close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

PL183332B1

код для вставкиСкачать
RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 183332
(21) Numer zgłoszenia:
313370
(13) B1
(5 1) IntCl7
F25J 3/04
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(22) Data zgłoszenia:
20.03.1996
)Sposób i instalacja do oddzielania powietrza
4
(5
(30)
Pierwszeństwo:
(73)
21.03.1995,GB,GB9505645.3
(43)
Zgłoszenie ogłoszono:
(72)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
28.06.2002 WUP 06/02
Twórcy wynalazku:
John D. Oakey, Godalming, GB
Paul Higginbotham, Guilford, GB
30.09.1996 BUP 20/96
(45)
Uprawniony z patentu:
The BOC Group plc, Windlesham, GB
(74)
Pełnomocnik:
Rachubik Irena, PATPOL Spółka z o.o.
PL
183332
B1
(57)
I . Sposób oddzielania powietrza, w którym oddziela się przepływ sprężonego powietrza na część bogatą w tlen i część bogatą w
azot w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej, zawierającej kolumnę
rektyfikacyjną o wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjną o niższym ciśnieniu do rozdzielania strumienia sprężonego powietrza na
frakcję wzbogaconą w tlen i wzbogaconą w azot, a w bocznej kolumnie rektyfikacyjnej oddziela się części argonu od strumienia pary tlenu wzbogaconego w argon, który odprowadza się z pośredniego
wylotu kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, zaś strumień
ciekłego powietrza wzbogacony w tlen pobiera się z kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu, a parowy strumień powietrza
wzbogacony w tlen wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu przez wlot nad wspomnianym pośrednim wylotem,
znamienny tym, że przynajmniej część strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen częściowo ponownie odparowuje się i oddziela przy ciśnieniu o wartości pomiędzy ciśnieniem na dnie kolumny
rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu (4) a tym, które panuje we wlocie
(46) do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6) i tworzy się
strumień ciekłego powietrza dodatkowo wzbogaconego w tlen i parę
zubożoną w den, przy czym częściowe ponowne odparowanie....
I I. Instalacja do oddzielania powietrza, zawierająca podwójną
kolumnę rektyfikacyjną obejmującą kolumnę rektyfikacyjną o wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjną o niższym ciśnieniu do rozdzielania przepływu sprężonego powietrza na część bogatą w tlen i
część bogatą w azot, oraz boczną kolumnę rektyfikacyjną do oddzielania parowego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, a kolumna
rektyfikacyjna o niższym ciśnieniu ma pośredni wylot do odprowadzania parowego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, przy
czym kolumna rektyfikacyjna o wyższym ciśnieniu ma wylot dla
strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, a kolumna rektyfikacyjna o niższym ciśnieniu ma wlot dla parowego stłumienia
powietrza wzbogaconego w tlen, nad wspomnianym pośrednim
wylotem, znam ienna tym, że zawiera reboiler (22) do częściowego
ponownego odparowania i separator fazowy (24) do oddzielania....
FIG. 1
Sposób i instalacja do oddzielania powietrza
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób oddzielania powietrza, w którym oddziela się przepływ sprężonego powietrza
na część bogatą w tlen i część bogatąw azot w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej, zawierającej
kolumnę rektyfikacyjnąo wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjnąo niższym ciśnieniu do rozdzielania strumienia sprężonego powietrza na frakcję wzbogaconą w tlen i wzbogaconą w azot,
a w bocznej kolumnie rektyfikacyjnej oddziela się części argonu od strumienia pary tlenu wzbogaconego w argon, który odprowadza się z pośredniego wylotu kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, zaś strumień ciekłego powietrza wzbogacony w tlen pobiera się z kolumny
rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu, a parowy strumień powietrza wzbogacony w tlen wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu przez wlot nad wspomnianym pośrednim wylotem, znamienny tym, że przynajmniej część strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen częściowo ponownie odparowuje się i oddziela przy ciśnieniu o wartości
pomiędzy ciśnieniem na dnie kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu (4) a tym, które panuje we wlocie (46) do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6) i tworzy się strumień
ciekłego powietrza dodatkowo wzbogaconego w tlen i parę zubożoną w tlen, przy czym częściowe ponowne odparowanie przeprowadza się przez pośrednią wymianę ze strumieniem pary wycofanym z części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6) wychodzącym z pośredniego
wylotu (70) do wymienionego wlotu (46), a przynajmniej jeden strumień dodatkowo wzbogaconej cieczy odparowuje się i tworzy się co najmniej część parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen, przepływ pary zubożonej w tlen skrapla się, a przynajmniej część skroplonej
pary zubożonej w tlen wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6) albo
odbiera się produkt.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień pary, który poddaje się pośredniej
wymianie ciepła z częścią ciekłego strumienia wzbogaconego w tlen ma taki sam skład jak strumień pary tlenu wzbogacony w argon.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ciekły strumień powietrza wzbogacony w tlen częściowo ponownie odparowuje się w górnej części kolumny rektyfikacyjnej (24),
w której oddziela się dodatkowo wzbogaconą ciecz od pary zubożonej w tlen.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że oddzielanie częściowo ponownie odparowanego strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen jest oddzielaniem fazowym.
5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że częściowo ponownie odparowany strumień powietrza wzbogaconego w tlen oddziela się przez rektyfikację.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że parowym strumieniem zubożonym w tlen
jest azot.
7. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że ciśnienie dodatkowo wzbogaconej cieczy
redukuje się i poddaje się ją pośredniej wymianie ciepła z parowym strumieniem zubożonym
w tlen, skrapla się tę parę i wytwarza się przynajmniej część parowego strumienia powietrza
wzbogaconego w tlen.
8. Sposób według każdego z zastrz. 3, znamienny tym, że ciśnienie strumienia dodatkowo
wzbogaconej cieczy redukuje się i poddaje się ją pośredniej wymianie ciepła z częścią argonu
i skrapla się parę argonu i wytwarza się przynajmniej część parowego strumienia powietrza
wzbogaconego w tlen.
9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że każdy pojedynczy strumień dodatkowo wzbogaconej cieczy poddaje się pośredniej wymianie ciepła kolejno z parą zubożoną
w tlen i argon.
10.
Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że część dopływającego powietrza
jest skraplana przeciwprądowe względem jego wprowadzania do podwójnej komory rektyfikacyjnej ( 10).
