СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО, ОБОГАЩЕННОГО КИСЛОРОДОМ ПРОДУКТА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА В УСТАНОВКЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА И УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
METHOD OF PRODUCING LIQUID AND GASEOUS OXYGEN-ENRICHED AIR SEPARATION PRODUCT IN AN AIR SEPARATION PLANT AND AN AIR SEPARATION PLANT

Изобретение относится к способу получения жидкого и газообразного, обогащенного кислородом продукта разделения воздуха в установке разделения воздуха, и к предназначенной для исполнения подобного способа установке разделения воздуха.
Уровень техники
Получение продуктов разделения воздуха в жидком или газообразном состоянии путем низкотемпературного разделения воздуха в установках разделения воздуха известно и описано, например, в издании «Industrial Gases Processing» («Обработка промышленных газов»), под редакцией H.-W. Häring, издательство Wiley-VCH, 2006, в особенности раздел 2.2.5, «Cryogenic Rectification» («Криогенная ректификация»).
Для некоторых вариантов промышленного применения требуется по меньшей мере не исключительно чистый кислород. Этим открывается возможность оптимизации установок разделения воздуха в отношении затрат на их изготовление и эксплуатацию, в частности, их энергопотребление. Для подробностей следует сослаться на специальную литературу, например, F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, («Справочник по промышленным газам: разделение и очистка газов»), издательство CRC Press, 2006, глава 3.8, "Development of Low Oxygen-Purity Processes" («Разработка процессов получения кислорода низкой чистоты»).
Для получения газообразного сжатого кислорода пониженной чистоты, помимо прочего, могут быть использованы установки разделения воздуха с так называемыми смесительными колоннами, какие известны с давних пор и описаны в ряде печатных изданий, например, DE 2 204 376 A1 (соответствует патенту US 4 022 030 A), US 5 454 227 A, US 5 490 391 A, DE 198 03 437 A1, DE 199 51 521 A1, EP 1 139 046 B1 (US 2001/052244 A1), EP 1 284 404 A1 (US 6 662 595 B2), DE 102 09 421 A1, DE 102 17 093 A1, EP 1 376 037 B1 (US 6 776 004 B2), EP 1 387 136 A1 и EP 1 666 824 A1. Установка разделения воздуха со смесительной колонной представлена также в патентном документе FR 2 895 068 A1.
В смесительную колонну вблизи верха подается обогащенная кислородом жидкость, и вблизи кубовой части подводится газообразный сжатый воздух, так называемый воздух смесительной колонны, и пропускаются навстречу друг другу в противотоке. В результате интенсивного контакта определенная часть более легколетучего азота из воздуха смесительной колонны переходит в обогащенную кислородом жидкость. При этом обогащенная кислородом жидкость испаряется в смесительной колонне, и может быть выведена с верха смесительной колонны в виде так называемого «неочищенного» кислорода. Неочищенный кислород может быть отобран из установки разделения воздуха в виде газообразного продукта. Со своей стороны, воздух смесительной колонны сжижается по мере перемещения через смесительную колонну, в известной степени обогащается кислородом, и может быть выведен из кубовой части смесительной колонны. Этот сжиженный поток затем может быть направлен в применяемую систему дистилляционных колонн в месте, подходящем для разделения по энергетическим и/или технологическим условиям. Благодаря применению смесительной колонны может быть существенно сокращена необходимая для разделения веществ энергия за счет чистоты газообразного кислородного продукта.
Недостатком известных установок разделения воздуха, в том числе таких, которые действуют со смесительными колоннами, является ограниченная эксплуатационная гибкость. Потребность в холоде в подобных установках, как правило, удовлетворяется расширением воздуха в так называемом турбокомпрессоре. Подобный турбокомпрессор расширяет воздух от уровня давления, например, от 5,0 до 6,0 бар до уровня давления, например, от 1,2 до 1,6 бар (речь в каждом случае идет об абсолютных величинах давления; применяемые в рамках настоящего изобретения конкретные уровни давления приводятся ниже). В соответствующих установках предусматривается система дистилляционных колонн с (по меньшей мере) одной колонной высокого давления и одной колонной низкого давления. Колонна высокого давления в разъясняемом примерном случае эксплуатируется на упомянутом уровне давления от 5,0 до 6,0 бар, колонна низкого давления действует на упомянутом уровне давления от 1,2 до 1,6 бар. Расширенный в турбокомпрессоре воздух подается в колонну низкого давления. Расширение возможно вследствие указанной разности давлений между колонной высокого давления и колонной низкого давления. Однако расширенный таким образом в колонне низкого давления воздух препятствует ректификации, вследствие чего количество расширяемого в турбокомпрессоре воздуха и тем самым холодопроизводительность установки в целом сильно ограничены. Поэтому из установок с подобными конфигурациями подключений не могут быть отобраны заслуживающие внимания количества жидких продуктов.
Максимальное количество отбираемого жидкого азота и жидкого кислорода в обычных установках со смесительными колоннами, как и в прочих типичных установках разделения воздуха для получения газообразных продуктов разделения воздуха (так называемых газовых установках), поэтому ограничивается не более чем около 0,5% от вводимого количества воздуха.
