способ и устройство для производства сжатого продукта

Формула изобретения

1. Способ получения потока сжатого продукта, включающий этапы, на которых ректифицируют поток сырья, содержащий кислород и азот, посредством процесса криогенной ректификации с использованием основного теплообменника, имеющего пластинчато-ребристую конструкцию, и системы ректификационных колонн, функционально связанной с основным теплообменником;

подают насосом поток продукта, отведенный из системы ректификационных колонн и состоящий из жидкости, обогащенной кислородом, или жидкости, обогащенной азотом, для получения подаваемого насосом потока продукта;

нагревают, по меньшей мере, часть подаваемого насосом потока продукта в слоях основного теплообменника для получения потока сжатого продукта и нагревают или охлаждают один другой поток в упомянутых слоях; и

при этом упомянутые слои обеспечивают теплопередающую поверхность в основном теплообменнике для нагревания, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, которая уменьшается, по меньшей мере, частично, посредством обеспечения участков в слоях для нагревания или охлаждения указанного одного другого потока, причем упомянутые участки расположены в слоях так, что теплопередающая поверхность уменьшается в том месте основного теплообменника, в котором достигается температура, которая превышает критическую температуру или температуру конденсации подаваемого насосом потока продукта, причем слои основного теплообменника включают первую группу слоев и вторую группу слоев, причем каждая из первой группы слоев и второй группы слоев содержит первые секции и вторые секции;

вспомогательные потоки, состоящие из, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, вводят в первые секции первой группы слоев и второй группы слоев;

вспомогательные потоки после нагревания в первых секциях объединяют и вводят во вторые секции первой группы слоев в виде объединенных вспомогательных потоков;

объединенные вспомогательные потоки дополнительно нагревают во вторых секциях первой группы слоев;

упомянутый поток сжатого продукта образуют из объединенных вспомогательных потоков после дополнительного нагревания во вторых секциях первой группы слоев;

участки образуют посредством вторых секций второй группы слоев.

2. Способ по п.1, в котором:

по меньшей мере, один жидкий продукт получают при помощи системы ректификационных колонн; и

упомянутый один другой поток представляет собой поток хладагента, который нагревают в основном теплообменнике для увеличения производства, по меньшей мере, одного жидкого продукта.

3. Способ по п.2, в котором:

слои основного теплообменника включают первую группу слоев и вторую группу слоев, причем каждая из первой группы слоев и второй группы слоев содержит первые секции и вторые секции;

вспомогательные потоки, состоящие из, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, вводят в первые секции первой группы слоев и второй группы слоев;

вспомогательные потоки после нагревания в первых секциях объединяют и вводят во вторые секции первой группы слоев в виде объединенных вспомогательных потоков;

объединенные вспомогательные потоки дополнительно нагревают во вторых секциях первой группы слоев;

поток сжатого продукта образуют из объединенных вспомогательных потоков после дополнительного нагревания во вторых секциях первой группы слоев;

участки образуют посредством вторых секций второй группы слоев; и

вспомогательные потоки хладагента, состоящие из потока хладагента, вводят во вторые секции второй группы слоев и нагревают в них.

4. Способ по п.3, в котором поток хладагента получают в замкнутом цикле охлаждения.

5. Способ по п.4, в котором цикл охлаждения включает сжатие потока хладагента после нагревания в основном теплообменнике, дополнительное сжатие потока хладагента и затем расширение потока хладагента в турбине для образования отходящего потока, который вводят во вторую секцию второй группы слоев.

6. Способ по п.5, в котором:

поток продукта, отведенный из системы ректификационных колонн, состоит из жидкости, обогащенной кислородом; и

процесс криогенной ректификации включает:

сжатие и очистку потока сырья для получения сжатого и очищенного потока сырья;

разделение сжатого и очищенного потока сырья на первый сжатый поток и второй сжатый поток;

дополнительное сжатие первого сжатого потока, полное охлаждение первого сжатого потока в основном теплообменнике для образования потока жидкости, расширение потока жидкости и введение потока жидкости в, по меньшей мере, одну из колонны высокого давления и колонны низкого давления;

причем колонна низкого давления функционально соединена с колонной высокого давления так, что пар, обогащенный азотом, полученный в виде верхнего погона колонны высокого давления, подвергается конденсации для образования орошения для колонны высокого давления и колонны низкого давления, препятствующего испарению жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовый продукт колонны низкого давления, чтобы посредством этого образовать жидкость, обогащенную кислородом, из остаточной жидкости в колонне низкого давления, и жидкость, обогащенная кислородом, представляющая собой кубовый продукт колонны высокого давления, подвергается дополнительной очистке в колонне низкого давления;

дополнительное сжатие второго сжатого потока, частичное охлаждение второго сжатого потока в основном теплообменнике, расширение второго сжатого потока после частичного охлаждения в турбодетандере для образования отходящего потока и введение отходящего потока в колонну высокого давления;

пропускание потока пара, обогащенного азотом, представляющего собой верхний погон колонны низкого давления, и отработанного потока неочищенного азота, отведенных из колонны низкого давления, в основной теплообменник для обеспечения охлаждения потока сырья, после его сжатия и очистки, до температуры, подходящей для его ректификации; и

образование, по меньшей мере, одного жидкого продукта из, по меньшей мере, одного из оставшейся части подаваемого насосом потока жидкого кислорода или потока жидкости, обогащенной азотом, из части пара, обогащенного азотом, которая подвергается конденсации и не используется в качестве орошения.

7. Устройство для получения потока сжатого продукта, содержащее:

криогенную ректификационную установку, выполненную с возможностью ректификации потока сырья, содержащего кислород и азот;

причем криогенная ректификационная установка имеет основной теплообменник, имеющий пластинчато-ребристую конструкцию, систему ректификационных колонн, функционально соединенную с основным теплообменником, и насос;

причем насос сообщается по текучей среде с системой ректификационных колонн так, что жидкость, обогащенная кислородом, или жидкость, обогащенная азотом, образующаяся в системе ректификационных колонн, подается насосом для получения подаваемого насосом потока продукта;

причем основной теплообменник соединен с насосом и выполнен так, что, по меньшей мере, часть подаваемого насосом потока продукта подвергается нагреванию в слоях основного теплообменника для получения потока сжатого продукта и один другой поток подвергается нагреванию или охлаждению в упомянутых слоях; и

причем упомянутые слои выполнены так, что теплопередающая поверхность, предусмотренная в основном теплообменнике для нагревания, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, уменьшается, по меньшей мере, частично, посредством обеспечения участков в, по меньшей мере, части слоев для нагревания или охлаждения указанного одного другого потока, причем упомянутые участки расположены в слоях так, что теплопередающая поверхность уменьшается в том месте в основном теплообменнике, в котором достигается температура, которая превышает критическую температуру или температуру конденсации подаваемого насосом потока продукта, причем упомянутые слои содержат первую группу слоев и вторую группу слоев, каждая имеет первые секции и вторые секции;

упомянутые слои выполнены так, что вспомогательные потоки, состоящие из, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, нагреваются в первых секциях и объединяются в соединениях между первыми секциями и образуют объединенные вспомогательные потоки;

вторые секции первой группы слоев сообщаются по текучей среде с первыми секциями так, что объединенные вспомогательные потоки дополнительно нагреваются во вторых секциях и образуют упомянутый поток сжатого продукта; и

упомянутые участки представляют собой вторые секции второй группы слоев.

8. Устройство по п.7, в котором:

криогенная ректификационная установка выполнена с возможностью производства, по меньшей мере, одного жидкого продукта; и

упомянутый один другой поток представляет собой поток хладагента, который нагревается в основном теплообменнике для увеличения производства, по меньшей мере, одного жидкого продукта.

