CS220653B1 - Způsob získávání chladu při dělení vzduchu a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález řeší snížení tlaku vstupujícího vzduchu v procesu jeho dělení při nízkých teplotách. Dále řeší výrobu části produktů dělení v kapalném stavu nezávisle na průtoku vzduchu, zpracovávaného v rektifikač· ním systému a bez zvýšení nároků na proces adsorpčního čištění. Tohoto cíle je dosaženo rozdělením adsorpčne vyčištěného· vzduchu na první a druhý proud, z nichž první je dále: dotlačován, chlazen vnějším chlazením a produktem dělení, expandován za konání vnější práce a pak ohříván výměnou tepla s druhým proudem, který je veden k rektifikačnímu dělení. Vynález zahrnuje 1 varianty s dotlačováním prvního proudu s přímým využitím práce, získané jeho expanzí, s částečným získáním adsorpčne vyčištěného vzduchu z ohřátého prvního proudu, případně s využitím prvního proudu pro regeneraci. Dále vynález řeší i zařízení k provádění popsaného způsobu dělení vzduchu.

Description

Vynález se týká způsobu získávání chladu při dělení stlačeného adsorpčně vyčištěného vzduchu rektifikací za nízkých teplot s protiproudou výměnou tepla, dotlačováním vzduchu a expanzí vzduchu za konání vnější práce a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosud známé způsoby získávání chladu při dělení stlačeného adsorpčně vyčištěného vzduchu se provádějí tak, že stlačený a adsorpčně vyčištěný vzduch o přetlaku obvykle větším než 1,3 MPa je ochlazen produkty dělení na teplotu v rozsahu 130 až 170 K, pak je jeho větší část expandována za konání vnější práce na tlak blízký tlaku prvního stupně rektifikace, to je asi 0,6 MPa a vedena k rektifikačnímu dělení. Jiný známý způsob dělení vzduchu využívá expanze za konání vnější práce z tlaku obvykle menšího než 1 MPa na tlak blízký tlaku druhého stupně rektifikace, to je asi 0,14 MPa a tento expandovaný vzduch je pak zaváděn do druhého stupně rektifikace.

Nevýhodou známých způsobů získávání chladu při dělení stlačeného adsorpčně čištěného vzduchu je, že při expanzi na tlak asi 0,6 MPa je nutný vysoký výchozí tlak adsorpčně vyčištěného vzduchu a při zavádění expandovaného vzduchu do druhého stupně rektifikace se zhoršuje dělicí schopnost rektifikačního procesu. Zařízení k provádě-, ní tohoto způsobu musí mít nádoby dimenzované na vysoký tlak, případně musí mít vysoké kolony s velkým počtem pater.

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem získávání chladu při dělení stlačeného adsorpčně vyčištěného vzduchu podle vynálezu, jehož podstatou je rozdělení adsorpčně vyčištěného vzduchu na první a druhý proud, z nichž první je dále dotlačován, ochlazen vnějším chlazením, v protiproudu chlazen vystupujícím produktem dělení a expandován za konání vnější práce, načež se ohřívá výměnou tepla s druhým proudem, který se při tom ochlazuje a po ochlazení je veden k rektifikačnímu dělení.

Přitom může být dotlačování prvního proudu uskutečňováno s přímým využitím práce, získávané expanzí tohoto proudu. Alespoň část prvního proudu se po ohřátí směšuje s atmosférickým vzduchem před kompresí. Popřípadě se alespoň část prvního proudu vyvádí po ohřátí do atmosféry přes adsorbéry, v kterých desorbuje adsorbovaný kysličník uhličitý a vodní páru.

Uvedené nevýhody zařízení k provádění známých způsobů dělení jsou odstraněny zařízením, u něhož výstup adsorpční stanice je propojen jednak přes dotlačovací kompresor, vnější chladič, výměník tepla expanzního vzduchu, expanzní turbinu s prvním prostorem hlavního výměníku tepla, jednak přes druhý prostor hlavního výměníku tepla s rektiflkační kolonou. Hřídel dotlačovacího kompresoru je přitom výhodně spojen s hřídelem expanzní turbiny, první prostor hlavního výměníku je popřípadě propojen potrubím se sáním hlavního kompresoru a/nebo je s výhodou propojen potrubím regenerace s adsorbéry adsorpční stanice.

Výhodou způsobu získávání chladu při dělení stlačeného adsorpčně vyčištěného vzduchu podle vynálezu je nízký vstupní tlak vzduchu do zařízení, z čehož vyplývá nízká spotřeba energie. Další výhodou je možnost výroby chladu a tedy podílu produktů, vyráběných v kapalné formě, nezávisle na průtoku vzduchu, zpracovávaného v rektifikačním systému. Výhodou dotlačování prvního proudu s přímým využitím práce, získané expanzí tohoto proudu je vyloučení energetických ztrát při přenosu, případně přeměně energií. Výhodou získání stlačeného adsorpčně vyčištěného vzduchu stlačením alespoň části prvního proudu po jeho ohřátí je zředění kysličníku uhličitého ve vzduchu, procházejícím procesem adsorpčního čištění a z toho vyplývající snížení investičních i energetických nároků na tento proces.

