СПОСОБ ПОДОГРЕВА АТМОСФЕРНОГО ИСПАРИТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗА, ПОСТУПАЮЩЕГО С КРИОГЕННОЙ УСТАНОВКИ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 2021 года по МПК F17C13/10 F25J3/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу подогрева атмосферного испарителя с использованием газа, поступающего с криогенной установки разделения воздуха.

В криогенной установке разделения воздуха (air separation unit - ASU) может требоваться наличие вспомогательной системы, обеспечивающей подачу газообразного продукта, например, кислорода, азота или аргона, в случае остановки ASU на ограниченный период времени. Эта вспомогательная система, как правило, состоит из системы хранения криогенной жидкости и испарения жидкости.

Могут быть использованы различные испарительные системы в зависимости от атмосферных условий, от производственной мощности и т.д. (например, теплообменник с таким теплоносителем, как пар или вода, испаритель бассейнового типа, нагреваемый паром, атмосферный испаритель и т.д.).

Система атмосферного испарения является экономически выгодным вариантом и имеет преимущество, заключающееся в использовании «свободного» тепла в процессе эксплуатации. Однако, ее главным недостатком является ограниченный срок действия из-за обледенения наружной поверхности испарителя вследствие наличия влаги в воздухе.

Борьба с обледенением атмосферного испарителя может проходить естественно, если температура воздуха достаточно высокая, например, выше 0°С. Однако, если окружающая температура в течение длительного времени (например, несколько недель или даже несколько месяцев) может оставаться низкой, может потребоваться установка системы нагревания для борьбы с обледенением испарителя.

Обычные способы борьбы с обледенением состоят в установке либо специального подогревателя (обычно электрического) в контуре, либо электрического подогревателя снаружи испарителя, но внутри замкнутого пространства, в сочетании с принудительной вентиляцией. Эти способы борьбы с обледенением сопряжены с существенными накладными расходами и, в случае находящегося в контуре электрического подогревателя кислородного испарителя, имеется потенциальный риск высокотемпературного воспламенения кислорода.

Авторами настоящего изобретения предлагаются решения, отличающиеся большей рентабельностью и простотой воплощения, которые не требуют установки какого-либо специального подогревателя.

В соответствии с одной из целей изобретения им обеспечивается способ подогрева, вплоть до борьбы с обледенением, атмосферного испарителя, в котором:

i) при нормальной работе криогенная жидкость, основным компонентом которой является кислород, азот или аргон, поступающая из некоторого источника, испаряется в результате теплообмена с окружающим воздухом в атмосферном испарителе, и в котором

ii) на стадии подогрева, для подогрева, а также борьбы с обледенением атмосферного испарителя, криогенную жидкость больше не направляют из источника в атмосферный испаритель, а вместо этого в него подают газ с температурой, по меньшей мере, 0°С, предпочтительно, по меньшей мере, 20°С, при этом, этот газ поступает из криогенной установки разделения воздуха и является либо

а) потоком воздуха, очищенного от воды и диоксида углерода, отбираемым из подачи воздуха установки разделения воздуха, либо

b) газом, поступающим из некоторой колонны установки разделения воздуха, подогретым в теплообменнике воздухом, предназначенным для дистилляции.

В соответствии с другими дополнительными аспектами изобретения:

- газ включает тот же основной компонент, что и криогенная жидкость.

- газ при температуре, по меньшей мере, 0°С и криогенная жидкость содержат, по меньшей мере, 70% мол. кислорода, даже, по меньшей мере, 90% мол. кислорода.

- газ при температуре, по меньшей мере, 0°С и криогенная жидкость содержат, по меньшей мере, 85% мол. азота, даже, по меньшей мере, 90% мол. азота.

- газ при температуре, по меньшей мере, 0°С и криогенная жидкость содержат, по меньшей мере, 85% мол. аргона, даже, по меньшей мере, 90% мол. аргона.

- в соответствии с вариантом b), газ, поступающий из некоторой колонны установки, делят на две части, из которых первую часть направляют в атмосферный испаритель, а вторую часть расширяют, но не направляют в атмосферный испаритель, и расширенную вторую часть смешивают с первой частью ниже по потоку от атмосферного испарителя.

- в соответствии с вариантом ii), давление газа, поступающего из колонны, увеличивают выше по потоку от атмосферного испарителя.