9. Устройство по п.8, в котором;

упомянутые слои содержат первую группу слоев и вторую группу слоев, каждая имеет первые секции и вторые секции;

упомянутые слои выполнены так, что вспомогательные потоки, состоящие из, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, нагреваются в первых секциях и объединяются в соединениях между первыми секциями и посредством этого образуют объединенные вспомогательные потоки;

вторые секции первой группы слоев сообщаются по текучей среде с первыми секциями так, что объединенные вспомогательные потоки дополнительно нагреваются во вторых секциях первой группы слоев и образуют поток сжатого продукта; и

упомянутые участки представляют собой вторые секции второй группа слоев; и

вспомогательные охлаждающие потоки, состоящие из охлаждающего потока, нагреваются во вторых секциях второй группы слоев.

10. Устройство по п.9, в котором криогенная ректификационная установка содержит также систему охлаждения, соединенную с основным теплообменником и выполненную с возможностью получения охлаждающего потока и циркуляции потока хладагента во вторых секциях второй группы слоев.

11. Устройство по п.11, в котором система охлаждения представляет собой замкнутый цикл охлаждения.

12. Устройство по п.11, в котором криогенная ректификационная установка включает в себя основной компрессор для сжатия потока сырья, и система охлаждения содержит клапан, выполненный с возможностью установки в открытое положение и приспособленный для приема части потока сырья после сжатия и тем самым образования охлаждающего потока из части потока сырья, чтобы обеспечить подпитку для охлаждающего потока.

13. Устройство по п.12, в котором система охлаждения содержит рециркуляционный компрессор, соединенный с основным теплообменником и сообщающийся по текучей среде со вторыми секциями первой группы слоев так, что поток хладагента после нагревания в основном теплообменнике подвергается сжатию в рециркуляционном компрессоре, дожимной компрессор для дополнительного сжатия потока хладагента и турбину, подсоединенную между дожимным компрессором и участком основного теплообменника так, что отходящий поток перемещается из турбины во вторые секции первой группы слоев.

14. Устройство по п.13, в котором:

поток продукта, отведенный из системы ректификационных колонн, состоит из жидкости, обогащенной кислородом; и

криогенная ректификационная установка содержит:

систему ректификационных колонн, включающую в себя колонну низкого давления, функционально соединенную с колонной высокого давления так, что пар, обогащенный азотом, получаемый в виде верхнего погона колонны высокого давления, подвергается конденсации для образования орошения для колонны высокого давления и колонны низкого давления, препятствующего испарению жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовый продукт колонны низкого давления, чтобы тем самым образовать жидкость, обогащенную кислородом, из остаточной жидкости в колонне низкого давления, а жидкость, обогащенная кислородом, представляющая собой кубовый продукт колонны высокого давления, подвергаются дополнительной очистке в колонне низкого давления;

основной компрессор, соединенный с блоком очистки с возможностью сжатия и очистки потока сырья для получения сжатого и очищенного потока сырья;

дожимной компрессор, сообщающийся по текучей среде с блоком очистки, для дополнительного сжатия первого сжатого потока, образованного из другой части сжатого и очищенного потока сырья;

причем основной теплообменник сообщается по текучей среде с дожимным компрессором и выполнен с возможностью для образования потока жидкости, причем к основному теплообменнику подсоединено расширительное устройство для расширения потока жидкости, при этом, по меньшей мере, одна из колонны высокого давления и колонны низкого давления сообщается по текучей среде с расширительным устройством для приема потока жидкости;

другой дожимной нагруженный турбинный узел, соединенный с основным теплообменником, сообщающийся по текучей среде с блоком очистки так, что второй сжатый поток, образованный из другой части сжатого и очищенного потока сырья, подвергается дополнительному сжатию, частичному охлаждению в основном теплообменнике и расширению в турбодетандере для образования отходящего потока, при этом турбодетандер сообщается по текучей среде с колонной высокого давления так, что отходящий поток поступает в колонну высокого давления;

причем основной теплообменник сообщается также по текучей среде с колонной низкого давления и выполнен так, что поток верхнего погона колонны низкого давления и отработанный поток неочищенного азота проходят из колонны низкого давления в основной теплообменник и протекают между ее холодным и теплым концами, чтобы обеспечить охлаждение потока сырья после сжатия до температуры, пригодной для его ректификации; и

по меньшей мере, одно выходное отверстие для выпуска, по меньшей мере, одного жидкого продукта из, по меньшей мере, одного из другой части подаваемого насосом потока жидкого кислорода и части потока жидкости, обогащенной азотом, получаемых в системе ректификационных колонн.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения потока сжатого продукта посредством криогенной ректификации, в которых поток продукта образуется из потока подаваемого насосом продукта, состоящего из жидкости, обогащенной кислородом или обогащенной азотом, который подвергается нагреванию в основном теплообменнике, используемом в связи с криогенной ректификацией. Более конкретно, настоящее изобретение относится к таким способу и устройству, в которых подаваемый насосом продукт подвергается нагреванию в слоях основного теплообменника, которые выполнены с возможностью не только нагревания подаваемого насосом жидкого продукта, но и нагревания или охлаждения другого потока.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Кислород отделяют от кислородсодержащего сырья, такого как воздух, посредством криогенной ректификации. При криогенной ректификации сырье сжимают, если оно не получено в сжатом состоянии, очищают от примесей и затем охлаждают в основном теплообменнике до температуры, пригодной для его ректификации. Затем охлажденное сырье вводят в систему ректификационных колонн, содержащую колонны высокого и низкого давления, в которых азот отделяют от кислорода для получения потоков продуктов, обогащенных кислородом и азотом, которые нагреваются в основном теплообменнике, чтобы обеспечить охлаждение поступающего сырья. Как известно в данной области техники, может быть также предусмотрена аргоновая колонна, которая принимает из колонны низкого давления поток, обогащенный аргоном, и отделяет аргон от кислорода, чтобы получить продукт, содержащий аргон.

Кислород, который отделен от сырья, может быть получен в виде жидкого продукта, который может быть образован в колонне низкого давления в виде обогащенного кислородом жидкого кубового продукта. Кроме того, жидкий продукт может быть получен из части жидкости, обогащенной азотом, используемой при орошении колонн. Как известно в данной области техники, кислород как жидкий продукт может быть подан насосом и затем частично получен в виде сжатого жидкого продукта, а также подвергнут нагреванию в основном теплообменнике для получения кислорода-продукта в виде пара или в виде сверхкритической текучей среды в зависимости от степени, до которой кислород подвергается сжатию при подаче насосом. Жидкий азот может быть также подан насосом и получен в виде одного из сжатого жидкого продукта, пара высокого давления или сверхкритической текучей среды. Для нагревания кислородсодержащего потока в основном теплообменнике часть сырья может быть дополнительно подвергнута сжатию, охлаждению и расширению в жидкость. Жидкость может быть введена в любую из двух или обе из колонн высокого и низкого давления.

Для того чтобы эксплуатировать криогенную ректификационную установку, ректификация должна быть выполнена с возможностью компенсации утечки тепла в окружающую среду, теплообменных потерь в теплом конце и обеспечения производства жидких продуктов. Охлаждение обычно обеспечивается посредством расширения части воздуха или отработанного потока из колонны низкого давления в турбодетандере для образования холодного отходящего потока. Затем холодный отходящий поток вводят в ректификационную колонну или основной теплообменник. Внешнее охлаждение может быть также обеспечено посредством потоков хладагента, вводимых в основной теплообменник. Охлаждение может быть также обеспечено посредством замкнутых циклов внешнего охлаждения.

Основной теплообменник обычно образован посредством паяной алюминиевой пластинчато-ребристой конструкции. В таком теплообменнике слои, содержащие ребра, расположенные между раздельными листами, образуют каналы для косвенного теплообмена между входящими потоками и орошениями, создаваемыми в ректификационных колоннах. Например, предусмотрены слои для косвенного теплообмена между потоком жидкости, обогащенной кислородом, который подается насосом, и частью потока сырья, подвергнутого сжатию посредством дожимного компрессора. Основной теплообменник может быть образован из нескольких таких блоков и может быть также разделен на теплообменники высокого давления для нагревания подаваемого насосом потока, обогащенного кислородом, и теплообменники низкого давления для охлаждения оставшейся части поступающего сырья. В любом случае стоимость таких теплообменников составляет основную часть стоимости криогенной ректификационной установки, и стоимость конкретного теплообменника обычно зависит от его объема.