Výhoda využití Části prvního proudu po jeho ohřátí druhým proudem pro regeneraci adsorbentu v procesu adsorpčního čištění spočívá ve snížení množství vzduchu, zpracovávaného v rektifikačním systému, neboť regenerační médium neprochází tímto systémem. Výhodou zařízení podle vynálezu jsou nízké investiční náklady v důsledku nízkého pracovního tlaku, který se projevuje v menší hmotnosti tlakových nádob a v jednoduchém provedení hlavního kompresoru. Jednoduchost spočívá i v mechanickém spojení hřídele dotlačovacího kompresoru s hřídelem expanzní turbiny. Je-li první prostor hlavního výměníku propojen potrubím se sáním hlavního kompresoru, mohou být menší adsorbéry pro čištění vzduchu. Propojení prvního prostoru hlavních výměníků potrubím s adsorbéry adsorpční stanice je výhodné v případech, kdy rektifikační systém je určen k výrobě maximálního množství dusíku i kyslíku a výroba regeneračního média by zvyšovala nároky na tento systém.

Příkladné provedení způsobu a zařízení podle vynálezu je znázorněno na připojeném obr. 1. Způsobem podle vynálezu se v tomto zařízení vyrábí dusík o čistotě 99,9 proč., kyslík o čistotě 99,5 % a argon o čistotě 95 o/o. Část kyslíku se vyrábí v kapalném stavu. Atmosférický vzduch v množství 300 kmol/h vstupuje do filtru 1 a pokračuje do sání 2 kompresoru 3, kde se k němu mísí čistý vzduch, přicházející potrubím 4 jako recykl z hlavního výměníku 14. Po stlačení v kompresoru 3 na tlak 800 kPa vstupuje stlačený vzduch do vodního chladiče 5, kde se chladí na teplotu 30 °C.

.'Dále se ochlazuje ve výparníku 6 čpavku na teplotu 5 °C. Kapalný čpavek do výparníku 6 dodává chladicí stanice 7. Stlačený vzduch vstupuje dále do prvního adsorbéru adsorpční stanice, zatímco druhý adsorbér je regenerován. Adsorbéry jsou naplněny molekulovým sítem, na kterém se zachycuje vodní pára a kysličník uhličitý. Výstupní potrubí z adsorbéru 8 je rozvětveno a první jeho část 10 je spojena se sáním dotlačovacího kompresoru 11, zatímco druhá část 12 je propojena s druhým prostorem 13 hlavního výměníku 14.

První částí 10 je veden první proud stlačeného a adsorpčně vyčištěného vzduchu v množství 200 kmol/h, který je v dotlačovacím kompresoru 11 dotlačen na tlak 1000 kPa. V chladiči 15 je jeho teplota snížena na 30 °C. Dále první proud prochází výměníkem 16 expanzního vzduchu, v němž se ochladí na teplotu 135 K a vstupuje do expanzní turbiny 17. Zde expanduje na tlak 125 kPa, přičemž se ochlazuje na teplotu 90 K. Práce získaná expanzí se předává hřídelem 18 expanzní turbiny, který je mechanicky spojen s hřídelem dotlačovacího kompresoru 11 tak, že oba hřídele tvoří jediné těleso. První proud, vystupující z expanzní turbiny prochází postupně trubkami zkapalňovače 19 a trubkami hlavního výměníku 14, které tvoří první prostor 20 tohoto výměníku. Ve zkapalňovači 19 i v hlavním výměníku 14 se první proud ohřívá výměnou tepla s druhým proudem, který proudí v mezitrubkovém prostoru, to jest v druhém prostoru 13 hlavního výměníku 14 a v mezitrubkovém prostoru zkapalňovače 19.

Přitom se druhý proud ochladí až na teplotu 104 K a částečně přitom zkapalní. Ze zkapalňovače 19 vstupuje přes regulační ventil 21 do dolní kolony 22, kde se při tlaku 600 kPa rožděluje rektifikaci na kapalný dusík o obsahu 0,01 %^! O₂ a bohatou kapalinu o obsahu 37 % O₂. Kapalný dusík se vede do hlavy horní kolony 23. Bohatá kapalina se vede do deflegmátoru argonové kolony 24, kde se částečně odpaří a plynná i kapalná část pak vstupují do horní kolony 23. V horní koloně probíhá rektifikace, jejímiž produkty jsou kyslík o obsahu 99,5 °/o O₂ a dusík s obsahem 0,01 % O₂. Jako kondenzátor dolní kolony a zároveň vařák horní kolony slouží hlavní kondenzátor 25.

