УСТАНОВКА ДЛЯ КРИОГЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГАЗОВ, В ЧАСТНОСТИ ВОЗДУХА
PLANT FOR CRYOGENIC SEPARATION OF MIXTURE OF GASES, NAMELY AIR

Настоящее изобретение относится к установке для получения продукта криогенного разделения смеси газов, в частности воздуха, содержащей охладитель с непосредственным охлаждением для охлаждения исходной смеси газов, очиститель для очистки охлажденной исходной смеси газов и низкотемпературную секцию с главным теплообменником для охлаждения очищенной исходной смеси газов приблизительно до температуры конденсации и перегонной колонной для криогенного разделения исходной смеси газов.
Установки для криогенного разделения воздуха или других смесей газов известны, например, из публикации Hausen/Linde, Tieftemperaturechnick, Cryogenic Engineering, 2-е изд., 1985.
В контексте настоящего описания термин "криогенная температура" или "низкая температура" означает любую температуру ниже окружающей температуры, предпочтительно температуру порядка 200 К или ниже, наиболее предпочтительно порядка 150 К или ниже, например 100 К или ниже.
В охладителе с непосредственным охлаждением исходная смесь охлаждается в результате прямого теплообмена с охлаждающим средством, например водой. Такие охладители используются, в частности, для рассеивания теплоты сжатия, которое происходит в расположенном до охладителя воздушном компрессоре.
Расположенный за охладителем очиститель представляет собой адсорбер, состоящий по меньшей мере из двух попеременно работающих реверсивных емкостей. Такие очистители обычно используют для удаления из поступающей в них смеси газов различных нежелательных компонентов, например, тех, которые могут замерзать в низкотемпературной секции.
В низкотемпературной секции исходную смесь газов сначала охлаждают приблизительно до температуры конденсации, а затем разделяют на фракции в перегонной колонне. Низкотемпературная секция состоит из одного или нескольких теплообменников и одной или нескольких перегонных колонн. Конечный продукт отбирают из низкотемпературной секции в газообразном или жидком состоянии. Очевидно, что в низкотемпературной секции можно получать несколько конечных продуктов в одном и том же или в разном состоянии и одинакового или разного химического состава. Во избежание потерь, связанных с увеличением температуры из-за теплообмена с окружающей средой, низкотемпературную секцию обычно размещают в одном или нескольких теплоизолирующих кожухах.
Главный теплообменник предназначен для подогрева газообразного(-ых) продукта(-ов) путем косвенного теплообмена по меньшей мере с одним потоком исходной смеси газов.
Три перечисленных выше компонента установки для криогенного разделения смеси газов обычно стремятся скомпоновать таким образом, чтобы они занимали минимальную площадь. Добиться этого, к сожалению, удается далеко не во всех случаях.
В основу настоящего изобретения была положена задача дальнейшей оптимизации компоновки установки для криогенного разделения смеси газов и создания экономичной установки для криогенного разделения смеси газов.
Указанная задача решается с помощью предлагаемой в изобретении установки для получения конечного продукта путем криогенного разделения смеси газов, в частности воздуха, содержащая охладитель с непосредственным охлаждением для охлаждения исходной смеси газов, очиститель для очистки охлажденной исходной смеси газов и низкотемпературную секцию с главным теплообменником для охлаждения очищенной исходной смеси газов приблизительно до температуры конденсации и перегонной колонной для криогенного разделения исходной смеси газов, отличающейся тем, что охладитель с непосредственным охлаждением, очиститель и низкотемпературная секция расположены на одной линии.
Под расположением в одну линию в данном случае имеется в виду наличие в установке по меньшей мере одной горизонтальной прямой линии, пересекающей основания всех трех упомянутых выше компонентов. Под основанием в данном контексте подразумевается площадь поверхности, необходимая для соответствующего монтажа различных компонентов установки, включая функционально связанные с ними устройства, такие как насосы и арматура.