Когда воздух подвергается расширению для обеспечения охлаждения, часть воздуха после сжатия и очистки дополнительно сжимают в дожимном компрессоре, частично охлаждают в основном теплообменнике и затем расширяют в турбодетандере, соединенном с дожимным компрессором. Данное устройство известно в данной области техники как дожимной компрессор, нагруженный турбиной. В любом случае, поскольку воздух частично нагревают до температуры, находящейся в пределах между температурами теплого и холодного концов основного теплообменника, участки слоев остаются доступными для использования в других теплообменных режимах. В установке для подаваемого насосом жидкого кислорода данные участки могут быть использованы в охлаждающейся части потока воздуха или сырья, которая предусмотрена для нагревания подаваемого насосом жидкого кислорода. Это, конечно, уменьшает размеры и стоимость основного теплообменника, которые были бы иными, если бы данные участки слоев оставались неиспользованными.

Как будет описано, настоящее изобретение обеспечивает способ получения кислорода-продукта посредством криогенной ректификации или устройство для осуществления криогенной ректификации с целью получения кислорода при высоком давлении, в котором основной теплообменник может быть изготовлен либо более компактным по сравнению с теплообменником, предусмотренным в известном уровне техники, либо, в качестве альтернативы, при заданном размере теплообменника, могут быть обеспечены более высокие объемные расходы при косвенном теплообмене. Кроме того, такой теплообменник может быть выполнен с возможностью приема внешнего потока хладагента для увеличения производства жидких продуктов, если данные продукты производятся установкой.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в одном аспекте обеспечивает способ получения потока сжатого продукта. В соответствии с таким способом поток сырья, содержащего кислород и азот, подвергается ректификации посредством процесса криогенной ректификации с использованием основного теплообменника, имеющего пластинчато-ребристую конструкцию, и системы ректификационных колонн, функционально соединенных с основным теплообменником. Поток продукта, выпускаемый из системы ректификационных колонн и состоящий из жидкости, обогащенной кислородом, и жидкости, обогащенной азотом, подают насосом для получения подаваемого насосом потока продукта. По меньшей мере, часть подаваемого насосом потока продукта подвергается нагреванию в слоях основного теплообменника для получения потока сжатого продукта, при этом один другой поток подвергается нагреванию или охлаждению в таких слоях. Слои образуют теплопередающую поверхность в основном теплообменнике для нагревания, по меньшей мере, части подаваемого насосом потока продукта, которая уменьшается, по меньшей мере частично, посредством обеспечения участков в слоях для нагревания или охлаждения одного другого потока. Данные участки расположены в слоях так, что теплопередающая поверхность уменьшается в том месте основного теплообменника, в котором достигается температура в основном теплообменнике, которая превышает критическую или температуру конденсации подаваемого насосом потока продукта.

Необходимо отметить, что хотя формула изобретения относится к способу получения потока сжатого продукта, это не означает, что настоящее изобретение ограничено способом криогенной ректификации или установкой, использующей такой способ, в которой получают только один поток сжатого продукта, и что данный способ может быть использован для получения потока продукта, обогащенного азотом, или потока продукта, обогащенного кислородом, или обоих потоков одновременно. Кроме того, термин «основной теплообменник», используемый в данном описании и в формуле изобретения, включает в себя одно из таких устройств или несколько таких устройств, соединенных параллельно. Принцип, по которому работает настоящее изобретение, заключается в том, что требуется больше тепла для нагревания подаваемого насосом потока жидкого кислорода до его критической температуры, если требуется сверхкритическая текучая среда, или до температуры конденсации, если требуется парообразный продукт, чтобы затем нагревать любой из таких потоков до температуры на теплом конце основного теплообменника. Однако в известном уровне техники слои в основном теплообменнике, которые используются для нагревания подаваемого насосом потока жидкого кислорода, выполнены с возможностью нагревания его вспомогательных потоков от температуры на холодном конце подаваемого насосом потока жидкого кислорода до температуры на теплом конце основного теплообменника. Таким образом, не вся теплопередающая поверхность, обеспечиваемая слоями в таком теплообменнике известного уровня техники, используется эффективно, поскольку существует второстепенная теплопередающая нагрузка при нагревании вспомогательных потоков от критической температуры или температуры конденсации до температуры окружающей среды. Тогда как в настоящем изобретении, когда критическая температура или температура конденсации превышена, вспомогательные потоки объединяются, оставляя участки в слоях, которые могут быть использованы для нагревания или охлаждения другого потока. Таким образом, основной теплообменник может быть выполнен более компактным по сравнению с теплообменниками известного уровня техники, обеспечивая значительную экономию в стоимости приобретения такого теплообменника. Кроме того, как будет описано, существуют другие предпочтительные операции, которые становятся доступными благодаря такой конструкции в связи с производством жидких продуктов.

Слои основного теплообменника могут включать первую группу слоев и вторую группу слоев, причем каждая из первой группы слоев и второй группы слоев содержит первые секции и вторые секции. Вспомогательные потоки, состоящие, по меньшей мере, из части подаваемого насосом потока продукта, вводят в первые секции первой группы слоев и второй группы слоев. Вспомогательные потоки после нагревания в первых секциях объединяют и вводят во вторые секции первой группы слоев в виде объединенных вспомогательных потоков. Объединенные вспомогательные потоки дополнительно нагревают во вторых секциях первой группы слоев, и из объединенных вспомогательных потоков после дополнительного нагревания во вторых секциях первой группы слоев получают поток сжатого продукта. Участки для нагревания или охлаждения одного другого потока, связанного с процессом криогенной дистилляции, образуются посредством вторых секций второй группы слоев.

По меньшей мере, один жидкий продукт может быть получен посредством системы ректификационных колонн, и один другой поток представляет собой поток хладагента, который подвергается нагреванию в основном теплообменнике для увеличения производства, по меньшей мере, одного жидкого продукта. В таком варианте осуществления вспомогательные потоки хладагента, состоящие из потока хладагента, вводят в и подвергают нагреванию во вторых секциях второй группы слоев. Охлаждающий поток может быть получен в замкнутом цикле охлаждения. Такой цикл может включать сжатие потока хладагента после нагревания в основном теплообменнике, дополнительное сжатие потока хладагента и затем расширение потока хладагента в турбине для образования отходящего потока, который вводят во вторую секцию второй группы слоев.

Поток продукта, отводимый из ректификационной колонны, может состоять из жидкости, обогащенной кислородом. Процесс криогенной ректификации может включать сжатие и очистку потока сырья для получения сжатого и очищенного потока сырья. Сжатый и очищенный поток сырья разделяют на первый сжатый поток и второй сжатый поток. Первый сжатый поток подвергается дополнительному сжатию и затем полному охлаждению в основном теплообменнике для образования жидкого потока. При этом термин «полностью охлажденный», используемый в данном описании и в формуле изобретения, означает охлажденный до температуры на холодном конце основного теплообменника. Жидкий поток может быть расширен и введен в, по меньшей мере, одну из колонны высокого давления и колонны низкого давления. Колонна низкого давления функционально соединена с колонной высокого давления так, что пар, обогащенный азотом, образующийся как верхний погон колонны высокого давления, конденсируется, обеспечивая орошение для колонны высокого давления и колонны низкого давления, препятствующего испарению жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовый продукт колонны низкого давления. При этом из остаточной жидкости в колонне низкого давления и жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовый продукт колонны высокого давления, образуется жидкость, обогащенная кислородом, которая подвергается дополнительной очистке в колонне низкого давления. Второй сжатый поток подвергается дополнительному сжатию, частичному охлаждению в основном теплообменнике и расширению в турбодетандере для образования отходящего потока. При этом термин «частично охлажденный» означает охлажденный до температуры, которая находится в пределах между температурами на теплом и холодном концах основного теплообменника. Отходящий поток вводят в колонну высокого давления. Верхний погон колонны низкого давления, представляющий собой пар, обогащенный азотом, и отработанный поток неочищенного азота, выпускаемые из колонны низкого давления, пропускают в основной теплообменник для обеспечения охлаждения потока сырья после его сжатия и очистки до температуры, пригодной для его ректификации. По меньшей мере, один жидкий продукт образуется из, по меньшей мере, одного из оставшейся части подаваемого насосом потока жидкого кислорода или потока жидкости, обогащенной азотом, который образуется из части пара, обогащенного азотом, который конденсируется и не используется в качестве орошения.

