Основные показатели установок с азотным циркуляционным циклом, предназначенных для получения продуктов разделения воздуха в жидком виде

Установка	Объемная производительность, м3/ч			Объемный расход*, м3/ч		Массовый расход СПГ, т/ч	Давление, МПа			Расход электроэнергии на 1 м3жидкого криопродукта, кВт·ч/м3	Капитальные затраты, млн иен	Себестоимость продукции, иен/м3
	Жидкий кислород	Жидкий азот	Жидкий аргон	Перерабатываемый воздух	Циркуляционный азот		Воздух на входе в установку	Циркуляционный азот после компрессора	Регазифицированный ПГ после компрессора
Низкого давления с азотным циркуляционным циклом среднего давления	7000	3000	150	38000	96500	–	0,6	4,3	–	1,3	1,75	9,77
Низкого давления с азотным циркуляционным циклом среднего давления и использованием холода СПГ	7000	3000	150	38000	22500	8,0	0,6	3,3	2,7	0,76	1,55	7,02

*При Т = 273 К и Р = 101 МПа.

Поток, поступающий в сепаратор, содержит некоторое количество жидкой фазы, в которой растворены высшие углеводороды. Поток пара, выходящий из сепаратора 6, подогревается в теплообменнике 5, а затем смешивается с потоком жидкости, отводимой из сепаратора. Температура потока после смешения на входе в теплообменник 4 составляет около 173 К или несколько выше. В теплообменнике 4 происходит окончательный подогрев ПГ до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и затем ПГ поступает на сжатие в турбокомпрессор 7. Поток циркуляционного N₂, сжатого в турбокомпрессоре 1, как и в схеме ВРУ, приведенной на рис. 2.4.1, направляется параллельно в теплообменники 2 и 4. Осуществление процесса частичного «парциального» испарения позволяет обеспечить устойчивую работу узла регазификации СПГ, исключающую забивку теплообменника 3 отложениями тяжелых углеводородов.

Предлагаемая в патенте [41] схема ВРУ с использованием холода СПГ во многом повторяет вышерассмотренную. Ее отличие состоит в использовании регенераторов вместо многосекционных переключающихся теплообменников для охлаждения воздуха и отвода продукционного жидкого N₂, отбираемого из сепаратора, установленного на потоке циркуляционного азота после его охлаждения и конденсации в теплообменниках СПГ и циркуляционного контура. Циркуляционный азотный цикл предполагается осуществлять в интервале давлений 0,1–1,7 МПа.

Отличительной особенностью схемы ВРУ, рассмотренной в работах [19–21], является использование циркуляционного азотного цикла при Р ≈ 0,6 МПа [42, 43, 44]. В этом случае из схемы исключается циркуляционный азотный компрессор, а охлаждение и конденсация циркуляционного азота последовательно производятся в двух теплообменниках, охлаждаемых СПГ. При этом в том теплообменнике, где конденсируется N₂, СПГ кипит при Р = 0,012 МПа. Пары СПГ откачиваются насосом и смешиваются с потоком СПГ, поступающим во второй теплообменник, где он испаряется и подогревается при давлении, близком к атмосферному.

Отличительной особенностью схемы ВРУ, предложенной в патенте [45], является то, что перерабатываемый воздух сжимается лишь до Р = 0,2 МПа. За счет холода СПГ полностью ожижаются потоки кислорода и азота. Использование холода СПГ осуществляется двумя путями. Как и в предыдущих схемах, используется азотный циркуляционный цикл, в котором поток N₂, выходящий из циркуляционного компрессора, охлаждается в теплообменнике СПГ, где СПГ испаряется и подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды. В связи с тем, что все количество N₂ и О₂ выводится в жидком виде, отсутствуют газообразные продукты разделения воздуха, с помощью которых в вышерассмотренных схемах, в основном, охлаждается перерабатываемый воздух перед поступлением в колонну. В этой схеме охлаждение воздуха осуществляется в отдельном теплообменнике СПГ с последующим доохлаждением потоком циркуляционного N₂, отбираемым из верхней части колонны. Обеспечение необходимым количеством пара исчерпывающей части колонны, работающей при давлении, близком к атмосферному, производится путем испарения жидкого кислорода в выносном испарителе, в котором кислород кипит при давлении ниже атмосферного. Необходимое разрежение создается с помощью низкотемпературного вакуум-насоса. Отсасываемые из выносного испарителя пары О₂ затем охлаждаются в теплообменнике и поступают в нижнюю часть исчерпывающей секции колонны. Испарившийся в воздушном и азотном теплообменниках СПГ сжимается в компрессоре до Р = 1,1 МПа и направляется потребителю.

