CS199895B1

CS199895B1 - Method of winning of liquid products of air separation by low-pressure cycle and equipment for execution of this method

Info

Publication number: CS199895B1
Application number: CS627777A
Authority: CS
Inventors: Jiri Sykora
Original assignee: Jiri Sykora
Priority date: 1977-09-28
Filing date: 1977-09-28
Publication date: 1980-08-29

Description

(54) Způsob získávání kapalných produktů dělení vzduchu nízkotlakým cyklem a zařízení k provádění tohoto způsobu(54) A method for obtaining liquid low pressure cycle air separation products and apparatus for performing the method

Vynález se týká způsobu získávání kapalných produktů dělení vzduchu nízkotlakým cyklem a zařízení k provádění tohoto způsobu.The present invention relates to a process for obtaining liquid low pressure cycle air separation products and to an apparatus for carrying out the process.

Dosavadní známé způsoby získávání kapalných produktů dělení vzduchu nízkotlakým cyklem s regenerátory využívají hlavně rezerv chladu vlastního dělicího zařízení. Ke krytí ztrát chladu je především využívána expanze vzduchu nebo dusíku v expanzní turbině za konání vnějěí práce. K expanzi dochází z tlaku, který je přibližně roven tlaku vzduchu v regenerátorech a pohybuje se mezi 0,6 až 0,9 MPa na tlak ,který je v horní koloně, a který bývá 0,14 MPa. Při zvyšování požadavku na výrobu kapalných produktů děleni vzduchu je nutné zvyšovat i množství vzduchu, které expanduje v expanzní turbině. Tím se podstatně zhoršuji podmínky rektifikace v systému kolon dvojnásobné rektifikace. Dochází k ochuzování refluxu a tím i ke snižování výtěžnosti produktu dělení vzduchu, kyslíku. Bez zhoršování výtěžnosti kyslíku je možné těmito způsoby produkovat max. 3 'i> produkce kyslíku v kapalném stavu. Další zvyšování produkce kapalných produktů děleni vzduchu nese s sebou i zvýšení spotřeby energie pro výrobu plynného kyslíku, což je svázáno s poklesem jeho výtěžnosti z děleného vzduchu.Prior art known methods of obtaining liquid products of air separation by low pressure cycle with regenerators use mainly cold reserves of own separation equipment. The expansion of air or nitrogen in the expansion turbine during external work is mainly used to cover cold losses. The expansion occurs from a pressure that is approximately equal to the air pressure in the regenerators and is between 0.6 to 0.9 MPa to the pressure in the upper column, which is usually 0.14 MPa. In order to increase the demand for the production of liquid air separation products, it is also necessary to increase the amount of air that expands in the expansion turbine. This substantially worsens the rectification conditions in the double rectification column system. The reflux is depleted and thus the yield of the air / oxygen separation product is reduced. Without deteriorating the oxygen yield, it is possible to produce a maximum of 3% liquid oxygen production by these methods. Further increase in the production of liquid products by air separation also entails an increase in energy consumption for the production of gaseous oxygen, which is associated with a decrease in its recovery from split air.

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem získávání kapalných produktů dělení vzduchu nízkotlakým cyklem s regenerativně rekuperativní výměnou tepla v regenerátorech se získáváním chladu expanzí plynného média v expanzních turbinách za konání vnějěí práce, s dě199 895These disadvantages are overcome by the method of obtaining liquid products of air separation by a low pressure cycle with regeneratively recuperative heat exchange in the regenerators, obtaining cold by expanding the gaseous medium in the expansion turbines during external work,

