СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ГАЗОВ ПУТЕМ КРИОГЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 2021 года по МПК F25J3/04 

Родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США, серийный номер 62/356962, поданной 30 июня 2016 г., которая включена в полном объеме в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к способу и устройству для эффективного управления установкой для разделения воздуха, которая подает по меньшей мере один из своих продуктов на трубопровод.

Предпосылки изобретения

Установки для разделения воздуха разделяют атмосферный воздух на его основные составляющие: азот и кислород, а также иногда аргон, ксенон и криптон. Эти газы иногда называют воздушными газами.

Типичный процесс криогенного разделения воздуха может включать следующие этапы: (1) фильтрацию воздуха с целью удаления больших частиц, которые могут повредить главный воздушный компрессор; (2) сжатие предварительно профильтрованного воздуха в главном воздушном компрессоре и применение промежуточного охлаждения для конденсирования некоторого количества воды из сжатого воздуха; (3) пропускание потока сжатого воздуха через блок предварительной очистки для удаления остаточной воды и диоксида углерода; (4) охлаждение очищенного воздуха в теплообменнике путем непрямого теплообмена по отношению к технологическим потокам из колонны криогенной дистилляции; (5) расширение по меньшей мере части холодного воздуха для обеспечения охлаждения для системы; (6) введение холодного воздуха в колонну дистилляции для ректификации в ней; (7) сбор азота из верхней части колонны (как правило, в виде газа) и сбор кислорода из нижней части колонны в виде жидкости.

В определенных случаях блок разделения воздуха («ASU») может использоваться для снабжения одним из своих воздушных газов ближайшего трубопровода (например, трубопровода кислорода или азота) с целью снабжения одного или нескольких потребителей, которые не расположены непосредственно рядом с ASU. В типичном ASU, снабжающем локальный трубопровод, широко распространено использование технологической конфигурации, использующей цикл внутреннего сжатия (вакуумирования), что в случае трубопровода кислорода означает, что жидкий кислород, полученный из колонны более низкого давления, откачивается от низкого давления до давления, которое является более высоким, чем у трубопровода, и испаряется в теплообменнике, чаще всего относительно потока воздуха высокого давления, поступающего из воздушного бустер-компрессора («BAC») или из главного воздушного компрессора («MAC»). В контексте настоящего документа воздушный бустер-компрессор представляет собой вторичный воздушный компрессор, который расположен ниже по потоку от блока очистки, который используется для нагнетания части главного подвода воздуха для целей эффективного испарения потока жидкого кислорода продукта.

При нормальных условиях ASU, подающий кислород в трубопровод кислорода, предназначен для получения кислорода при постоянном давлении. Это связано с тем, что ASU работают наиболее эффективно при условиях установившегося состояния. Тем не менее, трубопроводы не работают при постоянных давлениях. Например, нередко случается, что трубопровод кислорода работает в диапазоне 400—600 индикаторных фунтов на квадратный дюйм (т. е. колебание давления составляет приблизительно 200 индикаторных фунтов на квадратный дюйм) в течение одного дня. Это может произойти в результате изменяемого потребительского спроса и/или изменяемого снабжения трубопровода.

В предшествующем уровне техники, известном до настоящего момента, обычным является проектирование ASU с возможностью обеспечения газообразного кислорода при постоянном давлении, которое выше наивысших давлений, предполагаемых для трубопровода. Для решения проблемы, связанной с колебанием давления трубопровода, обычным является понижение давления газообразного кислорода в регулирующем клапане, чтобы приблизительно соответствовать давлению трубопровода непосредственно перед введением газообразного кислорода в трубопровод. Тем не менее, этот способ страдает от неэффективности каждый раз, когда давление трубопровода ниже, чем расчетное давление ASU. Следовательно, было бы преимущественно предоставить способ и устройство, работающие более эффективно.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на способ и устройство, которое удовлетворяет по меньшей мере одну из этих потребностей.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение может включать способ регулирования давления (давлений) получения воздушных газов (например, азота и кислорода), чтобы соответствовать давлению трубопровода, тем самым уменьшая потребление электроэнергии, когда давление трубопровода понижается.

В одном варианте осуществления эта неэффективность может быть минимизирована путем проектирования оборудования, используемого в ASU (например, главный теплообменник, насос для жидкого кислорода («LOX»), BAC, MAC и т. д.), для получения достаточной гибкости, чтобы обеспечить возможность доставлять газообразный кислород («GOX») при различных уровнях давления на основе давления трубопровода. В другом варианте осуществления способ и устройство могут включать концепцию управления процессом для автоматического и непрерывного регулирования давления продукта GOX, поступающего из главного теплообменника, чтобы соответствовать давлению трубопровода.

