PL180689B1

PL180689B1 - Sposób rozdzielania powietrza PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL180689B1
Application number: PL96315488A
Authority: PL
Inventors: Thomas Rathbone
Original assignee: Boc Group Plc
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 2001-03-30
Also published as: GB9515907D0; NO963246L; NO963246D0; ZA966557B; EP0757217A1; JPH1054657A; US5806341A; PL315488A1; AU6080696A; AU711169B2

Abstract

1 Sposób rozdzielania powietrza, polegajacy na prowadze- niu etapów sprezania i dodatkowego sprezania strumienia powie- trza, po czym jeden strumien dodatkowo sprezonego powietrza chlodzi sie w wymienniku ciepla poprzez wymiane ciepla z przynajmniej jednym produktem rozdzielania powietrza w rekty- fikatorze i przynajmniej czesciowo sie go skrapla, zas przynajm- niej jeden drugi strumien dodatkowo sprezonego powietrza rozpreza sie z wykonaniem pracy zewnetrznej, przy czym czesc rozprezonego drugiego strumienia powietrza przepuszcza sie przez kanaly wymiennika ciepla, podlaczone pomiedzy poloze- niem za wyjsciem z etapu sprezania ale przed wejsciem do etapu dodatkowego sprezania i polozeniem przed wlotem do rektyfi- katora, a nastepnie przeprowadza sie rektyfikacje przynajmniej czesci skroplonego strumienia powietrza i przynajmniej czesci rozprezonego drugiego strumienia powietrza dla otrzymania frakcji tlenu i frakcji azotu, przy czym reguluje sie stosunek ilosci cieklego tlenu i/lub cieklego azotu do ilosci calkowitego pobiera- nego produktu tlenowego, i pobiera sie ciekly tlen i/lub ciekly azot z etapu rektyfikacji, znamienny tym, ze reguluje sie uzupel- niajaco proporcje zawracanego do obiegu rozprezonego drugiego strumienia powietrza przez przepuszczanie go w odwrotnym kierun- ku przeplywu przez kanaly wymiennika ciepla (22) FIG 1 PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób rozdzielania powietrza.

Ze stanu techniki jest znany sposób rozdzielania powietrza, polegający na prowadzeniu etapów sprężania i dodatkowego sprężania strumienia powietrza, po czym jeden strumień dodatkowo sprężonego powietrza chłodzi się w wymienniku ciepła poprzez wymianę ciepła z przynajmniej jednym produktem rozdzielania powietrza w rektyfikatorze i przynajmniej częściowo się go skrapla, zaś przynajmniej jeden drugi strumień dodatkowo sprężonego powietrza rozpręża się z wykonaniem pracy zewnętrznej, przy czym część rozprężonego drugiego strumienia powietrza przepuszcza się przez kanały wymiennika ciepła, podłączone pomiędzy położeniem za wyjściem z etapu sprężania ale przed wejściem do etapu dodatkowego sprężania i położeniem przed wlotem do rektyfikatora, a następnie przeprowadza się rektyfikację przynajmniej części skroplonego strumienia powietrza i przynajmniej części rozprężonego drugiego strumienia powietrza dla otrzymania frakcji tlenu i frakcji azotu, przy czym reguluje się stosunek ilości ciekłego tlenu i/lub ciekłego azotu do ilości całkowitego pobieranego produktu tlenowego, i pobiera się ciekły tlen i/lub ciekły azot z etapu rektyfikacji.

Skraplanie części przychodzącego powietrza umożliwia wytwarzanie ciekłego produktu tlenowego lub ciekłego produktu azotowego, względnie obydwu. Jeżeli pożądany jest dodatkowo produkt w postaci tlenu gazowego, to może on być pobierany w postaci oparów pochodzących z rektyfikacji lub może on być pobierany jako ciecz i następnie odparowywany, zwykle poprzez wymianę ciepła z przychodzącym powietrzem. Główna część wymagań dotyczących chłodzenia dotyczy potrzeby pobierania produktu ciekłego zamiast produktów gazowych. Zwykle każdy z produktów jest wytwarzany ze stałą szybkością. Czasami jest pożądana zmiana szybkości wytwarzania tych produktów, wykraczająca poza zakres prędkości, które mogą być uzyskiwane przez zwykłe zmniejszenie lub zwiększenie szybkości dopływu powietrza do urządzenia. Jakkolwiek znane są rozmaite tak zwane sposoby o zmiennym zapotrzebowaniu stosowane do oddzielania tlenu z powietrza, to są one przeznaczone dla zaspokojenia periodycznie zmiennego zapotrzebowania na tlen, a nie długoterminowej zmiany tego zapotrzebowania.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu, który umożliwi szeroką zmianę proporcji przepływu powietrza odciąganego jako produkty ciekłe tak, aby zaspokoić długoterminową zmianę zapotrzebowania.