183 332
3
11. Instalacja do oddzielania powietrza, zawierająca podwójną kolumnę rektyfikacyjną
obejmującą kolumnę rektyfikacyjną o wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjną o niższym
ciśnieniu do rozdzielania przepływu sprężonego powietrza na część bogatą w tlen i część bogatą
w azot, oraz boczną kolumnę rektyfikacyjną do oddzielania parowego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, a kolumna rektyfikacyjna o niższym ciśnieniu ma pośredni wylot do odprowadzania parowego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, przy czym kolumna rektyfikacyjna
o wyższym ciśnieniu ma wylot dla strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, a kolumna rektyfikacyjna o niższym ciśnieniu ma wlot dla parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen, nad wspomnianym pośrednim wylotem, znamienna tym, że zawiera reboiler (22)
do częściowego ponownego odparowania i separator fazowy (24) do oddzielania przynajmniej
części strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen przy ciśnieniu między ciśnieniem na
dnie kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu (4) a tym, które panuje na wlocie (46) do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6), wymiennik ciepła (30,50) do odparowania strumienia dodatkowo wzbogaconego ciekłego powietrza dla wytworzenia co najmniej części
parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen, doprowadzanego do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6), oraz skraplacz (50) do skraplania strumienia pary zubożonej
w tlen, który ma wylot dla skroplin łączący się z dalszym wlotem (34) do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6), albo ze zbiornikiem zasobnikowym, a reboiler (22) ma kanały wymiany ciepła łączące się z wylotem z części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (6)
ciągnącej się od wlotu (46) do pośredniego wylotu (70) dla pary tlenu wzbogaconego w argon.
12. Instalacja, według zastrz. 11, znamienna tym, że reboiler (22) jest usytuowany
przeciwprądowe w stosunku do separatora fazowego (24).
* * *
Przedmiotem wynalazku jest sposób i instalacja do oddzielania powietrza.
Znanym i stosowanym przemysłowym sposobem oddzielania powietrza jest rektyfikacja.
Sposób ten obejmuje typowe etapy sprężania i oczyszczania powietrza, frakcjonowania sprężonego, oczyszczonego powietrza w kolumnie o wyższym ciśnieniu wchodzącej w skład
podwójnej kolumny rektyfikacyjnej zawierającej kolumnę rektyfikacyjną o wyższym ciśnieniu
i kolumnę rektyfikacyjną o niższym ciśnieniu. Skraplanie, przez pośrednią wymianę ciepła z
płynem bogatym w tlen odseparowany w kolumnie ciśnieniowej o niższym ciśnieniu, parą azotu
oddzielonego w kolumnie rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu, wykorzystanie pierwszego strumienia otrzymanych skroplin jako wykropliny w kolumnie rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu
i drugiego strumienia otrzymanych skroplin jako wykroplin w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, wycofanie ciekłego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen z kolumny
rektyfikacynej o wyższym ciśnieniu, oraz wprowadzenie parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, oraz rozdzielanie w niej parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen na części bogate w tlen i azot.
Oczyszczanie powietrza przeprowadza się tak, aby usunąć zanieczyszczenia o względnie
niskiej lotności, szczególnie parę wodną i dwutlenek węgla. W razie potrzeby, można także
usunąć węglowodory.
Przynajmniej część ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, która jest wycofywana z kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu jest zwykle całkowicie odparowywana tak, by uzyskać parowy strumień powietrza wzbogacony w tlen, który jest wprowadzany do kolumny
rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.
Lokalna maksymalna koncentracja argonu powstaje na poziomie pośrednim kolumny
rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu poniżej poziomu, na którym wprowadzany jest strumień
powietrza wzbogacony w parowy tlen. W razie potrzeby wytworzenia produktu argonowego,
strumień pary tlenu wzbogacony w argon jest pobierany w pobliżu kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu pod wlotem parowego powietrza wzbogaconego w tlen, gdzie koncentracja argonu zwykle wynosi od 5 do 15% objętości i wprowadzony zostaje do dolnego obszaru bocznej
4
183 332
kolumny rektyfikacyjnej, w której oddzielony jest od niego produkt argonowy. Wykropliny kolumny bocznej są dostarczane przez skraplacz na czole kolumny. Skraplacz jest chłodzony przez
część albo całe ciekłe powietrze wzbogacone w tlen wycofany z kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu, przy czym ciekłe powietrze wzbogacone w tlen jest odparowywane. Taki sposób
przedstawiono na przykład w opisie patentowym nr EP-A-377 117.
Zastosowanie bocznej kolumny rektyfikacyjnej do oddzielania produktu argonowego od
powietrza obniża wydajność kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Zmniejszona wydajność, w pewnych warunkach, nie tylko zwiększa całkowite zużycie energii, ale może także spowodować redukcję odzyskiwania, czyli wydajności, jednego albo obu produktów, argonowego
i tlenowego. Warunkami tymi są te warunki, w których wymagane są kolumny rektyfikacyjne
do oddzielania doprowadzanego strumienia powietrza, oprócz doprowadzanego pierwszego parowego strumienia powietrza. Taki drugi ciekły strumień powietrza jest wymagany, gdy produkt
tlenowy jest wycofywany z kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu w stanie płynnym,
jest sprężany, oraz odparowywany przez wymianę ciepła z doprowadzanym powietrzem, tak
by wytworzyć produkt tlenowy o podwyższonym ciśnieniu w stanie gazowym. Doprowadzane
ciekłe powietrze jest także zwykle wykorzystywane w przypadku, w którym jeden albo oba produkty, tlenowy i azotowy, z kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu są odbierane w stanie
ciekłym.
Zgodnie z wynalazkiem w sposobie oddzielania powietrza oddziela się przepływ sprężonego powietrza na część bogatą w tlen i część bogatą w azot w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej, zawierającej kolumnę rektyfikacyjną o wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjną o niższym
ciśnieniu do rozdzielania strumienia sprężonego powietrza na frakcję wzbogaconą w tlen i wzbogaconą w azot, a w bocznej kolumnie rektyfikacyjnej oddziela się części argonu od strumienia
pary tlenu wzbogaconego w argon, który odprowadza się z pośredniego wylotu kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, zaś strumień ciekłego powietrza wzbogacony w tlen pobiera się
z kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu, a parowy strumień powietrza wzbogacony w tlen
wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu przez wlot nad wspomnianym
pośrednim wylotem. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że przynajmniej część
strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen częściowo ponownie odparowuje się i oddziela przy ciśnieniu o wartości pomiędzy ciśnieniem na dnie kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu a tym, które panuj e we wlocie do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu
i tworzy się strumień ciekłego powietrza dodatkowo wzbogaconego w tlen i parę zubożoną
w tlen. Częściowe ponowne odparowanie przeprowadza się przez pośrednią wymianę ze strumieniem pary wycofanym z części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu wychodzącym
z pośredniego wylotu do wymienionego wlotu, a przynajmniej jeden strumień dodatkowo
wzbogaconej cieczy odparowuje się i tworzy się co najmniej część parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen. Przepływ pary zubożonej w tlen skrapla się, a przynajmniej część
skroplonej pary zubożonej w tlen wprowadza się do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu albo odbiera się produkt.