- криогенная жидкость поступает из установки разделения воздуха.

- температура газа, поступающего из установки разделения воздуха и направляемого в испаритель на стадии подогрева, составляет, по меньшей мере, 50°С.

- во время подогрева температура атмосферного воздуха не превышает 0°С.

- предпочтительно, электрические средства не используются для нагревания испарителя на стадии подогрева.

Благодаря данному способу, становится возможной эксплуатация атмосферного испарителя, предназначенного для подачи газа ограниченный отрезок времени в случае отказа ASU.

В некоторых случаях, газ подается во время плановой остановки установки разделения воздуха.

В других случаях, когда температура окружающего воздуха опускается ниже нуля, атмосферный испаритель покрывается льдом и не может быть использован до тех пор, пока окружающий воздух в достаточной степени не нагреется. В этом случае, необходимо найти средство борьбы с обледенением испарителя.

Конструкция и габариты атмосферного испарителя должны гарантировать подачу газа в течение заданного периода до массового образования льда.

Далее способ, соответствующий изобретению, описан более подробно со ссылкой на фигуры.

На фиг. 1 показан способ подогрева атмосферного испарителя с использованием воздуха, поступающего из установки разделения воздуха.

При нормальной работе криогенную жидкость, основным компонентом которой является кислород, азот или аргон, подают из хранилища S. Эту жидкость направляют через клапан V1 в испаритель V по каналу 5. В испарителе жидкость испаряется в результате теплообмена с воздухом, образовавшийся газ направляют через клапан V3 в канал 11, по которому он поступает к пользователю.

В том случае, когда испаритель покрыт льдом, необходимо нагревать испаритель V, с этой целью подачу жидкости 1 в испаритель прекращают.

При нормальной работе воздух подают в установку разделения воздуха (ASU), где его очищают от воды и диоксида углерода в устройстве очистки. На выходе устройства очистки его охлаждают и направляют в дистилляционную колонну с целью разделения.

Когда испаритель V нужно подогревать, на выходе устройства очистки воздух разделяют на две части. Первую часть охлаждают и направляют в дистилляционную колонну с целью разделения. Вторую часть 3 нагревают, по меньшей мере, до 0°С, может быть, по меньшей мере, 20°С, предпочтительно, по меньшей мере, 50°С в подогревателе R, например, электрическом подогревателе или паровом подогревателе.

Воздух, после циркуляции в испарителе V с целью его подогрева, выпускают в атмосферу через клапан V3, V5 и канал 9.

Основным недостатком этого решения является необходимость восстановления содержимого испарителя V после операции по удалению льда.

В соответствии со способом, показанным на фиг. 2, подогрев испарителя осуществляют газом, образовавшимся в результате дистилляции в установке разделения воздуха (ASU), предпочтительно, включающего тот же основной компонент, что и криогенная жидкость.

При нормальной работе, криогенную жидкость 1, основным компонентом которой является кислород, азот или аргон, подают из хранилища S. Эту жидкость направляют через клапан V1 в испаритель V по каналу 5. В испарителе жидкость испаряется в результате теплообмена с воздухом, образовавшийся газ направляют через клапан V3 в канал 11, по которому он поступает к пользователю.

В том случае, когда испаритель покрыт льдом, необходимо нагревать испаритель V, с этой целью подачу жидкости 1 в испаритель прекращают.

При нормальной работе воздух подают в установку разделения воздуха (ASU), где его очищают от воды и диоксида углерода в устройстве очистки. На выходе устройства очистки его охлаждают и направляют в дистилляционную колонну с целью разделения и получения газа, основным компонентом которого является кислород, азот или аргон 2. Газ либо отводят из ректификационной колонны в газообразной форме и подогревают в теплообменнике, где охлаждается подаваемый воздух, или отводят из ректификационной колонны в жидкой форме, испаряют и подогревают в теплообменнике, где охлаждается подаваемый воздух. Таким образом, его минимальная температура в большинстве случаев составляет 0°С.

Когда испаритель V нужно подогревать, от выхода устройства очистки, по меньшей мере, часть газа 3 направляют в испаритель с целью его подогрева и, предпочтительно, удаления льда, возможно, после подогрева в подогревателе (не показан). Если основные компоненты газа 3 и жидкости 1 одинаковы, газ 3 может быть направлен пользователю по каналу 11. В противном случае он может быть выброшен в атмосферу.

