Устройство для производства кислорода путем низкотемпературного разложения воздуха
Устройство служит для производства кислорода путем низкотемпературного разложения воздуха. Оно имеет колонну (1) высокого давления, колонну (2) низкого давления и главный конденсатор (3). Колонна (31) для вывода аргона находится в гидравлическом соединении (32, 33) с промежуточным местом колонны (2) низкого давления и соединена с головным конденсатором (17) колонны для вывода аргона. Вспомогательная колонна (140) имеет кубовую область, в которую вводится газ из головного конденсатора (17) колонны для вывода аргона. Головная часть вспомогательной колонны (140) соединена с трубопроводом (136b) для возвратной жидкости для ввода жидкого потока из колонны высокого давления или главного конденсатора. Этот жидкий поток имеет содержание азота, которое по меньшей мере равно содержанию азота воздуха. По меньшей мере первая часть жидкого сырого кислорода (16c) из куба колонны (1) высокого давления подается к первому промежуточному месту. Давление в головной части вспомогательной колонны по меньшей мере на 50 мбар выше, чем давление в головной части колонны (2) низкого давления. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение касается способа производства кислорода путем низкотемпературного разложения воздуха согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Основы низкотемпературного разложения воздуха вообще, а также конструкция устройств с двумя колоннами в частности, описаны в монографии «низкотемпературная технология» хаузена/линде (2-е издание, 1985г.) И в сочинении латимера в chemical engineering progress (том 63, №2, 1967г., стр.35). Теплообменная связь между колонной высокого давления и колонной низкого давления двойной колонны, как правило, реализуется при помощи главного конденсатора, в котором головной газ колонны высокого давления сжижается против испаряющейся кубовой жидкости колонны низкого давления.
Система дистилляционных колонн изобретения может быть выполнена, в принципе, в виде классической системы с двумя колоннами, имеющей колонну высокого давления и колонну низкого давления. Дополнительно к двум разделительным колоннам для разделения азота и кислорода она может иметь другие устройства для получения других компонентов воздуха, в частности инертных газов, например, получения криптона и ксенона.
«колонной для вывода аргона» здесь называется разделительная колонна для разделения аргона и кислорода, которая служит не для получения чистого аргонового продукта, а для вывода аргона из воздуха, который должен разлагаться в колонне высокого давления и колонне низкого давления. Ее схема лишь немного отличается от классической колонны для сырого аргона, однако она содержит значительно меньше теоретических тарелок, а именно, меньше 40, в частности от 15 до 30. Как и у колонны для сырого аргона, кубовая область колонны для вывода аргона соединена с промежуточным местом колонны низкого давления, и колонна для вывода аргона охлаждается головным конденсатором, у которого на стороне испарения вводится декомпримированная кубовая жидкость из колонны высокого давления; колонна для вывода аргона не имеет кубового испарителя.
Главный конденсатор и головной конденсатор колонны для вывода аргона в этом изобретении выполнены в виде конденсатора-испарителя. «конденсатором-испарителем» называется теплообменник, в котором первый, конденсирующийся поток текучей среды входит в опосредствованный теплообмен со вторым, испаряющимся потоком текучей среды. Каждый конденсатор-испаритель имеет ожижительное пространство и испарительное пространство, которые состоят из ожижительных проходов или, соответственно, испарительных проходов. В ожижительном пространстве проводится конденсация (ожижение) первого потока текучей среды, в испарительном пространстве - испарение второго потока текучей среды. Испарительное и ожижительное пространство состоят из групп проходов, которые находятся в теплообменной связи друг с другом.
При этом главный конденсатор может быть выполнен в виде одно- или многоэтажного испарителя с ванной, в частности в виде каскадного испарителя (например, как описано в ep 1287302 b1=us 6748763 b2), или же в виде испарителя с падающей пленкой. Он может состоять из одного единственного блока теплообменника или же из нескольких блоков теплообменника, которые расположены в одном общем напорном резервуаре.
Система дистилляционных колонн устройства для разложения воздуха расположена в одном или нескольких колдбоксах. Под «колдбоксом» здесь понимается изолирующая оболочка, которая наружными стенками полностью охватывает теплоизолированное внутреннее пространство; во этом внутреннем пространстве расположены подлежащие изолированию части устройства, например, одна или несколько разделительных колонн и/или теплообменников. Изолирующее действие может достигаться путем соответствующего исполнения наружных стенок и/или путем наполнения промежуточного пространства между частями устройства и наружными стенками изоляционным материалом. При последнем варианте предпочтительно применяется порошкообразный материал, такой как, например, перлит. Как система дистилляционных колонн для разделения азота и кислорода устройства для низкотемпературного разложения воздуха, так и главный теплообменник и другие холодные части устройства должны быть охвачены одним или несколькими колдбоксами. Наружные размеры этих колдбоксов определяют обычно транспортировочные размеры предварительно изготовленных устройств.
«главный теплообменник» служит для охлаждения исходного воздуха в непрямом теплообмене обратными потоками из системы дистилляционных колонн. Он может состоять из одного отдельного или нескольких параллельно и/или последовательно соединенных участков теплообменника, например, из одного или нескольких блоков пластинчатого теплообменника. Отдельные теплообменники, которые служат специально для испарения или псевдо-испарения одной единственной жидкой или надкритической текучей среды, без подогрева и/или испарения другой текучей среды, не относятся к главному теплообменнику.
