СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ГАЗОВ ПУТЕМ КРИОГЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕНЯЕМЫХ ВЫХОДА СЖИЖЕННЫХ ПРОДУКТОВ И ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2021 года по МПК F25J3/04 

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] 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

[0002] 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 внешний трубопровод.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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 («ВАС») или из главного воздушного компрессора («МАС»). 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.

[0006] 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, изменяемого снабжения трубопровода и/или изменяемой гидравлики трубопровода.

[0007] 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

[0008] Настоящее изобретение направлено на способ и устройство, которое удовлетворяет по меньшей мере одну из этих потребностей.

[0009] 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 и/или увеличивая выход сжиженных продуктов, когда давление трубопровода понижается.

[0010] В одном варианте осуществления эта неэффективность может быть минимизирована путем проектирования оборудования, используемого в ASU (например, главный теплообменник, насос для жидкого кислорода («LOX»), ВАС, 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.

[0011] В другом варианте осуществления, поскольку давление продукта GOX может регулироваться, чтобы соответствовать трубопроводу кислорода, давление нагнетания ВАС может регулироваться, чтобы соответствовать кривой нагрева сжатого LOX. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что если блок не использует ВАС, то давление нагнетания MAC может регулироваться подобным образом.

[0012] 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 ВАС может быть основано на действительном давлении GOX ASU посредством контура управления, предпочтительно контура управления с прямой связью. Поскольку давление трубопровода понижается, давление нагнетания ВАС, а также насоса LOX, понизится, тем самым обеспечивая значительное энергосбережение.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] В другом варианте осуществления способ может дополнительно устранять неэффективность путем варьирования уровней выхода сжиженных продуктов на основе вариаций давления трубопровода. В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения эта неэффективность устраняется путем проектирования оборудования, содержащего основной обменник, насос LOX, MAC, и ВАС, и т.д., имеющих достаточную гибкость, чтобы обеспечить возможность доставки GOX при различных уровнях давления в соответствии с давлением трубопровода, и путем реализации концепции управления процессом для автоматического и непрерывного регулирования давления продукта GOX, чтобы соответствовать давлению трубопровода. В этой конкретной реализации автоматический подпиточный клапан GOX трубопровода может устанавливаться на 100%-ное открытие, и поток GOX может управляться контроллером индикатора расхода («FIC»), управляющим скоростью насоса LOX. Чем ниже трубопровод GOX в точке доставки, тем ниже давление GOX из холодильной камеры.

[0016] Один выигрыш в эффективности, который может быть реализован путем понижения давления продукта GOX, поступающего из холодильной камеры, заключается в увеличении выхода жидкого продукта - жидкого кислорода («LOX») и/или жидкого азота («LIN») - без изменения заданной величины рабочих условий MAC или ВАС. Дополнительный выход сжиженных продуктов реализуется путем уменьшения потерь холода. Например, путем запуска насоса LOX при пониженном давлении насос LOX будет создавать меньше подводимого в процесс тепла. Дополнительно пониженное давление для LOX приводит к меньшим потерям холода от свободного сжатия. В-третьих, LOX под более низким давлением, проходящий через теплообменник, приводит к меньшим потерям от разности температур на теплом конце в теплообменнике, что приводит к выгоде от дополнительного восстановления холода. Все три из этих факторов способствуют получению дополнительного доступного охлаждения, тем самым обеспечивая увеличение выхода сжиженных продуктов (например, жидкого азота и/или жидкого кислорода). В частности, это увеличенное охлаждение не требует никаких дополнительных этапов сжатия или расширения, и, следовательно, дополнительный выход сжиженных продуктов осуществляется без типичного увеличения потребления электроэнергии.

[0017] Например, ASU, производящий 1500 американских тон/день О₂, вырабатывающий GOX при 600 индикаторных фунтах на квадратный дюйм, может вырабатывать приблизительно 4150 станд. куб. фут/час дополнительного жидкого азота, когда продукт кислорода из насоса для жидкого кислорода уменьшен до 450 индикаторных фунтов на квадратный дюйм. Общая стабильность процесса ASU не будет нарушена этой вариацией давления в результате того, что процесс ASU, как правило, имеет более быструю динамику, чем трубопровод, а трубопровод часто по сути содержит большой буфер, и вариация давления также может возникать медленнее.

