Способ низкотемпературного разделения воздуха в установке для разделения воздуха и установка для разделения воздуха
Группа изобретений относится к разделению воздуха. Охлажденный воздух (AIR) при первом разделительном давлении в первой разделительной колонне (S1) разделяют на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию. Дополнительный охлажденный воздух (AIR) в смесительной колонне (M) при давлении смесительной колонны сжижают с получением нижней фракции смесительной колонны посредством прямого теплообмена с жидким, насыщенным кислородом, потоком. Насыщенный кислородом поток получают по меньшей мере частично из обогащенной кислородом нижней фракции из первой разделительной колонны (S1). Дополнительный охлажденный воздух (AIR) во второй разделительной колонне (S2) при втором разделительном давлении так же разделяют на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию. Обогащенную азотом головную фракцию второй разделительной колонны (S2) охлаждают по меньшей мере частично нижней фракцией из смесительной колонны (M). Обогащенную азотом головную фракцию второй разделительной колонны (S2) проводят по меньшей мере частично через камеру сжижения дефлегматора (E2) второй разделительной колонны (S2). Дефлегматор (E2) выполнен в виде конденсатора-испарителя, испарительную камеру которого эксплуатируют при давлении испарительной камеры, которое находится между давлением смесительной колонны и третьим разделительным давлением. При третьем разделительном давлении получают жидкий, насыщенный кислородом, поток в третьей разделительной колонне (S3). В дефлегматор (E2) в жидком виде при давлении испарительной камеры подводят по меньшей мере часть нижней фракции из смесительной колонны (M), причем в качестве первого разделительного давления используют давление, которое по меньшей мере на 0,5 бар выше, чем давление, которое используют в качестве второго разделительного давления. Установка для разделения воздуха содержит первую разделительную колонну (S1), смесительную колонну (M), вторую разделительную колонну (S2) и третью разделительную колонну (S3), выполненные с возможностью осуществления способа. Техническим результатом является повышение эффективности разделения воздуха. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу низкотемпературного разделения воздуха с использованием смесительной колонны и к установке для разделения воздуха, которая приспособлена для осуществления соответствующего способа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Производство кислорода или насыщенных кислородом смесей, называемых далее продуктами кислорода, осуществляется, как правило, посредством низкотемпературного разделения воздуха в установках для разделения воздуха с известными, по существу, системами дистилляционных колонн. Эти системы могут быть выполнены в виде систем с двумя колоннами, в частности в виде классических систем со сдвоенными колоннами, а также в виде систем с тремя или несколькими колоннами. Кроме того, могут быть предусмотрены устройства для получения дальнейших компонентов воздуха, в частности инертных газов, таких как криптон, ксенон и/или аргон.
Для ряда промышленных применений требуется, по меньшей мере, не исключительно чистый кислород. Это открывает возможность оптимизировать установки для разделения воздуха с точки зрения их капитальных и эксплуатационных расходов, в частности с точки зрения их энергопотребления (см. в качестве примера главу 3.8 в Керри, F.G.: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification. Boca Ration: CRC Press, 2006).
Для этого среди прочего могут использоваться установки для разделения воздуха с так называемыми смесительными колоннами, которые известны уже в течение долгого времени. Соответствующие установки и способы раскрыты, например в DE 2204376 A1 (соответствует US 4022 30 A), US 5454227 A, US 5490391 A, DE 19803437 A1, DE 19951521 A1, EP 1139046 B1 (US 2001/052244 A1), EP 1284404 A1 (US 6662595 B2), DE 10209421 A1, DE 10217093 A1, EP 1376037 B1 (US 6776004 B2), EP 1387136 A1 и EP 1666824 A1. Другие установки для разделения воздуха, которые могут быть выполнены в виде систем с тремя колоннами и имеют смесительные колонны, раскрыты, например в US 4818262 A, US 5715706 A, EP 1139046 B1 и US 4783208 A. Установка для разделения воздуха, включающая в себя систему с тремя колоннами, также раскрыта в DE 102009023900 A1.
В смесительную колонну в верхней области подводится жидкий, насыщенный кислородом поток, а в нижней области газообразный поток воздуха, причем эти потоки направляются навстречу друг другу. Благодаря интенсивному контакту определенная часть более летучего азота переходит из потока воздуха в насыщенный кислородом поток. Насыщенный кислородом поток испаряется в смесительной колонне и на ее верхнем конце оттягивается в виде газообразного, так называемого нечистого кислорода. Нечистый кислород может извлекаться из установки для разделения воздуха в виде газообразного продукта кислорода.
Поток воздуха со своей стороны сжижается, обогащается в определенном объеме кислородом и может оттягиваться на нижнем конце смесительной колонны. Затем сжиженный поток может подводиться в используемую систему дистилляционных колонн в месте, которое подходит с энергетической и/или технической относительно разделения точки зрения. Благодаря использованию смесительной колонны необходимая для разделения веществ энергия может существенно сокращаться за счет чистоты газообразного продукта кислорода.
Для установок разделения воздуха, в частности для установок разделения воздуха со смесительными колоннами, существует потребность в улучшениях, которые повышают общий коэффициент полезного действия и сокращают потребляемую мощность.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В свете вышеизложенного изобретение предлагает способ для низкотемпературного разделения воздуха с использованием смесительной колонны и приспособленную для осуществления соответствующего способа установку для разделения воздуха с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, а также последующего описания.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение исходит из способа для разделения воздуха, в котором охлажденный воздух при первом разделительном давлении в первой разделительной колонне системы дистилляционных колонн разделяется, по меньшей мере, на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию.
