Изобретение относится к способу низкотемпературного разделения воздуха согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Подобный способ известен из US 7437890.
«Воздушный дополнительный компрессор» и приводимый турбиной «дополнительный компрессор» в изобретении соединены последовательно; дополнительный компрессор может быть расположен выше по потоку или ниже по потоку воздушного дополнительного компрессора.
Под понятием «основной воздушный компрессор» здесь понимается многоступенчатая машина, ступени которой имеют общий привод (электродвигатель, паровую турбину или газовую турбину) и размещены в общем корпусе. Он может быть образован, например, посредством компрессора с передаточным механизмом, в котором ступени сгруппированы вокруг корпуса передаточного механизма. Этот передаточный механизм имеет большое зубчатое колесо, которое приводит несколько параллельных валов-шестерен с соответственно одной или двумя ступенями.
«Воздушный дополнительный компрессор» может быть образован многоступенчатой машиной, которая является отдельной от основного воздушного компрессора; альтернативно, основной воздушный компрессор и воздушный дополнительный компрессор образованы одной многоступенчатой машиной, ступени которой имеют общий привод и размещены в общем корпусе. Первые ступени этой машины реализуют тогда основной воздушный компрессор, последняя(ие) ступень(и) - воздушный дополнительный компрессор.
Способы и устройства для низкотемпературного разделения воздуха известны, например, из публикации: Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2-е издание 1985, глава 4 (стр. 281-337).
Система дистилляционных колонн по изобретению может быть двухколонной системой (например, как классическая двухколонная система Linde) или также трех- или многоколонной системой. Она может дополнительно к колоннам для отделения азота-кислорода, иметь дополнительные устройства для получения высокочистых продуктов и/или других компонентов воздуха, в частности, инертных газов, например, получения аргона и/или получения криптона-ксенона.
В таком процессе, приводимый под давлением в жидком состоянии первый поток продукта испаряется в главном теплообменнике и, в итоге, извлекается как газообразный сжатый продукт. Этот способ также называют внутренним сжатием. Для случая сверхкритического давления, не происходит фазовый переход в его собственном смысле, поток продукта тогда «псевдо-испаряется».
От (псевдо-) испаряющегося потока продукта, находящийся под высоким давлением теплоноситель сжижается (или псевдо-сжижается, если он находится под сверхкритическим давлением). Теплоноситель часто образуется посредством части воздуха, в данном случае, в частности, посредством первого частичного потока и второй (и, при необходимости, третьей) части второго частичного потока загруженного воздуха.
Способы внутреннего сжатия известны, например, из DE 830805, DE 901542 (= US 2712738/US 2784572), DE 952908, DE 1103363 (= US 3083544), DE 1112997 (= US 3214925), DE 1124529, DE 1117616 (= US 3280574), DE 1226616 (= US 3216206), DE 1229561 (= US 3222878), DE 1199293, DE 1187248 (= US 3371496), DE 1235347, DE 1258882 (= US 3426543), DE 1263037 (= US 3401531), DE 1501722 (= US 3416323), DE 1501723 (= US 3500651), DE 253132 (= US 4279631), DE 2646690, EP 93448 B1 (= US 4555256), EP 384483 B1 (= US 5036672), EP 505812 B1 (= US 5263328), EP 716280 B1 (= US 5644934), EP 842385 B1 (= US 5953937), EP 758733 B1 (= US 5845517), EP 895045 B1 (= US 6038885), DE 19803437 A1, EP 949471 B1 (= US 6185960 B1), EP 955509 A1 (= US 6196022 B1), EP 1031804 A1 (= US 6314755), DE 19909744 A1, EP 1067345 A1 (= US 6336345), EP 1074805 A1 (= US 6332337), DE 19954593 A1, EP 1134525 A1 (= US 6477860), DE 10013073 A1, EP 1139046 A1, EP 1146301 A1, EP 1150082 A1, EP 1213552 A1, DE 10115258 A1, EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1), EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2), DE 10213212 A1, DE 10213211 A1, EP 1357342 A1 или DE 10238282 A1, DE 10302389 A1, DE 10334559 A1, DE 10334560 A1, DE 10332863 A1, EP 1544559 A1, EP 1585926 A1, DE 102005029274 A1, EP 1666824 A1, EP 1672301 A1, DE 102005028012 A1, WO 2007033838 A1, WO 2007104449 A1, EP 1845324 A1, DE 102006032731 A1, EP 1892490 A1, DE 102007014643 A1, A1, EP 2015012 A2, EP 2015013 A2, EP 2026024 A1, WO 2009095188 A2 или DE 102008016355 A1.
В настоящей заявке параметры процесса неоднократно описываются как расходы или давления, которые в одном рабочем режиме «меньше» или «больше», чем в другом рабочем режиме. Под этим здесь понимаются целенаправленные изменения соответствующего параметра посредством регулировочных или исполнительных устройств, а не естественные колебания в рамках стационарного рабочего состояния. Эти целенаправленные изменения могут вызываться непосредственно путем установки самого параметра или косвенно путем установки других параметров, которые оказывают влияние на параметр, подлежащий изменению. В особенности параметр тогда «больше» или «меньше», когда разница между средними значениями параметра в различных рабочих режимах составляет больше, чем 2%, особенно больше, чем 5%, особенно больше, чем 10%.
