СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПУТЕМ КРИОГЕННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ
METHOD AND PLANT FOR SEPARATION OF AIR BY CRYOGENIC DISTILLATION

Настоящее изобретение относится к способу и установке для разделения воздуха путем криогенной дистилляции.
Зачастую желательно иметь установку для разделения воздуха, которая производит по меньшей мере в основном газ в течение по меньшей мере одного периода, когда цены на электричество выше, и по меньшей мере в основном жидкость в течение по меньшей мере одного периода, когда цены на электричество ниже. Настоящее изобретение обеспечивает установку, работающую при оптимальном энергопотреблении в обоих режимах работы.
Данная установка включает в себя воздухоразделительную колонную систему, которая может быть любого известного типа, но может, в частности, представлять собой систему из двух колонн, включающую в себя колонну высокого давления и колонну низкого давления, термически соединенные при помощи ребойлера и конденсатора на дне колонны низкого давления, где конденсируется азот с верхней части колонны высокого давления.
Все давления, упомянутые в данном тексте, являются абсолютными давлениями.
В соответствии с задачей изобретения обеспечивается процесс для производства по меньшей мере одного жидкого продукта и по меньшей мере одного газообразного продукта путем криогенной дистилляции воздуха в первом режиме работы и во втором режиме работы, при этом при таком процессе производится больше жидкости в качестве конечного продукта во втором режиме работы, чем в первом режиме работы, при этом во всех режимах работы сжатый и очищенный газообразный воздух охлаждается на линии теплообмена и направляется в по меньшей мере одну колонну колонной системы, жидкий поток, выделенный из компонентов воздуха, удаляется из колонны колонной системы и испаряется на линии теплообмена, воздух повышенного давления направляется в линию теплообмена, конденсируется и направляется в колонную систему, и часть поданного воздуха направляется в один из по меньшей мере двух расширителей и затем в колонну колонной системы, при этом:
i) в соответствии с первым режимом по меньшей мере часть поданного воздуха отводится в промежуточной точке линии теплообмена, сжимается при криогенной температуре в холодном компрессоре и направляется в линию теплообмена для дальнейшего охлаждения, после чего направляется в колонную систему, и часть поданного воздуха направляется в первый расширитель, и
ii) в соответствии со вторым режимом весь поданный воздух сжимается до высокого давления, которое по меньшей мере на 20 бар выше, чем наибольшее давление в колонне колонной системы, во втором компрессоре, охлаждается на линии теплообмена, после чего часть его направляется в колонную систему, а другая часть воздуха высокого давления направляется во второй расширитель.
В соответствии с дополнительными объектами изобретения:
- в соответствии с первым режимом часть поданного воздуха при давлении на выходе из холодного компрессора охлаждается и направляется в первый расширитель;
- холодный компрессор соединяется с первым расширителем;
- второй компрессор соединяется со вторым расширителем;
- воздух, обработанный во втором компрессоре при втором режиме работы, и в холодном компрессоре при первом режиме работы, после этого направляется к общим средствам передачи дальше по потоку в колонной системе;
- при первом режиме работы воздух направляется из холодного компрессора к линии теплообмена через трубопровод, и при втором режиме работы воздух направляется из второго компрессора ко второму расширителю через этот же трубопровод;
- при первом режиме работы воздух направляется из холодного компрессора через проход в линии теплообмена к ее холодному концу, и при втором режиме работы воздух направляется из второго компрессора к холодному концу линии теплообмена через этот же проход.
В соответствии с дополнительным объектом изобретения обеспечивается установка для разделения воздуха путем криогенной дистилляции, содержащая:
а) колонную систему,
b) линию теплообмена,
с) главный компрессор,
d) холодный компрессор, соединенный с выходом главного компрессора,
е) второй компрессор, соединенный с выходом главного компрессора,
f) первый и второй расширители,
g) средства для направления воздуха от холодного компрессора к первому расширителю,
h) средства для направления воздуха от второго компрессора ко второму расширителю,
i) средства для направления воздуха от первого и второго расширителей в колонную систему,
j) средства для направления воздуха от холодного компрессора и второго компрессора в колонную систему через средства теплообмена без пересечения как первого, так и второго расширителей.
В соответствии с другими дополнительными объектами:
- средства для направления воздуха от холодного компрессора к первому расширителю и средства для направления воздуха от второго компрессора ко второму расширителю включают в себя общий отрезок трубопровода;
- средства для направления воздуха от холодного компрессора и второго компрессора в колонную систему через средства теплообмена без пересечения как первого, так и второго расширителей, включают в себя по меньшей мере один общий проход в средствах теплообмена;
- установка включает в себя третий расширитель и средства для направления воздуха из колонной системы к третьему расширителю и затем к средствам теплообмена.
Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи. Фиг.1, 2 и 3 изображают схемы потока воздуха для воздухоразделительной установки в соответствии с изобретением. Пунктирными линиями обозначены соединения между компрессором и турбиной.
В способе по фиг.1 используется система с двумя колоннами, в которой колонна 65 высокого давления размещена под колонной 67 низкого давления и термически соединена с ней посредством ребойлера и конденсатора 69.
Во всех режимах работы, охлажденный, очищенный и сжатый газообразный воздух подается в колонну 65 высокого давления. Обратные потоки (не показано) направляются из колонны высокого давления в колонну 67 низкого давления так же, как и в предшествующем уровне техники. Дополнительно, во всех режимах, газообразный азот 61 удаляется из верхней части колонны 67 низкого давления и подогревается в теплообменнике 19 в то время, пока лишний азот 59 удаляется из нижней части колонны 67 низкого давления и подогревается в теплообменнике 19 до его использования для регенерации очищающего блока 8.
На фиг.1 весь воздух сжимается до давления 15,5 бар в компрессоре 1 и охлаждается в охладителе 4 для формирования потока 3. После дальнейшего охлаждения в охладителе 6 воздух очищается в очищающем блоке 8. Выход компрессора 1 соединен с входом компрессора 5 и с теплообменником 19.
Когда установка работает в газовом режиме, воздух из компрессора 1 не направляется в компрессор 11 в качестве потока 5. Весь воздух направляется к теплому концу линии 19 теплообмена через открытый клапан 13 в качестве потока 7. Воздух 7 охлаждается до промежуточной температуры линии 19 теплообмена и сжимается до давления 26 бар в холодном компрессоре 37. Клапан 21 открыт, и весь сжатый воздух затем направляется обратно в линию 19 теплообмена через трубопровод 23, дальше охлаждается в трубопроводе 43 и разделяется на две части при промежуточной температуре, более низкой, чем температура на входе в холодный компрессор 37. Одна часть охлаждается полностью в линии 19 теплообмена как поток 41, в то время как остальная часть 33 направляется через клапан 35 на турбину 39, соединенную с холодным компрессором 37. Расширенный воздух затем направляется в колонну колонной системы. В данном примере, воздух направляется в виде потока 45 к колонне 65 высокого давления, формируя подачу лишь газа в колонну высокого давления.
При этом режиме жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).
Когда установка работает в жидкостном режиме, весь воздух из компрессора 1 направляется к компрессорам 11, 17 в виде потока 5 и сжимается до давления 34 бар, клапан 15 открывается и клапан 13 закрывается. Воздух 5 высокого давления затем дополнительно сжимается до давления 47 бар в компрессоре 17 и направляется к теплому концу линии 19 теплообмена. После частичного охлаждения потока 5 он разделяется на две части, одна часть 41 охлаждается полностью в линии 19 теплообмена при помощи трубопровода 43, и остальная часть 31 направляется на турбину 29 через трубопровод 23 и клапан 21. Поток 45 расширенного воздуха направляется в колонну колонной системы, в этом случае в колонну 65 высокого давления. Компрессор 17 соединяется с расширителем 49, который расширяет воздух 47, удаленный из колонны высокого давления. Воздух 51 из расширителя 49 направляется на линию 19 теплообмена и охлаждается в ней до выброса в атмосферу. Компрессор 12 присоединен к расширителю 29.
В ходе такого жидкостного режима жидкий кислород LOX 53 и жидкий азот LIN 69 удаляются из колонн низкого и высокого давления соответственно. Дополнительно, жидкий кислород удаляется из донной части колонны 57 низкого давления и сжимается как поток 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).
Очевидно, что количество трубопроводов удовлетворяет различным целям, в зависимости от используемой модели. Охлаждающий участок 43 получает воздух при давлении 47 бар, который затем охлаждается путем прохождения через всю линию теплообмена в жидкостном режиме, и получает воздух при давлении 26 бар, выходящий из холодного компрессора 37 в газовом режиме. Дополнительно, на участке 28 наблюдается обратный поток между двумя режимами, воздух, протекающий в одном направлении от линии 19 теплообмена к турбине 29 на жидкостном режиме, и в другом направлении от холодного компрессора 37 к линии 19 теплообмена в газовом режиме.
Очевидно, что небольшое количество жидкости может быть произведено в ходе газового режима, и некоторое количество газа - в ходе жидкостного режима.
По желанию во всех режимах работы по фиг.1, азот 61 сжимается до более высокого давления в компрессоре 63.
Как показано на фиг.2, весь воздух сжимается до давления 15,5 бар в компрессоре 1 и охлаждается в охладителе 4 для формирования потока 3. После дальнейшего охлаждения в охладителе 6 воздух очищается в очищающем блоке 8. Выход компрессора 1 соединен с входом компрессора 5 и с теплообменником 19.
Когда установка работает в газовом режиме, воздух из компрессора 1 не направляется в компрессор 11 в виде потока 5. Весь воздух направляется на теплый конец линии 19 теплообмена, через открытый клапан 13 в виде потока 7. Клапан 15 закрыт. Воздух 7 охлаждается до промежуточной температуры линии 19 теплообмена и сжимается до давления 26 бар в холодном компрессоре 37. Клапан 21 открыт, и весь сжатый воздух направляется обратно в линию 19 теплообмена через трубопровод 23, дальше охлаждается в трубопроводе 43 и подразделяется на две части при промежуточной температуре, ниже чем температура на входе в холодный компрессор 37. Одна часть полностью охлаждается в линии 19 теплообмена в виде потока 41, в то время как другая часть 33 направляется через клапан 35 на турбину 39, соединенную с холодным компрессором 37. Расширенный воздух затем направляется в колонну колонной системы. В этом примере воздух направляется в виде потока 45 в колонну 65 высокого давления, образуя подачу лишь газа в колонну высокого давления.
В этом режиме жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).
Когда установка работает в жидкостном режиме, весь воздух из компрессора 1 направляется в компрессоры 11, 17 в виде потока 5 и сжимается до давления 34 бар, клапан 15 открыт, а клапан 13 закрыт. Воздух 5 высокого давления направляется на теплый конец линии 19 теплообмена. После того как поток 5 был частично охлажден, он разделяется на две части, одна часть 41 охлаждается полностью на линии 19 теплообмена через трубопровод 43, и другая часть 31 направляется на турбину 29 через трубопровод 23 и клапан 21. Расширенный поток воздуха 45 направляется в колонну колонной системы, в данном случае - в колонну 65 высокого давления. Компрессор 17 присоединен к расширителю 29.
В ходе этого жидкостного режима жидкий кислород LOX 53 и жидкий азот LIN 69 удаляются из колонны низкого и высокого давления соответственно. Дополнительно, жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).
Очевидно, что количество трубопроводов удовлетворяет различным целям, в зависимости от используемого режима. Охлаждающий участок 43 принимает воздух, который затем охлаждается путем прохождения через всю линию теплообмена в жидкостном режиме, и принимает воздух при давлении 26 бар, выходящий из холодного компрессора 37, в газовом режиме. Дополнительно, на участке 23 наблюдаются обратные потоки между двумя режимами, воздух, протекающий в одном направлении от линии 19 теплообмена к турбине 29 в жидкостном режиме, и в другом направлении от холодного компрессора 37 к линии 19 теплообмена в газовом режиме.
Очевидно, что небольшое количество жидкости может быть произведено в газовом режиме, и небольшое количество газа может быть произведено в жидкостном режиме.
По желанию, во всех режимах работы по фиг.2, азот 61 сжимается до более высокого давления в компрессоре 63.
В упрощенном варианте системы по фиг.1, как показано на фиг.3, используются лишь две воздушные турбины.
В процессе по фиг.3 может быть использована система с двумя колоннами, как показано и описано для фиг.1, в которой колонна 65 высокого давления размещена под колонной 67 низкого давления и термически соединена с ней через ребойлерный конденсатор 69.
Во всех режимах работы, как показано на фиг.1, охлажденный, очищенный и сжатый газообразный воздух подается в колонну 65 высокого давления. Обратные потоки (не показано) направляются из колонны высокого давления в колонну 67 низкого давления, как и в предшествующем уровне техники. Дополнительно, во всех режимах, газообразный азот 61 удаляется из верхней части колонны 67 высокого давления и нагревается в теплообменнике 19, в то время как лишний азот 59 удаляется из нижней части колонны 67 низкого давления и нагревается в теплообменнике 19 до того, как он будет использован для регенерации очищающего блока 8.
На фиг.3, весь воздух сжимается до давления в 15,5 бар в компрессоре 1 и образует поток 3. После дальнейшего охлаждения (не показано), воздух очищается в очищающем блоке (не показано). Выход компрессора 1 соединен с входом компрессора 5 и с теплообменником 19.
Когда установка работает в газовом режиме, воздух из компрессора 1 не направляется в компрессор 11 в виде потока 5. Весь воздух направляется на теплый конец линии 19 теплообмена, через открытый клапан 13 в виде потока 7. Воздух 7 охлаждается до промежуточной температуры линии 19 теплообмена и сжимается до давления 26 бар в холодном компрессоре 37. Клапан 21 открывается, и весь сжатый воздух направляется обратно в линию 19 теплообмена через трубопровод 23, дальше охлаждается в трубопроводе 43 и подразделяется на две части при средней температуре, выше, чем температура на входе в холодный компрессор 37. Одна часть охлаждается полностью в линии 19 теплообмена в виде потока 41, в то время как остальная часть 33 направляется через клапан 35 к турбине 39, соединенной с холодным компрессором 37. Расширенный воздух затем направляется в колонну колонной системы. В этом примере воздух направляется в виде потока 45 в колонну 65 высокого давления, образуя подачу лишь газа в колонну высокого давления.
В этом режиме жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).
Когда установка работает в жидкостном режиме, весь воздух из компрессора 1 направляется в компрессор 11 в виде потока 5 и сжимается до давления 34 бар, клапан 15 открывается и клапан 13 закрывается. Воздух 5 высокого давления затем дополнительно сжимается до давления 47 бар в компрессоре 17 и направляется на теплый конец линии 19 теплообмена. После того как поток 5 был частично охлажден, он разделяется на две части, одна часть 41 охлаждается полностью на линии 19 теплообмена через трубопровод 43, и другая часть 31 направляется на турбину 29 через трубопровод 23. Расширенный поток воздуха 45 направляется в колонну колонной системы, в данном случае - в колонну 65 высокого давления. Компрессор 17 присоединен к расширителю 29. В ходе этого режима жидкий кислород LOX 53 и жидкий азот LIN 69 удаляются из колонны низкого и высокого давления соответственно. Дополнительно, жидкий кислород удаляется из нижней части колонны 57 низкого давления и сжимается в виде потока 55 в насосе 57 до его испарения в теплообменнике 19 для формирования газообразного кислорода высокого давления (HP GOX).
Очевидно, что количество трубопроводов удовлетворяет различным целям, в зависимости от используемого режима. Охлаждающий участок 43 принимает воздух при давлении 47 бар, который затем охлаждается путем прохождения через всю линию теплообмена в жидкостном режиме, и принимает воздух при давлении 26 бар, выходящий из холодного компрессора 37, в газовом режиме. Дополнительно, на участке 23 наблюдаются обратные потоки между двумя режимами, воздух, протекающий в одном направлении от линии 19 теплообмена к турбине 29 в жидкостном режиме, и в другом направлении от холодного компрессора 37 к линии 19 теплообмена в газовом режиме.
Для всех воплощений, помимо упомянутых газового режима и жидкостного режима, могут существовать другие режимы работы.