Хотя способ, как описанный в патентном документе WO 2014/037091 А2, позволяет повысить количество получаемой жидкости, однако по разъясняемым также ниже соображениям не всегда обеспечивает достаточную технологическую гибкость при переменной потребности в жидких и газообразных обогащенных кислородом продуктах разделения воздуха.
Поэтому существует потребность в улучшенных возможностях для эффективного и гибкого получения жидких и газообразных обогащенных кислородом продуктов разделения воздуха в установках разделения воздуха с соответствующими смесительными колоннами.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение на основе вышеизложенного предлагает способ получения жидкого и газообразного обогащенного кислородом продукта разделения воздуха в установке разделения воздуха, и предназначенную для исполнения подобного способа установку разделения воздуха, с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, а также нижеследующего описания.
В установках разделения воздуха для сжатия воздуха применяются турбокомпрессоры. Это действительно, например, для «главного воздушного компрессора», который отличается тем, что с его помощью сжимается все количество подаваемого в систему дистилляционных колонн воздуха, то есть, всего подводимого воздуха. Соответственно может быть также предусмотрен «дожимающий компрессор», посредством которого часть сжатого в главном воздушном компрессоре количества воздуха доводится до еще более высокого давления. Он также может быть сформирован как турбокомпрессор. Для сжатия частичных количеств воздуха обычно предусматриваются дополнительные турбокомпрессоры, которые также называются бустерами, однако по сравнению с главным воздушным компрессором или с дожимающим компрессором производят сжатие только в относительно небольшой степени.
Во многих местах в установках разделения воздуха, кроме того, воздух может быть подвергнут расширению, для чего, помимо всего прочего, могут быть применены расширительные машины в форме турбодетандеров, здесь также кратко называемых «турбинами». Турбодетандеры также могут быть соединены с турбокомпрессорами и приводить их в движение. Если один или многие турбокомпрессоры приводятся в движение без подведения энергии извне, то есть, только посредством одного или многих турбодетандеров, то для такого рода конфигурации также применим термин «турбобустер». В турбобустере механически соединены турбодетандер и турбокомпрессор.
В настоящей заявке для характеристики давлений и температур применяются термины «уровень давления» и «уровень температуры», в связи с чем следует отметить, что давления и температуры в соответствующей установке не должны применяться в форме точных величин давления и, соответственно, температуры, чтобы осуществить концепцию изобретения. Однако такие давления и температуры, как правило, варьируют в пределах определенных диапазонов, которые отклоняются, например, на ±1%, 5%, 10%, 20%, или даже на 50% от среднего значения. Как правило, значения в пределах одного «уровня» расходятся друг от друга не более чем на 5% или 10%. При этом соответствующие уровни давления и уровни температуры могут находиться в обособленных областях или в диапазонах, которые перекрываются друг с другом. В частности, уровни давления включают, например, неизбежные падения давления или ожидаемые потери давления, к примеру, вследствие эффектов охлаждения или потерь в трубопроводах. Это соответственным образом справедливо и для уровней температуры. В отношении приведенных здесь в единицах бар уровнях давления речь идет об абсолютных величинах давления.
В рамках этой заявки речь идет о получении продуктов из воздуха, в частности, обогащенных кислородом и обогащенных азотом продуктов разделения воздуха, и, соответственно, кислорода и азота в качестве продуктов. «Продукт» выводится из обсуждаемой установки и, например, размещается для хранения в баке или расходуется. Таким образом, он участвует не только исключительно в циркуляционных контурах внутри установки, но перед выходом из установки может быть использован соответствующим образом, например, в качестве хладагента в теплообменнике. Таким образом, понятие «продукт» не включает такие фракции или потоки, которые как таковые остаются в установке и используются исключительно там, например, в качестве флегмы, хладагента или газа для продувки.
Кроме того, термин «продукт» содержит указание на количество. «Продукт» соответствует по меньшей мере 1%, в частности, по меньшей мере 2%, например, по меньшей мере 5% или по меньшей мере 10% подводимого в соответствующую установку количества воздуха. Меньшие количества, как обычно, также образующихся в обсуждаемых газовых установках, и по обстоятельствам отбираемых в такой установке жидкостных фракций тем самым не представляют собой «продукты» в смысле этой заявки. Например, в известных системах дистилляционных колонн из колонны низкого давления всегда выводятся небольшие количества собравшейся в кубовой части жидкостной фракции, чтобы избежать насыщения нежелательными компонентами, такими как метан. Но при этом речь, уже на основе количества, идет не о «продуктах» в смысле этой заявки. При выведении жидких продуктов из установки разделения воздуха «отнимается» значительное количество холода, которое в противном случае могло бы быть частично компенсировано испарением этих жидких продуктов. Однако подобное выведение оказывает действие лишь до определенного выводимого количества, то есть, только тогда, когда фактически выводится «продукт» в смысле вышеуказанного определения.
