Установка для получения кислорода и азота из атмосферного воздуха

Изобретение может быть использовано в химической промышленности для разделения атмосферного воздуха при получении азота и кислорода. Установка включает воздушный компрессор 1, регенератор-адсорбер 2, турбодетандер 5, нижнюю 3 и верхнюю 4 ректификационные колонны, сборники 6, 7 азота и кислорода, конденсатор 8, датчик 9 расхода атмосферного воздуха, датчик 11 расхода и клапан 12 очищенного воздуха для колонны 3, датчик 13 расхода и клапан 14 очищенного воздуха для турбодетандера 5, датчик 15 расхода и клапан 16 отбросного азота из колонны 4, датчик 17 расхода и клапан 18 азота, датчик 19 расхода и клапан 20 кислорода и контроллер 21. Первый вход регенератора-адсорбера 2 соединен с датчиком 9, первый его выход соединен с датчиком 11, клапаном 12 и колонной 3, а второй - с датчиком 13, клапаном 14 и турбодетандером 5. Турбодетандер 5 соединен с первым входом колонны 4, второй вход которой соединен с колонной 3. Первый выход колонны 4 соединен с датчиком 15 и клапаном 16 со вторым входом регенератора-адсорбера 2, второй - со сборником 6 азота, на выходе которого установлен трубопровод с датчиком 17 и клапаном 18. Третий выход колонны 4 соединен со сборником 7 кислорода, соединенным с конденсатором 8, на выходе которого установлен трубопровод с датчиком 19 и клапаном 20. Входы контроллера 21 соединены с выходами датчиков 9, 11, 13, 15, 17, 19, а его выходы - со входами клапанов 10, 12, 14, 16, 18, 20. Установка позволяет повысить производительность и качество получаемых продуктов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил., 1 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к области адсорбционной техники и может быть использовано в химической промышленности для разделения атмосферного воздуха при получении азота и кислорода.

Известна установка для получения кислорода, содержащая всасывающее устройство, влагоотделитель для воздуха и адсорбционный блок, соединенные между собой трубопроводами. (Патент США №4491459, Кл. 55-163,1985 г.). Недостатком является невысокая производительность при получении кислорода при регенерации и адсорбции сжатого воздуха.

Наиболее близким является установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, которая включает воздушный компрессор, блоки осушки и абсорбционный блок, осуществляющий регенерацию и адсорбцию атмосферного воздуха. Аппараты соединены между собой трубопроводами. Установка также содержит блок управления клапанами на входе и выходе установки. (Патент РФ №2140806, B01D 53/04, 1999 г.). Недостатком является невысокая производительность по кислороду и не используется азот в производстве при разделении воздуха.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и качества кислорода и азота и расширение ассортимента продуктов разделения воздуха.

Поставленная задача решается тем, что в установке для получения кислорода и азота из атмосферного воздуха, состоящей из воздушного компрессора, регенератора-адсорбера с клапаном на входе атмосферного воздуха и клапаном на выходе кислорода, используют турбодетандер, нижнюю и верхнюю ректификационные колонны, сборники азота, кислорода и конденсатор, датчик расхода атмосферного воздуха, датчик расхода и клапан очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны, датчик расхода и клапан очищенного воздуха для турбодетандера, датчик расхода и клапан отбросного азота из верхней ректификационной колонны, датчик расхода и клапан азота, датчик расхода и клапан кислорода и контроллер; при этом первый вход регенератора-адсорбера соединен трубопроводом с датчиком атмосферного воздуха, а первый выход соединен трубопроводом с датчиком расхода и клапаном очищенного воздуха с нижней ректификационной колонной и второй соединен трубопроводом с датчиком расхода и клапаном очищенного воздуха с турбодетандером, соединенным трубопроводом с первым входом верхней ректификационной колонны, второй вход которой соединен трубопроводом с нижней ректификационной колонной и первый выход верхней ректификационной колонны соединен трубопроводом с датчиком расхода и клапаном отбросного азота, соединенным со вторым входом регенератора-адсорбера, второй - со сборником азота, на выходе которого установлен трубопровод с датчиком расхода и клапаном азота, а третий его выход соединен со сборником кислорода и конденсатором, на выходе которого установлен трубопровод с датчиком расхода и клапаном кислорода, причем входы контроллера соединены с выходами датчика расхода атмосферного воздуха, датчика расхода очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны, датчика расхода очищенного воздуха для турбодетандера, датчика расхода отбросного азота, датчиками расхода азота и кислорода, а выходы контроллера соединены со входами клапана атмосферного воздуха, клапана очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны, клапана очищенного воздуха для турбодетандера, клапана расхода отбросного азота, клапанов азота и кислорода, образуя контуры регулирования установкой; при этом задают общую нагрузку по атмосферному воздуху, расходы очищенного воздуха в нижнюю ректификационную колонну и турбодетандер, расход отбросного азота, а также расходы азота и кислорода потребителю с помощью соответствующих клапанов. Кроме того, для контроля процесса получения азота и кислорода используют программно-аппаратное устройство HIS с использованием V-Net шины, входящее в состав контроллера.

