TW202332874A - 低溫分離空氣的方法及空氣分離設備 - Google Patents

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勞夫 斯波里
阿塞爾 萊馬赫
拉爾斯 基爾希納
迪米特里 高盧貝夫
保羅 亨茲
弗洛里安 哈努什
湯馬士 諾倫
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Abstract

本發明提出一種低溫分離空氣的方法，其中使用具有精餾塔裝置(10)的空氣分離設備(100–300)，該精餾塔裝置具有壓力塔(11)、低壓塔(12)、粗氬塔(13)及精氬塔(14)。其中，來自被分配給該粗氬塔(13)的頂部氣體冷凝裝置(13.10)的蒸發氣體在第一饋送區內被部分或全部送入該低壓塔(12)。來自被分配給該精氬塔(14)的頂部氣體冷凝裝置(14.10)的蒸發氣體以及來自此頂部氣體冷凝裝置(14.10)的過剩液體則在共同的第二饋送區內被部分或全部送入該低壓塔(12)。在一個技術方案中，在冷卻液膨脹到被分配給該粗氬塔(13)的頂部氣體冷凝裝置(13.10)中時所形成的閃蒸氣體，可與此處所形成的蒸發氣體分開地在該第二饋送區內被部分或完全送入該低壓塔(12)。相應的空氣分離設備(100-200)同樣是本發明的主題。

Description

低溫分離空氣的方法及空氣分離設備
本發明係有關於如各獨立請求項之前言所述的一種低溫分離空氣的方法及一種空氣分離設備。
在空氣分離設備中藉由低溫分離空氣來製造液態或氣態空氣產品，屬於習知技術且例如記載於H.-W. Häring（編輯）, Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006，特別是2.2.5章節，「Cryogenic Rectification」。
空氣分離設備具有若干可採用不同設計的精餾塔裝置。除了用於獲取液態及/或氣態的氮及/或氧的精餾塔（即特別是可合併成一個習知雙塔的氮氧分離精餾塔）外，還可設置用於獲取其他空氣組分（特別是稀有氣體）或純氧的精餾塔。
經典精餾塔裝置的精餾塔係在不同的壓力位準上運行。習知的雙塔具有所謂的壓力塔（亦稱高壓塔、中壓塔或下塔）及所謂的低壓塔（上塔）。高壓塔通常在4巴至7巴，特別是約5.3巴的壓力位準上運行，低壓塔則一般在1巴至2巴，特別是約1.4巴的壓力位準上運行。在特定情況下，亦可在此等精餾塔中使用更高的壓力位準。此處及下文所給出的壓力係為相關精餾塔之頂部處的絕對壓力。
具有粗氬塔及精氬塔的空氣分離設備可用於氬的獲取。Häring案（見上）在圖2.3A中進行了舉例說明，並在從第26頁開始的「Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column」以及從第29頁開始的「Cryogenic Production of Pure Argon」等章節中進行了描述。如該案所述，在相應設備中，氬在低壓塔中的一定高度處富集。在此位置或另一個有利位置上，亦可能在氬最大值(Argonmaximum)以下，可從低壓塔中抽提氬濃度通常為5至15莫耳%的氬富集氣體，並將其轉移到粗氬塔中。相應的氣體通常含有約0.05 ppm至500 ppm的氮，餘下基本上為氧。需要明確強調的是，所給出的關於抽提自低壓塔之氣體的值僅為典型的示例值。
