PL191500B1

PL191500B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach

Info

Publication number: PL191500B1
Application number: PL332409A
Authority: PL
Inventors: Juergen Voit
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2006-05-31
Also published as: HUP9900988A2; CZ297724B6; DE19815885A1; PL332409A1; HU9900988D0; US6185960B1; CZ9901213A3; EP0949471B1; EP0949471A1; ATE230098T1

Abstract

1. Sposób wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ci- snieniem w procesie rozdzielania powietrza na skladniki w niskich temperaturach, realizowanym czesciowo w ga- zowym, a czesciowo w kombinowanym trybie pracy, zna- mienny tym, ze w gazowym trybie pracy oczyszczone powietrze wsadowe spreza sie i ochladza, czesciowo je skraplajac, a nastepnie poddaje sie rektyfikacji, az do otrzymania frakcji gazowej i cieklej tlenu, azotu i ewentual- nie argonu, po czym przynajmniej jedna z tych frakcji cie- klych odparowuje sie pod podwyzszonym cisnieniem przez bezposrednia wymiane ciepla z powietrzem, uzyskujac po jej ogrzaniu tlen, azot lub argon w postaci gazowej pod cisnie- niem, przy czym równoczesnie calkowicie redukuje sie prze- plyw powietrza w obiegu chlodniczym, natomiast w kombi- nowanym trybie pracy powietrze wsadowe spreza sie, …….. 8. Urzadzenie do wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod cisnieniem w procesie rozdzielania powietrza na skladniki w niskich temperaturach, wyposazone w sprezarke powie- trza gazowego wraz z urzadzeniem czyszczacym, polaczo- nym przewodem czystego powietrza ze stacja sprezarek, polaczona z kolei przewodem doprowadzajacym powietrze do obiegu chlodniczego, oraz odgalezieniem tego przewo- du wyposazonym w dlawik i doprowadzajacym powietrze do kolumn rektyfikacyjnych, znamienne tym, ze stacja sprezarek (305) sklada sie co najmniej z dwóch polaczo- nych równolegle sprezarek, z których w trakcie gazowego trybu pracy jest wlaczona tylko jedna sprezarka, ………….. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach, realizowanym częściowo w gazowym, a częściowo w kombinowanym trybie pracy.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach, wyposażone w sprężarkę powietrza gazowego wraz z urządzeniem czyszczącym, połączonym przewodem czystego powietrza ze stacją sprężarek, połączoną z kolei przewodem doprowadzającym powietrze do obiegu chłodniczego, oraz odgałęzieniem tego przewodu wyposażonym w dławik i doprowadzającym powietrze do kolumn rektyfikacyjnych.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0044 670 znany jest sposób wytwarzania gazowego tlenu pod wysokim ciśnieniem (DGOX) oraz niewielkich ilości ciekłego tlenu (LOX), w którym chłodzenie powietrza, niezbędne dla jego skroplenia i rozdzielenia składników, realizuje obieg chłodniczy powietrza. Obieg ten obejmuje dwustopniowe sprężanie strumienia powietrza za pomocą połączonych szeregowo sprężarek, które w pierwszym stopniu sprężają je do wartości ciśnienia średniego w celu następnego adiabatycznego rozprężania części sprężonego strumienia powietrza oraz sprężania w drugim stopniu sprężarek pozostałego strumienia powietrza, celem sprężenia go do wyższej wartości ciśnienia i następnego rozprężania dławiącego. Po połączeniu strumieni częściowych i odprowadzeniu utworzonej fazy ciekłej, uzyskanej w wyniku adiabatycznego rozprężania, pozostałą fazę gazową ponownie zawraca się do sprężania, zaś fazę ciekłą doprowadza się w dwóch dławionych strumieniach do rektyfikacji. W praktyce okazało się jednak, że nie można wyłączyć istniejącego w tym sposobie obiegu chłodniczego, bowiem przywracanie jego wydajności chłodniczej jest związane z niekorzystnym energetycznie trybem pracy.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu do wytwarzania tlenu i azotu oraz ewentualnie argonu pod ciśnieniem w procesie niskotemperaturowego rozdzielania powietrza na składniki, który umożliwia korzystne energetycznie wytwarzanie gazowego produktu, jak również produktu ciekłego, z możliwością elastycznego dostosowania procesu wytwarzania do zmiennych zapotrzebowań na produkt gazowy i ciekły.

Cel ten zrealizowano w sposobie wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach, który charakteryzuje się tym, że w gazowym trybie pracy oczyszczone powietrze wsadowe spręża się i ochładza, częściowo je skraplając, a następnie poddaje się rektyfikacji, aż do otrzymania frakcji gazowej i ciekłej tlenu, azotu i ewentualnie argonu, po czym przynajmniej jedną z tych frakcji ciekłych odparowuje się pod podwyższonym ciśnieniem przez bezpośrednią wymianę ciepła z powietrzem, uzyskując po jej ogrzaniu tlen, azot lub argon w postaci gazowej pod ciśnieniem, przy czym równocześnie całkowicie redukuje się przepływ powietrza w obiegu chłodniczym, natomiast w kombinowanym trybie pracy powietrze wsadowe spręża się, a następnie rozpręża się adiabatycznie i ochładza z równoczesnym wykonaniem pracy, po czym rozprężone powietrze przynajmniej częściowo ponownie ogrzewa się w przeciwprądzie z ochładzanym powietrzem wsadowym, a następnie ponownie spręża się je i ochładza w adiabatycznym rozprężaniu, aż do otrzymania ciekłych frakcji jego składników.

