Данные, характеризующие эффективность применения процесса низкотемпературного сжатия в ВРУ, использующих холод СПГ

^{_______________}

^* При Т = 273 К и Р = 0,101 МПа.

Приведенные данные свидетельствуют о высокой эффективности применения процесса предварительного охлаждения циркуляционного N₂, позволяющего снизить удельные затраты энергии в сравниваемых установках на 0,2 кВт·ч/м³ ж.О₂.

Схемы ВРУ, приведенные в патентах [51, 52, 53], в значительной степени повторяют способы ввода холода регазифицируемого СПГ, которые были рассмотрены выше. Особенностью схемы ВРУ [51] является использование части потока СПГ, направляемого в установку, для охлаждения перерабатываемого воздуха в реверсивных теплообменниках, куда посылается и поток отбросного N₂.

Если в установках 1 и 2 (см. табл. 2.4.2) после регазификации осуществляется сжатие ПГ до 1,1 МПа, то удельные затраты энергии увеличиваются соответственно до 0,7 и 0,5 кВт·ч/м³ ж.О₂.

В патентах [52, 53, 54] передача тепла СПГ от циркуляционного потока азота после сжатия в каждом из двух низкотемпературных турбокомпрессоров производится через дополнительный хладоновый контур. Этот контур обеспечивается включением в схему хладоновой установки с тремя хладоновыми теплообменниками, в которых производится предварительное охлаждение воздуха и охлаждение потоков циркуляционного N₂. Поток перерабатываемого воздуха сжимается лишь до Р = 0,22 МПа. Схема этой установки приведена на рис. 2.4.6.

Атмосферный воздух поступает в турбокомпрессор 1, в котором сжимается до Р = 0,22 МПа. Теплота сжатия отводится в теплообменнике 2 и затем поток воздуха дополнительно охлаждается в тепло­обменнике 3. В теплообменнике 2 в качестве хладагента подается хладон, который циркулирует в замкнутом цикле и охлаждается СПГ. После теплообменника 3 поток воздуха направляется в адсорбер 4, в котором очищается от влаги. Очистка воздуха от СО₂ производится в низкотемпературном адсорбере 6, куда воздух поступает после дополнительного охлаждения в теплообменнике 5. Окончательное охлаждение воздуха производится в теплообменнике 7, пройдя который он поступает в первую ректификационную колонну 8. Эта колонна по своему назначению соответствует нижней ректификационной колонне в обычной колонне двукратной ректификации, но в отличие от нее работает не при давлении 0,55–0,60 МПа, а под давлением около 0,15 МПа.

В колонне 8 осуществляется предварительное разделение воздуха на обогащенную кислородом кубовую жидкость и газообразный N₂. Для дальнейшей ректификации поток кубовой жидкости из колонны 8 поступает приблизительно в среднюю часть колонны 9, которая работает почти при таком же давлении, что и колонна 8.

Рис. 2.4.6. Схема установки для получения жидких О₂ и N₂ с хладоновым
циркуляционным циклом и использованием холода СПГ:
I – воздух; II – отбросной N₂; III – жидкий N₂; IV – жидкий О₂; V – СПГ;
VI – ПГ потребителю;
1, 11, 16 – турбокомпрессоры; 2, 3, 5, 7, 12, 13, 15, 17, 19, 20 – теплообменники;
4, 6 – адсорберы; 8, 9 – ректификационные колонны; 10 – конденсатор-испаритель; 14 – насос; 18 – компрессор ПГ

