Способ выпуска кислорода из воздухо-разделительной установки Советский патент 1980 года по МПК F25J3/04 F25J1/00 

1

Изобретение относится к технике разделения трудно конденсируемых газов, нанример воздуха, касается способа его разделения и может быть применено в воздухоразделительных установках для хранения больших количеств продуктов разделения воздуха в жидком виде и снабж.ения ими нотребителя, имеющего неравномерный по времени характер нотребления.

Известен способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации с получением кислорода в качестве продукта разделения, в котором снабжение кислородом нотребителя с неравномерным по времени потреблением производят за счет подачи жидкого продукта из сторонней емкости 1.

Известен способ разделения воздуха низкотемпературной ректификации с получением жидких продуктов разделения, например азота и кислорода, постепенного их накапливания, причем в период увеличения их потребления жидкий продукт испаряют и направляют потребителю 2.

Однако получение продуктов в жидком виде по меньшей мере в два раза превышает затраты энергии на получение продуктов в газообразном виде. Кроме того этот способ не обеспечивает компенсации при уменьшении потребления продуктов,

вырабатываемых воздухоразделительным агрегатом, и избыток его приходится выбрасывать в атмосферу. Наиболее близким по технической суш,5 ности является способ выпуска кислорода из воздухоразделительной установки в условиях неравномерного потребления, включающий охлаждение избытка кислорода, получающегося в период пониженного но10 требления, конденсацию и хранение занаса жидкости с последующим его испарени.ем в период повышенного потребления с использованием для конденсации и иенарения кислорода, соответственно, жидкого

15 или газообразного азота или воздуха 3.

Недостатками известного способа являются небольшие допустимые пределы изменения выдачи кислорода из воздухоразделительной установки. Это объясняется

20 отрицательным воздействием двух основных факторов.

Во-нервых, азот, сконденсированный при испарении аккумулированного жидкого кислорода, выводится из процесса ректификации, так как его затем испаряют и выводят из установки под давлением, близким к атмосферному. Следовательно, процесс ректификации ухудшается. Во-вторых, температура конденсации и хранения кис30 лорода в жидком виде соответствует давлению, близкому к атмосферному, а давление конденсации и хранения жидкого азота 0,5-0,6 МПа. В этих условиях для конденсации (испарения) 1 м кислорода необходимо испарить (сконденсировать) около 1,4 м азота. Это приводит к тому, что нри уменьшении (увеличении) выдачи кислорода на 1 м объемный расход газа обратного потока увеличивается (уменьшается) на 1,4 м. То есть при прекращении выдачи кислорода обратный ноток в регенераторе будет превышать прямой на 8%. Поскольку это превышение должно быть не более 2,5-3%, то выдача кислорода может быть уменьшена не более, чем на 25%. При этом исключена возможность подогрева детандерного потока; турбодетандер должен быть выключен из работы, что, в свою очередь, приведет к испарению части жидкости и, как следствие, увеличению расхода газа обратного потока. При увеличении выдачи кислорода из нижней колонны отбирают примерно 1,4 м азота на 1 м увеличенной выдачи кислорода, что приводит к ухудшению флегмового питания верхней колонны, что недопустимо при получении технического кислорода или аргона.

Кроме того, необходимо часто перестраивать режим работы воздухоразделительной установки.

Целью изобретения является уменьшение энергозатрат на получение единицы продукта и увеличение компенсационной способности.

Поставленная цель достигается тем, что избыток кислорода перед охлаждением сжимают до давления 0,3-0,8 МПа.

Кроме того, жидкий воздух или азот перед испарением сжимают до давления 0,7-2,0 МПа и после испарения и нагревания расширяют с производством внешней работы, причем часть воздуха или азота после испарения расширяют нри 100- 200°С.

На фиг. 1-5 приведены различные варианты принципиальных схем устройств для осуществления предлагаемого способа.

Схема содержит компрессор 1, регенератор 2, конденсатор-испаритель 3, адсорбер 4, ресивер 5 жидкого кислорода, ресивер 6 жидкого воздуха, дроссельный вентиль 7, регенератор 8 (фиг. 1), насос 9, газовую турбину 10 (фиг. 2), теплообменник И, регенератор 12 (фиг. 3), смеситель 13

(фиг. 4).;

На прилагаемых фиг, сам процесс низкотемпературной ректификации не показан, так как он может быть выполнен по любой классической схеме, а указаны лишь дополнительное охлаждение, испарение и конденсация продуктов разделения, выходящих из воздухоразделительных устройств и схемы компенсации неравномерностей потребления продуктов разделения.

По схеме (фнг. 1) компенсацию неравномерностей потребления кислорода осуществляют следующим образом.

