Спосіб низькотемпературного розділення повітря та установка для його реалізації

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к способу разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации, Целью изобретения является обеспечение стабилизации процесса разделения при низком давлении и переменной нагрузке. Поставленная цель в способе достигается тем, что он включает в себя сжатие воздуха, его предварительное охлаждение, очистку, окончательное охлаждение и разделение на два потока, один из которых подают на ректификацию при высоком давлении, где его разделяют на обогащенную кислородом жидкую фракцию и фракцию азота, подаваемые на ректификацию при низком давлении, а второй адиабатически расширяют и подают на ректификацию при низком давлении, где получают азот и газообразный и жидкий кислород, рециркуляцию азота на ректификацию при низком давлении, причем при пониженной потребности в кислороде жидкий кислород выводят из процесса ректификации при низком давлении, а при повышенной потребности в кислороде его вводят вновь, отбирают также часть обогащенной кислородом жидкой фракции при повышенной потребности в кислороде, а при пониженной потребности в кислороде отобранную часть этой фракции вновь подают на ректификацию при низком давлении. Поставленная цель в установке достигается тем, что она содержит компрессор, блок предварительного охлаждения и очистки, колонну двухкратной ректификации, состоящую из колонны высокого давления, колонны низкого давления и расположенного между ними конденсатора-испарителя, "трубопроводы отвода газообразного кислорода и азота из колонны низкого давления, трубопровод, соединяющий куб колонны высокого давления с колонной низкого давления, резервуар для азота, соединенный трубопроводом с верхней частью колонны низкого давления, резервуар для кислорода, соединенный трубопроводами с кубом и с нижней частью колонны низкого давления, теплообменник окончательного охлаждения воздуха; установленный на трубопроводе подачи воздуха на ректификацию и трубопроводах отвода азота и газообразного кислорода, причем трубопровод подачи воздуха на ректификацию подключен к колонне высокого давления, а через турбодетандер - к колонне низкого давления, и дополнительный теплообменник, размещенный на трубопроводе отвода азота из колонны низкого давления и трубопроводе, соединяющим куб колонны высокого давления с колонной низкого давления, измерительные, регулирующие и управляющие устройства, установка снабжена также дополнительным резервуаром, размещенным на трубопроводе, соединяющим куб колонны высокого давления, с колонной низкого давления между кубом и дополнительным теплообменником. Установка снабжена аргонной ректификационной колонной, соединенной с колонной низкого давления, а дополнительный резервуар снабжен трубопроводом, подключенным к аргонной колонне. Резервуар для азота соединен трубопроводом с верхней частью колонны высокого давления. Резервуар для азота снабжен дополнительным трубопроводом, соединенным с трубопроводом для отвода азота из колонны низкого давления на выходе последнего из дополнительного теплообменника. Трубопровод, соединяющий резервуар для азота с верхней частью колонны высокого давления, проходит через дополнительный теплообменник. Резервуар для кислорода снабжен трубопроводом, подключенным перед теплообменником окончательного охлаждения к трубопроводу для отвода газообразного кислорода из колонны низкого давления. На чертеже представлена схема установки, в которой реализуется предложенный способ низкотемпературного разделения воздуха. Установка низкотемпературного разделения воздуха содержит компрессор 1, блок 2 предварительного охлаждения и очистки, колонну 3 двухкратной ректификации, состоящую из колонны 4 высокого давления, колонны 5 низкого давления, трубопроводы 6,7 отвода газообразного кислорода и азота из колонны низкого давления. Куб колонны высокого давления соединен с колонной низкого давления трубопроводом 8. Установка имеет резервуар 9 для азота соединенный трубопроводом 10 с верхней частью колонны низкого давления, трубопроводом 11 с верхней частью колонны высокого давления и трубопроводом 12 с трубопроводом 7 отвода газообразного азота, резервуар 13 для кислорода, соединенный трубопроводами 14 и 15 с кубом колонны низкого давления и с колонной низкого давления. На трубопроводе 14 установлен насос 16. Установка снабжена также резервуаром 17 для сжиженного воздуха, установленного на трубопроводе 8, основным теплообменником 18, установленным на трубопроводе 19 подачи воздуха в установку и трубопроводах 6 и 7 отвода газообразного кислорода и азота, дополнительным теплообменником 20, установленного на трубопроводах 7, 8 и 10, и аргонной колонной 21, которая трубопроводом 22 и 23 соединена с колонной низкого давления, а трубопроводом 24 струбопроводом 8. На трубопроводе 25, соединяющим трубопровод 19 с колонной низкого давления, установлен турбодетандер26. Резервуар 17 для сжиженного воздуха соединен трубопроводом 27 с колонной низкого давления, а резервуар 13 для кислорода. трубопроводом 28 - с трубопроводом 6 газообразного кислорода. На