CS218406B1

CS218406B1 - Způsob rozdělování zpětných proudů a kondenzátů při praní plynu kapalným dusíkem a zařízení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CS218406B1
Application number: CS325981A
Authority: CS
Inventors: Ludek Vins; Martin Vins
Original assignee: Ludek Vins; Martin Vins
Priority date: 1981-05-04
Filing date: 1981-05-04
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Vynález se týká způsobu rozdělování zpětných proudů a kondenzátů pro ochlazování výchozího plynu a dusíku při praní plynu kapalným dusíkem při molárním obsahu metanu ve výchozím plynu 0,2 až 12 proč., s expanzí odpadního plynu v expanzní turbíně, za účelem výroby dusíkovodíkové směsi pro syntézu čpavku a zařízení k provádění tohoto způsobu. Kapalný dusík se přidává zvlášť do dusíkovodíkové směsi ochlazující výchozí plyn a zvlášť do dusíkovodíkové směsi ochlazující dusík. Množství dusíkovodíkové směsi ochlazující výchozí plyn je úměrné množství výchozího plynu. Zařízení je vybaveno armaturami a regulačními obvody umožňujícími uvedený způsob.

Description

Vynález se týká způsobu rozdělování zpětných proudů a kondenzátů pro ochlazování výchozího plynu a dusíku při praní plynu kapalným dusíkem při molárním obsahu metanu ve výchozím plynu 0,2 až 12 %, s expanzí odpadního plynu v expanzní turbíně, za účelem výroby dusíkovodíkové směsi pro syntézu čpavku a zařízení k provádění tohoto způsobu.

V zařízeních na praní plynu kapalným dusíkem je třeba ochladit výchozí plyn obsahující vodík, dusík, kysličník uhelnatý, argon a metan na teplotu až —190 °C a právě tak dusík určený k praní plynu a doplňování dusíkovodíkové směsi. K chlazení těchto médií jsou k dispozici produkty praní plynu, a sice dusíkovodíkové směs doplňovaná dusíkem a odpadní plyn obsahující dusík, pohlcený vodík a všechen kysličník uhelnatý, argon a metan z výchozího plynu. Ke konečnému ochlazení výchozího plynu a dusíku se používá odpařování kapalného dusíku do dusíkovodíkové směsi v tzv. sytiči, umístěném nad promývací kolonou. Před sytičem se výchozí plyn a dusík ochlazují odděleně, a proto je nutné rozdělit i frakce. V současné době se postupuje tak, že se všechen odpadní plyn po seškrcení na tlak kolem 1 MPa odpaří a ohřeje v protiproudu k dusíku, načež expanduje v expanzním stroji na tlak blízký atmosférickému a ohřátím na okolní teplotu ochlazuje dusík. Odpadní plyn nestačí na ochlazení a kondenzaci dusíku. Proto se část dusíkovodíkové směsi ohřívá proti dusíku, zatímco hlavní část dusíkovodíkové směsi ochlazuje výchozí plyn. Na výstupu ze sytíce se dusíkovodíkové směs buď před rozdělením na uvedené dva proudy doplňuje kapalným, popřípadě plynným dusíkem (přídavný dusík) tak, aby vznikla směs 3H₂ + + N₂ potřebná pro syntézu čpavku, nebo se všechen přídavný dusík zavádí do směsi ochlazující dusík v takovém množství, aby po smíšení obou proudů vznikla směs 3H₂ + N₂. Uvedený druhý způsob lze použít jen v případě malého obsahu metanu ve výchozím plynu.

První způsob umožňuje kondenzaci části metanu a dalších složek před sytičem při vyšším obsahu metanu ve výchozím plynu, avšak křivka ohřevu přiléhá ke křivce ochlazování v diagramu tepelný tok — teplota jen při určitém obsahu metanu ve výchozím plynu, který odpovídá odpaření přídavného dusíku v dusíkovodíkové směsi o složení 3H₂ + N₂. Běžně dochází k rozevírání ochlazovací a ohřívací křivky, což je z termodynamického hlediska nevýhodné. Při větším obsahu metanu se obvykle ochlazování výchozího· plynu doplňuje odpařováním kondenzátu odloučeného před sytičem po seškrcení na nízký tlak v samostatném prostoru výměníku tepla, což zdražuje zařízení a komplikuje provoz.

