CS268238B1

CS268238B1 - Method of air low-temperature separation

Info

Publication number: CS268238B1
Application number: CS88527A
Authority: CS
Inventors: Jan Ing Jirsa; Vaclav Ing Csc Chrz; Jiri Ing Csc Sykora
Original assignee: Jirsa Jan; Chrz Vaclav; Sykora Jiri
Priority date: 1988-01-28
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1990-03-14
Also published as: CS52788A1

Abstract

způsob nízkoteplotního dělení vzduchu za tlaku 0,60 až 1,5 MPa slouží především pro výrobu plynného a kapalného dusíku a současně plynného a kapalného kyslíku. Tlakový vzduch po stlačení v základním kompresoru se dotlačuje, ochlazuje, čistí se alsorpcí od vody a oxidu uhličitého, protiproudně se ochlazuje produkty dělení a expandovaným vzduchem na teplotu nižší než Je 200 K, načež se dělí na dva proudy, přičemž větší proud tlakového vzduchu expanduje za konání vněJSÍ práce na tlak blízký etmosférickéau a tato práce se využije k dotlačení tlakového vzduchu před Jeho čištěním adsorpcí, kdežto menší proud tlakového vzduchu se dále chladí plynnými produkty dělení a expandovaným vzduchem a potom se dělí rektifikací. Proud expandovaného vzduchu go ohřátí tlakovým vzduchem, se alespoň z částí může směšovat s atmosférickým vzduchem a potom se stlačuje v základním kompresoru. Popsaný způsob nízkoteplotního dělení vzduchu Je možné použít u zařízení menších výkonu, které mají produkovat tlakové plynné produkty s velkým podílem produktů v kapalném stavu.a method of low temperature air separation at a pressure of 0.60 to 1.5 MPa it serves primarily for the production of gaseous and liquid nitrogen and simultaneously gaseous and liquid oxygen. Compressed air after compression v the basic compressor is being pushed, cooled, purified by water absorption and carbon dioxide, it cools downstream dividing products and expanded air to a temperature below 200 K, whereupon it is divided into two streams, with a larger stream of compressed air expands for doing outward pressure work etmospheric and this work will be used to push the compressed air in front of His cleaning by adsorption, while less current the compressed air is further cooled by gaseous dividing products and expanded and then divided by rectification. Stream of expanded air go heating compressed air, at least in parts may mix with atmospheric air and then compressed in the base compressor. Low temperature separation method described air Can be used with equipment smaller power to produce high pressure gaseous products liquid products.

Description

Vynález se týká způsobu nízkoteplotního dělení vzduchu za tlaku 0,60 - 1,5 MPa, který je určen především pro výrobu tlakového plynného a kapalného dusíku a současně plynného a kapalného kyslíku.The invention relates to a process for low-temperature air separation at a pressure of 0.60 - 1.5 MPa, which is intended primarily for the production of pressurized gaseous and liquid nitrogen and at the same time gaseous and liquid oxygen.

