CN103363779A - 用于低温空气分离设备的分离塔、低温空气分离设备和用于空气的低温分离的方法 - Google Patents

用于低温空气分离设备的分离塔、低温空气分离设备和用于空气的低温分离的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于低温空气分离设备的分离塔，其具有：容器，所述容器具有大致圆柱形的壳体；供应管线(6；14)，所述供应管线(6；14)用于空气组分的混合物；产物管线(9，10；16)，所述产物管线(9，10；16)用于富含有空气组分的馏分；以及质量转移元件，所述质量转移元件被布置在该容器中。在至少一个局部区域(E)中，质量转移元件由规整填料形成，该规整填料由打褶金属片材形成且具有大于750m2/m3的比表面积。金属片材由铜组成且具有0.1mm或更小的片材厚度。此外，本发明涉及低温空气分离的装置和方法，其中使用了所述分离塔。

Description

用于低温空气分离设备的分离塔、低温空气分离设备和用于空气的低温分离的方法
发明领域
本发明涉及一种根据权利要求1的特征从句所述的用于低温空气分离设备的低压塔。 
背景技术
这样的塔通常由双塔***的低压塔形成，所述双塔***具有高压塔和低压塔。“供应管线”然后由低压塔的进口形成，来自压力塔底部的富含氧气的液体经由所述进口进入到低压塔。经由用于富含空气组分的馏分（fraction）的“产物管线”，富含氧气的流体被从塔的下部区段抽取并作为液态产物或气态产物被直接地或间接地引导走。在这种情况下，产物管线优选地被直接地布置在底部上或在所述底部正上方，其中，低压塔的底部包括主冷凝器的蒸发室，经由所述蒸发室，低压塔与高压塔热交换连通；可替代地，在其中使富含氧气的产物与供应空气间接热交换的主热交换器上，或者，在被布置在低压塔外部的主冷凝器蒸发室上，产物管线被布置在用于富含氧气的产物的蒸发的辅助冷凝器上。 
通常在空气分离设备中、特别地在低压塔中使用具有从250m2/m3至750m2/m3的比表面积（specific surface）(填料密度)的规整填料。偶尔地也提出使用更高的填料密度，从而通过减少每理论塔板的高度(HETP)来提高填料的效率。通过这种方式，可以获得相对小的总高度。术语“填料的比表面积”和“填料密度”在下文中当作相同的含义来使用。特别“致密”的填料因此具有特别高的比表面积。 
此外，空气分离设备例如可以具有粗氩塔，在所述粗氩塔中的粗氩从氧气-氩气混合物中获得，所述氧气-氩气混合物抽取自低压塔；产物管线被布置在上部区域中，从氧气中分离出的粗氩气被经由所述产物管线抽取。粗氩塔可以具有如EP377117B2=US5019145中所示出的单部分设计，或者具有如EP628777B1=US5426946中所示出的多部分设计，例如两部分设计。 
此外，空气分离设备可以具有甲烷提取塔，所述甲烷提取塔被连接到低压塔；甲烷与气态氧气产物一起被从其顶部提取，并且富含氪气和氙气 的氧气馏分被在底部抽取。致密铜填料当然也可以被使用在一个或多个以上所述的分离塔中。 
在开始所述类型的低压塔从EP636237B1=WO9319336A1=US5613374中知晓。 
用于空气分离设备的规整填料直至现在还是由铝制成。考虑到安全性(参见EIGA的《Safe Use Of Aluminium-Structured Packing For Oxygen Distillation》的IGC文件144/08/E)，至少在氧气区域中的填料板的厚度为0.2mm。在高填料密度处，其所具有的缺点是每塔横截面的容量明显地低于在低填料密度处的每塔横截面的容量；因此，在相等容量处，塔必须具有相对大的直径。相应的分离塔和整个空气分离设备的生产成本存在相对大的提升。 
术语“上方”和“下方”在这里指的是在设备正常操作的情况下低压塔的空间布置。 
发明内容
本发明待解决的问题是提供在开始所述类型的低压塔，所述低压塔使得相对低的制造费用、特别是相对低的生产成本成为可能。 
该问题由权利要求1中所描述的特性来解决。 
使用如铜等相对昂贵的材料一开始似乎与上述的问题相矛盾；EIGA明确建议不使用薄的铝填料。然而，发现的是，在本发明的上下文中，由于铜的机械和化学材料特性，可以相对经济地生产具有非常小片材厚度的非常致密的填料。在对这种填料实施的测试中，进一步地发现，与迄今为止所知的致密填料相比较，每塔横截面的塔容量可以获得大得惊人的增加。 