Относительные пространственные понятия «вверху», «внизу», «над», «под», «выше», «ниже», «рядом», «рядом друг с другом», «вертикально», «горизонтально» и пр. Относятся здесь к пространственной ориентации разделительных колонн при нормальной эксплуатации. Под расположением двух колонн или аппаратных частей «друг над другом» здесь понимается, что верхний конец нижней из двух аппаратных частей находится на более низкой или такой же геодезической высоте, что и нижний конец верхней из двух аппаратных частей, и проекции этих двух аппаратных частей пересекаются в горизонтальной плоскости. В частности, эти две аппаратные части расположены точно друг над другом, то есть оси эти двух колонн проходят по одной и той же вертикальной прямой.
Способ вышеназванного рода и соответствующее устройство известны из ipcom000176762d. Там на фиг.3 изображено устройство для разложения воздуха, имеющее двойную колонну из колонны высокого давления и колонн низкого давления, имеющее аргоновую колонну и расположенную над ней вспомогательную колонну. Вспомогательная колонна служит для разгрузки колонны низкого давления и логичным образом эксплуатируется с тем же самым давлением, что и соответствующий участок колонны низкого давления. В куб вспомогательной колонны запитывается газ из колонны низкого давления.
В основе изобретения лежит задача, сделать способ вышеназванного рода и соответствующее устройство энергетически более эффективными. Оно касается, в частности, устройств для разложения воздуха особенно высокой производительности, в частности для получения кислорода. В частности, такие устройства рассчитаны на количество воздуха больше 370000 нм3/ч, предпочтительно больше 1000000 нм3/ч.
Эта задача решается с помощью признаков п.1 формулы изобретения.
В изобретении сырой кислород из колонны высокого давления не направляется или не полностью направляется в испарительное пространство аргонового конденсатора, а по меньшей мере часть, в частности больше 10%, предпочтительно больше 20…% подводится к вспомогательной колонне в промежуточном месте, то есть выше по меньшей мере одного массообменного участка.
Рабочее давление в головной части вспомогательной колонны по меньшей мере на 50 мбар больше, чем рабочее давление в головной части колонны низкого давления. Разность давлений составляет, например, 50-200 мбар, предпочтительно 50-150 мбар. Благодаря этому азотный продукт из головной части вспомогательной колонны имеет достаточное давление даже для того, чтобы он мог служить регенерационным газом для очистки воздуха. Поэтому давление в головной части колонны низкого давления может быть экстремально низким. Но посредством главного конденсатора (примерно коэффициент 3) и колонны высокого давления оно задает давление исходного воздуха, до которого должен сжиматься весь исходный воздух. При этом уменьшение давления в головной части колонны низкого давления приводит к значительно более сильному уменьшению давления колонны высокого давления примерно в 200-300 мбар и вместе с тем к существенной экономии энергии при сжатии исходного воздуха.
Во вспомогательной колонне испаренная фракция из головного конденсатора колонны для вывода аргона (содержание кислорода обычно примерно 32-40 мол.%) ректифицируется вне колонны низкого давления. При этом часть разделения азота и кислорода больше не проводится в соответствующем участке колонны низкого давления, и колонна низкого давления соответственно разгружается. Наоборот, при почти одинаковом выборе размеров диаметра и длины колонны низкого давления производительность может соответственно повышаться, и во всем устройстве получаться большее количество кислорода. В принципе, весь газ из испарительного пространства головного конденсатора колонны для вывода аргона может вводиться во вспомогательную колонну и там ректифицироваться. Однако можно вводить только часть этого газа во вспомогательную колонну, а остаток направлять по отдельному трубопроводу для газа в колонну низкого давления. Дополнительно можно вводить газ из колонны низкого давления во вспомогательную колонну. В простейшем случае вспомогательная колонна изобретения имеет ровно два массообменных участка, при этом по меньшей мере часть сырого кислорода из колонны высокого давления подается к промежуточному месту между двумя массообменными участками; альтернативно вспомогательная колонна имеет три или больше массообменных участков. Эти массообменные участки состоят из упорядоченного наполнителя, традиционных ректификационных тарелок, таких как, например, ситчатые тарелки, или из комбинации разных типов массообменных элементов.
Возврат вспомогательная колонна получает из колонны высокого давления или главного конденсатора.
Охлаждающая жидкость для головного конденсатора колоны для вывода аргона может поступать исключительно из куба колонны высокого давления, когда вся возвратная жидкость из вспомогательной колонны отгоняется выше куба. Если отгоняется только часть возвратной жидкости или даже возвратная жидкость вспомогательной колонны совсем не отгоняется, то она смешивается с охлаждающей жидкостью из куба колонны высокого давления. Она может вводиться прямо в испарительное пространство головного конденсатора колонны для вывода аргона. Альтернативно она запитывается во вспомогательную колонну выше куба; затем она течет по массообменному участку в куб вспомогательной колонны и вместе с тем в испарительное пространство головного конденсатора колонны для вывода аргона.
Предпочтительно газообразная головная фракция из вспомогательной колонны получается в виде газообразного азотного продукта отдельно от газообразного головного азота колонны низкого давления. Вследствие этого прямого забора продукта из вспомогательной колонны соответствующее количество газа даже не вводится сначала в колонну низкого давления, так что она разгружается. Под «газообразным азотным продуктом» здесь понимается газ, который имеет более высокое содержание азота, чем воздух. При этом речь может идти, например, об остаточном газе, который содержит еще 0,1-7 мол.% кислорода. В другом варианте осуществления может также получаться азот с технической чистотой с содержанием кислорода до 1 ч./млн.
В принципе, газ из испарительного пространства головного конденсатора колонны для вывода аргона по трубопроводам мог бы направляться к кубовой области вспомогательной колонны. Головной конденсатор колонны для вывода аргона и вспомогательная колонна могли бы тогда располагаться в двух отдельных резервуарах. Однако вообще удобнее, когда вспомогательная колонна и головной конденсатор колонны для вывода аргона охвачены одним общим резервуаром и, в частности, головной конденсатор колонны для вывода аргона расположен в кубе вспомогательной колонны. При этом головной конденсатор колонны для вывода аргона представляет собой одновременно кубовый испаритель вспомогательной колонны.
