CS220653B1

CS220653B1 - A method for obtaining cold in air separation and apparatus for carrying out this method

Info

Publication number: CS220653B1
Application number: CS262281A
Authority: CS
Inventors: Jiri Sykora; Vaclav Chrz; Jan Jirsa
Original assignee: Jiri Sykora; Vaclav Chrz; Jan Jirsa
Priority date: 1981-04-08
Filing date: 1981-04-08
Publication date: 1983-04-29

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.The invention solves the problem of reducing the pressure of the incoming air in the process of its separation at low temperatures. It also solves the problem of producing a part of the separation products in a liquid state independently of the air flow rate processed in the rectification system and without increasing the demands on the adsorption purification process. This goal is achieved by dividing the adsorption-purified air into a first and a second stream, the first of which is further: pressurized, cooled by external cooling and the separation product, expanded by performing external work and then heated by heat exchange with the second stream, which is led to the rectification separation. The invention includes 1 variant with pressurized first stream with direct use of work obtained by its expansion, with partial recovery of adsorption-purified air from the heated first stream, or with the use of the first stream for regeneration. The invention also solves the problem of a device for carrying out the described method of air separation.

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.The invention relates to a process for obtaining cold in the separation of compressed adsorption-purified air by low-temperature rectification with counter-current heat exchange, air pressurization and air expansion while performing external work and apparatus for carrying out the process.

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.The prior art methods for obtaining cold in the separation of compressed adsorption-purified air are carried out in such a way that compressed and adsorption-purified air at an overpressure of usually greater than 1.3 MPa is cooled by the separation products to a temperature of 130 to 170 K. carrying out external work at a pressure close to that of the first stage of rectification, i.e. about 0.6 MPa, and led to a rectification division. Another known air separation method utilizes the expansion to perform external work from a pressure typically less than 1 MPa to a pressure close to the pressure of the second stage of rectification, i.e. about 0.14 MPa, and the expanded air is then introduced into the second stage of rectification.

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.A disadvantage of the known methods of obtaining cold in the separation of compressed adsorption purified air is that a high initial pressure of adsorption purified air is required when expanding to a pressure of about 0.6 MPa and the separation ability of the rectification process is impaired when introducing expanded air into the second stage of rectification. The apparatus for carrying out this method must have vessels designed for high pressure or have high columns with a large number of trays.

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.These disadvantages are overcome by the method of obtaining cold in the separation of compressed adsorption-purified air according to the invention, which consists in dividing the adsorption-purified air into first and second streams, the first being further pressurized, cooled by external cooling, countercurrent cooled by the exiting separation product and expanded external work, whereupon it is heated by exchanging heat with a second stream, which is cooled and, after cooling, is led to rectification separation.

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.In this case, the pressurization of the first stream can be carried out by directly utilizing the work obtained by expanding the stream. At least a portion of the first stream is mixed with atmospheric air after compression before heating. Optionally, at least a portion of the first stream is discharged into the atmosphere, after heating, through adsorbers in which the adsorbed carbon dioxide and water vapor are desorbed.

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.Said disadvantages of the apparatus for carrying out the known separation methods are eliminated by a device in which the outlet of the adsorption station is connected via a pressurized compressor, external cooler, expansion air heat exchanger, expansion turbine with the first main heat exchanger space and column. The pressurizing compressor shaft is preferably connected to the expansion turbine shaft, the first space of the main exchanger is optionally interconnected by the main compressor suction line and / or is preferably connected by the regeneration line to the adsorber of the adsorption station.

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.The advantage of the method of obtaining cold in the separation of compressed adsorption-purified air according to the invention is the low air inlet pressure into the device, resulting in low energy consumption. A further advantage is the possibility of producing cold and thus a proportion of products produced in liquid form, independently of the air flow processed in the rectification system. The advantage of squeezing the first current with direct use of the work obtained by expanding this current is the elimination of energy losses during transmission or energy conversion. The advantage of obtaining compressed adsorption-purified air by compressing at least a portion of the first stream after heating it is to dilute the carbon dioxide in the air through the adsorption purification process and thereby reducing the investment and energy requirements of the process.