Жидкий или газообразный «обогащенный кислородом продукт разделения воздуха» в терминологии настоящей заявки представляет собой текучую среду в соответствующем агрегатном состоянии, которая имеет содержание кислорода по меньшей мере 75%, в частности, по меньшей мере 80%, на молярной, весовой или объемной основе. Поэтому «неочищенный кислород», который выводится из смесительной колонны, представляет собой обогащенный кислородом продукт разделения воздуха.
Преимущества изобретения
Настоящее изобретение предлагает способ низкотемпературного разделения воздуха, в котором применяется установка разделения воздуха с главным теплообменником и системой дистилляционных колонн, которая включает одну действующую на первом уровне давления колонну высокого давления, одну действующую на втором уровне давления колонну низкого давления, и смесительную колонну. Второй уровень давления является более низким, чем первый.
Как, например, уже известно из упомянутого вначале патентного документа WO 2014/037091 А2, в такого рода способе из колонны низкого давления может отбираться обогащенный кислородом жидкостный поток с первым содержанием кислорода, который не выводится из установки разделения воздуха непосредственно жидким или испаренным, а, в частности, после нагревания подается жидким с первым содержанием кислорода в смесительную колонну, в частности, в верхнюю область, например, в головную часть. Кроме того, в смесительную колонну подводится первый газообразный поток сжатого воздуха, и пропускается в смесительной колонне в противотоке навстречу обогащенному кислородом жидкостному потоку с первым содержанием кислорода. Подача первого потока сжатого воздуха в смесительную колонну предпочтительно производится непосредственно над кубовой частью.
В результате такого действия смесительной колонны из ее головной части может быть отведен обогащенный кислородом поток со вторым содержанием кислорода ниже первого содержания кислорода, и в виде газообразного обогащенного кислородом продукта разделения воздуха выведен из установки разделения воздуха. В отношении обогащенного кислородом потока со вторым содержанием кислорода речь идет об упомянутом «неочищенном» кислороде, однако содержание (второе) кислорода в котором является достаточным для определенных вариантов применения и позволяет обеспечить упомянутую оптимизацию энергопотребления.
В соответствующей установке из колонны низкого давления, в частности, из ее кубовой части, может быть отведен жидкостный поток чистого кислорода, и с его содержанием кислорода в виде жидкого обогащенного кислородом продукта разделения воздуха выведен из установки разделения воздуха. Соответствующая ситуация показана в патентном документе WO 2014/037091 А2. Поток чистого кислорода имеет содержание кислорода выше первого содержания кислорода. Таким образом, в этом случае получается дополнительный жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха, который имеет высокое содержание кислорода. Достигаемое тем самым выведение двух обогащенных кислородом потоков из колонны низкого давления (а именно, обогащенного кислородом потока с первым содержанием кислорода и дополнительно потока чистого кислорода) представляет собой технологический вариант, если в дополнение к газообразному обогащенному кислородом продукту разделения воздуха требуется жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха в форме чистого жидкого кислорода. Если же такой жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха в форме чистого жидкого кислорода не требуется, или же необходимая чистота жидкого обогащенного кислородом продукта разделения воздуха примерно на величину от одного до двух процентных пунктов превышает желательную чистоту газообразного обогащенного кислородом продукта разделения воздуха, то из колонны низкого давления также может быть выведен только один жидкостный обогащенный кислородом поток. Тогда, например, часть этого, как разъяснялось ранее, подается в смесительную колонну, и часть в жидкой форме выводится из установки разделения воздуха, то есть, используется как жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха.
В каждом случае в настоящем изобретении также из установки разделения воздуха жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха выводится, по меньшей мере периодически, в жидком состоянии, например, соответствующий жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха из колонны низкого давления с первым содержанием кислорода или соответствующий чистый кислород. Из установки разделения воздуха могут выводиться также другие обогащенные кислородом жидкие продукты разделения воздуха. Их количество как продуктов включает по меньшей мере приведенные выше значения относительно «продуктов». Количество, в котором соответствующий жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха может быть выведен из установки разделения воздуха в жидком состоянии, является весьма переменным на основе предлагаемых согласно изобретению мер.
Если выше обсуждаются обогащенные кислородом потоки, а именно, в особенности обогащенный кислородом поток с первым содержанием кислорода и, по обстоятельствам, поток чистого кислорода с более высоким содержанием кислорода, и дополнительные обогащенные кислородом потоки, которые в жидком состоянии выводятся из колонны низкого давления, при этом речь идет о потоках, которые используются для получения соответствующих обогащенных кислородом продуктов разделения воздуха. Поэтому они, как упомянуто выше в отношении термина «продукты», выводятся из колонны низкого давления в количестве, которое явно отличается от потоков, которые получаются не как продукты, например, промывные потоки, которые используются только для удаления примесей, например, из кубовой части колонны низкого давления. Таким образом, обогащенный кислородом поток с первым содержанием кислорода и, по обстоятельствам, поток чистого кислорода, и другие обогащенные кислородом потоки в каждом случае отбираются из колонны низкого давления в количестве, которое находится в пределах диапазона, упомянутого выше в отношении «продукта».
