Способ и установка для производства инертных газов и кислорода посредством криогенной перегонки воздуха

Изобретение относится к способу и установке для производства инертных газов и кислорода посредством криогенной перегонки воздуха. Способ производства инертных газов и кислорода посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну среднего давления, одну колонну низкого давления и одну вспомогательную колонну, состоит из следующих стадий: отводят выпуск промежуточного потока с промежуточного уровня колонны среднего давления и перемещают его в колонну низкого давления; отводят выпуск потока из колонны среднего давления, который обогащен кислородом по отношению к выпуску промежуточного потока, и перемещают его в резервуар вспомогательной колонны; отводят выпуск богатого азотом потока из верхней части колонны низкого давления; отводят выпуск потока жидкости, богатого кислородом, из резервуара колонны низкого давления как продукт, чтобы образовать газообразный продукт; и отводят выпуск потока жидкости, обогащенного кислородом, из вспомогательной колонны, который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению к выпуску второго обогащенного кислородом потока, и перемещают выпуск потока жидкости, содержащий, по меньшей мере, 78 мол.% азота, в виде флегмы во вспомогательную колонну. Использование изобретения позволит повысить выход криптона и ксенона. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и установке для производства кислорода и инертных газов посредством перегонки воздуха.

Бедная смесь криптона/ксенона традиционно производится из продувочных газов основного испарителя двойной колонны разделения воздуха (см. «Tieftemperaturtechnik» by Hausen and Linde, 1985 edition, pp.337-340 and «Separation of Gases» by Isalski, 1989 edition, pp.96-98). Произведенный кислород затем отводят из колонны низкого давления несколькими тарелками выше испарителя. Если кислород отводят в газообразной форме, это устройство дает возможность извлечения существенной доли криптона, присутствующего в воздухе, и всего ксенона.

Однако в случае установки, производящей кислород так называемыми способами «нагнетания», примерно 30% криптона и ксенона, присутствующих в воздухе, «теряются» с жидким кислородом, отводимым из колонны низкого давления.

В DE-А-2603505 описана установка разделения воздуха, в которой текучая среда, содержащая криптон и ксенон, производится в очистной колонне, в которую подают два потока богатой жидкости, поступающие из колонны среднего давления, причем повторное испарение в очистной колонне обеспечивается посредством испарителя, в который подают газ верхнего погона из колонны аргона.

Одной целью настоящего изобретения является предложение систем для повышения выхода криптона и ксенона из установок, производящих газообразный кислород посредством нагнетания и испарения жидкого кислорода (или, в более общем виде, из установок с существенным отводом жидкого кислорода из нижней части колонны низкого давления) и предпочтительно также производящих аргон.

Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы иметь основной испаритель с высоким содержанием кислорода и массивной продувкой и, таким образом, ограничить в значительной степени концентрации углеводородов/примесей (преимущество нагнетаемой «окситонны»), что не характерно для традиционной схемы производства бедной смеси криптона и ксенона.

Одним предметом изобретения является способ для производства кислорода и инертных газов посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну среднего давления, одну колонну низкого давления и одну вспомогательную колонну, причем в этом способе:

i) по меньшей мере, один поток охлажденного и очищенного воздуха направляют в колонну среднего давления, в которой его разделяют;

ii) по меньшей мере, один обогащенный азотом поток отводят из колонны среднего давления и, по меньшей мере, одну часть этого потока направляют напрямую или не напрямую в колонну низкого давления;

iii) промежуточный поток отводят с промежуточного уровня колонны среднего давления;

iv) поток, обогащенный кислородом по отношению к промежуточному потоку, отводят из нижней части колонны среднего давления и направляют в нижнюю часть вспомогательной колонны;

v) богатый азотом поток отводят из верхней части колонны низкого давления;

vi) богатый кислородом поток жидкости отводят из колонны низкого давления, как продукт, необязательно после ступени испарения, чтобы образовать газообразный продукт; и

vii) обогащенный кислородом поток, который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению ко второму обогащенному кислородом потоку, отводят из вспомогательной колонны,

отличающийся тем, что промежуточный поток направляют в колонну низкого давления и поток жидкости, содержащий, по меньшей мере, 78 мол.% азота, направляют в качестве флегмы во вспомогательную колонну.