Предлагаемое изобретением устройство может, кроме того, иметь один или несколько трубопроводов для жидкости для одной или нескольких жидкостей от одного или нескольких промежуточных мест или куба вспомогательной колонны. Каждая из этих жидкостей вводится в колонну низкого давления. При этом возвратная жидкость и/или кубовая жидкость вспомогательной колонны вводится как дополнительный промежуточный возврат в колонну низкого давления.
Кроме того, удобно, когда устройство имеет другой промежуточный подводящий трубопровод для ввода дополнительной жидкой или газообразной фракции во вспомогательную колонну во втором промежуточном месте. Здесь дополнительная жидкая фракция, в частности фракция жидкого воздуха, вводится во вспомогательную колонну во втором промежуточном месте, которое расположено выше первого промежуточного места. Могут быть предусмотрены один или несколько таких других промежуточных подводящих трубопроводов, через которые по одной газообразной или жидкой фракции, например, жидкий воздух, вводится во вспомогательную колонну и тоже участвует в разделении азота и кислорода во вспомогательной колонне вместо колонны низкого давления. При этом речь может идти о каждой фракции, содержание азота которой лежит между содержанием азота в кубе вспомогательной колонны или, соответственно, в испарительном пространстве головного конденсатора колонны для вывода аргона и содержанием азота в головной части вспомогательной колонны, например, также о газообразном воздухе от разгрузки турбины. Каждая такая промежуточная подпитка дополнительно способствует оптимизации распределения нагрузки между колонной низкого давления и вспомогательной колонной и оптимальным отношениям жидкости к пару в данных массообменных участках колонны низкого давления и вспомогательной колонны. В частности, оптимизируется эффективность ректификации во вспомогательной колонне.
В рамках изобретения колонна высокого давления и колонна низкого давления могут быть расположены рядом друг с другом, а головной конденсатор колонны для вывода аргона и вспомогательная колонна - над колонной высокого давления.
Расположение рядом друг с другом колонны высокого давления и колонны низкого давления собственно известно, например, из de 827356 и us 2762208. Благодаря этому сокращается длина транспортировки колонн по сравнению с расположением в виде двойной колонны, и транспортировка к стройплощадке требует меньших затрат.
Расположение двух колонн «рядом друг с другом» означает, что эти две колонны при нормальной эксплуатации устройства размещены так, что проекции их поперечных сечений на горизонтальную плоскость не пересекаются. При этом часто нижние концы этих двух колонн находятся примерно на одной и той же геодезической высоте плюс/минус 5 м.
Под расположением двух колонн «друг над другом» или «друг под другом» здесь понимается, что эти две колонны при нормальной эксплуатации устройства размещены так, что проекции их поперечных сечений на горизонтальную плоскость пересекаются. Например, эти две колонны расположены точно друг над другом, то есть оси этих двух колонн проходят по одной и той же вертикальной прямой.
Благодаря расположению головного конденсатора колонны для вывода аргона и вспомогательной колонны над колонной высокого давления, эти аппараты не требуют дополнительной опорной площади; проекция основания устройства остается неизменной. Также у устройств с ограничением высоты такое расположение друг над другом непроблематично, потому что колонна высокого давления значительно ниже, чем колонна низкого давления. Также технологически эта установка предпочтительна, потому что не нужен технологический насос для транспортировки жидкости, за исключением насоса для кислорода изобретении азота на главном конденсаторе, который обязателен при расположении главных колонн рядом друг с другом.
Колонна для вывода аргона в первом варианте изобретения может быть расположена ниже головного конденсатора колонны для вывода аргона. Предпочтительно вспомогательная колонна и колонна для вывода аргона образуют двойную колонну, имеющую головной конденсатор колонны для вывода аргона в качестве «главного конденсатора». Тогда эта двойная колонна стоит предпочтительно прямо на головной части колонны высокого давления. При расположении друг над другом колонны высокого давления и колонны низкого давления комбинация из вспомогательной колонны, головного конденсатора колонны для вывода аргона и колонны для вывода аргона стоит или висит рядом с двойной колонной из колонны высокого давления и колонны низкого давления.
Во втором варианте изобретения колонна для вывода аргона и головной конденсатор колонны для вывода аргона расположены с пространственным отделением друг от друга; в частности, колонна для вывода аргона расположена в области перегородки колонны низкого давления. Комбинация из головного конденсатора колонны для вывода аргона и вспомогательной колонны находится по-прежнему вне колонны низкого давления, в частности над колонной высокого давления.
Предпочтительно колонна высокого давления и колонна низкого давления имеют одинаковый диаметр колонны. Под «одинаковым» здесь понимается отклонение меньше 0,4 м. Благодаря этому может оптимально использоваться заданный наибольший диаметр.
Колонна (1) высокого давления, колонна (2) низкого давления и вспомогательная колонна (14) могут, например, иметь диаметр больше 3,5 м, в частности больше 4,1 м. Колонна высокого давления, колонна низкого давления и вспомогательная колонна изобретения имеют предпочтительно диаметр больше 3,5 м, в частности больше 4,1 м. Удобно, если массообменные элементы во вспомогательной колонне состоят из упорядоченного наполнителя, который имеет такую же или большую удельную поверхность, чем удельная поверхность в колонне низкого давления. Когда, например, в колонне низкого давления применяются наполнители 500 и 700 м2/м3, плотность наполнителя во вспомогательной колонне составляет, например, 750 или до 1200 м2/м3.
