Способ получения азота под давлением

 

Использование: в химической, металлургической промышленности при разделении воздуха методом низкотемпературной ректификации. Сущность изобретения: часть воздуха после блока комплексной очистки отбирают, дожимают в компрессоре турбодетдера-компрессорного агрегата 5 до давления 13 кг/см², охлаждают в основном теплообменнике 3 до температуры 293 К и по трубопроводу 6 направляют на основного компрессора 1. Азот потребителю выдают под давлением первой ступень ректификации без подогрева . 1 ил.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации и может быть использовано в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения азота под давлением, включающий сжатие воздуха, разделение воздуха в узде ректификации, выдачу потребителю чистого азота под давлением (каталог Криогенное оборудование, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М, 1980, с. 16).

Недостатком аналога является то, что по этому способу количество продукционного чистого азота не может превышать 40% от количества перерабатываемого воздуха за счет того, что в этом способе ректификационная колонна орошается только азотной флегмой, получаемой в конденсаторе этой колонны.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения азота под давлением (заявка N 5065588/06, 12.10.92 г. положительное решение от 26.11.93 г. кл. F 25 J 3/04), включающий очистку воздуха в блоке комплексной очистки, охлаждение сжатого воздуха, двухступенчатую ректификацию с получением на первой ступени ректификации кубовой жидкости и выводимого потребителю чистого газообразного азота под давлением, а на второй ступени чистой азотной флегмы, подачу части чистой азотной флегмы в качестве дополнительной флегмы в первую ступень ректификации.

Недостатком прототипа является расширение продукционного азота, выводимого из первой ступени ректификации до промежуточного давления и покрытие холодопотерь установки за счет этого расширения. В этом случае количество продукционного азота жестко связано с холодопотерями установки. Увеличение доли продукционного азота до предельной по условиям ректификации (~0,6 м³/м² п.в.) не всегда обеспечивает покрытие холодопотерь в установке вследствие ограничения давления расширения в турбодетандере требованиями к давлению продукционного азота, например, в установках с пониженным количеством перерабатываемого воздуха. Это ограничивает возможный диапазон масштаба установок наиболее крупными с уменьшенными холодопотерями и практически исключает получение жидких продуктов. В противном случае требуется увеличение давления перерабатываемого воздух и, как следствие, повышенный расход электроэнергии на сжатие воздуха.

К недостаткам прототипа можно отнести также снижение рабочего давления продукционного азота по сравнению с давлением в первой ступени узла ректификации, откуда он выводится, что также может потребовать роста давления, перерабатываемого воздуха и ухудшить энергетические характеристики установки Кроме того, дожатие продукционного азота, например, в компрессорной ступени турбодетандерно-компрессорного агрегата (ТДКА), делает зависимой работу ТДКА от давления продукционного азота у потребителя. Это может усложнить процесс управления ТДКА и установки в целом, а также понизить надежность установки.

Недостатком прототипа является также подогрев дополнительной азотной флегмы перед подачей ее в первую ступень ректификации. В этом случае возникает опасность перегрева и частичного испарения этой флегмы, а также существует необходимость установки подогревателя.

Решение задачи увеличения степени извлечения азота под давлением, получение азота в широком диапазоне давлений и благодаря этому улучшение энергетических характеристик устройства, в котором реализован заявляемый способ, может быть осуществлено за счет отвода части воздуха сжатого в основном компрессоре, дожатие этой части воздуха в компрессоре турбодетандерно-компрессорного агрегата ТДКА, последующего расширения в турбодетандере, подогрева ее и возвращения на всас основного компрессора.

Для этого в способе получения азота под давлением, включающем очистку воздуха в блоке комплексной очистки, охлаждение сжатого воздуха двухступенчатую ректификацию с получением на первой ступени ректификации кубовой жидкости и выводимого потребителю чистого газообразного азота под давлением, а на второй ступени чистой азотной флегмы, подачу части чистой азотной флегмы в качестве дополнительной флегмы в первую ступень ректификации, из потока воздуха после блока комплексной очистки отбирают часть воздуха, дожимают ее, охлаждают, расширяют в детандере, после расширения подогревают и возвращают на всас компрессора, образуя циркуляционный контур, при этом азот потребителю выдают непосредственно под давлением первой ступени узла ректификации, а дополнительную флегму в первую ступень ректификации направляют в состоянии насыщения соответствующего условиям второй ступени.

Сущность изобретения заключается в том, что часть воздуха, отобранную после блока комплексной очистки возвращают на всас основного компрессора, образуя циркуляционный контур. За счет разряжения воздуха на всас основного компрессора и предварительного дожатия в компрессоре ТДКА достигается более глубокое расширение в турбодетандере и минимизация количества циркулирующего через турбодетандер воздуха до (0,05 0,2) м³/м³ п.в. в широком диапазоне производительности установок. При этом на установках перерабатывающих от 1500 м³/ч до 60000 м³/ч и более воздуха возможно получение жидкого азота и кислорода в количестве 50 1000 кг/ч и более без существенного снижения производительности по газообразному азоту. Подачу дополнительной азотной флегмы из второй ступени узла ректификации в первую осуществляют без предварительного подогрева.

Сравнение предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применяемости.

