CN113924452A - 用于低温分离空气的方法和设备 - Google Patents

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evaporation
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gas
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斯特凡·洛克纳
D·戈卢别夫
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Linde LLC
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Abstract

本发明提出了一种用于低温分离空气的SPECTRA方法，其中用于提取氧的附加的第二精馏塔(12)的塔底液在第二冷凝器蒸发器(121)中蒸发。在所述第二冷凝器蒸发器(121)中，先前在用于冷凝第一精馏塔(11)的塔顶气的第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发的气体在先前蒸发的压力水平下冷凝。本发明还涉及一种对应的设备(100,200,300)。

Description

用于低温分离空气的方法和设备
本发明涉及一种用于低温分离空气的方法和一种根据独立权利要求的前序部分所述的对应的设备。
背景技术
通过在空气分离设备中低温分离空气来生产液态或气态空气产品是已知的并且例如在Wiley-VCH出版公司2006年由H.-W.
Figure BDA0003394555280000011
编辑出版的“Industrial GasesProcessing”一书中，特别地在章节2.2.5“Cryogenic Rectification”中进行了描述。
空气分离设备具有精馏塔***，这些精馏塔***通常可例如被设计为双塔***，特别地为典型的林德双塔***，但也可被设计成三塔或多塔***。除了用于提取液态和/或气态的氮和/或氧的精馏塔，即用于氮氧分离的精馏塔外，还可设置用于提取其他空气组分，特别地氪、氙和/或氩的精馏塔。经常将“精馏”和“蒸馏”以及“柱”和“塔”这些术语或者由此组成的术语作为同义词使用。
使得所述精馏塔***的精馏塔以不同的压力水平运行。已知的双塔***具有所谓的高压塔(也被称为压力塔、中压塔或下塔)和所谓的低压塔(也被称为上塔)。典型地使得高压塔以4至7bar的压力水平运行，特别地约5.3bar。典型地使得低压塔以1至2bar的压力水平运行，特别地约1.4bar。在某些情况下，在两个精馏塔中也可使用更高的压力水平。此处和下文说明的压力为各自给定的塔的顶部处的绝对压力。
已知现有技术中有所谓的SPECTRA方法，用来提供压缩氮作为主要产物。以下还将对此进行详细解释。在SPECTRA方法中，为了提取纯氧或高纯氧，可以使用所谓的氧塔，该氧塔可以在典型低压塔的压力水平下或在高于所述压力水平的压力水平下运行。氧塔存在于用于提取氮的精馏塔旁边并且从该精馏塔进料。
根据EP 1 995 537 A2，在此使进料空气在主换热器中冷却，并引入用于提取氮的单柱中。从单柱的上部区域取出氮产物流。将第一残余馏分从所述单柱的下部或中部区域取出、再压缩，然后再次送入所述单柱。在中间位置从单柱中取出含氧流并将其输送至纯氧柱。从纯氧柱的下部区域以液态取出纯氧产物流。纯氧产物流在主换热器中相对于进料空气蒸发并加热，最后作为气态产物获得。
US 6,279,345 B1涉及一种空气分离***，其可用于制备超高纯氮气或超高纯氧气，其中精馏塔的富氧液体在两个步骤中使用分体式塔顶冷凝器蒸发，并且来自第一步骤的蒸汽被压缩并再循环到精馏塔中。
本发明的目的是改进具有相应的氧提取的SPECTRA方法，特别是在能量消耗和材料产率方面。
发明内容
在此背景下，本发明提出具有独立权利要求的特征的一种用于低温分离空气的方法和一种对应的设备。优选的实施方案是各从属权利要求以及后面的说明的对象。
在解释本发明的特征和优点之前，先对本发明的一些基本原理进行进一步的解释，并对下面所用的术语进行定义。
在空气分离设备中使用的装置在引用的专业文献，例如
Figure BDA0003394555280000021
(见上文)的书中的章节2.2.5.6“Apparatus”中进行了描述。因此，除非下文的定义与之有偏差，否则本申请的上下文中的用语明确参照所引用的专业文献。
在本文使用的语言中，流体和气体可富含或缺乏一种或多种成分，其中“富含”可表示在摩尔、重量或体积基础上的至少75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，而“缺乏”可表示最多25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量。“大部分”这一术语可对应于“富含”这一定义。此外，液体和气体可富集或贫化一种或多种成分，其中这些术语以初始液体或初始气体中的含量为准，即液体或气体是从该初始液体或初始气体中提取而来的。