В другом варианте осуществления, поскольку давление продукта GOX может регулироваться, чтобы соответствовать трубопроводу кислорода, давление нагнетания BAC может регулироваться, чтобы соответствовать кривой нагрева сжатого LOX. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что если блок не использует BAC, то давление нагнетания MAC может регулироваться подобным образом.

В одном конкретном варианте осуществления устройство может содержать автоматический подпиточный клапан GOX трубопровода, который установлен на 100 %-ное открытие, где поток GOX контролируется посредством контроллера индикатора расхода («FIC»), который функционирует с возможностью осуществления изменения с помощью изменения скорости насоса LOX. Давление нагнетания BAC может быть основано на действительном давлении GOX ASU посредством контура управления, предпочтительно контура управления с прямой связью. Поскольку давление трубопровода понижается, давление нагнетания BAC, а также насоса LOX, понизится, тем самым обеспечивая значительное энергосбережение.

Дополнительно стабильность всего процесса ASU не пострадает от этих условий динамического процесс. Это в большей степени благодаря тому, что ASU имеет более быструю динамику, чем трубопровод, поскольку трубопровод зачастую содержит такие большие объемы газа; в общем вариация давления является медленной.

В других вариантах осуществления трубопровод может быть трубопроводом азота, по которому подают газообразный азот («GAN») высокого давления, который получают путем процесса внутреннего сжатия. Концепция управления также может быть реализована с помощью любой альтернативной схемы управления, которая может обеспечить автоматическое соответствие давления GOX и/или GAN параметрам трубопровода. Например, давление продукта ASU может регулироваться для соответствия параметрам трубопровода путем управления разностью давлений между регулирующим клапаном продукта и трубопроводом. В одном варианте осуществления разность давлений в регулирующем клапане продукта составляет менее 5 фунтов на квадратный дюйм. В другом варианте осуществления давление продукта ASU находится в пределах 5 фунтов на квадратный дюйм давления трубопровода, тем самым позволяя регулирующему клапану продукта оставаться полностью открытым, что ведет к минимальным потерям давления в регулирующем клапане продукта.

В одном варианте осуществления способ получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха может включать этапы:

- сжатия воздуха до давления, подходящего для криогенной ректификации воздуха, с получением потока сжатого влажного воздуха, при этом поток сжатого влажного воздуха имеет первое давление P_o;

- очистки потока сжатого влажного воздуха от воды и диоксида углерода в системе предварительной очистки с получением потока сухого воздуха, имеющего меньшие количества воды и диоксида углерода по сравнению с потоком сжатого влажного воздуха;

- сжатия первой части потока сухого воздуха в бустер-компрессоре с образованием потока пережатого воздуха, при этом поток пережатого воздуха имеет первое давление P_B1 пережатия;

- введения второй части потока сухого воздуха и потока пережатого воздуха в холодильную камеру при условиях, эффективных для разделения воздуха, с образованием продукта воздушного газа, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций;

- отбора продукта воздушного газа из холодильной камеры, при этом продукт воздушного газа имеет первое давление P_P1 продукта;

- введения продукта воздушного газа в трубопровод, при этом трубопровод приспособлен для транспортировки продукта воздушного газа в место, расположенное ниже по потоку от трубопровода, при этом трубопровод работает при давлении P_PL трубопровода, при этом продукт воздушного газа вводят в трубопровод при первом давлении P_D1 доставки;

- отслеживания давления P_PL трубопровода внутри трубопровода; и

- регулирования одной или нескольких заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода.

В факультативных вариантах осуществления способа получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха:

- одна или несколько заданных величин давления согласно этапу Ошибка! Источник ссылки не найден. представляют собой первое давление P_P1 продукта;

- первое давление P_B1 пережатия регулируют так, чтобы разность между первым давлением P_D1 доставки и давлением P_PL трубопровода находилась ниже данного порогового значения;

- пороговое значение составляет менее 5 фунтов на квадратный дюйм, предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм;

- холодильная камера содержит главный теплообменник, систему колонн, имеющую двойную колонну, состоящую из колонны более низкого давления и колонны более высокого давления, конденсатор, расположенный в нижней части колонны более низкого давления, и насос для жидкого кислорода;

- продуктом воздушного газа является кислород, и трубопроводом является трубопровод кислорода;

- насос для жидкого кислорода повышает давление жидкого кислорода из колонны более низкого давления до первого давления P_P1 продукта;

- первое давление P_P1 продукта регулируют на основе отслеживаемого давления P_PL трубопровода;

- первое давление P_B1 пережатия регулируют на основе первого давления P_P1 продукта; и/или

- продуктом воздушного газа является азот, и трубопроводом является трубопровод азота.

