Способ повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения в комбинированной установке и комбинированная установка для его реализации

 

Способ и установка предназначены для использования на заводах для производства товарного газообразного и жидкого кислорода и других газов на кислородных станциях металлургических, химических и машиностроительных предприятий. В способе, включающем очистку воздуха от пыли и механических примесей, сжатие воздуха в ступенях компрессора, очистку сжатого воздуха от углекислого газа, его осушку и очистку от углеводородов, сжижение и ректификацию воздуха для разделения и накопление разделенных газов, по меньшей мере часть воздуха до разделения в указанной установке подвергается предварительному его разделению по меньшей мере в одном вихревом устройстве для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, обеспечивающему повышенное содержание, например, кислорода на входе в воздухоразделяющую установку. В комбинированной воздухоразделяющей установке вихревое устройство, включающее завихритель потока, на входном участке вихревой трубы внутри трубы на расстоянии от завихрителя потока установлен второй завихритель потока, при этом один из выходов вихревого устройства сообщен с входом в воздухоразделяющую установку. Изобретение позволяет снизить энергозатраты при высоком качестве разделения воздуха и повысить эффективность работы воздухоразделяющей установки. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к способам разделения воздуха в воздухоразделяющих установках глубокого охлаждения для получения технологического, технического, медицинского кислорода, чистого азота и редких газов и может быть использовано на заводах для производства товарного газообразного и жидкого кислорода и других газов, на кислородных станциях металлургических, химических и машиностроительных предприятий.

Наиболее близким из известных способов разделения воздуха путем глубокого охлаждения является способ разделения воздуха в воздухоразделяющей установке глубокого охлаждения, включающей масляный фильтр, по крайней мере четыре ступени компрессора, четыре масловлагоотделителя и три холодильника, блок очистки от двуокиси углерода, концевой холодильник, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов и теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, включающий очистку воздуха от пыли и механических примесей, сжатие воздуха в ступенях компрессора, очистку сжатого воздуха от углекислого газа, его осушку и очистку от углеводородов, сжижение и ректификацию воздуха для разделения по крайней мере на кислород, азот, извлечение редких газов и накопление разделенных газов [1].

Недостатком такого способа разделения воздуха в воздухоразделяющей установке глубокого охлаждения является большой расход электроэнергии на обеспечение ее работы.

Цель изобретения - повышение эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения в комбинированной установке, содержащей воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, включающую масляный фильтр, по крайней мере четыре ступени компрессора, четыре масловлагоотделителя и три холодильника, по меньшей мере, блок очистки от двуокиси углерода, концевой холодильник, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов и теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, включающий очистку воздуха от пыли и механических примесей, сжатие воздуха в ступенях компрессора, очистку сжатого воздуха от углекислого газа, его осушку и очистку от углеводородов, сжижение и ректификацию воздуха для разделения по крайней мере на кислород, азот, извлечение редких газов и накопление разделенных газов, по меньшей мере часть воздуха до разделения в вышеуказанной воздухоразделяющей установке подвергается предварительному его разделению по меньшей мере в одном вихревом устройстве для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, обеспечивающему повышенное содержание, например, кислорода на входе в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, один из выходов которого сообщен с входом в вышеуказанную воздухоразделяющую установку, а комбинированная установка содержит по меньшей мере одно вихревое устройство, включающее завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего, и каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством, а в известной комбинированной установке для повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения, содержащей воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, включающую последовательно соединенные масляный фильтр, по крайней мере первую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, вторую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, блок очистки от двуокиси углерода, третью ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, четвертую ступень компрессора, концевой холодильник, масловлагоотделитель и по меньшей мере теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов, она содержит по меньшей мере одно вихревое устройство, включающее завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно последней с возможностью отвода центрального потока вышеуказанной среды по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего и каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством, при этом один из выходов вихревого устройства сообщен с входом в вышеуказанную воздухоразделяющую установку.

Сопоставительный анализ заявляемых технических решений с аналогами и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, заявляемые технические решения соответствуют критерию "новизна".

В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков заявляемых решений, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решения соответствуют критерию изобретения "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена комбинированная воздухоразделяющая установка глубокого охлаждения; на фиг. 2 - комбинированная воздухоразделяющая установка; на фиг. 3 - комбинированная воздухоразделяющая установка; на фиг.4 - комбинированная воздухоразделяющая установка; на фиг. 5- комбинированная воздухоразделяющая установка; на фиг. 6 - комбинированная воздухоразделяющая установка; на фиг. 7 - комбинированная воздухоразделяющая установка; на фиг. 8 - характерное изменение окружной скорости потока w по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг. 9 - характерное изменение окружной скорости потока w по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг. 10 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 11 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 12 - вихревое устройство.

