол. Первое значение содержания кислорода эффективным образом всегда больше второго значения содержания.

В соответствующем способе жидкую фракцию с первым значением содержания кислорода после отбора из разделительной колонны системы дистилляционных колонн преимущественно дополнительно охлаждают в теплообменнике. Это позволяет затем безопасно передавать жидкую фракцию в резервуар, так чтобы неизбежно проявляющиеся при этом тепловые потери не приводили к повышенному испарению.

В свою очередь, жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода после отбора из разделительной колонны системы дистилляционных колонн и/или после испарения в колонне смешивания нагревают в теплообменнике. Для нагревания жидкой фракции после отбора из системы дистилляционных колонн может быть использован тот же теплообменник, что и служащий для дополнительного охлаждения жидкой фракции с первым значением содержания кислорода после отбора из системы дистилляционных колонн. При этом перед испарением или после него в колонне смешивания жидкая фракция со вторым значением содержания кислорода также может быть подана в основной теплообменник установки разделения воздуха и в нем подогрета.

Жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода после отбора из разделительной колонны системы дистилляционных колонн по меньшей мере одним насосом по меньшей мере через один редукционный клапан преимущественно подают в верхнюю часть колонны смешивания. При этом давление повышается до давления в колонне смешивания, превышающего давление в разделительной колонне низкого давления, из которой преимущественно отбирают жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода.

Описываемый способ преимущественно реализуют как так называемый способ HAP (High Air Pressure (с высоким давлением воздуха)). При этом общий поток воздуха, в целом подаваемый на установку разделения воздуха, преимущественно сжимают в основном компрессоре до давления подачи от 6 до 30 бар и предпочтительно от 7 до 20 бар, например от 10 до 14 бар. При этом основной компрессор предпочтительно представляет собой единственную машину для сжатия воздуха, приводимую в действие от внешней энергии. Под "единственной машиной" в данном случае понимают, например, одноступенчатый или многоступенчатый компрессор, все ступени которого связаны с одним и тем же приводом, причем все ступени размещены в одном и том же корпусе или связаны с одним и тем же приводным механизмом. В этом воздушном компрессоре предпочтительно сжимают общий поток воздуха до давления, которое, например, четко выше рабочего давления в колонне с наибольшим значением давления. Однако наряду с этим сжатием частичные потоки могут "поджиматься", например, в бустерах, которые соединены с турбодетандерами, при этом для этой цели внешняя энергия не подводится.

В способе альтернативно или дополнительно может быть указано давление подачи также по сравнению с рабочим давлением в разделительной колонне высокого давления. В данном случае это означает, что разность давлений между давлением подачи и рабочим давлением в разделительной колонне высокого давления соответствует не только естественному перепаду давления, обусловленному трубопроводами, теплообменниками и другими аппаратами, но и составляет по меньшей мере 1 бар, преимущественно по меньшей мере 3 бар и предпочтительно по меньшей мере 5 бар. Разность давлений между давлением подачи и рабочим давлением в разделительной колонне высокого давления составляет, например, от 5 до 25 бар и предпочтительно от 7 до 15 бар.

Первый частичный поток общего потока воздуха преимущественно расширяется в первом детандере до рабочего давления в разделительной колонне высокого давления и поступает в разделительную колонну высокого давления. Благодаря этому может быть обеспечен дополнительный холод.

Первый частичный поток перед расширением в первом детандере может быть сжат в бустере, соединенном с первым детандером, и/или охлажден перед расширением и/или после него в первом детандере. Тепло, выделяющееся при сжатии, может быть отведено посредством охлаждения после сжатия, например охлаждением водой и/или охлаждением до промежуточной температуры в основном теплообменнике. Если после расширения охлажденный таким образом газ пропускать через холодную часть основного теплообменника, то может быть обеспечено его дальнейшее охлаждение.

В качестве воздуха, подаваемого в колонну смешивания, преимущественно используют второй частичный поток общего потока воздуха, который во втором детандере расширяется до давления в колонне смешивания и поступает в нижнюю часть колонны смешивания. Этот прием также способствует покрытию потребности установки в холоде. Оба детандера характеризуются разными значениями температуры на входе, это значит, что температура на входе во второй детандер предпочтительно по меньшей мере на 5 K выше или ниже температуры на входе в первый детандер.

В зависимости от конструктивных или энергетических соображений первый и/или второй частичный поток может быть охлажден разными способами, так что способы могут быть оптимизированы, например, относительно уменьшения объема основного теплообменника, с одной стороны, или относительно максимальной экономии энергии.

