PL178485B1 - Sposób i urządzenie do oddzielania powietrza - Google Patents

Abstract

1 Sposób oddzielania powietrza, w którym powietrze spreza sie i chlodzi, a nastepnie strumien przynajmniej czesciowo odpro- wadzanego powietrza wprowadza sie do wysokocisnieniowego re ktyfikatora i rozdziela sie ten strumien na wzbogacone w tlen powietrze w stanie cieklym i azot, przy czym skrapla sie tak oddzie- lony azot i pewna czesc kondensatu wykorzystuje sie w postaci skroplin w rektyfikatorze wysokocisnieniowym, a druga jego czesc wykorzystuje sie w postaci skroplin w rektyfikatorze niskocisnie- niowym, oddzielajac w rektyfikatorze sredniocisnieniowym wzbo- gacona w azot pare ze strumienia powietrza wzbogaconego w tlen znajdujacego sie w stanie cieklym i ponownie odparowywuje sie ciekle powietrze w rektyfikatorze sredniocisnieniowym wraz ze strumienia azotu oddzielonego w rektyfikatorze wysokocisnie- niowym i skutkiem tego skrapla sie strumien azotu i spelnia sie niektóre warunki konieczne do skroplenia azotu oddzielonego r e - k t y f i k a t o r z e wysokocisnieniowy, oraz w rektyfikatorze niskocis- nieniowym oddziela sie strumien cieklego powietrza dodatkowego wzbogaconego w tlen pobrany z rektyfikatom sredniocisnieniowe go, a nastepnie z rektyfikatora niskocisnieniowego pobiera sie stru- mien oparów tlenu wzbogaconych w argon i rozdziela sie go przez rektyfikacje aby otrzymac argon, znam ienny tym, ze skrapla sie pare wzbogacona w azot oddzielona w rektyfikatorze srednioci- snieniowym (30) a otrzymany w ten sposób kondensat wykorzy- stuje sie w postaci skroplin w rektyfikatorze sredniocisniemowym (30) i odparowuje sie ponownie w rektyfikatorze niskocisnienio- wym (24) wraz z parowym strumieniem oparów powietrza PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do oddzielania powietrza.

Najkorzystniejszym sposobem rozdzielania powietrzajest rektyfikacja. Najczęstsze cykle rozdzielania powietrza znwierąjąopyrncj e sprężania strumienia powietrza, oczyszczania uzyskanego strumienia sprężonego powietrza przez usunięcie pary wodnej oraz dwutlenku węgla, oraz wstępnego chłodzenia strumienia sprężonego powietrza za pomocąwymiennika ciepła przywracające temperaturę strumienia stosowną do jego rektyfikacji. Rektyfikacja zachodzi przy pomocy tak zwanej „kolumny podwójnej rektyfikacji” zawierającej kolumnę wysokiego i niskiego ciśnienia, to znaczy, że jedna z dwóch kolumn pracuje przy wyższym ciśnieniu niż druga. Większość, jeżeli nie całe powietrze, jest wprowadzane do wysokociśnieniowej kolumny i jest rozdzielane na wzbogacone w tlen skroplone powietrze i skroplona parę azotową. Para azotowa jest skraplana. Część kondensatujest używanajako skroplone orosienie w wysokociśnieniowej kolumnie. Wzbogacona w tlen ciecz jest odprowadzona z dna wysokociśnieniowej kolumny, przechładzana i wprowadzana w pośredni obszar niskociśnieniowej kolumny przez zawór dławiący lub obniżający ciśnienie. Wzbogacona w tlen ciecz jest rozdzielana na czyste tlenowy i azotowy produkty w niskociśnieniowej kolumnie. Produkty te są odprowadzane w stanie parowym z niskociśnieniowej kolumny i tworzą powrotne strumienie naprzeciw których dolatujący strumień powietrzajest poddawany wymianie ciepła. Skroplone orosienie niskociśnieniowej kolumny jest utworzone poprzez zebranie pozostałości kondensatu w wysokociśnieniowej kolumnie, przechodzenie go i przeprowadzenie do górnej części niskociśnieniowej kolumny przez zawór dławiący lub obniżający ciśnienie.

Tradycyjnie, skroplony tlen na dnie niskociśnieniowej kolumny służy jako czynnik kondensujący w górnej części wysokociśnieniowej kolumny. Odpowiednio, para azotowa z górnej części wysokociśnieniowej kolumny poddawana jest wymianie cieplnej razem ze skroplonym tlenem na dnie niskociśnieniowej kolumny. Może tu przejść w stan pary wystarczająca ilość skroplonego tlenu, aby zaspokoić wymagania dla niskociśnieniowej kolumny na ponowne odparowywanie skroplonych par i zapewnić dobrą wydajność uzyskiwania czystego gazowego produktu tlenowego.

178 485

Alternatywną dla tego tradycyjnego sposobujest użycie części doprowadzanego powietrza dla zapewnienia koniecznego ciepła odparowanej cieczy w pierwszym kotle spełniającym funkcję skraplacza na dnie niskociśnieniowej kolumny. Ta alternatywa usuwa połączenia pomiędzy górną częścią wysokociśnieniowej kolumny a dnem niskociśnieniowej kolumny. Odpowiednio, stosunek roboczego ciśnienia pomiędzy dwoma kolumnami jest zmniejszony, redukując tym samym energetyczne wymagania procesu rozdzielania powietrza. Azot oddzielony w wysokociśnieniowej kolumnie jest skroplony w drugim kotle jako skraplaczu przez wymianę ciepła z cieczą wycofaną z pośredniego obszaru masowej wymiany niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej. Ten alternatywny rodzaj procesu jest określany mianem procesu „podwójnego odparowywania”.

