Изобретение относится к способу и устройству для переменного получения продукта сжатого газа при помощи низкотемпературного разделения воздуха.
Способы и устройства для низкотемпературного разделения воздуха известны, например, из "Низкотемпературная техника", авторов Хаусен/Линде, 2-ое издание 1985, глава 4 (страницы с 281 по 337).
Система дистилляционных колонн такой установки может быть выполнена в виде системы двух колонн (например, в виде классической системы сдвоенных колонн от Linde) или же в виде системы трех или большего количества колонн. В дополнение к колоннам для разделения азота и кислорода система может иметь дальнейшие устройства для получения высокочистых продуктов и/или других компонентов воздуха, в частности инертных газов, например, получение аргона и/или получение криптона-ксенона.
Во время процесса в рамках "внутреннего сжатия" поданный в жидком виде под давлением поток продукта испаряется в противотоке с теплоносителем и затем получается в виде внутренне сжатого продукта сжатого газа. Этот способ обозначается также как внутреннее сжатие. Он служит для получения газообразного продукта под давлением. В случае сверхкритического давления отсутствует фазовый переход в истинном значении, в этом случае поток продукта "псевдоиспаряется". Говоря о потоке продукта, речь может идти, например, о продукте кислорода из колонны низкого давления системы двух колонн или о продукте азота из колонны высокого давления системы двух колонн или из камеры сжижения основного конденсатора, при помощи которого колонна высокого давления и колонна низкого давления находятся в передающем тепло соединении.
В противотоке с (псевдо)испаряющимся потоком продукта находящийся под высоким давлением теплоноситель сжижается (или псевдосжижается, если он находится под сверхкритическим давлением). Теплоноситель зачастую образуется частью воздуха, в данном случае "вторым частичным потоком" сжатого используемого 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 150082 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 200704449 A1, EP 1845324 A1, DE 102006032731 A1, EP 1892490 A1, DE 102007014643 A1, EP 2015012 A2, EP 2015013 A2, EP 2026024 A1, WO 2009095188 A2 или DE 102008016355 A1.
DE 102010052545 A1 показывает постоянный способ внутреннего сжатия, при котором поток воздуха нагревается в основном теплообменнике и подводится обратно к основному воздушному компрессору.
Изобретение относится в частности к системам, в которых весь используемый воздух сжимается до давления, которое существенно выше максимального давления дистилляции, которое преобладает внутри колонн системы дистилляционных колонн (как правило, это - давление колонны высокого давления). Такие системы обозначаются также как HAP-процессы (HAP=high air pressure - высокое давление воздуха). При этом "первое давление", то есть выходное давление основного воздушного компрессора (MAC=main air compressor - основной воздушный компрессор), в котором весь воздух сжимается, например, более чем на 4 бар, в частности на 6-16 бар, выше максимального давления дистилляции. В абсолютных величинах "первое давление" составляет, например, от 17 до 25 бар. При HAP-способах основной воздушный компрессор обычно представляет собой единую, приводимую в действие внешней энергией машину для сжатия воздуха. Под "единой машиной" здесь понимается одноступенчатый или многоступенчатый компрессор, все ступени которого соединены с одним приводом, причем все ступени размещены в одном корпусе или соединены с одним передаточным механизмом.
Альтернативу подобным HAP-способам представляют так называемые MAC-BAC-способы, при которых воздух сжимается в основном воздушном компрессоре до относительно низкого полного давления воздуха, например, до рабочего давления колонны высокого давления (плюс потери напора в трубопроводе). Часть воздуха из основного воздушного компрессора сжимается в приводимом в действие внешней энергией воздушном дожимном компрессоре (BAC=booster air compressor - вспомогательный воздушный компрессор) до более высокого давления. Эта часть воздуха под более высоким давлением (называемая часто как дроссельный поток) выдает большую часть необходимого для (псевдо) испарения внутренне сжатого продукта тепла в основном теплообменнике. Эта часть воздуха разряжается ниже по потоку от основного воздушного компрессора в дроссельном клапане или в жидкостной турбине (DLE=dense liquid expander - плотный жидкостный детандер) до необходимого в системе дистилляционных колонн давления.
Непостоянная потребность во внутренне сжатом продукте часто заставляет рассчитывать установку разделения воздуха на переменную эксплуатацию с переменным производством сжатого газа. И наоборот может быть целесообразным эксплуатировать установку разделения воздуха непостоянно, несмотря на постоянное или по существу постоянное производство, благодаря тому, что предусмотрены различные режимы работы, которые имеют различное потребление энергии.
