PL178373B1 - Sposób rozdzielania powietrza i urządzenie do rozdzielania powietrza - Google Patents

Abstract

1. Sposób rozdzielania powietrza, obejmujacy spreza- nie i oczyszczanie powietrza, rektyfikacje pierwszego stru- mienia sprezonego, oczyszczonego powietrza w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej, zawierajacej kolumne o wy- zszym cisnieniu i kolumne o nizszym cisnieniu, odciaganie bogatych w tlen i bogatych w azot strumieni produktu z tej podwójnej kolumny rektyfikacyjnej, rektyfikacje w kolum- nie rektyfikacyjnej argonu strumienia wzbogaconej w argon cieczy, odciaganego z kolumny o nizszym cisnieniu tak, aby uzyskac bogate w argon opary przy glowicy rektyfikacyjnej argonu, skraplanie przynajmniej czesci tych bogatych w ar- gon oparów i stosowanie przynajmniej czesci otrzymywa- nego kondensatu w kolumnie rektyfikacyjnej argonu jako wykropliny, oraz odciaganie bogatego w argon strumienia produktu z kolumny rektyfikacyjnej argonu, znam ienny tym , ze poddaje sie czesciowemu ponownemu odparowaniu drugi strumien sprezonego, oczyszczonego......................... 10. Urzadzenie do rozdzielania powietrza, zawierajace podwójna kolumne rektyfikacyjna, m ajaca kolumne o wy- zszym cisnieniu i kolumne o nizszym cisnieniu do rektyfikacji pierwszego strumienia sprezonego, oczyszczonego powie- trza, przy czym ta podwójna kolumna rektyfikacyjna ma wy- lot dla bogatego w tlen strumienia produktu i wylot dla bogatego w azot strumienia produktu, kolumne rektyfika- cyjna argonu majaca wlot dla strumienia wzbogaconej w ar- gon cieczy, polaczony z wylotem z kolumny. . . . zna- m ienne tym , ze pierwszy skraplacz (48) zawiera zestaw kanalów wymiany ciepla, a ponadto.......................................... FIG.1. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do rozdzielania powietrza.

Najbardziej znanym sposobem przemysłowego rozdzielania powietrza jest rektyfikacja.

W znanych procesach rektyfikacji powietrza są przeprowadzane etapy sprężania strumienia powietrza, oczyszczania otrzymywanego strumienia sprężonego powietrza przez usuwanie pary wodnej i dwutlenku węgla, i wstępne chłodzenie strumienia sprężonego powietrza poprzez wymianę ciepła z powracającymi strumieniami produktu do temperatury odpowiedniej dla jego rektyfikacji. Rektyfikacja jest przeprowadzana w tak zwanej „podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej”, zawierającej kolumnę o wyższym ciśnieniu i kolumnę o niższym ciśnieniu t. j. jedna z tych dwóch kolumn pracuje przy ciśnieniu wyższym 'niż 'druga. Większość dochodzącego powietrza jest wprowadzana do kolumny pod wyższym ciśnieniem i jest rozdzielana na powietrze w stanie ciekłym wzbogacone tlenem i oparami azotu. Opary azotu zostają skroplone. Część tego kondensatu jest stosowana jako płynne wykropliny w kolumnie o wyższym ciśnieniu. Wzbogacona tlenem ciecz jest odciągana od spodu kolumny o wyższym ciśnieniu i jest wykorzystywana do stanowienia strumienia wsadowego do kolumny o niższym ciśnieniu. Zwykle, strumień wzbogaconej tlenem cieczy jest dochładzany i wprowadzany do pośredniego obszaru kolumny o niższym ciśnieniu poprzez przepustnicę lub zawór redukujący ciśnienie. Ciekłe powietrze wzbogacone tlenem jest rozdzielane na zasadniczo czysty tlen i azot w kolumnie o niższym ciśnieniu. Gazowy tlen i azot są odbierane z kolumny o niższym ciśnieniu i zwykle tworzą strumienie powrotne, względem których może zachodzić wymiana ciepła z przychodzącym powietrzem. Płynne wykropliny kolumny o niższym ciśnieniu są otrzymywane przez pobieranie pozostałości kondensatu z kolumny o wyższym ciśnieniu, dochładzanie ich, i przepuszczanie do szczytu kolumny o niższym ciśnieniu przez zawór przepustnicy. Górny przepływ oparów przez kolumnę o niższym ciśnieniu z jej spodu powstaje poprzez ponowne odparowywanie ciekłego tlenu. To ponowne odparowywanie jest przeprowadzane przez wymianę ciepła ciekłego tlenu przy spodzie kolumny o niższym ciśnieniu

178 373 z azotem pochodzącym z kolumny o wyższym ciśnieniu. W rezultacie otrzymuje się skroplone opary azotu.

Miejscowe maksymalne stężenie azotu jest wytwarzane na środkowym poziomie kolumny o niższym ciśnieniu poniżej poziomu, na którym jest wprowadzane ciepłe powietrze wzbogacone tlenem. Jeżeli jest pożądane wytwarzanie produktu w postaci argonu, wówczas strumień oparów tlenu wzbogaconych argonem jest pobierany z sąsiedztwa kolumny o niższym ciśnieniu, gdzie stężenie argonu jest zwykle w zakresie 5 do 15% objętościowych argonu, i jest wprowadzany do dolnego obszaru kolumny bocznej, w którym jest oddzielany argon. Wykropliny kolumny argonu otrzymuje się poprzez skraplacz przy głowicy kolumny. Skraplacz ten jest chłodzony przez przynajmniej część wzbogaconego tlenem ciekłego powietrza przed wprowadzeniem tego ciekłego powietrza do kolumny o niższym ciśnieniu.

