Спосіб кріогенної дистиляції та установка для розділення повітря

1. Спосіб розділення повітря за допомогою кріогенної дистиляції в установці, яка має подвійну або потрійну колону (100, 200) для розділення повітря, яка має можливість працювати при вищому тиску (100), виконана з можливістю роботи при так званому середньому тиску, та теплообмінну лінію (9), у якому: a) тиск в усьому повітрі підвищують до високого тиску за вибором принаймні на 5 бар, вищого за середній тиск, і очищають за вибором при цьому високому тиску; b) одну частину струменя очищеного повітря охолоджують в теплообмінній лінії, а потім розділяють на дві фракції; c) кожну фракцію розширюють в турбіні (17, 19); d) забезпечують тиск на вході двох турбін (значення тиску на вході двох турбін) принаймні на 5 бар вищий за середній тиск; e) забезпечують тиск на виході принаймні однієї з двох турбін по суті рівний середньому тиску; f) принаймні одну частину повітря, розширеного в принаймні одній з турбін, подають до колони середнього тиску подвійної або потрійної колони; g) за допомогою холодного бустера-компресора (23), механічно під'єднаного до однієї з турбін, приймають повітря, яке охолодили в теплообмінній лінії, і випускають його при температурі, вищій за температуру на вході, а таким чином стиснену текучу субстанцію повторно вводять в теплообмінну лінію, у якій принаймні одну частину текучої субстанції піддають (псевдо)конденсації; 2 (19) 1 3 89365 4 лодження її і засоби для розділення цього холодного повітря на дві фракції; e) дві турбіни (17, 19) та засоби для подачі однієї повітряної фракції до кожної турбіни; f) засоби для подачі принаймні однієї частини повітря, розширеного в принаймні одній з турбін, до колони середнього тиску подвійної або потрійної колони; g) холодний бустер-компресор (23), засоби для подачі повітря, переважно виведеного з проміжної точки на основній теплообмінній лінії, до холодного бустера-компресора та засоби для подачі повітря, стисненого в холодному бустері-компресорі, до теплообмінної лінії в проміжній точці вверх по ходу технологічної лінії від точки відведення; h) засоби (500) для стиснення принаймні однієї рідини, яка надходить від однієї з колон, засоби для подачі принаймні однієї стисненої рідини до теплообмінної лінії і засоби для видавлювання випареної рідини з теплообмінної лінії, і і) холодний бустер-компресор, під'єднаний до однієї з турбін (19); і j) турбіну (17), не під'єднану до холодного бустеракомпресора, під'єднану до бустера-компресора (5), розташованого за охолоджувачем, яка відрізняється тим, що вона має змішувальну колону та засоби для подачі повітря до змішувальної колони від принаймні однієї з турбін (17, 19). 6. Установка за п. 5, яка відрізняється тим, що має засоби для подачі однієї частини повітря, стисненого в бустері-компресорі (5), який утворює засоби дисипації енергії або формує частину останніх, до принаймні однієї з турбін (17,19) вверх по ходу технологічної лінії від змішувальної колони. 7. Установка за будь-яким з п. 5 або 6, яка відрізняється тим, що має засоби для подачі повітря, яке надходить від принаймні однієї з турбін (17, 19), до змішувальної колони для приймання участі в масообміні. 8. Установка за п. 5, яка відрізняється тим, що має засоби для подачі повітря (123) принаймні під високим тиском до нижнього ребойлера (301) змішувальної колони (300) та засоби для подачі повітря, принаймні частково конденсованого в цьому нижньому ребойлері, до подвійної або потрійної колони. Представлений винахід відноситься до способу та до установки для розділення повітря за допомогою кріогенної дистиляції. Відоме одержання газу із стисненого повітря за допомогою випарювання стисненої рідини в теплообмінній лінії установки для розділення повітря шляхом теплообміну із стисненим газом при температурі, вищій за кріогенну. Установки цього типу відомі з патентів FR-A-2688052, ЕР-А0644388, ЕР-А-1014020 та заявки на патент FR 03/01722. Енергетичний ККД відомих установок не є гарним, оскільки потрібно одержувати приплив тепла, пов'язаний з кріогенною компресією. Окрім того, у випадку схем, таких як на Фіг.7 патента US-A-5475980, уся турбіна, під'єднана до холодного