CS197102B1

CS197102B1 - Method of and apparatus for liquefying and separating air,especially for broad range of liquid products

Info

Publication number: CS197102B1
Application number: CS220778A
Authority: CS
Inventors: Jiri Sykora; Vaclav Chrz; Jan Jirsa
Original assignee: Jiri Sykora; Vaclav Chrz; Jan Jirsa
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1978-04-05
Publication date: 1980-04-30

Description

Vynález se týká způsobu zkapalňování a dělení vzduchu pro velký podíl kapalných produktů dělení a zařízení k provádění tohoto způsobu.The invention relates to a process for liquefying and separating air for a large proportion of liquid separation products and to an apparatus for carrying out the process.

Podle dosavadních známých způsobů zkapalňování a dělení vzduchu pro velký podíl kapalných produktů dělení se používá většinou komprese vzduchu na vysoký tlak, okolo 20 MPa, načež následuje adsorpční odstraňování vodní páry a kysličníku uhličitého. Hlavním zdrojem chladu je pak expanze komprimovaného vzduchu z tlaku 20 MPa na tlak 0,6 MPa, přičemž tato expanze se uskutečňuje za konání vnější práce, buS v pístovém expansním stroji nebo v expananí turbině. Při použití odstředivých kompresorů pro stlačování vzduchu musí být vzduch stlačen na tlak okolo 3 MPa a hlavní výroba chladu pro získávání kapalných produktů dělení je uskutečňována pomocí zvláštního cirkulačního okruhu, ve kterém cirkuluje dusík mezi tlakovou úrovní 3 MPa a 0,5 MPa, přičemž je chlad vyráběn expanzí tohoto dusíku v expansním stroji za konání vnější práce. Nevýhodou tohoto způsobu dělení vzduchu je především poměrně velká měrná spotřeba energie. Dusík potřebný pro doplňování cirkulačního okruhu musí být odebírán ze systému kolon dvojnásobné rektifikace. Dochází tak k ochuzování refluxního poměru v rektifikačních kolonách a ke snížení výtěžnosti čistých produktů dělení vzduchu.According to prior art methods of liquefying and separating air for a large proportion of liquid separating products, mostly high pressure air compression, about 20 MPa, is used, followed by adsorption removal of water vapor and carbon dioxide. The main source of cold is the expansion of the compressed air from 20 MPa to 0.6 MPa, which is carried out under external work, either in a piston expansion machine or in an expansion turbine. When using centrifugal compressors for compressing the air, the air must be compressed to a pressure of about 3 MPa and the main production of cold to obtain liquid separation products is carried out by means of a separate circulation circuit in which nitrogen circulates between pressure levels of 3 MPa and 0,5 MPa, produced by expanding this nitrogen in an expansion machine to carry out external work. The disadvantage of this method of air separation is the relatively high specific energy consumption. The nitrogen required to replenish the circulation circuit must be taken from the double rectification column system. This reduces the reflux ratio in the rectification columns and reduces the yield of pure air separation products.

K získávání chladu dochází také nevýhodně na teplotní úrovni beztlakého kapalného dusíku. Strojní zařízení k provádění známých způsobů zkapalňování vzduchu je komplikované a nákladné.Cold recovery is also disadvantageous at the temperature level of the pressureless liquid nitrogen. Machinery for carrying out known methods of air liquefaction is complicated and expensive.

