Установка и способ получения кислорода низкотемпературным разделением воздуха
APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING OXYGEN BY LOW-TEMPERATURE AIR SEPARATION

Изобретение относится к установке для получения кислорода низкотемпературным разделением воздуха согласно родовому понятию пункта 1 патентной формулы.
Основы низкотемпературного разделения воздуха в общем и целом, а также конструкция двухколонной установки в частности, описаны в монографии «Tieftemperaturtechnik» («Техника низких температур»), авторы Hausen и Linde (2-ое издание, 1985), и в статье автора Latimer в «Chemical Engineering Progress» (том 63, № 2, 1967, страница 35). Теплообменное взаимодействие между колонной высокого давления и колонной низкого давления двойной колонны, как правило, выполняется через главный конденсатор, в котором газ из верха колонны высокого давления сжижается испаряющейся кубовой жидкостью колонны низкого давления.
Система дистилляционных колонн согласно изобретению в принципе может быть выполнена как классическая двухколонная система с колонной высокого давления и колонной низкого давления. В дополнение к обеим разделительным колоннам для разделения азота и кислорода, могут иметься дополнительные устройства для выделения других компонентов воздуха, в частности, благородных газов, например, получения криптона и ксенона.
Главный конденсатор согласно изобретению выполнен как конденсатор-испаритель. Под «конденсатором-испарителем» подразумевается теплообменник, в котором первый конденсируемый поток текучей среды вступает в косвенный теплообмен со вторым, испаряющимся потоком текучей среды. Каждый конденсатор-испаритель имеет пространство сжижения и пространство испарения, которые состоят из каналов для сжижения и, соответственно, испарительных каналов. В пространстве сжижения происходит конденсация (сжижение) первого потока текучей среды, в пространстве испарения проводится испарение второго потока текучей среды. Пространство испарения и пространство сжижения сформированы группами каналов, которые находятся в теплообменном взаимодействии между собой.
Linde P00107
При этом главный конденсатор может быть выполнен как одно- или многоярусная выпарная установка, в частности, как каскадный испаритель (например, как описанный в патентных документах ЕР 1287302 В1, соответственно US 6748763 В2 []), или же как испаритель с падающей пленкой. Он может быть сформирован единственным теплообменным блоком, или также многочисленными теплообменными блоками, которые размещены в общем резервуаре высокого давления.
«Главный теплообменник» служит для охлаждения подаваемого воздуха в косвенном теплообмене с возвратными потоками из системы дистилляционных колонн. Он может быть сформирован из единственной или многочисленных соединенных параллельно и/или последовательно теплообменных секций, например, из одного или многих пластинчатых теплообменных блоков. Отдельные теплообменники, которые служат специально для испарения или псевдоиспарения единственной жидкой или сверхкритической текучей среды, без нагревания и/или испарения другой текучей среды, не относятся к главному теплообменнику.
Указывающие относительное пространственное расположение термины «наверху», «внизу», «над», «под», «выше», «ниже», «рядом с», «друг около друга», «вертикально», «горизонтально», и т.д., здесь относятся к пространственной ориентации разделительных колонн в нормальных эксплуатационных условиях. Под размещением двух колонн или частей установки «друг над другом» здесь подразумевается, что верхний конец нижней из обеих частей установки находится на более низкой или равной геодезической высоте, нежели нижний конец верхней из обеих частей установки, и проекции обеих частей установки на горизонтальную плоскость пересекаются. В частности, если обе части установки размещены точно друг над другом, это значит, что оси обеих колонн пролегают по одной и той же вертикальной прямой линии.
Установка указанного в начале типа и соответственный способ известны из патентного документа SE 1136355 В.
В основу изобретения положена задача сооружения подобной установки, имеющей особенно высокую производительность получения кислорода и одновременно выполненной настолько компактной, что она, насколько возможно, может быть собрана после заводского изготовления и затем транспортирована на строительную площадку. Для такого транспорта существуют строгие ограничения в отношении высоты (транспортировочная длина) и диаметра (транспортировочная ширина) разделительных колонн. Например, зачастую максимальный диаметр колонны задается равным 4,8 м.
Эта задача решена согласно признакам пункта 1 патентной формулы. В частности, применяются колонна для выделения аргона и вспомогательная колонна, и колонны размещены особенно благоприятным образом.