Как уже упоминалось, разделение воздуха может происходить, например, с использованием систем со сдвоенными колоннами. Подобные системы со сдвоенными колоннами включают в себя так называемую разделительную колонну высокого давления и разделительную колонну низкого давления. В разделительную колонну высокого давления подводится сжатый и охлажденный до температуры, близкой к его температуре конденсации, воздух. В разделительной колонне высокого давления осуществляется разделение этого воздуха на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию. Обогащенная кислородом нижняя фракция извлекается, по меньшей мере, частично из разделительной колонны высокого давления и переносится в разделительную колонну низкого давления.
В разделительной колонне низкого давления, по меньшей мере, из обогащенной кислородом нижней фракции из разделительной колонны высокого давления получается насыщенная кислородом жидкая фракция, которая оседает в нижней части разделительной колонны низкого давления. Однако в разделительную колонну низкого давления могут также подводиться дополнительные потоки, например нижняя фракция из смесительной колонны.
В данной заявке вещества и смеси веществ обозначаются также как потоки и фракции. Поток проводится, как правило, в виде жидкости в приспособленном для этого трубопроводе (линии). Фракция, как правило, обозначает выделенную из исходной смеси часть исходной смеси. В любой момент времени фракция может образовывать соответствующий поток, если она проводится соответствующим образом. Поток же наоборот может служить, например, для приготовления исходной смеси, из которой может выделяться фракция.
Поток или фракция могут быть насыщенными или ненасыщенными одним или несколькими содержащимися компонентами, причем "насыщенный" может приходиться на часть более чем 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 99,5% или 99,9%, а "ненасыщенный" на часть менее чем 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 1%, 0,5% или 0,1% в каждом случае из расчета на моли, вес и/или объем. Кроме того, поток или фракция могут быть обогащенными или обедненными в отношении компонента по сравнению с исходной смесью, причем "обогащенный" может приходиться на минимум 1,5-кратное, 2-кратное, 3-кратное, 5-кратное, 10-кратное или 100-кратное содержание, а "обедненный" на максимум 0,75-кратное, 0,5-кратное, 0,25-кратное, 0,1-кратное или 0,01-кратное содержание, в каждом случае отнесенное к соответствующему содержанию в соответствующей исходной смеси. Понятия включают в себя также в каждом случае диапазоны значений, например с упомянутыми значениями в качестве верхних и нижних границ.
Обычные разделительные колонны высокого давления работают при разделительном давлении, например от 5 до 7,5 бар, в частности от 5,5 до 6 бар. Обычные разделительные колонны низкого давления работают при разделительном давлении, например от 1,3 до 1,8 бар, в частности от 1,3 до 1,6 бар. Говоря об этих и последующих исходных значениях, речь идет об абсолютном давлении.
Разделительная колонна высокого давления и разделительная колонна низкого давления могут быть также отделены друг от друга, по меньшей мере, конструктивно. В этом случае речь идет об упомянутых вначале системах с двумя колоннами. Иногда разделительная колонна высокого давления обозначается также как разделительная колонна среднего давления. В рамках данного изобретения могут также использоваться системы с несколькими колоннами и/или системы дистилляционных колонн, которые приспособлены для получения дополнительных компонентов из воздуха.
Тем не менее, все подобные системы имеют, по меньшей мере, одну колонну, в которой охлажденный воздух при определенном рабочем давлении, которое здесь обозначается как разделительное давление, разделяется, по меньшей мере, на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию. В рамках этой заявки подобная разделительная колонна обозначается как первая разделительная колонна, а соответствующее давление как первое разделительное давление.
Кроме того, в рамках данного изобретения используется смесительная колонна, в которой охлажденный воздух, который подводится в смесительную колонну в газообразном состоянии, сжижается посредством прямого теплообмена с жидким, насыщенным кислородом потоком. Охлажденный воздух подводится в нижней области смесительной колонны, а жидкий, насыщенный кислородом поток в верхней области. Оба потока направляются навстречу друг другу. Как уже упоминалось, благодаря интенсивному обмену между обоими потоками кислород из жидкого, насыщенного кислородом потока накапливается в воздухе, а жидкий, насыщенный кислородом поток наоборот загрязняется, в частности, азотом из воздуха. Это происходит также при определенном давлении, которое обозначается здесь как давление смесительной колонны. В нижней части смесительной колонны сжиженный и обогащенный кислородом воздух оседает в виде нижней фракции смесительной колонны.
Жидкий, насыщенный кислородом поток, который подводится в смесительную колонну, как правило, получается с использованием обогащенной кислородом нижней фракции, по меньшей мере, первой разделительной колонны. Для этого эта фракция, как уже упоминалось, переносится, по меньшей мере, частично в разделительную колонну низкого давления, и из нее выделяется соответствующая, жидкая, насыщенная кислородом фракция.