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob rozdělování zpětných proudů a kondenzátů při praní plynu kapalným dusíkem se sycením vodíku dusíkem v sytiči nad promývací kolonou, s expanzí odpadního plynu v expanzním stroji, s ochlazováním plynu jednou částí dusíkovodíkové směsi a s ochlazováním dusíku druhou částí dusíkovodíkové směsi a odpadním plynem před expanzí a po expanzi a s doplňováním dusíkovodíkové směsi kapalným dusíkem na složení 3H₂ + + N₂, jehož podstata spočívá v tom, že se kapalný dusík přidává zvlášť do dusíkovodíkové směsi ochlazující dusík a zvlášť do dusíkovodíkové směsi ochlazující výchozí plyn, přičemž množství dusíkovodíkové směsi ochlazující výchozí plyn je úměrné množství výchozího plynu a přidáváním kapalného dusíku do této části dusíkovodíkové směsi se zajišťuje, aby teplota výchozího plynu před sytičem nestoupla nad 100 K, zatímco přidáváním kapalného dusíku do dusíkovodíkové směsi ochlazující dusík se po smíšení obou proudů dusíkovodíkové směsi dosáhne složení 3H₂ + N₂, přičemž kondenzát z výchozího plynu (metanová frakce) se zavádí buď do expandovaného odpadního plynu, nebo se všechen, popřípadě část spolu s výchozím plynem dále ochlazuje v sytiči, odkud se zavádí do· odpadního plynu před expanzí v expanzním stroji.

K provádění navrženého způsobu rozdělování zpětných proudů bylo navrženo nové zařízení. Podstata zařízení sestávajícího z výměníků tepla výchozího plynu, promývací kolony se sytičem, tří výměníků tepla na chlazení dusíku, expanzního stroje, armatury, měřicích přístrojů a regulačních obvodů je v tom, že regulační ventil ve výstupním potrubí dusíkovodíkové směsi na straně dusíku je regulačním obvodem propojen s průtokoměrem v tomtéž potrubí a s průtokoměry v potrubí výchozího plynu a v potrubí dusíkovodíkové směsi na straně výchozího plynu, přičemž škrticí ventil kapalného dusíku, umístěný v potrubí mezi potrubím dusíku a dusíkovodíkové směsi na straně dusíku za sytičem, je propojen regulačním obvodem s průtokoměrem v témže potrubí a analyzátorem dusíkovodíkové směsi v potrubí dusíkovodíkové směsi 3H₂ + + N₂ a dále škrticí ventil kapalného dusíku, umístěný v potrubí mezi potrubím dusíku a dusíkovodíkové směsi na straně výchozího plynu za sytičem, je propojen regulačním obvodem s průtokoměrem a teploměrem výchozího plynu před sytičem, zatímco škrticí ventil kondenzátu výchozího plynu (metanové frakce) je propojen regulačním obvodem s hladinoměrem se sběrači a teploměrem výchozího plynu před sytičem a sběrač je propojen trubkou s potrubím výchozího plynu před sytičem ve výši hladiny kondenzátu ve sběrači.

Výhoda způsobu rozdělování zpětných proudů a zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že výměna tepla v hlavním výměníku tepla, tj. ve výměníku tepla výchozího plynu probíhá s málo proměnlivým teplot218406 ním spádem v celém rozsahu teplot, což je z termodynamického hlediska výhodné. Provedení podle vynálezu umožňuje provoz zařízení v širokých mezích obsahu metanu ve výchozím plynu, aniž by bylo nutno použít vícemédiový výměník tepla pro ochlazování výchozího plynu.

Uskutečnění způsobu a provedení zařízení je zřejmé z následujícího příkladu s přiloženým výkresem, na němž je schematicky znázorněno příkladné provedení zařízení podle vynálezu.

Zařízení sestává z výměníku 1 tepla, sběrače 2, sytiče 3, promývací kolony 4, výměníků 5, 6, 7 tepla pro ochlazování dusíku a expanzní turbíny 8 s brzdicím generátorem a dále z potrubí jednotlivých médií.

Jedná se o potrubí 9 výchozího plynu, potrubí 10 dusíku, potrubí 11 dusíkovodíkové směsi na straně výchozího plynu do zařízení 12 na praní výchozího plynu metanolem, potrubí 13 z praní výchozího plynu metanolem, potrubí 14 dusíkovodíkové směsi na straně dusíku, potrubí 15 odpadního plynu a potrubí 16 metanové frakce. Zařízení je dále vybaveno škrticím ventilem 17 v potrubí metanové frakce, hladinoměrem 18, škrticím ventilem 19 v potrubí odpadního plynu, mě.řičem 20 tlakové diference, škrticím ventilem 21 v potrubí kapalného dusíku, průtokoměrem 22, hladinoměrem 23, škrticím ventilem 24 v potrubí kapalného dusíku, průtokoměrem 25, analyzátorem 26, škrticím ventilem 27 kapalného dusíku, průtokoměrem 28, teploměrem 29 výchozího· plynu, regulačním ventilem 30 v potrubí dusíkovodíkové směsi na straně dusíku, průtokoměrem 31 dusíkovodíkové směsi na straně dusíku, průtokoměrem 32 výchozího· plynu, průtokoměrem 33 dusíkovodíkové směsi na straně výchozího plynu, potrubím 34 dusíkovodíkové směsi 3H₂ + + N₂ a přepouštěcí trubkou 35 ze sběrače 2 do potrubí výchozího plynu za výměníkem

1.