Кроме того, предпочтительно не вводить всю жидкость, сливающуюся из массообменной области вспомогательной колонны, в испарительное пространство головного конденсатора колонны для вывода аргона, а предусмотреть поддон или другое средство для сбора, по меньшей мере, части стекающей во вспомогательной колонне жидкости непосредственно выше куба, соединенное со средствами для ввода собранной жидкости в колонну низкого давления.
Альтернативно расположению головного конденсатора колонны для вывода аргона в кубе вспомогательной колонны вспомогательная колонна и головной конденсатор колонны для вывода аргона могут быть расположены в отдельных резервуарах. Это позволяет увеличить гибкость расположения частей устройства.
В частности, тогда рядом друг с другом могут располагаться две комбинации частей устройства, а именно, с одной стороны, колонна для вывода аргона над колонной высокого давления, в частности над главным конденсатором, а с другой стороны, вспомогательная колонна над колонной низкого давления. Аналогично удобно, когда колонна высокого давления и колонна низкого давления расположены рядом друг с другом, колонна для вывода аргона выше колонны низкого давления, а вспомогательная колонна - рядом с комбинацией из колонны низкого давления и колонны для вывода аргона и выше колонны высокого давления, в частности выше главного конденсатора. При этом получается особенно компактное расположение, которое также предпочтительно с точки зрения транспортировки.
Изобретение, а также другие подробности изобретения поясняются подробнее ниже на двух примерах осуществления, схематично изображенных на чертеже. На чертежах изображены только важнейшие элементы, в частности такие, которыми система изобретения отличается от обычных систем для разложения воздуха. При этом показано:
Фиг.1: первый пример осуществления устройства по первому варианту изобретения, имеющего двойную колонну из вспомогательной колонны и колонны для вывода аргона выше колонны высокого давления;
Фиг.2: второй пример осуществления в соответствии со вторым вариантом изобретения, в котором колонна для вывода аргона расположена в области перегородки колонны низкого давления;
Фиг.3: третий пример осуществления, похожий на фиг.1, но с расположением колонны высокого давления и колонны низкого давления друг над другом;
Фиг.4: модификация фиг.3, имеющая более короткую вспомогательную колонну;
Фиг.5: пример осуществления фиг.3, дополненный кислородной колонной;
Фиг.6: другой пример осуществления с вспомогательной колонной над колонной низкого давления;
Фиг.7: один из вариантов со вспомогательной колонной над колонной высокого давления и главным конденсатором и
Фиг.8: система, похожая на фиг.2, но с аргоновым конденсатором, расположенным в колонне низкого давления.
На чертежах не изображены сжатие воздуха, очистка воздуха и главный теплообменник. В остальном изображение также упрощено; на чертеже не показаны некоторые потоки, которые не играют роли для понимания изобретения.
Устройство примера осуществления фиг.1 имеет колонну 1 высокого давления, колонну 2 низкого давления и главный конденсатор 3. Главный конденсатор 3 выполнен здесь в виде многоэтажного испарителя с ванной, точнее, в виде каскадного испарителя.
Колонна 1 высокого давления и колонна 2 низкого давления расположены рядом друг с другом; в частности, их нижние концы находятся на одинаковом геодезическом уровне.
Первый отдельный поток 4 исходного воздуха течет в газообразном состоянии в колонну 1 высокого давления, и причем непосредственно выше куба. Вторая часть 5 исходного воздуха по меньшей мере отчасти жидкая и подводится к колонне 1 высокого давления в промежуточном месте. По меньшей мере часть жидкого воздуха снова забирается по трубопроводу 6, охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 и по трубопроводам 108 и 108b по меньшей мере частично подается в колонну 2 низкого давления в первом промежуточном месте.
В главном конденсаторе 3 по часть 10 газообразного головного азота 9 колонны 1 высокого давления меньшей мере частично конденсируется. Первая часть 12 полученного при этом жидкого азота 11 загружается в головную часть колонны 1 высокого давления в качестве возврата. Вторая часть 13 подается на внутреннее сжатие (не изображено) и в итоге получается в виде газообразного сжатого азотного продукта. Другая часть 14 газообразного головного азота 9 подогревается в главном теплообменнике (не изображено) и получается прямо в виде газообразного сжатого продукта.
Жидкий сырой кислород 15 из колонны 1 высокого давления охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 и по трубопроводам 16 и 18, а также через головной конденсатор 17 колонны для вывода аргона подается в колонну 2 низкого давления во втором промежуточном месте, которое лежит ниже первого промежуточного места.
От промежуточного места колонны 1 высокого давления жидкий неочищенный азот 35 отгоняется, охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике и по трубопроводу 36/136a загружается в головную часть колонны 2 низкого давления. Часть его может по трубопроводу 37 получаться в виде жидкого азотного продукта (lin). От головной части колонны 2 низкого давления отгоняется газообразный неочищенный азот 138a, и после подогрева в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 по трубопроводу 39 подается дальше к главному теплообменнику (не изображено).
Первая часть жидкого кислорода 20 из куба колонны 2 низкого давления с помощью насоса 21 перемещается в испарительное пространство главного конденсатора 3 и там по меньшей мере отчасти испаряется. Возникающий при этом газ 23 возвращается в куб колонны 2 низкого давления и служит там поднимающимся газом. Вторая часть 24 жидкого кислорода 20 охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 и по трубопроводу 25 отгоняется в виде жидкого кислородного продукта (lox). Третья часть 26 жидкого кислорода 20 подается на внутреннее сжатие (не изображено) и в итоге получается в виде газообразного сжатого кислородного продукта, который является главным продуктом устройства.
