CN102564064A - 通过低温分离空气获得气态压力产物的方法 - Google Patents

Abstract

在具有至少一个低压塔(90)和高压塔(80)的蒸馏塔***中通过低温分离空气产生气态氧压力产物的方法，其中将至少一部分经做功膨胀的第三支流(26)送回至空气压缩机(28)。

Description

通过低温分离空气获得气态压力产物的方法

技术领域

本发明涉及通过低温分离空气获得气态压力产物的方法。

背景技术

例如Hausen/Linde，低温技术，1985年第2版第4章(第281至337页)公开了低温分离空气的方法和装置。

本发明的蒸馏塔***被设计成双塔***(例如传统的Linde双塔***)，或者被设计成三塔或多塔***。其除了氮氧分离塔之外，还可以具有用于获得高纯产物和/或其他空气成分尤其是惰性气体的其他装置，例如获得氩气和/或获得氪-氙的装置。

在该过程中，使加压的液态氧产物流与热载体相对地进行蒸发，最后作为气态压力产物获得。该方法也称作内压缩。其用于获得压缩氧。对于超临界压力的情况，不会发生真正意义上的相转变，而是使产物流“假蒸发”。

处于高压下的热载体与(假)蒸发的产物流相对地进行液化(或者假液化，条件是其处在超临界压力下)。热载体通常是通过一部分空气形成的，在此情况下是经压缩的进料空气的“第二支流”。

例如DE 830 805、DE 901 542(＝US 2,712,738/US 2,784,572)、DE 952 908、DE 11 03 363(＝US 3,083,544)、DE 11 12 997(＝US 3,214,925)、DE 11 24 529、DE 11 17 616(＝US 3,280,574)、DE 12 26 616(＝US 3,216,206)、DE 12 29 561(＝US 3,222,878)、DE 11 99 293、DE 11 87 248(＝US 3,371,496)、DE 12 35 347、DE 12 58 882(＝US 3,426,543)、DE 12 63 037(＝US 3,401,531)、DE 15 01 722(＝US 3,416,323)、DE 15 01 723(＝US 3,500,651)、DE 253 132(＝US 4,279,631)、DE 26 46 690、EP 93 448B1(＝US 4,555,256)、EP 384 483B1(＝US 5,036,672)、EP 505 812B1(＝US 5,263,328)、EP 716 280B1(＝US 5,644,934)、EP 842 385B1(＝US 5,953,937)、EP 758 733B1(＝US 5,845,517)、EP 895 045B1(＝US 6,038,885)、DE 198 03 437A1、EP 949 471B1(＝US 6,185,960B1)、EP 955 509A1(＝US 6,196,022B1)、EP 1 031 804A1(＝US 6,314,755)、DE 199 09 744A1、EP 1 067 345A1(＝US 6,336,345)、EP 1 074 805A1(＝US 6,332,337)、DE 199 54 593A1、EP 1 134 525A1(＝US 6,477,860)、DE 100 13 073A1、EP 1 139 046A1、EP 1 146 301A1、EP 1 150 082A1、EP 1 213 552A1、DE 101 15 258A1、EP 1 284 404A1(＝US 2003/051504A1)、EP 1 308 680A1(＝US 6,612,129B2)、DE 102 13 212A1、DE 102 132 11A1、EP 1 357 342A1或DE 102 38 282A1、DE 103 02 389A1、DE 103 34 559A1、DE 103 34 560A1、DE 103 32 863A1、EP 1 544 559A1、EP 1 585 926A1、DE 10 2005 029 274A1、EP 1 666 824A1、EP 1 672 301A1、DE 10 2005 028 012A1、WO 2007/033838A1、WO 2007/104449A1、EP 1 845 324A1、DE 10 2006 032 731A1、EP 1 892 490A1、DE 10 2007 014 643A1、EP 2 015 012A2、EP 2 015 013A2、EP 2 026 024A1、WO 2009/095188A2或DE 10 2008 016 355A1公开了内压缩法。

术语“膨胀机(Entspannungsmaschine)”包括各种用于使工艺流做功膨胀的机器。在本发明中膨胀机优选由膨胀涡轮机构成。

“主热交换器”可以由一个或多个并联和/或串联连接的热交换器区段构成，例如由一个或多个板式热交换器单元构成。其用于在与来自蒸馏塔***的回流的间接热交换中冷却进料空气流。