Przykład opisanego powyżej sposobu jest opisany w EP-B-O 377 117. Problem pojawiający się przy praktykowaniu tego sposobu w niektórych warunkach, powodujący redukowanie stosunku cieczy/oparów w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu polega na tym, że uzysk argonu jest mniejszy niż byłby bez redukcji, stosunku ciecz/opary. Przykłady warunków, które mogą powodować występowanie tego zjawiska stanowią wprowadzanie znacznej proporcji doprowadzanego powietrza bezpośrednio kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, pobieranie azotu bezpośrednio z kolumny o wyższym ciśnieniu i wprowadzanie do podwójnej kolumny rektyfikacyjnej znacznej części doprowadzanego powietrza w stanie ciekłym. Następną przyczyną niepożądanie niskiego uzysku argonu jest niewystarczająca ilość tac lub wysokość wypełnienia w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia, które mają większą zdolność utrzymywania uzysku argonu, w takich warunkach, lub przynajmniej w niektórych z nich niż sposób opisany w EP-B-O 377 117.

Sposób rozdzielania powietrza, obejmujący sprężanie i oczyszczanie powietrza, rektyfikację pierwszego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej, zawierającej kolumnę o wyższym ciśnieniu i kolumnę o niższym ciśnieniu, odciąganie bogatych w tlen i bogatych w azot strumieni produktu z tej podwójnej kolumny rektyfikacyjnej, rektyfikację w kolumnie rektyfikacyjnej argonu strumienia wzbogaconej w argon cieczy, odciąganego z kolumny o niższym ciśnieniu tak, aby uzyskać bogate w argon opary przy głowicy rektyfikacyjnej argonu, skraplanie, przynajmniej części tych bogatych w argon oparów i stosowanie przynajmniej części otrzymywanego kondensatu w kolumnie rektyfikacyjnej argonu jako wykropliny, oraz odciąganie bogatego w argon strumienia produktu z kolumny rektyfikacyjnej argonu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że poddaje się częściowemu ponownemu odparowaniu drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym pcd ciśnieniem większym niż ciśnienie przy szczycie kolumny o niższym ciśnieniu ale mniejszym niż przy szczycie kolumny o wyższym ciśnieniu, wytwarzając ciecz wzbogaconą w tlen i opary zubożone w tlen, po czym odłącza się ciecz wzbogaconą w tlen od oparów zubożonych w tlen, a następnie skrapla się strumień oparów zubożonych w tlen, i wprowadza się strumień skroplonych oparów zubożonych w tlen do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, gdzie przeprowadza się częściowe ponowne odparowywanie drugiego strumienia powietrza poprzez pośrednią wymianę ciepła tego strumienia ze wspomnianymi skroplonymi oparami bogatymi w argon.

Skraplanie strumienia oparów zubożonych w tlen przeprowadza się z wykorzystaniem odłączonej cieczy wzbogaconej w tlen.

Korzystnie redukuje się ciśnienie strumienia odłączonej cieczy wzbogaconej w tlen, a otrzymany strumień wzbogaconej w tlen cieczy o zredukowanym ciśnieniu stosuje się dla wspomagania drugiego strumienia powietrza przy skraplaniu bogatych w argon oparów.

Strumień wzbogaconej w tlen cieczy o zredukowanym ciśnieniu poddaje się ponownemu odparowaniu poprzez pośrednią wymianę ciepła ze skroplonymi oparami bogatymi w argon, a otrzymany ponownie odparowany strumień wprowadza się do kolumny o niższym ciśnieniu.

178 373

Strumień zubożonych w tlen oparów skrapla się przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem wzbogaconej w tlen cieczy, odciąganej z kolumny o wyższym ciśnieniu.

Strumień cieczy, wzbogaconej w tlen, odciągany z kolumny o wyższym ciśnieniu, poddaje się ponownemu odparowaniu poprzez wymianę ciepła ze zubożonymi w tlen oparami, a otrzymany ponownie odparowany strumień wzbogaconej w tlen cieczy wprowadza się do kolumny o niższym ciśnieniu.

Korzystnie wytwarza się drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym poprzez wymianę ciepła strumienia sprężonego, oczyszczonego, gazowego powietrza ze strumieniem bogatego w tlen produktu w stanie ciekłym, i przepuszcza się ten drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza przez zawór dławiący.

Odbiera się drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym z tego samego poziomu, pośredniej wymiany masy w kolumnie o wyższym ciśnieniu co poziom, do którego doprowadza się macierzysty strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym.

Korzystnie poddaje się przemianie w opary od 40 do 60% objętościowo ciekłego powietrza w drugim strumieniu sprężonego, oczyszczonego powietrza poprzez wymianę ciepła ze skroplonymi oparami argonu.

