SU654834A1

SU654834A1 - Air separation plant

Info

Publication number: SU654834A1
Application number: SU762365052A
Authority: SU
Inventors: Юрий Иванович Гунько
Original assignee: Омский политехнический институт
Priority date: 1976-05-25
Filing date: 1976-05-25
Publication date: 1979-03-30

Description

1one

Изобретение относитс к технике низкотемпературного ожижени и разделени газовых смесей и может найти применение в област х, где используютс криогенные установки малой и средней производительности .The invention relates to a technique of low-temperature liquefaction and separation of gas mixtures and may find application in areas where low- and medium-capacity cryogenic plants are used.

Известны установки дл низкотемпературного разделени воздуха, содержащие теплообменные аппараты, ректификационную колонну и холодильно-газовую машину (лГМ), используемую в качестве внешнего генератора холода.Installations for low-temperature air separation are known, comprising heat exchangers, a distillation column, and a refrigeration gas machine (LGM) used as an external cold generator.

Недостатком таких установок вл етс то, что все требуемые затраты холода приход тс на различные температурные уровни , Б то врем как генераци холода осуш ествл етс практически при самой низкой температуре в системе, а его реализаци производитс неносредственно на поверхности тенлообменника нагрузки холодильногазовой машины. Т. е. потери холода, св занные с теплопритоками из окружающей среды, с недорекуперацией на теплом конце теплообменных аппаратов, а также с отводом получаемого продукта в жидком виде, покрываютс за счет холода, снимаемого непосредственно на поверхности теплообменника нагрузки ХГМ, практически при самой низкой температуре в системе.The disadvantage of such plants is that all the required cold costs fall at different temperature levels, while the cold generation is drying at almost the lowest temperature in the system, and its implementation is performed directly on the surface of the heat exchanger of the load of the refrigerant gas machine. That is, the loss of cold associated with heat leakage from the environment, with under-recovery at the heat end of heat exchangers, as well as with withdrawal of the resulting product in liquid form, is covered by the cold removed directly on the surface of the heat exchanger XGM load, at almost the lowest temperature in the system.

где холод наиболее «дорогой. Термодинамически это невыгодно.where chill is the most “expensive. Thermodynamically it is unprofitable.

Наиболее близкой к изобретению вл етс установка, содержаща компрессор, дваClosest to the invention is a plant comprising a compressor, two

переключающихс теплообменных аппарата , ректификационную колонну с конденсатором-иснарителсм и две холодильно-газовые мащины. Кроме указанного выше недостатка уswitching heat exchangers, a distillation column with a condenser and welder, and two refrigeration gas appliances. In addition to the above disadvantage

прототипа есть дополнительные необрати .мые потери, возникающие при смещивании теплого петлевого потока, прошедшего через теплообмепный аппарат с холодным потоком газа, поступающим на разделение.The prototype has additional non-invertible losses arising from the displacement of a warm loop flow passing through a heat pump device with a cold gas flow entering the separation.

Так как величина петлевого потока составл ет 13-15% от количества перерабатываемого воздуха, то потери эти значительны. Целью изобретени вл етс повышение эффективности установки, что вырал аетс Since the value of the loop flow is 13-15% of the amount of air processed, these losses are significant. The aim of the invention is to increase the efficiency of the installation, which is depleted

В увеличении производительности и снижении удельных затрат энергии па единицу получаемого продукта.In increasing productivity and reducing the unit cost of energy PA unit of the resulting product.

Поставленна цель достигаетс тем, что в установке разделени воздуха, включающей носледовательно соединенные компрессор , теплообменные аппараты, ректификационную колонну и холодильно-газовую машину с камерами расширени и , теплообменные аппараты соединены с к мерами расширени и сжати холодильногазовой машины.The goal is achieved by the fact that in an air separation unit, including successively connected compressor, heat exchangers, a distillation column and a refrigeration-gas machine with expansion chambers, and heat exchangers are connected to expansion and contraction measures of a refrigeration gas machine.

