СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КИСЛОРОДОМ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ ПУТЕМ КРИОГЕННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ ВОЗДУХА
METHOD AND INSTALLATION FOR HIGH PURITY OXYGEN PROVISION BY MEANS OF CRYOGENIC DISTILLATION OF AIR

Изобретение относится к методам дистилляции воздуха, в частности к способу и установке для обеспечения кислородом высокой чистоты путем криогенной дистилляции воздуха.
В некоторых промышленных приложениях требуются большие количества кислорода низкой чистоты при различных давлениях: газификация угля, газификация нефтяных отходов, прямая восстановительная плавка железной руды, введение углерода в доменные печи, металлургия цветных металлов и т.д.
Кроме того, определенные промышленные условия требуют одновременного обеспечения в больших количествах практически чистого кислорода и кислорода низкой чистоты при разных давлениях.
Завод металлургического производства обычно включает несколько аппаратов, имеющих различную потребность в кислороде, таких, как описанные в “The Making, Shaping and Treating of Steel”, AISE, 1985. Доменная печь потребляет воздух, обогащенный кислородом, полученный обычно при смешении сжатого воздуха с кислородом невысокой чистоты. Кислород невысокой чистоты имеет чистоту от 80 до 97%. Напротив, конверторы и дуговые печи потребляют кислород высокой чистоты от 99 до 99,8%. Чтобы подавать кислород с этими двумя уровнями чистоты, часто предусматриваются два аппарата для получения кислорода путем дистилляции воздуха, причем аппарат, производящий кислород невысокой чистоты, является аппаратом с колонной смешения типа, описанного в документах US-А-4022030 и ЕР-А-0531182, а тот, который производит кислород высокой чистоты, является аппаратом с классической двойной колонной.
Все указанные степени чистоты приведены в мольных процентах.
Когда аппарат, поставляющий кислород высокой чистоты, не работает, необходимо предусмотреть другой источник кислорода высокой чистоты, который может быть другим аппаратом или, по меньшей мере, очень большим хранилищем, как это видно из "Zur Planung grosser Sauerstoffanlagen in Stahlwerken" H.Springmann, Linde Berichte aus Technik und Wissenchaft, 40/1976.
Целью изобретения является создание установки, содержащей два аппарата разделения воздуха, первый из которых с колонной смешения производит кислород невысокой чистоты, а второй производит кислород высокой чистоты, причем установка может производить кислород высокой чистоты, даже когда второй аппарат не работает, чтобы хранилище кислорода высокого давления могло быть упразднено или уменьшено в объеме.
Согласно одному аспекту изобретения предусмотрен способ обеспечения кислородом высокой чистоты путем криогенной дистилляции воздуха посредством установки, содержащей первый и второй аппараты разделения воздуха, причем первый аппарат разделения воздуха содержит колонну среднего давления, колонну низкого давления, находящуюся в тепловой взаимосвязи с колонной среднего давления, и колонну смешения, причем
i) воздух на дистилляцию подают в колонну среднего давления,
ii) жидкости, обогащенные кислородом и азотом, подают из колонны среднего давления в колонну низкого давления,
iii) на первом этапе работы аппарата в верх колонны смешения подают поток жидкости, обогащенной кислородом, из колонны низкого давления,
iv) на первом этапе с верха колонны смешения отбирают поток кислорода невысокой чистоты и подают, по меньшей мере, часть его на первую потребляющую установку,
v) на первом этапе работы подают воздух в колонну смешения,
vi) на первом этапе второй аппарат обеспечивает кислород высокой чистоты для второй потребляющей установки, отличающийся тем, что
vii) на втором этапе работы в первом аппарате снижают при необходимости до нуля поток жидкости, обогащенной кислородом, введенной в верх колонны смешения, снижают при необходимости до нуля поток воздуха, поданного в колонну смешения, и снижают при необходимости до нуля поток кислорода невысокой чистоты, отобранного сверху колонны смешения, и
viii) на втором этапе работы отводят в куб колонны низкого давления первого аппарата поток, обогащенный кислородом высокой чистоты, и подают его, по меньшей мере, на вторую потребляющую установку.
