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CN109059421B - 用于获得一种或多种空气产物的方法和空气分离设备 - Google Patents

用于获得一种或多种空气产物的方法和空气分离设备 Download PDF

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CN109059421B CN201810557870.7A CN201810557870A CN109059421B CN 109059421 B CN109059421 B CN 109059421B CN 201810557870 A CN201810557870 A CN 201810557870A CN 109059421 B CN109059421 B CN 109059421B
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air
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Linde GmbH
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
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Abstract

本发明提出了一种通过使用空气分离设备(100)获得一种或多种空气产物的方法，所述空气分离设备(100)具有精馏塔系统(14‑17)以及主热交换器(9)和主空气压缩机，所述精馏塔系统(14‑17)包括高压塔(14)和低压塔(15)，在所述主空气压缩机(1)中将供应至所述精馏塔系统(117)的全部空气压缩至第一压力水平，并且在比所述第一压力水平低至少3巴的第二压力水平下操作所述高压塔(15)，并且在所述第二压力下从所述高压塔(15)中移除气态富氮流体并且以气态升温而不进行预先液化。规定使所述气态富氮流体的第一部分量升温至‑150至‑100℃、特别是‑140至‑120℃的第一温度水平，在该第一温度水平下供应至增压器(12)，并且通过使用所述增压器(12)进一步压缩至第三压力水平，并且使压缩至所述第三压力水平后的所述第一部分量升温至高于所述第一温度水平的第二温度水平，并且从所述空气分离设备(100)中永久地排放。本发明同样提供了相应的空气分离设备(100)。

Description

用于获得一种或多种空气产物的方法和空气分离设备
技术领域
本发明涉及用于获得一种或多种空气产物的方法，并涉及根据独立专利权利要求的前序部分的空气分离设备。
背景技术
在空气分离设备中通过低温分离空气产生呈液态或气态的空气产物是已知的并且在(例如)H.-W.
Figure BDA0001681849810000011
(编辑),Industrial Gases Processing,Wiley-VCH,2006，具体来说第2.2.5节,“Cryogenic Rectification”中有描述。
空气分离设备具有精馏塔系统，所述精馏塔系统可以采取(例如)两塔式系统、尤其是经典的林德双塔式系统(Linde double-column system)的形式，但也可以采用三塔式或多塔式系统。除了用于获得呈液态和/或气态的氮和/或氧的精馏塔(即用于氮-氧分离的精馏塔)以外，还可以提供用于获得其它空气组分、特别是惰性气体氪、氙和/或氩的精馏塔。
所述精馏塔系统的精馏塔在不同的压力水平下操作。双塔式系统具有所谓的高压塔(也称为压力塔、中压塔或下塔)和所谓的低压塔(也称为上塔)。高压塔的压力水平为(例如)4至6巴(bar)，优选大约5.5巴。低压塔在(例如)1.3至1.7巴、优选大约1.5巴的压力水平下操作。这里和下文指定的压力水平在每一情况下是分别提到的塔的顶部的绝对压力。所提到的值仅作为实例给出，其可以根据需要变化。
所谓的主空气压缩机/增压空气压缩机(MAC-BAC)方法或所谓的高空气压力(HAP)方法可以用于空气分离。主空气压缩机/增压空气压缩机方法是相当常规的方法，而高空气压力方法最近越来越多地用作替代。
主空气压缩机/增压空气压缩机方法的特征在于以下事实：仅供应至精馏塔系统的总进料空气量的一部分被压缩至比高压塔的压力水平显著更高(即高出至少3巴、4巴、5巴、6巴、7巴、8巴、9巴或10巴)的压力水平。进料空气量的另一部分仅被压缩至高压塔的压力水平或者被压缩至与高压塔的压力水平相差大于1至2巴的压力水平，并以该较低压力水平进料至高压塔中。文献
Figure BDA0001681849810000021
(见上文)在图2.3A中显示了主空气压缩机/增压空气压缩机方法的一个实例。
另一方面，在高空气压力方法的情况下，供应至精馏塔系统的总进料空气量被压缩至比高压塔的压力水平显著更高的压力水平(即高出至少3巴、4巴、5巴、6巴、7巴、8巴、9巴或10巴)。压力差可例如高达14巴、16巴、18巴或20巴。高空气压力方法是从(例如)EP 2980 514 A1和EP 2 963 367 A1中得知的。