Предпочтительно поток жидкости, направляемый в качестве флегмы во вспомогательную колонну, представляет собой сжиженный воздух и/или жидкость, обогащенную азотом, по отношению к потоку сжиженного воздуха, направляемому в колонну среднего давления.

В соответствии с дополнительными аспектами:

- нижнюю часть вспомогательной колонны нагревают посредством газа верхнего погона из колонны аргона;

- сжиженный воздух и/или жидкость, обогащенную азотом по отношению к воздуху, производят посредством теплообмена с богатым кислородом потоком жидкости, поступающим из нижней части колонны низкого давления, необязательно после ступени повышения давления;

- обогащенная азотом жидкость содержит, по меньшей мере, 80 мол.% азота;

- сжиженный воздух не поступает из колонны среднего давления, поток жидкости, направляемый в верхнюю часть вспомогательной колонны, более богат азотом, чем промежуточный поток; по меньшей мере, 10% произведенного кислорода отводят в форме жидкости из колонны низкого давления.

Другим предметом изобретения является установка для производства кислорода и инертных газов посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну среднего давления, одну колонну низкого давления и одну вспомогательную колонну, причем установка содержит:

i) средство для направления, по меньшей мере, одного потока охлажденного и очищенного воздуха в колонну среднего давления, где его разделяют;

ii) средство для отвода, по меньшей мере, первого обогащенного азотом потока из колонны среднего давления, и средство для направления, по меньшей мере, одной части этого потока напрямую или не напрямую в колонну низкого давления;

iii) средство для отвода богатого азотом потока из верхней части колонны низкого давления;

iv) средство для отвода промежуточного потока с промежуточного уровня колонны среднего давления;

v) средство для направления потока, более богатого кислородом, чем промежуточный поток, из нижней части колонны среднего давления в нижнюю часть вспомогательной колонны;

vi) средство для направления потока жидкости в качестве флегмы во вспомогательную колонну;

vii) средство для отвода богатого кислородом потока жидкости из нижней части колонны низкого давления в качестве продукта, необязательно после ступени испарения, с образованием газообразного продукта; и

viii) средство для отвода третьего обогащенного кислородом потока, который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению ко второму обогащенному кислородом потоку, из вспомогательной колонны,

отличающаяся тем, что она включает средство для направления в качестве потока флегмы во вспомогательную колонну сжиженного воздуха или потока жидкости, обогащенного азотом по отношению к потоку жидкого воздуха, направляемому в колонну среднего давления.

В соответствии с другими дополнительными аспектами установка включает:

- очистную колонну, средство для направления третьего обогащенного кислородом потока в верхнюю часть очистной колонны и средство для отвода четвертого обогащенного кислородом потока, образующего смесь, обогащенную криптоном и ксеноном, по меньшей мере, на несколько теоретических тарелок ниже в колонне; и

- трубопровод теплообмена, в котором сжиженный воздух и/или жидкость, обогащенные азотом по отношению к воздуху, производятся путем теплообмена с богатым кислородом потоком жидкости, поступающим из нижней части колонны низкого давления необязательно после ступени повышения давления.

Изобретение будет теперь описано со ссылкой на фиг. с 1 по 9, которые представляют собой схемы, на которых показан принцип действия установок в соответствии с изобретением.

В примере, показанном на фиг.1, двойная колонна разделения воздуха содержит колонну К01 среднего давления и колонну К02 низкого давления, которые термически объединены посредством основного испарителя Е02, который используется для конденсации, по меньшей мере, части газообразного верхнего погона азота из колонны К01 среднего давления посредством теплообмена с кислородом из нижней части колонны К02.

В колонну К10 аргона подают обогащенную аргоном текучую среду 7, поступающую из колонны К02 низкого давления, а обогащенная аргоном жидкость 9 возвращается из колонны К10 аргона в колонну К02 низкого давления. Богатый аргоном поток АРГОН отводится из верхней части колонны К10.

В случае установок нагнетания часть сухого и декарбонизированного воздуха сжимают в нагнетателе воздуха (не показан) вплоть до такого давления, которое достаточно для того, чтобы дать возможность испарения необязательно нагнетаемого кислорода. Затем он конденсируется в основном трубопроводе теплообмена (не показан). На холодном конце основного трубопровода теплообмена этот поток расширяется в вентиле или в гидравлической турбине. Жидкая фаза ЖИДКИЙ ВОЗДУХ этой текучей среды может затем быть распределена в виде потоков 1, 3 и 5 между колонной К01 среднего давления, колонной К02 низкого давления и вспомогательной колонной К05 соответственно. Жидкость содержит 78 мол.% азота.

