УСТРОЙСТВО ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
DEVICE FOR LOW-TEMPERATURE AIR SEPARATION

Изобретение относится к устройству для низкотемпературного разделения воздуха согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Способ и устройства для низкотемпературного разделения воздуха известны, например, из Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337).
«Система с перегонной колонной для разделения азота и кислорода» согласно изобретению может быть выполнена в виде одиночной колонны, системы с двойной колонной (например, в виде классической системы с двойной колонной «Линде») или же в виде трех- или многоколонной системы. В дополнение к колоннам в системе с перегонной колонной для разделения азота и кислорода могут быть предусмотрены дополнительные устройства для получения высокочистых продуктов и/или других компонентов воздуха, в частности, инертных газов, например, для получения аргона и/или криптон-ксенона.
«Основной теплообменник» служит для охлаждения используемого воздуха с опосредованным теплообменом с обратными потоками из системы с перегонной колонной (или с дополнительными колоннами) для разделения азота и кислорода и в принципе может быть образован отдельным блоком теплообменника. Основной теплообменник может состоять из одного или нескольких параллельно и/или последовательно соединенных блоков теплообменника, например, из одного или нескольких блоков пластинчатого теплообменника. В изобретении основной теплообменник содержит, по меньшей мере, два блока теплообменника.
«Противоточный теплообменник переохлаждения» - это блок, отделенный от основного теплообменника и служащий для переохлаждения или подогрева одной или нескольких жидкостей из одной из колонн системы с перегонной колонной для разделения азота и кислорода или же из смешанной колонны в противоток одному или нескольким холодным газообразным обратным потокам. Эти обратные потоки поступают из колонны системы с перегонной колонной (при двух- или многоколонных системах, как правило, из колонны низкого давления) и, как правило, направляются вниз по течению от противоточного теплообменника переохлаждения в другую колонну или конденсатор-испаритель. В противоточном теплообменнике переохлаждения, например, потоки жидкости, расширяющиеся при температуре кипения, из колонны более высокого давления (например, из колонны высокого давления в системе с двойной колонной) в колонну более низкого давления (например, в колонну низкого давления), охлаждаются до температуры, возможно, более близкой к температуре кипения, соответствующей более низкому уровню давления. При этом количество пара (Flash) при стравливании давления с более высокого до более низкого уровня минимизируется. Когда жидкий кислород из колонны низкого давления перед подачей в смесительную колонну пропускается через противоточный теплообменник переохлаждения, он, чтобы достичь смесительной колонны при температуре, возможно, более близкой к точке кипения, как правило, под более высоким давлением, наоборот, нагревается. В противоположность этому холодные обратные потоки, выходящие из колонн с температурой «точки росы», нагреваются при более низкой температуре. Поскольку эти потоки направляются в основной теплообменник, технологический воздух, направляемый в колонну высокого давления, также нагревается, это означает, что он приближается к температуре «точки росы». Доля предварительно сжиженного воздуха минимизируется.
Специальный класс установок для разделения воздуха содержит смесительную колонну, в которой в противотоке осуществляется массообмен между жидким кислородом из системы с перегонной колонной для разделения азота и кислорода и частью используемого воздуха. Такие системы известны с семидесятых годов прошлого века (DE 2204376 = US 4022030). Кроме того, такие способы раскрыты в US 5454227, US 5490391, DE 19803437 A1, DE 19951521 A1, EP 1139046 B1 (=US 2001052244 A1), EP 1284404 A1 (=US 6662595 B2), DE 10209421 A1, DE 10217093 A1, EP 1376037 B1 (=US 6776004 B2), EP 1387 136 A1 и EP 1666824 A1.
Холодный бокс служит для термоизоляции деталей установки (см., например, Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 1985, Seiten 490, 491). Под «холодным боксом» (Coldbox) здесь понимается изолирующая оболочка, охватывающая все теплоизолированное внутреннее пространство вместе с наружными стенками; во внутреннем пространстве установлены изолируемые детали установки, например, одна или несколько разделительных колонн и/или теплообменников. Изолирующее действие может осуществляться за счет соответствующего выполнения наружных стенок и/или за счет заполнения промежутка между деталями установки и наружными стенками изоляционным материалом. В последнем варианте, предпочтительно, используется порошкообразный материал, как, например, перлит. Как система с перегонной колонной для разделения азота и кислорода, так и основной теплообменник и противоточный теплообменник переохлаждения должны быть окружены одним или несколькими холодными боксами.
При менее мощных установках противоточный теплообменник переохлаждения находится рядом с перегонными колоннами. Если дополнительная потребность в месте для противоточного теплообменника переохлаждения превысит транспортные габариты холодного бокса колонны, он будет размещен в боксе основного теплообменника (в «первом холодном боксе») рядом с основным теплообменником.