Sposób rozdzielania powietrza, polegający na prowadzeniu etapów sprężania i dodatkowego sprężania strumienia powietrza, po czym jeden strumień dodatkowo sprężonego powietrza chłodzi się w wymienniku ciepła poprzez wymianę ciepła z przynajmniej jednym produktem rozdzielania powietrza w rektyfikatorze i przynajmniej częściowo się go skrapla, zaś przynajmniej jeden drugi strumień dodatkowo sprężonego powietrza rozpręża się z wykonaniem pracy zewnętrznej, przy czym część rozprężonego drugiego strumienia powietrza przepuszcza się przez kanały wymiennika ciepła, podłączone pomiędzy położeniem za wyjściem z etapu sprężania ale przed wejściem do etapu dodatkowego sprężania i położeniem przed wlotem do rektyfikatora, a następnie przeprowadza się rektyfikację przynajmniej części skroplonego strumienia powietrza i przynajmniej części rozprężonego drugiego strumienia powietrza dla otrzymania frakcji tlenu i frakcji azotu, przy czym reguluje się stosunek ilości ciekłego tlenu i/lub ciekłego azotu do ilości całkowitego pobieranego produktu tlenowego, i pobiera się ciekły tlen i/lub ciekły azot z etapu rektyfikacji, według wynalazku charakteryzuje się tym, że reguluje się uzupełniająco proporcję zawracanego do obiegu rozprężonego drugiego strumienia powietrza przez przepuszczanie go w odwrotnym kierunku przepływu przez kanały wymiennika ciepła. Jako drugi strumień powietrza korzystnie stosuje się strumień składający się z dwóch części, z których jedna stanowi jeden strumień dodatkowo sprężonego powietrza, który rozpręża się w pierwszej turbinie rozprężającej z wykonaniem pracy zewnętrznej, a druga stanowi następny strumień dodatkowo sprężonego powietrza, który chłodzi się do temperatury pośredniej poprzez wymianę ciepła z przynajmniej jednym produktem rozdzielania powietrza w rektyfikatorze, odciąga z wymiennika ciepła i rozpręża w drugiej turbinie rozprężającej z wykonaniem pracy zewnętrznej.

Następny strumień dodatkowo sprężonego powietrza korzystnie odciąga się w temperaturze pośredniej wymiennika ciepła z pierwszego strumienia dodatkowo sprężonego

180 689 powietrza. Strumień rozprężonego powietrza wprowadza się z pierwszej turbiny rozprężającej do kanałów wymiennika ciepła w temperaturze pośredniej, po czym w pierwszych warunkach przepływu dzieli się go na pierwszy podstrumień, który chłodzi się w kanałach wymiennika ciepła, po czym poddaje się go rektyfikacji, i na drugi podstrumień, który podgrzewa się w kanałach wymiennika ciepła, po czym zawraca się go do położenia za wyjściem z etapu sprężania ale przed.wejściem do etapu dodatkowego sprężania, zaś w drugich warunkach przepływu strumień rozprężonego powietrza, wyprowadzony z pierwszej turbiny rozprężaj ątej do kanałów wymiennika ciepła w temperaturze pośredniej, łączy się z częścią strumienia rozprężonego powietrza wyprowadzonego z drugiej turbiny rozprężającej i ogrzewa się je razem w kanałach wymiennika ciepła, po czym razem zawraca do tego położenia.

Zawróconą do obiegu część strumienia rozprężonego powietrza wyprowadzonego z drugiej turbiny rozprężającej przepuszcza się przez kolumnę rektyfikacyjną.

W trzecich warunkach przepływu, strumień rozprężonego powietrza, wyprowadzony z pierwszej turbiny rozprężającej do kanałów wymiennika ciepła w temperaturze pośredniej, łączy się z częścią strumienia sprężonego powietrza pobraną przed etapem dodatkowego sprężania, następnie chłodzi się je razem w kanałach wymiennika ciepła i razem wprowadza do kolumny rektyfikacyjnej, przez co w trzecich warunkach przepływu do obiegu nie zawraca się żadnego powietrza.

Im większa jest proporcja rozprężonego drugiego strumienia powietrza zawracanego do obiegu, tym większe można uzyskać chłodzenie i tym samym większy stosunek ciekłego tlenu i/lub ciekłego azotu do całkowitego produktu tlenowego, który może być uzyskany przy ciągłym utrzymywaniu wy równoważenia masy i ciepła. Odwrócenie kierunku przepływu pomiędzy dalszym sprężeniem a rektyfikacją umożliwia większą zmianę proporcji przepływu powietrza odciąganego jako produkty ciekłe niż byłoby możliwe w tym samym sposobie, bez tego rodzaju odwrócenia przepływu.

Sposób według wynalazku jest szczególnie przystosowany do wykorzystania w przypadku, gdy wytwarzany jest produkt w postaci tlenu gazowego przez odciąganie ciekłego tlenu z etapu rektyfikacji, sprężanie odciągniętego ciekłego tlenu i odparowanie sprężonego ciekłego tlenu poprzez wymianę ciepła z pierwszym strumieniem dodatkowo sprężonego powietrza.

Jedna część drugiego strumienia powietrza jest korzystnie utworzona przez rozprężenie jednego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza w pierwszej turbinie rozprężającej z wykonaniem pracy zewnętrznej. Następna część jest korzystnie wytwarzana przez chłodzenie następnego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza poprzez wymianę ciepła z przynajmniej jednym produktem rozdzielania do temperatury pośredniej, odciąganie ochłodzonego strumienia powietrza z wymiennika ciepła i rozprężanie ochłodzonego strumienia powietrza w drugiej turbinie rozprężającej z wy konaniem pracy zewnętrznej. Normalnie korzystne jest, aby następny strumień powietrza był odciągany przy pośredniej temperaturze wymiany ciepła z pierwszego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza.