本申请还包括同时提交的德国专利申请所公开的内容(内部卷宗号P10C124-DE＝IC0362a)，下面称作“平行申请”，以及与该平行申请相对应的申请所公开的内容。

WO 2008/110734A2公开了一种前述类型的方法。对于该方法决定性的是，可以关闭第二膨胀机，并且将全部第三支流在第二膨胀机下游排放到大气中，从而使其不干扰精馏过程。

发明内容

因此本发明的目的在于，给出前述类型的方法以及相应的装置，其可以在经济上特别有利地运行。

该目的是通过根据本发明的方法实现的。

在根据本发明的方法中，不抛弃至少一部分来自第二膨胀机的空气(第三支流)，而是将其送回空气压缩机中。由此，一方面提高了设备的产率，另一方面第二膨胀机可以一如既往地以特别低的出口压力即以比较高的效率工作。

第二膨胀机的出口压力优选约等于低压塔的工作压力(加上管路损耗)。

在本发明的范畴内，可以将全部第三支流送入空气压缩机中。优选将至少30％、尤其是至少50％的经做功膨胀的第三支流送入低压塔中。(在此将经过第二膨胀机引导的全部空气流称作“第三支流”)

可以将剩余的经做功膨胀的第三支流或其中一部分送入低压塔中。

例如可以在入口处将做功的第三支流(或其中一部分)送入空气压缩机中。替代性地，在空气压缩机的中间级送入，其中所述空气压缩机为多级构造，并且至少具有第一级和最后一级，其中将至少一部分经做功膨胀的第三支流在第一级下游且在最后一级上游送回至空气压缩机。

从进料空气分支出第三支流例如可以在净化装置下游、大约直接在后期压缩机上游、在后期压缩机下游或第一膨胀机下游实施。但尤其是在净化装置上游从经压缩的进料空气分支出第三支流。

前述类型的空气分离设备通常具有预冷却装置，在其中将经压缩的进料空气在净化装置上游通过与冷却水的直接或间接热交换进行冷却，以去除压缩热。在此情况下，可以在预冷却装置上游从经净化的进料空气分支出第三支流。原则上在各种低温空气分离法中即使没有其他上述的特征也可以应用本发明的这一特征，即在预冷却装置上游分支出空气支流，接着进行做功膨胀，并送回至空气压缩机中和/或排放至大气中；这尤其是适用的，条件是在另一个膨胀机(在此：第一膨胀机)中产生制冷，并且两个膨胀机以机械方式与后期压缩机相连接，尤其是一个与低温压缩机相连接，而另一个与热的后期压缩机相连接。

替代性地或者额外地，将一部分经做功膨胀的第三支流排放至大气中。这尤其可以是有意义的，条件是第二膨胀机的出口压力处于低压塔的压力水平。

在根据本发明的方法中，可以将全部进料空气一起在热的后期压缩机中进行后期压缩，即尤其是第一、第二和第三支流。(可能出于其他目的分支出的部分空气，所谓的仪表空气，在此不属于“全部进料空气”。)然后在热的后期压缩机下游分支出其他部分空气的第三支流。该方法尤其是在涡轮机串联连接时是有意义的，但是也可以在并联连接的情况下使用。

前述类型的空气分离设备通常具有预冷却装置，在其中将空气在净化装置上游在直接或间接热交换中进行冷却。替代性地，将第一和第二支流在热的后期压缩机中进行后期压缩，并使第三支流绕过热的后期压缩机。在此，在热的后期压缩机上游分支出其他部分空气的第三支流。

在本发明的另一个实施方案中，将第二支流在热的后期压缩机中进行后期压缩，并使第一和第三支流绕过热的后期压缩机。在此，其他部分空气的第三支流的分支同样在热的后期压缩机上游实施，或者在从经净化但是没有进行后期压缩的进料空气流共同分支出第一和第三支流处的下游实施。

例如将第三支流大约在空气压缩机的出口压力下或者大约在热的后期压缩机的出口压力下送入第二膨胀机中。在此情况下，在做功膨胀的上游分为第一和第三支流。这两个膨胀机并联连接。

替代性地，第三支流连同第一支流一起在第一膨胀机中进行减压，并且在第一膨胀机下游与第一支流分离地送入第二膨胀机。即在第一膨胀机上游才分为第一和第三支流。这两个膨胀机串联连接。

在该方法中，空气压缩机优选是利用外部能量驱动的、用于压缩空气的单独的机器。“单独的机器”在此应当理解为单级或多级压缩机，其压缩级均与同一个驱动装置相连接，其中所有的压缩级均安装在同一个外壳中，或者与同一个传动机构相连接。在该空气压缩机中，优选将全部进料空气压缩至明显高于蒸馏塔***的最高压力的压力，尤其是明显高于高压塔工作压力的压力。空气压缩机的出口压力与高压塔的工作压力之间的压力差例如至少为4巴，优选在6与16巴之间。在该改变的方案中，优选将在空气压缩机中压缩的全部空气(除了可能的较少的部分，例如仪表空气)完全分为三个支流。

此外，在该方法中还可以补充氮-内压缩装置，其方式是将液态氮产物流从蒸馏塔***排出，以液态施加至提高的压力，在该提高的压力下在主热交换器中蒸发或假蒸发，加热至大约为环境温度，最后作为气态氮压力产物流排出。

下面依照附图中所图示的实施例以及依照平行申请中的实施例更详细地阐述本发明以及其他细节。

附图说明

图1所示为本发明的第一实施例，其中在预冷却装置上游分支出第三支流；及

图2至4所示为三个其他的实施例，其中在预冷却装置上游分支出第三支流。

具体实施方式

在图1中，将大气压空气作为进料空气经由管路1由空气压缩机2进行抽吸，并压缩至明显高于高压塔80的工作压力的压力。在此，空气压缩机以多级，尤其是以四级、五级或六级构成，其中在各级之间均具有中间冷却器。将经压缩的进料空气3的大部分42送入预冷却装置4(“Precooling”)，在其中将空气压缩机的最后一级的压缩热在与冷却水的直接或间接热交换中加以去除。将经预冷却的进料空气在优选作为分子筛吸附器(MS-Adsorber)构成的净化装置5中进行净化。在本实施例中，将经压缩的进料空气3分为三个支流：

-将第一支流11在主热交换器14中冷却至第一中间温度之后经过管路15送入第一膨胀机16中做功膨胀，随后经过管路17送入蒸馏塔***的高压塔80中。

-将第二支流12在主热交换器14中冷却至低于或高于第一中间温度或者等于第一中间温度的第二中间温度，经过管路18从主热交换器14排出，在低温压缩机19中继续压缩，在高于第二中间温度的第三中间温度下经过管路20重新送入主热交换器14中，并在此继续冷却，最后进行液化或者在第二支流的压力为超临界的情况下进行假液化。使(假)液化的第二支流21在节流阀22中减压至大约为高压塔80的压力，最后送入高压塔80中。也可以将一部分经减压的第三支流23直接送入低压塔90中。

-直接在预冷却装置4上游分支出经压缩的进料空气3的第三支流13，并且不在主热交换器14中进行冷却就送入第二膨胀机25中做功膨胀。在本实施例中，将做功膨胀减压至例如1.2至6巴、优选约为1.3巴的压力的第三支流26完全地经过管路28送入空气压缩机2，并在此例如在最后一级的上游，尤其是在合适的压力下工作的中间冷却器上游送入全部空气流中。

第一和第二支流11、13在此一起经过管路7和10从净化装置5的出口经由热的后期压缩机8与后期冷却器9送至主热交换器14的热端。

将液态氧产物流30从低压塔90排出，在泵31中以液态施加至提高的压力(52)，在该提高的压力下在主热交换器中进行蒸发或者在压力高于临界压力的情况下进行假蒸发，加热至大约为环境温度，最后作为气态氧压力产物流33排出。

氮压力产物也可以利用内压缩装置获得。为此，将液态氮产物流从高压塔或其塔顶冷凝器、主冷凝器排出，在泵中以液态施加至提高的压力，在该提高的压力下(管路41)在主热交换器中进行蒸发或者在压力高于临界压力的情况下进行假蒸发，加热至大约为环境温度，最后作为气态氮压力产物流(42)排出。

来自蒸馏塔***的其他回流是气态氧36、不纯的氮35和纯净的氮36。此外，液氧和液氮既可以从高压塔(HPC)排出，也可以从低压塔排出。将气态产物在主热交换器14中加热至大约为环境温度，最后经过管路37、38和39排出。

在主热交换器14的可选通道组40中可以将第二支流7在热的后期压缩机8上游预冷却。然后有可能省略掉后期冷却器。

图2与图1的区别在于以下细节：

-第一支流11经过管路210绕过热的后期压缩机8。

-在预冷却装置4和净化装置5下游从第二支流7、12分支出第三支流13，然后经过管路210与第一支流一起送至主热交换器14的热端。随后将第三支流13在主热交换器14中冷却至中间温度，并经过管路24在该中间温度下送去做功膨胀25。

-将经做功膨胀的第三支流28在主热交换器14中加热至大约为环境温度，并经过管路29流回至空气压缩机2。

-引导少量回流通过主热交换器14(图1中的41/42)。

图3与图2的区别在于以下细节：

-第三支流13在做功膨胀25之前不是在主热交换器14中进行冷却，而是直接送至膨胀机。

-如图2所示引导经做功膨胀的第三支流28的仅第一部分经过管路28和29：将第二部分经过管路27、227经由主热交换器14的低温部分送至蒸馏塔***的低压塔(LPC)。

图4与图2的区别在于以下细节：

-将经做功膨胀的第三支流28经过管路329送回至空气压缩机2的入口。

平行申请的表明将至少一部分经做功膨胀的第三支流送回至空气压缩机的所有实施例也是本发明的实施例。在第三支流于第二膨胀机上游不进行后期压缩时，可以类似于在此附图所示在净化装置上游且在预冷却装置上游或下游从经压缩的进料空气分支出第三支流。

在所有实施例的改变的方案中，可以将一部分或多部分的经做功膨胀的第三支流26送至空气压缩机的其他部位、送入低压塔中和/或排放至大气。

Claims (10)

1.在具有至少一个低压塔(90)和高压塔(80)的蒸馏塔***中通过低温分离空气产生气态氧压力产物的方法，在该方法中

-将进料空气(1)在空气压缩机(2)中压缩，

-将经压缩的进料空气(3)至少部分地在净化装置(5)中净化，

-将至少一部分(7)经净化的进料空气(6)在热的后期压缩机(8)中进行后期压缩，

-经净化的进料空气(6)的第一支流(11，15)在第一膨胀机(16)中做功膨胀，并至少部分地送入(17)高压塔(80)中，

-将经净化的进料空气(6)的第二支流(12)在主热交换器(14)中冷却至中间温度，在低温压缩机(19)中进行后期压缩，在主热交换器(14)中继续冷却和液化或假液化，随后送入蒸馏塔***(21，23)中，

-经压缩的进料空气(3)的第三支流(13)在第二膨胀机(25)中做功膨胀，

-从蒸馏塔***排出液态氧产物流(30，32)，以液态施加至提高的压力(34)，在该提高的压力下在主热交换器(14)中进行蒸发或假蒸发，加热至大约为环境温度，最后作为气态氧压力产物流(33)排出，

-这两个膨胀机(16，25)各自与热的后期压缩机(8)和低温压缩机(18，19)这两个机器之一相连接，

其特征在于，

-将至少一部分经做功膨胀的第三支流(26)送回至空气压缩机(28)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，空气压缩机(2)为多级构造，并且至少具有第一级和最后一级，其中将至少一部分经做功膨胀的第三支流(26)在第一级下游且在最后一级上游送回(28)至空气压缩机(2)。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在净化装置(5)上游从经压缩的进料空气(3)分支出第三支流(13)。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，将包括第一和第二支流的一部分(6)经压缩的进料空气(3)在净化装置(5)上游在预冷却装置(4)中进行冷却，并且在预冷却装置(4)上游从经压缩的进料空气(3)分支出第三支流(13)。

5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，将一部分经做功膨胀的第三支流(26)排放至大气。

6.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，将第一和第二支流在热的后期压缩机(8)中进行后期压缩，并且使第三支流(13)绕过热的后期压缩机(8)。

7.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，将第二支流在热的后期压缩机中进行后期压缩，并且使第一支流绕过热的后期压缩机。

8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，将第三支流(13)在大约为空气压缩机的出口压力下送入第二膨胀机(25)中。

9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于，空气压缩机(2)是利用外部能量驱动的、用于压缩空气的单独的机器。

10.根据权利要求1至9之一的方法，其特征在于，从蒸馏塔***排出液态氮产物流，以液态施加至提高的压力，在该提高的压力下在主热交换器中进行蒸发或假蒸发，加热至大约为环境温度，最后作为气态氮压力产物流排出。

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