В другом аспекте настоящего изобретения способ получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха может предусматривать первый режим работы и второй режим работы, при этом во время первого режима работы и второго режима работы способ включает этапы: передачи потока очищенного и сжатого воздуха в холодильную камеру при условиях, эффективных для криогенного разделения потока воздуха, с образованием продукта воздушного газа с помощью системы колонн, при этом поток очищенного и сжатого воздуха находится под давлением P_F подачи при попадании в холодильную камеру, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций; отбора продукта воздушного газа при давлении P_PO продукта; доставки продукта воздушного газа при давлении P_DO доставки в трубопровод воздушного газа, при этом трубопровод воздушного газа имеет давление P_PL трубопровода; при этом во время второго режима работы способ дополнительно включает этапы: отслеживания давления P_PL трубопровода; и уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки.

В факультативных вариантах осуществления способа получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха:

- этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает регулирование давления P_PO продукта;

- этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования давления P_F подачи;

- давление P_PO продукта и давление P_DO доставки по существу одинаковые;

- продуктом воздушного газа является кислород, при этом холодильная камера содержит главный теплообменник, систему колонн, имеющую двойную колонну, состоящую из колонны более низкого давления и колонны более высокого давления, конденсатор, расположенный на нижней части колонны более низкого давления, и насос для жидкого кислорода;

- холодильная камера дополнительно содержит подпиточный клапан газообразного кислорода (GOX), при этом подпиточный клапан GOX находится в сообщении по текучей среде с выпуском насоса для жидкого кислорода и впуском трубопровода воздушного газа;

- этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки предусматривает отсутствие регулирования подпиточного клапана GOX;

- этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки включает поддержание подпиточного клапана GOX полностью открытым;

- способ также может включать этап предоставления главного воздушного компрессора выше по потоку от холодильной камеры, при этом этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования работы насоса для жидкого кислорода и работы главного воздушного компрессора, таким образом регулируют давление P_PO продукта и давление P_F подачи; и/или

- способ также может включать этап предоставления бустер-компрессора ниже по потоку от главного воздушного компрессора и выше по потоку от холодильной камеры, при этом этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования работы насоса для жидкого кислорода и работы бустер-компрессора, таким образом регулируют давление P_PO продукта и давление P_F подачи.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается устройство. В этом варианте осуществления устройство может содержать:

- главный воздушный компрессор, приспособленный для сжатия воздуха до давления, подходящего для криогенной ректификации воздуха, с получением потока сжатого влажного воздуха, при этом поток сжатого влажного воздуха имеет первое давление P_o;

- систему предварительной очистки, приспособленную для очистки потока сжатого влажного воздуха от воды и диоксида углерода с получением потока сухого воздуха, имеющего меньшие количества воды и диоксида углерода по сравнению с потоком сжатого влажного воздуха;

- бустер-компрессор, находящийся в сообщении по текучей среде с системой предварительной очистки, при этом бустер-компрессор приспособлен для сжатия первой части потока сухого воздуха с образованием потока пережатого воздуха, при этом поток пережатого воздуха имеет первое давление P_B1 пережатия;

- холодильную камеру, содержащую главный теплообменник, систему колонн, имеющую двойную колонну, состоящую из колонны более низкого давления и колонны более высокого давления, конденсатор, расположенный на нижней части колонны более низкого давления, и насос для жидкого кислорода, при этом холодильная камера приспособлена для приема потока пережатого воздуха и второй части потока сухого воздуха при условиях, эффективных для разделения воздуха, с образованием продукта воздушного газа, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций;

- средство для отслеживания давления трубопровода, при этом трубопровод находится в сообщении по текучей среде с холодильной камерой, так что трубопровод приспособлен для приема продукта воздушного газа из холодильной камеры, при этом продукт воздушного газа имеет первое давление P_P1 продукта; и

- средство для регулирования одной или нескольких заданных величин давления устройства на основе отслеживаемого давления трубопровода, при этом одну или несколько заданных величин давления устройства выбирают из группы, состоящей из давления нагнетания насоса для жидкого кислорода, давления нагнетания воздушного бустер-компрессора, давления нагнетания главного воздушного компрессора и их комбинаций.

В факультативных вариантах осуществления устройства для получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха:

- первое давление P_P1 продукта регулируют так, чтобы разность между первым давлением P_P1 продукта и первым давлением P_D1 доставки находилась ниже данного порогового значения;

- пороговое значение составляет менее 5 фунтов на квадратный дюйм, предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм;

- продуктом воздушного газа является кислород, и трубопроводом является трубопровод кислорода;

- насос для жидкого кислорода повышает давление жидкого кислорода из колонны более низкого давления до первого давления P_P1 продукта;

- первое давление P_B1 пережатия регулируют на основе первого давления P_P1 продукта; и/или

- продуктом воздушного газа является азот, и трубопроводом является трубопровод азота.