粗氬塔主要用於從抽提自粗氬塔的氣體中分離出氧。在粗氬塔中分離出來的氧或相應的富氧流體可被液態回輸到低壓塔中。在分離過程中留在粗氬塔中的氣態餾分以氬及氮為主，在精氬塔中被進一步分離，得到純氬。粗餾塔及精氬塔具有頂部冷凝器，該等頂部冷凝器特別是可用從高壓塔中抽提的一部分富氧貧氮液體（所謂的「富集液」）加以冷卻，該液體在此冷卻過程中部分蒸發。在本發明範圍內情況亦是如此。在部分蒸發過程中形成的氣相以及相應剩餘的液體在不同的饋送點處同樣被送入低壓塔，下文還將對該等饋送點的選擇進行說明。
來自粗氬塔的氧或富氧流體通常在低於用於冷卻過程中所使用且部分蒸發之液體的饋送點多個理論塔板或實際塔板處從高壓塔被回饋至低壓塔。
本發明之目的在於提供能改良空氣分離設備之運行的手段，該空氣分離設備具有包含粗氬塔及精氬塔的氬獲取系統。
[zu Anspruch 1]
在此背景下，本發明提出具有相關獨立請求項之特徵的一種低溫分離空氣的方法及一種空氣分離設備。技術方案分別為附屬項及以下說明的主題。
接下來先對說明本發明及其優點時所使用的一些用語以及基本的技術背景進行詳細闡述。
空氣分離設備中所使用的裝置記載於被引用的專業文獻中，例如在Häring案中記載於第2.2.5.6節「Apparatus」中。考慮到本申請範圍內的用語習慣，凡若以下定義並無不同者，則明確地提請參考被引用的專業文獻。
「冷凝蒸發器」在此係指可供第一冷凝流體流與第二蒸發流體流發生間接熱交換的熱交換器。任一冷凝蒸發器皆具有液化室及蒸發室。液化室及蒸發室具有液化通道或蒸發通道。第一流體流在液化室內冷凝（液化），第二流體流在蒸發室內蒸發。蒸發室及液化室由相互之間存在熱交換關係的通道組構成。冷凝蒸發器根據其功能又被稱為「頂部冷凝器」及「底層蒸發器」，其中頂部冷凝器係為使精餾塔的頂部氣體冷凝的冷凝蒸發器，底層蒸發器則為使精餾塔的底層液體蒸發的冷凝蒸發器。當然，亦可在頂部冷凝器（例如在本發明範圍內所使用的頂部冷凝器）中蒸發底層液體。
具體而言，以熱交換方式連接空氣分離設備之高壓塔與低壓塔的所謂主冷凝器被設計成冷凝蒸發器。主冷凝器或其他冷凝蒸發器可被設計成單層或多層浴式蒸發器，特別是級聯式蒸發器（例如在EP 1 287 302 B1中所記載的），或者被設計成降膜蒸發器。相應的冷凝蒸發器例如可由一個單一的熱交換器塊構成，或者由佈置在公共壓力容器中的多個熱交換器塊構成。
「強制流動式」冷凝蒸發器或蒸發側強制導引式冷凝蒸發器亦可在本發明範圍內使用，在該冷凝蒸發器中，液流在自身壓力作用下穿過蒸發室，並於該處部分蒸發。（「強制流動式」蒸發器有時亦被稱為「一次通過式蒸發器」。）此壓力例如由通往蒸發室的進料管線中的液柱所產生，而該液柱產生於貯液器的相應定位。此液柱的高度在此至少與蒸發室中的壓力損失相當。從蒸發室出來的氣體或氣液混合物，即兩相流，在「一次通過式」/「強制流動式」冷凝蒸發器中被直接傳送到下一個工藝步驟或下游裝置，特別是不被導入冷凝蒸發器的液浴中，液態剩餘部分將從該液浴被再次吸入，例如基於習知的熱虹吸效應而工作的傳統浴式蒸發器即是此種情況。
在本案的用語習慣中，流體（即液體及氣體）可能富或貧一種或多種組分，其中「富」可代表至少為50%、75%、90%、95%、99%、99.5%、99.9%或99.99%的莫耳含量、重量含量或體積含量，「貧」可代表最高為50%、25%、10%、5%、1%、0.1%或0.01%的莫耳含量、重量含量或體積含量。用語「佔優勢」可等同於「富」的定義。此外，流體可能富集或耗盡一種或多種組分，其中此等用語係關於用以獲取該流體的初始流體中的含量。以初始流體為參照，若流體至少含有相應組分的1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1000倍含量，則稱之為「富集」，若流體最多含有相應組分的0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍含量，則稱之為「耗盡」。舉例而言，若述及「氧」或「氮」，則亦指富氧或富氮但並非必須僅由氧或氮構成的流體。
