CN100575838C - 用于低温分离气体混合物、特别是空气的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于通过低温分离气体混合物、特别是空气以制备产物的设备,其包括用于冷却进料混合物的直接接触式冷却器(3)、用于提纯经冷却的进料混合物的提纯装置(4)以及低温部分(7)。该低温部分(7)包括将经提纯的进料混合物冷却至接近露点温度的主换热器(8a)和用于低温分离进料混合物的蒸馏塔(9a)。所述直接接触式冷却器(3)、提纯装置(4)和低温部分(7)在一条直线(101)上排列。
Description
技术领域
本发明涉及用于通过低温分离气体混合物、特别是空气以制备产物的设备,其具有用于冷却进料混合物的直接接触式冷却器、用于提纯经冷却的进料混合物的提纯装置以及低温部分,该低温部分包括将经提纯的进料混合物冷却至接近露点温度的主换热器以及用于低温分离进料混合物的蒸馏塔。
背景技术
用于低温分离空气或其它气体混合物的设备是已知的,例如Hausen/Linde,低温技术(Tieftemperaturetechnik),第二版,1985。
在本发明中,术语“低温”原则上可理解为任何低于环境温度的温度,但优选为200K或更低的温度,最优选为150K或更低的温度,如100K或更低。
在“直接接触式冷却器”中,进料混合物与诸如水的冷却剂进行直接热交换,从而被冷却。直接接触式冷却器特别用于通常与上游相连的进料气压缩机中产生的压缩热的散逸。
后序的“提纯装置”通常是指吸收装置,特别是具有至少两个循环运行的双向容器(reversible vessel)的吸收装置。该装置用于分离非期望的成分,例如可在低温部分中冻结的成分。
在“低温部分”中,首先将进料混合物冷却至接近露点温度,然后在蒸馏塔***中进行分馏。因此低温部分包括一个或更多个换热器以及一个或更多个蒸馏塔。将产物从该低温部分中以气体或液体的形式提取出。当然,也可产生多种相同或不同的聚集态以及相同或不同的化学组成的产物。为避免周围热量流入而造成的损失,通常用一个或更多个冷芯盒(coldbox)封闭低温部分以使其绝热。
“主换热器”用于通过与至少一种进料混合物流进行间接热交换以加热气体产物。
所述三个装置部件通常以所占底面积尽可能小的方式排列。在所有情况下,该排列方式均无法令人满意。
发明内容
因此,本发明是基于以下目的:进一步优化低温分离单元组件的排列,以使该单元特别经济。
本目的是通过在一条直线上排列直接接触式冷却器、提纯装置和低温部分的方式而实现的。
“在一条直线上”的排列意味着必须有至少一条水平直线截过所有上述三个装置组件的底面。本发明中,术语“底面”理解为相应的装置组件所需的固定表面,这些组件包括直接相关的诸如泵和附件的功能单元。
由于三种组件的底面具有不同尺寸,所以对于将装置的底面作为整体使用的情况,与现有技术相反的此类排列当然不是最优的。通常,直接接触式冷却器和提纯装置所占的空间小于低温部分。然而在本发明中,显著的优点大大弥补了此缺点。
在一条直线上进行排列降低了费用,特别使装置组件相互流通(flow-connecting)的费用最小化。使相应的管长度和诸如管桥的相关钢结构的尺寸最小化。这意味着,特别是在进料气体的通量例如为50,000m3/h(s.t.p)或更多,特别是300,000m3/h(s.t.p)或更多的超大型装置的情况下,投资成本显著下降。
此外,直线排列的优点在于对于安装和日常维护,原则上可以从两侧接近装置组件。这降低了装置的操作和维修成本。
压缩进料混合物的进料气体压缩机通常与直接接触式冷却器的上游相连接。在本发明中,例如其可与由直接接触式冷却器、提纯装置和低温部分组成的组相邻而横向排列。然而,若进料气体压缩机、直接接触式冷却器、提纯装置和低温部分沿一条直线排列,则是特别有利的。这进一步补充了上述优点。
