СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОГО ИЛИ БОЛЕЕ ПРОДУКТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА, А ТАКЖЕ УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
METHOD FOR PRODUCING ONE OR MORE AIR SEPARATION PRODUCTS AND AIR SEPARATION UNIT

Изобретение относится к способу получения одного или более продуктов разделения воздуха, а также к установке разделения воздуха согласно ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.
Известный уровень техники
Известен способ получения продуктов разделения воздуха в жидком или газообразном состоянии, заключающийся в низкотемпературном разделении воздуха в установках разделения воздуха; такой способ описан, например, в работе H.-W. Häring (издатель) «Industrial Gases Processing», издательство Wiley-VCH, 2006 г., в частности в разделе 2.2.5 «Cryogenic Rectification».
Установки разделения воздуха содержат системы ректификационных колонн, которые могут быть выполнены, например, в виде систем из двух колонн, в частности в виде классических двухколонных систем Linde, а также в виде трех- или многоколонных систем. Наряду с ректификационными колоннами для получения азота и/или кислорода в жидком и/или газообразном состоянии, т.е. ректификационными колоннами для отделения азота/кислорода, могут быть предусмотрены ректификационные колонны для получения других компонентов воздуха, в частности инертных газов: криптона, ксенона и/или аргона.
Ректификационные колонны названных систем ректификационных колонн работают на разных уровнях давления. Двухколонные системы содержат т.н. колонны высокого давления (также называемые «напорная колонна», «колонна среднего давления» или «нижняя колонна») и т.н. колонны низкого давления (также называемые «верхняя колонна»). Уровень давления в колонне высокого давления составляет, например, 4–6 бар, предпочтительно -  около 5 бар. Колонну низкого давления эксплуатируют, например, на уровне давления 1,3–1,7 бар, предпочтительно - около 1,5 бар. Под указанным здесь и далее уровнем давления всегда подразумевается абсолютное давление, которое присутствует в верхней части каждой из названных колонн.
Для разделения воздуха может использоваться т.н. способ с главным (воздушным) компрессором/дожимным компрессором (Main Air Compressor/Booster Air Compressor, MAC-BAC) или т.н. способ высокого давления воздуха (High Air Pressure, HAP). Способы с главным компрессором/дожимным компрессором - это способы, которые были традиционными ранее; в последнее время их все более вытесняют способы высокого давления воздуха.
Способы с главным компрессором/дожимным компрессором отличаются тем, что только часть общего объема подаваемого в систему ректификационных колонн технологического воздуха сжимают до уровня давления, который значительно, т.е. по меньшей мере на 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 бар выше уровня давления в колонне высокого давления. Другую часть от объема технологического воздуха сжимают лишь до уровня давления колонны высокого давления или до уровня давления, который отличается от уровня давления колонны высокого давления не более чем на 1 или 2 бар, и под этим более низким уровнем давления подают в колонну высокого давления. Пример способа с главным компрессором/дожимным компрессором согласно Häring (см. выше) представлен на фиг. 2.3A.
В противоположность этому, по способу высокого давления воздуха весь подаваемый в систему ректификационных колонн объем технологического воздуха сжимают до уровня давления, который значительно, т.е. на 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 бар выше уровня давления в колонне высокого давления. Разность давлений может составлять, например, до 14, 16, 18 или 20 бар. Способ высокого давления воздуха, известен, например, из EP 2 980 514 A1 и EP 2 963 367 A1.
Из US 5,802,873 A и US 2006/0277944 A1 известны способы, в которых весь объем технологического воздуха, подаваемый в систему ректификационных колонн установки разделения воздуха, после сжатия в главном воздушном компрессоре дополнительно сжимают посредством бустер-компрессоров, приводимых в действие турбинами разрежения. В турбинах разрежения часть сжатого перед этим в бустер-компрессорах, а затем частично охлажденного воздуха разрежается.
В EP 1 055 894 A1 представлена установка разделения воздуха, в которой в качестве охлаждающей среды используется сжиженный природный газ. В работе Castle, W.F., «Modern Liquid Pump Oxygen Plants: Equipment and Performance», журнал AIChE Symposium Series, том 89, выпуск № 294, среди прочего обсуждаются мероприятия по удалению углеводородов или предотвращению обогащения ими в установках разделения воздуха.
Настоящее изобретение, в частности, используется в установках разделения воздуха с т.н. внутренним сжатием (Innenverdichtung (IV), Internal Compression (IC)). При этом по меньшей мере один продукт, который производят с помощью установки разделения воздуха, образован таким образом, что низкотемпературная жидкость отбирается из системы ректификационных колонн, подвергается повышению давления и путем нагревания переводится в газообразное или сверхкритическое состояние. Таким способом можно производить, например, внутренне сжатый газообразный кислород (GOX IV, GOX IC) или азот (GAN IV, GAN IC). Внутреннее сжатие дает ряд преимуществ по сравнению с также возможным альтернативным внешним сжатием и поясняется, например, в работе Häring (см. выше), раздел 2.2.5.2 «Internal Compression». Установка низкотемпературного разделения воздуха, в которой используется внутреннее сжатие, также представлена, например, в US 2007/0209389 A1.