[0018] Хотя были описаны лишь определенные варианты осуществления настоящего изобретения для передачи продукта GOX в трубопровод кислорода, концепция легко может быть использована для любого продукта, например, газообразного азота (GAN) высокого давления, который вырабатывается в процессе внутреннего сжатия. Концепция управления может быть легко 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. Например, вместо непосредственного измерения давления газообразного продукта, поступающего из холодильной камеры, пользователь может измерить перепад давления в регулирующем клапане продукта и использовать средство управления для получения необходимой заданной величины для перепада давления в регулирующем клапане путем регулирования давления газа, поступающего из холодильной камеры (например, если GOX представляет собой поток продукта, насос для жидкого кислорода может регулироваться до тех пор, пока перепад давления в регулирующем клапане продукта не будет равен необходимому пороговому значению или меньше него).

[0019] В одном варианте осуществления разность давления в регулирующем клапане продукта составляет менее 5 фунтов на квадратный дюйм, более предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм, более предпочтительно менее 1 фунта 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 другом варианте осуществления разность давления в регулирующем клапане продукта составляет менее 2%, предпочтительно 1%, более предпочтительно 0,5% давления трубопровода. В идеале, перепад давления в регулирующем клапане продукта достигает нуля.

[0020] В одном варианте осуществления способ получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха с помощью изменяемых выхода сжиженных продуктов и потребления электроэнергии может включать этапы:

a) 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;

b) 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;

c) 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;

d) 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;

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

f) 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;

g) отслеживания давления P_PL трубопровода внутри трубопровода; и

h) определения режима работы для управления с помощью давления PPL трубопровода с этапа g), при этом режим работы выбирают из группы, состоящей из изменяемого потребления электроэнергии, изменяемого выхода сжиженных продуктов и их комбинаций,

при этом во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемое потребление электроэнергии, способ дополнительно включает этап:

i) регулирования одной или нескольких заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода,

при этом во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемый выход сжиженных продуктов, способ дополнительно включает этап:

j) регулирования одной или нескольких заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода; и

k) регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры на основе одной или нескольких заданных величин давления, регулируемых на этапе j).

[0021] В факультативных вариантах осуществления способа получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха:

• этап определения режима работы дополнительно включает предоставление технологического контроллера, приспособленного для доступа к технологическим условиям, выбранным из группы, состоящей из данных о спотовой цене для электричества, локальных запасов жидкости и их комбинаций;

• одна или несколько заданных величин давления согласно этапам i) и j) представляют собой первое давление P_P1 продукта;

• во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемый выход сжиженных продуктов, первое давление P_B1 пережатия сохраняют по существу постоянным во время этапов j) и k);

• во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемое потребление электроэнергии, первое давление P_B1 пережатия регулируют так, чтобы разность между первым давлением P_D1 доставки и давлением P_PL трубопровода находилась ниже заданного 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.

[0022] 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 Р_РО продукта; доставки продукта воздушного газа при давлении P_DO доставки в трубопровод воздушного газа, при этом трубопровод воздушного газа имеет давление P_PL трубопровода; отслеживания давления P_PL трубопровода; при этом во время второго режима работы способ дополнительно включает этапы: уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки; и регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры.

[0023] 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 Р_РО продукта;

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

• этап регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры дополнительно включает этап поддержания давления P_F подачи по существу постоянным;

• давление Р_РО 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 может также включать во время обоих режимов работы этап предоставления главного воздушного компрессора выше по потоку от холодильной камеры, при этом во время первого режима работы 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 Р_РО продукта и давление P_F подачи, и при этом во время второго режима работы этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования работы насоса для жидкого кислорода, в то же время поддерживая работу главного воздушного компрессора по существу постоянной, таким образом регулируют давление Р_РО продукта, в то же время сохраняя давление P_F подачи по существу постоянным; и/или

• способ может также включать во время обоих режимов работы этап предоставления главного воздушного компрессора выше по потоку от холодильной камеры, при этом во время первого режима работы 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 Р_РО продукта и давление P_F подачи, и при этом во время второго режима работы этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования работы насоса для жидкого кислорода, в то же время поддерживая работу бустер-компрессора по существу постоянной, таким образом регулируют давление Р_РО продукта, в то же время сохраняя давление P_F подачи по существу постоянным.

