Способ разделения воздуха

 

(ti) 739316

Союз Советски к

Социалистические

Республик (К: АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. с вид-ву (51) Ч. Кл.

F 25 3 3/04 (22) Заявлено 22.08.77 (21) 2521812/23-26 с присоединением заявки ¹

Ваудератненный камнтет

СССР ао делам нзабретеннй н аткрытнй (23) Приоритет

Опубликовано 05,06,80. Бюллетень ¹21 (53) УДК661.93, .05(088.8) Дата опубликовании описания 09,06,80

В. П. Беляков, Г, Б. Наринский, В. Ф. Густов, Х. Я. Степ, А..Л. Винокурский и Н. И. Костромин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к разделению воздуха методом низкотемпературной ректификации и может быть использовано при крупнотоннажном производстве т азообразного кислорода или обогащенного кислородом воз- духа для нужд металлургической .или химической промышленности в тех сйучаях, когда продукт необходимо подавать потребителю под давлением до 3 ата.

10 ,Известны способы получения сжатого кислорода или обогащенцого кислородом воздуха с использованием, как правило, либо компримирования газообразного продукта, поступаюшего из воздухоразделительной установки под давлением, близким к атмосферному, либо нагнетанием с помощью насоса и последующей газификацией жидкого кислорода или обогаценной кислородом жидкости непосредственно в воздухорвзделительной установке и .

Недостатком известных способов является необходимость использования спе- циального машинного оборудования - кв.2 слородных.компрессоров или насосов жидкого кислорода.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации,. включакяций сжатие воздуха, предварительное его разделение с выделением газообразной азотной фракции, окончательное разделение с получением жидкой кислородной фракции, гидростатическое сжатие и испарение этой фракции, а также детандерное расширение перерабатываемого воздуха с получением энергии (2).

Однако способ характеризуется недостаточной энергетической эффективностью, так как для обеспечения теплообмена между воздухом и кипящей под повышенным давлением кислородной фракцией давление начального сжатия всего перерабатываемого воздуха приходится устанавливать выше в колонне предварительного разделения. Кроме того, эффективность процесса разделения в целом в этом слу316 ф

На чертеже приведена схема воздухо-. разделительной установки.

Весь поток перерабатываемого воздуха (В) сжимается в основном компрессоре 1 до давления 6,0 кгс/см, йримерно равного давлению, необходимому для осуществления разделительного процесса. По.сле сжатия поток воздуха; rrpa температуре 300 К поступает в узел 2 теплообме« на.и очистки, где охлаждается до 100 К и очищается от вымерзающих примесей в процессе теплообмена с нагревающими до

298 К газообразными продуктами разделения - кислородом (К) и азо ом (А). По ток воздуха вводится в нижнюю ректификационную колонну 3(колонну предварительного разделения) . работающую прн давлении 5,5 кгс/см2, близком к давлению сжатия воздуха в основном компрессоре. Получаемые в этой колонне продухты - азотная флегма и кубовая жидкостьдросцелируются в. верхнюю ректификационную колонну 4 (колонну окончательного разделения), где поддерживается давление 1,4 кгсlсм2, близкое к атмосферному.

Конденсатор нижней колонны 5 служит испарителем верхней колонны. Нижний про3 укт колонны окончательного разделения -. жидкая кислородная фракция - под гидростатическим напором

3 739 чае снижается из-за того, что часть перерабатываемого воздуха конденсируется за счет испарения продукта, вследствие чего ухудшается питание ректификационных колонн флегмой.

Цель изобретения — снижение энерго- зат рата

В

Поставленная цель достигается тем,что испарение гидростатически сжатой кислородной фракции осуществляют путем теп .лообмена с азотной фракцией, которую не.юиВредственно после выделения сжимают до давлейия, превышающего давление сжатия воздуха. на 1-3 кгс/см, а также тем 2 что для сжатия азотной фракции используют энергщо ее детандерного расширения и тем, что детандерное расширение ссуществляют на двух температурных уровнях с охлаждением потока газа, расширенного на верхнем температурном уровне, путем теплообмена с потоком газа, направляемым. для расширения на нижнем температурном уровне, а именно азотной фракцией.

g (tl„-tl,-1=МФО 1О 8= О9 (Кгс (см ), где „, - удельный вес жидкости, и И - уровни жидкости в аппаратах

4 и6, подается отсюда в продукционный испари тель 6. В испарителе псд соответствуюS щим этому напору давлением . ж к а 1 д

"д.+ ф2,Ъ (загс ем ) т

1О где Р, „ - давление в испарителе, р — давление в колонне 4, - происходит испарение жидкости за счет, теплообмена с потоком получаемого. в нижней колонне дополнительно сжатого газообразного азота, который при этом охлаждается и конденсируется. Сконденсировавшийся в продукционном испарителе жидкий азот вводится в колонну предварительного разделения, Часть воздуха около 10%, поступающего в колонну предварительного разде» ления, после подогрева в узле теплообмена до 175 К расширяется от 5,6 ата до 1,3 ата в детацдере 7 с отдачей внешней работы, после чего вводится в колонну окончательного разделения.