Urządzenie do rozdzielania powietrza, zawierające podwójną kolumnę rektyfikacyjną mającą kolumnę o wyższym ciśnieniu i kolumnę o niższym ciśnieniu do rektyfikacji pierwszego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza, przy czym ta podwójna kolumna rektyfikacyjna ma wylot dla bogatego w tlen strumienia produktu i wylot dla bogatego w azot strumienia produktu, kolumnę rektyfikacyjną argonu mającą wlot dla strumienia wzbogaconej w argon cieczy, połączony z wylotem z kolumny o niższym ciśnieniu dla strumienia cieczy wzbogaconej w argon, wylot z kolumny rektyfikacyjnej argonu dla bogatego w argon produktu, i pierwszy skraplacz dla skraplania bogatych w argon oparów oddzielonych w kolumnie rektyfikacyjnej argonu i dla przekazywania przynajmniej części kondensatu do kolumny rektyfikacyjnej argonu jako wykropliny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwszy skraplacz zawiera jeden zestaw kanałów wymiany ciepła dla częściowego ponownego odparowania drugiego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym pod ciśnieniem większym niż ciśnienie przy szczycie kolumny o niższym ciśnieniu, ale mniejszym niż przy szczycie kolumny o wyższym ciśnieniu, tak aby wytworzyć w trakcie pracy urządzenia wzbogaconą w tlen ciecz i zubożone w tlen opary, a ponadto urządzenie zawiera separator fazowy do odłączania wzbogaconej w tlen cieczy od zubożonych w tlen oparów, oraz drugi skraplacz mający kanały wymiany ciepła do skraplania strumienia zubożonych w tlen oparów, przy czym kanały wymiany ciepła pierwszego skraplacza są połączone z kolumną o niższym ciśnieniu.

Urządzenie według wynalazku korzystnie posiada dodatkowo zawór dławiący do redukowania ciśnienia strumienia odłączonej cieczy wzbogaconej w tlen, zaś pierwszy skraplacz ma następny zestaw kanałów wymiany ciepła do ponownego odparowywania wzbogaconego w tlen strumienia cieczy o obniżonym ciśnieniu, które są połączone z kolumną o niższym ciśnieniu.

Drugi skraplacz ma kanały ponownego odparowywania, których wloty są połączone z wylotem wzbogaconej w tlen cieczy z kolumny o wyższym ciśnieniu, zaś wyloty są połączone z wlotem ponownie odparowanej, wzbogaconej w tlen cieczy do kolumny o niższym ciśnieniu.

Urządzenie takie stanowi przykład rozwiązania, które umożliwia wytwarzanie drugiego strumienia sprężonego i oczyszczonego powietrza z szybkością odmienną od tej, z jaką powietrze przechodzi w ciecz, przykładowo przez wymianę ciepła z ciekłym tlenem. Jeżeli źródło drugiego strumienia powietrza znajduje się na pośrednim poziomie kolumny o wyższym ciśnieniu, wówczas skład drugiego strumienia powietrza jest w przybliżeniu taki sam, jak skład pierwszego strumienia powietrza, ale może zawierać 22 lub 23% objętościowo tlenu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat technologiczny pierwszej postaci wykonania urządzenia do

178 373 rozdzielania powietrza według wynalazku, a fig. 2 - schemat technologiczny drugiej postaci wykonania urządzenia do rozdzielania powietrza według wynalazku.

Jak pokazano na fig. 1 rys., strumień doprowadzanego powietrza jest sprężany w kompresorze 2 i otrzymany strumień sprężonego doprowadzonego powietrza jest przepuszczany przez zespół oczyszczający 4. usuwający parę wodną i dwutlenek węgla. Zespół 4 zawiera złoża (niepokazane) adsorbentu dla usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla. Złoża są uruchamiane kolejno względem siebie, tak, że jedno lub więcej złóż oczyszcza strumień doprowadzanego powietrza, wówczas pozostałe są regenerowane, przykładowo przez oczyszczanie strumieniem gorącego azotu. Tego rodzaju zespoły oczyszczające i ich praca są znane w tej dzielnicy i nie ma potrzeby ich szczegółowego opisywania.

Z oczyszczonego powietrza jest pobierany pierwszy strumień powietrza, który jest przepuszczany przez główny wymiennik ciepła 6 od strony gorącego końca 8 do zimnego końca 10. Pierwszy strumień powietrza ma w ten sposób redukowaną temperaturę od około temperatury otoczenia do temperatury odpowiedniej do jego oddzielenia przez rektyfikację (np. do temperatury punktu rosy). Ochłodzony pierwszy strumień powietrza jest wprowadzany do kolumny 14 o wyższym ciśnieniu przez wlot 16 umieszczony poniżej wszystkich znajdujących się tam urządzeń wymiany masy ciecz-para (niepokazanych). Kolumna 14 o wyższym ciśnieniu tworzy część podwójnej kolumny rektyfikacyjnej 12, która dodatkowo zawiera kolumnę rektyfikacyjną 18 o niższym ciśnieniu. W kolumnie rektyfikacyjnej 14 o wyższym ciśnieniu wznoszące się opary wchodzą w ścisły kontakt z opadającą cieczą i następuje wymiana masy na urządzeniach do wymiany masy ciecz-para, które mogą mieć postać wypełnienia lub tac. Opadająca ciecz jest wytwarzana przez odciąganie pary azotu ze szczytu kolumny rektyfikacyjnej 14 o wyższym ciśnieniu skraplanie tej pary w kanałach skraplających kondensatora kotła do ponownego odparowywania 20, i zawracanie części otrzymanego kondensatu do szczytu kolumny 14, tak, aby mógł on przepływać przez nią w dół jako wykropliny. Opary są postępująco wzbogacane azotem, w miarę wznoszenia się ich w kolumnie 14 o wyższym ciśnieniu.