В рамках настоящего изобретения первый поток сжатого воздуха, который подается в смесительную колонну, образуется с использованием воздуха, который подвергнут сжатию до исходного уровня давления выше первого уровня давления, и после этого охлажден, в частности, в главном теплообменнике, до первого уровня температуры и расширен в первой турбине. Как разъясняется также впоследствии, настоящее изобретение применяется в особенности в так называемом HAP-способе HAP («High Air Pressure», «высоконапорный воздух»), то есть, способе, в котором все количество воздуха, которое подается в систему дистилляционных колонн, сначала сжимается до давления, которое является определенно более высоким, чем применяемое в системе дистилляционных колонн самое высокое рабочее давление. При этом под понятием «определенно более высокое» в данном случае следует понимать разность давлений по меньшей мере 1,0 бар (0,1 МПа), в особенности же больше. Применением соответствующей первой турбины может быть генерирован дополнительный холод, который компенсирует потери холода, в частности, вследствие отбора жидких обогащенных кислородом продуктов разделения воздуха из установки разделения воздуха. Таким образом, в рамках настоящего изобретения часть потребности в холоде покрывается расширением воздуха, применяемого для получения первого потока сжатого воздуха, который расширяется в первой турбине.
Кроме того, настоящим изобретением предлагается подача в колонну высокого давления второго потока сжатого воздуха, который также образуется с использованием сжатого до исходного уровня давления и после этого охлажденного, в частности, в главном теплообменнике, до первого уровня температуры и расширенного в первой турбине воздуха. Таким образом, часть расширенного в первой турбине воздуха после его расширения в первой турбине подается в смесительную колонну, и другая часть направляется в колонну высокого давления.
Кроме того, настоящим изобретением предлагается подведение в колонну низкого давления третьего потока сжатого воздуха, который образован с использованием воздуха, который подвергнут сжатию до исходного уровня давления, и после этого охлажден, в частности, в главном теплообменнике, до второго уровня температуры, расширен во второй турбине, и после этого опять охлажден в главном теплообменнике до третьего уровня температуры.
В рамках настоящего изобретения воздух расширяется в первой турбине до первого, то есть, уровня давления колонны высокого давления, и во второй турбине до второго, то есть, уровня давления колонны низкого давления. Смесительная колонна в рамках настоящего изобретения эксплуатируется на первом уровне давления, то есть, уровне давления колонны высокого давления, или на третьем уровне давления, который отличается от первого уровня давления не более чем на 1 бар.
Расширяемый в первой турбине и во второй турбине воздух в рамках настоящего изобретения подается в первую турбину на первом уровне температуры, и во вторую турбину на втором уровне температуры, причем первый уровень температуры по меньшей мере на 20 К, в частности по меньшей мере на 30 К или по меньшей мере на 40 К, лежит ниже второго уровня температуры. В частности, первый уровень температуры на величину от 25 до 35 К или от 28 до 32 К, более предпочтительно на величину около 30 К, является более низким, нежели второй уровень температуры. На данные в каждом случае уровни температуры будут сделаны ссылки также в нижеприведенных разъяснениях. При этом в отношении первой турбины речь идет о «холодной» турбине, в отношении второй турбины о «теплой» турбине.
Если же в обычных способах и, соответственно, установках, в которых исполняется HAP-способ разъясненным выше путем, и применяется смесительная колонна, желательно сократить формирование жидкости, то есть количество, в котором из установки разделения воздуха выводятся продукты разделения воздуха в жидком состоянии, то должно быть снижено давление главного воздушного компрессора при постоянном протекающем через главный воздушный компрессор количестве воздуха. Однако соответственно сниженное давление при постоянном количестве воздуха увеличивает фактический объем сжатого воздуха. Поэтому в стандартных установках размещенные в теплой части устройства, в частности, блоки очистки и предварительного охлаждения воздуха, должны были бы иметь явно увеличенные размеры. Это нежелательно по экономическим соображениям. Кроме того, снижение давления при постоянном количестве воздуха, как правило, не является оптимальным в отношении коэффициента полезного действия используемого главного воздушного компрессора.
Для способа, в котором давление в смесительной колонне, которое приспособлено к необходимому давлению газообразного кислородного продукта, определенно составляет величину ниже или выше давления в колонне высокого давления, предлагается технология, какая описана в упомянутом выше патентном документе WO 2014/037091 А2.
Напротив, если необходимое давление сжатого продукта находится на уровне или вблизи давления колонны высокого давления около 5 бар, то есть, на первом уровне давления или на третьем уровне давления, который отличается от первого уровня давления самое большее на 1 бар, как в рамках настоящего изобретения, то HAP-способ при использовании турбины среднего давления, а также турбокомпрессора представляет преимущества в отношении технологической гибкости установки для получения жидкого кислородного продукта и эксплуатационных расходов, как было выявлено согласно изобретению.