本发明特别用于具有所谓的内部压缩(IC)的空气分离设备的情况。这种情况涉及形成至少一种产物，该至少一种产物是藉助空气分离系统通过以下方式提供的：从精馏塔系统中移除低温液体，使其经受压力增加并且通过使其升温将其转变为气态或超临界状态。例如，以该方式可以产生内部压缩的气态氧(GOX IV，GOX IC)或氮(GAN IV，GAN IC)。内部压缩提供了一系列优于可选地同样可能的外部压缩的优点，并且通过(例如)
Figure BDA0001681849810000022
(见上文)，第2.2.5.2节，“Internal Compression”进行解释。内部压缩方法在(例如)US 2004/0221612 A1和US 5,475,980 A中也有公开。
由于显著降低的成本和相当的效率，高空气压力方法可代表常规主空气压缩机/增压空气压缩机方法的有利替代。然而，该方法并不适用于所有情况。因此，本发明解决了至少在一些此类情况下可有利地使用高空气压力方法的问题。
发明内容
该问题是通过获得一种或多种空气产物的方法和具有独立专利权利要求的特征的空气分离设备来解决的。配置(configurations)分别是从属专利权利要求和以下描述的主题。
首先，下面解释本发明的一些原理和用于描述本发明的术语的定义。
在本申请的上下文中，“进料空气量”或简称“进料空气”被理解为意指总共供应至空气分离设备的精馏塔系统的空气，并且因此意指供应至精馏塔系统的所有空气。如上文已解释，在主空气压缩机/增压空气压缩机方法中，仅相应进料空气量的一部分被压缩至显著高于高压塔压力水平的压力水平。另一方面，在高空气压力方法中，总进料空气量被压缩至此类高压力水平。对于与主空气压缩机/增压空气压缩机和高空气压力方法有关的术语“显著”的含义，应参考上文给出的解释。
“低温”液体在这里被理解为意指沸点显著低于环境温度(例如为-50℃或更低，特别是-100℃或更低)的液体介质。低温液体的实例是液体空气、液氧、液氮、液氩或富含所提到化合物的液体。
对于在空气分离设备中使用的器件和装置，应参考(例如)
Figure BDA0001681849810000031
(见上文)的专业文献，特别是第2.2.5.6节的“Apparatus”。出于阐释和更清楚界定的目的，下面对相应器件的一些方面进行更详细的解释。
在空气分离设备中使用多级涡轮压缩机(在这里称为“主空气压缩机”)来压缩进料空气量。涡轮压缩机的机械构造原则上是本领域技术人员已知的。在涡轮压缩机中，待压缩的介质是借助布置在涡轮机叶轮上或直接在轴上的涡轮机叶片来压缩。在这种情况下，涡轮压缩机形成结构单元，而在多级涡轮压缩机的情况下所述结构单元可以具有多个压缩机级。压缩机级通常包括涡轮机叶轮或涡轮机叶片的相应布置。所有这些压缩机级都可以由共同的轴驱动。然而，也可以设想，利用不同的轴分组驱动压缩机级，所述轴也可以通过齿轮机构彼此连接。
主空气压缩机的特征还在于以下事实：通过该压缩机压缩进料至精馏塔系统中并用于产生空气产物的全部空气量,即总进料空气。相应地，也可以提供“增压空气压缩机”，然而在该“增压空气压缩机”中仅仅使在主空气压缩机中压缩的空气量的一部分达到更高的压力。该增压空气压缩机也可以作为涡轮压缩机形成。其它涡轮压缩机(在这里也称为增压器)通常被提供用于压缩部分空气量，但与主空气压缩机或增压空气压缩机相比，它们仅进行相对较小程度的压缩。在高空气压力方法中也可以存在增压空气压缩机，但是该增压空气压缩机则从相应较高的压力水平压缩部分空气量。
此外，可以在空气分离设备中的多个点处使空气膨胀，出于此目的，尤其可以使用涡轮膨胀机形式的膨胀机,在这里也称为“膨胀涡轮机”。也可以将涡轮膨胀机连接至涡轮压缩机并驱动所述涡轮压缩机。如果一个或多个涡轮压缩机在没有外部供应能量的情况下被驱动，即仅由一个或多个涡轮膨胀机驱动，则术语“涡轮机增压器”也用于此类布置。在涡轮机增压器中，涡轮膨胀机(膨胀涡轮机)和涡轮压缩机(增压器)以机械方式连接，该连接可以相同的转速(例如通过共同的轴)或不同的转速(例如通过中间齿轮机构)进行。然而，增压器原则上也可以通过使用外部能量来驱动，例如通过使用电动机来驱动。在本发明的范围内，如下文还将详细解释，可以使用通过使用外部能量驱动的涡轮机增压器和增压器。
在这里所使用的语言的背景下，液体或气态流体或呈超临界状态的流体可以富含或贫含一种或多种组分，其中以摩尔、重量或体积计，“富含”可以代表至少75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，并且“贫含”可以代表至多25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量。术语“主要”可以对应于刚刚给出的“富含”的定义，但特别是指超过90％的含量。如果这里提到例如“氮”，则可能涉及纯气体或富氮气体。