Очевидно, что такая компоновка в отличие от общепринятой не является оптимальной с точки зрения использования площади основания всей установки, поскольку основания ее разных компонентов имеют разные размеры. Так, в частности, охладитель с непосредственным охлаждением и очиститель обычно имеют меньшие размеры, чем низкотемпературная секция. Тем не менее этот недостаток предлагаемой в изобретении установки в полной мере компенсируется ее другими, более существенными преимуществами.
3
3
Расположение компонентов установки в одну линию существенно уменьшает, в частности, расходы, связанные с их соединением друг с другом. При этом, в частности, существенно уменьшается длина соответствующих трубопроводов и размеры стальных конструкций, таких как эстакады для трубопроводов. В конечном итоге удается существенно снизить капитальные затраты, особенно при создании крупных установок для разделения больших объемов газа производительностью порядка 50000 м/ч (при стандартных температуре и давлении) или более и, в частности, установок производительностью порядка 300000 м/ч (при стандартных температуре и давлении) или более.
Кроме того, преимуществом расположения компонентов установки в одну линию является возможность двустороннего доступа к отдельным компонентам установки, а следовательно, более простого их обслуживания и ремонта. Такая возможность позволяет существенно снизить все затраты, связанные с эксплуатацией и ремонтом установки.
Компрессор, предназначенный для сжатия исходной смеси газов, обычно устанавливают до охладителя с непосредственным охлаждением. В предлагаемой в изобретении установке реализовать это можно, например, путем установки компрессора рядом с блоком, состоящим из охладителя с непосредственным охлаждением, очистителя и низкотемпературной секции. Более предпочтительно, однако, монтировать предназначенный для сжатия исходной смеси газов компрессор, охладитель с непосредственным охлаждением, очиститель и низкотемпературную секцию на одной линии. При таком расположении компрессора указанные выше преимущества предлагаемой в изобретении установки становятся еще более ощутимыми.
Расположение всех четырех компонентов в одну линию предпочтительно, в частности, в варианте выполнения установки, состоящей из расположенных рядом друг с другом многоступенчатых блоков. В выполненной по такой схеме установке различные соединительные устройства можно расположить на концах отдельных ступеней, например эстакаду для трубопроводов, через которые отбирают полученные продукты, на стороне низкотемпературной секции и/или газовую или паровую турбину привода газового компрессора с соответствующими вспомогательными устройствами, такими как воздушный конденсатор, а также трубопроводы для пара, газа и воды, предназначенной для охлаждения различных машин, на стороне компрессора. При такой компоновке различные компоненты установки полностью доступны и для обслуживания и для ремонта.
Ось вращения приводного вала компрессора в этом случае предпочтительно должна проходить, по существу, перпендикулярно линии, на которой расположены охладитель с непосредственным охлаждением, очиститель и низкотемпературная секция.
В другом варианте компрессор, предназначенный для сжатия исходной смеси газов, можно установить рядом с остальными элементами установки. В этом случае ось вращения приводного вала компрессора будет проходить, по существу, параллельно линии, на которой расположены охладитель с непосредственным охлаждением, очиститель и низкотемпературная секция.
В многоступенчатых установках, выполненных по предлагаемой в изобретении схеме, основание перечисленных выше компонентов имеет относительно удлиненную форму. Иными словами, в таких установках отношение параллельной соединяющей охладитель с непосредственным охлаждением и низкотемпературную секцию прямой линии стороны наименьшего по площади прямоугольника, в пределах которого расположены основания охладителя с непосредственным охлаждением, очистителя и низкотемпературной секции и, возможно, компрессора, предназначенного для сжатия исходной смеси газов, к стороне, перпендикулярной первому направлению, превышает 1 и, в частности, превышает 1,5, предпочтительно больше 1,8. В некоторых случаях это отношение может быть больше 2,0 или даже больше 3,0.