В основу изобретения положена задача по обеспечению особенно благоприятного размещения деталей установки.
Эта задача решается с помощью признаков отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Все данные по пространственному ориентированию здесь относятся к ориентации устройства во время эксплуатации колонн.
Резервуар (например, колонна или теплообменник) находится «над» (или «под») другим резервуаром, если его нижняя (верхняя) кромка находится на более высоком (низком) геодезическом уровне, чем верхняя (нижняя) кромка другого резервуара. При этом может, но не должна существовать вертикальная линия, проходящая через оба резервуара. В проекции на горизонтальную плоскость поперечные сечения обоих резервуаров могут пересекаться, однако они могут быть также полностью смещены относительно друг друга. Аналогично следует понимать понятие «друг над другом».
Размещение противоточного теплообменника переохлаждения согласно изобретению под основным теплообменником на первый взгляд представляется абсурдным, поскольку противоточный теплообменник переохлаждения имеет существенно меньший объем и комбинация из основного теплообменника и противоточного теплообменника переохлаждения тем самым, так сказать, делает «стойку на голове». Однако в рамках изобретения выяснилось, что размещение согласно изобретению дает неожиданно большие преимущества. В частности, поток или потоки газа, выходящие из системы с перегонной колонной для разделения азота и кислорода или из смесительной колонны и вначале нагревающиеся в противоточном теплообменнике переохлаждения, с верхнего конца противоточного теплообменника переохлаждения в нижний конец основного теплообменника подаются с весьма незначительными затратами на трубы. Кроме того, по сравнению с расположением основного теплообменника и противоточного теплообменника переохлаждения рядом получается меньшая ширина первого холодного бокса, так что он может транспортироваться проще или в рамках максимально допустимой транспортной ширины может быть реализован больший объем основного теплообменника.
В рамках изобретения противоточный теплообменник переохлаждения подвешивается прямо на основном теплообменнике, а именно, посредством по меньшей мере одного трубопровода, гидравлически соединяющего основной теплообменник и противоточный теплообменник переохлаждения. По сравнению с опорой на землю тем самым обходятся без точки опоры, а дорогостоящие петли для растяжки в соединениях между основным теплообменником и противоточным теплообменником переохлаждения могут отпасть. Подвешивание может осуществляться посредством одного или всех трубопроводов, гидравлически соединяющих основной теплообменник и противоточный теплообменник переохлаждения, или с помощью ассортимента технологически необходимых трубопроводов. От какой-либо иной опоры, предпочтительно, отказываются.
Интервал по вертикали между нижним концом основного теплообменника и верхним концом противоточного теплообменника переохлаждения составляет в устройстве согласно изобретению, например, 1-7 м, предпочтительно 2-5 м.
Используемое в дальнейшем понятие «поперечное сечение основного теплообменника» следует понимать как наименьший горизонтальный прямоугольник, перекрывающий поперечные сечения всех блоков теплообменника, образующих основной теплообменник.
В изобретении противоточный теплообменник переохлаждения и основной теплообменник установлены таким образом, что вертикальные проекции поперечных сечений противоточного теплообменника переохлаждения и основного теплообменника на горизонтальную плоскость пересекаются и, в частности, вертикальная проекция поперечного сечения основного теплообменника на горизонтальную плоскость полностью перекрывает соответствующую проекцию противоточного теплообменника переохлаждения.
В последнем случае противоточный теплообменник переохлаждения в повседневном смысле также полностью установлен под основным теплообменником. При самом предпочтительном размещении противоточный теплообменник переохлаждения расположен посредине под блоками основного теплообменника.
Благоприятно, чтобы устройство содержало второй холодный бокс, отделенный от первого холодного бокса и внутри которого установлена по меньшей мере одна колонна системы с перегонной колонной для разделения азота и кислорода. Благодаря распределению на два или большее количество холодных боксов установки средних размеров могут также в значительной мере изготавливаться заранее без превышения допустимых транспортных габаритов. Каждый холодный бокс со своим внутренним содержимым может полностью изготавливаться на заводе заранее. Холодные боксы поставляются на стройплощадку отдельно, устанавливаются там и соединяются между собой.
При этом все колонны системы с перегонной колонной для разделения азота и кислорода могут быть установлены за пределами первого холодного бокса, в частности, во втором холодном боксе. Следовательно, в последнем случае все холодные детали устройства установлены ровно в двух отдельных транспортабельных холодных боксах.
Как упоминалось выше, размещение противоточного теплообменника переохлаждения согласно изобретению может использоваться во всех типах низкотемпературных установок для разложения воздуха, т.е. в системах с одиночной или двойной колонной без смесительной колонны. Изобретение может также применяться в установках со смесительной колонной, причем смесительная колонна, предпочтительно установлена во втором холодном боксе. Примеры выполнения соответствующих размещений описаны в WO 2011116981 А2.