бустера-компресора, з'єднана із системою поглинання енергії (гідравлічне гальмо), вмонтованої у вал машин і технологічно обмеженою низькими рівнями потужності (біля 70кВт). Тим не менше, цей тип процесу не є економічно вигідним, зокрема при малій повторній утилізації енергії, або коли енергія доступна за малу ціну. Тому, потенціально вигідно мати можливість рухатися в напрямку технологічного обмеження гідравлічного гальма, вмонтованого у вал збірної конструкції турбіни/бустера-компресора. Задачею винаходу є надання альтернативи, що робить можливим досягати схем процесу на основі холодного бустера-компресора, проте без системи дисипації енергії, вмонтованої в вал турбіни/бустера-компресора, і тому для передбачення використання цієї схеми практично для усіх розмірів установок для розділення повітря. Одним об'єктом представленого винаходу є спосіб розділення повітря за допомогою кріогенної дистиляції в установці, яка має подвійну або потрійну колону для розділення повітря, яка, працю ючи при вищому тиску, працює при так званому середньому тиску, та теплообмінну лінію, у якому: a) в усьому повітрі створюють високий тиск, необов'язково принаймні на 5 бар вищий за середній тиск, і його очищають необов'язково при цьому високому тиску; b) одну частину струменя очищеного повітря охолоджують в теплообмінній лінії, а потім розділяють на дві фракції; c) кожну фракцію розширюють в турбіні; d) значення тиску на вході двох турбін (значення тиску на вході двох турбін) принаймні на 5 бар вищий за середній тиск; е) тиск на виході принаймні однієї з двох турбін по суті рівний середньому тиску; f) принаймні одну частину повітря, розширеного в принаймні одній з турбін, подають до колони середнього тиску подвійної або потрійної колони; g) за допомогою холодного бустеракомпресора, механічно під'єднаного до одного з турбодетандерів, приймають повітря, яке піддається охолодженню в теплообмінній лінії, і випускають повітря при температурі, вищій за температуру на вході, а таким чином стиснену текучу субстанцію повторно вводять в теплообмінну лінію, у якій принаймні одну частину текучої субстанції піддають (псевдо)конденсації; h) принаймні одну стиснену рідину, яка надходить з однієї із колон, піддають (псевдо)випарюванню в теплообмінній лінії при температурі випарювання, який відрізняється тим, що: і) турбіну, не під'єднану до холодного бустеракомпресора, під'єднують до бустера-компресора, розташованого за охолоджувачем; і необов'язково, іі) температура на вході холодного бустеракомпресора близька до (псевдо)температури випарювання рідини. 5 Згідно з іншими довільними аспектами винаходу: - установка містить, на додаток до подвійної або потрійної колони, змішувальну колону, а повітря, яке надходить від принаймні однієї з турбін, подається до змішувальної колони; - повітря, подане до принаймні однієї з турбін вверх по ходу технологічної лінії від змішувальної колони, виходить з бустера-компресора, відмінного від холодного бустера-компресора, і залишає цей бустер-компресор під тиском, вищим за високий тиск; - повітря, яке надходить від принаймні однієї з турбін, подають до дна змішувальної колони для участі в масообміні; і - повітря під високим тиском подають до нижнього ребойлера змішувальної колони, де воно принаймні частково конденсується перед подачею до подвійної або потрійної колони. Іншим об'єктом винаходу є установка для розділення повітря за допомогою кріогенної дистиляції, яка має: a) подвійну або потрійну колону для розділення повітря, яка, маючи здатність працювати при вищому тиску, здатна працювати при так званому середньому тиску; b) теплообмінну лінію; c) засоби для створення в усьому повітрі високого тиску, вищого за середній тиск, та засоби для очищення його, необов'язково при цьому високому тиску; d) засоби для надсилання однієї частини струменя очищеного повітря до теплообмінної лінії для його охолодження та засоби для розділення цього охолодженого повітря на дві фракції; е) дві турбіни та засоби для подачі однієї повітряної фракції до кожної турбіни; f) засоби для подачі принаймні однієї частини повітря, розширеного в принаймні одній з турбін, до колони середнього тиску подвійної або потрійної колони; g) холодний бустер-компресор, засоби для подачі повітря, яке переважно відбирається в проміжній точці на основній теплообмінній лінії, до холодного бустера-компресора та засоби для подачі повітря, стисненого в холодному бустерікомпресорі, до теплообмінної лінії в проміжній точці вверх по потоку від точки відбору; h) засоби для стиснення принаймні однієї рідини, яка надходить від однієї з колон, засоби для подачі принаймні однієї стисненої рідини до теплообмінної лінії, і засоби для видавлювання випареної рідини з теплообмінної лінії; та і) холодний бустер-компресор, під'єднаний до однієї з турбін, яка відрізняється тим, що турбіна, не під'єднана до холодного бустера-компресора, під'єднана до засобів дисипації енергії, які включають бустеркомпресор, розташований за охолоджувачем. Згідно з іншими необов'язковими аспектами установка має: - змішувальну колону та засоби для подачі повітря до змішувальної колони від принаймні однієї з турбін; 89365 6 - засоби для подачі однієї частини повітря, стисненого в бустері-компресорі, який утворює засоби дисипації енергії, або формує частину останніх, до принаймні одного турбодетандера, розміщеного вверх по технологічній лінії від змішувальної колони; - засоби для подачі повітря, яке надходить від принаймні однієї з турбін, до змішувальної колони для приймання участі в масообміні; та - засоби для подачі повітря під високим тиском до нижнього ребойлера змішувальної колони та засоби для подачі повітря, принаймні частково конденсованого у цьому нижньому ребойлері, до подвійної або потрійної колони. Допоміжна турбіна буде використовуватися, працюючи паралельно з турбіною першої збірної конструкції турбіни/бустера-компресора, і оснащена своєю власною системою дисипації енергії. Бажано, щоб ця система була бустеромкомпресором, розташованим за водяним охолоджувачем, встановленим в розігрітій частині. Вираз "близько по відношенню до тиску" означає, що значення тиску відрізняються щонайбільше на 5 бар, переважно щонайбільше на 2 бари. Вираз "близько по відношенню до температури" означає, що значення температур відрізняються щонайбільше на 15°С, переважно щонайбільше на 10°С. Бустер-компресор є одноступінчастим компресором. Усі зазначені значення тиску є значеннями абсолютного тиску. Термін "конденсація" включає псевдоконденсацію. Термін "випарювання" включає псевдовипарювання. Цей винахід відрізняється від винаходу патента US-A-5 475 980 тим, що на Фіг.4 (необов'язкова турбіна 9), дві турбіни 8, 32 мають дуже різні значення тиску на вході, при цьому різниця становить принаймні 14 бар, а на Фіг.5, різниця тиску становить приблизно 13 бар і турбіна виснажується при низькому тиску, що є шкідливим для одержання чистого кисню. Винахід буде описуватися більш детально з посиланням на фігури, на яких: - Фіг.1 та 2 зображають установку для розділення повітря згідно з винаходом. На Фіг.1 струмінь повітря під атмосферним тиском стискається до приблизно 15 бар в основному компресорі (не зображений). Потім повітря необов'язково охолоджують перед очищенням (не зображено) для видалення домішок. Очищене повітря розділяють на дві частини. Одну частину 3 повітря подають до бустера-компресора 5, де воно стискається до значення тиску 17-20 бар, і потім стиснене повітря охолоджують за допомогою водяного охолоджувача 7 перед подачею до розігрітого кінця основної теплообмінної лінії 9 установки для розділення повітря. Стиснуте повітря 11 охолоджують до проміжної температури перед полишенням теплообмінної лінії і розділяють на дві фракції. Зазвичай, можна, щоб фракція струменя 11 продовжувала охолоджуватися до досягання холодного кінця теплообмінної лінії 9, з якої вона буде виходити зрідженою. Фракцію 13 подають до турбіни 17, а решту - фракцію 15 - подають до турбіни 19. Дві турбіни мають однакову температуру 7 та тиск на вході, і однакову температуру та тиску на виході, проте зазвичай можна, щоб значення цих температур та тиску були близькими замість однакових. Два струменя, що випускаються турбінами, перемішують з формуванням струменя 21 повітря, частину 121 якого подають до подвійної колони, а решту - частину 122 - подають до змішувальної колони 300. Струмінь 122 утворює одну частину струменя 21 або необов'язково фракцію газоподібної частини струменя 21 у випадку, коли останній є двофазним струменем. Зазвичай, можна подавати увесь струмінь 21 до колони 100 середнього тиску та виводити з неї газоподібну частину 122, яка подається до змішувальної колони, яка у цьому випадку замінює фазороздільник. Значення тиску колони середнього тиску та змішувальної колони можуть бути різними. Як варіант, турбіна 19 може бути нагнітальною турбіною, яка випускає струмінь під тиском, що співпадає з тиском колони низького тиску. Іншу частину 2 повітря під тиском 15 бар, яка утворює решту живильного повітря, охолоджують в теплообмінній лінії до проміжної температури, вищої за температуру на вході турбін 17, 19, стискають в другому бустері-компресорі 23 до приблизно 30 бар та повторно вводять в теплообмінну лінію 9 при вищій температурі для продовження його охолодження. Таким чином, повітря 37 під тиском приблизно 30 бар зріджується в теплообмінній лінії і рідкий кисень 25 випарюється в ній, при цьому температура випарювання рідини близька до температури на вході другого бустера-компресора 23. Зріджене повітря залишає теплообмінну лінію і подається до системи колон. Струмінь відпрацьованого азоту 27 нагрівають в теплообмінній лінії 9. Перший бустер-компресор 5 під'єднують до однієї з турбін 17 або 19, а другий бустеркомпресор 23 з'єднують з іншою із турбін 19 або 17. Система колон установки для розділення повітря утворена колоною 100 середнього тиску, сполученою тепловим потоком з колоною 200 низького тиску, яка має вежу, змішувальною колоною 300 та необов'язковою аргоновою колоною (не зображена). Колона низького тиску не має обов'язково вежі. Колона середнього тиску працює при тиску 5,5 бар, проте вона може працювати при вищому тиску. Повітря 121, яке надходить від двох турбін 17, 19 є струменем, поданим до дна колони 100 середнього тиску. Зріджене повітря 37 розширюють в клапані 39 або необов'язково в турбіні і подають до системи колон. Збагачену рідину 51, нижню бідну рідину 53 та верхню бідну рідину 55 подають від колони 100 середнього тиску до колони 200 низького тиску після етапів розширення в клапані та переохолодження. Рідкий кисень стискають насосом 500 та подають у вигляді стисненої рідини 25 до теплооб 89365 8 мінної лінії 9. Інші рідини, стиснені або ні, можуть випарюватися в теплообмінній лінії. Необов'язково газоподібний азот виводять з колони середнього тиску і знову охолоджують в теплообмінній лінії 9. Азот 33 виводять з верхньої частини колони низького тиску і нагрівають теплообмінній лінії після використання для переохолодження флегм. Відпрацьований азот 27 виводять з нижнього рівня колони низького тиску і нагрівають в теплообмінній лінії після використання для переохолодження флегм. Необов'язково колона може виробляти аргон шляхом обробки струменя 51, відведеного в колону 200 низького тиску. Струмінь 52 є нижньою рідиною, поданою з аргонової колони, якщо вона існує. Змішувальна колона 300 живиться зверху збагаченою киснем рідиною 35, відведеною з проміжного рівня колони 200 низького тиску і стисненою насосом 600, а знизу - струменем 122 газоподібного повітря, яке надходить з турбін 17, 19. По суті змішувальна колона працює при середньому тиску. Струмінь 37 газоподібного кисню виводять з верхньої частини змішувальної колони, а потім нагрівають в теплообмінній лінії 9, а струмінь 41 рідини виводять як донні осади і подають до колони низького тиску після розширення в клапані. Можна виводити проміжний струмінь з колони 300, який подають до колони низького тиску. На Фіг.2 струмінь повітря при атмосферному тиску стискають до приблизно 15 бар в основному компресорі (не зображений). Потім повітря необов'язково охолоджують перед очищенням (не зображено) для видалення домішок. Очищене повітря розділяють на дві частини. Одну частину 3 повітря подають до бустера-компресора 5, де її стискають до тиску 17-20 бар, а потім стиснене повітря охолоджують водним охолоджувачем 7 перед подачею до нагрітого кінця основної теплообмінної лінії 9 установки для розділення повітря. Стиснене повітря 11 охолоджують до проміжної температури перед розділенням на дві фракції 103, 123. Фракція 103 залишає теплообмінну лінію і її знову розділяють на дві фракції. Одну фракцію 13 подають до турбіни 17, а решту - фракцію 15 подають до турбіни 19. Дві турбіни мають однакову температуру та тиск на вході, і однакову температуру та тиск на виході, проте зазвичай можна, щоб ці значення температур та тиску були близькими, замість однакових. Два струмені, які виходять з турбін, змішують з формуванням струменя 21 повітря, одну частину 121 якого подають до подвійної колони, а решту - частину 122 - подають до змішувальної колони 300. Як варіант, турбіна 19 може бути нагнітальною турбіною, яка випускає струмінь під тиском, що співпадає з тиском колони низького тиску. Фракцію 123 продовжують охолоджувати в теплообмінній лінії 9 і її подають вверх по ходу технологічної лінії від холодного кінця до нижнього ребойлера 301 змішувальної колони 300, де фракція принаймні частково конденсується для формування струменя 125. 9 Іншу частину 2 повітря під тиском 15 бар, яка утворює решту живлячого повітря, охолоджують в теплообмінній лінії до проміжної температури, вищої за температуру на вході в турбіни 17, 19, стискають в другому бустері-компресорі 23 до приблизно 30 бар і повторно вводять в теплообмінну лінію 9 при вищій температурі для продовження її охолодження. Таким чином, повітря 37 під тиском приблизно 30 бар зріджують в теплообмінній лінії, а рідкий кисень 25 випарюють в теплообмінній лінії, при цьому температура випарювання рідини близька до температури на вході другого бустеракомпресора 23. Зріджене повітря залишає теплообмінну лінію і його подають до системи колон після змішування із зрідженим повітрям 125, яке надходить з ребойлера 301. Струмінь 27 відпрацьованого азоту нагрівають в теплообмінній лінії 9. Перший бустер-компресор 5 з'єднаний з однією із турбін 17 або 19, а другий бустер-компресор 23 з'єднаний з іншою із турбін 19 або 17. Система колон установки для розділення повітря утворена колоною 100 середнього тиску, сполучену тепловим потоком з колоною 200 низького тиску, яка має вежу, змішувальною колоною 300 та необов'язковою аргоновою колоною (не зображена). Колона низького тиску не має обов'язково вежу. Колона середнього тиску працює при тиску 5,5 бар, проте вона може працювати при вищому тиску. Газоподібне повітря 21, яке надходить з двох турбін 17, 19 є струменем, поданим до нижньої частини колони 100 середнього тиску. Зріджене повітря 37 розширюють в клапані 39 і подають принаймні до колони 100 середнього тиску. 89365 10 Збагачену рідину 51, нижню бідну рідину 53 та верхню бідну рідину 55 подають з колони 100 середнього тиску до колони 200 низького тиску після етапів розширення в клапані та переохолодження. Рідкий кисень стискають насосом 500 і подають у вигляді стисненої рідини 25 до теплообмінної лінії 9. Окрім того або альтернативно, інші рідини, стиснені або ні, можуть випарюватися в теплообмінній лінії. Газоподібний азот необов'язково виводять з колони середнього тиску і знову охолоджують в теплообмінній лінії 9. Азот 33 виводять з верхньої частини колони низького тиску і нагрівають в теплообмінній лінії після використання для переохолодження флегм. Відпрацьований азот 27 виводять з нижнього рівня колони низького тиску і нагрівають в теплообмінній лінії після використання для переохолодження флегм. Необов'язково колона може виробляти аргон шляхом обробки струменя 51, виведеного в колону 200 низького тиску. Змішувальна колона 300 живиться тільки у верхній частині збагаченою киснем рідиною 35, виведеною з проміжного рівня колони 200 низького тиску і стисненою в насосі 600. Змішувальна колона працює по суті при середньому тиску. Коригуючи тиск струменя 123, змішувальна колона 300 може працювати при тиску, відмінному від середнього тиску. Необов'язково одну частину збагаченої рідини 51 можуть подавати до нижньої частини колони 300. Струмінь 37 газоподібного кисню виводять з верхньої частини змішувальної колони і нагрівають в теплообмінній лінії 9, а струмінь 41 рідини виводять у вигляді донних осадів і подають до колони низького тиску після розширення в клапані. 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 89365 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601