Ciecz znajdująca się w przybliżeniu w równowadze z powietrzem, które wchodzi do kolumny 14 o wyższym ciśnieniu przez wlot 16, i tym samym cokolwiek wzbogaconym w tlen, gromadzi się na spodzie kolumny rektyfikacyjnej 14 o wyższym ciśnieniu. Strumień tego ciekłego powietrza wzbogaconego tlenem jest odciągany z kolumny 14 rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu przez wylot 22 i jest dochłodzony przez przejście przez wymiennik ciepła 24. Dochłodzony strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen jest podzielony na dwa podrzędne strumienie. Jeden strumień podrzędny jest przepuszczany przez zawór dławiący 26 i jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu poprzez wlot 28. Przepływ drugiego podrzędnego strumienia dochłodzonego ciekłego powietrza wzbogaconego tlenem będzie opisany poniżej.

Wzbogacone tlenem ciekłe powietrze wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu przez wlot 28 jest rozdzielane tam na tlen i azot. W kolumnie rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu są zastosowane (niepokazane) urządzenia do kontaktowania cieczy z oparami, dla spowodowania wymiany masy pomiędzy opadającą cieczą i wznoszącymi się oparami. W rezultacie tej wymiany masy, wznoszące się opary są progresywnie wzbogacane azotem, a opadająca ciecz jest progresywnie wzbogacana tlenem. Urządzenia do kontaktowania cieczy z oparami (niepokazane) mogą mieć postać tac destylacyjnych lub wypełnienia. Dla otrzymania wykroplin ciekłego azotu do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu z kondensatora - kotła do ponownego odparowywania 20 pobiera się strumień ciekłego kondensatu azotu i zamiast zawracania go do kolumny rektyfikacyjnej 14 o wyższym ciśnieniu z resztą kondensatu, jest on dochładzany przez, przejście poprzez wymiennik ciepła 24. Dochłodzony strumień ciekłego azotu jest dzielony na dwa strumienie podrzędne. Jeden z tych strumieni podrzędnych jest przepuszczany przez zawór dławiący 30 i jest wprowadzany na szczyt kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu poprzez wlot 32. Drugi strumień

178 373 podrzędny ciekłego azotu jest przepuszczany przez zawór dławiący 34 i jest gromadzony jako produkt w izolowanym cieplnie zbiorniku magazynującym (niepokazanym).

Skraplacz - kocioł do ponownego odparowywania 20 powoduje ponowne odparowanie ciekłego tlenu przy spodzie kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu i tym samym wytwarza skierowany w górę przepływ oparów przez kolumnę 18. Strumień ciekłego tlenu jest odciągany ze spodu kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu poprzez wylot 34 za pomocą pracy pompy 36, która zwiększa ciśnienie ciekłego tlenu do wybranego podwyższonego ciśnienia, zwykle ponad ciśnieniem panującym przy szczycie kolumny rektyfikacyjnej 14 o wyższym ciśnieniu. W razie potrzeby pompa 36 może podwyższyć ciśnienie tlenu do ciśnienia nadkrytycznego. Otrzymany strumień sprężonego tlenu przepływa przez wymiennik ciepła 6 od strony jego zimnego końca 10 do jego gorącego końca 8, i ulega w ten sposób ogrzaniu do temperatury równej w przybliżeniu temperaturze otoczenia. W razie potrzeby, drugi strumień ciekłego tlenu może być odbierany i gromadzony jako produkt ciekły.

Gazowy azot jest odciągany ze szczytu kolumny rektyfikacyjnego 18 o niższym ciśnieniu poprzez wylot 38, jest ogrzewany w wymienniku ciepła 24 poprzez przeciwbieżną wymianę ciepła ze strumieniami, które zostały dochłodzone a potem jest ogrzewany do temperatury w przybliżeniu równej temperaturze otoczenia przez przejście przez główny wymiennik ciepła 6 od strony zimnego końca 10 do jego gorącego końca 8. Jeżeli nie ma potrzeby zastosowania tego produktu azotowego, wówczas może być on odprowadzony z powrotem do atmosfery.

