способ и установка образования газа из воздуха в газообразной и жидкой форме высокой гибкости методом криогенной дистилляции

Формула изобретения

1. Установка охлаждения и нагревания расхода воздуха, предназначенного для системы колонн разделения воздуха и поступающего из нее, содержащая линию обмена (7), первую турбину (21), вспомогательную турбину (27), вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха (13); причем линия обмена содержит:

I) по меньшей мере, один канал для приема первого расхода очищенного воздуха, причем, по меньшей мере, этот канал для приема первого расхода очищенного воздуха соединен с всасывающим элементом вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха;

II) по меньшей мере, один канал, соединенный с нагнетательным трубопроводом вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха, причем, по меньшей мере, этот канал, соединенный с нагнетательным трубопроводом вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха, соединен с первой турбиной;

III) по меньшей мере, два канала для приема, по меньшей мере, двух жидкостей (35, 37), которые нагреваются;

VI) по меньшей мере, один канал для приема второго расхода очищенного воздуха; причем, по меньшей мере, этот канал для приема второго расхода очищенного воздуха соединен с всасывающим элементом вспомогательной турбины, причем нагнетательный трубопровод вспомогательной турбины соединен, по меньшей мере, с одним каналом нагреваемого воздуха,

отличающаяся тем, что указанные каналы связаны таким образом, чтобы при работе температура всасывания вспомогательной турбины была выше температуры всасывания первой турбины и температура всасывания вспомогательной турбины была выше температуры всасывания вспомогательного компрессора.

2. Установка по п.1, скомпонованная таким образом, чтобы при работе температура всасывания вспомогательного компрессора (13) была ниже температуры всасывания первой турбины (21),

3. Установка по п.1 или 2, скомпонованная таким образом, чтобы при работе температура нагнетания вспомогательного компрессора (13) была выше температуры всасывания первой турбины (21),

4. Установка по п.1 или 2, скомпонованная таким образом, чтобы при работе температура нагнетания вспомогательного компрессора (13) была выше температуры нагнетания вспомогательной турбины (27).

5. Установка по п.3, скомпонованная таким образом, чтобы при работе температура нагнетания вспомогательного компрессора (13) была выше температуры нагнетания вспомогательной турбины (27).

Описание изобретения к патенту

Традиционные способы образования газа из воздуха в жидкой или газообразной форме имели различную структуру. Так, можно было найти:

- установку разделения воздуха, образующую основные компоненты (O₂, N₂, Ar) при атмосферном или слегка превышающим его давление;

- этап сжатия продуктов посредством компрессоров;

- независимый цикл ожижения азота, позволяющий произвести полностью или частично каждый из компонентов, если это необходимо, в жидкой форме.

Такое техническое решение позволяло добиться большой гибкости при практическом использовании, поскольку каждое из трех применяемых «действий» (разделение, сжатие, ожижение) могло быть выполнено или остановлено самостоятельно, не оказывая воздействия на функционирование двух других.

Однако такому техническому решению присуща недостаточная конкурентоспособность, принимая во внимание очень высокую стоимость такой конструкции, которая требует установки, соответствующей действию.

Более поздние способы образования газа из воздуха, которые мы называем комплексными способами, обладают таким преимуществом, как возможность сочетать в одном оборудовании эти три действия. Так называемые «помповые» установки, включающие циклы расширения воздуха или, возможно, азота, позволяют образовывать при помощи одного и того же оборудования компоненты воздуха в находящейся под давлением газообразной форме и жидкой форме.

Среди них особый интерес представляют способы со смещенными ступенями испарения, описание которых приведено в патенте ЕР-А-0504029, а также FR-А-2688052, поскольку они позволяют сочетать эти действия при помощи единственного воздушного компрессора при высоком давлении. Энергоэффективность комплекса сопоставима с энергоэффективностью, получаемой обычным способом, а капиталовложения существенно ниже.

И, наоборот, на гибкость производства оказывает влияние сочетание действий по принципу «три в одном», и может быть тяжелее выполнять или прекращать одно действие, не оказав влияния на весь комплекс.