Funkce zařízení je dále vysvětlena pro tři různá molární složení výchozího plynu v %:

výchozí plyn

ABC

H₂

CO

N₂ ch₄ c₂h₄

88,4	83	91,8
5,4	5,4	3,2
1,5	1,5	1,2
4,6	10	3,8
0,1	0,1	0,0

Výchozí plyn o· tlaku 2,4 MPa a teplotě 218 K vstupuje potrubím 9 do výměníku 1, kde se ochladí dusíkovodíkovou směsí na teplotu 100 K, v případě složení A a B a na teplotu 92 K v případě složení C. Při tomto· ochlazení zkondenzuje první část výchozího plynu — metanové frakce, která se shromažďuje ve sběrači 2. Výchozí plyn se dále ochlazuje v mezltrubkovém prostoru sytiče 3 na teplotu 83 K dusíkovodíkovou směsí, do níž se odpařuje dusík. Přitom zkondenzuje další část příměsi. Zbylý plyn prochází promývací kolonou 4, kde se promývá kapalným dusíkem. Ve spodku promývací kolony 4 se shromažďuje kapalný odpadní plyn obsahující kysličník uhelnatý, argon, metan a pohlcený vodík.

Dusík o tlaku 2,7 MPa a teplotě 308 K, vstupující potrubím 10, se ochlazuje a kondenzuje ve výměnících 7, 6, 5 tepla dusíkovodíkovou směsí a odpadním plynem. Teplota kapalného dusíku za výměníkem 5 je 90 K. Takto ochlazený dusík se dělí na tři proudy. Hlavní část dusíku se škrtí ventilem 21 a přichází na vrch sytiče 3, kde stéká v protiproudu k dusíkovodíkové směsi do promývací kolony 4, přičemž se částečně odpařuje a dále se ochlazuje. Množstvím tohoto dusíku se udržuje konstantní průtok všeho dusíku měřeného průtokoměrem 22, jehož zadaná hodnota se mění tak, aby poměr tohoto průtoku a průtoku výchozího plynu (průtokoměr 32) byl konstantní.

Zadaná hodnota poměru průtoků se mění podle hladinoměru 23 odpadního plynu ze spodku promývací kolony 4. Druhá část dusíku se škrtí ventilem 24 do dusíkovodíkové směsi na vstupu do výměníku 5. Množství tohoto dusíku se udržuje průtokoměrem 25, jehož zadaná hodnota se nastavuje podle analyzátoru 26. Třetí část dusíku se škrtí ventilem 27 do dusíkovodíkové směsi na vstupu do výměníku 1. Množství tohoto dusíku se udržuje průtokoměrem, jehož zadaná hodnota se nastavuje podle teploměru 29. V případě složení výchozího plynu A a C je tento ventil uzavřen.

Dusíkovodíková směs vystupuje ze sytiče 3 o teplotě a molárním složení pro plyn A 87,8 K, 80,6 % H₂, pro plyn B 87,5 K, 81 % H₂, pro plyn C 83,7 K, 86 % H₂. Větší část dusíkovodíkové směsi se ohřívá ve výměníku 1 na teplotu 213 K a dále se ohřívá v zařízení 12 na praní plynu metanolem.

V případě výchozího plynu B se do dusíkovodíkové směsi na vstupu do· výměníku 1 přivádí kapalný dusík škrticím ventilem 27 o množství potřebném pro udržení teploty výchozího plynu 100 K, čímž se zvýší množství dusíku v dusíkovodíkové směsi na 25 %. Poměr množství výchozího plynu měřeného průtokoměrem 32 a množství du218 síkovodíkové směsi měřené průtokoměrem 33 je přibližně 1. Zbylá část dusíkovodíkové směsi spolu s kapaným přídavným dusíkem se ohřívá ve výměnících 5, 6 a 7 až na teplotu 303 K.

Přídavný dusík se škrtí ventilem 24 do dusíkovodíkové směsi na vstupu do výměníku 5. Množství přídavného dusíku se řídí podle analyzátoru 26, který je umístěn v potrubí 34 dusíkovodíkové směsi, a který působí na zadanou hodnotu průtoku průtokoměrem 22 tak, aby výsledná dusíkovodíková směs v potrubí 34 měla složení 3H₂ + + N₂. Tato část dusíkovodíkové směsi má molární koncentraci dusíku pro plyn A 53,7 proč. pro plyn B 25 % a pro plyn C 76,3 %’.

Rozdělení dusíkovodíkové směsi řídí regulační ventil 30, jehož průtok na průtokoměru 31 je přestavován v závislosti na poměru průtoků měřených průtokoměry 32 a 33. Dusíkovodíková směs z praní plynu metanolem a dusíkovodíková směs ze strany dusíku se zavádějí potrubím 13, resp.

do výstupního potrubí 34 dusíkovodíkové směsi.

