Способ и устройство для низкотемпературного разделения воздуха
METHOD AND DEVICE FOR LOW-TEMPERATURE AIR SEPARATION

Изобретение относится к способу низкотемпературного разделения воздуха, при котором получают как по меньшей мере один жидкий продукт, так и по меньшей мере один внутренне сжатый продукт, причем используются две воздушные турбины, которые приводят в действие два дополнительных компрессора, из которых первый выполнен как холодный компрессор. Подобный способ известен из US 2009078001 A1.
Под понятием «основной воздушный компрессор» здесь понимается многоступенчатая машина, ступени которой имеют общий привод (электродвигатель, паровую турбину или газовую турбину) и размещены в общем корпусе. Он может быть образован, например, посредством компрессора с передаточным механизмом, в котором ступени сгруппированы вокруг корпуса передаточного механизма. Этот передаточный механизм имеет большое зубчатое колесо, которое приводит несколько параллельных валов-шестерен с соответственно одной или двумя ступенями.
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 по изобретению может быть двухколонной системой (например, как классическая двухколонная система Linde) или также трех- или многоколонной системой. Она может дополнительно к колоннам для отделения азота-кислорода, иметь дополнительные устройства для получения высокочистых продуктов и/или других воздушных компонентов, в частности, инертных газов, например, получения аргона и/или получения криптона-ксенона.
В таком процессе, первый поток продукта под давлением в жидком состоянии испаряется в основном теплообменнике и затем извлекается как газообразный продукт под давлением. Этот способ также называют внутренним сжатием. Для случая сверхкритического давления, не происходит фазовый переход в его собственном смысле, поток продукта тогда «псевдоиспаряется».
В противоположность (псевдо-) испаряющемуся потоку продукта, находящийся под высоким давлением теплоноситель сжижается (или псевдосжижается, если он находится под сверхкритическим давлением). Теплоноситель часто образуется частью воздуха, в данном случае, в частности, первым и четвертым воздушным потоком.
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.
В настоящей заявке параметры процесса неоднократно описываются как расходы или давления, которые в одном рабочем режиме «меньше» или «больше», чем в другом рабочем режиме. Под этим здесь понимаются целенаправленные изменения соответствующего параметра посредством регулировочных или исполнительных устройств, а не естественные колебания в рамках стационарного рабочего состояния. Эти целенаправленные изменения могут вызываться непосредственно путем установки самого параметра или косвенно путем установки других параметров, которые оказывают влияние на параметр, подлежащий изменению. В особенности параметр тогда «больше» или «меньше», когда разница между средними значениями параметра в различных рабочих режимах составляет больше, чем 2%, особенно больше, чем 5%, особенно больше, чем 10%.
При указаниях давления здесь естественные потери давления, как правило, не включаются. Давления здесь оцениваются как «одинаковые», когда разница давлений между соответствующими местами не больше, чем естественные потери в линии, которые обусловлены потерями давления в трубопроводах, теплообменниках, охладителях, поглотителях и т.д. Например, первый поток продукта испытывает потерю давления при прохождениях основного теплообменника, однако здесь выпускное давление сжатого газообразного продукта ниже по потоку от основного теплообменника и давление выше по потоку от основного теплообменника обозначается одинаково как «первое давление продукта». Наоборот, второе давление потока ниже по потоку от определенных этапов способа только тогда «ниже» или «выше», чем первое давление выше по потоку от этих этапов, если соответствующая разница давлений выше, чем естественные потери в линии, таким образом, в частности, повышение давления посредством по меньшей мере одной компрессорной ступени или снижение давления целенаправленно осуществляется посредством по меньшей мере одного дроссельного клапана и/или посредством по меньшей мере одного детандера (турбодетандера).
«Основной теплообменник» служит для охлаждения загружаемого воздуха в косвенном теплообмене с обратными потоками из системы дистилляционных колонн. Он может быть образован из одного отдельного или нескольких параллельно и/или последовательно соединенных участков теплообменника, например, из одного или нескольких блоков пластинчатого теплообменника.
В основе изобретения лежит задача создать способ вышеуказанного типа и устройство, которое может работать с сильно варьирующейся долей жидкого продукта. При этом к «доле жидкого продукта» относятся только потоки, которые выходят из установки разделения воздуха в жидкой форме и, например, вводятся в цистерну для жидкости, но не внутренне сжатые потоки, которые хотя и отбираются от системы дистилляционных колонн в жидкой форме, но внутри установки разделения воздуха испаряются или псевдоиспаряются и итоге в газообразном состоянии выводятся из установки разделения воздуха.
Эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения.