Целью настоящего изобретения является получение возможности объединить экономические преимущества комплексных способов, сохранив при этом вариативность и гибкость, которые предоставляются обычными способами.

Согласно предлагаемому изобретению предусматривается способ образования, по меньшей мере, одного газа из воздуха путем криогенной дистилляции в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну среднего давления, работающую в режиме среднего давления, и одну колонну низкого давления, работающую в режиме низкого давления, термически соединенные между собой, согласно которому в соответствии с первым и вторым вариантами функционирования:

а) общий расход сжатого воздуха поддерживается при высоком давлении, по меньшей мере, на 5 бар больше давления в колонне среднего давления, и очищается при таком высоком давлении, называемом основным давлением;

b) это основное давление может меняться в зависимости от требуемой продукции;

c) первая часть расхода воздуха, по меньшей мере, находящаяся под основным давлением, охлаждается в линии обмена до ее промежуточной температуры, затем ее давление понижается, по меньшей мере, в первой турбине;

d) в известных случаях давление второй части расхода воздуха понижается, по меньшей мере, во второй турбине (21В), в которой параметры впуска и нагнетания (что касается давления и температуры) отличаются не более чем на 5 бар и не более чем на 15°C или равны аналогичным параметрам первой турбины;

e) в известных случаях работа, производимая первой или третьей турбинами, используется, по меньшей мере, частично для работы, необходимой для выполнения вспомогательным компрессором для повышения давления сжатого воздуха;

f) давление на входе в первую турбину значительно выше среднего давления и, возможно, выше основного давления;

g) давление нагнетания первой турбины выше или равно среднему давлению, предпочтительно, по существу равно среднему давлению;

h) какой-либо (определенный) вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха повышает давление, по меньшей мере, одной фракции расхода воздуха до высокого давления, превышающего или равного основному давлению воздуха, охлажденного в линии обмена до криогенной температуры (<-100°C), и направляет расход воздуха с повышенным давлением обратно в линию обмена, где, по меньшей мере, часть сжижается на холодном конце, а затем направляется в систему колонн после понижения давления;

i) жидкий продукт под давлением системы колонн испаряется в линии обмена;

и в соответствии с первым вариантом функционирования:

j) вспомогательная турбина производит всасывание газообразной фракции расхода воздуха, охлажденной в основной линии обмена;

к) давление всасывания вспомогательной турбины выше или по существу равно основному давлению, предпочтительно, выше, по меньшей мере, на 2 бара абсолютной величины или по существу равно основному давлению;

l) давление нагнетания вспомогательной турбины выше или по существу равно атмосферному давлению, предпочтительно, по существу равно низкому давлению;

m) по меньшей мере, часть расхода воздуха, давление которого понижено во вспомогательной турбине, нагрета в линии обмена;

n) часть компонентов воздуха образуется в жидкой форме, представляющей собой конечный продукт;

и в соответствии со вторым вариантом функционирования:

o) расход воздуха, обработанного во вспомогательной турбине, снижен по сравнению с расходом воздуха, обработанного во вспомогательной турбине, в соответствии с первым вариантом функционирования, в известных случаях до нуля и

p) образование жидкости в качестве конечного продукта сокращено по сравнению с образованием жидкости в качестве

конечного продукта в соответствии с первым вариантом функционирования в известных случаях до нуля.

Согласно другим объектам, которые не носят обязательного характера:

- торможение всех турбин осуществляется посредством вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха;

- по меньшей мере, один вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха, соединенный с одной из турбин, осуществляет всасывание при температуре наружного воздуха;

- из всех вспомогательных компрессоров для повышения давления сжатого воздуха только один вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха, механически сопряженный с первой турбиной, имеет температуру всасывания ниже -100°C;

- температура всасывания первой турбины отличается не более чем на 15°C от температуры псевдоиспарения кислорода;

- расход основного воздуха на входе при осуществлении второго варианта уменьшен, предпочтительно, на расход, который, по меньшей мере, равен уменьшению при осуществлении второго варианта расхода воздуха, подаваемого на вспомогательную турбину;

- изменение расхода основного воздуха обеспечивается посредством регулируемых лопаток компрессора;

- изменение расхода основного воздуха обеспечивается путем запуска и/или остановки компрессора дополнительного воздуха;

- давление основного воздуха меняется между первым вариантом и вторым вариантом;

- давление первой части воздуха повышается до давления, которое выше основного давления перед первой турбиной, таким образом, что она подается в первую турбину по существу под давлением, превышающим основное давление;

- температура всасывания вспомогательной турбины выше температуры всасывания первой турбины;

- воздух, давление которого понижено во вспомогательной турбине, выбрасывается в атмосферу.

