Способ разделения воздуха Советский патент 1980 года по МПК F25J3/04 

Изобретение относится к криогенной техшпсе, а именно к разделению воздуха методом низкотемпературной ректификаци И может быть использовано при крупнотоннажном производстве т азообрааного ки спорода ипи обогащеннотхэ кислородом воз духа для нужд металлургической или химической промышленности в тех сиучаях, когда продукт необходимо подавать потре бителю под давлением до 3 ата. .Известны способы получения сжатого кислорода или обогащенного кислородом воздуха с использованием, как правило, либо компримирования газообразного продукта, поступающего из воздухоразделительной установки под давлением, близким k атмосферному, либо нагнетанием с помощью насоса и последующей газификацией жидкого кислорода или обогащенной кислородом жидкости непосредственно в воздухораздёлительной установке . Недостатком известных способов является необходимость использования специального машинного оборудования - к слородных компрессоров или насосов жидкого кислорода. Наиболее б}1изким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации, включающий сжатие воздуха, предварительное его разделение с выделением газообразной азотной фракции, окончательное разделение с получением жидкой кислородной фракции, гидростатическое сжатие и испарение этой фракции, а также детандерное расширение перерабатываемого воздуха с получением энергии 2. Однако способ характеризуется недостаточной энергетической эффективностью, так как для обеспечения теплообмена между воздухом и кипящей под повышенным давлением кислородной фракцией давление начального сжатия всего перерабатываемого воздуха приходится з станавливать выше в колонне предварительного разделения. Кроме того, эффоктивность процесса разделения в целом п том случае снижается из-за того,что часть пере-рабатываемотмэ воздуха кондегюируетса за счет испарения продукта, вспедстрие тего ухудшается питание ректификационных колонн флегмой. Цепь изобретения - снижение энергозатрат. Поставленная цепь достигается тем,что испарение гидростатически сжатой кислородной фракции осуществляют путем теп-пообмена с азотной фракцией, которую непбсредственно после выделения сжимают до давления, превышающего давление Сжатин воздуха на кгс/см-, а также тем что для сжатия азотной фракции используют энергию ее дётандерного ра:шйрения и тем, что детандерное расширение осуществляют на двух температурных уровнях с охлаждением потока газа, расширенного на верхнем температурном уровне, теп пообмена с потоком газа, направляемым дпа расширения на нижнем температурном уровне, а именно азотной фракцией. На чертеже приведена схема воздух %. раздепнтельной установки. Весь поток перерабатываемого воздуха (В),сжимается в основном компрессоре 1 до давления 6,0 кгс/см, йримерно равного давлению, необходимому дИя осуществления разделительного процесса. После сжатия поток воздуха; прн температуре ЗОО К поступает в эел 2 теплообмена и очистки, где охлаждается до 100 К и очищается от вымерзаюших примесей в процессе теплообмена с нагревающими до И98 К газообразными продуктами разделения - кислородом (К) и азотом (А). По ток воздуха вводится в нижйюю ректификацнонвую колонну 3{ колонну предварительного разделения), работающую при давлении 5,5 кгс/см2, близком к давлению сжатия воздуха в основном компрес, соре. Получаемые Ё этой колонне продукты - азотная флегма и кубовая жйдкостьдросо елируются в ректификационную колонну 4 (колонну окончательного разд еления), где поддерживается давленив 1,4 КГС/СМ2, близкое к атмосферному Конденсатор нижней колонны служит испарителем верхней колонны. Нижний про iiyKT колонны окончательного разделения жидкая кислородная фракция - под гидростатическим напором Ттн ( ЧО 8-- 0,9 (кгс lcN.1 где 7 - удельный вес ншдкости, h-nho- уровни яшдкости в аппаратах 4 и 6, подается отсюда в продукционный испаритель 6; В испарителе пад соответствующш 4 этому напору давлением :%-V(VV S -1,,5, (кгсICAA), где - давление в испарителе, Р -. давление в колонне 4, происходит испареше жидкости за счет теплообмена с потоком получаемого в нижней колонне дополнительно сжатого газообразного азота, который при этом охлаждается и конденсируется. Сконденсировавшийся в продукционном испарителе жидкий азот вводится в колонну предварительного разделения. Часть воздуха около 10%, поступающего в колонну предварительного разделения, после подогрева в узле теплообмена до 175 К расширяется от 5,6 ата до 1,3 ата в детандере 7 с отдачей внещнейработы, после чего вводится в колонну окончательного разделения. Испарившаяся йод повышенным давлением 2,3 ктхз/см в продукционном испарителе 6 кислородная фракция выводится из установки через узел теплообмена потребителям. Дополнительное сжатие с 5,5 до 8,2 кгс/см части газообразного азота, используемой для испарения жидкого кислорода или обогаценной кислородом жидкости, осуществляется .