Dla wytworzenia argonu, strumień oparów tlenu wzbogaconych w argon jest odciągany z kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu przez wylot 39 usytuowany poniżej poziomu wlotu 28 i poniżej poziomu wymiany masy kolumny, gdzie stężenie argonu jest maksymalne. Wzbogacony argonem strumień oparów tlenu zawierający zwykle od 5 do 15% objętościowo argonu, jest wprowadzany do spodu kolumny rektyfikacyjnej 40 argonu poprzez wlot 42. W kolumnie rektyfikacyjnej 40 argonu są umieszczone (niepokazane) urządzenia do kontaktowania cieczy z oparami, które umożliwiają transfer masy pomiędzy wznoszącą się fazą oparów i odpadającą fazą ciekłą. Urządzenie do kontaktowania cieczy z oparami zwykle mają postać wypełnienia o małym spadku ciśnienia, takiego, jak strukturalne wypełnienie sprzedawane przez Sulzer Brothers pod nazwą towarową MELLAPAK. W zależności od wysokości wypełnienia wewnątrz kolumny 40, można wytwarzać produkt argonowy zawierający zwykle do około 2% zanieczyszczenia tlenem. Jeżeli jest zastosowana wystarczająca wysokość wypełnienia, wówczas poziom zanieczyszczenia tlenem w argonie może być zmniejszony do mniej niż 10 objętości na milion. Strumień tlenu zubożony w argon jest odciągany z dolnej części kolumny rektyfikacyjnej 40 argonu i jest zawracany poprzez wlot 44 do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu. W zależności od wysokości dna kolumny rektyfikacyjnej 40 argonu w stosunku do wysokości wlotu 44, można zastosować pompę 46 dla przenoszenia zubożonego w argon ciekłego tlenu ze spodu kolumny rektyfikacyjnej 40 argonu do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu.

Wykropliny kolumny rektyfikacyjnej 40 argonu otrzymuje się przez skraplanie bogatych w argon oparów pobieranych ze szczytu kolumny w kanałach skraplających pierwszego skraplacza 48. Część otrzymywanego kondensatu jest zawracana do szczytu kolumny 40 w postaci wykroplin, zaś reszta jest pobierana poprzez przewód 50 jako ciekły argon. W razie potrzeby w procesie alternatywnym, część bogatych w argon oparów może być pobierana jako produkt argonowy zaś całość kondensatu z pierwszego skraplacza 48 jest zawracana do szczytu kolumny 40 argonu jako wykropliny. Następną alternatywą jest pobieranie argonu przy teoretycznych kilku płytach poziomu wymiany masy poniżej szczytu kolumny argonu tak, aby zminimalizować zawartość azotu w argonie. Alternatywnie, w razie potrzeby można zastosować oddzielną kolumnę frakcjonującą, dla oddzielenia z argonu zanieczyszczenia azotem.

Dla spowodowania chłodzenia skraplacza 48, ta część oczyszczonego powietrza z zespołu 4, która nie została pobrana jako pierwszy strumień powietrza, zostaje dodatkowo sprężona kolejno w trzech kompresorach 52, 54 i 56. Część sprężonego powietrza wychodzącą z kompresora 56 jest pobierana jako drugi strumień powietrza i jest chłodzona w głównym wymienniku ciepła poprzez przejście od jego gorącego końca 8 do jego zimnego końca 10. Ochłodzony w ten sposób drugi strumień powietrza jest dodatkowo chłodzony przez przejście przez wymiennik ciepła 24. Z wymiennika ciepła 24 drugi strumień powietrza przepływa przez zawór dławiący 58, który redukuje jego ciśnienie do wartości około 2,3 bara. Jeżeli drugi strumień powietrza nie jest w stanie ciekłym przy wlocie do zaworu dławiącego 58 (ponieważ ma on ciśnienie nadkrytyczne), wówczas jego przejście przez zawór dławiący 58 spowoduje przekształcenie go do postaci zasadniczo ciekłej, jakkolwiek może również powstać niewielka ilość pary. Ciekły drugi strumień powietrza opuszcza zawór dławiący 58, przepływa przez pierwszy skraplacz 48 i wywołuje część chłodzenia oparów bogatych w argon. Drugi strumień powietrza jest częściowo ponownie odparowywany przez pośrednią wymianę ciepła ze skraplającymi się oparami bogatymi w argon. Zwykle, podczas tego przejścia przez kanały wymiany ciepła odparowaniu podlega zwykle od 40 do 60% objętościowo ciekłego powietrza w drugim strumieniu powietrza przy wlocie do kanału wymiany ciepła pierwszego skraplacza 48. Ponieważ tlen jest mniej lotny niż azot, wówczas częściowe ponowne odparowaniu w skraplaczu 48 powoduje wzbogacenie fazy ciekłej w tlen i zubożenie fazy pary w tlen. Częściowo ponownie odparowany drugi strumień powietrza przy wlocie do pierwszego skraplacza 48 posiada rozłączoną fazę ciekłą i fazę pary w separatorze fazowym 60. Strumień otrzymywanej wzbogaconej w tlen cieczy, przykładowo zawierającej około 32% objętościowo tlenu, jest odciągany ze spodu separatora fazowego 60, zostaje poddany obniżeniu ciśnienia przez przejście przez zawór dławiący 62 i przepływa przez następny zestaw kanałów wymiany ciepła w pierwszym skraplaczu 48 tak, aby spowodować pozostałe chłodzenie konieczne do skroplenia zawartych w nim oparów argonu. Wzbogacony w tlen strumień cieczy jest ponownie odparowywany podczas jego przejścia przez pierwszy skraplacz 48 a otrzymana para jest wprowadzana do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 18 dla rozdzielenia w niej poprzez wlot 64 na poziomie wymiany masy powyżej poziomu wlotu 44, ale poniżej poziomu wlotu 28. Zwykle zespół redukujący ciśnienie, korzystnie zawór dławiący (62) redukuje ciśnienie wzbogaconej tlenem cieczy pobieranej z separatora fazowego 60 do ciśnienia równego w przybliżeniu ciśnieniu roboczemu kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu na poziomie wlotu 64.