Jedną z wad procesów podwójnego odparowywania jest trudność w uzyskaniu produktu argonowego poprzez rektyfikację wzbogaconego w argon tlenowego strumienia wycofywanego z niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej. W celu skutecznego produkowania takiego produktu argonowego, wskazanym jest aby sterować dolnym odcinkiem niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej przy stosunkowo wysokim stopniu odparowywania, tak aby uzyskać w niej warunki zbliżone do minimalnego orosienia. Dla uzyskania takiego wysokiego stopnia odparowywania, powietrze wymagałoby skroplenia w pierwszym kotle, pełniącym funkcję skraplacza w stosunkowo wysokim stopniu wraz z towarzyszącym wysokim stopniem skroplenia powietrza. Wprowadzenie takiego skroplonego powietrza do wysokociśnieniowej kolumny zmniejsza stopień formowania skroplonego azotowego orosienia osiągalnego w niskociśnieniowej kolumnie. W efekcie, próby uzyskania odpowiedniej ilości odzyskanego argonu poprzez zwiększenie stopnia odparowywania poniżej pewnego limitu stanie się niewykonalne.

Celem niniejszego wynalazku jest udostępnienie sposobu i urządzenia, które zaradzątemu problemowi i usuną związane z nim niedogodności.

Sposób rozdzielania powietrza, w którym powietrze spręża się i chłodzi, a następnie strumień przynajmniej częściowo odprowadzanego powietrze wprowadza się do wysokociśnieniowego rektyfikatom i rozdziela się ten strumień na wzbogacone w tlen powietrze w stanie ciekłym i azot, przy czym skrapla się tak oddzielony azot i pewną część kondensatu wykorzystuj e się w postaci skroplin w rektyfikatorze wysokociśnieniowym, a drugąjego część wykorzystuje się w postaci skroplin w rektyfikatorze niskociśnieniowym, oddzielając w rektyfikatorze średniociśnieniowym wzbogaconą w azot parę ze strumienia powietrza wzbogaconego w tlen znajdującego się w stanie ciekłym i ponownie odparowywuje się ciekłe powietrze w rektyfikatorze średniociśnieniowym wraz ze strumienia azotu oddzielonego w rektyfikatorze wysokociśnieniowym i skutkiem tego skrapla się strumień azotu i spełnia się niektóre warunki konieczne do skroplenia azotu oddzielonego w rektyfikatorze wysokociśnieniowym, oraz w rektyfikatorze niskociśnieniowym oddziela się strumień ciekłego powietrza dodatkowego wzbogaconego w tlen pobrany z rektyfikatora średniociśnieniowego, a następnie z rektyfikatom niskociśnieniowego pobiera się strumień oparów tlenu wzbogacanych w argon i rozdziela się go przez rektyfikację aby otrzymać argon według wynalazku charakteryzuje się tym, że skrapla się parę wzbogaconąw azot oddzieloną w rektyfikatorze średniociśnieniowym a otrzymany w ten sposób kondensat wykorzystuj e się w postaci skroplin w rektyfikatorze średniociśnieniowym i odparowuj e się ponownie w rektyfikatorze niskociśnieniowym wraz z parowym strumieniem oparów powietrza.

Zarówno zanieczyszczony tlenowy produkt zawierający od 93 do 97% objętości tlenu i stosunkowo czysty tlenowy produkt odprowadza się z niskociśnieniowego rektyfikatora.

Zanieczyszczony tlenowy produkt i wzbogacony w argon parowy strumień tlenowy odprowadza się z tego samego obszaru niskociśnieniowego rektyfikatora.

Pewnąilość zanieczyszczonego produktu tlenowego także odprowadza się z dna rektyfikatora, w którym jest wytwarzany produkt argonowy.

Część azotu oddzielonąw wysokociśnieniowym rektyfikatorze skrapla się przez pośrednią wymianę ciepła z cieczą zabraną z obszaru pośredniej wymiany masy niskociśnieniowego rektyfikatom. następnie przynajmniej część cieczy odparowuje się, a otrzymaną parę ponownie doprowadza się do obszaru wymiany masy niskociśnieniowego rektyfikatora.

178 485

Strumień skroplonego powietrza dalej wzbogaca się w tlen i wycofuje się z pośrednio ciśnieniowego rektyfikatora, redukuje się jego ciśnienie i strumień pośrednio poddaje się wymianie ciepła ze strumieniem wzbogaconej w azot cieczy oddzielonej w pośrednio ciśnieniowym rektyfikatorze tak, aby wpłynąć na skraplanie azotu.

Strumień skroplonego powietrza o zredukowanym ciśnieniu wzbogaca się w tlen, przynaj mniej częściowo, ponownie odparowuje się przez swoją wymianę ciepła ze strumieniem wzbogaconej w azot cieczy, a po wymianie ciepła wprowadza się do niskociśnieniowego rektyfikatora w celu rozdzielenia.

Wzbogaconą w azot parę skrapla się w stopniu wyższym od wymaganego dla zapewnienia niezbędnego orosienia dla średniociśnieniowego rektyfikatora i skroplenia, jakie jest stosowane w co najmniej jednym wysoko- i niskociśnieniowym rektyfikatorze oraz traktuje się jako produkt azotowy.

