CS254251B1

CS254251B1 - Method of oxygen or nitrogen production with varying discharge by means of low-temperature air distribution and equipment for its realization

Info

Publication number: CS254251B1
Application number: CS812721A
Authority: CS
Inventors: Josef Borovicka; Jan Jirsa; Jiri Sykora
Original assignee: Josef Borovicka; Jan Jirsa; Jiri Sykora
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1988-01-15
Also published as: CS272181A1

Abstract

Způsob výroby kyslíku nebo dusíku o proměnném způsobu řeší optimální využití tlakového vzduchu podle momentálně žádaného průtoku produktu dělení· Uvedeného cíle se dosahuje tím, že při sníženém nebo zvýšeném průtoku produktu dělení se přímo úměrně regulátorem otáček pohonu vzduchového kompresoru sníží anebo zvýší otáčky pohonu vzduchového kompresoru, přičemž při dosažení maximálního průtoku produktu dělení se akční armatura v potrubí vyráběného produktu udržuje jeho průtok. Zařízení k realizaci uvedeného způsobu výroby se zakládá na tom, že regulátor průtoku produktu dělení je propojení s regulátorem otoček pohonu vzduchového kompresoru a současně s akční armaturou v potrubí produktu dělení. Způsob výroby kyslíku nebo dusíku o proměnném průtoku nízkoteplotním dělením vzduchu i zařízení k provádění tohoto způsobu najde uplatnění tam, kde jsou žádány časté změny u průtoku produktu dělení nebo kde dochází k častým změnám v průtoku produktu dělení.Process for producing oxygen or nitrogen the optimal way to solve a variable way the use of compressed air at the moment the desired flow rate of the separation product the goal is achieved by reducing it or increased flow rate of the separation product directly proportional to the speed controller the air compressor drive is lowered or lowered Increases the speed of the air drive compressor, while at maximum flow product division with action fitting in pipeline of manufactured product it keeps its flow. Implementation equipment production method is based on that the flow regulator of the division product is a connection with air speed control knob compressor and simultaneously with the actuator in the product piping division. Way production of oxygen or nitrogen by a variable flow through low temperature air separation a device for performing the method finds application where they are requested frequent changes in the product flow rate or where frequent changes in flow occur product division.

Description

Vynález se týká výroby kyslíku nebo dusíku nízkoteplotním dělením vzduchu s častým proměn ným průtokem produktů dělení a zařízení k provádění tohoto způsobu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the production of oxygen or nitrogen by low temperature air separation with frequent variable flow of separation products and to an apparatus for carrying out the process.

Kyslík nebo dusík se vyrábí rektifikací zkapalněného vzduchu, přičemž chladicí výkon je získáván expansí částí zpracovávaného vzduchu, nebo expansí odpadního kyslíku či dusíku za konání vnější práce v expansní turbině. Technologický režim rektifikačního systému charakterizuje průtok a koncentrace vystupujícího kyslíku a nebo dusíku a dále průtok vzduchu pro nízkoteplotní rektifikací. Průtok vzduchu, potřebný pro výrobu kyslíku a nebo dusíku, určuje energetickou náročnost výroby. Doposud známý způsob výroby požadovaného průtočného množství produktu nízkoteplotního dělení vzduchu, stlačovaného například objemovým kompresorem, kde je požadavek na časté změny v regulaci průtoku vyráběného produktu a kde pohon kompresoru je elektromotorem, spočíval například na tom, že vzduchový kompresor se škrtil v sání podle požadovaného průtoku produktu dělení.Oxygen or nitrogen is produced by rectifying the liquefied air, the cooling performance being obtained by expanding a portion of the treated air, or by expanding waste oxygen or nitrogen while performing external work in the expansion turbine. The technological mode of the rectification system is characterized by the flow and concentration of the exiting oxygen and / or nitrogen, as well as the air flow for low-temperature rectification. The air flow required for the production of oxygen and / or nitrogen determines the energy intensity of the production. The prior art method for producing the desired flow rate of a low temperature air separation product, compressed by, for example, a volumetric compressor, where frequent changes in the flow rate of the product being produced is required and where the compressor drive is an electric motor product division.