Strumień oparów ubogich w tlen, przykładowo zawierający około 13%o objętościowo tlenu, jest odciągany ze szczytu separatora fazowego 16 i jest skraplany poprzez przepływ przez skraplające kanały wymiany ciepła drugiego skraplacza 66. Otrzymany kondensat zubożony w tlen przepływa przez zawór dławiący 68 i jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu poprzez wlot 70 na poziomie wymiany masy poniżej poziomu wlotu 32, ale powyżej poziomu wlotu 28. Chłodzenie w drugim skraplaczu 66 jest realizowane poprzez pobieranie drugiego podrzędnego strumienia dochłodzonego ciekłego powietrza wzbogaconego tlenem, które jest odciągane z kolumny 14 o wyższym ciśnieniu przez wylot 22 (to jest część dochłodzonego ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, która nie jest wprowadzana do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu przez wlot 28), i przepuszczanie go przez następny zawór dławiący 72. Otrzymane ciekłe powietrze, wzbogacone w tlen, i o zredukowanym ciśnieniu, przepływa przez kanały do ponownego odparowania w drugim skraplaczu 66 i podlega w ten sposób ponownemu odparowaniu w skraplaczu 66 poprzez pośrednią wymianę ciepła z oparami ubogimi w tlen. Ponownie odparowany strumień drugiego skraplacza 66 jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu poprzez wlot 74, który znajduje się zwykle w przybliżeniu na tym samym poziomie wymiany masy co wlot 64.

Rozmaite strumienie wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu przez wloty 44, 64, 70 i 74 są oddzielane w niej za pomocą wzbogaconego tlenem strumienia ciekłego powietrza wprowadzanego przez wlot 28. Zwykle, w kolumnie 18 wytwarzane są produkty zawierające tlen i azot, z których każdy zawiera zasadniczo mniej niż 1%o objętościowo zanieczyszczeń.

Jak wiadomo z techniki, w urządzeniu pokazanym na fig. 1 chłodzenie przebiega z szybkością uzależnioną od szybkości wytwarzania ciekłych produktów. Urządzenie pokazane na

178 373 fig. 1 jest przeznaczone do wytwarzania produktów ciekłych z szybkością większą niż 15% całkowitego wytwarzania tlenu. Odpowiednio do tego pożądana jest znaczna ilość chłodzenia a zatem dla wytworzenia tego koniecznego chłodzenia są zastosowane dwie turbiny rozprężne. „Gorąca” turbina 76 pobiera powietrze w przybliżeniu o temperaturze otoczenia wylotu kompresora 56 i rozpręża je do ciśnienia trochę powyżej ciśnienia przy spodzie kolumny 14 o wyższym ciśnieniu z wykonaniem pracy zewnętrznej. Otrzymany strumień rozprężonego powietrza opuszcza turbinę 76 w temperaturze około 176 K i jest wprowadzany do głównego wymiennika ciepła 6 w jego obszarze pośrednim. Strumień rozprężonego powietrza przepływa z tego obszaru pośredniego do zimnego końca 10 wymiennika ciepła 6 i jest zmieszany z pierwszym strumieniem powietrza w obszarze pierwszego strumienia powietrza za zimnym końcem 10 głównego wymiennika ciepła 6. Dalsze chłodzenie jest uzyskiwane przez pobieranie części strumienia sprężonego powietrza z wylotu kompresora 52, przepuszczanie przez główny wymiennik ciepła 6 od jego gorącego końca 8 do obszaru pośredniego, odprowadzanie go zwykle przy temperaturze około 160 K z tego obszaru pośredniego, i rozprężanie go w drugiej turbinie rozprężeniowej 58 z wykonaniem pracy zewnętrznej. Otrzymane rozprężone powietrze opuszcza turbinę 78 w temperaturze odpowiedniej do jego rektyfikacji i pod ciśnieniem równym około ciśnieniu panującym przy spodzie kolumny 11 o wyższym ciśnieniu. Rozprężone powietrze z turbiny rozprężeniowej 78 jest zmieszane z pierwszym strumieniem powietrza w obszarze za zimnym końcem 10 głównego wymiennika ciepta 6.

Urządzenie przedstawione na fig. 2 jest analogiczne do pokazanego na fig. 1, a zatem podobne części obydwu rozwiązań oznaczono tymi samymi oznacznikami cyfrowymi. W związku z tym poniżej zostaną opisane jedynie różnice w budowie i działaniu urządzenia z fig. 1 i fig. 2. Różnice te dotyczą wytwarzania drugiego strumienia powietrza. W urządzeniu pokazanym na fig. 1 drugi strumień powietrza jest pobierany z kompresora 56. W urządzeniu pokazanym na fig. 2 drugi strumień powietrza jest pobierany z wylotu 80 na pośrednim poziomie ' wymiany masy kolumny 14 o wyższym ciśnieniu. Dla umożliwienia pobierania drugiego strumienia pobierania drugiego strumienia powietrza z kolumny 14 o wyższym ciśnieniu w stanie ciekłym bez ujemnego wpływu na wydajność roboczą tej kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu jest wprowadzany strumień prekursora przez wlot 82 na tym samym poziomie wymiany masy, co wylot 80. Strumień prekursora jest wytwarzany z części powietrza opuszczającego wylot kompresora 56. Strumień prekursora jest chłodzony do temperatury odpowiedniej do jego rektyfikacji poprzez przejście przez główny wymiennik ciepła 6 od strony gorącego końca 8 do zimnego końca 10. Ochłodzony w ten sposób strumień prekursora jest przepuszczany przez zawór dławiący 84 do wlotu 82.