При создании многоступенчатых установок множество отдельных блоков такого типа устанавливают в продольном направлении рядом друг с другом. Расположение соответствующих металлоконструкций, предназначенных для соединения отдельных блоков друг с другом (например, эстакады для трубопроводов), вдоль коротких сторон прямоугольников позволяет заметно сократить их длину и соответственно уменьшить их стоимость.
Низкотемпературная секция предлагаемой в изобретении установки состоит из теплообменного блока, в состав которого входит по меньшей мере один главный теплообменник, ректификационного блока, в состав которого входит по меньшей мере одна перегонная колонна, и расположенного в корпусе турбины детандера. Корпус турбины предпочтительно монтировать в переходной части низкотемпературной секции между теплообменным блоком и ректификационным блоком. В другом варианте корпус турбины можно напрямую соединить с теплообменным блоком.
В других предпочтительных вариантах возможного выполнения предлагаемой в изобретении установки она имеет трубопроводы для подачи исходной смеси газов в главный теплообменник и трубопровод для отбора из главного теплообменника полученного в нем продукта, причем трубопровод для подачи исходной смеси газов и трубопровод для отбора полученного продукта проходят, по существу, параллельно главной оси установки по разные стороны от главного теплообменника. С дальним от главного теплообменника концом отводящего трубопровода для отбора полученного продукта соединен отводящий трубопровод, который проходит, по существу, перпендикулярно главной оси установки. Отводящий трубопровод может проходить по эстакаде или по земле и может быть соединен с трубопроводом для отбора продуктов, полученных в других установках криогенного разделения смеси газов, или отводящий трубопровод соединен с емкостью для хранения полученного продукта. Главный теплообменник предпочтительно выполнен как рекуперативный теплообменник.
Как отмечено выше, трубопровод для подачи исходной смеси газов в главный теплообменник и трубопровод для отбора полученного продукта из главного теплообменника проходят, по существу, параллельно главной оси установки по разные стороны от главного теплообменника.
Под главной осью установки подразумевается воображаемая прямая горизонтальная линия, которая обычно физически не проходит через основные компоненты установки или любое другое имеющееся на ней оборудование.
Упомянутые выше два трубопровода считаются по существу параллельными, если угол между ними составляет меньше 20°, предпочтительно меньше 10°, наиболее предпочтительно меньше 5°.
Преимуществом варианта выполнения установки по п.7 формулы изобретения является возможность размещения устройств для отбора продуктов, например одного или нескольких соединенных с соответствующими трубопроводами отводящих трубопроводов, вдоль одной из сторон главного теплообменника, а устройств, предназначенных для предварительного подогрева исходной смеси, вдоль его другой стороны. Такая компоновка предлагаемой в изобретении установки позволяет, как очевидно, существенно сократить длину трубопроводов.
3
3
Расположение трубопроводов для подачи исходной смеси газов и отбора полученных продуктов по разные стороны от главного теплообменника позволяет, в частности, существенно уменьшить затраты, связанные с необходимостью соединения между собой отдельных компонентов установки. При этом, в частности, существенно уменьшается длина соответствующих трубопроводов и размеры необходимых для их монтажа металлоконструкций (эстакад). В конечном итоге благодаря этому удается существенно снизить капитальные затраты, особенно при создании крупных установок для разделения больших объемов газа производительностью порядка 50000 м/ч (при стандартных температуре и давлении) или более и, в частности, установок производительностью порядка 300000 м/ч (при стандартных температуре и давлении) или более.
Преимуществом предлагаемой в изобретении установки является также возможность двустороннего доступа к ее компонентам при проведении различных монтажных и ремонтных работ. Такая возможность позволяет существенно снизить все затраты, связанные с эксплуатацией и ремонтом установки.
Предлагаемая в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения установка имеет соединенный с удаленным от главного теплообменника концом отводящего трубопровода трубопровод для сбора отбираемых из теплообменника продуктов, который проходит, по существу, перпендикулярно главной оси установки.
Под, по существу, перпендикулярным направлением в данном контексте подразумевается направление прямой линии, расположенной к главной оси установки под углом от 70 до 110°, предпочтительно от 80 до 100°, наиболее предпочтительно от 85 до 95°.
При создании многоступенчатых установок один или несколько трубопроводов для отбора полученных в главном теплообменнике продуктов соединяют с соответствующими одно- или многоступенчатыми блоками установки и/или с резервуаром и/или с оборудованием для аварийной подпитки.
Трубопровод(-ы) для отбора полученных в главном теплообменнике продуктов может(-гут) быть расположен(-ы) на эстакаде или на земле. В последнем случае трубопровод устанавливают на специальных подпорках.
Трубопровод(-ы) для отбора полученных в главном теплообменнике продуктов предпочтительно соединять с трубопроводом для подачи продуктов в одну или несколько других установок для криогенного разделения смеси газов.
Альтернативно этому или в дополнение к этому трубопровод(-ы) для отбора полученных продуктов из главного теплообменника можно соединить с емкостью для хранения полученного в теплообменнике продукта.
В предлагаемой в изобретении установке в качестве главного теплообменника предпочтительно использовать рекуперативный, т.е. нереверсивный теплообменник.
В других предпочтительных вариантах выполнения предлагаемой в изобретении установки она содержит контур охлаждения, предназначенный для подачи охлаждающего средства в охладитель с непосредственным охлаждением и имеющий испарительный охладитель, в котором подаваемое в охладитель с непосредственным охлаждением охлаждающее средство охлаждается отбираемым из низкотемпературной секции газом, причем отношение расстояния между испарительным охладителем и охладителем с непосредственным охлаждением к расстоянию между испарительным охладителем и главным теплообменником составляет по меньшей мере 0,5, предпочтительно по меньшей мере 1,0. Отношение расстояния между испарительным охладителем и охладителем с непосредственным охлаждением к расстоянию между испарительным охладителем и главным теплообменником составляет по меньшей мере 2, предпочтительно по меньшей мере 4. Расстояние между испарительным охладителем и главным теплообменником не превышает 20 м, предпочтительно 10 м. Расстояние между испарительным охладителем и охладителем с непосредственным охлаждением составляет по меньшей мере 10 м, предпочтительно по меньшей мере 25 м.
В предлагаемой в изобретении установке испарительный охладитель расположен сравнительно близко от главного теплообменника. При этом некоторое увеличение расходов, связанных со стоимостью трубопровода испарительного охладителя, вполне компенсируется уменьшением длины трубопровода для отбора газа из низкотемпературной секции установки. В целом же такая схема позволяет заметно уменьшить общие расходы на создание установки. Достигается это, в частности, за счет снижения стоимости самих трубопроводов и необходимых для их прокладки металлоконструкций. Сказанное относится в первую очередь к установкам с очень большим поперечным сечением (порядка 1-2 м) трубопроводов для подачи газа в испарительный охладитель.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов возможного выполнения предлагаемой в нем установки, схема которой показана на прилагаемом чертеже и которая в данном случае представляет собой криогенную воздухоразделительную установку.
Всасываемый из атмосферы воздух (исходную смесь газов) пропускают через входной фильтр 1 и по трубопроводам 51, 52, 53 и 54 подают в соответствующие компоненты установки. Профильтрованный воздух сначала по трубопроводу 51 сжимают в главном компрессоре, который в данном случае выполняет функцию компрессора исходной смеси газов. Сжатый в компрессоре воздух по трубопроводу 52 попадает в охладитель 3 с непосредственным охлаждением, в котором он охлаждается в результате прямого теплообмена с охлаждающей водой, которую подают в охладитель по трубопроводу 61. Охлажденный воздух по трубопроводу 53 попадает в очиститель 4, состоящий из двух адсорберов 5, 6 с молекулярными ситами. Очищенный воздух по трубопроводу 54 затем подают в низкотемпературную секцию 7 установки.
Низкотемпературная секция имеет один, поддерживающий внутри низкую температуру (теплоизолированный) кожух, в котором расположено все криогенное оборудование низкотемпературной секции и, в частности, теплообменник(-и) и перегонная(-ые) колонна(-ы), либо в другом варианте имеет несколько отдельных теплоизолированных кожухов. В показанном на чертеже варианте низкотемпературная секция имеет два отдельных теплоизолированных кожуха. Ректификационный блок 9 имеет кожух цилиндрической формы и состоит из перегонных колонн 9а, в данном случае из аппарата двукратной ректификации, состоящего из колонны высокого и колонны низкого давления и расположенного между ними главного конденсатора. Главный теплообменник 8а низкотемпературной секции и другие ее компоненты расположены в теплообменном блоке 8 с кожухом, имеющим форму прямоугольного параллелепипеда. Теплоизолированные кожухи обоих указанных блоков 8, 9 теплоизолируют расположенные в них компоненты от воздействия окружающего тепла. Низкотемпературная секция имеет также переходный участок 10. В показанном на чертеже варианте переходный участок 10 низкотемпературной секции находится внутри теплоизолированного кожуха, что, однако, не исключает возможности использования для теплоизоляции всех трубопроводов и арматуры переходного участка 10 отдельного, сравнительно небольшого по размерам теплоизолированного кожуха.
Главный теплообменник низкотемпературной секции работает как исключительно рекуперативный, т.е. нереверсивный теплообменник. Такой теплообменник можно выполнить, например, в виде одного или нескольких соединенных друг с другом блоков. Каждый из блоков главного теплообменника предпочтительно выполнить в виде изготовленного из алюминия пластинчатого теплообменника. В кожухе главного теплообменника можно при необходимости смонтировать и другие теплообменники, например один или несколько переохлаждающих противоточных теплообменников, которые также можно выполнить в виде одного или нескольких блоков и смонтировать в кожухе ректификационного блока. Кожух ректификационного блока может иметь не только форму цилиндра, как в показанном на чертеже варианте, но и, например, форму прямоугольного параллелепипеда.
Главный воздушный компрессор 2 соединен первым валом 11 с соответствующим приводом, в качестве которого можно использовать электрический двигатель 12 или газовую либо паровую турбину. В варианте, показанном на чертеже, предлагаемая в изобретении криогенная воздухоразделительная установка имеет дополнительный компрессор 14, предназначенный для сжатия очищенного воздуха 54. Очищенный воздух подают на вход в дополнительный компрессор 14 через вспомогательный (бустерный) воздушный трубопровод 62, который соединен с трубопроводом 54. Сжатый в дополнительном компрессоре 14 очищенный воздух по (не показанному на чертеже) трубопроводу подают в низкотемпературную секцию 7, в частности, в кожух ее теплообменного блока 8, содержащего главный теплообменник. В показанном на чертеже варианте дополнительный компрессор 14 соединен с приводом 12 главного компрессора валом 13. В принципе дополнительный компрессор может иметь свой собственный привод, например, в виде отдельной газовой или паровой турбины, либо отдельного электрического двигателя.
Полученные продукты отбирают из низкотемпературной секции 7 по соединенным с отводящими трубопроводами 107 и 108 трубопроводам 105, 106, которые показаны на чертеже только в качестве примера. Отводящие трубопроводы 107, 108 проходят по эстакаде 109 и либо используются для соединения отдельных блоков многоступенчатой установки либо соединяются с соответствующими емкостями для хранения полученных продуктов или с оборудованием для аварийной подпитки.
Испарительный охладитель 15 предназначен для предварительного охлаждения воды до ее подачи в охладитель 3 с непосредственным охлаждением. В испарительном охладителе остающийся в низкотемпературной секции азот в результате прямого теплообмена и массообмена охлаждает подаваемую затем в охладитель с непосредственным охлаждением воду. Предварительно охлажденную воду подают в охладитель с непосредственным охлаждением по трубопроводу 61. Нагретая в охладителе с непосредственным охлаждением вода напрямую или в обход возвращается в испарительный охладитель. Влажный водород из испарительного охладителя сбрасывают непосредственно в атмосферу.