Strumień pary, który poddaje się pośredniej wymianie ciepła z częścią ciekłego strumienia
wzbogaconego w tlen ma taki sam skład jak strumień pary tlenu wzbogacony w argon.
Ciekły strumień powietrza wzbogacony w tlen częściowo ponownie odparowuj e się w górnej części kolumny rektyfikacyjnej, w której oddziela się dodatkowo wzbogaconą ciecz od pary
zubożonej w tlen.
Korzystnie oddzielanie częściowo ponownie odparowanego strumienia ciekłego powietrza
wzbogaconego w tlen jest oddzielaniem fazowym.
Częściowo ponownie odparowany strumień powietrza wzbogaconego w tlen oddziela się
przez rektyfikację.
Parowym strumieniem zubożonym w tlen jest azot.
Korzystnie ciśnienie dodatkowo wzbogaconej cieczy redukuje się i poddaje się j ą pośred
niej wymianie ciepła z parowym strumieniem zubożonym w tlen, skrapla się tę parę i wytwarza
się przynajmniej część parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen.
183 332
5
Ciśnienie strumienia dodatkowo wzbogaconej cieczy redukuje się i poddaje się j ą pośred
niej wymianie ciepła z częścią argonu i skrapla się parę argonu i wytwarza się przynajmniej część
parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen.
Ponadto każdy pojedynczy strumień dodatkowo wzbogaconej cieczy poddaje się pośredniej wymianie ciepła kolejno z parą zubożoną w tlen i argon.
Część dopływającego powietrza jest skraplana przeciwprądowo względem jego wprowadzania do podwójnej komory rektyfikacyjnej.
Instalacja do oddzielania powietrza, zawierająca podwójną kolumnę rektyfikacyjną obej
mującą kolumnę rektyfikacyjnąo wyższym ciśnieniu i kolumnę rektyfikacyjnąo niższym ciśnieniu do rozdzielania przepływu sprężonego powietrza na część bogatą w tlen i część bogatą w azot,
oraz boczną kolumnę rektyfikacyjną do oddzielania parowego strumienia tlenu wzbogaconego
w argon, a kolumna rektyfikacyjna o niższym ciśnieniu ma pośredni wylot do odprowadzania parowego strumienia tlenu wzbogaconego w argon, przy czym kolumna rektyfikacyjna o wyższym
ciśnieniu ma wylot dla strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen, a kolumna rekty
fikacyjna o niższym ciśnieniu ma wlot dla parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen,
nad wspomnianym pośrednim wylotem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera
reboiler do częściowego ponownego odparowania i separator fazowy do oddzielania przynajmniej
części strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen przy ciśnieniu między ciśnieniem
na dnie kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu a tym, które panuje na wlocie do kolumny
rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Ponadto zawiera wymiennik ciepła do odparowania strumienia dodatkowo wzbogaconego ciekłego powietrza dla wytworzenia co najmniej części parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen, doprowadzanego do kolumny rektyfikacyjnej
o niższym ciśnieniu, oraz skraplacz do skraplania strumienia pary zubożonej w tlen, który ma wylot dla skroplin łączący się z dalszym wlotem do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu,
albo ze zbiornikiem zasobnikowym. Reboiler ma kanały wymiany ciepła łączące się z wylotem
z części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu ciągnącej się od wlotu do pośredniego wylotu dla pary tlenu wzbogaconego w argon.
Reboiler jest usytuowany przeciwprądowo w stosunku do separatora fazowego.
Sposób i instalacja według wynalazku umożliwiają, w porównaniu z podobnymi konwencjonalnymi rozwiązaniami, redukcję całkowitego zużycia energii, zwiększenie wydajności
uzyskiwania argonu, i zwiększenie wydajności uzyskiwania części bogatej w tlen. W sposobie
i instalacji kolumna rektyfikacyjna o wyższym ciśnieniu przyjmuje część przepływu sprężonego
powietrza w stanie płynnym. Zdolność sposobu i instalacji według wynalazku do zapewnienia
tych zalet zależą od częściowego ponownego odparowania strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen i jego oddzielenia w celu wytworzenia pary zubożonej w tlen, i skraplania tej
pary dla wytworzenia cieczy, która może być wykorzystana dla zapewnienia wyższego stosunku
wykroplin we wspomnianej części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu niż odpowiedniego stosunku w porównywalnym konwencjonalnym sposobie i instalacji.
Zwykle, para zubożona w skroplony tlen jest wprowadzana do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Jeśli jednak w rozwiązaniu według wynalazku, parą zubożoną w tlen jest azot
o czystości produktu, to para zubożona w skroplony tlen może być pobierana bezpośrednio jako
produkt przed częścią pary azotu, która jest zwykle wytwarzana na wierzchołku kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu. Zatem, w takim rozwiązaniu, większa część pary azotu oddzielonej w kolumnie rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu może, po kondensacji, być wykorzystana
jako wykropliny w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Zatem, nawet w tym przykładzie, stosunek wykroplin w części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu biegnącej
od pośredniego wylotu dla pary tlenu wzbogaconej w argon i wlotu dla pary powietrza wzbogaconego w tlen może być zwiększony.
Użyte określenie kolumna rektyfikacyjna oznacza kolumnę destylacyjną albo frakcjonującą,
strefę albo strefy, czyli kolumnę kontaktującą, strefę albo strefy, w których fazy, ciekła i parowa,
są stykane przeciwprądowo dla uzyskania oddzielania mieszaniny płynnej, na przykład przez zetknięcie fazy parowej i ciekłej na elementach wypełniających albo na szeregu pionowych płyt
6
183 332
umieszczonych wewnątrz kolumny, strefy albo stref. Kolumna rektyfikacyjna może zawierać
wiele stref w oddzielnych zbiornikach, ponieważ w przypadku umieszczenia wszystkich płyt
albo wypełnień wewnątrz pojedynczego zbiornika, uzyskana wysokość kolumny rektyfikacyjnej mogłaby być niekorzystnie duża. Na przykład, znane jest umieszczanie w kolumnie rektyfikacji argonu wypełnienia o wysokości odpowiadającej 200 płytom. W przypadku umieszczenia
całego wypełnienia w jednym zbiorniku, zbiornik ten miałby wysokość przekraczającą 50 m.
Zatem wskazana jest budowa kolumny rektyfikacji argonu w dwóch oddzielnych zbiornikach
tak, by uniknąć konieczności stosowania pojedynczego, wyjątkowo wysokiego zbiornika.
Strumień pary, który podlega pośredniej wymianie ciepła z częścią strumienia ciekłego
powietrza wzbogaconego w tlen ma taki sam skład jak strumień pary tlenu wzbogacony w argon,
a następnie jest odbierany z dna części ciągnącej się od pośredniego wylotu dla strumienia pary
tlenu wzbogaconego w argon do wlotu dla parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen.
