СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА И УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 2020 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к способу низкотемпературного разделения воздуха в установке разделения воздуха, и к предназначенной для исполнения подобного способа установке разделения воздуха, согласно родовым понятиям независимых пунктов формулы изобретения.

Уровень техники

Получение компонентов воздуха в жидком или газообразном состоянии путем низкотемпературного разделения воздуха в установках разделения воздуха известно и описано, например, в издании «Industrial Gases Processing» («Обработка промышленных газов»), под редакцией H.-W. Häring, издательство Wiley-VCH, 2006, в особенности раздел 2.2.5, «Cryogenic Rectification» («Криогенная ректификация»).

Для некоторых вариантов промышленного применения требуется газообразный сжатый кислород, для получения которого могут использоваться установки разделения воздуха с так называемым внутренним сжатием. Соответствующие установки разделения воздуха также описаны там же в порядке примера и разъяснены со ссылкой на приведенную там фигуру 2.3А. В соответствующих установках разделения воздуха охлажденная до низкой температуры жидкость, в частности, жидкий кислород, подвергается сжатию в глубоко охлажденном жидкостном состоянии, испаряется под действием теплоносителя, и затем выводится в виде газообразного сжатого продукта. Внутреннее сжатие, помимо прочего, создает энергетические преимущества по сравнению с дополнительным сжатием уже газообразного находящегося при низком давлении продукта.

Приведенные выше разъяснения соответствующим образом справедливы также для других газообразных сжатых продуктов, например, таких как азот или аргон, которые также могут быть получены с применением внутреннего сжатия в газообразном состоянии, и до этого выводятся из системы дистилляционных колонн в виде низкотемпературных жидкостей. Если соответствующая низкотемпературная жидкость в состоянии глубокого охлаждения подвергается воздействию давления, которое составляет величину выше критического давления, затем происходит не испарение в прямом смысле, а переход в сверхкритическое состояние. Оно также называется «псевдоиспарением».

Получение подвергнутого внутреннему сжатию кислорода при одновременно сниженном образовании жидкости может быть выполнено с использованием так называемого способа HAP (High-Air-Pressure, высоконапорный воздух). При этом под «сниженным образованием жидкости» следует понимать, что из соответствующей установки разделения воздуха лишь незначительные количества продуктов отбираются в жидкостной форме, например, количество менее 2%, в расчете на все количество воздуха, подаваемого в систему дистилляционных колонн.

Под HAP-способом подразумевается способ разделения воздуха, в котором все подаваемое в систему дистилляционных колонн количество воздуха, которое здесь называется также «подводимым воздухом», сначала в главном воздушном компрессоре сжимается до давления на уровне, который явно превышает самое высокое рабочее давление в системе дистилляционных колонн. В частности, в HAP-способе при этом воздух сначала сжимается до давления на уровне, который по меньшей мере на 4-5 бар, и вплоть до 20 бар, является более высоким, чем самое высокое рабочее давление в системе дистилляционных колонн. При этом в классической двухколонной системе с колоннами высокого и низкого давления «самое высокое рабочее давление» в системе дистилляционных колонн представляет собой эксплуатационное давление в колонне высокого давления. Установки разделения воздуха по HAP-способу могут быть сооружены с особенно низкими капиталовложениями, так как требуется только один компрессор.

Для энергетической оптимизации в HAP-способе может быть применен так называемый дросселированный поток. При дросселированном потоке такого рода, какой в принципе известен, речь идет о частичном потоке сжатого подводимого воздуха, который может быть дополнительно сжат с повышением давления, охлажден и расширен с помощью расширительного устройства, в частности, дроссельного клапана, в системе дистилляционных колонн, соответственно, в ее колонне высокого давления.

В упомянутом HAP-способе подобный дросселированный поток может быть дополнительно сжат, исходя из уже высокого начального давления, при котором вводится весь подводимый воздух, с помощью одного теплого и одного холодного бустера (дожимающего компрессора). В соответствующий «теплый бустер» воздух подается без охлаждения, или же лишь после относительно небольшого охлаждения, например, в водяном охладителе ниже по потоку относительно главного воздушного компрессора. Температура на входе такого теплого бустера тем самым составляет явно выше 0°С. В отношении «холодного бустера» речь идет о бустере, температура на входе которого составляет величину явственно ниже 0°С вследствие проведенного перед этим охлаждения подаваемого в холодный бустер воздуха.

Многие HAP-способы имеют в главном теплообменнике эксергетически выгодный Q/T-профиль, когда создаваемый посредством внутреннего сжатия сжатый кислород должен иметь давление свыше 25 бар, то есть, с помощью соответствующего насоса переводится в низкотемпературное жидкостное состояние на подобном уровне давления. Если же, напротив, необходимое давление для подвергнутого внутреннему сжатию кислорода снижается явно ниже 25 бар, то для HAP-способа получаются эксергетически менее выгодные Q/T-профили. Поэтому при давлениях между 6 и 25 бар сугубо из соображений работоспособности были бы более благоприятными классические способы с главным и дожимающим компрессорами.

