Способ разделения воздуха

 

О Il И С А Н И Е ()748098

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистическик

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 29.07.77 (21) 2511135/23-26 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл.

F 25 ) 3/04

Государственный комитет (53) УДК 621.593 (088.8) Опубликовано 15.07.80. Бюллетень №26

Дата опубликования описания 25.07.80 по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

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

Изобретение относится к низкотемпературному разделению газовых смесей, а именно к разделению воздуха методом низкотемпературной ректификации.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при производстве больших количеств газообразного кислорода, азота или обогащенного кислородом воздуха для нужд металлургической или химической промышленности в тех случаях, когда продукты разделения необходимо подавать потребителю под давлением около 0,3 МПа.

В известных способах крупнотоннажного производства продуктов разделения воздуха используют схему низкого давления, когда весь перерабатываемый воздух сжимается до давления, необходимого для осуществления разделительного процесса в аппарате двухкратной ректификации, а холодопотери покрываются путем детандерного рас- ширения части воздуха или какой-либо его фракциИ с получением энергии, т. е. за счет использования резервов процесса низкотемпературной ректификации. При этом для компенсации потерь холода через изоляцию и от разности температур между поступающим и установку воздухом и выходящими из нее газообразными продуктами разделения, требуется гораздо меньшее количество холода, чем может произвести детаидер. Т. е. на детандер можно отводить большее количество воздуха или продуктов разделения. В этом случае часть продуктов разделения выводят из установки, например, в виде жидкости (1(и (2(Когда потребности в выводе продуктов разделения нет, установка работает с потО вышенными энергозатратами, что является недостатком известных способов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ разделения воздуха методом ннзкотемпературной ректификации, включающий низкотсмпературное сжатие газообразных продуктов разделения и парлнфтнукз циркуляцию обогащенной кислородом жидкости (31.

Этот способ включает детандерное рас2о ширение части перерабатываемого воздуха или какой-либо его фракции с получением энергии для обеспечения низкотемпературного сжатия продукционного кислорода с использованием части энергии детандерно748098

ro расширения, являющейся избыточной по отношению к потребной холодопроизводительности.

Известный способ также характеризуется недостаточной энергетической эффективностью, так как. тепло, подводимое в процессе низкотемпературного сжатия к продукционному кислороду, передается детандерному потоку, что в конечном счете приводит к росту потерь от необходимости в процессе ректификации и увеличению удельных энергозатрат установки.

Кроме того, в тех случаях, когда требуется осуществлять парлифтную циркуляцию жидкого кислорода или обогащенной кислородом жидкости для прокачки ее через, адсорбер углеводородов, в известном способе возникают дополнительные энергетические потери, связанные с работой парлифта (из-за необходимости подвода тепла для генерации транспортного пара).

Цель изобретения — снижение удельных энергозатрат на производство продуктов разделения.

Поставленная цель достигается тем, что непосредственно после низкотемпературного сжатия газообразные продукты разделения охлаждают путем теплообмена с обогащенной кислородом жидкостью, а образующиеся при этом пары последней используют для ее парлифта.

Энергетическая эффективность разделительного процесса повышается за счет улучшения флегмовых соотношений в ректификационных колонках, так как тепло, подводимое при низкотемпературном сжатии к продукционному кислороду в колонны не поступает, а также вследствие исключения необходимости подвода тепла извне к парогенератору парлифта, так как в качестве транспортного пара используются пары обогащенной кислородом жидкости, получаемые при ее теплообмене со сжатым кислородом.

Предлагаемое техническое решение отличается от известного и организацией холодильного процесса — детандерное расширение может осуществляться на двух температурных уровнях с охлаждением потока газа, расширенного на верхнем температурном уровне, в теплообмене с потоком газа, направляемым для расширения иа нижнем температурном уровне, причем высокотемпературный детандерный поток после этого может дополнительно охлаждаться продуктами разделения до их сжатия при низкой температуре. Возможно также расширение на нижнем температурном уровне газа с температурой конденсации, меньшей, чем температура конденсации rasa, расширяемого на верхнем температурном уровне, Дополнительный энергетический эффект, достигаемый при осуществлении детандерного расширения на двух температурных уровнях, обеспечивается вследствие сиижения потерь от необходимости в процессе теплообмена между поступающим в воз,духораспределительную установку воздухом и выводимыми из нее продуктами разделения. Расширение на нижнем температурном уровне газа с температурной конденсации меньшей, чем температура конденсации газа, расширяемого на верхнем температурном уровне, позволяет максимально понизить температурный уровень работы низкотемпературного детандера и за счет

14 этого увеличить указанный эффект.

Сущность изобретения раскрывается на примере исполнения, иллюстрируемой схемой воздухораспределительной установки, приведенной на чертеже;

После сжатия до давления 0,6 МПа, необходимого для осуществления разделительного процесса, поток перерабатываемого воздуха (В) поступает в узел теплообмена и очистки 1,-где охлаждается от ЗООК до

100К и очищается от вымерзающих примезф сей в процессе теплообмена с нагревающимися до 298К газообразными продуктами разделения — кислородом (К) и азотом (А).