В отношении «турбины среднего давления» речь идет в упомянутой первой турбине, тогда как «турбокомпрессор» в рамках настоящей заявки сформирован второй турбиной. Поскольку соответствующий изобретению способ имеет конфигурацию HAP-способа, требуется только единственный главный воздушный компрессор, что существенно сокращает капитальные затраты. Давления на входе обеих турбин предпочтительно находятся на одном уровне, в частности, на том же уровне, как выходное давление главного воздушного компрессора.
Если же должно быть получено сравнительно большое количество жидкого кислородного продукта («повышенное производство жидкости»), то в рамках настоящего изобретения могут быть повышены исходный уровень давления (то есть, создаваемый главным воздушным компрессором уровень давления) и одновременно с этим количество воздуха, который в форме третьего потока сжатого воздуха подается в колонну низкого давления (то есть, «нагнетаемый воздух», который расширяется во второй турбине, то есть, «турбокомпрессоре»). Увеличенное количество расширяемого во второй турбине воздуха тем самым повышает так называемый «коэффициент избытка воздуха», то есть, необходимое для ректификации количество воздуха в целом.
Упомянутые одновременные повышения давления и количества обусловливают более высокую работоспособность установки, главный воздушный компрессор обеспечивает более высокую производительность, и может быть увеличено производство жидкости. Одновременно, в рамках настоящего изобретения, фактический объем воздуха в теплой части остается приблизительно постоянным, поскольку возрастают как давление, так и количество. В характеристике главного воздушного компрессора этим путем повышается как количество, так и давление сжатого воздуха, что, как правило, оказывает благоприятное влияние на коэффициент полезного действия главного воздушного компрессора.
Если же, напротив, должно получаться сравнительно небольшое количество жидкого кислородного продукта («пониженное производство жидкости»), снижаются исходный уровень давления и одновременно с этим количество воздуха, который в форме третьего потока сжатого воздуха подается в колонну низкого давления. Уменьшенное количество расширяемого во второй турбине воздуха снижает коэффициент избытка воздуха.
Таким образом, одновременное снижение давления и количества приводит к меньшей эксергии установки, главный воздушный компрессор обеспечивает меньшую производительность, и снижается производство жидкости. Опять же, одновременно остается приблизительно постоянным фактический объем воздуха в теплой части. В характеристике главного воздушного компрессора этим путем снижается как количество, так и давление сжатого воздуха, что, как правило, оказывается более благоприятным для коэффициента полезного действия главного воздушного компрессора, чем простое снижение давления.
В рамках настоящего изобретения благоприятным образом применяется четвертый поток сжатого воздуха, который подается в колонну высокого давления и формируется с использованием воздуха, который подвергнут сжатию до исходного уровня давления и после этого охлажден до третьего уровня температуры и расширен посредством дросселя. Соответствующий четвертый поток сжатого воздуха соответствует дросселированному потоку в традиционном способе разделения воздуха.
Соответствующий изобретению способ предпочтительно включает первый технологический режим и второй технологический режим, причем в первом технологическом режиме из установки разделения воздуха жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха выводится в жидком состоянии в большем количестве, чем во втором технологическом режиме, и причем в первом технологическом режиме во второй турбине расширяется большее количество воздуха, нежели во втором технологическом режиме, и тем самым наряду с этим третий поток сжатого воздуха в первом технологическом режиме включает такое же увеличенное количество воздуха, как во втором технологическом режиме. Другими словами, для отбора большего количества жидкого обогащенного кислородом продукта разделения воздуха в рамках настоящего изобретения повышается количество нагнетаемого воздуха, который расширяется во второй турбине и подается в колонну низкого давления. Тем самым удовлетворяется дополнительная потребность в холоде, которая возникает ввиду отбора жидкого кислородного продукта.
Жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха, который в каждом случае выводится из установки разделения воздуха, отбирается из колонны низкого давления. При этом может применяться либо чистый кислород, как разъяснялось выше, либо жидкий кислородный продукт с более низким содержанием кислорода. Если подобный обогащенный кислородом продукт разделения воздуха «выводится в жидком состоянии», это значит, что внутри установки разделения воздуха не производится никакое испарение. Если выше указано, что в первом технологическом режиме из установки разделения воздуха жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха выводится в жидком состоянии в большем количестве, чем во втором технологическом режиме, это также может подразумевать, что во втором технологическом режиме жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха вообще не выводится. Количество жидкого обогащенного кислородом продукта разделения воздуха, который выводится из установки разделения воздуха в жидком состоянии в первом технологическом режиме, может составлять, например, 1,5-кратное, 2-кратное, 3-кратное, 4-кратное или 5-кратное значение соответствующего количества во втором технологическом режиме.
