用于以可變的能量消耗通過(guò)空氣的低溫分離產(chǎn)生氧的方法和裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】用于以可變的能量消耗通過(guò)空氣的低溫分離產(chǎn)生氧的方法和裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)專利權(quán)利要求1之前序部分所述的方法。本發(fā)明的方法和裝置特別適于產(chǎn)生氣態(tài)的不純的氧。在此“不純的氧”被理解為具有少于98%mol純度的產(chǎn)品。
[0002]用于空氣的低溫分離的方法和裝置是已知的，例如，出自豪森/林德(Hausen/Linde)，1^6；1^611^)6瓜1:111^6(31111丨1<:，第二版，1985，第4章(第281-337頁(yè))。
[0003]蒸餾塔系統(tǒng)可以是雙塔系統(tǒng)的形式(例如傳統(tǒng)的林德(Linde)雙塔系統(tǒng)的形式)或可選地為具有三個(gè)或更多個(gè)塔的形式。除用于氮氧分離的塔之外，它還可以具有用于產(chǎn)生高純產(chǎn)品和/或其它空氣成分(特別是稀有氣體，例如氬產(chǎn)品和/或氪-氙產(chǎn)品)的裝置。
[0004]本文的“低壓塔”被理解為均勻的蒸餾區(qū)域，其中除在物質(zhì)交換元件中的自然壓力損失之外，壓力為恒量。該蒸餾區(qū)域可以布置在一個(gè)或多個(gè)容器中。
[0005]“主熱交換器”用于冷卻與來(lái)自蒸餾塔系統(tǒng)的返回流間接熱交換的供給空氣。它可以是單個(gè)熱交換器部分或并聯(lián)和/或串聯(lián)的多個(gè)熱交換器部分的形式，例如一個(gè)或多個(gè)板式熱交換器單元。
[0006]“冷凝器-蒸發(fā)器”涉及一種熱交換器，其中第一冷凝流體流與第二蒸發(fā)流體流發(fā)生間接熱交換。每個(gè)冷凝器-蒸發(fā)器具有液化空間和蒸發(fā)空間，其分別由液化通道和蒸發(fā)通道組成。在液化空間中實(shí)施第一流體流的冷凝(液化)；在蒸發(fā)空間中實(shí)施第二流體流的蒸發(fā)。所述蒸發(fā)和液化空間由多組通道形成，這些通道彼此之間是熱交換關(guān)系。
[0007]“側(cè)冷凝器”被理解為冷凝器-蒸發(fā)器，其設(shè)計(jì)成幾乎專門用于將來(lái)自冷凝過(guò)程流蒸發(fā)的潛熱間接傳遞至與第二冷凝過(guò)程流相對(duì)的蒸發(fā)過(guò)程流，且其不適于或基本不適于顯熱的傳遞。所述“側(cè)冷凝器”由獨(dú)立于其他熱交換器的熱交換器形成，特別是主熱交換器或過(guò)冷卻逆流熱交換器，二者通常單獨(dú)地或主要地用于純的氣態(tài)流的熱交換。
[0008]本文中流的“量”是指物質(zhì)流率，例如以Nm3/h為單位。
[0009]在本申請(qǐng)中，過(guò)程參數(shù)例如質(zhì)量流或壓力多次被描述為，其在一個(gè)運(yùn)行模式中比在另一個(gè)運(yùn)行模式中“更小”或“更大”。這意味著通過(guò)調(diào)整和/或控制裝置有目的地改變相應(yīng)參數(shù)，而不是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)內(nèi)的自然變化。這些有目的的改變可通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)自身直接地作用，或通過(guò)調(diào)節(jié)影響被改變參數(shù)的其他參數(shù)間接地作用。特別地，當(dāng)不同運(yùn)行模式中的參數(shù)平均值之間的差大于2%，特別是大于5%，特別是大于10%時(shí)，參數(shù)為“更大”或“更小”。
[0010]“第一液氧流”是從低壓塔排出并引入到側(cè)冷凝器的蒸發(fā)空間中的液氧的質(zhì)量流。它可以是從低壓塔排出的液氧的總量。然而，例如當(dāng)液氧產(chǎn)品額外地從低壓塔獲得并供給至液罐，第一液氧流也可以由從低壓塔排出的僅一部分液氧組成。如果從側(cè)冷凝器的蒸發(fā)空間提取液氧產(chǎn)品，則它通常由“第一液氧流”的一部分形成。反之，除第一液氧流之外，大體上可將液氧供給至側(cè)冷凝器。
[0011]“第二液氧流”表示引入到側(cè)冷凝器的蒸發(fā)空間中的液氧的總量與第一液氧流之間的差。例如第二液氧流從液罐排出。液罐可單獨(dú)地由外部源充裝，單獨(dú)地由來(lái)自低壓塔(如在施普林曼(Springmann)中，參見下文)的液氧充裝，或部分由外部液氧充裝而部分由蒸餾塔系統(tǒng)特別是低壓塔或側(cè)冷凝器的蒸發(fā)空間中形成的液氧充裝。
[0012]開頭所述的方法類型和相應(yīng)的裝置是已知的，出自施普林曼(Springmann)，“Energieeinsparung”，林德-論文集 “Luftzerlegungsanlagen”，1980年 10月15 日至 17 日的林德股份公司的第四次研討會(huì)，文章H。其中示出了具有兩個(gè)液罐的可選擇的儲(chǔ)存方法。然而，憑借具有可變產(chǎn)量的蒸餾塔系統(tǒng)實(shí)施該方法不具有恒定的生產(chǎn)能力，而是依賴于可變的能量消耗而具有可變的運(yùn)行。當(dāng)能源價(jià)格低時(shí)，產(chǎn)生氧作為庫(kù)存，并存儲(chǔ)在液罐中。當(dāng)能源價(jià)格高時(shí)，將空氣的量減少，且將一部分氧產(chǎn)品從庫(kù)存中排出。因此，作用在庫(kù)存氧上的分離功可用于能量?jī)?chǔ)存。根據(jù)該教導(dǎo)，在便宜能量時(shí)期，在工廠中液體空氣由液氧替代，那就是說(shuō)將液氧供給到罐中，而將等量的液體空氣從相應(yīng)的罐供給到蒸餾塔系統(tǒng)中。反之，在高電價(jià)時(shí)期，將來(lái)自罐的液氧供給到系統(tǒng)中，并儲(chǔ)存液體空氣。因此，幾乎僅僅儲(chǔ)存的氧分子被用于能量?jī)?chǔ)存;在高電價(jià)時(shí)期，主空氣壓縮機(jī)必須傳送相應(yīng)的更少的分離空氣。
[0013]本發(fā)明的根本目的在于在能量?jī)?chǔ)存方面提高此類方法的效率。
[0014]該目的通過(guò)專利權(quán)利要求1所描述的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0015]與傳統(tǒng)的林德雙塔不同，雖然其也用于施普林曼，但是主冷凝器不是配置為低壓塔的底部蒸發(fā)器，而是中間蒸發(fā)器。它可布置在低壓塔內(nèi)或分離容器中。低壓塔的底部通過(guò)附加冷凝器加熱，所述附加冷凝器通過(guò)冷壓縮的氮流加熱。來(lái)自低壓塔下部區(qū)域的氧流，其在附加冷凝器中蒸發(fā)，優(yōu)選地來(lái)自材料交換元件(填料或塔板)的最下層，在這種情況下，附加冷凝器建在低壓塔的容器內(nèi)；可選地，它可從低壓塔的底部抽取，特別是當(dāng)附加冷凝器被布置在分離容器中時(shí)。在兩種情況下，側(cè)冷凝器的第一液氧流優(yōu)選地從附加冷凝器的蒸發(fā)空間(在附加冷凝器建在塔內(nèi)的情況下，其同時(shí)構(gòu)成低壓塔的底部)排出。所有的冷凝器-蒸發(fā)器因而可以是水浴蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器或者也可以是不同類型的冷凝器-蒸發(fā)器的形式。
[0016]此類冷凝器配置本身從US 6626008B1或US 2008115531A1中可知，但僅用于在穩(wěn)態(tài)條件下內(nèi)部壓縮過(guò)程中運(yùn)行的方法，液氧流的蒸發(fā)發(fā)生在主熱交換器中，供給空氣也在其中冷卻，而不是在分離的側(cè)冷凝器中。盡管US 2008115531 A1涉及具有可變能量消耗的運(yùn)行，但使用這種方法僅能實(shí)現(xiàn)小范圍的變化。
[0017]首先，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)避免使在冷壓縮機(jī)中壓縮的第一數(shù)量的氮發(fā)生變化，因?yàn)檫@意味著附加冷凝器的可變運(yùn)行以及由此在低壓塔中蒸餾的可變運(yùn)行，其原則上使得分離過(guò)程效率降低，在不利的環(huán)境下，會(huì)與塔中的材料交換發(fā)生非常大的干涉。
[0018]僅在本發(fā)明的范圍內(nèi)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變?cè)诶鋲嚎s機(jī)中壓縮并用于加熱低壓塔底部的氮量，可以不僅有效地利用包含在將要供給的液氧中的分離功，還有效地利用包含其中的冷量(也為了部分地補(bǔ)償在液化方面與其相關(guān)的花費(fèi))。這可以作如下解釋:在第二運(yùn)行模式中，附加冷凝器的蒸發(fā)能力增加，而主冷凝器的蒸發(fā)能力相應(yīng)地減少。增加附加冷凝器的蒸發(fā)能力會(huì)增加氣體負(fù)荷，并減少在低壓塔的最后(下層)部分的回流比。這所產(chǎn)生的結(jié)果是將在主冷凝器中蒸發(fā)的液體中的氧含量降低，并且高壓塔(其原則上相當(dāng)于主空氣壓縮機(jī)的輸出壓力減去壓力損失)中的壓力相應(yīng)地減少。由于在主空氣壓縮機(jī)中的較低的壓比-除在量上的減少之外-每一儲(chǔ)存的液氧量(L0X)所具有的特別大量的能量可以在第二運(yùn)行模式中節(jié)省下來(lái)。
[0019]另一方面，在US2008115531 A1中，主冷凝器的回流比和蒸發(fā)能力都不會(huì)受到影響。盡管側(cè)冷凝器的蒸發(fā)能力發(fā)生變化，但這僅用于可從外部供給的液氧的蒸發(fā)，相應(yīng)地既不能減少主冷凝器的蒸發(fā)能力，也不能減少高壓塔的運(yùn)行壓力，因而不能減少主空氣壓縮機(jī)的輸出壓力。
[0020]在本發(fā)明的內(nèi)容中，如果不通過(guò)一個(gè)或多個(gè)諸如節(jié)流閥的控制元件人為地減少主空氣壓縮機(jī)的出口與進(jìn)入高壓塔的入口之間的壓力，則未必需要用于減少主空氣壓縮機(jī)輸出壓力的特殊規(guī)則或調(diào)節(jié)措施。
[0021]在本發(fā)明其它實(shí)施方案的內(nèi)容中，第一氮流在冷壓縮機(jī)的下游和主熱交換器中的附加冷凝器的液化空間的上游被冷卻。冷壓縮機(jī)的壓縮熱因而不在附加蒸發(fā)器中減少，而在主熱交換器中減少。因此附加蒸發(fā)器特別有效地工作，特別是在第二運(yùn)行模式下。總