СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЖАТОГО ГАЗООБРАЗНОГО ПРОДУКТА ПОСРЕДСТВОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION OF COMPRESSED GASEOUS PRODUCT BY MEANS OF LOW-TEMPERATURE AIR SEPARATION

Изобретение относится к способу и устройству для изменяемого получения сжатого газообразного продукта посредством низкотемпературного разделения воздуха.
Способы и устройства для низкотемпературного разделения воздуха известны, например, из публикации: Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2-е издание 1985, глава 4 (стр. 281-337).
Система дистилляционных колонн такой установки может быть выполнена как двухколонная система (например, как классическая двухколонная система Linde) или также как трех- или многоколонная система. Она может дополнительно к колоннам для отделения азота-кислорода иметь дополнительные устройства для получения высокочистых продуктов и/или других компонентов воздуха, в частности, инертных газов, например, получения аргона и/или получения криптона-ксенона.
Как «конденсатор-испаритель» обозначается теплообменник, в котором первый конденсирующийся флюидный поток вступает в косвенный теплообмен с вторым испаряющимся флюидным потоком. Каждый конденсатор-испаритель имеет камеру сжижения и испарительную камеру, которые состоят из каналов сжижения или каналов испарения. В камере сжижения выполняется конденсация (сжижение) первого флюидного потока, а в испарительной камере - испарение второго флюидного потока. Испарительная камера и камера сжижения образованы группами каналов (проходов), которые находятся между собой в отношении теплообмена. Испарительная камера конденсатора-испарителя может быть выполнена как жидкостной испаритель, испаритель с падающим слоем или испаритель с вынужденным потоком.
В процессе по изобретению, поток продукта под давлением в жидком состоянии испаряется от теплоносителя и затем извлекается как внутренне сжатый газообразный продукт под давлением. Этот способ также называют внутренним сжатием. Он служит для получения газообразного продукта под давлением. Для случая сверхкритического давления, не происходит фазовый переход в его собственном смысле, поток продукта тогда «псевдо-испаряется». Поток продукта может представлять собой, например, кислородный продукт из колонны низкого давления двухколонной системы или азотный продукт из колонны высокого давления двухколонной системы или из камеры сжижения основного конденсатора, через который колонна высокого давления и колонна низкого давления находятся в соединении теплообмена.
От (псевдо-) испаряющегося потока продукта, находящийся под высоким давлением теплоноситель сжижается (или псевдо-сжижается, если он находится под сверхкритическим давлением). Теплоноситель часто образуется частью воздуха, в данном случае «вторым частичным потоком» сжатого подаваемого воздуха.
Способы внутреннего сжатия известны, например, из DE 830805, DE 901542 (= US 2712738/US 2784572), DE 952908, DE 1103363 (= US 3083544), DE 1112997 (= US 3214925), DE 1124529, DE 1117616 (= US 3280574), DE 1226616 (= US 3216206), DE 1229561 (= US 3222878), DE 1199293, DE 1187248 (= US 3371496), DE 1235347, DE 1258882 (= US 3426543), DE 1263037 (= US 3401531), DE 1501722 (= US 3416323), DE 1501723 (= US 3500651), DE 253132 (= US 4279631), DE 2646690, EP 93448 B1 (= US 4555256), EP 384483 B1 (= US 5036672), EP 505812 B1 (= US 5263328), EP 716280 B1 (= US 5644934), EP 842385 B1 (= US 5953937), EP 758733 B1 (= US 5845517), EP 895045 B1 (= US 6038885), DE 19803437 A1, EP 949471 B1 (= US 6185960 B1), EP 955509 A1 (= US 6196022 B1), EP 1031804 A1 (= US 6314755), DE 19909744 A1, EP 1067345 A1 (= US 6336345), EP 1074805 A1 (= US 6332337), DE 19954593 A1, EP 1134525 A1 (= US 6477860), DE 10013073 A1, EP 1139046 A1, EP 1146301 A1, EP 1150082 A1, EP 1213552 A1, DE 10115258 A1, EP 1284404 A1 (= US 2003051504 A1), EP 1308680 A1 (= US 6612129 B2), DE 10213212 A1, DE 10213211 A1, EP 1357342 A1 или DE 10238282 A1, DE 10302389 A1, DE 10334559 A1, DE 10334560 A1, DE 10332863 A1, EP 1544559 A1, EP 1585926 A1, DE 102005029274 A1, EP 1666824 A1, EP 1672301 A1, DE 102005028012 A1, WO 2007033838 A1, WO 2007104449 A1, EP 1845324 A1, DE 102006032731 A1, EP 1892490 A1, DE 102007014643 A1, A1, EP 2015012 A2, EP 2015013 A2, EP 2026024 A1, WO 2009095188 A2 или DE 102008016355 A1.