Конкретным примером подобного краевого условия является выработка внутренне сжатого кислорода (GOXIV) и при необходимости дальнейших газообразных и/или жидких продуктов на установке производства этиленоксида. В этом случае часто имеет место то, что потребность в кислороде адаптируется к состоянию катализатора при производстве этиленоксида; следовательно, она может варьироваться между 100% и приблизительно 70% во время срока службы катализатора (как правило, около 3 лет). При этом существенным является то, что в течение этого времени установка разделения воздуха эксплуатируется примерно одинаковые периоды с различными количествами (между 100% и примерно 70%) GOXIV-продукта. Поэтому важным является то, что установка эффективно эксплуатируется не только в проектном случае со 100% GOXIV, но и в случаях неполной нагрузки. Это требование осложняется еще тем, что производство других продуктов разделения воздуха не зависит от GOXIV-продукта; например, потребность в одном, нескольких или во всех, других продуктах разделения воздуха может оставаться неизменной, в то время как GOX-производство падает со 100% приблизительно до 70%. Говоря о таких "других продуктах разделения воздуха", речь может идти, например, об одном, нескольких или обо всех из следующих продуктов:
- внутренне сжатый продукт азота (GANIV);
- другой газообразный продукт под давлением, как например извлеченный в газообразном состоянии из колонны высокого давления азот под давлением (HPGAN), который при необходимости дополнительно сжимается в компрессоре азота;
- жидкий(ие) продукт(ы), как например жидкий кислород, жидкий азот и/или жидкий аргон.
При помощи общепринятого MAC-BAC-способа эту постановку задачи можно относительно хорошо реализовывать, так как оба компрессора (MAC и BAC) отвечают за функционально отдельные задачи. Основной воздушный компрессор предоставляет в принципе только используемый воздух для разделения; воздушный дожимной компрессор предоставляет энергию для внутреннего сжатия (GOXIV, GANIV) и для производства жидкости. При этом обе машины могут относительно просто регулироваться, как правило, между 70% и 100%.
При HAP-способе эти обе задачи (подача воздуха для разделения и предоставление энергии для внутреннего сжатия/производства жидкости) решаются с помощью одного единственного компрессора. Это может приводить к ситуациям, что определенные случаи эксплуатации находятся за пределами поля характеристик компрессора и не могут приводиться в действие. Общая потребность в энергии установки разделения воздуха определяется не только GOXIV-продуктом, но и в значительной степени производством жидкости или другими внутренне сжатыми продуктами. Однако для количества воздуха разделения GOXIV-продукт зачастую является определяющим. Если количество GOXIV значительно сокращается, то в установку подается также значительно меньшее количество воздуха разделения. Однако тем самым в систему вводится также значительно меньше энергии, что при определенных обстоятельствах может быть больше недостаточно для желаемого производства других продуктов (жидкостей, GANIV и т.д.). Для того чтобы, несмотря на значительно меньшее количество воздуха, предоставлять достаточное количество энергии, давление компрессора должно быть значительно выше. Однако при HAP-способе это возможно лишь частично, так как
a) поле характеристик машины ограничено, и
b) расчетное давление для "горячей" части установки (предварительное охлаждение, адсорбер и т.д.) не должно превышаться.
В основе изобретения лежит задача по предоставлению способа и соответствующего устройства, которые объединяют преимущества HAP-способа с универсальностью, которая аналогично известна при MAC-BAC-способе. Под "универсальностью" здесь понимается в частности то, что система может энергетически оптимально эксплуатироваться не только при определенном выпускаемом количестве внутренне сжатого продукта, но и в относительно широком диапазоне нагрузок при приблизительно неизменно низком удельном потреблении энергии. При этом в частности производство других продуктов разделения воздуха должно оставаться неизменным или изменяться, по меньшей мере, в меньшей степени, чем количество продукта внутреннего сжатия.
Эта задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
У изобретения во втором режиме работы часть количества используемого воздуха проводится мимо всей системы дистилляционных колонн. В этом случае это количество не принимает участие в производстве первого потока продукта, однако, несмотря на это, оно может проводиться через первую турбину, для того чтобы производить тем самым достаточное количество холода и соответственно поставлять достаточное количество энергии в систему, для того чтобы была возможность сохранять производство жидкости или сокращать его, по крайней мере, в относительно меньшей степени, чем количество первого сжатого продукта.
Согласно изобретению часть используемого воздуха не вводится в систему дистилляционных колонн, а подается обратно в основной воздушный компрессор, благодаря тому, что
- многоступенчатый компрессор образуется посредством основного воздушного компрессора,
- первый рабочий поток образуется посредством всего используемого воздуха, и
- второй рабочий поток образуется посредством части разряженного во время выполнения работы первого частичного потока используемого воздуха.
Избыточный воздух не вводится в систему дистилляционных колонн, а сразу после разряжения в турбине проводится обратно в теплообменник и затем без дросселирования подается на соответствующее место (например, после второй или третьей ступени) основного воздушного компрессора. Вследствие этого необходимое количество "избытка" воздуха сжимается не с атмосферного давления, а, например, приблизительно с 5 бар, и экономится большое количество энергии.