При указаниях давления здесь естественные потери давления, как правило, не включаются. Давления здесь оцениваются как «одинаковые», когда разница давлений между соответствующими местами не больше, чем естественные потери в линии, которые обусловлены потерями давления в трубопроводах, теплообменниках, охладителях, поглотителях и т.д. Например, первый поток продукта испытывает потерю давления при проходах основного теплообменника; несмотря на это здесь выпускное давление сжатого газообразного продукта ниже по потоку от основного теплообменника и давление выше по потоку от основного теплообменника обозначается одинаково как «первое давление продукта». Наоборот, второе давление потока ниже по потоку от определенных этапов способа только тогда «ниже» или «выше», чем первое давление выше по потоку от этих этапов, если соответствующая разница давлений выше, чем естественные потери в линии, таким образом, в частности, повышение давления посредством по меньшей мере одной компрессорной ступени или снижение давления целенаправленно осуществляется посредством по меньшей мере одного дроссельного клапана и/или посредством по меньшей мере одного детандера (турбодетандера).
«Основной теплообменник» служит для охлаждения загруженного воздуха в косвенном теплообмене с обратными потоками из системы дистилляционных колонн. Он может быть образован из одного отдельного или нескольких параллельно и/или последовательно соединенных участков теплообменника, например, из одного или нескольких блоков пластинчатого теплообменника.
В основе изобретения лежит задача создать способ вышеуказанного типа и устройство, которое может работать с сильно варьирующейся долей жидкого продукта. К «доле жидкого продукта» относятся при этом только потоки, которые выходят из установки разделения воздуха в жидкой форме и, например, могут вводиться в цистерну для жидкости, но не внутренне сжатые потоки, которые хотя и отбираются от системы дистилляционных колонн в жидкой форме, но внутри установки разделения воздуха испаряются или псевдо-испаряются и итоге в газообразном состоянии выводятся из установки разделения воздуха.
Эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения.
В изобретении, «первый рабочий режим» рассчитан для особенно высокого производства жидкости, особенно для максимального производства жидкости (полное количество жидких продуктов, которое может быть отобрано из установки для разделения воздуха). «Второй рабочий режим», напротив, рассчитан на меньшую долю жидкого продукта, которая, например, также может быть равна нулю (чисто газовый режим). Полное количество жидких продуктов составляет во втором рабочем режиме, например, 0% или несколько выше, например, от 15% до 50% от максимального количества жидкого продукта. (Все указания в процентах относятся здесь и в дальнейшем к молярному количеству (расходу), если не указывается другое. Молярный расход может указываться, например, в Нм3/час.)
В соответствующем изобретению способе используется холодный компрессор, который работает либо только во втором рабочем режиме (и, тем самым, является отключаемым), а в первом рабочем режиме не работает или в первом рабочем режиме работает с более низкой нагрузкой, чем во втором. На первый взгляд представляется нецелесообразным, в режиме с максимальным производством жидкого продукта эксплуатировать меньше турбин, так как турбины в принципе могут использоваться для производства холода для сжижения продуктов. Однако в рамках изобретения было выявлено, что посредством этой меры возможна особенно сильная вариация в количестве жидкого продукта, причем в обоих рабочих режимах достигается удовлетворительный кпд, то есть, в целом, сравнительно низкое энергопотребление.
Под «холодным компрессором» здесь понимается компрессорное средство, при котором газ подводится для сжатия при температуре, которая лежит заметно ниже температуры окружающей среды, в общем, ниже 250 К, предпочтительно ниже 200 К.
Холодный компрессор в соответствующем изобретению способе может приводиться электродвигателем. Во многих случаях, однако, является выгодным использовать комбинацию турбины и холодного компрессора, как это описано в пункте 2 формулы изобретения. Количество воздуха, которое как пятый воздушный поток проходит через вторую турбину, которая приводит в действие холодный компрессор, в первом рабочем режиме меньше, чем во втором рабочем режиме. В одном предельном примере комбинация турбины и холодного компрессора в первом рабочем режиме полностью не работает, то есть соответствующее количество воздуха равно нулю.
Входное давление второй турбины может быть примерно равным входному давлению первой турбины; но предпочтительно оба входных давления являются различными. В частности, входное давление второй турбины может быть ниже, чем входное давление первой турбины, и равно, например, первому воздушному давлению или второму воздушному давлению.
Является выгодным, если во втором рабочем режиме только относительно малая часть загруженного воздуха сжимается до третьего, более высокого воздушного давления, как это описано в пункте 3 формулы изобретения. Третье воздушное давление может, кроме того, быть ниже, чем в первом рабочем режиме.
Предпочтительным образом, третий воздушный поток при втором воздушном давлении вводится в первую турбину.
В особенно предпочтительной форме выполнения третий воздушный поток в первой турбине расширяется до выходного давления, которое равно рабочему давлению колонны высокого давления (плюс потери в линии).
Выходное давление второй турбины может также быть равно рабочему давлению колонны высокого давления (плюс потери в линии) или даже быть ниже, например, равняться рабочему давлению колонны низкого давления (плюс потери в линии), см. пункты 5 и 6 формулы изобретения. Третий частичный поток вводится тогда, например, в колонну низкого давления.