Изобретение касается особенно систем, в которых полный подаваемый воздух сжимается до некоторого давления, которое заметно выше наивысшего давления дистилляции, которое существует внутри колонн системы дистилляционных колонн (в нормальном случае это давление колонны высокого давления). Такие системы часто обозначают как НАР-процессы (НАР – высокое воздушное давление). При этом «первое давление», то есть выходное давление основного воздушного компрессора (МАС = основной воздушный компрессор), в котором сжимается полный воздух, лежит, например, более чем на 4 бар, особенно от 6 до 16 бар, выше наивысшего давления дистилляции. Абсолютно, «первое давление» лежит, например, в пределах между 17 и 25 бар. В НАР-способах основной воздушный компрессор традиционно является единственной машиной для сжатия воздуха, приводимой внешней энергией. Под «единственной машиной» здесь понимается одноступенчатый или многоступенчатый компрессор, все ступени которого связаны с тем же самым приводом, причем все ступени размещены в том же самом корпусе или связаны с тем же самым передаточным механизмом.
Альтернативу подобным НАР-способам представляют так называемые МАС-ВАС-способы, при которых воздух в основном воздушном компрессоре сжимается до относительно низкого полного воздушного давления, например, до рабочего давления колонны высокого давления (плюс потери в трубопроводах). Часть воздуха из основного воздушного компрессора сжимается в воздушном дополнительном компрессоре, приводимом внешней энергией (ВАС = бустерный воздушный компрессор), до более высокого давления. Эта часть воздуха под более высоким давлением (часто называемая дроссельным потоком) поставляет большую часть тепла, необходимого для (псевдо-) испарения внутренне сжатого продукта в основном теплообменнике. Он расширяется ниже по потоку от основного воздушного компрессора в дроссельном клапане или в жидкостной турбине (детандере плотной жидкости) до давления, необходимого в системе дистилляционных колонн.
Способ вышеназванного типа с последовательно соединенным первым дополнительным компрессором (теплым бустером) и вторым дополнительным компрессором (холодным бустером) известен из DE 102010055448 А1.
В основе изобретения лежит задача дополнительно усовершенствовать подобный способ в отношении его энергетической эффективности.
Эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения, посредством способа получения сжатого газообразного продукта посредством низкотемпературного разделения воздуха в системе дистилляционных колонн, которая содержит колонну высокого давления и колонну низкого давления, при котором
- весь подаваемый воздух в основном воздушном компрессоре сжимается до первого давления, которое по меньшей мере на 4 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления,
- первый частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре подаваемого воздуха охлаждается в основном теплообменнике до промежуточной температуры и расширяется с совершением работы в первой воздушной турбине,
- по меньшей мере первая часть расширенного с совершением работы первого частичного потока вводится в систему дистилляционных колонн,
- второй частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре подаваемого воздуха в первом дополнительном компрессоре, который, в частности, приводится в действие первой турбиной, дополнительно сжимается до второго давления, которое выше, чем первое давление, охлаждается в основном теплообменнике до промежуточной температуры, во втором дополнительном компрессоре, который работает как холодный компрессор и, в частности, приводится в действие второй воздушной турбиной, дополнительно сжимается до третьего давления, которое выше, чем второе давление, охлаждается в основном теплообменнике и затем расширяется и вводится в систему дистилляционных колонн,
- третий частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре подаваемого воздуха охлаждается в основном теплообменнике до промежуточной температуры и расширяется с совершением работы во второй воздушной турбине, и
- по меньшей мере первая часть расширенного с совершением работы третьего частичного потока вводится в систему дистилляционных колонн,
- первый поток продукта в жидком виде отбирается из системы дистилляционных колонн и подвергается повышению давления до первого давления продукта,
- первый поток продукта под первым давлением продукта испаряется или псевдо-испаряется и нагревается в основном теплообменнике, и
- нагретый первый поток продукта извлекается как первый сжатый газообразный продукт (GOX IX; GAN IC),
характеризующегося тем, что
- третий частичный поток расширяется во второй воздушной турбине до давления, которое по меньшей мере на 1 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления,
- входное давление первой воздушной турбины по меньшей мере на 1 бар меньше, чем упомянутое третье давление, и
- по меньшей мере первая часть расширенного с совершением работы третьего частичного потока в основном теплообменнике  дополнительно охлаждается, сжижается и затем расширяется и вводится в систему дистилляционных колонн.
Также изобретение предлагается устройство для получения сжатого газообразного продукта посредством низкотемпературного разделения воздуха, содержащее
- систему дистилляционных колонн, которая имеет колонну высокого давления и колонну низкого давления,
- основной воздушный компрессор для сжатия полного подаваемого воздуха до первого давления, которое по меньшей мере на 4 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления,
- средства для охлаждения первого частичного потока подаваемого воздуха, сжатого в основном воздушном компрессоре, в основном теплообменнике до промежуточной температуры,
- средства для ввода охлажденного до промежуточной температуры первого частичного потока в первую воздушную турбину,
- средства для ввода расширенного с совершением работы в первой воздушной турбине первого частичного потока в систему дистилляционных колонн,
- первый дополнительный компрессор, который, в частности, приводится в действие первой турбиной, для дополнительного сжатия второго частичного потока подаваемого воздуха, сжатого в основном воздушном компрессоре, до второго давления, которое выше, чем первое давление,
- средства для охлаждения дополнительно сжатого второго частичного потока в основном теплообменнике до промежуточной температуры,
- второй дополнительный компрессор, который работает как холодный компрессор и, в частности, приводится в действие второй воздушной турбиной, для дополнительного сжатия второго частичного потока до третьего давления, которое выше, чем второе давление,
- средства для охлаждения дополнительно сжатого второго частичного потока в основном теплообменнике и для последующего расширения и ввода в систему дистилляционных колонн,
- средства для охлаждения третьего частичного потока подаваемого воздуха, сжатого в основном воздушном компрессоре, в основном теплообменнике до промежуточной температуры,
- вторую воздушную турбину для расширения с совершением работы охлажденного третьего частичного потока,
- средства для ввода расширенного с совершением работы третьего частичного потока в систему дистилляционных колонн,
- средства для отбора в жидком виде первого потока продукта  из системы дистилляционных колонн,
- средства для повышения давления отобранного в жидком виде первого потока продукта до первого давления продукта,
- средства для испарения и псевдо-испарения первого потока продукта под первым давлением продукта в основном теплообменнике, и
- средства для извлечения нагретого первого потока продукта как первого сжатого газообразного продукта (GOX IX; GAN IC),
характеризующееся тем, что содержит
- средства регулирования для установки выходного давления второй воздушной турбины на давление, которое по меньшей мере на 1 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления,
- средства для ввода первого частичного потока в первую воздушную турбину под входным давлением, которое по меньшей мере на 1 бар меньше, чем третье давление,
- средства для ввода расширенного с совершением работы третьего частичного потока в основной теплообменник для охлаждения и сжижения, и
- средства для расширения и ввода сжиженного третьего частичного потока в систему дистилляционных колонн.