Другая возможность (при отсутствующем компрессоре GAN низкого давления) заключается в том, чтобы избыточный воздух вводить в систему дистилляционных колонн и разделять. При этом может получаться имеющийся в этом количестве воздуха аргон. При этом избыточное количество кислорода может извлекаться в виде кислорода низкого давления из колонны низкого давления и подводится к UN2-потоку. В этом случае теряется в принципе только работа по разделению для получения дополнительных молекул кислорода, однако одновременно производится значительно большее количество аргона.
Однако переменная рециркуляция воздуха может также комбинироваться с промежуточной подачей азота в соответствующий компрессор, благодаря тому, что
- третий рабочий поток сжимается в компрессоре продукта азота с входного давления до конечного давления, и
- по меньшей мере, периодически четвертый рабочий поток смешивается ниже по потоку от первой ступени компрессора продукта азота с третьим рабочим потоком, причем
- третий рабочий поток образуется посредством первого потока газообразного азота из колонны низкого давления, и
- четвертый рабочий поток образуется посредством первого потока газообразного азота из колонны высокого давления.
Является оптимальным, если смешивание второго с первым рабочим потоком или четвертого со вторым рабочим потоком осуществляется на промежуточной ступени многоступенчатого компрессора.
Дополнительно во втором режиме работы поток газообразного кислорода может извлекаться из нижней области колонны низкого давления, смешиваться с насыщенным азотом потоком из верхней области колонны низкого давления и подогреваться в виде смеси в основном теплообменнике.
Кроме того, в частном варианте осуществления изобретения может использоваться вторая воздушная турбина, причем третий частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре используемого воздуха охлаждается в основном теплообменнике до промежуточной температуры и, выполняя работу, разряжается во второй воздушной турбине, и по меньшей мере одна первая часть разряженного во время выполнения работы третьего частичного потока вводится в систему дистилляционных колонн.
Кроме того, второй частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре используемого воздуха может охлаждаться в основном теплообменнике до промежуточной температуры, во втором дожимном компрессоре, который эксплуатируется в качестве холодного компрессора и приводится в действие второй турбиной, дополнительно сжиматься до третьего давления, которое выше чем первое давление, снова охлаждаться в основном теплообменнике, (псевдо) сжижаться и затем разряжаться и вводиться в систему дистилляционных колонн. Таким образом, давление второго частичного потока может дополнительно повышаться без внешних энергетических затрат. Может достигаться соответственно более высокое давление внутреннего сжатия.
Дополнительно четвертый частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре воздуха может охлаждаться под первым давлением в основном теплообменнике и затем разряжаться и вводиться в систему дистилляционных колонн. Благодаря подобному второму дроссельному потоку дополнительно оптимизируется процесс теплообмена в основном теплообменнике.
В другом варианте осуществления со второй турбиной является оптимальным, если третий частичный поток разряжается во второй воздушной турбине до давления, которое по меньшей мере на 1 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления, и разряженный во время выполнения работы третий частичный поток снова охлаждается в основном теплообменнике и затем разряжается и вводится в систему дистилляционных колонн. Благодаря подобному третьему дроссельному потоку дополнительно оптимизируется процесс теплообмена в основном теплообменнике.
При соответствующем изобретению способе в частности при переходе с первого на второй режим работы сжатое в основном воздушном компрессоре общее количество воздуха практически не сокращается или сокращается в меньшей степени, чем количество продукта сжатого кислорода, благодаря тому, что
- в первом режиме работы первое количество используемого воздуха сжимается в основном воздушном компрессоре, и
- во втором режиме работы второе количество используемого воздуха сжимается в основном воздушном компрессоре, причем
- отношение второго количества использованного воздуха к первому количеству использованного воздуха больше, в частности по меньшей мере на 3%, в частности более чем на 5%, чем отношение второго количества первого продукта сжатого газа к первому количеству первого продукта сжатого газа.
В случаях эксплуатации с меньшим производством GOXIV "искусственно" увеличивается количество подаваемого воздуха в холодный отсек, то есть большее количество воздуха подается в часть установки с низкой температурой, чем это необходимо для получения специфицированных для этого случая эксплуатации продуктов сжатого кислорода. Если используемый воздух подается "с избытком", то давление на выходе компрессора может понижаться, так как подача энергии для (псевдо) испарения GOXIV-продукта осуществляется в этом случае не при помощи давления воздуха, а при помощи количества воздуха. При этом значение имеет то, что воздух не только подается просто с избытком (будучи сжат в основном воздушном компрессоре, охлажден в теплообменнике, разряжен в турбине до давления колонны высокого давления, снова подогрет в теплообменнике и наконец задросселирован до атмосферного давления), но и при помощи описанных выше признаков достигаются также дальнейшие преимущества.
Кроме того, благодаря этим мерам имеется в распоряжении достаточное количество воздуха для получения других продуктов. Например, может производиться достаточное количество холода, для того чтобы предоставлять остающееся неизменным количество жидких продуктов.