Под «колонной для выделения аргона» здесь подразумевается разделительная колонна для отделения аргона от кислорода, которая служит не для получения чистого продуктового аргона, а для извлечения аргона из воздуха, разделяемого в колонне высокого давления и в колонне низкого давления. Ее подключение лишь незначительно отличается от классической колонны для получения сырого аргона, но, конечно, она имеет явно меньшее число теоретических тарелок, а именно, менее 40, в частности, между 15 и 30. Как и в колонне для получения сырого аргона, сборник колонны для выделения аргона соединена с промежуточным участком колонны низкого давления, и колонна для выделения аргона охлаждается верхним конденсатором , на сторону испарения которого подается подвергаемая расширению кубовая жидкость из колонны высокого давления; колонна для выделения аргона не имеет никакого кубового испарителя.
Во вспомогательной колонне производится обработка части подаваемого воздуха, в частности, по меньшей мере части расширенного в турбодетандере потока воздуха, который не подается ни в колонну высокого давления, ни в колонну низкого давления.
Прежде всего, в стремлении сформировать особенно компактную установку представлялось бы абсурдным использование двух дополнительных колонн помимо обычных, а именно, колонны высокого давления и колонны низкого давления. Однако в рамках изобретения неожиданного выяснилось, что в совокупности получаются как особенно высокая производительность, так и хорошая техническая осуществимость. Соответствующее изобретению сочетание вспомогательной колонны, колонны для выделения аргона и конфигурации колонн приводит к особенно благоприятной установке.
На вершине вспомогательной колонны преимущественно получается первый газообразный азотный продукт, на вершине колонны низкого давления получается второй газообразный азотный продукт. Оба эти азотных продукта могут быть, например, объединены и совместно нагреты в переохлаждающем противоточном теплообменнике и главном теплообменнике примерно до температуры окружающей среды.
Во многих случаях оказывается более благоприятным, когда первая и вторая головные фракции пропускаются по отдельности - то есть, в раздельных группах каналов - через главный теплообменник, и при этом данные фракции нагреваются подаваемым воздухом для колонны высокого давления. Затем, например, вершина колонны низкого давления может действовать при особенно низком давлении, к примеру, от 1,0 до 1,6 бар (0,1-0,16 МПа), причем на вершине вспомогательной колонны доминирует на величину от 0,1 до 0,3 бар (0,01-0,03 МПа) более высокое давление, на уровне от 1,1 до 1,7 бар (0,11-0,17 МПа), которое является достаточным, чтобы газ с верха колонны первой газообразной головной фракции из вспомогательной колонны использовался в качестве регенерационного газа в блоке молекулярных сит для очистки воздуха. Благодаря особенно низкому давлению в колонне низкого давления сокращается энергопотребление в установке.
В одном дополнительном варианте осуществления изобретения газ из пространства испарения верхнего конденсатора колонны для выделения аргона подается во вспомогательную колонну. Этот газ может быть предварительно смешан с газообразной фракцией, содержание кислорода в которой является равным содержанию его в воздухе или более высоким, и совместно с нею направлен во вспомогательную колонну, например, в сборник. В альтернативном варианте, только газ из верхнего конденсатора колонны для выделения аргона подается в сборник вспомогательной колонны, и другие газообразные фракции направляются в промежуточный участок выше массообменного участка. Благодаря этому колонна низкого давления может быть в большей степени разгружена, и тем самым может быть повышена производительность всей установки в целом.
Кроме того, является благоприятным, когда устройства для подачи газообразной фракции, содержание кислорода в которой равно содержанию его в воздухе или выше, во вспомогательную колонну выполнены как устройства для подведения во вспомогательную колонну расширенного в турбодетандере воздуха. Благодаря этому воздух из турбодетандера должен быть введен в колонну низкого давления весь или только частично.
Кроме того, изобретение относится к способу получения кислорода низкотемпературным разделением воздуха согласно пунктам 7-13 патентной формулы.
Изобретение, а также дополнительные детали изобретения более подробно разъясняются далее с помощью схематически представленных в чертежах примеров осуществления. Как при этом показано:
Фигура 1 представляет первый пример осуществления изобретения с объединением обеих головных фракций вспомогательной колонны и колонны низкого давления,
Фигура 2 представляет второй пример исполнения с раздельным подведением обеих головных фракций,
Фигура 3 представляет третий пример исполнения с подачей газа из верхнего конденсатора колонны для выделения аргона во вспомогательную колонну, и
Фигура 4 представляет вариант Фигуры 3 с дополнительным массообменным участком во вспомогательной колонне.