W urządzeniach pokazanych na fig. 1 i 2 występuje wiele czynników, które powodują redukowanie stosunku ciecz/opary w górnych obszarach kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu. Obejmują one wprowadzanie ciekłego powietrza do kolumny rektyfikacyjnej 18 o niższym ciśnieniu (ciekłe powietrze powstaje jako wynik odparowania sprężonego ciekłego tlenu do utworzenia gazowego produktu tlenowego) i zastosowanie części azotu oddzielonego w kolumnie 14 o wyższym ciśnieniu dla utworzenia produktu azotowego zamiast wykroplin ciekłego azotu do podwójnej kolumny rektyfikacyjnej 12. Efektem tego zredukowanego stosunku ciecz/opary będzie zredukowanie uzysku argonu. W porównaniu z konwencjonalnym procesem, w którym skraplacz kolumny argonu jest chłodzony wyłącznie przez część wzbogaconej tlenem cieczy odciąganej ze spodu kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu, sposób według wynalazku umożliwia otrzymanie zwiększonego stosunku ciecz/opary, umożliwiając utrzymanie dużego uzysku argonu tam gdzie produkt konwencjonalny nie mógł osiągnąć takiego rezultatu. Odpowiednio do tego, dla porównania, sposób według wynalazku umożliwia zwiększoną szybkość wytwarzania argonu dla danego poboru mocy. Analogicznie, w alternatywnych przykładach sposobu według wynalazku, nie przedstawionych na rysunku, przez zastosowanie układu chłodzenia wykorzystującego turbinę rozprężeniową, której wylot jest połączony bezpośrednio z pośrednim obszarem wymiany masy kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, jest możliwe przepuszczanie stosunkowo większej proporcji całkowitego

178 373 powietrza doprowadzanego przez tę turbinę, redukując w ten sposób całkowity pobór mocy bez redukowania uzysku argonu (w porównaniu z procesem konwencjonalnym) lub przykładowo dla otrzymywania produktu azotowego z większą szybkością niż oddzielanego w kolumnie rektyfikacyjnej o większym ciśnieniu.

Następnym sposobem otrzymywania istotnej korzyści ekonomicznej przez praktykowanie wynalazku jest zastosowanie kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, w której zastosowano mniejszą ilość „teoretycznych płyt” niż w procesie konwencjonalnym bez straty uzysku argonu. Odpowiednio do tego, można zredukować całkowity koszt kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.

Opisane powyżej korzyści są otrzymywane w wyniku stosunkowo dużej różnicy temperatur pomiędzy odparowywanymi i skraplanymi płynami w skraplaczu przy głowicy argonowej, która to różnica temperatur jest rezultatem wyboru płynu powodującego chłodzenie skraplacza argonowego.

W typowym przykładzie pracy, kompresor 2 posiada ciśnienie wylotowe wynoszące 6 barów, kompresor 52 posiada ciśnienie wylotowe równe około 23 bary, kompresor 56 posiada ciśnienie wylotowe około 65 barów, turbina rozprężeniowa 76 ma ciśnienie wylotowe około 6 barów, turbina rozprężeniowa 78 ma ciśnienie wylotowe około 6 barów, a pompa ciekłego tlenu 36 ma ciśnienie wylotowe 30 barów. Ponadto, jakkolwiek nie pokazano tego na fig. 2, bezpośrednio ze szczytu kolumny rektyfikacyjnej 14 o wyższym ciśnieniu jest pobierany gazowy azot o ciśnieniu pośrednim, mianowicie około 5,6 barów. Kolumna rektyfikacyjna 18 o niższym ciśnieniu pracuje przy ciśnieniu 1,4 bara przy szczycie, zaś kolumna rektyfikacyjna 40 argonu pod ciśnieniem 1,3 bara przy szczycie. W przedstawionym przykładzie ciekły produkt azotowy jest wytwarzany w ilości około 17,5% ilości, w jakiej są wytwarzane produkty tlenowe (zarówno gazowe jak i ciekłe). Ciekły produkt tlenowy jest wytwarzany w tej samej ilości, co ciekły produkt azotowy. Ponadto, bezpośrednio z kolumny 14 o wyższym ciśnieniu jest pobierany gazowy produkt azotowy o ciśnieniu średnim, w przybliżeniu tej samej ilości, co ilość wytwarzanego ciekłego produktu azotowego. Uzysk argonu lub odzyskiwanie wynosi 90% (w stosunku do zawartości argonu w doprowadzanym powietrzu).