Поток воздуха затем вводится в колонну предварительного разделения 2, работающую при давлении 0,55 МПа, близком к

И давлению сжатия воздуха. Получаемые в этой колонне продукты — азотная флегма и кубовая жидкость дросселируются в колонну окончательного разделения 3, где поддерживается давление 0,14 МПа, близку кое к атмосферному.,Конденсатор 4 колонны 2 служит испарителем колонны 3.

Часть нижнего продукта колонны окончательного разделения — жидкого кислорода или обогащенной кислородом жидкос3$ ти выводится в нспаритель парлифта 5, где частично (50/0) испаряется за счет теплообмена с потоком сЖатого продукционного. кислорода. Образующаяся при этом парожидкостная смесь поднимается вследствие парлифтного эффекта в отделнтель парлифта 6,. размещенный на 10 м выше уровня жидкости в сборе колонны 3. В отделителе происходит отделение паров, присоединенных затем к выходящему из верхней колонны потоку продукционного кислорода, от

° з жидкости, которая под гидростатическим напоромгж (Ь вЂ” hq) =1140 10. =0,11 МПа, где,„=1140 кГ/мз, — удельный вес кислорода, (hi — 4) = 10 м разность гводезических отметок, возвращается отсюда через адсорбер углеводородов 7 в сборник колонны 3. Охлажденный в испарителе парлифта

: до 98К газообразный сжатый кислород нагревается затем в узле теплообмена и очистки 1 до 298К и выводится потребителю.

Часть воздуха (10 /0), поступающего в колонну предварительного разделения, после подогрева в узле теплообмена до 175К расширяется в высокотемпературном детандере 8 от 055 МПа до 0 14 МПа с отдачей внешней работы, после чего, прой748098

5 дя .через теплообменникн 9 и 10, вводится в колонну 3.

Детандерное расширение производится на двух температурных уровнях !75Д и

120K с подогревом от 95К до 120К за счет. теплообмена с охлаждающимся при этом со 125К до 100К, потоком воздуха, расширенного на верхнем температурном уровне в детандере 8, в теплообменннке 9 азота, поступающего при этой температуре и давлению 5,4 МПа в дополнительный низкотемпературный детандер !1. Часть (примерно половина) энергии детандерного расширения может использоваться для привода холодного компрессора 12, в котором осуществляется сжатие продукционного кислорода от О,!4 МПа до 0,22 МПа — один из двух детандеров (в приведенном примере— низкотемпературный) по существу не производит холода, а служит турбоприводом холодного компрессора. Холодопроизводительности одного высокотемпературного детандера достаточно для покрытия всех холодопотерь установки. При этом для повышения энергетической эффективности установки расширенный высокотемпературный

° детандерный поток дополнительно охлаждается в теплообменнике !О от LOOK до 93К за счет теплообмена с продукционным кислородом, подаваемым затем на сжатие в холодный компрессор. Дополнительный энергетический эффект достигается вследствие детандерного расширения на нижнем температурном уровне (120К) газа с меньшей температурной конденсации (азота) — 79К при давлении 0,135 МПа, чем температура конденсации газа, расширяемого в детандере, работающем на верхнем температурном уровне (воздуха), 84К при давлении

0,14 МПа. При расширении в низкотемпе Ь ратурном детандере азот охлаждается до

81K. Количество низкотемпературного детандерного потока равно !Оо/о от количества перерабатываемого воздуха.

Использование изобретения обеспечивает по сравнению с существеннымн способами более высокую энергетическую эффективность за счет снижения потерь от необратимости в разделительном процессе. Так, например, при получении технического кислорода по предлагаемому способу удельный расход энергии уменьшается не менее, чем на 3 — 80/0.

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. Патент Англии ¹ 1425450, кл. F 4 Р, 1972.

2. Наринский Г. Б., Густов В. Ф. и др. сХимическое и нефтяное машиностроение», 1975, Ж 9; с. 3 — 6.

3. large Air Separation Units Plants, ASME-publication, WAPID-8, 1974, р. 1 — 7

55 (прототип) Способ разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации, включающий низкотемпературное сжатие газообразных продуктов разделения и парлифтную циркуляцию обогащенной кислородом го жидкости, отличающийся тем, что, с целью уменьшения удельных энергозатрат, после низкотемпературного сжатия газообразные продукты разделения охлаждают путем теплообмена с обогащенной кислородом жидкостью, а образующиеся при этом пары последней используют для ее парлифта.

748098

Составитель К. Чириков

Редактор Н. Горват Техред К. Шуфрич Корректор М. Вигула

Заказ 4344/3 Тираж 575 Подписное

UHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий! I 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4