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.The advantage of using a portion of the first stream after heating it with the second stream to regenerate the adsorbent in the adsorption purification process is to reduce the amount of air being treated in the rectification system since the regeneration medium does not pass through the system. The advantage of the device according to the invention is the low investment costs due to the low working pressure, which results in a lower weight of the pressure vessels and in a simple design of the main compressor. Simplicity also lies in the mechanical connection of the pressurized compressor shaft to the expansion turbine shaft. If the first space of the main exchanger is interconnected by a duct to the main compressor suction, there may be smaller adsorbers for air purification. Interconnecting the first space of the main exchangers with the adsorbers of the adsorption station is advantageous in cases where the rectification system is designed to produce both maximum nitrogen and oxygen and the production of a regeneration medium would increase the demands on the system.

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.An exemplary embodiment of the method and apparatus of the present invention is illustrated in the accompanying Fig. 1. The method of the present invention produces 99.9% pure nitrogen, 99.5% pure oxygen and 95% pure argon. Part of the oxygen is produced in a liquid state. Atmospheric air at 300 kmol / h enters filter 1 and continues to suction 2 of compressor 3, where it mixes clean air coming through line 4 as a recycle from the main exchanger 14. After compression in compressor 3 to 800 kPa, compressed air enters to a water cooler 5 where it is cooled to 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.It is further cooled in ammonia evaporator 6 to 5 ° C. Liquid ammonia is supplied to the evaporator 6 by the cooling station 7. Compressed air enters the first adsorber of the adsorption station while the second adsorber is regenerated. The adsorbers are filled with a molecular sieve to collect water vapor and carbon dioxide. The outlet conduit from the adsorber 8 is branched and the first part 10 thereof is connected to the suction of the pressurizing compressor 11, while the second part 12 is connected to the second space 13 of the main exchanger 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.A first stream of compressed and adsorbed purified air is passed through the first portion 10 at a rate of 200 kmol / h, which is pressurized to a pressure of 1000 kPa in the pressurizing compressor 11. In the cooler 15, its temperature is reduced to 30 ° C. Further, the first stream passes through an expansion air exchanger 16 in which it is cooled to 135 K and enters the expansion turbine 17. Here it expands to a pressure of 125 kPa while cooling to a temperature of 90 K. The expansion work is passed to the expansion turbine shaft 18. is mechanically connected to the shaft of the pressurized compressor 11 so that both shafts form a single body. The first stream exiting the expansion turbine passes sequentially through the condenser tubes 19 and the main exchanger tubes 14, which form the first space 20 of the exchanger. In both the liquefier 19 and the main exchanger 14, the first stream is heated by heat exchange with a second stream that flows in the inter-tube space, i.e. in the second space 13 of the main exchanger 14 and in the inter-tube space of the liquefier 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.The second stream is cooled down to 104 K and partially liquefied. From the condenser 19 it enters through the control valve 21 to the bottom column 22, where rectification to a liquid nitrogen content of 0.01% is distributed at a pressure of 600 kPa ^. O ₂ and a rich liquid with 37% O ₂ content. The liquid nitrogen is fed to the top of the top column 23. The rich liquid is fed to the argon column deflegmator 24 where it is partially vaporized and the gaseous and liquid portions enter the upper column 23. Rectification is performed in the upper column. 5 ° / o O ₂ and the nitrogen content 0.01% the _second The main condenser 25 serves as both the bottom column condenser and the top column digester.