术语“压力水平”和“温度水平”在下文中用于表征压力和温度，这些术语意在表示压力和温度不需要以精确的压力/温度值的形式使用来实现发明构思。然而，此类压力和温度通常在例如围绕平均值±1％、5％、10％、20％或甚至50％的特定范围内变化。这里不同的压力水平和温度水平可以位于不相交的范围或重叠的范围内。特别地，压力水平包括例如不可避免的或预期的压力损失，例如归因于冷却效应的压力损失。温度水平也是如此。这里以巴报告的压力水平是绝对压力。
本发明的优点
在本发明的范围内，提供了低成本且同时有效的高空气压力方法。如在开始时已解释的，此类高空气压力方法在一些情况下代表常规主空气压缩机/增压空气压缩机方法的良好替代。本发明在这里涉及(例如)一种方法，其中可以形成31巴的每小时约37 000标准立方米的压缩气态氧、10巴的每小时20 000标准立方米的气态氮、每小时3000标准立方米的液氮和每小时3300标准立方米的液氧，同时产生氩。
原则上，从现有技术中已知各种高空气压力方法。这些方法通常根据设备的液体输出量或根据内部压缩产物对液体产物的比率进行分类和区分。在液体输出量不是那么高的情况下，如在本发明的范围内还考虑到，使用例如所谓的冷增压器，以便通过将过量的冷功率转化成更高的空气压力来提高方法的效率。在相应的冷增压器中，照惯例使供应至空气分离设备的进料空气的一部分(其在主热交换器中冷却至中间温度水平，并且可能已经预先增加了压力)达到更高的压力水平。具有冷增压器的空气分离设备公开于(例如)EP 3101 374 A2中。
原则上，冷增压器在这里被理解为意指进料有流体的增压器，该流体的温度水平显著低于空气分离设备位置处的相应环境温度，特别是显著低于0℃、10℃、-20℃、-30℃、-40℃或-50℃或甚至低于该温度。通过冷增压器可以提高方法的效率，因为相对减少的液体输出量意味着相应量的冷不从系统中“抽出”，在相应的产物呈液体形式的情况下就会如此。用于本发明的冷增压器可以被设计为涡轮机增压器或由外部能量驱动的增压器。
此外还已知通过使用冷增压器可以提高空气分离设备的主热交换器的kF值(即热传递系数k和热交换器表面积F的乘积)。这归因于在冷增压器的冷压缩期间吸收的功率在主热交换器本身中几乎完全耗散的事实。因此，尽管内部压缩方法或热交换器中的Q-T曲线得到了改善，但所需的交换表面积变得更大，因为在一定温度范围内的压缩气体的量实际上被冷却了两次。出于阐释的目的，应参考例如已经提到的EP 3 101 374A2的图1。在该图1中，由于压缩导致温度升高，将物质流i在冷增压器101中在压力升高之前从主热交换器7中移除，该移除时的温度水平低于随后将该物质流返回至主热交换器7时的温度水平。从热力学角度来看，Q-T曲线的改善可归因于在该温度范围内冷流与温热流的热容量差异的增加。
同样已知通过使用多个处于不同压力的节流流(throttle streams)来改善高空气压力方法的效率。在这种情况下，“节流流”是进料空气量的一部分，其在高于主热交换器中高压塔的操作压力的压力水平下被冷却，至少部分地液化或在气态的相应压力下转变为超临界状态，并且随后借助于膨胀器件、典型地膨胀阀(“节流”)而松弛，并且被供应至精馏塔系统，特别是高压塔。
例如约10巴的加压氮产物可以通过(例如)增压压缩来提供，特别是作为来自以约5.5巴操作的高压塔的加压氮或通过内部压缩来提供。在第一种情况下，需要单独的压缩机，在后一种情况下需要内部压缩泵和还更大的热交换器。
因此，在本发明的范围内，在本文起始时解释的提供低成本但仍然高效的HAP方法的问题通过以下方式来解决：代替如原则上从现有技术中已知的用于改善主热交换器中的Q-T曲线的进料空气流的冷压缩，使得来自高压塔的氮流在涡轮机增压器或由外部能量驱动的增压器中以冷状态被压缩。这在本发明的范围内以特别有利的方式来配置和研发。
冷增压器的压力比的最大值通常为1.9至2。在这种情况下，压力比被定义为输入压力对相应增压器的输出压力的比率。该压力比足以递送所需的氮产物量，在当前情况下为约10巴。因此，冷增压器可有利地用于提供相应压力水平的加压氮。
通过对相应的氮产物流使用冷增压器，原则上可以实现与在冷增压器中进行冷压缩并且随后使部分进料空气流冷却相同的效应。在这种情况下，Q-T曲线的改善同样通过较有利的冷流与温热流的热容量比来实现。然而，与已知方法相比，不同之处在于，在本发明范围内提出的配置的情况下，冷流的热容量在热交换器的某些区域中减少(通过将相应的氮流递送至冷增压器)。另一方面，在现有技术中常见的空气增压压缩的情况下，温热流的热容量是通过使冷压缩的空气流两次穿过热交换器来增加。所描述的差异对热交换器的kF值具有正面效应。这在本发明的范围内有所降低，因为用于加压氮的冷增压器的功率不必在主热交换器中耗散(加压氮流由于压缩而升温并且随后在合适的点反馈至主热交换器中，以便随后升温至接近环境温度)。