[0024] В другом аспекте настоящего изобретения предлагается устройство. В этом варианте осуществления устройство может содержать:

a) 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;

b) 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;

c) 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;

d) 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;

e) 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

f) 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;

g) средство для регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры; и

h) технологический контроллер, приспособленный для выбора между первым режимом работы и вторым режимом работы, при этом первый режим работы приводит к энергосбережению, при этом второй режим работы приводит к увеличенному выходу сжиженных продуктов.

[0025] В факультативных вариантах осуществления устройства для получения воздушных газов путем криогенного разделения воздуха:

• технологический контроллер дополнительно приспособлен для доступа к технологическим условиям, выбранным из группы, состоящей из данных о спотовой цене для электричества, локальных запасов жидкости и их комбинаций;

• во время второго режима работы технологический контроллер приспособлен для поддержания первого давления P_B1 пережатия по существу постоянным, в то же время регулируя давление нагнетания насоса для жидкого кислорода;

• во время первого режима работы технологический контроллер приспособлен для регулирования первого давления P_P1 продукта так, чтобы разность между первым давлением P_P1 продукта и первым давлением P_D1 доставки находилась ниже заданного 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;

• продуктом воздушного газа является азот, и трубопроводом является трубопровод азота; и/или

• во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемый выход сжиженных продуктов, первое давление P_B1 пережатия сохраняют по существу постоянным.

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 Р_РО 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 управления устройством в первом режиме работы и втором режиме работы, при этом во время первого режима работы контроллер дополнительно приспособлен для уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки; при этом во время второго режима работы контроллер дополнительно приспособлен для уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки; и регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры.

[0026] 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;

• при этом контроллер приспособлен для связи с насосом для жидкого кислорода и регулирования давления нагнетания насоса для жидкого кислорода;

• контроллер во время второго режима работы приспособлен для регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры, в то же время поддерживая давление P_F подачи по существу постоянным;

• давление Р_РО продукта и давление P_DO доставки по существу одинаковые;

• контроллер находится в связи с устройством отслеживания давления;

• устройство не имеет / дополнительно предусматривает отсутствие подпиточного клапана GOX, приспособленного для уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки;

• устройство имеет / 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, при этом подпиточный клапан GOX поддерживается в полностью открытом положении;

• устройство имеет / дополнительно содержит главный воздушный компрессор, расположенный выше по потоку от холодильной камеры, при этом во время первого режима работы контроллер дополнительно приспособлен для регулирования давления нагнетания главного воздушного компрессора; и/или

• устройство имеет / дополнительно содержит бустер-компрессор ниже по потоку от главного воздушного компрессора и выше по потоку от холодильной камеры, при этом во время первого режима работы контроллер дополнительно приспособлен для регулирования давления нагнетания бустер-компрессора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0027] 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.

[0028] На фиг. 1 предоставлен вариант осуществления настоящего изобретения, работающий в режиме изменяемого энергообеспечения.

[0029] На фиг. 2 предоставлен другой вариант осуществления настоящего изобретения, работающий в режиме изменяемого энергообеспечения.

[0030] На фиг. 3 предоставлено графическое представление данных для варианта осуществления настоящего изобретения, работающего в режиме изменяемого энергообеспечения.

[0031] На фиг. 4 предоставлен вариант осуществления настоящего изобретения, работающий в режиме изменяемого выхода сжиженных продуктов.

[0032] На фиг. 5 предоставлен другой вариант осуществления настоящего изобретения, работающий в режиме изменяемого выхода сжиженных продуктов.

[0033] На фиг. 6 предоставлено графическое представление данных симуляции, показывающих увеличение выхода сжиженных продуктов как функцию давления продукта газообразного кислорода для варианта осуществления, работающего в режиме изменяемого выхода сжиженных продуктов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0034] 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.

[0035] Далее обратимся к фиг. 1, на которой представлен вариант осуществления, работающий в режиме изменяемого энергообеспечения. 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). В варианте осуществления без воздушного бустер-компрессора 30 давление, поступающее из MAC 10 предпочтительно составляет 400-450 индикаторных фунтов на квадратный дюйм. 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.

[0036] 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.

[0037] 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 14а 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.

[0038] 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.

[0039] 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 СО₂ 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.

[0040] 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.

[0041] 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 обогащенного азотом газа 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.

[0042] 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.

[0043] 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.

[0044] 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.

[0045] 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.