U dosavadních způsobů nízkoteplotního dělení vzduchu, které slouží pro výrobu tlakového plynného a kapalného dusíku a které pracují s průtokem vzduchu 200 - 2 000 kg/h se vzduch po stlační na 1,5 - 15 MPa ochlazuje, zbavuje vody a oxidu uhličitého, ochlazuje se protiproudní produkty dělení a pak se dělí rektifikací. Potřeba chladu je kryta expansí tlakového vzduchu na tlak rektifikace a nebo expansí některého produktu dělení na tlak přibližně atmosferický. Tlak na výtlaku vzduchového kompresoru závisí na průtoku vyráběných kapalných produktů a na ztrátě chladu zařízení. Tam kde se produkuje kapalný dusík a tlakový plynný dusík v poměru 1 : 1 a o celkovém průtoku 200 kg/h je zapotřebí tlak vzduchu na výtlaku vzduchového kompresoru cca 12 až 15 MPa. Tohoto vysokého stlačení z důvodu malého objemového průtoku se dosáhne pouze vícestupňovými pístovými kompresory, které Jsou věak investiční 1 provozní náročnější než nízkotlaké rotační kompresory se stlačním do 1,0 MPa.In the existing methods of low-temperature air separation, which are used for the production of pressurized gaseous and liquid nitrogen and which operate with an air flow of 200 - 2,000 kg / h, the air is cooled to 1.5 - 15 MPa after compression, freed of water and carbon dioxide, cooled countercurrent separation products and then separated by rectification. The need for cold is covered by the expansion of compressed air to rectification pressure and / or by the expansion of some product of division to approximately atmospheric pressure. The discharge pressure of the air compressor depends on the flow rate of the liquid products produced and on the loss of cold of the equipment. Where liquid nitrogen and pressurized gaseous nitrogen are produced in a ratio of 1: 1 and with a total flow rate of 200 kg / h, an air pressure at the air compressor discharge of approx. 12 to 15 MPa is required. This high compression due to the small volume flow is achieved only by multi-stage reciprocating compressors, which are more demanding than low-pressure rotary compressors with a compression of up to 1.0 MPa.

Výše uvedené nevýhody jsou odstraněny způsobem nízkoteplotního dělení vzduchu při tlaku 0,60 - 1,5 MPa, kde vzduch po stlačení v základním kompresoru se dotlačuje, ochlazuje se , čistí se adsorncí od vody a oxidu uhličitého, protiproudně se ochlazuje produkty dělení a expandovaným vzduchem na teplotu nižší než 200°K, načež se dělí na dva proudy, zakládající se na tom, že větší proud tlakového vzduchu expanduje za konání vnější práce na tlak blízký atmosferickému, přičemž tato práce se využije k dotlační tlakového vzduchu před jeho čištěním adsorpcí, kdežto menší proud tlakového vzduchu se dále chladí plynnými produkty d-Mení a expandovaným vzduchem a potom se dělí rektifikací. Proud expandovaného vzduchu po ohřátí tlakovým vzduchem, se alespoň z části může směšovat s atmosferickým vzduchem a potom se stlačuje v základním kompresoru.The above disadvantages are eliminated by the method of low-temperature air separation at a pressure of 0.60 - 1.5 MPa, where the air after compression in the basic compressor is compressed, cooled, cleaned by adsorption from water and carbon dioxide, countercurrently cooled by separation products and expanded air. to a temperature of less than 200 ° K, after which it is divided into two streams, based on the fact that a larger stream of compressed air expands during external work to a pressure close to atmospheric pressure, this work being used to replenish compressed air before its purification by adsorption, while the smaller compressed air stream is further cooled by gaseous products d-Change and expanded air and then separated by rectification. The stream of expanded air, after heating with compressed air, can be at least partially mixed with atmospheric air and then compressed in the basic compressor.

Hlavní výhoda způsobu nízkoteplotního dělení vzduchem podle vynálezu je v tom, že vnější práce získaná expansí tlakového vzduchu zmenšuje kompresní práci a umožňuje výrobu tlakového dusíku za vyššího tlaku než je tlak na výtlaku základního kompresoru. Za vyššího tlaku lze produkovat 1 plynný kyslík. Cirkulace expandovaného vzduchu umožňuje zvýšit produkci kapalného dusíku 1 kyslíku bez zvyšování výtlaku u vzduchového kompresoru, což umožňuje neužít pro stlačování vzduchu jednoduchýh dvojstupňových šroubových kompresorů nebo jednotělesových turbokompresorů. Tyto stroje mají výtlak do 1,0 MPa. Pre expansi vzduchu je vhodná turbina, která je provozně i Investičně výhodnější než pístový expander.The main advantage of the low-temperature air separation method according to the invention is that the external work obtained by the expansion of the compressed air reduces the compression work and allows the production of pressurized nitrogen at a higher pressure than the discharge pressure of the basic compressor. At higher pressure, 1 oxygen gas can be produced. The circulation of expanded air makes it possible to increase the production of liquid nitrogen 1 without increasing the discharge at the air compressor, which makes it possible not to use simple two-stage screw compressors or single-body turbochargers for air compression. These machines have a discharge of up to 1.0 MPa. A turbine is suitable for air expansion, which is operationally and investment-friendly than a piston expander.