В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает устройство для получения потока сжатого продукта. В соответствии с данным аспектом настоящего изобретения создана криогенная ректификационная установка, которая выполнена с возможностью выделения кислорода из потока сырья, содержащего кислород и азот. Криогенная ректификационная установка содержит основной теплообменник, имеющий пластинчато-ребристую конструкцию, систему ректификационных колонн, функционально соединенную с основным теплообменником, и насос. Насос соединен по текучей среде с системой ректификационных колонн так, что жидкость, обогащенная кислородом, или жидкость, обогащенная азотом, образующаяся в системе ректификационных колонн, подается насосом для получения подаваемого насосом потока продукта. Основной теплообменник соединен с насосом и выполнен так, что, по меньшей мере, часть подаваемого насосом потока продукта подвергается нагреванию в слоях основного теплообменника для получения потока сжатого продукта и один другой поток подвергается нагреванию или охлаждению в упомянутых слоях. Слои выполнены так, что теплопередающая поверхность, предусмотренная в основном теплообменнике для нагревания, по меньшей мере части подаваемого насосом потока продукта, уменьшается, по меньшей мере, частично, посредством обеспечения участков в, по меньшей мере, части слоев для нагревания или охлаждения одного другого потока. Данные участки расположены в слоях так, что теплопередающая поверхность уменьшается в том месте в основном теплообменнике, в котором достигается температура, которая превышает критическую температуру или температуру конденсации подаваемого насосом потока продукта.

Упомянутые слои могут содержать первую группу слоев и вторую группу слоев, каждая содержащая первые секции и вторые секции. Такие слои выполнены так, что вспомогательные потоки, состоящие из, по меньшей мере, части подаваемого насосом продукта, нагреваются в первых секциях и объединяются в соединениях между первыми секциями и образуют объединенные вспомогательные потоки. Вторые секции первой группы слоев сообщаются по текучей среде с первыми секциями так, что объединенные вспомогательные потоки дополнительно нагреваются во вторых секциях и образуют поток сжатого продукта. Упомянутые участки представляют собой вторые секции второй группы слоев.

Криогенная ректификационная установка может быть выполнена с возможностью производства, по меньшей мере, одного жидкого продукта, и один другой поток представляет собой охлаждающий поток, который нагревается в основном теплообменнике для увеличения производства, по меньшей мере, одного жидкого продукта. В таком варианте осуществления вспомогательные охлаждающие потоки, состоящие из охлаждающего потока, нагреваются во вторых секциях второй группы слоев.

Криогенная ректификационная установка может также содержать систему охлаждения, соединенную с теплообменником и выполненную с возможностью образования охлаждающего потока и циркуляции потока хладагента во вторых секциях первой группы слоев. Система охлаждения может включать замкнутый цикл охлаждения. Кроме того, криогенная ректификационная установка может включать основной компрессор для сжатия потока сырья, и система охлаждения может содержать клапан, выполненный с возможностью установки в открытое положение и приспособленный для приема части потока сырья после сжатия. В таком варианте осуществления охлаждающий поток образуется из части потока сырья, которая таким образом служит в качестве подпитки для охлаждающего потока. Система охлаждения может содержать рециркуляционный компрессор, соединенный с основным теплообменником и сообщающийся по текучей среде со вторыми секциями первой группы слоев так, что поток хладагента после нагревания в основном теплообменнике подвергается сжатию в рециркуляционном компрессоре, дожимной компрессор дополнительно сжимает поток хладагента, и турбина подсоединена между дожимным компрессором и участком основного теплообменника так, что отходящий поток вытекает из дожимного компрессора во вторые секции первой группы слоев.

Поток продукта, отводимый из системы ректификационных колонн, может состоять из жидкости, обогащенной кислородом. Криогенная ректификационная установка может содержать систему ректификационных колонн, включающую в себя колонную низкого давления, функционально соединенную с колонной высокого давления так, что пар, обогащенный азотом, образующийся в виде верхнего погона колонны высокого давления, конденсируется, образуя орошение для колонны высокого давления и колонны низкого давления препятствующее испарению жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовый продукт колонны низкого давления. В таком случае жидкость, обогащенная кислородом, образуется из остаточной жидкости в колонне низкого давления, а обогащенная кислородом жидкость, представляющая собой кубовый продукт колонны высокого давления, подвергается дополнительной очистке в колонне низкого давления.

Основной компрессор соединен с блоком очистки для сжатия и очистки потока сырья для получения сжатого и очищенного потока сырья. Дожимной компрессор сообщается по текучей среде с блоком очистки для дополнительного сжатия первого потока, образуемого из другой части сжатого и очищенного потока сырья. Основной теплообменник сообщается по текучей среде с дожимным компрессором и выполнен также с возможностью образования потока жидкости. Расширительное устройство соединено с основным теплообменником для расширения потока жидкости. По меньшей мере, одна из колонны высокого давления и колонны низкого давления сообщается по текучей среде с расширительным устройством с возможностью приема потока жидкости. Другой дожимной нагруженный турбинный блок соединен с основным теплообменником в сообщении по текучей среде с блоком очистки так, что второй сжатый поток, образуемый из другой части сжатого и очищенного потока сырья, подвергается дополнительному сжатию, частичному охлаждению в основном теплообменнике и расширению в турбодетандере для образования отходящего потока. Турбодетандер сообщается по текучей среде с колонной высокого давления так, что отходящий поток входит в колонну высокого давления. Основной теплообменник сообщается также по текучей среде с колонной низкого давления и выполнен так, что верхний погон колонны низкого давления и отработанный поток неочищенного азота проходят из колонны низкого давления в основной теплообменник и перемещаются между его холодным концом и теплым концами, чтобы обеспечить охлаждение потока сырья после сжатия до температуры, пригодной для его ректификации. Предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для выпуска, по меньшей мере, одного жидкого продукта из, по меньшей мере, одного из другой части подаваемого насосом потока жидкого кислорода и части потока жидкости, обогащенной азотом, образуемых в системе ректификационных колонн.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Хотя настоящее изобретение завершается формулой, отчетливо указывающей объект патентования, который заявители рассматривают как свое изобретение, предполагается, что изобретение будет лучше понято при рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, из которых:

Фиг.1 представляет собой технологическую схему криогенной ректификационной установки для осуществления способа настоящего изобретения, в которой используется замкнутый цикл охлаждения для увеличения производства жидкости;

Фиг.2 представляет собой вид сбоку теплообменника, используемого в криогенной ректификационной установке, показанной на фиг.1;

Фиг.3 представляет собой вид в разрезе в соответствии с фиг.2, показывающий один тип слоя, включенного в теплообменник, показанный на фиг.2;

Фиг.4 представляет собой вид в разрезе в соответствии с фиг.2, показывающий другой тип слоя, включенного в теплообменник, показанный на фиг.2, и также функционально соединенного со слоем, показанным на фиг.3;

Фиг.5 представляет собой увеличенный вид в разрезе перераспределительного ребра, используемого в слое, показанном на фиг.4;