除了对加压氮产物进行冷压缩以外，本发明还包含特别有利地平衡整个方法中的过量冷功率以及冷增压器的功率。在本发明的一个特别优选的实施方案中，这可以通过以下方式来实现：除了产物量以外，使得来自高压塔的某一额外的加压氮量还同时被压缩并且随后用作主热交换器中的另一节流流。因此，相应额外的加压氮量在主热交换器中至少部分地被液化并再次被进料至精馏塔系统，特别是高压塔。
以这种方式，冷增压器的几乎全部功率都被耗尽，并且热交换器中的Q-T曲线通过额外的节流流而得到改善。在某种意义上，该配置代表用于改善Q-T曲线的两种所述方法的组合。使用额外的氮节流流体对产物产率也有正面效应，因为以这种方式，更少的空气被预液化(代替进料空气，来自高压塔的加压氮被液化)。
如下文再次提到，精馏的相应调整在这里也有重要意义。为了能够从压力塔中移除更多的加压氮而不降低氩产率，应对低压塔进行氩优化，即当使用(例如)粗氩和纯氩塔或氩排放塔时，在氩冷凝器的进料点之间配置额外的精馏段。在这种情况下，该另一氮节流流的量代表用于优化的参数。从高压塔中移除且既不冷凝并作为回流再循环至所述高压塔中也不冷凝并用作液体回流至低压塔中(如这里的情况)的所有氮从根本上损害低压塔中的分离，因为其在该低压塔中不再能用作回流。
总之，本发明提出了一种通过使用具有精馏塔系统的空气分离设备来获得一种或多种空气产物的方法，所述精馏塔系统包括高压塔和低压塔，并且所述空气分离设备还配备有主热交换器和主空气压缩机。如已经提到的那样，本发明与高空气压力方法结合使用，因此供应至精馏塔系统的全部空气在主空气压缩机中被压缩至第一压力水平，并且高压塔在比第一压力水平低至少3巴的第二压力水平下操作。对于其它典型的压力差异，应明确参考引言(introduction)中给出的解释。
此外，如原则上已知的，在本发明的范围内，气态富氮流体是在第二压力水平下从高压塔中移出并且以气态升温，而不进行预先液化。在常规的空气分离设备中，该流体是加压的氮，其作为该方法的产物从空气分离设备中移除。照惯例，此类富氮流体在主热交换器中被完全温热，并且随后作为相应的产物排出。如果在这里提到相应流体以气态升温而“不进行预先液化”，则这应被理解为意味着相应的流体不是这样的氮：从高压塔中移除、在连接高压塔和低压塔的主冷凝器中以热交换方式液化并且随后例如返回至高压塔或者进料至低压塔中。此类流体原则上也可以被温热，或者例如用于提供液氮。在本发明的范围内也可以使用相应的流体(但以气态升温而不进行预先液化的流体除外)。
在这方面在本发明的范围内设想，使气态富氮流体的第一部分量升温至-150至-100℃、特别是-140至-120℃、例如-130℃的第一温度水平，将处于该第一温度水平的该富氮流体供应至增压器，并通过使用增压器将其进一步压缩至第三压力水平。由于气态富氮流体和该流体的第一部分量被供应至增压器的温度水平，所以该增压器是上文所解释意义上的“冷增压器”。如已经解释的，该增压器可以被设计为涡轮机增压器或借助外部能量驱动的增压器。使用冷增压器的优点同样已经在上面提到。第三压力水平特别是处于相应的氮产物要被排出时的压力水平，例如处于8至12巴、特别是9至11巴、例如10巴的压力。因此，此类压力水平是排出相应的富氮加压产物时的压力。
在本发明的范围内还设想，使第一部分量在压缩至第三压力水平之后升温至高于第一温度水平的第二温度水平，所述第二温度水平特别是可以处于环境温度，并且将所述第一部分量从空气分离设备中永久地排放。因此，相应的第一部分量作为加压产物提供。
根据本发明的一个特别有利的实施方案，还设想使气态富氮流体的第二部分量连同先前已提到的第一部分量一起同样升温至第一温度水平，将处于该第一温度水平的该富氮流体供应至增压器，并且通过使用增压器将其进一步压缩至第三压力水平。然而，这里设想使第二部分量在压缩至第三压力水平之后冷却至低于第一温度水平的第三温度水平，随后使其膨胀至第二压力水平并将其返回至高压塔。在这种情况下，在冷却至第三温度水平期间，第二部分量特别是至少部分地液化或从超临界状态转变成液体状态。因此，在这种情况下，如所提到的，将在冷增压器中压缩的加压氮的部分量(具体来说为第二部分量)用作另一节流流。第三温度水平可以是-180至-165℃、特别是-177至-167℃、例如-172℃的温度水平。
此外，在本发明的范围内还可以在不压缩至第三压力水平的情况下使富氮流体的第三部分量升温至第一温度水平并将其从空气分离设备中永久地排放。相应的氮可以例如所谓的密封气体的形式或者以较低压力水平的氮产物提供。第一、第二和第三部分量优选一起形成从高压塔中移除并且不液化的富氮流体的总量。
特别有利的是，在本发明的范围内，通过使用主热交换器使第一和第二部分量升温至第一温度水平，和/或通过使用主热交换器使第一部分量升温至第二温度水平，和/或通过使用主热交换器使第二部分量冷却至第三温度水平。如已经解释的，以这种方式可以以特别有利的方式影响主热交换器的Q-T曲线和kF值。
如所提到的，在本发明的一种配置中，用于压缩冷的氮流的增压器(即冷增压器)连接至膨胀涡轮机，并且因此代表涡轮机增压器。这里特别有利的是，在连接至增压器的膨胀涡轮机中，通过使用主空气压缩机使供应至精馏塔系统并且先前已冷却至第四温度水平并且随后进料至高压塔中的空气的一部分膨胀至第二压力水平。第四温度水平在这种情况下可以处于-170至-120℃，特别是-160至-130℃，例如-149℃。