В способе повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения в комбинированной установке (фиг. 1), содержащей воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1, включающую масляный фильтр, по крайней мере четыре ступени компрессора, четыре масловлагоотделителя и три холодильника, по меньшей мере блок очистки от двуокиси углерода, концевой холодильник, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов и теплообменник- ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, включающем очистку воздуха от пыли и механических примесей, сжатие воздуха в ступенях компрессора, очистку сжатого воздуха от углекислого газа, его осушку и очистку от углеводородов, сжижение и ректификацию воздуха для разделения по крайней мере на кислород, азот, извлечение редких газов и накопление разделенных газов, по меньшей мере часть воздуха до разделения в вышеуказанной воздухоразделяющей установке 1 подвергается предварительному его разделению, по меньшей мере в одном вихревом устройстве 2 для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, обеспечивающему повышенное содержание, например, кислорода на входе в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1, один из выходов 3 которого сообщен с входом в вышеуказанную воздухоразделяющую установку 1, а комбинированная установка содержит по меньшей мере одно вихревое устройство 2, включающее завихритель потока 4, установленный на входном участке 5 вихревой трубы 6, периферийный канал 7 с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход 8 центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны, причем периферийный канал 7 на своем начальном участке 9 для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 6 и наружной поверхностью участка трубы 10, расположенного внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6 соосно последней 6, а центральный поток вышеуказанной среды отводится по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы 10, расположенный внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6, внутри вихревой трубы 6 на расстоянии l от завихрителя потока 4, размещенного на ее входном участке 5, установлен второй завихритель потока 12, обеспечивающий дозакрутку последнего, и каждый из отводов 13, 14 разделенных сред за вихревой трубой 6 снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством 15, 16.

В комбинированной установке для повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения (фиг. 1), содержащей воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1, включающую последовательно соединенные масляный фильтр, по крайней мере первую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, вторую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, блок очистки от двуокиси углерода, третью ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, четвертую ступень компрессора, концевой холодильник, масловлагоотделитель и по меньшей мере теплообменник- ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов, она содержит по меньшей мере одно вихревое устройство 2, включающее завихритель потока 4, установленный на входном участке 5 вихревой трубы 6, периферийный канал 7 с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход 8 центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны, причем периферийный канал 7 на своем начальном участке 9 для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 6 и наружной поверхностью участка трубы 10, расположенного внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6 соосно последней 6 с возможностью отвода центрального потока вышеуказанной среды по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы 10, расположенный внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6, внутри вихревой трубы 6 на расстоянии l от завихрителя потока 4, размещенного на ее входном участке 5, установлен второй завихритель потока 12, обеспечивающий дозакрутку последнего, и каждый из отводов 13, 14 разделенных сред за вихревой трубой 6 снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством 15, 16, при этом один из выходов 3 вихревого устройства 2 сообщен с входом в вышеуказанную воздухоразделяющую установку 1.