Другую часть воздуха среднего давления, ВОЗДУХ СД, охлаждают в основном трубопроводе теплообмена и направляют в нижнюю часть колонны К01 среднего давления.

Принцип настоящего изобретения заключается в концентрации криптона и ксенона в богатой жидкости БЖ2, которую затем обрабатывают во вспомогательной колонне К05.

Следовательно, из колонны К01 среднего давления отводятся две богатые жидкости БЖ1 и БЖ2, а именно «традиционная» богатая жидкость, БЖ1, отводимая с промежуточного уровня несколькими тарелками выше нижней части колонны и содержащая малое количество криптона и ксенона, и богатая кубовая жидкость, БЖ2, в которой концентрированы криптон и ксенон. Данная «традиционная» богатая жидкость БЖ1 может быть затем направлена в колонну К02 после переохлаждения.

Богатую кубовую жидкость БЖ2 направляют в конденсатор Е10 смеси аргона колонны К10 после переохлаждения (не показано). Тарелки установлены выше этого оборудования для того, чтобы сконцентрировать криптон и ксенон в конденсаторе аргоновой смеси. Этот агрегат образует колонну К05. Часть флегмы из этой колонны обеспечивается посредством части 5 жидкого воздуха, ЖИДКИЙ ВОЗДУХ, не поступающей в колонну К01, после того как она была переохлаждена. Другая часть флегмы обеспечивается за счет части 15 средней жидкости 11, традиционно направляемой в колонну К02 через трубопровод 13 и содержащей, по меньшей мере, 80 мол.% азота. Газ 16 отводят с промежуточного уровня колонны К05 ниже точек инжекции флегмы, и он образует испаренную богатую жидкость. Затем его рециркулируют в колонну К02. Газ верхнего погона ОА2' из колонны К05 образует часть отработанного газа ОА2, покидающего холодильную камеру.

Продувка, ПРОДУВКА, из конденсатора Е10 смеси содержит гораздо больше криптона и ксенона, чем они присутствуют в воздухе и подвергнуты обработке в колоннах К01 и К05. Этот поток питает устройство для концентрации инертных газов. Например, он может быть направлен в колонну бедной смеси криптона/ксенона (К90). Нижняя часть этой колонны содержит продукт, который должен быть обогащен. Пар 17, поступающий из колонны К90, направляется обратно в нижнюю часть колонны К05.

Колонну К90 нагревают посредством потока воздуха, образующего фракцию ВОЗДУХ СД. Сжиженный воздух, произведенный таким образом, может быть направлен обратно в колонну К01 среднего давления и/или в колонну К02 низкого давления.

Произведенный жидкий кислород ЖК отводят в виде кубовой фракции из колонны К02 на одном уровне с основным испарителем Е02. В отличие от традиционной схемы для производства криптона и ксенона основной испаритель поэтому подвергается массивной продувке.

Жидкий кислород ЖК предпочтительно сжимают посредством насоса и затем испаряют в трубопроводе теплообмена или заранее определенном испарителе посредством теплообмена со сжатым воздухом. Альтернативно для испарения жидкого кислорода ЖК может служить цикл азота.

На следующих фигурах будут представлены различные альтернативные воплощения, производные от фиг.1. Элементы, общие с фиг.1, не будут описаны во второй раз.

В случае фиг.2 весь жидкий воздух, ЖИДКИЙ ВОЗДУХ, поступающий из основного трубопровода теплообмена, направляют в колонну К01. Промежуточная текучая среда в форме жидкости 1' отводится из колонны К01 (предпочтительно на том уровне, где вводится жидкий воздух, или на уровне выше этого уровня). Далее, после переохлаждения, его распределяют между колонной К02 и колонной К05 на два потока 3 и 5. Поток 11, содержащий, по меньшей мере, 80 мол.% азота, направляют в верхнюю часть колонны К05.

В случае фиг.3, на основе фиг.1, одна верхняя секция колонны К05 удалена. Флегма из этой колонны образуется только за счет жидкого воздуха 5, предварительно переохлажденного. Этот жидкий воздух производят посредством испарения жидкого кислорода ЖК, нагнетаемого и испаряемого в трубопроводе теплообмена. Всю бедную жидкость 13 направляют в колонну К02 низкого давления.