При данной схеме часть рабочего тела, отбираемого из камеры расширени ХГМ, проходит через теплообменные аппараты, служаш,ие дл охлаждени воздуха. Эту часть рабочего тела можно рассматривать как циркул ционный ноток, который выходит из камеры расширени , нагреваетс , охлаледа лр мой поток в установке, и покрывает часть затрат холода на переменном температурном уровне, затем поступает в камеру , сжимаетс и охлаждаетс , проход через теплообменные анпараты ХГМ в камеру расширени .In this scheme, a portion of the working fluid taken from the expansion chamber of the CHM passes through heat exchangers, which serve to cool the air. This part of the working fluid can be considered as a circulating note that leaves the expansion chamber, heats up, cools the flow in the installation, and covers part of the cold costs at a variable temperature level, then enters the chamber, contracts and cools, and passes through the XGM heat exchangers into the expansion chamber.

При такой организации потоков создаетс дополнительный поток холодного рабочего тела, причем холодопроизводительность , снимаема непосредственно с поверхности теплообменника нагрузки, остаетс практически на нрежнем уровне. Кроме того , исключаютс потери от смешивани теплого петлевого потока с холодным воздухом , так как роль петлевого потока выполн ет теперь поток рабочего тела, отбираемого из камеры расширепи ХГМ.With this flow arrangement, an additional flow of cool working fluid is created, and the cooling capacity, removed directly from the surface of the heat exchanger load, remains almost at the same level. In addition, losses from mixing warm loop flow with cold air are excluded, since the role of the loop flow is now fulfilled by the flow of the working fluid taken from the chamber to expand XGM.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемой установки разделени воздуха дл получени жидкого кислорода; на фиг. 2 - схема холодильно-газовой машины.FIG. 1 shows a diagram of a proposed air separation unit for producing liquid oxygen; in fig. 2 is a diagram of a refrigeration gas machine.

Установка разделени воздуха (см. фиг. 1) содержит компрессор 1, предназначенный дл сжати воздзха, подаваемого в установку, два переключаюш,ихс теплообменных аппарата 2, служаших дл охлаждени поступаюшего воздуха за счет нагревани обратного потока отбросного газа и имеюш,их каналы 3 дл прохода петлевых потоков, роль которых выполн ют потоки рабочего тела, проход шие из камер расширени в камеры сжати и обеспечиваюш ,ие незабиваемость теплообменных аппаратов , распределительные клапаны 4 на потоке воздуха и клапаны 5 на обратном потоке , переключающие указанные потоки поочередно в каждый Из теплообменных аппаратов 2, ректификационную колонну 6 с конденсатором-испарителем 7, предназначенные дл разделени жидкого воздуха на составл юш,ие компоненты, две холодильногазовые машины 8 и 9, на поверхност х теплообменников нагрузки которых нроисходит ожижение газа и имеюших отверсти в камере расширени , соединенные каналами, проход шими через теплообменные аппараты с камерами сжати .The air separation unit (see Fig. 1) contains a compressor 1, designed to compress the air supplied to the installation, two switching heat exchangers 2, which serve to cool the incoming air by heating the backflow of waste gas and have their channels 3 loop flow passages, the role of which is performed by working fluid flows passing from expansion chambers to compression chambers and ensuring unforgettable heat exchangers, control valves 4 on the air flow and valves 5 on the opposite side From the heat exchangers 2, the distillation column 6 with the condenser-evaporator 7, designed to separate the liquid air into components, two components, two refrigerant gas machines 8 and 9, on the surfaces of the load heat exchangers, the gas liquefaction occurs and having openings in the expansion chamber, connected by channels, passing through heat exchangers with compression chambers.