При этом на каждом участке трубопровода 17, индивидуальном для соответствующей вихревой трубы 6 и общим по меньшей мере на две вихревые трубы 6, соединяющего отвод 13 разделенной среды каждой последней 6 с входом в воздухоразделяющую установку 1, может быть установлено регулирующее запорное устройство 15,18 (фиг .2); отвод 13 разделенной среды каждой вихревой трубы 6, сообщаемый с воздухоразделящей установкой 1, может быть соединен трубопроводом 19 с промежуточной емкостью 20, а последняя 20 соединена трубопроводом 21 с входом в воздухоразделяющую установку 1, при этом на каждом из вышеуказанных трубопроводов 19, 21 устанавливается регулирующее запорное устройство 15, 22, 23 (фиг. 3); каждая вихревая труба 6 своим входом может быть соединена трубопроводом 24 с выходом по меньшей мере одного и того же масляного фильтра 25 воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения 1, а одним из идентичных для вихревых труб 6 отводом 13 разделенных сред вышеуказанная труба 6 соединяется трубопроводом 26 с входом в компрессор 27 воздухоразделяющей установки 1 (фиг. 4); промежуточная емкость 20 может быть сообщена трубопроводом 28 с атмосферой (фиг. 3); на трубопроводе 28, сообщающем промежуточную емкость 20 с атмосферой, может быть установлено регулирующее запорное устройство 29 (фиг. 3); вход каждого вихревого устройства 2 может быть сообщен трубопроводом с нагнетающим устройством 30, обеспечивающим подачу воздуха в вышеуказанные устройства 2 (фиг. 5); на входе в каждое вихревое устройство 2 может быть установлено индивидуальное нагнетающее устройство 30 (фиг. 5); на входе в группу параллельно соединенных вихревых устройств 2 может быть установлено одно нагнетающее устройство 31 (фиг. 6); на каждом трубопроводе 32, соединяющем нагнетающее устройство 30, 31 с входом в вихревую трубу 6 соответствующего вихревого устройства 2, может быть установлено регулирующее запорное устройство 33 (фиг. 5, 6); на входе в трубопровод 28, сообщающий промежуточную емкость 20 с атмосферой, перед регулирующим запорным устройством 29 в направлении движения потока воздуха может быть установлено нагнетающее устройство 34 (фиг. 3); каждый из идентичных отводов 14 разделенных сред каждой вихревой трубы 6, не сообщенных с воздухоразделяющей установкой 1, может быть соединен трубопроводом 35 по меньшей мере с одним и тем же из соответствующей группы идентичных вышеуказанных отводов 14 отсасывающим устройством 36 (фиг. 2); на каждом входном участке 37 трубопровода 35 соответствующего отсасывающего устройства 36, сообщающего соответствующие идентичные отводы вихревых труб 6 с вышеуказанным отсасывающим устройством 36, может быть установлено регулирующее запорное устройство 38 (фиг. 2); каждый из идентичных отводов 14 разделенных сред каждой вихревой трубы 6, не сообщенных с воздухоразделяющей установкой 1, может быть соединен трубопроводом 39 с соответствующей идентичным отводам 14 герметичной емкостью 40, а последняя соединена трубопроводом 41 со своим отсасывающим устройством 42, при этом на трубопроводе 39, соединяющем отвод 14 разделенной среды из соответствующей вихревой трубы 6, между последней 6 и соответствующей идентичным отводам 14 герметичной емкостью 40 устанавливается регулирующее запорное устройство 43 (фиг. 7); на каждом трубопроводе 41, соединяющем соответствующую идентичным отводам 14 герметичную емкость 40 со своим со своим отсасывающим устройством 42, может быть установлено регулирующее запорное устройство 44 (фиг. 7); на всасывающем трубопроводе 45 воздуха непосредственно из атмосферы воздухоразделяющей установки 1 может быть установлено регулирующее запорное устройство 46 (фиг. 1 - 7); на входном участке 47 всасывающего трубопровода компрессора воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения 1 за местом входа воздуха, поступающего в первый из вихревых устройств 2, в направлении движения потока, может быть установлено устройство для смешения сред (фиг. 4).

Способ повышения эффективной работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения в комбинированной установке (фиг. 1), содержащей воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1, включающую масляный фильтр, по крайней мере четыре ступени компрессора, четыре масловлагоотделителя и три холодильника, по меньшей мере блок очистки от двуокиси углерода, концевой холодильник, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов и теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, включающий очистку воздуха от пыли и механических примесей, сжатие воздуха в ступенях компрессора, очистку сжатого воздуха от углекислого газа, его осушку и очистку от углеводородов, сжижение и ректификацию воздуха для разделения по крайней мере на кислород, азот, извлечение редких газов и накопление разделенных газов, осуществляется тем, что по меньшей мере часть воздуха до разделения в вышеуказанной воздухоразделяющей установке 1 подвергается предварительному его разделению по меньшей мере в одном вихревом устройстве 2 для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, обеспечивающему повышенное содержание, например, кислорода на входе в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1, один из выходов 3 которого сообщен с входом в вышеуказанную воздухоразделяющую установку 1.

Для достижения вышеуказанного комбинированная установка содержит, по меньшей мере, одно вихревое устройство 2, включающее завихритель потока 4, установленный на входном участке 5 вихревой трубы 6, периферийный канал 7 с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход 8 центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны (фиг. 1). Периферийный канал 7 на своем начальном участке 9 для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 6 и наружной поверхностью участка трубы 10, расположенного внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6 соосно последней. Центральный поток вышеуказанной среды отводится, по меньшей мере, через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы 10, расположенный внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6.

Для обеспечения дозакрутки потока среды внутри вихревой трубы 6 на расстоянии l от завихрителя потока 4, размещенного на ее входном участке 5, устанавливается второй завихритель потока 12, за которым при необходимости могут аналогичным образом устанавливаться последующие завихрители потока, что определяется требуемым процентным содержанием кислорода в разделенном потоке воздуха, поступающим на вход в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1. Каждый из отводов 13, 14 разделенных сред за вихревой трубой 6 снабжается, по меньшей мере, одним регулирующим запорным устройством 15,16.

Разделение воздуха внутри вихревой трубы 6 вихревого устройства 2 происходит следующим образом. В вихревую трубу 6 устройства 2 подается воздух, который в завихрителе потока 4 приобретает вращательное движение, перемещаясь при этом одновременно в осевом направлении вихревого устройства 2 в сторону отводов 13,14 разделенных сред через центральный 10 и периферийный 7 каналы, расположенных с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны (фиг. 1). Благодаря наличию вращательного движения потока воздуха в вихревой трубе 6 при его перемещении к выходному концу последней в нем происходит процесс вихревого разделения компонентов, входящих в состав воздуха и различающихся между собой по молекулярной массе.

