Спосіб і установка для виробництва інертних газів і кисню шляхом кріогенної перегонки повітря

1. Спосіб виробництва кисню та інертних газів шляхом перегонки в системі колон, що містить одну колону (К01) середнього тиску, одну колону (К02) низького тиску і принаймні одну допоміжну колону (К05), де у способі: і) принаймні один потік охолодженого і очищеного повітря (1) спрямовують до колони середнього тиску, де воно розділяється; іі) принаймні перший збагачений азотом потік (11) відводять від колони середнього тиску, і принаймні одну частину цього потоку спрямовують безпосередньо або непрямо до колони низького ііі) з тиску; проміжного рівня колони середнього тиску відводять проміжний потік (RL1); iv) потік (RL2), збагачений киснем порівняно з проміжним потоком, відводять від нижньої частини колони середнього тиску і спрямовують у нижню частину допоміжної колони; v) збагачений азотом потік (WN2) відводять від верху колони низького тиску; vi) від колони низького тиску відводять, як продукт, потік збагаченої киснем рідини (РІДКИЙ КИСЕНЬ), як варіант, після етапу випаровування, щоб утворився газоподібний продукт; та vii) від допоміжної колони відводять збагачений киснем потік (ПРОДУКТИ ОЧИЩЕННЯ), що збагачений також криптоном і ксеноном порівняно з другим збагаченим киснем потоком, який відрізняється тим, що проміжний потік (RL1) 2 (19) 1 3 85167 4 іі) засоби для відведення принаймні першого збагаченого азотом потоку (11) від колони середнього тиску і засоби для спрямування принаймні однієї частини цього потоку безпосередньо або непрямо до колони низького тиску; ііі) засоби для відведення збагаченого азотом потоку (WN2) від верху колони низького тиску; iv) засоби для відведення проміжного потоку (RL1) з проміжного рівня колони середнього тиску; v) засоби для спрямування потоку, який сильніше збагачений киснем, ніж проміжний потік, від колони середнього тиску в нижню частину допоміжної колони; vi) засоби для спрямування потоку рідини (5, 15), як зрошення, до допоміжної колони; vii) засоби для відведення потоку збагаченої киснем рідини (РІДКИЙ КИСЕНЬ), як продукту, від нижньої частини колони низького тиску, як варіант, після етапу випаровування, щоб утворився газоподібний продукт; та viii) засоби, щоб відвести від допоміжної колони третій збагачений киснем потік (ПРОДУКТИ ОЧИЩЕННЯ), що збагачений також криптоном і ксено ном порівняно з другим збагаченим киснем потоком, який відрізняється тим, що вона містить засоби для спрямування, як потік зрошення до допоміжної колони, зрідженого повітря або потоку рідини, збагаченої азотом порівняно з потоком рідкого повітря, спрямованим до колони середнього тиску. 11. Установка за п. 10, яка містить колону (К90) очищення, засоби для спрямування третього збагаченого киснем потоку (ПРОДУКТИ ОЧИЩЕННЯ) у верхню частину колони очищення і засоби (СУМІШ) для відведення четвертого збагаченого киснем потоку, що являє суміш, збагачену криптоном і ксеноном, принаймні на кілька теоретичних ступенів нижче по колоні. 12. Установка за пунктом 10 або 11, яка містить лінію обміну, в котрій зріджене повітря та/або рідина, збагачена азотом відносно повітря, виробляється шляхом теплообміну з потоком збагаченої киснем рідини, що надходить від нижньої частини колони низького тиску, як варіант, після етапу підвищення тиску. Даний винахід стосується способу і установки для виробництва кисню і благородних газів шляхом перегонки повітря. Розбавлену суміш криптону/ксенону звичайно виробляють з продуктів очищення в головному випарнику колони подвійного розділення повітря [див. "Техніка низьких температур" авторів Хойзен і Лінде, вид. 1985 р., стор. 337-340 та "Розділення газів" автора Ісальські, вид. 1989 р., стор. 96-98]. Далі з колони низького тиску, кількома ступенями вище випарника, відводиться вироблений кисень. Якщо кисень відводять у формі газу, то таке компонування пристрою дозволяє виділити суттєву частку наявного в повітрі криптону та весь ксенон. Проте, у випадку установки, що виробляє кисень способами, які називаються "нагнітальними", при видаленні рідкого кисню з колони низького тиску "втрачається" близько 30% наявних у повітрі криптону і ксенону. В документі DE-A-2603505 показано установку для розділення повітря, в якій рідина, що містить криптон і ксенон, виробляється в очищувальній колоні, куди від колони середнього тиску подають два потоки збагаченої рідини, при цьому повторне випаровування в очищувальній колоні забезпечується випарником, в який