Холодильно-газова машина (см. фиг. 2) имеет цилиндр 10, внутри которого возвратно-постуиательно движетс поршень 11 компрессора . Через центр поршн 11 проходит шток 12 вытеснител 13. Поршни И комнрессора и вытеснител 13 привод тс в движение посредством кривошипно-шатунного механизма от электродвигател 14. Камеры сжати и расширени св заны между собой гидравлически через вод ной холодильник 15, регенератор 16 и теплообменник 17 нагрузки. Низкотемнературна часть машины теплоизолирована от окружающей среды кожухом 18. Камера расширени холодильно-газовой машины соединена с каналами , встроенными в теплообменные аппараты установки разделени воздуха, посредетвом трубопровода 19 и обратного клапана 20. Каналы соединены с камерой сжати посредством трубопровода 21, буферной емкости 22 через обратный клапан 23. Обратные клапаны 20 и 23 обеспечивают однонаправленное движение гели , вл ющегос The refrigerating-gas machine (see Fig. 2) has a cylinder 10 inside which the piston 11 of the compressor moves back and forth. The piston rod 12 of the displacer 13 passes through the center of the piston 11. The pistons of the compressor and the displacer 13 are driven by a crank mechanism from the electric motor 14. The compression and expansion chambers are hydraulically connected through a water cooler 15, a regenerator 16 and a heat exchanger 17 load . The low-earth part of the machine is thermally insulated from the environment by a casing 18. The expansion chamber of the refrigeration-gas machine is connected to the channels integrated in the heat exchangers of the air separation unit through the pipe 19 and the check valve 20. The channels are connected to the compression chamber through the pipe 21 and the buffer tank 22 valve 23. Check valves 20 and 23 provide unidirectional movement of gels, which are

хладагентом машины, из камеры расширени в камеру сжати .machine coolant, from expansion chamber to compression chamber.

Если поршни 11 компрессора и вытеснител 13 движутс вверх, происходит повышение давлени газа гели в рабочем объеме холодильно-газовой машины. Когда давление в машине превысит давление в буферной емкости 22, открываетс обратный клапан 20 и начинаетс перепуск гели по трубопроводу в каналы, встроенные в теплообменные аппараты 2 установки. Там гелий нагреваетс , охлажда поступающий на разделение воздух, и по трубопроводу 21 поступает в буферную емкость 22, где поддерживаетс давление, близкое к минимальному в цикле машины. Изменение объема камеры расширени на некоторый угол опережает мен ющийс объем камеры сжати . При движении поршней компрессора и вытеснител 13 вниз давление в машине уменьшаетс . Когда давление в камере расширени станет равным давлению в буферной емкости 22, закроетс клапан 20 и откроетс клапан 23, возвраща в камеру компрессора гелий, выпущенный из камеры расширени . Далее процессы повтор ютс .If the pistons 11 of the compressor and displacer 13 move upwards, an increase in the gas pressure of the gels occurs in the working volume of the refrigeration gas machine. When the pressure in the machine exceeds the pressure in the buffer tank 22, the check valve 20 is opened and the gels are allowed to bypass through the pipeline into the channels built into the heat exchangers 2 of the unit. There, the helium is heated, the air entering the separation is cooled, and through line 21 it enters the buffer tank 22, where pressure is maintained close to the minimum in the machine cycle. Changing the volume of the expansion chamber at some angle is ahead of the varying volume of the compression chamber. When the pistons of the compressor and displacer 13 move downward, the pressure in the machine decreases. When the pressure in the expansion chamber becomes equal to the pressure in the buffer tank 22, valve 20 closes and valve 23 opens, returning helium released from the expansion chamber to the compressor chamber. Further, the processes are repeated.