На чертеже схематично показано устройство, в котором реализован заявляемый способ, где основной компрессор 1, соединен с блоком комплексной очистки 2, который в свою очередь трубопроводом соединен с основным теплообменником 3. Основной теплообменник 3 трубопроводом соединен с первой ступенью узла ректификации 4. Блок комплексной очистки 2 посредством трубопровода соединен с трубодетандерно-компрессорным агрегатом (ТДКА) 5, который трубопроводом 6 соединен с основным компрессором 1.

Первая ступень узла ректификации 4 через переохладитель 7 соединена со второй ступенью узла ректификации 8 и трубопроводом 9 соединена с основным теплообменником 3.

Вторая ступень узла ректификации 8 посредством трубопровода 10 соединена с насосом 11, который в свою очередь трубопроводом соединен с первой ступенью узла ректификации 4.

Работает устройство, в котором реализован предлагаемый способ, следующим образом: атмосферный воздух сжимают в основном компрессоре 1 до давления 9 кгс/см² и с температурой, примерно 290 К направляют на очистку в блок комплексной очистки (БКО) 2. Очищенный от примесей воздух после блока комплексной очистки делят на две части, большую часть направляют в основной теплообменник 3, а меньшую часть подают в трубодетандерно-компрессорный агрегат (ТДКА) 5. Воздух в основном теплообменнике 3 охлаждают до состояния насыщения и подают в первую ступень узла ректификации 4. Воздух, направляемый в турбодетандерно-компрессорный агрегат 5 дожимают в компрессоре до давления 13 кг/см², охлаждают в основном теплообменнике 3 и подают на расширение в детандер турбодетандерно-компрессорного агрегата. Часть сжатого в компрессоре ТДКА воздуха, после основного теплообменника 3 может быть направлена в первую ступень узла ректификации 4 в жидком виде (на чертеже не показано).

Расширенный поток воздуха подогревают в основном теплообменнике 3 до температуры 293 К и по трубопроводу 6 направляют на всас основного компрессора 1, образуя циркуляционный контур.

Кубовую жидкость из первой ступени узла ректификации 4 направляют в переохладитель 7, где ее переохлаждают и подают на орошение во вторую ступень узла ректификации 8.

Пары азота из второй ступени узла ректификации 8 конденсируют в конденсаторе, одну часть жидкой азотной флегмы возвращают во вторую ступень ректификации 1, а другую часть по трубопроводу 10 подают в насос 11, где ее нагнетают и без подогрева направляют в первую ступень 4 в качестве дополнительной флегмы.

Чистый продукционный азот из первой ступени узла ректификации 4 по трубопроводу 9 направляют в основной теплообменник 3, где его нагревают и при давлении, примерно, 8 кгс/см² выдают потребителю.

Очищенный воздух после блока комплексной очистки 2 с температурой, например, 290К и при давлении 9 кгс/см² делят на две части. Большую часть воздуха направляют в основной теплообменник 3, где ее охлаждают до состояния насыщения и по трубопроводу направляют на разделение в первую ступень узла ректификации 4. Меньшую часть воздуха после блока комплексной очистки 2 направляют в трубодетандерно-компрессорный агрегат 5 (ТДКА), где эту часть воздуха вначале дожимают в компрессоре этого агрегата 5 до давления 13 кгс/см², затем ее охлаждают в основном теплообменнике 3 до температуры 172К и направляют на расширение в детандер этого агрегата 5. Часть сжатого воздуха в компрессоре, перед подачей в основной теплообменник 3 на охлаждение, может быть направлена в первую ступень узла ректификации. Расширенный в детандере ТДКА 5 поток воздуха подогревают в основном теплообменнике 3 до температуры 293 К и по трубопроводу 6 направляют на всас основного компрессора 1, образуя циркуляционный контур.

Пары азота из второй ступени ректификации 8 конденсируют, часть возвращают во вторую ступень, а часть по трубопроводу 10 направляют в насос 11, нагнетают и без подогрева подают в первую ступень 4 в качестве дополнительной флегмы.

Чистый продукционный азот из первой ступени узла ректификации 4 по трубопроводу 9 подают в основной теплообменник 3, нагревают и при давлении, примерно, 8 кгс/см² выдают потребителю.

Реализация предлагаемого способа позволит: обеспечить увеличение выхода азота по отношению к количеству воздуха на входе в установку до 0,5 0,55; обеспечить дожатие циркулирующего в холодильном контуре потока от 8,8 до 12 13 кгс/см²; увеличить теплоперепад в трубодетандере за счет дожатия потока и снижения давления расширения, имеющего место при возврате расширенного воздуха на всас воздушного компрессора; обеспечить получение жидких продуктов; снизить трудоемкость изготовления установки за счет исключения подогревателя дополнительной азотной флегмы.

Формула изобретения

Способ получения азота под давлением, включающий очистку воздуха в блоке комплексной очистки, охлаждение сжатого воздуха, двухступенчатую ректификацию с получением на первой ступени ректификации кубовой жидкости и выводимого потребителю чистого газообразного азота под давлением при использовании части чистой азотной флегмы без ее подогрева в качестве дополнительной флегмы, отличающийся тем, что дополнительную чистую азотную флегму получают во второй ступени ректификации, а из потока после блока комплексной очистки отбирают часть воздуха, дожимают его, охлаждают, расширяют в детандере, после расширения подогревают и возвращают на всас компрессора, образуя циркуляционный контур.

РИСУНКИ

Рисунок 1