Наряду с «вторым частичным потоком» - дроссельным потоком под особенно высоким третьим давлением, - дополнительный дроссельный поток под сравнительно низким давлением, например, от 7 до 15 бар, особенно от 10 до 13 бар, направляется через холодную часть основного теплообменника. Этот дополнительный дроссельный поток образован посредством «третьего частичного потока» воздуха ниже по потоку от его расширения во второй воздушной турбине. Дополнительный воздушный поток в холодной части основного теплообменника позволяет достичь благоприятной диаграммы теплообмена и, тем самым, сэкономить энергию, особенно если в качестве внутренне сжатого продукта извлекается азот при давлении между 7 и 15 бар.
Во многих случаях возможна дальнейшая оптимизация процесса теплообмена в основном теплообменнике за счет того, что четвертый частичный поток сжатого в основном воздушном компрессоре воздуха при первом давлении, выходном давлении основного воздушного компрессора, в основном теплообменнике охлаждается и затем расширяется и вводится в систему дистилляционных колонн.
Один из обоих турбинных потоков или оба могут совместно с вторым частичным потоком дополнительно сжиматься в первом дополнительном компрессоре до второго давления, как это описано в пунктах 3 и 4 формулы изобретения.
В частности, третий частичный поток может также оставаться без дополнительного сжатия; он вводится тогда при первом давлении во вторую воздушную турбину.
Если система время от времени должна работать с особенно низким производством жидких продуктов или как чисто газовая установка, является выгодным в эти интервалы времени вторую часть расширенного с совершением работы третьего частичного потока вводить не в основной теплообменник, а в камеру сжижения кубового испарителя колонны высокого давления, которая выполнена как конденсатор-испаритель.
Поток, по меньшей мере частично сконденсированный в испарительной камере кубового испарителя колонны высокого давления, тогда подводится предпочтительно к колонне высокого давления в промежуточном месте.
Изобретение, а также дополнительные особенности изобретения далее поясняются более подробно на основе примеров выполнения, схематично представленных на фиг.1 и 2.
Согласно фиг.1, атмосферный воздух (AIR) всасывается через фильтр 1 основным воздушным компрессором 2. Основной воздушный компрессор содержит в данном примере пять ступеней и сжимает полный воздушный поток до «первого давления», например, 19,7 бар. Ниже по потоку от основного воздушного компрессора 2 полный воздушный поток 3 при первом давлении охлаждается в устройстве 5 предварительного охлаждения. Предварительно охлажденный полный воздушный поток 5 очищается в устройстве 6 очистки, которое, в частности, образовано парой переключаемых поглотителей на основе молекулярного сита. Очищенный полный воздушный поток 7 первой частью 8 дополнительно сжимается в работающем в теплом режиме воздушном дополнительном компрессоре 9 с дополнительным охладителем 10 до «второго давления», например 24 бар, и затем делится на «первый частичный поток» 11 (первый турбинный воздушный поток) и «второй частичный поток» 12 (первый дроссельный поток).
Первый частичный поток 11 в основном теплообменнике 13 охлаждается до первой промежуточной температуры примерно 135 К. Охлажденный первый частичный поток 14 в первой воздушной турбине 15 расширяется с совершением работы от второго давления до примерно 5,5 бар. Первая воздушная турбина 15 приводит в действие теплый воздушный дополнительный компрессор 9. Расширенный с совершением работы первый частичный поток 16 вводится в сепаратор (разделитель фаз) 17. Жидкая составляющая 18 по трубопроводам 19 и 20 вводится в колонну 22 низкого давления системы дистилляционных колонн.