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.Nitrogen exits from the top of the top column through the conduit space of the condenser 19, then divides into two streams, one of which cools the first air flow in the expansion air exchanger 16 and the other cools the second air flow in a separate tube space of the main exchanger 14. Some of the oxygen is produced in liquid form with a purity higher than 99.5 why. O ₂ is withdrawn from the oxygen space of the main condenser and is collected in a container 26. From the central part of the upper column 23, a gaseous argon fraction containing 10% Ar and 0.05% N ₂ is withdrawn, which is separated into a liquid in the argon column 24. a residue of about 7% Ar that is returned to the top column 23 and a crude argon of 95% Ar that is discharged from the apparatus through the respective tubular spaces of the liquefier 19 and the main exchanger 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.The first air flow after leaving the first space 20 of the main exchanger 14 is divided into two parts. The first, at 60 kmol / h, is passed through a regeneration line 27, which includes an electric heater 28, to a second adsorber 9. In the electric heater, its temperature is raised to 260 ° C, thereby achieving a regenerative effect in the adsorber 9, is the removal of carbon dioxide and water absorbed from the adsorbent.

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.The second part of the first air stream is led through line 29 to the suction 2 of the compressor 3, where it mixes with the atmospheric air and, together with it, is compressed in the compressor 3 and conducted for adsorption cleaning.

Adsorbéry 8 a 9 se v pravidelných intervalech vzájemně zaměňují. Potřebné potrubí a armatury nejsou na obr. znázorněny.The adsorbers 8 and 9 are interchanged at regular intervals. The necessary piping and fittings are not shown in the figure.

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.In another exemplary embodiment, the apparatus is not equipped with an argon column or even an upper column. Another exemplary embodiment is not intended to produce liquid, and the expansion of the first air stream that recycles provides cold production only to cover losses by imperfect heat exchange and insulation. In another exemplary embodiment, regeneration of the adsorber 9 is provided by one of the products of upper column separation, typically nitrogen. Then, the entire amount of the first stream at the suction 2 of the compressor 3 is recycled. It is also possible that a portion of the air expanded in the turbine 17 is taken and routed in a known manner to the distribution in the rectification column. the main exchanger 14 and the line 29 at the suction 2 of the compressor 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.A further advantage of the device according to the invention is that it allows the use of low outlet pressure compressors, such as screw compressors, for the production of oxygen and nitrogen in the gaseous and possibly liquid form in small separators.

Claims

A method of obtaining cold in air separation by compression, adsorption purification, countercurrent heat exchange, rectification and expansion of air while performing external work, characterized in that the compressed adsorption air is divided into first and second streams, the first of which is further pressurized and, if necessary, cooled by external cooling, it is countercurrently cooled by the exiting air separation product, then expanded to carry out external work and then heated by heat exchange with a second stream which is cooled to 90 to 120 K and separated by rectification.

2. The method for obtaining cold according to claim 1, characterized in that the pressurization of the first stream is carried out with direct use of the work obtained by expanding the stream.

3. A method according to claim 1, wherein at least a portion of the first stream is mixed with atmospheric air prior to compression.

4. A method according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a portion of the first stream, after heating, is discharged into the atmosphere through adsorbers from which the adsorbed carbon dioxide and water vapor are desorbed.

Device for carrying out the method according to Claims 1 to 4, consisting essentially of a main compressor, heat exchangers, rectification column, expansion turbine, pressurizing compressor, pipes and fittings, characterized in that the outlet of the adsorber (8), (9) is connected via a pressurized compressor (11), an external cooler (15), an expansion air heat exchanger (16), an expansion turbine (17) with a first space (20) of the main heat exchanger (14) and a second space (13) of the main heat exchanger ( 14) with a rectification column (22).

Device according to claim 5, characterized in that the shaft of the pressurized compressor (11) is mechanically connected to the shaft of the expansion turbine (17).

Device according to claim 5 or 6, characterized in that the first space (20) of the main heat exchanger (14) is connected by a duct to the suction of the main compressor (3).

Device according to Claims 5, 6 or 7, characterized in that the first space (20) of the main exchangers (14) is connected by a regeneration line with the adsorber (8, 9) of the adsorption station.

1 sheet of drawings