Иначе, расширенные частичные потоки могут частично или полностью вводиться в колонну высокого давления, как это поясняют пункты 8 и 9 формулы изобретения.
В принципе, воздушный дополнительный компрессор может быть образован посредством одной или нескольких ступеней компрессора, независимых от основного воздушного компрессора. Согласно специальному выполнению изобретения, воздушный дополнительный компрессор образуется вторым набором ступеней комбинированной машины, первый набор ступеней которой образует основной воздушный компрессор. Основной воздушный компрессор регулярным образом образуется посредством двух или более ступеней, а воздушный дополнительный компрессор – посредством одной или двух ступеней, например, последней или последними ступенями комбинированной машины.
Предпочтительным образом, во втором рабочем режиме меньшее количество четвертого воздушного потока проходит до холодного конца основного теплообменника, чем в первом рабочем режиме.
Дополнительно установка может иметь третью турбину, которая эксплуатируется только во втором рабочем режиме (пункт 11 формулы изобретения) или в первом рабочем режиме с производительностью более низкой, чем во втором.
Она приводит в действие предпочтительно третий дополнительный компрессор, который включен последовательно с вторым набором ступеней воздушного компрессора и первым приводимым турбиной дополнительным компрессором, причем это вновь не зависит от очередности. Второй дополнительный компрессор во втором рабочем режиме может быть обойден посредством байпасного трубопровода.
Как изложено в пункте 13 формулы изобретения, в способе может создаваться более чем один продукт внутреннего сжатия, также более двух продуктов внутреннего сжатия. Различные продукты внутреннего сжатия могут различаться по своему химическому составу (например, кислород/азот или также кислород или азот различной чистоты) или по своему давлению или по тому и другому.
Изобретение также относится к установке разделения воздуха в форме устройства согласно пункту 15 формулы изобретения. Соответствующее изобретению устройство может быть дополнено признаками устройства, которые соответствуют признакам зависимых пунктов формулы на способ.
В случае «средств для переключения между первым и вторым рабочим режимом» речь идет о сложных устройствах регулирования и управления, которые во взаимодействии обеспечивают возможность по меньшей мере частично автоматического переключения между обоими рабочими режимами, например, о соответственно запрограммированной системе управления производством.
Изобретение, а также дополнительные особенности изобретения далее поясняются более подробно на основе примеров выполнения, схематично представленных на чертежах, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - первый пример выполнения соответствующей изобретению системы с двумя турбинами,
Фиг. 1А и 1В - два видоизменения Фиг. 1,
Фиг. 2 - второй пример выполнения с тремя турбинами,
Фиг. 2А и 2В - два видоизменения Фиг. 2,
Фиг. 3 - третий пример выполнения, в котором комбинация турбины-холодного компрессора обтекается также в первом рабочем режиме,
Фиг. 3А и 3В - два видоизменения Фиг. 3.
Пример выполнения изобретения далее поясняется сначала на основе первого рабочего режима, который здесь рассчитан на максимальное производство жидких продуктов. При этом воздух течет только через трубопроводы, показанные на Фиг. 1 жирными линиями; остальные трубопроводы в первом рабочем режиме не обтекаются. Атмосферный воздух 1 (AIR) всасывается через фильтр 2 первым набором 3а основным воздушным компрессором 3а и сжимается до первого воздушного давления предпочтительно от 10 бар до 14 бар, например, 11,7 бар. В конкретном примере основной воздушный компрессор имеет четыре ступени компрессора. Ниже по потоку от основного воздушного компрессора 3а сжатый полный воздух 4 под первым воздушным давлением обрабатывается в устройстве 5 предварительного охлаждения и затем в устройстве 6 очистки. Очищенный полный воздух 7 разделяется на первый воздушный поток 100 и второй воздушный поток 200.
Первый воздушный поток 100 в основном теплообменнике 8 охлаждается от теплого к холодному концу и при этом (псевдо-) сжижается и затем в дроссельном клапане 101 расширяется до примерно рабочего давления позже поясняемой колонны высокого давления, которое предпочтительно составляет от 5 бар до 7 бар, например, 6 бар. Расширенный первый воздушный поток 102 подается через трубопровод 9 к системе дистилляционных колонн, которая содержит колонну 10 высокого давления, основной конденсатор 11, который выполнен как конденсатор-испаритель, и колонну 12 низкого давления.
Второй воздушный поток 200 в воздушном дополнительном компрессоре 3b, который здесь образован посредством конечной ступени 3b комбинированной машины 3а/3b, и в первом приводимом турбиной дополнительном компрессоре 202с дополнительно сжимается до второго воздушного давления, предпочтительно от 20 бар до 25 бар, например, 21,8 бар. Дополнительно сжатый второй воздушный поток 204 разделяется на первую и вторую часть, третий воздушный поток 210 и четвертый воздушный поток 230.