В подобных способах, которые также называются MAC/BAC-способами (главный воздушный компрессор/дожимающий воздушный компрессор), только часть подаваемого в систему дистилляционных колонн воздуха сжимается до наивысшего рабочего давления в системе дистилляционных колонн, или, при необходимости, несколько более высокого, и еще одна часть доводится до самого высокого уровня давления с помощью дожимающего компрессора. В частности, подобные способы являются выгодными тогда, когда с помощью соответствующего способа не должны получаться или образуются лишь незначительные количества жидкого воздушного продукта, например, жидкого кислорода. Если же в таких ситуациях имеется небольшая потребность в газообразных, обогащенных азотом продуктах из воздуха, как раз MAC/BAC-способ предусматривает использование так называемого турбокомпрессора, то есть, турбины, которая расширяет сжатый воздух в колонне низкого давления системы дистилляционных колонн.

Однако соответствующие MAC/BAC-способы, в отличие от HAP-способа, приводят к явно повышенным капиталовложениям вследствие более дорогостоящего в изготовлении компрессорного оборудования. Поэтому существует потребность в способах, которые сочетают более низкие капитальные затраты для HAP-способа с указанными преимуществами MAC/BAC-способа, в частности, с турбокомпрессором.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение на основе вышеизложенного предлагает способ низкотемпературного разделения воздуха в установке разделения воздуха, и предназначенную для исполнения подобного способа установку разделения воздуха, с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, а также нижеследующего описания.

В настоящей заявке для характеристики давлений и температур применяются термины «уровень давления» и «уровень температуры», в связи с чем следует отметить, что давления и температуры в соответствующей установке не должны применяться в форме точных величин давления и, соответственно, температуры, чтобы осуществить концепцию изобретения. Однако такие давления и температуры, как правило, варьируют в пределах определенных диапазонов, которые отклоняются, например, на ±1%, 5%, 10%, 20%, или даже на 50% от среднего значения. При этом соответствующие уровни давления и уровни температуры могут находиться в обособленных областях или в диапазонах, которые перекрываются друг с другом. В частности, уровни давления включают, например, неизбежные падения давления или ожидаемые потери давления, к примеру, вследствие эффектов охлаждения или потерь в трубопроводах. Это соответственным образом справедливо и для уровней температур. В отношении приведенных здесь в единицах бар уровнях давления речь идет об абсолютных величинах давления.

В установках разделения воздуха для сжатия воздуха применяются турбокомпрессоры. Это действительно, например, для «главного воздушного компрессора», который отличается тем, что с его помощью сжимается все количество подаваемого в систему дистилляционных колонн воздуха, то есть, всего подводимого воздуха. Соответственно также и «дожимающий компрессор», посредством которого в MAC/BAC-способе часть сжатого в главном воздушном компрессоре количества воздуха доводится до еще более высокого давления, может быть сформирован как турбокомпрессор. Для сжатия частичных количеств воздуха обычно предусматриваются дополнительные турбокомпрессоры, которые также называются бустерами, однако по сравнению с главным воздушным компрессором или с дожимающим компрессором производят сжатие только в относительно небольшой степени.

Во многих местах в установках разделения воздуха, кроме того, воздух может быть подвергнут расширению, для чего, помимо всего прочего, могут быть применены расширительные машины в форме турбодетандеров, здесь также кратко называемых «турбинами». Турбодетандеры также могут быть соединены с турбокомпрессорами и, соответственно, бустерами, и приводить их в движение. Если один или многие турбокомпрессоры приводятся в движение без подведения энергии извне, то есть, только посредством одного или многих турбокомпрессоров, то для такого рода конфигурации также применим термин «турбобустер». В турбобустере механически соединены турбодетандер и турбокомпрессор, соответственно, бустер.

В общем, вращающиеся блоки, например, расширительные машины и, соответственно, расширительные турбины, турбокомпрессоры и, соответственно, ступени компрессоров, турбобустеры и, соответственно, бустеры, роторы электродвигателей и тому подобные, могут быть надлежащим образом механически соединены друг с другом. Под «механическим соединением» в применяемой здесь терминологии подразумевается, что посредством механических элементов, таких как шестеренные, ременные передачи, приводные редукторы и тому подобные, может быть установлено фиксированное или механически регулируемое соотношение скоростей вращения между такими вращающимися блоками. В общем и целом, механическое соединение может быть выполнено через два или более элементов, в каждом случае находящихся в сопряжении между собой, например, в прямом зацеплении или во фрикционном контакте, например, через зубчатые колеса или ведущие шкивы с ремнями, или через соединение с постоянной скоростью вращения. Соединение с постоянной скоростью вращения может быть выполнено, в частности, посредством общего вала, на котором вращающиеся элементы закреплены в каждом случае без возможности проворачивания. В этом случае число оборотов вращающихся блоков является одинаковым.

Напротив, соответствующие блоки являются «механически несвязанными», когда между соответственными элементами отсутствует фиксированное или механически регулируемое соотношение скоростей вращения. Разумеется, могут быть заданы также определенные соотношения скоростей вращения, например, между многочисленными электромоторами, в частности, посредством подходящего электрического регулирования, или между многими турбинами, в частности, путем выбора подходящих исходных и выходных давлений. Но они не обусловливаются двумя или многими элементами, в каждом случае находящимися в сопряжении между собой, например, в прямом зацеплении или во фрикционном контакте, или соединением с постоянной скоростью вращения.