W zalecanym urządzeniu doprowadzenia sposobu według wynalazku wylot pierwszej turbiny rozprężającej jest połączony z pośrednim obszarem kanału wymiany ciepła w głównym wymienniku ciepła. Korzystnie kanały wymiany ciepła są połączone zimnym końcem głównego wymiennika ciepła z kolumną rektyfikacyjną lub jedną z kolumn rektyfikacyjnych i gorącym końcem głównego wymiennika ciepła z przewodem pomiędzy głównym kompresorem a kompresorami wspomagającymi. Korzyść tej zalecanej postaci urządzenia do prowadzenia sposobu według wynalazku polega na tym, że możliwa jest skuteczna praca w rozmaitych warunkach przepływu, w których zawracany do obiegu strumień powietrza może wynosić 0 lub może być maksymalny. Tak więc, strumień rozprężonego powietrza jest korzystnie wprowadzany z pierwszej turbiny rozprężającej do kanałów wymiany ciepła przy temperaturze pośredniej. W pierwszych warunkach przepływu, w których szybkość zawracania powietrza do obiegu jest maksymalna, strumień rozprężonego powietrza wprowadzany z pierwszej turbiny rozprężającej do kanałów wymiany ciepła przy temperaturze pośredniej dzieli się na podstrumień, który jest chłodzony we wspomnianych kanałach wymiany ciepła i przechodzi do rektyfikacji i na następny podstrumień, który jest ogrzewany w tych kanałach wymiany

180 689 ciepła i tworzy przepływ zawracany do obiegu. W drugich warunkach przepływu, w których szybkość zawracania do obiegu może być maksymalna, strumień rozprężonego powietrza wprowadzony z pierwszej turbiny rozprężającej do kanału wymiany ciepła przy temperaturze pośredniej zostaje połączony z częścią strumienia rozprężonego powietrza z drugiej turbiny rozprężającej, jest wraz z nią ogrzewany w kanałach wymiany ciepła i tworzy wraz z nią przepływ zawracany do obiegu. Część strumienia rozprężonego powietrza z drugiej turbiny może być pobierana przez kolumnę rektyfikacyjną. W trzecich warunkach przepływu, w których nie następuje zawracanie powietrza do obiegu, strumień rozprężonego powietrza, wprowadzany z pierwszej turbiny rozprężającej do zestawu kanałów wymiany ciepła przy temperaturze pośredniej zostaje połączony z podstrumieniem sprężonego strumienia powietrza przed wspomnianym dodatkowym sprężeniem, po czym zostaje wraz z nim ochłodzony w kanałach wymiany ciepła i wprowadzony do rektyfikacji.

Sposób według wynalazku może pracować w dowolnych dwóch lub wszystkich trzech ze wspomnianych warunków przepływu. Ponieważ kierunek przepływu przez przynajmniej część kanałów wymiany ciepła jest odwracany od jednych warunków przepływu do następnych, zatem te kanały wymiany ciepła mogąbyć określane jako odwracające kanały wymiany ciepła. Główny wymiennik ciepła zawiera zatem zestaw kanałów chłodzących, zestaw kanałów ogrzewających i zestaw kanałów odwracających. Każdy kanał odwracający jest korzystnie objęty (to jest umieszczony pomiędzy) parą kanałów ogrzewających. Tego rodzaju układ kanałów ułatwia dobrą wymianę ciepła niezależnie od warunków przepływu.

Korzystnie powietrze jest rektyfikowane w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej zawierającej kolumnę rektyfikacyjną o wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjną o niższym ciśnieniu. Zarówno pierwsza jak i druga turbina rozprężająca korzystnie rozprężają powietrze do ciśnienia roboczego kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu. Zwykle wylot drugiej turbiny rozprężającej jest połączony bezpośrednio z kolumną rektyfikacyjną o wyzszym ciśnieniu, zaś wylot pierwszej turbiny rozprężającej jest połączony z obszarem pośrednim wspomnianego zestawu odwracających kanałów wymiany ciepła.

Korzystnie, strumień sprężonego powietrza ma odciągnięte opary wody i dwutlenek węgla przed dodatkowym sprężaniem. Odpowiednio do tego nie ma potrzeby przepuszczania powietrza zawracanego do obiegu poprzez zespół oczyszczający.

Można zastosować rozmaite rozwiązania kompresorów wspomagających. W rozwiązaniu zalecanym stosuje się górny kompresor wspomagający, którego wylot jest połączony z parą dowolnych kompresorów wspomagających równolegle jeden z drugim. Tym samym jeden z dolnych kompresorów wspomagających może być przyłączony do pierwszej turbiny rozprężającej a drugi z dolnych kompresorów wspomagających może być przyłączony do drugiej turbiny rozprężającej. W rezultacie, wytworzona praca zewnętrzna stanowi część dodatkowego sprężania strumienia sprężonego powietrza. Zwykle, obydwa dodatkowe kompresory wspomagające są połączone ze wspólnym przewodem, z którego są pobierane pierwszy i drugi strumień sprężonego powietrza.

Regulacja szybkości zawracania do obiegu w obrębie wybranych warunków przepływu lub poprzez zmianę warunków przepływu jest zwykle realizowana poprzez odpowiednią regulację jednej z maszyn, która tworzy część urządzenia do prowadzenia sposobu według wynalazku. Przykładowo, główny kompresor i/lub główny kompresor wspomagający mogą posiadać regulowane wlotowe łopatki prowadzące, których położenia mogą ulegać zmianie dla zmiany szybkości zawracania do obiegu. W tego rodzaju rozwiązaniu, wlotowe łopatki prowadzące głównego kompresora i łopatki kompresora wspomagającego mogą być wykorzystywane do wspomagania przepływu przez każdą maszynę. Jeżeli szybkość przepływu przez kompresor wspomagający jest mniejsza niż szybkość przepływu przez główny kompresor wówczas nie następuje zawracanie do obiegu, zaś gdy szybkość przepływu przez kompresor wspomagający jest większa niz szybkość przepływu przez główny kompresor, wówczas ma miejsce zawracanie do obiegu. Istnieją rozmaite sposoby, za pomocą których można zmieniać stosunek szybkości wytwarzania ciekłego produktu tlenowego i/lub ciekłego produktu azotowego do szybkości wytwarzania całkowitego tlenu. Przykładowo, można zmieniać szybkość