Фиг.6 представляет собой увеличенный вид в разрезе перераспределительного ребра, используемого в слое, показанном на фиг.3;

Фиг.7 представляет собой альтернативный вариант осуществления слоя основного теплообменника, используемого в криогенной ректификационной установке, показанной на фиг.1, который служит для нагревания подаваемого насосом жидкого кислорода, а также для нагревания или охлаждения одного другого потока, такого как поток хладагента; и

Фиг.8 представляет собой альтернативный вариант осуществления криогенной ректификационной установки, показанной на фиг.1, в которой один другой поток, связанный с установкой, подвергается охлаждению в слое основного теплообменника, который также используется при нагревании подаваемого насосом потока жидкого кислорода.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Со ссылкой на фиг.1 показана криогенная воздухоразделительная установка 1, которая объединена с замкнутой системой 2 охлаждения, описанной ниже, для увеличения производства жидких продуктов. Данное объединение осуществляется посредством использования теплообменника 3, который содержит слои, которые позволяют вспомогательным потокам подаваемого насосом жидкого кислорода достигать температуры, которая превышает либо температуру конденсации, либо критическую температуру подаваемого насосом жидкого кислорода, и затем объединять такие вспомогательные потоки, чтобы оставлять участки слоев доступными для нагревания потока хладагента, получаемого в замкнутом цикле охлаждения. Однако понятно, что объединение воздухоразделительной установки 1 с замкнутой системой 2 охлаждения является только одним применением настоящего изобретения.

Что касается воздухоразделительной установки 1, поток 10 воздуха вводят в криогенную воздухоразделительную установку 1 для отделения кислорода от азота. Поток 10 воздуха подвергается сжатию в первом компрессоре 12 до давления, которое может находиться в пределах от примерно 5 бар(а) до примерно 15 бар(а). Компрессор 12 может представлять собой компрессор со встроенным редуктором с промежуточным охлаждением с удалением конденсата, которое не показано. Необходимо отметить, что в некоторых конструкциях поток 10 воздуха может быть получен под давлением или может представлять собой воздух, отбираемый от компрессора или какого-либо другого источника потока, содержащего кислород и азот.

После сжатия получаемый в результате сжатый поток 14 сырья вводят в блок 16 предварительной очистки. Блок 16 предварительной очистки, который хорошо известен в данной области техники, обычно содержит слои оксида алюминия и/или молекулярное сито, работающее в соответствии с циклом адсорбции при переменной температуре и/или давлении, при котором влага и другие высококипящие примеси адсорбируют. Кроме того, как известно в данной области техники, такие высококипящие примеси обычно представляют собой углекислый газ, водяные пары и углеводороды. Пока один слой работает, другой слой восстанавливается. Могут быть использованы другие процессы, например непосредственное контактное охлаждение водой, замораживание на основе охлаждения, непосредственный контакт с замороженной водой и фазовое разделение.

Затем полученный в результате сжатый и очищенный поток 18 сырья разделяют на поток 20 и поток 22. Обычно поток 20 составляет от примерно 25% до примерно 35% по объему сжатого и очищенного потока 18 сырья, и, как показано, оставшаяся часть представляет собой поток 22.

Затем поток 20 подвергается дополнительному сжатию в компрессоре 23, который также может представлять собой компрессор со встроенным редуктором с промежуточным охлаждением. Второй компрессор 23 сжимает поток 20 до давления, находящегося в пределах от примерно 25 бар(а) до примерно 70 бар(а), для получения первого сжатого потока 24. Затем первый сжатый поток 24 вводят в основной теплообменник 3, где он подвергается охлаждению и сжижению на холодном конце основного теплообменника 3 для получения потока 25 жидкости.

Поток 22 подвергается дополнительному сжатию посредством дожимного компрессора 26, нагруженного турбиной, и дополнительному сжатию посредством второго дожимного компрессора 28 до давления, которое может находиться в пределах от примерно 20 бар(а) до примерно 60 бар(а) для получения второго сжатого потока 30. Затем второй сжатый поток 30 вводят в основной теплообменник 3, в котором он подвергается частичному охлаждению до температуры, находящейся в пределах от примерно 160 К до примерно 220 К для образования частично охлажденного потока 31, который затем вводят в турбодетандер 32 для получения отходящего потока 34, который вводят в воздухоразделительный блок 50. Как может быть понятно, сжатие потока 22 может происходить в одной компрессорной машине. Как показано, турбодетандер 32 соединен с первым дожимным компрессором 26 либо непосредственно, либо посредством соответствующего редуктора. Однако турбодетандер может быть также соединен с генератором для генерирования электроэнергии, которая может быть использована на месте или направлена в электрическую сеть.

Поток 25 жидкости, полученный в результате охлаждения первого сжатого потока 24 в основном теплообменнике 3, подвергается частичному расширению в расширительном клапане 45 и разделяется на потоки 46 и 48 жидкости для последующего введения в воздухоразделительный блок 50. Вместо расширительного клапана 45 может быть использован расширитель жидкости для обеспечения частичного охлаждения.

Вышеупомянутые элементы потока 10 сырья, кислород и азот, разделяются в воздухоразделительном блоке 50, который состоит из колонны 52 высокого давления и колонны 54 низкого давления. Понятно, что если необходимым продуктом является аргон, то в блок 50 ректификационных колонн может быть включена аргоновая колонна. Колонна 54 низкого давления обычно работает при давлении в пределах от примерно 1,1 бар(а) до примерно 1,5 бар(а).

Колонна 52 высокого давления и колонна 54 низкого давления соединены с возможностью передачи тепла таким образом, что пар, обогащенный азотом, представляющий собой верхний погон колонны, выпускаемый из верхней части колонны 52 высокого давления в виде потока 56, конденсируется в конденсаторе-испарителе 57, расположенном в нижней части колонны 54 низкого давления, препятствуя закипанию жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовой продукт 58 колонны. Закипание жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовой продукт 58 колонны, инициирует образование восходящей паровой фазы в колонне 54 низкого давления. Конденсация создает жидкий поток 60, содержащий азот, который разделяется на потоки 62 и 64, которые орошают соответственно колонну 52 высокого давления и колонну 54 низкого давления с возможностью инициирования образования нисходящих жидких фаз в таких колоннах.

Отходящий поток 34 вводят в колонну 52 высокого давления вместе с потоком 46 жидкости для ректификации посредством контактирования восходящей паровой фазы такой смеси в массообменных контактирующих элементах 66 и 68 с нисходящей жидкой фазой, которая инициирована орошающим потоком 62. При этом образуется неочищенный жидкий кислород, представляющий собой кубовый продукт 70, также называемый технологической жидкостью, и обогащенный азотом верхний погон колонны, который был описан ранее. Поток 72 неочищенного жидкого кислорода, представляющего собой кубовый продукт 70 колонны, расширяют в расширительном клапане 74 до давления в колонне 54 низкого давления и вводят в такую колонну для дополнительной очистки. Второй поток 48 жидкости пропускают через расширительный клапан 76, расширяют до давления в колонне 54 низкого давления и затем вводят в колонну 54 низкого давления.

Колонна 54 низкого давления содержит массообменные контактирующие элементы 78, 80, 82 и 84, которые могут представлять собой поддоны или структурированный насадочный материал или неупорядоченный насадочный материал или другие известные в данной области техники элементы. Как указано выше, при разделении образуется жидкость, обогащенная кислородом, представляющая собой кубовый продукт 58 колонны и пар, обогащенным азотом, представляющий собой верхний погон колонны, который отводят в виде потока 86 азота-продукта. Кроме того, отработанный поток 88 также отводят для регулирования чистоты потока 86 азота-продукта. Как поток 86 азота-продукта, так и отработанный поток 88 пропускают через блок 90 переохлаждения. Блок 90 переохлаждения переохлаждает орошающий поток 64. Часть орошающего потока 64 в виде потока 92 по желанию может быть выпущена в виде жидкого продукта, при этом оставшаяся часть 93 может быть введена в колонну 54 низкого давления после снижения давления в расширительном клапане 94.