Как и в вышерассмотренных схемах ВРУ, в установках, приведенных в патентах [46, 47], ввод необходимой холодопроизводительности производится путем охлаждения и конденсации циркуляционного потока азота СПГ. В патенте [46] в отличие от ВРУ [38, 39] сконденсированный поток циркуляционного азота не дросселируется непосредственно в нижнюю колонну, а поступает в змеевик, расположенный в верхней части нижней колонны, где кипит, обеспечивая конденсацию части азота, поднимающегося в трубное пространство основного конденсатора-испарителя. Это позволяет при вводе в нижнюю колонну разделяемого воздуха в состоянии, близком к насыщенному, уменьшить тепловую нагрузку на основной конденсатор и обеспечить отвод кислорода из верхней колонны в жидком виде. По выходе из змеевика поток циркуляционного N₂, как и в работах [38, 39], делится на две части, из которых одна поступает в реверсивный теплообменник для охлаждения воздуха, а другая – в азотный теплообменник циркуляционного цикла.

В работе [26] система регазификации СПГ осуществляет не только охлаждение и конденсацию циркуляционного и продукционного азота, но также и конденсацию паров СПГ, которые образуются в результате подвода тепла из окружающей среды к хранилищу СПГ.

Одной из особенностей схемы ВРУ, приведенной в патенте [48] и показанной на рис. 2.4.3, является использование СПГ не только в азотном теплообменнике циркуляционного цикла, но и в теплообменниках, предназначенных для охлаждения воздуха, что позволяет получать продукты разделения воздуха целиком в жидком виде. Кроме того, в эту схему для уменьшения работы сжатия циркуляционного азота включен низкотемпературный азотный компрессор 8.

Рис. 2.4.3. Схема ВРУ с полным извлечением О₂ и N₂ в жидком виде: I – воздух; II – СПГ; III – жидкий О₂; IV – жидкий N₂; V – ПГ;

1 – турбокомпрессор; 2, 3, 4,  9, 12, 13, 17 – теплообменники; 5, 10 – адсорберы; 6 – конденсатор; 7 – емкость; 8 – компрессор; 11 – испаритель; 14 – нижняя колонна; 15 – конденсатор-испаритель; 16 – верхняя колонна; 18 – сборник жидкого N₂

Воздух, сжатый в турбокомпрессоре 1, последовательно охлаждается в теплообменниках 3, 9 и 12 потоком СПГ и затем частично конденсируется в теплообменнике 13, отдавая тепло азоту, выходящему из колонны 16. Для разделения воздуха используется колонна двукратной ректификации, состоящая из нижней 14 и верхней 16 колонн. Продукционный жидкий О₂ отводится из межтрубного пространства конденсатора-испарителя 15.

Осушка воздуха производится в адсорбере 5, а его очистка от СО₂ – в адсорбере 10, в который он поступает при Т = 143 К.

Пройдя теплообменник 13, газообразный N₂ смешивается с потоком N₂, выходящим из теплообменника 17, и поступает в конденсатор 6. Конденсатор 6 связан с емкостью для хранения СПГ 7 и служит для переконденсации паров СПГ, образующихся за счет теплопритоков из окружающей среды. Выходящий из конденсатора 6 газообразный азот разделяется на два потока. Один поток направляется в теплообменник 2 и участвует в охлаждении сжатого воздуха в теплообменнике 3 с помощью промежуточного теплоносителя. Затем этот поток охлаждается в теплообменниках 9 и 12 и после смешения со вторым потоком N₂ сжимается в низкотемпературном компрессоре 8. После сжатия поток N₂ последовательно охлаждается и конденсируется в испарителе СПГ 11, теплообменнике 17 и дросселируется в сборник жидкого N₂ 18. Отсюда часть жидкого N₂ поступает на орошение тарелок верхней колонны, а другая часть отводится в виде продукционного жидкого N₂.

СПГ, подаваемый в ВРУ из емкости 7, разделяется на два потока. Один поток поступает в теплообменник 11, где испаряется и затем смешивается со вторым потоком СПГ на входе в теплообменник 12. После смешения поток СПГ регазифицируется и подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, последовательно проходя через теплообменники 12, 9 и 4.

Направления основных потоков в схеме ВРУ, приведенной в работе [49] (рис. 2.4.4), в значительной степени совпадают с направлениями потоков в ВРУ, показанной на рис. 2.4.3.

Здесь, как и в предыдущей схеме, сжатый до 0,6 МПа воздух охлаждается в теплообменнике 1 СПГ и затем частично конденсируется за счет охлаждения азотом, выходящим из колонны 6, в теплообменнике 2. Из теплообменника 2 поток азота, в количестве 160 % по отношению к количеству перерабатываемого воздуха, направляется в трехступенчатый азотный компрессор. Процесс сжатия азота в каждой ступени 7, 9 и 11 близок к изотермическому и сжатие идет по изотерме ~ 113 К за счет охлаждения СПГ в промежуточных холодильниках 8 и 10. В третью ступень компрессора 11 дополнительно вводится часть азота из-под крышки конденсатора 5. Таким образом, поток N₂, выходящий из компрессора при Р = 2,1 МПа, составляет 185 % от количества перерабатываемого воздуха. Этот поток затем охлаждается и конденсируется в испарителе СПГ 13 и дросселируется в сепаратор 12. Отсюда 80 % жидкого N₂ отводится в виде готового продукта, 25 % в качестве флегмы подается в колонну 6 и 80 % N₂, находящегося в паровой фазе, направляется в теплообменник 2. Как и в схеме, показанной на рис. 2.4.3, продукты разделения воздуха целиком выводят в жидком виде.

Рис. 2.4.4. Схема ВРУ с многоступенчатым низкотемпературным компрессором, использующим холод СПГ: I – воздух; II – жидкий О₂; III – жидкий N₂; IV – СПГ; V – ПГ; 1, 2 – теплообменники; 3 – турбокомпрессор; 4 – нижняя колонна; 5 – конденсатор; 6 –  верхняя колонна;  7, 9, 11 – ступени компрессора;  8, 10 –  холодильники; 12 – сепаратор; 13 – испаритель

Потоки ПГ из теплообменников 1, 8, 10 и 13 смешиваются и сжимаются в турбокомпрессоре 3 до 1,2 МПа.

В схеме ВРУ [50], показанной на рис. 2.4.5, перерабатываемый воздух поступает в регенераторы 1 при Р = 0,18 МПа и разделяется в колонне однократной ректификации 3. Циркуляционный поток азота, пройдя переохладитель 5, теплообменники 8 и 12, соединяется со сквозным петлевым потоком азота, проходящим через регенераторы 1, и поступает в низкотемпературный азотный компрессор.

Рис. 2.4.5. Схема ВРУ для получения жидких О₂ и N₂ c циркуляционным азотным циклом высокого давления: I – воздух; II – отбросной N₂; III – жидкий О₂; IV – жидкий N₂; V – СПГ; VI – ПГ; 1 – регенераторы; 2, 6, 9 – холодильники; 3 – колонна однократной ректификации; 4, 7, 11 – ступени компрессора;  5 – переохладитель; 8, 12 – теплообменники; 10 – испаритель; 13 – насос

В данной схеме применен циркуляционный цикл высокого давления, в котором N₂ сжимается до Р = 10,0 МПа в трехступенчатом компрессоре. Перед сжатием в каждой ступени 4, 7 и 11 поток N₂ охлаждается в холодильниках СПГ 2, 6 и 9. Температура азота перед каждой ступенью составляет ~ 173 К и при сжатии повышается до 288 К. Наличие высокого давления циркуляционного N₂ позволяет проводить регазификацию СПГ под повышенным давлением. Давление СПГ за насосом 13 на входе в испаритель СПГ 10 составляет около 1,0 МПа.

В работе [23] произведена оценка эффективности использования процесса низкотемпературного сжатия потока циркуляционного азота. Полученные результаты представлены в табл. 2.4.2.

Таблица 2.4.2