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

1

Изобретение относится к низкотемпературному разделению газовых смесей, а именно к разделению воздуха методом низкотемпературной ректификации.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при производстве больших количеств газообразного кислорода, азота или обогащенного кислородом воздуха для нужд металлургической или химической промышленности в тех случаях, когда продукты разделения необходимо подавать потребителю под давлением около 0,3 МПа.

В известных способах крупнотоннажного производства продуктов разделения воздуха используют схему низкого давления, когда весь перерабатываемый воздух сжимается до давления, необходимого для осуществления разделительного процесса в аппарате двухкратной ректификации, а холодопотери покрываются путем детандерного рас- щирения части воздуха или какой-либо его фракций с получением энергии, т. е. за счет использования резервов процесса низкотемпературной ректификации. При этом для компенсации потерь холода через изоляцию и от разности температур между поступающим % установку воздухом и выходящими из нее газообразными продуктами разделения, требуется гораздо меньшее количество холода, чем может произвести детандер. Т. е. на детандер можно отводить большее количество воздуха или продуктов разделения. В этом случае часть продуктов разделения выводят из установки,, например, в виде жидкости I и 2.

Когда потребности в выводе продуктов разделения кет, установка работает с по10вышеиными энергозатратами, что является недостатком известных способов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректифика15ции, включающий низкотемпературное сжатие газообразных продуктов разделения и парлифтную циркуляцию обогащенной кислородом жидкости 3.

Этот способ включает детандерное рас20 щирение части перерабатываемого воздуха или какой-либо его фракции с получением энергии для обеспечения низкотемпературного сжатия продукционного кислорода с использованием части энергии детандерного расширения, являющейся избыточной по отношению к потребной холодопроизводителькости.

Известный способ также характеризуется недостаточной энергетической эффективностью, так как- тепло, подводимое в процессе низкотемпературного сжатия к продукционному кислороду, передается детандерному потоку, что в конечном счете приводит к росту потерь от необходимости в процессе ректификации и увеличению удельных энергозатрат установки.

Кроме того, в тех случаях, когда требуется осуществлять парлифтную циркуляцию жидкого кислорода или обогащенной кислородом жидкости для прокачки ее через, адсорбер углеводородов, в известном способе возникают дополнительные энергетические потери, связаииые с работой парлифта (из-за необходимости подвода тепла для геиерации транспортного пара).

Цель изобретения - сиижеиие удельных энергозатрат на производство продуктов разделения.

Поставлеииая цель достигается тем, что непосредствеиио после иизкотемпературиого сжатия газообразные продукты разделения охлаждают путем теплообмена с обогащенной кислородом жидкостью, а образующиеся при этом пары последией используют для ее парлифта.

Энергетическая эффективность разделительного процесса повышается за счет улучшения флегмовых соотношений в ректификациоииых колоиках, так как тепло, подводимое при иизкотемпературиом сжатии к продукциоииому кислороду в колонны не поступает, а также вследствие исключения необходимости подвода тепла извие к парогенератору парлифта, так как в качестве транспортного пара используются пары обогащенной кислородом жидкости, получаемые при ее теплообмене со сжатым кислородом.

Предлагаемое техническое решение отличается от известиого и- оргаиизацией холодильного процесса - детандериое расширение может осуществляться на двух температурных уровнях с охлаждением потока газа, расширенного на верхнем температурном уровне, в теплробмене с потоком газа, направляемым для расширения на нижнем температурном уровне, причем высокотемпературный детандерный поток после этого может дополнительно охлаждаться продуктами разделения до их сжатия при низкой температуре. Возможно также расширение иа нижнем температурном уровне газа с температурой конденсации, меньшей, чем температура конденсации газа, расширяемого на верхнем температурном уровне. Дополнительный эиергетический эффект, достигаемый при осуществлении детандериого расширения иа двух температурных уровиях, обеспечивается вследствие сиижеиия потерь от необходимости в процессе теплообмена между поступающим в воз.духораспределительную установку воздухом и выводимыми из нее продуктами разделения. Расширение на нижнем темпераj турном уровне газа с температурной конденсации меньшей, чем температура кондеисации газа, расширяемого на верхнем температурном уровне, позволяет максимально понизить температурный уровень работы низкотемпературного детандера и за счет

этого увеличить указанный эффект.