Urządzenia do rozdzielania powietrza zawierające zespoły do sprężania doprowadzonego powietrza i zespoły do schładzania sprężonego powietrza, oraz wysokociśnieniowy rektyfikator do rozdzielania przepływu doprowadzanego powietrza przynajmniej częściowo w stanie pary w wzbogacone w tlen skroplone powietrze oraz azot, liczne pierwsze skraplacze do skraplania azotu tak oddzielonego aby umożliwić w praktyce części skroplonego azotu przejście do wysokociśnieniowego rektyfikatora jako orosienie a drugiej jego części do niskociśnieniowego rektyfikatora jako orosienie, średniociśnieniowy rektyfikator do oddzielania wzbogaconego w azot płynu od strumienia wzbogaconego w tlen skroplonego powietrza odprowadzonego, w praktyce, z wysokociśnieniowego rektyfikatora, pierwszy kocioł ponownego odparowywania dołączony do średniociśnieniowego rektyfikatora, który to pierwszy kocioł posiada skraplające przejścia w połączeniu z azotem oddzielonym, w praktyce, w wysokociśnieniowym rektyfikatorze i tamże zdolny do funkcjonowania jako jeden z pierwszych skraplaczy, oraz dalszy rektyfikator do oddzielania argonowego produktu ze strumienia wzbogaconej w argon pary tlenowej wycofanej w praktyce z niskociśnieniowego rektyfikatora, w którym niskociśnieniowy rektyfikator połączony jest z wylotem dla skroplonego powietrza dalej wzbogaconego w tlen z średniociśnieniowej kolumny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera skraplacz do skraplania wzbogaconej w azot pary oddzielonej w średniociśnieniowym rektyfikatorze dla orosienia średniociśnieniowego rektyfikatora oraz drugi kocioł ponownego odparowywania dołączony do niskociśnieniowego rektyfikatora posiadający skraplające przejścia w połączeniu z zespołem schładzającym.

Niskociśnieniowy rektyfikator ma jeden wylot dla zanieczyszczonego produktu tlenowego zawierającego od 93 do 97% objętościowych tlenu i drugi wylot dla stosunkowo czystego produktu tlenowego.

Pod nazwą „rektyfikator”, stosowaną w istocie i zastrzeżeniach patentowych, rozumie się kolumnę frakcjonowania lub rektyfikacji, w której, w praktyce, występująca faza pary ulega wymianie masy z opadającą skroploną fazą, bądź tez liczne tego typu kolumny działające zasadniczo przy tym samym ciśnieniu.

Występujące tu odnośniki dotyczące „ponownego odparowywania” rektyfikatora oznaczają, iż ciecz doprowadzana lub odprowadzana z obszaru wymiany masy ze znaj dującą się w rektyfikatrze para podlega wrzeniu przynajmniej częściowo tak, aby utworzyć wznoszący się przepływ pary przez rektyfikator. Wrzenie zachodzi zwykle dzięki pośredniej wymianie ciepła ze skroploną parą w kotle pełniącym funkcję skraplacza. Taki kocioł może być umieszczony wewnątrz lub na zewnątrz rektyfikatora.

Sposób i urządzenia zgodnie z wynalazkiem są użyte do wyprodukowania zanieczyszczonego produktu tlenowego zawierającego zwykle od 93 do 97% objętości tlenu. W dodatku, powyżej około 40% całkowitego produktu tlenowego może być wytworzone jako produkt tlenowy wyższej czystości zawierający zwykle około 99,5% objętości tlenu. Produkty tlenowe powinny być odprowadzone z niskociśnieniowego rektyfikatora w stanie ciekłym.

Wzbogacony w argon tlenowy strumień pary i zanieczyszczony produkt tlenowy powinny być zabrane z tego samego obszaru niskociśnieniowego rektyfikatora, przy czym należy zauwa6

178 485 żyć, że nie ma zespołów łączących ciecz z parą pomiędzy wylotem z niskociśnieniowego rektyfikatom dla zanieczyszczonego produktu tlenowego a wylotem dla wzbogaconej w argon pary tlenowej zasilającej argonowy rektyfikator. Korzystnie, aby pewna ilość zanieczyszczonego produktu tlenowego została także odprowadzona z dna rektyfikatom, w którym produkowany jest produkt argonowy. Jeżeli jest to pożądane, zanieczyszczony produkt tlenowy odprowadzony ze stanu niskiego ciśnienia może być najpierw wysyłany do argonowego rektyfikatom, a pojedynczy strumień zanieczyszczonego produktu tlenowego odprowadzony z dna argonowego rektyfikatom.

Włączając średniociśnieniowy rektyfikator do sposobu i urządzeń zgodnych z wynalazkiem, stopień skroplenia azotowego orosienia dla niskociśnieniowego i wyskociśnieni owego rektyfikatorów może być wzmożony w porównaniu do analogicznych tradycyjnych sposobów, w których tego typu rektyfikatory nie sąużywane. W efekcie większa ilość powietrza doprowadzonego może być skroplona podczas utrzymywania poziomu odzyskiwani a tlenu. Stąd utrzymywany zwiększony stopień ponownego odparowywania na dnie niskociśnieniowego rektyfikatom powoduje, że ilość stosunkowo dużej czystości produktu tlenowego może zostać zwiększona. Ponadto, znaczące ilości azotu w stanie gazowym w postaci pary bądź ciekłym mogą być wycofane z niskociśnieniowego i/lub średniociśnieniowego rektyfikatorów. Jeżeli odprowadzone są w stanie ciekłym, ciśnienie azotu może być podniesione w pompie i może być on odparowany w głównym wymienniku ciepła w celu wytworzenia produktu j akimkolwiek pożądanym ciśnieniu.