Кроме того, весь жидкий воздух, ЖИДКИЙ ВОЗДУХ, присутствующий на выходе из трубопровода теплообмена, может быть отведен из колонны К01 (предпочтительно в точке введения жидкого воздуха) и затем распределен между колонной К02 и колонной К05 после переохлаждения, как показано на фиг.4.

В случае, показанном на фиг.5 и 6, на основе фиг.3 и 4, отработанный газ ОА2' из колонны К05 направляют обратно в колонну К02 ниже точки введения бедной жидкости 13.

В случае на фиг.7, на основе фиг.5, поток 16 опущен и заменен потоком отработанного азота ОА2', направленным из верхней части вспомогательной колонны К05 в промежуточную точку в колонне низкого давления.

На всех фигурах, описанных выше (фиг. с 1 по 7), возможно объединить установку с традиционной схемой для производства криптона и ксенона. Чтобы сделать это, необходимо установить тарелки для обогащения в нижней части колонны К02. Жидкий кислород ЖК производится несколькими тарелками выше основного испарителя Е02. Продувка 21 отводится на уровне основного испарителя Е02. Она содержит примерно 70 мол.% криптона и весь ксенон, присутствующий в колонне К02. Ее направляют в колонну К90 для того, чтобы извлечь инертные газы.

Пример приведен на фиг.8.

На всех упомянутых выше фигурах (фиг. с 1 по 8) упомянуто совместное производство аргона. Однако возможно смонтировать установки, описанные выше, на установке, которая не производит аргона. Например, достаточно установить теплообменник для конденсации фракции газа 7, отведенного из колонны К02. Как только его сжижают, его направляют (9) в колонну К02. Таким образом, это обеспечивает повторное испарение в колонне К05.

Пример приведен на фиг.9.

В случае схемы с турбовоздуходувкой воздух для продувки направляют в нижнюю часть колонны К05 для того, чтобы извлечь криптон и ксенон, которые в нем содержатся.

Кроме того, схемы, показанные на фиг. с 1 по 9, могут также включать перегонные агрегаты, как, например, колонну Этьенна (колонна, которая работает при промежуточном давлении между средним и нижним давлениями и в которую подают богатую жидкость). В этом случае возможно произвести модификацию верхнего конденсатора колонны Этьенна путем замены колонны К10 аргона по фиг. с 1 по 9 колонной Этьенна в соответствии с тем же принципом: добавления тарелок над конденсатором для того, чтобы произвести концентрирование инертных газов.

Вероятно, что также перспективно не направлять весь жидкий воздух в верхнюю часть вспомогательной колонны, но вводить в это входное отверстие колонны только поток, который обеспечивает L/V (отношение расхода стекающей жидкости к расходу поднимающегося газа в секции перегонки), нужное для концентрирования Kr и Xe в нижней части К05, ограничивая тем самым концентрацию кислорода в нижней части К05. Остаток потока жидкого воздуха затем направляют с богатой жидкостью БЖ2 в нижнюю часть вспомогательной колонны.

1. Способ производства кислорода и инертных газов посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну (К01) среднего давления, одну колонну (К02) низкого давления и, по меньшей мере, одну вспомогательную колонну (К05), причем в этом способе

i) по меньшей мере, один поток охлажденного и очищенного воздуха (1) направляют в колонну среднего давления, в которой его разделяют;

ii) по меньшей мере, первый обогащенный азотом поток (11) отводят из колонны среднего давления, и, по меньшей мере, одну часть этого потока направляют, напрямую или не напрямую, в колонну низкого давления;

iii) промежуточный поток (БЖ1) отводят с промежуточного уровня колонны среднего давления;

iv) поток (БЖ2), обогащенный кислородом по отношению к промежуточному потоку, отводят из нижней части колонны среднего давления и направляют в нижнюю часть вспомогательной колонны;

v) богатый азотом поток (ОА2) отводят из верхней части колонны низкого давления;

vi) богатый кислородом поток жидкости (ЖК) отводят из колонны низкого давления в виде продукта, необязательно после стадии испарения для того, чтобы образовать газообразный продукт; и

vii) обогащенный кислородом поток (ПРОДУВКА), который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению к второму обогащенному кислородом потоку, отводят из вспомогательной колонны, отличающийся тем, что промежуточный поток (БЖ1) направляют в колонну низкого давления, и, по меньшей мере, один поток (5, 15) жидкости, содержащий, по меньшей мере, 78 мол.% азота, направляют в виде флегмы во вспомогательную колонну.