Сущность изобретения раскрывается на примере исполнения, иллюстрируемой схемой воздухораспределительной установки, приведеиной на чертеже;

J После сжатия до давления 0,6 МПа, необходимого для осуществления разделительного процесса, поток перерабатываемого воздуха (В) поступает в узел теплообмена и очистки I,-где охлаждается от ЗООК до 100К и очищается от вымерзающих примесей в процессе теплообмена с нагревающимися до 298К газообразными продуктами разделения - кислородом (К) и азотом (А). Поток воздуха затем вводится в колонну предварительного разделения 2, работающую при давлении 0,55 МПа, близком к давлению сжатия воздуха. Получаемые в этой колонне продукты - азотная флегма и кубовая жидкость дросселируются и колониу окончательного разделения 3, где поддерживается давление 0,14 МПа, близкое к атмосферному., Конденсатор 4 колонны 2 служит испарителем колониы 3. .

Часть иижнего продукта- колонны окончательного разделения - жидкого кислорода или обогащенной кислородом жидkoc5 ти выводится в испаритель парлифта 5, где частично () испаряется за счет теплообмена с потоком сАатого продукционного кислорода. Образующаяся при этом парожидкостиая смесь подиимается вследствие парлифтного эффекта в отделитель парлифта 6, размещениый на 10 м выше уровня жидкости в сборе колоииы 3. В отделителе происходит отделение паров, присоедииеиных затем к выходящему из верхней колониы потоку продукционного кислорода, от

S жидкости, которая под гидростатическим напоромуж (h,-hj) 1140-10:5 0,11 МПа, где УЖ 1140 кГ/м - удельный вес кислорода, (h(-hi) 10м разиость ге дезических отметок, возвращается отсюда через адсорбер углеводородов 7 в сборник колон иы 3. Охлажденный в испарителе парлифта до 98К газообразиый сжатый кислород нагревается затем в узле теплообмена и очистки 1 до 298К и выводится потребителю. Часть воздуха (10%), поступающего в

колонну предварительного разделения, после подогрева в узле теплообмена до 175К расширяется в высокотемпературном детандере 8 от 0;55 МПа до 0,14 МПа с отдачей внешней работы, после чего, пройдя через теплообменники 9 и 10, вводится в колонну 3. Детаядерное расширение производится на двух температурных уровнях 175Д и 120К с подогревом от 95К до 120К за счет, теплообмена с охлаждающимся при этом со I25K до 100К, потоком воздуха, расширенного на верхнем температурном уровне в детандере 8, в теплообменнике 9азота, поступающего при этой температуре и давлению 5,4 МПа в дополнительный низкотемпературный детандер II. Часть (примерно половина) энергии детандерного расширения может использоваться для привода холодного компрессора 12, в котором осуществляется сжатие продукционного кислорода от 0,14 МПа до 0,22 МПа - один из двух детандеров (в приведенном примере - низкотемпературный) по существу не производит холода, а служит турбоприводом холодного компрессора. Холодопроизводительности одного высокотемпературного детандера достаточно для покрытия всех холодопотерь установки. При этом для повыщения энергетической эффективности установкн расширенный высокотемпературный, детандерный поток дополнительно охлаждается в теплообменнике 10 от 100К до 93К за счет теплообмена с продукционным кислородом, подаваемым затем на сжатие в холодный компрессор. Дополнительный энергетический эффект достигается вследствие детандерного расширения на нижнем температурном уровне (120К) газа с меньшей температурной конденсации (азота) - 79К при давлении 0,135 МПа, чем teMnepaTypa конденсации газа, расширяемого в детандере, работающем на верхнем температурном уровне (воздуха), 84К при давлении 0,1.4 МПа. При расширении в низкотемпературном детандере азот охлаждается до 81 К. Количество низкотемпературного детандерного потока равно 10% от количества перерабатываемого воздуха. Использование изобретения обеспечивает по сравнению с существенными способами более высокую энергетическую эффективность за счет снижения потерь от необратимости в разделительном процессе. Так, например, при получении технического кислорода по предлагаемому способу удельный расход энергии уменьшается не менее, чем на 3-80/0. Формула изобретения Способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации, включающий низкотемпературное сжатие газообразных продуктов разделения и парлифтную циркуляцию обогащенной кислородом жидкости, отличающийся тем, что, с целью уменьшения удельных энергозатрат, после низкотемпературного сжатия газообразные продукты разделения охлаждают путем теплообмена с обогащенной кислородом жидкостью, а Образующиеся при этом пары последней используют для ее парлифта. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1.Патент Англии № 1425450, кл. F 4 Р, 1972. 2.Наринский Г. Б., Густов В. Ф. и др. Химическое и нефтяное машиностроение, 1975, № 9, с. 3-6. 3.Large Air Separation Units Plants, SME-publication, WAPID-8, 1974, p. 1-7 (прототип)

ь

.8 S

r--,--Tl

VWfл л в