После прохождения через блок 90 переохлаждения поток 86 азота-продукта и отработанный поток 88 подвергают полному нагреванию в основном теплообменнике 3 для получения нагретого потока 95 азота-продукта и нагретого отработанного потока 96. Нагретый отработанный поток 96 может быть использован для регенерации адсорбентов в блоке 16 предварительной очистки. Кроме того, из нижней части колонны 54 низкого давления отводят поток 98 жидкости, обогащенной кислородом, который состоит из жидкости, обогащенной кислородом, представляющей собой кубовый продукт колонны. Поток 98 жидкости, обогащенной кислородом, может быть подан насосом 99 для получения подаваемого насосом продукта, показанного посредством подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода. Часть подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода может быть по желанию отведена в виде потока 102 жидкого кислорода-продукта. Оставшаяся часть 104 может быть подвергнута полному нагреванию в основном теплообменнике 3 и испарению для получения потока сжатого продукта в виде потока 106 кислорода-продукта под давлением и в порядке, который будет описан ниже.

Необходимо отметить, что хотя первая воздухоразделительная установка 1 показана как содержащая колонны высокого и низкого давления, соединенные с возможностью передачи тепла посредством использования конденсатора-испарителя 57, возможны другие типы установок. Например, могут быть использованы установки для получения кислорода низкой чистоты в соответствии с настоящим изобретением. В таких установках колонны высокого и низкого давления соединены с возможностью передачи скрытой теплоты, как показано на фиг.1. Предпочтительно самое слабое повторное кипение колонны низкого давления обычно обеспечивается посредством конденсации или частичной конденсации потока сжатого воздуха, который затем подают в колонну высокого давления.

Как отмечено в приведенном выше описании, воздухоразделительная установка 1 способна производить жидкие продукты, а именно жидкость, обогащенную азотом, в виде потока 92 и поток 102 жидкого кислорода-продукта. Для того чтобы увеличить производство таких продуктов, дополнительное охлаждение обеспечивается системой охлаждения, которая показана в виде замкнутой системы 2 охлаждения, в которой в качестве хладагента используется воздух. При этом часть сжатого и очищенного потока 18 сырья в виде потока 110 используется для заполнения замкнутой системы 2 охлаждения посредством открытия клапана 112. После заполнения клапан 112 возвращают в закрытое положение. Рециркулирующий поток 114а под давлением, находящимся в пределах от примерно 4 бар до примерно 11 бар, и после нагревания в основном теплообменнике 3 подвергается сжатию в рециркуляционном компрессоре 116 и затем подается в дожимной компрессор 118 и турбодетандер 112, который предпочтительно, как показано, соединен с дожимным компрессором 118. После удаления теплоты сжатия в доохладителе 120 полученный в результате сжатый поток 122 хладагента подают в турбодетандер 112 под давлением, находящимся в пределах примерно 35-75 бар, для получения отходящего потока, состоящего из потока 114b холодного хладагента, который подают в основной теплообменник 3 под давлением немного выше давления рециркулирующего потока 114а.

Как может быть понятно, степень, до которой обеспечивается охлаждение до основного теплообменника 3, можно регулировать обычно посредством регулирования подвода мощности в компрессор 116. В частности, для того чтобы обеспечить эффективность сжатия в широком рабочем диапазоне, вместе с компрессорами 116 и 118 могут быть использованы входные направляющие лопатки. В качестве альтернативы замкнутая система 2 охлаждения может быть включена, когда требуется больше жидкого продукта, и выключена, когда такое увеличенное производство не требуется. Хотя на фиг.1 это не показано, в тех случаях, когда требуется увеличенная фракция газообразного кислорода (уменьшенная фракция жидкого кислорода-продукта), могут быть предусмотрены дополнительные клапаны и трубы, чтобы обеспечить возможность использования участков слоев, используемых в основном теплообменнике 3, которые используются при нагревании потока 114b холодного хладагента, в качестве альтернативы, при нагревании газообразного кислорода или при охлаждении второго сжатого потока 22 после сжатия в компрессоре 28.

Необходимо отметить, что вместо хладагента замкнутого цикла 3 в основной теплообменник 3 могут быть введены другие потоки хладагента, такие как потоки жидкого криогенного вещества, например жидкого азота, получаемого из хранилищ в отдельной зоне. Другой возможностью является использование всего или части потока 95 азота-продукта в качестве хладагента. Если требуется сжатый азот-продукт, то вместо рециркуляционного компрессора 116 можно использовать компрессор для азота, и цикл охлаждения будет незамкнутым. Другой возможностью является объединение рециркуляционного компрессора 116 и дожимного компрессора 118 с дожимным компрессором 28 и дожимным компрессором 23. Кроме того, возможны циклы охлаждения, способные создавать низкотемпературные хладагенты, такие как известные циклы охлаждения газовых смесей, в которых используются хладагенты, совместимые с кислородом. Если в качестве рабочей текучей среды используется азот, то вместо доохладителя 120, который в случае воздуха будет использовать воду, может быть использован промышленный низкотемпературный хладагент, такой как аммиак или R134a. Кроме того, перед расширением в турбодетандере 112 сжатый поток 122 хладагента может быть подвергнут дополнительному охлаждению в основном теплообменнике 3. Такое дополнительное предварительное охлаждение может быть использовано в дополнение к или вместо доохладителя 120. В качестве альтернативы доохладитель 120 может быть включен в основной теплообменник 3.

Как очевидно из чертежа, оставшуюся часть 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода разделяют на первый и второй вспомогательные потоки 104а и 104b. Хотя показаны только два таких первый и второй вспомогательные потоки 104а и 104b, может быть предусмотрен ряд таких потоков, которые подаются в слои основного теплообменника 3. Подаваемый насосом поток 100 жидкого кислорода может быть подвергнут сжатию до давления выше или ниже критического давления, так что поток 106 кислорода-продукта, выпускаемый из теплообменника 3, будет представлять собой сверхкритическую текучую среду. В качестве альтернативы давление подаваемого насосом потока жидкого кислорода может быть снижено для получения потока 106 кислорода-продукта в виде пара. В случае сверхкритической текучей среды достигается температура, при которой оставшаяся часть 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода достигает критической температуры. В случае пара достигается температура в основном теплообменнике 3, при которой оставшаяся часть 104 достигает своей температуры конденсации. Как может быть понятно специалистам в данной области техники, тепло, которое должно быть добавлено при повышении температуры оставшейся части 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода до либо критической температуры, либо температуры конденсации, больше, чем тепло, которое требуется при дополнительном нагревании такого потока до температуры, равной или примерно равной температуре окружающего воздуха на теплом конце основного теплообменника 3. Таким образом, когда температура обоих - первого и второго вспомогательных потоков 104а и 104b превышает критическую температуру в случае создания сверхкритического давления, или температуру конденсации в случае создания давления, которое не достигает сверхкритического, такие потоки могут нагреваться от таких температур до температуры теплого конца основного теплообменника 3 в теплопередающей поверхности, которая меньше, чем теплопередающая поверхность, требующаяся для получения таких температур в первом случае. Поскольку общая теплопередающая поверхность, которая обеспечивается слоями, которые предназначены для нагревания подаваемого насосом жидкого кислорода, может быть уменьшена, участки слоев могут быть высвобождены для других целей, а именно для нагревания потока 114b холодного хладагента в оставшихся участках таких слоев. В результате нагревания потока 114b холодного хладагента в данных слоях обеспечивается дополнительное охлаждение воздухоразделительной установки 1 для увеличения производства жидких продуктов. При этом, однако, основной теплообменник не увеличивается за счет использования большего количества слоев для размещения потока 114b холодного хладагента, и средства, которые могли бы быть затрачены на изготовление увеличенного основного теплообменника с дополнительными слоями, уменьшаются.

