Кріогенна повітророзділова установка високого тиску

Корисна модель відноситься до устаткування і технології реалізації процесів у кріогенних повітророзділових установках, які використовують для виробництва з повітря чистих кисню, азоту та аргону. Такі установки потрібні металургії, великотоннажній хімії, машинобудуванню, електротехніці та іншим галузям промисловості. Відомі різні повітророзділові установки високого тиску, в яких повітря стискається в багатоступінчатому поршневому компресорі. Але вони характеризуються низькою економічністю [див. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Т.1. Под редакцией В.И.Епифановой, Л.С.Аксельрода - М.: Машиностроение, 1973. – 472с.]. Найближчою до корисної моделі, що заявляється, є повітророзділова установка високого тиску, що містить сполучені між собою системою технологічних трубопроводів масло- і вологовідокремлювач, блок осушення й очищення, турбодетандер, теплообмінник і холодильну машину. У вказаній установці повітря, стиснуте до 20МПа, попередньо очищується від масла і вологи в масло- і вологовідокремлювачі, та остаточно очищується за допомогою адсорбентів в блоці осушення й очищення [див. Криогенные системы. Т.2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. И.А. Архаров, В.П. Беляков и др. - М: Машиностроение. 1999. - 720с.]. Холод, потрібний для зрідження повітря та розділення його на основні компоненти (кисень, азот, аргон), виробляється за рахунок розширення в турбодетандері частини стиснутого та очищеного повітря із здійсненням ним зовнішньої роботи. Дана установка обрана прототипом. Прототип і установка, що заявляється, мають такі спільні ознаки: - блок осушення й очищення; - теплообмінник; - холодильна машина; - розширювальна турбомашина (у прототипі - це турбодетандер). Недоліком описаної вище повітророзділової установки є застосування в її схемі турбодетандера, робота розширення якого не використовується корисно. Він має масляне гальмо, в якому робота турбодетандера перетворюється на теплоту, яка відводиться в навколишнє середовище, що являє собою пряму втрату роботи. Для регенерації адсорбенту блоку осушення й очищення в таких повітророзділових установках використовується частина відкидного азоту, який стискається в окремому азотному компресорі і нагрівається в електронагрівнику до температури 533-553К. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу створити кріогенну повітророзділову установку високого тиску, в якій шляхом введення до складу установки водяного холодильника, заміни розширювальної турбомашини а також Іншої схеми сполучення відомих і нових вузлів та елементів забезпечити зменшення енергоспоживання. Поставлена задача вирішена в кріогенній повітророзділовій установці високого тиску, що містить сполучені між собою системою технологічних трубопроводів блок осушення й очищення, теплообмінник, холодильну машину і розширювальну турбомашину тим, що вона додатково містить водяний холодильник, а як розширювальну турбомашину - детандер-компресорний агрегат, при цьому вихід блока осушення й очищення сполучений з входом теплообмінника, перший вихід якого сполучений з детандером детандер-компресорного агрегату, другий вихід теплообмінника через дросельний вентиль сполучений з відвідним повітропроводом, а вихід детандера детандер-компресорного агрегату сполучений з відвідним повітропроводом, вхід компресора детандер-компресорного агрегату сполучений з відвідною ділянкою трубопроводу азоту, а вихід - з входом водяного холодильника, вихід якого сполучений з входом холодильної машини, вихід якої сполучений з блоком осушення й очищення, окрім того, магістраль підведення азоту до водяного холодильника додатково сполучена з магістраллю, що з'єднує холодильну машину з блоком осушення й очищення. Досягнення заявленого технічного результату забезпечується, зокрема, тим, що турбодетандер з масляним гальмом замінено на детандер-компресорний агрегат, який дозволяє ефективно використовувати енергію розширення повітря в детандері для стиснення частини потоку відкидного азоту в компресорі детандеркомпресорного агрегату, який надходить на регенерацію адсорбенту одного з двох адсорберів блока осушення й очищення. Підвищення економічності запропонованої схеми також досягається за рахунок виключення додаткового азотного компресора в контурі блоку осушення й очищення, який використовується в прототипі. Окрім цього, зі схеми блоку осушення й очищення виключається також і електронагрівник азоту за рахунок використання теплоти компримування азоту в компресорі детандер-компресорного агрегату, звідки він виходить стислим і нагрітим до температури регенерації адсорбенту. Кріогенна повітророзділова установка високого тиску зображена на кресленні. Установка містить сполучені між собою системою технологічних трубопроводів блок осушення й очищення 1, теплообмінник 2, детандер-компресорний агрегат 3. Детандер-компресорний агрегат 3 містить детандер 4 і компресор 5. До складу установки також входять дросельний вентиль 6, водяний холодильник 7, холодильна машина 8, відвідний повітропровід 9, трубопровід азоту 10, трубопровід аргону 11, трубопровід кисню 12 і трубопровід стисненого повітря 13. Перелічені вузли й елементи кріогенної повітророзділової установки сполучені між собою за такою технологічною схемою. Вихід блоку осушення й очищення 1 сполучений з входом теплообмінника 2, перший вихід якого сполучений з детандером 4 детандер-компресорного агрегату 3. Другий вихід