3
В изобретении, «первый рабочий режим» рассчитан для особенно высокого производства жидкости, особенно для максимального производства жидкости (полное количество жидких продуктов, которое может быть отобрано из установки для разделения воздуха). «Второй рабочий режим», напротив, рассчитан на меньшую долю жидкого продукта, которая, например, также может быть равна нулю (чисто газовый режим). Полное количество (расход) жидких продуктов составляет во втором рабочем режиме, например, 0% или несколько выше, например, от 50% до 100% от максимального количества жидкого продукта. (Все указания в процентах относятся здесь и в дальнейшем к молярному расходу, если не указывается другое. Молярный расход может указываться, например, в Нм/час.)
В соответствующем изобретению способе используется приводимый турбиной холодный компрессор, который в первом рабочем режиме запускается с более низкой нагрузкой, чем во втором. На первый взгляд представляется нецелесообразным, в режиме с максимальным производством жидкости эксплуатировать турбины с меньшей производительностью, так как турбины в принципе могут использоваться для производства холода для сжижения продуктов. Однако в рамках изобретения было выявлено, что посредством этой меры возможна особенно сильная вариация в количестве жидкого продукта, причем в обоих рабочих режимах достигается удовлетворительный кпд, то есть, в целом, сравнительно низкое энергопотребление.
Под «холодным компрессором» здесь понимается компрессорное средство, при котором газ подводится для сжатия при температуре, которая лежит заметно ниже температуры окружающей среды, в общем, ниже 250 К, предпочтительно ниже 200 К.
Холодный компрессор в соответствующем изобретению способе может приводиться в действие электродвигателем. Во многих случаях, однако, является выгодным использовать комбинацию турбины и холодного компрессора, как это описано в пункте 2 формулы изобретения. Количество воздуха, которое как пятый воздушный поток проходит через вторую турбину, которая приводит в действие холодный компрессор, в первом рабочем режиме меньше, чем во втором рабочем режиме. В одном предельном примере комбинация турбины и холодного компрессора в первом рабочем режиме полностью не работает, то есть соответствующее количество воздуха равно нулю.
Входное давление второй турбины может быть примерно равным входному давлению первой турбины; но предпочтительно оба входных давления являются различными. В частности, входное давление второй турбины может быть ниже, чем входное давление первой турбины, и равно, например, первому воздушному давлению.
Является выгодным, если в первом рабочем режиме только относительно малая часть загружаемого воздуха сжимается до третьего, более высокого воздушного давления, как это описано в пункте 3 формулы изобретения. Третье воздушное давление может, кроме того, во втором рабочем режиме быть выше, чем в первом рабочем режиме.
В особенно предпочтительной форме выполнения третий воздушный поток в первой турбине расширяется до выходного давления, которое равно рабочему давлению колонны высокого давления (плюс потери в линии).
Выходное давление второй турбины может также быть равно рабочему давлению колонны высокого давления (плюс потери в линии) или даже быть ниже, например, равняться рабочему давлению колонны низкого давления (плюс потери в линии), см. пункты 5 и 6 формулы изобретения. Третий частичный поток вводится тогда, например, в колонну низкого давления.
Иначе, расширенные частичные потоки могут отчасти или полностью вводиться в колонну высокого давления, как это поясняют пункты 7 и 8 формулы изобретения.
Как изложено в пункте 9 формулы изобретения, в способе может создаваться более чем один продукт внутреннего сжатия, также более двух продуктов внутреннего сжатия. Различные продукты внутреннего сжатия могут различаться по своему химическому составу (например, кислород/азот или также кислород или азот различной чистоты) или по своему давлению или по тому и другому.
Изобретение также относится к установке разделения воздуха в форме устройства согласно пункту 10 формулы изобретения. Соответствующее изобретению устройство может быть дополнено признаками устройства, которые соответствуют признакам зависимых пунктов формулы на способ.
В случае «средств для переключения между первым и вторым рабочим режимом» речь идет о сложных устройствах регулирования и управления, которые во взаимодействии обеспечивают возможность по меньшей мере отчасти автоматического переключения между обоими рабочими режимами, например, о соответственно запрограммированной системе управления производством.
Изобретение, а также дополнительные особенности изобретения далее поясняются более подробно на основе схематично представленного на чертеже примера выполнения.
Пример выполнения изобретения далее поясняется сначала на основе первого рабочего режима, который здесь рассчитан на максимальное производство жидкого продукта. Атмосферный воздух 1 (AIR) всасывается через фильтр 2 основным воздушным компрессором 3 и сжимается до первого воздушного давления, например, 22 бар, которое по меньшей мере на 3 бар выше, чем рабочее давление колонны высокого давления, чтобы сформировать сжатый полный воздушный поток 4.  Ниже по потоку от основного воздушного компрессора сжатый полный воздух 4 под первым воздушным давлением обрабатывается в устройстве 5 предварительного охлаждения затем в устройстве 6 очистки. Очищенный полный воздух 7 разделяется на первый воздушный поток 100 и второй воздушный поток 200.