Со ссылкой на фиг.2, теплообменник 3 представляет собой паяную алюминиевую пластинчато-ребристую конструкцию. Такие теплообменники являются предпочтительными благодаря их компактной конструкции, высоким интенсивностям теплопередачи и их способности обрабатывать множество потоков. Их изготавливают в виде полностью паяных и сварных резервуаров высокого давления. Операция пайки включает укладывания гофрированных ребер, разделительных листов и концевых брусков для образования центральной матрицы. Матрицу помещают в печь для пайки в вакууме, где ее нагревают и выдерживают при температуре пайки в условиях чистого вакуума. Для малых установок может быть достаточен теплообменник с одной сердцевиной. Для более высоких потоков теплообменник может быть выполнен из нескольких сердцевин, которые должны быть соединены параллельно или последовательно.

Основной теплообменник 3 разделен на слои, как известно в данной области техники, для осуществления косвенного теплообмена между потоками, протекающими в смежных слоях. Потоки, подлежащие нагреванию или охлаждению, вводят в и выводят из слоев основного теплообменника 3 посредством ряда коллекторных емкостей 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 140, 142 и 144. Все вышеупомянутые коллекторные емкости имеют полуцилиндрическую конфигурацию. Хотя такие коллекторные емкости 120-144 проходят по всей толщине основного теплообменника 3, только слои для приема и выпуска конкретного потока сообщаются по текучей среде с коллекторными емкостями, соединенными с таким потоком через входные и выходные отверстия. Все другие слои уплотнены от данного потока при помощи боковых брусков. Слои уложены в соотношении и в порядке или структуре так, что они обеспечивают безопасную и эффективную передачу тепла между горячими потоками и холодными потоками.

Как показано, первый сжатый поток 24 входит в коллекторную емкость 120, откуда такой поток затем распределяется в группу слоев, расположенных в основном теплообменнике 3, где данный поток сжижается в жидкость с получением потоков жидкости, которые собираются в коллекторной емкости 122 такой, что поток 25 жидкости может быть выпущен из нее. Подобным образом второй сжатый поток 30 вводят в коллекторную емкость 124 и затем пропускают через слои, проходящие только часть высоты основного теплообменника 3, при этом потоки собирают и выпускают из коллекторной емкости 126 в виде частично охлажденного потока 31, который вводят в турбодетандер 32. Поток 86 азота-продукта и отработанный поток 88 вводят в коллекторы 132 и 128, распределяют в слои, расположенные в основном теплообменнике 3 и связанные с такими потоками, и выпускают в виде потока 95 продукта-азота и теплого отработанного потока 96 из коллекторных емкостей 134 и 130 соответственно, расположенных в верхней части основного теплообменника 3.

С дополнительной ссылкой на фиг.3 и 4, показаны слои 150 и 152 соответственно. Данные слои образуют слои в основном теплообменнике 3, которые связаны с нагреванием оставшейся части 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода и нагреванием потока 114b холодного хладагента для получения рециркулирующего потока 114а. Оба таких слоя в своих нижних участках сообщаются по текучей среде с коллекторной емкостью 128, которая принимает оставшуюся часть 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода. Коллекторная емкость 128 распределяет такой поток в слои 150 и 152 в виде вспомогательных потоков 104а и 104b. Как может быть понятно, в основном теплообменнике 3 предусмотрено множество слоев 150 и 152 и фактически вспомогательные потоки 104а и 104b представляют вспомогательные потоки, которые вводят в такие слои.

Слой 150 образован между боковыми брусками 154 и 156 и концевыми брусками 158 и 160 и разделительным листом 162. Кожух слоя 150 завершается разделительным листом следующего слоя в основном теплообменнике 3. В слое 150 расположены ребра 164 для увеличения теплоотдачи вспомогательного потока 104а, а также для увеличения структурной целостности слоя 150. Вспомогательный поток 104а входит в слой 150 и перенаправляется в первую секцию слоя 150 посредством известной схемы распределительных ребер 168. Перемещение продолжается в направлении вверх к перераспределительным ребрам 170. Необходимо отметить, что исполнение ребер 164 на противоположных сторонах распределительных ребер 170 может иметь разную конфигурацию для обеспечения максимально эффективной теплопередачи.

Вспомогательный поток 104b входит в слой 162, который образован между боковыми брусками 172 и 174 и концевыми брусками 176 и 178 и разделительным листом 180. Кожух слоя 152 завершается разделительным листом следующего слоя в основном теплообменнике 3. В слое 152 расположены ребра 182 для увеличения теплоотдачи вспомогательного потока 104b и для структурных целей. Вспомогательный поток 104b входит в слой 152 и перенаправляется в первую секцию слоя 152 посредством известной схемы распределительных ребер 186. Перемещение продолжается в направлении вверх к перераспределительным ребрам 188. Необходимо также отметить, что исполнение ребер 182 на противоположных сторонах перераспределительных ребер 188 может иметь разную конфигурацию для обеспечения максимально эффективной теплопередачи. Со ссылкой на фиг.5, перераспределительные ребра 188 состоят из перераспределительных ребер 190 и 192, разделенных пластиной 194 для целей, которые будут более подробно описаны ниже. Перемещение вспомогательного потока 104b отклоняется перераспределительными ребрами 190 к перераспределительной коллекторной емкости 196, показанной также на фиг.2, которая также сообщается по текучей среде с первой секцией слоя (слоев) 150 и перераспределительными ребрами 170. Как показано на фиг.6, вспомогательный поток 104b перемещается в перераспределительную коллекторную емкость 196 и затем в перераспределительные ребра 170 слоя (слоев) 150, где он объединяется с вспомогательным потоком 104а, образуя объединенные вспомогательные потоки 104с, которые направляются во вторую секцию слоя (слоев) 150 и затем в перераспределительные ребра 198 слоя 150. Перераспределительные ребра 198 направляют объединенные вспомогательные потоки 104с в коллекторную емкость 140, показанную также на фиг.2, где объединенные вспомогательные потоки 104с воссоединяются в поток 106 кислорода-продукта, который выпускают из теплообменника 3.

Таким образом, вспомогательные потоки 104а и 104b нагреваются соответственно в первых секциях слоя (слоев) 150, образованных между перераспределительными ребрами 168 и 170, и в первых секциях слоев 152, образованных между перераспределительными ребрами 186 и 188, и затем полностью нагреваются во вторых секциях слоя (слоев) 150, которые образованы между перераспределительными ребрами 170 и 198, или, другими словами, поток кислорода становится перегретым в таких секциях слоя (слоев) 150. Поскольку вторая секция слоя (слоев) 152, образованная между перераспределительными ребрами 188 и 202, не используется для теплообмена, включающего вспомогательный поток 104b, имеется участок такого слоя (слоев) для теплообмена потока 114b хладагента, который вводят в коллекторную трубу 142 и затем перераспределительные ребра 192, на другой стороне пластины 194 для направления перемещения в слое 152 и ребрах 182 к перераспределительным ребрам 202, где нагретый вспомогательный поток (потоки) 114с хладагента выпускают в коллекторную трубу 144 для образования рециркулирующего потока 114а. Необходимо отметить, что температура на входе потока 114b хладагента может быть выше температуры, при которой кислород перераспределяется посредством перераспределительных ребер 188. В таком случае отдельные перераспределительные ребра используются для выпуска вспомогательных потоков 104b в перераспределительный коллектор 196 и для впуска потока 114b хладагента. Это фактически может потребоваться в том случае, если для подачи хладагента в основной теплообменник 3 используется механический охладитель. В любом случае общая площадь поперечного сечения основного теплообменника 3, предусмотренная для потока 114b холодного хладагента, предпочтительно составляет от примерно 5% до примерно 10% общей полезной площади.