Увеличение количества воздуха, расширенного во второй турбине и в то же время содержащегося в третьем потоке сжатого воздуха, предпочтительно производится с учетом так называемого нагнетательного эквивалента. Нагнетательный эквивалент прежде всего включает количество расширенного второй турбиной количества воздуха, который в то же время соответствует содержащемуся в третьем потоке сжатого воздуха количеству воздуха, и дополнительно количество обогащенных азотом потоков, которые также отбираются из колонны высокого давления. В отношении этих обогащенных азотом потоков речь идет о жидком азоте и о сжатом азоте, которые в качестве обогащенных азотом продуктов разделения воздуха поставляются соответствующей установкой разделения воздуха. Эти обогащенные азотом потоки не используются в качестве жидкой флегмы в колонне высокого давления и в колонне низкого давления. Суммарное количество расширенного во второй турбине и в то же время содержащегося в третьем потоке сжатого воздуха, и таких обогащенных азотом потоков в первом технологическом режиме предпочтительно составляет от 12 до 18%, и во втором технологическом режиме от 0 до 8% от всего подаваемого в систему дистилляционных колонн совокупного количества воздуха. Это подаваемое в систему дистилляционных колонн совокупное количество воздуха включает также расширенный во второй турбине воздух.
Подобная вариабельность достигается, в частности, тем, что первая турбина выполнена и, соответственно, эксплуатируется регулируемой по числу оборотов, так что в различных эксплуатационных режимах может достигаться соответственно различная величина расхода воздуха. Понятие «регулируемой по числу оборотов» турбины в рамках этой заявки применяется только для отграничения от турбин, число оборотов которых, например, посредством соответственно регулируемых тормозных систем, устанавливается на фиксированную скорость вращения. Это соответствующим образом справедливо также для второй турбины.
Как уже упоминалось, соответствующий изобретению способ предпочтительно применяется в связи с так называемым HAP-способом, в котором весь подводимый в систему дистилляционных колонн воздух с использованием главного воздушного компрессора сжимается до уровня давления, который находится выше уровня давления в колонне высокого давления. Таким образом, весь подводимый в систему дистилляционных колонн воздух с помощью главного воздушного компрессора доводится до исходного уровня давления.
В рамках настоящего изобретения, как уже разъяснялось выше другими словами, в первом технологическом режиме коэффициент избытка воздуха, то есть вводимое для получения фиксированного количества продукта количество воздуха является явно более высоким, чем во втором технологическом режиме, так как количество расширенного во второй турбине и одновременно содержащегося в третьем потоке сжатого воздуха и подаваемого в колонну низкого давления воздуха является бóльшим, чем во втором технологическом режиме. В первом технологическом режиме, как упоминалось, отбирается большее количество жидких продуктов, чем во втором технологическом режиме. Поэтому через главный воздушный компрессор должно пропускаться большее количество воздуха, чем во втором технологическом режиме. Но при этом вследствие более высокого коэффициента избытка воздуха конечное давление главного воздушного компрессора, то есть, называемый здесь «исходным уровнем давления» уровень давления, все еще остается меньшим, чем при пониженном коэффициенте избытка воздуха.
Напротив, во втором технологическом режиме коэффициент избытка воздуха является явно меньшим, чем в первом технологическом режиме, поскольку количество расширенного во второй турбине и одновременно содержащегося в третьем потоке сжатого воздуха и подаваемого в колонну низкого давления воздуха является меньшим, чем в первом технологическом режиме. Во втором технологическом режиме, как упоминалось, отбирается меньшее количество жидких продуктов, чем в первом технологическом режиме. Это приводит к уменьшению пропускаемого через главный воздушный компрессор количества воздуха при одновременно меньшем конечном давлении (то есть, называемом здесь «исходным уровнем давления» уровне давления) сравнительно с первым технологическим режимом. Напротив, как упоминалось, при традиционных способах пропускаемые через главный воздушный компрессор количества воздуха выдерживаются при пониженном давлении, что приводит к повышенным фактическим объемам этих количеств воздуха. В рамках изобретения это уже не имеет места, то есть, расчетная нагрузка во втором технологическом режиме уже не является фактором, определяющим размеры в теплой части установки разделения воздуха. Одновременно разность давлений относительно конечного давления главного воздушного компрессора (то есть, «исходного уровня давления») в первом и втором технологическом режиме становится меньшей, чем это было бы типично в традиционных способах, поскольку, как упоминалось, вследствие высокого коэффициента избытка воздуха конечное давление главного воздушного компрессора в первом технологическом режиме остается меньшим, чем при пониженном коэффициенте избытка воздуха. Поскольку как количество сжимаемого в главном воздушном компрессоре воздуха, так и применяемое там давление снижаются, эта расчетная нагрузка, как правило, лучше согласуется с характеристиками, чем при постоянном количестве сжимаемого воздуха и в большей степени сниженном давлении.
Расширяемый в первой турбине и во второй турбине воздух предпочтительно подается в первую турбину и во вторую турбину на одинаковом уровне давления, в частности, на исходном уровне давления. При этом в рамках настоящего изобретения исходный уровень давления в первом технологическом режиме предпочтительно на величину от 1 до 10 бар превышает исходный уровень давления во втором технологическом режиме. В целом же, в рамках настоящей заявки, при исходном уровне давления от 6 до 15 бар первый уровень давления может составлять от 4,3 до 6,9 бар, в частности, около 5,4 бар, и второй уровень давления может составлять от 1,3 до 1,7 бар, в частности, около 1,4 бар. Третий уровень давления, если смесительная колонна действует не на первом уровне давления, отличается, как упоминалось, не более чем на 1 бар от первого. Первый уровень температуры предпочтительно составляет от 110 до 140°С, второй уровень температуры от 130 до 240°С, и третий уровень температуры от 97 до 102°С.
Используемые в рамках настоящего изобретения турбины могут тормозиться различными путями. В частности, могут применяться генератор, бустер и/или масляный тормоз.
Соответствующий изобретению способ в особенности пригоден в ситуациях, в которых первое содержание кислорода составляет ниже 99 мольных процентов, например, от 98 до 99 мольных процентов, и второе содержание кислорода составляет от 80 до 98 мольных процентов. Содержание кислорода в потоке чистого кислорода, если он образуется, предпочтительно составляет от 99 до 100 мольных процентов. В этих случаях способ с использованием смесительной колонны оказался особенно энергетически эффективным.
Кроме того, настоящее изобретение распространяется на установку разделения воздуха с одним главным теплообменником и одной системой дистилляционных колонн, которая включает рассчитанную на эксплуатацию на первом уровне давления колонну высокого давления, рассчитанную на эксплуатацию на втором, более низком уровне давления колонну низкого давления, и смесительную колонну.
В соответствующей установке предусматриваются устройства, которые предназначены для того, чтобы из колонны низкого давления отводить обогащенный кислородом поток с первым содержанием кислорода в жидком состоянии, и подавать при первом содержании кислорода в жидком состоянии в смесительную колонну, в частности, в верхнюю область, кроме того, чтобы подводить первый поток сжатого воздуха в газообразном состоянии в смесительную колонну, в частности, вблизи кубовой части, и в смесительной колонне пропускать обогащенный кислородом поток с первым содержанием кислорода в режиме противотока, отбирать на головной части смесительной колонны обогащенный кислородом поток со вторым содержанием кислорода ниже первого содержания кислорода, и выводить из установки разделения воздуха, и формировать первый поток сжатого воздуха с использованием воздуха, который подвергнут сжатию до исходного уровня давления выше первого уровня давления, и после этого охлажден до первого уровня температуры и расширен в первой турбине.
Как упоминалось, из колонны низкого давления также может отбираться поток чистого кислорода в жидком состоянии, и выводиться из установки разделения воздуха в жидком состоянии. В одном подобном случае имеются приспособленные для этого устройства. В любом случае предусматриваются устройства, которые предназначены для того, чтобы выводить из установки разделения воздуха, по меньшей мере частично, жидкий обогащенный кислородом продукт разделения воздуха в жидком состоянии.
Согласно изобретению предусматриваются устройства, которые рассчитаны на то, чтобы подавать в колонну высокого давления второй поток сжатого воздуха, и формировать его также с использованием сжатого до исходного уровня давления и после этого охлажденного до первого уровня температуры и расширенного в первой турбине воздуха, подавать в колонну низкого давления третий поток сжатого воздуха и формировать его с использованием воздуха, который подвергнут сжатию до исходного уровня давления и после этого охлажден до второго уровня температуры, после этого расширен во второй турбине и дополнительно охлажден в главном теплообменнике до третьего уровня температуры, и расширять воздух в первой турбине до первого уровня давления, и во второй турбине до второго уровня давления, и эксплуатировать смесительную колонну на первом уровне давления или на третьем уровне давления, который отличается от первого уровня давления не более чем на 1 бар.
Кроме того, эти устройства согласно изобретению предназначены для того, чтобы расширяемый в первой турбине и во второй турбине воздух подводить в первую турбину на первом уровне температуры, и во вторую турбину на втором уровне температуры, причем первый уровень температуры находится ниже второго уровня температуры по меньшей мере на 20 К.
В частности, подобная установка разделения воздуха рассчитана на эксплуатацию в первом технологическом режиме и во втором технологическом режиме, для чего предусматриваются устройства, которые предназначены для того, чтобы в первом технологическом режиме выводить из установки разделения воздуха обогащенный кислородом жидкий продукт разделения воздуха в большем количестве, чем во втором технологическом режиме, и в первом технологическом режиме расширять большее количество воздуха во второй турбине, чем во втором технологическом режиме, так что в результате этого третий поток сжатого воздуха в первом технологическом режиме включает такое же большое количество воздуха, как во втором технологическом режиме.
Далее изобретение более подробно разъясняется со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые наглядно иллюстрируют предпочтительные вариантов осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 показывает установку разделения воздуха согласно одному варианту осуществления изобретения в форме технологической схемы установки.
Подробное описание чертежей
В Фигуре 1 представлена и в целом обозначена кодовым номером 100 позиции установка разделения воздуха согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Установка 100 разделения воздуха с помощью главного воздушного компрессора 2 через фильтр 1 засасывает поток подводимого воздуха, и в представленном примере сжимает до уровня давления от 6 до 15 бар (абсолютных). После сжатия могут следовать стадии высушивания, охлаждения и очистки известного типа, которые ради наглядности в Фигуре 1 не показаны.