Исследование процесса получения кислорода и азота из атмосферного воздуха показало, что для увеличения производительности и качества необходимо использовать сжатый воздух, который охлаждается, и при определенной температуре используют воздух в регенераторах и адсорберах с рециклами по воздуху при очистке от примесей влаги, двуокиси углерода и частично от углеводородов. Это повышает качество кислорода и азота, используемых в промышленности. Для повышения производительности необходимо использовать турбодетандеры, ректификационные колонны.

В предлагаемом изобретении излагаются средства и методы для повышения производительности и качества по готовым продуктам.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображена принципиальная схема получения кислорода и азота. На фиг.1 приводится технологическая схема производства кислорода и водорода и на фиг.2 - контроллер для управления процессом.

1 - воздушный компрессор (технологическая схема компрессора условно не показана); 2 - регенератор-адсорбер (сблокированный); 3 - нижняя ректификационная колонна (дефлегматоры, теплообменники условно не показаны); 4 - верхняя ректификационная колонна; 5 - турбодетандер (расширитель воздуха); 6 - сборник азота; 7 - сборник кислорода; 8 - конденсатор (для разделения жидкого и газообразного кислорода); 9, 10 - контур регулирования атмосферного воздуха (датчик - 9, клапан - 10); 11, 12 - контур регулирования расхода очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны 3; 13, 14 - контур регулирования расхода очищенного воздуха для турбодетандера 5; 15, 16 - контур регулирования расхода отбросного азота из верхней ректификационной колонны 4; 17, 18 - контур регулирования расхода азота; 19, 20 - контур регулирования кислорода и 21 - контроллер, соединенный с датчиками 9, 11, 13, 15, 17, 19 по входу и клапанами 10, 12, 14, 16, 18, 20 по выходу, образуя контуры регулирования. Для контроля процесса получения кислорода и азота используется аппаратно-программное устройство HIS с V-Net шиной, входящее в состав контроллера CS-3000. При выходе контроллера из строя управление ведется «вручную».

Атмосферный воздух поступает на вход воздушного компрессора 1, где сжимается до 0,5-0,6 МПа (датчики давления условно не показаны) и далее смесь направляется в регенераторы-адсорберы 2, которые укомплектованы каменной насадкой и встроенными змеевиками для вывода сухих продуктов. Проходя по насадке воздух охлаждается до температуры насыщения и освобождается от примесей влаги, двуокиси углеродов и частично углеводородов. Основная часть охлажденного и очищенного воздуха подается на ректификацию в нижнюю ректификационную колонну 3. Небольшое количество воздуха используется для подмешивания потока для регенератора-адсорбера 2 и для подпитки детандерного потока. В нижней колонне 3 происходит разделение воздуха на кубовую жидкость с концентрацией до 40% об. кислорода, азота и флегмы. Затем смесь подается на верхнюю ректификационную колонну 4. Для исключения забивки регенераторов-адсорберов 2 часть очищенного воздушного потока направляется в турбодетандер 5 для расширения и затем очищенный воздух направляется на верхнюю ректификационную колонну 4. Из верхней части колонны 4 отбирают чистый азот и направляют в сборник 6 и далее потребителю. Кислород из средней части колонны 4 направляют в сборник 7 и конденсатор 8 потребителю (в жидком и газообразном состоянии).

Получение кислорода и азота осуществляют следующим образом:

- задают общую нагрузку (расход) по атмосферному воздуху после компрессора 1;

- задают расход очищенного воздуха в нижнюю ректификационную колонну 3;

- задают расход очищенного воздуха в турбодетандер 5;

- задают расход отбросного азота из ректификационной колонны 4 в регенератор-адсорбер 2;

- задают расход азота для потребителя;

- задают расход кислорода для потребителя.