197 102197 102

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem zkapalňování a dělení vzduchu, zejména pro velký podíl kapalných produktů, při němž je atmosférický vzduch, komprimovaný a zbavený C0₂a vlhkosti adsorpci, chlazen v systému protiproudých výměníků tepla vystupujícími plynnými produkty dělení a dále chlazen expanzí za konání vnější práce a dělen rektifikaci, jehož podstatou je, že v expansní turbině za konání vnější práce je expandováno větší množství vzduchu než je adsorpčně zbavováno vlhkosti a kysličníku uhličitého, přičemž vzduch expanduje na tlak minimálně odpovídající tlaku tlakové kolony.These disadvantages are overcome by the method of liquefaction and air separation, in particular for a large proportion of liquid products in which atmospheric air, compressed and free of CO ₂ and moisture adsorption, is cooled in the countercurrent heat exchanger system by the outgoing gas separation products and further cooled by expansion and divided by rectification, the principle being that in an expansion turbine, external work expands more air than is adsorbed free of moisture and carbon dioxide, the air expanding to a pressure at least equal to that of the pressure column.

Zařízení k provádění způsobu zkapalňování a dělení vzduchu podle vynálezu pak sestává především ze vzduchového kompresoru, cirkulačního kompresoru, adsorpční jednotky k odstraňování vody a kysličníku uhličitého, výměníku tepla, expansní turbiny, rektifikačních kolon a příslušného potrubí a armatur a jeho podstatou je, že vstup do expansní turbiny je propojen jednak přes výměníky tepla a adsorpění jednotku s výtlakem vzduchového kompresoru a jednak přes výměníky tepla s výtlakem cirkulačního kompresoru, přičemž výstup expansní turbiny je propojen jednak š tlakovou kolonou a jednak přes výměníky tepla se sáním cirkulačního kompresoru.The apparatus for carrying out the process of liquefaction and air separation according to the invention then consists primarily of an air compressor, a circulating compressor, an adsorption unit for removing water and carbon dioxide, a heat exchanger, an expansion turbine, rectification columns and associated piping and fittings. The expansion turbine is connected via a heat exchanger and an adsorption unit with an air compressor discharge and partly via a heat exchanger with a circulating compressor discharge, the expansion turbine outlet being connected via a pressure column and via a heat exchanger with a circulating compressor suction.

Způsob zkapalňování a dělení vzduchu podle vynálezu má především tu výhodu, že dochází k získávání chladu v jediné expansní turbině, která zpracovává větší množství vzduchu než je čištěno v adsorpční jednotce na výstupu ze vzduchového kompresoru. Větší množství vzduchu, které expanduje v expansní turbině je dosahováno tím, že přes výměníky tepla cirkuluje potřebné množství vzduchu pomocí cirkulačního kompresoru, a to mezi tlakovými úrovněmi, které zhruba odpovídají tlaku na výstupu z expansní turbiny a tlaku na výstupu z hlavního vzduchového kompresoru. Dochází tak k výhodnému získávání chladícího výkonu na vyšší teplotní úrovni, což je termodynamicky výhodné. Mimo to strojní zařízení k provádění způsobu je jednoduché, neboí z točivých strojů obsahuje pouze vzduchové kompresory a expansní turbinu. Způsob zkapalňování a dělení vzduchu podle vynálezu umožňuje získávat značné množství kapalných produktů vzduchu při použití rotačních strojů jak pro kompresi, tak pro expansi.The method of liquefaction and air separation according to the invention has in particular the advantage that cooling is obtained in a single expansion turbine, which processes more air than is cleaned in the adsorption unit at the outlet of the air compressor. The greater amount of air that expands in the expansion turbine is achieved by circulating the required amount of air through the heat exchangers via a circulating compressor, between pressure levels which roughly correspond to the outlet turbine outlet pressure and the main air compressor outlet pressure. Thus, it is advantageous to obtain cooling performance at a higher temperature level, which is thermodynamically advantageous. In addition, the machine for carrying out the method is simple, since of the rotating machines it comprises only air compressors and an expansion turbine. The method of liquefying and separating air according to the invention makes it possible to obtain a considerable amount of liquid air products using rotary machines for both compression and expansion.

Příklad způsobu zkapalňování a dělení vzduchu podle vynálezu, je zřejmý ze zjednodušeného technologického schématu na přiloženém obrázku.An example of a method for liquefying and separating air according to the invention is apparent from the simplified flow diagram in the accompanying drawing.

Na tomto obrázku je zjednodušené technologické schéma zařízení, které je určeno k výrobě kapalného kyslíku. Atmosferický vzduch je nasáván do kompresoru 1, kde je stlačován na tlak 3 MPa. V koncovém chladiči 2 je teplota vzduchu patřičně snížena. Komprimovaný vzduch je dále v adsorpční jednotce 2 zbavován adsorpci vody a kysličníku uhličitého.In this figure, there is a simplified flow diagram of a device for producing liquid oxygen. The atmospheric air is sucked into the compressor 1 where it is compressed to a pressure of 3 MPa. In the end cooler 2, the air temperature is appropriately lowered. Further, the compressed air in the adsorption unit 2 is freed from the adsorption of water and carbon dioxide.

Suchý vzduch je pak veden do vlastního zařízení na dělení vzduchu, kde je postupně ochlazován v systému protiproudých výměníků tepla. Nejprve je jeho teplota snižována ve výměníku 6 vystupujícím dusíkem. Dále je jeho teplota snížena v přídavné chladicí jednotce 8.The dry air is then routed to the air separator itself, where it is gradually cooled in a countercurrent heat exchanger system. First, its temperature is lowered in exchanger 6 by exiting nitrogen. Further, its temperature is lowered in the additional cooling unit 8.

K dalšímu ochlazování dochází ve výměníku 10, odkud je část vzduchu vedena na expansní turbinu 11. V expansní turbině 11 dochází za konání vnější práce k expanzi vzduchu z tlaku 3 MPa na tlak 0,6 MPa. Přitom množství vzduchu, které expanduje v expansní turbině 11 je podstatně větší než množství vzduchu, které je komprimováno ve vzduchovém kompresoru 1.Further cooling takes place in the exchanger 10, from which a part of the air is directed to the expansion turbine 11. In the expansion turbine 11, the air is expanded from a pressure of 3 MPa to a pressure of 0.6 MPa during external work. Here, the amount of air that expands in the expansion turbine 11 is substantially greater than the amount of air that is compressed in the air compressor 1.

197 102197 102

Je tomu tak proto, že na výstupu z expansní turbiny 11 je část vzduchu vedena přea systém protlproudnýoh výměníků tepla 13. 2» Z ^na sání cirkulačního vzduchového turbokompresoru £.This is because, at the outlet of the expansion turbine 11, some of the air is fed through the countercurrent heat exchanger system 13 ^{to the} suction of the recirculating air turbo compressor.

