RU2103623C1

RU2103623C1 - Plant for liquefaction of component separation of gas flow

Info

Publication number: RU2103623C1
Application number: RU96113014A
Authority: RU
Inventors: Валерий Емельянович Финько
Original assignee: Валерий Емельянович Финько
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-27

Abstract

FIELD: petrochemical industry, manufacture of mineral fertilizers; gas industry as alternative to helium separation units. SUBSTANCE: separation of definite component from raw gas is effected in vortex coolers connected in series. Gases entrapped in component separation chamber are returned to main flow due to ejection. At last stage of separation, liquid product is accumulated in liquefaction unit, thus increasing speed of response, enhancing efficiency of separation of high-boiling components and their cleanness. EFFECT: increased speed of response, enhanced efficiency of separation of high-boiling components and enhanced cleanness. 3 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, в частности, к установкам сжижения газов с выделением составляющих потока, а также во всех случаях, где требуется сжижать газ и разделять многокомпонентный поток. The invention relates to cryogenic technology, in particular, to gas liquefaction plants with the release of flow components, as well as in all cases where it is necessary to liquefy the gas and separate the multi-component stream.

Известны способы сжижения газов и технические варианты их реализации, а также установки низкотемпературной сепарации /ректификации/ представленные в книге "Техника низких температур", под ред. Микулина изд. 2, Энергия, М., 1975 г. . Известен также способ получения азота и кислорода и установка для его осуществления /WO 80/00163, кл. F 25 J 1/00, 1980 г/, где в качестве разделителя газа используется вихревая труба, а генератором холода является турбодетандер. Known methods of liquefying gases and technical options for their implementation, as well as installation of low-temperature separation / rectification / presented in the book "Technique of low temperatures", ed. Mikulina ed. 2, Energy, M., 1975. There is also known a method of producing nitrogen and oxygen and installation for its implementation / WO 80/00163, class. F 25 J 1/00, 1980 g /, where a vortex tube is used as a gas separator, and a turboexpander is the generator of cold.

Недостатком предлагаемых способов и реализующих их установок является техническая сложность, малый ресурс непрерывной работы турбодетандера, большие эксплуатационные расходы, а также высокий процент примесей в разделяемых компонентах. The disadvantage of the proposed methods and installations that implement them is the technical complexity, a small resource of continuous operation of the turboexpander, high operating costs, as well as a high percentage of impurities in the shared components.

Наиболее близким по технической сущности является "Способ и устройство сжижения" /EU, патент, 2044973, кл. F 25 J 1/00, 1995/, в котором в качестве генератора холода и разделителя используется вихревой охладитель газа. The closest in technical essence is the "Method and device for liquefaction" / EU, patent, 2044973, cl. F 25 J 1/00, 1995 /, in which a gas vortex cooler is used as a cold generator and separator.

Недостатком этой установки является:
- относительно низкий коэффициент сжижения, следовательно и разделения составляющих, что является следствием расширения обоих отводов газа охладителя непосредственно в жидкий продукт, что снижает степень расширения потока, вызывает сильное его разбрызгивание, испарение и перемешивание компонентов;
- относительно высокая доля примесей в разделяемых продуктах, что требует более низких температур предварительного охлаждения или введения адсорберов для поглощения определенных компонентов.The disadvantage of this setup is:
- a relatively low coefficient of liquefaction, and therefore the separation of the components, which is a consequence of the expansion of both outlets of the gas cooler directly into the liquid product, which reduces the degree of expansion of the stream, causes a strong spray, evaporation and mixing of the components;
- a relatively high proportion of impurities in the shared products, which requires lower temperatures of pre-cooling or the introduction of adsorbers to absorb certain components.

Технической задачей данного изобретения является увеличение коэффициента сжижения и повышение чистоты выделяемых компонентов из сырьевых газов. The technical task of this invention is to increase the liquefaction coefficient and increase the purity of the emitted components from the feed gas.