škrcení v sání kompresoru vede ke snížení tlaku vzduchu ve válci na konci sání a tím . i ke snížení hmotnosti nasávaného vzduchu. U objemových kompresorů se tak zhoršuje objemová účinnost. S klesajícím tlakem v sání roste tlakový poměr, stoupá konečná kompresní teplota a je třeba dbát na to, aby nedosáhla nebezpečně vysoké hodnoty. Po stránce energetické je výroba nižšího průtočného množství kyslíku než je jmenovité množství energeticky náročnější, nebot měrná kompresní práce se při sníženém průtoku vzduchu zvyšuje. Jiné řešení používalo pro spojitou regulaci vyráběného kyslíku plynulé zvětšování a nebo zmenšování škodlivého prostoru vzduchového kompresoru. Výkonnost pístového kompresoru se měnila změnou objemové účinnosti, která je úměrná velikosti škodlivého prostoru. Zařízení pro regulaci tímto způsobem se však pro složitost nevyrábí. Nejčastěji doposud používané snížení průtoků vyráběného produktu ze vzduchu, který je stlačován objemovým kompresorem, je přepouštěním částí stlačeného vzduchu z výtlaku do atmosféry. Toto řešení je výhodné z hlediska spojitosti a jednoduchostí .regulace, má však vážnou nevýhodu plné spotřeby elektrické energie i při sníženém průtoku * vyráběného produktu dělení.the throttle in the compressor suction leads to a reduction in the air pressure in the cylinder at the end of the suction and thus. and to reduce the weight of the intake air. Thus, volumetric compressors deteriorate the volumetric efficiency. As the suction pressure decreases, the pressure ratio increases, the final compression temperature increases, and care must be taken not to reach dangerously high values. In terms of energy, the production of a lower oxygen flow rate than the nominal amount is more energy intensive, as the specific compression work increases with reduced air flow. Another solution used to continuously increase or decrease the harmful space of the air compressor to continuously control the oxygen produced. The performance of a reciprocating compressor was varied by varying the volumetric efficiency, which is proportional to the amount of harmful space. However, because of its complexity, control devices in this manner are not produced. The most commonly used reduction of the product flow to date from air which is compressed by a positive displacement compressor is the transfer of portions of compressed air from the discharge to the atmosphere. This solution is advantageous in terms of coherence and simplicity of regulation, but has the serious disadvantage of full power consumption even with reduced flow rate of the product of separation.

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem výroby kyslíku nebo dusíku o proměnném průtoku nízkoteplotním dělení tlakového vzduchu spočívající v tom, že při sníženém nebo zvýšeném průtoku produktu dělení se přímo úměrně regulátorem otáček pohonu vzduchového kompresoru sníží nebo zvýší otáčky pohonu vzduchového kompresoru, přičemž při dosažení maximálního průtoku produktu dělení se akční armaturou v potrubí vyráběného produktu udržuje jeho maximální průtok.These disadvantages are overcome by the method of producing oxygen or nitrogen of variable flow through a low temperature split air compressor in that, when the flow rate of the split product is reduced or increased, the air compressor drive speed is reduced or increased proportionally, while reaching maximum product flow. dividing with an action fitting in the product pipeline maintains its maximum flow rate.

Nevýhody stávajících zařízení odstraňuje zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, které sestává především ze vzduchového kompresoru s pohonem a z nízkoteplotního bloku pro dělení vzduchu, ze kterého je vyvedeno potrubí dusíku a nebo kyslíku s regulátorem průtoku produktu dělení vzduchu, vyznačující se tím, že regulátor průtoku produktu dělení je připojený na regulátor otáček pohonu vzduchového kompresoru a současně na akční armaturu v potrubí produktu dělení.Disadvantages of the existing devices are eliminated by a plant for carrying out the method according to the invention, which consists primarily of a propelled air compressor and a low-temperature air separation block from which the nitrogen and / or oxygen piping is discharged with an air separation product flow regulator. The split is connected to the speed controller of the air compressor drive and at the same time to the action fitting in the split product line.