Процесс разделения воздуха на составляющие компоненты в вихревом устройстве 2 осуществляется в соответствии с законом, открытым автором в 1994 году, который гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока.

При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока".

Таким образом, в основу способа разделения воздуха на составляющие компоненты положено ранее неизвестное явление.

Максимальное значение окружной скорости закрученного потока воздуха в выходном сечении 1-1 (фиг. 1) завихрителя потока 4 может не превышать критического значения W_кр, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых ( наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне потока, а также может превышать вышеуказанное критическое значение окружной скорости W_кр. В зависимости от вышеуказанного максимального значения окружной скорости вихревого потока на выходе из завихрителя потока 4 процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми (большей плотности или молекулярной массы) при затухании вращательного движения потока происходит в направлении к оси вращения потока или в направлении от вышеуказанной оси, т.е. к периферии потока. В последнем случае процесс продолжается до тех пор, пока максимальное значение окружной скорости W_макс в каком-то сечении потока не достигнет его критического значения W_кр, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 48 потока (фиг. 8, 9).

При дальнейшем снижении максимального значения окружной скорости W_макс (W_макс<W) в сечениях потока в направлении его движения направление замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми изменяется на противоположное, т.е. вышеуказанное замещение происходит в направлении к оси вращения потока.

Поэтому в последнем случае при установке только одного завихрителя потока 4 на входном участке 5 вихревой трубы 6 вихревого устройства 2 максимальная эффективность разделения компонентов воздуха (сред) достигается в случае, когда максимальное значение окружной скорости W_макс вращающегося потока снижается до его критического значения W_кр в сечении 2-2 на входе в участок трубы 10, расположенный внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6 соосно последней (фиг. 1).

В случае выхода потока воздуха из выходного сечения 1-1 завихрителя потока 4 с максимальным значением окружной скорости W_макс, не превышающим его критического значения W_кр, максимальная эффективность разделения воздуха на компоненты достигается в случае, когда полное затухание вращательного движения потока воздуха происходит в вышеуказанном сечении 2-2 вихревой трубы 6.

Перемещение тяжелых частиц 49 воздуха ближе к оси вращения потока в случае, когда максимальное значение окружной скорости W_макс последнего в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 4 (фиг. 1) не превышает его критического значения W_кр(W_макс≅W_кр), происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса их вращения (фиг. 10). При этом при переходе на меньший радиус вращения тяжелые частицы 49, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц воздуха на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым. Самые легкие частицы, молекулы водорода (и гелия) 50, вращаясь в потоке и одновременно перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 6, удаляются от оси вращения, с увеличением радиуса их вращения, по спиралеобразной траектории (фиг. 10).

Движение частиц средней тяжести (азота) 51, т.е. значение плотности (молекулярной массы) которых находится в промежутке между значениями плотностей вышеуказанных частиц 49 и 50, происходит по более сложной траектории. Эти частицы 51, совершая вращательное движение в потоке воздуха и перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 6, одновременно совершают и свои собственные спиралеобразные круговые вращения с уменьшающимся радиусом собственного вращения в направлении движения потока и при этом смещаясь в направлении к оси вращения потока воздуха или к его периферии, что определяется значениями их плотностей (молекулярных масс), процентным содержанием в потоке воздуха и местом их расположения в радиальном направлении в последнем, при этом они в потоке находятся во взвешенном состоянии, т.е. вращаются внутри потока. Объясняется вышеизложенное следующим. За счет полученной дополнительно кинетической энергии от тяжелых частиц 49 средней тяжести частицы 51 воздуха переходят на увеличенный радиус их вращения в потоке, но движение их в указанном направлении ограничивается приобретенной энергией, которой оказывается недостаточно для дальнейшего перемещения их по спиралеобразной траектории к внутренней поверхности вихревой трубы 6, и вследствие быстрого затухания вращательного движения потока указанные частицы 51 начинают собственное круговое вращение в вихревом потоке в направлении к оси вращения потока, так как процесс приобретения дополнительной кинетической энергии и т. д. , что описано выше, продолжается до тех пор, пока в процессе их собственного спиралеобразного вращения радиус спирали окажется равным нулю, что соответствует полному окончанию процесса разделения частиц воздуха (газа и др. ) в определенном сечении потока по длине вихревой трубы 6, когда частицы располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности в каждом последующем слое в направлении к оси вращения вихревого потока (фиг. 1, 10). На фиг. 1,10 траектория средней тяжести частицы 51 показана условно, так как частица 51, перемещаясь в потоке по своей траектории, одновременно совершает движение вместе с вращающимся потоком. Траекторию указанной частицы можно представить как бы в выделенном и только вращающемся вместе с потоком газа элементе объема последнего, в котором сама частица 51 совершает свои собственные вращательные движения и при этом перемещается в осевом направлении вихревой трубы 6.