Пример

Воздух в количестве 80000 нм³ (контур регулирования 9, 10), сжатый в компрессоре 1 до давления 0,5-0,6 МПа, поступает в регенераторы-адсорберы 2. Проходя по насадке регенераторов, воздух охлаждается до температуры насыщения и освобождается от примесей влаги, двуокиси углерода и частично углеводородов. Основная часть охлажденного и очищенного воздуха в количестве 60000 нм³ (контур регулирования 11, 12) подается в нижнюю ректификационную колонну 3. Для незабиваемости регенератора-адсорбера 2 часть воздуха в количестве 15000 нм³ (контур регулирования 13, 14) отводится в турбодетандер 5 (для расширения воздушной смеси) и затем подается на 27 тарелку верхней ректификационной колонны 4. В нижней колонне 3 происходит разделение воздуха на кубовую жидкость с концентрацией кислорода 36-38% об. кислорода и азот с концентрацией 0,0005% об. кислорода и грязную флегму с концентрацией 2,5-5% об. кислорода. В нижней колонне 3 предусмотрен отбор чистого азота (вентиль отбора условно не пронумерован). Далее кубовая жидкость переохлаждается отбросным азотом в переохладителе (условно не показан) и подается на 34 тарелку верхней колонны 4, и часть отбросного азота в количестве 24000 нм³ для удаления влаги и углеводородов подается по трубопроводу (контур регулирования 15, 16) в регенератор-адсорбер 2. С верха колонны 4 отбирается чистый азот, который направляется в сборник 6 и в количестве 40000 нм³ (контур регулирования 17, 18) с концентрацией 0,0005% об. кислорода направляется потребителю. Из средней части колонны 4 отбирается чистый кислород, который направляют в сборник кислорода 7 и в конденсатор 8 (для получения жидкого и газообразного кислорода) и далее в количестве 16000 нм³ (контур регулирования 19,20) с концентрацией 99,5% об. кислорода направляется потребителю.

Для контроля за процессом получения кислорода и азота используется программно аппарат-устройство HIS с использованием V-Net шины, входящие в комплект контроллера 21 (CS-3000). Для обзора представляется график изменения параметров во времени, состояние системы управления, сигнализации параметров, сбои на установке и другое.

Ниже в таблице приведены результаты проверки работы при получении азота и кислорода при нагрузке 100000 нм³ на установку.

Экономический эффект от внедрения установки до 6 млн.рублей в год.

Таблица
Наименование показателей	Предлагаемая установка	Прототип
1. Нагрузка на установку, нм3	100000	2,400
2. Выход по азоту, нм3, в т.ч. содержание кислорода, об.%	50000	-
0,0005	-
3. Выход по кислороду, нм3, в т.ч. содержание азота, об.%	20000 (99 об.%)	2,0 (92 об.%)
0,0005	-
4. Уменьшение качественных показателей в продуктах, % отн.
а) влага	95	-
б) двуокись азота	90	-

1. Установка для получения кислорода и азота из атмосферного воздуха, состоящая из воздушного компрессора, регенератора - адсорбера с клапаном на входе атмосферного воздуха и клапаном на выходе кислорода, отличающаяся тем, что используют турбодетандер, нижнюю и верхнюю ректификационные колонны, сборники азота, кислорода и конденсатор, датчик расхода атмосферного воздуха, датчик расхода и клапан очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны, датчик расхода и клапан очищенного воздуха для турбодетандера, датчик расхода и клапан отбросного азота из верхней ректификационной колонны, датчик расхода и клапан азота, датчик расхода и клапан кислорода и контроллер; при этом первый вход регенератора-адсорбера соединен трубопроводом с датчиком расхода атмосферного воздуха, а первый выход соединен трубопроводом с датчиком расхода и клапаном очищенного воздуха с нижней ректификационной колонной, и второй соединен трубопроводом с датчиком расхода и клапаном очищенного воздуха с турбодетандером, соединенным трубопроводом с первым входом верхней ректификационной колонны, второй вход которой соединен трубопроводом с нижней ректификационной колонной, и первый выход верхней ректификационной колонны соединен трубопроводом с датчиком расхода и клапаном отбросного азота, соединенным со вторым входом регенератора-адсорбера, второй - со сборником азота, на выходе которого установлен трубопровод с датчиком расхода и клапаном азота, а третий ее выход соединен со сборником кислорода, соединенным с конденсатором, на выходе которого установлен трубопровод с датчиком расхода и клапаном кислорода; причем входы контроллера соединены с выходами датчика расхода атмосферного воздуха, датчика расхода очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны, датчика расхода очищенного воздуха для турбодетандера, датчика расхода отбросного азота, датчиков расхода азота и кислорода, а выходы контроллера соединены со входами клапана атмосферного воздуха, клапана очищенного воздуха для нижней ректификационной колонны, клапана очищенного воздуха для турбодетандера, клапана отбросного азота, клапанов азота и кислорода, образуя контуры регулирования установкой; при управлении задают общую нагрузку по атмосферному воздуху, расходы очищенного воздуха в нижнюю ректификационную колонну и турбодетандер, расход отбросного азота, а также расходы азота и кислорода потребителю с помощью соответствующих клапанов.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для контроля процесса получения азота и кислорода используют программно-аппаратное устройство HIS с использованием V-Net шины.