Второй частичный поток также может быть охлажден перед расширением и/или после него во втором детандере, так что могут достигаться соответствующие требуемые температуры.

Один из двух детандеров предпочтительно соединен с бустером. Благодаря этому соединению работа расширения может быть использована рационально. При этом точное количество воздуха, который подают в детандер, соединенный с бустером, сначала преимущественно проходит через бустер, который преимущественно выполнен в виде теплого компрессора.

Другой из двух детандеров преимущественно соединяют механически с генератором и/или масляным катарактом, в котором совершаемая при расширении работа может быть преобразована соответствующим образом.

В описанном способе давление в колонне смешивания преимущественно устанавливают в интервале от 2 до 6 бар. Давление в колонне смешивания устанавливается, например, в зависимости от давления, задаваемого внешними требованиями для газообразного кислородного продукта, или также может быть соответствующим образом оптимизировано по энергетическим соображениям. В последнем случае преимущество имеет давление, равное 2 бар или близкое к этому значению.

Установка разделения воздуха по настоящему изобретению оборудована для осуществления способа по любому из заявленных пунктов формулы изобретения. Она содержит средства, оборудованные для того, чтобы для получения жидкого кислородсодержащего продукта отбирать из разделительной колонны системы дистилляционных колонн установки разделения воздуха жидкую фракцию с первым, более высоким, значением содержания кислорода, и средства, оборудованные для того, чтобы из той же разделительной колонны системы дистилляционных колонн отбирать жидкую фракцию со вторым, более низким, содержанием кислорода и испарять в колонне смешивания при давлении в колонне смешивания за счет воздуха, подаваемого в колонну смешивания. В установке разделения воздуха полезный эффект в равной степени обеспечивают описанные ранее преимущества, так что на них можно сослаться конкретно.

Далее поясняются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана установка разделения воздуха согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 показана установка разделения воздуха согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Варианты осуществления изобретения

На фиг. 1 схематически показана установка разделения воздуха согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Установка разделения воздуха включает в себя основной теплообменник E1, систему дистилляционных колонн S с разделительной колонной высокого давления S1 и разделительной колонной низкого давления S2, колонну смешивания S3, холодильник E3 и два детандера X1 и X2, выполненные в виде турбодетандеров. Указанные далее рабочие параметры, такие как, например, значения рабочего давления, представляют собой примеры для указанных ранее интервалов.

По трубопроводу "a" в установку 100 может быть подан воздух AIR, предварительно очищенный и сжатый до давления, например, от 10 до 14 бар. Для сжатия воздуха AIR используют непоказанный основной компрессор, при этом общий поток подаваемого воздуха обозначен как "общий поток воздуха".

Часть общего потока воздуха из трубопровода "a", обозначенная в рамках данной заявки как "первый частичный поток", может быть подана по трубопроводу "b" к бустеру C1. Бустер C1 может быть соединен с первым турбодетандером X1. Затем воздух, дополнительно сжатый в бустере C1, может быть охлажден в холодильнике E2 и подан в основной теплообменник E1 в его теплую часть. По трубопроводу "с" первый частичный поток может быть отведен из основного теплообменника E1 при промежуточной температуре, направлен в первый турбодетандер X1 для расширения с охлаждением и совершением работы и затем вновь направлен в основной теплообменник E1 в его холодную часть.

Другая часть воздуха из трубопровода "a" может быть подана через трубопровод "d" к основному теплообменнику E1 в его теплую часть. Часть этого воздуха при необходимости или потребности может быть расширена в редукционном клапане V1. Вторая часть воздуха из трубопровода "d" и, следовательно, часть общего потока воздуха, обозначенная в рамках данной заявки как "второй частичный поток", может быть отведена из основного теплообменника E1 при промежуточной температуре по трубопроводу "s". Воздух по трубопроводу "s" подают, как пояснено далее, в колонну смешивания S3. Количество воздуха, подаваемого в колонну смешивания S3, можно регулировать также редукционным клапаном V1.

Первый частичный поток воздуха, поступающий из трубопровода "a", и при необходимости воздух после расширения в редукционном клапане V1 имеют на выходе из основного теплообменника E1 в его холодной части температуру, близкую к температуре конденсации воздуха. Соответствующий поток воздуха может быть подан по трубопроводу "e" в разделительную колонну высокого давления S1. Рабочее давление в разделительной колонне высокого давления S1 и, следовательно, давление в трубопроводе "e" имеют указанные ранее значения. Турбодетандер X1 и клапан V1 отрегулированы соответствующим образом.