У изобретения первый частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре используемого воздуха дополнительно сжимается выше по потоку от своего входа в основной теплообменник в первом дожимном компрессоре, который эксплуатируется в качестве горячего компрессора и приводится в действие первой турбиной. Вследствие этого входное давление первой турбины значительно выше, чем первое давление, до которого сжимается весь воздух. Воздух же для второй турбины, например, дополнительно не сжимается, то есть ее входное давление находится на более низком уровне первого давления.
Кроме того, изобретение относится к устройству согласно пункту 10 формулы изобретения. Соответствующее изобретению устройство может дополняться признаками устройства, которые соответствуют признакам зависимых пунктов формулы изобретения относительно способа.
Говоря о "средствах для переключения между первым и вторым режимом работы", речь идет о комплексных устройствах регулировки и управления, которые во взаимодействии друг с другом делают возможным, по меньшей мере, частично автоматическое переключение между обоими режимами работы, например, посредством запрограммированной соответствующим образом системы управления эксплуатационным процессом.
Изобретение, а также дальнейшие подробности изобретения разъясняются в дальнейшем более подробно при помощи схематично изображенных на чертеже примеров осуществления. При этом на чертеже показаны:
фиг. 1 - пример осуществления изобретения с рециркуляцией воздуха турбины к основному воздушному компрессору во втором режиме работы;
фиг. 2 - вариант способа, который не является частью заявленного здесь изобретения, однако служит для дальнейшего разъяснения изобретения, включающий в себя ввод газообразного азота из колонны высокого давления в компрессор продукта азота; и
фиг. 3 и 4 - модификации фиг. 1 третьим дроссельным потоком.
Сначала при помощи фиг. 1 описывается первый режим работы первого варианта осуществления способа согласно изобретению. Атмосферный воздух (AIR) засасывается через фильтр 1 основным воздушным компрессором 2. Основной воздушный компрессор имеет в примере пять ступеней и сжимает общий поток воздуха до "первого давления", например, в 22 бар. Общий поток 3 воздуха ниже по потоку от основного воздушного компрессора 2 охлаждается под первым давлением в предварительном охладителе 4. Предварительно охлажденный общий поток 5 воздуха очищается в устройстве 6 очистки, которое образуется в частности посредством пары переключаемых адсорберов молекулярного сита. Очищенный общий поток 7 воздуха первой частью 8 дополнительно сжимается в эксплуатируемом в качестве горячего компрессора воздушном дожимном компрессоре 9 с добавочным охладителем 10 до второго давления, например, в 28 бар, и затем разделяется на "первый частичный поток" 11 (первый поток воздуха турбины) и "второй частичный поток" 12 (первый дроссельный поток).
Первый частичный поток 11 охлаждается в основном теплообменнике 13 до первой промежуточной температуры. Охлажденный первый частичный поток 14 разряжается, выполняя работу, в первой воздушной турбине 15 со второго давления примерно до 5,5 бар. Первая воздушная турбина 15 приводит в действие горячий воздушный дожимной компрессор 9. Разряженный во время выполнения работы первый частичный поток 16 вводится в сепаратор (разделитель фаз) 17. Жидкая фракция 18 вводится по трубопроводам 19 и 20 в колонну 22 низкого давления системы дистилляционных колонн.
Система дистилляционных колонн включает в себя колонну 21 высокого давления, колонну 22 низкого давления, основной конденсатор 23, а также общепринятую систему 24 получения аргона с колонной 25 сырого аргона и колонной 26 чистого аргона. Основной конденсатор 23 выполнен в виде конденсатора-испарителя, в данном примере в виде каскадного испарителя. Рабочее давление в голове колонны высокого давления составляет в примере 5,3 бар, а в голове колонны низкого давления 1,35 бар.
Второй частичный поток 12 используемого воздуха охлаждается в основном теплообменнике 13 до второй промежуточной температуры, которая выше чем первая промежуточная температура, по трубопроводу 27 подается к холодному компрессору 28 и там дополнительно сжимается до "третьего давления" примерно в 40 бар. Дополнительно сжатый второй частичный поток 29 при третьей промежуточной температуре, которая выше чем вторая промежуточная температура, снова вводится в основной теплообменник 13 и там охлаждается до холодного конца. Холодный второй частичный поток 30 разряжается в дроссельном клапане 31 примерно до рабочего давления колонный высокого давления и по трубопроводу 32 подается в колонну 21 высокого давления. Часть 33 снова извлекается, охлаждается в противоточном теплообменнике 34 глубокого охлаждения и по трубопроводам 35 и 20 подается в колонну 22 низкого давления.
"Третий частичный поток" 36 используемого воздуха под первым давлением вводится в основной теплообменник 13 и там охлаждается до четвертой промежуточной температуры, которая в примере несколько ниже, чем первая промежуточная температура. Охлажденный третий частичный поток 37, выполняя работу, разряжается во второй воздушной турбине 38 с первого давления примерно до давления колонный высокого давления. Вторая воздушная турбина 38 приводит в действие холодный компрессор 28. Разряженный во время выполнения работы третий частичный поток 39 подается по трубопроводу 40 в нижнюю часть колонны 21 высокого давления.