Hlavní výhodou způsobu výroby kyslíku nebo dusíku podle vynálezu je to, že umožňuje vyrábět kyslík a nebo dusík o proměnném průtoku podle požadavků navazujících technologií s nízkou měrnou spotřebou elektrické energie, která se blíží měrné spotřebě elektrické energie při nominálním režimu. Zařízení k provádění způsobu dle vynálezu je vhodné při využití tyristorové regulace otáček elektropohonu vzduchového kompresoru především tam, kde se vzduch stlačuje v objemovém kompresoru a kde jiná regulace by byla nevhodná.The main advantage of the method of producing oxygen or nitrogen according to the invention is that it allows to produce oxygen and / or nitrogen of variable flow rate according to the requirements of downstream technologies with low specific power consumption that approximates the specific power consumption at nominal mode. The device for carrying out the method according to the invention is suitable when using thyristor speed control of an electric compressor of an air compressor, especially where air is compressed in a positive displacement compressor and where other control would be unsuitable.

Příkladný způsob výroby proměnného požadovaného množství kyslíku nebo dusíku z nízkoteplotního dělení vzduchu dle vynálezu je zobrazen na výkrese. Z výkresu je zřejmé i zařízení k provádění, uvedeného způsobu. Na výkrese je zjednodušeně zakresleno zařízení pro výrobu čistého dusíku a odpadního ksylíku, kde vzduch pro nízkoteplotní dělení je stlačován šroubovým kompresorem, který je poháněn asynchronním elektromotorem.An exemplary method for producing a variable oxygen or nitrogen demand from the low temperature air separation of the invention is shown in the drawing. The device for carrying out the method is also apparent from the drawing. In the drawing, there is a simplified drawing of a device for the production of pure nitrogen and waste oxygen, where the air for low temperature separation is compressed by a screw compressor which is driven by an asynchronous electric motor.

Zařízení pro výrobu čistého dusíku a odpadního kyslíku sestává především ze šroubového kompresoru Ί_ poháněného asynchronním elektromotorem 6_, čistícího bloku 25 a z nízkoteplotního bloku 26 pro dělení vzduchu. Nízkoteplotní blok 26 se skládá z hlavního výměníku 21, z tlakové kolony 19, z podchlazujícího výměníku 20, vařáku - kondenzátoru 18 a z expansní turbinyThe plant for producing pure nitrogen and waste oxygen consists mainly of a screw compressor 7 driven by an asynchronous electric motor 6, a cleaning block 25 and a low-temperature air separation block 26. The low temperature block 26 comprises a main exchanger 21, a pressure column 19, a subcooling exchanger 20, a reboiler-condenser 18, and an expansion turbine.

11. Hlavní aparáty čistícího bloku 25 jsou adsorbéry 12, 13 a elektroohřívač 14.The main apparatuses of the cleaning block 25 are adsorbers 12, 13 and an electric heater 14.

Šroubový kompresor 1_ je sáním spojen přes filtr 8^ s atmosférou, kdežto výtlak kompresoru je propojen přes chladič 9_, odlučovač 10, jeden z adsorbérů 12, 13 a hlavní výměník 21 s tlakovou kolonou 19. Dolní část tlakové kolony 19 je připojena přes podchlazovací výměník 20 a regulační ventil 22 s vařákovou částí vařáku - kondenzátoru 18, kdežto horní část tlakové kolony 19 je propojena s výstupním potrubím 24 čistého dusíku přes kondensátorovou část vařáku - kondensátoru 18 a hlavní výměník 21.The screw compressor 7 is sucked through the filter 8 with the atmosphere, while the compressor discharge is connected via a cooler 9, a separator 10, one of the adsorbers 12, 13 and the main exchanger 21 to the pressure column 19. The lower part of the pressure column 19 is connected via a subcooling exchanger. 20 and the control valve 22 with the digester portion of the digester-condenser 18, while the top of the pressure column 19 is connected to the pure nitrogen outlet line 24 via the condenser portion of the digester-condenser 18 and the main exchanger 21.