Zoůsob nízkoteplotního dělení vzduchu podle vynálezu je blíže objasněn v aplikaci na zařízení, které je určeno pro výrobu 150 kg/h plynného tlakového a kapalného dusíku a 4j kg/h plynného a kapalného kyslíku. Toto zařízení je zobrazeno na přiloženém obrázku.The method of low-temperature air separation according to the invention is further elucidated in the application to a plant which is intended for the production of 150 kg / h of gaseous pressurized and liquid nitrogen and 4 kg / h of gaseous and liquid oxygen. This device is shown in the attached picture.

Zařízení se skládá ze základního kopresoru 1_ dochlazovače 2, turbíny 2 brzděné dotlačovacím turbokompresorerr. ^z nízkoteplotního bloku Θ, z adserberů 2» 6, elektroohřívače £ a z dochlazovače 4 dotlačovacího turbokompresoru. Uvnitř nízkoteplotního bloku je výměník 10, tlaková kolona 11 . která na hlavě místěný kondenzátor - vařák 12 a nízkotlakou kolonu 1 3. Bání 14 základního kompresoru 1_ je spojeno ε atmosférou 1 5 a cirkulačním potrubím 16 přes výměník 10 s výstupem 17 z turbíny 2· Výtlak základního kompresoru 1_ je propojen přes dochlazovač 2, dotlačovací turbokompresor 2» dochlazovač 4 dotlačovacího turbokompresoru, adsorber 5 a výměník 10 Jednak se vstupem 26 do trubíny 2 ^a dále propojovacím potrubím 27 s patou tlakové kolony 1 1. Hlava tlakové kolony 11 je propojena dusíkovým potrubím 18 přes výměník 10 s dusíkovou sítí 19 a pata tlakové kolony 11 je spojena postxvhín 21 bohaté kapaliny s hlavou nízkotlaké kolony 13. Pata nízkotlaké kolony je propojena kyslíkovým potrubím 22 přes výměník 10 s kyslíkovou sítí 20, kdežto hlava nízkotlaké kolony je spojena odpadním potrubím 23 přes výměník 10 a elektroohřívač t s regenerovaným odsorberem 6 a dále regeneračním potrubím 28 s atmosférou. Nízkoteplotní blok 8 má dále Instalován odtah 24 kapalného kyslíku, který je propojen s kondensátorem - vařákem 12 a odběr 25 kapalného dusíku, který je spojen s hlavou tla&ové kolony 11. .The device consists of a basic co-compressor 7 of the aftercooler 2, a turbine 2 braked by a booster turbocharger. ^{from the} low-temperature block Θ, from the adapters 2 »6, from the electric heater £ and from the aftercooler 4 of the booster turbocharger. Inside the low temperature block is an exchanger 10, a pressure column 11. which is located at the head of the condenser - boiler 12 and the low-pressure column 1 3. The base 14 of the basic compressor 7 is connected to the atmosphere 15 and the circulation pipe 16 via an exchanger 10 with an outlet 17 from the turbine 2. turbocharger 2 »aftercooler 4 of the boost turbocharger, adsorber 5 and exchanger 10 On the one hand with inlet 26 to the tube 2 ^and on the other hand by connecting pipe 27 with the foot of pressure column 11. of the pressure column 11 is connected to the rich liquid post 21 in the low pressure column head 13. The bottom of the low pressure column is connected by an oxygen line 22 via an exchanger 10 to the oxygen network 20, further by regeneration line 28 with atmosphere. The low-temperature block 8 also has a liquid oxygen outlet 24 installed, which is connected to a condenser-boiler 12 and a liquid nitrogen intake 25, which is connected to the head of the pressure column 11.