В разделительной колонне высокого давления S1 происходит предварительное разделение воздуха. Из нижней части или из куба разделительной колонны высокого давления S1 через трубопровод "f" может быть отобрана жидкая нижняя фракция с высоким содержанием кислорода, охлаждена в холодильнике E3 и после расширения до рабочего давления в разделительной колонне низкого давления S2 в редукционном клапане V2 подана по трубопроводу "g" в разделительную колонну низкого давления S2.

Из верхней части разделительной колонны высокого давления S1 может быть отобрана газообразная верхняя фракция с высоким содержанием азота. По меньшей мере часть этого потока после подачи по трубопроводу "h" может быть сконденсирована в конденсаторе E4, который в рабочем режиме заполнен нижней фракцией с высоким содержанием кислорода из разделительной колонны низкого давления S2. По меньшей мере часть конденсата в виде жидкой флегмы может быть подана по трубопроводу "i" в верхнюю часть разделительной колонны высокого давления S1. Другая часть конденсата по трубопроводу "k" может быть подана в холодильник E3 (не показан) и по трубопроводу "m" в виде жидкого азотсодержащего продукта LIN подана, например, в резервуар.

Другой частичный поток газообразной верхней фракции с высоким содержанием азота, отобранной из верхней части разделительной колонны высокого давления S1, может быть подан по трубопроводу "l" в основной теплообменник E1, в котором он нагревается и в редукционном клапане V3 расширяется. Полученная соответствующая газообразная фракция с высоким содержанием азота может быть использована, например, в качестве уплотняющего газа в применяемых компрессорах.

Из разделительной колонны высокого давления S1 на заданной высоте через трубопровод "n" может быть отобрана фракция с высоким содержанием азота, затем охлаждена в холодильнике E3 и после расширения в редукционном клапане V4 по трубопроводу "o" подана в виде жидкого потока с высоким содержанием азота в верхнюю часть разделительной колонны низкого давления S2.

Из нижней части разделительной колонны низкого давления S2 может быть отобрана по меньшей мере часть нижней фракции с высоким содержанием кислорода через трубопровод "p" и подана по через ввод "p'" в холодильник E3. Эта жидкая фракция имеет высокое значение содержания кислорода, которое в рамках данной заявки обозначается как "первое" значение содержания кислорода. После охлаждения эта фракция через трубопровод "q" и клапан V5 как жидкая фракция с высоким содержанием кислорода может быть выведена в качестве жидкого кислородсодержащего продукта LOX, то есть, выведена в жидкой форме из установки разделения воздуха.

Из верхней части разделительной колонны низкого давления S2 через трубопровод "r" может быть отобрана газообразная верхняя фракция, затем нагрета в основном теплообменнике E1 и подана через клапан V6. Эта фракция может быть использована, например, для регенерации адсорбционных устройств очистки исходного воздуха AIR.

Установка разделения воздуха выполнена в виде установки с колонной смешивания. В данном случае по меньшей мере часть воздуха из трубопровода "d" ("второй частичный поток") может быть отведена из основного теплообменника E1 при промежуточной температуре и подана по трубопроводу "s" во второй турбодетандер X2. Во втором турбодетандере X2, который соединен с блоком преобразователя энергии G, например, с генератором или масляным катарактом, давление воздуха может быть уменьшено, например, до значения в интервале от 2 до 4 бар и предпочтительно до 3 бар. Затем воздух подают в виде газа в нижнюю часть колонны смешивания S3, которая функционирует при соответствующем давлении.

В верхнюю часть колонны смешивания S3 по трубопроводу "t" подают фракцию с высоким содержанием кислорода, которую отбирают на заданной высоте разделительной колонны низкого давления S2 через трубопровод "u" в жидком виде и с содержанием кислорода, обозначенным в рамках данной заявки как "второе значение содержания кислорода". Отобранную через трубопровод "u" фракцию насосом P1 при давлении, превышающем давление в колонне смешивания S3, через трубопроводы "v" и "w" подают в холодильник E3 и затем в основной теплообменник E1, нагревают соответственно до промежуточной температуры и через клапан V7 и трубопровод "t" подают в колонну смешивания S3.

Благодаря интенсивному контакту и, следовательно, благодаря прямому теплообмену с фракцией с высоким содержанием кислорода, поступающей из трубопровода "t", сжижают воздух, подаваемый в виде газа в нижнюю часть колонны смешивания S3. Сжиженный воздух может быть отведен из нижней части колонны смешивания S3 через трубопровод "x", охлажден в холодильнике E3 до промежуточной температуры и через трубопровод "y" и редукционный клапан V8 подан ("вдут") в разделительную колонну низкого давления S2.