如果液体或气体相对于初始液体或初始气体含有至少1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1,000倍的对应成分的含量，则为“富集”，而如果液体或气体含有最多0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍的对应成分的含量，则为“贫化”。如果在此例如提及“氧”、“氮”或“氩”，则也应将其理解为富含氧或氮，但不一定仅由这些物质组成的液体或气体。
本申请书使用“压力水平”和“温度水平”这两个术语来表征压力和温度，由此表示不必为了实现本发明的理念而在对应设备中使用以精确的压力或温度值的形式的相应压力和温度。然而，此类压力和温度典型地在一定的范围内移动，该范围例如为平均值±1％、5％或10％。在此，对应的压力水平和温度水平可在不相交的范围内，或者在相互重叠的范围内。特别地，例如压力水平包括不可避免的或预期的压力损失。对应的内容适用于温度水平。此处单位为bar的压力水平为绝对压力。
如果这里谈及“膨胀机”，可理解为典型地众所周知的涡轮膨胀机。这些膨胀机特别地也可与压缩机耦合。这些压缩机特别地可为涡轮压缩机。典型地也将涡轮膨胀机和涡轮压缩机构成的对应的组合称作“涡轮增压机”。在涡轮增压机中，涡轮膨胀机和涡轮压缩机机械耦合，其中能够以相同转速(例如经由共同的轴)或者以不同转速(例如经由合适的传动齿轮)实现所述的耦合。这里一般使用术语“压缩机”。“冷压缩机”在此表示这样的压缩机，即以明显低于0℃，特别地低于–50、–75或–100℃并且达到–150或–200℃的温度水平将流体流供应给该压缩机。特别地借助于主换热器(见下文)将对应的流体流冷却到对应的温度水平。
“主空气压缩机”的特征在于：通过该主空气压缩机压缩所有供应给空气分离设备并且在那里分离的空气。与之相反，在一个或多个可选地设置的另外的压缩机中，例如在增压机中，仅在每种情况下对之前已在主空气压缩机中压缩的空气的一部分继续进行压缩。对应地，空气分离设备的“主换热器”是指这样的换热器，即在该换热器中至少冷却供应给空气分离设备并且在那里分离的空气的主要部分。这种冷却至少部分地并且在适当时仅与从空气分离设备排出的物质流逆流地进行。在这里使用的语言中，从空气分离设备“排出的”物质流或者“产物”是不再参与设备内部循环，而是持续从中抽取的流体。
在本发明的上下文中使用的“换热器”可采用专业上常见的方式设计。换热器用于在例如彼此逆流输运的至少两股流体流之间间接传热，例如在一股热压缩空气流和一股或多股冷流体流之间，或者在一股深冷的液态空气产物和一股或多股热或较热的流体流之间，但在适当时也可在深冷的流体流之间。换热器可由单个或多个并联和/或者串联的换热器分段构成，例如由一个或多个板式换热器模块构成。换热器例如为板式换热器(英文：Plate Fin Heat Exchanger)。此类换热器具有“通道”，这些通道被设计成具有换热面的彼此分开的流道，平行并且通过其他通道分开地合并成“通道组”。换热器的特征就是在其中在某个时刻在两个移动介质之间，即至少一个待冷却的和至少一个待加热的流体流之间交换热量。
“冷凝器蒸发器”指的是在其中使冷凝流体流与蒸发流体流间接换热的换热器。每个冷凝器蒸发器具有液化室和蒸发室。液化室和蒸发室具有液化通道以及蒸发通道。在液化室中使得冷凝流体流冷凝(液化)，在蒸发室中使得蒸发流体流蒸发。通过相互间存在换热关系的通道组形成蒸发室和液化室。
本发明包括根据所谓的SPECTRA方法对空气进行低温分离，正如EP 2 789 958 A1和那里引用的其他专利文献中所述的那样。这里最简单的实施方式是单塔方法。然而，在本发明的上下文中不是这种情况，因为在此除了空气进料的精馏塔(“第一”精馏塔)之外，还使用从第一精馏塔进料并用于提取氧的精馏塔(“第二”精馏塔)。
虽然SPECTRA方法本来是为了在第一精馏塔的压力水平下提供气态氮，但使用所述类型的第二精馏塔使得能够额外提取纯氧。
与其他低温分离空气的方法一样，在SPECTRA方法中也将经过压缩并且初步净化的空气冷却到适合于精馏的温度。这样可将其部分液化。如开头所述，在高压塔的典型压力下精馏空气，以获得相对于大气富集氮的塔顶气和液态的相对于大气富集氧的塔底液。
用于此目的的第一精馏塔的回流在换热器中通过冷凝第一精馏塔的塔顶气，更确切地说是该塔顶气的一部分来提供。在该换热器，即冷凝器蒸发器(“第一”冷凝器蒸发器)中，同样从第一精馏塔取出的流体用于冷却并且在此蒸发或部分蒸发。另外的塔顶气可以作为富氮产物提供。