Дистилляционные колонны систем с дистилляционными колоннами в установках для разделения воздуха, по меньшей мере, частично оснащены так называемым дефлегматором. Это относится, по меньшей мере, к разделительной колонне высокого давления классических систем со сдвоенными колоннами. Дефлегматор разделительной колонны высокого давления, который типичным образом выполнен в виде конденсатора-испарителя, как правило, обозначается также как основной конденсатор. В дефлегматоре газообразная текучая среда оттягивается из головной части соответствующей колонны и проводится через дефлегматор. Вследствие этого газообразная текучая среда сжижается, по меньшей мере, частично. У обычных установок для разделения воздуха в основном конденсаторе (то есть в дефлегматоре разделительной колонны высокого давления) газообразный головной продукт (так называемый головной азот) разделительной колонны высокого давления сжижается, по меньшей мере, частично, а нижний продукт разделительной колонны низкого давления, которая расположена над колонной высокого давления, испаряется. Основной конденсатор зачастую располагается внутри разделительной колонны низкого давления (расположенный внутри основной конденсатор); альтернативно он может размещаться в отдельном резервуаре за пределами колонны низкого давления и соединяться с разделительной колонной низкого давления при помощи трубопроводов (расположенный снаружи основной конденсатор).
В конденсаторе-испарителе, который обычно используется в качестве дефлегматора, испаряемая жидкость (обозначаемая также как охлаждающее вещество) испаряется в испарительной камере, по меньшей мере, частично по сравнению с газообразной текучей средой в камере сжижения. Вследствие этого газообразная текучая среда, которая проводится через камеру сжижения, сжижается, по меньшей мере, частично. Таким образом, конденсатор-испаритель имеет камеру сжижения и испарительную камеру. При этом испарительная камера и камера сжижения в каждом случае образуются посредством групп технологических переходов-каналов (переходов сжижения и соответственно испарения), которые сообщаются друг с другом с возможностью прохождения текучей среды. В камере сжижения осуществляется конденсация первого потока текучей среды, а в испарительной камере испарение второго потока текучей среды. При этом оба потока текучих сред находятся в опосредованном теплообмене. Конденсаторы-испарители также обозначаются как ванные испарители.
Согласно изобретению теперь предусмотрено использование второй разделительной колонны с соответствующим, выполненным в виде конденсатора-испарителя дефлегматором, в которую также подводится охлажденный воздух. Эта вторая разделительная колонна эксплуатируется при втором разделительном давлении. В ней воздух также разделяется, по меньшей мере, на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию. Таким образом, речь идет о второй разделительной колонне, которая по сравнению с первой разделительной колонной может эксплуатироваться при отличающемся втором разделительном давлении. Второе разделительное давление может быть ниже, чем первое разделительное давление. Следовательно, вторая разделительная колонна может также обозначаться, например, как вторая разделительная колонна высокого давления или как разделительная колонна среднего давления.
Для отличия от этого в рамках данной заявки разделительная колонна, в которой получается жидкий, насыщенный кислородом поток, который подводится в смесительную колонну, обозначается как третья разделительная колонна. Давление, используемое в третьей разделительной колонне, обозначается как третье разделительное давление. Как уже упоминалось, при этом речь идет, как правило, о разделительной колонне низкого давления.
Кроме того, согласно изобретению предусмотрено охлаждение обогащенной азотом головной фракции второй разделительной колонны при помощи нижней фракции смесительной колонны, то есть при помощи сжиженного в смесительной колонне и обогащенного кислородом воздуха. Благодаря охлаждению обогащенной азотом головной фракции второй разделительной колонны эта головная фракция может сжижаться, так что она может снова подаваться во вторую разделительную колонну.
Для этого в рамках данного изобретения вторая разделительная колонна оснащается упомянутым дефлегматором, который выполнен в виде конденсатора-испарителя, и испарительная камера которого эксплуатируется при давлении, которое находится между давлением смесительной колонны и третьим разделительным давлением, при котором получается жидкий, насыщенный кислородом поток в третьей разделительной колонне. Давление, при котором эксплуатируется эта испарительная камера, обозначается здесь как давление испарительной камеры. В испарительную камеру в жидком виде при давлении испарительной камеры подводится, по меньшей мере, часть нижней фракции смесительной колонны. Нижняя фракция смесительной колонны образует в испарительной камере дефлегматора второй разделительной колонны жидкостную ванну. Головная фракция второй разделительной колонны проводится, по меньшей мере, частично через камеру сжижения дефлегматора и тем самым нагревает жидкостную ванну. Вследствие этого жидкостная ванна непрерывно испаряется, а головная фракция второй разделительной колонны, по меньшей мере, частично сжижается.
Как будет разъясняться еще также далее, благодаря использованию нижней фракции смесительной колонны для охлаждения головной фракции второй разделительной колонны данное изобретение делает возможным разделение используемого воздуха с естественным содержанием его отдельных компонентов при сравнительно низком или даже очень низком втором разделительном давлении. Соответственно, низкое разделительное давление обычно используется только в разделительных колоннах среднего давления, которые, тем не менее, снабжаются, по меньшей мере, частично уже предварительно разделенными в разделительной колонне высокого давления воздушными фракциями. Нижняя фракция смесительной колонны наилучшим образом подходит для охлаждения головной фракции второй разделительной колонны ввиду ее разъясненного ниже состава и ее низкой температуры кипения. Испаренная соответствующим образом нижняя фракция смесительной колонны может в газообразном состоянии подводиться в третью разделительную колонну, например в упомянутую разделительную колонну низкого давления. Незначительная часть нижней фракции смесительной колонны может также отводиться в жидком виде в качестве промывочной жидкости.
Благодаря используемому во второй разделительной колонне низкому разделительному давлению лишь сравнительно небольшая часть воздуха, использованного в соответствующей изобретению установке для разделения воздуха, должна сжиматься на более высокое давление, что экономит мощность компрессора и тем самым является причиной повышения эффективности.