В этой колонне получают продукционный жидкий О₂, который отводится из межтрубного пространства конденсатора-испарителя 10. Из-под крышки колонны 9 отводится газообразный чистый N₂. Некоторое количество N₂ с примесью кислорода («грязный» N₂) отводится из сечения, расположенного на несколько тарелок ниже места отвода чистого N₂. Этот поток последовательно подогревается в теплообменниках 7 и 5, а затем выбрасывается в атмосферу. Потоки газообразного азота, отводимого из-под крышек колонн 8 и 9, соединяются и направляются в теплообменник 7. Перед этим теплообменником поток азота делится на две части. Одна часть идет в теплообменники 2, 5 и 7, где охлаждает перерабатываемый воздух и подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Выходящий из теплообменника 2 газообразный азот затем подается в теплообменник 12, входящий в группу теплообменников, охлаждаемых с помощью жидкого хладона. В этом теплообменнике азот охлаждается до 133 К и далее поступает во всасывающую линию низкотемпературного турбокомпрессора 11. Второй поток азота подогревается в теплообменнике 20 и затем соединяется с первым потоком, поступающим в турбокомпрессор 11. В этом турбокомпрессоре N₂ сжимается до давления около 0,6 МПа. Теплота сжатия отводится в теплообменнике 13, который так же, как и теплообменник 12, охлаждается жидким хладоном до температуры 141 К. После теплообменника 13 часть азота под давлением 0,6 МПа подается на дальнейшее охлаждение в теплообменник 20, а затем поступает на конденсацию в конденсатор-испаритель 10 колонны 9. Остальной поток азота направляется во второй низкотемпературный турбокомпрессор 16, где сжимается до Р ≈ 3,1 МПа. Этот поток азота далее последовательно охлаждается в теплообменниках 17, 19, 20. Пройдя теплообменник 20, азот дросселируется. При этом его давление снижается с 3,1 до 0,6 МПа и после смешения со вторым потоком азота, также охлажденным в теплообменнике 20, он поступает в конденсатор-испаритель 10. Сконденсированный в конденсаторе-испарителе азот частично отводится в виде продукционного жидкого азота, а остальное количество жидкого N₂ дросселируется с Р = 0,55–0,6 МПа до давления, равного 0,15 МПа, и подается на верхние тарелки колонн 8 и 9 для обеспечения процесса ректификации.

В качестве промежуточного хладоносителя в схеме этой установки использован жидкий хладон. В систему хладонового циркуляционного цикла включены теплообменники 3, 12, 13, 15 и циркуляционный насос 14.

С помощью циркуляционного насоса 14 жидкий хладон подается в теплообменник 15, где переохлаждается регазифицированным холодным потоком ПГ, и затем тремя параллельными потоками направляется в теплообменники 3, 12 и 13 для охлаждения циркуляционного N₂ и перерабатываемого воздуха. Потоки хладона, выходящие из этих теплообменников, затем смешиваются и снова подаются циркуляционным насосом 14 в теплообменник 15.

Сжиженный природный газ, подаваемый в установку насосом (на рис. 2.4.6 не показан), распределяется на три потока. Два из этих потоков регазифицируются под давлением в теплообменниках 15 и 17, пройдя которые смешиваются и направляются потребителю. Третий поток дросселируется до давления, близкого к атмосферному, и регазифицируется в теплообменнике 19, а затем сжимается до необходимого давления компрессором ПГ 18 и подается потребителю. Регазификация этого потока на более низком температурном уровне обеспечивается за счет подачи в теплообменник части циркуляционного азота, сжатого в компрессоре от 16 до 3,1 МПа.

Ряд работ и патентных заявок посвящен ВРУ, использующим холод СПГ, предназначенный для работы в смешанном режиме, т. е. режиме, при котором получают как жидкие, так и газообразные продукты разделения воздуха.

В Фос-Сюр-Мер (Франция) фирма Gas de France эксплуатирует крупнейшую ВРУ [2, 55, 56], разработанную и построенную фирмой L^/Аir Liquide, использующую холод, выделяемый при регазификации СПГ, доставляемого из Алжира, и предназначенную для одновременного получения жидких и газообразных криопродуктов.

Принципиальная схема этой установки показана на рис. 2.4.7.