180 689 wytwarzania tlenu gazowego poprzez zmianę szybkości odparowywania ciekłego tlenu w wyniku wymiany ciepła z pierwszym strumieniem dodatkowo sprężonego powietrza.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do przeprowadzania sposobu według wynalazku a fig. 2 - schematyczny przekrój przez wymiennik ciepła urządzenia pokazanego na fig. 1, przechodzący poprzecznie do kierunków przepływu przez wymiennik ciepła.

Jak przedstawiono na fig. 1, w sposobie według wynalazku strumień powietrza zostaje sprężony w głównym kompresorze 2 do ciśnienia zwykle 5 do 6 barów. Sprężone powietrze jest następnie chłodzone poprzez bezpośredni kontakt z wodą w chłodnicy 4 dla odparowania. Otrzymane ochłodzone powietrze jest podawane do zespołu oczyszczającego 6, który usuwa z powietrza parę wodną dwutlenek węgla i inne zanieczyszczenia o stosunkowo małej lotności. Zwykle powietrze jest oczyszczane w zespole oczyszczającym 6 poprzez adsorpcję. Konstrukcja i działanie adsorbycjnych zespołów oczyszczających powietrze są dobrze znane fachowcom z tej dziedziny i nie wymagają dokładniejszego opisu. Oczyszczone powietrze przechodzi z zespołu oczyszczającego 6 do głównego wspomagającego kompresora 8, który dodatkowo spręża oczyszczony strumień sprężonego powietrza do ciśnienia znacznie przekraczającego ciśnienie, przy którym powietrze jest rektyfikowane. W pierwszym przykładzie stosowania urządzenia pokazanego na fig. 1, główny wspomagający kompresor 8 podnosi ciśnienie oczyszczonego, strumienia sprężonego powietrza do ciśnienia rzędu 27 barów. Strumień dodatkowo sprężonego powietrza przepływa z głównego wspomagającego kompresora 8 przez wymiennik ciepła 10, który może przykładowo być chłodzony wodą i oddaje ciepło sprężania. Tak ochłodzony strumień powietrza podlega rozdzieleniu na dwa strumienie, z których jeden przechodzi do pierwszego wspomagającego kompresora 12, w którym jego ciśnienie dodatkowo wzrasta. W przykładzie stosowania urządzenia pokazanego na fig. 1, ciśnienie to jest zwykle rzędu 49 barów. Drugi strumień powietrza z wymiennika ciepła 10 przepływa do drugiego wspomagającego kompresora 14 połączonego równolegle z pierwszym wspomagającym kompresorem 12. Strumień powietrza wchodzącego do drugiego wspomagającego kompresora 14 jest zwykle sprężany do tego samego ciśnienia co strumień wchodzący do wspomagającego kompresora 12. Powietrze opuszczające wspomagające kompresory 12 i 14 jest chłodzone w wymiennikach ciepła 16 i 18 tak, aby odprowadzić ciepło sprężania. Strumienie powietrza z wymienników ciepła wchodzą do wspólnego przewodu 20, tworząc pojedynczy strumień dodatkowo sprężonego powietrza, zwykle o ciśnieniu 209 barów.

Pierwszy strumień dodatkowo sprężonego powietrza jest pobierany w temperaturze równej w przybliżeniu temperaturze otoczenia ze wspólnego przewodu 20 i przepływu przez główny wymiennik ciepła 22 od strony gorącego końca 24 do zimnego końca 26, przy czym w trakcie przejścia przez ten wymiennik ciepła 22 strumień podlega ochłodzeniu poprzez wymianę ciepła z powracającymi strumieniami produktu. Ochłodzony pierwszy strumień dodatkowo sprężonego powietrza opuszcza zimny koniec 26 głównego wymiennika ciepła 22 w stanie ciekłym lub w temperaturze powodującej jego przekształcenie w ciecz po rozprężeniu. Ochłodzony pierwszy strumień dodatkowo sprężonego powietrza przechodzi dalej przez zespół rozprężający 28, gdzie zmniejsza swe ciśnienie do poziomu ciśnienia roboczego w kolumnie rektyfikacyjnej 30 o wyzszym ciśnieniu, która wraz z kolumną rektyfikacyjną 32 o nizszym ciśnieniu tworzy część podwójnego rektyfikatora 34. Jak pokazano na fig. 1 zespół rozprężający 28 może stanowić zawór Joule-Thomsona, lub tez turbinę rozprężającą. Rozprężony pierwszy strumień dodatkowo sprężonego powietrza wchodzi do kolumny rektyfikacyjnej 30 wyższym ciśnieniu prawie w całości w stanie ciekłym przez pierwszy wlot 36.

Część drugiego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza jest pobierana w temperaturze w przybliżeniu równej temperaturze otoczenia przewodu 20 i jest rozprężana z wykonaniem pracy zewnętrznej w pierwszej turbinie rozprężającej 38 do temperatury rzędu 180°K i ciśnienia kilku milibarów powyżej ciśnienia roboczego przy spodzie kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyzszym ciśnieniu. Wirnik pierwszej turbiny rozprężającej 38 jest korzystnie zamontowany na tym samym wale napędzającym, co wirnik wspomagającego kompresora 12. W ten sposób, powietrze rozprężające się w pierwszej turbinie rozprężającej 38 może być wykorzystywane do napędzania wspomagającego kompresora 12. Rozprężone powietrze

180 689 przepływa z turbiny rozprężającej 38 do obszaru o temperaturze pośredniej. Tak wprowadzone powietrze może przepływać przez jeden zestaw kanałów (nie pokazanych na fig. 1) głównego wymiennika ciepła 22 w jednym lub obydwu odmiennych kierunkach. W jednym z tych kierunków powietrze wypływa z zimnego końca 26 głównego wymiennika ciepła 22 i przepływa do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyzszym ciśnieniu przez drugi wlot 39. W drugim z tych kierunków powietrze wypływa z gorącego końca 24 głównego wymiennika ciepła 22 i miesza się w przewodzie 42 z oczyszczonym strumieniem sprężonego powietrza pomiędzy zespołem oczyszczającym 6 a głównym wspomagającym kompresorem 8.

Dodatkowo do powietrza rozprężanego w pierwszej turbinie rozprężającej 38, druga część drugiego strumienia powietrza jest odciągana z pierwszego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza w temperaturze około 150°K, przy czym ta druga część strumienia jest odciągana z obszaru pośredniego głównego wymiennika ciepła 22. Druga część strumienia jest rozprężana z wykonaniem zewnętrznej pracy w drugiej turbinie rozprężającej 44. Wirnik drugiej turbiny rozprężającej 44 jest korzystnie zamontowany na tym samym wale, co wirnik drugiego wspomagającego kompresora 14. Praca wykonana przez rozprężanie powietrza w drugiej turbinie rozprężającej 44 stanowi zatem pracę sprężania powietrza we wspomagającym kompresorze 14. Rozprężone powietrze opuszcza turbinę rozprężającą 44 pod ciśnieniem zasadniczo równym ciśnieniu roboczemu przy spodzie kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyzszym ciśnieniu i w temperaturze nasycenia. Rozprężone powietrze przepływa z drugiej turbiny rozprężającej 44 do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu przez trzeci wlot 46, który podobnie do wlotu 39 jest umieszczony poniżej poziomu wszystkich urządzeń do kontaktowania cieczy z parą (nie pokazanych) w kolumnie rektyfikacyjnej 30.

Powietrze wprowadzone do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu jest rozdzielone przez rektyfikację na ciecz wzbogaconą tlenem i opary azotu. Opary azotu podlegają skropleniu w skraplaczu - rebojlerze 48 (kotle do ponownego odparowywania skroplonych par), umieszczonym w spodzie kolumny rektyfikacyjnej 32 o nizszym ciśnieniu. Skraplanie oparów azotu przeprowadza się przez pośrednią wymianę ciepła z wrzącym ciekłym tlenem. Część otrzymanego kondensatu jest kierowana jako ciekłe wykropliny azotu do szczytu kolumny rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu. Strumień cieczy wzbogaconej w tlen jest odciągany ze spodu kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu, po czym jest schładzany poprzez przejście przez część następnego wymiennika ciepła 50, następnie podlega rozprężeniu poprzez przejście przez zawór Jolea-Thomsona 54, wreszcie jest wprowadzany przez wlot 56 do obszaru pośredniego wymiany masy kolumny rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu.

Ciecz wzbogacona tlenem jest rozdzielana w kolumnie rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu na frakcję tlenu przy spodzie kolumny rektyfikacyjnej 32 i frakcję azotu przy szczycie kolumny rektyfikacyjnej 32. Rozdzielanie następuje jako rezultat wymiany masy pomiędzy wznoszącą się parą (utworzoną w kanałach skraplacza - rebojlera) 48 i opadającą cieczą. Wymiana masy następuje na urządzeniu do kontaktowania cieczy z parą (nie pokazanym) takim jak strukturalne wypełnienie lub tace destylacyjne, zastosowane w kolumnie rektyfikacyjnej 32. Zwykle (ale nie jest to konieczne), zarówno frakcja tlenu jak frakcja azotu, oddzielane w kolumnie rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu, mogą zawierać mniej niz 0,1% objętościowo zanieczyszczeń. Ze szczytu kolumny rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu jest odciągany strumień azotu w fazie pracy poprzez wylot 58, który to strumień przechodzi dalej przez następny wymiennik ciepła 50, wytwarzając tym samym konieczne chłodzenie strumieni cieczy bogatej w tlen i ciekłego azotu.

Poniżej następnego wymiennika ciepła 50 strumień pary azotu przepływa przez główny wymiennik ciepła 22 od jego zimnego końca 26 do jego gorącego końca 24. Azot opuszcza gorący koniec głównego wymiennika ciepła 22 zwykle pod ciśnieniem i w temperaturze w przybliżeniu równej temperaturze otoczenia.

Strumień ciekłego tlenu, stanowiący cały tlen wytwarzany w urządzeniu, jest odciągany od spodu kolumny rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu poprzez wylot 60 za pomocą pompy 62. Ciekły tlen jest wpuszczany do zbiornika magazynowego 64, który posiada wylot produktu 68 połączony z drugą pompą 70 ciekłego tlenu, która spręża ciekły tlen i przepuszcza przez główny wymiennik ciepła 22 od jego zimnego końca 26 do jego gorącego końca 24.

180 689

Sprężony ciekły tlen zostaje w ten sposób odparowany i ogrzany do temperatury w przybliżeniu równej temperaturze otoczenia poprzez pośrednią wymianę ciepła z pierwszym strumieniem dodatkowo sprężonego powietrza. Ciekły tlen może być okresowo odciągany ze zbiornika magazynowego 64 poprzez wylot (nie pokazany). Ciśnienia wylotowe dodatkowych wspomagających kompresorów 12 i 14 są tak dobrane, aby utrzymać ścisłe dopasowanie profilu temperatury - entalpii strumieni chłodzonych i profilu strumieni ogrzewanych w głównym wymienniku ciepła 22. Zwykle w przypadku, gdy obydwa wspomagające kompresory 12 i 14 mają ciśnienie wylotowe 49 barów, to pompa 70 podwyższa ciśnienie ciekłego tlenu do poziomu 36 barów. W zależności od ciśnienia pożądanego dla gazowego produktu tlenowego, pompa 70 może podwyższać ciśnienie przepływającego ciekłego tlenu do poziomu ciśnienia nadkrytycznego. Stosowane określenie ''gazowy produkt tlenowy obejmuje strumień ciekłego tlenu, sprężony powyżej jego ciśnienia krytycznego i ogrzany do temperatury powyżej temperatury kriogenicznej.

Pokazane na fig. 1 urządzenie może pracować w rozmaitych, odmiennych warunkach przepływu. W pierwszych warunkach przepływu, rozprężone powietrze wprowadzane z pierwszej turbiny rozprężającej 38 do obszaru temperatury pośredniej głównego wymiennika ciepła 22 podlega rozdzieleniu na dwie części strumienia. Jednak część strumienia przechodzi do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu poprzez wlot 39. Pozostała część strumienia przepływa w przeciwnym kierunku do gorącego końca głównego wymiennika ciepła 22 i zostaje zawrócona do obiegu przewodu 42. Ta część strumienia powietrza zostaje tym samym ponownie sprężona we wspomagających kompresorach 8, 12, 14. To zawracanie do obiegu wzmaga przepływ powietrza przez turbiny rozprężające 38 i 44, a tym samym wzmaga wydajność chłodzenia. Im jest większa uzyskana zdolność chłodzenia, tym większa jest proporcja otrzymywanego produktu tlenowego w postaci cieczy w stosunku do całego produktu tlenowego. W urządzeniu pokazanym na fig. 1, szybkość wytwarzania ciekłego tlenu stanowi różnicę pomiędzy szybkością przepływu tlenu przez pompę 62 i przez pompę 70, zaś szybkość wytwarzania gazowego tlenu odpowiada szybkości przepływu przez pompę 70. Należy uwzględnić, że w urządzeniu pokazanym na fig. 1, nie następuje wytwarzanie ciekłego azotu, jakkolwiek w razie potrzeby można też wytwarzać za pomocą tego urządzenia produkt w postaci ciekłego azotu.

W pierwszych warunkach przepływu, w których gaz wchodzący do głównego wymiennika ciepła 22 z pierwszej turbiny rozprężającej 38 przepływa w obydwu kierunkach, całość powietrza rozprężonego w drugiej turbinie rozprężającej 44 zostaje rozdzielona w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej 34 bez zawracania do obiegu jakiejkolwiek części powietrza. W drugich warunkach przepływu, główny wspomagający kompresor 8 jest tak wyregulowany, ze nie tylko całość powietrza z pierwszej turbiny rozprężającej 38 jest zawracana do dodatkowego wspomagającego kompresora 10, ale również powietrze z drugiej turbiny rozprężającej 44 odciągane z kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu przez wlot 39 i przepływające z zimnego końca 26 głównego wymiennika ciepła 22 do obszaru pośredniego, w którym jest wprowadzane powietrze z pierwszej turbiny rozprężającej 38, które miesza się z tym powietrzem. W rezultacie, szybkość zawracania powietrza jest większa niż w przypadku stosowania pierwszych warunków przepływu. Z tego względu w turbinach rozprężających 48 i 44 następuje większe chłodzenie i w rezultacie stosunek szybkości wytwarzania ciekłego tlenu do szybkości wytwarzania gazowego tlenu jest znacznie większy niż w pierwszych warunkach przepływu. W trzecich warunkach przepływu, całość powietrza z pierwszej turbiny rozprężającej 38 przepływa do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyzszym ciśnieniu i nie następuje żadne zawracanie powietrza.

Wlotowe łopatki prowadzące (nie pokazane) głównego kompresora 2 i łopatki (nie pokazane) głównego wspomagającego kompresora 8 są tak ustawione, że wyznaczają szczególne warunki przepływu. W pierwszych warunkach przepływu, w których część powietrza z pierwszej turbiny rozprężającej 38 zostaje zawracana, przepływ przez główny wspomagający kompresor 8 jest większy niż przepływ przez główny kompresor 2, przez co w głównym wymienniku ciepła 22 występuje maksymalne ciśnienie w obszarze, w którym jest wprowadzany przepływ sprężonego powietrza z pierwszej turbiny rozprężającej 38. Maksymalne

180 689 ciśnienie jest wyzsze niż ciśnienie panujące przy wlocie do głównego kompresora wspomagającego 8 i ciśnienie przy wlocie 39 do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyzszym ciśnieniu. Główny kompresor 2 jest uruchamiany w taki sposób, ze ciśnienie za zespołem oczyszczającym 6 jest dopasowane do ciśnienia w gorącym końcu 24 głównego wymiennika ciepła 22, ponieważ powietrze zawracane do obiegu .i powietrze z kompresora 2 tworzą łącznie przepływ zasysający do wspomagającego kompresora 8.

W drugich warunkach przepływu, ciśnienie w zawracających kanałach przy zimnym końcu 26 głównego wymiennika ciepła 22 jest większe niż ciśnienie w zawracających kanałach w obszarze, w którym jest wprowadzane rozprężone powietrze z pierwszej turbiny rozprężającej 38, jak również większe niż ciśnienie w zawracających kanałach przy gorącym końcu 24 głównego wymiennika ciepła 22. Ponownie, ciśnienie wyładowania głównego kompresora 2 ma poziom odpowiedni dla dopasowania do ciśnienia strumienia zawracanego do wspomagającego kompresora 8.

W trzecich warunkach przepływu, w których nie występuje zawracanie do obiegu ciśnienie w zawracanych kanałach w głównym wymienniku ciepła 22 przy jego gorącym końcu 24 jest wyższe niż ciśnienie przy wlocie 39 do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu.

Aktualne ciśnienia i ich względne wartości w każdych warunkach przepływu są oczywiście rezultatem wielkości i kierunku przepływu i mogą być ustawiane przez odpowiednią regulację wlotowych łopatek prowadzących zarówno głównego kompresora 2 jak i wspomagającego kompresora 8.

Zwykle w sposobie według wynalazku prowadzonym w-urządzeniu pokazanym na fig. 1, szybkość przepływu sprężonego tlenu z pompy 70 przez główny wymiennik ciepła 22 jest utrzymywana na stałym poziomie, zaś stosunek szybkości wytwarzania ciekłego tlenu do szybkości wytwarzania tlenu gazowego ulega zmianie jedynie poprzez zmianę szybkości podnoszenia poziomu ciekłego tlenu w zbiorniku magazynowym 64. W trzecich warunkach przepływu, do 50% całkowitego produktu tlenowego może być pobierane jako ciecz czyli ciekłego tlenu lub azotu lub obydwu, zaś w pierwszych warunkach przepływu do 80% całkowitego produktu tlenowego może być pobierane jako ciecz. W drugich warunkach przepływu można uzyskiwać nawet wyższe poziomy wytwarzania ciekłego produktu.

Na fig. 2 przedstawiono rozwiązanie rozmaitych zestawów kanałów wymiany ciepła w głównym wymienniku ciepła 22. Przedstawiono trzy zestawy kanałów. Pierwszy zestaw kanałów chłodzących C jest przeznaczony dla prowadzenia strumienia pierwszego dodatkowo sprężonego powietrza z przewodu 20 i powoduje ochłodzenie tego strumienia. Drugi zestaw kanałów grzejnych W jest umieszczony pomiędzy strumieniem pary azotu i strumieniem sprężonego tlenu. Trzeci zestaw kanałów zawracających R jest przeznaczony dla prowadzenia strumienia rozprężonego powietrza z pierwszej turbiny rozprężającej 38. Każdy kanał zawracający Rjest ujęty pomiędzy parą kanałów grzejnych W. Rozwiązanie kanałów pokazanych na fig. 2 jest typowe. Kanały znajdujące się w prawo od linii środkowej 80 stanowią lustrzane odbicie kanałów znajdujących się na lewo od tej linii. Od strony skrajnie lewej krawędzi powtarza się wzór WCWRWCWWCW aż do linii środkowej 80. Zwykle, od 10 do 12% kanałów stanowią kanały zawracające. Takie rozmieszczenie kanałów umożliwia skuteczne przenoszenie ciepła pomiędzy strumieniami chłodzonymi i strumieniami ogrzewanymi niezależnie od tego, czy przepływ przez kanały zawracające R zostaje rozdzielony, czy też odbywa się od gorącego końca 24 do zimnego końca 26, lub też od zimnego końca 26 do gorącego końca 24 głównego wymiennika ciepła 22. Zarówno skrajnie prawy kanał jak i skrajnie lewy kanał stanowią kanały ogrzewające tak, aby zapobiec zbyt dużym efektom krawędziowym.

Urządzenie pokazane na fig. 1 może podlegać modyfikacjom. W razie potrzeby, wspomagające kompresory 12 i 14 mogą być zastąpione pojedynczym kompresorem wspomagającym. W razie potrzeby, wierzch takiego pojedynczego kompresora wspomagającego może być zamontowany na tym samym wale, co wirniki odpowiedniej pierwszej i drugiej turbiny rozprężającej 38 i 44. W następnym rozwiązaniu alternatywnym, jeden z dodatkowych wspomagających kompresorów 12 i 14 może być przeznaczony do zasilania pierwszej turbiny rozprężającej 38 a drugi do podawania pierwszego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza i odgałęzionego od niego strumienia do drugiej turbiny rozprężającej. W następnym roz

180 689 wiązaniu alternatywnym wszystkie kompresory wspomagające mogą być napędzane za pomocą silnika, zaś turbina rozprężająca może być stosowana do napędzana generatorów prądu elektrycznego.

W razie potrzeby, można też wytwarzać argon przez odciąganie z kolumny rektyfikacyjnej 32 o nizszym ciśnieniu strumienia tlenu wzbogaconego w argon i oddzielaniu go w następnej kolumnie rektyfikacyjnej. Skraplanie wymagane dla następnej kolumny rektyfikacyjnej może być realizowane za pomocą przynajmniej części strumienia powietrza wzbogaconego w tlen na drodze do kolumny rektyfikacyjnej 32 o niższym ciśnieniu. Możliwe jest również stosowanie bardziej złożonych rozwiązań kolumn rektyfikacyjnych, przykładowo w rodzaju ujawnionym w zgłoszeniu GB9505645.

Inne możliwe do przeprowadzania modyfikacje sposobu według wynalazku obejmują odciąganie ciekłego produktu azotowego lub wytwarzanie gazowego produktu azotowego o podwyższonym ciśnieniu przez sprężanie strumienia ciekłego azotu i odparowywanie go poprzez wymianę ciepła z dochodzącym powietrzem. Jeszcze inną modyfikacją jest wytwarzanie dwóch gazowych produktów tlenowych o podwyższonym ciśnieniu, których ciśnienia różnią się wzglądem siebie. Przykładowo, dodatkowo do produktu tlenowego o ciśnieniu wynoszącym 36 barów można wytwarzać produkt tlenowy o ciśnieniu wynoszącym w przybliżeniu 11 barów. W tym przypadku strumień powietrza można pobierać bezpośrednio za wymiennikiem ciepła 10 i można go chłodzić oraz skraplać poprzez wymianę ciepła z produktem tlenowym o nizszym ciśnieniu, zaś otrzymane ciekłe powietrze jest wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej 30 o wyższym ciśnieniu przez następny zespół rozprężający.

180 689

oj oj

180 689

/,6

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób rozdzielania powietrza, polegający na prowadzeniu etapów sprężania i dodatkowego sprężania strumienia powietrza, po czym jeden strumień dodatkowo sprężonego powietrza chłodzi się w wymienniku ciepła poprzez wymianę ciepła z przynajmniej jednym produktem rozdzielania powietrza w rektyfikatorze i przynajmniej częściowo się go skrapla, zaś przynajmniej jeden drugi strumień dodatkowo sprężonego powietrza rozpręża się z wykonaniem pracy zewnętrznej, przy czym część rozprężonego drugiego strumienia powietrza przepuszcza się przez kanały wymiennika ciepła, podłączone pomiędzy położeniem za wyjściem z etapu sprężania ale przed wejściem do etapu dodatkowego sprężania i położeniem przed wlotem do rektyfikatom, a następnie przeprowadza się rektyfikację przynajmniej części skroplonego strumienia powietrza i przynajmniej części rozprężonego drugiego strumienia powietrza dla otrzymania frakcji tlenu i frakcji azotu, przy czym reguluje się stosunek ilości ciekłego tlenu i/łub ciekłego azotu do ilości całkowitego pobieranego produktu tlenowego, i pobiera się ciekły tlen i/lub ciekły azot z etapu rektyfikacji, znamienny tym, że reguluje się uzupełniająco proporcję zawracanego do obiegu rozprężonego drugiego strumienia powietrza przez przepuszczanie go w odwrotnym kierunku przepły wu przez kanały wymiennika ciepła (22).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako drugi strumień powietrza stosuje się strumień składający się z dwóch części, z których jedna stanowi jeden strumień dodatkowo sprężonego powietrza, który rozpręża się w pierwszej turbinie rozprężającej (38) z wykonaniem pracy zewnętrznej, a druga stanowi następny strumień dodatkowo sprężonego powietrza, który chłodzi się do temperatury pośredniej poprzez wymianę ciepła z przynajmniej jednym produktem rozdzielania powietrza w rektyfikatorze, odciąga z wymiennika ciepła (22) i rozpręża w drugiej turbinie rozprężającej (44) z wykonaniem pracy zewnętrznej.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, ze następny strumień dodatkowo sprężonego powietrza odciąga się w temperaturze pośredniej wymiennika ciepła z pierwszego strumienia dodatkowo sprężonego powietrza.
4. Sposób według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że strumień rozprężonego powietrza wprowadza się z pierwszej turbiny rozprężającej (38) do kanałów wymiennika ciepła (22) w temperaturze pośredniej, po czym w pierwszych warunkach przepływu dzieli się go na pierwszy podstrumień, który chłodzi się w kanałach wymiennika ciepła, po czym poddaje się go rektyfikacji, i na drugi podstrumień, który podgrzewa się w kanałach wymiennika ciepła (22), po czym zawraca się go do położenia za wyjściem z etapu sprężania ale przed wejściem do etapu dodatkowego sprężania, zaś w drugich warunkach przepływu strumień rozprężonego powietrza, wyprowadzony z pierwszej turbiny rozprężającej (38) do kanałów wymiennika ciepła (22) w temperaturze pośredniej, łączy się z częścią strumienia rozprężonego powietrza wyprowadzonego z drugiej turbiny rozprężającej (44) i ogrzewa się je razem w kanałach wymiennika ciepła (22), po czym razem zawraca do tego położenia.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że zawróconą do obiegu część strumienia rozprężonego powietrza wyprowadzonego z drugiej turbiny rozprężającej (44) przepuszcza się przez kolumnę rektyfikacyjną.
6. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że w trzecich warunkach przepływu, strumień rozprężonego powietrza, wyprowadzony z pierwszej turbiny rozprężającej (38) do kanałów wymiennika ciepła (22) w temperaturze pośredniej, łączy się z częścią strumienia sprężonego powietrza pobraną przed etapem dodatkowego sprężania, następnie chłodzi się je razem w kanałach wymiennika ciepła (22) i razem wprowadza do kolumny rektyfikacyjnej, przez co w trzecich warunkach przepływu do obiegu nie zawraca się żadnego powietrza.

180 689