В случае, когда максимальное значение окружной скорости W_максзакрученного потока воздуха в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 4 больше его критического значения W_кр(W_макс>W_кр), физическая картина процесса замещения менее тяжелых частиц 50 воздуха тяжелыми частицами 49 аналогична вышеописанному процессу, только процесс замещения происходит в противоположном направлении, а именно, в направлении к периферии потока, т.е. от оси его вращения (фиг. 11). При этом процесс заканчивается в сечении потока, в котором частицы газа во вращающемся потоке располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности (молекулярной массы) в каждом последующем слое в направлении к периферии потока. Процесс взаимного замещения частиц воздуха (газа и др.) в вихревом потоке, имеющих разную плотность (молекулярную массу), сопровождается затратой работы замещения, что подтверждается исследованиями.

В случае, когда максимальное значение окружной скорости W_макс в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 4 не превышает его критического значения W_кр(W_макс≅W_кр), на работу вихревого устройства 2 при этом затрачивается меньшее количество энергии в сравнении со вторым случаем, расходуемой на подачу и закрутку потока разделяемого воздуха в вихревом устройстве.

В связи с большими расходами обогащенного кислородом воздуха, подаваемого на вход в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, и малой разницей в значениях молекулярных масс азота и кислорода (≈15%)для обогащения воздуха кислородом целесообразно использование вихревых труб большого диаметра, что в свою очередь увеличивает путь замещаемых частиц во вращающемся потоке и соответственно поэтому требуется большая длина участка вихревой трубы, на котором происходит вышеуказанный процесс. Поэтому в связи с интенсивным процессом затухания вращательного движения потока необходима, по меньшей мере, его промежуточная дозакрутка таким образом, чтобы полное затухание вращательного движения потока происходило не ранее по движению потока входного сечения 3-3 последующего смежного предыдущему завихрителя потока 12 (фиг. 1).

Благодаря предварительному разделению воздуха обеспечивается повышенное содержание, например, кислорода на входе в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения. При этом подвергаться предварительному разделению может весь поток воздуха, забираемый из атмосферы, часть которого с повышенным содержанием кислорода поступает затем в воздухоразделяющую установку.

В воздухе содержится 21% кислорода, 78,1% азота и ≈ 0,9% других газов. Так, увеличение процентного содержания кислорода на входе в воздухоразделяющую установку только до 25% позволяет за счет уменьшения работы сжатия компрессоров снизить энергозатраты на ее работу ≈ на 20%. Как известно, получение кислорода в воздухоразделяющей установке глубокого охлаждения является энергоемким процессом, поэтому экономический эффект при наличии предварительного разделения воздуха оказывается значительным.

Комбинированная установка для повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения (фиг. 1), содержащая воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения 1, включающую последовательно соединенные масляный фильтр, по крайней мере первую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, вторую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, блок очистки от двуокиси углерода, третью ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, четвертую ступень компрессора, концевой холодильник, масловлагоотделитель и по меньшей мере теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов, содержит по меньшей мере одно вихревое устройство 2, включающее завихритель потока 4, установленный на входном участке 5 вихревой трубы 6, периферийный канал 7 с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход 8 центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны.

Периферийный канал 7 на своем начальном участке 9 для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 6 и наружной поверхностью участка трубы 10, расположенного внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6 соосно последней 6 с возможностью отвода центрального потока вышеуказанной среды, по меньшей мере, через один канал. Указанным каналом на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы 10, расположенный внутри выходного участка 11 вихревой трубы 6.

Внутри вихревой трубы 6, как указывалось в способе повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки, на расстоянии l от завихрителя потока 4, размещенного на ее входном участке 5, устанавливается второй завихритель потока 12, обеспечивающий дозакрутку последнего и каждый из отводов 13,14 разделенных сред за вихревой трубой 6 снабжают, по меньшей мере, одним регулирующим запорным устройством 15, 16, при этом один из выходов 3 вихревого устройства 2 сообщают с входом в вышеуказанную воздухоразделяющую установку 1.

В качестве воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения может быть использована любая из существующих в настоящее время установок, включая установки высокого, среднего и низкого давлений.

Вихревое устройство 2 для разделения сред может быть и иным. Так, в зависимости от производительности комбинированной воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения, рабочих параметров воздуха, достигаемого процентного увеличения содержания, например, кислорода в рабочем потоке вихревого устройства 2 последнее может иметь не только несколько завихрителй потока, но и один завихритель потока. Последнее возможно при малом увеличении процентного содержания кислорода в воздухе, поступающем на вход в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения.