Предпочтительно на втором этапе работы второй аппарат не обеспечивает кислород высокой чистоты для второй потребляющей установки или подает только часть кислорода высокой чистоты, требующегося второй потребляющей установке.
Согласно другим необязательным вариантам:
- первая потребляющая установка является доменной печью, а вторая потребляющая установка является конвертером или дуговой печью;
- на первом этапе доменная печь питается воздухом, обогащенным кислородом, а на втором этапе доменная печь питается или воздухом, или воздухом, менее обогащенным кислородом, чем тот, которым она снабжалась на первом этапе;
- колонна смешения на втором этапе не работает;
- на первом этапе вторая потребляющая установка питается кислородом (исключительно) от второго аппарата разделения воздуха, а на втором этапе работы питается только кислородом, поступающим от первого аппарата.
Согласно другим аспектам изобретения предусматривают установку обеспечения кислородом путем криогенной дистилляции воздуха, содержащую первый и второй аппарат разделения воздуха, причем первый аппарат разделения воздуха содержит колонну среднего давления, колонну низкого давления, находящуюся в тепловой взаимосвязи с колонной среднего давления, и колонну смешения, содержащую:
а) средства для подачи воздуха на дистилляцию в колонну среднего давления;
b) средства для подачи жидкости, обогащенной кислородом и азотом, из колонны среднего давления в колонну низкого давления;
с) средства для подачи вверх колонны смешения потока жидкости, обогащенной кислородом, поступающей из колонны низкого давления;
d) средства для подачи воздуха в куб колонны смешения;
е) средства для отбора вверху колонны смешения потока кислорода невысокой чистоты и средства для подачи, по меньшей мере, части его в первую потребляющую установку;
f) средства для подачи кислорода высокой чистоты от второго аппарата разделения воздуха на вторую потребляющую установку,
отличающуюся тем, что она содержит
g) средства для снижения при необходимости до нуля потока жидкости, обогащенной кислородом, подаваемого в верх колонны смешения;
h) средства для снижения при необходимости до нуля воздуха, подаваемого в куб колонны смешения;
i) средства для отбора из куба колонны низкого давления первого аппарата потока кислорода высокой чистоты и средства для подачи этого потока на вторую потребляющую установку.
Согласно другим необязательным вариантам изобретения:
- первая потребляющая установка является доменной печью, а вторая потребляющая установка является конвертером или дуговой печью;
- установка содержит средства для снабжения доменной печи кислородом невысокой чистоты из первого аппарата и средства для прекращения подачи кислорода невысокой чистоты из первого аппарата в доменную печь;
- установка содержит средства для снабжения доменной печи кислородом только из второго аппарата разделения воздуха и средства для снабжения доменной печи кислородом только из первого аппарата;
- установка содержит, по меньшей мере, один компрессор кислорода высокой чистоты, расположенный до второй потребляющей установки и после первого аппарата разделения воздуха.
Далее будут описаны примеры осуществления изобретения в сопоставлении с приложенными чертежами, на которых фиг.1 показывает схему установки согласно изобретению, а фиг.2 более подробно показывает первый аппарат разделения воздуха.
Установка разделения воздуха по фиг.1 содержит первый аппарат 1 разделения воздуха путем криогенной дистилляции и второй аппарат 2 разделения воздуха путем криогенной дистилляции. На первом этапе работы установки первый аппарат разделения воздуха производит поток кислорода невысокой чистоты, содержащий от 80 до 97% кислорода. Этот кислород 3 подается минуя воздуходувку 4 первой потребляющей установки, в данном случае доменной печи 5, и смешивается с сжатым воздухом 7, чтобы быть поданным в доменную печь.