Konstrukcja instalacji jest zatem prostsza niż w przypadku, w którym strumień wymiany ciepła
jest pobierany z położenia pośredniego wewnątrz tej części, i ogólnie umożliwia uzyskanie
dogodniejszych różnic temperatury w reboilerze strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego
w tlen i skraplaczu pary zubożonej w tlen. Istnieją także zalety związane z poborem strumienia
wymiany ciepła z obszaru pośredniego tej części, polegające na tym, że wielkość strumienia
będzie potencjalnie większa.
Cały strumień ciekłego powietrza wzbogacony w tlen jest częściowo ponownie odparowywany. Strumień ciekłego powietrza wzbogacony w tlen jest korzystnie dochładzany
przeciwprądowe względem wymiany ciepła ze strumieniem pary wycofanej z części kolumny
rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.
Strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen może być częściowo ponownie odparowywany przeciwprądowe względem zbiornika, w którym przeprowadza się oddzielanie dodatkowo wzbogaconej cieczy od pary zubożonej w tlen. Alternatywnie, reboiler, w którym
przeprowadza się to ponowne odparowanie może być umieszczony w zbiorniku. Zbiornik, w którym oddziela się dalej wzbogaconą ciecz od pary zubożonej w tlen może być po prostu separatorem
faz. W takich przykładach sposobu i instalacji według wynalazku, para zubożona w tlen nadal zawiera trochę tlenu i nie jest azotem o czystości produktu. Zatem wskazane jest, by zbiornik, w którym przeprowadza się oddzielanie dalej wzbogaconej cieczy od pary zubożonej w tlen było inną
kolumną rektyfikacyjną mającą wystarczające elementy kontaktujące ciecz z parą na przykład
płyty albo wypełnienie, dla umożliwienia wytwarzania azotu o czystości przemysłowej.
Strumień dodatkowo wzbogaconej cieczy ma ograniczone ciśnienie, na przykład po przejściu przez zawór dławiący, i podlega pośredniej wymianie ciepła z parą zubożoną w tlen w celu
skroplenia pary. Część skroplin jest zawracana do zbiornika, w którym przeprowadza się oddzielanie pary zubożonej w tlen od dodatkowo wzbogaconej cieczy w przypadku, gdy taki zbiornik
stanowi inną kolumnę rektyfikacyjną. W ten sposób zapewnia się wykropliny dla kolumny rektyfikacyjnej.
Inny strumień dodatkowo wzbogaconej cieczy ma korzystnie redukowane ciśnienie i jest
wykorzystywany do skraplania pary bogatej w argon. Temperatura skraplania pary bogatej w argon jest nastawiana przez ciśnienie na wierzchołku kolumny bocznej i skład pary bogatej w argon. Jeśli dalej wzbogacona ciecz jest wykorzystywana do skraplania pary bogatej w argon,
ciśnienie na wierzchołku kolumny bocznej musi być wybrane tak, by zapewnić odpowiedniąróż
nicę temperatur między dalej wzbogaconym strumieniem ciekłego powietrza o zredukowanym
ciśnieniu, który podlega wymianie ciepła z parą bogatą w argon, a samą parą bogatą w argon.
Wynalazek obejmuje częściowe ponowne odparowywanie tylko części strumienia ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen i wykorzystanie innej części do skraplania pary bogatej w argon.
Zakres wynalazku obejmuje także wykorzystanie pojedynczego strumienia dodatkowo wzbogaconej cieczy o zredukowanym ciśnieniu do skraplania pary zubożonej w tlen i pary bogatej w argon. Skraplanie dodatkowo wzbogaconej pary może w takich przykładach być przeprowadzane
po stronie ciśnienia wyższego albo niższego względem skraplania pary argonu. Zgodnie z wynalazkiem, para dodatkowo wzbogaconej cieczy wytworzonej w trakcie skraplania pary zubożonej
183 332
7
w tlen albo pary bogatej w argon, albo obu, powoduje wytwarzanie parowego strumienia powietrza wzbogaconego w tlen, które jest wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu przez wspomniany wlot.
Sposób i instalacja według wynalazku nadają się szczególnie do użycia w przypadku, gdy
podwójna kolumna rektyfikacyjna ma powiązany ze sobą skraplacz-reboiler do skraplania pary
azotu oddzielonej w kolumnie rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu przez pośrednią wymianę
ciepła z cieczą bogatą w tlen w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Zatem, skraplaczreboiler może zapewnić wykropliny dla kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu i kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. W sposobie i instalacji według wynalazku, kolumna rektyfikacyjna o niższym ciśnieniu pracuje przy ciśnieniu na swoim wierzchołku wynoszącym 1,2
do 1,5 x 105 Pa.
Sposób i instalacja według wynalazku mogą mieć inne konwencjonalne cechy. Na przykład, przepływ sprężonego powietrza do oddzielania jest korzystnie oczyszczany przez adsorpcję
w celu usunięcia zanieczyszczeń o niskiej lotności, szczególnie pary wodnej i dwutlenku węgla.
Pierwszy strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie parowym i drugi strumień
sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie płynnym są zwykle wprowadzane do kolumny
rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu. W razie potrzeby, trzeci strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie ciekłym może być wprowadzony do kolumny rektyfikacyjnej o niższym
ciśnieniu, a w przykładach, w których oddzielanie dodatkowo wzbogaconej cieczy od pary zubożonej w tlen przeprowadza się w kolumnie rektyfikacyjnej, czwarty strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza może być wprowadzony w stanie ciekłym do tej dodatkowej kolumny
rektyfikacyjnej. W zakres sposobu i instalacji według wynalazku wchodzi także wprowadzanie
piątego strumienia oczyszczonego powietrza w stanie parowym z turbiny rozprężającej do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.
Sposób i instalacja według wynalazku mogą być wykorzystane do wytwarzania gazowych
produktów tlenowych i azotowych, albo do wytwarzania części produktów tlenowych i azotowych w stanie płynnym.
Jeśli należy wytwarzać gazowy produkt tlenowy, to może być on wycofywany jako para
z kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, albo może być pobierany jako ciecz i odparowywany przy podwyższonym ciśnieniu. Jeśli wymagane są ciekłe produkty tlenowe i azotowe, albo
jeśli trzeba wytwarzać produkt tlenowy w stanie gazowym przez odbieranie ciekłego tlenu z kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, oraz przeprowadzać sprężanie i odparowanie, zwykle należy wytwarzać ciekłe powietrze i wykorzystywać jeden albo więcej z pomiędzy drugiego, trzeciego
i czwartego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza. Zalety wynikające ze sposobu i instalacji według wynalazku są bardziej widoczne, gdy wytwarzane jest ciekłe powietrze.