Sposób i urządzenia zgodnie z wynalazkiem są uwidocznione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym przedstawiony jest schematyczny diagram przepływu w urządzeniu służącym do oddzielania powietrza. Rysunek nie jest w skali.

Na rysunku, doprowadzony strumień powietrza jest sprężany w sprężarce 2, po czym jest przeprowadzany przez jednostkę oczyszczania 4 usuwąjącąz niego parę wodną i dwutlenek węgla. Jednostka 4 zawiera warstwy (nie pokazane na rysunku) substancji absorbujących usuwające parę wodnąi dwutlenek węgla. Warstwy pracują w sposób niesekwencyjny tak, aby podczas gdy jedna lub więcej warstw oczyszcza doprowadzony strumień powietrza, pozostałe były regenerowane, na przykład przez oczyszczenie strumieniem gorącego azotu. Taka jednostka oczyszczania i jej praca są doskonale znane ze stanu techniki i nie wymagają dalszego opisu.

Oczyszczony strumień doprowadzonego powietrzaj est podzielony na trzy wtórne strumienie. Pierwszy wtórny strumień powietrza przepływa przez główny wymiennik ciepła 6, od jego ciepłego końca 8 do końca zimnego 10, i jest tam ochładzany z temperatury otoczenia do swojej temperatury nasycenia (lub innej temperatury odpowiedniej do jego rozdzielenia przez rektyfikację). Tak schłodzony strumień powietrza przepływa przez drugi kocioł 12 pełniący funkcję skraplacza i jest tam częściowo skroplony. Otrzymany częściowo skroplony strumień powietrza jest wprowadzany do wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14 przez wlot 16. Alternatywny układ (nie pokazany) to podzielenie pierwszego wtórnego strumienia powietrza od strony odpływu od zimnego końca 10 głównego wymiennika ciepła 6 i wprowadzeniejednej części bezpośrednio do wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14 i skroplenie całkowite drugiej części w drugim kotle 12 pełniącym funkcję skraplacza w stronę dopływu od wprowadzenia do kolumny 14.

Oprócz zasilania przez wlot 16, wysokociśnieniowa kolumna frakcj onowaniaj est także zasilana częścią skroplonego drugiego wtórnego strumieniem powietrza. Drugi wtórny strumień oczyszczonego powietrza jest dalej sprężany w sprężarce 18 i schładzany do swej temperatury nasycenia przez przejście przez główny wymiennik ciepła 6 odjego ciepłego końca 8 do jego końca zimnego 10. Tak schłodzony drugi wtórny strumień powietrza jest dzielony na trzy części. Jedna część przepływa przez zawór dławiący 20 i jest wprowadzana do wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14 przez wlot 22. Użycie pozostałych części schłodzonego drugiego wtórnego strumienia powietrza zostanie opisane poniżej.

Wysokociśnieniowa kolumna frakcjonowania 14 zawiera parowo-cieczowe zespoły łączące (nie pokazane), przez które faza ciekła styka się bezpośrednio z unoszącąsię fazągazową (parą) tak, że zachodzi wymiana masy pomiędzy fazami. Opadająca ciekła faza staje się postę178 485 powo coraz bardziej wzbogacona w tlen, a występująca parowa faza postępowo bogatsza w azot. Parowo-cieczowe zespoły łączące zawierają układ cieczowo-parowych łączących palet lub zawierają strukturalne lub losowe wypełnienie.

Ciecz gromadzi się na dnie wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14. Wloty 16 i 22 są umieszczone tak, aby ciecz tak zgromadzona była w przybliżeniu w równowadze z dostarczanym powietrzem w stanie pary. odpowiednio, ponieważ tlen jest mniej lotny niż inne główne składniki (azot i argon) powietrza, ciecz zgromadzona na dnie kolumny frakcjonowania 14 jest wzbogacona w tlen i zwykle zawiera w granicach od 30 do 35% objętości tlenu.

Wysokociśnieniowa kolumna frakcjonowania 14 powinna zawierać wystarczającą ilość patel lub wystarczającą wysokość wypełnienia w celu wytwarzania pary czystego azotu w górnej części kolumny frakcjonowania 14. Azotjest skraplany tak, aby zapewnić przepływ w dół skroplonego azotowego orosienia do kolumny frakcjonowania 14, a także takiegoż orosienia dla niskciśnieniowego rektyfikatora 24, który zawiera przejścia wrzenia (nie pokazane) kotła 12 spełniającego funkcje skraplacza. Skraplanie azotu jest przeprowadzone w dwóch dalszych kotłach 26 i 28 spełniających funkcje skraplaczy. Przejścia wrzenia (nie pokazane) kotła 26 jako skraplacza sąpołączone pośrednim obszarem wymiany masy niskociśnieniowej rektyfikacyjnej kolumny 24. Przejścia gotujące (nie pokazane) kotła 28 jako skraplacza sąpołączone z dnem pośredniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30. Ta cześć azotu skroplona w kotle 26 jako skraplacza, która nie jest potrzebna jako orosienie w wysokociśnieniowej kolumnie frakcjonowania 14, jest przechładzana w wymienniku ciepła 32, przeprowadzana przez zawór dławiący 34, wprowadzana przez wlot 36 do górnej części niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 zapewniając skroplone azotowe orosienie dla tej kolumny.