Газообразная фракция с высоким содержанием кислорода может быть отобрана из верхней части колонны смешивания S3 через трубопровод "z", нагрета в основном теплообменнике E1 и отведена через клапан V9 в виде газообразного кислородсодержащего продукта.

На фиг. 2 схематически показана установка разделения воздуха согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Она содержит существенные компоненты установки разделения воздуха, описанной ранее со ссылкой на фиг. 1, и функционирует соответственно. Повторное описание не приведено.

В отличие от компоновки, показанной на фиг. 1, в данном случае второй частичный поток воздуха после расширения в турбодетандере X2 проходит через холодную часть основного теплообменника E1, а первый частичный поток в противоположность этому не проходит. При этом в альтернативных компоновках может быть предусмотрено также соответствующее охлаждение обоих частичных потоков в основном теплообменнике E1.

Показанные на фиг. 1 и 2 компоновки оптимизированы для разных целей. Компоновка, показанная на фиг. 1, допускает уменьшенный объем основного теплообменника, однако при этом не является энергетически оптимальной в полной мере. Компоновка, показанная на фиг. 2, оптимизирована или может быть оптимизирована энергетически лучше, но требует применения основного теплообменника большего объема.

Изобретение относится к средствам низкотемпературного разделения воздуха. Предложен способ получения по меньшей мере одного жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) и одного газообразного кислородсодержащего продукта (GOX) низкотемпературным разделением воздуха (AIR) в системе дистилляционных колонн (S) установки разделения воздуха. Для получения жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) жидкую фракцию с первым, более высоким, значением содержания кислорода отбирают из разделительной колонны (S2) системы дистилляционных колонн (S) и в жидком виде выводят из установки разделения воздуха. Для получения газообразного кислородсодержащего продукта (GOX) жидкую фракцию со вторым, более низким, значением содержания кислорода отбирают из той же разделительной колонны (S2), испаряют по меньшей мере в одной колонне смешивания (S3) при давлении в колонне смешивания за счет воздуха, подаваемого в колонну смешивания, и в виде газа выводят из установки разделения воздуха. Объектом изобретения является также соответствующая установка разделения воздуха. Техническим результатом является повышение эффективности выделения кислорода. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ производства жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) и газообразного кислородсодержащего продукта (GOX) низкотемпературным разделением воздуха (AIR) в системе дистилляционных колонн (S) установки разделения воздуха, которая включает в себя разделительную колонну высокого давления (S1) и разделительную колонну низкого давления (S2), где при этом для получения жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) жидкую фракцию с первым, более высоким, значением содержания кислорода отбирают из разделительной колонны низкого давления (S2) системы дистилляционных колонн (S) и в жидком виде выводят из установки разделения воздуха, а для получения газообразного кислородсодержащего продукта (GOX) жидкую фракцию со вторым, более низким, значением содержания кислорода отбирают из той же разделительной колонны низкого давления (S2) системы дистилляционных колонн (S), испаряют в колонне смешивания (S3) за счет воздуха, подаваемого в колонну смешивания, нагревают в основном теплообменнике (E1) за счет охлаждаемого исходного воздуха и затем в виде газа выводят из установки разделения воздуха, причем:

- разделительная колонна низкого давления (S2) включает единственный конденсатор (E4) для получения восходящего газа в данной разделительной колонне низкого давления(S2);

- первый частичный поток общего потока воздуха расширяется в первом детандере (X1) до рабочего давления в разделительной колонне высокого давления (S1) и поступает в разделительную колонну высокого давления (S1);

- второй частичный поток общего потока воздуха применяют в качестве воздуха, подаваемого в колонну смешивания;

- второй частичный поток общего потока воздуха расширяется во втором детандере (X2) до давления в колонне смешивания и поступает в нижнюю часть колонны смешивания (S3);

- оба детандера характеризуются разными значениями температуры на входе;

- один из двух детандеров (X1; X2) соединен с бустером (C1), в котором предварительно сжимают поток воздуха, подаваемый затем в детандер, соединенный с бустером;

- другой из двух детандеров (X2; X1) соединен механически с генератором и/или масляным катарактом (G);

- либо первый частичный поток, либо воздух, подаваемый в колонну смешивания, после расширения с совершением работы (X1; X2) охлаждают в основном теплообменнике (E1) косвенным теплообменом с фракцией с высоким содержанием азота (r), поступающей из разделительной колонны низкого давления (S2).

2. Способ по п. 1, в котором жидкую фракцию с первым значением содержания кислорода и жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода отбирают на разных высотах из разделительной колонны низкого давления (S2).