В другом аспекте настоящего изобретения устройство для получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха может содержать холодильную камеру, приспособленную для приема потока очищенного и сжатого воздуха при условиях, эффективных для криогенного разделения потока воздуха, с образованием продукта воздушного газа с помощью системы колонн, при этом поток очищенного и сжатого воздуха находится под давлением P_F подачи при попадании в холодильную камеру, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций, при этом холодильная камера приспособлена для получения продукта воздушного газа при давлении P_PO продукта; средство для перемещения продукта воздушного газа из холодильной камеры в трубопровод воздушного газа; устройство отслеживания давления, приспособленное для отслеживания давления P_PL трубопровода; и контроллер, приспособленный для регулирования давления P_PO продукта воздушного газа, поступающего из холодильной камеры, на основе давления P_PL трубопровода.

В факультативных вариантах осуществления устройства для получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха:

- продуктом воздушного газа является кислород, при этом холодильная камера содержит главный теплообменник, систему колонн, имеющую двойную колонну, состоящую из колонны более низкого давления и колонны более высокого давления, конденсатор, расположенный на нижней части колонны более низкого давления, и насос для жидкого кислорода;

- контроллер также приспособлен для уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки;

- контроллер приспособлен для связи с насосом для жидкого кислорода и регулирования давления нагнетания насоса для жидкого кислорода;

- давление P_PO продукта и давление P_DO доставки по существу одинаковые;

- контроллер находится в связи с устройством отслеживания давления;

- устройство может предусматривать отсутствие подпиточного клапана GOX, приспособленного для уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки;

- устройство может содержать подпиточный клапан газообразного кислорода (GOX), при этом подпиточный клапан GOX находится в сообщении по текучей среде с выпуском насоса для жидкого кислорода и впуском трубопровода воздушного газа, при этом подпиточный клапан GOX поддерживается в полностью открытом положении;

- устройство может содержать главный воздушный компрессор, расположенный выше по потоку от холодильной камеры, при этом контроллер дополнительно приспособлен для регулирования давления нагнетания главного воздушного компрессора; и/или

- устройство может содержать бустер-компрессор ниже по потоку от главного воздушного компрессора и выше по потоку от холодильной камеры, при этом контроллер дополнительно приспособлен для регулирования давления нагнетания бустер-компрессора.

Краткое описание графических материалов

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятны со ссылкой на следующее описание, формулу изобретения и сопроводительные графические материалы. Тем не менее, следует отметить, что графические материалы иллюстрируют лишь некоторые варианты осуществления настоящего изобретения и, следовательно, не должны расцениваться как ограничивающие объем настоящего изобретения, поскольку оно может допускать другие в равной степени эффективные варианты осуществления.

На фиг. 1 предоставлен вариант осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 предоставлен другой вариант осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 предоставлено графическое представление данных для варианта осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

Хотя настоящее изобретение будет описано в сочетании с несколькими вариантами осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение не должно ограничиваться теми вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что настоящее изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут находиться в пределах сущности и объема настоящего изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.

Далее обратимся к фиг. 1. Воздух 2 вводится в главный воздушный компрессор 10 и сжимается, предпочтительно до давления, составляющего по меньшей мере от 55 индикаторных фунтов на квадратный дюйм до 75 индикаторных фунтов на квадратный дюйм (или приблизительно на 5 индикаторных фунтов на квадратный дюйм выше, чем давление колонны более высокого давления). Полученный поток 12 сжатого влажного воздуха затем очищается от воды и CO₂ в системе 20 предварительной очистки, тем самым вырабатывая поток 22 сухого воздуха. В одном варианте осуществления весь поток 22 сухого воздуха проходит через линию 26 в холодильную камеру 40. Давление потока 22 сухого воздуха измеряется первым индикатором PI1a давления. В холодильной камере 40 воздух охлаждается и подвергается криогенной обработке, чтобы разделить воздух на продукт 42 воздушного газа. Продукт 42 воздушного газа затем удаляется из холодильной камеры 40 и проходит через регулирующий клапан 50 продукта перед попаданием в трубопровод 60 воздушного газа. В предпочтительном варианте осуществления давление и расход продукта 42 воздушного газа могут измеряться вторым индикатором PI2 давления и индикатором FI1 расхода соответственно. Давление трубопровода 60 воздушного газа может измеряться индикатором PI3 давления.

В одном варианте осуществления различные индикаторы/датчики давления и расхода приспособлены для связи (например, беспроводной или проводной связи) с технологическим контроллером 55, так что различные расходы и давления могут отслеживаться технологическим контроллером 55, который приспособлен для регулирования различных настроек по всему процессу на основе измеренных расходов и давлений.