"Четвертый частичный поток" 41 (второй дроссельный поток) проходит через основной теплообменник 13 от горячего к холодному концу под первым давлением. Холодный четвертый частичный поток 42 разряжается в дроссельном клапане 43 примерно до рабочего давления колонный высокого давления и по трубопроводу 32 подается в колонну 21 высокого давления.
Насыщенная кислородом кубовая жидкость колонны 21 высокого давления охлаждается в противоточном теплообменнике 34 глубокого охлаждения и по трубопроводу 45 вводится в необязательную систему 24 получения аргона. Произведенный из нее пар 46 и оставшаяся жидкость 47 подаются в колонну 22 низкого давления.
Первая часть 49 азота 48 из головы колонны 21 высокого давления полностью или по существу полностью сжижается в камере сжижения основного конденсатора 23 в противотоке с испаряющимся в испарительной камере жидким кислородом из нижней части колонны низкого давления. Первая часть 51 произведенного при этом жидкого азота 50 подается в качестве обратного потока в колонну 21 высокого давления. Вторая часть 52 охлаждается в противоточном теплообменнике 34 глубокого охлаждения и по трубопроводу 53 подается в колонну 22 низкого давления. По меньшей мере одна часть жидкого азота 53 низкого давления служит в качестве обратного потока в колонне 22 низкого давления; другая часть 54 может получаться в виде продукта (LIN) жидкого азота.
Газообразный азот 55 низкого давления вытягивается из головы колонны 22 низкого давления и подогревается в противоточном теплообменнике 34 глубокого охлаждения и в основном теплообменнике 13. Горячий азот 56 низкого давления сжимается в состоящем из двух секций компрессоре 57, 59 продукта азота с промежуточным и добавочным охладителем 58, 60 до необходимого давления продукта, которое в примере составляет 12 бар. Первая секция 57 компрессора продукта азота состоит, например, из двух или трех ступеней с соответствующими добавочными охладителями; вторая секция 59 имеет по меньшей мере одну ступень и предпочтительно также промежуточный и добавочный охладитель.
Газообразный неочищенный азот 61 вытягивается из промежуточного участка колонны 22 низкого давления и подогревается в противоточном теплообменнике 34 глубокого охлаждения и в основном теплообменнике 13. Горячий неочищенный азот 62 может выпускаться 63 в атмосферу (ATM) и/или использоваться в качестве восстановительного газа 64 для устройства 6 очистки.
Трубопроводы 67 и 68 (так называемый переход аргона) соединяют колонну 22 низкого давления с колонной 25 сырого аргона системы 24 получения аргона.
Первая часть 70 жидкого кислорода 69 из нижней части колонны 22 низкого давления вытягивается в качестве "первого потока продукта", доводится в кислородном насосе 71 до "первого давления продукта", например, в 37 бар, под первым давлением продукта испаряется в основном теплообменнике 13 и наконец по трубопроводу 72 получается в виде "первого продукта сжатого газа" (GOX IC - внутренне сжатый газообразный кислород).
Вторая часть 73 жидкого кислорода 69 из нижней части колонны 22 низкого давления при необходимости охлаждается в противоточном теплообменнике 34 глубокого охлаждения и по трубопроводу 74 получается в виде продукта (LOX) жидкого кислорода.
В примере также третья часть 75 жидкого азота 50 из колонны 21 высокого давления или основного конденсатора 23 подвергается внутреннему сжатию, благодаря тому, что она доводится в азотном насосе 76 до второго давления продукта, например, в 37 бар, под вторым давлением продукта псевдоиспаряется в основном теплообменнике 13 и наконец по трубопроводу 77 получается в виде продукта (GAN IC) внутренне сжатого газообразного азота.
Вторая часть 78 газообразного азота 48 из головы колонны 21 высокого давления подогревается в основном теплообменнике и по трубопроводу 79 либо получается в виде газообразного продукта среднего давления, либо - как изображено - используется в качестве уплотнительного газа (Sealgas) для одного или нескольких из изображенных технологических насосов.
Если в качестве "первого режима работы" обозначить режим работы с максимальным производством кислорода (100% согласно конструктивному исполнению), то в этом режиме работы изображенные жирными линиями трубопроводы 65/66 остаются вне эксплуатации.
В этом случае более низкое производство кислорода (например, 75%) может рассматриваться как "второй режим работы". В этом случае часть газообразной фракции 17 разряженного во время выполнения работы первого частичного потока 16 подводится в качестве "второго рабочего потока" по трубопроводам 65, 66 через основной теплообменник обратно к промежуточной ступени основного воздушного компрессора 2. В примере обратный поток между второй и третьей ступенью или между третьей и четвертой ступенью основного воздушного компрессора примешивается к используемому воздуху. (Этот используемый воздух представляет собой здесь "первый рабочий поток".) Вследствие этого количество воздуха через турбину 15 может удерживаться относительно высоким, и может получаться неизменное - или, по меньшей мере, сокращенное в меньшей степени - количество продукта азота и жидких продуктов.