Механическая конструкция турбокомпрессоров и турбодетандеров в принципе известна специалисту. В турбокомпрессоре сжатие воздуха производится с помощью рабочих лопаток турбины, которые размещены на рабочем колесе или непосредственно на валу. При этом турбокомпрессор образует конструктивный блок, который, однако, может иметь многочисленные «ступени компрессора». Как правило, одна ступень компрессора включает одно рабочее колесо или соответствующую конфигурацию рабочих лопаток турбины. Все эти ступени компрессора могут иметь привод от общего вала. Турбодетандер имеет принципиально сходную конструкцию, однако рабочие лопатки турбины при этом приводятся в движение расширяющимся воздухом. Здесь также могут быть предусмотрены многочисленные ступени расширения. Турбокомпрессор и турбодетандер могут быть сконструированы как радиальные или осевые лопаточные турбины.

В рамках этой заявки речь идет о получении продуктов из воздуха, в частности, кислорода и азота в качестве продуктов. «Продукт» выводится из обсуждаемой установки и, например, размещается для хранения в баке или расходуется. Таким образом, он участвует не только исключительно в циркуляционных контурах внутри установки, но перед выходом из установки может быть использован соответствующим образом, например, в качестве хладагента в теплообменнике. Таким образом, понятие «продукт» не включает такие фракции или потоки, которые как таковые остаются в установке и используются исключительно там, например, в качестве флегмы, хладагента или газа для продувки.

Преимущества изобретения

Настоящее изобретение основывается на том выявленном факте, что применение размещенных последовательно холодных бустеров, между которыми сжимаемый воздух дросселированного потока не охлаждается, обеспечивает возможность создания особенно эффективного HAP-способа, имеющего по меньшей мере эксергетические преимущества традиционного MAC/BAC-способа. Профиль теплообмена в главном теплообменнике, который используется в действующей согласно изобретению установке разделения воздуха, оказался особенно благоприятным, в частности, по сравнению с профилями теплообмена, какие получаются в известных способах, в которых проводится промежуточное охлаждение между холодными бустерами. Кроме того, настоящее изобретение основывается на знании того, что применение теплого бустера выше по потоку относительно холодных бустеров обеспечивает особенные преимущества. При этом в совокупности три бустера сжимают многократно разъясненный дросселированный поток, но никакие дополнительные потоки. Между теплым бустером, с одной стороны, и размещенными последовательно холодными бустерами, с другой стороны, а также ниже по потоку относительно холодного бустера, в частности, охлаждение проводится в главном теплообменнике.

Настоящее изобретение предлагает способ низкотемпературного разделения воздуха с использованием установки разделения воздуха, которая имеет систему дистилляционных колонн с колонной высокого давления, действующей на уровне давления колонны высокого давления, и с колонной низкого давления, действующей на уровне давления колонны низкого давления. Уровень давления колонны высокого давления может составлять, например, от 4 до 7 бар, как это является обычным для соответствующих установок разделения воздуха. Уровень давления колонны низкого давления составляет величину чуть выше атмосферного давления, в частности, от 1,2 до 1,8 бар, чтобы, к примеру, быть в состоянии обеспечивать хорошую производительность разделения и выведение образованных в колонне низкого давления продуктов разделения воздуха без дополнительных насосов.

Как в HAP-способе, соответствующий изобретению способ включает прежде всего стадию, в которой весь подаваемый в систему дистилляционных колонн воздух сначала сжимается до исходного уровня давления, который на величину от по меньшей мере 4 и до 20 бар превышает давление в колонне высокого давления. В частности, в рамках настоящего изобретения при этом сжатие всего количества воздуха производится в используемом главном воздушном компрессоре до уровня давления от 10 до 23 бар. На указанном уровне давления сжатый воздух может быть подвергнут высушиванию и очистке, в частности, с использованием молекулярных сит.

Часть сжатого до исходного уровня давления и соответственно высушенного и очищенного воздуха затем подвергается первому повышению давления на первом уровне температуры, составляющем выше 0°С, и затем двум дополнительным повышениям давления на уровне температуры, находящемся ниже первого уровня температуры. При этом, в частности, подвергнутый первому повышению давления воздух после первого повышения давления может быть охлажден в главном теплообменнике соответствующей установки разделения воздуха. Поэтому соответствующий воздух подвергается дополнительным повышениям давления на соответственно более низком уровне температуры.

Затем подвергнутый двум дополнительным повышениям давления воздух расширяется в колонне высокого давления. Для расширения применяется дроссельный клапан. Воздух, который был подвергнут двум дополнительным повышениям давления и до этого первому повышению давления, тем самым представляет собой так называемый «дросселированный поток», каковой в принципе известен в области технологии разделения воздуха.

Из колонны низкого давления отбирается охлажденная до низкой температуры, обогащенная кислородом жидкость, подвергается повышению давления в глубоко охлажденном состоянии, затем подогревается и испаряется, и выводится из установки разделения воздуха в качестве сжатого продукта. Таким образом, в отношении соответствующего изобретению способа речь идет о способе низкотемпературного разделения воздуха, в котором производится так называемое внутреннее сжатие кислорода и, соответственно, обогащенного кислородом сжатого продукта.