Третий воздушный поток 210 подводится к основному теплообменнику 8 на теплом конце и вновь отбирается при первой промежуточной температуре Т1. При этой промежуточной температуре и втором воздушном давлении третий воздушный поток подводится к первой турбине 202t и там, производя работу, расширяется до рабочего давления колонны 10 высокого давления, которое составляет от 5 бар до 7 бар, например, 6 бар. Первая турбина 202t механически связана с первым дополнительным компрессором 202с. Расширенный при совершении работы третий воздушный поток 211 вводится в сепаратор (разделитель фаз) 212 и там освобождается от незначительной жидкой составляющей. Затем он течет в чисто газообразной форме через трубопроводы 213 и 13 к отстойнику (кубу) колонны 10 высокого давления. Входное давление турбины здесь равно второму воздушному давлению.
Четвертый воздушный поток 220 также подводится к теплому концу основного теплообменника 8, протекает через него в общем случае до холодного конца и при этом охлаждается и (псевдо-) сжижается. Затем он расширяется в дроссельном клапане и поступает через трубопроводы 222 и 9 в колонну 10 высокого давления.
Показанная на Фиг. 1 установка разделения воздуха также содержит вторую турбину 14t, которая связана с холодным компрессором 14с; эта машина в данном примере выполнения в первом рабочем режиме не работает.
В системе дистилляционных колонн кубовая жидкость 15 колонны высокого давления охлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и по трубопроводу 17 подается в аргоновую секцию 500, которая поясняется ниже. Оттуда она выходит частично в жидкой форме (трубопровод 18) и частично в газообразной форме (трубопровод 19) под давлением колонны низкого давления и в соответствующем месте вводится в колонну 12 низкого давления. (Если аргоновая секция отсутствует, то переохлажденная кубовая жидкость расширяется непосредственно до давления колонны низкого давления и вводится в колонну низкого давления.)
По меньшей мере часть жидкого воздуха, вводимого по трубопроводу 9 в колонну 10 высокого давления, вновь отбирается через трубопровод 18, также охлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и через клапан 21 и трубопровод 22 подается в колонну 12 низкого давления.
Газообразный головной (отбираемый из верха колонны) азот 23 колонны 10 высокого давления вводится первой частью 24 в камеру сжижения основного конденсатора 11 и там по существу полностью сжижается. Получаемый при этом жидкий азот 25 возвращается первой частью 26 в колонну 10 высокого давления. Вторая часть 27 охлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и через клапан 28 и трубопровод подается сверху в колонну 12 низкого давления. Часть его вновь отбирается в первом рабочем режиме по трубопроводу 30 и извлекается как жидкий азотный продукт (LIN) и выводится из установки разделения воздуха.
Из верха колонны низкого давления, в которой присутствует давление от 1,2 бар до 1,6 бар, например, 1,3 бар, отбирается газообразный азот 31 низкого давления, подогревается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и в основном теплообменнике 8 и отводится по трубопроводу 32 как газообразный продукт низкого давления (GAN). Газообразный неочищенный азот 33 из колонны низкого давления также подогревается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и в основном теплообменнике 8. Подогретый неочищенный азот 34 может либо выпускаться в атмосферу (АТМ) по трубопроводу 35, либо вводится по трубопроводу 36 в качестве регенерирующего газа в устройство 6 очистки.
Из отстойника (куба) колонны 12 низкого давления (точнее, из испарительной камеры основного конденсатора 11) жидкий кислород отводится через трубопровод 37. Первая часть 38, при необходимости, переохлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и через трубопровод 39 извлекается как жидкий кислородный продукт (LOX) и выводится из установки разделения воздуха. Вторая часть 40 образует «первый поток продукта», в насосе 41 приводится на первое давление продукта, например, 31 бар, при этом высоком давлении испаряется или псевдо-испаряется в основном теплообменнике 8 и нагревается примерно до температуры окружающей среды. Нагретый кислород 42 под давлением выдается как обогащенный кислородом первый сжатый газообразный продукт (GOX IC).
Дополнительный продукт внутреннего сжатия может быть извлечен из третьей части 43 жидкого азота 25 из основного конденсатора 11. Он в виде «второго потока продукта» в насосе 44 в жидком виде доводится до второго давления продукта, например, 12 бар. При этом втором давлении продукта он испаряется в основном теплообменнике 8 и нагревается примерно до температуры окружающей среды. Нагретый сжатый азот 45, в итоге, при втором давлении продукта выдается как обогащенный азотом сжатый газообразный продукт (GAN IC).
Если требуется аргоновый продукт, установка разделения воздуха также содержит аргоновую секцию 500, которая функционирует как описано в ЕР 2447563 А1 и производит дополнительный жидкий продукт в форме жидкого чистого аргона (LAR), который выводится через трубопровод 501.
«Первое полное количество жидких продуктов», которое выводится в первом рабочем режиме из установки разделения воздуха, состоит в этом примере выполнения из потоков 30 (LIN), 39 (LOX) и 501 (LAR).
Во втором рабочем режиме установка запускается с меньшим «вторым полным количеством жидких продуктов». Как правило, расход потока в по меньшей мере одном из трубопроводов 30 и 39 снижается, предпочтительно в обоих. Производство аргоновой составляющей предпочтительно поддерживается постоянным, благодаря чему также количество LAR остается постоянным. Также количества и давления продуктов 42, 45 внутреннего сжатия остаются постоянными.