С тем же успехом режим работы 95% мог бы рассматриваться в качестве "первого режима работы". В этом случае "второй режим работы" достигается, например, при производстве кислорода в 90% расчетного значения.
Следующая таблица приводит в качестве примера численные значения двух различных режимов работы установки с фиг. 1:
Обратное количество касается в таблице фактического количества воздуха через фильтр 1. Все процентные данные относятся здесь и в остальном тексте к молярным количествам, если не указано иное.
Универсальность способа может дополнительно повышаться благодаря описанной в дальнейшем необязательной мере. При этом во втором режиме работы газообразный кислород 181 вытягивается из колонны низкого давления и смешивается с газообразным неочищенным азотом 61 из колонны низкого давления. Смешивание происходит, например, ниже по потоку от противоточного теплообменника 34 глубокого охлаждения. В первом режиме работы трубопровод 181 закрыт, или через трубопровод 181 проводится меньшее количество газа.
На фиг. 2 изображен вариант осуществления второго варианта способа. Он отличается от фиг. 1 следующими признаками.
Обратный трубопровод 65, 66 для воздуха здесь отсутствует. Вместо этого во втором режиме работы в дополнение к количеству 79 уплотнительного газа дополнительная часть 180 газообразного азота 48 отводится из головы колонны высокого давления в качестве "второго рабочего потока" 180 по трубопроводам 178, 179 и наконец между обеими секциями 57, 59 компрессора продукта азота смешивается с азотом 56 из колонны низкого давления, который в варианте образует "первый рабочий поток".
Соответствующее количество 180 азота из колонны высокого давления не конденсируется в основном конденсаторе 23 и не вводится в колонну низкого давления. Вследствие этого оно не участвует в ректификации в колонне низкого давления (ни косвенно через испарение кубового кислорода, ни напрямую посредством использования в качестве рециркулирующей жидкости) и при этом делает возможным сокращение производства кислорода. Одновременно имеется в распоряжении такое же количество воздуха (или лишь несущественно меньшее) для производства холода и азота.
В первом режиме работы меньшее количество второго рабочего потока 180 подается на промежуточный участок компрессора продукта азота или трубопровод 180 и вовсе закрыт.
Универсальность способа может дополнительно повышаться благодаря описанной в дальнейшем необязательной мере. При этом во втором режиме работы газообразный кислород 181 вытягивается из колонны низкого давления и смешивается с газообразным неочищенным азотом 61 из колонны низкого давления. Смешивание происходит, например, ниже по потоку от противоточного теплообменника 34 глубокого охлаждения. В первом режиме работы трубопровод 181 закрыт, или через трубопровод 181 проводится меньшее количество газа.
Следующая таблица приводит в качестве примера численные значения двух различных режимов работы установки с фиг. 2:
Количество азота через трубопровод 180 касается количества воздуха через фильтр 1 в проектном случае.
Фиг. 3 отличается от фиг. 1 третьим дроссельным потоком. Для этого вторая турбина 38 эксплуатируется при относительно большом выходном давлении и относительно высокой выходной температуре. В этом случае разряженный во время выполнения работы поток 339 турбины имеет давление, которое по меньшей мере на 1 бар, в частности на 4-11 бар, выше рабочего давления колонны высокого давления, и температуру, которая по меньшей мере на 10 K, в частности на 20-60 K, выше входной температуры потоков 55, 61 азота низкого давления на холодном конце основного теплообменника. Затем этот поток дополнительно охлаждается в холодной области основного теплообменника. Дополнительно охлажденный третий частичный поток 340 разряжается в качестве третьего дроссельного потока в дроссельном клапане 341 примерно до давления колонны высокого давления и по трубопроводу 32 вводится в колонну высокого давления. Вследствие этого можно дополнительно оптимизировать процесс теплообмена в основном теплообменнике.
На фиг. 4 в отличие от фиг. 3 третий частичный поток 436 вводится во вторую турбину 38 не под первым давлением, а под более высоким вторым давлением.
Дополнительные меры с фиг. 3 и 4 могут использоваться не только в изобретении, но и в варианте согласно фиг. 2.