Теперь же согласно изобретению предусматривается, что для первого повышения давления применяется первый бустер (то есть, «теплый» бустер, как многократно разъясняется), причем первый бустер приводится в движение с использованием первой расширительной машины, в которой дополнительная часть сжатого до исходного уровня давления воздуха расширяется от исходного уровня давления до второго уровня давления, который затем подается в колонну низкого давления. В частности, эта дополнительная часть является предварительно охлажденной. Таким образом, в отношении функционирования первой расширительной машины речь идет о так называемой «нагнетательной турбине» или, соответственно, «турбине Лахмана», как равным образом известно из области технологии разделения воздуха. В результате соответствующего вдувания воздуха в колонну низкого давления улучшается эффективность использования энергии. В отношении дополнительных подробностей следует сослаться на специальную литературу, например, работу автора F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, («Справочник по промышленным газам: разделение и очистка газов»), издательство CRC Press, 2006, в особенности раздел 3.8.1, "The Lachmann Principle" («Принцип Лахмана»).

Кроме того, согласно изобретению предусматривается, что для двух дополнительных повышений давления применяются второй бустер и третий бустер (то есть, два «холодных» бустера), через которые воздух последовательно пропускается для двух дополнительных повышений давления, причем воздух подводится в третий бустер на уровне температуры, на котором он выходит из второго бустера. Таким образом, иначе говоря, в рамках настоящего изобретения между холодными бустерами не производится промежуточное охлаждение, что, как было выяснено согласно изобретению, позволяет создать особенно благоприятный, по сравнению с традиционным способом, профиль теплообмена в используемом теплообменнике.

Пропускаемые в каждом случае в целом через первый бустер, второй бустер и третий бустер, и, необязательно, через дроссельный клапан, количества воздуха согласно изобретению различаются между собой не более, чем на 10%. В частности, эти количества воздуха могут различаться между собой не более, чем на 5%, или быть по существу или полностью идентичными. Другими словами, в каждом случае подвергнутые первому и второму дополнительным повышениям давления количества воздуха, и, необязательно, также расширенные в дроссельном клапане количества воздуха в обсуждаемом диапазоне являются сходными или равными.

Это означает не что иное, как то, что первый бустер, второй бустер и третий бустер, и, необязательно, также расширительный клапан, используются только для приготовления дросселированного потока, но не для получения дополнительного компонента воздуха или, соответственно, подаваемых в систему дистилляционных колонн потоков. Настоящее изобретение раскрывает свои преимущества, когда отбираемая из колонны низкого давления низкотемпературная обогащенная кислородом жидкость в состоянии глубокого охлаждения подвергается повышению давления до величины от 6 до 25 бар. Поэтому согласно изобретению предусматривается соответствующее повышение давления. Как уже вначале упоминалось, как правило, в подобных диапазонах давлений, в которых получается образованный внутренним сжатием кислородсодержащий продукт, классические MAC/BAC-способы являются более благоприятными в плане работоспособности. Однако настоящее изобретение позволяет достигать соответствующих преимуществ также в HAP-способе благодаря упомянутому применению последовательно соединенных бустеров без промежуточного охлаждения.

Как уже обсуждалось, изобретение проявляет свои достоинства, когда предусматривается незначительное производство жидкости, то есть, выводимого из установки разделения воздуха жидкого продукта разделения воздуха, до доли не выше 1% или даже 0%, в расчете на общее, подводимое в систему дистилляционных колонн, количество воздуха. Тем самым это предусматривается согласно изобретению. Кроме того, образуется относительно небольшое количество обогащенных азотом продуктов разделения воздуха. В отношении таких обогащенных азотом продуктов разделения воздуха речь идет о таких, которые отбираются вблизи верха или с верха колонны высокого давления в системе дистилляционных колонн, и не используются в качестве флегмы ни в колонне высокого давления, ни в колонне низкого давления. В частности, в рамках настоящего изобретения поэтому обогащенные азотом продукты разделения воздуха отбираются из колонны высокого давления в количестве не выше 2%, относительно совокупного количества воздуха, подаваемого в систему дистилляционных колонн, и выводятся из установки разделения воздуха в газообразном состоянии.

В рамках настоящего изобретения второй бустер и третий бустер предпочтительно приводятся в движение в каждом случае с помощью расширительных машин, в которых расширяется дополнительная часть сжатого до исходного уровня давления воздуха, который был до этого охлажден, и затем, то есть, после расширения в указанных расширительных машинах, направлен в систему дистилляционных колонн. Для привода второго бустера при этом используется вторая расширительная машина, и для привода третьего бустера применяется третья расширительная машина. В отличие от последовательно действующих бустеров, которые используются для двух дополнительных повышений давления, соответственные расширительные машины подключены параллельно, то есть, используемый для приведения в движение расширительных машин воздух сначала разделяется на два частичных потока. Этим путем количество расширенного воздуха в каждом случае может быть приспособлено к требуемому повышению давления в соответствующих, связанных с расширительными машинами холодных бустерах, и наоборот.

В частности, приведение в движение холодных бустеров производится с помощью данных расширительных машин через подходящее механическое соединение. В отношении подробностей соответственного механического соединения следует сделать ссылку на вышеприведенные разъяснения. В принципе соответственные бустеры также могут иметь привод от двигателей, однако привод от соответствующих расширительных машин является особенно благоприятным в плане капиталовложений и поступления тепла в соответственную установку.