установке установлены клапаны 29-35, уровнемеры 36, 37, расходомеры 38-41 и измерительные приспособления 42-46. Способ разделения воздуха осуществляется следующим образом. Воздух всасывается компрессором 1 и через блок 2 предварительного охлаждения и очистки и трубопровод 19 подается в основной теплообменник 18, где его охлаждают подаваемыми противотоком газообразными кислородом и азотом, 70-95% воздуха подают до холодного конца основного и теплообменника 18 и по трубопроводу 19 в колонну 4 высокого давления. Остальную часть воздуха отводят из основного теплообменника 18 по трубопроводу 25 в турбодетандер 26, где его расширяют и подают в колонну 5 низкого давления. В колонне 4 высокого давления воздух разделяют на жидкий азот и обогащенную кислородом кубовую жидкость. Жидкий азот дросселируют через клапан 29 и подают в резервуар 9 для жидкого азота, откуда его направляют по трубопроводу 10 через дополнительный теплообменник 20 в колонну 5 низкого давления. Кубовую жидкость дросселируют через клапан 30 и по трубопроводу 8 направляют в резервуар 17 для сжиженного воздуха, затем через трубопровод 8 отбирают жидкость, охлаждают в теплообменнике 20 и направляют в колонну низкого давления, где ее дальше разделяют. В случае повышенной потребности в кислороде в резервуаре 17 для сжиженного воздуха хранят 1-15% кубовой жидкости. В качестве главного целевого продукта из колонны 5 через трубопровод 6 отводят газообразный кислород, который в основном теплообменнике 18 нагревают почти до температуры окружающей среды и подают потребителю. Получаемый в качестве побочного целевого продукта азот отводят через трубопровод 7, нагревают в дополнительном теплообменнике 20 жидкими фракциями из колонны 4 высокого давления и из резервуаров 9 и 17, затем нагревают в основном теплообменнике 18 и направляют потребителю. Через трубопровод 14 с помощью насоса 16 отводят жидкий кислород из колонны низкого давления и вводят в резервуар 13 для кислорода. Жидкий кислород из резервуара 13 подают через трубопровод 15 в колонну 5 низкого давления. Из колонны 5 низкого давления через трубопровод 22 отводят богатую аргоном фракцию кислорода, которую подают на ректификацию в аргонную колонну 21, где ее разделяют на сырой аргон и жидкую остаточную фракцию, рециркулируемую в колонну 5 низкого давления. Аргонная колонна 21 охлаждается с помощью кубовой жидкости из колонны 4 высокого давления и из резервуара 17 для сжиженного воздуха. Для этого служит трубопровод 24, который соединен с верхней частью колонны 21. Испаряющийся в аргонной колонне 21 обогащенный кислородом воздух возвращают по тр убопроводу 36 на ректификацию в колонну 5 низкого давления. Если хотят повысить количество отводимого через трубопровод 6 кислорода, на компрессоре устанавливают повышенный расход воздуха, который регулируется с помощью измерительного приспособления 42, связанного с компрессором 1. Количество подаваемого через трубопровод 25 и турбодетандер 26 в колонну 5 низкого давления воздуха в основном держат на постоянном уровне с помощью измерительного приспособления 43. Следовательно, дополнительно всасываемый компрессором 1 воздух почти полностью подается в колонну 4 высокого давления, что приводит к получению повышенных количеств фракций в этой колонне. Возникает необходимость отводить больше жидкости через трубопроводы 11 и 8. Этот процесс управляется при помощи расходомера 38 и уровнемером 36 в сочетании с клапанами 29 и 30. Количество подаваемой через трубопроводы 10 и 8 жидкости держат на постоянном уровне с помощью расходомеров 39, 40. Избыточную жидкость из колонны 4 высокого давления хранят в резервуаре 9 для азота и в резервуаре 17 для ожиженного воздуха. Повышенный расход в колонне 4 высокого давления приводит к повышенному поступлению теплоты в куб колонны 5 низкого давления. Дополнительно испаряющийся кислород можно отводить через трубопровод 6 потребителю. Этот процесс управляется расходомером 41 и клапаном 31. Дляподдержания режима ректификации в колонне 5 низкого давления используют соответствующее количеству дополнительно отводимого газообразного кислорода количество кислорода, отбираемого из резервуара 13 для кислорода. Подача дополнительного жидкого кислорода управляется уровнемером 37 на кубе колонны низкого давления, а также с помощью клапана 32. В случае пониженной потребности в кислороде снижают количество подаваемого в колонну 4 высокого давления воздуха, в колонну 5 низкого давления дополнительно подают жидкость из резервуара 9 для азота и из резервуара 17 для сжиженного воздуха, и кислород в жидком виде отводят из куба колонны 5 низкого давления в резервуар 13 для кислорода. Давление в резервуарах 9, 13 и 17 контролируется с помощью измерительных приспособлений 45, 44, 46. В случае необходимости путем открытия клапанов 34, 33, 35 выпускают газ соответственно из резервуаров 9, 13, 17, причем из резервуара 9 для азота через трубопровод 12 в трубопровод 7, из резервуара 13 для кислорода через трубопровод 28 в трубопровод 6, а из резервуара 17 для сжиженного воздуха через трубопроводы 27 и 23 в колонну 5 низкого давления.