Согласно другому объекту предлагаемого изобретения предусматривается установка охлаждения и нагревания расхода воздуха, предназначенного для и поступающего из системы колонн разделения воздуха, содержащая линию обмена, первую турбину, вспомогательную турбину, вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха; причем линия обмена содержит:

I) по меньшей мере, один канал для приема первого расхода очищенного воздуха, причем, по меньшей мере, этот канал для приема первого расхода очищенного воздуха сопряжен со вспомогательным компрессором для повышения давления сжатого воздуха;

II) по меньшей мере, один канал, соединенный с нагнетательным трубопроводом вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха; причем, по меньшей мере, этот один канал, соединенный со вспомогательным компрессором для повышения давления сжатого воздуха, соединен с первой турбиной;

III) по меньшей мере, два канала для приема, по меньшей мере, двух жидкостей (35, 37), которые нагреваются;

IV) по меньшей мере, один канал для приема второго расхода очищенного воздуха; причем, по меньшей мере, этот один канал для приема второго расхода очищенного воздуха соединен с всасывающим элементом вспомогательной турбины; причем нагнетательный трубопровод вспомогательной турбины соединен, по меньшей мере, с одним каналом нагреваемого воздуха.

Установка может компоноваться таким образом, чтобы в зависимости от действий выполнялось одно из следующих условий:

I) температура всасывания вспомогательной турбины была выше температуры всасывания первой турбины;

II) температура всасывания вспомогательной турбины была выше температуры всасывания вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха;

III) температура всасывания вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха была ниже температуры всасывания первой турбины;

IV) температура нагнетания вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха была выше температуры всасывания первой турбины;

V) температура нагнетания вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха была выше температуры нагнетания вспомогательной турбины.

В данном случае предлагается улучшить гибкость практической реализации способов, предусмотренных для типа моноустановок, описание которых приведено ранее:

- или путем предоставления возможности уменьшения и даже исключения образования жидкости установками, использующими способ, описание которого приведено в документе ЕР-А-0504029;

- или путем предоставления возможности эффективного образования жидкостей с использованием способов, описание которых приведено в документе FR-A-2688052;

- и путем предоставления возможности осуществлять или то или другое таким образом, чтобы в обоих случаях они носили обратимый характер и были энергетически эффективными.

В данном способе используется известная система дистилляции (термически соединенные колонны среднего давления и низкого давления, возможно, колонна промежуточного давления и/или смешивающая колонна, и/или колонна смеси аргона и т.д.) и задействуются, по меньшей мере, две турбины с расширением.

Два расхода воздуха находятся по существу под одинаковым давлением, их давления могут отличаться лишь на величину потери давления.

Давление газообразной фракции расхода воздуха, которая всасывается вспомогательной турбиной, предварительно понижается в первой и/или второй турбине, затем газообразная фракция расхода воздуха в случае необходимости подается в колонну среднего давления, а потом отводится из колонны среднего давления перед подачей на вспомогательную турбину после нагревания в основной линии обмена.

Согласно первому варианту функционирования образование жидкого продукта, всех окончательных продуктов вместе взятых, составляет 1% или 2%, или 5% расхода воздуха, подаваемого в колонны (или в одну колонну, если снабжение воздухом осуществляется только одной колонны среднего давления).

Далее будет приведено более детальное описание изобретения со ссылкой на чертежи, на которых изображены установки разделения воздуха, способные работать в соответствии со способом согласно изобретению.