Strumień wzbogaconej w tlen cieczy jest odprowadzany z dna wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14 przez wylot 38, przechładzany w wymienniku ciepła 32, redukowany co do ciśnienia przez przejście przez zawór dławiący 40, oraz jest wprowadzany na dno średniociśnieniowej rektyfikacyjnej kolumny 30. Pośredniociśnieniowa kolumna rektyfikacyjna 30 jest także zasilana jedną lub dwoma częściami schłodzonego drugiego wtórnego strumienia powietrza, które nie sąwysłane do wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14. Ciśnienie tej części jest redukowane przez przejście przez zawór dławiący 42 od strony dopływu od swego wprowadzenia w stanie ciekłym do pośredniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30 przez wlot 44. Średniociśnieniowa rektyfikacyjna kolumna 30 rozdziela powietrze na po pierwsze skroplone powietrze dalej wzbogacane w tlen i po drugie azot. Średniociśnieniowa kolumna 30 jest wyposażona w cieczowo-parowe zespoły łączące, takie jak palety lub strukturalne wypełnienia umożliwiające wstępującej fazie pary wejścia w stan dokładnego stykania się z opadającą ciekląfazą, umożliwiając tamże wymianę masy pomiędzy dwoma fazami. Przepływ w górę pary powstaje w wyniku wrzenia cieczy znajdującej się na dnie średniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30. Wrzenie powstaje w przejściach wrzenia (nie pokazanych) kotła 28 jako skraplacza, przez pośredniąwymianę ciepła ze skroplonym azotem. Kolumna 30 zawiera wystarczającą liczbę palet lub odpowiednią wysokość wypełnienia do wytwarzania czystego azotu w jej górnej części. Strumień azotowej pary jest wycofywany z górnej części pośredniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30 i jest skraplany w skraplaczu 46. Jedna część kondensatu jest używana jako skroplone azotowe orosienie w średniociśnieniowej kolumnie rektyfikacyjnej 30. Ciśnienie drugiej części zostaje zwiększone z pomocą pompy 48 i kondensat przeprowadzony jest przez główny wymiennik ciepła 6 od jego zimnego końca 10 do jego końca ciepłego 8. Strumień sprężonego azotu jest zatem odparowany i wpływa z ciepłego końca 8 głównego wymiennika ciepła 6, gdy wysokociśnieniowy azot osiągnie w przybliżeniu temperaturę toczenia. Ciśnienie trzeciej części azotu skroplonej w skraplacz 46 jest redukowane przez przejście przez zawór dławiący 50, kondensat wprowadzony jest do górnej części niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 jako orosienie przez wlot 52. Praca średniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30 wzmaga stopień, wjakim azot oddzielony w wysokociśnieniowej kolumnie frakcjonowania 14 jest skroplony, oraz wzmaga stopień, w jakim jest udostępnione skroplone azotowe orosienie w wysokociśnieniowej kolumnie frakcjonowania 14 w kolumnie rektyfikacyjnej 24.

178 485

Strumień skroplonego powietrza dalej wzbogaconego w tlen (zwykle zawierający koło 40% objętości tlenu) jest wycofywany przez wylot 54 z dna pośredniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30. Strumień jest dzielony na dwie części. Jedna część przepływa przez zawór dławiący 56 w celu zredukowania swego ciśnienia do niewiele ponad to, w jakim pracuje niskociśnieniowa kolumna rektyfikacyjna 24. Zredukowany do ciśnienia strumień dalej wzbogaconego skroplonego powietrza przepływa przez skraplacz 46 w pośrednim związku wymiany ciepła ze skraplającym się azotem. Stąd zapewnione jest chłodzenie dla skraplacza 46, a dalej wzbogacone skroplone powietrze jest ponownie odparowywane za pomocą wymiany ciepła. Otrzymany parowy dalej wzbogacony strumień powietrza jest wprowadzany przez wlot 58 d niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 w jej obszar pośredniej parowo cieczowej łączności. Druga część dalej wzbogaconego skroplonego strumienia powietrza, która jest odprowadzana z dna średniociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30 jest podzielona ponownie na dwa strumienie. Ciśnienie jednego z tych strumieni jest redukowane przez przejście przez zawór dławiący 60 i strumień jest wprowadzany d niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 przez wlot 62 na poziomie powyżej wlotu 58. Drugi strumień dalej wzbogaconego skroplonego powietrza przepływa przez zawór dławiący 64 w celu zredukowania swego ciśnienia. Zredukowany co do ciśnienia dalej wzbogacony skroplony strumień powietrza przepływa do zaworu 64 przez skraplacz 66, który jest połączony z głowicą argonowej kolumny rektyfikacyjnej 68 umieszczoną po boku i zasilaną przez niskociśnieniową kolumnę rektyfikacyjną 24. Strumień dalej wzbogaconego skroplonego powietrza przepływającego przez skraplacz 66 jest ponownie odparowany a otrzymana para jest wprowadzana do niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 przez wlot 70 na tym samym poziomie co wlot 58.