所有四个装置组件沿直线排列是有利的,特别是在根据本发明的多个装置(列)彼此邻接排列的多列单元的情况下。在此情况下,不同的连接装置可排列在单个列的末端,例如位于低温部分一侧用于排出产物的管桥,和/或位于压缩机一侧的用于驱动带有相关附件的进料气体压缩机的燃气轮机或蒸汽轮机,如用于机器等的空气冷凝器、蒸汽、气体和/或冷却水的管线。然而,该装置的各个组件仍保持非常接近。
在此情况下,进料气体压缩机的驱动轴,特别优选为基本上垂直于所述直线,直接接触式冷却器、提纯装置和低温部分沿该直线排列。
选择性地,进料气体压缩机可与所述装置的剩余部分相邻地横向排列。在此情况下具体而言,进料气体压缩机的驱动轴基本上平行于所述线,而直接接触式冷却器、提纯装置和低温部分沿该直线排列。
此外,在多列装置的情况下具体而言,若上述装置组件的底面在形状上被相对拉长是有利的。更具体而言,在此情况下,包围直接接触式冷却器、提纯装置、低温部分以及若合适的进料气体压缩机的最小矩形在直接接触式冷却器和低温部分之间的连接直线方向上的长度与垂直于第一方向的方向上的长度之比大于1,特别是大于1.5。作为实例,该比例为2.0或更高,特别是3.0或更高。
然后,多个此类设备可彼此相邻地纵向排列,以形成多列装置。将用于使单个装置彼此相连的设备(如用于产物管线的管桥)沿窄边排列,由此可使该设备相对较短且廉价。
在另一个实施方案中,单个装置的底面被稍微拉长,即围绕所述直接接触式冷却器3、所述提纯装置4和所述低温部分7以及若合适的进料气体压缩机2的底面的最小矩形102;103在直接接触式冷却器3和低温部分7之间的连接直线101方向上的长度与垂直于第一方向的方向上的长度之比大于1,特别是大于1.8。
低温部分通常包括包含至少一个主换热器的换热箱、包含至少一个蒸馏塔的精馏箱以及设置在涡轮机壳内的膨胀机。若涡轮机壳设置在位于换热箱和精馏箱之间的低温部分的过渡区,则是有利的。选择性地,涡轮机壳可与换热箱直接相连。
在另一个实施方案中,将膨胀机设置于换热箱和精馏箱之间的过渡区,即所述低温部分7包括:包含至少一个主换热器的换热箱8、包含至少一个蒸馏塔的精馏箱9、设置在所述换热箱8和精馏箱9之间的过渡区10以及包含膨胀机的涡轮机壳16,所述涡轮机壳16与所述过渡区10相连接。
在通过低温分离气体混合物,特别是空气以制备产物的设备中,以下特征也可不取决于前述特征而加以使用,或与前述特征结合使用。
在此情况下,用于将进料混合物引入主换热器的进料混合物管线与用于从主换热器中提取产物流的产物管线基本上平行于主定向轴,并被设置在与主交换器相对的一侧。
“主定向轴方向”表示水平方向上的抽象直线,它通常不被装置的组件或任何其它的实际装置具体实现。
若形成的角度小于20°,优选小于10°,更优选小于5°,则两个方向“基本平行”。
该排列所提供的优点在于,排出产物的装置,例如产物管线通向其中的一个或更多个收集管线,可设置在主换热器一侧,而用于预处理进料混合物的装置可设置在与主换热器相对的一侧。这使得管线长度非常短。
将进料混合物管线和产物管线设置在彼此相对的位置上,特别使装置组件相互流通的费用最小化。使相应的管长度和诸如管桥的相关钢结构的尺寸最小化。这意味着,特别是在进物气体的通量例如为50,000m3/h(s.t.p)或更多,特别是300,000m3/h(s.t.p)或更多的超大型装置的情况下,投资成本显著下降。
该排列的优点还在于,对于装配和维修工作而言,装置组件基本上可从两侧接近。这降低了该装置的操作和维修成本。
此外,若所述设备包括收集管线,产物管线在其远离主换热器的末端通向该收集管线中,且收集管线基本上垂直于主定向轴,则是有利的。
若相应直线的夹角为70°至110°,优选为80°至100°,最优选为85°至95°,则一个方向“基本上垂直”于另一个方向。
一个或更多个收集管线可连接所述装置与可能存在的其它相同或相似的装置(列),从而形成多列装置,和/或可通向罐场(tankfarm)和/或应急供应装置。