V cirkulačním turbokompresoru £ se vzduch stlačuje z tlaku 0,6 MPa na tlak 3 MPa. V koncovém chladiči 2 cirkulačního turbokompresoru £ je patřičně upravena teplota cirkulačního vzduchu. Cirkulační vzduoh jo veden zpět přes systém protiproudých výměníků tepla J, 2 ^apřes přídavnou chladicí jednotku 8 na vstup do eipansní turbiny 11. Chladicí výkon zařízení je možné regulovat výkonem cirkulačního vzduchového turbokompresoru £. Z expansní turbiny 11 část vzduchu, určená pro nízkoteplotní dělení, je vedena do tlakové kolony 17 systému kolon dvojnásobné rektiflkaoe. Do tlakové kolony 17 je také vedena část vzduchu přes zkapalňovače 12. 13. V závislosti na patrech dělicího zařízení může být výhodné některý ze zkapalňovačů i2» 12 vypustit. V tlakové koloně 1£, hlavním kondensátoru 16 a horní koloně 15 dochází ke konečnému rozdělení vzduchu na produkty dělení, dusík a kyslík. Podohlazovaoí výměník 14 slouží k podchlazování meziproduktů dělení z tlakové kolony 17 do horní kolony 15. Kapalný kyslík je odebírán z hlavního kondenzátoru 16 a je nejprve podchlazen v hlavním výměníku 14 a vystupuje ze zařízení potrubím 18 jako podohlazený kapalný produkt. Plynný dusík odchází z nízkotlaké kolony 1£ přes podchlazovaní výměník 1£ a dále přes zkapalňovač j.2 a systém výměníků 10. 6, přičemž předává své teplo vstupujícímu komprimovanému vzduchu. Ze zařízení pak vystupuje jako plynný produkt potrubím 19. Výstup expansní turbiny JI Je propojen přes výměníky 12, 2» 1 ^se sáním vzduchového cirkulačního kompresoru £ a dále s tlakovou kolonou 17. Vstup do expansní turbiny 11 Je propojen přes výměníky 2» I ⁸ výstupem vzduchového cirkulačního kompresoru £ a jednak přes výměníky 10, a adsorpční jednotku 2 s výstupem vzduchového turbokompresoru 1. Při jiném příkladném řečení zařízení může být některý z výměníků 13 nebo 12 vypuštěn. Stejně tak může být vypuštěna chladicí jednotka.In the circulating turbo compressor 6, the air is compressed from a pressure of 0.6 MPa to a pressure of 3 MPa. The temperature of the circulating air is appropriately adjusted in the end cooler 2 of the circulating turbo compressor. The circulating air is led back through the countercurrent heat exchanger system 12 ^and via the additional cooling unit 8 to the inlet of the elliptic turbine 11. The cooling capacity of the device can be controlled by the output of the circulating air turbo compressor. From the expansion turbine 11, a portion of the air intended for the low-temperature separation is fed to the pressure column 17 of the double rectification column system. Part of the air is also fed to the pressure column 17 via liquefiers 12. 13. Depending on the trays of the separator, it may be advantageous to omit some of the liquefiers 12 '. In the pressure column 16, the main condenser 16 and the upper column 15, the final separation of air into the separation products, nitrogen and oxygen takes place. The subcooling exchanger 14 serves to subcoolize the separation products from the pressure column 17 to the upper column 15. Liquid oxygen is taken from the main condenser 16 and is first subcooled in the main exchanger 14 and exits the apparatus via line 18 as an undercooled liquid product. Nitrogen gas exits from the low pressure column 16 through the subcooled exchanger 16 and further through the condenser 12 and the exchanger system 10, transferring its heat to the incoming compressed air. It then exits from the device as a gaseous product via line 19. Expansion turbine outlet 11 is connected via exchanger 12, 2 »1 ^{to the} air circulation compressor 6 and further to a pressure column 17. Expansion turbine 11 is interconnected via exchanger 2» ^{18 via} outlet of the air circulating compressor 6 and, on the other hand, through the exchangers 10, and the adsorption unit 2 with the outlet of the air turbocharger 1. In another exemplary embodiment of the apparatus, one of the exchangers 13 or 12 may be omitted. Likewise, the cooling unit may be omitted.

Claims

A method of liquefying and separating air, in particular for a large proportion of liquid products, wherein the atmospheric air, compressed and free of CO ₂ and moisture adsorption, is cooled in a countercurrent heat exchanger system by the outgoing gaseous separation products and further smoothed by expansion characterized in that in an expansion turbine, during external work, more air expands than is adsorbed by moisture and carbon dioxide, the air expanding to a pressure greater than or equal to the pressure of the pressure column.

2. An apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising an air compressor, a circulating compressor, an adsorption unit for removing COg and moisture, heat exchangers, an expansion turbine, rectification columns and associated pipes and fittings, characterized in that the inlet to the expansion turbine ( 11) is connected via exchanger (10, 6) and adsorption unit (3) with air compressor discharge (1)

AND

197 102 exchangers (9, 7) with circulating compressor discharge (4) »wherein the outlet of the expansion turbine (11) is connected on the one hand by a β pressure column (17)» on the other hand via exchangers (7, 9) and possibly via exchanger (19) by suction of the circulating compressor (4).

1 drawing