Как это показано на фиг.1, давление расхода сжатого воздуха 1, поступающего из главного компрессора, повышается во вспомогательном компрессоре для повышения давления сжатого воздуха 3 до высокого давления, по меньшей мере, на 5 бар абсолютной величины выше давления в колонне среднего давления, причем это высокое давление называется основным давлением. Это основное давление может составлять, например, 10-25 бар абсолютной величины. Затем при таком основном давлении расход 5 очищается водой и двуокисью углерода (не показано). Общий расход очищенного воздуха с повышенным давлением 5 подается в линию обмена 7, где он охлаждается до температуры Т1. При такой температуре расход воздуха 5 разделяется на две части, в результате чего образуются расход воздуха 9, который сжижается и подается в систему колонн, и расход воздуха 11. Расход воздуха 11 выводится из линии обмена 7 при температуре Т1, которая отличается не более чем на ±5°C от температуры испарения кислорода с повышенным давлением 33, и подается в холодный вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха 13 для образования расхода воздуха 15, давление которого существенно выше среднего давления и, возможно, выше основного давления. Расход воздуха 15 при температуре Т2 на выходе из холодного вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха охлаждается в линии обмена 7 до температуры Т3, которая выше температуры Т1. При такой температуре Т3 расход воздуха 15 подразделяется на два расхода воздуха 17, 19. Давление расхода воздуха 17 понижается в турбине 21, начиная от температуры Т3, близкой к температуре псевдоиспарения кислорода с повышенным давлением 33.

Давление всасывания турбины 21 равно давлению нагнетания вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха 13 и, таким образом, существенно выше среднего давления (выше, по меньшей мере, на 5 бар) и, возможно, выше основного давления, а давление нагнетания выше или равно среднему давлению, предпочтительно, по существу равно среднему давлению. Расход воздуха, давление которого понижено до давления, которое выше или равно среднему давлению, предпочтительно, по существу равно среднему давлению, подается в систему колонн в качестве расхода воздуха 23. Расход воздуха 19 проходит свое охлаждение в линии обмена и подается в газообразном виде в систему колонн.

Холодный вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха 13 приводится в действие посредством турбины 21.

Расход остаточного азота нагревается в линии обмена.

Расход жидкого кислорода 35, повышение давления которого произведено в помпе 33, испаряется в линии обмена 7.

Может рассматриваться вариант, когда в содержащейся в системе колонн жидкости, отличной от жидкого кислорода, создается избыточное давление, она испаряется в линии обмена 7 и используется в последующем в качестве находящегося под давлением продукта.

В соответствии с первым вариантом функционирования фракция воздуха 25 отбирается в очищенном воздухе 5 при основном давлении и охлаждается в линии обмена 7. При температуре Т4, которая ниже -100°C и выше Т2, фракция 25 подается в турбину 27, где производится понижение ее давления до температуры Т5, образующей расход воздуха 29. Этот расход воздуха нагревается в линии обмена.

Жидкий продукт выводится из системы колонн в качестве окончательного продукта 32. В данном примере единственным продуктом, получаемым из установки, является жидкий кислород, однако и другие продукты могут быть, безусловно, произведены в жидкой форме.

В соответствии со вторым вариантом функционирования расход воздуха 25, обработанный во вспомогательной турбине 27, снижается, в отдельных случаях, до нуля; причем расход подаваемого основного воздуха 1 уменьшается на расход воздуха, по меньшей мере, равный уменьшению расхода воздуха, подаваемого на вспомогательную турбину 27, а образование жидкости 37 снижается в отдельных случаях до нуля.

Такое изменение расхода воздуха 1 между двумя вариантами функционирования обеспечивается регулируемыми лопатками компрессора и/или путем запуска и/или остановки компрессора дополнительного воздуха.

Эти два способа функционирования могут представлять собой единственные способы функционирования установки, хотя могут также иметься и другие варианты функционирования.

В них, согласно фиг.2, может содержаться этап сжатия (вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха 3 В) между горячим повышением давления, которое приводит воздух в состояние основного давления, и холодным повышением давления, таким образом, что холодное повышение давления осуществляется начиная от давления, которое выше основного давления.

Предпочтительно, турбина 21 приводится в движение посредством вспомогательного компрессора для повышения давления сжатого воздуха 13, а вспомогательный компрессор для повышения давления сжатого воздуха 3 приводит в движение вспомогательную турбину 27.