МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА СЕРВИСНОЙ ПОДАЧИ АЗОТА Российский патент 2022 года по МПК B01D53/47 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к системе для подачи азота (N2) для различных промышленных обслуживающих технологических процессов, таких как, например, сушка технологической установки, продувка трубопроводов, охлаждение реакторов, создание инертной атмосферы в сосудах, вытеснение из трубопроводов и т.д. В таких обслуживающих технологических процессах требуется подача N₂ в течение короткого периода времени, который может составлять от одного дня до нескольких недель (вплоть до 90 дней), при этом каждый обслуживающий технологический процесс предъявляет свои требования к расходу, давлению, температуре и степени чистоты газа.

Предпосылки создания изобретения

Стандартные источники временной подачи N₂ включают в себя: заполняемые жидким N₂ устанавливаемые на прицеп насосные установки (TMPU) и устанавливаемые на прицеп испарительные установки (TMVU), прицепные баллоны со сжатым N₂, а также мобильные мембранные установки для получения N₂. Также можно рассматривать локальные стационарные источники N₂. Однако они, как правило, не могут обеспечивать потребности обслуживающих технологических процессов в дополнение к своей обычной постоянной нагрузке и могут не соответствовать по температуре или давлению подаваемого газа.

N₂ из источников жидкого N₂ по существу считается газом высокой степени чистоты и имеет степень чистоты приблизительно 99,999%, и N₂ из заполняемых жидким N₂ установок TMPU и TMVU может подаваться в широком диапазоне давлений и температур благодаря насосным и подпорным возможностям и наличию в них нагревателей и испарителей соответственно. Однако поставка жидкого N₂, особенно на большие расстояния, может оказаться слишком дорогостоящей и требует наличия транспорта/тракторов с прицепом для поддержания подачи газа. Кроме того, установки TMPU и TMVU поставщика услуг могут оказаться занятыми на несколько недель и недоступными для параллельных технологических процессов. С другой стороны, прицепные баллоны с N₂ способны обеспечивать подачу газа высокой степени чистоты и под высоким давлением, но имеют ограниченную емкость и, соответственно, применимость. Некоторые из указанных ограничений снимаются в мобильных мембранных установках для получения N₂, но они могут иметь ограниченную производительность N₂, особенно при работе в режиме повышенных требований к степени чистоты, когда извлечение N₂ существенно снижается. Возможности стандартных систем временной подачи N₂ представлены в приведенной ниже таблице 1.

Таблица 1. Стандартные системы временной подачи азота

Система подачи азота Расход (тыс. станд. куб. футов/час) Давление подачи (фунт/кв. дюйм изб.) Температура подачи (°F) Емкость хранения (тыс. станд. куб. фунтов) Устанавливаемая на прицеп насосная установка (TMPU) До 540 До 10 000 От -320 до +600 180 Устанавливаемая на прицеп испарительная установка (TMVU) До 100 До 300 От -320 до +120 300 Прицепные баллоны До 20 До 2600 Температура окружающей среды 60-120 Транспорт/Тягачи с прицепом Н/П Н/П Н/П 500

Кроме того, в предшествующем уровне техники было предложено несколько других систем для обеспечения подачи азота в краткосрочных технологических процессах. Например, в патенте США № 6,443,245 (автор изобретения - Michael) описан способ подачи в газовые или нефтяные скважины обогащенного азотом газа, который вырабатывает мембранная система или система адсорбции при переменном давлении (PSA), в качестве менее дорогостоящей и более надежной альтернативы традиционным системам на основе криогенного азота. Описан пример, в котором для типичной буровой операции требуется от 90 до 180 тыс. станд. куб. футов/час азота с содержанием кислорода не более 5-8%, причем газ подают через подпорный компрессор под давлением от 1500 до 2000 фунтов/кв. дюйм изб. Средняя заявляемая продолжительность сервисной подачи составляет от 5 дней до 2 недель. Однако Michael не описывает возможности производительности мембранной системы или системы PSA и не обсуждает ни их масштабирование в соответствии с требованиями обслуживающего технологического процесса, ни использование их оборудования. Более того, Michael не предусматривает двойное использование генератора N₂ с традиционной мобильной системой подачи азота на основе криогенного N₂ (т.е. заполняемой системой подачи жидкого N2).

На сайте AGL On-site solutions https://aglonsite.com/products/gas-products/nitrogen-generation/portable-nitrogen-generators/ описана мобильная азотная система PSA, которая способна обеспечивать подачу газообразного N₂ при расходе до 90 тыс. станд. куб. футов/час и при степенях чистоты до 99,99995%, легко приспосабливаемая для применения в удаленных или стационарных приложениях. Однако в этом описании не предусмотрено двойное использование мобильной азотной установки PSA с традиционной мобильной системой подачи азота на основе криогенного N₂.