Расширение воздуха предпочтительно производится в расширительных машинах, которые приводят в движение второй бустер и третий бустер, на уровне давления колонны высокого давления. В результате соответствующего расширения может происходить частичное сжижение воздуха. При этом газообразная часть может подаваться непосредственно в колонну высокого давления, и сжиженная часть может расширяться в колонне низкого давления. При этом сжиженная часть может использоваться в качестве флегмы в колонне низкого давления, и там содействует повышению производительности разделения, как, например, разъясняется автором Kerry в разделе 2.6, «Theoretical Analysis of the Claude Cycle» («Теоретический анализ цикла Клода»).

Настоящее изобретение позволяет сделать дополнительные оптимизации. В частности, часть сжатого до исходного уровня давления воздуха охлаждается, и, будучи на исходном уровне давления, то есть, без дополнительного повышения давления бустером и тому подобным, расширяется в колонне высокого давления. В частности, это может быть выполнено через дополнительный расширительный клапан.

В частности, воздух, который подается во второй бустер, может быть предварительно охлажден в главном теплообменнике до уровня температуры от 130 до 200 К. Воздух, который расширен в расширительных машинах, которые приводят в движение второй бустер и третий бустер, предварительно охлаждается, в частности, до уровня температуры от 120 до 190 К. Воздух, который расширен в первой расширительной машине, которая приводит в движение первый бустер, предварительно охлаждается, в частности, до уровня температуры от 150 до 230 К. Дополнительно сжатый в третьем бустере воздух, предпочтительно после повышения там давления и перед его расширением в колонне высокого давления, охлаждается до уровня температуры от 97 до 105 К, то есть, до уровня более низких температур, который может быть достигнут с помощью соответствующего главного теплообменника. Посредством второго бустера предпочтительно производится повышение давления на величину от 10 до 25 бар, и с помощью третьего бустера повышение давления предпочтительно выполняется на величину от 5 до 20 бар.

Настоящее изобретение также распространяется на установку разделения воздуха для низкотемпературного разделения воздуха, которая имеет систему дистилляционных колонн с колонной высокого давления, рассчитанной на работу на уровне давления колонны высокого давления, и с колонной низкого давления, рассчитанной на работу на уровне давления колонны низкого давления.

Установка разделения воздуха при этом включает средства, которые предназначены для того, чтобы весь подаваемый в систему дистилляционных колонн воздух сначала сжимать до исходного уровня давления, который по меньшей мере на величину от 4 до 20 бар превышает уровень давления в колонне высокого давления, часть сжатого до исходного уровня давления воздуха подвергать первому повышению давления на первом, составляющем более 0°С уровне температуры, и затем подвергать двум дополнительным повышениям давления на уровне температуры, находящемся ниже первого уровня температуры, и затем расширять с использованием дроссельного клапана в колонне высокого давления, и отбирать из колонны низкого давления охлажденную до низкой температуры, обогащенную кислородом жидкость, подвергать ее повышению давления в глубоко охлажденном состоянии, затем подогревать и испарять, и выводить из установки разделения воздуха. Согласно изобретению, для первого повышения давления предназначается первый бустер, который механически соединен с первой расширительной машиной, причем предусматриваются средства, которые предназначены для того, чтобы дополнительную часть сжатого до исходного уровня давления воздуха расширять в первой расширительной машине от исходного уровня давления до уровня давления колонны низкого давления, и затем подавать в колонну низкого давления.

Согласно изобретению, для двух дополнительных повышений давления предназначаются второй бустер и третий бустер, и предусматриваются средства, которые рассчитаны на то, чтобы пропускать воздух для двух дополнительных повышений давления последовательно через второй бустер и третий бустер, и при этом вводить воздух в третий бустер на таком уровне температуры, на котором он выходит из второго бустера. Предусматриваются средства, которые предназначены для того, чтобы пропускать через первый бустер, второй бустер и третий бустер в каждом случае количества воздуха, которые в целом различаются между собой не более чем на 10%. Кроме того, предусматриваются средства, которые рассчитаны на то, чтобы повышение давления, которому подвергается отбираемая из колонны низкого давления охлажденная до низкой температуры обогащенная кислородом жидкость в состоянии глубокого охлаждения, проводилось в форме повышения давления до величины от 6 до 25 бар.

Установка разделения воздуха предназначена для того, чтобы продукты из воздуха получались жидкими до содержания не более 1%, в расчете на общее подаваемое в систему дистилляционных колонн количество воздуха, и обогащенные азотом продукты разделения воздуха предпочтительно отводились из колонны высокого давления при содержании не выше 2%, в расчете на все подаваемое в систему дистилляционных колонн количество воздуха, и получались газообразными.

Подобная установка разделения воздуха в особенности рассчитана на исполнение способа, который был разъяснен ранее. Поэтому следует определенно сослаться на соответствующие признаки и преимущества.

Далее изобретение более подробно разъясняется со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые наглядно показывают подробности в отношении вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 наглядно показывает установку разделения воздуха согласно одному варианту осуществления изобретения в форме схематической технологической блок-схемы.

Фигура 2 наглядно показывает Q/T-диаграмму для используемого согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения теплообменника.

Фигура 3 поясняет Q/T-диаграмму для используемого согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения теплообменника.

Подробное описание чертежей

В Фигуре 1 подробно разъясняется установка разделения воздуха согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения, в форме схематической технологической блок-схемы, и в целом обозначается кодовым номером 100 позиции.