本公開使用用語「壓力範圍」及「溫度範圍」來表徵壓力與溫度，此係為了表明，實現本發明理念時無需使用精確的壓力值及溫度值來說明相應設備中的相應壓力與溫度。舉例而言，在壓力塔及低壓塔內部的不同位置存在不同壓力，但該等壓力在一定的壓力範圍（又稱工作壓力範圍）內波動。相應的壓力範圍及溫度範圍可為不相交範圍或交疊範圍。
接下來所使用的特別是如「之上」、「之下」、「上方」、「下方」、「旁」及「並排」等絕對空間用語及/或相對空間用語在此特別是指空氣分離設備中具有相應名稱的元件（例如精餾塔、複合式精餾塔的分塔或精餾塔的精餾區）正常運行時的空間定向。兩個元件「堆疊」佈置，在此特別是指兩個元件中的下方元件的上端與兩個元件中的上方元件的下端處於同一大地高度或較低的大地高度，並且兩個元件在水平面上的投影彼此重疊。特別地，兩個元件可以精確地堆疊佈置，此係指兩個元件的豎向中軸線在同一條豎向直線上延伸。「並排」佈置則特別是指兩個元件在水平面上的投影不重疊。在精餾塔採用複合式設計的情況下，「功能上位於...下方」或「功能上位於...上方」等用語系指該精餾塔採用一體式設計時其所具有之精餾區或分塔的佈局。 本發明的優點
本發明尤其是基於以下認識：按照先前技術設計而成的、具有粗氬塔及精氬塔且其頂部冷凝器以開頭所述之方式進行冷卻的空氣分離設備，存在兩個主要缺點： 傳統上，在冷卻液部分蒸發期間，此等頂部冷凝器中所剩餘的液體在不同的位置或位級上被送入低壓塔。從熱力學角度看這是正確的，因為兩種液體在組成上的差異相當大。（從熱力學角度看）不正確的是，部分蒸發時形成在此等頂部冷凝器中的氣體儘管在組成上存在明顯差異，但仍以傳統方式被混合。
此外，抽提自壓力塔的、在粗氬塔及精氬塔之頂部冷凝器中用於冷卻的氧富集液體被節流到粗氬塔的頂部冷凝器的蒸發室內。在此過程中，有一定的比例蒸發成所謂的閃蒸氣體。節制流的蒸氣比例（即閃蒸氣體的比例）通常約為10%。蒸氣的組成（由於平衡條件而）明顯不同於液相的組成。液相在粗氬塔的頂部冷凝器中幾乎完全蒸發，其間所形成的蒸發氣體與閃蒸氣體混合。這導致具有不同組成的兩種氣流混合，這在熱力學上是不正確的，因為接下來須進一步分離此混合物。
為了消除此等缺點，本發明提供一種低溫分離空氣的方法，其中使用具有精餾塔裝置的空氣分離設備，該精餾塔裝置具有壓力塔、低壓塔、粗氬塔及精氬塔。
其中，使用來自壓力塔的第一部分氧富集液體形成第一液體加壓流，該第一液體加壓流發生膨脹，以獲得第一閃蒸氣體並留下第一低壓液體。
使用來自壓力塔的第二部分氧富集液體形成第二液體加壓流，該第二液體加壓流發生膨脹，以獲得第二閃蒸氣體並留下第二低壓液體。
兩個部分可在同一個閥中一起膨脹，或者分別在一個單獨的閥中膨脹。
粗氬塔使用第一頂部氣體冷凝裝置進行工作，在該第一頂部氣體冷凝裝置中，在使第一冷卻液部分蒸發的情況下對粗氬塔的頂部氣體進行冷凝，使用第一低壓液體或其一部分來提供該第一冷卻液。
精氬塔使用第二頂部氣體冷凝裝置進行工作，在該第二頂部氣體冷凝裝置中，在使第二冷卻液部分蒸發的情況下對精氬塔的頂部氣體進行冷凝，使用第二低壓液體或其一部分來提供該第二冷卻液。
第一冷卻液部分蒸發時所形成的第一蒸發氣體或其一部分以及第一冷卻液部分蒸發時所剩餘的第一過剩液體或其一部分被送入低壓塔。
第二冷卻液部分蒸發時所形成的第二蒸發氣體或其一部分以及第二冷卻液部分蒸發時所剩餘的第二過剩液體或其一部分被送入低壓塔。
