CS250547B1

CS250547B1 - Gas liquefaction method

Info

Publication number: CS250547B1
Application number: CS716785A
Authority: CS
Inventors: Jiri Sykora; Vaclav Chrz; Jan Jirsa
Original assignee: Jiri Sykora; Vaclav Chrz; Jan Jirsa
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1985-10-07
Publication date: 1987-04-16

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.The solution concerns the liquefaction of gas by circulation in a circuit containing compression and expansion while performing external work. It solves the problem of reducing the energy consumption for liquefaction of gas. The essence lies in compressing the gas to the highest pressure of the cycle after the previous compression in the brake compressor of the expansion turbine by directly utilizing the work obtained by expansion. The invention can be used in additional cooling cycles related to oxygen and nitrogen production facilities in the chemical and metallurgical industries or in cycles for liquefaction of natural gas, especially after reconstructions of existing facilities.

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.The invention relates to a method for liquefying gases such as air separation products - oxygen, nitrogen and argon by circulating in a circuit, comprising compressing and cooling by countercurrent heat exchange and nitrogen expansion in an expansion turbine.

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.According to known methods for liquefying larger quantities of nitrogen, oxygen and argon, liquefaction is effected by circulating nitrogen, which is compressed to a pressure of about 3 MPa in a circulating turbocompressor. After countercurrent cooling with cold circulating medium, the bulk of the compressed nitrogen expands in the expansion turbine to external pressure, which is taken, for example, in the form of a braking generator in the form of electric energy, to a pressure of 0.6 MPa. A minor part of the pressurized nitrogen is liquefied by cold expanded circulating nitrogen and discharged as a product, or used to liquefy, for example, oxygen. The expanded circulating nitrogen is heated in countercurrent with compressed nitrogen and fed to the suction of the circulating turbocompressor.

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.These known liquefaction methods have some serious disadvantages. Above all, taking work from the expansion turbine by a generator in the form of electric power is of low efficiency. The overall thermodynamic efficiency of liquefaction is not high, even when the ammonia or freon pre-cooling of circulating nitrogen is included at -40 to -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.The above drawbacks are overcome by a method of liquefying the gas by circulating it in a circuit comprising compressing, cooling the countercurrent by heat exchange and splitting the compressed gas into two streams, the first expanding while performing external work in the expansion turbine, cooling and liquefying the second stream. characterized in that the first expanded gas stream is compressed to the highest cycle pressure after previous compression in the expansion compressor braking compressor by directly utilizing the expansion work.

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.The main advantage of the method of liquefying gases, such as air separation products, according to the invention lies in the higher thermodynamic efficiency and thus in lower specific energy consumption and also in simpler machine technology compared to the known methods.

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.Direct use of the expansion turbine work to compress nitrogen does not require a complex mechanical gearbox and is done with high efficiency. Essentially, simply replacing the generator-braked expansion turbine with a braking compressor-driven expansion turbine can reduce the specific energy consumption for liquefaction by 20 ° / o. The pressure at the outlet of the nitrogen circulating turbo compressor is maintained. The principle of increasing the efficiency of liquefaction is that the pressure at the outlet of the expansion turbine is reduced while maintaining the discharge pressure from the circulation turbocompressor and the pressure at the inlet of the expansion turbine. As a result of the greater pressure drop on the expansion turbine, the production of cold and therefore the specific energy consumption is also higher.

Příkladné řešení způsobu zkapalňování plynu podle vynálezu je popsáno na zkapalňování dusíku. Na přiloženém obrázku je zjednodušené technologické schéma zkapalňovacího dusíkového cyklu.An exemplary solution of the gas liquefaction process of the invention is described for the liquefaction of nitrogen. The attached figure shows a simplified flow diagram of the liquefaction nitrogen cycle.

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.The nitrogen after liquefaction enters the circulation circuit at a pressure of 0.55 MPa through the supply line 1. It mixes with circulating nitrogen to form a suction nitrogen stream for the circulating turbo compressor 2, in which nitrogen is compressed to a maximum cycle pressure of 3 MPa. The compressed nitrogen passes through the after-cooler 3, in which the compression heat is removed by cooling water. Further, it passes through a precooling exchanger 4, in which it is cooled by countercurrent heat exchange with an expanded nitrogen stream, through an ammonia evaporator 5 in which it is further cooled to 223 K by boiling ammonia supplied from the cooling unit 6. It is cooled again by countercurrent heat exchange with an expanded nitrogen stream to a temperature of 157 K. Then it is divided into a first stream, led to expansion while performing external work in expansion turbine 8 from 2.9 MPa to 0.45 MPa, and to a second stream. fed to a liquefaction exchanger 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.The first stream is cooled by expansion and in the fluid exchanger 9 it cools and liquefies the second stream, which in the liquid state enters the throttle 10, where its pressure is reduced by partial evaporation and the resulting mixture of liquid and steam is passed through the outlet line 11 for further use.

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.The first expanded nitrogen stream is further passed through the main exchanger 7 and the pre-cooling exchanger 4 and heated to 295 K with the compressed nitrogen heat exchange.

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.The expansion turbine 8 is braked by a braking compressor 12, in which the external work obtained by expansion is directly used to compress the heated first stream of expanded nitrogen from 0.42 MPa to 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.Direct use of the external work is effected by passing the external work obtained in the expansion turbine 8 via the common shaft 13 from the expansion turbine 8 to the braking compressor 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.The first nitrogen stream, after being compressed in the braking compressor, is cooled in a water cooler 14 and mixed with the nitrogen for liquefaction supplied through line 1.

V jiných řešeních způsobu zkapalňování plynu může být dusík pro zkapalnění přiváděn potrubím na sání brzdicího kompresoru 12 nebo na výstup expanzní trubinyIn other solutions of the gas liquefaction method, the nitrogen for liquefaction may be supplied via a line at the suction of the brake compressor 12 or at the outlet of the expansion tube.

8.8.

Claims

A method of liquefying a gas by circulating it in a circuit comprising compressing, cooling by countercurrent heat exchange, and splitting the compressed gas into two streams, the first expanding by external work in an expansion turbine, cooling and firing the second stream, wherein the first stream of the expanded gas is compressed to the highest cycle pressure after previous compression in the expansion compressor braking compressor by directly utilizing the expansion work obtained.