Предпочтительно в качестве первого разделительного давления используется давление, которое, по меньшей мере, на 0,5 бар выше, чем давление, которое используется в качестве второго разделительного давления. Кроме того, в качестве второго разделительного давления предпочтительно используется давление, которое отличается максимум на 0,5 бар от давления, которое используется в качестве давления смесительной колонны. В качестве третьего разделительного давления предпочтительно используется давление, которое, по меньшей мере, на 2 бар ниже давления, которое используется в качестве первого и/или второго разделительного давления. При этом в качестве первого разделительного давления наиболее предпочтительно давление от 4 до 6 бар, в частности от 5,0 до 5,5 бар, и/или в качестве второго разделительного давления наиболее предпочтительно давление от 3 до 5 бар, в частности от 4,0 до 4,5 бар, и/или в качестве третьего разделительного давления наиболее предпочтительно давление от 1 до 2 бар, в частности от 1,2 до 1,6 бар, и/или в качестве давления смесительной колонны наиболее предпочтительно давление от 2 до 5 бар, в частности от 4,0 до 4,5 бар, как разъяснено далее.
Преимущества способа, в котором используются упомянутые значения давления и в котором охлажденный воздух в каждом случае подготавливается с первым разделительным давлением, вторым разделительным давлением и давлением смесительной колонны и подводится в первую разделительную колонну, вторую разделительную колонну и смесительную колонну, разъясняются в дальнейшем.
Благодаря предложенному согласно изобретению способу или в соответствующей установке для разделения воздуха энергию можно экономить, в частности, вследствие того, что не весь воздух должен сжиматься до уровня первого разделительного давления, то есть давления, которое используется в первой разделительной колонне. Как уже упоминалось, первое разделительное давление, как правило, выше, чем второе разделительное давление.
Тем не менее, при низком давлении во второй разделительной колонне, аналогично, как и в первой разделительной колонне, может также получаться обогащенная кислородом нижняя фракция. Эта нижняя фракция вместе с обогащенной кислородом нижней фракцией из первой разделительной колонны может переноситься в третью разделительную колонну, например в так называемую разделительную колонну низкого давления. В третьей разделительной колонне из обеих нижних фракций, то есть из нижней фракции первой разделительной колонны и из нижней фракции второй разделительной колонны, может получаться насыщенная кислородом жидкая фракция. Однако необходимый для этого расход энергии существенно меньше.
При этом в качестве давления испарительной камеры предпочтительно используется давление, которое максимум на 0,5 бар выше, чем давление, которое используется в качестве третьего разделительного давления. При этом нижняя фракция смесительной колонны при помощи клапана расширяется (понижение давления) в испарительную камеру дефлегматора второй разделительной колонны. При этом давление испарительной камеры по возможности регулируется таким образом, что благодаря испаряющейся нижней фракции смесительной колонны с одной стороны может подготавливаться максимальное количество холода, а с другой стороны испаренная часть нижней фракции смесительной колонны может без дополнительных мероприятий вытекать в третью разделительную колонну. Таким образом, давление испарительной камеры предпочтительно, по меньшей мере, немного выше третьего разделительного давления, при котором эксплуатируется третья разделительная колонна.
Тем самым изобретение создает оптимизированный с энергетической точки зрения способ смесительной колонны при помощи второй разделительной колонны. Предложенный способ смесительной колонны подходит в частности для производства продукта кислорода, который получается в газообразном виде и который имеет чистоту от 80 до 98%. Соответствующие продукты могут также получаться при помощи обычных способов смесительной колонны, тем не менее, предложенный способ ввиду меньшей потребности в давлении оптимизирован с точки зрения своей потребляемой мощности. Соответствующий изобретению способ подходит, в частности, для давления выдачи продукта кислорода приблизительно в 4 бар.
В соответствующем изобретению способе, например, основной воздушный компрессор сжимает необходимое в целом количество воздуха, обозначаемое здесь также как совокупный воздух, до давления, например, в 4,6 бар. Сжатый воздух осушается и очищается, например, в адсорбере с молекулярным ситом.
Часть воздуха, например около половины, в этом примере дополнительно сжимается в дополнительном компрессоре до более высокого давления, например до 5,6 бар. Остаток дополнительно не сжимается. Дополнительно сжатый воздух и не сжатый дополнительно воздух охлаждаются в основном теплообменнике. При этом различные части или части потоков дополнительно сжатого воздуха и/или не сжатого дополнительно воздуха могут также охлаждаться до различных температур. Благодаря охлаждению и благодаря потерям в трубопроводе в каждом случае возникает незначительная потеря давления, например от 0,1 до 0,2 бар. Вследствие этого дополнительно сжатый, охлажденный воздух находится под первым разделительным давлением, например в 5,4 бар, а не сжатый дополнительно, охлажденный воздух под вторым разделительным давлением, например в 4,3 бар.
Теперь дополнительно сжатый охлажденный воздух может частично подводиться в первую разделительную колонну и там разделяться. Другая часть воздуха, которая в силу необходимости не была охлаждена до той же температуры, как и подведенная в первую разделительную колонну часть воздуха, может для получения холода понижать свое давление при помощи так называемой вдувной турбины. Воздух с пониженным соответствующим образом давлением может, например, на определенной высоте подводиться в третью разделительную колонну, например разделительную колонну низкого давления.
Тем не менее, дополнительно сжатый охлажденный воздух альтернативно, в частности в том случае, если используется разъясненная ниже турбина смесительной колонны, может также полностью подводиться для этого в первую разделительную колонну и там разделяться.
Одна часть не сжатого дополнительно охлажденного воздуха может подводиться во вторую разделительную колонну, а другая часть в смесительную колонну. Как уже разъяснялось, в смесительной колонне получается нижняя фракция смесительной колонны. Во второй разделительной колонне подведенный воздух разделяется при втором разделительном давлении. Для того чтобы делать возможным разделение при низком, втором, разделительном давлении, например при 4,3 бар, головная фракция из второй разделительной колонны, как уже упоминалось, охлаждается в выполненном в виде конденсатора-испарителя дефлегматоре частью нижней фракции смесительной колонны. Нижняя фракция смесительной колонны подходит для этого наилучшим образом. Она испаряется, например, при давлении около 1,4 бар (то есть при третьем разделительном давлении или немного выше него) и имеет приблизительно 65% кислорода.
Тем не менее, подведенный в смесительную колонну воздух не должен подготавливаться в виде не сжатого дополнительно и охлажденного воздуха или не должен подготавливаться только лишь в таком виде. Например, также возможно использовать турбину смесительной колонны, в которую воздух подводится при более высоком давлении, чем давление смесительной колонны, и в которой соответствующим образом может получаться холод. Воздух, который подводится в турбину смесительной колонны, может подготавливаться в качестве дальнейшей части дополнительно сжатого и охлажденного воздуха, тем не менее, может также осуществляться, например, отдельное дополнительное сжатие, например в бустере, соединенном с турбиной смесительной колонны.
Затем воздух с пониженным в турбине смесительной колонны давлением может подводиться при давлении смесительной колонны в смесительную колонну. В частности это предпочтительно в том случае, если не предусмотрена вдувная турбина, как разъяснялось уже ранее. Тем не менее, в определенных случаях может быть также предусмотрена как вдувная турбина, так и турбина смесительной колонны. Если предусмотрена турбина смесительной колонны, то не сжатый дополнительно и охлажденный воздух может также полностью подводиться во вторую разделительную колонну.
Другими словами могут быть предусмотрены варианты способа, в которых альтернативно относительно друг друга или в каждом случае в подходящей комбинации:
- охлажденный воздух со вторым разделительным давлением и/или с давлением смесительной колонны подготавливается посредством сжатия в основном компрессоре и последующего охлаждения в теплообменнике,
- охлажденный воздух с давлением смесительной колонны подготавливается посредством сжатия в основном компрессоре, последующего дополнительного сжатия в дополнительном компрессоре, последующего охлаждения в теплообменнике и последующего расширения (понижения давления) в расширительной машине, или
- охлажденный воздух с первым разделительным давлением подготавливается посредством сжатия в основном компрессоре, последующего дополнительного сжатия в дополнительном компрессоре и последующего охлаждения в теплообменнике.
Вместо снабжаемой охлажденным воздухом вдувной турбины и/или турбины смесительной колонны может также использоваться так называемая PGAN-турбина. Для этого содержащий азот головной продукт может оттягиваться в газообразном состоянии из первой разделительной колоны, нагреваться в основном теплообменнике до 130-200 К, а затем этот головной продукт, выполняя работу, может понижать свое давление (расширяться) в так называемой PGAN-турбине, например, приблизительно с 5,3 до приблизительно 1,1 бар.
По сравнению с обычными способами, в которых используются турбины смесительных колонн, благодаря соответствующим изобретению мерам возникает экономия энергии до 5%, по сравнению с обычными способами, в которых используются продувные турбины, возникает экономия энергии до 10%. Как уже разъяснялось, эти преимущества возникают, в том числе, благодаря использованию низкого второго разделительного давления, которое, в свою очередь, может использоваться благодаря предложенному согласно изобретению охлаждению головной фракции второй разделительной колонны нижним продуктом смесительной колонны.
Таким образом, подводя итог, может быть предпочтительно предусмотрено подготавливать охлажденный воздух со вторым разделительным давлением и/или с давлением смесительной колонны посредством сжатия в основном компрессоре и охлаждения в теплообменнике. Это можно очень просто осуществлять в тех случаях, в которых второе разделительное давление соответствует давлению смесительной колонны, так как тем самым сжатый до соответствующего давления поток воздуха должен разделяться лишь на частичные потоки. Однако альтернативно охлажденный воздух с давлением смесительной колонны может также подготавливаться посредством сжатия в основном компрессоре, дополнительного сжатия в дополнительном компрессоре, охлаждения в теплообменнике и расширения (понижения давления) в расширительной машине, а именно в разъясненной турбине смесительной колонны. Преимущества этого варианта осуществления заключаются в более гибком производстве холода. Кроме того, при этом смесительная колонна может также эксплуатироваться при давлении смесительной колонны, которое в определенном объеме отличается от второго разделительного давления. Так как давление смесительной колонны, по существу, соответствует давлению выдачи произведенного в смесительной колонне продукта кислорода, то в этом случае также возникает возможность более гибкой регулировки. Вследствие этого смесительная колонна может эксплуатироваться при более низком давлении смесительной колонны. Наконец охлажденный воздух с первым разделительным давлением предпочтительно подготавливается посредством сжатия в основном компрессоре и в дополнительном компрессоре и посредством последующего охлаждения.
Как уже разъяснялось, в обычных способах смесительной колонны подведенный в смесительную колонну насыщенный кислородом жидкий поток получается вследствие того, что из полученной в разделительной колонне обогащенной кислородом нижней фракции в дальнейшей разделительной колонне, например в разделительной колонне низкого давления, насыщенная кислородом нижняя фракции осаждается и извлекается из разделительной колонны. В рамках же предложенного здесь способа при этом предпочтительно используется обогащенная кислородом нижняя фракция первой и/или второй разделительной колонны, в частности обеих. Насыщенная кислородом нижняя фракция осаждается в уже упомянутой третьей разделительной колонне. Отсюда возникает разъясненная экономия. При этом третье разделительное давление предпочтительно, по меньшей мере, на 2 бар ниже первого и/или второго разделительного давления.