其中，用語「蒸發氣體」總是指藉由從粗氬塔及精氬塔的頂部氣體到頂部氣體冷凝裝置或頂部氣體冷凝裝置中的冷凝蒸發器的熱傳遞而形成的蒸發部分。剩餘的液態殘留物在此總是被稱為「剩餘液體」。與用語「蒸發氣體」不同的是，用語「閃蒸氣體」旨在表示僅僅由於膨脹而形成的氣體部分或蒸氣部分。
根據本發明，第一蒸發氣體或其被送入低壓塔的部分在第一饋送區內被部分或全部送入低壓塔。
根據本發明，第二蒸發氣體或其被送入低壓塔的部分則在第二饋送區內被部分或全部送入低壓塔。
亦即，根據本發明，各頂部冷凝器中所形成的兩個氣相分別在不同的合適位置上被單獨送入低壓塔。這就避免了前述缺點，即在兩種蒸發氣體具有不同組成之情況下以傳統方式進行共同饋送所造成的缺點。
根據本發明，第二過剩液體或其被送入低壓塔的部分在第二饋送區內被部分或全部送入低壓塔，即在饋送第二蒸發氣體的同一個位置上。
在本發明的一個技術方案中，第一閃蒸氣體或其一部分可與第一蒸發氣體分開地在第二饋送區內被部分或完全送入低壓柱。以此方式能夠克服先前技術的前述缺點，即先前技術在氣體組成不同的情況下進行共同饋送所造成的缺點。
根據本發明，第一饋送區位於第二饋送區下方5至25個理論塔板處，第一及第二饋送區分別是不包括任何分離裝置且各自佈置在佈置於上方的上分離區與佈置於下方的下分離區之間的區域。第一（下）饋送區的上分離區較佳同時為第二（上）饋送區的下分離區，即恰好位於兩個饋送區之間。分離區中裝填有物質交換元件，並且較佳被設計成填料段。
再換句話說，本發明特別是在與此處所剩餘的殘餘液體相同的分離級上將蒸發氣體從精氬塔的頂部氣體冷凝裝置導入低壓塔。由於兩股流處於熱力學平衡狀態，因此不需要附加的液體分配器。兩股流可以兩相流的形式透過兩相噴嘴被送入低壓塔。其結果為氬產量顯著提高。由於氧回收得到改良，能量需求不會增加。 [zu Anspruch 2]
為了在單獨的閥中膨脹後分離出閃蒸氣體，在本發明的第一變體中設置兩個單獨的相分離裝置，例如用於第一閃蒸氣體（第一相分離）的簡單相分離器（分離器）及/或用於第二閃蒸氣體的第二頂部氣體冷凝裝置的蒸發室。
藉由從壓力塔中單獨閃蒸出在粗氬塔的第一頂部氣體冷凝裝置中用於冷卻的液體加壓流以形成第一閃蒸氣體，並將第一閃蒸氣體與在精氬塔的第二頂部氣體冷凝裝置中所形成的第二蒸發氣體混合，將實現進一步的優勢，尤其體現為氬產量的進一步增加。
相分離上游的膨脹尤其可以從壓力塔的工作壓力位準進行到低壓塔的工作壓力位準。在相分離的設計方面可以採取不同的途徑，下文還將對此進行說明。 [zu Anspruch3]
在本發明的第二變體中，第一及第二液體加壓流在共同的閥中膨脹，並共同進行相分離，較佳在第二頂部氣體冷凝裝置的同時起相分離器作用之蒸發室內進行。然後，第一冷卻液從蒸發室的液相中排出。第一閃蒸氣體與第二蒸發氣體一起從第二頂部氣體冷凝裝置的蒸發室中被抽提。 [zu Anspruch 5]
在本發明的兩個變體中，第一閃蒸氣體可與第一蒸發氣體分開地在第二饋送區內被送入低壓塔，其中特別是第一閃蒸氣體在第一相分離中被提供後未經節流地轉移到低壓塔(12)。 [zu Anspruch 5, früher 4]
如前所述，第一蒸發氣體或其一部分可與第一過剩液體或其一部分一起作為第一兩相流在第一饋送區內被送入低壓塔。 [zu früherem Anspruch 5, jetzt aus den Ansprüchen gestrichen]
在本發明的一個特別有利的技術方案範圍內，可以在第一頂部氣體冷凝裝置中使用一個或多個所述類型的「強制流動式」冷凝蒸發器。請參考前述說明。具體來說也就是：第一低壓液體或其一部分作為第一冷卻液經強制導引而穿過一個或多個被設計成第一頂部氣體冷凝裝置之一部分的冷凝蒸發器，並且在此過程中部分蒸發成第一蒸發氣體及第一過剩液體。「強制導引」在此係指在壓力下向蒸發室饋料，例如透過管道。