Система дистилляционных колонн включает в себя колонну 21 высокого давления, колонну 22 низкого давления и основной конденсатор 23, а также обычную установку 24 получения аргона с колонной 25 необработанного аргона и колонной 26 чистого аргона. Основной конденсатор 23 выполнен как конденсатор-испаритель, в конкретном примере как каскадный испаритель. Рабочее давление наверху колонны высокого давления составляет в данном примере 5,3 бар, а рабочее давление наверху колонны низкого давления 1,35 бар.
Второй частичный поток 12 подаваемого воздуха охлаждается в основном теплообменнике 13 до второй промежуточной температуры, которая выше, чем первая промежуточная температура, направляется по трубопроводу 27 к холодному компрессору 28 и там дополнительно сжимается до «третьего давления» примерно 35 бар. Дополнительно сжатый второй частичный поток 29 при третьей промежуточной температуре, которая выше, чем вторая промежуточная температура, вновь вводится в основной теплообменник 13 и там охлаждается до холодного конца. Холодный второй частичный поток 30 расширяется в дроссельном клапане 31 примерно до рабочего давления колонны высокого давления и по трубопроводу 32 подается к колонне 21 высокого давления. Часть 33 вновь отбирается, охлаждается в устройстве 34 противоточного переохлаждения и по трубопроводам 35 и 20 вводится в колонну 22 низкого давления.
«Третий частичный поток» 436 подаваемого воздуха под вторым давлением вводится в основной теплообменник 13 и там охлаждается до четвертой промежуточной температуры, которая в данном примере лежит несколько выше, чем первая промежуточная температура. Охлажденный третий частичный поток 37 во второй воздушной турбине 38 расширяется с совершением работы от первого давления. Разреженный с совершением работы турбинный поток 339 имеет давление, которое лежит по меньшей мере на 1 бар, особенно от 4 до 10 бар, над рабочим давлением колонны высокого давления, и температуру, которая лежит по меньшей мере на 10 К, особенно от 15 до 40 К, выше входной температуры потоков 55, 61 азота низкого давления на холодном конце основного теплообменника. Этот поток затем дополнительно охлаждается в холодной части основного теплообменника. Дополнительно охлажденный третий частичный поток 340 как третий дроссельный поток расширяется в дроссельном клапане 341 примерно до давления колонны высокого давления и по трубопроводу 32 вводится в колонну высокого давления. Тем самым процесс теплообмена в основном теплообменнике может дополнительно оптимизироваться, особенно в случае относительно низких давлений GAN-IC, например, от 7 до 15 бар, особенно около 12 бар.
Вторая воздушная турбина 38 приводит в действие холодный компрессор 28. Разреженный с совершением работы третий частичный поток 339 по трубопроводу 40 подводится к колонне 21 высокого давления у отстойника (куба).
(Разделение на частичные потоки одинакового давления, в отличие от представления на фиг.1, могло бы также выполняться внутри основного теплообменника 13.)
«Четвертый частичный поток» 41 (второй дроссельный поток) протекает через основной теплообменник 13 от теплого к холодному концу под первым давлением. Холодный четвертый частичный поток 42 в дроссельном клапане 43 расширяется до примерно рабочего давления колонны высокого давления и по трубопроводу 32 подается в колонну 21 высокого давления.
Обогащенная кислородом кубовая жидкость 44 колонны 21 высокого давления охлаждается в устройстве 34 противоточного охлаждения и по трубопроводу 45 вводится в факультативное устройство 24 получения аргона. Выработанный отсюда пар 46 и остающаяся жидкость 47 вводятся в колонну 22 низкого давления.
Первая часть 49 головного (отбираемого из верха колонны) азота 48 колонны 21 высокого давления в камере сжижения основного конденсатора 23 от испаряющегося в испарительной камере жидкого кислорода из куба колонны низкого давления полностью или по существу полностью сжижается. Первая часть 51 выработанного при этом жидкого азота 50 выдается как возвратный продукт к колонне 21 высокого давления. Вторая часть 52 охлаждается в устройстве 34 противоточного охлаждения, вводится по трубопроводу 53 в колонну 22 низкого давления. По меньшей мере часть жидкого азота 53 низкого давления служит в качестве возвратного продукта в колонне 21 низкого давления; другая часть 54 может извлекаться как жидкий азотный продукт (LIN).