Поставленная задача достигается тем, что каждый вихревой охладитель кроме последнего выполнен с замкнутой камерой расширения, которая снабжена перфорацией и защищена герметичным кожухом, верхняя часть которого соединена с осевой зоной камеры расширения охладителя, а нижняя часть соединена со своим сборником компонента, при этом последний вихревой охладитель отводом газа соединен с теплообменником, а другой его отвод свободно размещен в трубе выхода жидкого продукта из блока сжижения в криостат. The task is achieved in that each vortex cooler, in addition to the last, is made with a closed expansion chamber, which is equipped with perforations and is protected by a sealed casing, the upper part of which is connected to the axial zone of the cooler expansion chamber, and the lower part is connected to its component collector, while the last vortex cooler the gas outlet is connected to the heat exchanger, and its other outlet is freely placed in the pipe of the liquid product from the liquefaction unit to the cryostat.

Обоснуем каким образом предлагаемой совокупностью новых признаков достигается поставленная задача. Каждый вихревой охладитель газа в цепи их последовательного соединения обеспечивает конденсацию и выделение только одного компонента их общего числа составляющих входного потока и последовательность выделения зависит от температуры конденсации компонента. Отделение начинается с компонента, имеющего наиболее высокую температуру конденсации. В последнем вихревом охладителе разделяются два оставшихся компонента при этом один отводится в виде жидкости, а другой в виде газа с более низкой температурой конденсации или в виде кластерного соединения молекул одного компонента. Так для сырьевого газа включающего, например, бутан, пропан, этан, метан и гелий, для разделения на составляющие потребуется три вихревых охладителя. В первом - отделяется бутан и пропан, во-втором - этан, а в третьем метан отводится в виде жидкости и гелий в газообразном виде. Для сырьевого газа, включающего метан, аргон, азот и водород также потребуется три охладителя: один для отделения метана, второй для аргона, а в последнем сжижается азот и отводится газообразный водород. Жидкий продукт последней ступени разделения скапливающийся в блоке сжижения, где размещены все вихревые охладители, будет эффективно охладить входной поток и конденсировать составляющие за счет того, что предварительно охлажденный в теплообменнике поток дополнительно охлаждается в охладителе за счет теплообмена с жидким компонентом белее низкой температуры конденсации. После расширения в вихревом охладителе, где одновременно происходит сепарация конденсируемой влаги, компонент отводится в сборник, а газы попавшие в эту полость, соединяются с основным потоком в осевой зоне охладителя, где наиболее низкое давление. Во втором охладителе происходит отделение второго компонента по той же самой схеме и т.д. Let us justify how the proposed set of new features achieves the task. Each gas vortex cooler in the chain of their series connection provides condensation and the selection of only one component of their total number of components of the input stream and the selection sequence depends on the condensation temperature of the component. Separation begins with the component having the highest condensation temperature. In the last vortex cooler, the two remaining components are separated, one being discharged in the form of a liquid and the other in the form of a gas with a lower condensation temperature or in the form of a cluster compound of molecules of one component. So for a feed gas including, for example, butane, propane, ethane, methane and helium, three vortex coolers are needed to separate it into components. In the first, butane and propane are separated, in the second - ethane, and in the third, methane is discharged in the form of liquid and helium in gaseous form. For a feed gas, including methane, argon, nitrogen, and hydrogen, three coolers will also be required: one to separate methane, the second to argon, and in the latter nitrogen is liquefied and hydrogen gas is removed. The liquid product of the last separation stage accumulating in the liquefaction unit, where all the vortex coolers are located, will effectively cool the input stream and condense the components due to the fact that the stream pre-cooled in the heat exchanger is additionally cooled in the cooler due to heat exchange with the liquid component whiter than the lower condensation temperature. After expansion in a vortex cooler, where condensation of moisture is simultaneously separated, the component is discharged into the collector, and the gases entering this cavity are connected to the main stream in the axial zone of the cooler, where the lowest pressure. In the second cooler, the second component is separated according to the same scheme, etc.

Свободное размещение отвода охладителя для жидкости в трубе выхода жидкого продукта из блока сжижения в криостат позволяет накапливать жидкий продукт с наиболее низкой температурой конденсации, что обеспечивает наиболее эффективное использование этого резерва холода для конденсации высококипящих компонентов входного потока, и существенно повышает быстродействие. Такое техническое решение позволяет обеспечить достижение поставленной цели. The free placement of the liquid cooler outlet in the pipe for exiting the liquid product from the liquefaction unit to the cryostat allows the liquid product to accumulate with the lowest condensation temperature, which ensures the most efficient use of this cold reserve for condensation of high-boiling components of the input stream, and significantly increases the speed. Such a technical solution allows to achieve the goal.

Изложенный процесс выделения компонентов графически представлен на фиг. 1 в T - S диаграмме, где принято: 1 - 2 - охлаждение газа в теплообменнике, 2 - 3 - расширение газа в охладителе, отношение длины отрезка "a" к "b" - определяет долю сжиженной части. В предлагаемом техническом решении за счет дополнительного охлаждения потока процесс протекает по следующей схеме: 2 - 2' - дополнительное охлаждение потока за счет жидкого продукта с более низкой температурой конденсации, 2' - 3' - расширение в вихревом охладителе. Отношение отрезков "a'" к "b" определяет новое значение коэффициента сжижения /выделения/ компонента. Из сравнения отношений a'/b и a/b следует, что в предлагаемом варианте значительно более высокий коэффициент сжижения, следовательно, более чистые продукты разделения. The foregoing component isolation process is graphically represented in FIG. 1 in the T - S diagram, where it is accepted: 1 - 2 - gas cooling in the heat exchanger, 2 - 3 - gas expansion in the cooler, the ratio of the length of the segment "a" to "b" - determines the fraction of the liquefied part. In the proposed technical solution due to additional cooling of the flow, the process proceeds according to the following scheme: 2 - 2 '- additional cooling of the flow due to a liquid product with a lower condensation temperature, 2' - 3 '- expansion in a vortex cooler. The ratio of the segments "a '" to "b" defines the new value of the coefficient of liquefaction / selection / component. From a comparison of the relations a '/ b and a / b it follows that in the proposed embodiment, a significantly higher liquefaction coefficient, therefore, cleaner separation products.

Предлагаемое техническое решение схемно представлено на фиг. 2; на фиг. 3 - сечение по улитке вихревого охладителя. The proposed technical solution is schematically represented in FIG. 2; in FIG. 3 is a snail cross-section through a vortex cooler.

Установка включает: 1 - теплообменник, 2 - трубка подвода газа к первому вихревому охладителю, 3 - вихревой охладитель для выделения первого компонента, 4 - камера расширения с перфорацией 5, кожух - 6, 7 - трубка возврата газа, 8 - труба отвода компонента, 9 - выход газа из первого охладителя, 10- вихревой охладитель для отделения следующего компонента, 11 - труба подвода газа к последнему охладителю, 12 - последний вихревой охладитель, 13 - отвод газа в теплообменник, 14 - отвод жидкости из охладителя, 15 - труба отвода жидкого продукта из блока сжижения, 16 - жидкий продукт, 17 - корпус блока сжижения, 18 - теплоизоляция, 19 - перегородка между блоком сжижения и теплообменником, 20 - улитка вихревого охладителя, 21 - вентили для слива компонента в сборник. The installation includes: 1 - a heat exchanger, 2 - a gas supply tube to the first vortex cooler, 3 - a vortex cooler for separating the first component, 4 - an expansion chamber with perforation 5, a casing - 6, 7 - a gas return pipe, 8 - a component exhaust pipe, 9 - gas outlet from the first cooler, 10 - vortex cooler for separating the next component, 11 - gas supply pipe to the last cooler, 12 - last vortex cooler, 13 - gas outlet to the heat exchanger, 14 - liquid outlet from the cooler, 15 - exhaust pipe liquid product from the liquefaction unit, 16 - liquid s product, 17 - body liquefaction unit, 18 - heat insulation 19 - the partition between the block and the liquefaction heat exchanger, 20 - snail vortex cooler, 21 - valves for draining the collection component.

Работает установка следующим образом. The installation works as follows.

Смесевой поток проходит по теплообменнику предварительного охлаждения 1 и по трубке 2 поступает к вихревому охладителю 3, который имеет замкнутую камеру расширения 4 с перфорацией 5 в виде отверстий. Входной поток в улитке охладителя /фиг. 3/ ускоряется до звуковой скорости, а затем расширяется в камере 4, охлаждая и конденсируя поток. За счет действия центробежных сил конденсат отбивается в пространство между камерой 4 и кожухом 6. Площадь отверстий 5 камеры расширения 4 подбирается исходя из долевого объема компонента в смесевом потоке. Газ, поступавший в пространство между камерой 4 и кожухом 6 вместе с жидкостью, отводится из верхней части кожуха 6 через трубку 7, которая охлаждается более холодным компонентом накапливающимся в блоке сжижения 17. Открытием вентиля 21 компонент сливается в свой сборник. Оставшаяся часть смесевого потока по трубке 9 поступает во второй вихревой охладитель 10, где по аналогии отделяется второй компонент. В последнем вихревом охладителе 12 поток разделяется на части, массовые объемы которых соответственны соотношению компонентов в сырьевом потоке. Газ по трубе 13 отводится в теплообменник, охлаждая смесевой поток, а сжиженная часть по отводу 14 поступает в трубу 15 отвода жидкости из блока сжижения и может накапливаться путем закрытия вентиля 21. При запуске установки в первые минуты идет накопление жидкого продукта в объеме блока сжижения 17 при этом обеспечивается интенсивное охлаждение как вихревых охладителей 3, 10, 12 с кожухом 6, так и смесевого газа, подводимого к каждому охладителю. The mixed stream passes through the pre-cooling heat exchanger 1 and through the tube 2 enters the vortex cooler 3, which has a closed expansion chamber 4 with perforation 5 in the form of holes. The input stream in the cochlea cooler / Fig. 3 / accelerates to sound speed, and then expands in chamber 4, cooling and condensing the stream. Due to the action of centrifugal forces, the condensate is beaten into the space between the chamber 4 and the casing 6. The area of the holes 5 of the expansion chamber 4 is selected based on the fractional volume of the component in the mixed stream. Gas entering the space between the chamber 4 and the casing 6 together with the liquid is discharged from the upper part of the casing 6 through a tube 7, which is cooled by the cooler component accumulating in the liquefaction unit 17. By opening the valve 21, the component is discharged into its collector. The remaining part of the mixed stream through the tube 9 enters the second vortex cooler 10, where, by analogy, the second component is separated. In the last vortex cooler 12, the stream is divided into parts whose mass volumes correspond to the ratio of components in the feed stream. Gas is discharged through the pipe 13 to the heat exchanger, cooling the mixture stream, and the liquefied part through the outlet 14 enters the pipe 15 for draining the liquid from the liquefaction unit and can accumulate by closing the valve 21. When the unit is started, the liquid product accumulates in the volume of the liquefaction unit 17 in the first minutes this provides intensive cooling of both the vortex coolers 3, 10, 12 with the casing 6, and the mixed gas supplied to each cooler.

Размеры вихревых охладителей и перфорация в них подбираются исходя из компонентного состава и теплофизических особенностей разделяемых компонентов. Выбор оптимального начального давления смесевого потока должен подбираться экспериментально исходя из состава газа. Давление потока на последнем охладителе не должно быть ниже 0,6 МПа при отсутствии противодавления выходящему конечному потоку. Потеря давления в каждом вихревом охладителе может быть оценена исходя из соотношения P_вх/P_вых = (T_вх/T_вых)• k , где "k" - показатель политропы, P - давление, T - температура, индексы: "вх" - входа, "вых" - выхода.The dimensions of the vortex coolers and the perforation in them are selected based on the component composition and thermophysical features of the separated components. The choice of the optimal initial pressure of the mixed flow should be selected experimentally based on the composition of the gas. The flow pressure at the last cooler should not be lower than 0.6 MPa in the absence of backpressure to the leaving final stream. The pressure loss in each vortex cooler can be estimated based on the ratio P _in / P _out = (T _in / T _out ) • k, where "k" is the polytropic index, P is the pressure, T is the temperature, and the indices are: "in" - entrance, "out" - exit.

Захолаживание установки заканчивается при появлении продукта из первого и последнего отводов жидкого продукта. Можно обеспечить практически мгновенный запуск, если блок сжижения 16 заполнить жидким продуктом из криостата через вентиль 21. После 12 - 15 минутной выдержки плавной подачей смесевого газа в теплообменник до номинального давления достигается быстрый запуск и устойчивая работа. При любом варианте запуска установки первые 10 минут работы весь газ, отводимый через отвод 13, необходимо утилизировать и вновь смешивать с сырьевым газом, а отбор чистого продукта начинать только после проведения хроматографического анализа получаемого продукта. При останове процесса разделения и прекращением подачи смесевого потока следует последовательно закрывать вентили 21 отвода компонентов в сборники. Cooling installation ends when the product appears from the first and last outlets of the liquid product. It is possible to provide almost instantaneous start-up if the liquefaction unit 16 is filled with liquid product from the cryostat through valve 21. After 12-15 minutes soaking by means of a smooth supply of mixed gas to the heat exchanger to the nominal pressure, quick start-up and stable operation are achieved. With any option to start the installation, the first 10 minutes of operation, all gas discharged through outlet 13 must be disposed of and mixed again with the feed gas, and the selection of pure product should only begin after chromatographic analysis of the resulting product. When you stop the separation process and stop the flow of the mixed stream should be sequentially close the valves 21 of the removal of components in the collectors.

Работа установки может быть автоматизирована снабжением вентилей 21 электроприводом, что особенно важно при запуске и останове. Установка должна быть также снабжена автоматической системой управления с программным задатчиком режимов пуска и останова, которая формирует сигнал на основании датчиков давления, температуры и чистоты получаемых продукта. The operation of the installation can be automated by supplying valves 21 with an electric actuator, which is especially important at start-up and shutdown. The installation should also be equipped with an automatic control system with a programmable start and stop modes, which generates a signal based on the sensors of pressure, temperature and purity of the resulting product.

Возможность размещения всех охладителей в одном блоке делает установку весьма компактной и высокопроизводительной. В зависимости от особенностей производства отрасли, где могут использоваться такие установки, целесообразно изготовить их в виде модулей с пропускной способностью от 5000 нм³/ч. до 60000 нм³/ч. Такие установки высотой 5 м и диаметром 1,2 м имеют массу менее 10 т и могут транспортироваться грузовым автомобилем. Четыре такие установки производительностью 60000 нм³/ч. заменят существующие установки выделения гелия на Оренбургском гелиевом заводе, каждая из которых насчитывает более 20 аппаратов и первые две уже отработали свой ресурс.The possibility of placing all the coolers in one unit makes the installation very compact and high-performance. Depending on the characteristics of the industry where such plants can be used, it is advisable to manufacture them in the form of modules with a throughput of 5000 nm ³ / h. up to 60,000 nm ³ / h. Such plants with a height of 5 m and a diameter of 1.2 m have a mass of less than 10 tons and can be transported by truck. Four such plants with a capacity of 60,000 nm ³ / h. replace the existing helium separation plants at the Orenburg helium plant, each of which has more than 20 devices and the first two have already worked out their resources.

Использование таких установок особенно ценно в нефтехимии и производства минеральных удобрений, так как позволит существенно снизить экологическую нагрузку на природу вызываемую сжиганием сырьевых газов, включающие кроме водорода и метана-аргон, ксенон, неон и криптон. The use of such plants is especially valuable in petrochemistry and the production of mineral fertilizers, since it will significantly reduce the environmental burden on nature caused by the burning of raw gases, including, in addition to hydrogen and methane-argon, xenon, neon and krypton.

Claims

Installation of liquefaction and component separation of the gas stream, including series-connected heat exchanger and gas vortex coolers, placed in the liquefaction unit, which is connected by a tap to a cryostat, characterized in that each gas vortex cooler, except the last, is made with a closed expansion chamber, which is equipped with perforation and protected by a hermetic casing, the upper part of which is connected to the axial zone of the expansion chamber of the cooler, and the lower part of the casing is connected to its collector component, while last one vortex cooler gas tap is connected to the heat exchanger, and the other outlet is placed freely in the outlet pipe of the liquid product from the liquefaction unit into the cryostat.