Изобретение относится к получению продукта (72; 73) сжатого газа при помощи низкотемпературного разделения воздуха в системе дистилляционных колонн, которая имеет колонну (21) высокого давления и колонну (22) низкого давления. Весь используемый воздух сжимают в основном воздушном компрессоре (2). Первый частичный поток (8, 11, 14) сжатого используемого воздуха (7) охлаждают в основном теплообменнике (13), разряжают в первой воздушной турбине (15) и вводят (40, 18, 19, 20) в систему дистилляционных колонн. Второй частичный поток (12, 27, 29, 30) сжатого используемого воздуха сжимают в первом дожимном компрессоре (9), охлаждают в основном теплообменнике (13), разряжают (31) и вводят в систему дистилляционных колонн. Первый поток (69; 75) продукта извлекают в жидком виде из системы дистилляционных колонн, сжимают, в основном теплообменнике (13) испаряют и подогревают. В первом режиме работы получают первое количество первого продукта сжатого газа, а во втором режиме работы второе меньшее количество. В первом режиме работы первое количество разряженного воздуха (65, 66) сжимают в компрессоре (2), а во втором режиме работы в компрессоре (2) сжимают второе большее количество второго рабочего потока (65). Технический результат - обеспечение низкого удельного потребления энергии в широком диапазоне нагрузок. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
1. Способ получения продукта (72; 73) сжатого газа при помощи низкотемпературного разделения воздуха в системе дистилляционных колонн, которая имеет колонну (21) высокого давления и колонну (22) низкого давления, при котором
- весь используемый воздух сжимают в основном воздушном компрессоре (2) до первого давления, которое по меньшей мере на 4 бар выше, чем рабочее давление колонны (21) высокого давления,
- первый частичный поток (8, 11, 14) сжатого в основном воздушном компрессоре (2) используемого воздуха (7) охлаждают в основном теплообменнике (13) до промежуточной температуры и, выполняя работу, разряжают в первой воздушной турбине (15),
- по меньшей мере одну первую часть разряженного во время выполнения работы первого частичного потока (16) вводят (40; 18, 19, 20) в систему дистилляционных колонн,
- второй частичный поток (12, 27, 29, 30) используемого воздуха, сжатого в основном воздушном компрессоре (2), дополнительно сжимают в первом дожимном компрессоре (9), который эксплуатируют в качестве горячего компрессора и приводят в действие первой турбиной (15), до второго давления, которое выше чем первое давление, охлаждают в основном теплообменнике (13) и затем разряжают (31) и вводят в систему дистилляционных колонн,
- первый поток (69; 75) продукта извлекают в жидком виде из системы дистилляционных колонн и подвергают повышению (71; 76) давления до первого давления продукта,
- первый поток продукта под первым давлением продукта в основном теплообменнике (13) испаряют или псевдоиспаряют и подогревают,
- подогретый первый поток (72; 77) продукта получают в виде первого продукта сжатого газа,
- первый рабочий поток, который содержит по меньшей мере 78 мол.% азота, сжимают в многоступенчатом компрессоре (2) с входного давления до конечного давления, причем
- многоступенчатый компрессор образуется основным воздушным компрессором (2), и
- первый рабочий поток образуется всем используемым воздухом,
- по меньшей мере, периодически второй рабочий поток (65), который содержит по меньшей мере 78 мол.% азота, смешивают ниже по потоку от первой ступени многоступенчатого компрессора (2) с первым рабочим потоком, причем второй рабочий поток образуется частью (65) разряженного во время выполнения работы первого частичного потока (16) используемого воздуха,
- в первом режиме работы получают первое количество первого продукта сжатого газа,
- во втором режиме работы получают второе количество первого продукта сжатого газа, которое меньше чем первое количество,
- в первом режиме работы первое количество второго рабочего потока (65), которое может также равняться нулю, сжимают в многоступенчатом компрессоре (2), и
- во втором режиме работы в многоступенчатом компрессоре (2) сжимают второе количество второго рабочего потока (65), которое больше чем первое количество второго рабочего потока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что
- третий рабочий поток сжимают в компрессоре продукта азота с входного давления до конечного давления, и
- по меньшей мере, периодически четвертый рабочий поток смешивают ниже по потоку от первой ступени компрессора продукта азота с третьим рабочим потоком, причем
- третий рабочий поток образуют первым потоком газообразного азота из колонны низкого давления, и
- четвертый рабочий поток образуют первым потоком газообразного азота из колонны высокого давления.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что второй рабочий поток или четвертый рабочий поток смешивают в промежуточной ступени многоступенчатого компрессора с первым рабочим потоком или со вторым рабочим потоком.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что во втором режиме работы поток (181) газообразного кислорода извлекают из нижней области колонны (22) низкого давления, смешивают с насыщенным азотом потоком (61) из верхней области колонны (22) низкого давления, и смесь подогревают в основном теплообменнике (13).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что
- третий частичный поток (36, 37) сжатого в основном воздушном компрессоре (2) используемого воздуха (7) охлаждают в основном теплообменнике (13) до промежуточной температуры и, выполняя работу, разряжают во второй воздушной турбине (38), и
- по меньшей мере одну первую часть разряженного во время выполнения работы третьего частичного потока (39) вводят (40) в систему дистилляционных колонн,
- причем входное давление второй воздушной турбины в частности равно первому давлению.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что второй частичный поток (12, 27, 29, 30) сжатого в основном воздушном компрессоре (2) используемого воздуха (7) охлаждают ниже по потоку от первого дожимного компрессора (9) в основном теплообменнике (13) до промежуточной температуры, во втором дожимном компрессоре (28), который эксплуатируют в качестве холодного компрессора и приводят в действие второй турбиной (38), дополнительно сжимают до третьего давления, которое выше чем первое давление, снова охлаждают в основном теплообменнике (13) и затем разряжают (31) и вводят (32) в систему дистилляционных колонн.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что четвертый частичный поток (41, 42) сжатого в основном воздушном компрессоре (2) воздуха (7) охлаждают под первым давлением в основном теплообменнике (13) и затем разряжают (43) и вводят в систему дистилляционных колонн.