Straty „zimna w gazowym trybie pracy kompensuje się za pomocą przynajmniej jednej ciekłej frakcji z rektyfikacji, na przykład ciekłym azotem (LIN), ciekłym tlenem (LOX), które magazynuje się w zbiorniku buforowym.

Do magazynowania frakcji ciekłej składników powietrza stosuje się przynajmniej dwa zbiorniki, przy czym z jednego z nich pobiera się w przypadku zwiększonego zapotrzebowania na tlen pod ciśnieniem (DGOX) ciekły tlen (LOX), który odparowuje się i ogrzewa w przeciwprądzie, odprowadzając go jako gotowy produkt, stanowiący gazowy tlen pod ciśnieniem (DGOX), a odzyskane w przeciwprądzie „zimno wykorzystuje się do wytwarzania ciekłego azotu (LIN), przekazywanego do drugiego zbiornika, natomiast w przypadku zmniejszonego zapotrzebowania na tlen pod ciśnieniem (DGOX) pobiera się odpowiednio mniej ciekłego tlenu (LOX) z kolumn rektyfikacyjnych, a tym samym magazynuje się więcej ciekłego tlenu (LOK) w zbiorniku.

Rektyfikację prowadzi się w dwóch kolumnach: wysokociśnieniowej i niskociśnieniowej, przy czym do chłodzenia głowicy kolumny wysokociśnieniowej stosuje się ciekłe powietrze z kolumny niskociśnieniowej, a do ogrzewania dna kolumny niskociśnieniowej stosuje się bezpośrednią wymianę ciepła z powiePL 191 500 B1 trzem wsadowym, albo też prowadzi się ją w trzech kolumnach, stosując podwójną kolumnę z częścią wysokociśnieniową i częścią niskociśnieniową oraz dodatkową kolumnę średniociśnieniową.

Do odparowania ciekłego tlenu i ogrzania uzyskanego gazowego produktu pod ciśnieniem stosuje się ogrzane powietrze z obiegu chłodniczego albo też powietrze ogrzane w przeciwprądzie w obiegu chłodniczym i dodatkowo sprężone.

Do rozprężania sprężonego powietrza stosuje się turbinę powietrzną, której moc wykorzystuje się do napędu generatora prądu albo sprężarki do dodatkowego sprężania powietrza w obiegu chłodniczym.

Celem wynalazku jest również opracowanie urządzenia do wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach, które umożliwi realizację opisanego wyżej sposobu wytwarzania, a równocześnie zapewni możliwość takiego nastawiania tego urządzenia, które zagwarantuje zmienną i dostosowaną do zapotrzebowania produkcję zarówno gazowego produktu pod ciśnieniem, jak i produktu ciekłego.

Cel ten zrealizowano w urządzeniu do wytwarzania tlenu i azotu oraz ewentualnie argonu pod ciśnieniem w procesie niskotemperaturowego rozdzielania powietrza na składniki, które charakteryzuje się tym, że stacja sprężarek składa się co najmniej z dwóch połączonych równolegle sprężarek, z których w trakcie gazowego trybu pracy jest włączona tylko jedna sprężarka, zasilająca dławionym powietrzem kolumny rektyfikacyjne, natomiast w trakcie kombinowanego trybu pracy włączane są obydwie sprężarki, zasilając dodatkowo dławionym powietrzem główny wymiennik ciepła obiegu chłodniczego.

Turbina w obiegu chłodniczym urządzenia może być połączona z generatorem prądu elektrycznego albo też z dodatkową sprężarką powietrza, połączoną przewodem ze stacją sprężarek.

Przewód łączący stację sprężarek z głównym wymiennikiem ciepła, doprowadzający do niego dławione powietrze, jest włączona dodatkowa sprężarka, sprężająca to dławione powietrze.

W sposobie według wynalazku w przypadku gazowego trybu pracy przepustowość powietrza w obiegu chłodniczym zmniejsza się do zera, natomiast do kompensacji strat „zimna stosuje się zmagazynowany ciekły azot, który wprowadza się ze zbiornika do głównego wymiennika ciepła w przeciwprądzie do powietrza wsadowego, częściowo je skraplając, albo też doprowadzając bezpośrednio do kolumn rektyfikacyjnych.

Dzięki zastosowaniu dwóch oddzielnych zbiorników buforowych na ciekły tlen i azot możliwe jest, w przypadku podwyższonego zapotrzebowania gazowego tlenu pod ciśnieniem (DGOX), doprowadzenie dodatkowo do ciekłego tlenu (LOX) z rektyfikacji część ciekłego tlenu (LOX) ze zbiornika buforowego, przy czym tlen ten odparowuje się w przeciwprądzie i ogrzewa, a następnie spręża i przekazuje jako gotowy produkt (DGOX) do użytkownika, odzyskując przy tym w przeciwprądowym wymienniku ciepła „zimno i wykorzystując je do wytworzenia ciekłego azotu (LIN). Natomiast w przypadku zmniejszonego zapotrzebowania na gazowy tlen pod ciśnieniem (DGOX) pobiera się stosunkowo mało ciekłego tlenu z kolumn rektyfikacyjnych, natomiast odpowiednio więcej ciekłego tlenu (LOX) doprowadza się do zbiornika.