CS 268232Έ1 .fíkladCS 268232-1 .example

Základní kompresor £ nasává atmosferický vzduch společně s expandovaným vzduhera : z cirkulačního potrib í 16 a tuto směs stlačí na tlak 0,93 MPa. Po ochlazení v dochlazovaíl 2 a po dotlačení v dotlačovacím turbokompresoru £ na tlak 1,2 MPa a opětovném ochlazení v dochlazovači 4 dotlačovacího turbokcapresoru na teplotu cca 10°C je tlako- *' vý vzduch v adscrberu £ ČIJ těn od vodních par a oxidu uhličitého. Vyčištěný vzduch o průtoku 2520 kg/h a za tlaku 1,16 MPa se vede do procesu nízkoteplotního dělení, který začíná ochlazováním vzduchu ve výměníku 10 produkty dělení a expandovaným vzduchem. ·' Po ochlazení na teplotu - 140°C je tlakový vzduch rozdělen na první proud o průtoku 2060 kg/h, který je v turbině £ podroben expansi za konání vnější práce a druhý proud o průtoku 460 kg/h, který se dále ochlazuje plynnými produkty dělení a expandovaným vzduchem a potom vstupuje do tlakové kolony 11. řhergie získaná expansí prvního proudu . Je využita pro dotlačení vzduchu ze základního kompresoru £ tak, že se v po době nechá- / nlcké energie přenáší z turbiny 2 prostřednictvím společného hřídele do dotlačovacího kompresoru £. Druhý proud se v tlakové kolon? 11 za tlaku 1,1 MPa,podrobí rektifikaci. Zpětný tok rektlflkačního procesu se vytváří kapalným dusíkem, který kondensuje v kondenzátoru - vařáku 12 na úkor odpaření kapalného kyslíku. Produkt dělení - čistý plynný tlakový dusík, který se shromažďuje v hlavě tlakové kolony 11, se odtahuje průtokem 25 kg/h dusíkovým potrubím 18 do dusíkové sítě 19 přes výměník 10. kde se ohřívá vstupujícím tlakovým vzduchem. Tlak produkovaného dusíku je 1,05 MPa. Z hlavy tlakové kolony 11 se dále Jako produkt odebírá čistý kapalný dusík o průtoku 125 kg/h z odběru 25. Z paty tlakové kolony 11 se odtahuje bohatá kapalina a potrubím 21 bohaté kapaliny se nastřikuje do hlavy nízkotlaké kolony 1 3. kde probíhá druhý stupeň rektlfikace za tlaku 0,28 MPa. Bohatá kapalina zde vytváří zpětný tok. Produkty druhého stupně rektlfikace Jsou plynný kyslík, kapalný kyslík a odpadní frakce. Plynný kyslík, s průtokem 10 kg/h, se odtahuje z paty nízkotlaké kolony 1 3 kyslíkovým potrubím 22 do kyslíkové sít? 20 přes výměník £0, kde se ohřívá vstupujícím vzduchem. Plynný kyslík má tlak 0,23 MPa, který je vyšší, než Je u dvoustupňové rektlfikace obvyklé. Odpadní frakce, s obsahem kyslíku cc 21 /, se odvádí z hlavy nízkotlaké kolony 13. odpadním potrubím 23 přes výměník £0, kde se ohřívá vstupujícím vzduchem na teplotu 5°C a po dalším ohřátí v elektroohřívačl £ na teplotu 220°C se používá pro regeneraci náplně adsorberu 6, ze kterého vystupuje regeneračním potrubím 28 do atmosféry. Další produkt dělení nízkotlaké kolony 13 je kapalný kyslík který se odebírá z kondenzátoru - vařáku 12 odtahemThe basic compressor 6 sucks in atmospheric air together with the expanded air from the circulating line 16 and compresses this mixture to a pressure of 0.93 MPa. After cooling in the aftercooler 2 and after pressing in the pressurized turbocharger £ to a pressure of 1.2 MPa and re-cooling in the aftercooler 4 of the pressurized turbocharger to a temperature of about 10 ° C, the compressed air in the adsorber £ is removed from water vapor and carbon dioxide. . The purified air with a flow rate of 2520 kg / h and a pressure of 1.16 MPa is fed to a low-temperature separation process, which begins with cooling of the air in the exchanger 10 by the separation products and expanded air. After cooling to a temperature of -140 ° C, the compressed air is divided into a first stream with a flow rate of 2060 kg / h, which is expanded in the turbine £ for external work, and a second stream with a flow rate of 460 kg / h, which is further cooled by gaseous gases. products of separation and expanded air and then enters the pressure column 11. It is used to pressurize the air from the basic compressor 6 by transferring energy from the turbine 2 via a common shaft to the booster compressor 6 after a period of in-time energy. The second stream is in the pressure column? 11 at a pressure of 1.1 MPa, subjected to rectification. The reflux of the rectification process is created by liquid nitrogen, which condenses in the condenser-boiler 12 at the expense of evaporation of liquid oxygen. The separation product - pure pressurized nitrogen gas, which collects in the head of the pressure column 11, is drawn by a flow of 25 kg / h through a nitrogen line 18 into the nitrogen network 19 via an exchanger 10 where it is heated by incoming compressed air. The pressure of the nitrogen produced is 1.05 MPa. Pure liquid nitrogen with a flow rate of 125 kg / h is further taken from the pressure column head 11 as a product 25. A rich liquid is drawn off from the bottom of the pressure column 11 and injected through a rich liquid line 21 into the low pressure column head 3 3, where the second rectification stage takes place. at a pressure of 0.28 MPa. The rich liquid creates a reflux here. The products of the second stage of rectification are gaseous oxygen, liquid oxygen and waste fractions. Oxygen gas, with a flow rate of 10 kg / h, is drawn from the bottom of the low-pressure column 1 3 through the oxygen line 22 into the oxygen network? 20 via an exchanger £ 0, where it is heated by the incoming air. Oxygen gas has a pressure of 0.23 MPa, which is higher than is usual in two-stage rectification. The waste fraction, with oxygen content cc 21 /, is discharged from the head of the low-pressure column 13 through the waste pipe 23 through the exchanger £ 0, where it is heated by incoming air to 5 ° C and after further heating in an electric heater to 220 ° C. for regenerating the charge of the adsorber 6, from which it exits through the regeneration line 28 into the atmosphere. Another product of the separation of the low-pressure column 13 is liquid oxygen which is taken from the condenser - boiler 12 by extraction.