Кроме того, вихревое устройство 2 может быть выполнено по схеме фиг. 12, где отвод центрального потока разделенных сред из вихревой трубы 6 осуществляется через два канала 52, 53, входные участки которых располагаются в выходном участке 11 вихревой трубы 6, при этом, по крайней мере, каждый из вышеуказанных каналов 52, 53 для разделенных сред за вихревой трубой 6 снабжается регулирующим запорным устройством 54, 55 (фиг. 12). Использование вихревого устройства 2 такой конструкции позволяет кроме увеличения процентного содержания, например, кислорода в воздухе, производить, например, очистку последнего от углекислого газа CO₂ и водяных паров H₂O, имеющих молекулярную массу, значительно отличающуюся от молекулярных масс азота и кислорода.

Выход воздуха с увеличенным процентным содержанием кислорода на фиг. 1 показан через центральный отвод 13, когда разделение воздуха внутри вихревой трубы 6 происходит при максимальном значении окружной скорости потока W_макс в выходном сечении каждого завихрителя потока 4, 12, меньшем ее критического значения W_кр.

В зависимости от производительности воздухоразделяющей установки и других факторов разделение воздуха может предварительно осуществляться в двух или более параллельно соединенных вихревых трубах 6 (фиг. 2), которые одним из идентичных для вихревых труб 6 отводом 13 разделенных сред соединяются с входом в воздухоразделяющую установку 1. При этом, по крайней мере, на каждом участке трубопровода 17, индивидуальном для соответствующей вихревой трубы 6 и общим по меньшей мере на две вихревые трубы 6, соединяющего отвод 13 разделенной среды каждой последней 6 с входом в воздухоразделяющую установку 1, может устанавливаться регулирующее запорное устройство 15,18 (фиг. 2), что позволяет производить необходимую регулировку с целью оптимизации режима работы вихревых устройств 2 и в целом комбинированной воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения.

В общем случае вихревое устройство 2 или несколько устройств 2 могут быть включены в схему воздухоразделяющей установки 1 на любом целесообразном ее участке, т. е. они могут располагаться, по принципу включения в схему, после некоторых ее элементов.

В ряде случаев целесообразной может быть установка между вихревыми устройствами 2 и воздухоразделяющей установкой 1 промежуточной емкости 20 (фиг. 3). В вышеуказанном случае отвод 13 разделенной среды каждой вихревой трубы 6, сообщаемый с воздухоразделяющей установкой 1, соединяется трубопроводом 19 с промежуточной емкостью 20, а последняя 20 соединяется трубопроводом 21 с входом в воздухоразделяющую установку 1, при этом на каждом из вышеуказанных трубопроводов 19, 21 устанавливается регулирующее запорное устройство 15, 22, 23.

В ряде случаев, что определяется монтажом и необходимостью очистки воздуха, каждая вихревая труба 6 своим входом может соединяться трубопроводом 24 с выходом по меньшей мере одного и того же масляного фильтра 25 воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения 1, а одним из идентичных для вихревых труб 6 отводом 13 разделенных сред вышеуказанная труба 6 соединяется трубопроводом 26 с входом в компрессор 27 воздухоразделяющей установки 1 (фиг. 4).

С целью обеспечения входа воздуха непосредственно из атмосферы в промежуточную емкость 20 при частичном предварительном разделении воздуха, поступающего в воздухоразделяющую установку 1, промежуточная емкость 20 сообщается с атмосферой (фиг. 3). При этом на трубопроводе 28, сообщающем промежуточную емкость 20 с атмосферой, может устанавливаться регулирующее запорное устройство 29 (фиг. 3).

В зависимости от условий выхода разделенного воздуха из вихревой трубы 6 непосредственно в атмосферу, минуя воздухоразделяющую установку 1, подача воздуха в каждое вихревое устройство 2 может осуществляться с помощью нагнетающего устройства 30 (фиг. 5), что позволяет преодолеть сопротивление атмосферного воздуха, находящегося снаружи вихревой трубы 6, выходу вышеуказанного разделенного потока воздуха в атмосферу из вихревой трубы 6.

При этом подача воздуха в соответствующее вихревое устройство 2 может осуществляться индивидуальным нагнетающим устройством 30, которое устанавливается в этом случае на входе в каждое вихревое устройство 2 (фиг. 5), а также подача воздуха в группу параллельно соединенных вихревых устройств 2 может осуществляться одним установленным на входе в вышеуказанную группу нагнетающим устройством 31 (фиг. 6). Выбор того или иного варианта подачи воздуха в вихревые устройства 2 определяется производительностью вихревых устройств, а также рядом других факторов. Для возможности регулирования давления воздуха на входе в вихревое устройство 2, а соответственно и обеспечения оптимального режима разделения воздуха внутри вихревой трубы 6 устройства 2 на каждом трубопроводе 32, соединяющем нагнетающее устройство 30, 31 с входом в вихревую трубу 6 соответствующего вихревого устройства 2, устанавливается регулирующее запорное устройство 33 (фиг. 5, 6).