[0046] 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 (ВАС). Благодаря работе насоса LOX и ВАС в режиме изменяемого давления, 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.

[0047] 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.

[0048] 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 ВАС 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.

[0049] Далее обратимся к фиг. 4, на которой представлен вариант осуществления, работающий в режиме изменяемого выхода сжиженных продуктов. 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 MP). В варианте осуществления без воздушного бустер-компрессора 30 давление, поступающее из MAC 10 предпочтительно составляет 400-450 индикаторных фунтов на квадратный дюйм. 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. 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.

[0050] 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. Первый жидкий продукт 44 воздушного газа и/или второй жидкий продукт 48 воздушного газа также могут быть удалены из холодильной камеры 40 в определенных режимах работы. Расход первого жидкого продукта 44 воздушного газа может быть измерен с помощью индикатора FI2 расхода, а расход второго жидкого продукта 48 воздушного газа может быть измерен с помощью индикатора FI3 расхода. В показанном варианте осуществления регулирующие клапаны 46, 47 могут быть применены для управления расходами текучих сред 44, 48.

[0051] 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.

[0052] 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. Хотя в варианте осуществления по фиг. 4 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.

[0053] 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.

[0054] На фиг. 5 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. 4, 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 MP). 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.

[0055] 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.

[0056] 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 обогащенного азотом газа 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 среднего давления также может отбираться из колонны 120 более высокого давления и затем нагреваться в теплообменнике 80.

[0057] 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 жидкого кислорода 162. Жидкий кислород 162 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. 4, продукт 42 воздушного газа протекает через регулирующий клапан 50 продукта и в трубопровод 60 воздушного газа. Продукт 44 жидкого кислорода из насоса 160 для жидкого кислорода доставляется в хранилище (не показано). Продукт 48 жидкого азота из верхней части колонны 140 более низкого давления доставляется в хранилище (не показано).

[0058] 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.

[0059] Путем понижения давления продукта 162 жидкого кислорода и сохранения давления поступающих потоков воздуха на одних и тех же заданных величинах давления (например, ВАС и MAC, поддерживаемые при постоянных заданных величинах), может быть достигнут дополнительный выход сжиженных продуктов. Например, для процесса ASU, спроектированного для получения газообразного кислорода при 610 индикаторных фунтах на квадратный дюйм (например, поток 42), могут быть получены приблизительно 51 тыс. станд. куб. футов/час LOX и 91 тыс. станд. куб. футов/час LIN. Однако в этом же процессе можно получать приблизительно на 57 тыс. станд. куб. футов/час больше LIN или на 54 тыс. станд. куб. футов/час больше LOX, если давление нагнетания насоса LOX уменьшают с получением потока продукта газообразного кислорода при приблизительно 400 индикаторных фунтах на квадратный дюйм.

[0060] В таблицах III-V, представленных ниже, показаны сравнительные данные для различных потоков, при этом в таблице III представлен базовый случай получения GOX при 610 индикаторных фунтах на квадратный дюйм, в таблице IV представлен вариант осуществления, в котором получение LIN было максимально увеличено, при этом получение GOX составляет 400 индикаторных фунтов на квадратный дюйм, и в таблице V представлен вариант осуществления, в котором получение LOX было максимально увеличено, при этом получение GOX также составляет 400 индикаторных фунтов на квадратный дюйм. Хотя в этих примерах показано только максимальное увеличение получения LIN и LOX соответственно, специалисты в данной области техники поймут, что варианты осуществления настоящего изобретения этим не ограничены. Напротив, варианты осуществления настоящего изобретения также могут включать случаи, в которых получение как LOX, так и LIN может быть увеличено одновременно. Специалистам в данной области техники станет понятно, что в этих вариантах осуществления повышение для каждого из LIN или LOX не будет таким же обособленным, как показано в таблице IV или таблице V.

[0061] Как показано в таблицах, представленных выше, при изменении давления трубопровода давление потока 42 регулируется, чтобы соответствовать давлению трубопровода, и расходы потоков 44 или 48 изменяются. Остальные потоки остаются по большому счету неизменными. Как станет понятно, возможность получения дополнительных количеств жидкости может быть очень выгодной, в частности, поскольку потоки жидкости пользуются большим спросом на рынке. Кроме того, это осуществляется без какой-либо потери производства касательно расхода, без какого-либо значительного нарушения рабочих условий двойной колонны и с минимальными дополнительными капитальными затратами.