Wymagania chłodzenia instalacji według wynalazku są zwykle spełniane przez rozprężane
albo sprężane, oczyszczone powietrze albo strumień azotu o podwyższonym ciśnieniu w jednej
albo więcej turbinach rozprężających.
Strumienie powietrza są korzystnie przetwarzane do stanu parowego albo płynnego przez
pośrednią wymianę ciepła ze strumieniami pobieranymi z kolumny rektyfikacyjnej o niższym
ciśnieniu.
Rozwiązania według wynalazku są przedstawione w przykładach wykonania na rysunku,
na którym fig. 1 przedstawia schemat technologiczny układu kolumn rektyfikacyjnych stanowiącego część instalacji do oddzielania powietrza, fig. 2 - schemat technologiczny wymiennika
ciepła i związanego z nim urządzenia do wytwarzania strumieni doprowadzanych do części instalacji do oddzielania powietrza z fig. 1, fig. 3 - wykres McCabe-Thiele’a ilustrujący przebieg
rektyfikacji przy niższym ciśnieniu w jednym przykładzie sposobu według wynalazku, fig. 4 podobny wykres McCabe-Thieie’a ilustrujący pracę kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu w porównywalnej konwencjonalnej instalacji, fig. 5 - schemat technologiczny alternatywnego układu kolumn rektyfikacyjnych stanowiących część instalacji do oddzielania powietrza,
a fig. 6 przedstawia schemat technologiczny dalszego alternatywnego układu kolumn rektyfikacyjnych stanowiących część instalacji do oddzielania powietrza.
8
183 332
Jak przedstawiono na fig. 1 rysunku, pierwszy strumień parowego powietrza jest wprowadzany przez wlot 2 do dolnego obszaru kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4, która
jest termicznie połączona z kolumną rektyfikacyjnąo niższym ciśnieniu 6 przez skraplacz-reboi
ler 8. Razem, kolumna rektyfikacyjna o wyższym ciśnieniu 4 i kolumna rektyfikacyjna o niższym
ciśnieniu 6 stanowią podwójną kolumnę rektyfikacyjną 10. Kolumna rektyfikacyjna o wyższym
ciśnieniu 4 zawiera urządzenia kontaktujące 12 ciecz z parą w postaci płyt albo wypełnień.
Urządzenia kontaktujące 12 umożliwiają wejście wznoszącej się fazy parowej w ścisły kontakt
z opadającą fazą ciekłą tak, by zachodziło przenoszenie masy między obiema fazami. Zatem,
wznosząca się para jest stopniowo wzbogacana w azot, najbardziej lotny z trzech głównych
składników (azotu, tlenu i argonu) oczyszczonego powietrza a opadająca faza ciekła jest stopniowo wzbogacana w tlen, który jest najmniej lotnym z tych trzech składników.
Drugi sprężony, oczyszczony strumień powietrza jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 w stanie płynnym przez wlot 14, który jest zwykle umieszczony
na poziomie takim, aby liczba płyt albo wysokość wypełnienia pod nim odpowiadała kilku teoretycznym płytom (na przykład około 5).
W skład kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 wchodzi wystarczająca wysokość wypełnienia albo wystarczająca liczba płyt tak, że zasadniczo czysta para azotu wypływa
z wierzchołka kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 do skraplacza-reboilera 8, gdzie
jest skraplana.
Część otrzymanych skroplin jest zawracana do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym
ciśnieniu 4 w postaci wykroplin. Ciecz wzbogacona w tlen (zwykle zawierająca około 38% objętości tlenu) jest wycofywana z dna kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 przez wylot
16. Strumień ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen jest dochładzany podczas przechodzenia
przez część wymiennika ciepła 18. Dochłodzony, wzbogacony w tlen, strumień ciekłego powietrza ma redukowane ciśnienie podczas przejścia przez zawór dławiący 20. Otrzymany ciekły
strumień o zredukowanym ciśnieniu jest częściowo ponownie odparowywany podczas przejścia
przez kanały ponownego odparowania w rebolierze 22. Ponieważ azot jest bardziej lotny niż tlen,
częściowe ponowne odparowanie powoduje formowanie się pary zubożonej w tlen i cieczy dalej
wzbogaconej w parujący tlen. Uzyskana mieszanina cieczy dalej wzbogaconej w tlen i pary zubożonej w tlen przepływa do dalszej kolumny rektyfikacyjnej 24 przez wlot 26. Kolumna rektyfikacyjna 24 zawiera urządzenia kontaktujące 28 ciecz z parą, które zapewniają bliski kontakt
między wznoszącąsię fazą parową i opadającąfazą ciekłą powodując przenoszenie masy między
wznoszącą się parą a opadającą cieczą. Zatem, następuje dalsze zubożenie zawartości tlenu w fazie parowej podczas jej wznoszenia się w kolumnie rektyfikacyjnej 24. Wystarczająca wysokość
wypełnienia albo wystarczająca liczba płyt w dalszej kolumnie rektyfikacyjnej 24 powoduje to,
że para na wierzchołku kolumny jest czystym azotem. Para przepływa do skraplacza 30 gdzie jest
skraplana. Część otrzymanych skroplin jest wykorzystywana jako wykropliny w dalszej kolumnie rektyfikacyjnej 24.
Strumień skroplin utworzony w skraplaczu-reboilerze 8 jest dochładzany podczas przejścia przez część wymiennika ciepła 18, ma redukowane ciśnienie podczas przejścia przez zawór
dławiący 32, i jest wprowadzany na wierzchołek kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6
przez wlot 34. Strumień skroplin azotu jest pobierany ze skraplacza 30, dochładzany podczas
przejścia przez część wymiennika ciepła 18, i ma redukowane ciśnienie podczas przejścia przez
zawór dławiący 36. Otrzymany ciekły azot o zredukowanym ciśnieniu jest mieszany z tym wprowadzonym do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 przez wlot 34, przy czym mieszanie odbywa się za zaworem dławiącym 32. Ciekły azot wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 przez wlot 34 zapewnia doprowadzanie wykroplin do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6.
Strumień ciekłego powietrza, dodatkowo wzbogacany w tlen (dodatkowo wzbogacone
ciekłe powietrze) jest odbierany z dna dodatkowej kolumny rektyfikacyjnej 24 przez wylot 38.