8. Способ по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что
- третий частичный поток (37, 339) разряжают во второй воздушной турбине (38) до давления, которое по меньшей мере на 1 бар выше, чем рабочее давление колонны (21) высокого давления, и
- разряженный во время выполнения работы третий частичный поток (339) снова охлаждают в основном теплообменнике (13) и затем разряжают (341) и вводят в систему дистилляционных колонн.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что
- в первом режиме работы первое количество используемого воздуха сжимают в основном воздушном компрессоре (2), и
- во втором режиме работы второе количество используемого воздуха сжимают в основном воздушном компрессоре (2), причем
- отношение второго количества использованного воздуха к первому количеству использованного воздуха больше, в частности более чем на 3%, чем отношение второго количества первого продукта сжатого газа к первому количеству первого продукта сжатого газа.
10. Устройство для получения продукта (72; 73) сжатого газа при помощи низкотемпературного разделения воздуха, включающее в себя
- систему дистилляционных колонн, которая имеет колонну (21) высокого давления и колонну (22) низкого давления,
- основной воздушный компрессор (2) для сжатия всего используемого воздуха до первого давления, которое по меньшей мере на 4 бар выше, чем рабочее давление колонны (21) высокого давления,
- средства для охлаждения первого частичного потока (8, 11, 14) сжатого в основном воздушном компрессоре (2) используемого воздуха (7) в основном теплообменнике (13) до промежуточной температуры,
- первую воздушную турбину (15) для производящего работу разряжения охлажденного первого частичного потока,
- средства для ввода (40; 18, 19, 20) разряженного во время выполнения работы первого частичного потока (16) в систему дистилляционных колонн,
- первый дожимной компрессор (9) для дополнительного сжатия второго частичного потока (12, 27, 29, 30) сжатого в основном воздушном компрессоре (2) используемого воздуха до второго давления, которое выше чем первое давление, причем дожимной компрессор (9) может эксплуатироваться в качестве горячего компрессора и приводится в действие в частности первой турбиной (15),
- средства для охлаждения дополнительно сжатого второго частичного потока в основном теплообменнике (13),
- средства для разряжения (31) и ввода в систему дистилляционных колонн охлажденного второго частичного потока,
- средства для извлечения в жидком виде первого потока (69; 75) продукта из системы дистилляционных колонн и для повышения (71; 76) давления жидкого первого потока продукта до первого давления продукта,
- средства для испарения или псевдоиспарения и подогрева первого потока продукта под первым давлением продукта в основном теплообменнике (13),
- средства для получения подогретого первого потока (72; 77) продукта в виде первого продукта сжатого газа,
- многоступенчатый компрессор (2) для сжатия первого рабочего потока, который содержит по меньшей мере 78 мол.% азота, с входного давления до конечного давления, причем
- многоступенчатый компрессор образован посредством основного воздушного компрессора (2), и
- первый рабочий поток образован посредством всего используемого воздуха,
- средства для смешивания второго рабочего потока (65), который содержит по меньшей мере 78 мол.% азота, с первым рабочим потоком ниже по потоку от первой ступени многоступенчатого компрессора (2; 57/59), причем второй рабочий поток (180) образован посредством части (65) разряженного во время выполнения работы первого частичного потока (16) используемого воздуха,
- средства для переключения между первым и вторым режимом работы, причем
- в первом режиме работы получается первое количество первого продукта сжатого газа,
- во втором режиме работы получается второе количество первого продукта сжатого газа, которое меньше чем первое количество, и
- средства для переключения между первым и вторым режимом работы выполнены таким образом, что
- в первом режиме работы первое количество второго рабочего потока (65), которое может также равняться нулю, сжимается в многоступенчатом компрессоре (2) с входного давления до конечного давления, и
- во втором режиме работы в многоступенчатом компрессоре (2; 57/59) сжимается второе количество второго рабочего потока (65; 180), которое больше чем первое количество второго рабочего потока.
| МЯЛЬНАЯ МАШИНА | 0 |
|
SU316768A1 |
| ЧУГУН | 2013 |
|
RU2520886C1 |
| DE 102010052545 A1, 31.05.2012 | |||
| Способ получения жидких и газообразных компонентов воздуха | 1976 |
|
SU787829A1 |
| СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА | 1990 |
|
RU2054609C1 |