Полное количество воздуха снижается, так что уже первые ступени 3а основного воздушного компрессора 3а/3b потребляют меньше энергии. Кроме того, количество и давление второго частичного потока сильно уменьшаются, так что также конечная ступень 3b основного воздушного компрессора 3а/3b нагружается меньше. Недостающее из-за этого для внутреннего сжатия количество воздуха в трубопроводе 220 компенсируется тем, что третья часть 230 второго воздушного потока 204 в холодном компрессоре 14с приводится на третье, еще более высокое давление, например, 45 бар и при этом очень высоком давлении протекает через основной теплообменник до холодного конца. Холодная псевдо-сжиженная третья часть 232 расширяется в дроссельном клапане 233 до давления колонны высокого давления и по трубопроводам 234 и 9 подается в колонну 10 высокого давления.
Холодный компрессор 14с приводится в действие вторым турбодетандером 14t, в котором третий частичный поток 301 сжатого полного воздушного потока 7 в качестве «пятого воздушного потока» расширяется с совершением работы от первого воздушного давления до рабочего давления колонны 10 высокого давления.
Следующая таблица показывает в конкретном числовом примере сравнение между первым и вторым рабочим режимом, причем здесь второй рабочий режим выполнен как чисто газовый режим (кроме аргона).
Фиг. 1А отличается от Фиг. 1 тем, что пятый воздушный поток 301 ко второй турбине 14t находится не под первым воздушным давлением, а под вторым воздушным давлением ниже по потоку от воздушного дополнительного компрессора 3b. Через дополнительный трубопровод 400 он направляется от выхода воздушного дополнительного компрессора 3b к теплому концу основного теплообменника и далее через трубопровод 301 к входу турбины.
На Фиг. 1В, еще более высокое входное давление имеет место на турбине 14t, при этом пятый воздушный поток 401/301 находится под третьим воздушным давлением ниже по потоку от теплого дополнительного компрессора 202.
Фиг. 2 отличается от Фиг. 1 дополнительной комбинацией турбины-компрессора 50t/50c, через которую поток проходит только в первом рабочем режиме. Третья турбина 50t приводит тогда третий приводимый турбиной дополнительный компрессор 50с. В третьей турбине седьмой воздушный поток, который образуется четвертой частью 401 второго воздушного потока 204, расширяется с совершением работы. Третья турбина 50t эксплуатируется с теми же входным и выходным давлениями, что и у первой турбины 202t. Расширенный седьмой воздушный поток 402 вводится в сепаратор 212. В первом рабочем режиме запускается дополнительный компрессор 50с и вырабатывает «третье воздушное давление» в трубопроводе 204. Оба дополнительных компрессора 202с и 50с образуют в данном примере выполнения «систему дополнительного сжатия».
Во втором рабочем режиме седьмой воздушный поток снижается до нуля, и второй воздушный поток течет через байпасный трубопровод 51 мимо второго дополнительного компрессора 50с. в этом рабочем режиме дополнительный компрессор 202с вырабатывает «третье воздушное давление» в трубопроводах 51 и 204. Третье воздушное давление во втором рабочем режиме ниже, чем в первом рабочем режиме.
Во всех примерах выполнения ниже по потоку от каждой ступени компрессора находится соответствующий дополнительный охладитель для удаления теплоты сжатия.
Еще одно различие по отношению к Фиг. 1 в форме выполнения по Фиг. 2 состоит в том, что входное давление турбины на первой турбине 202t (а также на третьей 50t) меньше, чем второе воздушное давление, потому что турбинный воздух (третий, а также седьмой воздушный поток) ответвляется выше по потоку от первого приводимого турбиной дополнительного компрессора 202с (трубопровод 210х). Такое пониженное входное давление турбины (которое обеспечивает возможность повышенного уровня второго воздушного давления) может рациональным образом также применяться для Фиг. 1.
Разумеется, в случае Фиг. 1 и 2 также возможны промежуточные формы между первым рабочим режимом и чисто газовым режимом, при котором LOX и/или LIN производятся в уменьшенном количестве, большем нуля; они справедливы тогда также в качестве «второго рабочего режима» в смысле формулы изобретения. Во всяком случае в этих примерах выполнения комбинация турбины-холодного компрессора в первом рабочем режиме отключается. Она приводится в действие только во втором рабочем режиме.
Фиг. 2А отличается от Фиг. 2 тем, что пятый воздушный поток 301 к второй турбине 14t находится не под первым воздушным давлением, а под вторым воздушным давлением ниже по потоку от воздушного дополнительного компрессора 3b. Через дополнительный трубопровод 400 он направляется с выхода воздушного дополнительного компрессора 3b к теплому концу основного теплообменника и далее через трубопровод 301 к входу турбины.
На Фиг. 2В вторая турбина 14t опущена. Холодный компрессор 14с приводится в действие от электродвигателя.
В примере выполнения по Фиг. 3 комбинация турбины-холодного компрессора также в максимальном режиме жидкого продукта, то есть в первом рабочем режиме, не отключается. Фиг. 3 отличается от Фиг. 1, кроме того, следующими признаками способа:
- Четвертый воздушный поток 210а/220 ответвляется уже выше по потоку от первого дополнительного компрессора 202с и используется как дроссельный поток относительно низкого давления.
- Также воздух 230а/230 для второй турбины 14t (третья часть второго воздушного потока) ответвляется уже выше по потоку от первого дополнительного компрессора 202с.