3. Способ по п. 1 или 2, в котором в качестве первого значения содержания кислорода принимают значение содержания кислорода, равное по меньшей мере 99 % мол. и предпочтительно по меньшей мере 99,5 % мол., а в качестве второго значения содержания кислорода принимают значение содержания кислорода в интервале от 70 до 99 % мол. и предпочтительно от 90 до 98 % мол.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором общий поток воздуха, в целом подаваемый на установку разделения воздуха, сжимают в основном компрессоре до давления подачи в интервале от 6 до 30 бар, предпочтительно от 7 до 20 бар и, например, от 10 до 14 бар.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором первый частичный поток до расширения в первом детандере (X1) и/или второй частичный поток до расширения во втором детандере (X2) подвергают охлаждению.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором жидкую фракцию со вторым значением содержания кислорода после отбора из разделительной колонны (S2) системы дистилляционных колонн (S) подают по меньшей мере одним насосом (P1) по меньшей мере через один редукционный клапан (V7) в верхнюю часть колонны смешивания (S3).

7. Способ по п. 1 или 2, в котором колонна смешивания функционирует под давлением в интервале от 2 до 6 бар.

8. Способ по п. 1 или 2, в котором первый детандер (X1), в котором первый частичный поток расширяется с совершением работы, соединен с бустером (C1), а второй детандер (X2), в котором первый частичный поток расширяется с совершением работы, соединен с генератором и/или масляным катарактом (G).

9. Способ по п. 8, в котором воздух, подаваемый в колонну смешивания, после расширения с совершением работы (X2), охлаждают в основном теплообменнике (E1) косвенным теплообменом с фракцией с высоким содержанием азота (r), поступающей из разделительной колонны низкого давления (S2).

10. Способ по п. 9, в котором частичный поток, который после расширения с совершением работы (X1; X2) охлаждают в основном теплообменнике (E1) косвенным теплообменом с фракцией с высоким содержанием азота (r), поступающей из разделительной колонны низкого давления (S2), подают при первой промежуточной температуре в основной теплообменник (E1), а испаренную в колонне смешивания (S3) фракцию (z) подают при второй промежуточной температуре в основной теплообменник (E1), вновь отбирают из теплой части основного теплообменника (E1) и затем в виде газа выводят из установки разделения воздуха, причем вторая промежуточная температура больше или равна первой промежуточной температуре.

11. Способ по любому из п. 1-10, где конденсатор (E4) расположен в нижней части разделительной колонны низкого давления (S2).

12. Установка разделения воздуха, которая для осуществления способа по любому из предыдущих пунктов оснащена средствами, оборудованными для того, чтобы для получения жидкого кислородсодержащего продукта (LOX) отбирать жидкую фракцию с первым, более высоким, значением содержания кислорода из разделительной колонны (S2) системы дистилляционных колонн (S) установки разделения воздуха, и средствами, оборудованными для того, чтобы жидкую фракцию со вторым, более низким, значением содержания кислорода отбирать из той же разделительной колонны (S2) системы дистилляционных колонн (S) и испарять в колонне смешивания (S3) при давлении в колонне смешивания за счет воздуха, подаваемого в колонну смешивания, основным теплообменником (E1) для нагревания фракции (z), испаренной в колонне смешивания за счет охлаждаемого исходного воздуха, и:

- первым детандером (X1) для расширения с совершением работы первого частичного потока общего потока воздуха до рабочего давления в разделительной колонне высокого давления (S1);

- средствами для подачи расширившегося с совершением работы частичного потока в разделительную колонну высокого давления (S1);

- вторым детандером (X2) для расширения с совершением работы второго частичного потока общего потока воздуха до давления в колонне смешивания;

- средствами для подачи расширившегося с совершением работы частичного потока в нижнюю часть колонны смешивания (S3);

- средствами для подготовки обоих частичных потоков для обоих детандеров с различными входными температурами,

причем:

- разделительная колонна низкого давления (S2) включает единственный конденсатор (E4) для получения восходящего газа в данной разделительной колонне низкого давления(S2);

- один из двух детандеров (X1; X2) соединен с бустером (C1) для сжатия потока воздуха до подачи его в детандер (X1; X2), соединенный с бустером;

- другой из двух детандеров (X2; X1) соединен механически с генератором и/или масляным катарактом (G); и

- средствами для охлаждения первого частичного потока или второго частичного потока после расширения с совершением работы (X1; X2) в основном теплообменнике (E1) косвенным теплообменом с фракцией с высоким содержанием азота (r), поступающей из разделительной колонны низкого давления (S2).