Колонна 31 для вывода аргона, как обычно, через подводящий трубопровод 32 для газа и возвратный трубопровод 33 для жидкости соединена с промежуточным местом колонны 2 низкого давления. В ожижительном пространстве головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона создается жидкий возврат для колонны для вывода аргона. Газообразный остаточный продукт 34 отгоняется из ожижительного пространства и подогревается в главном теплообменнике.
Вспомогательная колонна 140 находится в том же резервуаре, что и головной конденсатор 17 колонны для вывода аргона, который действует в качестве обогревателя куба для вспомогательной колонны и производит для нее поднимающийся пар. В качестве возвратной жидкости в головной части вспомогательной колонны 140 применяется часть 136b переохлажденного жидкого неочищенного азота 36 из колонны 1 высокого давления.
Часть 108a переохлажденного жидкого воздуха 108 может запитываться во вспомогательную колонну 140 во «втором промежуточном месте». Другая часть 108b подается в колонну 2 низкого давления в том же самом промежуточном месте, так же, как и поток 141 воздуха 141 от разгрузки турбины, или выше (не изображено).
От головной части вспомогательной колонны 140 отгоняется газообразный неочищенный азот 138b и смешивается с газообразным неочищенным азотом 138a из головной части колонны 2 низкого давления. Весь поток 38 после подогрева в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 по трубопроводу 39 ведется дальше к главному теплообменнику (не изображено). Альтернативно эти два потока 138a, 138b азота могут также направляться к главному теплообменнику и через него по отдельности.
С помощью вспомогательной колонны 140 разгружается верхний участок колонны низкого давления. То есть он может конструироваться с более низкой производительностью; и наоборот, при одинаковых размерах колонны низкого давления может повышаться производительность всего устройства.
В этом примере осуществления разность давления в головной части между вспомогательной колонной и колонной низкого давления составляет 50-150 мбар. В отличие от изображения чертежа фиг.1, головные фракции 138a, 138b колонны 2 низкого давления и вспомогательной колонны 140 могут отгоняться при слегка отличающемся давлении, направляться через переохлаждающий противоточный теплообменник 7 и подаваться в главный теплообменник (не изображено). Это относится также к следующим примерам осуществления.
Пример осуществления фиг.2 отличается от примера осуществления фиг.1 тем, что колонна 17 для вывода аргона расположена не ниже головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона, а в участке a2 перегородки колонны 2 низкого давления. Соответствующие друг другу элементы на двух чертежах имеют одни и те же ссылочные обозначения.
На фиг.2 обозначены три участка колонны 2 низкого давления: нижний участок a1, средний участок a2 и верхний участок a3.
Средний участок a2 колонны 2 низкого давления выполнен в виде участка перегородки. Вертикальная перегородка 27 отделяет друг от друга первое отдельное пространство 28 и второе отдельное пространство 29. Перегородка в этом примере состоит из листа, который на двух сторонах сварен со стенкой колонны. Оба отдельных пространства содержат массообменные элементы, например, упорядоченный наполнитель. Массообменные слои в отдельных пространствах могут, но не должны иметь одинаковую высоту. Оба отдельных пространства могут иметь одинаковый или различный размер.
Первое отдельное пространство 28 образует аргоновый участок колонны 2 низкого давления. Он находится в гидравлическом соединении внизу с нижним участком и вверху с верхним участком. Благодаря этому первая часть газа может течь из нижнего участка через первое отдельное пространство 28 к верхнему участку a3. И наоборот, жидкость течет из верхнего участка a3 через первое отдельное пространство 28 в нижний участок a1.
Второе отдельное пространство 29 образует колонну 31 для вывода аргона. Оно тоже находится в гидравлическом соединении внизу с нижним участком a1, так что оттуда может втекать вторая часть поднимающегося из первого участка a1 газа. Однако вверху оно газонепроницаемо закрыто горизонтальной стенкой 30 относительно верхнего участка a3. Эта горизонтальная cтенка выполнена примерно полукруглой и сварена со стенкой колонны и перегородкой 27. Невозможно ни течение газа из головной части колонны 31 для вывода аргона в верхний участок a3, ни проникновение жидкости оттуда в колонну 31 для вывода аргона.
В головной части колонны 31 для вывода аргона обогащенный аргоном газ 32 отгоняется и частично ожижается в ожижительном пространстве головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона. Получаемая при этом жидкость 33 возвращается в качестве возврата в колонну 31 для вывода аргона. Оставшаяся газообразной доля в качестве обогащенного аргоном продукта или остаточного газа 34 в газообразном состоянии забирается из головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона и направляется через отдельную группу проходов через главный теплообменник (не изображено).
Благодаря интеграции колонны 31 для вывода аргона в колонну 2 низкого давления и благодаря расположению головного конденсатора колонны для вывода аргона над колонной 1 высокого давления вывод аргона не занимает дополнительной установочной площади по сравнению с чистым разделением азота и кислорода. Поэтому повышение выхода кислорода может достигаться без существенного увеличения устройства.
Кроме того, пример осуществления фиг.2 имеет поддон 150 во вспомогательной колонне 140 и трубопровод 151. Стекающая во вспомогательной колонне 140 жидкость совсем не собирается, частично или полностью собирается в поддон 150 выше головного конденсатора колонны для вывода аргона. Собранная жидкость частично или полностью по трубопроводу 151 вводится в колонну 2 низкого давления, предпочтительно выше трубопровода 18. Благодаря этому предотвращается перемешивание этой жидкости с жидким сырым кислородом 16 из колонны 1 высокого давления или, соответственно, не испаренной жидкостью из испарительного пространства головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона. Кроме того, возможно предпочтительное регулирование головного конденсатора колонны для вывода аргона.
Поддон 150 и трубопровод 151 могут также использоваться во всех других примерах осуществления. Вместо поддона может применяться любое другое устройство для сбора жидкости. Например, жидкость может собираться в глухой тарелке или отгоняться из ректификационной тарелки или ее сливной трубы.