W urządzeniu według wynalazku korzystnie zastosowano trójkolumnowy proces rektyfikacji, przy czym kolumna wysokociśnieniowa i niskociśnieniowa połączone są w postaci jednego urządzenia, dzięki czemu uzyskuje się znaczne oszczędności energii.

Korzystny bilans energetyczny zapewnia również turbina powietrzna wmontowana w obieg chłodniczy i napędzająca generator względnie dodatkową sprężarkę.

Sposób i urządzenie do wytwarzania tlenu i azotu w postaci gazu pod ciśnieniem może znaleźć szczególnie korzystne zastosowanie do zasilania tlenem i azotem w stalowni.

Urządzenie do wytwarzania tlenu i azotu oraz ewentualnie argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach według wynalazku jest uwidocznione w przykładowych rozwiązaniach konstrukcyjnych na rysunku, na którym: fig. 1 - przedstawia urządzenie według wynalazku z rektyfikacją trójkolumnową oraz z obiegiem chłodniczym wyposażonym w zespół turbina-generator; fig. 2 - urządzenie z rektyfikacją trójkolumnową oraz z obiegiem chłodniczym wyposażonym w zespół turbina-sprężarka do dodatkowego sprężania dławionego powietrza; fig. 3 - urządzenie z rektyfikacją dwukolumnową oraz z obiegiem chłodniczym wyposażonym w zespół turbina-generator, a fig. 4 - urządzenie z rektyfikacją dwukolumnową oraz z obiegiem chłodniczym wyposażonym w zespół turbina-sprężarka do dodatkowego sprężania dławionego powietrza.

W urządzeniu przedstawionym na fig. 1 i przeznaczonym do rozdzielania powietrza na składniki w procesie niskotemperaturowym, powietrze zasysane jest przez wlot 1i sprężane w sprężarce 30 powietrza do wartości ciśnienia nieco wyższej od ciśnienia panującego w kolumnie średniociśnienio4

PL 191 500 B1 wej 6, a następnie wstępnie ochłodzone przez bezpośrednie zetknięcie się z wodą w urządzeniu chłodniczym 31 oraz uwolnione od resztek wody i dwutlenku węgla w urządzeniu oczyszczającym 32, wyposażonym w układ sit molekularnych.

Oczyszczone powietrze zostaje podzielone na trzy strumienie częściowe, z których strumień pierwszy wprowadza się pod niezmienionym ciśnieniem przewodem 103 do głównego wymiennika ciepła 2, a następnie z tego wymiennika 2 przewodem 104 do kolumny średniociśnieniowej 6, która pracuje pod ciśnieniem od 2 x 10⁵ Pa do 4 x 10⁵Pa, a korzystnie od 2,5 x 10⁵ Pa do 3,5x 10⁵Pa.

Drugi strumień częściowy oczyszczonego powietrza zostaje sprężony w sprężarce dodatkowej 202 do ciśnienia nieco wyższego od panującego w kolumnie wysokociśnieniowej 7, a następnie ochłodzony w głównym wymienniku ciepła 2 (przez bezpośrednią wymianę ciepła z zimnymi strumieniami powietrza) do temperatury punktu rosy i doprowadzony przewodem 204 do dna kolumny wysokociśnieniowej 7.

Kolumna wysokociśnieniowa 7 pracuje przy ciśnieniu roboczym od 5x10⁵Pa do 10⁶Pa, a korzystnie od 5,5 x 10⁵ Pa do 6,5 x 10⁵Pa i jest termicznie sprężona przez główny skraplacz 3 z kolumną niskoci5 5 5 śnieniową 5, pracującą przy ciśnieniu od 1,1 x 10⁵ Pa do 2,0 x 10⁵Pa, a korzystnie od 1,3x10⁵ Pado 1,7 x 10⁵Pa. Dodatkowa sprężarka powietrza 202 jest napędzana tym samym silnikiem, którym napędzana jest sprężarka 30 powietrza.

Trzeci strumień częściowy zostaje doprowadzony przewodem 301 do stacji sprężania 305 powietrza, a następnie przewodami 306 i 307 do głównego wymiennika ciepła 2 i przewodem 308 -do turbiny 309 oraz ewentualnie odgałęzionym przewodem 310 ponownie do głównego wymiennika ciepła 2 i przewodem 311 do stacji sprężarek 305. Ze stacji sprężarek 305 trzeci strumień częściowy przekazywany jest przewodami 306 i 311 ponownie do głównego wymiennika ciepła 2, a z niego przewodami 314 i 315 do kolumny niskociśnieniowej 5 oraz do kolumny wysokociśnieniowej 7. Ciśnienie zasysania w przewodzie 303 może być zmniejszone za pomocą dławika 302, zwłaszcza w trakcie pracy urządzenia bez obciążenia.

W stacji sprężarek 305 oczyszczone powietrze trzeciego strumienia częściowego zostaje sprężone od wartości ciśnienia panującego w kolumnie średniociśnieniowej 6 do wartości ciśnienia odpowiadającego temperaturze skraplania powietrza, równiej w przybliżeniu temperaturze odparowania ciekłego tlenu w zbiorniku 80. Alternatywnie trzeci strumień częściowy oczyszczonego i sprężonego powietrza może być odprowadzany odgałęzieniem przewodu 203 do głównego wymiennika ciepła 2, skąd przewodem 308 do turbiny 309,a stąd rozprężony strumień przewodem 312 do kolumny wysokociśnieniowej 7. Ciśnienie zasysania stacji sprężarek 305 odpowiada wtedy ciśnieniu w kolumnie wysokociśnieniowej 7.

Część wysoko sprężonego powietrza odprowadzana ze stacji sprężarek 305 przewodem 306 i mająca temperaturę o wartości pośredniej między temperaturami na wyjściu i wejściu głównego wymiennika ciepła 2 jest następnie doprowadzona przewodem 308 do turbiny 309,w której ulega rozprężeniu do wartości ciśnienia panującego w kolumnie średniociśnieniowej 6, przy czym praca wykonana przez turbinę 309 przekształcana jest przez generator G na energię elektryczną przekazywaną do sieci zakładowej. Rozprężony strumień wyjściowy powietrza z turbiny 309 zostaje częściowo zawrócony przewodem 310 do głównego wymiennika ciepła 2 i doprowadzony przewodami 311 i 304 do wlotu stacji sprężarek 305,a częściowo odprowadzony przewodem 312 do kolumny średniociśnieniowej 6.

Drugą część odprowadzanego przewodem 316, stanowiącym odgałęzienie przewodu 36, wysoko sprężonego powietrza poddaje się przynajmniej częściowo, a korzystnie całkowicie skropleniu w głównym wymienniku ciepła 2 pod działaniem odparowującego tlenu pod ciśnieniem, doprowadzonego przewodem 17 ze zbiornika ciekłego tlenu 80,po czym zostaje ona doprowadzona przewodem 314 do dna kolumny niskociśnieniowej 5 oraz przewodem 315 do dna kolumny wysokociśnieniowej 7.

Ciekły tlen jest odprowadzany z dna kolumny wysokociśnieniowej 7 przewodem 70, zaś tlen służący do przemywania -z głowicy tej kolumny przewodem 74 do wymiennika przeciwprądowego 4, powodując przechładzanie strumienia gazów resztkowych, doprowadzonych przewodem 50 z kolumny niskociśnieniowej 5. Po rozprężeniu tlen jest doprowadzany przewodami 71 i 72 oraz 75 i 76 do głowicy kolumny niskociśnieniowej 5 oraz odgałęzionymi przewodami 73 i 77 odpowiednio do dna i głowicy kolumny średniociśnieniowej 6. Natomiast tlen z dna tej głowicy średniociśnieniowej 6 i tlen przemywania z głowicy tej kolumny 6 zostają przechłodzone w przeciwprądowym wymienniku ciepła 4 przez resztkowy strumień gazów doprowadzony do niego przewodem 50.

W odmiennym obiegu chłodniczym ciekły tlen jest doprowadzany przewodem 60 z dna kolumny średniociśnieniowej 6 bezpośrednio do skraplacza głowicowego 10 tej kolumny 6, zaś tlen przemywaPL 191 500 B1 nia - przewodem 61, do głowicy kolumny niskociśnieniowej 5. Strumień gazów resztkowych odprowadzany przewodami 50 i 51 oraz produkty z odcinka rektyfikacyjnego z głowicy kolumny niskociśnieniowej 5 ogrzewa się w głównym wymienniku ciepła 2 do temperatury otoczenia, po czym strumień gazów resztkowych odprowadzony przewodami 52 i 53 może być wykorzystany do regeneracji stacji sit molekularnych w urządzeniu oczyszczającym 32.

Ciekły tlen odprowadzany jest przewodem 15 z dna kolumny niskociśnieniowej 5, po czym zostaje sprężony za pomocą sprężarki tlenu 16 do żądanej wartości ciśnienia i doprowadzany do zbiornika tlenu 80. Ciekły azot jest natomiast doprowadzany przewodem 76 z głowicy kolumny niskociśnieniowej 5 i doprowadzany przewodem 78 do zbiornika azotu 79.

Celem zwiększenia możliwości dostosowania produkcji do zapotrzebowania, zwłaszcza tlenu i azotu w postaci gazowej pod ciśnieniem, stacja sprężarek 305 jest wyposażona przynajmniej w dwie równolegle połączone jedno- lub wielostopniowe sprężarki, umożliwiając zarówno wytwarzanie sprężonego tlenu pod ciśnieniem (DGOX) bez ciekłego tlenu, jak i równoczesne wytwarzanie tlenu pod ciśnieniem oraz tlenu w postaci ciekłej. W pierwszym przypadku wyłącza się jedną ze sprężarek stacji sprężarek 305, natomiast druga przejmuje wówczas zadanie odparowania sprężonego tlenu, doprowadzonego pod ciśnieniem przewodem 17 do głównego wymiennika ciepła 2 i odprowadzonego ztego wymiennika przewodem 303 do odbiorcy. Zbiornik ciekłego azotu 79 i zbiornik ciekłego tlenu 80 służą w przypadku ograniczonej czasowo produkcji sprężonego tlenu (DGOX) do odbioru ciekłego tlenu (LOX) i ciekłego azotu (LIN) jako produkty przeznaczone do sprzedaży, a także jako zbiorniki zasilania awaryjnego w „zimno (zawarte w LOX i LIN) przy wyłączonym obiegu chłodniczym. Sprężarki stacji sprężarek 305 są korzystnie wyposażone w dodatkowe albo pośrednie urządzenia chłodzące.

Przykład rozwiązania konstrukcyjnego urządzenia do niskotemperaturowego rozdzielania powietrza na składniki przedstawiony na fig. 2 tym różni się od omówionego wyżej urządzenia według fig. 1, że turbina 309 jest połączona wspólnym wałem z dodatkową sprężarką, połączoną przewodem 306 ze stacją sprężarek 305 zaś drugostronnie z głównym wymiennikiem ciepła 2.

W wyniku tego dławiony strumień powietrza, doprowadzony przewodem 313 do głównego wymiennika ciepła 2, zostaje przed jego ochłodzeniem w tym wymienniku sprężony do ciśnienia odpowiadającego ciśnieniu końcowemu na wyjściu ze stacji sprężarek 305 w rozwiązaniu konstrukcyjnym przestawionym na fig. 1.

Natomiast w rozwiązaniu konstrukcyjnym urządzenia przedstawionego na fig. 3 powietrze przeznaczone do rozdzielenia na składniki zasysa się przez wlot 1 i spręża w sprężarce powietrza 30 do wartości ciśnienia nieco większej od ciśnienia panującego w kolumnie średniociśnieniowej 6 (nadwyżka ciśnienia służy do pokrycia strat w przewodach), a następnie chłodzi się przez bezpośrednie zetknięcie ze strumieniem wody w urządzeniu chłodniczym 31, a wreszcie usuwa się z niego resztki wody i dwutlenek węgla w urządzeniu oczyszczającym 32, wyposażonym w sita molekularne.

Oczyszczone powietrze rozdziela się na trzy strumienie częściowe, z których pierwszy strumień częściowy bezpośrednio doprowadza się przewodem 103 do głównego wymiennika ciepła 2, a na₅ stępnie przewodem 104 do kolumny średniociśnieniowej 6, pracującej pod ciśnieniem od 2x 10⁵Pa do 4 x 10⁵Pa, a zwłaszcza od 2,5x 10⁵Pa do 3,5x 10⁵Pa.

Drugi strumień częściowy oczyszczonego powietrza, doprowadzony z urządzenia oczyszczającego 32 przewodem 201, spręża się w sprężarce dodatkowej 202 do wartości ciśnienia odpowiadającego temperaturze skraplania powietrza (przynajmniej równej temperaturze odparowywania ciekłego niskociśnieniowego tlenu w przewodzie 15), a następnie doprowadza przewodem 203 i chłodzi w głównym wymienniku ciepła 2 przez wprowadzone do niego strumienie technologiczne, po czym doprowadza się go przewodem 204 do skraplacza dennego 3 kolumny niskociśnieniowej 5.

Kolumna niskociśnieniowa 5 pracuje przy ciśnieniu od 1,1 x 10⁵Pa do 2,0 x 10⁵Pa, a korzystnie od 1,3 x 10⁵Pa do 1,7 x 10⁵Pa. Dodatkowa sprężarka 202 może być napędzana tym samym silnikiem co sprężarka powietrza 30. Przy zawartościach tlenu większych od 99,5% urządzenie z dwoma kolumnami może być korzystnie zastąpione przedstawionym na rysunku urządzeniem z podwójną kolumną. Pierwsze wytwarzane frakcje przesuwają się w kierunku dna kolumny niskociśnieniowej 5 i są przekazywane przewodem 63 do skraplacza głowicowego 10 kolumny średniociśnieniowej 6, dzięki czemu odpowiednio wzrasta ciśnienie w tej kolumnie.

Trzeci strumień częściowy doprowadza się przewodem 301 do stacji sprężarek 305 powietrza, az tej stacji przewodami 306, 307 i 308 do turbiny powietrznej 309 oraz odgałęzionymi przewodami 313, 314 i 315 do kolumny niskociśnieniowej 5 oraz kolumny średniociśnieniowej 6. Ciśnienie w przewodzie 303 można odpowiednio zmniejszać za pomocą dławika 302, zwłaszcza w przypadku pracy urządze6

PL 191 500 B1 nia pod niepełnym obciążeniem. Powietrze trzeciego strumienia częściowego spręża się w stacji sprężarek 305 do wartości ciśnienia odpowiadającego temperaturze skraplania powietrza, co najmniej równej temperaturze odparowywania ciekłego tlenu w przewodzie 17.

Pierwszy strumień częściowy wysoko sprężonego powietrza doprowadzany jest przewodami 306 i 307 do głównego wymiennika ciepła 2, po czym odprowadzany z tego wymiennika przewodem 308 (temperatura powietrza w przewodzie 308 ma wartość średnią między wejściem a wyjściem z głównego wymiennika ciepła 2) do turbiny 309, w której rozpręża się do wartości ciśnienia w kolumnie średniociśnieniowej 6, wykonując równocześnie pracę napędzania generatora G energii elektrycznej.

Rozprężony strumień wyjściowy z turbiny 309 zostaje częściowo zawrócony przewodem 310 do głównego wymiennika ciepła 2, a następnie przewodami 311 i 304 doprowadzony do strony ssącej stacji sprężarek 305, zaś częściowo doprowadzony przewodem 312 do kolumny średniociśnieniowej 6.

Drugi strumień częściowy wysoko sprężonego powietrza doprowadza się do głównego wymiennika ciepła 2 przewodami 306 i 313 i po oziębieniu przez odparowujący tlen, doprowadzony pod wysokim ciśnieniem przewodem 17, przekazuje się częściowo przewodem 314 w stanie rozprężonym do dolnej części kolumny niskociśnieniowej 5, a częściowo przewodem 315 do kolumny średniociśnieniowej 6.

Ciekły azot z dna kolumny średniociśnieniowej 6 oraz azot do przemywania ze skraplacza głowicowego 10 kolumny średniociśnieniowej 6 odprowadza się z tej kolumny odpowiednio przewodami 60 i 61 i po ochłodzeniu w przeciwprądowym wymienniku ciepła 4, przez który przepływa w przeciwprądzie strumień gazów resztkowych doprowadzonych przewodem 50 z kolumny niskociśnieniowej 5, rozpręża się i zostaje odprowadzony przewodami 71 oraz 75 i 76 do kolumny niskociśnieniowej 5, natomiast strumień gazów resztkowych wraz z produktami z odcinka rektyfikacyjnego jest doprowadzony przewodem 51, do głównego wymiennika ciepła 2, w którym zostaje ogrzany do temperatury otoczenia, a następnie odprowadzony przewodami 52 i 53 do stacji sit molekularnych urządzenia oczyszczającego 32 w celu ich regeneracji.

Ciekły tlen odbiera się przewodem 15 z dna kolumny niskociśnieniowej 5 i doprowadza do zbiornika tlenu 80, zaś część gazowego tlenu, która odparowała, spręża się za pomocą sprężarki tlenu 16 do żądanego ciśnienia. Ciekły azot odprowadza się przewodami 76 i 78 z głowicy kolumny niskociśnieniowej 5 i doprowadza do zbiornika ciekłego azotu 79.

Celem zwiększenia możliwości dostosowywania produkcji do zapotrzebowania, stacja sprężarek 305 składa się, jak powyżej wspomniano, co najmniej z dwóch równolegle połączonych sprężarek, dzięki czemu możliwe jest wytwarzanie tlenu pod ciśnieniem (DGOX) bez produkcji tlenu ciekłego. Wymaga to wyłączenia z pracy jednej sprężarki ze stacji 305 oraz przekazania drugiej sprężarce zadania odparowania sprężonego tlenu pod ciśnieniem, doprowadzonego przewodem 17. Obydwie sprężarki stacji sprężarek 305 wykonują wówczas różne funkcje, bowiem jedna służy do wytwarzania „zimna w celu skroplenia tlenu, zaś druga do sprężania odparowanego tlenu gazowego pod ciśnieniem.

Zbiornik azotu 79 i zbiornik tlenu 80 służą w tym przypadku do odbioru ciekłego azotu (LIN) i ciekłego tlenu (LOX) zarówno jako produktów na sprzedaż, jak i ewentualnie zasobników „zimna do zasilania awaryjnego w przypadku odłączonego obiegu chłodniczego.

Stacja sprężarek 305, przedstawiona na fig. 3, może być wyposażona w sprężarki jedno- albo wielostopniowe z chłodzeniem pośrednim oraz ewentualnie z chłodzeniem dodatkowym.

Przykład rozwiązania konstrukcyjnego urządzenia według wynalazku przedstawiony na fig. 4 różni się od urządzenia według fig. 3 tym, że turbina 309 napędza nie generator G energii elektrycznej, lecz dodatkową sprężarkę, włączoną między przewody 306 i 307 i zwiększającą ciśnienie sprężonego w stacji sprężarek 305 oczyszczonego powietrza, doprowadzanego przewodem 307 do głównego wymiennika ciepła 2. Również strumień powietrza doprowadzanego przewodem 313 zostaje przed jego ochłodzeniem w głównym wymienniku ciepła 2 sprężony (wskutek zainstalowania na tym przewodzie dodatkowej sprężarki) do wartości ciśnienia na wyjściu stacji sprężarek 305, podobnie jak to ma miejsce w rozwiązaniu urządzenia przedstawionego na fig. 3.

Przykład

Celem zasilenia stalowni konieczne jest dostarczenie różnych, ale zmiennych ilości sprężonego tlenu gazowego (DGOX) i sprężonego azotu (DRGAN), przy czym celowe jest również dodatkowe wytwarzanie ciekłego tlenu (LOX) i ciekłego azotu (LIN) oraz ciekłego argonu (LAR) do bezpośredniej sprzedaży, co ma istotny wpływ na zwiększenie ekonomii wykorzystania urządzeń produkcyjnych. Ponadto ze względu na fakt, że do miejscowej sieci elektrycznej nie da się wprowadzić wytworzonej energii elektrycznej, a równocześnie urządzenia stalowni wymagają dużych ilości dostarczanego tlenu, podjęto decyzję napędzania przez turbinę 309 dodatkowej sprężarki oraz prowadzenie podwójnej

PL 191 500 B1 rektyfikacji, co odpowiada rozwiązaniu konstrukcyjnemu urządzenia przedstawionego na fig. 4. W tabeli przedstawiono natężenia przepływu powietrza wejściowego oraz wytwarzanych produktów dla czterech głównych rodzajów pracy: A1, A2, A3 i A4 urządzenia, liczbę pracujących sprężarek oraz natężenia przepływu strumienia turbinowego i dławionego powietrza, jak również zapotrzebowanie energii. Wszystkie natężenia przepływu, zarówno produktów gazowych, jak i ciekłych, podano w m³/h w odniesieniu do objętości w warunkach normalnych. W rodzajach pracy A1, A2 i A3 pracują obydwie sprężarki stacji 305, dostarczając strumień zarówno do turbiny, jak i strumień dławiony powietrza.

₃

W przypadku pracy w trybie A1 wytwarza się ciekły tlen (LOX), ciekły azot (LIN) oraz 10 000 m³/h sprężonego tlenu gazowego (DGOX) do zasilania stalowni.

₃

W przypadku, gdy zapotrzebowanie stalowni na sprężony tlen wzrośnie do 13 000m³/h, to zgodnie z trybem pracy A2 odbiera się dodatkowo ze zbiornika 80 w stanie ciekłym 3 000 m³/h tlenu w postaci ciekłej i po odparowaniu oraz sprężeniu przekazuje się go jako (DGOX) do stalowni. Natomiast obniżenie temperatury, uzyskane z ciekłego tlenu (czyli „zimno technologiczne), wykorzystuje się do skroplenia azotu, w wyniku czego zbiornik ciekłego azotu 79 zostaje napełniony ilością 2 800 m³/h ciekłego azotu (LIN).

W przypadku trybu pracy urządzenia A3 do stalowni doprowadza się tylko 7 000 m³/h sprężonego tlenu w postaci gazowej (DGOX), przy czym zbiornik 80 ciekłego tlenu, opróżniony na przykład po pracy w trybie A2, napełnia się ponownie ilością 3 000 m³/h ciekłego tlenu, zaś technologicznie niezbędne do jego skroplenia „zimno doprowadza się z ciekłego azotu (LIN), zawartego w zbiorniku 79 ciekłego azotu napełnionym po pracy w trybie A2.

W przypadku trybu pracy A4 urządzenia w stacji sprężarek 305 jest wykorzystana tylko jedna sprężarka dostarczająca dławiony strumień powietrza, przy czym nie wytwarza się ani ciekłego tlenu, ani ciekłego azotu. Nawet wytwarzanie maksymalnej ilości sprężonego tlenu gazowego (DGOX), niezbędnej dla zaopatrzenia stalowni i wynoszącej 13 000m³/h, wymaga mniejszej ilości „zimna technologicznego niż w przypadkach trybu pracy A1, A2 i A3, wobec czego niezbędne natężenie przepływu strumienia powietrza zasilającego turbinę 309 wynosi tylko 4 000 m³/h.

We wszystkich wymienionych trybach pracy A1, A2, A3 i A4 urządzenia spełnione są wszystkie wymagania technologiczne, korzystnie pod względem energetycznym, ponieważ wszystkie maszyny pracują z wydajnością około 100%. Zużycie prądu przez urządzenie jest jednakowe w całym procesie, umożliwiając pracę na bazie korzystnej taryfy za zużycie prądu elektrycznego.

T abela

Przypadek roboczy		A1	A2	A3	A4
Powietrze wejściowe	m³/h	65000	65000	65000	65000
Produkty
DGOX	m³/h	10000	13000	7000	13000
LOX	m³/h	3000	3000	3000	-
LIN	m³/h	4000	3000	4300	-
DRGAN	m³/h	2000	2000	2000	2000
LAR	m³/h	430	430	430	430
Zmienne strumienie zasilające
LOX do zbiornika	m³/h	-	-	3000	-
LIN do zbiornika	m³/h	-	2800	-	-
LOX ze zbiornika	m³/h	-	3000	-	-
LIN ze zbiornika	m³/h	-	-	2800	-
Stacja sprężarek
Liczba pracujących sprężarek	m³/h	2	2	2	1
Strumień turbinowy	m³/h	51000	43500	57500	4000
Strumień dławiony	m³/h	21000	23000	17000	23000
Zużycie prądu	kW	11000	11000	11000	7700

PL 191 500 B1

Claims

1. Sposób wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach, realizowanym częściowo w gazowym, a częściowo w kombinowanym trybie pracy, znamienny tym, że w gazowym trybie pracy oczyszczone powietrze wsadowe spręża się i ochładza, częściowo je skraplając, a następnie poddaje się rektyfikacji, aż do otrzymania frakcji gazowej i ciekłej tlenu, azotu i ewentualnie argonu, po czym przynajmniej jedną z tych frakcji ciekłych odparowuje się pod podwyższonym ciśnieniem przez bezpośrednią wymianę ciepła z powietrzem, uzyskując po jej ogrzaniu tlen, azot lub argon w postaci gazowej pod ciśnieniem, przy czym równocześnie całkowicie redukuje się przepływ powietrza w obiegu chłodniczym, natomiast w kombinowanym trybie pracy powietrze wsadowe spręża się, a następnie rozpręża się adiabatycznie i ochładza z równoczesnym wykonaniem pracy, po czym rozprężone powietrze przynajmniej częściowo ponownie ogrzewa się w przeciwprądzie z ochładzanym powietrzem wsadowym, a następnie ponownie spręża się jei ochładza w adiabatycznym rozprężaniu, aż do otrzymania ciekłych frakcji jego składników.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że straty „zimna w gazowym trybie pracy kompensuje się za pomocą przynajmniej jednej ciekłej frakcji z rektyfikacji, na przykład ciekłym azotem (LIN), ciekłym tlenem (LOX), które magazynuje się w zbiorniku buforowym.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do magazynowania frakcji ciekłej składników powietrza stosuje się przynajmniej dwa zbiorniki, przy czym z jednego z nich pobiera się w przypadku zwiększonego zapotrzebowania na tlen pod ciśnieniem (DGOX) ciekły tlen (LOX), który odparowuje się i ogrzewa w przeciwprądzie, odprowadzając go jako gotowy produkt, stanowiący gazowy tlen pod ciśnieniem (DGOX), a odzyskane w przeciwprądzie „zimno wykorzystuje się do wytwarzania ciekłego azotu (LIN), przekazywanego do drugiego zbiornika, natomiast w przypadku zmniejszonego zapotrzebowania na tlen pod ciśnieniem (DGOX) pobiera się odpowiednio mniej ciekłego tlenu (LOX) z kolumn rektyfikacyjnych, a tym samym magazynuje się więcej ciekłego tlenu (LOX) w zbiorniku.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadzi się rektyfikację przynajmniej w dwóch kolumnach: wysokociśnieniowej i niskociśnieniowej, przy czym do chłodzenia głowicy kolumny wysokociśnieniowej stosuje się ciekłe powietrze z kolumny niskociśnieniowej, a do ogrzewania dna kolumny niskociśnieniowej stosuje się bezpośrednią wymianę ciepła z powietrzem wsadowym.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadzi się rektyfikację w trzech kolumnach, stosując podwójną kolumnę z częścią wysokociśnieniową i częścią niskociśnieniową oraz dodatkową kolumnę, średniociśnieniową.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do odparowania ciekłego tlenu i ogrzania uzyskanego gazowego produktu pod ciśnieniem stosuje się ogrzane powietrze z obiegu chłodniczego albo też powietrze ogrzane w przeciwprądzie w obiegu chłodniczym i dodatkowo sprężone.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do rozprężania sprężonego powietrza stosuje się turbinę powietrzną, której moc wykorzystuje się do napędu generatora prądu albo sprężarki do dodatkowego sprężania powietrza w obiegu chłodniczym.

8. Urządzenie do wytwarzania tlenu, azotu i argonu pod ciśnieniem w procesie rozdzielania powietrza na składniki w niskich temperaturach, wyposażone w sprężarkę powietrza gazowego wraz z urządzeniem czyszczącym, połączonym przewodem czystego powietrza ze stacją sprężarek, połączoną z kolei przewodem doprowadzającym powietrze do obiegu chłodniczego, oraz odgałęzieniem tego przewodu wyposażonym w dławik i doprowadzającym powietrze do kolumn rektyfikacyjnych, znamienne tym, że stacja sprężarek (305) składa się co najmniej z dwóch połączonych równolegle sprężarek, z których w trakcie gazowego trybu pracy jest włączona tylko jedna sprężarka, zasilająca dławionym powietrzem kolumny rektyfikacyjne (5, 6 i 7), natomiast w trakcie kombinowanego trybu pracy włączane są obydwie sprężarki, zasilając dodatkowo dławionym powietrzem główny wymiennik ciepła (2) obiegu chłodniczego.

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że w obieg chłodniczy włączona jest turbina powietrzna (309), połączona z generatorem (G) prądu elektrycznego.

10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że w obieg chłodniczy jest włączona turbina powietrzna (309), połączona z dodatkową sprężarką powietrza, połączoną przewodem (306) ze stacją sprężarek (305).

11. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że w przewód (313), łączący stację sprężarek (305) z głównym wymiennikiem ciepła (2), doprowadzający do niego dławione powietrze, jest włączona dodatkowa sprężarka, sprężająca to dławione powietrze.