при низкой температуре (95 К). Детандерное расширение проводится на двух температурных уровнях 175 К и 120 К с подогревом от 95 К до 120 К в теплообменнике 8 газа,- поступающего при этой температуре и давлении 5,5 кгс/см и дополнительный низкотемпературный детандер 9, за счет теплообмена с охлаждающимся при этом со 125 К до 100 К. потоком газа, расширенного на верхнем температурном уровне в детандере 7. Часть, примерно половина, энергии дётандерного расширения может использоваться для привода дополнительного компрессора 10, в котором осуществляется дополнительное сжатие от 5,5 до 8,2 кгс/см части газоборазного азота (26% от количества перерабатываемого воздуха) один из двух детандеров (в пртсаденном примере - шзкотемпаратурный) по существу не производит холода, а служит Трубопроводом дополнительного компрес- . сора. Подобное построение хоподопроизводящёй системы оказывается возможным на крупных воздухоразделительных установках, вырабатывающих газоподобные продукты разделения, и имеющих такие вязкие холодопотери, для покрытия ко торых достаточно холодопроизводителЬгности одного (в данном случае - высокотемпературного) детандера. При этом для повышения энергетической эффективности установки нанижнем температурном -уровне (120 К) расширяется газ (азот) с температурой конденсаций ,79 К при давлении 1,35 ктх;/см Меньшей, чем темперетура конденсации газа (воздуха), расширяемого на верхнем температурном уровне 84 К при да1злении 164 кгс/см . Количеств9 азота, конденсируемого в продукционном испарителе определено из, энергетического баланса этого аппарата. Предельное давление сжатия продукционного кислорода ограничивается резервами холодобаланса установки. Для привода холодного азотного компрессора может быть использована только половина энергии детандерногорасширения,поэтомумаксималь ное давление сжатия азота в этом компрессоре равно 8,2 кгс/см . Температура конденсации при этом дайлений равна 100,4 К. При разности температур 1,8 К температура кипения кислорода не может превышать 98,6 К, что соответствует давлению кипения 2,3 ата.. Азот поступает для сжатия ё дополнительньгй компрессор с температурой, близкой к температуре конденсации при рабочем давлении нижней колонны 95 К, а вы ходит КЗ компрессора с температурой Но К. При расширении в низкотемпературном детандере азот охлаждается до 81 К. Ко. личество низкотемпературного детандерного потока равно 10% от количества перерабатываемого воздуха. , Использование предлагаемого способа разделения воздуха обеспечивает по срав-4 нению с известньтми способами более высокую энергетическую а4)фективность за счет уменьшения энёргозат.рат на сжатие воздуха, а также за счет более высокой эффективности разделения. Так например, 5 при получении технического кислорода по предлагаемому способу, суммарный -расход энергии уменьшается на 5-6% по сравнению с известными способами. Формула изобретения I. Способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации, включающий сжатие,воздуха, предв ительное 9. разделение с выделением газообразной азотной фракции, окончательное разде ««® « получением жидкой кислородной фракции, гидростатическое сжатие и испарение этой фракции, а Также детандерное расширение перерабатываемого воздуха, отл ичающ ийс я тем, что, с це- лью снижения Затрат энергии, испарение гидрос1гатйчес1ш .сжатой фракции осуществляют путем теплообмена с азотной фракцией, которую непосредственно после выделения сжимают до давления, превышающего давление сжатия вбздуха на 1 кгс/см 2. Способ по я. I, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что для сжатия азотной фракции используют энергию детандерного расширения. 3. Способ по пп. 1 и2,отличаю щ и и с я тем, что детандериое расширение осуществляют на двух температурных уровнях с охлаждением потока , расширенного на верхнем температурном уровне, путем теплообмена с потоком газа, направляемым для расширения на нижнем температурном уровне.. 4. Способ по п. 3, о т ,л и ч а ю w и и с я тем, что на нижнем темпераурном уровне расш1фяют азотную фракцию. ИсточнЬки информации. .принятые во внимание при :экспертизе. 1. Разделение воздуха методом глу.окЫ-о охпам дения, Машиностроение, ., 1964, т. I, с. 197-198. 2. Патент Англии N 1425450, л. F 4 Р, 1972.