В установку 100 разделения воздуха с помощью устройства 1 для сжатия и очистки воздуха, которое включает главный воздушный компрессор и подходящую систему очистки, и здесь представлено весьма схематически, подается поток а сжатого воздуха. Разъясняемая в Фигуре 1 установка разделения воздуха рассчитана на так называемый HAP-способ. Это значит, что поток а сжатого воздуха, который включает весь воздух, подаваемый в систему 10 дистилляционных колонн установки 100 разделения воздуха, сжимается до уровня давления, который на величину по меньшей мере 4 и до 20 бар (0,4-2 МПа) находится выше уровня давления, на котором работает колонна 11 высокого давления системы 10 дистилляционных колонн.

Уровень давления потока а здесь называется «исходным уровнем давления», уровень давления в колонне 11 высокого давления называется «уровнем давления колонны высокого давления». На исходном уровне давления из воздуха потока а сжатого воздуха в целом образуются четыре частичных потока, которые здесь обозначаются b, c, d и е.

Воздух частичного потока b при этом сначала подвергается повышению давления в бустере 2. Повышение давления в бустере 2, которое здесь также называется «первым повышением давления», производится при температуре явно выше 0°С, вследствие чего бустер 2 традиционно называется также «теплым бустером».

После первого повышения давления в бустере 2 воздух частичного потока b охлаждается в дополнительном охладителе 3, и затем подается на теплую сторону главного теплообменника 4 установки 100 разделения воздуха. Воздух частичного потока b выводится из главного теплообменника 4 (смотри связку А) на промежуточном уровне температуры, который находится явно ниже 0°С. Соответственно охлажденный воздух частичного потока b затем подвергается двум дополнительным повышениям давления. Для этого воздух частичного потока b сначала пропускается через бустер 5 и затем через бустер 6. Бустер 5 здесь также называется «вторым», и бустер 6 «третьим» бустером. Оба бустера 5, 6 работают на уровне температуры явно ниже 0°С и, в частности, на уровне температуры ниже первого уровня температуры бустера 2. Поэтому они называются здесь «холодными бустерами».

При этом воздух частичного потока b вводится в третий бустер 6 на уровне температуры, на котором выходит из второго бустера 5. Таким образом, между вторым бустером 3 и третьим бустером 6 не происходит никакое промежуточное охлаждение. После повышения давления в бустере 6 воздух частичного потока b на уровне температуры, на котором он выходит из третьего бустера 6, вновь направляется в главный теплообменник 4 и выводится из него с холодной стороны.

Бустеры 5 и 6 приводятся в движение с помощью расширительных машин 7 и 8, в которых используется воздух частичного потока с, который для этого разделяется на частичные потоки f и g. Воздух частичного потока с при этом сначала подается в главный теплообменник 4 с теплой стороны, и выводится из него на промежуточном уровне температуры, прежде чем подразделяется на упомянутые частичные потоки f и g и подается в расширительные машины 7 и 8.

Воздух частичного потока d подается в главный теплообменник 4 с теплой стороны и выводится с холодной стороны, воздух частичного потока е подается в главный теплообменник 4 с теплой стороны, выводится на промежуточном уровне температуры и используется в расширительной машине 9 для привода бустера 2.

Расширенный воздух частичных потоков f и g пропускается в осадительный резервуар 13, в котором отделяется жидкостная фаза. Жидкостная фаза (смотри связку В) в форме потока h расширяется в колонне 12 низкого давления. Оставшаяся газообразной часть воздуха потоков f и g подается в форме потока i в колонну 11 высокого давления. Воздух частичных потоков b и d расширяется через клапаны 14 и 15 в колонне 11 высокого давления. Непосредственно ниже места подачи потоков b и d из колонны 11 высокого давления может быть выведена сжиженная вследствие их расширения часть в форме потока q, пропущена через противоточный переохладитель 16, и вместе с потоком h расширена в колонне 12 низкого давления.

В колонне 11 высокого давления с использованием воздуха потоков b, d и i образуется обогащенный кислородом жидкий кубовый продукт и обогащенный азотом газообразный головной продукт. Обогащенный кислородом жидкий кубовый продукт колонны 11 высокого давления выводится из нее, по меньшей мере частично, в форме потока k, пропускается через противоточный переохладитель 16 и расширяется в колонне 12 низкого давления. Обогащенный азотом газообразный головной продукт, по меньшей мере частично, выводится в форме потока l. Часть его в форме потока m может быть нагрета в главном теплообменнике 4 и в форме богатого азотом сжатого продукта выведена из установки 100 разделения воздуха или, например, использована в качестве газового затвора в главном воздушном компрессоре устройства 1 для сжатия и очистки воздуха.

Другая часть потока l может быть, по меньшей мере частично, сжижена в главном конденсаторе 17, связывающим с теплообменом колонну высокого давления и колонну низкого давления. Часть соответствующего сжиженного продукта может быть возвращена в колонну 11 высокого давления в качестве флегмы, другая же часть в форме потока n пропущена через противоточный переохладитель 16 и расширена в колонне 12 низкого давления.

В колонне 12 низкого давления образуются обогащенный кислородом жидкий кубовый продукт и газообразный головной продукт. Обогащенный кислородом жидкий кубовый продукт колонны 12 низкого давления, по меньшей мере частично, может быть выведен в форме потока о из колонны 12 высокого давления, с помощью насоса 18 может быть подвергнут повышению давления в жидком состоянии, нагрет в главном теплообменнике 4 и испарен, и в качестве образованного внутренним сжатием кислородного сжатого продукта выведен из установки 100 разделения воздуха.