Главный теплообменник 103 с таким вспомогательным оборудованием, как турбодетандеры 106, 110, 114, представлен только в Фигуре 1. В примерах исполнения согласно Фигурам 2-4 он имеет точно такой же вид, даже если он не показан в чертежах.
Фигуре 1
2
3
Система дистилляционных колонн установки в  имеет колонну 1 высокого давления, колонну 2 низкого давления, главный конденсатор 3, вспомогательную колонну 4, колонну 5 для выделения аргона и верхний конденсатор 6 колонны для выделения аргона. В этом примере исполнения главный конденсатор 3 выполнен как шестиярусный каскадный испаритель, и верхний конденсатор 6 колонны для выделения аргона сформирован как одноярусное выпарное устройство. Вспомогательная колонна в этом примере содержит 20 фактических или теоретических тарелок. Если применяется упорядоченная насадка, то предпочтительно следует выбирать особенно большую удельную площадь поверхности, например, 1200 м/м.
Сжатый и очищенный подаваемый воздух готовится с тремя различными давлениями. Первое давление преобладает в линии 101. Первая часть 102 воздуха под первым давлением охлаждается в главном теплообменнике 103 и на холодном конце образует поток 102а воздуха. Вторая часть 104 воздуха под первым давлением охлаждается в главном теплообменнике 103 до промежуточной температуры. Воздух 105 с промежуточной температурой подается в первый турбодетандер 106 и там расширяется с выполнением работы. Расширенный в турбодетандере воздух 107 образует «третий поток подаваемого воздуха» и по линии 12 подается во вспомогательную колонну 4.
Воздух 108 находится под вторым, более высоким давлением, охлаждается в главном теплообменнике 103 до промежуточной температуры, подводится через линию 109 во второй турбодетандер 110 и расширяется с выполнением работы, чтобы образовать поток 111 воздуха.
Дополнительный поток воздуха при еще более высоком третьем давлении, так называемый дроссельный поток 112, охлаждается или сжижается в главном теплообменнике - или псевдоожижается, если давление является сверхкритическим. Жидкий или сверхкритический дроссельный поток 113 здесь - вопреки своему названию - не расширяется дросселированием, но расширяется с выполнением работы в жидкостной турбине 114 (турбине для плотной текучей среды). Полученный сжиженный воздух 8 образует «второй поток подаваемого воздуха». Первый поток 7 подаваемого воздуха образуется из воздушных потоков 102а и 111 и в газообразном состоянии подается в колонну 1 высокого давления, а именно, непосредственно выше сборника. Второй поток 8 подаваемого воздуха, главным образом в жидком состоянии, подводится в колонну 1 высокого давления несколько выше. Часть 9 его сразу же отбирается, охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 10 и по линии 11 вводится в колонну 2 низкого давления. Третий поток 107 подаваемого воздуха из турбодетандера 106 в газообразном состоянии подается по линии 12 в сборник вспомогательной колонны 4.
В отличие от этого примера исполнения, поток 11 жидкого воздуха, часть его или другой поток жидкого воздуха могли бы вводиться во вспомогательную колонну 4, в частности, в промежуточный участок. Тогда вспомогательная колонна имела бы не только один массообменный участок, как в примере исполнения, а два массообменных участка, между которыми вводится жидкий воздух.
Часть 13 азота из верха колонны 1 высокого давления конденсируется в главном конденсаторе 3. Первая часть 15 полученного при этом жидкого азота 14 подается обратно в колонну 1 высокого давления и служит там в качестве флегмы. Вторая часть 16/17 охлаждается в переохлаждающем противоточном теплообменнике 10 и выводится в виде продуктового жидкого азота (LIN). Третья часть 18 жидкого азота 14 из главного конденсатора 3 направляется на внутреннее сжатие и затем выводится как газообразный сжатый продукт (GANIC). Сжиженный неочищенный азот 19 из промежуточного участка колонны 1 высокого давления подвергается переохлаждению в переохлаждающем противоточном теплообменнике 10. Первая часть 20а переохлажденного неочищенного азота 20 отправляется на верх колонны 2 низкого давления. Остальное количество протекает через линию 20b на верх вспомогательной колонны.