其中，有利地藉由液柱的壓力來實現強制導引。為此，第一低壓液體或其經強制導引而穿過一個或多個冷凝蒸發器的部分有利地被保存在貯存器中，以大地測量學角度看，該貯存器佈置在一個或多個冷凝蒸發器的一個或多個饋料位置上方。
尤佳採用「一次通過式」配置，其中第一蒸發氣體及第一過剩液體作為第一兩相流從冷凝蒸發器排出，而不將第一過剩液體或其一部分回輸到一個或多個冷凝蒸發器中。 [zu Anspruch 8]
不管其他特徵採用何種具體設計，在相分離中提供第一閃蒸氣體後，第一閃蒸氣體可以未經節流地轉移到低壓塔。 [zu Anspruch 9]
在本發明的一個較佳技術方案中，第二蒸發氣體或其在第二饋送區內被送入低壓塔的部分特別是可與第二過剩液體或其在第二饋送區內被送入低壓塔的部分合併成第二兩相流，該第二兩相流在第二饋送區內被送入低壓塔。 [zu früherem Anspruch 10, jetzt aus Ansprüchen gestrichen]
在另一技術方案中，第一頂部氣體冷凝裝置尤其可包括具有蒸發室的浴式蒸發器，相分離特別是作為錐形裝置被整合在其中。 [zu Anspruch 10]
原則上，來自第一頂部氣體冷凝裝置的第一過剩液體可以在不採取變壓措施的情況下被導入低壓塔。此時，第一頂部氣體冷凝裝置的蒸發室中會產生一個壓力，該壓力相當於低壓塔的工作壓力加上管線損失。這確保了設備在正常條件下的穩定運行。在特殊的運行狀況下，例如在部分負荷運行時，液氬有可能被過冷到一定程度，以至於存在凍結的氬將冷凝通道堵塞之風險（氬的三相點：83.8 K）。
根據本發明的另一態樣，若第一過剩液體及第一蒸發氣體共同作為第一兩相流被導向低壓塔，則此問題的解決方法為：導引該兩相流在第一頂部氣體冷凝裝置與低壓塔之間穿過節流閥。藉由部分關閉節流閥，可在欠載情況下提高蒸發室內的壓力與溫度，從而有效防止冷凝蒸發器因凍結而被堵塞。該閥較佳被設計成自動閥；作為替代方案，可以使用手動閥。總體來說，這將使得第一頂部氣體冷凝裝置及粗氬塔的運行特別穩定。 [zu Anspruch 11]
該節流閥在運行過程中，特別是在正常運行時，可以至少間歇性地完全打開。 [zu Anspruch 12]
此外，第一過剩液體可在頂部氣體冷凝裝置與節流閥之間經導引而穿過相分離器，第一蒸發氣體及第一過剩液體在該相分離器中相互分離。隨後，第一蒸發氣體與第一過剩液體分開地被導入低壓塔。蒸發室內的壓力在此並非由用於第一過剩液體的管線中的閥來調節，而是由連接到相分離器的蒸發氣體管線中的閥來調節。 [zu Anspruch 13+14 neu]
可以測量相分離器中的液位。根據測量值，較佳對被導入第一頂部氣體冷凝裝置的第一冷卻液的量進行調節。較佳對相分離器中所產生的液體量進行量控(mengengeregelt)。 [zu Anspruch 15 ganz neu]
較佳對控制蒸發室內之壓力的節流閥進行調節，使得第一冷卻液進入第一頂部氣體冷凝裝置時的溫度高於氬的三相點溫度。此進入溫度較佳比氬的三相點高至少0.1 K至2.0 K，特別是高0.1 K至1.0 K。
本發明原則上可應用於所有具備氬獲取功能的工藝迴路拓撲結構，而不受製冷方式或產品壓縮方式的制約。具體而言，其中包括所謂的MAC/BAC工藝或HAP工藝，例如記載於EP 3 196 573 A1的[0022]至[0025]段落，氮循環工藝，例如記載於EP 2 235 460 A2或H. Hausen及H. Linde，「Tieftemperaturtechnik: Erzeugung sehr tiefer Temperaturen, Gasverflüssigung und Zerlegung von Gasgemischen」，第二版，1985年，海德堡Springer出版社，第4.5.2.2節，及/或具有內壓縮的空氣分離設備，例如記載於Hausen/Linde案第4.5.1.6節或Häring案（見上）第2.2.5.2節，「Internal Compression」。 [zu Anspruch 16 früher 11]