Здесь, таким образом, повышение давления посредством обоих приводимых турбиной дополнительных компрессоров 202с и 14с используется главным образом для повышения давления в шестом воздушном потоке, который используется в качестве дроссельного потока особенно высокого давления. Первая турбина 202t приводится в действие при более высоком входном давлении, чем вторая турбина 14t.
При снижении производства жидкого продукта при переходе от первого к второму рабочему режиму нагрузка второй турбины 14t повышается, а нагрузка первой турбины 202 снижается.
В отличие от представления на Фиг. 3, дроссельный поток 210а и турбинный поток 230а могут также ответвляться только после приводимого турбиной теплого дополнительного компрессора 202, как это показано на Фиг. 1.
Во всех вариантах изобретения вторая турбина 14t может также быть выполнена таким образом, что она нагнетает не в колонну 10 высокого давления, а в колонну 12 низкого давления; за счет соответственно повышенного отношения давлений больше энергии может предоставляться в распоряжение холодному компрессору.
Фиг. 3А отличается от Фиг. 3 тем, что пятый воздушный поток 301 к второй турбине 14t находится не под первым воздушным давлением, а под третьим воздушным давлением ниже по потоку от теплого дополнительного компрессора 202с. Через дополнительный трубопровод 301а он направляется к теплому концу основного теплообменника и далее через трубопровод 301 к входу турбины.
На Фиг. 3В вторая турбина 14t опущена. Холодный компрессор 14с приводится в действие электродвигателем.
Эффект изобретения может быть дополнительно усилен тем, что после холодного компрессора 14с включен отключаемый второй холодный компрессор. Это видоизменение может применяться во всех примерах выполнения, например, в показанных на Фиг. 3 и 3В. Поток из первого холодного компрессора 14с во втором рабочем режиме направляется через второй холодный компрессор, прежде чем он снова будет введен в основной теплообменник. Второй холодный компрессор приводится в действие электродвигателем. В первом рабочем режиме второй холодный компрессор отключается, и ток из первого холодного компрессора 14с протекает через байпасный трубопровод в обход второго холодного компрессора.
Изобретение относится к способу и устройству низкотемпературного разделения воздуха. Способ и устройство служат в установке для разделения воздуха, которая содержит основной воздушный компрессор, основной теплообменник и систему дистилляционных колонн с колонной высокого давления и колонной низкого давления. Способ реализуется следующим образом: подаваемый воздух сжимается в основном воздушном компрессоре до первого давления, которое выше, чем рабочее давление колонны высокого давления, первая часть сжатого воздушного потока как первый воздушный поток при первом давлении охлаждается в основном теплообменнике и сжижается или псевдосжижается, затем расширяется и вводится в систему дистилляционных колонн, вторая часть сжатого воздушного потока как второй воздушный поток дополнительно сжимается в воздушном дополнительном компрессоре до второго давления, которое выше, чем первое давление, и по меньшей мере частично дополнительно сжимается в первом приводимом турбиной дополнительном компрессоре до третьего давления, которое выше, чем второе давление, первый частичный поток второго воздушного потока как третий воздушный поток при первом входном давлении турбины вводится в первую турбину, где расширяется с совершением работы и затем вводится в систему дистилляционных колонн, причем первое входное давление турбины больше, чем первое давление, но не больше, чем третье давление, и первая турбина приводит в действие первый приводимый турбиной дополнительный компрессор, второй частичный поток второго воздушного потока как четвертый воздушный поток под давлением, которое больше, чем первое давление, но не больше, чем третье давление, охлаждается в основном теплообменнике и сжижается или псевдосжижается, затем расширяется и вводится в систему дистилляционных колонн, третий частичный поток второго воздушного потока как шестой воздушный поток охлаждается в основном теплообменнике до первой промежуточной температуры, дополнительно сжимается в холодном компрессоре до четвертого воздушного давления, которое выше, чем третье давление, и дополнительно сжатый шестой воздушный поток при четвертом воздушном давлении охлаждается в основном теплообменнике сжижается или псевдосжижается, затем расширяется и вводится в систему дистилляционных колонн, при этом в системе дистилляционных колонн извлекается жидкий продукт и выводится из установки разделения воздуха, первый поток продукта в жидком виде выводится из системы дистилляционных колонн, в жидком состоянии приводится на первое повышенное давление продукта, в основном теплообменнике испаряется или псевдоиспаряется и нагревается и затем извлекается как первый сжатый газообразный продукт, причем в первом рабочем режиме первое полное количество жидких продуктов выводится из установки разделения воздуха, во втором рабочем режиме второе полное количество жидких продуктов выводится из установки разделения воздуха, которое меньше, чем первое полное количество, и в первом рабочем режиме количество воздуха, которое направляется как шестой воздушный поток через холодный компрессор, меньше, чем во втором рабочем режиме. Изобретение обеспечивает возможность работы с сильно варьирующейся долей жидкого продукта, т.е. потоками, которые выходят из установки разделения воздуха в жидкой форме, и эффективное разделение воздуха. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
1. Способ низкотемпературного разделения воздуха в установке разделения воздуха, которая содержит основной воздушный компрессор, основной теплообменник (8) и систему дистилляционных колонн с колонной (10) высокого давления и колонной низкого давления, причем