В третью разделительную колонну предпочтительно может также вдуваться охлажденный воздух, который был сжат до давления выше третьего разделительного давления. Для этого используется уже разъясненная вдувная турбина.
Соответствующая изобретению установка для разделения воздуха приспособлена для осуществления способа, который был разъяснен ранее, и имеет соответствующие средства.
В частности средства, которые выполнены для того, чтобы охлаждать обогащенную азотом головную фракцию второй разделительной колонны нижней фракцией смесительной колонны, включают в себя при этом дефлегматор второй разделительной колонны, который выполнен в виде конденсатора-испарителя, через камеру сжижения которого может проходить обогащенная азотом головная фракция, и испарительная камера которого может охлаждаться нижней фракцией смесительной колонны, и в котором нижняя фракция смесительной колонны находится в жидком виде.
В соответствующей установке смесительная колонна предпочтительно расположена выше второй разделительной колонны. Это создает условия для наиболее компактной конструкции соответствующих установок для разделения воздуха. Под расположением "выше" при этом подразумевается то, что проекции смесительной колонны и второй разделительной колонны на горизонтальную плоскость, по меньшей мере, частично пересекаются. При этом горизонтальная плоскость соответствует плоскости, перпендикулярной к продольной оси соответствующих колонн. Во время эксплуатации продольная ось направлена перпендикулярно к поверхности земли.
Кроме того, в рамках данного изобретения смесительная колонна и вторая разделительная колонна предпочтительно выполнены вместе в виде состоящей из одной части колонны. Состоящая из одной части колонна окружена общей металлической оболочкой, которая охватывает соответствующие части колонны и внутри которой части колонны могут быть предусмотрены в отсеках. Примером выполненной за одно целое колонны с двумя частями колонны является классическая сдвоенная колонна Линде с разделительной колонной высокого и низкого давления. Таким образом, смесительная колонна и вторая разделительная колонна в рамках данного изобретения могут также образовывать сдвоенную колонну.
Дефлегматор второй разделительной колонны предпочтительно расположен внутри или ниже смесительной колонны в соответствующей, состоящей из одной части колонне (соответственно в расположенном внутри основном конденсаторе сдвоенной колонны Линде).
Далее изобретение разъясняется более подробно, ссылаясь на приложенный чертеж, который показывает предпочтительный вариант осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Фиг. 1 показывает на схематичном изображении установку для разделения воздуха согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения.
ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 установка для разделения воздуха изображена согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения и в целом обозначена ссылочной позицией 10. На Фиг. 1 использованные в каждом случае в определенных трубопроводах значения давления указаны в пунктирных рамках. Эти значения давления представляют собой лишь неограничительные примерные значения. Используемые в соответствующей установке 10 для разделения воздуха значения давления и диапазоны значений были разъяснены ранее.
Среди прочего к установке 10 для разделения воздуха через трубопровод a и трубопровод b подводится сжатый и очищенный воздух AIR. Сжатие и очистка осуществляются известным образом, например в основном компрессоре, перед которым подключены фильтрующие установки, а за которым подключены воздухоочистители или адсорбционные устройства. Соответствующая установка 10 для разделения воздуха может эксплуатироваться с использованием основных и дополнительных компрессоров, так что подведенный воздух AIR может подготавливаться с различным давлением, например в данном случае 5,6 бар в трубопроводе a и 4,4 бар в трубопроводе b.
Подведенный по трубопроводу a в установку 10 воздух подается в теплообменник E1 и охлаждается в нем. Одна часть этого воздуха может извлекаться из теплообменника E1 по трубопроводу c на холодном конце, а другая часть этого воздуха по трубопроводу d при промежуточной температуре. Воздух ввиду охлаждения и ввиду потерь давления находится в трубопроводах c и d в каждом случае при давлении, которое немного ниже, чем давление в трубопроводе a.
Давление в трубопроводе c соответствует разделительному давлению в первой разделительной колонне S1 и составляет в изображенном примере 5,4 бар. Соответствующий воздух подводится по трубопроводу c в нижнюю область первой разделительной колонны S1. В ней подведенный воздух известным образом может разделяться на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию.
По трубопроводу d воздух, извлеченный при промежуточной температуре из теплообменника E1, может подаваться в расширительную машину X1, которая соединена с преобразователем энергии B, например, с масляным тормозом. Расширенный соответствующим образом воздух выходит из расширительной машины X1 по трубопроводу e.
Подведенный по трубопроводу b в установку 10 воздух также подается в теплообменник E1 и охлаждается в нем. Этот воздух через трубопровод f при давлении, которое также немного понижено по сравнению с давлением в трубопроводе b, например при 4,3 бар, может подводиться одной своей частью по трубопроводу f в нижнюю область второй разделительной колонны S2, а другой своей частью по трубопроводу g в нижнюю область смесительной колонны M.
Вторая разделительная колонна S2 и смесительная колонна M могут быть также выполнены в виде единого конструктивного блока (состоящей из одной части колонны). Вторая разделительная колонна S2 и смесительная колонна эксплуатируются в представленном примере при давлении в 4,3 бар.