關於本發明所提出的空氣分離設備的特徵，明確提請參考相應的獨立請求項。該空氣分離設備特別是被設置為用於實施以上技術方案中所說明的方法。因此，明確提請參考上述關於根據本發明的方法及其有利技術方案的說明。
下面將參考所附圖式對本發明進行詳細闡述，所附圖式圖示本發明的較佳技術方案。
圖1以簡化的工藝流程圖之形式圖示本發明的一個採用非本發明技術方案的空氣分離設備，其整體上被標示為90。
關於圖示類型的空氣分離設備，在其他地方有諸多描述，例如（見上文）Industrial Gases Processing, Wiley-VCH，2006年，特別是第2.2.5節，「Cryogenic Rectification」以及與圖2.3A有關的內容。因此，關於結構與工作原理的詳細說明，請參考相關技術文獻。用於本發明的空氣分離設備可採用不同的設計。如前所述，本發明原則上可應用於所有具備氬獲取功能的工藝迴路拓撲結構，而不受製冷方式或產品壓縮方式的制約。
圖1中例示性所示的空氣分離設備90具有主空氣壓縮機1、預冷裝置2、提純系統3、增壓壓縮機裝置4、第一增壓渦輪5、第二增壓渦輪6、主熱交換器7、泵8及9以及精餾塔系統10，但不限於此。在圖示例子中，精餾塔系統10包括由壓力塔11及低壓塔12組成的經典雙塔裝置以及粗氬塔13與精氬塔14。粗氬塔13及精氬塔14具有在此被稱為「第一」及「第二」頂部氣體冷凝裝置的頂部氣體冷凝裝置13.10及14.10，該等頂部氣體冷凝裝置在此分別包括回流式或浴式冷凝蒸發器。
在空氣分離設備90中，由主空氣壓縮機1透過未標注符號的過濾器吸入進料空氣流並將其壓縮。經壓縮的進料空氣流被送入用冷卻水工作的預冷裝置2。經預冷的進料空氣流在提純系統3中被提純。在通常包括一對交替使用的吸附器容器的提純系統3中，經預冷的進料空氣流被很大程度地去除水與二氧化碳。
進料空氣流在提純系統3下游被分成若干個分流。進料空氣流的空氣在主熱交換器7中以基本已知的方式被冷卻。在此處所圖示的例子中，在相應的渦輪中形成兩個所謂的渦輪流(Turbinenstrom)。其中，渦輪增壓器6的增壓器單元被設計成所謂的冷增壓器，即被加載來自主熱交換器7的已冷卻空氣。在主熱交換器7中經完全冷卻的空氣在液化狀態下透過未單獨標號的節流閥而發生膨脹，並作為所謂的節制流被送入精餾塔系統。
在壓力塔11中形成氧富集液態底層餾分及氮富集氣態頂部餾分。氧富集液態底層餾分從壓力塔11中被抽提，並分成若干部分地膨脹到頂部氣體冷凝裝置13.10及14.10中的回流式或浴式冷凝蒸發器的蒸發室中。藉由相對於粗氬塔及精氬塔13、14的頂部氣體發生膨脹及蒸發而形成的氣體部分被送入低壓塔12，此處的未蒸發液體同樣如此。
此處所圖示的空氣分離設備90的運行屬於常規專業技術，因而請參考所引用的技術文獻。粗氬塔13照例由低壓塔11供料，精氬塔14照例由粗氬塔13供料。
圖2至圖4示出根據本發明的技術方案的空氣分離設備，其被標示為100、200或300。
在所有情況下，從壓力塔11中抽提的氧富集液體皆被標示為A。使用該氧富集液體的第一部分形成第一液體加壓流B，該第一液體加壓流在未單獨標號的閥中膨脹，獲得第一閃蒸氣體並留下第一低壓液體。
在根據圖2及圖3的技術方案100及200中（為簡單起見，該等技術方案使用與之前相同的符號），在第一頂部氣體冷凝裝置13.10中使用前述「強制流動式」冷凝蒸發器13.12，其旁邊設有單獨的相分離器13.11。第一低壓液體從該相分離器在所形成的液柱的壓力推動下穿過「強制流動式」冷凝蒸發器13.12的蒸發通道；如C所示，第一閃蒸氣體可以被抽提。技術方案100及200的主要區別在於，在圖3的技術方案200中不存在渦輪增壓器6。
在根據圖2及圖3的技術方案300中，在第一頂部氣體冷凝裝置13.10中使用回流式或浴式冷凝蒸發器13.12，其中整合有相分離器13.11。第一低壓液體從相分離器13.11排出到回流式或浴式冷凝蒸發器13.12的蒸發室中；同樣如C所示，第一閃蒸氣體可以被抽提。
在所有情況下，皆使用來自壓力塔11的第二部分氧富集液體來形成第二液體加壓流D，該第二液體加壓流發生膨脹，獲得第二閃蒸氣體並留下第二低壓液體，其中第二閃蒸氣體總是被標示為E。
亦即，粗氬塔13在此總是用第一頂部氣體冷凝裝置13.10進行工作，在該第一頂部氣體冷凝裝置中，在使第一冷卻液部分蒸發的情況下對粗氬塔13的頂部氣體進行冷凝，使用第一低壓液體或其一部分來提供該第一冷卻液。
精氬塔14使用第二頂部氣體冷凝裝置14.10進行工作，在該第二頂部氣體冷凝裝置中，在使第二冷卻液部分蒸發的情況下對精氬塔14的頂部氣體進行冷凝，使用第二低壓液體或其一部分來提供該第二冷卻液。
在根據圖2、圖3及圖4的兩個技術方案100、200及300中，如F及G所示，第一冷卻液部分蒸發時所形成的第一蒸發氣體或其一部分以及第一冷卻液部分蒸發時所剩餘的第一過剩液體或其一部分被送入低壓塔12。
同樣，如H及I所示，第二冷卻液部分蒸發時所形成的第二蒸發氣體或其一部分以及第二冷卻液部分蒸發時所剩餘的第二過剩液體或其一部分被送入低壓塔12。
根據圖2及圖3的技術方案100及200與根據圖4的技術方案300之間的區別在於第一頂部氣體冷凝裝置13.10中的冷凝蒸發器13.12的設計。其蒸發室在圖4中被設計成浴式蒸發器。在根據圖4的技術方案300中，第一蒸發氣體F與第一過剩液體G分開地（以及與第一閃蒸氣體C分開地）從蒸發室中被抽提。在根據圖2及圖3的技術方案100及200中，第一蒸發氣體F及第一過剩液體G共同實施為兩相流的形式。如圖4所示，冷凝蒸發器13.12的液化室可被設計成回流式冷凝器，或者按慣例設計成經典的一次通過式冷凝器。
第一蒸發氣體F或其被送入低壓塔12的部分總是在第一饋送區中被部分或全部送入低壓塔12，特別是在與第一過剩液體G共用的位置上。
第二蒸發氣體H或其被送入低壓塔12的部分則在第二饋送區中被部分或全部送入低壓塔12。同樣地，第二過剩液體I或其被送入低壓塔12的部分在第二饋送區中被部分或全部送入低壓塔12。第一閃蒸氣體C或其一部分與第一蒸發氣體F分開地在第二饋送區中被部分或全部送入低壓塔12。
從粗氬塔13進入精氬塔的轉移流在圖4中被進一步標示為T，在其他技術方案中同樣存在。
圖5為圖3及圖4的局部視圖，具有相應的符號。請參考上面的說明。
圖6以高度示意的方式示出塔柱10、13及14的上端。方法與圖2或圖3相同，但未使用單獨的分離器作為第一液體加壓流B的相分離器，亦未像圖4及圖5所示那樣將分離器內置於頂部氣體冷凝裝置13.10（粗氬頂部冷凝器）的蒸發室，而是直接使用第二頂部氣體冷凝裝置14.10（純氬頂部冷凝器）的蒸發室。