Специалистам в области стационарных или полустационарных систем подачи N₂ хорошо известна установка локальной системы генерации N₂, размеры которой соответствуют требованиям к потребляемому заказчиком количеству N₂. Как правило, дополнительно устанавливают также емкость для хранения жидкого N₂ и систему испарения для подачи дополнительного N₂ в моменты пикового потребления и для резервирования системы подачи N₂ на случай отказа системы генерации азота. Локальная система генерации может представлять собой мембранную установку, установку PSA, криогенную или иную установку для получения N₂. В патентной публикации Японии № 7183040A описана подобная азотная система PSA и система подачи жидкого N₂ для электрогенерирующей системы на основе топливных элементов. В патентной публикации Китая № 103539084A также описана азотная система PSA и система подачи жидкого N₂ для питания вулканизационного аппарата. В патенте Великобритании № 2274407B (автор изобретения - Dennis) описана другая подобная система, в которой отходящий от системы подачи жидкого N₂ холод используют для охлаждения и тем самым повышения плотности поступающего воздуха перед его сжатием в системе PSA. Это повышает производительность при генерации N₂ и снижает количество жидкого азота N₂, необходимого для удовлетворения потребностей заказчика.

Хотя мобильные азотные установки PSA имеют преимущество в производительности по сравнению с мембранными аналогами частично за счет более высокого коэффициента извлечения N₂, особенно при высоких степенях чистоты, тем не менее они не в состоянии обеспечивать потребности по производительности для многих обслуживающих технологических процессов. Более того, они не могут обеспечивать подачу горячего, холодного, сильно сжатого азота или азота высокой степени чистоты без дополнительной обработки/подготовки продукта (т.е. нагревания, охлаждения, сжатия или очистки).

Ни в одном из этих решений из предшествующего уровня техники не предусмотрено создание мобильных версий генератора PSA и заполняемой системы подачи жидкого N₂ для временной подачи N₂ для различных обслуживающих технологических процессов.

Таким образом, для преодоления недостатков предшествующего уровня техники целью настоящего изобретения является создание мобильной системы подачи азота, имеющей мобильный генератор PSA, для обеспечения базового объема азота для различных промышленных обслуживающих технологических процессов.

Другой целью настоящего изобретения является создание мобильных версий генератора PSA и системы подачи жидкого N₂, для временной подачи N₂ для различных обслуживающих технологических процессов.

Другие цели и аспекты настоящего изобретения будут очевидны специалисту в данной области при ознакомлении с прилагаемыми описанием, чертежами и формулой изобретения.

Изложение сущности изобретения

Изобретение относится к мобильным системам генерации азота для различных временных промышленных обслуживающих технологических процессов, таких как, например, сушка технологической установки, продувка трубопроводов, охлаждение реакторов, создание инертной атмосферы в сосудах и вытеснение из трубопроводов.

В одном аспекте изобретения предложена интегрированная система для подачи азота для различных временных промышленных обслуживающих технологических процессов, включающая в себя:

по меньшей мере одну мобильную установку адсорбции при переменном давлении для обеспечения базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, для требующего азота обслуживающего технологического процесса;

по меньшей мере одну мобильную заполняемую жидким N₂ систему для обеспечения дополнительного азота, имеющего вторые технические характеристики, для требующего азота обслуживающего технологического процесса, причем объединенные базовый объем и дополнительный азот обеспечивают поток продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям промышленного обслуживающего технологического процесса.

В другом аспекте изобретения предложен интегрированный способ подачи азота для различных временных промышленных обслуживающих технологических процессов. Способ включает:

обеспечение сжатого входного потока для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока;

обеспечение дополнительного азота через заполняемую жидким N₂ систему, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям промышленного обслуживающего технологического процесса.

В еще одном аспекте изобретения предложен интегрированный способ подачи азота для временного обслуживающего технологического процесса по охлаждению. Способ включает:

обеспечение сжатого входного потока воздуха для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока, причем указанный базовый объем потребляемой азотной текучей среды имеет температуру выше, чем требуется для технологического процесса по охлаждению;

обеспечение дополнительного азота через заполняемую жидким N₂ систему, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками и в которой дополнительный азот имеет температуру ниже, чем требуется для технологического процесса по охлаждению, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям обслуживающего технологического процесса по охлаждению.

В дополнительном варианте осуществления предложен интегрированный способ подачи азота для временного промышленного обслуживающего технологического процесса. Способ включает:

обеспечение сжатого входного потока воздуха для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока, причем указанный базовый объем потребляемой азотной текучей среды имеет степень чистоты ниже степени чистоты обслуживающих технологических процессов;

обеспечение дополнительного азота через заполняемую жидким N₂ систему, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками и в которой дополнительный азот имеет степень чистоты выше, чем требуется для обслуживающего технологического процесса, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям обслуживающего технологического процесса.

Краткое описание графических материалов

Описанные выше и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из представленного ниже чертежа:

на фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация системы подачи азота настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

В настоящем изобретении предложена мобильная система подачи азота для обслуживания ряда промышленных технологических процессов, все из которых имеют временный характер с продолжительностью от нескольких дней до нескольких недель и имеют разные требования к техническим характеристикам газа. Типичные обслуживающие технологические процессы и требования к азоту, для которых применима система настоящего изобретения, показаны в представленной ниже таблице 2.