Występują też dalsze doprowadzane strumienie powietrza dla niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24. Po pierwsze, trzecia część schłodzonego drugiego wtórnego strumienia powietrza jest zabrana od strony odpływu od zimnego końca 10 głównego wymiennika ciepła 6, przechładzana przez przejście przez wymiennik ciepła 32, przeprowadzana przez zawór dławiący 72, i wprowadzana do niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 jako skroplony strumień przez wlot 74 na poziomie powyżej wlotu 62, ale poniżej wlotów 36 i 52. Po drugie, trzeci wtórnie czyszczony strumień powietrza jest używany jako zasilenie dla niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24. Ten strumieńjest dalej sprężany w sprężarce 76, schładzany do temperatury około 150°K przez przejście przez główny wymiennik ciepła 6 odjego ciepłego końca 8 do jego pośredniego obszaru, jest następnie odprowadzany z pośredniego obszaru głównego wymiennika ciepła 6, rozprężony do ciśnienia nieco ponad ciśnienie niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 w rozprężającej turbinie 78, i wprowadzany do kolumny 24 przez wlot 80 na tym samym poziomie co wlot 62. Rozprężanie trzeciego wtórnego strumienia powietrza w turbinie 78 ma miejsce pod wpływem działania z zewnątrz, które może na przykład stanowić napęd sprężarki 76. Odpowiednio, jeżeli jest to pożądane, wirnik (nie pokazany) turbiny 78 może być zamontowany na tym samym wale napędowym co wirnik (nie pokazany) sprężarki 76. Praca turbiny 78 wywołuje niezbędne chłodzenie dla procesu rozdzielania powietrza. Stopień wymaganego chłodzenia zależy od proporcji dolatującego powietrza rozdzielanego na skroplone produkty. W urządzeniu pokazanym na rysunku, jedynie argon jest produkowany w stanie ciekłym. Potrzebna jest więc tylko jedna turbina.

Rozmaite strumienie powietrzne doprowadzane do niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 są w niej rozdzielane na produkty tlenowy i azotowy. W celu wpłynięcia na rozdzielanie, parowo-cieczowe zespoły łączące (nie pokazane), na przykład palety destylacyjne bądź tez strukturalne lub losowe wypełnienie, są wprowadzone w niskociśnieniowej kolumnie rektyfikacyjnej 24 dla zapewnienia dokładnego stykania się pomiędzy wznoszącą się parą a opadającą cieczą, zezwalając przy tym na wymianę masy pomiędzy dwoma fazami. Opadanie cieczy jest wynikiem wprowadzenia skroplonego azotowego orosienia do niskociśnieniowej kolumny 24 rektyfikacyjnej przez wloty 52 i 36. Pośrednia wymiana ciepła cieczy na dnie niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 ze skroplonym powietrzem w drugim kotle 12 zapewnia przepływ w górę pary w niskociśnieniowej kolumnie rektyfikacyjnej 24. Ten przepływ w górę jest zwiększo178 485 ny przez pracę kotła 26 jako skraplacza, który ponownie odparowuje ciecz wycofana ze związku masowej wymiany z parą na pośrednim poziomie kolumny 24, zwykle poniżej wlotów 58 i 70. Zasadniczo czysty produkt azotowy jest wycofany z górnej części niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 przez wylot 82, następnie jest ogrzewany przez przejście przez wymiennik ciepła 32 w sposób odwrotny do strumieni, które są tam przechładzane, i jest dalej ogrzewany przez przejście przez główny wymiennik ciepła 6 od jego zimnego końca 10 do jego ciepłego końca 8. Czysty produkt azotowy o stosunkowo niskim ciśnieniu może być więc wyprodukowany przy temperaturze będącej w przybliżeniu temperaturę otoczenia.

Dwa tlenowe produkty są odprowadzone z niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24. Stosunkowo czysty tlenowy produkt (zwykle zawierający 99.5% tlenu) jest wycofany w stanie ciekłym przez wylot 84 na dnie niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 i sprężany przez pompę 86 do uzyskania pożądanego podwyższonego ciśnienia zasilającego. Otrzymany sprężony skroplony strumień tlenu jest odparowywany przez przejście przez wymiennik ciepła 6 od jego zimnego końca 10 do jego ciepłego końca 8. Zanieczyszczony tlenowy produkt (zwykle zawierający 99.5% tlenu) jest wycofany w stanie ciekłym przez wylot 84 na dnie niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 i sprężany przez pompę 86 do uzyskania pożądanego podwyższego ciśnienia zasilającego. Otrzymany sprężony skroplony strumień tlenu jest odparowywany przez przejście przez wymiennik ciepła 6 od jego zimnego końca 10 do jego ciepłego końca 8. Zanieczyszczony tlenowy produkt (zwykle zawierający 95% objętości tlenu) jest odprowadzany z poziomu pośredniej wymiany masy w kolumnie 24 przez wylot 88 w stanie ciekłym i jest sprężany do ciśnienia zasilającego przez pracę pompy 90. Otrzymany zanieczyszczony tlenowy produkt jest odparowywany przez przejście przez główny wymiennik ciepła 6 od jego zimnego końca do jego ciepłego końca 8. Ciśnienie, przy którym drugi wtórnie oczyszczony strumień powietrza jest przeprowadzony przez główny wymiennik ciepła 6, jest tak dobrane, aby utrzymać ścisłe dostosowanie temperatury-wydajności cieplnej tego strumienia i parujących skroplonych strumieni tlenowych.