Výstupní potrubí 23 z vařákové části vařáku - kondensátoru 18 je napojeno přes pod- . chlazovací výměník 20 a hlavní výměník 21 na vstup do expansní turbiny 11 a výstup z expanzní turbiny je propojen s atmosférou přes hlavní výměník 21 a dále jednak přes elektroohřívač 14 a jeden z adsorbérů 12 nebo 13 a též paralelně potrubím 16 odpadního dusíku s instalovanou regulační klapkou 15. Ve výstupním potrubí 24 čistého dusíku je instalována akční armatura 27 a snímač 17 pro měření průtoku čistého dusíku. Pohon akční armatury 27 je propojen přes regulátor průtoku FC 2_ se snímačem 17. Regulátor průtoku FC 2. je současně připojen na tyristorový regulátor 1. otáček asynchronního motoru 6. přes regulační zařízení SC 5^The outlet conduit 23 from the digester portion of the digester-condenser 18 is connected via a sub-conduit. the cooling exchanger 20 and the main exchanger 21 to the inlet to the expansion turbine 11 and the outlet from the expansion turbine are connected to the atmosphere via the main exchanger 21, and secondly through an electric heater 14 and one of the adsorber 12 or 13 15. An action valve 27 and a sensor 17 for measuring pure nitrogen flow are installed in the pure nitrogen outlet line 24. The actuator of the actuator 27 is connected via the flow controller FC 2 to the sensor 17. The flow controller FC 2 is simultaneously connected to the thyristor speed controller 1 of the asynchronous motor 6 via the control device SC 5 ^.

Na regulační zařízení SC _5 je připojen též regulátor koncentrace QC 3_ přes korekční člen 4.A concentration controller QC 3 is also connected to the control device SC 5 via a correction element 4.

Atmosférický vzduch pro výrobu se nasává přes filtr 8_ šroubovým kompresorem Ί_ a stlačí se na tlak 1,0 MPa a z výtlaku kompresoru 7_ ^se P° ochlazení .vodou na teplotu 20 °C v chladiči 2 vede přes odlučovač 10 k adsorpčnímu čištění od vodní páry a kysličníku uhličitého do čistícího bloku 25 a odtud do nízkoteplotního bloku 26. Vzduch zbavený vodní páry a kysličníku uhličitého v adsorbérů 12 a nebo 13 se dále v nízkoteplotním bloku 26 chladí k teplotě sytosti vystupujícími produkty dělení v hlavním výměníku 21. Takto ochlazený vzduch se potom rozdělí reaktifikací v tlakové koloně 19 na čistý dusík s obsahem 5 ppm a na odpadní kyslík s koncentrací 40% 02« Odpadní kyslík ve formě kapaliny se shromažďuje v patě tlakové kolony 19 a po podchlazení v podchlazujícím výměníku 20 odpařeným odpadním kyslíkem se nastřikuje do vařáku - kondensátoru 18.The process air is sucked through the filter 8 through a screw compressor 7 and compressed to a pressure of 10 bar and from the compressor discharge 7 ^with P ° water cooling to 20 ° C in the cooler 2 leads through a separator 10 to adsorption purification of water vapor. The carbon dioxide-free air in the adsorber 12 or 13 is further cooled in the low-temperature block 26 to the saturation temperature by the effluent separation products in the main exchanger 21. The cooled air is then separated. By reacting in a pressure column 19 to pure nitrogen containing 5 ppm and to waste oxygen at a concentration of 40% 02. The waste oxygen in the form of a liquid is collected at the bottom of the pressure column 19 and after subcooling in the subcooling exchanger 20. 18.