此外，在本发明的上下文中，通过在低压塔的最下部区段中使用铜(最下的为100mm至2000mm，优选地最下的为350mm至950mm)，满足了所有的安全要求；与EIGA的公开内容相比，发现在这种铜层上方使用薄铝填料(片材厚度小于0.2mm，特别地小于0.1mm或更小)完全不会出现操作问题。 
与片材厚度相对应，在较大的比表面积处，可以用于使气体上升的分离塔的自由截面变小。当采用一般的填料密度时，空隙体积的这种损失是相对小的，并且容量的关联损失是可以承受的。然而，如果有人希望相当大地增加填料密度，例如，从500m2/m3增加到1200m2/m3，则在片材厚度为0.2mm处，空隙体积从95%降低到88%。然而，在本发明的上下文中，在一样高的容量和相同的高度处，可以构建更加细长的塔。因此在制造过 程中节省了填料材料的成本，这与片材厚度的减少是非常不成比例的。这些惊人的优点在本发明调节昂贵材料的使用的过程中变得是显而易见的。 
这里，“铜”指的是纯铜或铜含量至少为67%、优选地至少为80%、最优选地至少为90%(在每种情况下都基于重量)的合金。特别地，术语“铜”包括在EIGA文件IGC Doc13/02/E的附件C中被指定为“铜”和“铜镍合金”的所有材料(在由欧洲工业气体协会发布的EIGA-OXYGEN PIPELINESYSTEMS-IGC Doc13/02/E中的“铜”/“铜镍合金”)。 
这里，“铝”指的是纯铝或铝含量至少为71%、优选地至少为80%、最优选地至少为90%(在每种情况下基于重量)的合金。一般来说，使用市场上可买到的铝片材。 
优选地，铜的规整填料和/或铝的规整填料所具有的比表面积大于1000m2/m3，特别地大于1150m2/m3。例如，它们的填料密度可以是1200m2/m3或1250m2/m3。 
低压塔通常具有底部蒸发器，即所谓的主冷凝器。如果被布置在底部蒸发器正上方的质量转移元件（mass transfer element）由规整铜填料形成，则是有利的。优选地，具有的比表面积大于750m2/m3以及具有的片材厚度为0.1mm或更小的所述规整铜填料至少在低压塔的整个最下的质量转移区段中使用。低压塔形成至少两阶段低温空气分离设备的一部分，其中，主冷凝器被布置为在低压塔中的底部蒸发器。在铜填料上方，可以在分离塔中使用具有相同几何形状但是为诸如铝的某一其它材料的填料、另一几何形状的规整填料或进一步的一个或多个其他类型的质量转移元件，例如，填充材料(未规整填料)或传统的质量转移板。 
在本发明中，如果例如低压塔的至少整个最下部区段完全地充满有权利要求1中所描述类型的填料，则其可以是有利的。然而，也可以针对局部区域执行本发明，在所述局部区域中，该特别填料被使用，从而只在低压塔的最下部区段的一部分上延伸，其它质量转移元件被安装在该区段的剩下部分中。 
在本发明中，优选地使用在空气分离中经常被采用的金属的几何形状即，打褶铜金属片材和打褶铝金属片材被倾斜地布置并且另外被精细地设有凹槽且可选择地具有孔(参见DE2722424A)。 
本发明还涉及根据权利要求6至8所述的一种低温空气分离设备以及根据权利要求9和10所述的一种低温空气分离方法。 
本发明不仅可以使用在适合于处理5000Nm3/h至150000Nm3/h的供应空气的较小空气分离设备中，而且可以使用在被设计用于在正常操作下处 理大于150000Nm3/h的供应空气的大型至非常大型的设备中。 
用于低温空气分离的方法和装置例如从1985年第二版的由Hausen/Linde的《Tieftemperaturtechnik(低温技术)》的第四章(第281页至337页)是已知的。 
本发明的蒸馏塔***可以被设计为用于氮气-氧气分离的单塔***、可以被设计为双塔***(例如，被设计为传统的林德（Linde）双塔***)或者也可以被设计为三塔或多塔***。除了用于氮气-氧气分离的塔外，其还可以具有用于获得高纯度产物和/或其他空气组分(特别地惰性气体)的装置，例如用于氩气的生产和/或氪气-氙气的生产。 
本发明尤其涉及工业化规模的空气分离设备，在正常操作下，在所述工业化规模的空气分离设备中处理至少5000Nm3/h的供应空气。 
基本上本发明可以被应用在其中的空气分离设备的尺寸没有上限。然而，其应用特别地有利于所谓的“封装单元”的区域，在所述区域中，设备的冷部分的一个或多个模块被预制成为冷箱子，然后全部被运送到建筑工地。这种设备在正常操作下通常处理低于250000Nm3/h、优选地低于150000Nm3/h的供应空气。 
附图说明
基于在附图中图示地示出的实践示例，在下面进一步解释了本发明和本发明的另外的细节： 
图1是根据本发明的第一低温空气分离设备的简化工艺流程图； 
图2是详细的规整铜填料的片材。 
具体实施方式
在图1中所示出的流程中，被净化的空气1在4至20巴的压力下(优选地5至12巴)在热交换器2中逆着产物流冷却至大致露点，并被供应到蒸馏塔***，在这种情况下，所述蒸馏塔***具有高压塔3、低压塔5和粗氩塔15。高压塔3是经由普通冷凝蒸发器4的主冷凝器，其与低压塔5成热交换的关系。在实践示例中，所有的供应空气1被供应到高压塔3中。 
底部液体6和氮气7被从高压塔3中抽取、在逆流设备8中被过度冷却并被压制到低压塔5中。经由氧气产物管线的氧气9、氮气10和不纯的氮气11被从低压塔中抽取。产物也可以以至少部分为液体的方式抽出。为了清晰起见，这没有在工艺流程图中示出。 
经由氩气转移管线14(到粗氩塔的“供应管线”)，包含氩气的氧气流 被从低压塔5的下部区域抽取(在底部液体管线6的下方)、被引导进粗氩塔15的下部区域中并被分离成粗氩产物16和残余馏分17。该残余馏分被再循环到低压塔。其可以或是经由管线14流回(如果存在相应的倾斜度)，或是如图1中所示出的，其可以通过泵18经由其自己的管线17传送。 
粗氩塔的顶部由粗氩冷凝器19冷却，在所述粗氩冷凝器19的蒸发侧上经由管线20供应的底部液体从高压塔3中蒸发。所蒸发的馏分经由管线21被引导到低压塔。其可以例如被在底部液体管线6的高度处引入。然而，在底部液体管线6的嘴部和氩气转移管线14的连接部之间的供应是特别有利的。 
在该方法中，通过在一个或多个涡轮机中的一个或多个处理流的执行做功膨胀来以已知的方式产生冷。这没有在简化流程图中示出。 
在实践示例中，低压塔5具有以下区段： 
A.纯氮气区段(在不纯氮气管线11上方)； 
B.不纯氮气区段(由不纯氮气管线11和底部液体管线6限定)； 
C.不纯氧气区段(由底部液体管线6和用于将部分被蒸发的馏分从粗氩冷凝器19引入的管线21限定)； 
D.氩气中间区段(由用于将蒸发的馏分从粗氩冷凝器19引入的管线21和用于将要在粗氩塔中分离的含氩气的氧气馏分的提取管线14所限定)； 
E.氧气区段(在用于将要在粗氩塔中被分离的含氩气的氧气馏分的提取管线14下方且在等于主冷凝器4的底部蒸发器的正上方)。 
在低压塔5的区段E中，在设备的正常运行下，氧气浓度为95mol%或更高。氧气浓度特别地从在区段E的上端部处的87mol%增加到在下端部处的高达99.95%。在实践的示例中，以下的质量转移元件被在低压塔5的各个区段中使用。 
A.纯氮气区段：传统的整流板，特别地是筛板； 
B.不纯的氮气区段：规整铝填料，所述规整铝填料由具有0.10mm的片材厚度的打褶金属片材组成且具有750m2/m3的比表面积。 
C.不纯的氧气区段：规整铝填料，所述规整铝填料由具有0.10mm的片材厚度的打褶金属片材组成且具有750m2/m3的比表面积。 
D.氩气中间区段：规整铝填料，所述规整铝填料由具有0.10mm的片材厚度的打褶金属片材组成且具有大于1000m2/m3、特别是1250m2/m3的比表面积。 
E.氧气区段：规整铜填料，所述规整铜填料由具有0.05mm的片材厚度的Cu-DHP R200至DIN EN13599的打褶金属片材组成且具有大于 1000m2/m3、特别是1250m2/m3的比表面积。 
粗氩塔15具有五个质量转移区段。在实践示例中，这些都由规整填料形成，所述规整填料由具有0.10mm的片材厚度的打褶铝片材组成且具有大于1000m2/m3、特别是1250m2/m3的比表面积。 
高压塔3可以基本上全部地或部分地被配备有例如铝的规整填料。然而，在实践示例中，筛板被排除使用。 
偏离于实践示例，在一个或多个上述区段内，可以使用不同类型的质量转移元件的组合，例如具有不同比表面积的规整填料的组合，或者，规整填料和传统整流板的组合，或者，铜填料和铝填料的组合。 
作为对图1中所示出的实施例的脱离方案，一定比例的将要被分离的空气可以在涡轮机中膨胀，从而执行做功，并且通过绕开在高压塔3中的初步分离，该空气可以直接地被注入到低压塔5中，例如，在区段C和D之间或在区段B和C之间。在作为进一步脱离方案的实施例中，粗氩塔可以被省略和/或混合塔可以被添加，其中，低压塔的液态氧气产物与一定比例的供应空气以直接质量转移蒸发，并最后作为气态的不纯氧气产物被获得。 
在另外一个可替代的实施例中，在粗氩塔15的至少一个局部区域中使用规整填料，其由打褶铜片材形成并且具有大于750m2/m3、特别是大于1000m2/m3或大于1150m2/m3、例如1250m2/m3的比表面积，其中，铜片材具有0.1mm或更小、例如0.05mm的片材厚度。 
图2示出在低压塔的区段E中使用的铜填料的详细情况。示出了三个层。为了图示空间结构，通过剖面线标出阴影。 
打褶金属片材101、102、103优选地布置成使得打褶部(例如，104、105)倾斜地延伸到塔轴线(竖直的)。在各种情况下，除了薄层101、103的接着的薄层具有相同的定向。位于它们之间的薄层102被定向成使得其打褶部与那些相邻的薄层成一定角度，优选地与其垂直。 
在实践示例中，金属片材的(粗糙)打褶部具有4.7mm的长度。在两个打褶部之间(例如在104和105之间)的金属片材的表面设置有精细凹槽(未在附图中示出)。此外，金属片材具有开口(孔106)。 

Claims (10)

1.一种用于低温空气分离设备的低压塔，所述低压塔具有：
容器，所述容器具有大致圆柱形的壳体；
供应管线(6；14)，所述供应管线(6；14)用于空气组分的混合物；
氧气产物管线(9)，所述氧气产物管线(9)用于从所述低压塔的底部抽取氧气产物；以及
质量转移元件，所述质量转移元件被布置在所述容器中，
其中所述质量转移元件由规整填料的下部区段(E)形成在所述低压塔的底部的正上方，液体分配器被布置在所述规整填料的顶部上，
其中至少一定比例的所述填料由打褶金属片材形成，并且具有大于750m2/m3的比表面积，
其特征在于：
在所述下部区段(E)的最下部分中，所述填料的金属片材由铜组成并且具有0.1mm或更小的片材厚度，并且
在所述最下部分上方的下部区段(e)的一部分中，所述填料的金属片材由铝组成且具有小于0.2mm、特别地是0.1mm或更小的片材厚度。
2.根据权利要求1所述的低压塔，其特征在于，所述规整铜填料具有大于1000m2/m3、特别地大于1150m2/m3的比表面积。
3.根据权利要求1或2所述的低压塔，其特征在于，铝的所述规整填料具有大于1000m2/m3、特别地大于1150m2/m3)的比表面积。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的低压塔，其特征在于，所述低压塔具有底部蒸发器(4)，并且被布置在所述底部蒸发器(4)正上方的所述质量转移元件(E)由所述规整铜填料形成。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的低压塔，其特征在于，所述打褶铜金属片材和所述打褶铝金属片材交叉地布置并且另外具有精细凹槽。
6.一种具有蒸馏塔***的低温空气分离设备，其特征在于，所述蒸馏塔***具有至少一个低压塔(5)，所述蒸馏塔***带有用于将供应空气引入所述蒸馏塔***的供应空气管线(1)，其特征在于，所述低压塔(5)根据权利要求1至5中的一项构造而成。
7.根据权利要求6所述的低温空气分离设备，其特征在于，所述蒸馏塔***具有高压塔(3)和低压塔(5)，所述低压塔(5)具有用于提取富含氧气的产物的产物管线(9)，其中所述低压塔(5)被构造为根据权利要求1至3中的一项所述的分离塔。
8.根据权利要求6或7所述的低温空气分离设备，其特征在于，所述蒸馏塔***具有粗氩塔(15)，所述粗氩塔(15)具有用于提取粗氩气的产物管线(16)。
9.一种用于在蒸馏塔***中进行低温空气分离的方法，所述蒸馏塔***具有至少一个低压塔(5)，其中供应空气经由至少一个供应空气管线(1)被供应到所述蒸馏塔***中，其特征在于，所述低压塔(5)根据权利要求1至3中的一项构造而成。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法在根据权利要求4至8中的一项所述的低温空气分离设备中实施。
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