Газообразный головной продукт колонны 12 низкого давления может быть, по меньшей мере частично, в форме потока р выведен в виде так называемого неочищенного азота, пропущен через противоточный переохладитель 16, нагрет в главном теплообменнике 4 и, например, использован в качестве регенерационного газа для адсорбера в устройстве 1 для сжатия и очистки воздуха.

При подробно разъясненной в Фигуре 1 работе установки 100 разделения воздуха достигается особенно благоприятный теплообмен в главном теплообменнике 4, когда выполняются дополнительные, разъясненные выше условия. Это наглядно поясняется с помощью показанных в Фигурах 2 и 3 Q/T-диаграммах.

При этом в Фигуре 2 представлена соответствующая Q/T-диаграмма для случая, что обогащенная кислородом текучая среда потока о в насосе 18 установки 100 разделения воздуха подвергается сжатию до уровня давления около 15,0 бар, в Фигуре 3 наглядно показана соответствующая Q/T-диаграмма при давлении около 10,0 бар. В каждом случае температура в Кельвинах (К) нанесена на абсциссу против энтальпии (суммарной) теплообменника в МВт на ординате. Кодовым номером 201 позиции в каждом случае обозначается кривая изменения состояния и, соответственно, суммарная кривая теплой, и номером 202 кривая изменения состояния и, соответственно, суммарная кривая холодной среды, здесь нагреваемой обогащенной кислородом текучей среды потока о. Как очевидно из Фигур 2 и 3, кривые изменения состояния и, соответственно, суммарные кривые 201 и 202 в результате соответствующей изобретению работы соответственной установки разделения воздуха очень тесно приближены друг к другу.

Чем теснее сближаются суммарные кривые теплого и холодного состояния в главном теплообменнике, тем меньшие потери работоспособности возникают вследствие теплопереноса. Поскольку потери работоспособности вследствие теплопереноса пропорциональны отношению ~1/Т², разности температур в диапазоне «холодных температур» особенно дорого стоят в смысле производительности. В вышеуказанном термине Т обозначает уровень температуры локального теплопереноса.

Если тем самым графически представленные теплые и холодные суммарные кривые близки друг к другу в диапазоне от 200 до 100 К, то процесс в главном теплообменнике является особенно благоприятным в разъясненном смысле, и, соответственно, в подобном случае вся система может действовать особенно оптимально по энергии.

Предлагается способ низкотемпературного разделения воздуха в установке (100) разделения воздуха, которая имеет систему (10) дистилляционных колонн с колонной (11) высокого давления и колонной (12) низкого давления. Весь подаваемый в систему (10) воздух сжимается до исходного уровня давления. Часть сжатого воздуха подвергается первому повышению давления на находящемся выше 0°С первом уровне температуры, и затем двум дополнительным повышениям давления на находящемся ниже первого уровня температуры уровне температуры, и затем расширяется в колонне (11). Из колонны (22) отбирается обогащенная кислородом жидкость. Для первого повышения давления применяется первый бустер (2), который приводится в действие с использованием первой расширительной машины (9), в которой дополнительная часть сжатого до исходного уровня давления воздуха расширяется до уровня давления колонны низкого давления. Для двух дополнительных повышений давления используются первый бустер (5) и второй бустер (6). Воздух поступает во второй бустер (6) на уровне температуры, на котором он выходит из первого бустера (5). Техническим результатом является снижение потерь при теплообмене. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ низкотемпературного разделения воздуха с использованием установки (100) разделения воздуха, которая имеет систему (10) дистилляционных колонн с действующей на уровне давления колонны высокого давления колонной (11) высокого давления и действующей на уровне давления колонны низкого давления колонной (12) низкого давления, причем способ включает стадии, при которых

- весь подаваемый в систему (10) дистилляционных колонн воздух сначала сжимают до исходного уровня давления, который на величину по меньшей мере от 4 и до 20 бар превышает уровень давления колонны высокого давления,

- часть сжатого до исходного уровня давления воздуха подвергают первому повышению давления на находящемся выше 0°С первом уровне температуры, и затем двум дополнительным повышениям давления на находящемся ниже первого уровня температуры уровне температуры, и затем с использованием дроссельного клапана (14) расширяют в колонне (11) высокого давления, и

- из колонны (12) низкого давления отбирают охлажденную до низкой температуры, обогащенную кислородом жидкость, подвергают повышению давления в глубоко охлажденном состоянии, подогревают и испаряют и выводят из установки (100) разделения воздуха,

отличающийся тем, что

- для первого повышения давления применяют первый бустер (2), который приводят в действие с использованием первой расширительной машины (9), в которой дополнительная часть сжатого до исходного уровня давления воздуха, который затем подается в колонну (12) низкого давления, расширяют от исходного уровня давления до уровня давления колонны низкого давления,

- для второго повышения давления используют второй бустер (5) и третий бустер (6), через которые последовательно пропускают воздух, причем воздух поступает в третий бустер (6) на уровне температуры, на котором он выходит из второго бустера (5),

- пропускаемые соответственно в целом через первый бустер (2), второй бустер (5) и третий бустер (6) количества воздуха различаются между собой не более чем на 10%,

- повышение давления, которому подвергают выводимую из колонны (12) низкого давления низкотемпературную обогащенную кислородом жидкость в состоянии глубокого охлаждения, представляет собой повышение давления до величины от 6 до 25 бар,

- продукты разделения воздуха выводят из установки (100) разделения воздуха в жидком состоянии до содержания не выше 1% в расчете на все подаваемое в систему (10) дистилляционных колонн количество воздуха.