出于驱动冷增压器的目的而在膨胀涡轮机中使供应至精馏系统的空气的一部分膨胀原则上也可进行至大约低压塔的压力水平，且随后将该流引入低压塔中。在某些情况下，还可以建议从高压塔中移除处于第二压力水平的另一氮流，在热交换器中使该氮流升温至某一温度水平，并且出于驱动冷压缩机的目的而在膨胀涡轮机中使其膨胀。
作为该方案的替代，也可以通过使用外部能量(即不是呈储存在空气分离设备中提供的方法流中的能量的形式)来驱动冷增压器。具体来说，可以使用电动机来驱动冷增压器。
特别有利的是，第二部分量包含在第二压力水平下从高压塔中移除并以气态升温而不进行预先液化的气态富氮流体的0-60％、特别是10-50％、例如15-35％的级分，特别是正规化的定量级分，例如以标准立方米/小时表示。如所提到的，以这种方式几乎可以完全利用相应设备的容量。
特别有利的是，将供应至精馏塔系统的空气的一部分在另一增压器中从第一压力水平压缩至20至30巴、特别是22至27巴、例如25巴的第五压力水平，通过使用主热交换器冷却至第五温度水平，在机械连接至该另一增压器的膨胀涡轮机中膨胀至第二压力水平，并且随后进料至高压塔中。在这种情况下，使用所谓的温热增压器的此类程序原则上可以对应于现有技术并且支持在本发明的范围内可以实现的优点。
在此类配置的情况下，证明特别有利的是，将供应至精馏塔系统的空气的一部分在另一增压器中从第一压力水平压缩至第五压力水平，通过使用主热交换器冷却至处于(例如)-165℃至-115℃、特别是处于-150℃至-130℃、例如-141℃的第六温度水平，膨胀至第二压力水平，并且随后进料至高压塔中。同样以这种方式，可以进一步增强在本发明范围内可以实现的优点。
如果通过使用主热交换器使以液体形式供应至精馏塔系统的空气的一部分在第一压力水平下冷却，从第一压力水平膨胀至第二压力水平，并且随后进料至高压塔中，则还可实现特定的优点。对于此类配置的特定优点，应当参考上文给出的解释。
特别地，在本发明的范围内，精馏塔系统包括至少一个精馏塔，相对于高压塔的贮槽液体富含氩的第一流体从低压塔中转移至该精馏塔中，并且其中该第一流体耗尽了(depleted)氩。在这种情况下，在氩耗尽之后剩余的第一流体的残余物以第二流体的形式返回至低压塔中。在这种情况下，原则上本发明可以通过使用已知的粗氩塔和可能的纯氩塔来使用，但是也可以通过使用所谓的氩排放塔而纯净地排放氩而不获得氩产物。
由此实现的从低压塔中分离的流体中排放氩的有利效应可归因于以下事实：对于所排放的氩量在低压塔中不再需要氧-氩分离。原则上在低压塔中分离氩与氧本身是复杂的，并且要求主冷凝器的相应“加热”功率。如果排放氩并且从而消除氧-氩分离，或者如果将所述氧-氩分离重新定位至例如粗氩塔或氩排放塔中，则不再需要在低压塔的氧段中分离相应的氩量，并且可以降低主冷凝器的加热功率。因此，在氧产量保持不变的情况下，可以从高压塔中移除更多的加压氮，这在本发明的范围内是特别需要的。
在常规的粗氩塔中，可以获得粗氩并在下游的纯氩塔中进行制备以形成氩产物。相比之下，出于上文所解释的目的，氩排放塔主要用于氩排放。“氩排放塔”原则上可以理解为意指用于氩-氧分离的分离塔，其不是用于获得纯氩产物，而是用于从高压塔和低压塔中待分离的空气中排放氩。它的互连与经典粗氩塔的互连稍有不同，但它含有的理论塔板显著更少，特定来说少于40个，特别是在15个与30个之间。与粗氩塔一样，氩排放塔的贮槽区(sump region)连接至低压塔的中间点，并且氩排放塔由顶部冷凝器冷却，在该顶部冷凝器的蒸发侧上通常引入来自高压塔的膨胀的贮槽液体。氩排放塔通常没有贮槽蒸发器。
这里特别有利的是，使用粗氩塔和纯氩塔，分别操作顶部冷凝器，在该顶部冷凝器中使来自高压塔的贮槽的富氧液体、特别是先前穿过逆流过冷器的富氧液体部分地蒸发。在这种情况下，未蒸发的级分分别以液体形式进料至低压塔中。来自纯氩塔顶部冷凝器的未蒸发级分的进料在这里有利地在来自粗氩塔顶部冷凝器的未蒸发级分的进料上方5至15个理论分离级处进行，并且来自粗氩塔的顶部冷凝器的未蒸发级分的进料又在第一流体的移除和第二流体的反馈的上方进行。以这种方式，可以实现“氩优化的”分离，使得可以从高压塔中相应地移除更大量的富氮流体。
本发明还涉及用于获得一种或多种空气产物的设备，关于其特征可参考相应的独立专利权利要求。
对于根据本发明提出的空气分离设备的特征和优点，应当明确地参考上文关于根据本发明提出的方法给出的解释。这也相应地适用于空气分离设备，该空气分离设备被设置用于进行上文详细解释的方法，并且具有用于该方法的相应装置。
下文参考附图更详细地解释本发明，所述附图图解说明本发明的优选实施方案。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备的示意图。
图2显示了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备的示意图。
图3显示了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备的示意图。
图4显示了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备的示意图。
具体实施方式
在图1中，以简化的示意图显示了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备，并用100表示。
在空气分离设备100中，进料空气流a(AIR)借助于主空气压缩机1经由过滤器2被吸入并且被压缩至在这里称为第一压力水平的压力水平。主空气压缩机1可以特别地设计成具有中间冷却的多个级。分配给主空气压缩机1的冷却器显示为多个相应冷却器的代表并且由3表示。
在空气分离设备100中进行的空气分离方法是上文解释的高空气压力方法，使得第一压力水平比空气分离设备100的精馏塔系统(见下文)的高压塔14的操作压力水平高至少3巴，并且该操作压力水平在这里称为第二压力水平。
被压缩至第一压力水平的进料至精馏塔系统的全部空气量在这里称为进料空气量。该进料空气量首先在冷却器件4中以进料空气流a的形式被冷却，并且随后在吸附器件5中至少大部分地释放水和二氧化碳。关于冷却器件4和吸附器件5的操作原理，应参考例如
Figure BDA0001681849810000121
(见上文)的专业文献。冷却器件4以利用冷却水(H2O)描述的方式操作；吸附器件5用再生气体再生，该再生气体在其使用后可以排到大气(ATM)中。因此，为了更好地区分用b来表示被冷却和纯化的进料空气流a，其首先被分成两个部分流c和d。
部分流c在增压器6中达到高于第一压力水平的压力水平，该增压器机械连接至膨胀涡轮机7，并且在后冷却器中冷却之后再次分成两个部分流e和f，所述部分流被供应至空气分离设备100的主热交换器9。由于部分流e在环境温度或更高但至少在0℃以上的温度水平被供应至增压器6，所以该增压器也称为温增压器。部分流e以中间温度水平从主热交换器9中移除、在膨胀涡轮7中膨胀并且以至少部分气态进料至高压塔14中。部分流f在冷侧上从主热交换器9中移除并经由节流阀10以液体状态进料至高压塔14中。因此，部分流f是第一节流流。
同样将部分流c再次分成两个部分流g和h，其被供应至空气分离设备100的主热交换器9。部分流g以中间温度水平从主热交换器9中移除，在膨胀涡轮机11中膨胀，该膨胀涡轮机机械连接至增压器12，并且以至少部分气态进料至高压塔14中。在这种情况下，其预先与部分流e组合。如下文所解释，由于显著低于环境温度但至少显著低于0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃的流体被供应至增压器12，所以该增压器也称为冷增压器。部分流h在冷侧上从主热交换器9中移除，并经由节流阀13以液体状态进料至高压塔14中。在这种情况下，其预先与部分流f组合或直接进料至高压塔14中。因此，部分流h是第二节流流。
空气分离装置100中的精馏塔系统包括已经提到的高压塔14、低压塔15、粗氩塔16和纯氩塔17，其操作原则上可以从开始时所引用的专业文献中获得。
空气分离设备100被设计用于内部压缩。在所提出的实施例中，出于此目的，呈物质流i形式的富氧贮槽产物以液体形式从低压塔15中移除，并且其物质流k形式的级分在内部压缩泵18中达到约30巴(a)或更高的压力水平(例如超临界压力水平)，在主热交换器9中蒸发或从液体状态转变为超临界状态，并且在设备的外围作为内部压缩的富氧空气产物(GOX IC)排出。物质流i的另一级分未被内部压缩，而是以物质流l的形式传递至设备的外围，并且作为液体氧产物(LOX)排出。在这种情况下，温度可以通过使物质流l部分地穿过逆流过冷器19来设定。
物质流m形式的富氧液体可以从高压塔14的贮槽中去除。物质流m可以穿过逆流过冷器19并随后分成几部分进料至粗氩塔16和纯氩塔17的顶部冷凝器的相应蒸发空间中。从这些蒸发空间中移除的液体和气态级分被进料至低压塔15中。粗氩塔16和纯氩塔17以已知的方式操作。特别地，物质流n形式的富氩流体在低压塔15的合适位置处被移除，并且在粗氩塔16中耗尽了氧，该氧被返回至低压塔15中。含氮的粗氩以物质流o的形式转移至纯氩塔中，在该纯氩塔中特别是可以分离氮并将其排到大气(ATM)中。液氩(LAR)可作为产物在设备的外围排出。
气体可以从低压塔15的顶部排出并且以物质流p的形式通过逆流过冷器19并随后通过主热交换器9(也参见链接A)，并且可以通过作为在加热装置20中预热后的吸附装置5中的上述再生用气体的一部分使用。原则上也可以将其排到大气(ATM)中，例如在不需要再生气体的时候。液体富氮物质流q可以从低压塔15上部区域中的塔盘中抽出并作为液体产物(LIN)在设备的外围排出。
液体空气可以物质流r的形式从高压塔14中抽出、穿过逆流过冷器19并且被进料至低压塔15中。物质流s形式的富氮气体可以从高压塔的顶部抽出。该气体可以在主冷凝器21中以物流t的形式部分地液化，以热交换的方式连接高压塔14和低压塔15，并且用作回流至高压塔14，并且也穿过逆流过冷器19并且被进料至低压塔15中。
在所阐释实施方案中，本发明的另一方面是处理未穿过主冷凝器21的物质流s的级分。由于该级分已经从高压塔中移除，所以它处于该高压塔的压力水平，即第二压力水平，并且在所示的实例中以物质流u的形式在冷侧上供应至主热交换器9。部分流v在温热侧上从主热交换器9中移除并且作为(例如)密封气体提供。
另一部分流w以中间温度水平,在这里称为第一温度水平,从主热交换器9中移除，并且在已经提到的增压器12中达到高于第二压力水平的压力水平，其在这里称为第三压力水平。进而，部分流w的部分流x再次被供应至主热交换器9，在冷侧上从该主热交换器中移除，即冷却至在这里称为第三温度水平的温度水平，经由节流阀22以液体状态膨胀，并返回至高压塔14的上部区域中。因此，部分流x是另一节流流。
另一方面，部分流w的另一部分流y在主热交换器9中升温至在这里称为第二温度水平的温度水平，并且作为气态加压氮产物在设备的外围排出。
换句话说，这里呈以物质流u的形式以第二压力水平从高压塔15中移除并通过使用主热交换器9升温的富氮流体的物质流y和x的形式的第一部分量和第二部分量通过使用主热交换器9而升温至第一温度水平，以该温度水平被供应至增压器12，并且通过使用增压器12被进一步压缩至第三压力水平。在压缩至第三压力水平之后，第一部分量(即物质流y)通过使用主热交换器9而升温至高于第一温度水平的第二温度水平，并从空气分离设备中永久地排放。在压缩至第三压力水平之后，第二部分量(即物质流x)通过使用主热交换器9而冷却至第三温度水平，膨胀至第二压力水平并返回至高压塔15中。
图2显示了根据本发明另一实施方案的空气分离设备的示意图，没有给出组件的描述，其已经结合图1进行了解释。也不再为所述组件提供名称。
如图2所图解说明，在主冷凝器21中液化的富氮气体的一部分与根据设备100或图1的物质流k(参见图2中的链接X)相当，其也是借助于另一内部压缩泵201被压缩，在主热交换器9中升温，并随后作为内部压缩的气态氮产物(GAN IC)提供。
图3显示了根据本发明另一实施方案的空气分离设备的示意图。再一次，没有给出组件的描述,其已经结合图1或2进行了解释。也不再为所述组件提供名称。
如图3所图解说明，代替由部分流c形成的部分流g，部分流d的另一部分流301也可以替代地供应至膨胀涡轮机11，该另一部分流由于增压器6中的压缩而处于高于部分流c的压力水平。在这种情况下不形成部分流g。
图4显示了根据本发明另一实施方案的空气分离设备的示意图。如前所述，这里也没有给出已经结合前面的附图解释过的组件的描述，并且在这里也不再为它们提供名称。
如图4所示，增压器12也可以通过使用外部能量来驱动，例如通过使用电动机M来驱动。以这种方式，可以省去单独提供物质流g(图1)或301(图3)。

Claims (16)

1.使用空气分离设备(100)获得一种或多种空气产物的方法，所述空气分离设备(100)具有精馏塔系统(14-17)，以及具有主热交换器(9)和主空气压缩机(1)，所述精馏塔系统包括高压塔(14)和低压塔(15)，其中
-将供应至所述精馏塔系统(14-17)的全部空气在所述主空气压缩机(1)中压缩至第一压力水平，以第二压力水平操作所述高压塔(14)，所述第二压力水平比所述第一压力水平低至少3巴，其中待供应至所述精馏塔系统的进料空气在主热交换器中冷却并在冷却之前纯化，并且
-在所述第二压力水平从所述高压塔(14)中移除气态富氮流体，并以气态升温而不进行预先液化，
其中，在所述主热交换器中将所述气态富氮流体的第一部分量升温至-150至-100℃的第一温度水平，其中在此第一温度水平将所述气态富氮流体的第一部分量供应至增压器(12)，在所述增压器(12)中进一步将所述气态富氮流体的第一部分量压缩至第三压力水平，并且其中压缩至所述第三压力水平后，在所述主热交换器中使所述气态富氮流体的第一部分量升温至高于所述第一温度水平的第二温度水平，并之后从所述空气分离设备(100)中永久地排放。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使所述气态富氮流体的第二部分量与所述第一部分量一起升温至所述第一温度水平，在此温度水平将其供应至所述增压器(12)，并且使用所述增压器(12)进一步压缩至所述第三压力水平，使压缩至所述第三压力水平后的所述第二部分量冷却至低于所述第一温度水平的第三温度水平，随后膨胀至所述第二压力水平，并且返回至所述高压塔(14)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中使未压缩至所述第三压力水平的所述富氮流体的第三部分量升温至所述第一温度水平，并且从所述空气分离设备(100)中永久地排放。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中使用所述主热交换器(9)将所述第一部分量和所述第二部分量升温至所述第一温度水平，和/或使用所述主热交换器(9)使所述第一部分量升温至所述第二温度水平，和/或其中使用所述主热交换器(9)使所述第二部分量冷却至所述第三温度水平。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第三压力水平处于8至12巴。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中使所述增压器(12)机械连接至膨胀涡轮机(11)中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在连接至所述增压器(12)的所述膨胀涡轮机(11)中，使供应至所述精馏塔系统(14-17)并且预先已使用所述主空气压缩机(9)冷却至第四温度水平并且随后进料至所述高压塔(14)中的空气的一部分膨胀至所述第二压力水平。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述增压器(12)是使用外部能量驱动。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述增压器(12)是借助于电动机(M)驱动。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二部分量包含10％至50％分数的从所述高压塔(14)中以所述第二压力水平移除并且以气态升温而不进行预先液化的气态富氮流体。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中在另一增压器(6)中将供应至所述精馏塔系统(14-17)的所述空气的一部分从所述第一压力水平压缩至第五压力水平，使用所述主热交换器(9)冷却至第五温度水平，在机械连接至所述另一增压器(6)的膨胀涡轮机(7)中膨胀至所述第二压力水平，并且随后进料至所述高压塔(14)中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述另一增压器(6)中将供应至所述精馏塔系统(14-17)的所述空气的一部分从所述第一压力水平压缩至所述第五压力水平，使用所述主热交换器(9)冷却至第六温度水平，膨胀至所述第二压力水平，并且随后进料至所述高压塔(14)中。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用所述主热交换器(9)使供应至所述精馏塔系统(14-17)的所述空气的一部分在所述第一压力水平冷却，从所述第一压力水平膨胀至所述第二压力水平，并且随后进料至所述高压塔(14)中。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述精馏塔系统(14-17)包括至少一个粗氩塔(16)，将与所述高压塔(14)的贮槽液体相关的富含氩的第一流体从所述低压塔(15)中转移至所述粗氩塔(16)中，在粗氩塔(16)中所述第一流体耗尽了氩，将在氩耗尽后剩余的所述第一流体的残余物返回至所述低压塔(15)中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使用粗氩塔(16)和纯氩塔(17)，操作顶部冷凝器，在所述顶部冷凝器中使来自所述高压塔(14)的所述贮槽的富氧液体部分地蒸发，在来自所述粗氩塔(16)的所述顶部冷凝器的未蒸发级分的进料点上方5至15个理论分离级处，将来自所述纯氩塔(17)的所述顶部冷凝器的未蒸发级分进料返回至所述低压塔(15)中。
16.用于获得一种或多种空气产物的空气分离设备(100)，其具有精馏塔系统(14-17)，并且具有主热交换器(9)和主空气压缩机，所述精馏塔系统(14-17)包括高压塔(14)和低压塔(15)，所述设备(100)具有被设计成用于以下的装置：
-在所述主空气压缩机(1)中将供应至所述精馏塔系统(14-17)的全部空气压缩至第一压力水平，并且在第二压力水平下操作所述高压塔(14)，所述第二压力水平比所述第一压力水平低至少3巴，其中待供应至所述精馏塔系统的进料空气在主热交换器中冷却并在冷却之前纯化，以及
-以所述第二压力水平从所述高压塔(14)中移除气态富氮流体，并且以气态将其升温而不进行预先液化，
其特征在于具有被设计成用于以下的装置：
在所述主热交换器中使所述气态富氮流体的第一部分量升温至-150至-100℃的第一温度水平，将所述气态富氮流体的第一部分量以所述第一温度水平供应至增压器(12)，在所述增压器(12)中将所述气态富氮流体的第一部分量进一步压缩至第三压力水平，以及其中压缩至所述第三压力水平后，在所述主热交换器中使所述气态富氮流体的第一部分量升温至高于所述第一温度水平的第二温度水平，并且之后将其从所述空气分离设备(100)中永久地排放。
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