收集管线可设置在管桥上或底板上。在后一种情况下,收集管线一般位于通常所说的轨枕上。
收集管线优选与一个或更多个另外的低温分离装置的产物管线相连。
作为可选的或额外的,所述收集管线可与产物贮存罐相连。
若在根据本发明的设备中,主换热器专门设计为同流换热器,如非双向换热器,则是有利的。
在通过低温分离气体混合物,特别是空气以制备产物的设备中,以下特征也可不取决于前述特征而加以使用,或与前述特征结合使用。
若采用蒸发冷却器,蒸发冷却器和直接接触式冷却器之间的距离与蒸发冷却器和主换热器之间的距离之比至少为0.5,特别是至少为1.0,更特别是至少为2,最特别是至少为4时,则是有利的。
因此,蒸发冷却器15设置在相对接近于主换热器。虽然这需要为冷却剂管道承担更高的费用,但用于来自低温部分的气流的管线可被显著缩短。在本发明中,该排列整体上产生相对较低的投资成本。特别是减少了用于管线和相关钢结构的费用。这部分地归因于通向蒸发冷却器的气体管线的横截面非常高(如1至2m)。
在另一个实施方案中,进料气体压缩机(2)与所述直接接触式冷却器(3)的上游相连接以压缩进料混合物,而所述进料气体压缩机(2)的驱动轴(11)与所述直线(101)的夹角为70°至110°或者小于20°,所述直接接触式冷却器(3)、所述提纯装置(4)和所述低温部分(7)在该直线上排列。
在另一个实施方案中,蒸发冷却器(15)与主换热器(8a)之间的距离(104)最多为20m,优选最多为10m。
在另一个实施方案中,蒸发冷却器与直接接触式冷却器(3)之间的距离至少为10m,优选至少为25m。
附图说明
图1所示为根据本发明的设备的示例性具体实施方案。
具体实施方式
下面基于附图中所描绘的根据本发明的设备的示例性具体实施方案更详细地描述本发明以及其他细节;所述设备被设计为空气的低温分离单元。
经入口过滤器1吸入空气作为“进料混合物”,并经进料管线51、52、53、54到达该装置的其他部分。首先,经过滤的空气51在主空气压缩机中被压缩,在实施例中该主空气压缩机构成了“进料气体压缩机”。经压缩的空气52流入直接接触式冷却器3,经压缩的空气在其中与经冷却水管道61流入的冷却水直接进行热交换,从而被冷却。经冷却的空气53向前进入包括一对分子筛吸收器5、6的提纯装置4。经提纯的空气54向前流至低温部分7。
低温部分可包括单个冷芯盒,所有低温装置都设置于其中,特别是换热器和蒸馏塔,或可选的多个分离的冷芯盒。在实施例中,存在两个分离的冷芯盒。柱状精馏箱9包括蒸馏塔9a,在此情况下是具有高压塔和低压塔的双塔,以及设置于它们之间的主冷凝器。剩余的冷却部分,特别是主换热器8a容纳于立方形的换热箱8中。两个冷芯盒8、9分别使各自的冷却装置部分与环境热量相隔绝。过渡区10也形成部分的低温部分。其同样被冷芯盒环绕;选择性地,利用相对较小的冷芯盒使位于所述过渡区10中的管线和附件隔热。
主换热器被设计为专门的同流换热器,即非双向换热器(Revex)。其例如包括一个或多个相互流通的块体(block)。所述块体优选被设计为铝板式换热器。可能的其它换热器,如一个或更多个超冷对流换热器,可类似地容纳于该换热箱中;可选地或额外地,可将一个或更多个超冷对流换热器的块体设置在该精馏箱中。精馏箱的形状可以不同于示例性的具体实施方案;作为实施例,可基本上是立方形的。
主空气压缩机2经第一轴11由驱动装置12驱动,该驱动装置可被设计为电动马达或燃气轮机或蒸汽轮机。此外,在实施例中,存在用于部分净化空气54的后压缩机14。后压缩机14的入口经过仅在附图中显示的增压空气管道62连接至经净化空气的管线54。在后压缩机14中进一步压缩的空气通过另外的管线(未在附图中示出)进入低温部分7,特别是进入换热箱8中。在实施例中,后压缩机14经另外的轴13类似地由驱动装置12加以驱动。选择性地,该后压缩机可不取决于主空气压缩机而例如由单独的燃气轮机或蒸汽轮机或由单独的电动马达加以驱动。