В конкретном случае, показанном на фиг. 2, газ 2 разделяют на две части 3, 13. Первую часть с температурой, по меньшей мере, 0°С, возможно, по меньшей мере, 20°С, предпочтительно, по меньшей мере, 50°С направляют на подогрев испарителя V. Если нужно, газ 3 может быть подогрет выше по потоку от испарителя V. Вторую часть газа 13 расширяют при помощи клапана V2 и смешивают с газом 3, который был использован для подогрева испарителя V, ниже по потоку от клапана V3. Таким образом, обе части 3, 13 направляют пользователю по каналу 11.

Клапан V4 может быть закрыт, чтобы газ, который был использован для подогрева, выходил в атмосферу по каналу 15. В этом случае, возможет подогрев, и даже удаление льда с испарителя V и сброс подогревающего, и даже удаляющего лед, газа в атмосферу, тогда как часть продукта 13 направляется пользователю.

Когда борьба со льдом закончена, возобновляется нормальная работа.

Это решение имеет следующие основные преимущества:

- во время борьбы со льдом продукт не теряется,

- в отличие от решения, представленного на фиг. 1, нет необходимости в восстановлении содержимого.

Основным недостатком является необходимость увеличения давления произведенного газа с целью компенсации потери давления в испарителе. Это может оказаться затруднительным, если газ произведен при низком давлении, например, это азот, поступающий из колонны низкого давления цикла двойной дистилляции. В этом случае следует отдать предпочтение решению фиг. 1.

В обоих случаях подача в хранилище S может быть осуществлена из установки разделения воздуха (ASU) или нет.

Помимо подогревателя может быть использован подогревающий газ 3.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при разделении воздуха. В способе подогрева атмосферного испарителя (V) криогенную жидкость испаряют посредством теплообмена с окружающим воздухом в атмосферном испарителе. Для подогрева испарителя в него подают газ (3) с температурой по меньшей мере 0°С. Этот газ поступает из криогенной установки разделения воздуха (ASU). Техническим результатом является упрощение установки. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подогрева, вплоть до борьбы с обледенением, атмосферного испарителя (V), в котором

i) при нормальной работе криогенная жидкость, основным компонентом которой является кислород, азот или аргон, поступающая из некоторого источника (S), испаряется в результате теплообмена с окружающим воздухом в атмосферном испарителе, и

ii) на стадии подогрева, для подогрева, вплоть до борьбы с обледенением атмосферного испарителя, криогенную жидкость больше не направляют из источника в атмосферный испаритель, вместо этого в него подают газ (3) с температурой по меньшей мере 0°С, предпочтительно по меньшей мере 20°С, при этом этот газ поступает из криогенной установки разделения воздуха (ASU) и является либо

а) потоком воздуха, очищенного от воды и диоксида углерода, отбираемым из подачи воздуха установки разделения воздуха, либо

b) газом, поступающим из колонны установки разделения воздуха, подогретым в теплообменнике воздухом, предназначенным для дистилляции.

2. Способ по п. 1, в котором газ (3) включает тот же основной компонент, что и криогенная жидкость.

3. Способ по п. 2, соответствующий варианту b), в котором на стадии подогрева газ, поступающий из колонны установки, делят на две части, из которых первую часть (3) направляют в атмосферный испаритель (V), а вторую часть (13) расширяют, но не направляют в атмосферный испаритель и расширенную вторую часть смешивают с первой частью ниже по потоку от атмосферного испарителя.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, по варианту b), в котором на стадии подогрева давление газа, поступающего из колонны, увеличивают выше по потоку от атмосферного испарителя.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором криогенная жидкость поступает из установки разделения воздуха (ASU).

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором температура газа, поступающего из установки разделения воздуха и направляемого в испаритель на стадии подогрева, составляет по меньшей мере 20°С.

7. Способ по п. 6, в котором температура газа, поступающего из установки разделения воздуха и направляемого в испаритель на стадии подогрева, составляет по меньшей мере 50°С.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором благодаря направлению газа в испаритель на стадии подогрева становится возможным удаление льда с испарителя.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором во время подогрева температура атмосферного воздуха не превышает 0°С.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором на стадии подогрева для нагревания испарителя не используются электрические средства.