Dodatkowo wzbogacony strumień ciekłego powietrza (zawierający około 40% objętości tlenu)
jest dzielony na trzy pomocnicze strumienie. (Chociaż nie pokazano na fig. 1, strumień dodat-
183 332
9
kowo wzbogaconego ciekłego powietrza może w razie potrzeby być dochłodzony przeciwprądowe do swojego podziału na trzy strumienie pomocnicze). Jeden ze strumieni pomocniczych
przepływa przez zawór dławiący 40 i jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej o niższym
ciśnieniu 6 przez wlot 42 na jej poziomie pośrednim. Drugi pomocniczy strumień dodatkowo
wzbogaconej cieczy jest przesyłany przez zawór dławiący 44 w celu ograniczeniajego ciśnienia
do nieco wyższego od tego, które panuje w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 i jest
przepuszczany przez skraplacz 30 dla zapewnienia chłodzenia niezbędnego do skroplenia pary
azotu. Drugi dodatkowo wzbogacony strumień ciekłego powietrza jest częściowo albo całkowicie odparowywany. Otrzymany płyn przepływa do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu
6 przez inny pośredni wlot 44 na poziomie poniżej poziomu wlotu 42. Trzeci pomocniczy strumień dodatkowo wzbogaconej cieczy ma redukowane ciśnienie do nieco wyższego od ciśnienia
roboczego kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 podczas przejścia przez zawór
dławiący 48. Po zredukowaniu ciśnienia, trzeci pomocniczy strumień dodatkowo wzbogaconego
płynnego tlenu jest wykorzystywany do zapewnienia chłodzenia dla skraplacza 50 związanego
z wierzchołkiem kolumny bocznej 52, gdzie oddzielany jest argon. Praca kolumny bocznej 52
zostanie opisana poniżej. Strumień dalej wzbogaconego ciekłego powietrza o zredukowanym
ciśnieniu jest odparowywany a uzyskana para jest łączona z odparowanym drugim strumieniem
pomocniczym dodatkowo wzbogaconego ciekłego powietrza, przeciwprądowe względem jego
wprowadzania do kolumny rektyfikacyjnej 6 przez wlot 46.
W razie potrzeby, trzeci strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza w stanie płynnym
może być dochłodzony podczas przejścia przez wymiennik ciepła 18, może mieć zredukowane
ciśnienie do ciśnienia roboczego kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 podczas przejścia przez zawór dławiący 54, i wprowadzony do kolumny 6, przez inny wlot pośredni 56 na poziomie wyższym od poziomu wlotu 42. Chociaż tego nie pokazano na fig. 1, możliwe jest także
dochłodzenie czwartego strumienia sprężonego, oczyszczonego powietrza w wymienniku
ciepła 18, dla zredukowania ciśnienia tego strumienia do ciśnienia roboczego dalszej kolumny
rektyfikacyjnej 24 i dla wprowadzenia go do kolumny 24 na jej pośrednim poziomie wymiany
ciepła. W dalszych przykładach pracy urządzenia przedstawionego na fig. 1z rysunku, piąty strumień sprężonego, oczyszczonego powietrza, w stanie parowym, może być wprowadzony do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 przez wlot 58, zwykle, ale nie koniecznie, na tym
samym poziomie co wlot 56.
Różne strumienie powietrza wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 są w niej rozdzielane tak, by uzyskać na dnie kolumny 6 produkt tlenowy zawierający
poniżej 0,5% objętości zanieczyszczeń (a korzystniej mniej niż 0,1% objętości zanieczyszczeń) i produkt azotowy na jej wierzchołku zawierający poniżej 0,1% objętości zanieczyszczeń.
Oddzielanie polega na kontaktowaniu wznoszącej się fazy parowej z opadającą fazą ciekłą
w urządzeniach kontaktujących ciecz z parą 60, które są wypełnieniem (szczególnie wypełnieniem strukturalnym), ale które alternatywnie mogą mieć postać płyt. Wznosząca się para jest wytwarzana przez skraplany azot w reboilerze-skraplaczu 8, powodującym wrzenie ciekłego tlenu
na dnie kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6. Produkt tlenowy w stanie ciekłym jest
odbierany z dna kolumny rektyfikacyjnej 6 przez wylot 62 za pomocą pompy 64. Dodatkowo
albo alternatywnie, produkt tlenowy może być odebrany w stanie parowym przez inny wylot
(nie pokazany). Produkt azotowy jest odbierany z wierzchołka kolumny rektyfikacyjnej 6 przez
wylot 66 i przesyłany przez wymiennik ciepła 18 w przeciwprądowej wymianie ciepła z dochła
dzanym strumieniem.
Lokalne maksimum argonu powstaje w części 68 kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 biegnącej od pośredniego wylotu 70 do pośredniego wlotu 46. Strumień wzbogacony
w argon jest odbierany przez wylot 70 i jest dzielony na dwa pomocnicze strumienie. Jeden pomocniczy strumień jest doprowadzany do dna bocznej kolumny rektyfikacyjnej 52 przez wlot 72.
Drugi strumień pomocniczy pary wzbogaconej w argon podlega pośredniej wymianie ciepła ze
wzbogaconym w tlen, strumieniem ciekłego powietrza o zredukowanym ciśnieniu w reboilerze 22,
wywołując częściowe ponowne odparowanie ciekłego powietrza, i jest skraplany. W razie potrze-
10
183 332
by, zamiast pobierania parowego strumienia wzbogaconego w argon do użytku w reboilerze 22
z wylotu 70 na dnie części 68 kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6, strumień wzbogacony w argon, w stanie parowym, może być pobrany z obszaru pośredniego tej części.
Para tlenu wzbogacona w argon, która jest wprowadzana na dno kolumny rektyfikacyjnej 52
przez wlot 72 zawiera produkt argonowy oddzielony od niej. Kolumna 52 zawiera urządzenia
kontaktujące 74 ciecz z parą w celu zapewnienia ścisłego kontaktu, a więc przepływu masy, między wznoszącą się fazą parową a opadającą fazą ciekłą. Opadająca faza ciekła jest wytwarzana
pod wpływem działania skraplacza 50 skraplającego argon pobrany z wierzchołka kolumny.
Część skroplin jest zawracana na wierzchołek kolumny 2 jako wykropliny. Inna część jest wycofywana przez wylot 76 jako ciekły produkt argonowy. Jeśli produkt argonowy zawiera więcej niż
1% objętości tlenu, elementy kontaktujące 74 ciecz z parą mogą zawierać wypełnienie, zwykle
strukturalne wypełnienie o niskim spadku ciśnienia, albo płyty w celu wywołania oddzielenia.
Jeśli jednak, argon powinien mieć mniejszą koncentrację tlenu, wykorzystuje się zwykle
wypełnienie o niskim spadku ciśnienia tak, by ciśnienie na wierzchołku kolumny argonowej
było takie że temperatura skraplania argonu przekroczy temperaturę płynu, który jest używany
do chłodzenia skraplacza 50.