Ввиду значительно меньшей стоимости в сочетании со сравнимой эффективностью, способы высокого давления воздуха могут представлять предпочтительную альтернативу традиционным способам с главным компрессором/дожимным компрессором. Однако, как поясняется ниже, это справедливо не во всех случаях. В частности, при определенных условиях возможна меньшая энергоэффективность. Поэтому задача настоящего изобретения — предложить предпочтительное применение способа высокого давления воздуха по меньшей мере в какой-то части таких случаев.
Раскрытие изобретения
Эта задача решается с помощью способа получения одного или более продуктов разделения воздуха, а также с помощью установки разделения воздуха с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Вариантами осуществления являются соответствующие предметы зависимых пунктов формулы изобретения, а также последующее описание.
В дальнейшем изложении сначала поясняются некоторые основы настоящего изобретения и определяются термины, используемые для описания изобретения.
Под «объемом технологического воздуха» или коротко — «технологическим воздухом» — в рамках данной заявки подразумевается весь объем воздуха, подаваемый в систему ректификационных колонн установки разделения воздуха, т.е. весь воздух, подаваемый в систему ректификационных колонн. Как уже пояснялось, в способе с главным компрессором/дожимным компрессором соответствующий объем технологического воздуха сжимают только в одной части до уровня давления, значительно превышающего уровень давления колонны высокого давления. В противоположность этому в способе высокого давления воздуха до такого же высокого уровня давления сжимают весь объем технологического воздуха. Пояснение термина «значительно» в связи со способом с главным компрессором/дожимным компрессором и способом высокого давления воздуха см. выше.
Под «низкотемпературной» жидкостью здесь понимается жидкая среда, температура кипения которой значительно ниже температуры окружающей среды, например -50°C или меньше, в частности -100°C или меньше. Примерами низкотемпературных жидкостей являются: жидкий воздух, жидкий кислород, жидкий аргон или жидкости, обогащенные названными химическими соединениями.
О применяемых в установках разделения воздуха устройствах или аппаратах см. специальную литературу, например работу Häring (см. выше), в частности раздел 2.2.5.6 «Apparatus». Для пояснения и четкого разграничения далее подробно описываются некоторые аспекты соответствующих устройств.
В установках разделения воздуха для сжатия объема технологического воздуха используют многоступенчатые турбокомпрессоры, которые здесь называются «главными воздушными компрессорами» или коротко - «главными компрессорами». Специалисту принципиально известна механическая конструкция турбокомпрессоров. В турбокомпрессоре подлежащую сжатию среду сжимают лопастями турбины, которые расположены на турбинном колесе или непосредственно на валу. При этом турбокомпрессор образует конструктивный блок, но в многоступенчатом турбокомпрессоре может быть несколько ступеней компрессора. При этом обычно одна ступень компрессора имеет турбинное колесо или соответствующее расположение лопастей турбины. Все эти ступени компрессора можно приводить в действие от общего вала. Но также можно предусмотреть, чтобы ступени компрессора приводились в действие группами от разных валов, причем валы также могут быть соединены между собой редукторами.
Кроме того, главный воздушный компрессор отличается тем, что с его помощью сжимают все количество воздуха, подаваемое в систему дистилляционных колонн и используемое для получения продуктов разделения воздуха, т.е. весь технологический воздух. Соответственно также может быть предусмотрен «дожимной компрессор», в котором доводится до еще более высокого давления только часть от количества воздуха, сжимаемого в главном воздушном компрессоре. Этот компрессор также может быть турбокомпрессором. Обычно для сжатия частичных количеств воздуха предусмотрены дополнительные турбокомпрессоры, которые также называются бустер-компрессорами, однако по сравнению с главным воздушным компрессором или дожимным компрессором они проводят сжатие лишь в относительно меньшем объеме. В способе высокого давления воздуха тоже может использоваться дожимной компрессор, но в этом случае он сжимает только часть воздуха, исходя из соответственно более высокого уровня давления.
Кроме того, в нескольких местах установок разделения воздуха можно выполнять разрежение воздуха, для чего, в частности, можно использовать расширительные машины в виде турбодетандеров, которые здесь также называются «турбинами разрежения». Турбодетандеры также могут быть соединены с турбокомпрессорами и приводить их в действие. Если один или более турбокомпрессоров приводятся в действие без подачи энергии извне, т.е. только за счет одного или более турбодетандеров, для такой конфигурации также используется термин «детандер-компрессор». В детандер-компрессоре турбодетандер (турбина разрежения) и турбокомпрессор (бустер-компрессор) механически связаны, причем связь может осуществляться с одинаковой частотой вращения (например, посредством общего вала) или с разной частотой вращения (например, через промежуточный редуктор).
В типичных установках разделения воздуха для получения холода и сжижения потоков вещества имеются соответствующие турбины разрежения в разных местах. При этом речь идет, в частности, о т.н. турбинах Джоуля-Томсона (Joule-Thomson), турбинах Клода (Claude) и турбинах Лахманна (Lachmann). Помимо приведенных ниже пояснений, работа и назначение соответствующих турбин описывается в специальной литературе, например в работе F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006 г., в частности разделы 2.4 «Contemporary Liquefaction Cycles», 2.6 «Theoretical Analysis of the Claude Cycle» и 3.8.1 «The Lachmann Principle».
В установке разделения воздуха с турбиной Джоуля-Томсона происходит разрежение потока воздуха под высоким давлением. Этот поток необходим для испарения и нагрева продуктов после внутреннего сжатия. В большинстве случаев этот сжатый воздух перед разрежением заметно переохлаждается или охлаждается в сверхкритическом состоянии до относительно низкой температуры, а после разрежения направляется в колонну высокого давления двухколонной системы. При этом турбина Джоуля-Томсона играет роль расширительного клапана, посредством которого в обычных установках т.н. дроссельный поток расширяется в колонну высокого давления. Эта турбина может быть выполнена в виде жидкостной турбины, которая более подробно поясняется ниже.
Посредством турбины Клода в случае двухколонной системы охлажденный сжатый воздух разреживают от более высокого уровня давления до уровня давления колонны высокого давления и подают в эту колонну. Посредством турбины Лахманна, наоборот, охлажденный сжатый воздух разреживают до уровня давления колонны низкого давления и подают в эту колонну. Турбина Клода также называется «турбиной среднего давления», а турбина Лахманна - «турбиной низкого давления». В турбины Клода и Лахманна сжатый воздух подают на более высоком уровне температуры, чем в турбины Джоуля-Томсона, поэтому при разрежении никакого (значимого) сжижения не происходит. Обе турбины в связи с установками разделения воздуха также называются «газовыми турбинами».
Как правило, в предназначенных для внутреннего сжатия установках разделения воздуха турбина Джоуля-Томсона используется вместе с турбиной Клода или вместе с турбиной Лахманна. Однако можно и отказаться от турбины Джоуля-Томсона, используя лишь турбину Клода либо турбину Лахманна. Во всех случаях применение соответствующих турбин служит для компенсации потерь эксергии и тепловых потерь.
В частности, способ с главным компрессором/дожимным компрессором выигрывает от применения турбины Джоуля-Томсона (вместо обычного расширительного клапана): дроссельный поток подают в турбину в жидком состоянии при сверхкритическом давлении, а отбирают из нее все еще в жидком состоянии при докритическом давлении. Такая турбина также называется «жидкостной турбиной» (англ. Dense Liquid Expander (DLE) или Dense Fluid Expander). Энергетические преимущества такого детандера плотной текучей среды также описаны в упомянутой выше специальной литературе, например в разделе 2.2.5.6 «Apparatus», стр. 48 и 49.
В используемой здесь терминологии жидкие, газообразные или даже находящиеся в сверхкритическом состоянии текучие среды могут быть обогащенными или обедненными одним или более компонентами, причем «обогащенная» может означать содержание по меньшей мере 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% или 99,99%, а «обедненная» — содержание не выше 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% или 0,01% в мольном, весовом или объемном исчислении. Термин «преимущественно» может соответствовать только что данному определению «обогащенная», но означает, в частности, содержание свыше 90%. Например, если здесь речь идет об «азоте», это может означать как чистый газ, так и газ, обогащенный азотом.
В дальнейшем для характеристики давлений и температур используются термины «уровень давления» и «уровень температуры», означающие, что давления и температуры не должны использоваться в виде точных значений давления или температуры для реализации концепции изобретения. Однако такие давления и температуры обычно колеблются в определенных диапазонах, которые могут располагаться вокруг среднего значения, например ± 1%, 5% или 10%. При этом различные уровни давления и уровни температуры могут находиться в непересекающихся диапазонах или в диапазонах, перекрывающих друг друга. В частности, например, уровни давления включают в себя неизбежные или ожидаемые потери давления, например, из-за эффектов охлаждения. То же самое относится к уровням температуры. Уровни давления, указываемые здесь в бар, означают абсолютные давления.
Преимущества изобретения
В способах разделения воздуха или в соответствующих установках, посредством которых производятся только малые количества жидких продуктов разделения воздуха, и в которых требуются определенные давления внутреннего сжатия, способ высокого давления воздуха с т.н. «теплым бустер-компрессором» и опциональным т.н. «холодным бустер-компрессором», причем каждый из них приводится в действие турбиной разрежения с частичными количествами технологического воздуха, представляет собой экономичную альтернативу способам с главным компрессором/дожимным компрессором.
При этом под «теплым» бустер-компрессором подразумевается бустер-компрессор, на который подают воздух, обычно находящийся на уровне температуры значительно выше 0°C, например, при температуре окружающей среды, температуре охлаждающей жидкости или при еще более высокой температуре из-за теплоты сжатия. В противоположность этому в «холодный» бустер-компрессор подают воздух, обычно находящийся на уровне температуры ниже -50°C, который может быть достигнут, в частности, путем охлаждения воздуха в главном теплообменнике установки разделения воздуха. Специфические уровни температуры описываются ниже. Подаваемый в теплый бустер-компрессор воздух в принципе также может охлаждаться в главном теплообменнике, но только в сравнительно малом объеме.
Однако максимальное давление, которое может быть достигнуто путем последовательного включения одного теплого и одного холодного бустер-компрессора, при определенных обстоятельствах пока является недостаточно высоким для оптимального балансирования пропускаемых через главный теплообменник теплого и холодного потоков текучей среды  без чрезмерно высокого подъема давления в главном воздушном компрессоре или достижения пределов технической осуществимости соответствующего детандер-компрессора. Соответствующий подъем давления в главном воздушном компрессоре делает его менее энергоэффективным по сравнению со способом с главным компрессором/дожимным компрессором.
С помощью обычного способа с главным компрессором/дожимным компрессором можно относительно успешно настраивать систему на различные сочетания продуктов, т.к. оба используемых компрессора (главный воздушный компрессор и дожимной компрессор) «отвечают» за функционально не связанные задачи. Главный воздушный компрессор в принципе выдает только технологический воздух для разделения воздуха, дожимной компрессор — энергию или холод для внутреннего сжатия и производства жидкости. При умелом соединении турбин и дожимного компрессора, а также, в частности, при использовании промежуточного отбора и дополнительных дроссельных потоков можно добиться очень хорошей энергоэффективности. Однако в общем случае для этого требуется большое число ступеней компрессора, что повышает инвестиционные расходы.
В способе высокого давления воздуха названные задачи решаются с помощью только одного компрессора. Т.е. чтобы достичь приемлемого баланса между холодным и теплым потоком в главном теплообменнике, необходимо сжимать до высокого давления весь технологический воздух. Необходимое высокое давление должно создаваться одним или более детандер-компрессорами, а также давлением главного воздушного компрессора. В некоторых случаях, и прежде всего в сочетаниях продуктов с отсутствием жидкости или с очень малым ее количеством, эффективная балансировка, как уже упоминалось, с трудом поддается реализации - без ущерба для технической осуществимости детандер-компрессора или, как упоминалось, без слишком высокого подъема давления главного воздушного компрессора.
Известен способ высокого давления воздуха, в котором, при использовании холодного бустер-компрессора с подключенным перед ним теплым бустер-компрессором, предусмотрено создание дроссельного потока высокого давления. Этот способ позволяет значительно улучшить техническую осуществимость детандер-компрессора и снизить давление главного воздушного компрессора. Поскольку чаще всего теплый бустер-компрессор должен сжимать сравнительно большое количество воздуха, или соотношения количеств между приводящими в действие бустер-компрессор турбинами разрежения и бустер-компрессорами должны быть настроены так, чтобы соответствующие машины были технически осуществимы, соотношение давлений между ступенями, т.е. соотношение давлений между всасывающей и напорной сторонами бустер-компрессора, в традиционных способах обычно меньше чем примерно 1,4. В холодном бустер-компрессоре соотношение давлений между ступенями может достигать 2. Все же энергоэффективность такого способа по сравнению со способом с главным компрессором/дожимным компрессором оказывается неравноценной. Например, из US 2013/0255313 A1 также известен способ с двумя холодными бустер-компрессорами, включенными последовательно. Однако такой способ также предпочтителен не во всех случаях.
3
3
Для условного сочетания продуктов (13 000 Н·м/ч внутренне сжатого газообразного кислорода при 15 бар) с помощью обычной системы высокого давления воздуха с холодным бустер-компрессором удается достичь выхода по энергии, всего лишь примерно на 10% меньшего, чем с помощью способа с главным компрессором/дожимным компрессором (с самонагнетающей турбиной Лахманна, т.е. турбиной Лахманна, в которую подают поток воздуха, предварительно сжатый бустер-компрессором, соединенным с турбиной Лахманна). Такие установки все чаще требуются в сегменте т.н. блочных установок разделения воздуха (компактные конструктивные блоки производительностью примерно до 23 000 Н·м/ч), работающих на уровне давления около 30 бар.
В приведенном сравнении предполагалось, что жидкостная турбина не использовалась. Если используется жидкостная турбина, то, в частности, в способе с главным компрессором/дожимным компрессором можно дополнительно повысить энергоэффективность. Поскольку производительность жидкостной турбины в общем случае сильно зависит от давления, ее использование в общем случае при обычных способах с главным компрессором/дожимным компрессором, ввиду более высоких развиваемых в них давлений, всегда значительно более предпочтительно, чем в известных способах высокого давления воздуха. Поэтому можно исходить из того, что в данном случае названные различия еще больше усилят аргументацию против использования способа высокого давления воздуха. Однако при использовании жидкостной турбины повышаются инвестиционные расходы, что является недостатком, особенно для малых установок.
В настоящем изобретении предлагаются поясняемые ниже мероприятия для значительного улучшения мощности или энергоэффективности способа высокого давления воздуха (по сравнению со способом с главным компрессором/дожимным компрессором), который по указанным причинам ограничен технической осуществимостью соответствующей системы турбин/бустер-компрессора. Это, в частности, относится к описанному выше случаю, когда требуется производить лишь сравнительно небольшие количества жидких продуктов разделения воздуха или не производить их совсем. При этом в рамках настоящего изобретения, в частности, сохраняется главное преимущество способа высокого давления воздуха (меньшие инвестиционные расходы по сравнению со способом с главным компрессором/дожимным компрессором), без ухудшения энергоэффективности.
В настоящем изобретении описанные проблемы решаются тем, что создание потока технологического воздуха высокого давления, который необходим, в частности, для испарения потоков текучих сред, используемых для производства внутренне сжатых продуктов, обеспечивается используемыми детандер-компрессорами таким способом, который позволяет предпочтительно повысить соответствующие соотношения давлений между ступенями этих детандер-компрессоров. Для этого в рамках данного изобретения предлагается способ получения одного или более продуктов разделения воздуха при использовании установки разделения воздуха с первым бустер-компрессором, вторым бустер-компрессором, первой турбиной разрежения и системой ректификационных колонн, включающей в себя колонну высокого давления, которую эксплуатируют на первом уровне давления, и колонну низкого давления, которую эксплуатируют на втором уровне давления, который меньше, чем первый уровень давления. В отношении первого и второго уровней давления, которые, в частности, могут соответствовать обычным уровням давления для колонн высокого и низкого давления, делается прямая ссылка на приведенные в начале пояснения и представленные ниже сведения.
