Способ получения азота под давлением

 

Использование: криогенная техника, в частности разделение воздуха методом низкотемпературной ректификации. Сущность изобретения: разделение проводят в двух ступенях узла ректификации с получением кубовой жидкости, чистого газообразного азота под давлением и чистой азотной флегмы. Отбирают часть жидкой азотной флегмы из второй ступени узла ректификации, подогревают эту часть и подают в качестве дополнительной флегмы в первую ступень, а чистый газообразный азот из первой ступени узла ректификации расширяют в турбодетандере, дополнительно подогревают, дожимают в компрессоре и выдают потребителю. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации, и может быть использовано в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения азота под давлением, включающий охлаждение сжатого воздуха, разделение воздуха в узле ректификации, выдачу потребителю чистого азота под давлением (см. Каталог "Криогенное оборудование", изд. ЦИНТИХИМНЕФМЕМАШ, М., 1980, с.16).

Недостатком аналога является то, что по этому способу количество продукционного чистого азота не может превышать 40% от количества перерабатываемого воздуха за счет того, что в этом способе ректификационная колонна орошается только азотной флегмой, получаемой в конденсаторе этой колонны.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения азота под давлением (см. патент США N 4453957, кл. F 25 J 3/04), включающий охлаждение сжатого воздуха, разделение воздуха в первой степени узла ректификации с получением кубовой жидкости и чистого газообразного азота, получение во второй ступени узла ректификации чистой азотной флегмы, выдачу потребителю чистого азота под давлением.

Недостатком прототипа является вывод продукционного азота с разным давлением из первой и второй ступеней ректификации, повышенное давление в конденсаторе II ступени ректификации из-за необходимости расширения его паров в турбодетандере и вызванное этим увеличение давления воздуха на входе в установку, увеличенные габариты конденсаторов из-за необходимости поддержания минимальной разности температуры в них.

К недостаткам прототипа можно отнести также необходимость минимизации разности температур в основных теплообменниках с целью сокращения холода потерь и снижения давления в конденсаторах, что вызывает увеличение габаритов теплообменников. Эти недостатки приводят к повышенным энергозатратам и удорожанию устройства, в котором реализован способ.

Решение задачи увеличения выхода жидкого азота под давлением может быть осуществлена за счет подачи дополнительной азотной флегмы в первую ступень ректификации.

Для этого в способе получения азота под давлением, включающем охлаждение сжатого воздуха, разделение воздуха в первой ступени узла ректификации с получением кубовой жидкости и чистого газообразного азота и получение во второй ступени узла ректификации чистой азотной флегмы, выдача потребителю чистого азота под давлением из первой ступени, часть чистой азотной флегмы из второй ступени нагнетают в первую ступень в качестве дополнительной флегмы, при этом ее предварительно подогревают в теплообмене с частично переохлажденной кубовой жидкостью из первой ступени, причем чистый газообразный азот из первой ступени расширяют до промежуточного давления в детандере, дополнительно подогревают в теплообмене с кубовой жидкостью и сжатым воздухом, дожимают в компрессоре за счет энергии расширения азота в детандере и направляют потребителю, при этом дополнительную азотную флегму подогревают в теплообмене с насыщенной кубовой жидкостью, дополнительную азотную флегму подогревают в теплообмене с холодным сжатым воздухом, чистый азот под давлением дополнительно подогревают в теплообмене с холодным сжатым воздухом.

Сущность изобретения заключается в том, что часть азотной флегмы из второй ступени с давлением 4,2 кгс/см² нагнетают насосом до давления 8,6 кгс/см², дополнительно подогревают в теплообменнике. Подогрев азотной флегмы позволяет привести ее в состояние насыщения при этом давлении (т.е. снять переохлаждение по сравнению с состоянием насыщения при давлении 4,2 кгс/см²). Далее эту часть азотной флегмы используют в качестве дополнительной флегмы в первой ступени ректификации.

Расширение чистого газообразного азота из первой ступени в турбодетандере позволяет повысить разность температур в конденсаторах по сравнению с прототипом до ≥3 К путем снижения давления кипения в них и сократить их габариты, увеличить разность температур на теплом конце основных теплообменников за счет обеспечения необходимой холодопроизводительности турбодетандера и уменьшить габариты теплообменников.

Дополнительный подогрев расширенного чистого азота позволяет обеспечить оптимальный режим основных теплообменников.

Реализация всех этих признаков позволяет увеличить долю чистого газообразного азота потребителю до 0,6 м³/м³ перерабатываемого воздуха при Р > 5 кгс/см² и снизить материальные затраты на устpойство, в котором будет реализован заявляемый способ.

Сравнение предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применяемости.

На чертеже схематично показано устройство, в котором реализован заявляемый способ, где основной теплообменник 1 посредством трубопровода соединен с первой ступенью 2 узла ректификации. Первая ступень 2 трубопроводом 3 соединена с теплообменником 4, который, в свою очередь, трубопроводом 5 соединен с теплообменником 6. Теплообменник 6 посредством трубопровода соединен с второй ступенью 7 узла ректификации. Конденсатор 8 посредством трубопровода соединен с конденсатором 9, который соединен со сборником-распределителем 10. Насос 11 трубопроводом соединен с теплообменником 6. Конденсатор 9 трубопроводом соединен с подогревателем 12. Первая ступень 2 соединена посредством трубопровода с турбодетандерно-компрессорным агрегатом 13. Трубопровод 14 соединен с трубопроводами 15 и 16. Трубопровод 17 соединен с трубопроводами 3 и 5.

Работает устройство, в котором реализован заявляемый способ, следующим образом. Воздух с давлением примерно 9 кгс/см² и температурой примерно 290 К, очищенный от примесей, направляют в основной теплообменник 1, где охлаждают до состояния насыщения и подают в первую ступень 2 узла ректификации. Образовавшуюся в первой ступени 2 узла ректификации кубовую жидкость примерно 0,6 м³/м³ перерабатываемого воздуха, по трубопроводу 3 направляют на охлаждение в теплообменник 4, затем ее дополнительно переохлаждают в теплообменник 6 и направляют во вторую ступень 7 узла ректификации, где ее смешивают с потоком обогащенного кислородом жидкого воздуха, стекающего из второй ступени 7 узла ректификации, и подают в конденсатор 8 первой ступени узла ректификации. Пары азота из первой ступени 2 подают в конденсатор 8, где их конденсируют и возвращают снова в первую ступень 2 узла ректификации. Пары обогащенного кислородом воздуха из конденсатора 8 подают в нижнюю часть второй ступени 7 узла ректификации, а жидкую фракцию в количестве, примерно равном количеству кубовой жидкости из первой ступени, направляют на испарение в конденсатор 9.

После испарения пары обогащенного кислородом воздуха с содержанием ≈42% О₂ и давлением 1,3 кгс/см² подогревают в подогревателе 12 до 104 К, затем подогревают до положительных температур в основном теплообменнике 1 и выбрасывают в атмосферу.

Пары азота из второй ступени 7 узла ректификации конденсируют в конденсаторе 9 одну часть жидкой азотной флегмы, после сборника-отделителя 10 возвращают во вторую ступень ректификации, а другую часть нагнетают насосом 11, подогревают в теплообменнике 6 до температуры насыщения, при давлении первой ступени, в теплообмене с кубовой жидкостью, которую переохлаждают дважды, сначала в теплообменнике 4, затем в теплообменнике 6. После подогрева части азотной флегмы в теплообменнике 6 ее направляют в первую ступень узла ректификации в качестве дополнительной азотной флегмы.

Чистый азот с концентрацией 0,0005% О₂ давлением 8,6 кгс/см² и в количестве 0,6 м³/м³ перерабатываемого воздуха с температурой 101 К отбирают из первой ступени 2, подогревают в нижней части основного теплообменника 1 до температуры 115 К и направляют в турбодетандерно-компрессорный агрегат 13, где расширяют в детандере до промежуточного давления, дополнительно подогревают в теплообменнике 4, подогревают в основном теплообменнике 1 и с температурой ≈287 К направляют на дожатие в компрессор турбодетандерно-компрессорного агрегата 13, где дожимают примерно до 5,4 кгс/см² и направляют потребителю.

В теплообменник 6 вместо переохлажденной в теплообменнике 4 кубовой жидкости можно подавать насыщенную кубовую жидкость из первой ступени 2, которую по трубопроводу 17 и трубопроводу 5 подают в теплообменник 6. В это время в теплообменник 4 на теплообмен подают холодный сжатый газ, который отбирают по трубопроводу 14 и по трубопроводу 15 направляют в теплообменник 4.

В теплообменнике 6 для подогрева дополнительной азотной флегмы можно использовать холодный сжатый воздух, который отбирают по трубопроводу 14 и по трубопроводу 16 подают на теплообмен в теплообменник 6.

П р и м е р. Часть азотной флегмы из второй ступени 7 узел ректификации нагнетают в первую ступень 2, предварительно ее подогревают в теплообменнике 6. Дополнительная азотная флегма, поступающая в первую ступень 2, должна находиться в состоянии насыщения при давлении этой колонны. В заявляемом способе дополнительную флегму подают в первую ступень 2 с давлением 8,6 кгс/см² из конденсатора 9 с давлением 4,2 кгс/см² в состоянии насыщения при этом давлении.

Насосом 11 нагнетают дополнительную флегму, поднимая ее давление с 4,2 до 8,6 кгс/см², а подогрев дополнительной азотной флегмы позволяет привести ее в состояние насыщения при давлении 8,6 кгс/см². Все это позволяет исключить необходимость установки дополнительных тарелок в первой ступени, которые подогревали бы дополнительную азотную флегму без установки теплообменника-подогревателя до начала процесса ректификации, повысить эффективность процесса и увеличить выход продукционного азота.

Чистый азот с концентрацией 0,0005% О₂, давлением 8,6 кгс/см², в количестве 0,6 м³/м³ п.в. с температурой 101 К отбирают из первой ступени 2, подогревают в нижней части основного теплообменника 1 до температуры 115 К и направляют в турбодетандерно-компрессорный агрегат 13, где расширяют в детандере до промежуточного давления, дополнительно подогревают в теплообменнике 4, подогревают в основном теплообменнике 1 и с температурой ≈287 К направляют на дожатие в компрессор турбодетандерно-компрессорного агрегата 13, где дожимают примерно до 5,4 кгс/см² и направляют потребителю.

Установка детандера на потоке продукционного азота позволяет повысить по сравнению с прототипом разность температур в конденсаторах до ≥3 К путем снижения давления кипения в них, обеспечить необходимую холодопроизводительность турбодетандера, позволяющую увеличить разность температур на теплом конце основных теплообменников, увеличить выход продуктов разделения, снизить давление перерабатываемого воздуха.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТА ПОД ДАВЛЕНИЕМ путем охлаждения сжатого воздуха и разделения его методом низкотемпературной ректификации в двухступенчатой колонне с получением на первой ступени ректификации кубовой жидкости и выводимого потребителю чистого газообразного азота под давлением, а на второй ступени - чистой азотной флегмы, отличающийся тем, что отбирают часть чистой азотной флегмы, нагревают ее в теплообмене с переохлажденной кубовой жидкостью, или с кубовой жидкостью, или с холодным сжатым воздухом и направляют в первую ступень ректификации в качестве дополнительной флегмы, а чистый газообразный азот под давлением перед подачей потребителю расширяют с получением энергии расширения до промежуточного давления, нагревают в теплообмене с кубовой жидкостью и сжатым воздухом и дожимают за счет энергии расширения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что чистый газообразный азот под давлением перед расширением дополнительно нагревают в теплообмене со сжатым воздухом.

РИСУНКИ

Рисунок 1