Таблица 2. Типичные обслуживающие технологические процессы и требования к азоту

Обслуживающий технологический процесс Расход (тыс. станд. куб. футов/час) Давление (фунт/кв. дюйм изб.) Темп. (°F) Степень чистоты (об.%) Продолжительность (дни) Сушка технологической установки 50-1000 100 < 150 90-99,5 15-45 Сушка/продувка транспортного трубопровода 50-100 50 Температура окружающей среды 95-99 5-15 Создание инертной среды для замены катализатора 20-60 100 < 100 99-99,5 3-21 Ускоренное
охлаждение технологического реактора 40-400 300 -320-320 99-99,5 1-5 Охлаждение/
продувка емкости
для хранения 40-140 > 50 -250-50 95-99,5 3-10 Нагрев и отпарка 40-250 150 > 150 95-99,5 3-10 Охлаждение прямоточного реактора 25-400 150 50-250 95-99,5 1-10 Вытеснение из транспортного трубопровода 25-400 50-500 Температура окружающей среды 90-99 1-3 Проверка целевых параметров трубопровода 25-200 100 Температура окружающей среды 90-95 1-3 Создание инертной среды в шахте > 100 100 Температура окружающей среды 95-99,5 10-50

Ниже приведено краткое описание этих технологических процессов: (i) сушка технологической установки необходима для заводов и установок, которые чувствительны к наличию влаги в процессе работы, например, удаление влаги необходимо перед запуском в эксплуатацию заводов по переработке сжиженного природного газа (СПГ), чтобы не допустить намерзания влаги в трубопроводах и оборудовании; (ii) сушка/продувка транспортного трубопровода требуется для трубопроводов природного газа и т.п. для удаления кислорода и влаги, которые могут привести к проблемам со степенью чистоты, воспламенением и коррозией при напуске природного газа в трубопровод. Кроме того, продувка необходима для удаления природного газа перед выводом трубопроводов из эксплуатации; (iii) создание инертной среды для замены катализатора необходимо в реакторах, где замену пирофорных или высокореакционных катализаторов производят вручную. Для возможности выполнения таких операций требуемая концентрация кислорода по существу должна составлять менее 5%; (iv) ускоренное охлаждение технологического реактора необходимо перед заменой катализатора или техническим обслуживанием реактора, когда желательно более быстро охладить реактор от рабочей или повышенной температуры до температуры, при которой можно безопасно провести выполнение работ. По существу для удаления тепла в рециркулируемый газовый поток добавляют холодный или криогенный азот; (v) охлаждение и продувка емкости для хранения необходимы для понижения температуры емкостей для хранения, например емкостей для хранения СПГ, перед их заполнением продуктом. Это удаляет загрязнения и снижает тепловой удар и выкипание/вскипание в процессе заполнения продуктом; (vi) нагрев и отпарку применяют для установок, емкостей для хранения и трубопроводов, содержащих жидкие загрязнители, которые необходимо испарить для удаления. Они также могут быть использованы для ускорения сушки технологической установки; (vii) охлаждение прямоточного реактора применяют для реакторов и сосудов, не имеющих рециркуляционного потока, поэтому газообразный азот для снятия тепла пропускают за один прием; (viii) вытеснение из транспортного трубопровода по существу применяют для удаления жидкостей из трубопровода перед техническим обслуживанием или сменой типа работы. Для герметичного разделения газообразного азота и вытесняемой жидкости может быть использован поршень; (ix) термин «проверка целевых параметров трубопровода» по существу используют для описания процесса выдувания мелких частиц или твердых остатков из трубопровода, который будет запитывать критическое или чувствительное оборудование, которое может быть повреждено, например газовую турбину; (x) создание инертной среды в шахте необходимо для тушения или недопущения пожаров и взрывов в шахтах, когда кислород вытесняют, чтобы не допустить процессов горения. Хотя приведенный список обслуживающих технологических процессов и не является исчерпывающим, в нем представлены некоторые из наиболее часто встречающихся операций в азотно-сервисной промышленности.

Требуемый в сервисном промышленном секторе азот зависит от технологических процессов, что видно из таблицы 2. Потребности заказчика могут составлять от приблизительно 20 тыс. станд. куб. футов/час до 1000 тыс. станд. куб. футов/час при степени чистоты азота от приблизительно 90% до 99,9%. Требуемые давление и температура, а также требуемая продолжительность подачи азота также могут различаться. Азотная установка PSA обеспечивает недорогой способ генерации газообразного азота, но во многих случаях не обладает возможностями, позволяющими удовлетворить всем техническим требованиям, предъявляемым в технологических процессах заказчика. Комбинация подачи N₂ через азотную установку PSA и через заполняемую жидким N₂ систему позволяет увеличивать скорость подачи, увеличивать степень чистоты подаваемого газа и корректировать температуру подаваемого газа, сохраняя при этом невысокую стоимость подачи N₂. Температуру подаваемого газа можно дополнительно корректировать добавлением портативного нагревателя к продукту азотной установки PSA. Дополнительно давление газа, подаваемого через азотную установку PSA, можно увеличить добавлением портативного компрессора к продукту, чтобы привести его в соответствие с требованиями обслуживающих технологических процессов. Таким образом, решение изобретения обеспечивает возможность регулировать и варьировать в требуемых пределах расход, степень чистоты, температуру и давление азота для приведения его в соответствие с сервисными требованиями заказчика в рамках единой интегрированной системы. В случае отказа по меньшей мере одной азотной системы PSA заполняемая система подачи жидкого N₂ (LIN) может полностью обеспечивать потребности заказчика и тем самым гарантирует надежность подачи азота. Кроме того, все компоненты в системе подачи являются мобильными, например установлены на прицепы, передвижные полозья или моторизованные транспортные средства. Поэтому оказывается возможным быстро перемещать все требуемое оборудование на площадку заказчика с учетом конкретных потребностей каждого заказчика.