От промежуточного места колонны 22 низкого давления отводится газообразный неочищенный азот 61, нагревается в устройстве 34 противоточного охлаждения и в основном теплообменнике 13. Нагретый неочищенный азот 62 может выпускаться (63) в атмосферу (АТМ) и/или как регенерирующий газ 64 использоваться для устройства 6 очистки. Газообразный азот 55 с верха колонны 22 низкого давления также нагревается в устройстве 34 противоточного охлаждения и в основном теплообменнике 13 и по трубопроводу 56 отводится как азотный продукт низкого давления (GAN).
Трубопроводы 67 и 68 (так называемый аргоновый переход) соединяют колонну 21 низкого давления с колонной 25 необработанного аргона установки 24 получения аргона.
Первая часть 70 жидкого кислорода 69 отводится из куба колонны 21 высокого давления как «первый поток продукта», в кислородном насосе 71 сжимается до «первого давления продукта», например, 37 бар и при первом давлении продукта испаряется в основном теплообменнике 13 и, наконец, по трубопроводу 72 извлекается как «первый сжатый газообразный продут» (GOX IC – внутренне сжатый газообразный кислород).
Вторая часть 73 жидкого кислорода 69 из куба колонны 21 низкого давления, при необходимости, охлаждается в устройстве 34 противоточного охлаждения и по трубопроводу 74 извлекается как жидкий кислородный продукт (LOX).
В данном примере также третья часть 75 жидкого азота 50 из колонны 21 высокого давления или основного конденсатора 23 подвергается внутреннему сжатию, при этом он в азотном насосе 76 сжимается до второго давления продукта, например, 12 бар, при втором давлении продукта псевдо-испаряется в основном теплообменнике 13 и, наконец, по трубопроводу 77 извлекается как внутренне сжатый газообразный азотный продукт под давлением (GAN IC).
Вторая часть 78 газообразного отбираемого сверху колонны азота 48 колонны 21 высокого давления нагревается в основном теплообменнике и посредством трубопровода 79 либо извлекается как газообразный продукт среднего давления, либо – как изображено – как затворный газ (Sealgas) используется для одного или более из изображенных технологических насосов.
Фиг.2 отличается от фиг.1 тем, что третий частичный поток 36 подаваемого воздуха под первым давлением вводится в основной теплообменник 13, и вторая воздушная турбина 38, таким образом, имеет соответственно пониженное входное давление.
В примере выполнения по фиг.3 колонна высокого давления имеет кубовой испаритель 351. Он, в частности, используется тогда, когда по меньшей мере время от времени желательно особенно низкое производство жидких продуктов или даже чисто газовый режим. Вторая воздушная турбина 38 предыдущего примера выполнения может работать не с ее максимальной производительностью, потому что иначе слишком много воздуха как третий частичный поток должно было бы проходить через холодный конец основного теплообменника, и работа основного теплообменника тем самым была бы менее эффективной.
На фиг.3, при особенно низком производстве жидких продуктов, часть 350 третьего частичного потока может отводиться из второй воздушной турбины 38 в обход основного теплообменника. Вторая воздушная турбина 38 (и, тем самым, связанный холодный компрессор) может теперь работать с полной производительностью, не нагружая процесс теплообмена в основном теплообменнике. Поток 350 испарительной камеры кубового испарителя 351 по меньшей мере частично конденсируется и затем по трубопроводу 352 подводится к колонне высокого давления в промежуточном месте. Он усиливает тем самым дистилляцию в нижней части колонны высокого давления.
В отличие от представления на фиг.3, поток 350 может также перед вводом в кубовой испаритель охлаждаться в основном теплообменнике до состояния росы. Это может осуществляться в отдельном проходе, но также за счет промежуточного отбора в подходящем месте и соответствующего ввода.