199 895 lením vzduchu rektifikací a zařízením k provádění tohoto způsobu podle uvedeného vynálezu. Způsob je charakterizován tím, Se je vzduch nejprve ochlazen v regenerátorech, načež je expandován dvoustupňové v expanzních turbinách, přičemž převážná část vzduchu z regenerátorů je po případné úpravě teploty smícháním s čáetí vzduchu, který je ohříván ve vratných hadech regenerátorů expandována v nejméně jedné expanzní turbině prvního stupně na tlak minimálně odpovídající tlaku v dolní koloně, do které je převážná část expandovaného vzduchu zavedena, zatímco v druhém stupni expanze v nejméně jedné expanzní turbině expanduje vzduch ohřátý ve vratných hadech regenerátorů po předchozí úpravě teploty smícháním s Částí vzduchu proudící přee vratné hady a který byl sem přiveden po expanzi v prvním stupni. Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu pak sestává předevěím z regenerátorů, výměníku tepla, rektifikačnlch kolon, expanzních turbin a příslušného potrubí a je charakterizováno tím, Se výetup z regenerátorů je přee ventilové komory propojen e expanzní turbinou prvního stupně expanze a výtlak této expanzní turbiny je propojen e dolní kolonou, přičemž expanzní turbina druhého stupně expanze je na svém vstupu propojena jednak přee vratné hady regenerátorů a jednak přímo a dolní kolonou, a nebo s výstupem expanzní turbiny prvního stupně expanze a výstupem je tato turbina propojena e ventilovými komorami a regenerátory přee horní kolonu a nebo přímo.199 895 by air rectification and an apparatus for carrying out the method according to the invention. The method is characterized in that the air is first cooled in the regenerators, whereupon it is expanded in two stages in expansion turbines, whereby most of the air from the regenerators is expanded in at least one expansion turbine after mixing with a portion of air heated in the regenerator return coils. a first stage to a pressure at least equal to the pressure in the lower column into which the bulk of the expanded air is introduced, while in the second stage of expansion at least one expansion turbine expands the air heated in the regenerator return coils after pre-treatment by mixing with that was brought here after expansion in the first stage. The apparatus for carrying out the method according to the invention then consists primarily of regenerators, a heat exchanger, rectification columns, expansion turbines and associated piping and is characterized in that the outlet from the regenerators is connected via a valve chamber to an expansion turbine of the first expansion stage. e the bottom column, wherein the expansion turbine of the second stage of expansion is connected at its inlet with the return of the regenerator coils and on the other hand directly and through the bottom column, or with the outlet turbine of the first stage of expansion and outlet or directly.

Způsob dělení v zduchu podle vynálezu umožňuje při stejné výtěžnosti kyslíku dosáhnout větší produkce kapalných produktů dělení vzduchu a tlm i snižuje měrnou spotřebu energie. Tato výhoda ee obzvláště výrazně projevuje při současném požadavku na výrobu chudého kyslíku o nízké koncentraci např. 85 % Og se současnou produkci čistého kapalného kyslíku nebo dusíku. Za jinak srovnatelých podmínek lze podle vynálezu dosáhnout o 10 až 15 % měnáí měrné spotřeby energie na výrobu kapalných produktů, než je tomu u doposud známých způsobů.The air separation process according to the invention makes it possible, with the same oxygen yield, to achieve a higher production of liquid air separation products and reduces the specific energy consumption. This advantage is particularly pronounced in the current demand for producing low oxygen of low concentration, e.g., 85% Og, with the simultaneous production of pure liquid oxygen or nitrogen. Under otherwise comparable conditions, according to the invention, the specific energy consumption for the production of liquid products can be varied by 10 to 15% than in the known methods.

Princip způsobu získávání kapalných produktů dělení vzduchu podle vynálezu je nejlépe patrný z výkresu, kde je zjednodušené technologické schéma zařízení na dělení vzduohu s regenerátory, které produkuje současně chudý kyelík o koncentraci 85 % Og epolu e kapalným čistým kyslíkem o koncentraci 99,5 % Og·The principle of the method of obtaining liquid air separation products according to the invention is best evident from the drawing, where a simplified flow diagram of an air separation device with regenerators which simultaneously produces a poor oxygen content of 85% Og epol and liquid pure oxygen of 99.5% Og ·

Vzduch určený kdělení je nasáván do kompresoru £, potrubím 13. kde je stlačován na tlak 0,9 MPa. Komprimovaný vzduch je potom veden potrubím 33 do péru kyslíkových regenerátorů £ a dusíkových regenerátorů £. V regenerátorech je vzduch ochlazován na kamenné náplni přičemž je zbavován vymrzáním kysličníku uhličitého a vodní páry. Tyto nečistoty jsou pak z náplně vynášeny produkty dělení. Ochlazený vzduch proudí z regenerátorů £, £ do ventilových komor £, £, které zabezpečují přepínání proudu vzduchu s proudem kyslíku a dusíku.The air to be conveyed is sucked into the compressor 6 through a duct 13 where it is compressed to a pressure of 0.9 MPa. The compressed air is then routed through line 33 to the pens of oxygen regenerators 6 and nitrogen regenerators 6. In the regenerators, the air is cooled on a stone filling while being freed from the freezing of carbon dioxide and water vapor. These impurities are then removed from the cartridge by the separation products. The cooled air flows from the regenerators 6, 6 to the valve chambers 6, 6, which ensure the switching of the air stream with the flow of oxygen and nitrogen.

Z ventilových komor £, £ je veden vzduch ochlazený na teplotu blízkou mezi sytosti potrubím Ιέ. na expanzní turbinu £ prvního stupně expanze. Aby bylo dosaženo požadované teploty na vstupu do expanzní turbiny £, je část vzduchu odebírána potrubím 17 a vedena do vratných hadů regenerátorů 2, £, kde je ohřátá a vedena potrubím 18 před expanzní turbinu 6. V expanzní turbině £ ee uskutečňuje expanze vzduchu za konání vnější práce na tlak 0,5 MPa a expandovaný vzduch je veden potrubím 19 do dolní kolony £, kde dochází k jeho předběžnému rozdělení na bohatou kapalinu a dusík. Refluk v dolní koloně se uskutečňuje na úkor varu kyslíkuFrom the valve chambers 8, 6, air cooled to a temperature close to the saturation is passed through the pipe Ιέ. on the expansion turbine 6 of the first stage of expansion. In order to achieve the desired temperature at the inlet to the expansion turbine, a portion of the air is drawn through line 17 and fed to the return coils of the regenerators 2, 6 where it is heated and passed through line 18 upstream of the expansion turbine 6. the external work to a pressure of 0.5 MPa and the expanded air is led via a line 19 to the bottom column 6, where it is pre-divided into a rich liquid and nitrogen. Reflux in the lower column takes place at the expense of oxygen boiling

199 895 v hlavním kondenzátoru g. Z dolní kolony je odebírán vzduch potrubím 20 a je veden do vratných hadů v regenerátorech £, i· Rřed vstupem do expanzní turbiny 2. druhého stupně expanze je tento vzduch smíchán s částí vzduchu, který proudí potrubím 22 mimo vratné hady regenerátorů J, J a tím je dosažena požadované teplota na vstupu do expanzní turbiny 2· V expanzní turbině 2 expanduje vzduchu za konání vnější práce z tlaku 0,5 MPa na tlak 0,14 MPa, což je tlak horní kolony 10. do které je expandovaný vzduch veden potrubí® 23. V horní koloně 10 se uskutečňuje konečné rozdělení vzduchu na chudý kyslík a dusík, Reflux v horní koloně je zabezpečován bohatou kapalinou a kapalným dusíkem, které jsou sem přiváděny z dolní kolony £ potrubím 28 a 29 po předchozím ochlazeni v podchlazovacim výměníku 11. Podchlazování se uskutečňuje výměnou tepla s odpadním dusíkem, který vystupuje z hlavy nízkotlaké kolony 10, potrubím χθ. Chudý kapalný kyslík je odtahován z hlavního kondenzátoru g, do přídavné kolony čistého kyslíku 12. V koloně čistého kyslíku je rektifíkací získáván kapalný čistý kyslík, který ze zařízení vystupuje potrubím 25. Chudý kyslík vystupuje z této kolonky potrubím 26 a je veden přes ventilové komory g čo kyslíkových regenerátorů £ a vystupuje ze zařízení potrubím 14. Odpař kapalného čistého kyslíku v koloně technického kyslíku 12 se uskutečňuje na úkor kondenzace části vzduchu, který je sem veden z výstupu expanzní turbiny 6 prvního stupně expanze potrubím 24. Zkondenzovaný vzduch je potom veden do dolní kolony Plynný dusík z podehlazovacího výměníku proudí potrubím 27 do ventilových komor g a odtud do dusíkových regenerátorů X a vystupuje ze zařízení potrubím 15. V expanzní turbině prvního stupně expanze expanduje teoreticky veákBré množství zpracovaného vzduchu. Bez zhoršení výtěžnosti kyslíku může v expanzní turbině 2 druhého stupně expanze expandovat 22 až 24 % množství děleného vzduchu. Přitom množství čistého kapalného kyslíku se bude pohybovat mezi 10 až 12 % množství vyráběného plynného kyslíku. Množství vzduchu, které proudí přes vratné hady kyslíkových a dusíkových regenerátorů je takové, aby zabezpečilo tepelný režim regenerátorů, tj, zabezpečilo vynášení vymrzlého kysličníku uhličitého a vodní péry z náplně regenerátorů. Při jiných požadavcích na složení produktů a při jiném složení výroby kapalných produktů může být výhodnější přivádět přímo vzduch z regenerátorů přes ventilové komory £, g na expanzní turbinu g. Vzduch z dolní kolony g potrubím 20 může mít snížený obsah kyslíku, a proto může být někdy výhodnější odebírat ho přímo z výstupu expanzní turbiny g. Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu je zřejmé také z výkresu.199 895 in the main condenser g. From the lower column, air is drawn through line 20 and fed to the return coils in the regenerators 8, 1. Before entering the second stage expansion expansion turbine, this air is mixed with a portion of air flowing through line 22 the return snakes of the regenerators J, J thereby reaching the desired temperature at the inlet to the expansion turbine 2. In the upper column 10, the final separation of the air into lean oxygen and nitrogen takes place. Reflux in the upper column is provided by a rich liquid and liquid nitrogen, which are fed here from the lower column 6 through lines 28 and 29 after the previous cooling in the subcooling exchanger 11. Subcooling is effected by heat exchange with waste nitrogen leaving the head of the low pressure column 10, piping χθ. The poor liquid oxygen is withdrawn from the main condenser g, to the additional pure oxygen column 12. In the pure oxygen column, liquid pure oxygen is recovered from the apparatus through line 25. The poor oxygen exits from this box through line 26 and passes through valve chambers g. The evaporator of liquid pure oxygen in the technical oxygen column 12 takes place at the expense of condensation of some of the air that is led from the outlet of the expansion turbine 6 of the first stage of expansion through line 24. The condensed air is then led to the lower. The nitrogen gas from the undercooling exchanger flows through line 27 to the valve chambers g and from there to the nitrogen regenerators X and exits through the line 15. Without deteriorating the oxygen yield, 22-24% of the split air can expand in the second stage expansion turbine. The amount of pure liquid oxygen will be between 10 and 12% of the amount of oxygen gas produced. The amount of air flowing through the return snakes of the oxygen and nitrogen regenerators is such as to ensure the thermal mode of the regenerators, i.e. to ensure the removal of the frozen carbon dioxide and water fumes from the regenerator charge. For other product composition requirements and other liquid product manufacturing compositions, it may be preferable to direct air directly from the regenerators through valve chambers 8, g to the expansion turbine g. more preferably it is taken directly from the outlet of the expansion turbine g.