подається газ, що відбирається з верха аргонової колони. Однією задачею даного винаходу є запропонувати системи для збільшення виходу криптону і ксенону з установок, які виробляють газоподібний кисень шляхом нагнітання й випаровування рідкого кисню (або, більш загально, такі, в яких з осаду на дні колони низького тиску видаляється суттєва кількість рідкого кисню) та виробляють, переважно, також аргон. Інша задача даного винаходу полягає в тому, щоб знову мати головний випарник з високим вмістом кисню і серйозно очищений, і таким чином, щоб сильно обмежити концентрацію вуглеводнів/домішок (перевага нагніченого "oxytonne"), чого не можна досягти при звичній схемі виробництва розбавленої суміші криптону і ксенону. Однією задачею винаходу є спосіб виробництва кисню та інертних газів шляхом перегонки в системі колон, яка містить принаймні одну колону середнього тиску, одну колону низького тиску і одну допоміжну колону, причому в даному способі: і) принаймні один потік охолодженого і очищеного повітря спрямовують до колони середнього тиску, де воно розділяється; іі) принаймні перший збагачений азотом потік відводять від колони середнього тиску і принаймні одну частин у цього потоку спрямовують безпосередньо або непрямо до колони низького тиску; ііі) з проміжного рівня колони середнього тиску відводять проміжний потік; iv) потік, збагачений киснем відносно проміжного потоку, відводять від осаду на дні колони середнього тиску і спрямовують до осаду на дні допоміжної колони; v) збагачений азотом потік відводять від верха колони низького тиску; vi) як продукт, від колони низького тиску відводять потік збагаченої киснем рідини, як варіант, після етапу випаровування, щоб утворився газоподібний продукт; та vii), збагачений киснем потік, що збагачений також криптоном і ксеноном порівняно з другим збагаченим киснем потоком, відводять від допоміжної колони, який відрізняється тим, що проміжний потік спрямовують до колони низького тиску, а потік рідини, що містить щонайменше 78 мол.% азоту, спрямовують, як зрошення, до допоміжної колони. Переважно, потоком рідини, спрямованим до допоміжної колони як зрошення, є зріджене повіт 5 85167 ря та/або рідина, збагачена азотом порівняно з потоком зрідженого повітря, який спрямували до колони середнього тиску. Згідно з необов'язковими аспектами: - осад на дні допоміжної колони нагрівають газом, який відбирають з верха аргонової колони; - зріджене повітря та/або рідину, збагачену азотом відносно повітря, виробляють за рахунок теплообміну з потоком збагаченої киснем рідини, який надходить від осаду на дні колони низького тиску, як варіант, після етапу підвищення тиску; - збагачена азотом рідина містить щонайменше 80 мол.% азоту; - зріджене повітря не надходить від колони середнього тиску, потік рідини, спрямований до верха допоміжної колони, сильніше збагачений азотом, ніж проміжний потік; щонайменше 10% виробленого кисню видаляють у рідкому вигляді з колони низького тиску. Іншим предметом винаходу є установка для виробництва кисню та інертних газів шляхом перегонки в системі колон, яка містить принаймні одну колону середнього тиску, одну колону низького тиску і одну допоміжну колону, де установка містить: і) засоби для спрямування принаймні одного потоку охолодженого і очищеного повітря до колони середнього тиску, де воно розділяється; іі) засоби для відведення принаймні першого збагаченого азотом потоку від колони середнього тиску і засоби для спрямування принаймні однієї частини цього потоку безпосередньо або непрямо до колони низького тиску; ііі) засоби для відведення збагаченого азотом потоку від верха колони низького тиску; iv) засоби для відведення проміжного потоку з проміжного рівня колони середнього тиску; v) засоби для спрямування потоку, який сильніше збагачений киснем, ніж проміжний потік, від осаду на дні колони середнього тиску в осад на дні допоміжної колони; vi) засоби для спрямування потоку рідини, як зрошення, до допоміжної колони; vii) засоби для відведення потоку збагаченої киснем рідини, як продукту, від осаду на дні колони низького тиску, як варіант, після етапу випаровування, щоб утворився газоподібний продукт; та viii) засоби, щоб відвести від допоміжної колони, третій збагачений киснем потік, що збагачений також криптоном і ксеноном порівняно з другим збагаченим киснем потоком, який відрізняється тим, що він містить засоби для спрямування, як потік зрошення до допоміжної колони, зрідженого повітря або потоку рідини, збагаченої азотом порівняно з потоком рідкого повітря, спрямованим до колони середнього тиску. Згідно з іншим необов'язковими аспектами, до складу установки входять: - колона очищення, засоби для спрямування третього збагаченого киснем потоку у вер хню частину колони очищення, і засоби для відведення четвертого збагаченого киснем потоку, що являє собою суміш, збагачену криптоном і ксеноном, принаймні на кілька теоретичних ступенів нижче по колоні; та 6 - лінія обміну, в якій зріджене повітря та/або рідина, збагачена азотом відносно повітря, виробляється шляхом теплообміну з потоком збагаченої киснем рідини, що надходить від осаду на дні колони низького тиску, як варіант, після етапу підвищення тиску. Далі винахід буде описано з посиланням на Фігури від 1 до 9, які є схемами, що показують принцип дії установок згідно з винаходом. У прикладі, показаному на Фіг.1, колона подвійного розділення повітря містить колону К01 середнього тиску і колону К02 низького тиску, які в тепловому відношенні зв'язані з допомогою головного випарника Е02, котрий використовується, щоб конденсувати принаймні частину газоподібного азоту, що надходить з верха колони К01, шляхом теплообміну з киснем, що надходить від осаду на дні колони К02. В аргонову колону К10 подають збагачену аргоном рідину 7, яка надходить від колони К02 низького тиску, а з аргонової колони К10 до колони К02 низького тиску повертається збагачена аргоном рідина 9. З верха колони К10 відводять збагачений аргоном потік АРГОН. У випадку установок з нагнітанням, частина сухого і зневуглецьованого повітря стискається в допоміжному повітряному компресорі (не показаний) до тиску, достатнього для того, щоб зробити можливим випаровування кисню, який може додатково нагнітатися. Далі він конденсується в головній лінії обміну (не показана). На холодному кінці головної лінії обміну цей потік розширюється в клапані або в гідравлічній турбіні. Далі рідка фаза РІДКЕ ПОВІТРЯ цієї рідини може бути розподілена на потоки 1, 3 і 5, відповідно, між колоною К01 середнього тиску, колоною К02 низького тиску і допоміжною колоною К05. Рідина містить 78 мол.% азоту. Інша частина повітря середнього тиску ПОВІТРЯ СЕРЕДНЬОГО ТИСКУ охолоджується в головній лінії обміну і спрямовується до осаду на дні колони К01 середнього тиску. Основним завданням даного винаходу є сконцентрувати криптон і ксенон у збагаченій рідині RL2, яка в подальшому буде оброблена в допоміжній колоні К05. Отже, з колони К01 середнього тиску відводяться дві збагачені рідини RL1 і RL2, а саме, "звичайна" збагачена рідина, яка відведена з проміжного рівня, що знаходиться на кілька ступенів вище низу колони, й яка містить незначну кількість криптону і ксенону, RL1, та рідина збагаченого осаду з дна колони, в якій сконцентровані криптон і ксенон, RL2. Ця "звичайна" збагачена рідина RL1 в подальшому може бути спрямована до колони К02, після її переохолоджування. Рідкий збагачений осад RL2 з дна колони після переохолоджування спрямовується до конденсатора Е10 (не показаний) аргонової суміші К10. Щоб сконцентрувати криптон й ксенон в конденсаторі аргонової суміші, над цим обладнанням встановлюються ступені. Таке компонування являє собою колону К05. Частина зрошення з цієї колони забезпечується частиною 5 рідкого повітря РІДКЕ ПОВІТРЯ, що не подається до колони К01, після її 7 85167 переохолодження. Інша частина зрошення забезпечується частиною 15 середньої рідини 11, яка звичайно спрямовується до колони К02 через лінію 13 і містить щонайменше 80 мол.% азоту. З проміжного рівня колони К05, нижче точок впорскування зрошення, відводиться газ 16, що являє собою перетворену на пару збагачену рідину. Далі він рециркулює в колоні К02. Газ WN2', що відбирається з верха колони К05, є частиною відхідного газу WN2, який залишає теплоізольований кожух. Продукти очищення ПРОДУКТИ ОЧИЩЕННЯ з конденсатора Е10 суміші містять більшу частину криптону і ксенону, які наявні в повітрі і були оброблені колонами К01 і К05. Цей потік подають у пристрій для концентрування інертних газів. Наприклад, його можна спрямувати в колону (К90) розбавленої суміші криптону/ксенону. Осад з дна цієї колони містить продукт, який потрібно збагачувати. Пару 17, що надходить з колони К90, спрямовують назад до осаду на дні колони К05. Колона К90 нагрівається потоком повітря, який формує частин у ПОВІТРЯ СЕРЕДНЬОГО ТИСКУ. Створене, таким чином, зріджене повітря, може бути спрямоване назад до колони К01 середнього тиску та/або до колони К02 низького тиску. Вироблений рідкий кисень РІДКИЙ КИСЕНЬ вилучають у вигляді осаду з дна колони К02, на рівні головного випарника Е02. На відміну від звичайної схеми виробництва криптону й ксенону, головний випарник, таким чином, серйозно очищається. Рідкий кисень РІДКИЙ КИСЕНЬ, переважно, нагнітається насосом, а потім випаровується в лінії обміну або в спеціальному випарнику, за рахунок теплообміну з нагніченим повітрям. Альтернативно, для випаровування рідкого кисню РІДКИЙ КИСЕНЬ може прислужитися азотний цикл. На наступних фігурах будуть представлені різні альтернативні варіанти здійснення винаходу, які є похідними від Фіг.1. Спільні з Фіг.1 елементи не будуть описуватися повторно. У випадку Фіг.2 все рідке повітря РІДКЕ ПОВІТРЯ, що надходить від головної лінії обміну, спрямовується в колону К01. Проміжна рідина у вигляді рідини 1' відводиться від колони К01 (переважно на рівні, де входить рідке повітря або на рівні вище цього рівня). Потім, після переохолоджування, вона розподіляється між колоною К02 і колоною К05 у вигляді дво х потоків 3 і 5. У верхню частину колони К05 спрямовують потік 11, що містить щонайменше 80 мол.% азоту. У випадку Фіг.3, в основі якої лежить Фіг.1, була видалена одна верхня секція колони К05. Зрошення від цієї колони забезпечується лише рідким повітрям 5, переважно, переохолодженим. Це рідке повітря виробляється випаровуванням рідкого кисню РІДКИЙ КИСЕНЬ, який нагнітається і випаровується в лінії обміну. Вся бідна рідина 13 спрямовується в колону К02 низького тиску. Крім того, все рідке повітря РІДКЕ ПОВІТРЯ, наявне на виході лінії обміну може бути відведене 8 від колони К01 (переважно, в точці введення рідкого повітря), а потім розподілене між колоною К02 і колоною К05, після переохолоджування, як показано на Фіг.4. У випадку Фігур 5 і 6, в основі яких лежать Фігури 3 і 4, відхідний газ WN2' від колони К05 спрямовують назад в колону К02, нижче точки впорскування бідної рідини 13. У випадку Фіг.7, в основі якої лежить Фіг.5, потік 16 виключений і замінений потоком відхідного азоту WN2', який спрямовується від вер ха допоміжної колони К05 до проміжної точки на колоні низького тиску. На всіх описаних вище фігурах (Фігури від 1 до 7) установку можна зв'язати із звичайною схемою для виробництва криптону і ксенону. Аби зробити це, потрібно встановити ступені для збагачення осаду на дні колони К02. Рідкий кисень РІДКИЙ КИСЕНЬ виробляється кількома ступенями вище головного випарника Е02. Продукти очищення 21 відводиться на рівні головного випарника Е02. Вони містять близько 70 мол.% криптону і весь ксенон, наявний в колоні К02. Їх спрямовують до колони К90, щоб виділити інертні гази. Приклад, поданий на Фіг.8. На всіх наведених вище фігура х (Фігури від 1 до 8) згадується одночасне виробництво аргону. Однак, описані вище установки можна змонтувати так, щоб вони не виробляли аргону. Наприклад, достатньо встановити обмінник для конденсації частини газу 7, видаленого з колони К02. Як тільки він зріджується, його спрямовують (9) у колону К02. Таким чином, це забезпечує повторне випаровування в колоні К05. Приклад, поданий на Фіг.9. У випадку схеми з турбіною піддуву нагнане повітря спрямовується в осад на дні колони К05, щоб виділити криптон і ксенон, які там містяться. Крім того, показані на Фігурах 1-9 схеми можуть містити також пристрої дистиляції, наприклад, колону Етьєна (колона, яка працює при проміжному тискові, між середнім і низьким тисками, і в яку подається збагачена рідина). В даному випадку можна видозмінити верхній конденсатор колони Етьєна, шляхом заміни аргонової колони К10 з Фігур 1-9 колоною Етьєна згідно з тим же принципом: додавання ступенів над конденсатором для того, щоб сконцентрувати інертні гази. Може виявитися вигідним також не спрямовувати все рідке повітря у верхню частину допоміжної колони, а ввести, на цьому вході у колону, лише потік, який гарантує значення L/V (відношення інтенсивності подачі рідини, що зменшується, до інтенсивності подачі газу, що зростає, в секції дистиляції), яке потрібне, щоб сконцентрувати Кr і Хе в осаді на дні колони К05, обмежуючи, таким чином, концентрацію кисню в цьому осаді колони К05. Далі залишок потоку рідкого повітря спрямовується, разом із збагаченою рідиною RL2, в осад на дні допоміжної колони. 9 85167 10 11 85167 12 13 85167 14 15 85167 16 17 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 85167 Підписне 18 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601