Второй аппарат 2 производит кислород высокой чистоты, содержащий от 99 до 99,9% кислорода. Этот кислород 8 подается на вторую потребляющую установку 9. Второй аппарат может быть произвольным криогенным аппаратом, производящим газообразный кислород высокого давления, например двойной или тройной колонной, в котором давление кислорода повышают или сжатием газообразного кислорода, или перекачкой жидкого кислорода с последующим испарением. Примеры способов получения такого типа можно найти в документе ЕР-А-0504029.
На втором этапе работы второй аппарат 2 не работает. Первый аппарат производит кислород высокой чистоты 11 и подает его на вторую установку 9 с предварительным сжатием в компрессоре 13. Первый аппарат или не производит кислород низкого давления, чтобы доменная печь питалась только воздухом, или производит меньше кислорода низкого давления для смешивания его с воздухом 7.
5
5
5
5
5
5
5
5
5
Аппарат разделения (дистилляции) воздуха, показанный на фиг.2, предназначен для получения согласно первому этапу работы кислорода невысокой чистоты, например имеющего чистоту от 80 до 97%, предпочтительно от 85 до 95% при определенном давлении Р, заметно отличающимся от 6×10 Па абс., например, при (2-5)×10 Па или благоприятно при давлении выше 6×10 Па абс., по меньшей мере, на 2×10 Па, и которое может доходить до примерно 30×10 Па, предпочтительно составлять от 8×10 Па до 15×10 Па. Аппарат содержит по существу одну линию теплообмена 1А, двойную дистилляционную колонну 2А, которая сама содержит колонну среднего давления 3А, колонну низкого давления 4А, основной конденсатор-испаритель 5А и колонну смешения 6А. Колонны 3А и 4А работают обычно при давлении примерно 6×10 Па и примерно 1×10 Па, соответственно.
Как подробно объясняется в документе US-А-4022030, колонна смешения представляет собой колонну, которая имеет ту же конструкцию, что и дистилляционная колонна, но которая применяется для смешения способом, близким к обратимому, относительно летучего газа, введенного снизу колонны, и менее летучей жидкости, введенной сверху.
Такая смесь производит «холодильную энергию» и позволяет, таким образом, снизить потребление энергии, идущей на дистилляцию. В настоящем случае эта смесь используется, кроме того, чтобы получить непосредственно кислород низкой чистоты при давлении Р, как это будет описано ниже.
5
Воздух для разделения дистилляцией, сжатый до 6×10 Па и очищенный надлежащим образом, направляют к основанию колонны среднего давления 3А по линии 7А. Большая часть это воздуха охлаждается в линии теплообмена 1А и вводится снизу колонны среднего давления 3А, а остаток, дополнительно сжатый в 8А, а затем охлажденный, расширяется до низкого давления в турбине 9А, соединенной с бустер-компрессором 8А, а затем нагнетается в промежуточной точке в колонну низкого давления 4. "Обогащенная жидкость" (воздух, обогащенный кислородом), взятая из куба колонны 3А, после сброса давления в дроссельном вентиле 10А вводится в колонну 4А около точки нагнетания воздуха. "Бедная жидкость" (азот низкой чистоты), взятая из промежуточной точки 11А колонны 3А, после сброса давления в дроссельном вентиле 12А вводится сверху колонны 4А, образуя остаточный газ установки, а чистый газообразный азот при среднем давлении, полученный сверху колонны 3А, нагревают в линии теплообмена 1А и удаляют их установки. Эти газы обозначены на фиг.1 соответственно NI и NG.