На фиг.3 колонна 1 высокого давления, главный конденсатор 3 и колонна 2 низкого давления расположены друг над другом в виде классической двойной колонны. Вспомогательная колонна 140, головной конденсатор 17 колонны для вывода аргона и колонна 31 для вывода аргона, аналогично фиг.1, тоже образуют двойную колонну. Но она расположена не над колонной 1 высокого давления, а ряжом с двойной колонной из колонны 1 высокого давления и колонны 2 низкого давления, например, на раме.
Кроме того, здесь из куба колонны 1 высокого давления в испарительное пространство головного конденсатора колонны для вывода аргона направляется не весь сырой кислород 16, а по трубопроводу 16b только часть. Другая часть идет прямо по трубопроводу 16a прямо в колонну 2 низкого давления, остаток по трубопроводу 16c к «первому промежуточному месту» вспомогательной колонны 140.
На фиг.4 вспомогательная колонна 140 выполнена несколько короче, чем на фиг.3, головной возврат состоит здесь из жидкого воздуха 108. Он загружается через «возвратный трубопровод 408b для жидкости» в головную часть вспомогательной колонны 140.
На фиг.5 по сравнению с фиг.3 колонна для вывода аргона, так сказать, продлена вниз. В том же самом резервуаре, что и колонна 31 для вывода аргона, находится кислородная колонна 336 в виде дополнительного дистилляционного участка. Нижний конец этой кислородной колонны 336 через трубопровод 332 для газа и трубопровод 333 для жидкости сообщается с колонной 2 низкого давления непосредственно выше ее куба.
Кислородная колонна 336 получает вверху возвратную жидкость из трубопровода 33 и/или по меньшей мере часть жидкости, сливающейся из колонны 31 для вывода аргона. С помощью двух трубопроводов 32, 33 можно устанавливать производительность в кислородной колонне 36. Если трубопровод 33 для жидкости закрыт (или он отсутствует), производительность между двумя колоннами распределяется точно так, что объем производства кислородной колонны 336 соответствует объему производства колонны 31 для вывода аргона.
Если необходимо сдвинуть производительность в сторону кислородной колонны 336, по трубопроводу 33 для жидкости - против направления течения, указанного на чертеже фиг.1 - жидкость транспортируется из колонны 2 низкого давления в кислородную колонну 36. Эта дополнительная производительность в виде соответствующего количества газа забирается из кислородной колонны 336 ниже колонны 31 для вывода аргона и подается в колонну 2 низкого давления.
На фиг.5, кроме того, штриховой линией изображены два байпасных трубопровода 501, 502, которые позволяют останавливать головной конденсатор 17 колонны для вывода аргона и продолжать эксплуатацию остального устройства. Тогда трубопровод 501 направляет жидкость из ванны головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона в головную часть колонны 31 для вывода аргона. В противоположном направлении по трубопроводу 502 головной пар колонны 31 для вывода аргона направляется во вспомогательную колонну 140. Этот признак может также комбинироваться со всеми другими примерами осуществления.
Изображенное на фиг.6 устройство имеет входной фильтр 302 для атмосферного воздуха (air), главный воздушный компрессор 303, узел 304 предварительного охлаждения воздуха, узел 305 очистки воздуха (обычно состоящий из пары адсорберов с молекулярным ситом), трехступенчатый дожимной воздушный компрессор 306 с промежуточным и последующим охлаждением (booster air compressor - bac) и главный теплообменник 308. Первый отдельный поток 4 исходного воздуха течет в газообразном состоянии в колонну 1 высокого давления, и причем непосредственно выше куба. Вторая часть 5 исходного воздуха по меньшей мере отчасти жидкая и подводится к колонне 1 высокого давления в промежуточном месте. По меньшей мере часть жидкого воздуха по трубопроводу 6 сразу же снова забирается, охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 и по трубопроводам 108 и 108b по меньшей мере частично подается в колонну 2 низкого давления в первом промежуточном месте.
В главном конденсаторе 3 часть 10 газообразного головного азота 9 колонны 1 высокого давления по меньшей мере частично конденсируется. Первая часть 12 полученного при этом жидкого азота 11 загружается как возврат в головную часть колонны 1 высокого давления. Вторая часть 13 подается на внутреннее сжатие (насос 313) и в итоге получается в виде газообразного сжатого азотного продукта. Другая часть 14 газообразного головного азота 9 подвергается внутреннему сжатию (насос 621), подогревается в главном теплообменнике 308 и получается прямо в виде газообразного сжатого продукта (ganic).
Жидкий сырой кислород из колонны 1 высокого давления охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7, по трубопроводу 16 направляется дальше и затем по трубопроводам 18a, 18b, 18c, будучи распределен между головным конденсатором 17 колонны для вывода аргона, колонной 2 низкого давления и вспомогательной колонной 140, подводится ко второму промежуточному месту, которое лежит ниже первого промежуточного места.
От промежуточного места колонны 1 высокого давления отгоняется жидкий неочищенный азот 35, охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике и по трубопроводам 36 и 136a/136b загружается в головную часть колонны 2 низкого давления или, соответственно, в головную часть вспомогательной колонны 140. Из головной части колонны 2 низкого давления отгоняется первый поток газообразного неочищенного азота 138a и после подогрева в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 проходит по трубопроводу 39. после подогрева в главном теплообменнике (308) этот поток выдувается в атмосферу (atm).