Дополнительно вариант осуществления настоящего изобретения также может содержать воздушный бустер-компрессор 30. Этот вариант осуществления представлен пунктирными линиями, поскольку он является факультативным вариантом осуществления. В этом варианте осуществления часть потока 22 сухого воздуха передается на воздушный бустер-компрессор 30 через линию 24 и дополнительно сжимается с образованием потока 32 пережатого воздуха перед введением в холодильную камеру 40. Добавление воздушного бустер-компрессора 30 обеспечивает дополнительную свободу при тонкой настройке процесса, как более подробно будет пояснено ниже. В этом варианте осуществления первый индикатор PI1b давления расположен на линии 32 вместо линии 26. Подобным образом, контроллер 14b давления находится в связи с воздушным бустер-компрессором 30 в противоположность контроллеру 14a давления для главного воздушного компрессора 10. Хотя в варианте осуществления по фиг. 1 воздушный бустер-компрессор 30 показан как единичный компрессор, специалистам в данной области техники станет понятно, что воздушный бустер-компрессор 30 может представлять собой более чем один физический компрессор. Дополнительно воздушный бустер-компрессор 30 также может быть многоступенчатым компрессором.

Хотя на фигурах показаны прямые линии связи от различных индикаторов давления и расхода в технологический контроллер 55, варианты осуществления настоящего изобретения не должен этим ограничиваться. Напротив, специалистам в данной области техники станет понятно, что варианты осуществления настоящего изобретения могут включать случаи, в которых определенные индикаторы осуществляют связь непосредственно с взаимосвязанным контроллером давления.

На фиг. 2 предоставлен более подробный вид холодильной камеры 40 для факультативного варианта осуществления, который включает воздушный бустер-компрессор 30. В этом варианте осуществления холодильная камера 40 также содержит теплообменник 80, турбину 90, клапан 100, двойную колонну 110, колонну 120 более высокого давления, вспомогательный теплообменник 130, колонну 140 более низкого давления, конденсатор/ребойлер 150 и насос 160 для жидкого кислорода. Турбина 90 может быть прикреплена к бустеру 70 посредством общего вала. Аналогично фиг. 1, воздух 2 вводится в главный воздушный компрессор 10 и сжимается, предпочтительно до давления, составляющего по меньшей мере от 55 индикаторных фунтов на квадратный дюйм до 75 индикаторных фунтов на квадратный дюйм (или приблизительно на 5 индикаторных фунтов на квадратный дюйм выше, чем давление колонны более высокого давления). Полученный поток 12 сжатого влажного воздуха затем очищается от воды и CO₂ в системе 20 предварительной очистки, тем самым вырабатывая поток 22 сухого воздуха. Первая часть потока 24 сухого воздуха передается на воздушный бустер-компрессор 30, при этом остальная часть потока 26 сухого воздуха попадает в холодильную камеру 40, в которой она полностью охлаждается в теплообменнике 80 перед введением в колонну 120 более высокого давления для разделения в ней. После повышения давления в воздушном бустер-компрессоре 30 поток 32 пережатого воздуха предпочтительно полностью охлаждается в теплообменнике 80 и затем расширяется в клапане 100 перед введением в нижнюю часть колонны 120 более высокого давления.

Поток 37 частично пережатого воздуха предпочтительно удаляется из внутренней ступени воздушного бустер-компрессора 30 перед дополнительным сжатием в бустере 70 и последующим охлаждением в доохладителе 75 с образованием второго пережатого потока 72. Второй пережатый поток 72 подвергается частичному охлаждению в теплообменнике 80, при этом он отбирается из промежуточной секции теплообменника 80 и затем расширяется в турбине 90, тем самым образуя поток 92 расширенного воздуха, который затем может быть объединен со второй частью потока 26 сухого воздуха перед введением в колонну 120 более высокого давления.

Колонна 120 более высокого давления приспособлена для обеспечения возможности ректификации воздуха внутри, тем самым получая обогащенную кислородом жидкость в нижней части и обогащенный азотом газообразный поток в верхней части. Обогащенная кислородом жидкость 122 отбирается из нижней части колонны 120 более высокого давления перед теплообменом с побочным азотом 114 под низким давлением и продуктом 112 азота под низким давлением во вспомогательном теплообменнике 130, а затем расширяется в клапане и вводится в колонну 140 более низкого давления. Как хорошо известно в данной области техники, колонна 120 более высокого давления и колонна 140 более низкого давления являются частью двойной колонны 110, и две колонны термически соединены посредством конденсатора/ребойлера 150, который конденсирует поднимающийся обогащенный азотом газ из колонны 120 более высокого давления и испаряет жидкий кислород, который собрался в нижней части колонны 140 более низкого давления. В показанном варианте осуществления два потока 126, 128 обогащенной азотом жидкости отбираются из колонны 120 более высокого давления, осуществляют теплообмен с продуктом 112 азота под низким давлением и побочным азотом 114 под низким давлением, далее расширяются в своих соответствующих клапанах, а затем вводятся в колонну 140 более низкого давления. Продукт 129 азота более высокого давления также может отбираться из колонны 120 более высокого давления и затем нагреваться в теплообменнике 80.