Испарившаяся под повышенным давлением 2,3 кт"с/см в продукционном испа3О рителе 6 кислородная фракция вы водится из установки через узел теплообмена потребителям. Дополнительное сжатие с 5,5 до 8,2 кгс/см" части газообразного азота, используемо" для испарения жидкого кислорода или обогащенной кислородом жидкости, осуществляется,при . низкой температуре (95 К). Детандерное расширение проводится на двух температурных уровнях 175 К и 120 К с по40 догревом от 95 К до 120 К в теплообменнике 8 газа, поступающего при этой температуре и давлении 5,5 к|.с/см2 и дополнительный низкотемпературный двтандер 9, за счет теплообмена с охлаждающимся при этом со 125 К до 100 К. потоком газа, расширенного на верхнем . температурном уровне в детандере 7. "

Часть, примерно половина, энергии детандерного расширения может использоваться для привода дополнительного компрессора 10, в котором осуществляется доцолнительное сжатие от 5,5 до 8,2 кгсlсм части газоборазного азота (26% от количества перерабатываемого воздуха)один из двух детандеров (в приведенном примере — низкотемпературный) по существу не производит холода, а служит трубопроводом дополнительного компрес- . сора. Подобное построение холодопроизвоИсточники информ ации, принятые во внимание при;экспертизе

1. Разделение воздуха методом глубоко1 о охлаждения, "Машиностроение", М., 1964, т. Х, с. 197-198.

2. Патент Англии N» 1425450, кл. F 4 Р, 1972.

5 7393 дящей системы оказывается возможным на крупных воздухораэделительных установках, вырабатывающих гаэоподобные продукты разделения, и имеющих такие низкие холодопотери, для покрытия которых достаточно холодопроиэводитель; ности одного (в данном случае — высокотемпературного) детандера. При этом для повышения энергетической эффективности установки на нижнем температурном уров- 10 не (120 К) расширяется газ (азот) с температурой. конденсации,79 К при давлении 1,35 кгс/см меньшей, чем температура конденсации газа (воэдуха), расширяемого на верхнем температурном 15 уровне 84 К при давлейии 164 кгс/см

Количество азота, конденсируемого в продукционном испарителе определено из, энергетического баланса этого аппарата.

Предельное давление сжатия продукционно-20 го кислорода ограничивается резервами холодобаланса установки. Для привода хо лодного азотного компрессора может быть использована только половина энерГии детандерного расширения, поэтому максимал ь- 25 ное давление сжатия азота в этом компрессоре равно 8,2 кгс/см . Температура и конденсации при этом давлении равна

100,4 К. При разности температур 1 8 К температура кипения кислорода не может 30 превышать 98,6 К, что соответствует давлению кипения 2,3 ата.

Азот поступает для сжатия в дополнительный компрессор с температурой, близкой к температуре конденсации при рабо- M чем давлении нижней колонны 95 К, а выходит из компрессора с температурой

il0 К.

При расширении в ниэкотемпературном детандере азот охлаждается до 81 К. Ко40 личество низкотемпературного детандерного потока равно 10% от количества пере- рабатываемого воздуха.

Использование предлагаемого способа разделения воздуха обеспечивает по срав-45 нению с известными способами более высокую энергетическую эффективность эа счет уменьшения энергозатрат на сжатие воздуха; а также за счет более высокой эффективности разделения. Так, например,50 ,з

16 6 при получении технического кислорода по предлагаемому способу суммарный расход энергии уМеньшается на 5-6% по сравнению с известными способами.

/ формула изобретения

1. Способ разделения воздуха методом ниэкотемпературной ректификации, включающий сжатие, воздуха, предварительное его разделение с выделением газообразной азотной фракции, окончательное разделение с получением жидкой кислородной фракции, гидростатическое сжатие и испарение этой Фракции, а также детандернов расширение перерабатываемого воздуха, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат энергии, испарение гидрос гатически .сжатой фракции осуществляют пугем теплообмена с азотной фрак« цией, которую нецосредственно после выделения сжимают до давления, превышающего давление сжатия воздуха на 13 кгс/см .

2. Способ по и. 1-, о т л и ч а юшийся тем, что для сжатия азотной фракции используют энергию детандерного расширения.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч аю шийся тем, что детандериое расширение осуществляют на двух температурных уровнях с охлаждением потока, расширенного на верхнем температурном уровне, путем теплообмена с потоком газа, направляемым для расширения на нижнем температурном уровне.

4. Способ ло и. 3, о т,л и ч а юш н и с я тем, что на нижнем температурном уровне расширяют аэотйую фракцйю.

739316

Составитель К. Чириков

Редактор N. Недолуженко Текред Н. Ковалева Корректор С. Щомак

Заказ 3022/6 Тираж 578 Подписное

ЦНИИПИ Focynapersewiore комитета QCCP по делам изобретений я открытий

113035, Москва, Я-35, Раушская наб;, д. 4/8 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4