В зависимости от давления воздуха в промежуточной емкости 20, в которую поступает воздух из вихревых труб 6, идущий затем на вход компрессора воздухоразделяющей установки 1, в ряде случаев целесообразной является установка нагнетающего устройства 34 на входе в трубопровод 28, сообщающий промежуточную емкость 20 с атмосферой, перед регулирующим запорным устройством 29 в направлении движения входящего в емкость потока воздуха (фиг. 3).

С целью повышения эффективности работы комбинированной воздухоразделяющей установки в целом за счет уменьшения расхода энергии на работу вихревых устройств 2 каждый из идентичных отводов 14 разделенных сред каждой вихревой трубы 6, не сообщенных с воздухоразделяющей установкой 1, соединяется трубопроводом 35 по меньшей мере с одним и тем же из соответствующей группы идентичных вышеуказанных отводов 14 отсасывающим устройством 36 (фиг. 2). При этом, для улучшения регулировочных качеств вихревых устройств 2 на каждом входном участке 37 трубопровода 35 соответствующего отсасывающего устройства 36, сообщающего соответствующие идентичные отводы вихревых труб 6 с вышеуказанным отсасывающим устройством 36, устанавливается регулирующее запорное устройство 38 (фиг. 2).

С целью достижения лучших эксплуатационных качеств установки каждый из идентичных отводов 14 разделенных сред каждой вихревой трубы 6, не сообщенных с воздухоразделяющей установкой 1, соединяется трубопроводом 39 с соответствующей идентичным отводам 14 герметичной емкостью 40, которая в свою очередь трубопроводом 41 соединяется со своим отсасывающим устройством 42, а на трубопроводе 39, соединяющем отвод 14 разделенной среды из соответствующей вихревой трубы 6, между последней 6 и соответствующей идентичным отводам 14 герметичной емкостью 40 устанавливается регулирующее запорное устройство 43 (фиг. 7). При этом также целесообразно устанавливать регулирующее запорное устройство 44 на каждом трубопроводе 41, соединяющем соответствующую идентичным отводам герметичную емкость 40 со своим отсасывающим устройством 42 (фиг. 7).

При частичном предварительном разделении воздуха в вихревом устройстве 2 регулирование количества воздуха, всасываемого компрессором воздухоразделяющей установки 1 непосредственно из атмосферы, осуществляется регулирующим запорным устройством 46, устанавливаемым на всасывающем трубопроводе 45 вышеуказанного компрессора (фиг. 1 - 7).

При частичном разделении воздуха в вихревом устройстве 2 от всего потока, входящего в воздухоразделяющую установку 1, для исключения местных концентраций воздуха с повышенным содержанием кислорода внутри компрессора на входном участке всасывающего трубопровода 47 компрессора (фиг. 4) воздухоразделяющей установки 1 за местом входа воздуха, поступающего в первый из вихревых устройств 2, в направлении движения потока устанавливается устройство для смешения сред, а именно, для смешения обогащенного кислородом воздуха в вихревом устройстве 2 и воздуха, поступающего непосредственно из атмосферы в воздухоразделяющую установку 1 (фиг. 4).

Таким образом, изобретение позволяет при использовании преимуществ разделения воздуха в отдельности в вихревом устройстве и в воздухоразделяющей установке глубокого охлаждения достичь новый результат значительного снижения энергозатрат при их совместном использовании в комбинированной воздухоразделяющей установке глубокого охлаждения, а именно, при высоком качестве разделения воздуха значительно снизить энергозатраты на воздухоразделение.

Изобретение может широко использоваться при создании новых и модернизации действующих воздухоразделяющих установок глубокого охлаждения на заводах для производства товарного газообразного и жидкого кислорода и других газов, на кислородных станциях металлургических, химических и машиностроительных предприятий.

Формула изобретения

1. Способ повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения в комбинированной установке, содержащей воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, включающую масляный фильтр, по крайней мере четыре ступени компрессора, четыре масловлагоотделителя и три холодильника, по меньшей мере блок очистки от двуокиси углерода, концевой холодильник, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов и теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, включающий очистку воздуха от пыли и механических примесей, сжатие воздуха в ступенях компрессора, очистку сжатого воздуха от углекислого газа, его осушку и очистку от углеводородов, сжижение и ректификацию воздуха для разделения по крайней мере на кислород, азот, извлечение редких газов и накопление разделенных газов, отличающийся тем, что по меньшей мере часть воздуха до разделения в указанной воздухоразделяющей установке подвергается предварительному его разделению по меньшей мере в одном вихревом устройстве для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, обеспечивающему повышенное содержание, например, кислорода на входе в воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, один из выходов которого сообщен с входом в указанную воздухоразделяющую установку, а комбинированная установка содержит по меньшей мере одно вихревое устройство, включающее завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно с последней, а центральный поток указанной среды отводится по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит указанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего, и каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством.