Первая часть жидкого кислорода 20 из куба колонны 2 низкого давления с помощью насоса 21 перемещается в испарительное пространство главного конденсатора 3 и там по меньшей мере отчасти испаряется. Возникающий при этом газ 23 возвращается в куб колонны 2 низкого давления и служит там поднимающимся газом. Вторая часть 24 жидкого кислорода 20 охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 и отгоняется по трубопроводу 25 в виде жидкого кислородного продукта (lox). Третья часть 26 жидкого кислорода 20 подвергается внутреннему сжатию, то есть посредством насоса 321 доводится до желаемого давления продукта, подогревается в главном теплообменнике 308 и в итоге получается в виде газообразного сжатого кислородного продукта (goxic), который является главным продуктом устройства.
Колонна 31 для вывода аргона, как обычно, через подводящий трубопровод 32 для газа и возвратный трубопровод 33 для жидкости соединена с промежуточным местом колонны 2 низкого давления. В ожижительном пространстве головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона производится жидкий возврат для колонны для вывода аргона. Газообразный остаточный продукт 34, 334 отгоняется из ожижительного пространства, подогревается в главном теплообменнике 308 и в итоге выпускается в атмосферу (atm); альтернативно он мог бы получаться в виде обогащенного аргоном продукта.
Вспомогательная колонна 140 и головной конденсатор 17 колонны для вывода аргона находятся в отдельных резервуарах. Однако трубопровод 61 для газа гарантирует, что - как в предыдущих примерах осуществления - газ, произведенный в испарительном пространстве головного конденсатора 17 колонны для вывода аргона, по-прежнему вводится в куб вспомогательной колонны 140 и там имеется в распоряжении в виде поднимающегося пара. Жидкость, образующаяся в кубе вспомогательной колонны 140, по трубопроводу 62 для жидкости подводится к колонне 2 низкого давления в надлежащем промежуточном месте. В качестве возвратной жидкости в головной части вспомогательной колонны 140 используется часть 136b переохлажденного жидкого неочищенного азота 36 из колонны 1 высокого давления.
Часть 108a переохлажденного жидкого воздуха 108 может запитываться во вспомогательную колонну 140 в промежуточном месте. От головной части вспомогательной колонны 140 отгоняется второй поток газообразного неочищенного азота 138b при несколько более высоком давлении, чем поток 138a, отдельно от первого потока 138a подогревается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 7 и главном теплообменнике 308 и по трубопроводу 638 по меньшей мере частично или, соответственно, по меньшей мере периодически используется в качестве регенерационного газа в узле 305 очистки воздуха.
Во всех примерах осуществления трубопровод 32 для газа и трубопровод 33 для жидкости между колонной низкого давления и колонной для вывода аргона могут также комбинироваться в одном единственном трубопроводе, имеющем особенно большое поперечное сечение. Далее, колонна низкого давления может дополняться добавочным азотным участком, который получает собственный возврат, предпочтительно жидкий азот из колонны высокого давления или от главного конденсатора. Альтернативно этому вспомогательная колонна также может производить более чистый азот, чем колонна низкого давления, когда вспомогательная колонна получает возврат из более чистой части колонны высокого давления. Кроме того, отдельные, несколько или все элементы, такие как сжатие воздуха, предварительное охлаждение воздуха, очистка воздуха, схема главного теплообменника и турбин и направление неочищенных азотных продуктов с фиг.6 могут также соответственно комбинироваться с другими примерами осуществления.
Фиг.7 технологически в значительной степени соответствует фиг.6, однако здесь колонна 31 для вывода аргона и вспомогательная колонна 140 расположены, будучи поменяны местами. Вспомогательная колонна стоит над колонной 1 высокого давления и главным конденсатором 3, колонна 31 для вывода аргона расположена выше колонны 2 низкого давления. Кроме того, здесь еще предусмотрен компрессор 777 для азота, чтобы дополнительно повышать давление продукта газообразного азота 14, 714 по сравнению с давлением колонны высокого давления.
На фиг.8 изображена система, которая похожа на систему с фиг.3. В частности, колонна 2 низкого давления имеет участок 253 перегородки. В отличие от фиг.2, конденсатор 17 аргона встроен в колонну низкого давления, и выполнен не в виде простого испарителя с ванной, а в виде двухэтажного испарителя с отделениями (называемого также каскадным испарителем). Куб вспомогательной колонны 140 через трубопровод 237 для газа и трубопровод 238 для жидкости находится в гидравлическом соединении с испарительным пространством конденсатора 17 аргона. В отличие от изображения чертежа фиг.8, головные фракции 138a, 138b колонны 2 низкого давления и вспомогательной колонны 140 отгоняются при слегка отличающемся давлении, отдельно направляются через переохлаждающий противоточный теплообменник 7 и отдельно подаются в главный теплообменник (не изображено).