[0062] 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.

[0063] На фиг. 6 представлено графическое представление выхода сжиженных продуктов как функции давления продукта воздушного газа (например, поток 42). Как показано в примере, понижение давления от приблизительно 650 индикаторных фунтов на квадратный дюйм до 400 индикаторных фунтов на квадратный дюйм может обеспечивать почти двукратное увеличение получения LIN (от приблизительно 80 до приблизительно 150 тыс. станд. куб. футов/час). Подобным образом, получение жидкого кислорода было увеличено от приблизительно 40 до приблизительно 105 тыс. станд. куб. футов/час. Хотя графическое представление было разработано с предположением, что одновременно регулируется только один из жидких продуктов, настоящее изобретение не должно ограничиваться этим. В действительности, совершенно приемлемо увеличивать оба жидких продукта одновременно.

[0064] В другом варианте осуществления технологический контроллер 55 может быть приспособлен для доступа к данным о спотовой цене (или пользователь может вводить данные в контроллер), так что технологический контроллер 55 может быть приспособлен для оптимизации/регулирования количества увеличенного LIN и/или LOX на основе текущих данных о спотовой цене. Подобным образом, технологический контроллер 55 также может быть приспособлен для отслеживания локальных запасов LIN и/или LOX и выполнения регулировок получения LIN и/или LOX на основе этих дополнительных данных.

[0065] В другом варианте осуществления технологический контроллер 55 может решать, осуществлять ли работу в режиме энергосбережения или в режиме дополнительного выхода сжиженных продуктов, на основе определенных условий. Например, если электроэнергия стоит меньше, чем обычно, энергосбережение может не иметь большой важности, и, следовательно, технологический контроллер 55 может решить переключиться в режим выхода сжиженных продуктов. В предпочтительном варианте осуществления технологический контроллер 55 принимает эти решения автоматически на основе вводных условий. В другом варианте осуществления технологический контроллер 55 может предусматривать ручное переопределение.

[0066] 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.

[0067] 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.

[0068] Формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если в контексте явно не указано иное.

[0069] 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.

[0070] 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.

[0071] 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.

[0072] 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.

[0073] 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 могут предусматривать этапы передачи потока очищенного и сжатого воздуха в холодильную камеру при условиях, эффективных для криогенного разделения потока воздуха на кислород и азот с помощью системы колонн, при этом поток очищенного и сжатого воздуха находится под давлением подачи при попадании в систему колонн; отбора кислорода при давлении продукта; доставки кислорода при давлении доставки в трубопровод кислорода, при этом трубопровод кислорода имеет давление трубопровода; и отслеживания давления трубопровода. Способ может также предусматривать контроллер, приспособленный для определения того, следует ли работать в режиме энергосбережения или режиме изменяемого выхода сжиженных продуктов. Благодаря динамическому осуществлению способа энергосбережение и/или дополнительные ценные криогенные жидкости могут быть реализованы в случаях, в которых давление трубопровода отклоняется от своего наивысшего значения. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил., 5 табл.

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 P_o;

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 (32) пережатого воздуха в холодильную камеру (40) для разделения воздуха с образованием продукта (42) воздушного газа, при этом продукт воздушного газа выбирают из группы, состоящей из кислорода, азота и их комбинаций;

e) отбора продукта воздушного газа из холодильной камеры, при этом продукт воздушного газа имеет первое давление Ρ_P1 продукта;

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;

h) определения режима работы для управления с помощью давления P_PL трубопровода с этапа g), при этом режим работы выбирают из группы, состоящей из изменяемого потребления электроэнергии, изменяемого выхода сжиженных продуктов и их комбинаций,

при этом во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемое потребление электроэнергии, способ дополнительно включает этап:

i) регулирования одной или нескольких заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода, при этом во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемый выход сжиженных продуктов, способ дополнительно включает этап:

j) регулирования одной или нескольких заданных величин давления в холодильной камере на основе давления P_PL трубопровода; и

k) регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры на основе одной или нескольких заданных величин давления, регулируемых на этапе j).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап определения режима работы дополнительно включает предоставление технологического контроллера (55), приспособленного для доступа к технологическим условиям, выбранным из группы, состоящей из данных о спотовой цене для электричества, локальных запасов жидкости и их комбинаций.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что одна или несколько заданных величин давления согласно этапам i) и j) представляют собой первое давление Ρ_P1 продукта.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемый выход сжиженных продуктов, первое давление P_B1 пережатия сохраняют по существу постоянным во время этапов j) и k).