В смесительную колонну M по трубопроводу h насыщенный кислородом жидкий поток подводится в верхней области и направляется навстречу подведенному по трубопроводу g воздуху при давлении смесительной колонны. Благодаря интенсивному контакту воздуха из трубопровода g и насыщенного кислородом жидкого потока из трубопровода h часть азота в воздухе переходит в насыщенный кислородом жидкий поток. Насыщенный кислородом жидкий поток испаряется, а воздух сжижается, одновременно в определенном объеме обогащается кислородом и осаждается в виде нижней фракции смесительной колонны в нижней области смесительной колонны M. Из нижней области смесительной колонны M нижняя фракция смесительной колонны может извлекаться по трубопроводам i и k.
По трубопроводу i нижняя фракция смесительной колонны может подводиться через не изображенный клапан в находящуюся под ним испарительную камеру дефлегматора E2 второй разделительной колонны S2, который выполнен в виде конденсатора-испарителя. Через камеру сжижения дефлегматора E2 по системе I трубопроводов может проходить обогащенная азотом головная фракция из второй разделительной колонны S2. Одна часть конденсата, полученного в камере сжижения дефлегматора E2, может направляться в виде обратного потока во вторую разделительную колонну S2, а другая часть этого конденсата может подаваться по трубопроводу m в выполненный в виде переохладителя теплообменник E3 и затем по трубопроводу n подводиться в верхнюю область третьей разделительной колонны S3. Третья разделительная колонна S3 выполнена в виде разделительной колонны низкого давления.
Часть нижней фракции смесительной колонны в трубопроводе k также проходит через теплообменник E3 и затем по трубопроводу o может подводиться на определенной высоте в третью разделительную колонну S3. Испаренная часть нижней фракции смесительной колонны, использованная для охлаждения дефлегматора E2, также может подаваться по трубопроводу p в третью разделительную колонну S3. Так как испарительная камера дефлегматора E2 эксплуатируется при давлении испарительной камеры, которое находится между давлением смесительной колонны, при котором эксплуатируется смесительная колонна M, и третьим разделительным давлением, при котором эксплуатируется третья разделительная колонна S3, текучая среда из испарительной камеры дефлегматора E2 может перетекать в третью разделительную колонну S3 без дополнительных мероприятий.
На головной стороне смесительной колонны M по трубопроводу q и через клапан V1 может извлекаться газообразный, насыщенный кислородом поток, который получен посредством испарения жидкого, насыщенного кислородом потока из трубопровода h и посредством взаимодействия с воздухом из трубопровода g. Газообразный, насыщенный кислородом поток нагревается в теплообменнике E1 и через клапан V2 при давлении, например в 4,0 бар, выдается в виде газообразного продукта GOX кислорода. Другая часть жидкого, насыщенного кислородом потока может выдаваться через клапан V3 в виде промывочной фракции LOX. Эта выдача осуществляется в незначительном объеме, тем самым жидкий кислород не является продуктом соответствующей установки 10 для разделения воздуха. Извлечение жидкого кислорода служит, прежде всего, для удаления содержащихся в нем компонентов, таких как метан.
Обогащенная кислородом нижняя фракция из второй разделительной колонны S2 может извлекаться по трубопроводу r, охлаждаться в теплообменнике E3 и подводиться по трубопроводу s и через клапан V4 в третью разделительную колонну S3.
Из первой разделительной колонны S1 обогащенная азотом головная фракция может извлекаться, при помощи системы t трубопроводов частично конденсироваться в теплообменнике E4 и снова направляться в жидком виде в первую разделительную колонну S1. Теплообменник E4 выполнен в виде дефлегматора и охлаждается жидкой, насыщенной кислородом нижней фракцией третьей разделительной колонны S3.
Другая часть обогащенной азотом головной фракции может извлекаться из первой разделительной колонны S1 по трубопроводу u, проводиться через теплообменник E1 и выдаваться через клапан V5 в виде продувочного газа SG.
Обогащенная кислородом нижняя фракция может извлекаться из первой разделительной колонны S1 по трубопроводу v, проводиться через теплообменник E3 и вместе с насыщенной кислородом нижней фракцией из второй разделительной колонны S2 подводиться по трубопроводу s в третью разделительную колонну S3. Другая фракция может извлекаться из первой разделительной колонны по трубопроводу w и после прохождения через теплообменник E3 подводиться по разъясненному трубопроводу n также в третью разделительную колонну S3.
В третьей разделительной колонне S3 из обогащенной кислородом нижней фракции из первой и второй разделительной колонны S1, S2 и с использованием других подведенных потоков выделяется насыщенная кислородом нижняя фракция. Расширенный при помощи расширительной машины X1 воздух из трубопровода e также подводится (вдувается) в третью разделительную колонну.
Насыщенная кислородом нижняя фракция может извлекаться по трубопроводу x и при помощи насоса P1 подаваться в теплообменник E3. После состоявшегося там первого нагрева насыщенная кислородом нижняя фракция может подаваться по трубопроводу y в теплообменник E1, дополнительно там нагреваться и, наконец, подводиться по разъясненному трубопроводу h в верхнюю область смесительной колонны M.
По трубопроводу z с головной стороны третьей разделительной колонны газообразная фракция может оттягиваться, нагреваться теплообменниками E3 и E1 и выводиться из установки 10 для разделения воздуха. Эта фракция может использоваться в находящейся выше по технологической цепочке очистке воздуха и/или может выдаваться в атмосферу ATM.