Chociaż napływające powietrze zawiera jedynie około 0,93% objętości argonu, zasadniczo szczytowa wysoka koncentracja argonu jest utworzona w pośrednim obszarze niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24. Niskociśnieniowa kolumna rektyfikacyjna 24 może stąd działać jako źródło wzbogaconego w argon tlenu do rozdzielenia w argonowej rektyfikacyjnej kolumnie 68. Wzbogacony w argon strumień tlenowy w parowej fazie powinien być odprowadzony z tego samego obszaru niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 co strumień zanieczyszczonego produktu tlenowego. Odpowiednio, wzbogacony w argon strumień tlenowy zawiera około 7% objętości argonu. Jest on wycofywany z niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24 przez wylot 92 i wprowadzany na dno argonowej rektyfikacyjnej kolumny 68. Argonowa rektyfikacyjna kolumna 68 zawiera parowo-cieczowe zespoły łączące (nie pokazane), korzystnie strukturalne wypełnienie, zezwalające wstępującej parze na dokładne przyleganie z opadającą cieczą. Przepływ opadającej cieczy jest wytworzony przez skroplenie w skraplaczu 66 pary zabranej z głowicy argonowej rektyfikacyjnej kolumny 68.

Cześć kondensatu jest zawracana do argonowej rektyfikacyjnej kolumny 68 jako strumień orosienia, podczas gdy pozostałości są zabieranejako skroplony produkt argonowy przez wylot 94. Czystość produktu argonowego zależy od wysokości wypełnienia argonowej rektyfikacyjnej kolumny 68. Jeżeli użytajest ilość wypełnienia równoważna około 180 teoretycznych płytek, może być wyprodukowany zasadniczo wolny od tlenu produkt argonowy. Jeżeli jest to pożądane, wszystkie szczątkowe zanieczyszczenia azotowe mogą zostać usunięte z produktu argonowego przez adsorbcyjne rozdzielenie lub przez rektyfikację w kolejnej kolumnie (nie pokazanej). Jako alternatywa dla produkowania wolnego od tlenu argonu w argonowej rektyfikacyjnej kolumnie 68, może być użyta krótsza kolumna zawierająca niższą wysokość wypełnienia, a z otrzymanego argonowego produktu zawierającego tlen może być on usunięty przez katalitycznąreakcję z wodorem dającą dzięki adsorbcji parę wodnąi oddzielenie azotowych i wodorowych zanieczyszczeń przez rektyfikację.

178 485

Strumień cieczy jest odprowadzony z dna argonowej kolumny rektyfikacyjnej 68 przez wylot 96. Inaczej niż w tradycyjnych procesach produkcji argonu, ten strumień cieczy nie jest zawracany do niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24. Jest natomiast scalony z zanieczyszczonym tlenowym produktem odprowadzanym przez wylot 88 z niskociśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 24.

W typowym przykładzie pracy urządzenia pokazanego na rysunku, wysokociśnieniowa kolumna frakcjonowania 14 działa przy ciśnieniu w zakresie od 3,75 do 4,5 bara w swej górnej części, średniociśnieniowa kolumna frakcjonowania 30 przy ciśnieniu w zakresie od 2,5 do 2,8 bara w swej górnej części; niskociśnieniowa kolumna rektyfikacyjna 24 przy ciśnieniu około

1,3 bara w swej górnej części; oraz argonowa rektyfikacyjna kolumna 68 przy ciśnieniu około 1,1 bara w swej górnej części. Zanieczyszczony i czysty tlenowe produkty sąprodukowane w tym przykładzie typowo przy ciśnieniu 8 barów, a sprężony azotowy produkt przy ciśnieniu 10 barów·'. Dalej, w tym przykładzie, sprężarka 18 posiada wylotowe ciśnienie 22 bary a sprężarka 76 wylotowe ciśnienie 7,5 barów. Biorąc pod uwagę pracę średnikciśnieniowej kolumny rektyfikacyjnej 30, możliwe jest w tym przykładzie odzyskanie powyżej 20% argonu w napływającym powietrzu, jako produktu argonowego i wyprodukowanie powyżej 50% tlenowego produktu o czystości 99,5%.

Jeżeli jest to pożądane, rozmaite zmiany i modyfikacje mogą być wprowadzone do sposobu i urządzenia pokazanego na rysunku. Na przykład, częściowo skroplony strumień powietrza może od strony odpływu od skraplacza-kotła być poddany fazowemu rozdzieleniu, a otrzymana parowa faza wprowadzana do wysokociśnieniowej kolumny frakcjonowania 14 przez wlot 16. Skroplone powietrze tak rozdzielone może być rozprowadzone pomiędzy kolumny 14,24 i 30.