2. Комбинированная установка для повышения эффективности работы воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения, содержащая воздухоразделяющую установку глубокого охлаждения, включающую последовательно соединенные масляный фильтр, по крайней мере первую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, вторую ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, блок очистки от двуокиси углерода, третью ступень компрессора, холодильник, масловлагоотделитель, четвертую ступень компрессора, концевой холодильник, масловлагоотделитель, и по меньшей мере теплообменник-ожижитель, расположенный в кожухе блока разделения воздуха, влагоотделитель, блок осушки, блок разделения воздуха с по крайней мере колоннами высокого и низкого давлений и трубопроводами с оборудованием для накопления разделенных газов, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно вихревое устройство, включающее завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно с последней с возможностью отвода центрального потока указанной среды по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит указанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего, и каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством, при этом один из выходов вихревого устройства сообщен с входом в указанную воздухоразделяющую установку.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что на каждом участке трубопровода, индивидуальном для соответствующей вихревой трубы и общим по меньшей мере на две вихревые трубы, соединяющего отвод разделенной среды каждой последней с входом в воздухоразделяющую установку, установлено регулирующее запорное устройство.

4. Установка по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что отвод разделенной среды каждой вихревой трубы, сообщаемый с воздухоразделяющей установкой, соединен трубопроводом с промежуточной емкостью, а последняя соединена трубопроводом с входом в воздухоразделяющую установку, при этом на каждом из указанных трубопроводов установлено регулирующее запорное устройство.

5. Установка по пп.2 - 4, отличающаяся тем, что каждая вихревая труба своим входом соединена трубопроводом с выходом по меньшей мере одного и того же масляного фильтра воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения, а одним из идентичных для вихревых труб отводом разделенных сред указанная труба соединена трубопроводом с входом в компрессор воздухоразделяющей установки.

6. Установка по пп.2, 4 и 5, отличающаяся тем, что промежуточная емкость сообщена трубопроводом с атмосферой.

7. Установка по пп.2 и 6, отличающаяся тем, что на трубопроводе, сообщающем промежуточную емкость с атмосферой, установлено регулирующее запорное устройство.

8. Установка по пп.2 - 7, отличающаяся тем, что вход каждого вихревого устройства сообщен трубопроводом с нагнетающим устройством, обеспечивающим подачу воздуха в указанные устройства.

9. Установка по пп.2 и 8, отличающаяся тем, что на входе в каждое вихревое устройство установлено индивидуальное нагнетающее устройство.

10. Установка по пп.2 и 8, отличающаяся тем, что на входе в группу параллельно соединенных вихревых устройств установлено одно нагнетающее устройство.

11. Установка по пп.2, 8 - 10, отличающаяся тем, что на каждом трубопроводе, соединяющем нагнетающее устройство с входом в вихревую трубу соответствующего вихревого устройства, установлено регулирующее запорное устройство.

12. Установка по пп. 2, 7 - 11, отличающаяся тем, что на входе в трубопровод, сообщающий промежуточную емкость с атмосферой, перед регулирующим запорным устройством в направлении движения потока воздуха установлено нагнетающее устройство.

13. Установка по пп.2 - 12, отличающаяся тем, что каждый из идентичных отводов разделенных сред каждой вихревой трубы, не сообщенных с воздухоразделяющей установкой, соединен трубопроводом по меньшей мере с одним и тем же из соответствующей группы идентичных указанных отводов отсасывающим устройством.

14. Установка по пп.2 и 13, отличающаяся тем, что на каждом входном участке трубопровода соответствующего отсасывающего устройства, сообщающего соответствующие идентичные отводы вихревых труб с указанным отсасывающим устройством, установленно регулирующее запорное устройство.

15. Установка по пп.2 - 12, отличающаяся тем, что каждый из идентичных отводов разделенных сред каждой вихревой трубы, не сообщенных с воздухоразделяющей установкой, соединен трубопроводом с соответствующей идентичным отводам герметичной емкостью, а последняя соединена трубопроводом со своим отсасывающим устройством, при этом на трубопроводе, соединяющем отвод разделенной среды из соответствующей вихревой трубы, между последней и соответствующей идентичным отводам герметичной емкостью установлено регулирующее запорное устройство.

16. Установка по пп.2 и 15, отличающаяся тем, что на каждом трубопроводе, соединяющем соответствующую идентичным отводам герметичную емкость со своим отсасывающим устройством, установлено регулирующее запорное устройство.

17. Установка по пп.2 - 16, отличающаяся тем, что на всасывающем трубопроводе воздуха непосредственно из атмосферы воздухоразделяющей установки установлено регулирующее запорное устройство.

18. Установка по пп. 2 - 17, отличающаяся тем, что на входном участке всасывающего трубопровода компрессора воздухоразделяющей установки глубокого охлаждения за местом входа воздуха, поступающего в первый из вихревых устройств, в направлении движения потока установлено устройство для смешения сред.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12