Způsob a zařízení podle vynálezu umožňuje vyrábět nízkotlakým cyklem dělení vzduchu s regenerátory kapalné produkce dělení vzduchu spolu a plynnými produkty dělení a podstatně nižší spotřebou energie, než tomu bylo doposud. Výhody tohoto zařízení podle vynálezu se projevují především u velkokapacitního zařízení na výrobu kyslíku pro obohacování větru do vysokých pecí ae současnou výrobou kapalného kyslíku a kapalného dusíku. V porovnání s obdobnými známými zařízeními a způsoby dochází k poklesu nejen provozních nákladů, sle i nákladů investičních.The method and apparatus according to the invention make it possible to produce a low-pressure air separation cycle with liquid air recovery regenerators together with gaseous separation products and a substantially lower energy consumption than hitherto. The advantages of this device according to the invention are manifested in particular in the large-capacity oxygen generating plant for the enrichment of wind into blast furnaces and the simultaneous production of liquid oxygen and liquid nitrogen. Compared to similar known devices and methods, not only operating costs, discounts and investment costs decrease.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A method for obtaining liquid products by air separation by a low pressure cycle and regeneratively recuperative heat exchange in regenerators and obtaining cold by two-stage expansion of the gaseous medium in expansion turbines during external work, and by air-separation by two-stage rectification. by adjusting the temperature by mixing with a portion of the air that is heated in the regenerator return coils, it expands in at least one expansion turbine of the first stage to a pressure at least equal to the lower column pressure into which most of the expanded air is introduced; The expansion turbine expands the air heated in the return coils of the regenerators after pre-treatment of the temperature by mixing with the part of the air flowing out of the snakes, and which was introduced here after expansion in the first stage.

2. Apparatus according to claim 1, consisting essentially of expansion turbines, regenerators, which are connected via valve chambers to the lower and upper rectification columns of the main condensers and subcooling exchangers, characterized in that the output of the regenerators (2), (3) ), is connected directly through the valve chambers (4), (5), or via the return coils in the regenerators (2), (3), and the expansion turbine (6), the first stage of expansion whose displacement is connected to the lower and the second stage expansion expansion turbine (7) at its inlet is connected directly to the bottom column (8) or the first stage expansion expansion turbine (6) and is connected to the valve chambers (5) by its output and regenerators (3) either directly or through the top column (10).