Ve vařáku - kondensátoru 18 se kapalný odpadní kyslík odpařuje při tlaku 0,4 MPa na úkor kondensace části čistého dusíku při tlaku 0,9 MPa, který tvoří reflux v tlakové koloně 19. Odpařený odpadní kyslík po předehřátí v podchlazujícím výměníku 20 kapalným odpadním kyslíkem a v hlavním výměníku 21 ochlazovaným vzduchem expanduje v expansní turbině 11 za konání vnější práce. Expandovaný odpadní kyslík po ohřátí vstupujícím vzduchem v hlavním výměníku 21 na teplotu okolí se z části, po ohřátí v elektrickém ohřívači 14 na teplotu 300 °C, využívá k regeneraci adsorbentů v adsorbérů 12 nebo 13 a z části se vypouští do atmosféry potrubím 16 odpadního kyslíku přes regulační klapku 15. Hlavní produkt dělení, nezkondensovaný čistý dusík ve vařáku - kondensátoru 18, odtahovaný z hlavy tlakové kolony 19 a ohřátý v hlavním výměníku 21 na teplotu okolí vstupujícím vzduchem, se výstupním potrubím 24 čistého dusíku o tlaku 0,85 MPa vede do sítě ke spotřebě.In the condenser 18, the liquid waste oxygen is evaporated at a pressure of 0.4 MPa at the expense of condensing a portion of the pure nitrogen at a pressure of 0.9 MPa, which forms a reflux in the pressure column 19. The evaporated waste oxygen is preheated in the subcooler 20 by liquid waste oxygen; in the main exchanger 21 with cooled air, it expands in the expansion turbine 11 while performing external work. The expanded waste oxygen, after being heated to ambient temperature by the incoming air in the main exchanger 21, is partly used, after being heated in the electric heater 14 to 300 ° C, to regenerate adsorbents in adsorbers 12 or 13 and partially discharged into the atmosphere via waste oxygen line 16 control flap 15. The main separation product, non-condensed pure nitrogen in the condenser 18, withdrawn from the head of the pressure column 19 and heated in the main exchanger 21 to ambient temperature by the incoming air, leads to a net nitrogen outlet line 24 at a pressure of 0.85 MPa. for consumption.

Průtok čistého dusíku se měří snímačem 17 a jeho signál je zaveden do regulátoru FC 2_. Výstupní signál z regulátoru FC se zavádí do regulačního zařízení SC j>, které slouží k nastavení otáček asynchronního elektromotoru £ za pomoci tyristorového regulátoru JL. Na základě změn v odběru v síti tlakového dusíku dochází k nárůstu nebo k poklesu tlaku v síti, což zapříčiňuje změny v průtoku čistého dusíku. Příkladně, když se sníží průtok čistého dusíku potom se úměrně sníží otáčky asynchronního elektromotoru Tím dojde k poklesu průtoku zpracovávaného vzduchu a ke snížení spotřeby elektrické energie. Naopak, když se zvýší průtok čistého dusíku, otáčky se zvyšují. Dojde-li ke zvýšení průtoků čistého dusíku nad nastavenou maximální hodnotu na regulátoru FC 2., potom se akční armaturou 27 seškrtí průtok dusíku tak, aby se držel na této maximální hodnotě.The flow of pure nitrogen is measured by the sensor 17 and its signal is applied to the controller FC 2. The output signal from the controller FC is fed to a control device SC, which serves to adjust the speed of the asynchronous electric motor 6 by means of a thyristor controller 11. Due to changes in the offtake in the pressure nitrogen network, the pressure in the network increases or decreases, causing changes in the flow of pure nitrogen. For example, if the flow of pure nitrogen is reduced then the speed of the asynchronous electric motor is reduced proportionally. This will reduce the flow rate of the treated air and reduce the power consumption. Conversely, when the flow of pure nitrogen increases, the speed increases. If the pure nitrogen flow rate rises above the set maximum value on the FC controller 2, then the action fitting 27 cuts off the nitrogen flow so as to hold it at that maximum value.

Způsob výroby kyslíku nebo dusíku o proměnném průtoku nízkoteplotním dělením vzduchu podle vynálezu i zařízeni k provádění způsobu najde uplatnění tam, kde je požadována častá změna v průtoku produktů, především u tlakového dusíku. Výroba kyslíku nebo dusíku tímto způsobem se stane energeticky méně náročná.The process for producing oxygen or nitrogen of variable flow through the low temperature air separation according to the invention and the apparatus for carrying out the process will find application where frequent change in product flow is desired, especially with pressurized nitrogen. The production of oxygen or nitrogen in this way becomes less energy intensive.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A method for producing oxygen or nitrogen of variable flow rate by low temperature compressed air separation followed by heat exchange by cooling, liquefaction, and rectification separation, characterized in that if the flow rate of the separation product decreases or increases, propeller speed is reduced or increased proportionally an air compressor, maintaining the maximum flow rate of the separation product with the action fitting in the separation product line when the maximum flow rate of the split product is reached.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising a powered air compressor and an air separation device, the compressor discharge being connected to a low temperature air separation block from which a nitrogen and / or oxygen piping is discharged with an air separation product flow regulator. characterized in that the separation product flow regulator (2) is connected to the speed controller (1) of the air compressor drive and at the same time to the actuator (27) in the separation product line.