Zanieczyszczony strumień ciekłego powietrza jest odbierany z dna bocznej kolumny rektyfikacyjnej 52 przez wylot 78 i jest przepuszczany za pomocą pompy 80 przez wlot 82 do tego
samego obszaru kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6, z którego parowy strumień tlenu
wzbogacony w argon jest odbierany przez wylot 70.
W typowym przykładzie pracy części urządzenia z fig. 1, kolumna rektyfikacyjna o niższym
ciśnieniu 6 pracuj e przy ciśnieniu około 1,3 x 105Pa na swoim wierzchołku a kolumna rektyfikacyjna o wyższym ciśnieniu 4 pracuje przy ciśnieniu około 5,2 x 105 Pa na swoim wierzchołku.
Boczna kolumna rektyfikacyjna 52 pracuje przy ciśnieniu około 1,2 x 105 Pa na swoim wierzchołku, a dodatkowa kolumna rektyfikacyjna 24 pracuje przy ciśnieniu około 2,9 x 105 Pa na
swoim wierzchołku.
Na fig. 2 rysunku przedstawiono inną część instalacji do oddzielania powietrza, w której
wytwarzane są strumienie powietrza wykorzystane w części instalacji przedstawionej na fig. 1.
Odnośnie fig. 2, strumień powietrza jest sprężany w pierwszej sprężarce 100. Sprężarka 100 posiada chłodnicę wodną (nie pokazaną) służącą do usuwania ciepła sprężania ze sprężonego powietrza. Za sprężarką 100 strumień powietrza jest przesyłany przez jednostkę oczyszczania 102
w celu usunięcia z niego pary wodnej i dwutlenku węgla. Jednostka 102 wykorzystuje warstwy
(nie pokazane) adsorbentu do spowodowania tego usuwania pary wodnej i dwutlenku węgla.
Warstwy nie pracująjednocześnie tak, że podczas, gdy jedna albo więcej warstw oczyszcza strumień sprężonego powietrza, pozostałe są gotowe do regeneracji, na przykład, za pomocą strumienia gorącego azotu. Takie jednostki oczyszczające i ich działanie są dobrze znane i nie zostały
dalej opisane.
Oczyszczony strumień powietrza jest dzielony na dwa pomocnicze strumienie. Pierwszy
strumień pomocniczy oczyszczonego powietrza przepływa przez główny wymiennik ciepła 104
od jego ciepłego końca 106 do jego zimnego końca 108 ijest chłodzony do punktu rosy. Otrzymany ochłodzony strumień powietrza stanowi część pierwszego strumienia, który jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 przez wlot 2 w tej części urządzenia, którą
pokazano na fig. 1.
Wracając do fig. 2, drugi pomocniczy strumień oczyszczonego sprężonego powietrza jest
dalej sprężany w sprężarce 110 mającej chłodnicę wodną do usuwania ciepła sprężania. Dodatkowy strumień sprężonego powietrza jest dzielony na dwie części. Jedna część jest chłodzona
przy przejściu przez główny wymiennik ciepła 104 od jego ciepłego końca 106 do jego obszaru
pośredniego i jest z niego odbierana. Ten ochłodzony, dodatkowo sprężony strumień powietrza
jest rozszerzany podczas pracy turbiny rozprężającej 112 i stanowi piąty strumień powietrza, który jest wprowadzany do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 przez wlot 58 w tej części
urządzenia, którą pokazano na fig. 1. Powracając ponownie do fig. 2, druga część strumienia
sprężonego powietrza pobranego ze sprężarki 110 jest dalej sprężana w sprężarce 114, która ma
183 332
11
chłodnicę wodną do usuwania ciepła sprężania. Ten dalej sprężony strumień powietrza jest sam
dzielony na dwa pomocnicze strumienie. Jeden strumień pomocniczy przepływa przez główny
wymiennik ciepła 104 od jego ciepłego końca 106 do jego zimnego końca 108. Otrzymany strumień dodatkowo sprężonego powietrza jest używany do wytworzenia drugiego, trzeciego i czwartego strumienia powietrza, co opisano w odniesieniu do fig. 1.
Na fig. 2, drugi pomocniczy strumień powietrza dodatkowo sprężonego w sprężarce 114
jest rozprężany w drugiej turbinie rozprężającej 118. Otrzymany strumień rozprężonego powietrza jest wprowadzany do głównego wymiennika ciepła 104 w jego pośrednim obszarze wymiany ciepła i przepływa z niego do chłodnego końca 108 wymiennika ciepła 104. Otrzymany
strumień powietrza stanowi resztę pierwszego strumienia powietrza opisanego w odniesieniu
do fig. 1.
Strumień ciekłego tlenu sprężony w tej części instalacji, którą pokazano na fig. 1, za pomocą pompy 64 przepływa przeciwprądowo przez główny wymiennik ciepła 104 do strumienia
powietrza i jest odparowywany przez pośrednią wymianę ciepła ze strumieniem powietrza.
Ponadto, strumień produktu azotowego jest pobierany z wymiennika ciepła 18 w tej części
urządzenia, którą pokazano na fig. 1 i jest ogrzewany do temperatury otoczenia podczas przejścia przez wymiennik ciepła 104 poprzez przeciwprądową wymianę ciepła ze strumieniem powietrza.
Na fig. 3 przedstawiony jest wykres McCabe-Thiele’a ilustrujący pracę kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6, pokazanej na fig. 1. W tym przykładzie, ciśnienie pracy odpowiednich kolumn rektyfikacyjnych jest takie, jak opisano w odniesieniu do fig. 1. Nie doprowadza
się trzeciego ani czwartego strumienia powietrza. Stosunek natężenia przepływów pierwszego
strumienia powietrza do drugiego strumienia powietrza wynosi 1,7:1.
Na fig. 4 przedstawiony jest wykres McCabe-Thiele’a ilustrujący działanie kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu z porównywalnej instalacji konwencjonalnej. Stosunek natężenia
przepływu pierwszego strumienia powietrza do drugiego strumienia powietrza w konwencjonal
nej instalacji jest taki sam jak w instalacji przedstawionej na fig. 3. W instalacji konwencjonalnej,
nie wykorzystuje się dodatkowej kolumny rektyfikacyjnej 24, a część ciekłego powietrza wzbogaconego w tlen jest użyta do skraplania w kolumnie argonowej. Otrzymane ciekłe powietrze
wzbogacone w odparowany tlen jest doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Działanie bocznej kolumny rektyfikacyjnej powoduje, że linia operacyjna na wykresie
McCabe-Thiele’a na fig. 4 jest względnie odległa od linii równowagi w części AB kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu (czyli w części ciągnącej się od punktu A, w którym wzbogacona w argon para tlenu jest wycofywana do punktu B, w którym wprowadzana jest para
wzbogacona w tlen). Podobnie, linia operacyjna na fig. 4 jest względnie odległa od linii równowagi poniżej punktu A, oraz nad punktem A.