В качестве объяснения и как показано на фиг. 1, предложена интегрированная система сервисной подачи азота с по меньшей мере одной мобильной азотной установкой PSA в сочетании с по меньшей мере одной заполняемой жидким N₂ устанавливаемой на прицеп насосной установкой (TMPU) или устанавливаемой на прицеп испарительной установкой (TMVU).

Наиболее распространенными способами подачи азота для удовлетворения потребности обслуживающих технологических процессов является использование заполняемых жидким N₂ источников, таких как упомянутые выше установки TMPU и TMVU. TMVU содержит криогенный сосуд для хранения, содержащий криогенный продукт в жидкой форме, который можно затем подавать при заданной температуре/фазовом состоянии и давлении в пределах рабочих границ. Если требуемые температура или давление выше точки кипения жидкости (77°K при 0 фунтов/кв. дюйм изб. и 117°K при 300 фунтов/кв. дюйм изб. для жидкого N₂), то используют бортовые криогенные испарители для подведения тепла или преобразования продукта из жидкости в газ для поднятия давления. Поток продукта, направленный в испарители, контролирует давление и температуру продукта для удовлетворения/превосхождения требований заказчика. TMPU (устанавливаемая на прицеп насосная установка) также содержит продукт в жидком состоянии. Однако в данном случае бортовой дизельный двигатель приводит в действие насос положительного вытеснения для поднятия давления через редуктор. Насос подает продукт заказчику с требуемым расходом и температурой/фазовым состоянием. Если требуемым фазовым состоянием является газ, то используют активный испаритель для испарения потока продукта и его подогрева до требуемой температуры. В разных моделях применяют разные способы испарения, но по существу источником тепла для испарения продукта служит сжигание дизельного топлива. Диапазон технических характеристик, обеспечиваемых такими источниками, представлен в приведенной выше таблице 1.

Возвращаясь к фиг. 1, по меньшей мере один мобильный воздушный компрессор (100) сжимает входной поток (101) атмосферного воздуха до приблизительно 150 фунтов/кв. дюйм изб. с получением входного потока (102) сжатого воздуха. При сжатии и охлаждении воздуха влага частично конденсируется, отделяется и сливается (не показано). Поток (102) поступает в мобильную азотную установку (110) PSA и образует поток (111) продукта азотной установки PSA и обогащенный кислородом отходящий поток (112). Установка PSA (адсорбции при переменном давлении) выделяет требуемый газ из смеси газов при повышенном давлении, используя принцип адсорбции. Для этого процесса критическое значение имеют молекулярные характеристики выделяемого типа газа и его сродство с материалом адсорбента. В азотной установке PSA поток подаваемого воздуха течет снизу вверх через слой адсорбента из молекулярного сита, как правило на основе углерода, расположенный в вертикальном сосуде, позволяющем кислороду и другим примесям адсорбироваться до тех пор, пока объем слоя адсорбента не достигнет насыщения. Градиент концентрации со временем смещается вдоль адсорбирующего слоя. При достижении градиентом концентрации верха сосуда производят сброс давления и регенерацию сосуда. При этом параллельный слой переводят в рабочий режим адсорбции. Каждый отдельный сосуд работает в порционном режиме. Однако за счет синхронизации работы множества слоев адсорбента и их функционирования в цикле непрерывного переключения поддерживается непрерывный поток газообразного продуктового азота. Пока один слой находится в режиме адсорбции, другой находится в режиме регенерации. Oxymat - глобальный поставщик азотных генераторов PSA, подходящих для данного технологического процесса, и на сайте компании https://www.oxymat.com/products/psa-nitrogen-generators/oxymat-x-series-frame-built-solutions описана серия X рамных решений, которые включают в себя: буферные сосуды, фильтры, развитые системы управления, точки росы, давление, температуру, расход, степени чистоты и дистанционный контроль. Например, система X5 включает пять пар установок PSA с двумя слоями адсорбента, работающих параллельно для выработки вплоть до 5558 ст. м3/час (~ 200 тыс. станд. куб. футов/час) газообразного N₂ при степени чистоты 95% и давлении 8 бар изб. (116 фунтов/кв. дюйм изб.), с возможностью генерировать газ со степенью чистоты до 99,9999%, хотя и при меньшей производительности. Использование системы с 2 слоями адсорбента также позволяет обеспечивать выравнивание давления, когда газ, выпускаемый из сосуда со сбрасываемым давлением, используют для частичного повышения давления во втором сосуде. Это приводит к значительной экономии энергии. Работа системы PSA может быть настроена для подачи азота различной степени чистоты. Получаемая степень чистоты обратно пропорциональна достижимому расходу газа. Предпочтительной является конструкция установки PSA, в которой размер установки PSA соответствует максимальной производительности и подходит для размещения на прицепе с учетом дорожных ограничений по весу и размеру, и поэтому компрессор питающего воздуха размещают на отдельном передвижном прицепе или полозьях. Рабочие характеристики одной такой конструкции приведены в представленной ниже таблице 3. В зависимости от требований обслуживающего технологического процесса, поддерживаемого данной системой, оно позволяет использовать компрессор, охладитель, нагреватель и очиститель продукта в любых сочетаниях. Это позволяет системе покрывать более широкий диапазон требований к давлению и температуре продукта.

Таблица 3. Пример возможностей мобильной азотной установки PSA

Степень чистоты (об.%) Производительность (тыс. станд. куб. футов/час) Потребление воздуха (тыс. станд. куб. футов/час) Коэффициент извлечения (%) 99,5% 73 240 31% 99% 100 300 35% 95% 135 300 47%

Давление подачи = 120 фунтов/кв. дюйм изб., температура подачи = температура окружающей среды плюс около 20°F

Возвращаясь к фиг. 1, поток (112) включает в себя кислород, аргон, неизвлеченный N₂ и атмосферные загрязнители, такие как влага и диоксид углерода (CO₂). Поток (111) содержит в основном азот, аргон и небольшое количество кислорода при минимальных количествах атмосферных примесей, таких как влага и CO2. Как указывалось ранее, установку PSA можно эксплуатировать для получения N2 со степенью чистоты в диапазоне от около 95% до 99,5% и более. Следует отметить, что остаточный аргон, будучи инертным газом, учитывается как азот, в соответствии с общепринятой в отрасли практикой. Точка росы вырабатываемого продуктового азота номинально составляет -70°F. Поток (111) может быть дополнительно сжат в подпорном компрессоре продукта, нагрет, например, в «перегревателе», охлажден в охладителе или дополнительно очищен в очистителе с получением потока (121) обработанного продукта азотной установки PSA, имеющего первые технические характеристики/состав (показано как «тех. хар. 1»). Группа перечисленных выше установок называется мобильной системой (120) обработки продукта и является необязательной.

Параллельно жидкий N2 (201) подают из устройства/сосуда для транспортировки жидкого N2 (LN2) (200) в TMPU или TMVU (210). Устройства для транспортировки жидкого N2 после опустошения переключают на полные транспортные сосуды, а затем их доставляют на установку подачи жидкого N2 для повторного заполнения. TMPU или TMVU повышает давление жидкого N2 и может также нагревать жидкий N2 для его испарения и нагревания. TMPU/TMVU генерирует поток (211), имеющий вторые технические характеристики/состав (показано как «тех. хар. 2»), который добавляют к потоку (121) с образованием смешанного потока (301) продуктового азота, имеющего третьи технические характеристики/состав (показано как «тех. хар. 3»). Этот поток продукта может иметь такие же или иные технические характеристики/состав, в зависимости от состава потоков (121) и (211). Точка объединения потоков (121) и (211) может представлять собой простой T- или Y-образный тройник или коллектор и при необходимости может включать в себя статический смеситель для улучшения перемешивания двух потоков с образованием однородно перемешанного потока (301) продуктового азота. Хотя это не показано, обычно используют обратные клапаны для предотвращения обратного потока газообразного N2 в любой из входных потоков, а также отсечные клапаны. Также при необходимости в потоки (121), (211) и (301) могут быть установлены расходомеры, измерители давления, термопары и анализаторы степени чистоты для количественного определения и контроля соответствия технических характеристик/состава этих потоков требуемым. Поток (301) подают заказчику для конкретного технологического процесса (300), использующего N2, так чтобы сочетание потоков (121) и (211) удовлетворяло/превосходило по техническим характеристикам/составу требования заказчика. Как описано и показано на фиг. 1, все компоненты сервисной системы подачи N₂ мобильны или выполнены с возможностью транспортировки на различные площадки заказчика. Установка PSA обеспечит базовый объем N₂, а дополнительный азот будет подаваться заполняемой жидким N₂ TMPU/TMVU. Требования заказчика по давлению будут независимо удовлетворять как мобильная азотная установка PSA с необязательным компрессором продукта, так и заполняемая система подачи жидкого N₂. Технические характеристики по температуре и степени чистоты потока (301) равны средневзвешенным для потоков (121) и (211).

В одном примере осуществления по меньшей мере одна мобильная азотная установка (110) PSA обеспечивает базовый объем N₂ для сервисной промышленности в паре с по меньшей мере одной заполняемой жидким N₂ TMPU или TMVU (210) для подачи потока (211) дополнительного N₂ для сервисной промышленности (300). По меньшей мере одна мобильная установка PSA обеспечивает недорогой N₂, а по меньшей мере одна TMPU или TMVU (210) восполняет любой недостаток в подаче потребляемого азота, хотя и при более высокой удельной стоимости для дополнительного N₂. Средняя стоимость всего подаваемого в обслуживающий технологический процесс N₂ все еще оказывается меньшей, чем для полного источника жидкого азота (200), и меньшей, чем для источника на основе только установки (110) PSA, когда по меньшей мере один из блоков установки PSA существенно недоиспользуют. В этом варианте осуществления как по меньшей мере одна установка (110) PSA, так и по меньшей мере один заполняемый жидким N₂ источник (200/210) каждый подают N₂ с требуемыми обслуживающим технологическим процессом давлением, температурой и степенью чистоты, при этом продукты с обоих потоков объединяются для получения требуемой производительности.

В другом примере осуществления одна или более из по меньшей мере одной установки (110) PSA могут функционировать при более низкой степени чистоты, чем требуется для обслуживающего технологического процесса, чтобы повысить производительность установки PSA. В этом случае дополнительный N₂ из указанного по меньшей мере одного заполняемого жидким N₂ источника (200/210) при добавлении доводит объединенный подаваемый поток до требуемых технических характеристик по степени чистоты.

В другом варианте осуществления одна или более из по меньшей мере одной из установок (110) PSA вырабатывает N₂ при температуре более высокой, чем требуется для обслуживающего технологического процесса. Дополнительный N₂ из по меньшей мере одного заполняемого жидким N₂ источника (200/210) подают при температуре более низкой, чем требуется для обслуживающего технологического процесса, таким образом, при объединении двух источников в один поток (301) полученный поток удовлетворяет техническим характеристикам по расходу и температуре для конкретного обслуживающего технологического процесса.

В другом примере осуществления одна или более из по меньшей мере одной из установок (110) PSA вырабатывает N₂ при температуре более низкой, чем требуется для обслуживающего технологического процесса. Дополнительный N₂ из указанного по меньшей мере одного заполняемого жидким N₂ источника (200/210) подают при температуре более высокой, чем требуется для обслуживающего технологического процесса, таким образом, при объединении двух источников в один поток (301) последний удовлетворяет техническим характеристикам по расходу и температуре для обслуживающего технологического процесса.

В другом варианте осуществления после каждой из по меньшей мере одной из установок (110) PSA установлен по меньшей мере один мобильный модуль (120) обработки/подготовки продукта для поднятия давления (подпорный компрессор), поднятия температуры («перегреватель»/мобильный нагреватель), снижения температуры (охладитель) или повышения степени чистоты (деоксо-очиститель). В этом варианте осуществления как по меньшей мере одна установка (110) PSA с по меньшей мере одним модулем подготовки продукта (120), так и по меньшей мере один заполняемый жидким N₂ источник (200/210) каждый подают N₂ с требуемыми для обслуживающего технологического процесса давлением, температурой и степенью чистоты, при этом продукты с обоих потоков объединяются для получения суммарной производительности.

Изобретение дополнительно разъясняется следующими примерами, которые не следует рассматривать как ограничивающие настоящее изобретение.

Пример 1

Для сушки технологической установки требуется 200 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при 100 фунтов/кв. дюйм изб., 100°F и степени чистоты 95% в течение 15 дней. Выбранное решение состоит в обеспечении одной мобильной азотной установки PSA, подающей N₂ с расходом 135 тыс. станд. куб. футов/час при 100 фунтов/кв. дюйм изб., 100°F и степени чистоты 95%, плюс одной заполняемой жидким N₂ TMPU или TMVU, обеспечивающей подачу газообразного N₂ с расходом 65 тыс. станд. куб. футов/час при 100 фунтов/кв. дюйм изб., 100°F и степени чистоты приблизительно 99,999%. В этом случае обе подсистемы подают газообразный N₂ приблизительно при требуемых давлении и температуре. Объединенный расход составляет 200 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при степени чистоты приблизительно 96,6%, что, таким образом, удовлетворяет требованиям по расходу, давлению и температуре и превосходит требование по степени чистоты для технологического процесса. За период 15 дней технологический процесс по сушке потребляет 72 млн станд. куб. футов газообразного N₂, из которых 49 млн станд. куб. футов обеспечивает установка PSA и 23 млн станд. куб. футов получают из жидкого N₂. Таким образом, технологический процесс требует доставки 46 транспортных сосудов для транспортировки жидкого N₂ за 15 дней, по сравнению с 144 транспортными сосудами при питании технологического процесса только за счет жидкого N₂ без использования азотной установки PSA.

В том же примере сушки, если бы требуемую степень чистоты N₂ для технологического процесса нужно было поднять с 95% до приблизительно 99,5%, одним из возможных решений было бы использовать установку PSA при степени чистоты 99%, что приведет к снижению извлечения N₂ и падению производительности установки PSA до 100 тыс. станд. куб. футов/час по сравнению с работой установки PSA при степени чистоты 95%, позволяющей получить 135 тыс. станд. куб. футов/час, как в приведенном выше примере. 100 тыс. станд. куб. футов/час дополнительного N₂ подают из источника жидкого азота при степени чистоты 99,999%. Объединенный расход N₂ составляет 200 тыс. станд. куб. футов/час при степени чистоты приблизительно 99,5%, что, таким образом, удовлетворяет требованиям по расходу, давлению, температуре и степени чистоты для данного технологического процесса. За период 15 дней технологический процесс по сушке потребляет 72 млн станд. куб. футов газообразного N₂, при этом как установка PSA, так и источник жидкого N₂ оба подают по 36 млн станд. куб. футов газа. Технологический процесс требует доставки 72 транспортных сосудов с жидким N₂ за 15 дней, по сравнению с 144 транспортными сосудами при питании технологического процесса только за счет жидкого N₂ без использования азотной установки PSA. Другой возможностью было бы использование только автономных установок PSA. Однако для удовлетворения требований по расходу и степени чистоты потребовалось бы 3 такие установки PSA, подающие по 67 тыс. станд. куб. футов/час при степени чистоты 99,5% каждая. Поэтому, с одной стороны, предложенное решение с установкой одной PSA устраняет потребность в 72 транспортных сосудах с жидким азотом, с другой стороны, использование дополнительного жидкого N₂ устраняет необходимость в двух мобильных установках PSA.

Пример 2

Для нагрева сосуда требуется 200 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при 150 фунтов/кв. дюйм изб., 250°F и степени чистоты 95% в течение 5 дней. Выбранное решение состоит в обеспечении одной мобильной азотной установки PSA, обеспечивающей подачу N₂ с расходом 135 тыс. станд. куб. футов/час при 100°F и степени чистоты 95%, с подпорным компрессором для поднятия давления до по меньшей мере 150 фунтов/кв. дюйм изб., плюс одной TMPU, обеспечивающей подачу 65 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при 150 фунтов/кв. дюйм изб., и приблизительно 562°F и степени чистоты 99,999%. Объединенный расход составляет 200 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при степени чистоты приблизительно 96,6%, давлении 150 фунтов/кв. дюйм изб. и температуре 400°F, что удовлетворяет требованиям по расходу, давлению и температуре и превосходит требование по степени чистоты для технологического процесса по нагреву. В этом случае все требуемое тепло обеспечивает TMPU, подачи дополнительного тепла к продукту установки PSA не требуется. За период 5 дней технологический процесс потребляет 24 млн станд. куб. футов газообразного N₂, из которых 16,2 млн станд. куб. футов обеспечивает установка PSA и 7,8 млн станд. куб. футов получают из жидкого N₂. Технологический процесс требует доставки 16 транспортных сосудов с жидким N₂ за 5 дней, по сравнению с 48 транспортными сосудами при питании технологического процесса только за счет жидкого N₂ без использования азотной установки PSA.

Пример 3

Для охлаждения реактора однократной продувкой требуется 150 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при 150 фунтов/кв. дюйм изб., 50°F и степени чистоты 99% в течение 1 дня. Выбранное решение состоит в обеспечении одной мобильной азотной установки PSA, обеспечивающей подачу N₂ с расходом 100 тыс. станд. куб. футов/час при 100°F и степени чистоты 99%, с подпорным компрессором для поднятия давления до по меньшей мере 150 фунтов/кв. дюйм изб., плюс одной TMVU, обеспечивающей подачу 50 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при 150 фунтов/кв. дюйм изб., и приблизительно -50°F и степени чистоты приблизительно 99,999%. Объединенный расход составляет 150 тыс. станд. куб. футов/час N₂ при степени чистоты приблизительно 99,3%, давлении 150 фунтов/кв. дюйм изб. и температуре 50°F, что удовлетворяет требованиям по расходу, давлению и температуре и превосходит требование по степени чистоты. В этом случае все требуемое охлаждение обеспечивает заполняемая жидким N₂ TMVU, дополнительного охлаждения продукта установки PSA не требуется. За период 1 день технологический процесс потребляет 3,6 млн станд. куб. футов газообразного N₂, из которых 2,4 млн станд. куб. футов обеспечивает установка PSA и 1,2 млн станд. куб. футов получают из жидкого N₂. Технологический процесс требует доставки 3 транспортных сосудов с жидким N₂ за 1 день по сравнению с 8 транспортными сосудами при питании технологического процесса только за счет жидкого N₂ без использования азотной установки PSA.

Таким образом, показано, что мобильную систему PSA подачи N₂ и мобильную заполняемую систему подачи жидкого N₂ можно использовать совместно для удовлетворения требований по расходу, давлению, температуре и степени чистоты различных обслуживающих технологических процессов с подачей N₂, при этом уменьшая количество азота, которое необходимо получать из источника жидкого азота с привлечением транспорта. Давление N₂ из установки PSA при необходимости можно повышать, используя подпорный компрессор. Дополнительно можно получать температуру подаваемого N₂ выше или ниже, чем температура N₂ из азотной установки PSA, за счет интеграции с заполняемой системой подачи жидкого N₂. Кроме того, от интегрированной системы можно получить N₂ более высокой степени чистоты, чем может эффективно обеспечить только установка PSA в отдельности.

Хотя были представлены и описаны различные варианты осуществления, настоящее описание не ограничивается ими и, как предполагается, включает все такие модификации и варианты, как должно быть очевидно специалисту в данной области.

Изобретение относится к новой интегрированной системе для подачи азота для различных промышленных обслуживающих технологических процессов, таких как, например, сушка технологической установки, продувка трубопроводов, охлаждение реакторов, создание инертной атмосферы в сосудах, вытеснение из трубопроводов. Интегрированная система для подачи азота для временного промышленного обслуживающего технологического процесса содержит по меньшей мере одну мобильную установку адсорбции при переменном давлении для обеспечения базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, для требующего азота обслуживающего технологического процесса; по меньшей мере один криогенный сосуд для хранения, содержащий криогенный продукт в жидкой форме, находящийся перед по меньшей мере одной заполняемой жидким N₂ устанавливаемой на прицеп насосной установкой или устанавливаемой на прицеп испарительной установкой для подачи в них жидкого азота для обеспечения дополнительного азота, имеющего вторые технические характеристики, для требующего азота обслуживающего технологического процесса, причем объединенные базовый объем и дополнительный азот обеспечивают поток продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям промышленного обслуживающего технологического процесса. Технический результат: создание мобильной системы подачи азота, имеющей мобильный генератор PSA, для обеспечения базового объема азота для различных промышленных обслуживающих технологических процессов, а также создание мобильных версий генератора PSA и системы подачи жидкого азота для временной подачи N₂ для различных обслуживающих технологических процессов. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Интегрированная система для подачи азота для временного промышленного обслуживающего технологического процесса, содержащая:

по меньшей мере одну мобильную установку адсорбции при переменном давлении для обеспечения базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, для требующего азота обслуживающего технологического процесса;

по меньшей мере один криогенный сосуд для хранения, содержащий криогенный продукт в жидкой форме, находящийся перед по меньшей мере одной заполняемой жидким N₂ устанавливаемой на прицеп насосной установкой или устанавливаемой на прицеп испарительной установкой для подачи в них жидкого азота для обеспечения дополнительного азота, имеющего вторые технические характеристики, для требующего азота обслуживающего технологического процесса, причем объединенные базовый объем и дополнительный азот обеспечивают поток продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям промышленного обслуживающего технологического процесса.

2. Интегрированная система по п. 1, дополнительно содержащая: по меньшей мере один мобильный воздушный компрессор, находящийся перед по меньшей мере одной установкой адсорбции при переменном давлении, для приема входного потока воздуха с образованием потока сжатого воздуха и подачи потока сжатого воздуха в по меньшей мере одну установку адсорбции при переменном давлении.

3. Интегрированная система по п. 1, дополнительно содержащая: мобильное устройство обработки продукта для приема потока продукта из по меньшей мере одной установки адсорбции при переменном давлении для корректировки давления, температуры или степени чистоты базового объема потребляемой азотной текучей среды.

4. Интегрированная система по п. 1, дополнительно содержащая ниже по потоку перемешивающее устройство для объединения базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, с дополнительным азотом, имеющим вторые технические характеристики, с образованием потока продукта с требуемыми техническими характеристиками азота, обусловленными обслуживающим технологическим процессом.

5. Интегрированный способ подачи азота для временного промышленного обслуживающего технологического процесса, включающий:

обеспечение сжатого входного потока воздуха для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока;

обеспечение дополнительного азота через по меньшей мере один криогенный сосуд для хранения, содержащий криогенный продукт в жидкой форме, находящийся перед по меньшей мере одной заполняемой жидким N₂ устанавливаемой на прицеп насосной установкой или устанавливаемой на прицеп испарительной установкой для подачи в них жидкого азота, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям промышленного обслуживающего технологического процесса.

6. Интегрированный способ по п. 5, в котором азотный продукт подается с расходом в диапазоне от около 20 до 1000 тыс. станд. куб. футов/час и степенью чистоты от приблизительно 90 до 99,9%.

7. Интегрированный способ по п. 5, в котором временный промышленный обслуживающий технологический процесс выбран из: сушки технологической установки, сушки/продувки транспортного трубопровода, замены катализаторов, охлаждения реакторов, охлаждения/продувки емкости для хранения, вытеснения из транспортного трубопровода, проверки целевых параметров трубопровода и создания инертной среды в шахтах.

8. Интегрированный способ по п. 5, в котором азотный продукт подают при давлении в диапазоне около 50-500 фунтов/кв. дюйм изб., температуре от -250 до 320°F и с продолжительностью 1-90 дней.

9. Интегрированный способ подачи азота для временного обслуживающего технологического процесса по нагреву, включающий:

обеспечение сжатого входного потока воздуха для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока, причем указанный базовый объем потребляемой азотной текучей среды имеет температуру более низкую, чем требуется для технологического процесса по нагреву;

обеспечение дополнительного азота через заполняемую жидким N₂ систему, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками и в которой дополнительный азот имеет температуру выше, чем требуется для технологического процесса по нагреву, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям обслуживающего технологического процесса по нагреву.

10. Интегрированный способ подачи азота для временного обслуживающего технологического процесса по охлаждению, включающий:

обеспечение сжатого входного потока воздуха для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока, причем указанный базовый объем потребляемой азотной текучей среды имеет температуру выше, чем требуется для технологического процесса по охлаждению;

обеспечение дополнительного азота через заполняемую жидким N₂ систему, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками и в которой дополнительный азот имеет температуру ниже, чем требуется для технологического процесса по охлаждению, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям обслуживающего технологического процесса по охлаждению.

11. Интегрированный способ подачи азота для временного промышленного обслуживающего технологического процесса, включающий:

обеспечение сжатого входного потока воздуха для по меньшей мере одной мобильной установки адсорбции при переменном давлении и отделение базового объема потребляемой азотной текучей среды, имеющей первые технические характеристики, от обогащенного кислородом отходящего потока, причем указанный базовый объем потребляемой азотной текучей среды имеет степень чистоты ниже, чем требуется для обслуживающего технологического процесса;

обеспечение дополнительного азота через заполняемую жидким N₂ систему, в которой дополнительный азот подают со вторыми техническими характеристиками и в которой дополнительный азот имеет степень чистоты выше, чем требуется для обслуживающего технологического процесса, и объединение дополнительного азота с базовым объемом потребляемой азотной текучей среды с получением потока продуктового азота с заданными расходом, температурой, давлением и степенью чистоты согласно требованиям обслуживающего технологического процесса.