Dusík odchází z hlavy horní kolony trubkovým prostorem zkapalňovače 19, pak se rozděluje na dva proudy, z nichž jeden ochlazuje první proud vzduchu ve výměníku 16 expanzního vzduchu a druhý se podílí na ochlazení druhého proudu vzduchu v samostatném trubkovém prostoru hlavního výměníku 14. Plynný kyslík vystupuje ze zařízení rovněž přes zkapalňovač 19 a hlavní výměník 14. Určitá část kyslíku se vyrábí v kapalném skupenství o čistotě vyšší než 99,5 proč. O₂, je odtahována z kyslíkového prostoru hlavního kondenzátoru a shromažďuje se v zásobníku 26. Ze střední části horní kolony 23 se odtahuje plynná argonová frakce o obsahu 10 % Ar a 0,05 % N₂, která se v argonové koloně 24 dělí na kapalný zbytek o obsahu cca 7 % Ar, který se vrací do horní kolony 23 a surový argon o obsahu 95 %' Ar, který je ze zařízení vyváděn přes příslušné trubkové prostory zkapalňovače 19 a hlavního výměníku 14.

První proud vzduchu po výstupu z prvního prostoru 20 hlavního výměníku 14 je rozdělen na dvě části. První z nich v množství 60 kmol/h je vedena potrubím 27 regenerace, ve kterém je zařazen elektrický ohřívač 28, do druhého adsorbéru 9. V elektrickém ohřívači se jeho teplota zvýší na 260 °C, čímž se v adsorbéru 9 dosahuje regeneračního účinku, to jest odstranění pohlceného kysličníku uhličitého a vody z adsorbentu.

Druhá část prvního proudu vzduchu je vedena potrubím 29 do sání 2 kompresoru 3, kde se mísí s atmosférickým vzduchem a spolu s ním je stlačována v kompresoru 3 a vedena k adsorpčnímu vyčištění.

Adsorbéry 8 a 9 se v pravidelných intervalech vzájemně zaměňují. Potřebné potrubí a armatury nejsou na obr. znázorněny.

V jiném příkladném provedení není zařízení vybaveno argonovou kolonou, případně ani horní kolonou. Další příkladné provedení není určeno pro výrobu kapaliny a expanze prvního proudu vzduchu, který recykluje, zajišťuje výrobu chladu pouze pro krytí ztrát nedokonalou výměnou tepla a izolací. V jiném příkladném provedení je regenerace adsorbéru 9 zajištěna jedním z produktů dělení horní kolony, obvykle dusíkem. Pak je recyklováno celé množství prvního proudu na sání 2 kompresoru 3. Rovněž je možné takové řešení, kdy část vzduchu, expandovaného v turbině 17, je odebírána a známým způsobem vedena k rozdělení v rektifikační koloně, zatímco zbývající první proud je veden přes první prostor 20 hlavního výměníku 14 a potrubím 29 na sání 2 kompresoru 3.

Další výhodou zařízení podle vynálezu je, že dovoluje použít kompresorů s nízkým výstupním tlakem, jako jsou šroubové kompresory, pro výrobu kyslíku a dusíku v plynném, případně i kapalném skupenství, v malých dělicích zařízeních.

Claims (8)

1. Způsob získávání chladu při dělení vzduchu kompresí, adsorpčním Čištěním, protiproudou výměnou tepla, rektifikaci a expanzí vzduchu za konání vnější práce, vyznačující se tím, že stlačený adsorpčně vyVYNALEZU čištěný vzduch je rozdělen na první a druhý proud, z nichž první je dále dotlačován a po případném ochlazení vnějším chlazením je v protiproudu chlazen vystupujícím produktem dělení vzduchu, načež je expandován za konání vnější práce a pak ohříván výměnou tepla s druhým proudem, který se přitom ochlazuje na teplotu 90 až 120 K a dělí se pak rektifikací.

2. Způsob získávání chladu podle bodu 1, vyznačující se tím, že dotlačování prvního proudu je uskutečňováno s přímým využitím práce získané expanzí tohoto proudu.

3. Způsob získávání chladu podle bodů 1 a 2, vyznačující se tím, že alespoň část prvního proudu se po ohřátí směšuje s atmosférickým vzduchem před kompresí.

4. Způsob získávání chladu podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že alespoň část prvního proudu se po ohřátí vyvádí do atmosféry přes adsorbéry, z kterých desorbuje adsorbovaný kysličník uhličitý a vodní pára.

5. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 4, sestávající především z hlavního kompresoru, výměníků tepla, rektifikační kolony, expanzní turbiny, dotlačovacího kompresoru, potrubí a armatur vyznačující se tím, že výstup adsorbéru (8), (9) je propojen jednak přes dotlačovací kompresor (11], vnější chladič (15), výměník tepla expanzního vzduchu (16), expanzní turbinu (17) s prvním prostorem (20) hlavního výměníku tepla (14), jednak přes druhý prostor (13) hlavního výměníku tepla (14) s rektifikační kolonou (22).

6. Zařízení podle bodu 5, vyznačující se tím, že hřídel dotlačovacího kompresoru (11) je mechanicky propojen s hřídelem expanzní turbiny (17).

7. Zařízení podle bodu 5 nebo 6, vyznačující se tím, že první prostor (20) hlavního výměníku (14) je propojen potrubím se sáním hlavního kompresoru (3).

8. Zařízení podle bodů 5, 6 nebo 7, vyznačující se tím, že první prostor (20) hlavních výměníků (14] je propojen potrubím regenerace s adsorbéry (8, 9) adsorpční stanice.

1 list výkresů