CS250547B1 - Způsob zkapalňování plynu - Google Patents

Abstract

Řešení se týká zkapalňování plynu cirkulací v okruhu, obsahujícím stlačení a expanzi za konání vnější práce. Řeší snížení spotřeby energie pro zkapalňování plynu. Podstata spočívá ve stlačení plynu na nejvyšší tlak cyklu po předcházejícím stlačení v brzdicím kompresoru expanzní turbiny přímým využitím práce získané expanzí. Vynález může být využit u přídavných chladicích cyklů, které souvisí se zařízeními na výrobu kyslíku a dusíku v chemickém a metalurgickém průmyslu nebo u cyklů pro zkapalňování zemního plynu, a to zejména po rekonstrukcích existujících zařízení.

Description

Vynález se týká způsobu zkapalňování plynů jako jsou produkty dělení vzduchu — kyslík, dusík a argon cirkulací v okruhu, zahrnujícím stlačení a ochlazení protiproudou výměnou tepla a expanzí dusíku v expanzní turbině.

Podle známých způsobů zkapalňování větších množství dusíku, kyslíku a argonu je zkapalňování uskutečňováno cirkulací dusíku, který je v cirkulačním turbokompresoru stlačován na tlak cca 3 MPa. Po protiproudem ochlazení studeným cirkulačním médiem převážná část stlačeného dusíku expanduje v expanzní turbině za konání vnější práce, která je odebírána příkladně v brzdicím generátoru ve formě elektrické energie, na tlak 0,6 MPa. Menší část tlakového dusíku je zkapalňována studeným expandovaným cirkulačním dusíkem a vyváděna jako produkt, nebo využívána ke zkapalňování příkladně kyslíku. Expandovaný cirkulační dusík je ohříván v protiproudu stlačeným dusíkem a veden na sání cirkulačního turbokompresoru.

Tyto známé způsoby zkapalňování mají některé vážné nevýhody. Především odebírání práce z expanzní turbiny generátorem ve formě elektrické energie je s malou účinností. Celková termodynamická účinnost zkapalňování není vysoká, a to ani při zařazení čpavkového nebo freonového předchlazení cirkulačního dusíku na —40 až —50 °C.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny způsobem zkapalňování plynu jeho cirkulací v okruhu, zahrnujícím stlačení, ochlazení protiproudu výměnou tepla a rozdělení stlačeného plynu na dva proudy, z nichž první expanduje za konání vnější práce v expanzní turbině, načež ochlazuje a zkapalňuje druhý proud, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že první proud expandovaného plynu je stlačován na nejvyšší tlak cyklu po předchozím stlačení v brzdicím kompresoru expanzní turbiny přímým využitím práce získané expanzí.

Hlavní výhoda způsobu zkapalňování plynů jako jsou produkty dělení vzduchu, podle vynálezu tkví ve vyšší termodynamické účinnosti a tím i v nižší měrné spotřebě energie a dále v jednodušším strojně technologickém vybavení oproti známým způsobům.

Přímé využití práce odebírané v expanzní turbině ke kompresi dusíku nevyžaduje složitou mechanickou převodovku a uskutečňuje se s vysokou účinností. V podstatě pouhou záměnou expanzní turbiny brzděné generátorem za expanzní turbinou brzděnou brzdicím kompresorem lze dosáhnout snížení měrné spotřeby energie na zkapalnění o 20 °/o. Zůstává přitom zachován tlak na výstupu z cirkulačního turbokompresoru dusíku. Principem zvýšení efektivnosti zkapalňování je totiž to, že dochází ke snížení tlaku na výstupu z expanzní turbiny při zachování výtlačného tlaku z cirkulačního turbokompresoru a tlaku na vstupu do expanzní turbiny. V důsledku většího tlakového spádu na expanzní turbině je i větší výroba chladu a tím i menší měrná spotřeba energie.

Příkladné řešení způsobu zkapalňování plynu podle vynálezu je popsáno na zkapalňování dusíku. Na přiloženém obrázku je zjednodušené technologické schéma zkapalňovacího dusíkového cyklu.

Dusík po zkapalnění vstupuje při tlaku 0,55 MPa do cirkulačního okruhu přívodním potrubím 1. Mísí se s cirkulujícím dusíkem a tvoří tak proud nasávaného dusíku pro cirkulační turbokompresor 2, v němž se dusík stlačuje na nejvyšší tlak cyklu 3 MPa. Stlačený dusík prochází dochlazovačem 3, v němž je kompresní teplo odvedeno chladicí vodou. Dále prochází předchlazovacím výměnníkem 4, v němž se ochlazuje protiproudou výměnou tepla s expandovaným proudem dusíku, čpavkovým výparníkem 5, v němž se dále ochlazuje na teplotu 223 K vroucím čpavkem, který je dodáván z chladicí jednotky 6, dále prochází hlavním výměníkem 7, v němž se ochlazuje opět protiproudou výměnou tepla s expandovaným proudem dusíku na teplotu 157 K. Pak se rozděluje na první proud, veden k expanzi za konání vnější práce v expanzní turbině 8 z tlaku 2,9 MPa na tlak 0,45 MPa, a na druhý proud, vedený do zkapalňovacího výměníku 9.

První proud se expanzí ochladí a ve zkapalňovacím výměníku 9 ochlazuje a zkapalňuje druhý proud, který ve stavu kapalném vstupuje do škrticího ventilu 10, kde se snižuje jeho tlak za částečného odpaření a vzniklá směs kapaliny a páry se vede výstupním potrubím 11 k dalšímu použití.

První proud expandovaného dusíku dále prochází hlavním výměníkem 7 a předchlazovacím výměnníktm 4 a ohřívá se výměnou tepla se stlačeným dusíkem na teplotu 295 K.

Expanzní turbina 8 je brzděna brzdicím kompresorem 12, v němž se přímo využívá vnější práce, získaná expanzí, ke stlačení ohřátého prvního proudu expandovaného dusíku z tlaku 0,42 MPa na tlak 0,56 MPa.

Přímé využití vnější práce se uskutečňuje tak, že vnější práce, získaná v expanzní turbině 8 se pomocí společného hřídele 13 předává z expanzní turbiny 8 do brzdicího kompresoru 12.

První proud dusíku se po stlačení v brzdicím kompresoru ochlazuje ve vodním chladiči 14 a mísí se s dusíkem pro zkapalnění, přiváděným potrubím 1.

V jiných řešeních způsobu zkapalňování plynu může být dusík pro zkapalnění přiváděn potrubím na sání brzdicího kompresoru 12 nebo na výstup expanzní trubiny

8.

Claims (1)

1. Způsob zkapalňování plynu jeho cirkulací v okruhu, zahrnujícím stlačení, ochlazení protiproudou výměnou tepla a rozdělení stlačeného plynu na dva proudy, z nichž první expanduje za konání vnější práce v expanzní turbině, načež ochlazuje a zkaVYNÁLEZU palňuje druhý proud, vyznačující se tím, že první proud expandovaného plynu je stlačován na nejvyšší tlak cyklu po předchozím stlačení v brzdicím kompresoru expanzní turbiny přímým využitím vnější práce, získané expanzí.