2. Способ по п. 1, при котором обогащенные азотом продукты разделения воздуха отбирают из колонны (11) высокого давления в количестве не выше 2% относительно подаваемого в систему (10) дистилляционных колонн совокупного количества воздуха и выводят из установки (100) разделения воздуха в газообразном состоянии.

3. Способ по п. 1 или 2, при котором второй бустер (5) и третий бустер (6) соответственно приводят в действие с помощью расширительных машин (7, 8), в которых параллельно расширяется дополнительная часть сжатого до исходного уровня давления воздуха, которая до этого охлаждается и затем подается в систему (10) дистилляционных колонн.

4. Способ по п. 3, при котором расширение воздуха в расширительных машинах (7, 8), которые приводят в действие второй бустер (5) и третий бустер (6), осуществляют на уровне давления колонны высокого давления.

5. Способ по п. 4, при котором воздух в результате расширения на уровне давления колонны высокого давления в расширительных машинах (7, 8), которые приводят в действие второй бустер (5) и третий бустер (6), частично сжижают, причем оставшуюся газообразную часть подают в колонну (11) высокого давления, и сжиженную часть направляют в колонну (12) низкого давления.

6. Способ по п. 1, при котором дополнительную часть сжатого до исходного уровня давления воздуха охлаждают и расширяют от исходного уровня давления в колонне (11) высокого давления.

7. Способ по п. 1, при котором воздух, который вводят во второй бустер (5), перед этим охлаждают до уровня температуры от 130 до 200 К.

8. Способ по п. 3, при котором воздух, который расширен в расширительных машинах (7, 8), которые приводят в движение второй бустер (5) и третий бустер (6), перед его расширением охлаждают до уровня температуры от 120 до 190 К.

9. Способ по п. 1, при котором воздух, который расширяется в первой расширительной машине (9), предварительно охлаждают до уровня температуры от 150 до 230 К.

10. Способ по п. 1, при котором дополнительно сжатый в третьем бустере (6) воздух перед его расширением в колонне (11) высокого давления охлаждают до уровня температуры от 97 до 105 К.

11. Способ по п. 1, при котором повышение давления во втором бустере (5) представляет собой повышение давления на величину от 10 до 25 бар и в третьем бустере (6) представляет собой повышение давления на величину от 5 до 15 бар.

12. Установка (100) разделения воздуха для низкотемпературного разделения воздуха, которая имеет систему (10) дистилляционных колонн с рассчитанной на работу на уровне давления колонны высокого давления колонной (11) высокого давления и рассчитанной на работу на уровне давления колонны низкого давления колонной (12) низкого давления, причем установка (100) разделения воздуха имеет средства, которые предназначены для того, чтобы

- весь подаваемый в систему (10) дистилляционных колонн воздух сначала сжимать до исходного уровня давления, который на величину по меньшей мере от 4 и до 20 бар превышает уровень давления колонны высокого давления,

- часть сжатого до исходного уровня давления воздуха подвергать первому повышению давления на находящемся выше 0°С первом уровне температуры, и затем двум дополнительным повышениям давления на находящемся ниже первого уровня температуры уровне температуры, и затем с использованием дроссельного клапана (14) расширять в колонне (11) высокого давления, и

- из колонны (12) низкого давления отбирать охлажденную до низкой температуры, обогащенную кислородом жидкость, подвергать ее повышению давления в глубоко охлажденном состоянии, затем подогревать и испарять и выводить из установки (100) разделения воздуха,

отличающаяся тем, что

- для первого повышения давления предусмотрен первый бустер (2), который механически соединен с первой расширительной машиной (9), причем предусмотрены средства, которые предназначены для того, чтобы дополнительную часть сжатого до исходного уровня давления воздуха расширять в первой расширительной машине (9) от исходного уровня давления до уровня давления колонны низкого давления и затем подавать в колонну (12) низкого давления,

- для двух дополнительных повышений давления предусмотрен второй бустер (5) и третий бустер (6) и предусмотрены средства, которые предназначены для того, чтобы воздух для двух дополнительных повышений давления последовательно пропускался через второй бустер (5) и третий бустер (6) и при этом воздух подавался в третий бустер (6) на уровне температуры, на котором он выходил из второго бустера (5),

- предусмотрены средства, которые предназначены для того, чтобы соответственно в целом через первый бустер (2), второй бустер (5) и третий бустер (6) пропускались количества воздуха, которые различались бы между собой не более чем на 10%,

- предусмотрены средства, которые предназначены для того, чтобы повышение давления, которому подвергается выводимая из колонны (12) низкого давления низкотемпературная обогащенная кислородом жидкость в состоянии глубокого охлаждения, предпринималось в форме повышения давления до величины от 6 до 25 бар, и

- установка (100) разделения воздуха рассчитана на то, чтобы продукты разделения воздуха выводились в жидком состоянии до содержания не выше 1% в расчете на все подаваемое в систему (10) дистилляционных колонн количество воздуха.

13. Установка (100) разделения воздуха по п. 12, которая предназначена для осуществления способа по одному из пп. 1-11.