低温部分7的产物通过产物管线105、106排出,它们在附图中以实例标明,它们在此情况下分别通向收集管线107和108中。收集管线107、108设置在管桥(109)上,可连接该装置和可能的其他相同或相似的装置(列),以形成多列装置,和/或通向罐场和/或应急供应装置。
在将水引入直接接触式冷却器之前,用蒸发冷却器15将其冷却。在该蒸发冷却器中,来自低温部分的干燥剩余氮气与用于冷却的冷却水进行直接地热量和质量传递。冷的冷却水经冷却水管道61传递至直接接触式冷却器。温的冷却水直接或间接地返回蒸发冷却器。潮湿的氮气从蒸发冷却器逸出至大气中。
该设备还具有公用管道63,附图中标明了其位置。该公用管线用于传送蒸汽、气体和/或冷却水,并用于处理冷凝物、冷却水等。其通向可设置在管桥109上的公用收集管线(未示出)。公用和增压空气管道63、62可设置在底板(轨枕)上,或一个或更多个管桥上。
在示例性具体实施方案中,直接接触式冷却器3、提纯装置4和低温部分7的底面为圆形或矩形或更复杂的形状。这些底面在一条直线上排列,例如沿主定向轴101排列。此外,该线101还穿过主空气压缩机2的底面。这使得进料气体管线52、53、54特别短。设置在与进料管线54的入口相对位置上的产物管线105、106也特别短。这些管道可能由于过短而无需使用专用的管桥。
围绕直接接触式冷却器3、提纯装置4和低温部分7的底面的矩形102在图中垂直方向上的长度同与其相垂直的方向上(图中的水平方向)的长度之比为1.7。围绕主空气压缩机和与其相连的装置的底面的矩形103的比率约为1.8。因此,对于产物排出及公用进料和排出而言,短的管桥109和短的收集管线107、108是足够的;这特别在多列装置的情况下是有利的。(由于附图的图解特征,在此方面,其也无需标刻。)
由于它们在功能上的关系,直接接触式冷却器3和蒸发冷却器15通常作为单一的单元或至少作为直接相邻的单元加以设置。但在示例性具体实施方案中,与直接接触式冷却器相比蒸发冷却器15明显更接近于低温部分。蒸发冷却器15和主换热器8a之间的距离104约为直接接触式冷却器3与低温部分7之间距离的1/5。因此,未在附图中示出的主换热器和蒸发冷却器15之间的剩余氮气管线仅需相对较短的距离,因此可实现特别低的成本;由于剩余氮气管线的截面非常大,所以这种节省非常重要。虽然冷却水管线较长,但其截面非常小,这意味着该设备的成本仅会小幅增加。
低温空气分离单元通常具有一个或更多个膨胀机,其用于通过一种或更多种工业生产液流的做功膨胀产生制冷作用,并通常被设计为涡轮机。示例性具体实施方案中所示的装置优选具有涡轮机,其用于进料空气的分流的做功膨胀或来自低温分离的产物流或中间产物流的做功膨胀。该涡轮机位于涡轮机壳16中,在示例性具体实施方案中,该涡轮机壳设置在换热箱8和精馏箱9之间的过渡区10。
Claims (21)
1、用于通过低温分离气体混合物以制备产物的设备,其具有用于冷却进料混合物的直接接触式冷却器(3)、用于提纯经冷却的进料混合物的提纯装置(4)以及低温部分(7),该低温部分包括将经提纯的进料混合物冷却至接近露点温度的主换热器(8a)和用于低温分离进料混合物的蒸馏塔(9a),所述直接接触式冷却器(3)、提纯装置(4)和低温部分(7)在一条直线(101)上排列,其特征在于,围绕所述直接接触式冷却器(3)、所述提纯装置(4)和所述低温部分(7)以及若合适的进料气体压缩机(2)的底面的最小矩形(102;103)在直接接触式冷却器(3)和低温部分(7)之间的连接直线(101)方向上的长度与垂直于所述方向的方向上的长度之比大于1。
2、根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述气体混合物是空气。
3、根据权利要求1或2所述的设备,其特征在于,所述长度之比大于1.8。