在此，在SPECTRA方法的根据本发明使用的变体中，在第一冷凝器蒸发器中使用两个物质流(“第一”和“第二”物质流)，其中第一物质流使用从具有第一氧含量的第一精馏塔取出的液体形成，并且第二物质流使用从具有较高的第二氧含量的第一精馏塔取出的液体形成。用于形成第一物质流的液体可从第一精馏塔中从中间塔板或从液体截留装置抽出。用于形成第二物质流的液体尤其可以是第一精馏塔的液体塔底产物的至少一部分。第一物质流和第二物质流是前述流体，其在第一冷凝器蒸发器中用于冷却和冷凝第一精馏塔的相应比例的塔顶气。
通常，在SPECTRA方法中，第一物质流在其用于在第一换热器中的冷却之后，可以借助于冷压缩机至少一部分地被压缩并且再循环到第一精馏塔中。在本发明的上下文中，也是这种情况。在SPECTRA方法中，第二物质流在其用于第一换热器中的冷却之后，可以至少一部分地膨胀并且作为来自空气分离设备的所谓的残余气体混合物实施。为了压缩第一物质流(或相应的部分)，可以使用一个或多个压缩机，所述一个或多个压缩机与一个或多个膨胀机耦合，在所述一个或多个膨胀机中进行第二物质流(或相应的部分)的膨胀。应理解的是，也可在对应耦合的单元中仅仅使得第一或第二物质流的一部分压缩或膨胀。如果存在没有与对应的压缩机耦合的膨胀机，特别地可对其进行机械制动和/或者再生制动。与压缩机耦合的膨胀机，也能进行制动。
例如可在此使用与两个并行布置的膨胀机中的一个耦合的压缩机。如果仅使用一个膨胀机，则压缩机可与其耦合。以下使用的表述只是为了简明起见，根据这种表述，“一个”压缩机与“一个”膨胀机耦合，但并不排除使用任意相互耦合的多个压缩机和/或膨胀机。然而不必，特别地不必仅仅借助于一个或多个所述的膨胀机来驱动所述的压缩机。相反，压缩机也不必吸收膨胀过程中释放的所有功。也正如以下举例说明的那样，例如还可使用电机进行辅助驱动或专用驱动，或者可在膨胀机和压缩机之间加入制动器。
所述一个或多个压缩机是一个或多个冷压缩机，因为尽管第一流体流被引导通过第一冷凝器蒸发器并且在适当时随后进一步加热，但第一流体流在低温水平下被供应至该一个或多个冷压缩机。
本发明的优点
在刚刚解释的具有氧提取的SPECTRA方法中，在第二精馏塔的下部区域中通常存在冷凝器蒸发器(“第二”冷凝器蒸发器)，所述冷凝器蒸发器用于使第二精馏塔的塔底液沸腾。冷凝器蒸发器向来使用(至少)在主空气压缩机中压缩并且在主换热器中冷却的空气(进料空气)来运行，所述空气被供应至第一精馏塔。特别地，所述空气在这种情况下也可以是最初以气态形式存在的空气，其在被进料至第一精馏塔中之前在第二冷凝器蒸发器中液化。它是供应至第一精馏塔的进料空气总量的一部分。可以将另外的(气态)进料空气进料至第一精馏塔中，而无需相应的液化。
用于提取高纯度液态或气态氧产物(LOX，GOX；在高纯度状态下也称为UHPLOX或UHPGOX)的成本在已知的SPECTRA方法中相对较高。其原因一方面是相对高的设备耗费，另一方面是随之而来的额外的能量需求，该能量需求能够显著地影响整个方法的效率。
高比能量需求的原因主要在于，在第二精馏塔下部区域中的所述第二冷凝器蒸发器中的所述“加热”在很大程度上通过部分气态进料空气的所述冷凝来实现。通过从第一精馏塔取出相应量的流体作为第二物质流，该(液化的)部分空气流随后(在其蒸发之后)尽管用于产生冷却功率或驱动所使用的一个或多个冷压缩机，但该部分空气流不再参与第一精馏塔中的精馏过程。这导致氮的产物收率的显著降低，因为在此缺少的到第一精馏塔的回流必须通过分离额外的空气来产生。在第二精馏塔下部区域中的第二冷凝器蒸发器中的高驱动温差(在此，空气的冷凝在精馏塔***中的最高压力下进行)导致过程中的附加热力学损失。特别是在UHPGOX或UHPLOX产物量相对高的情况下，这些缺点大大地影响着主空气压缩机的功率消耗。
本发明基于以下认识：可以特别有利地通过在第二精馏塔的下部区域中使用作为“第一”或“第二”物质流的一部分以上述方式在第一冷凝器蒸发器中蒸发的流体代替第二冷凝器蒸发器中的进料空气流来修改上述类型的方法。以这种方式，可以节省之前用于该目的的空气并且由此提高能量效率和收率。然后可以如下所述地处理冷凝的流体。
本发明还显示出特别的优点，特别是因为第二冷凝器蒸发器中的冷凝在先前在第一冷凝器蒸发器中进行对应的流体的蒸发的压力水平下进行。以这种方式，可以省去重新压缩，并且可以借助泵使冷凝的气体或形成的冷凝物处于所需的压力。与气体压缩机相比，泵的运行明显更可靠并且其提供明显更便宜。
总之，本发明在此以专利权利要求的用语提供一种低温分离空气的方法，在该方法中使用具有第一精馏塔和第二精馏塔的空气分离设备。在此，使得所述第一精馏塔以第一压力水平运行，并且使得第二精馏塔以低于第一压力水平的第二压力水平运行。