теплообмінника 2 через дросельний вентиль 6 сполучений з відвідним повітропроводом 9. Вихід детандера 4 детандер-компресорного агрегату 3 сполучений з відвідним повітропроводом 9. Вхід компресора 5 детандер-компресорного агрегату 3 сполучений з відвідною ділянкою трубопроводу азоту 10, а вихід - з входом водяного холодильника 7. Вихід водяного холодильника 7 сполучений з входом холодильної машини 8, вихід якої сполучений з блоком осушення й очищення 1. Магістраль підведення азоту до водяного холодильника 7 додатково сполучена з магістраллю, що з'єднує холодильну машину 8 з блоком осушення й очищення 1. Працює установка таким чином. Атмосферне повітря, попередньо стиснуте до 20МПа, охолоджене й очищене від крапельної вологи і масла з температурою 279-281К надходить до блоку осушення й очищення 1, де відбувається його осушення й очищення від диоксиду вуглецю. Осушене й очищене від домішок повітря охолоджується у верхній частині теплообмінника 2 до температури 140-150К за рахунок рекуперації холоду зворотних потоків, наприклад, продукційних кисню, аргону та відкидного азоту. Після цього потік повітря розділяється на дві частини: перша надходить до детандера 4 детандеркомпресорного агрегату 3, де повітря розширюється до тиску 0,5-0,6МПа і при цьому охолоджується, друга охолоджується до температури 90-95К і потім дроселюється в дросельному вентилі 6 до тиску 0,5-0,6МПа. Охолоджені і розширені до однакового тиску потоки змішуються і надходять в блок розділення повітря (на кресленні окремою позицією не показано). Для регенерації адсорбенту блоку осушення й очищення 1 використовується частина відкидного азоту, попередньо стиснутого в компресорі 5 детандер-компресорного агрегату 3 з 0,125МПа до 0,25-0,30МПа, необхідного для подолання опору адсорберів блоку осушення й очищення 1. При стисканні в компресорі 5 детандер-компресорного агрегату 3 температура відкидного азоту піднімається до 533-553К, що відповідає температурі регенерації адсорбенту блока осушення й очищення 1. Це дозволило вилучити з установки окремий азотний компресор і електронагрівник відкидного азоту блоку осушення й очищення 1. Охолодження стиснутого в компресорі 5 детандер-компресорного агрегату 3 до вказано тиску відкидного азоту при захолоджуванні адсорберів блоку осушення й очищення, на відміну від прототипу, проводиться в два етапи: спочатку у водяному холодильнику 7 до температури 298-303К, а потім в холодильній машині 8 до температури 281-279К. Використання детандер-компресорного агрегату 3, який входить до складу повітророзділової установки, для стискання відкидного азоту доцільно також у тих випадках, коли не потрібне дожимання потоку відкидного азоту через низький гідравлічний опір блоку осушення й очищення 1. В даному випадку робота розширення повітря використовується для підвищення температури азоту, що дозволяє відмовитись від використання електронагрівника. Повітророзділова установка високого тиску, що базується на запропонованій схемі, має ряд переваг перед повітророзділовою установкою того ж класу, але оснащеної детандером з масляним гальмом: - корисно використовується робота розширення повітря до тиску 0,5-0,6МПа та теплота компримування відкидного азоту в компресорі 5 детандер - компресорного агрегату 3; - при використанні газових опор у детандер-компресорному агрегаті 3 виключається громіздка гальмова масляна система; - не має потреби у використанні окремого азотного компресора. Кріогенна повітророзділова установка, створена на основі запропонованої схеми, характеризується зниженим, у порівнянні з аналогами та прототипом, енергоспоживанням. Так, наприклад, у повітророзділовій установці, що переробляє 9500м3/годину повітря, потужність, що розвивається турбодетандером, становить 112кВт. В установці-прототипі для компримування відкидного азоту, що надходить на нагрівання і регенерацію адсорберів блоку осушення й очищення 1, використовується окремий азотний компресор, потужність привода якого дорівнює 85кВт. Потужність електронагрівників становить 45кВт. При заміні зазначеного турбодетандера на детандер - компресорний агрегат 3 з детандером 4 і компресором 5 потужність, що розвивається його детандером 4 детандер-компресорного агрегату 3 (112кВт), передається компресору 5 детандер-компресорного агрегату 3, в якому стискається відкидний азот. Отже, пряма економія електроенергії від виключення зі схеми азотного компресора - 85кВт. Окрім того, компресор 5 детандер-компресорного агрегату 3 здатний забезпечити необхідну продуктивність по відкидному азоту при ступені стискання 2,5-3,0, що перевищує подібний показник окремо установленого азотного компресора і сприяє не тільки підвищенню тиску нагнітання азоту, але й помітному росту температури відкидного азоту, що передається в блок осушення й очищення 1. Підвищення температури відкидного азоту, який подається на регенерацію блоку осушення й очищення 1, в свою чергу, дозволяє відмовитися також і від електронагрівника потужністю 45кВт. Загальна економія потужності складає (85+45)кВт, тобто сумарно 130кВт. Реалізація запропонованої схеми кріогенної повітророзділової установки з детандер-компресорним агрегатом на потоці відкидного азоту дозволить знизити споживання електроенергії на 6% від загального значного енергоспоживання повітророзділової установки. Такі повітророзділові установки експлуатуються в умовах безупинно працюючого виробництва і загальна економія енергоспоживання складе більш 1 мільйона кВт·годин на рік.