В предлагаемом способе в соответствии с изобретением весь подаваемый в систему ректификационных колонн воздух сначала в виде объема технологического воздуха сжимают, в частности в главном воздушном компрессоре установки разделения воздуха, до третьего уровня давления, который по меньшей мере на 3 бар превышает первый уровень давления. Таким образом, в предлагаемом способе в соответствии с изобретением речь идет о типичном способе высокого давления воздуха. В рамках настоящего изобретения третий уровень давления может находиться, в частности, в диапазоне от 10 до 20 бар, например в диапазоне от 11 до 14 бар.
Первую часть объема технологического воздуха в рамках настоящего изобретения подают на третьем уровне давления и на уровне температуры от -140 до -70°C, в частности от -135 до -110°C, в бустер-компрессор, который при этом представляет собой холодный бустер-компрессор в описанном выше смысле. Далее этот бустер-компрессор называется «первым» бустер-компрессором. Первую часть объема технологического воздуха при участии первого бустер-компрессора продолжают сжимать до уровня давления, который здесь называется «четвертым» уровнем давления. Для охлаждения первой части объема технологического воздуха и для всех прочих поясняемых ниже процессов охлаждения и нагрева, если они не происходят самостоятельно вследствие разрежения или сжатия, всякий раз используется, в частности, главный теплообменник установки разделения воздуха.
Вторую часть объема технологического воздуха или порцию первого объема технологического воздуха, которую сжимали с помощью первого бустер-компрессора до четвертого уровня давления, подают на третьем уровне давления в первую турбину разрежения, с помощью которой приводят в действие первый бустер-компрессор и, в частности, которая может быть связана с ним описанным выше способом. Вторую часть объема технологического воздуха или порцию первого количества технологического воздуха, которую сжимали с участием первого бустер-компрессора до четвертого уровня давления, с помощью этой первой турбины разрежения разреживают до первого уровня давления, т.е. до уровня давления, на котором эксплуатируют колонну высокого давления. Первая турбина разрежения представляет собой типичную турбину Клода.
Затем порцию первого части объема технологического воздуха, которую сжимали в первом (холодном) бустер-компрессоре, в рамках данного изобретения нагревают в главном теплообменнике установки разделения воздуха и подают в теплый бустер-компрессор, который далее называется «вторым» бустер-компрессором. Упомянутую порцию второй части объема технологического воздуха сжимают в этом втором бустер-компрессоре до еще более высокого уровня давления, который далее называется «пятым» уровнем давления.
В соответствии с изобретением первую часть объема технологического воздуха отбирают из первого бустер-компрессора на уровне температуры от -120 до -60°C, а порцию первого объема технологического воздуха, которую сжимали с помощью второго бустер-компрессора до пятого уровня давления, перед ее сжатием во втором бустер-компрессоре нагревают до уровня температуры от -20 до 40°C, в частности от 20 до 30°C. Предлагаемые здесь мероприятия направлены, в частности на достижение более высокого соотношения между ступенями давления и подробно поясняются ниже.
Кроме того, в рамках данного изобретения дополнительный воздух, который, как поясняется ниже, может быть, в частности, дополнительной частью технологического воздуха на третьем уровне давления или дополнительной порцией второй части объема технологического воздуха, сжатой в первом (холодном) бустер-компрессоре, разреживают в турбине разрежения, которая далее называется «второй» турбиной разрежения. С помощью второй турбины разрежения названный дополнительный воздух разреживают до второго уровня давления, т.е. до уровня давления, на котором эксплуатируют колонну низкого давления используемой в данном способе системы дистилляционных колонн. Таким образом, при этом речь идет о типичной турбине Лахманна. Вторая турбина разрежения приводит в действие второй бустер-компрессор и, в частности, соединена с ним описанным выше способом.
В рамках настоящего изобретения первый (холодный) бустер-компрессор, в частности, может обеспечивать соотношение между ступенями давления от 1,5 до 2,2, например около 1,9. Кроме того, при этом, ввиду сравнительно малого количества воздуха, который пропускается через второй (теплый) бустер-компрессор, и такого же малого количества воздуха, который разреживается с помощью второй турбины разрежения (но с разрежением от высокого третьего уровня давления, например около 12 бар, до сравнительно низкого второго уровня давления, например около 1,4 бар, и с соответствующим этому повышением холодопроизводительности) удается установить соотношение между ступенями давления от 1,4 до 2,1, например около 1,8.
При этом можно оптимально настроить достижимую холодопроизводительность обеих турбин разрежения, т.к. соотношение потоков через турбины разрежения, в отличие от соотношения потоков через бустер-компрессоры, удобно регулировать (благодаря разным частотам вращения турбин разрежения и бустер-компрессоров). Мощность второй турбины разрежения (турбины Лахманна) удается полностью отдать технологическому процессу в виде холода, т.к. это турбина приводит в действие теплый бустер-компрессор (в случае холодного бустера это было бы невозможным, т.к. холод снова отдается технологическому процессу в виде тепла холодного бустер-компрессора).
За счет применения второй турбины разрежения, которая соответствует турбине Лахманна, можно повысить эквивалент вдувания и соответственно — эффективность способа в целом. Благодаря улучшенному соотношению давлений между ступенями можно снизить третий уровень давления по сравнению с обычными вариантами примерно на 1–3 бар, что для исследованного сочетания продуктов экономит около 3% энергии. Возможность снижения обеспечивается тем, что повышенные соотношения давлений между ступенями позволяют увеличить сжатие соответствующей части воздуха. Инвестиционные расходы практически одни и те же, т.к. число используемых аппаратов не увеличивается. При нагреве сжимаемого первым бустер-компрессором потока вещества перед следующим сжатием во втором бустер-компрессоре объем главного теплообменника увеличивается (примерно на 10–25%). При некоторых условиях благодаря более низкому третьему уровню давления можно сэкономить одну ступень компрессора в главном воздушном компрессоре.
Настоящее изобретение в целом позволяет улучшить эффективность систем высокого давления воздуха в отношении потребления энергии, без необходимости мириться с потерей преимуществ в издержках по сравнению с системами с главным компрессором/дожимным компрессором или обычными системами высокого давления воздуха. В рассмотренном выше случае потенциальное потребление энергии на величину до 5% меньше, чем в обычном способе высокого давления воздуха с холодным бустер-компрессором. Кроме того, благодаря снижению давления в главном воздушном компрессоре можно сэкономить одну ступень компрессора в главном воздушном компрессоре, что позволит снизить инвестиционные расходы. По сравнению со способом высокого давления воздуха с двумя холодными бустер-компрессорами и одним теплым бустер-компрессором экономится один турбинный блок, что повышает коэффициент готовности установки. Поэтому в способе в соответствии с изобретением первый бустер-компрессор предпочтительно является единственным бустер-компрессором, в который в установке подают текучую среду на уровне температуры ниже -50°C, в частности ниже -100°C и до-150°C.
Как уже говорилось, в способе в соответствии с изобретением дополнительный воздух, который на третьем или на четвертом уровне давления подают во вторую турбину разрежения, приводящую в действие второй бустер-компрессор, и соответственно разреживают до второго уровня давления, может образовываться дополнительной порцией первого объема технологического воздуха, которую сжимали в первом бустер-компрессоре до четвертого уровня давления, или может образовываться третьей частью объема технологического воздуха на третьем уровне давления. В первом случае - в примере - можно достичь дополнительной экономии около 2% энергии. В результате общая экономия энергии получается около 5%.
В рамках способа в соответствии с изобретением первый уровень давления, в частности, составляет от 5 до 7 бар, второй уровень давления, в частности, составляет от 1,3 до 1,9 бар, третий уровень давления, в частности, составляет от 11 до 15 бар, четвертый уровень давления, в частности, составляет от 18 до 25 бар и пятый уровень давления, в частности, составляет от 30 до 40 бар. Как уже говорилось, благодаря применению данного изобретения можно снизить, в частности, третий уровень давления по сравнению с известными способами.
В рамках данного изобретения можно подавать вторую часть объема технологического воздуха первой турбины разрежения, в частности на уровне температуры от -160 до -130°C. То же самое относится и к случаю, когда в эту первую турбину разрежения подают порцию первого объема технологического воздуха, которую сжимали с помощью первого бустер-компрессора до четвертого уровня давления. При этом первую и вторую части объема технологического воздуха также можно вместе подавать в главный теплообменник установки разделения воздуха и отбирать на соответствующих разных уровнях температуры. Однако также можно пропускать через главный теплообменник первую и вторую части объема технологического воздуха отдельно друг от друга.
Дополнительный воздух, который подают во вторую турбину разрежения, приводящую в действие второй бустер-компрессор, перед подачей во вторую турбину разрежения, в частности, может быть доведен до уровня температуры от -90 до -10°C, в частности от -60 до -30°C. Если при этом речь идет об упомянутой дополнительной порции первого объема технологического воздуха, которую в первом бустер-компрессоре сжимали до четвертого уровня давления и которая находится в более холодном состоянии, этот дополнительный воздух соответственно нагревается. Если же речь идет об упомянутой третьей части объема технологического воздуха на третьем уровне давления, которая, естественно, находится на более высоком уровне давления, проводится соответствующее охлаждение.
Воздух, который подвергался разрежению с помощью второй турбины разрежения, можно подавать в главный теплообменник и охлаждать до уровня температуры от -180 до -140°C, в частности от -170 до -150°C, прежде чем он будет подаваться в колонну низкого давления на втором уровне давления.
Кроме того, в рамках данного изобретения дополнительную порцию первого объема технологического воздуха, которую сжимали в первом бустер-компрессоре до четвертого уровня давления, можно охлаждать до уровня температуры от -175 до -155°C, после чего частично или полностью подавать в колонну высокого давления.
Вторая часть объема технологического воздуха, которую подвергали разрежению в первой турбине разрежения до первого уровня давления, в результате разрежения, в частности, частично сжижают, причем после разделения фаз ее несжиженная часть частично или полностью может быть подана в колонну высокого давления, и несжиженная часть частично или полностью может быть подана в колонну низкого давления.
В способе в соответствии с изобретением предпочтительно предусмотрено, что порция объема технологического воздуха, которую сжимали во втором бустер-компрессоре до пятого уровня давления, затем охлаждают до уровня температуры от -175 до -155°C и подают в колонну высокого давления.
Дополнительный воздух, который подвергался разрежению во второй турбине разрежения и который можно подготовить, как пояснялось выше, после этого разрежения может быть подан, в частности, в колонну низкого давления, как это известно в отношении турбин Лахманна.
Кроме того, в рамках данного изобретения первая турбина разрежения может быть соединена с тормозным устройством, что дает возможность разрежения в этой турбине больших количеств воздуха, чем это могло бы происходить при соединении с первым бустер-компрессором без таких устройств. Таким образом можно генерировать дополнительный холод.
В способе в соответствии с изобретением один или более жидких потоков вещества отбирают предпочтительно из системы дистилляционных колонн, сжимают в жидком состоянии, после этого испаряют или переводят в сверхкритическое состояние и выводят из установки разделения воздуха в виде одного или более продуктов под давлением. В рамках данного изобретения также осуществляется, в частности, внутреннее сжатие. Настоящее изобретение, в частности, подходит для способа внутреннего сжатия, в котором для соответствующих производимых продуктов под давлением используются давления менее 25 бар.
Настоящее изобретение также касается установки разделения воздуха для получения одного или более продуктов разделения воздуха, признаки которых указаны в соответствующем независимом пункте формулы изобретения.
Признаки и преимущества предлагаемой установки разделения воздуха в соответствии с изобретением прямо указаны в приведенных выше пояснениях предлагаемого способа в соответствии с изобретением. То же самое касается и установки разделения воздуха согласно особенно предпочтительной форме осуществления данного изобретения, которая предназначена для реализации способа, как было подробно описано выше, и имеет для этого соответствующие средства.
Ниже изобретение поясняется подробнее, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлены предпочтительные формы осуществления данного изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематически представлена установка разделения воздуха согласно одной форме осуществления изобретения.
На фиг. 2 схематически представлена часть установки разделения воздуха согласно одной другой форме осуществления изобретения.
На фиг. 3 схематически представлена часть установки разделения воздуха согласно одной другой форме осуществления изобретения.
На фиг. 4 схематически представлена часть установки разделения воздуха согласно одной другой форме осуществления изобретения.
На фиг. 5 схематически представлена часть установки разделения воздуха согласно одной другой форме осуществления изобретения.
На фигурах соответствующие друг другу элементы снабжены одинаковыми номерами позиций и для наглядности повторно не поясняются.
Подробное описание чертежей
На фиг. 1 изображена установка разделения воздуха согласно одной форме осуществления изобретения — в очень упрощенном схематическом представлении; установка в целом обозначена номером позиции 100. Более подробное пояснение частей установки, не показанных на фиг. 1, можно найти в специальной литературе, например в работе Häring (см. выше).
В установке 100 разделения воздуха с помощью не показанных здесь отдельно устройств сжатый, очищенный и предварительно охлажденный технологический воздух «a» подготавливается в т.н. «теплой части» 20. К примеру, в теплой части 20 для подготовки потока технологического воздуха «a» атмосферный воздух всасывается через фильтр главным воздушным компрессором, который, в частности, может быть многоступенчатым и после которого может быть включен один или более вторичных охладителей, и сжимается до уровня давления, который здесь называется «третьим» уровнем давления. После этого воздух может быть охлажден и очищен, в частности, с помощью адсорберов.
Способ разделения воздуха, реализуемый в установке 100 разделения воздуха, — это описанный выше способ высокого давления воздуха, поэтому третий уровень давления по меньшей мере на 3 бар выше уровня давления, на котором эксплуатируют колонну 11 высокого давления системы 10 ректификационных колонн и который здесь называется «первым» уровнем давления. Кроме того, система 10 ректификационных колонн содержит колонну 12 низкого давления, которую эксплуатируют на уровне давления, находящемся ниже первого уровня давления и называемом здесь «вторым» уровнем давления.
Кроме того, система 10 ректификационных колонн содержит колонну 13 сырого аргона и колонну 14 очищенного аргона, которые для наглядности подробно здесь не описываются. Еще раз ссылаемся на специальную литературу, в частности, на фиг. 2.3A в работе Häring (см. выше), и там же на стр. 26 и далее «Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column», а также стр. 29 и далее «Cryogenic Production of Pure Argon».
Все подаваемое в систему 10 ректификационных колонн количество воздуха, сжатого до третьего уровня давления, здесь называется «объемом технологического воздуха». В представленном примере этот объем технологического воздуха подают на вход и в главном теплообменнике 3 установки 100 разделения воздуха разделяют в общей сложности на четыре потока «b», «c», «d», «e» вещества, причем здесь потоки «b» и «c» вещества подаются в главный теплообменник 3 сначала в виде общего потока вещества, а собственно образование отдельных потоков «b» и «c» вещества происходит только при их отборе из главного теплообменника 3 на разных уровнях температуры.