5
5
5
5
5
Жидкий кислород, более или менее чистый, согласно наладке двойной колонны 2А, отбирается из куба колонны 4А, доведенного насосом 13А до давления Р1, немного превышающего указанное ранее давление Р, чтобы учесть потери напора (Р1-Р меньше 1×10 Па), и вводится в верх колонны 6. Таким образом, Р1 составляет предпочтительно от 8×10 до 30×10 Па, более предпочтительно от 8×10 до 16×10 Па. Добавочный воздух, сжатый до того же давления Р1 вспомогательным компрессором 14А, который может быть воздуходувкой 4, и охлажденный в линии теплообмена 1А, вводят снизу колонны смешения 6А. Из этой последней отводятся три потока жидкости: снизу - жидкость, близкая к обогащенной жидкости и соединенная с этой последней через линию 15А, оборудованную дроссельным вентилем 15А'; в промежуточной точке - смесь, состоящая по существу из кислорода и азота, которая возвращается в промежуточную точку колонны низкого давления 4А по линии 16А, оборудованной дроссельным вентилем 17А; и наверху - кислород низкой чистоты, который после подогрева в линии теплообмена выводится из установки при давлении, почти равном Р, по линии 18А в качестве целевого газа OI.
На фиг.2 показаны также вспомогательные теплообменники 19А, 20А, 21А, обеспечивающие рекуперацию холода, содержащегося в рабочих жидкостях установки.
Как можно понять, благодаря присутствию отдельной схемы для дополнительного воздуха, снабжающего колонну 6А, давление Р полученного кислорода низкой чистоты можно выбирать по желанию. Кроме того, как указано выше, наладка двойной колонны позволяет получить разные степени чистоты для этого газа.
На втором этапе работы аппарата 1 насос 13А останавливают, чтобы жидкий кислород больше не отводился в куб колонны 4А и не вводился сверху колонны 6. Дополнительный воздух больше не отводится снизу колонны смешения 6А. Три потока жидкости больше не отводятся из нее.
Альтернативно на втором этапе работы пониженное (по сравнению с количеством, подаваемым на первом этапе) количество жидкого кислорода отбирается из куба колонны 4А, доведенного насосом 13А до давления Р1, и вводится сверху колонны 6А. Пониженное количество дополнительного воздуха вводится снизу колонны смешения 6А, и все три потока жидкости, отведенные из колонны смешения, также уменьшены.
Остается ли колонна смешения в работе или нет, газообразный поток 11 кислорода высокой чистоты, содержащего от 99 до 99,8% кислорода, отбирается из куба колонны низкого давления на втором этапе работы, причем на первом этапе этот поток не отбирается или отбирается в очень малом количестве при продувке конденсатора 5А. Этот поток 11 сжимается в компрессоре 13 и подается на вторую потребляющую установку 9, которая может быть конвертером для продувки кислородом или дуговой печью. Часть кислорода высокой чистоты может также подаваться на кислородную резку. Если поток 8 доводится до конечного давления другим компрессором, этот другой компрессор может служить для сжатия потока 11, когда поток 8 не подается, и компрессор 13 больше не требуется. Аналогично, если компрессор потока 8 не работает, например, из-за неисправности, на первом этапе поток 8 может быть сжат компрессором 13.
Идею настоящего изобретение можно распространить на другие типы аппаратов. Например, можно производить кислород низкой чистоты в первом аппарате, а чистый кислород - во втором аппарате и модифицировать или работу первого аппарата, или сам первый аппарат, чтобы сделать возможным получение чистого кислорода в первом аппарате. Этот вид модификации может распространяться, например, на аппарат с двойной колонной, включающей вспомогательную колонну, питаемую сверху кислородом низкой чистоты, поступающим из куба колонны низкого давления, причем вспомогательная колонна имеет кипятильник куба. Вспомогательная колонна может питаться, чтобы дать возможность отбирать чистый кислород из куба вспомогательной колонны только на конкретном этапе работы аппарата.
Конечно, можно использовать изобретение с аппаратом с колонной смешения, отличным от аппарата по фиг.2.
Подавая потоки 8 и 11 одновременно, можно получить максимальную производительность по кислороду высокой чистоты, предпочтительно при остановке работы колонны смешения.