Первый воздушный поток 100 в первом основном теплообменнике 8 охлаждается от теплого к холодному концу и при этом (псевдо-) сжижается и затем в дроссельном клапане 101 расширяется до примерно рабочего давления позже поясняемой колонны высокого давления, которое предпочтительно составляет от 5 бар до 7 бар, например, 6 бар. Расширенный первый воздушный поток 102 подается через трубопровод 9 к системе дистилляционных колонн, которая содержит колонну 10 высокого давления, основной конденсатор 11, который выполнен как конденсатор-испаритель, и колонну 12 низкого давления.
Второй воздушный поток 200 в первом приводимом турбиной дополнительном компрессоре 202с с последующим охладителем 203 дополнительно сжимается до второго воздушного давления, например, 28 бар. Дополнительно сжатый второй воздушный поток 204 разделяется на третий воздушный поток 210 (то есть первый частичный поток дополнительно сжатого второго воздушного потока) и четвертый воздушный поток 230.
Третий воздушный поток 210 подводится к основному теплообменнику 8 на теплом конце и вновь отбирается при первой промежуточной температуре Т1. При этой промежуточной температуре и втором воздушном давлении третий воздушный поток подводится к первой турбине 202t и там, производя работу, расширяется до рабочего давления колонны 10 высокого давления, которое составляет от 5 бар до 7 бар, например, 6 бар. Первая турбина 202t механически связана с первым дополнительным компрессором 202с. Расширенный при совершении работы третий воздушный поток 211 вводится в сепаратор (разделитель фаз) 212 и там освобождается от незначительной жидкой составляющей. Затем он течет в чисто газообразной форме через трубопроводы 213 и 13 к отстойнику (кубу) колонны 10 высокого давления. Входное давление турбины здесь равно второму воздушному давлению.
В системе дистилляционных колонн кубовая жидкость 15 колонны высокого давления охлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и по трубопроводу 17 подается в аргоновую секцию 500, которая поясняется ниже. Оттуда она выходит частично в жидкой форме (трубопровод 18) и частично в газообразной форме (трубопровод 19) под давлением колонны низкого давления и в соответствующем месте вводится в колонну 12 низкого давления. (Если аргоновая секция отсутствует, то переохлажденная кубовая жидкость расширяется непосредственно до давления колонны низкого давления и вводится в колонну низкого давления.)
По меньшей мере часть жидкого воздуха, вводимого по трубопроводу 9 в колонну 10 высокого давления, вновь отбирается через трубопровод 18, также охлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и через клапан 21 и трубопровод 22 подается в колонну 12 низкого давления.
Газообразный головной (отбираемый из верха колонны) азот 23 колонны 10 высокого давления вводится первой частью 24 в камеру сжижения основного конденсатора 11 и там по существу полностью сжижается. Получаемый при этом жидкий азот 25 возвращается первой частью 26 в колонну 10 высокого давления. Вторая часть 27 охлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и через клапан 28 и трубопровод подается сверху в колонну 12 низкого давления. Часть его вновь отбирается в первом рабочем режиме по трубопроводу 30, и извлекается как жидкий азотный продукт (LIN) и выводится из установки разделения воздуха.
Из верха колонны низкого давления, в которой присутствует давление от 1,2 бар до 1,6 бар, например, 1,3 бар, отбирается газообразный азот 31 низкого давления, подогревается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и в основном теплообменнике 8 и отводится по трубопроводу 32 как газообразный продукт низкого давления (GAN). Газообразный неочищенный азот 33 из колонны низкого давления также подогревается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и в основном теплообменнике 8. Подогретый неочищенный азот 33 может либо выпускаться в атмосферу (АТМ) по трубопроводу 35, либо вводится по трубопроводу 36 в качестве регенерирующего газа в устройство 6 очистки.
Из отстойника колонны 12 низкого давления (точнее, из камеры испарения основного конденсатора 11) жидкий кислород отводится через трубопровод 37. Первая часть 38, при необходимости, переохлаждается в устройстве 16 противоточного переохлаждения и через трубопровод 39 извлекается как жидкий кислородный продукт (LOX) и выводится из установки разделения воздуха. Вторая часть 40 образует «первый поток продукта», в насосе 41 доводится до первого давления продукта, например, 37 бар, при этом высоком давлении испаряется в основном теплообменнике 8 и нагревается примерно до температуры окружающей среды. Нагретый кислород 42 под давлением выдается как обогащенный кислородом первый сжатый газообразный продукт (GOX IC).
Дополнительный продукт внутреннего сжатия может быть извлечен из третьей части 43 жидкого азота 25 из основного конденсатора 11. Он в виде «второго потока продукта» в насосе 44 в жидком виде доводится до второго давления продукта, например, 37 бар. При этом втором давлении продукта он испаряется в основном теплообменнике 8 и нагревается примерно до температуры окружающей среды. Нагретый сжатый азот 45, в итоге, при втором давлении продукта выдается как обогащенный азотом сжатый газообразный продукт (GAN IC).