В период с пониженным потреблением кислорода избыток кислорода (например, 100 моль) сжимают в компрессоре I до давления 0,7-0,75 МПа, после чего его охлаледают в регенераторе 2, конденсируют в конденсаторе-испарителе 3 и направляют через адсорбер 4 в ресивер 5 жидкого кислорс 1;а, в котором жидкость хранят под давлением 0,7-9,75 МПа. Жидкий воздух в количестве около 100 моль отбирают из ресивера жидкого воздуха, который в нем хранится под давлением 0,4- 0,42 МПа, дросселируют в вентиле 7 до давления 0,12-0,13 МПа, испаряют в конденсаторе-испарителе 3. Полученные пары после нагрева в регенераторе 8 выбрасывают в атмосферу.

В период с повышенным потреблением кислорода в компрессоре 1 сжимают 100 моль воздуха до давления 0,39-0,42 МПа, охлаждают и очищают от примесей в рег.енераторе 8, конденсируют в конденсатореиспарителе 3 и сливают в ресивер 6 жидкого воздуха, где жидкий воздух накапливают и хранят под давлением 0,39- 0,42 МПа. Кислород испаряют под давлением 0,12-0,13 МПа, для чего жидкий кислород неред конденсатором дросселируют в вентиле 7.

Для компенсации холодопотерь установки в конденсатор-испаритель 3 наряду с кислородом из ресивера 5 (около 100 моль) вводят жидкий кислород из блоков разделения Б количестве 1-2 моль. Затем цикл вновь повторяется.

При работе установки по схеме (фиг. 2) избыток кислорода в количестве 100 моль сжимают в компрессоре 1 до давления 0,7-9,75 МПа, охлаждают в регенераторе 2, конденсируют прн 114-115°К в конденсаторе-испарителе 3 и сливают в ресивер 5, где его хранят под этим же давлением. Из воздухоразделительных установок отбирают жидкий воздух в количестве 3,5- 4,5 моль на 100 моль конденсируемого кислорода. Жидкий воздух можно отбирать непрерывно, сливая его в ресивер 6 жидкого воздуха, либо периодически. Для конденсации 100 моль кислорода из ресивера 6 отбирают 103,5-104,5 МПа и испаряют в коденсаторе-испарителе 3. Около 10 моль воздуха, нагретого в регенераторе 8 до 140-150°К, возвращают в одну из воздухоразделительных установок, где за счет этого воздуха может быть получен холод, либо он может быть нагрет до 290-300°К и использован для производственных нужд. Остальные 93,5-94,5 моль воздуха под давлением 1,2-1,3 МПа нагревают в регенераторе 8 до температуры 290-300°К, а затем за счет низкотемпературного тепла подогревают дополнительно до температуры 300-500°К и расширяют с получением внешней работы в газовой турбине 10 до атмосферного давления, либо до давления 0,5-0,6 МПа. В носледнем случае воздух может быть использован в воздухоразделительных установках для получения кислорода.

При работе по такой схеме затраты энергии, на осуществление предлагаемого способа существенно снижаются, но устройство сказывается в большей мере связанным с воздухоразделительной установкой и в большей мере будет нарушать режим ее работы.

По-схеме (фиг. 3) устройство для осуществления предлагаемого способа совершенно не зависит от воздухоразделительиой установки. В период с уменьшенным потреблением кислорода избыток кислорода (например, 100 моль) отбирают из коллектора, сжимают в компрессоре 1 до давления 0,6 МПа, охлаждают в регенераторе 2, после чего конденсируют в теплообменнике И (частично) и в конденсаторе-испарителе 3. Жидкой кислород сливают через адсорбер 4 в ресивер 5 и хранят при температуре, соответствующей температуре конденсации при давлении 0,6 МПа. Жидкий воздух перед испарением сжимают насосом 9 до давлеиия 1,1 - 1,3 МПа. Часть испарившегося воздуха (примерно, 30%) расширяют с производством внешней работы газовой турбине 10. Полученную после расптиреиия парожидкостную смесь нагревают сначала в теплообменнике II за счет конденсащ1н кислорода, а затем в регенераторе 8. Этот воздух служит для удаления с насадки регенератора примесей. После нагрева до 290-300°К его выбрасывают в атмосферу. Остальной поток воздуха (примерно, 70%) пропускают через другой регенератор 12, нагревают в нем до 290-300°К и направляют на технологию.

При расширении на низком температурном уровне более 35% полученных - паров иекоторое количество кислорода или жидкого воздуха может быть получено в жидком виде и выведено из установки.