Воздух, посылаемый на разделение, сжимается в двух турбокомпрессорах 1, охлаждается в теплообменнике 2 за счет холода продуктов разделения и поступает в нижнюю ректификационную колонну 3. В этой колонне, которая соединена с конденсатором-испарителем, осуществляется предварительное разделение воздуха с получением кубовой жидкости и азотной флегмы. Помимо этого некоторое количество газообразного N₂ чистотой 99 % отводится из нее в виде целевого продукта. Окончательное разделение воздуха осуществляется в верхней колонне 9, откуда отводятся часть отбросного азота и продукционный жидкий кислород. Часть продукционного кислорода, отводимого в жидком виде с помощью насоса жидкого О₂ 11, подается в трубопровод и далее в емкость для хранения жидкого О₂. Другой поток дожимается до Р = 4,0 МПа насосом 10, а затем газифицируется и подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в теплообменнике 2.

Для получения азота высокой чистоты с остаточным содержанием примесей в пределах (1–3) 10^–3 % молярных долей в схему установки включена азотная колонна 7, в которую отбирается часть газообразного азота из нижней колонны. Обеспечение колонн 7 и 9 необходимым количеством флегмы достигается за счет включения в схему установки флегмообразующего азотного циркуляционного цикла.

Рис. 2.4.7. Схема ВРУ, использующей холод СПГ для одновременного получения жидких и газообразных криопродуктов:
I – воздух; II – газообразный О₂ при Р = 4 МПа; III – отбросной N₂; IV – газообразный N₂ при Р = 0,5 МПа; V – СПГ; VI – газообразный N₂ при Р = 4 МПа;
VII – жидкий О₂; VIII – жидкий N₂; IX – ПГ;
1 – турбокомпрессор; 2, 12 – теплообменники; 3 – ректификационная колонна;
4, 5 – компрессоры; 6 – испаритель; 7 – азотная колонна; 8 – отделитель жидкости;
9 – верхняя колонна; 10, 11, 13 – насосы; 14, 15 – аппараты; 16 – турбодетандер

Азот высокой чистоты, циркулирующий в этом цикле, отбирается из колонны 7 и отделителя жидкости 8, несколько подогревается в теплообменнике 2 и сжимается в низкотемпературном компрессоре 5. Далее поток сжатого азота охлаждается в испарителе СПГ 6, затем доохлаждается и конденсируется в теплообменнике 2, после чего дросселируется в сборник жидкого N₂ 8. Отсюда часть жидкого азота отводится в виде готового продукта, а остальная часть в виде флегмы подается в азотную колонну.

Особенность данной установки состоит в том, что она может работать в нескольких режимах в зависимости от снабжения СПГ (табл. 2.4.3).

Производство необходимого количества требуемого продукта можно регулировать путем включения компрессора 4 и детандера 16 или компрессора 5.

Так, при работе в режиме получения максимального количества жидкого N₂ или О₂ работают оба азотных компрессора 4 и 5, обеспечивая необходимым количеством флегмы узел ректификации. При работе установки в нормальном режиме или в режиме получения максимального количества газообразного О₂ работает лишь один азотный компрессор 5. И, наконец, в тех случаях, когда не используется холод СПГ, необходимая холодопроизводительность обеспечивается путем включения в работу компрессора 4 и турбодетандера 16.

После компрессоров 4 или 5 часть газообразного азота высокой чистоты отбирается при Р = 4 МПа в виде продукционного азота. Особенностью данной установки является возможность обеспечения полной регазификации СПГ. В тех случаях, когда ПГ из теплообменника 6 выходит с относительно низкой температурой, то он дополнительно подогревается в теплообменнике 12, включенном в контур охлаждения воды. Вода с помощью насоса 13 подается в конденсатор пара 15 паровой турбины (на рис. 2.4.7 не показана) и в холодильники 14 воздушных турбокомпрессоров 1 и азотного турбокомпрессора 5, где подогревается и поступает в теплообменник 12 для подогрева ПГ. Из теплообменника 12 охлажденная вода снова перекачивается насосом 13 в аппараты 14 и 15.

Если для подогрева ПГ не требуется горячая вода, то она охлаждается обычным путем с применением системы воздушно-водяного охлаждения.

Таблица 2.4.3