2. Способ по п.1, в котором третий обогащенный кислородом поток (ПРОДУВКА) направляют в верхнюю часть очистной колонны (К90), а четвертый обогащенный кислородом поток (СМЕСЬ), образующий смесь, обогащенную криптоном и ксеноном, отводят, по меньшей мере, на несколько теоретических тарелок ниже в колонне.

3. Способ по п.1 или 2, в котором поток (5) жидкости, направляемый в виде флегмы, во вспомогательную колонну (К05), представляет собой сжиженный воздух и/или жидкость, обогащенную азотом по отношению к потоку сжиженного воздуха, направляемому в колонну среднего давления.

4. Способ по п.1 или 2, в котором нижнюю часть вспомогательной колонны нагревают с помощью газа верхнего погона из колонны (К 10) аргона.

5. Способ по п.3, в котором сжиженный воздух (5) и/или жидкость, обогащенную азотом по отношению к воздуху, получают посредством теплообмена с богатым кислородом потоком жидкости (ЖК), поступающим из нижней части колонны низкого давления, необязательно после ступени повышения давления.

6. Способ по п.3, в котором обогащенная азотом жидкость (15) содержит, по меньшей мере, 80 мол.% азота.

7. Способ по п.3, в котором сжиженный воздух (5) не поступает из колонны среднего давления.

8. Способ по п.1 или 2, в котором поток (5, 15) жидкости, направляемый в верхнюю часть вспомогательной колонны, более богат азотом, чем промежуточный поток.

9. Способ по п.1 или 2, в котором, по меньшей мере, 10% произведенного кислорода отводят в форме жидкости из колонны низкого давления.

10. Установка для производства кислорода и инертных газов посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну (К01) среднего давления, одну колонну (К02) низкого давления и одну вспомогательную колонну (КОЗ), причем эта установка содержит

i) средство (1) для направления, по меньшей мере, одного потока охлажденного и очищенного воздуха в колонну среднего давления, где он разделяется;

ii) средство для отвода, по меньшей мере, первого обогащенного азотом потока (11) из колонны среднего давления, и средство для направления, по меньшей мере, одной части этого потока, напрямую или не напрямую, в колонну низкого давления;

iii) средство для отвода богатого азотом потока (ОА2) из верхней части колонны низкого давления;

iv) средство для отвода промежуточного потока (БЖ1) с промежуточного уровня колонны среднего давления;

v) средство для направления потока, более богатого кислородом, чем промежуточный поток, из колонны среднего давления в нижнюю часть вспомогательной колонны;

vi) средство для направления потока (5, 15) жидкости в виде флегмы во вспомогательную колонну;

vii) средство для отвода богатого кислородом потока жидкости (ЖК) из нижней части колонны низкого давления в виде продукта, необязательно после ступени испарения, чтобы образовать газообразный продукт; и

viii) средство для отвода третьего обогащенного кислородом потока (ПРОДУВКА), который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению ко второму обогащенному кислородом потоку, из вспомогательной колонны, отличающаяся тем, что она включает средство для направления, в качестве потока флегмы, во вспомогательную колонну, сжиженного воздуха или потока жидкости, обогащенного азотом по отношению к потоку жидкого воздуха, направляемому в колонну среднего давления.

11. Установка по п.10, которая включает очистную колонну (К90), средство для направления третьего обогащенного кислородом потока (ПРОДУВКА) в верхнюю часть очистной колонны, и средство (СМЕСЬ) для отвода четвертого обогащенного кислородом потока, образующего смесь, обогащенную криптоном и ксеноном, по меньшей мере, на несколько теоретических тарелок ниже в колонне.

12. Установка по п.10 или 11, которая включает трубопровод теплообмена, в котором сжиженный воздух и/или жидкость, обогащенную азотом по отношению к воздуху, получают путем теплообмена с богатым кислородом потоком жидкости, поступающим из нижней части колонны низкого давления необязательно после ступени повышения давления.