178 373

178 373

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób rozdzielania powietrza, obejmujący sprężanie i oczyszczanie powietrza, rektyfikację pierwszego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej, zawierającej kolumnę o wyższym ciśnieniu i kolumnę o niższym ciśnieniu, odciąganie bogatych w tlen i bogatych w azot strumieni produktu z tej podwójnej kolumny rektyfikacyjnej, rektyfikację w kolumnie rektyfikacyjnej argonu strumienia wzbogaconej w argon cieczy, odciąganego z kolumny o niższym ciśnieniu tak, aby uzyskać bogate w argon opary przy -głowicy rektyfikacyjnej argonu, skraplanie przynajmniej części tych 'bogatych w argon oparów i stosowanie przynajmniej części otrzymywanego kondensatu w kolumnie rektyfikacyjnej argonu jako wykropliny, oraz odciąganie bogatego w argon strumienia produktu z kolumny rektyfikacyjnej argonu, znamienny tym, że poddaje się częściowemu ponownemu odparowaniu drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym pod ciśnieniem większym niż ciśnienie przy szczycie kolumny (18) o niższym ciśnieniu ale mniejszym niż przy szczycie kolumny (14) o wyższym ciśnieniu, wytwarzając ciecz wzbogaconą w tlen i opary zubożone w tlen, po czym odłącza się ciecz wzbogaconą w tlen od oparów zubożonych w tlen, a następnie skrapla się strumień oparów zubożonych w tlen i wprowadza się strumień skroplonych oparów zubożonych w tlen do kolumny (18) o niższym ciśnieniu, gdzie przeprowadza się częściowe ponowne odparowywanie drugiego strumienia powietrza poprzez pośrednią wymianę ciepła tego strumienia ze wspomnianymi skroplonymi oparami bogatymi w argon.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że skraplanie strumienia oparów zubożonych w tlen przeprowadza się z wykorzystaniem odłączonej cieczy wzbogaconej w tlen.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że redukuje się ciśnienie strumienia odłączonej cieczy wzbogaconej w tlen, a otrzymany strumień wzbogaconej w tlen cieczy o zredukowanym ciśnieniu stosuje się dla wspomagania drugiego strumienia powietrza przy skraplaniu bogatych w argon oparów.
4. 4. - Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że strumień wzbogaconej w tlen cieczy o zredukowanym ciśnieniu poddaje się ponownemu odparowaniu poprzez pośrednią wymianę ciepła ze skroplonymi oparami bogatymi w argon, a otrzymany ponownie odparowany strumień wprowadza się do kolumny (18) o niższym ciśnieniu.
5. 5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że strumień zubożonych w tlen oparów skrapla się przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem wzbogaconej w tlen cieczy, odciąganej z kolumny (14) o wyższym ciśnieniu.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że strumień cieczy, wzbogaconej w tlen, odciągany z kolumny (14) o wyższym ciśnieniu, poddaje się ponownemu odparowaniu poprzez wymianę ciepła ze zubożonymi w tlen oparami, a otrzymany ponownie odparowany strumień wzbogaconej w tlen cieczy wprowadza się do kolumny (18) o niższym' ciśnieniu.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarza się drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym poprzez wymianę ciepła strumienia sprężonego, oczyszczonego, gazowego powietrza ze strumieniem bogatego w tlen produktu w stanie ciekłym, i przepuszcza się ten drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza przez zawór dławiący (62).
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odbiera się drugi strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym z tego samego poziomu, pośredniej wymiany masy w kolumnie (14) o wyższym ciśnieniu co poziom, do którego doprowadza się macierzysty strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym.

   178 373
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że poddaje się przemianie w opary od 40 do 60% objętościowo ciekłego powietrza w drugim strumieniu sprężonego, oczyszczonego powietrza poprzez wymianę ciepła ze skroplonymi oparami argonu.
10. 10. Urządzenie do rozdzielania powietrza, zawierające podwójną kolumnę rektyfikacyjną mającą kolumnę o wyższym ciśnieniu i kolumnę o niższym ciśnieniu do rektyfikacji pierwszego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza, przy czym ta podwójna kolumna rektyfikacyjna ma wylot dla bogatego w tlen strumienia produktu i wylot dla bogatego w azot strumienia produktu, kolumnę rektyfikacyjną argonu mającą wlot dla strumienia wzbogaconej w argon cieczy, połączony z wylotem z kolumny o niższym ciśnieniu dla strumienia cieczy wzbogaconej w argon, wylot z kolumny rektyfikacyjnej argonu dla bogatego w argon produktu, i pierwszy skraplacz dla skraplania bogatych w argon oparów oddzielonych w kolumnie rektyfikacyjnej argonu i dla przekazywania przynajmniej części kondensatu do kolumny rektyfikacyjnej argonu jako wykropliny, znamienne tym, że pierwszy skraplacz (48) zawiera zestaw kanałów wymiany ciepła, a ponadto urządzenie zawiera separator fazowy (60), oraz drugi skraplacz (66) mający kanały wymiany ciepła, przy czym kanały wymiany ciepła pierwszego skraplacza (48) są połączone z kolumną (18) o niższym ciśnieniu.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że posiada dodatkowo zawór dławiący (62), zaś pierwszy skraplacz (48) ma następny zestaw kanałów wymiany ciepła, które są połączone z kolumną (18) o niższym ciśnieniu.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że drugi skraplacz (66) ma kanały ponownego odparowywania, których wloty są połączone z wylotem wzbogaconej w tlen cieczy z kolumny (14) o wyższym ciśnieniu, zaś wyloty są połączone z wlotem ponownie odparowanej, wzbogaconej w tlen cieczy do kolumny (18) o niższym ciśnieniu.