Způsob nízkoteplotního dělení vzduchu podle vynálezu, lze s výhodou uplatnit u zařízení menších v/konů, kde průtok zpracovávaného ’vzduchu Je do 8 000 kg/h a která mají produkovat plynné produkty o vyšším tlaku s velkým podílem v kapalném stavu. Ve většině případů umožňuje způsob nízkoteplotního dělení vzduchu podle vynálezu použít nízkotlakov/ch rotačních strojů pro kompresi 1 expanzi. .The method of low-temperature air separation according to the invention can be advantageously applied to devices with smaller wages, where the flow rate of the treated air is up to 8,000 kg / h and which are to produce gaseous products of higher pressure with a large proportion in the liquid state. In most cases, the low-temperature air separation method according to the invention allows the use of low-pressure rotary machines for compression and expansion. .

Claims

P 5 Ξ D X i T OF THE INVENTION

1. Method of low-temperature air separation at a pressure of 0.60 - 1.5 MPa, where the air is compressed in the basic compressor, compressed, purified by adsorption from water and carbon dioxide, countercurrently cooled by separation products and expanded air to a temperature lower than 200 K is then divided into two streams, characterized in that the larger compressed air stream expands to a pressure close to atmospheric during external work, this work being used to pressurize the compressed air before its purification by adsorption, while the smaller compressed air stream is further cools the separation products and with expanded air and then separates the rectification.

2. The method of claim 1, wherein the stream of expanded air, after heating with compressed air, is at least partially mixed with atmospheric air and then compressed in a base compressor.