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что во время периодов времени, когда режимом работы является изменяемое потребление электроэнергии, первое давление P_B1 пережатия регулируют так, чтобы разность между первым давлением P_D1 доставки и давлением P_PL трубопровода находилась ниже заданного порогового значения, при этом заданное пороговое значение составляет предпочтительно менее 5 фунтов на квадратный дюйм, более предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что 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.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что продуктом воздушного газа является кислород, и трубопроводом является трубопровод кислорода, и при этом насос для жидкого кислорода повышает давление жидкого кислорода из колонны более низкого давления до первого давления Ρ_P1 продукта.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что первое давление Ρ_P1 продукта регулируют на основе отслеживаемого давления P_PL трубопровода.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что первое давление P_B1 пережатия регулируют на основе первого давления Ρ_P1 продукта.

10. 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:

передачи потока (26, 32) очищенного и сжатого воздуха в холодильную камеру (40) для криогенного разделения потока воздуха с образованием продукта (42) воздушного газа с помощью системы колонн (110), 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 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;

отслеживания давления P_PL (PI3) трубопровода;

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

уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки;

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

уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки и

регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры,

при этом продуктом воздушного газа является кислород, причем 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,

при этом во время обоих режимов работы способ дополнительно содержит этап обеспечения главного воздушного компрессора выше по потоку от холодильной камеры,

при этом во время первого режима работы 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 так, чтобы регулировать давление Р_РО продукта и давление P_F подачи,

при этом во время второго режима работы этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования работы насоса для жидкого кислорода, в то же время поддерживая работу главного воздушного компрессора по существу постоянной, так, чтобы регулировать давление Р_РО продукта, в то же время сохраняя давление P_F подачи по существу постоянным

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает регулирование давления P_PO продукта при нахождении в холодильной камере.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что этап уменьшения разности между давлением P_PL трубопровода и давлением P_DO доставки дополнительно включает этап регулирования давления P_F (14а, 14b) подачи.

13. Способ по любому из пп. 10-12, отличающийся тем, что этап регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры дополнительно включает этап поддержания давления P_F подачи по существу постоянным.

14. 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 P_o;

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), содержащую колонну (140) более низкого давления и колонну (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 для разделения воздуха с образованием продукта (42) 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 Ρ_P1 продукта; и

f) технологический контроллер, приспособленный для регулирования одной или более заданных величин давления устройства (55) на основе отслеживаемого давления трубопровода, при этом одну или несколько заданных величин давления устройства выбирают из группы, состоящей из давления нагнетания насоса (160) для жидкого кислорода, давления нагнетания воздушного бустер-компрессора (30), давления нагнетания главного воздушного компрессора (10) и их комбинаций;

причем технологический контроллер дополнительно приспособлен для регулирования выхода сжиженных продуктов из холодильной камеры;

при этом технологический контроллер дополнительно приспособлен для выбора между первым режимом работы и вторым режимом работы, при этом первый режим работы приводит к энергосбережению, при этом второй режим работы приводит к увеличенному выходу сжиженных продуктов.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что технологический контроллер дополнительно приспособлен для доступа к технологическим условиям, выбранным из группы, состоящей из данных о спотовой цене для электричества, локальных запасов жидкости и их комбинаций.

16. Устройство по п. 14 или 15, причем во время второго режима работы технологический контроллер приспособлен для поддержания первого давления P_B1 пережатия по существу постоянным, в то же время регулируя давление нагнетания насоса для жидкого кислорода.

17. Устройство по любому из пп. 14-16, причем во время первого режима работы технологический контроллер приспособлен для регулирования первого давления Ρ_P1 продукта так, чтобы разность между первым давлением Ρ_P1 продукта и первым давлением P_D1 доставки находилась ниже заданного порогового значения, при этом заданное пороговое значение составляет предпочтительно менее 5 фунтов на квадратный дюйм, более предпочтительно менее 3 фунтов на квадратный дюйм.

18. Устройство по любому из пп. 14-17, причем во время периодов времени, когда технологический контроллер выбирает второй режим работы, первое давление P_B1 пережатия сохраняют по существу постоянным.