Жидкий кислород собирается в нижней части колонны 140 более низкого давления и отбирается и нагнетается до надлежащего давления насосом 160 для жидкого кислорода с образованием продукта 162 жидкого кислорода. Продукт 162 жидкого кислорода затем испаряется в теплообменнике 80 с образованием продукта 42 воздушного газа. Давление и расход продукта 42 воздушного газа могут быть измерены с помощью второго датчика PI2 давления и FI1 соответственно. Как и на фиг. 1, продукт 42 воздушного газа протекает через регулирующий клапан 50 продукта и в трубопровод 60 воздушного газа.

Как отмечено ранее, давление трубопровода 60 воздушного газа склонно отклоняться со временем. В известных до настоящего момента способах эта проблема была решена путем регулирования степени открытия регулирующего клапана 50 продукта для создания надлежащего перепада давления. Однако при этом имеет место неэффективность. Вместо этого, в вариантах осуществления настоящего изобретения можно регулировать заданные величины давления в холодильной камере, например, давление нагнетания насоса 160 для жидкого кислорода. Путем понижения этого давления на надлежащую величину регулирующий клапан 50 продукта может оставаться полностью открытым, тем самым приводя к минимальным потерям при расширении в регулирующем клапане 50 продукта. В одном варианте осуществления надлежащая величина обеспечивает разность между PI2 и PI3, составляющую менее 5 фунтов на квадратный дюйм, предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм.

В другом варианте осуществления в результате изменения давления продукта 162 жидкого кислорода также изменится его температура испарения. Кроме того, предпочтительно, чтобы продукт 162 жидкого кислорода испарялся относительно потока конденсирующегося воздуха (например, потока 32 пережатого воздуха). Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления давление нагнетания воздушного бустер-компрессора 30 также изменяется на надлежащую величину. В одном варианте осуществления надлежащая величина является предпочтительно величиной, которая приводит к улучшенным кривым нагрева между продуктом 162 жидкого кислорода и потоком 32 пережатого воздуха.

В варианте осуществления, в котором продуктом воздушного газа является азот, вариант осуществления может включать отбор продукта 129 азота более высокого давления в виде жидкости из колонны 120 более высокого давления и повышение его давления до надлежащего давления с использованием насоса для жидкого азота (не показан) перед нагревом в теплообменнике 80. Получаемый продукт нагретого газообразного азота затем будет введен в трубопровод азота подобно тому, как описано относительно продукта газообразного кислорода. Альтернативно поток жидкого азота может быть удален из колонны более низкого давления вместо колонны более высокого давления.

На фиг. 3 предоставлено графическое представление давлений как функции времени для варианта осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть на фиг. 3, давление GOX ASU сохраняют немного выше (например, на 3—4 фунта на квадратный дюйм) давления трубопровода GOX. Это осуществляется путем как изменения давления нагнетания LOX из насоса LOX, так и изменения давления нагнетания воздушного бустер-компрессора (BAC). Благодаря работе насоса LOX и BAC в режиме изменяемой скорости, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения можно сэкономить на потреблении электроэнергии без каких-либо потерь в производительности и, следовательно, обеспечить невероятное преимущество над способами, известными до настоящего момента.

В таблице I и таблице II, представленных ниже, показаны сравнительные данные различных потоков для получения кислорода при 610 индикаторных фунтах на квадратный дюйм и 400 индикаторных фунтах на квадратный дюйм.

Как показано в таблицах, представленных выше, при изменении давления трубопровода давления потоков 32, 37, 42 и 162 могут быть отрегулированы, в то же время поддерживая все остальные условия по существу одинаковыми. Как будет понятно, возможность снижения необходимости сжатия для насоса 160 LOX и BAC 30 может привести к значительному энергосбережению. Кроме того, это осуществляется без какой-либо потери производства касательно расхода и без какого-либо значительного нарушения рабочих условий двойной колонны.

Термины «обогащенный азотом» и «обогащенный кислородом» будут понятны специалистам в данной области техники в отношении состава воздуха. Таким образом, обогащенный азотом охватывает текучую среду, имеющую содержание азота больше, чем в воздухе. Подобным образом, обогащенный кислородом охватывает текучую среду, имеющую содержание кислорода больше, чем в воздухе.

Хотя настоящее изобретение было описано в сочетании с его конкретными вариантами осуществления, очевидно, что многие альтернативы, модификации и вариации будут очевидны для специалистов в данной области техники в свете вышеизложенного описания. Соответственно, предполагается охватывание всех таких альтернатив, модификаций и вариаций, которые находятся в пределах сущности и широкого объема прилагаемой формулы изобретения. Настоящее изобретение может соответственно содержать, состоять из или по сути состоять из раскрытых элементов и может быть осуществлено на практике в отсутствие элемента, который не раскрыт. Кроме того, если присутствует словесное упоминание порядка, такое как первый и второй, его следует понимать в примерном смысле, а не в ограничительном смысле. Например, специалисты в данной области техники могут понять, что определенные этапы можно объединить в один этап.

Формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если в контексте явно не указано иное.

В формуле изобретения термин «содержащий» является открытым переходным термином, который обозначает, что идентифицированные далее элементы формулы изобретения являются неисключительным перечнем (т. е. что угодно может быть дополнительно включено и оставаться в пределах объема термина «содержащий»). В контексте настоящего документа термин «содержащий» может быть заменен более ограниченными переходными терминами «состоящий по сути из» и «состоящий из», если в настоящем документе не указано иначе.

В формуле изобретения термин «обеспечивание» определяется в значении предоставления, снабжения, обеспечения наличия или получения чего-либо. Этап может быть выполнен посредством любого участника, в отсутствие ясно выраженного языка в формуле изобретения, имеющего противоположный смысл.

Термин «факультативный» или «факультативно» означает, что описанное далее событие или обстоятельства могут произойти или не произойти. Описание включает случаи, когда событие или обстоятельство происходит, и случаи, когда оно не происходит.

Диапазоны могут быть выражены в настоящем документе в виде величин от приблизительно одного конкретного значения и/или до приблизительно другого конкретного значения. Когда выражен такой диапазон, следует понимать, что другой вариант осуществления представляет собой величину от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения наряду со всеми комбинациями в пределах указанного диапазона.

Каждая из всех ссылок, определенных в настоящем документе, включена таким образом в настоящую заявку посредством ссылки в своем полном объеме, а также для конкретной информации, для которой каждая из них приведена.

Способ и устройство для получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха предусматривают этапы передачи потока очищенного и сжатого воздуха в холодильную камеру для криогенного разделения потока воздуха на продукт кислорода и азот с помощью системы колонн, отбора продукта кислорода при давлении продукта, доставки продукта кислорода при давлении доставки в трубопровод кислорода. Поток очищенного и сжатого воздуха находится под давлением подачи при попадании в систему колонн. Трубопровод кислорода имеет давление трубопровода. Осуществляют отслеживание давления трубопровода и уменьшение разности между давлением трубопровода и давлением доставки. Благодаря динамической работе энергосбережение может быть реализовано в случаях, в которых давление трубопровода отклоняется от своего наивысшего значения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха, при этом способ включает этапы:

a) сжатия (10) воздуха (2) до давления, подходящего для криогенной ректификации воздуха, с получением потока (12) сжатого влажного воздуха, при этом поток сжатого влажного воздуха имеет первое давление Р_о;

b) очистки потока сжатого влажного воздуха от воды и диоксида углерода в системе (20) предварительной очистки с получением потока (22) сухого воздуха, имеющего меньшие количества воды и диоксида углерода по сравнению с потоком (12) сжатого влажного воздуха;

c) сжатия первой части потока (24) сухого воздуха в бустер-компрессоре (30) с образованием потока (32) пережатого воздуха, при этом поток пережатого воздуха имеет первое давление P_B1 пережатия;

d) введения второй части потока (26) сухого воздуха и потока пережатого воздуха в холодильную камеру (40) так, чтобы разделять воздух с образованием продукта (42) воздушного газа, при этом продукт воздушного газа имеет первое давление P_P1 продукта, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций;

e) отбора продукта воздушного газа из холодильной камеры;

f) введения продукта воздушного газа в трубопровод (60), при этом трубопровод приспособлен для транспортировки продукта воздушного газа в место, расположенное ниже по потоку от трубопровода, при этом трубопровод работает при давлении P_PL трубопровода, при этом продукт воздушного газа вводят в трубопровод при первом давлении P_D1 доставки;

g) отслеживания давления P_PL (PI3) трубопровода внутри трубопровода и

h) регулирования одной или более заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода, причем указанную одну или более заданных величин давления выбирают из группы, состоящей из первого давления P_B1 пережатия этапа с), первого давления Р_о этапа а) и их комбинаций.

2. Способ по п. 1, причем одна или более заданных величин давления согласно этапу h представляют собой первое давление P_P1 продукта.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, причем первое давление P_B1 пережатия регулируют так, чтобы разность между первым давлением P_D1 доставки и давлением P_PL трубопровода находилась ниже данного порогового значения, при этом данное пороговое значение составляет предпочтительно менее 5 фунтов на квадратный дюйм, более предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм.

4. Способ по любому из пп. 1-3, причем холодильная камера содержит главный теплообменник (80), систему колонн, имеющую двойную колонну (110), состоящую из колонны (140) более низкого давления и колонны (120) более высокого давления, конденсатор (150), расположенный в нижней части колонны более низкого давления, и насос (160) для жидкого кислорода.