Таким образом, здесь потоки «b» и «c» вещества подают в главный теплообменник 3 установки 100 разделения воздуха вместе, а отбирают из него на предпочтительно разных промежуточных уровнях температуры. Эти уровни температуры уже были описаны выше. После этого поток вещества «b» подают для дальнейшего сжатия в холодный бустер-компрессор 1 (называемый здесь «первым» бустер-компрессором), который связан с («первой») турбиной 1a расширения. Это дальнейшее сжатие производится до уровня давления, называемого здесь «четвертым» уровнем давления. В первой турбине 1a расширения поток «c» вещества подвергается разрежению, и, в частности, до первого уровня давления колонны 11 высокого давления. В представленном примере этот поток в процессе разрежения в турбине 1a расширения частично сжижают, а затем подают в сепаратор 4. Остальную газообразную часть в виде потока «f» вещества подают в колонну 11 высокого давления. Жидкость из сепаратора 4 в виде потока «g» вещества (см. точку сопряжения «A») в процессе разрежения попадает в колонну 12 низкого давления.
Поток «b» вещества на четвертом уровне давления снова подают в главный теплообменник 3, и там первую часть потока нагревают, а затем в виде потока «h» вещества подают в теплый («второй») бустер-компрессор 2 и сжимают в нем дальше, а именно до уровня давления, который здесь также называется «пятым» уровнем давления. Другую часть потока «b» вещества, наоборот, охлаждают в главном теплообменнике 3 и в виде потока «i» вещества, который объединяется с также охлаждаемыми в главном теплообменнике 3 потоками «d» и «h» вещества, подают в колонну 11 высокого давления. При этом частичный поток «h» перед охлаждением в главном теплообменнике 3 охлаждается во вторичном охладителе 5. Каждый из потоков «d», «h» и «i» вещества пропускается через главный теплообменник 3 до холодного конца.
Поток «e» вещества охлаждается в главном теплообменнике 3 до промежуточного уровня температуры, а затем подвергается разрежению в турбине 2a (во «второй» турбине) разрежения, соединенной со вторым бустер-компрессором 2. Это разрежение осуществляется до второго уровня давления. Поток «e» вещества (см. точку сопряжения «B») подают в колонну 12 низкого давления. Таким образом, вторая турбина 2a разрежения — это типичная турбина Лахманна.
Установка 100 разделения воздуха выполнена с возможностью внутреннего сжатия. Для этого в представленном примере обогащенный азотом верхний газ отбирают из колонны 11 высокого давления, сжижают в отдельно не обозначенном главном конденсаторе, который объединяет с возможностью теплообмена колонну 11 высокого давления и колонну 12 низкого давления, и в виде потока «k» вещества подаются в насос 6 внутреннего сжатия. После того, как поток «k» вещества доводится в насосе 6 внутреннего сжатия до более высокого, например, до сверхкритического уровня давления, он испаряется в главном теплообменнике 3 или переводится из жидкого в сверхкритическое состояние. На выходе установки можно отбирать соответствующий продукт разделения воздуха, обогащенный азотом. Жидкий продукт разделения воздуха, обогащенный кислородом, можно отбирать из нижней части колонны 12 низкого давления в виде потока «l» вещества, сжимать в насосе 7 внутреннего сжатия до соответствующего давления, испарять в главном теплообменнике 3 или переводить в сверхкритическое состояние, и, наконец, отбирать на выходе установки в виде продукта разделения воздуха, обогащенного кислородом.
Про остальные потоки вещества, показанные на фиг. 1 и в частности, пропускаемые через главный теплообменник 3, можно прочесть в упомянутой специальной литературе. В этом отношении установка 100 разделения воздуха работает в соответствии с общепринятой практикой.
На фиг. 2–5 схематически и очень упрощенно представлены фрагменты установок разделения воздуха согласно другим формам осуществления изобретения. На каждой иллюстрации показаны лишь схематически представленные теплая часть 20, главный теплообменник 3, первый бустер-компрессор 1, первая турбина 1a разрежения, второй бустер-компрессор 2, вторая турбина 2a разрежения и вторичный охладитель 5. Сепаратор 4, колонна 11 высокого давления и колонна 12 низкого давления для наглядности дальнейшего описания представленных на фиг. 1 потоков вещества лишь обозначены.
В то время, как система на фиг. 2 в основном соответствует системе на фиг. 1, и лишь потоки «b» и «c» вещества образуются уже на входе главного теплообменника 1, система на фиг. 3 в основном отличается от систем на фиг. 1 и 2 тем, что здесь вместо потока «e» вещества во вторую турбину 2a разрежения подают частичный поток потока «h» вещества. Этот частичный поток обозначен на фиг. 3 символом «e'». Поток «e'» вещества перед разрежением во второй турбине 2a разрежения нагревается, тогда как поток «e» вещества на описанных выше фигурах соответственно охлаждается.
Система на фиг. 4 в части манипуляций с потоком «e» вещества также соответствует фиг. 2, но в ней также можно предусмотреть проведение потоков согласно фиг. 3. Здесь разреженный во второй турбине 2a разрежения поток «e» вещества перед его подачей в колонну 12 низкого давления охлаждается дальше в главном теплообменнике 3 в объеме, описанном выше.
Система на фиг. 5 в части манипуляций с потоком «e» вещества также соответствует фиг. 3, но в ней также можно предусмотреть проведение потоков согласно фиг. 2 или 4. Здесь, в отличие от предыдущих вариантов осуществления, в первой турбине 1a разрежения подвергается разрежению одна порция первого объема технологического воздуха, которую сжимали с помощью первого бустер-компрессора (1) до четвертого уровня давления.