4、根据权利要求1或2所述的设备,其特征在于,进料气体压缩机(2)与所述直接接触式冷却器(3)的上游相连接以压缩进料混合物,而所述进料气体压缩机(2)、所述直接接触式冷却器(3)、所述提纯装置(4)及所述低温部分(7)在一条直线(101)上排列。
5、根据权利要求1或2所述的设备,其特征在于,进料气体压缩机(2)与所述直接接触式冷却器(3)的上游相连接以压缩进料混合物,而所述进料气体压缩机(2)的驱动轴(11)与所述直线(101)的夹角为70°至110°,所述直接接触式冷却器(3)、所述提纯装置(4)和所述低温部分(7)在该直线上排列。
6、根据权利要求1或2所述的设备,其特征在于,进料气体压缩机(2)与所述直接接触式冷却器(3)的上游相连接以压缩进料混合物,而所述进料气体压缩机(2)的驱动轴与所述直线(101)的夹角小于20°,所述直接接触式冷却器(3)、所述提纯装置(4)和所述低温部分(7)在该直线上排列。
7、根据权利要求1或2所述的设备,其特征在于,所述低温部分(7)包括:包含至少一个主换热器的换热箱(8)、包含至少一个蒸馏塔的精馏箱(9)、设置在所述换热箱(8)和精馏箱(9)之间的过渡区(10)以及包含膨胀机的涡轮机壳(16),所述涡轮机壳(16)与所述过渡区(10)相连接。
8、根据权利要求1或2所述的设备,其具有用于将进料混合物引入所述主换热器中的进料混合物管线(51、52、53、54)以及用于从所述主换热器排出产物流的产物管线(105、106),其特征在于,所述进料混合物管线(54)和产物管线(104、105)与所述直线(101)的夹角小于20°,并被设置在与所述主换热器相对的一侧。
9、根据权利要求8所述的设备,其特征在于,产物管线(104、105)在其远离主换热器的末端通向收集管线(107、108),所述收集管线(107、108)与所述主定向轴(101)的夹角为70°至110°。
10、根据权利要求9所述的设备,其特征在于,所述收集管线(107、108)被设置在管桥(109)上或底板上。
11、根据权利要求9或10所述的设备,其特征在于,所述收集管线与一个或更多个其它的低温分离装置的产物管线相连接。
12、根据权利要求9或10所述的设备,其特征在于,所述收集管线与产物贮存罐相连接。
13、根据权利要求8所述的设备,其特征在于,所述主换热器(8a)被专门设计为同流换热器。
14、根据权利要求1或2所述的设备,其具有为所述直接接触式冷却器输送冷却剂的冷却剂回路(61),所述冷却剂回路具有蒸发冷却器(15),其用于使冷却剂与来自所述低温部分的气体流进行直接热交换以使冷却剂冷却,其特征在于,蒸发冷却器(15)和直接接触式冷却器(3)之间的距离与蒸发冷却器(15)和主换热器(8a)之间的距离(104)之比至少为0.5。
15、根据权利要求14所述的设备,其特征在于,所述蒸发冷却器(15)和直接接触式冷却器(3)之间的距离与蒸发冷却器(15)和主换热器(8a)之间的距离(104)之比至少为1.0。
16、根据权利要求14所述的设备,其特征在于,蒸发冷却器(15)和直接接触式冷却器(3)之间的距离与蒸发冷却器(15)和主换热器(8a)之间的距离(104)之比至少为2。
17、根据权利要求14所述的设备,其特征在于,蒸发冷却器(15)和直接接触式冷却器(3)之间的距离与蒸发冷却器(15)和主换热器(8a)之间的距离(104)之比至少为4。
18、根据权利要求14所述的设备,其特征在于,蒸发冷却器(15)与主换热器(8a)之间的距离(104)最多为20m。
19、根据权利要求18所述的设备,其特征在于,蒸发冷却器(15)与主换热器(8a)之间的距离(104)最多为10m。
20、根据权利要求14所述的设备,其特征在于,蒸发冷却器与直接接触式冷却器(3)之间的距离至少为10m。
21、根据权利要求20所述的设备,其特征在于,蒸发冷却器与直接接触式冷却器(3)之间的距离至少为25m。
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