Перераспределительные ребра 188 слоя (слоев) 152, перераспределительные ребра 170 слоя (слоев) 150 и перераспределительный коллектор 196 расположены в том месте основного теплообменника 3, в котором температура вспомогательных потоков 104а и 104b превышает критическую температуру в случае критического давления примерно на 3 К или температуру конденсации в случае давления ниже критического давления примерно на 5 К. Такие места могут быть определены посредством моделирования, хорошо известного специалистам в данной области техники. Необходимо отметить, что поскольку объединенные вспомогательные потоки 104с дополнительно нагреваются во вторых секциях слоя 150, такая температура ниже температуры на теплом конце основного теплообменника 3 или, другими словами, температуры на перераспределительных ребрах 198. Необходимо отметить, что слои выполнены таким образом, чтобы критическая температура или температура конденсации была превышена перед объединением вспомогательных потоков 104 и 104b с той целью, чтобы обеспечить достаточную теплопередающую поверхность либо для образования сверхкритической текучей среды, либо для полного испарения кислорода перед дополнительным нагреванием объединенных вспомогательных потоков 104с. Степень превышения такой температуры будет, конечно, уменьшать оставшиеся участки слоев, которые могут быть использованы для нагревания или охлаждения другого потока, например нагревания потока 114b холодного хладагента. Предпочтительная температура, приведенная выше, для превышения критической температуры или температуры конденсации соответственно характеризует коэффициент безопасности в конструкции основного теплообменника 3, с учетом того, что вследствие изменений в подаче воздуха, обусловленных температурой и давлением, температура основного теплообменника 3 на перераспределительных ребрах 198 будет также изменяться. Как известно также специалистам в данной области техники, поскольку потоки нагреваются в обоих слоях 150 и 152, такие слои будут расположены рядом со слоями, используемыми при охлаждении потоков, которые в криогенной ректификационной установке 1 представляют собой слои, используемые при охлаждении первого сжатого потока 24.

В основном теплообменнике 1 предполагается, что слои, участвующие в охлаждении первого сжатого потока 24, продолжаются по всей его высоте. Однако, как будет понятно специалистам в данной области техники, можно использовать неиспользуемые участки слоев, которые используются при частичном охлаждении второго сжатого потока 30, при охлаждении первого сжатого потока 24.

Слои 150 и 152 выполнены с возможностью уменьшения теплопередающей поверхности, предусмотренной для дополнительного нагревания участка 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода после достижения критической температуры или температуры конденсации, чтобы оставить участки таких слоев доступными для нагревания потока 114b охлажденного хладагента. Как описано выше, это осуществляется посредством объединения вспомогательных потоков 104а и 104b и использования в дальнейшем только вторых секций слоев 150 для нагревания и объединенных вспомогательных потоков 104с. Другая возможность показана на фиг.7, в котором не предусмотрено отделение части 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода и соответственно объединение вспомогательных потоков в объединенные вспомогательные потоки. В таком варианте осуществления показан слой 153, который образован между боковыми брусками 204 и 206 и концевыми брусками 208 и 210 и разделительным листом 212. Часть 104 подаваемого насосом потока 100 жидкого кислорода вводят в коллекторную емкость 136 для получения вспомогательных потоков, которые направляются посредством перераспределительных ребер 214 в первую секцию слоя 153, содержащую ребра 216. Затем вспомогательные потоки посредством перераспределительных ребер 218 перемещаются во вторую секцию, содержащую ребра 217. Такая вторая секция образована между перераспределительными ребрами 218, разделительным бруском 220 и другой группой перераспределительных ребер 222. Затем вспомогательные потоки выходят из такой второй секции посредством обеспечения перераспределительных ребер 222 и собираются в коллекторной емкости 140 , чтобы обеспечить выпуск из нее потока 106 кислорода-продукта. Перераспределительные ребра 218 расположены в том месте, в котором температура вспомогательных потоков превышает критическую температуру или температуру конденсации, как описано выше. Таким образом, разделительный брусок уменьшает теплопередающую поверхность, обеспечиваемую слоем 153, которая не требуется для дополнительного нагревания потока 104 выше критической температуры или выше температуры конденсации. Кроме того, он образует другой участок или третью секцию слоя 153 для нагревания потока 114b хладагента. Поток 114b хладагента входит в коллекторную емкость 142 , и его вспомогательные потоки хладагента посредством перераспределительных ребер 226 направляются к ребрам 224. Затем такие вспомогательные потоки направляются в таких слоях посредством распределительных ребер 228 в коллекторную емкость 144 для сбора и выпуска рециркулирующего потока 114b.

В качестве альтернативы слою 153 может быть создан слой, в котором вместо использования разделительного бруска, такого как разделительный брусок 220, для разделения слоя в продольном направлении толщина слоя может быть разделена на подслои посредством пластины. Один подслой образует участок, используемый для нагревания потока 114b хладагента или для охлаждения или нагревания какого-либо другого потока, а другой подслой используется для перегрева кислорода при образовании потока 106 кислорода-продукта. Первый подслой изолирован от второго подслоя посредством полувысотного разделительного бруска. К подслоям в отдельности подводят вспомогательные потоки части 104 подаваемого насосом жидкого кислорода посредством полувысотного перераспределительного ребра, причем полувысотное распределительное ребро уложено на перераспределительное ребро для кислорода для распределения вспомогательных потоков хладагента в подслой. Поскольку разделенный слой представляет собой два нагревающихся слоя, примыкающих друг к другу, важно обеспечить наличие охлаждающего потока на обеих сторонах разделенного слоя, чтобы избежать ситуации, когда три холодных слоя находятся рядом друг с другом в многослойной структуре. Очевидно, что в этом случае средний нагревающийся слой будет способен передавать тепло в охлаждающийся слой только через другой нагревающийся слой, а это неэффективно и вносит температурные градиенты, которые могут вызывать повышенное термическое напряжение. Перераспределительные ребра, уложенные одно на другое, выполнены с возможностью выпуска таких вспомогательных потоков из слоя в соответствующие им коллекторные емкости.

Хотя настоящее изобретение описано выше применительно к нагреванию потока 114b хладагента, существуют и другие возможные применения настоящего изобретения. Например, со ссылкой на фиг.7 показан альтернативный вариант осуществления воздухоразделительной установки 1, который не содержит вспомогательного цикла охлаждения. В таком варианте осуществления второй сжатый поток 30 может быть разделен на сжатые потоки 30а и 30b. Сжатый поток 30b может быть введен в те слои, которые в противном случае были бы использованы в связи с нагреванием потока 114b хладагента, и охлажден в таких слоях посредством введения в коллекторную трубу 144 и отведения из коллекторной трубы 142 после частичного охлаждения. Полученный в результате частично охлажденный сжатый поток 30с объединяют со сжатым потоком 30а после частичного нагревания и данные потоки в виде объединенного потока 30d вводят в турбодетандер 32. Как будет очевидно для специалиста в данной области техники, конструкция основного теплообменника 3 должна быть несколько изменена при упорядочении слоев. А именно, слой 152 должен быть расположен рядом с, по меньшей мере, одним нагревающимся потоком.

Как будет очевидно для специалиста в данной области техники, слои, используемые в настоящем изобретении, могут быть также использованы при нагревании азота-продукта, который требуется под высоким давлением. В криогенных ректификационных установках, которые предназначены для таких целей, потоки жидкости, обогащенной азотом, могут быть поданы насосом под требуемым давлением, например, поток 92 либо один, либо в дополнение к потоку 98 жидкости, обогащенной кислородом, который, как описано выше, подают насосом и затем превращают в пар в основном теплообменнике 3. Если оба таких потока требуются под давлением, то основной теплообменник 3 может быть модифицирован с возможностью включения слоев, таких как описанные выше, для обоих таких потоков.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, для специалиста в данной области техники очевидно, что множество изменений и исключений может быть выполнено без отхода от сущности и объема настоящего изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.