Предлагаемая в изобретении установка имеет также схематично показанные на чертеже технологические трубопроводы 63. Эти технологические трубопроводы предназначены для подачи водяного пара, газа и/или охлаждающей воды и отбора конденсата, охлаждающей воды и т.д. Технологические трубопроводы соединяют с соответствующими (не показанными на чертеже) отводящими трубопроводами, которые можно проложить по упомянутой выше эстакаде 109. Технологические и вспомогательные (бустерные) воздушные трубопроводы 63, 62 можно проложить по земле (на подставках) или по одной или нескольким эстакадам.
В рассматриваемой в качестве примера установке основания охладителя 3 с непосредственным охлаждением, очистителя 4 и низкотемпературной секции 7 имеют форму окружности или прямоугольника, или несколько более сложную форму. Основания всех этих трех компонентов установки расположены на одной линии, в частности, на ее главной оси 101. Линия 101 проходит также через основание главного воздушного компрессора 2. Такая компоновка существенно уменьшает длину трубопроводов 52, 53 и 54, предназначенных для подачи газа в соответствующие компоненты установки. Одновременно существенно снижается и длина расположенных по другую сторону от входа трубопровода 54 трубопроводов 105, 106, предназначенных для отбора из низкотемпературной секции полученных в ней продуктов. Возможность существенного снижения длины этих трубопроводов позволяет отказаться от сооружения для их прокладки отдельной эстакады.
У прямоугольника 102, внутри которого расположены основания охладителя 3 с непосредственным охлаждением, очистителя 4 и низкотемпературной секции 7, длина вертикальной (в плоскости чертежа) стороны в 1,7 раза превышает длину перпендикулярной ей (горизонтальной) стороны. У прямоугольника 103, внутри которого расположены также основания главного воздушного компрессора и соединенного с ним оборудования, это соотношение составляет около 1,8. Преимущества такой компоновки, позволяющей существенно снизить длину эстакады 109 и соединительных трубопроводов 107, 108 для отбора полученных продуктов и технологических магистралей, наиболее существенно проявляются при создании многоступенчатых установок. Размеры показанных на чертеже прямоугольников по масштабу не соответствуют указанным выше соотношениям.
Функционально связанные между собой охладитель 3 с непосредственным охлаждением и испарительный охладитель 15 обычно выполняют в виде одного или двух очень близко расположенных друг от друга блоков. Однако в показанном на чертеже варианте испарительный охладитель 15 расположен ближе к низкотемпературной секции, чем к охладителю 3 с непосредственным охлаждением. Расстояние 104 между испарительным охладителем 15 и главным теплообменником 8а составляет приблизительно одну пятую от расстояния между охладителем 3 с непосредственным охлаждением и низкотемпературной секцией 7. Поэтому трубопровод (не показан на чертеже), по которому оставшийся азот подают из главного теплообменника в испарительный охладитель, можно выполнить сравнительно коротким и поэтому с учетом его очень большого поперечного сечения сравнительно дешевым. Связанное с этим увеличение длины трубопровода для охлаждающей воды, который имеет существенно меньшее поперечное сечение, незначительно сказывается на общей стоимости установки.
Обычно блоки для криогенного разделения воздуха имеют один или несколько детандеров, которые вырабатывают холод за счет механической энергии расширения одного или нескольких потоков газа и, как правило, выполняются в виде турбин. Показанная на чертеже в качестве предпочтительного примера установка имеет турбину, в которой происходит расширение части исходного воздуха либо конечного, или промежуточного продукта криогенного разделения воздуха. Такая турбина (турбодетандер) 10 расположена в корпусе 16 переходного участка 10 между кожухом теплообменного блока 8 и кожухом ректификационного блока 9.