此类第一和第二压力水平为在传统空气分离设备，特别地在提取氧的SPECTRA设备中使用的典型的压力水平。第一压力水平特别地可为7至14bar，第二压力水平特别地可为1.2至5bar。第二压力水平通常也可为1至4bar。这些压力水平各自为相应的精馏塔塔顶处的绝对压力。第一精馏塔和第二精馏塔特别地可并排布置，并且典型地彼此不以双塔形式合并，其中所谓“双塔”在这里一般理解为由两个精馏塔形成的分离装置，该分离装置被设计成结构单元，在其中两个精馏塔的塔壳不用管道，就是说直接彼此相连，特别地焊接在一起。然而在此单凭这种直接的连接还不能建立流体连接。
前面就已参考SPECTRA方法详细描述了在本发明的上下文中使用的第一精馏塔和在本发明的上下文中使用的第二精馏塔。该第二精馏塔特别地可为氧塔。
在此将经过压缩然后冷却的大气空气供应给第一精馏塔。在适当时，可以多股物质流的形式将对应的空气供应给第一精馏塔，该物质流可经过不同处理，在适当时可预先引导其通过另外的装置。相反，通常不向第二精馏塔供应空气。从第一精馏塔进料至第二精馏塔，或者通常不向第二精馏塔送入之前尚未从第一精馏塔取出或由这种物质流形成的物质流。
如SPECTRA方法中常见的那样，在本发明的上下文中，也提取第一精馏塔的塔顶气作为氮产物并从空气分离设备将其排出，并且提取第二精馏塔的塔底液作为氧产物并从空气分离设备将其排出。这并不排除还有其他流体，例如第二精馏塔的塔顶气，也从空气分离设备中排出并且例如排放到大气中。在本发明的上下文中，以其他方式作为氮或氧产物排出的流体也能以一定份额被排出，例如在第一精馏塔的塔顶气冷凝之后作为吹扫流或另外的液氮产物。
在本发明的上下文中，在第一冷凝器蒸发器中，在第一压力水平以下使第一物质流和第二物质流彼此分开地经受蒸发。在此，根据第一压力水平，第一冷凝器蒸发器中的蒸发压力特别是为3.5至7.5bara(bar绝对压力，这些值可以是精确的或近似的值)。因此，从第一精馏塔取出的在此待蒸发的流体对应地膨胀。第一精馏塔的不作为气态氮产物提供的另外的塔顶气在第一冷凝器蒸发器中冷凝并且作为回流再循环到第一精馏塔。对应的冷凝物的一部分也可以作为前述另外的液氮产物排出，特别是在相对于自身过冷处理之后。
在本发明的上下文中，在第一冷凝器蒸发器中蒸发的第一物质流使用从第一精馏塔取出的具有第一氧含量的液体形成，并且第二物质流使用从第一精馏塔取出的具有高于第一氧含量的第二氧含量的液体形成。关于这种液体的其他内容已经阐述过了。因此，具有较低的第一氧含量的液体特别是在第一精馏塔的中间塔板或分离塔板上或在相应的液体截留装置上提取的液体。具有较高的第二氧含量的液体特别是第一精馏塔的塔底液。
在本发明的上下文中，第一物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发后部分或完全经受再压缩至第一压力水平并进料至第一精馏塔中，并且第二物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发后经受膨胀并从空气分离设备中排出。
在这种情况下，“第一物质流的气体”和“第二物质流的气体”这两种表述还应特别是包括，如果在本发明的实施方案中没有以下文所述的其他方式使用特定部分，则以所述方式使用第一或第二物质流的全部气体。因此，换言之，“第一物质流的气体”和“第二物质流的气体”这两种表述应表示对应的气体的全部或部分，但不排除在本发明的上下文中也可能存在其他用途。
第二精馏塔配备有第二冷凝器蒸发器或至少与第二冷凝器蒸发器热耦合，其中第二冷凝器蒸发器特别地构造或提供在第二精馏塔的塔底区域中，并且特别地部分地浸没在形成在塔底区域中的液浴中。在此，第二精馏塔的塔底液在第二冷凝器蒸发器中蒸发。特别地，在第二冷凝器蒸发器中也可以冷却(过冷)液体，借助该液体，从第一精馏塔进料给第二精馏塔。
根据本发明，第一或第二物质流的气体在其在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后在第二冷凝器蒸发器中经受冷凝，并且特别是在液态下的压力相应升高之后，至少一部分被供给至从具有第一或第二氧含量的第一精馏塔中取出并用于形成第一或第二物质流的液体中，或者替代性地进料至第一精馏塔的下部区域中。此处同样适用的是，当提及“第一或第二物质流的气体”时，可以部分或全部以所述方式使用(再压缩并再循环到第一精馏塔中或膨胀并排出)第一或第二物质流的其他气体或各自未涉及的物质流。
本发明的优点已经有所提及。在此，在本发明的上下文中设置的互连的优点特别是在于，为了提取相同的产物，需要大约少3％的进料空气(或大约少3％的能量)，其中例如可以提供29,300标准立方米/小时的加压氮气(PGAN)和700标准立方米/小时的高纯度液氧(UHPLOX)的量。这特别是归因于以下事实：在本发明的上下文中，不使用空气来加热冷凝器蒸发器，并且因此克服了上述缺点。在本发明的上下文中，降低了比能量需求，因为在第一精馏塔中的精馏过程中使用的所有空气都参与其中，从而提高了氮的产物收率。