Третья часть 230 второго воздушного потока 204 образует «четвертый воздушный поток», он охлаждается в основном теплообменнике (8) до первой промежуточной температуры (Т3), в первом холодном компрессоре (14с) дополнительно сжимается до третьего воздушного давления, например, 40 бар и протекает при этом очень высоком давлении через основной теплообменник до холодного конца. Холодная псевдосжиженная третья часть 232 расширяется в дроссельном клапане 233 до давления колонны высокого давления и подается через трубопроводы 234 и 9 в колонну 10 высокого давления.
Холодный компрессор 14с приводится в действие второй турбиной 14t (турбодетандером), в которой третий частичный поток 301 сжатого полного воздушного потока 7 как «пятый воздушный поток» расширяется с совершением работы от первого воздушного давления до рабочего давления колонны 10 высокого давления. Вторая турбина имеет входную температуру Т2. Расширенный с совершением работы пятый воздушный поток 302 вводится через трубопровод 13 в колонну 10 высокого давления.
В отличие от представленного здесь примера выполнения обе входные температуры Т1 и Т2 турбины в рамках изобретения могут также быть равными.
Если требуется аргоновый продукт, установка разделения воздуха также содержит аргоновую секцию 500, которая функционирует как описано в ЕР 2447563 А1 и производит дополнительный жидкий продукт в форме жидкого чистого аргона (LAR), который выводится через трубопровод 501.
«Первое полное количество жидких продуктов», которое выводится в первом рабочем режиме из установки разделения воздуха, состоит в этом примере выполнения из потоков 30 (LIN), 39 (LOX) и 501 (LAR). В первом рабочем режиме отношение полного количества жидких продуктов (LOX, LIN, LAR) к количеству обогащенного кислородом сжатого газообразного продукта 42 (GOX IC, «первого сжатого газообразного продукта») находится между 20 и 30%. Производительность турбины 14t составляет меньше, чем 20% от производительности турбины 202t.
Во втором рабочем режиме установка запускается с меньшим «вторым полным количеством жидких продуктов» и меньшим отношением полного количества жидких продуктов (LOX, LIN, LAR) к количеству обогащенного кислородом сжатого газообразного продукта 42 (GOX IC, «первого сжатого газообразного продукта»). Как правило, расход потока в по меньшей мере одном из трубопроводов 30 и 39 снижается, предпочтительно в обоих. Производство аргона, как правило, не дросселируется целенаправленно, так как в большинстве случаев желателен максимальный выход аргона. Также количества и давления продуктов 42, 45 внутреннего сжатия остаются постоянными.
Во втором рабочем режиме производительности турбин смещаются, турбина 14t разгоняется, в частности, до полной нагрузки, а производительность турбины 202t снижается. Отношение производительностей турбин 14t/202t составляет, например, менее чем 30%.
Во втором рабочем режиме шестой воздушный поток во второй турбине 14t расширяется до выходного давления, которое равно рабочему давлению колонны 12 низкого давления.
Кроме того, полное количество воздуха и конечное давление компрессора снижаются, так что основной воздушный компрессор 3 потребляет меньше энергии. Однако процесс внутреннего сжатия улучшается за счет того, что четвертый и пятый частичный поток 230, 231 увеличивается и, тем самым, больше воздуха 232 высокого давления предоставляется в распоряжение. Количество воздуха через трубопровод 100 становится меньшим или таким же, как в первом рабочем режиме. С уменьшением жидких продуктов при переходе от первого к второму режиму работы, нагрузка второй турбины 14t повышается, а нагрузка первой турбины 202t снижается.
В принципе, описанный процесс время от времени может также выполняться стационарно, то есть с остающимся одинаковым производством жидкого продукта. В другом случае применения может быть целесообразным полностью остановить работу в первом рабочем режиме комбинации из второй турбины 14t и холодного компрессора 14с.
Вторая турбина 14t может также быть выполнена таким образом, что она нагнетает не в колонну 10 высокого давления, в а колонну 12 низкого давления; за счет соответственно повышенного отношения давлений больше энергии может предоставляться в распоряжение холодному компрессору.
Эффект изобретения может быть дополнительно усилен тем, что после холодного компрессора 14с включен отключаемый второй холодный компрессор. Поток из первого холодного компрессора 14с во втором рабочем режиме направляется через второй холодный компрессор, прежде чем он снова будет введен в основной теплообменник. Второй холодный компрессор приводится в действие электродвигателем. В первом рабочем режиме второй холодный компрессор отключается, и ток из первого холодного компрессора 14с протекает через байпасный трубопровод мимо второго холодного компрессора.