1. Способ производства кислорода путем низкотемпературного разложения воздуха в системе дистилляционных колонн, которая имеет
- колонну (1) высокого давления и колонну (2) низкого давления,
- главный конденсатор (3), который выполнен в виде конденсатора-испарителя, при этом ожижительное пространство главного конденсатора (3) находится в гидравлическом соединении (9, 10, 11, 12) с головной частью колонны (2) высокого давления, а испарительное пространство главного конденсатора (3) находится в гидравлическом соединении с колонной (2) низкого давления,
- колонну (31) для вывода аргона, которая находится в гидравлическом соединении с промежуточным местом (A1/A2) колонны (2) низкого давления,
- головной конденсатор (17) колонны для вывода аргона, который выполнен в виде конденсатора-испарителя, при этом ожижительное пространство головного конденсатора (17) колонны для вывода аргона находится в гидравлическом соединении с головной частью колонны (31) для вывода аргона,
- вспомогательную колонну (140), кубовая область которой выполнена для ввода газа из испарительного пространства головного конденсатора (17) колонны для вывода аргона,
при этом
- жидкий сырой кислород (15, 16) из куба колонны (1) высокого давления вводят во вспомогательную колонну (140),
- жидкий поток из колонны (1) высокого давления или главного конденсатора (3) вводят через возвратный трубопровод (136b, 408a) для жидкости как возврат в головную часть вспомогательной колонны (140), причем этот жидкий поток имеет содержание азота, которое равно или выше содержания азота воздуха,
отличающийся тем, что
- первую часть жидкого сырого кислорода (15, 16) подают во вспомогательную колонну (140) в первом промежуточном месте,
- вспомогательную колонну (140) в головной части эксплуатируют при давлении, которое по меньшей мере на 50 мбар выше, чем рабочее давление в головной части колонны (2) низкого давления.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразную головную фракцию (138b) из вспомогательной колонны (14) получают в виде газообразного азотного продукта отдельно от газообразного головного азота (138a) колонны (2) низкого давления.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительную жидкую фракцию (108a), в частности фракцию жидкого воздуха, вводят во вспомогательную колонну (140) во втором промежуточном месте, которое расположено выше первого промежуточного места.
4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере часть стекающей во вспомогательной колонне (140) жидкости непосредственно ниже куба собирают (150), и по меньшей мере часть собранной жидкости (151) вводят в колонну (2) низкого давления.
5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что из колонны (2) низкого давления во вспомогательную колонну (140) не направляют никакого газообразного потока и никакого жидкого потока.
6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что вторую часть жидкого сырого кислорода (15, 16) подают во вспомогательную колонну (140) в кубе или в испарительное пространство конденсатора (17) аргона, при этом в частности третью часть (16a) жидкого сырого кислорода (15, 16) подают в колонну (2) низкого давления в промежуточном месте.
7. Устройство для производства кислорода путем низкотемпературного разложения воздуха в системе дистилляционных колонн, которая имеет
- колонну (1) высокого давления и колонну (2) низкого давления,
- главный конденсатор (3), который выполнен в виде конденсатора-испарителя, при этом ожижительное пространство главного конденсатора (3) находится в гидравлическом соединении (9, 10, 11, 12) с головной частью колонны (2) высокого давления, а испарительное пространство главного конденсатора (3) находится в гидравлическом соединении с колонной (2) низкого давления,
- колонну (31) для вывода аргона, которая находится в гидравлическом соединении с промежуточным местом (A1/A2) колонны (2) низкого давления,
- головной конденсатор (17) колонны для вывода аргона, который выполнен в виде конденсатора-испарителя, при этом ожижительное пространство головного конденсатора (17) колонны для вывода аргона находится в гидравлическом соединении с головной частью колонны (31) для вывода аргона,
- вспомогательную колонну (140), кубовая область которой выполнена для ввода газа из испарительного пространства головного конденсатора (17) колонны для вывода аргона, и
- трубопровод (15, 16) для сырого кислорода для ввода жидкого сырого кислорода из куба колонны (1) высокого давления во вспомогательную колонну (140),
- возвратный трубопровод (136b, 408a) для жидкости для ввода жидкого потока из колонны (1) высокого давления или главного конденсатора (3) как возврата в головную часть вспомогательной колонны (140), при этом жидкий поток имеет содержание азота, которое по меньшей мере равно содержанию азота воздуха,
отличающееся тем, что
- трубопровод (15, 16) для сырого кислорода выполнен для ввода сырого кислорода во вспомогательную колонну (140) в первом промежуточном месте, и
- вспомогательная колонна (140) выполнена для эксплуатации, при которой давление в головной части вспомогательной колонны по меньшей мере на 50 мбар выше, чем давление в головной части колонны (2) низкого давления.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что снабжено средством для получения газообразной головной фракции (138b) из вспомогательной колонны (14) как газообразного азотного продукта отдельно от газообразного головного азота колонны (2) низкого давления.
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что снабжено промежуточным подводящим трубопроводом для ввода дополнительной жидкой фракции (108a) во вспомогательную колонну (140) во втором промежуточном месте, которое расположено выше первого промежуточного места.
10. Устройство по одному из пп.7, 8, отличающееся тем, что колонна высокого давления и колонна низкого давления расположены рядом друг с другом, а головной конденсатор (17) колонны для вывода аргона и вспомогательная колонна (140) - над колонной высокого давления.
11. Устройство по одному из пп.7-9, отличающееся тем, что колонна (31) для вывода аргона и головной конденсатор (17) колонны для вывода аргона расположены с пространственным отделением друг от друга.
12. Устройство по одному из пп.7, 8, отличающееся тем, что колонна (31) для вывода аргона расположена в области (A2) перегородки колонны (2) низкого давления.
13. Устройство по одному из пп.7-11, отличающееся тем, что массообменные элементы во вспомогательной колонне (140) имеют такую же или большую удельную поверхность, чем массообменные элементы в колонне (2) низкого давления.
14. Устройство по одному из пп.7-12, отличающееся тем, что снабжено средством (150) для сбора по меньшей мере части стекающей во вспомогательной колонне (140) жидкости непосредственно ниже куба и средством (151) для ввода собранной жидкости в колонну (2) низкого давления.
15. Устройство по одному из пп.7-13, у которого вспомогательная колонна (140) и головной конденсатор (17) колонны для вывода аргона расположены в отдельных резервуарах.
16. Устройство по п.14, у которого колонна (1) высокого давления и колонна (2) низкого давления расположены рядом друг с другом, колонна (31) для вывода аргона расположена выше колонны (2) низкого давления, а вспомогательная колонна (140) - рядом с комбинацией из колонны (2) низкого давления и колонны (31) для вывода аргона и выше колонны (1) высокого давления, в частности выше главного конденсатора (3).