178 485

178 485

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób oddzielania powietrza, w którym powietrze spręża się i chłodzi, a następnie strumień przynajmniej częściowo odprowadzanego powietrza wprowadza się do wysokociśnieniowego rektyfikatora i rozdziela się ten strumień na wzbogacone w tlen powietrze w stanie ciekłym i azot, przy czym skrapla się tak oddzielony azot i pewnączęść kondensatu wykorzystuje się w postaci skroplin w rektyfikatorze wysokociśnieniowym, a drugąjego część wykorzystuje się w postaci skroplin w rektyfikatorze niskociśnieniowym, oddzielając w rektyfikatorze średniociśnieniowym wzbogaconą w azot parę ze strumienia powietrza wzbogaconego w tlen znajdującego się w stanie ciekłym i ponownie odparowywuje się ciekłe powietrze w rektyfikatorze średniociśnieniowym wraz ze strumienia azotu oddzielonego w rektyfikatorze wysokociśnieniowym i skutkiem tego skrapla się strumień azotu i spełnia się niektóre warunki konieczne do skroplenia azotu oddzielonego w rektyfikatorze wysokociśnieniowym, oraz w rektyfikatorze niskociśnieniowym oddziela się strumień ciekłego powietrza dodatkowego wzbogaconego w tlen pobrany z rektyfikatora średniociśnieniowego, a następnie z rektyfikatora niskociśnieniowego pobiera się strumień oparów tlenu wzbogaconych w argon i rozdziela się go przez rektyfikacj ę aby otrzymać argon, znamienny tym, że skrapla się parę wzbogaconą w azot oddzieloną w rektyfikatorze średniociśnieniowym (30) a otrzymany w ten sposób kondensat wykorzystuje się w postaci skroplin w rektyfikatorze średniociśnieniowym (30) i odparowuje się ponownie w rektyfikatorze niskociśnieniowym (24) wraz z parowym strumieniem oparów powietrza.
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że oba zanieczyszczony tlenowy produkt zawierający od 93 do 97% objętości tlenu i stosunkowo czysty tlenowy produkt odprowadza się z niskociśnieniowego rektyfikatora (24).
3. 3. Sposób, według zastrz. 2, znamienny tym, że zanieczyszczony tlenowy produkt i wzbogacony w argon parowy strumień tlenowy odprowadza się z tego samego obszaru niskociśnieniowego rektyfikatora (24).
4. 4. Sposób, według zastrz. 3, znamienny tym, że pewnąilość zanieczyszczonego produktu tlenowego także odprowadza się z dna rektyfikatora (68), w którym jest wytwarzany produkt argonowy.
5. 5. Sposób, według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że część azotu oddzieloną w wysokociśnieniowym rektyfikatorze (14) skrapla się przez pośrednią wymianę ciepła z cieczą zabraną z obszaru pośredniej wymiany masy niskociśnieniowego rektyfikatora, następnie przynajmniej część cieczy odparowuje się, a otrzymaną parę ponownie doprowadza się do obszaru wymiany masy niskociśnieniowego rektyfikatora (24).
6. 6. Sposób, według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że strumień skroplonego powietrza wzbogaca się w tlen i odprowadza się z średniociśnieniowego rektyfikatora (30), redukuje się jego ciśnienie i strumień pośrednio poddaje się wymianie ciepła ze strumieniem wzbogaconej w azot cieczy oddzielonej w średniociśnieniowym rektyfikatorze (30) wpływając na skraplanie azotu.
7. 7. Sposób, według zastrz. 6, znamienny tym, że strumień skroplonego powietrza o zredukowanym ciśnieniu wzbogaca się w tlen, przynajmniej częściowo, ponownie odparowuje się przez swoją wymianę ciepła ze strumieniem wzbogaconej w azot cieczy, a po wymianie ciepła wprowadza się do niskociśnieniowego rektyfikatora (24) w celu rozdzielenia.
8. 8. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że wzbogaconą w azot parę skrapla się w stopniu wyższym od wymaganego dla zapewnienia niezbędnego orosienia dla średniociśnieniowego rektyfikatora (30) i skroplenia, jakie jest stosowane w co najmniej jednym wysoko- i niskociśnieniowym rektyfikatorze (14, 24) oraz traktuje się jako produkt azotowy.
9. 9. Urządzenia do oddzielania powietrza zawierające zespoły do sprężania doprowadzonego powietrza i zespoły do schładzania sprężonego powietrza, oraz wysokociśnieniowy rektyfi178 485 kator do rozdzielania przepływu doprowadzanego powietrza przynajmniej częściowo w stanie pary w wzbogacone w tlen skroplone powietrze oraz azot, liczne pierwsze skraplacze do skraplania azotu tak oddzielonego aby umożliwić w praktyce części skroplonego azotu przejście do wysokociśnieniowego rektyfikatora jako orosienie a drugiej jego części do niskociśnieniowego rektyfikatom jako orosienie, średniociśnieniowy rektyfikator do oddzielania wzbogaconego w azot płynu od strumienia wzbogaconego w tlen skroplonego powietrza odprowadzonego, w praktyce, z wysokociśnieniowego rektyfikatora, pierwszy kocioł ponownego odparowywania dołączony do średniociśnieniowego rektyfikatora, który to pierwszy kocioł posiada skraplające przejścia w połączeniu z azotem oddzielonym, w praktyce, w wysokociśnieniowym rektyfikatorze i tamże zdolny do funkcjonowaniajako jeden z pierwszych skraplaczy, oraz dalszy rektyfikator do oddzielania argonowego produktu ze strumienia wzbogaconej w argon pary tlenowej odprowadzonej w praktyce z niskociśnieniowego rektyfikatora, w którym niskociśnieniowy rektyfikator połączony jest z wylotem dla skroplonego powietrza dalej wzbogaconego w tlen z średniociśnieniowego rektyfikatora, znamienny tym, że zawiera skraplacz (46) wzbogaconej w azot pary oddzielonej w średniociśnieniowym rektyfikatorze (30) dla orosienia średniociśnieniowego rektyfikatora (30) oraz drugi kocioł (12) ponownego odparowywania dołączony do niskociśnieniowego rektyfikatora (24) posiadający skraplające przejścia w połączeniu z wymiennikiem ciepła (6) jako zespołem schładzającym.
10. 10. Urządzerna, według zastrz. 9, znam ienny iym, że niskociśnieniowy rektyfikator i24) majeden wylot (88) dla znnieceynzceonego produktu tlenowego zawieraj ącego od 93 do 97% objętościowych tlenu i drugi wylot (84) dla stosunkowo czystego produktu tlenowego.