5. Способ по п. 4, причем продуктом воздушного газа является кислород и трубопроводом является трубопровод кислорода, при этом насос для жидкого кислорода повышает давление жидкого кислорода из колонны более низкого давления до первого давления P_P1 продукта.

6. Способ по любому из пп. 1-5, причем первое давление P_P1 продукта регулируют на основе отслеживаемого давления P_PL трубопровода.

7. Способ по п. 6, причем первое давление P_B1 пережатия регулируют на основе первого давления P_P1 продукта.

8. Способ по п. 4, причем продуктом воздушного газа является азот и трубопроводом является трубопровод азота.

9. Способ получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха, при этом способ предусматривает первый режим работы и второй режим работы, при этом во время первого режима работы и второго режима работы способ включает этапы:

сжатия воздуха до давления, подходящего для криогенной ректификации воздуха, с получением потока (12) сжатого влажного воздуха, при этом поток сжатого влажного воздуха имеет первое давление Р_о;

очистки потока сжатого влажного воздуха от воды и диоксида углерода в системе (20) предварительной очистки с получением потока (22) сухого воздуха, имеющего меньшие количества воды и диоксида углерода по сравнению с потоком сжатого влажного воздуха;

сжатия первой части потока (24) сухого воздуха в бустер-компрессоре (30) с образованием потока пережатого воздуха, при этом поток пережатого воздуха имеет первое давление P_B1 пережатия;

передачи потока пережатого воздуха в холодильную камеру (40) для криогенного разделения потока пережатого воздуха, с образованием продукта (42) воздушного газа с помощью системы колонн (110), при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций;

отбора продукта воздушного газа из холодильной камеры при давлении P_PO продукта;

доставки продукта воздушного газа при давлении P_DO доставки в трубопровод (60) воздушного газа, при этом трубопровод воздушного газа имеет давление P_PL трубопровода;

при этом во время второго режима работы способ дополнительно включает этапы:

отслеживания давления P_PL (PI3) трубопровода и

уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки,

при этом этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает регулирование одной или более заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода, причем указанную одну или более заданных величин давления выбирают из группы, состоящей из первого давления P_B1 пережатия, первого давления Р_о и их комбинаций.

10. Способ по п. 9, причем этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает регулирование давления P_PO продукта.

11. Способ по любому из пп. 9-10, причем давление P_PO продукта и давление P_DO доставки по существу одинаковые.

12. Устройство для получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха, при этом устройство содержит:

a) главный воздушный компрессор (10), приспособленный для сжатия воздуха (2) до давления, подходящего для криогенной ректификации воздуха, с получением потока (12) сжатого влажного воздуха, при этом поток сжатого влажного воздуха имеет первое давление Р_о;

b) систему (20) предварительной очистки, приспособленную для очистки потока сжатого влажного воздуха от воды и диоксида углерода с получением потока (22) сухого воздуха, имеющего меньшие количества воды и диоксида углерода по сравнению с потоком сжатого влажного воздуха;

c) бустер-компрессор (30), находящийся в сообщении по текучей среде с системой предварительной очистки, при этом бустер-компрессор приспособлен для сжатия первой части потока (24) сухого воздуха с образованием потока пережатого воздуха, при этом поток пережатого воздуха имеет первое давление P_B1 пережатия;

d) холодильную камеру (40), содержащую главный теплообменник (80), систему колонн, имеющую двойную колонну (110), состоящую из колонны (140) более низкого давления и колонны (120) более высокого давления, конденсатор (150), расположенный на нижней части колонны более низкого давления, и насос (160) для жидкого кислорода, при этом холодильная камера приспособлена для приема потока (32) пережатого воздуха и второй части потока (26) сухого воздуха так, чтобы разделять воздух с образованием продукта воздушного газа, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций;

e) средство для отслеживания давления (PI3) трубопровода (60), при этом трубопровод находится в сообщении по текучей среде с холодильной камерой, так что трубопровод приспособлен для приема продукта воздушного газа из холодильной камеры, при этом продукт воздушного газа имеет первое давление P_P1 продукта; и

f) контроллер, приспособленный для регулирования одной или более заданных величин давления устройства (55) на основе отслеживаемого давления трубопровода, при этом одну или более заданных величин давления устройства выбирают из группы, состоящей из давления нагнетания воздушного бустер-компрессора (30), давления нагнетания главного воздушного компрессора (10) и их комбинаций.

13. Устройство по п. 12, выполненное с возможностью регулирования первого давления P_P1 продукта так, чтобы разность между первым давлением P_P1 продукта и первым давлением P_D1 доставки находилась ниже данного порогового значения, при этом данное пороговое значение составляет предпочтительно менее 5 фунтов на квадратный дюйм, более предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм.