RU2095705C1 - Method of production of liquid nitrogen - Google Patents

Method of production of liquid nitrogen Download PDF

Info

Publication number
RU2095705C1
RU2095705C1 RU9595101487A RU95101487A RU2095705C1 RU 2095705 C1 RU2095705 C1 RU 2095705C1 RU 9595101487 A RU9595101487 A RU 9595101487A RU 95101487 A RU95101487 A RU 95101487A RU 2095705 C1 RU2095705 C1 RU 2095705C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nitrogen
expander
gas
temperature
heat
Prior art date
Application number
RU9595101487A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95101487A (en
Inventor
Семен Самойлович Будневич
Юрий Афанасьевич Савченко
Original Assignee
Семен Самойлович Будневич
Юрий Афанасьевич Савченко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Семен Самойлович Будневич, Юрий Афанасьевич Савченко filed Critical Семен Самойлович Будневич
Priority to RU9595101487A priority Critical patent/RU2095705C1/en
Publication of RU95101487A publication Critical patent/RU95101487A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2095705C1 publication Critical patent/RU2095705C1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0012—Primary atmospheric gases, e.g. air
    • F25J1/0015—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/0035—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work
    • F25J1/0037—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work of a return stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0201—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using only internal refrigeration means, i.e. without external refrigeration
    • F25J1/0202—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using only internal refrigeration means, i.e. without external refrigeration in a quasi-closed internal refrigeration loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/04—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/06—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop with multiple gas expansion loops

Abstract

FIELD: cryogenic plants of nitrogen liquefaction. SUBSTANCE: gaseous nitrogen is divided into two parts after compression in compressors 2 and 3. One part of gas is subjected to liquefaction and other part of nitrogen at ambient temperature is directed to turboexpander 4 for production of cold which is used in heat exchanger 5 for removal of heat of gas being liquefied. Low-pressure nitrogen after compression in compressor 2 and cooling in heat exchanger 5 is fed to turbo-expander 6 in form of return flow vapors for generation of cold which is used in heat exchanger 7 for removal of heat from gas being liquefied at lower temperature level. After throttling, compressed and cooled nitrogen is drained to receiver 9 and vapor from receiver having passed the heat exchangers and completing the cycle flows for suction into compressor 2. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники и наиболее эффективно может быть использовано в установках ожижения азота при крупнотоннажном его производстве. The invention relates to the field of cryogenic technology and can be most effectively used in nitrogen liquefaction plants in its large-capacity production.

Известны способы получения жидкого азота, в которых для охлаждения сжатого азота используют холод, получаемый в двух иди трех детандерных циклах (1). Known methods for producing liquid nitrogen, in which to cool compressed nitrogen, cold is used, obtained in two or three expander cycles (1).

Недостатком известных способов является то, что при охлаждении сжатого азота указанными циклами имеют место значительные необратимые потери, которые ведут к росту удельных затрат энергии на получение жидкого азота. A disadvantage of the known methods is that when the compressed nitrogen is cooled by the indicated cycles, there are significant irreversible losses, which lead to an increase in the specific energy consumption for producing liquid nitrogen.

Известен способ ожижения газа в двух каскадной криогенной установке, в которой предусмотрена возможность при охлаждении сжатого газа подключить детандер верхнего температурного каскада на температурный уровень нижнего каскада (детандера) (2). There is a method of gas liquefaction in two cascade cryogenic plants, which provides for the possibility of connecting the expander of the upper temperature cascade to the temperature level of the lower cascade (expander) when cooling the compressed gas (2).

Недостаток известного способа заключается в том, что использовать его для ожижения азота термодинамически, а значит, и экономически не выгодно. The disadvantage of this method is that using it to liquefy nitrogen is thermodynamically, and therefore economically unprofitable.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ожижения газа в газоожижающей установке путем сжатия его в компрессоре, охлаждения парами обратного потока, затем на внешней ступени охлаждения и двумя детандерными циклами высокого и низкого давлений с последующим дросселированием (3). The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of liquefying gas in a gas-fluidizing unit by compressing it in a compressor, cooling it with return vapor, then at the external cooling stage and two high and low pressure expander cycles followed by throttling (3).

Однако при известном способе ожижения газа детандерный цикл высокого давления используют на температурном уровне (вход газа в расширительную турбину) значительно ниже температуры окружающей среды, что снижает его эффективность, а значит, и эффективность всего процесса ожижения. Кроме того, применение внешней ступени охлаждения (при ожижении азота это паровая холодильная машина) усложняет установку; При эксплуатации требует специального обслуживания и наличия хладагента, а в процессе охлаждения газа работает в невыгодных энергетических условиях, т.к. температуры кипения хладагента постоянна, а сжатый газ при охлаждении имеет переменную температуру, отсюда большие перепады температур, что приводит к значительным необратимым потерям. However, with the known method of gas liquefaction, the high pressure expander cycle is used at a temperature level (gas inlet to the expansion turbine) significantly lower than the ambient temperature, which reduces its efficiency and, therefore, the efficiency of the entire liquefaction process. In addition, the use of an external cooling stage (in case of nitrogen liquefaction it is a steam chiller) complicates the installation; During operation, it requires special maintenance and the availability of refrigerant, and during gas cooling it works under unfavorable energy conditions, as the boiling point of the refrigerant is constant, and the compressed gas during cooling has a variable temperature, hence large temperature differences, which leads to significant irreversible losses.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработать способ получения жидкого азота из газообразного, позволяющий добиться снижение удельных затрат энергии на получение криопродукта и улучшения эксплуатационных характеристик ожижителя. The problem to which the invention is directed is to develop a method for producing liquid nitrogen from gaseous, which allows to reduce the specific energy costs of obtaining a cryoproduct and improve the operational characteristics of the fluidizer.

Технический результат, который может быть получения при использовании заявляемого способа, заключается в использовании двух детандерных криогенных циклов, без внешней ступени охлаждения, последовательно отводящие теплоту от сжатого ожижаемого азота процессом, близким к обратимому, т.е. с наименьшими потерями. The technical result that can be obtained using the proposed method is to use two expander cryogenic cycles without an external cooling stage, sequentially removing heat from the compressed liquefied nitrogen by a process close to reversible, i.e. with the least loss.

Кроме того, технический результат, на получение которого направлен заявляемый способ, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик ожижителя за счет исключения из схемы внешней ступени охлаждения паровой холодильной машины. In addition, the technical result, to which the claimed method is directed, is to improve the operational characteristics of the liquefier by eliminating the external cooling stage of the steam refrigeration machine from the circuit.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения жидкого азота, включающем сжатие ожижаемого газа вместе с газом детандерных циклов в компрессорах, охлаждение ожижаемого газа детандерными циклами высокого и низкого давлений, а также парами обратного потока с последующим дросселированием, согласно изобретению, отвод теплоты от сжатого ожижаемого азота осуществляют последовательно двумя детандерными криогенными циклами - процессом, близким к обратимому, без внешней ступени охлаждения, причем детандерный нерегеративный цикл высокого давления ведут от температуры окружающей среды до температуры 125oC128oK, а детандерный регенеративный цикл низкого давления от температуры 125oC128oK до температуры насыщения азота при атмосферном давлении.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for producing liquid nitrogen, comprising compressing the liquefied gas together with the gas of the expander cycles in compressors, cooling the liquefied gas with expander cycles of high and low pressures, as well as return flow pairs followed by throttling, according to the invention, heat removal from compressed liquefied nitrogen is carried out sequentially by two expander cryogenic cycles - a process close to reversible, without an external cooling stage, and the expander is irregular The high pressure reproduction cycle is conducted from ambient temperature to a temperature of 125 o C128 o K, and the low pressure expander regenerative cycle from a temperature of 125 o C128 o K to a temperature of nitrogen saturation at atmospheric pressure.

Использование названных детандерных циклов, являющихся наиболее эффективными из известных в своем интервале температур при отводе теплоты от сжатого газа, позволяет снизить потери от необратимости при дросселировании сжатого ожижаемого газа до минимума и заметно уменьшить расход энергии на ожижение азота по сравнению с используемыми в настоящее время и предлагаемыми в патентной литературе ожижителями азота. The use of the above-mentioned expander cycles, which are the most effective in the known temperature range for heat removal from the compressed gas, allows to reduce irreversibility losses when throttling the compressed liquefied gas to a minimum and significantly reduce the energy consumption for nitrogen liquefaction compared to currently used and proposed in the patent literature nitrogen fluids.

На чертеже приведена принципиальная схема ожижительной установки для осуществления предлагаемого способа. The drawing shows a schematic diagram of a fluidization plant for implementing the proposed method.

Установка содержит компрессор низкого давления 2, дожимающий компрессор 3, турбодетандеры 4 и 6, теплообменные аппараты 5 и 7, сборник жидкого азота 9 и дроссельный вентиль 8. The installation comprises a low pressure compressor 2, a booster compressor 3, turbo expanders 4 and 6, heat exchangers 5 and 7, a collection of liquid nitrogen 9 and a throttle valve 8.

Газообразный азот, получаемый в процессе разделения воздуха, поступает по линии 1 в компрессоре 2 и после сжатия разделяется на две части. Одна из них поступает на дополнительное сжатие в компрессор 3, а другая часть азота после охлаждения в теплообменнике 5 до температуры, 125oC128oK направляется в турбодетандер 6, где расширяется до давления 01 МПа, в результате чего температура азота понижается до температуры, близкой к насыщению при атмосферном давлении, и далее он направляется обратным потоком в теплообменник 7 для охлаждения сжатого ожижаемого потока азота. Сжатый до высокого давления азот после компрессора 3 делится также на два потока. Один поток сжатого азота при температуре окружающей среды поступает в турбодетандер 4 для получения холода, необходимого для отвода теплоты от сжатого ожижаемого азота в теплообменнике 5. Температура азота после расширения в турбодетандере 4 до давления 0,1 МПа понижается до 125oC128oK.Gaseous nitrogen obtained in the process of air separation, enters through line 1 in the compressor 2 and after compression is divided into two parts. One of them goes to additional compression in compressor 3, and the other part of nitrogen, after cooling in heat exchanger 5 to a temperature of 125 o C128 o K, is sent to turbo expander 6, where it expands to a pressure of 01 MPa, as a result of which the temperature of nitrogen drops to a temperature close to to saturation at atmospheric pressure, and then it is directed by a return stream to the heat exchanger 7 to cool the compressed fluidized stream of nitrogen. Compressed to high pressure, the nitrogen after compressor 3 is also divided into two streams. One stream of compressed nitrogen at ambient temperature enters the turboexpander 4 to obtain the cold necessary to remove heat from the compressed liquefied nitrogen in the heat exchanger 5. The temperature of nitrogen after expansion in the turboexpander 4 to a pressure of 0.1 MPa decreases to 125 o C128 o K.

После теплообменника 5 азот низкого давления соединяется с обратным потоком газа и по линии 11, замыкая цикл, идет на всасывание в компрессор 2. Другой поток сжатого азота, подлежащий ожижению, охлаждается последовательно в теплообменниках 5 и 7, затем дросселируется до давления 0,1 МПа, в результате чего жидкий азот с небольшим содержанием пара сливается в сборник 9 и по линии 10 выводится из установки как конечный криопродукт, а пар из сборника 9 обратным потоком проходит теплообменные аппараты 7 и 5. After heat exchanger 5, low pressure nitrogen is connected to the return gas flow and, through line 11, closes the cycle, it is sucked into compressor 2. Another compressed nitrogen stream to be liquefied is cooled sequentially in heat exchangers 5 and 7, and then throttled to 0.1 MPa As a result, liquid nitrogen with a small vapor content is discharged into the collector 9 and is discharged from the installation as the final cryoproduct through line 10, and the heat exchangers 7 and 5 pass through the return from the collector 9 with the return flow.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить существующие недостатки в решении проблемы получения жидкого азота в больших количествах без дополнительных энергетических затрат. Одновременно снижается трудоемкость при эксплуатации ожижительной установки. The proposed technical solution allows to eliminate existing shortcomings in solving the problem of producing liquid nitrogen in large quantities without additional energy costs. At the same time, the complexity of operating the liquefaction plant is reduced.

Claims (1)

Способ получения жидкого азота путем сжатия ожижаемого газа с газом детандерных циклов в компрессорах, охлаждения ожижаемого газа детандерными циклами высокого и низкого давлений, а также парами обратного потока с последующим дросселированием, отличающийся тем, что отвод теплоты от сжатого ожижаемого азота осуществляют последовательно двумя детандерными криогенными циклами процессом, близким к обратимому, без внешней ступени охлаждения, причем детандерный нерегеративный цикл высокого давления проводят от температуры окружающей среды до температуры 125 oC 128 К, а детандерный регеративный цикл низкого давления от температуры 125 oC 128К до температуры насыщения азота при атмосферном давлении.A method of producing liquid nitrogen by compressing a liquefied gas with gas of expander cycles in compressors, cooling a liquefied gas by expander cycles of high and low pressure, and also by return flow pairs followed by throttling, characterized in that heat is removed from the compressed liquefied nitrogen in series by two expander cryogenic cycles a process close to reversible, without an external cooling stage, and the expander non-regenerative high-pressure cycle is carried out from the ambient temperature rows to a temperature of 125 o C to 128 K, and the low-pressure expander cycle regerativny temperature 125 o C 128K to the saturation temperature of nitrogen at atmospheric pressure.
RU9595101487A 1995-02-01 1995-02-01 Method of production of liquid nitrogen RU2095705C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9595101487A RU2095705C1 (en) 1995-02-01 1995-02-01 Method of production of liquid nitrogen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9595101487A RU2095705C1 (en) 1995-02-01 1995-02-01 Method of production of liquid nitrogen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95101487A RU95101487A (en) 1997-01-20
RU2095705C1 true RU2095705C1 (en) 1997-11-10

Family

ID=20164482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU9595101487A RU2095705C1 (en) 1995-02-01 1995-02-01 Method of production of liquid nitrogen

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2095705C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647275C1 (en) * 2016-12-15 2018-03-15 Межрегиональное общественное учреждение "Институт инженерной физики" Method of control of pneumatic drive of low-temperature steel reinforce

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Усюкин И.Р. Установки, машины и аппараты криогенной техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 2. Авторское свидетельство СССР N 823781, кл. F 25 J 1/02, 1979. 3. US, патент, 4582519, кл. F 25 J 1/00, 1986. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647275C1 (en) * 2016-12-15 2018-03-15 Межрегиональное общественное учреждение "Институт инженерной физики" Method of control of pneumatic drive of low-temperature steel reinforce

Also Published As

Publication number Publication date
RU95101487A (en) 1997-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5157926A (en) Process for refrigerating, corresponding refrigerating cycle and their application to the distillation of air
US4638639A (en) Gas refrigeration method and apparatus
US7469556B2 (en) Natural gas liquefaction system
KR101820560B1 (en) Process for liquefaction of natural gas
US3083544A (en) Rectification of gases
US4242885A (en) Apparatus for a refrigeration circuit
KR19980086658A (en) Cryogenic Liquid Producing System
GB2288868A (en) Liquefaction of natural gas by expansion and refrigeration
RU2011124891A (en) METHOD AND LIFE SYSTEM
WO1999060316A1 (en) Liquefying a stream enriched in methane
CA1298775C (en) Hydrogen liquefaction using a dense fluid expander and neon as a pre-coolant refrigerant
US3433026A (en) Staged isenthalpic-isentropic expansion of gas from a pressurized liquefied state to a terminal storage state
KR101669729B1 (en) Air liquefaction system using lng cold energy with ejector expansion device entraining expanded vapor
US4638638A (en) Refrigeration method and apparatus
US5454226A (en) Process and plant for liquefying a gas
JPH039388B2 (en)
CA3127832A1 (en) Cooling method for liquefying a feed gas
RU2095705C1 (en) Method of production of liquid nitrogen
CN109323533B (en) Method and device for reducing space division energy consumption by using medium-pressure rectifying tower
US20230332833A1 (en) Process for Producing Liquefied Hydrogen
JP2021515169A (en) Cooling system
RU2792387C1 (en) Method for liquefiting natural gas "modified arctic cascade" and installation for its implementation
RU2783184C2 (en) Method for producing one or more air separation products and air separation unit
RU2775341C1 (en) Method for liquefying natural gas (options)
CN117940727A (en) Method and air separation plant for the cryogenic separation of air