本发明的两个替选方案(涉及第一和第二物质流)特别是，一方面，第一物质流的第一部分在第一冷凝器蒸发器中蒸发后经受再压缩至第一压力水平，并且第一物质流的第二部分在第一冷凝器蒸发器中蒸发后经受在第二冷凝器蒸发器中冷凝，或者另一方面，第二物质流的第一部分在第一冷凝器蒸发器中蒸发后经受做功膨胀，并且第二物质流的第二部分在第一冷凝器蒸发器中蒸发后经受在第二冷凝器蒸发器中冷凝。
在这两种情况下，根据本发明设置成，在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后经受在第二冷凝器蒸发器中冷凝的第一或第二物质流的气体在其先前在第一冷凝器蒸发器中经受蒸发或部分蒸发的压力水平下经受在第二冷凝器蒸发器中冷凝。
为此，在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后在第二冷凝器蒸发器中经受冷凝的第一或第二物质流的气体，特别是在使用气体管线的情况下被转移到第二冷凝器蒸发器中，该气体管线将第一冷凝器蒸发器和第二冷凝器蒸发器无压缩机地耦合在一起。在这种情况下，特别是可以设置直接的并且在没有影响压力的装置的情况下实现的耦合。
如上所述，根据本发明的一种特别优选的实施方案，在第一冷凝器蒸发器中冷凝时形成的冷凝物的至少一部分在使用泵的情况下在液态下经受压力升高。在此，在液态下的压力升高特别是以第一压力水平执行。
在此，在第一冷凝器蒸发器中冷凝时形成并在液态下经受压力升高的冷凝物的至少一部分可以在上文已经提到的第一替代方案中进料至从具有第一或第二氧含量的第一精馏塔中取出并用于形成第一或第二物质流的液体中，或者在同样已提到的另一替代方案中进料至第一精馏塔的下部区域中。
因此，根据本发明，如上换言之所述，在一种实施方案中，第一或第二物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后，可以在第二冷凝器蒸发器中经受冷凝，并且在液体状态下的压力相应升高之后，可以至少部分地进料至第一精馏塔的下部区域中。在此，这种“下部区域”可以有利地是从第一精馏塔中取出在第一冷凝器蒸发器中蒸发的第一物质流或其液体的位置。
原则上，来自第一精馏塔的加压氮产物也可能用于加热第二冷凝器蒸发器并经受对应的冷凝。然而，为了不影响其纯度，在此必须使用相应地无污染地工作的泵来进一步输送所形成的液体。由于随之而来的耗费，这相对于根据本发明提出的解决方案是非常不利的。
如在SPECTRA方法中已知的那样，在本发明的上下文中也可以提供一个或多个压缩机用于第一物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后的再压缩，并且可以提供一个或多个膨胀机用于第二物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后的膨胀，所述膨胀机与一个或多个压缩机耦合。关于SPECTRA方法的进一步细节已经在上文中进行了常规解释。
通过根据本发明的方法，可以基于体积提取第一精馏塔的塔顶气以及因此氮产物，具有各自小于1ppb的氧、一氧化碳和/或氢含量以及小于10ppm的氩含量。特别地，第二精馏塔的塔底液可以基于体积具有小于10ppb的氩和/或5ppm的甲烷含量，并且否则基本上由氧组成。
第一精馏塔可以如此运行，即使得第一压力水平为7至14bar绝对压力，特别是8至12bar，并且第二压力水平为1.2至5bar，特别是2至4bar绝对压力。
有利地，将在所述方法中待分离的所有冷却的压缩空气以气态进料至第一精馏塔中。
本发明还涉及一种空气分离设备，该空气分离设备具有第一精馏塔、第二精馏塔、第一冷凝器蒸发器和第二冷凝器蒸发器，并且被适配成向第一精馏塔供给空气并在第一压力水平下运行，并且从第一精馏塔向第二精馏塔供给空气并在低于第一压力水平的第二压力水平下运行。该空气分离设备还被适配成，从第一精馏塔提取塔顶气作为氮产物并使其从空气分离设备中排出，以及从第二精馏塔提取塔底液作为氧产物并将其从空气分离设备中排出，在第一冷凝器蒸发器中使低于第一压力水平的第一物质流和第二物质流经受蒸发，并且使第一精馏塔的另外的塔顶气在第一冷凝器蒸发器中冷凝并且作为回流再循环到第一精馏塔，使用从第一精馏塔中取出的具有第一氧含量的液体形成第一物质流，并且使用从第一精馏塔中取出的具有高于第一氧含量的第二氧含量的液体形成第二物质流，使第一物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发后部分或完全经受再压缩至第一压力水平并进料至第一精馏塔，以及使第二物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发后经受膨胀并从空气分离设备中排出，以及使第二精馏塔的塔底液在第二冷凝器蒸发器中蒸发。
在所提出的设备中，提供了装置，这些装置被适配成，使第一或第二物质流的气体在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后经受在第二冷凝器蒸发器中冷凝，并且将其至少一部分地供给至具有第二氧含量的从第一精馏塔中取出并用于形成第二物质流的液体中，或者进料至第二精馏塔的下部区域中。
为了在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后再压缩第一物质流的气体，在此提供一个或多个压缩机，并且为了在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后使第二物质流中的气体膨胀，提供一个或多个与一个或多个压缩机机械耦合的膨胀机。
根据本发明，第一冷凝器蒸发器和第二冷凝器蒸发器以如下方式布置并且特别是无压缩机地通过气体管线彼此耦合，即使得在第一冷凝器蒸发器中蒸发或部分蒸发之后在第二冷凝器蒸发器中经受冷凝的第一或第二物质流的气体在第二冷凝器蒸发器中以其先前在第一冷凝器蒸发器中经受蒸发或部分蒸发的压力水平经受冷凝。
关于根据本发明的空气分离设备的其他特征和优点，该空气分离设备特别是被适配用于执行如之前在不同实施方案中所解释的方法并且具有对应的以器件形式实现的装置，参考根据本发明的方法及其实施方案的上述解释。
下面参考附图更详细地解释本发明，这些附图示出了本发明的优选的实施方案。
附图说明
图1示出了根据本发明的一种实施方式的空气分离设备。
图2示出了根据本发明的一种实施方式的空气分离设备。
图3示出了根据本发明的一种实施方式的空气分离设备。
在附图中，在结构上和/或功能上彼此对应的元件以相同的附图标号给出，并且仅为了清楚起见在下文中不重复解释。
具体实施方式
在图1中以示意性设备图的形式示出了空气分离设备100。核心组件为精馏柱***，具有第一精馏塔11、第二精馏塔12、第一冷凝器蒸发器111和第二冷凝器蒸发器121。第一精馏塔11在第一压力水平下运行，第二精馏塔12在低于第一压力水平的第二压力水平下运行。
借助于空气分离设备100的主空气压缩机1，经由未单独标示的过滤器从大气A中吸入空气并压缩空气。在主空气压缩机1下游的同样未单独标示的后冷却器中冷却之后，以这种方式形成的进料空气流a在以水W运行的直接接触冷却器2中得以进一步冷却。然后，进料空气流a在吸附器单元3中经受清洁。在这方面的进一步阐述可以参考专业文献，例如联系
Figure BDA0003394555280000121
的图2.3A(见上文)。
在主换热器4中冷却之后，将进料空气流a进料至第一精馏塔11中。在常规方法中，一部分进料空气流a被进料至第一精馏塔11中，而另一部分被引导通过第二冷凝器蒸发器121，该第二冷凝器蒸发器布置在第二精馏塔12的下部区域中，并且第二精馏塔12的塔底液借助于第二冷凝器蒸发器蒸发。该另外的部分在第二冷凝器蒸发器121中冷凝，然后同样被进料至第一精馏塔11中。如所提及的那样，在本发明的实施方案中不是这种情况。
第一精馏塔11的塔顶气以物质流d的形式作为氮产物B或密封气体C从空气分离设备300排出。相反地，第二精馏塔12的塔底液以物质流e的形式作为氧产物D排出。例如，也可以进行进料至所谓的运行罐中，用于随后的蒸发以提供经过内部压缩的氧产物D。
在第一冷凝器蒸发器111中，低于第一压力水平的第一物质流g和第二物质流h(为此，特别是在未单独标示的阀中进行对应的膨胀)经受蒸发。第一精馏塔11的另外的塔顶气以物质流i的形式在第一冷凝器蒸发器111中冷凝，并且作为回流再循环到第一精馏塔11。一部分也可以在过冷器5中过冷，如在此以物质流k的形式所示，并作为液氮F提供。在此加热的物质流l如下面更详细地解释的那样处理。也可以设置吹扫流m或P形式的另外的排出物。
使用从第一精馏塔11中取出的具有第一氧含量的液体形成第一物质流g，并且使用从第一精馏塔11中取出的具有高于第一氧含量的第二氧含量的液体(特别是塔底液)形成第二物质流h。
第一物质流g的气体在第一冷凝器蒸发器111中蒸发或部分蒸发后在压缩机6中再压缩至第一压力水平，并进料至第一精馏塔11。虚线示出的部分也可以再循环至压缩机6中进行压缩。物质流g的一部分也可以以物质流n的形式排放到大气A中。
第二物质流h的气体在第一冷凝器蒸发器111中蒸发或部分蒸发后在膨胀机7和8中经受并行的进一步膨胀，与以物质流o的形式从第二精馏塔12中抽出的塔顶气合并，并且在主换热器4中加热后在吸附器单元3中用作再生气体，或者排放到大气A中并由此从空气分离设备300排出。
膨胀机7与压缩机6耦合，膨胀机8与发电机G耦合。在每种情况下，也可以使用不同数量的对应机器或不同类型的耦合。也可以提供未单独标示的(油)制动器。
向第二精馏塔12供给第一精馏塔11的侧流p，该侧流被引导通过第二冷凝器蒸发器121并且在上部区域中被供给至第二精馏塔。此外，第二物质流h的气体在第一冷凝器蒸发器111中蒸发或部分蒸发之后作为子物质流b被引导通过冷凝器蒸发器121并经受冷凝。对应地形成的进一步标示为b的液体借助泵9提高压力，然后在第二物质流蒸发之前再次与第二物质流h合并。
同样在根据图2的在其他方面构造成基本相同或类似的空气分离设备200中，在冷凝器蒸发器121中通过冷凝物质流b形式的第二物质流h的气体而形成的液体也借助泵9提高压力，但随后在下部区域中被进料至第一精馏塔11中。
也可以对应地使用第一物质流g的子物质流，如图3中的物质流c所示。在其他方面，根据图3的空气分离设备300可以基本上相同或类似地构造。通过冷凝第一物质流g的气体在第二冷凝器蒸发器121中形成的液体借助泵9提高压力，然后在第一冷凝器蒸发器111中蒸发之前再次与第一物质流g合并。

Claims (13)

1.一种用于低温分离空气的方法，其中使用具有第一精馏塔(11)、第二精馏塔(12)、第一冷凝器蒸发器(111)和第二冷凝器蒸发器(121)的空气分离设备(100,200,300)，其中所述方法包括：
–向所述第一精馏塔(11)供给空气并在第一压力水平下运行所述第一精馏塔，并且从所述第一精馏塔(11)向所述第二精馏塔(12)供给空气并在低于所述第一压力水平的第二压力水平下运行所述第二精馏塔，其中
–提取所述第一精馏塔(11)的塔顶气作为氮产物并使其从所述空气分离设备(100)排出，并且提取所述第二精馏塔(12)的塔底液作为氧产物并使其从所述空气分离设备(100,200)排出，
–在所述第一冷凝器蒸发器(111)中，使低于所述第一压力水平的所述第一物质流和所述第二物质流经受蒸发，并且所述第一精馏塔(11)的另外的塔顶气在所述第一冷凝器蒸发器(111)中冷凝并且作为回流再循环到所述第一精馏塔(11)，
–使用从所述第一精馏塔(11)取出的具有第一氧含量的液体形成所述第一物质流，并且使用从所述第一精馏塔(11)取出的具有高于所述第一氧含量的第二氧含量的液体形成所述第二物质流，
–在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后，所述第一物质流的气体部分或全部经受再压缩至所述第一压力水平并进料至所述第一精馏塔(11)中，并且所述第二物质流的气体在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后经受做功膨胀并从所述空气分离设备中排出，以及
–所述第二精馏塔(12)的塔底液在所述第二冷凝器蒸发器(121)中蒸发，并且
–在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后，使所述第一或第二物质流的气体在所述第二冷凝器蒸发器(121)中经受冷凝，并且将其至少一部分地供给至从具有所述第一或第二氧含量的从所述第一精馏塔(11)中取出并用于形成所述第一或第二物质流的液体中，或者进料至所述第一精馏塔(11)的下部区域中，
其特征在于，
–所述第一或第二物质流的气体在其在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后经受在所述第二冷凝器蒸发器(121)中冷凝，在其先前在所述第一冷凝器蒸发器(111)中经受蒸发或部分蒸发的压力水平下经受在所述第二冷凝器蒸发器(121)中冷凝。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一物质流的第一部分在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发后经受再压缩至所述第一压力水平，并且其中所述第一物质流的第二部分在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发后经受在所述第二冷凝器蒸发器(121)中冷凝。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二物质流的第一部分在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发后经受做功膨胀，并且其中所述第二物质流的第二部分在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发后经受在所述第二冷凝器蒸发器(121)中冷凝。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中提供一个或多个压缩机(6)用于在所述第一物质流在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后对所述第一物质流的气体进行再压缩，并且提供一个或多个膨胀机(7,8)用于在所述第二物质流在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后对所述第二物质流的气体进行膨胀，所述膨胀机与所述一个或多个压缩机(6)耦合。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后在所述第一冷凝器蒸发器(111)中经受冷凝的所述第一或第二物质流的气体通过使用气体管线被转移到所述第二冷凝器蒸发器(121)中，所述气体管线将所述第一冷凝器蒸发器(111)和所述第二冷凝器蒸发器(121)无压缩机地耦合在一起。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中在所述第一冷凝器蒸发器(111)中冷凝时形成的冷凝物的至少一部分在使用泵(9)的情况下在液态下经受压力升高。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述压力升高在液态下执行至所述第一压力水平。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第一精馏塔(11)的塔顶气基于体积具有各自小于1ppb的氧、一氧化碳和/或氢含量，和小于10ppm的氩含量。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第二精馏塔(12)的塔底液基于体积具有小于10ppb的氩和/或5ppm的甲烷含量。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第一压力水平为7至14bar绝对压力，并且其中所述第二压力水平为1.2至5bar绝对压力。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中将在所述方法中待分离的所有冷却的压缩空气以气态进料至所述第一精馏塔(11)中。
12.一种空气分离设备(100,200,300)，所述空气分离设备具有第一精馏塔(11)、第二精馏塔(12)、第一冷凝器蒸发器(111)和第二冷凝器蒸发器(121)，并适配成，
–向所述第一精馏塔(11)供给空气并在第一压力水平下运行所述第一精馏塔，并且从所述第一精馏塔(11)向所述第二精馏塔(12)供给空气并在低于所述第一压力水平的第二压力水平下运行所述第二精馏塔，
–提取所述第一精馏塔(11)的塔顶气作为氮产物并使其从所述空气分离设备(100)排出，并且提取所述第二精馏塔(12)的塔底液作为氧产物并使其从所述空气分离设备(100,200)排出，
–在所述第一冷凝器蒸发器(111)中，使低于所述第一压力水平的第一物质流和第二物质流经受蒸发，并且所述第一精馏塔(11)的另外的塔顶气在所述第一冷凝器蒸发器(111)中冷凝并且作为回流再循环到所述第一精馏塔(11)，
–使用从所述第一精馏塔(11)取出的具有第一氧含量的液体形成所述第一物质流，并且使用从所述第一精馏塔(11)取出的具有高于所述第一氧含量的第二氧含量的液体形成所述第二物质流，
–使所述第一物质流的气体在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后部分或全部经受再压缩至所述第一压力水平并进料至所述第一精馏塔(11)中，并且使所述第二物质流的气体在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后经受膨胀并从所述空气分离设备中排出，
–使所述第二精馏塔(12)的塔底液在所述第二冷凝器蒸发器(121)中蒸发，并且
–使所述第一或第二物质流的气体在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后在所述第二冷凝器蒸发器(121)中经受冷凝，并且将其至少一部分地供给至从具有第一或第二氧含量的从所述第一精馏塔(11)中取出并用于形成所述第一或第二物质流的液体中，或者进料至所述第一精馏塔(11)的下部区域中，
–其中提供一个或多个压缩机(6)用于在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后再压缩所述第一物质流的气体，并且提供一个或多个与所述一个或多个压缩机(6)机械耦合的膨胀机(7,8)用于在所述第一冷凝器蒸发器(111)中蒸发或部分蒸发之后使所述第二物质流的气体膨胀，
其特征在于，
–所述第一冷凝器蒸发器(111)和所述第二冷凝器蒸发器(121)布置成使得在所述第二冷凝器蒸发器(121)中经受冷凝的所述第一或第二物质流的气体在其先前在所述第一冷凝器蒸发器(111)中经受蒸发的压力水平下经受冷凝。
13.根据权利要求12所述的空气分离设备(100,200,300)，所述空气分离设备具有被适配成执行根据权利要求1至11中的一项所述的方法的装置。
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