Metanová frakce ze sběrače 2 se v případě výchozích plynů A a B škrtí ventilem 17 a zavádí se potrubím 18 do expandovaného odpadního plynu za expanzní turbí-

Claims

1. Způsob rozdělování zpětných proudů a kondenzátů při praní plynu kapalným dusíkem se sycením vodíku dusíkem s expanzí odpadního plynu, s ochlazováním plynu jednou částí dusíkovodíkové směsi a s ochlazováním dusíku druhou částí dusíkovodíkové směsi a odpadním plynem před expanzí a po expanzi a s doplňováním dusíkovodíkové směsi kapalným dusíkem na složení 3H₂ + N₂ vyznačený tím, že se kapalný dusík přidává zvlášť do· dusíkovodíkové směsi ochlazující dusík a zvlášť do dusíkovodíkové směsi ochlazující výchozí plyn, přičemž množství dusíkovodíkové směsi ochlazující výchozí plyn je úměrné množství výchozího plynu a přidáváním kapalného dusíku do této části dusíkovodíkové směsí se zajišťuje, aby teplota výchozího plynu před sytičem nestoupla nad 100 K, zatímco přidáváním kapalného· dusíku do dusíkovodíkové směsi ochlazující dusík se po smísení obou proudů dusíkovodíkové směsi dosáhne složení 3H₂ + N₂, přičemž kondenzát z výchozího- plynu, tj. metanová frakce, se zavádí buď do expandovaného· odpadního plynu, nebo se všechen, popř. část spolu s výchozím plynem dále ochlazuje a zavádí do odpadního plynu před expanzí.

2. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1, sestávající z výměníku tepla výchozího plynu, promývací kolony se sytičem,

0 6 nou 8. V případě výchozího plynu C je škrticí ventil 17 uzavřen a metanová frakce se převádí přepouštěcí trubkou 35 do potrubí výchozího plynu za výměníkem 1. Škrticí ventil 17 je ovládán hladinoměrem 18, jehož zadaná hodnota se nastavuje podle údaje teploměru 29 tak, aby při poklesu teploty pod 100 K započalo převádění metanové frakce přepouštěcí trubkou 35.

Odpadní plyn ze spodku promývací kolony 4 se škrtí ventilem 19 na tlak 1,2 MPa tak, aby tlaková ztráta odpařujícího se odpadního plynu ve výměnících 5 a 6 měla nastavenou hodnotu. Odpadní plyn po odpaření a ohřátí ve výměnících 5 a 6 na teplotu 180 K expanduje v expanzní turbíně 8 na tlak 0,18 MPa, načež se po případném přidání metanové frakce (v případě výchozích plynů A a B) ohřívá ve výměnících 6 a 7 na teplotu 303 K.

Způsob rozdělování zpětných proudů a kondenzátů při praní plynu kapalným dusíkem a zařízení k provádění tohoto· způsobu lze s výhodou použít při výrobě čpavku zplyňováním tuhých paliv v tlakových generátorech pro široký rozsah kvality tuhých paliv a pro široký rozsah způsobu zplyňování.

ynAlezu tří výměníků tepla na chlazení dusíku, expanzního stroje, armatury, měřicích přístrojů a regulačních obvodů, vyznačené tím, že regulační ventil (30) ve výstupním potrubí dusíkovodíkové směsi na straně dusíku je regulačním obvodem propojen s průtokoměrem (31) v tomtéž potrubí a s průtokoměry (32) a (33) v potrubí výchozího plynu a v potrubí dusíkovodíkové směsi na straně výchozího plynu, přičemž škrticí ventil (24) kapalného dusíku, umístěný v potrubí mezi potrubím dusíku a dusíkovodíkové směsi na straně dusíku za sytičem (3j, je propojen regulačním obvodem s průtokoměrem (25) v témže potrubí a analyzátorem (26) dusíkovodíkové směsi v potrubí dusíkovodíkové směsi 3H₂ + N₂ a dále škrticí ventil (27) kapalného· dusíku, umístěný v potrubí mezi potrubím dusíku a dusíkovodíkové směsi na straně výchozího plynu za sytičem (3), je propojen regulačním obvodem s průtokoměrem (28) a teploměrem (29) výchozího plynu před sytičem (3), zatímco škrticí ventil (17) kondenzátu výchozího plynu, tj. metanové frakce, je propojen regulačním obvodem s hladinoměrem (18) ve sběrači (2) a teploměrem (29) výchozího plynu před sytičem (3) a sběrač (2) je propojen trubkou s potrubím výchozího plynu před sytičem (3j ve výši hladiny kondenzátu ve sběrači (2).