- весь подаваемый воздух (1) в основном воздушном компрессоре (3а) сжимается до первого воздушного давления, которое по меньшей мере на 3 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления, чтобы сформировать сжатый полный воздушный поток (4, 7),
- первая часть сжатого полного воздушного потока как первый воздушный поток (100) при первом воздушном давлении охлаждается в основном теплообменнике (8) и сжижается или псевдосжижается, затем расширяется (101) и вводится (102, 9) в систему дистилляционных колонн,
- вторая часть сжатого полного воздушного потока как второй воздушный поток (200) дополнительно сжимается в воздушном дополнительном компрессоре (3b) до второго воздушного давления, которое выше, чем первое воздушное давление, и по меньшей мере первая часть второго воздушного потока дополнительно сжимается в системе дополнительного сжатия до третьего воздушного давления, которое выше, чем второе воздушное давление, причем система дополнительного сжатия имеет по меньшей мере первый приводимый турбиной дополнительный компрессор (202с),
- первый частичный поток второго воздушного потока как третий воздушный поток (210) при первом входном давлении турбины вводится в первую турбину (202t), там расширяется с совершением работы и затем вводится (211, 213, 22) в систему дистилляционных колонн, причем первое входное давление турбины больше, чем первое воздушное давление, но не больше, чем третье воздушное давление, и первая турбина (202t) приводит в действие первый приводимый турбиной дополнительный компрессор (202с),
- второй частичный поток второго воздушного потока как четвертый воздушный поток (220) под давлением, которое больше, чем первое воздушное давление, но не больше, чем третье воздушное давление, охлаждается в основном теплообменнике (8) и сжижается или псевдосжижается, затем расширяется (221) и вводится (222) в систему дистилляционных колонн,
- по меньшей мере время от времени по меньшей мере один жидкий продукт (30; 39; LAR) извлекается в системе дистилляционных колонн и выводится из установки разделения воздуха,
- первый поток продукта (37; 43) в жидком виде выводится из системы дистилляционных колонн, в жидком состоянии приводится (41; 44) на первое повышенное давление продукта, в основном теплообменнике (8) испаряется или псевдоиспаряется и нагревается, и
- нагретый первый поток продукта (42; 45) как первый сжатый газообразный продукт выводится из установки разделения воздуха,
отличающийся тем, что
- по меньшей мере время от времени
- третий частичный поток второго воздушного потока как шестой воздушный поток (230) охлаждается в основном теплообменнике (8) до первой промежуточной температуры, дополнительно сжимается в холодном компрессоре (14с) до четвертого воздушного давления, которое выше, чем третье воздушное давление, и
- дополнительно сжатый шестой воздушный поток (231) при четвертом воздушном давлении охлаждается в основном теплообменнике (8) и сжижается или псевдосжижается, затем расширяется (233) и вводится (234, 9) в систему дистилляционных колонн,
- в первом рабочем режиме первое полное количество жидких продуктов (30; 39; LAR) выводится из установки разделения воздуха,
- во втором рабочем режиме второе полное количество жидких продуктов (30; 39; LAR) выводится из установки разделения воздуха, которое меньше, чем первое полное количество, и что
- в первом рабочем режиме количество воздуха, которое направляется как шестой воздушный поток (230) через холодный компрессор (14с), меньше, чем во втором рабочем режиме.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
- по меньшей мере время от времени
- третья часть сжатого полного воздушного потока как пятый воздушный поток (301) при первом воздушном давлении вводится во вторую турбину (14t) и там расширяется с совершением работы,
- вторая турбина (14t) приводит в действие второй приводимый турбиной дополнительный компрессор, который образован холодным компрессором (14с),
- расширенный с совершением работы пятый воздушный поток (302) вводится (13) в систему дистилляционных колонн, и что
- в первом рабочем режиме количество воздуха, которое как пятый воздушный поток (14t) направляется через вторую турбину, меньше, чем во втором рабочем режиме.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что
- в первом рабочем режиме
- первое количество воздуха сжатого полного воздушного потока образует первый воздушный поток (100), и
- второе количество воздуха сжатого полного воздушного потока образует второй воздушный поток (200),
и
- во втором рабочем режиме
- третье количество воздуха сжатого полного воздушного потока, которое выше, чем первое количество воздуха, образует первый воздушный поток (100), и
- четвертое количество воздуха сжатого полного воздушного потока, которое меньше, чем второе количество воздуха, образует второй воздушный поток (200).
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что третий воздушный поток (210) вводится в первую турбину (202t) при третьем воздушном давлении.
5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что четвертый воздушный поток (220) в первой турбине (202t) расширяется до выходного давления, которое равно рабочему давлению колонны (10) высокого давления.
6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пятый воздушный поток (301) во второй турбине (14t) расширяется до выходного давления, которое равно рабочему давлению колонны (10) высокого давления.
7. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что во втором рабочем режиме пятый воздушный поток (301) во второй турбине (14t) расширяется до выходного давления, которое равно рабочему давлению колонны (12) низкого давления.
8. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в обоих рабочих режимах по меньшей мере одна часть по меньшей мере одного из следующих воздушных потоков соответственно вводится ниже по потоку от его расширения в колонну (10) высокого давления:
- первый воздушный поток (102),
- третий воздушный поток (211),
- четвертый воздушный поток (234).
9. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере одна часть расширенного пятого воздушного потока (302) вводится (13) в колонну (10) высокого давления.
10. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что основной воздушный компрессор (3а) и воздушный дополнительный компрессор (3b) образованы комбинированной машиной с общим приводом.
11. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что четвертый воздушный поток (220) во втором рабочем режиме содержит меньшее количество, чем в первом рабочем режиме.
12. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что во втором рабочем режиме четвертый частичный поток второго воздушного потока как седьмой воздушный поток (401) расширяется с совершением работы в третьей турбине (50t) и затем вводится в систему дистилляционных колонн.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в первом рабочем режиме третья турбина (50t) приводит в действие третий приводимый турбиной дополнительный компрессор (50с), который является частью системы дополнительного сжатия.
14. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что
- второй поток продукта выводится в жидком виде из системы дистилляционных колонн, приводится в жидком состоянии на второе повышенное давление продукта, испаряется или псевдоиспаряется и нагревается в основном теплообменнике и
- нагретый второй поток продукта как второй сжатый газообразный продукт выводится из установки разделения воздуха,
причем, в частности,
- первый поток продукта образуется кислородом (37) из нижней области колонны низкого давления и/или
- второй поток продукта образуется азотом (43) из верхней области колонны высокого давления или из конденсатора наверху колонны высокого давления.
15. Установка разделения воздуха для низкотемпературного разделения воздуха, содержащая
- основной теплообменник (8),
- систему дистилляционных колонн, которая имеет колонну (10) высокого давления и колонну низкого давления,
- основной воздушный компрессор (3а) для сжатия полного загруженного воздуха (1) до первого воздушного давления, которое по меньшей мере на 3 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления, чтобы сформировать сжатый полный воздушный поток (4, 7),
- средства для охлаждения первой части сжатого полного воздушного потока как первого воздушного потока (100) при первом воздушном давлении в основном теплообменнике (8),
- средства для расширения (101) и ввода (102, 9) в систему дистилляционных колонн охлажденного первого воздушного потока,
- воздушный дополнительный компрессор (3b) для дополнительного сжатия второй части сжатого полного воздушного потока как второго воздушного потока (200) до второго воздушного давления,
- систему дополнительного сжатия для дополнительного сжатия по меньшей мере первой части второго частичного потока до третьего воздушного давления, которое выше, чем второе воздушное давление, причем система дополнительного сжатия содержит по меньшей мере первый приводимый турбиной дополнительный компрессор (202с),
- первую турбину (202t) для расширения с совершением работы первого частичного потока второго воздушного потока как третьего воздушного потока (210) от первого входного давления турбины, которое больше, чем первое воздушное давление, но не больше, чем третье воздушное давление, причем первая турбина (202t) связана с первым приводимым турбиной дополнительным компрессором (202с),
- средства для охлаждения второго частичного потока второго воздушного потока как четвертого воздушного потока (20) под давлением, которое больше, чем первое воздушное давление, но не больше, чем третье воздушное давление, в основном теплообменнике (8),
- средства для расширения (221) и ввода (222) охлажденного четвертого воздушного потока в систему дистилляционных колонн,
- средства для извлечения по меньшей мере одного жидкого продукта (30; 39; LAR) в системе дистилляционных колонн и средства для вывода из установки разделения воздуха,
- средства для вывода в жидком виде первого потока продукта (37; 43) из системы дистилляционных колонн для повышения давления в жидком состоянии до первого повышенного давления продукта (41; 44) для нагрева в основном теплообменнике (8), и
- средства для вывода нагретого первого потока продукта (42; 45) как первого сжатого газообразного продукта из установки разделения воздуха,
отличающаяся тем, что содержит
- средства для охлаждения третьего частичного потока второго воздушного потока как шестого воздушного потока (230) в основном теплообменнике (8) до первой промежуточной температуры,
- холодный компрессор (14с) для дополнительного сжатия шестого воздушного потока до четвертого воздушного давления, которое выше, чем третье воздушное давление,
- средства для охлаждения дополнительно сжатого шестого воздушного потока при четвертом воздушном давлении в основном теплообменнике (8),
- средства для расширения (233) и ввода (234, 9) в систему дистилляционных колонн охлажденного шестого воздушного потока,
- и средства для переключения между первым и вторым рабочим режимом, причем
- в первом рабочем режиме первое полное количество жидких продуктов (30; 39; LAR) выводится из установки разделения воздуха,
- во втором рабочем режиме второе полное количество жидких продуктов (30; 39; LAR) выводится из установки разделения воздуха, которое меньше, чем первое полное количество, и что
- в первом рабочем режиме количество воздуха, которое как шестой воздушный поток (230) направляется через холодный компрессор (14с), меньше, чем во втором рабочем режиме.
| Колосоуборка | 1923 |
|
SU2009A1 |
| Печь-кухня, могущая работать, как самостоятельно, так и в комбинации с разного рода нагревательными приборами | 1921 |
|
SU10A1 |
| Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор | 1923 |
|
SU2005A1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ КРИОГЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГАЗОВ, В ЧАСТНОСТИ ВОЗДУХА | 2005 |
|
RU2382963C2 |