При увеличении потребления кислорода продесс осуществляется аналогично онисанному выше. При этом около 2-3 моль кпслорода испаряют за счет теплопритока из окружающей среды.

По схеме (фиг. 2) работа регенераторов будет периодической, так как самоочистка насадки от примесей не обеспечивается. При работе установки по схемам (фиг. 3, 4, 5) может быть обеспечена самоочистка иасадки регенераторов или поверхности теплообменников, или по крайней мере нериодичность их отогрева может быть суш.ественно увеличена.

По схемам (фиг. 4, 5) способ осуществляют при наименьших энергозатратах. В период с уменьшенным потреблением кислорода (фиг. 4) кислород, например 100 моль, сжимают в компрессоре 1 до давления 0,3-0,4 МПа. Желательно для сжатия отбирать сухой кислород, тогда теплообмен осуществляют в одном теплообменнике (регенераторе). Кислород пропускают по змеевикам регенератора 2, охлаждают и около 85 моль конденсируют в конденсаторе-испарителе 3 за счет испарения жидкого воздуха. Около 15 моль кислорода в виде газа вводят непосредственно в жидкость через смеситель 13. В ресивере 5 вводимый газообразиый кислород сжижается, подогревая жидкий кислород и несколько повышая его давление. По мере повышения давления жидкого кпслорода скрытая теплота конденсации его уменьшается и, как было показано выше, при давлении около 0,6- 0,8 МПа может быть достигнуто полное равновесие со скрытой теплотой парообразоваиия воздуха, то есть при конденсации 1 моль кислорода будет испаряться 1 моль жидкого воздуха и наоборот.

Жидкий воздух в количестве 96-97 моль отбирают из ресивера 6, сжимают насосом 9 до давления 0,75-9,8 МПа, испаряют в конденсаторе-испарителе 3 и большей частью (около 80 моль) нагревают в регенераторе 8 до температуры 290-300°К, после чего направляют на технологию 16- 17 моль воздуха, отбирают из средней части регенератора 8 при 120-122°К ч расширяют с производством внешней работь в газовой турбине 10, после чего его воздух нагревают сначала в теплообменнике 11 за счет частичной конденсации кислорода. а затем в регенераторе 2 до 290-300°К, затем выбрасывают в атмосферу.

В период с увеличенным потреблением кислорода (фиг. 5) отбирают из ресивера 5 жидкий кислород, дросселируют его в вентиле 7 и испаряют в конденсаторе-испарителе 3. Испарившийся кислород пропускают по змеевикам регенератора 2, пос.яе которого направляют потребителю. Прямым потоком по регенератору 2 служит воз.т,ух, сжатый в компрессоре 1 до давления 0,39-0,42 МПа. Охлажденный и очищенный в регенераторе воздух конденсируют в регенераторе, воздух конденсируют в конденсаторе-испарителе 3 и сливают через адсорбер 4 в ресивер 6. Для очистки насадки регенератора 2 от примесей часть кислорода пропускают через насадку регенератора и (или) периодически включают в работу другой регенератор на время отогрева и удаления примесей с насадки работающего регенератора.

Внедрение данного изобретения на металлургических заводах позволит отказаться от строительства новых газгольдеров газообразного кислорода, значительно уменьшить территорию для этих целей и, что самое главное, существенно улучшить кнслородоснабл ение металлургических заводов, исключить выбросы кислорода и утилизировать жидкость, сливаемую из воздухоразделительных установок при их остановках на ремонты.

Формула изобретения

1. Способ выпуска кислорода из воздухоразделительной установки в условиях неравномерного потребления, включающий охлаждение избытка кислорода, получающегося в период пониженного потребления, конденсацию и хранение запаса жидкости с последующим его испарением в период повыщенного потребления с использованием для конденсации и испарения кислорода, соответственно, жидкого или газообразного азота или воздуха, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергозатрат и увеличения компенсационной способности, избыток кислорода перед охлаждением сжимают цо давления 0,3- 0,8 МПа.

2.Способ по п. I, отличающийся тем, что жидкий воздух или азот перед испарением сжимают до давления 0,7- 2,0 МПа н после испарения и нагревания расширяют с производством внешней работы.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийс я тем, что часть воздуха или азота после испарения расширяют при 100-200°С.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизу

1.Патент Англии № 964947, кл. F 4 Р, 1961.

2.Справочник «Кислород под ред. Д. Л. Глизманенко. М., т. 2, 1973, с. 279-285.

3.Патент Японии № 2-1032, кл. 13 (7) В 32, 1974 (прототип).

Кис/ 0рад

/fl/CmffGf/ -JXJ

ввздух

ж/город

1 3Воздух