Воздух, сжатый в компрессоре 1, подаетс распределительным клапаном 4 в один из теплообменных аппаратов 2, где охлаждаетс . Охлажденный до состо ни сухогоThe air compressed in compressor 1 is supplied by a control valve 4 to one of the heat exchangers 2 where it is cooled. Cooled to dryness

насыщенного пара воздух конденсируетс в межтрубном пространстве конденсатораиспарител 7 за счет кипени жидкого кислорода в трубном пространстве и дросселируетс в верхнюю часть ректификационнойsaturated vapor air is condensed in the annular space of the evaporator condenser 7 due to boiling liquid oxygen in the tube space and is throttled in the upper part of the distillation

колонны 6 дл осуществлени процесса ректификации . Часть паров кислорода из нижней части ректификационной колонны 6 поднимаетс вверх по колонне, друга часть конденсируетс на поверхности теплообменНИКОВ 17 нагрузки холодильно-газовых мащин 8 и 9, и стекает в трубное пространство конденсатора-испарител 7, где часть его испар етс , а неиспарившийс кислород сливаетс потребителю. Отбросной газ изcolumns 6 for carrying out the rectification process. Part of the oxygen vapor from the lower part of the distillation column 6 rises up the column, another part condenses on the surface of the heat exchangers 17 of the load of the refrigeration gas masks 8 and 9, and flows into the pipe space of the evaporator-condenser 7, where part of it evaporates, and non-evaporated oxygen merges to the consumer. Waste gas from

верхней части ректификационной колонны 6 подаетс распределительным клапаном 5 во второй теплообменный аппарат 2, охлаждает его насадку и выбрасываетс в атмосферу . Через определенные промежутки времени потоки воздуха и отбросного газа переключаютс . Дл обеспечени незабиваемости теплообмениых аппаратов 2 внутри насадки каждого из них ио высоте насадки образован канал 3 дл прохода петлевого потока. По этому каналу проходит гелий, отбираемый из камер расширени машин 8 и 9, охлажда насадку теплообменных аппаратов за счет теплопроводности проволочек , образуюших сетку. Теплый гелий из теплообменных аппаратов поступает в буферные емкости, где поддерживаетс давление , близкое к минимальному в циклах холодильно-газовых машин, и далее перепускаетс в компрессорную камеру. Эти потоки не переключаютс .The upper part of the distillation column 6 is supplied by the control valve 5 to the second heat exchanger 2, cools its packing and is emitted into the atmosphere. At regular intervals, the air flow and the waste gas are switched. In order to ensure the unforgettability of the heat exchangers 2 inside the nozzle of each of them, a channel 3 is formed at the height of the nozzle for the passage of a loop flow. Helium passes through this channel, taken from the expansion chambers of machines 8 and 9, cooling the heat exchanger nozzle due to the thermal conductivity of the wires that form the grid. Warm helium from heat exchangers enters the buffer tanks, where pressure is maintained close to the minimum in the cycles of refrigeration and gas machines, and then transferred to the compressor chamber. These streams do not switch.

По предлагаемому принципу с иснользованием холода части рабочего тела, отбираемого из камеры расширени внешнего генератора холода, могут быть преобразованы ночти все известные схемы воздухоразделительных установок с холодильно-газовыми машинами.According to the proposed principle, using the cold part of the working fluid taken from the expansion chamber of the external cold generator, all known circuits of air separation plants with refrigerating-gas machines can be converted overnight.

Введение Потока части рабочего тела через теплообменные аппараты позвол ет значительно повысить эффективность установки , т. е. повысить производительность установки и снизить удельные затраты энергии, так как создаетс дополнительный холодный поток, лишь незначнтельно ,ий холодопроизводительность на поверхности теплообменника нагрузки и не измен юший количества потребл емой ХГМ энергии.Introduction The flow of a portion of the working fluid through heat exchangers significantly improves the efficiency of the installation, i.e., increases the productivity of the installation and reduces the unit energy cost, as an additional cold flow is created, only slightly, and the cooling capacity on the surface of the heat exchanger load and not changing the amount of consumption. HGM energy.

Claims

Invention Formula

An air separation unit, including a series-connected compressor, heat exchangers, a distillation column and a refrigeration-gas machine with expansion and compression chambers, is characterized in that, in order to increase the separation efficiency, the tenloexchange annonarats are connected to expansion chambers and the following: - gas machine.

-7

ipLff. one

78