Сжиженный сырой кислород 21 из сборника колонны высокого давления также направляется в переохлаждающий противоточный теплообменник 10 и затем по линии 22 подается в пространство испарения верхнего конденсатора 6 колонны для выделения аргона. Образованный в пространстве испарения газ 23а подводится в колонну 2 низкого давления на промежуточном участке, точно так же, как остающаяся жидкой часть 24 и кубовая жидкость 25 вспомогательной колонны 4.
Головной продукт вспомогательной колонны 4 в качестве первой газообразной головной фракции 26b через линии 27 и 28 пропускается через переохлаждающий противоточный теплообменник 10 и далее направляется в главный теплообменник 103, и затем выводится как первый газообразный продуктовый азот, или подается в качестве регенерационного газа в непоказанное устройство для очистки воздуха. Головной продукт колонны 2 низкого давления выводится в качестве второй газообразной головной фракции 26а, объединяется с первой газообразной головной фракцией 26b, подается по линиям 27 и 28 через переохлаждающий противоточный теплообменник 10 и затем в главный теплообменник 103, и, наконец, выводится как второй газообразный продуктовый азот (вместе с первым). Азот 45 из верха колонны 1 высокого давления подогревается в главном теплообменнике 103 и выводится как продуктовый азот среднего давления (MPGAN); часть может быть использована как уплотняющий газ (SEALGAS).
Из промежуточного учаська колонны 2 низкого давления выводится обогащенный аргоном поток 29 и направляется в колонну 5 для выделения аргона. В противоположном направлении из сборника колонны 5 для выделения аргона протекает жидкость 30 обратно в колонну низкого давления.
Газ 38 из верха колонны для выделения аргона вводится в пространство сжижения верхнего конденсатора 6 колонны для выделения аргона. Образованная там жидкость 39 подается в колонну 5 для выделения аргона в качестве флегмы. Остальной газ 40, который имеет высокое содержание аргона, подогревается в собственной группе каналов в главном теплообменнике 103.
Первая часть 33 сжиженного кислорода в сборнике колонны 2 низкого давления через линию 31 и насос 32 вводится в пространство испарения главного конденсатора 3. Образованный там газ 34 и оставшаяся жидкость 35 возвращаются обратно в колонну 2 низкого давления. В случае, если существует потребность в жидком продуктовом кислороде (LOX), то для этого может быть использована вторая часть 36 жидкого кислорода в сборнике колонны 2 низкого давления, при необходимости после охлаждения в переохлаждающем противоточном теплообменнике 10. Третья часть 37 подается на внутреннее сжатие и затем образует основной продукт установки, а именно газообразный продуктовый сжатый кислород (GOXIC).
Колонны и конденсаторы размещены следующим образом:
- колонна 2 низкого давления стоит рядом с колонной 1 высокого давления.
- Главный конденсатор 3 установлен над колонной 1 высокого давления.
- Вспомогательная колонна 4 размещена над главным конденсатором 3.
- Колонна 5 для выделения аргона установлена над вспомогательной колонной 4.
- Верхний конденсатор 6 колонны для выделения аргона смонтирован над колонной 5 для выделения аргона.
В альтернативном варианте, вспомогательная колонна 4 и колонна 5 для выделения аргона могут быть размещены следующим образом:
- вспомогательная колонна 4 размещена над колонной 2 низкого давления.
- Колонна 5 для выделения аргона установлена над главным конденсатором 3.
- Верхний конденсатор 6 колонны для выделения аргона смонтирован над колонной 5 для выделения аргона.
Фигура 2
отличается от Фигуры 1 исключительно тем, что только вторая газообразная головная фракция (26а) из колонны 2 низкого давления пропускается через линии 27, 28 и переохлаждающий противоточный теплообменник 10. Напротив, первая газообразная головная фракция 26b из колонны 2 низкого давления пропускается мимо переохлаждающего противоточного теплообменника и протекает через отдельные каналы в главном теплообменнике. Этот признак может быть также осуществлен в установках согласно следующим Фигурам 3 и 4.
Фигуре 3
В  только часть 23а газа 23 из пространства испарения верхнего конденсатора колонны для выделения аргона подается в колонну 2 низкого давления. Остальное количество 23b поступает во вспомогательную колонну 4, а именно, совместно с расширенным в турбодетандере воздухом.
Фигуре 4
В  вспомогательная колонна 4 имеет дополнительный массообменный участок 41, причем газ 23b из верхнего конденсатора 6 колонны для выделения аргона вводится ниже этого массообменного участка, и поверх него расширенный в турбодетандере воздух 12.