Соответствующий поток b сжатого и очищенного воздуха разделяется на два частичных потока с и d, которые подаются на указанном уровне давления в главный теплообменник 3 с теплой стороны, охлаждаются в нем и отбираются на различных уровнях температуры.
Из частичного потока с после выведения из главного теплообменника 3 на различных уровнях температуры формируются два частичных потока е и f. Частичный поток е расширяется в расширительной машине 4, частичный поток f в расширительной машине 5. Поскольку частичный поток е охлаждается до более низкой температуры, чем частичный поток f, расширительная машина 4 также называется «холодной» расширительной машиной, напротив, расширительная машина 5 называется «теплой» расширительной машиной.
Расширение обоих частичных потоков е и f в каждом случае выполняется исходя из упомянутого уровня давления от 5 до 15 бар (абсолютных). Частичный поток е в представленном примере расширяется до уровня давления около 5,4 бар (абсолютных), тогда как частичный поток f до уровня давления около 1,4 бар (абсолютных). С расширительными машинами 4 и 5 в каждом случае соединены генераторы 41 и, соответственно, 51.
Частичный поток е после его расширения в расширительной машине 4 еще раз разделяется на два частичных потока g и h. Частичный поток g вводится вблизи кубовой части в колонну 61 высокого давления, которая выполнена как часть двойной колонны 6. Частичный поток h расширяется вблизи кубовой части в смесительной колонне 7. Колонна 61 высокого давления действует на упомянутом уровне давления около 5,4 бар (абсолютных), смесительная колонна 7 эксплуатируется при несколько меньшем уровне давления около 5,0 бар (абсолютных).
Частичный поток f после его расширения в расширительной машине 5 на промежуточном уровне температуры возвращается в главный теплообменник 3, выводится из него на холодной стороне и подается в колонну 62 низкого давления, которая также выполнена как часть двойной колонны 6. Колонна 62 низкого давления действует на упомянутом уровне давления около 1,4 бар (абсолютных).
Частичный поток d выводится с холодной стороны главного теплообменника 3 и, исходя из упомянутого уровня давления от 6 до 15 бар (абсолютных), расширяется в колонне 61 высокого давления.
В колонне 61 высокого давления на кубовой стороне осаждается жидкая, обогащенная кислородом фракция, и выводится в форме потока i. Поток i пропускается через противоточный переохладитель 8 и затем расширяется в колонне 62 низкого давления.
Обогащенный азотом головной продукт выводится из верха колонны 61 высокого давления, и частично в форме потока k пропускается через главный конденсатор 63 двойной колонны 6, и там, по меньшей мере частично, сжижается. Часть жидкого обогащенного азотом головного продукта колонны 61 высокого давления (смотри связку А) в форме потока l пропускается через противоточный переохладитель, и в виде жидкого обогащенного азотом продукта разделения воздуха выводится за пределы установки. Дополнительная часть сжиженного обогащенного азотом головного продукта колонны 61 высокого давления возвращается в колонну 61 высокого давления в качестве флегмы.
С промежуточного днища колонны 61 высокого давления выводится обогащенный азотом поток m, также пропускается через противоточный переохладитель 8 и расширяется в колонне 62 низкого давления вблизи ее головной части.
В кубовой части колонны низкого давления образуется жидкая, обогащенная кислородом фракция, которая выводится (смотри связку В) в форме потока n, частично пропускается через противоточный переохладитель 8, и в виде жидкого обогащенного кислородом продукта разделения воздуха выводится за пределы установки.
С промежуточного днища колонны 62 низкого давления выводится обогащенный кислородом поток о, с помощью насоса 9 приобретает повышенное давление в жидком состоянии, пропускается через противоточный переохладитель 8, подогревается в главном теплообменнике 3 и подается в смесительную колонну 7 вблизи ее головной части. Смесительная колонна действует так, как многократно разъяснялось. С верха смесительной колонны 7 выводится обедненный кислородом, сравнительно с потоком о, поток р, подогревается в главном теплообменнике 3, и выводится за пределы установки в виде газообразного кислородного продукта.
С верха колонны 62 низкого давления выводится поток q неочищенного азота, пропускается через противоточный переохладитель 8 и главный теплообменник 3, и, например, используется в устройстве для очистки потока а.
Обогащенный азотом поток r формируется из не проведенного через главный конденсатор 63 обогащенного азотом головного продукта колонны 61 низкого давления.
Наглядно иллюстрированная на Фигуре 1 установка 100 разделения воздуха предназначена для работы в двух технологических режимах, которые были разъяснены ранее. В первом технологическом режиме количество выводимого, здесь в форме потока n в жидком состоянии, из установки 100 разделения воздуха жидкого продукта разделения воздуха является бóльшим, чем во втором технологическом режиме. В то же время в первом технологическом режиме с помощью турбины 5 расширяется большее количество воздуха, чем во втором технологическом режиме, так что коэффициент избытка воздуха повышается. Во втором технологическом режиме вследствие пониженного коэффициента избытка воздуха снижаются давление и количество потока b, то есть, конечное давление главного воздушного компрессора 2 и количество проводимого через него воздуха.