Odnośnie fig. 3, przejście części pary zubożonej w skroplony tlen ze skraplacza 30 do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 zwiększa stosunek wykroplin w odpowiedniej części
AB kolumny rektyfikacyjnej 6. W rezultacie, linia AB na fig. 3 jest bliższa linii równowagi niż na
fig. 4. Także część linii operacyjnej poniżej punktu A jest podobnie przesunięta bliżej linii równowagi. W rezultacie, wymagane jest wykorzystanie większej liczby teoretycznych płyt w części
AB w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu, której działanie przedstawiono na fig. 3, niż
w kolumnie rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu przedstawionej na fig. 4. Podobnie, wymagane
jest użycie większej liczby teoretycznych płyt w części poniżej punktu A w kolumnie rektyfikacyjnej, której działanie przedstawiono na fig. 3. Z obu wykresów wynika także, że sposób oparty
na fig. 3 ma korzystniejszy stosunek wykroplin w górnej części kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu. Polepszone warunki dla wykroplin umożliwiają wzrost ilości odzyskiwanego
argonu i tlenu, albo oszczędności energii, albo połączenie obu zalet.
Zwykle, odzyskiwanie argonu może być poprawione o więcej niż 10%, na przykład od
80% do 90%. Jeśli korzysta się z oszczędności energii, proporcja doprowadzanego powietrza,
które jest wprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6 przez wlot 58 może
12
183 332
być zwiększona o około 6%, odpowiednio do oszczędności około 4,5% energii zużywanej przez
główną sprężarkę.
Na ogół, maksymalne korzyści ze sposobu według wynalazku uzyskuje się gdy skraplaczreboiler 8 jest typu termosyfonowego a nie dolnoprzepływowego odparowywania i gdy ciśnienie
na wlocie kolumny argonowej jest takie samo i nie niższe niż ciśnienie, przy którym pobiera się
parę tlenu wzbogaconą w argon z kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu.
W urządzeniu pokazanym na fig. 1 i 2 można wykonać różne zmiany i modyfikacje. Powietrze doprowadzane do turbiny rozprężającej 118 jest wstępnie chłodzone w głównym wymienniku ciepła 104 tak, że powietrze to dochodzi do turbiny 118 w temperaturze niższej od temperatury
otoczenia. Cały produkt tlenowy urządzenia może być odebrany przez pompę 64, która w tym
przypadku nie jest pompą sprężającą, dochłodzony i doprowadzony do zbiornika (nie pokazanego). Gazowy produkt tlenowy może być wytworzony przez wycofanie jednego albo więcej strumieni ze zbiornika płynnego tlenu, sprężenie strumieni i odparowanie strumieni w głównym
wymienniku ciepła. Na przykład, pierwszy gazowy produkt tlenowy może być wytwarzany przy
ciśnieniu w zakresie od 10 do 15 x 105Pa a drugi produkt tlenowy przy ciśnieniu w zakresie od 35
do 40 x 105 Pa. Zatem, dwa strumienie powietrza mogą przejść w stan ciekły w różnych ciśnieniach, przy czym ciśnienie wybiera się tak, by umożliwić sprawną pracę głównego wymiennika
ciepła 104. Cały przepływ albo przepływy ciekłego powietrza mogą być doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 a ciekły strumień o składzie podobnym do ciekłego
powietrza może być wycofany z tego samego poziomu kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 . Część tego ciekłego strumienia może być doprowadzona do kolumny rektyfikacyjnej o
niższym ciśnieniu 6. Pozostała część może być częściowo odparowana przez pośrednią wymianę
ciepła z płynnym tlenem dochładzanym w reboilerze (nie pokazanym) oddzielonym od głównego wymiennika ciepła 104. Otrzymane ciekłe i parowe powietrze może być przepuszczone do
kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6. Dla uzyskania maksymalnego odzyskiwania argonu, nie ma potrzeby stosowania piątego strumienia powietrza i dlatego można pominąć wlot 58
do kolumny rektyfikacyjnej o niższym ciśnieniu 6. W konsekwencji, obie turbiny rozprężające
mogą być wykorzystane do wytworzenia rozprężonych strumieni powietrza przy tym samym ciśnieniu jak w przypadku pierwszego strumienia powietrza, a oba te rozprężone strumienie powietrza mogą zostać zmieszane z pierwszym strumieniem powietrza bezpośrednio przy wlocie 2
do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 . Ponadto, część albo całe ciekłe powietrze
doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 może być rozprężone w dalszej turbinie rozprężającej (nie pokazanej), która może mieć hamulec olejowy (nie pokazany),
zamiast rozprężenia przy przejściu przez zawór 116. Dalej, w celu umożliwienia odbierania płynnego produktu ze zbiornika płynnego tlenu (nie pokazanego) ze zmienną prędkością urządzenie
może mieć sprzęt do zawracania części albo całego z jednego albo dwóch strumieni rozprężonego powietrza przez główny wymiennik ciepła 104 do wlotu sprężarki 110 z wybraną prędkością.
Zawory (nie pokazane) mogą być zastosowane do tego celu i mogą pracować dla wyboru tej
proporcji powietrza rozprężanego przez turbiny, jaka jest wprowadzana do kolumny rektyfikacyjnej o wyższym ciśnieniu 4 i proporcji, która jest zawracana do wlotu sprężarki 110.
Ponadto, reboiler 22 może być umieszczony w misce olejowej kolumny rektyfikacyjnej 24 jak pokazano na fig. 5 z rysunku. Jak pokazano na fig. 5, ciekły strumień wzbogacony w tlen przepływa
od zaworu 20 bezpośrednio do wlotu 26 dodatkowej kolumny rektyfikacyjnej 24.
Na fig. 6 pokazano modyfikację, w której boczna kolumna rektyfikacyjna 52 ma dwie części wypełnienia 74 a strumień do podgrzewania reboilera 22 jest pobierany przez wylot 200 z obszaru pośredniego kolumny 52 między tymi dwiema częściami. Strumień jest skraplany przez
pośrednią wymianę ciepła w reboilerze 22 z wrzącą cieczą wzbogaconą w tlen. Otrzymane skroplmy są zawracane do bocznej kolumny rektyfikacyjnej 52 przez wlot 202 na zasadniczo tym samym poziomie, co wylot 200.
Układy kolumn pokazane na fig. 5 i 6 zwykle zapewniająte same korzyści, jak układ pokazany na fig. 1.
183 332
FIG. 6
183 332
FIG. 4
FIG. 5
183 332
FIG. 2
FIG. 3
183 332
FIG.1
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.
Cena 4,00 zł.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
958 Кб
Теги
pl183332b1
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа