通過低溫空氣分離產生氧的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于在精餾塔系統(tǒng)中通過低溫空氣分離產生氧的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)包括高壓塔(1)和低壓塔(2)，作為冷凝器?蒸發(fā)器構造的主冷凝器(3)和輔助塔(4)。氣態(tài)含氧餾分(12)被引入輔助塔(4)。來自高壓塔(1)、主冷凝器(3)或低壓塔(2)的含氮氣態(tài)流(19，20，20b)作為回流被供應到輔助塔(4)頂部。來自低壓塔(2)的中間位置的富氬流(29)被引入至具有除氬塔頂部冷凝器(6)的除氬塔(5)。低壓塔(2)設置在高壓塔(1)的旁邊，主冷凝器(3)設置在高壓塔(1)上方，輔助塔(4)設置在主冷凝器(3)上方，除氬塔(5)設置在輔助塔(4)上方，并且除氬塔頂部冷凝器(6)設置在除氬塔(5)上方。
【專利說明】通過低溫空氣分離產生氧的系統(tǒng)和方法
[0001]本發(fā)明涉及根據權利要求1之前序部分的通過低溫空氣分離產生氧的系統(tǒng)。
[0002]在Hausen/Linde編寫的 “Tieftemperaturtechnik” [Low-temperature technology](第2版，1985年)專著以及通過Latimer在Chemical Engineering Progress中的一篇文章(第63卷第2版，1967年，第35頁)中已概括地描述了低溫空氣分離的原理，尤其是雙塔系統(tǒng)的結構。雙塔的高壓塔和低壓塔之間的換熱關系通常由主冷凝器實現(xiàn)，在其中高壓塔的塔頂氣體與低壓塔的蒸發(fā)的貯液槽液體相逆而被液化。
[0003]本發(fā)明的精餾塔系統(tǒng)原則上可構造為經典的具有高壓塔和低壓塔的雙塔系統(tǒng)。除用于氮氧分離的兩個分離塔之外，該系統(tǒng)可具有其它用于回收其它空氣組分的裝置，特別是稀有氣體，例如氪氙回收。
[0004]本發(fā)明中主冷凝器被構造為冷凝器-蒸發(fā)器。換熱器被指定為“冷凝器-蒸發(fā)器”， 其中第一冷凝流體流進入，與第二蒸發(fā)流體流間接換熱。每個冷凝器_蒸發(fā)器具有液化空間和蒸發(fā)空間，分別由液化通道和蒸發(fā)通道組成。在液化空間中，實施第一流體流的冷凝(液化)，并且在蒸發(fā)空間，實施第二流體流的蒸發(fā)。蒸發(fā)和液化空間由彼此具有換熱關系的通道組形成。
[0005]在這種情況下，主冷凝器可被構造為單層或多層浸浴蒸發(fā)器，特別作為級聯(lián)蒸發(fā)器(例如，EP1287302Bl = US6748763B2[Linde ptxno?]中描述的)，抑或作為降膜蒸發(fā)器。其可由設置在共用的壓力容器中的單換熱區(qū)段抑或由多換熱區(qū)段形成。
[0006] “主換熱器”用于冷卻與來自精餾塔系統(tǒng)的回流間接換熱的供給空氣。其可由單換熱區(qū)段或多個并聯(lián)和/或串聯(lián)的換熱區(qū)段形成，例如由一個或多個塔板換熱區(qū)段形成。分離的換熱器不是主換熱器的一部分，其尤其用于單股液體或超臨界流體的蒸發(fā)或偽蒸發(fā)，無需加熱和/或蒸發(fā)其它流體。
[0007]相對的空間表達方式“頂”、“底”、“上方”、“下方”、“在...上”、“在...下”、“旁”、 “彼此相鄰”、“垂直”、“水平”等，這里涉及標準操作中分離塔的空間方位。兩個塔或設備部分“一個位于另一個之上”的設置在這里被理解為兩個設備部分中較低者的上端位于兩個設備部分中較高者的下端的更低或相等的地理學高度上，并且兩個設備部分的投影在水平面上相交。特別地，兩個設備部分被精確地設置成一個位于另一個之上，更確切地說，兩個塔的軸在相同的垂直直線上。
[0008]開始提到的系統(tǒng)類型和相應的方法在DE1136355B中已知。
[0009]本發(fā)明的目的是裝配這種具有特別高產氧性能的系統(tǒng)，同時將該系統(tǒng)緊湊設計， 以致盡可能是預制構件，然后運輸到構造場地。為了這種運輸，對于分離塔的高度(運輸長度)和直徑(運輸寬度)有嚴格的限制。例如，塔的最大直徑通常被規(guī)定為4.8m。
[0010]所述目標通過權利要求1的特征實現(xiàn)。具體而言，使用除氬塔和輔助塔，并且以特別有利的方式建立所述塔。
[0011] “除氬塔”這里表示用于氬氧分離的分離塔，其不用于回收純氬產物，而用于從在高壓塔和低壓塔中分離的空氣中去除氬。其中的連接僅稍微不同于粗氬塔，但它明顯包含較少的理論塔板，即少于40,特別在15和30之間。由于具有粗氬塔，除氬塔的貯液槽區(qū)域被連接至低壓塔的中間位置，并且除氬塔通過頂部冷凝器被冷卻，在其蒸發(fā)側，來自高壓塔的膨脹貯液槽的液體被引入;除氬塔沒有底部蒸發(fā)器。
[0012]在輔助塔中，供給空氣的一部分，特別是既不流入高壓塔也不流入低壓塔的渦輪膨脹空氣流的一部分被處理。
[0013]首先，為獲得特別緊湊的系統(tǒng)，采用附加于慣用塔的雙塔(即高壓塔和低壓塔)似乎是矛盾的。然而在本發(fā)明的上下文中，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)總體得到了特別高的性能和好的降解能力。根據本發(fā)明的輔助塔、除氬塔和塔設置的組合帶來特別有利的系統(tǒng)。[〇〇14]在輔助塔的頂部，優(yōu)選地第一氣態(tài)氮產物被回收，并且在低壓塔的頂部，第二氣態(tài)氮產物被回收。例如，這兩種氮產物可以被結合并且在逆流式過冷器和熱交換器中被共同加熱至約環(huán)境溫度。
[0015]在許多情況中，更有利的是使第一和第二塔頂餾分分別流入主換熱器-即在分離的通道組中-并且在這種情況下相逆于高壓塔的供給空氣加熱這些餾分。然后，例如低壓塔的頂部可在特別低的壓力下操作，例如1.0至1.6巴，其中在輔助塔的頂部，存在1.1至1.7巴高的壓力，比前者高約0.1至0.3巴，這對于以下情況是充足的:使用來自輔助塔的第一氣態(tài)頂部餾分的頂部氣體作為再生氣體用于空氣凈化的分子篩站。由于該特別低的低壓塔壓力，系統(tǒng)的能量消耗被降低。
[0016]在本發(fā)明其它的實施例中，來自除氬塔頂部冷凝器的蒸發(fā)空間的氣體被引入輔助塔。該氣體可預先與含氧量等于或高于空氣中的含氧量的氣態(tài)餾分混合，并且在此共同被供給輔助塔，例如在貯液槽中?？蛇x的，僅僅來自除氬塔頂部冷凝器的氣體被引入輔助塔的貯液槽，而其它氣態(tài)餾分在傳質截面以上的中間位置。結果，低壓塔可更集中地解除從而增加整個系統(tǒng)的性能。
[0017]更有利的是，用于將氣態(tài)餾分引入輔助塔的裝置被構造為用于將渦輪膨脹空氣引入輔助塔的裝置，所述氣態(tài)餾分的含氧量等于或高于空氣中的含氧量。因此，渦輪空氣或者僅僅一部分需要被引入低壓塔。
[0018]根據權利要求7至13,本發(fā)明另外涉及通過低溫空氣分離產生氧的方法。
[0019]參照附圖中示意性示出的典型實施例，下文更加詳細地討論了本發(fā)明以及本發(fā)明的其他細節(jié)。在圖中:
[0020]圖1示出本發(fā)明的第一典型實施例，其具有輔助塔和低壓塔的兩個頂部餾分的組合，
[0021]圖2示出第二典型實施例，其具有兩個頂部餾分的分離傳導，
[0022]圖3示出第三典型實施例，將氣體從除氬塔頂部冷凝器引入輔助塔，并且 [〇〇23]圖4示出圖3的改進，其在輔助塔中具有傳質截面。
[0024]圖1中僅示出具有附屬設備如膨脹渦輪106、110、114的主換熱器103。在圖2至4的典型實施例中，即使未在圖中示出，其呈現(xiàn)的也完全相同。
[0025]圖1中系統(tǒng)的精餾塔系統(tǒng)具有高壓塔1、低壓塔2、主冷凝器3、輔助塔4、除氬塔5和除氬塔頂部冷凝器6。在典型實施例中，主冷凝器3構成為六層級聯(lián)蒸發(fā)器，并且除氬塔頂部冷凝器6構成為單層浸浴蒸發(fā)器。輔助塔，例如20,包含實際塔板或理論塔板。如果使用有序填料，其優(yōu)點是選擇特別高的特定表面面積，例如1200m2/m3。[〇〇26]壓縮和凈化的供給空氣在三種不同壓力下提供。第一壓力主要在管線101中。第一壓力下的空氣的第一部分102在主換熱器103中被冷卻至冷端，并且形成空氣流102a。第一壓力下的空氣的第二部分104在主換熱器103中被冷卻至中間溫度。中間溫度105下的空氣被供給第一膨脹渦輪106并且在那里做功膨脹。渦輪膨脹的空氣107形成“第三供給空氣流” 并且經由管線12流過輔助塔4。
[0027]第二更高壓力下的空氣108在主換熱器103中被冷卻至中間溫度，經由管線109通往第二膨脹渦輪110并且做功膨脹以形成空氣流111。[〇〇28]在仍然更高的第三壓力下，如果壓力是超臨界的，則另一空氣流，稱為節(jié)流流112， 在主換熱器中被冷卻并且被液化或者偽液化。這里與其名稱相反，液態(tài)或超臨界的節(jié)流流 113不是節(jié)流膨脹，而是在液渦輪(稠密液渦輪)114中做功膨脹。所得的液體空氣8形成“第二供給空氣流”。[〇〇29]第一供給空氣流7由空氣流102a和111形成，并且以氣態(tài)形式被引入高壓塔1，更確切地說直接在貯液槽之上。第二供給空氣流8稍微更高地主要以液態(tài)形式供給到高壓塔1 中。其中的部分9被直接撤回，在逆流式過冷器10中被冷卻并且經由管線11被引入低壓塔2。 來自膨脹渦輪106的第三供給空氣流107以氣態(tài)形式經由管線12供給到輔助塔4的貯液槽中。
[0030]與典型實施例背離，液體空氣流11，其一部分或不同的液體空氣流，可流過輔助塔 4,特別是在中間位置。此外輔助塔不像典型實施例中僅有一個傳質部分，而具有兩個傳質部分，其間供給有液體空氣。
[0031]高壓塔1的頂部氮的一部分13在主冷凝器3中被冷凝。產生的產物液氮14被供給回到第一高壓塔1中的第一部分15并且在那里作為回流。第二部分16/17在逆流式過冷器10中被冷卻并且作為液氮產物(LIN)回收。來自主冷凝器3的液氮14的第三部分18被供給內部壓縮并且最后作為氣態(tài)壓力產物(GANIC)回收。來自高壓塔1中間位置的不純液氮19在逆流式過冷器10中過冷。過冷后的不純氮20在第一部分20a中供給低壓塔2的頂部。剩余的部分經由管線20b流至輔助塔的頂部。
[0032]來自高壓塔貯液槽的液態(tài)粗氧21同樣被引至逆流式過冷器10,然后經由管線22流入除氬塔頂部冷凝器6的蒸發(fā)空間。在蒸發(fā)空間形成的氣體23a在中間點被供給低壓塔2,正如保持液態(tài)的餾分24和輔助塔4的貯液槽液25。
[0033]輔助塔4的頂部產物作為第一氣態(tài)頂部餾分26b經由管線27和28被引至逆流式過冷器10,并且進一步至主換熱器103,最后作為第一氣態(tài)氮產物回收或作為再生氣體供給空氣凈化，其未被不出。低壓塔2的頂部產物作為第二氣態(tài)頂部餾分26a離開，結合第一氣態(tài)頂部餾分26b，經由管線27和28流過逆流式過冷器10，并且進一步至主換熱器103，并最后作為第二氣態(tài)氮產物(與第一氣態(tài)氮產物共同)被回收。高壓塔1的頂部氮45在主換熱器103中被加熱并且作為中間壓力氮產物(MPGAN)回收;一部分可作為密封氣體(SEALGAS)使用。[〇〇34]從低壓塔2的中間位置，富氬流29離開并且流至除氬塔5。液體30以逆流方式從除氬塔5的貯液槽流回至低壓塔中。[〇〇35]除氬塔的頂部氣體38流入除氬塔頂部冷凝器6的液化空間，在此產生的液體39作為回流供給除氬塔5。具有高氬含量的剩余的氣體40在主換熱器103中的分離的通道組中被加熱。[〇〇36]低壓塔2之貯液槽中的液氧的第一部分33經由管線31和栗32流入主冷凝器3的蒸發(fā)空間。該處產生的氣體34和剩余的液體35被供給回到低壓塔2中。如果那里有液氧產物 (LOX)需求，為了該目的，低壓塔2貯液槽中的液氧的第二部分36可被使用，可選擇地在逆流式過冷器10中冷卻后。第三部分37被供給到內部壓縮，然后形成系統(tǒng)的主要產物，即氣態(tài)壓力氧產物(GOXIC)。[〇〇37]塔和冷凝器用以下方式設置:[〇〇38]_低壓塔2矗立在高壓塔1 一側。[〇〇39]-主冷凝器3位于高壓塔1上方。
[0040]-輔助塔4設置在主冷凝器3上方。
[0041]-除氬塔5位于輔助塔4上方。
[0042]-除氬塔頂部冷凝器6安裝在除氬塔5上方。
[0043]可選地，輔助塔4和除氬塔5可用以下方式設置:
[0044]-輔助塔4設置在低壓塔2上方。
[0045]-除氬塔5位于主冷凝器3上方。
[0046]-除氬塔頂部冷凝器6安裝在除氬塔5上方。[〇〇47]圖2唯一不同于圖1的僅僅是來自低壓塔2的第二液態(tài)頂部餾分(26a)被引入管線 27、28和逆流式過冷器10。相比之下，第一氣態(tài)頂部餾分26b被引入逆流式過冷器并且流過主換熱器中的分離的通道。該特征也在隨后的圖3和4中的系統(tǒng)中被實現(xiàn)。
[0048]在圖3中，僅僅來自除氬塔頂部冷凝器蒸發(fā)空間的氣體23的一部分23a流入低壓塔 2。剩余的部分23b，更確切地說與渦輪膨脹空氣共同流入輔助塔4。[〇〇49]在圖4中，輔助塔4具有其它傳質部分41，其中來自除氬塔頂部冷凝器6的氣體23b 在該傳質部分之下、渦輪膨脹空氣12之上被引入。
【主權項】
1.通過低溫空氣分離產生氧的系統(tǒng)，具有 -高壓塔(1)和低壓塔(2)，-主冷凝器(3)，其被構成為冷凝器-蒸發(fā)器，其中所述主冷凝器(3)的液化空間被流體 連接(13，14，15)至高壓塔(2)的頂部，而所述主冷凝器(3)的蒸發(fā)空間被流體連接(31，33， 34,35)至低壓塔(2)，-連接至所述低壓塔(2)的氧產品管線(37)，_輔助塔(4)，-用于將氣態(tài)餾分(12)引入輔助塔(4)之貯液槽部分的裝置，所述氣態(tài)餾分的氧含量等 于或高于空氣中的氧含量，并且具有-用于將來自所述高壓塔(1)、主冷凝器(3)或低壓塔(2)的液態(tài)流作為回流引入輔助塔 (4)頂部的回流液體管線(19,20,20b)，其中所述液態(tài)流的氮含量至少等于空氣的氮含量， 其特征在于-除氬塔(5 )，其被流體連接(29，30)至所述低壓塔(2)的中間位置，-除氬塔頂部冷凝器(6)，其被構成為冷凝器-蒸發(fā)器，其中所述除氬塔頂部冷凝器(6) 的液化空間被流體連接(38,39)至所述除氬塔(5)的頂部，-粗氧管線(21，22)，其用于將液態(tài)粗氧從所述高壓塔(1)的貯液槽引入所述除氬塔頂 部冷凝器(6)的蒸發(fā)空間，并且 -塔如下構造，其中-所述低壓塔(2)設置在所述高壓塔(1)的旁邊，-所述主冷凝器(3)設置在所述高壓塔(1)上方，-所述輔助塔(4)設置在所述主冷凝器(3)上方，-所述除氬塔(5)設置在所述輔助塔(4)上方，并且 -所述除氬塔頂部冷凝器(6)設置在所述除氬塔(5)上方。2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用于從所述輔助塔(4)回收第一氣態(tài)頂部餾 分(26b)作為第一氣態(tài)氮產物的裝置。3.根據權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于用于從所述低壓塔(2)回收第二氣態(tài)頂 部餾分(26a)作為第二氣態(tài)氮產物的裝備。4.根據權利要求2和3所述的系統(tǒng)，其特征在于用于分別使所述第一和第二頂部餾分由 主換熱器(103)中通過的裝置(2613,27,28)，從而使得這些餾分相逆于高壓塔(1)的供給空 氣(102，108，112)被加熱。5.根據權利要求1至4任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于將氣體(23)從所述除氬塔頂部冷 凝器(6)的蒸發(fā)空間引入輔助塔(4)的裝置。6.根據權利要求1至5任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于將氣態(tài)餾分引入所述 輔助塔的裝置被構造為將渦輪膨脹空氣(12)引入輔助塔(4)的裝置，所述氣態(tài)餾分的含氧 量等于或高于空氣中的含氧量。7.在精餾塔系統(tǒng)中通過低溫空氣分離產生氧的方法，所述精餾塔系統(tǒng)包括 -高壓塔(1)和低壓塔(2)，-主冷凝器(3)，其被構成為冷凝器-蒸發(fā)器，其中所述主冷凝器(3)的液化空間被流體 連接(13，14，15)至高壓塔(2)的頂部，而所述主冷凝器(3)的蒸發(fā)空間被流體連接(31，33，34,35)至低壓塔(2)，和 -輔助塔(4)，其中-氧氣流(37)從低壓塔(2)排出并且作為氧產物回收，-氧含量等于或高于空氣中的氧含量的氣態(tài)餾分(12)被引入所述輔助塔(4)的貯液槽 區(qū)域，-來自所述高壓塔(1)、主冷凝器(3)或低壓塔(2)的液態(tài)流(19,20,20b)作為回流被供 給所述輔助塔(4)的頂部，其中所述液態(tài)流的氮含量至少等于空氣中的氮含量，其特征在于-富氬流(29)從所述低壓塔(2)的中間位置引入除氬塔(5)，-用于所述除氬塔(5)的回流在構造為冷凝器-蒸發(fā)器的除氬塔頂部冷凝器(6)中產生， 其中所述除氬塔頂部冷凝器(6)的液化空間被流體連接至所述除氬塔(5)的頂部，-粗氧(21，22)從所述高壓塔(1)的貯液槽引入所述除氬塔頂部冷凝器(6)的蒸發(fā)空間 中，_其中-所述低壓塔(2)設置在所述高壓塔(1)的旁邊，-所述主冷凝器(3)設置在所述高壓塔(1)上方，-所述輔助塔(4)設置在所述主冷凝器(3)上方，-所述除氬塔(5)設置在所述輔助塔(4)上方并且 -所述除氬塔頂部冷凝器(6)設置在所述除氬塔(5)上方。8.根據權利要求7所述的方法，其中，第一氣態(tài)頂部餾分(26b)從輔助塔(4)被回收作為第一氣態(tài)氮產物。9.根據權利要求7或8所述的方法，其中，第二氣態(tài)頂部餾分(26a)從低壓塔(2)被回收 作為第二氣態(tài)氮產物。10.根據權利要求8和9所述的方法，其中，所述第一和第二頂部餾分(26b，27,28)分別 由主換熱器(103)中通過，從而使得這些餾分相逆于高壓塔(1)的供給空氣(102,108,112) 被加熱。11.根據權利要求7至10任一項所述的方法，其中，來自所述除氬塔頂部冷凝器(6)之蒸 發(fā)空間的氣體(23b)被引入所述輔助塔(4)。12.根據權利要求1至5任一項所述的方法，其特征在于，所述氧含量等于或高于空氣中 的氧含量的氣態(tài)餾分由渦輪膨脹空氣(12)形成。13.根據權利要求7至12任一項所述的方法，其特征在于，所述低壓塔(2)設置在所述高 壓塔(1)的旁邊，所述主冷凝器(3)設置在所述高壓塔(1)上方，所述輔助塔(4)設置在所述 主冷凝器(3)或所述低壓塔(2)上方，所述除氬塔(5)設置在所述輔助塔(4)上方或與所述輔 助塔(4)等高或在所述主冷凝器(3)上方，并且所述除氬塔頂部冷凝器(6)設置在所述除氬 塔(5)上方。
【文檔編號】F25J5/00GK106016969SQ201610321234
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】T·勞滕施萊格, S·洛赫納
【申請人】林德股份公司