Кроме того, в этом случае устройство содержит средства для подачи используемого воздуха в смесительную колонну через основной теплообменник, а также трубопровод для подачи жидкого кислорода из системы с перегонной колонной для разделения азота и кислорода (в частности, из колонны низкого давления) в верхнюю область смесительной колонны и продуктопровод для кислорода для удаления газа-кислорода из верхней области смесительной колонны через основной теплообменник.
В принципе основной теплообменник может иметь опору в любом месте. Однако особенно благоприятно, чтобы основной теплообменник закреплялся подвешиванием сверху, в частности, чтобы он подвешивался за балки на верхнем конце блоков. Такая конструкция показана, например, в ЕР 1239254 В1 (=US 7325594 В2).
Изобретение, а также другие подробности изобретения более подробно поясняются ниже на примере выполнения, схематически изображенном на чертежах. При этом
фиг. 1 изображает устройство согласно изобретению в горизонтальном поперечном сечении, а
фиг. 2 - то же устройство, первый холодный бокс в качестве первого примера выполнения в вертикальном поперечном сечении.
Пример выполнения содержит первый холодный бокс 12 и второй холодный бокс 3. От обоих холодных боксов 12 и 3 на фиг. 1 изображены только боковые наружные стенки. Детали, как-то: трубопроводы, клапаны и содержимое аппаратов 1, 2, 5, 6, - не показаны. Промежуток между аппаратами 1, 2, 5, 6 и наружной стенкой общего холодного бокса 3 заполнен перлитом. Верхняя и нижняя стороны каждого холодного бокса образованы отдельными наружными стенками.
В первом холодном боксе 12 установлены основной теплообменник 6 и противоточный теплообменник 2 переохлаждения. Основной теплообменник 6 образуется из более чем одного блока теплообменника, а именно, в данном примере из двух блоков пластинчатого теплообменника, включенных параллельно и расположенных рядом. «Поперечное сечение» 20 основного теплообменника здесь образовано наименьшим горизонтальным прямоугольником, перекрывающим поперечные сечения всех блоков, образующих основной теплообменник, а на фиг. 1 представленным пунктирной линией. Противоточный теплообменник 2 переохлаждения образуется одним единственным блоком пластинчатого теплообменника, установленным в центре под основным теплообменником. Благоприятно, что противоточный теплообменник переохлаждения установлен максимально низко, вследствие чего разница по высоте между кубом колонны высокого давления и местами подачи охлаждаемых потоков жидкости в направлении противоточного теплообменника переохлаждения является максимально малой.
Система с перегонной колонной для разделения азота и кислорода согласно примеру выполнения содержит колонну высокого давления и колонну низкого давления, реализованные в виде классической двойной колонны 5 и размещенные в холодном боксе 3. Двойная колонна 5 опирается на землю посредством не показанной стойки. Кроме того, во втором холодном боксе установлена смесительная колонна 1, опирающаяся на двойную колонну 5 посредством соединительных элементов 10, 11.
Смесительная колонна 1 опирается исключительно на двойную колонну, а именно, посредством, по меньшей мере, двух соединительных элементов, установленных соответственно в верхней и нижней областях смесительной колонны. Вид соединения более подробно раскрыт в WO 2011116981 A2. Верхний соединительный элемент состоит из пары элементов 10, 11 и изображен на фиг. 1.
Показанный пунктиром круг 1а представляет собой модификацию примера выполнения, в которой смесительная колонна установлена не идентично.
Кроме того, в чертеже на фиг. 2 показана трубопроводная система между основным теплообменником 6, противоточным теплообменником 2 переохлаждения и вторым холодным боксом 3. (Другие обычные соединения между системой с перегонной колонной и основным теплообменником здесь не показаны). По трубопроводу 16 чистый или нечистый азот подводится из колонны низкого давления (в верхней части двойной колонны 5) и подается в нижний конец противоточного теплообменника 2. Азот, подогретый в противоточном теплообменнике переохлаждения, по трубопроводу 17 отбирается с верхнего конца противоточного теплообменника 2 переохлаждения, распределяется по паре трубопроводов 18, 19 на оба блока основного теплообменника 6 и устремляется в его нижний конец. Затем на верхнем, теплом конце основного теплообменника азот отбирается при примерно окружающей температуре (не показано). В примере выполнения противоточный теплообменник подвешен на основном теплообменнике 6 исключительно на трубопроводах 17, 18 и 19; других опорных или подвесных устройств не предусмотрено. Альтернативно один или несколько дополнительных трубопроводов, гидравлически соединяющих основной теплообменник и противоточный теплообменник охлаждения, могут быть использованы для подвешивания противоточного теплообменника охлаждения на основном теплообменнике.