Как уже упоминалось, воздух может подводиться в смесительную колонну M также при помощи расширительной машины, обозначаемой в этом случае как турбина смесительной колонны. Она может быть предусмотрена дополнительно или альтернативно к расширительной машине X1, которая обозначается также как вдувная турбина.
1. Способ разделения воздуха (AIR), при котором охлажденный воздух (AIR) при первом разделительном давлении в первой разделительной колонне (S1) разделяют на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию, причем дополнительный охлажденный воздух (AIR) в смесительной колонне (M) при давлении смесительной колонны сжижают с получением нижней фракции смесительной колонны посредством прямого теплообмена с жидким, насыщенным кислородом, потоком, который получают по меньшей мере частично из обогащенной кислородом нижней фракции из первой разделительной колонны (S1), отличающийся тем, что дополнительный охлажденный воздух (AIR) во второй разделительной колонне (S2) при втором разделительном давлении так же разделяют на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию, причем обогащенную азотом головную фракцию второй разделительной колонны (S2) охлаждают по меньшей мере частично нижней фракцией из смесительной колонны (M), благодаря тому что обогащенную азотом головную фракцию второй разделительной колонны (S2) проводят по меньшей мере частично через камеру сжижения дефлегматора (E2) второй разделительной колонны (S2), который выполнен в виде конденсатора-испарителя, испарительную камеру которого эксплуатируют при давлении испарительной камеры, которое находится между давлением смесительной колонны и третьим разделительным давлением, при котором получают жидкий, насыщенный кислородом, поток в третьей разделительной колонне (S3), и в который в жидком виде при давлении испарительной камеры подводят по меньшей мере часть нижней фракции из смесительной колонны (M), причем в качестве первого разделительного давления используют давление, которое по меньшей мере на 0,5 бар выше, чем давление, которое используют в качестве второго разделительного давления.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве первого разделительного давления используют давление, которое по меньшей мере на 1 бар выше, чем давление, которое используют в качестве второго разделительного давления.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве второго разделительного давления используют давление, которое отличается максимум на 0,5 бар от давления, которое используют в качестве давления смесительной колонны.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве третьего разделительного давления используют давление, которое по меньшей мере на 2 бар ниже давления, которое используют в качестве первого и/или второго разделительного давления.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве давления испарительной камеры используют давление, которое максимум на 0,5 бар выше, чем давление, которое используют в качестве третьего разделительного давления.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соответственно охлажденный воздух (AIR) подготавливают с первым разделительным давлением, вторым разделительным давлением и давлением смесительной колонны и подводят в первую разделительную колонну (S1), вторую разделительную колонну (S2) и смесительную колонну (M).
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что насыщенный кислородом жидкий поток получают благодаря тому, что из обогащенной кислородом нижней фракции первой и/или второй разделительной колонны (S1, S2) в третьей разделительной колонне (S3) при третьем разделительном давлении насыщенную кислородом нижнюю фракцию отделяют и извлекают из третьей разделительной колонны (S3).
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что воздух (AIR), который был сжат и охлажден до давления выше третьего разделительного давления, по меньшей мере в одной расширительной машине (X1) понижает свое давление до третьего разделительного давления, и его подводят в третью разделительную колонну (S3).
9. Установка (10) для разделения воздуха, выполненная для осуществления способа по любому из пп. 1-8, включающая в себя:
- первую разделительную колонну (S1), выполненную с возможностью разделения охлажденного воздуха (AIR) при первом разделительном давлении по меньшей мере на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию,
- смесительную колонну (M), выполненную с возможностью сжижения дополнительного охлажденного воздуха (AIR) при давлении смесительной колонны с получением нижней фракции смесительной колонны посредством прямого теплообмена с жидким насыщенным кислородом потоком,
- вторую разделительную колонну (S2), которая имеет дефлегматор (E2), выполненный в виде конденсатора-испарителя, и которая выполнена с возможностью разделения дополнительного охлажденного воздуха (AIR) при втором разделительном давлении также по меньшей мере на обогащенную азотом головную фракцию и обогащенную кислородом нижнюю фракцию,
отличающаяся тем, что включает в себя
- третью разделительную колонну (S3), выполненную с возможностью получения жидкого, насыщенного кислородом потока при третьем разделительном давлении по меньшей мере частично из обогащенной кислородом нижней фракции из первой разделительной колонны (S1),
- причем предусмотрены средства, выполненные с возможностью охлаждения обогащенной азотом головной фракции второй разделительной колонны (S2) по меньшей мере частично при помощи нижней фракции из смесительной колонны (M), благодаря тому, что эти средства:
проводят обогащенную азотом головную фракцию второй разделительной колонны (S2) по меньшей мере частично через камеру сжижения дефлегматора (E2) второй разделительной колонны (S2),
эксплуатируют испарительную камеру дефлегматора (E2) при давлении испарительной камеры, которое находится между давлением смесительной колонны и третьим разделительным давлением, и
подводят в испарительную камеру дефлегматора (E2) в жидком виде при давлении испарительной камеры по меньшей мере часть нижней фракции из смесительной колонны (M),
- причем предусмотрены средства, выполненные с возможностью использования в качестве первого разделительного давления давление, которое по меньшей мере на 0,5 бар выше, чем давление, которое используют в качестве второго разделительного давления.
10. Установка (10) для разделения воздуха по п. 9, отличающаяся тем, что смесительная колонна (M) выполнена вместе со второй разделительной колонной (S2) в виде состоящей из одной части колонны и/или смесительная колонна (M) расположена выше второй разделительной колонны (S2).