為此，兩個液體加壓流B及H在精氬塔14的底層蒸發器600下游的閥601中共同膨脹，並透過管線602被共同導入第二頂部氣體冷凝裝置14.10的此蒸發室中，該蒸發室起到共用相分離器的作用。第一閃蒸氣體C與冷凝蒸發器14.10中所產生的第二蒸發氣體E一起透過管線603被抽提。第一冷卻液K與第二過剩液體I一起透過管線604從第二頂部氣體冷凝裝置14.10的蒸發室中被抽提，並被單獨導入第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)的蒸發室內以進行部分蒸發。第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)在蒸發側上被設計成強制流動式蒸發器。剩餘的進出第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)的液體以如圖2及圖3所示的方式被導引。
與圖2至圖4相比，設備製造成本將會降低，佔地面積(Footprint)亦會減少，從而亦將減少絕緣冷箱所需要的箱體及其填充的絕緣材料如珍珠岩。
圖7同樣以示意方式示出基於圖6的進一步發展。然而，該進一步發展亦可應用於圖2及圖3，其中第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)同樣具有強制流動式蒸發器。 (Auch in Figur 4 und 6 ist schon ein Ventil in der Flüssigkeitsleitung in welcher? gezeigt, nicht aber in den Figuren 2 und 3. Hat das in Figur 4/6 eine andere Funktion?在圖7中，在兩相流701的下輸管703中設有閥（節流閥）或擋板703。該閥或擋板在正常運行時通常是完全打開的。在特殊的運行情況下，例如在部分負荷運行時，可對兩相流進行節流，以提高第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)中的壓力與溫度。藉此可有效防止氬凍結，實現特別穩定的運行。其中，該閥可以是壓力控制的（或溫度控制的）。
圖7中還示出相應的控制機構。其含義分別為： FIC - Flow Indication and Control -流量測量與調節 LIC - Liquid Indication and Control -液位測量與調節 PIC - Pressure Indication and Control -壓力測量與調節 測量元件與控制元件之間的資料線在圖7（以及圖8及圖9)中被繪製成虛線。
FIC1控制對低壓塔12的第二過剩液體I的供給。FIC2係根據粗氬塔的進料量控制對來自第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)的冷凝液的供給。PIC1控制第二頂部氣體冷凝裝置(14.10)的蒸發側壓力。LIC1控制流入第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)的第一冷卻液的量。LIC2係透過高壓塔中的底層料位測量來控制冷卻液的總量。 FIC2 r egelt die Verdampferleistung (durch Zurückstauen der Flüssigkeit in den Block 13.10 und Abdecken eines Teils der Kondensationsfläche).
以計算方式測定流701中的液體含量，必要時藉由FIC1進行調整。
作為替代方案，藉由使用附加的相分離器804以將兩相流701分離成第一蒸發氣體F及第一過剩液體G，亦可實現特別穩定的運行。此變體圖示於圖8中。然後，第一蒸發氣體F穿過佈置在相分離器804與低壓塔12之間的節流閥803，與上述液體類似。
圖8中亦圖示了控制系統。PIC1及LIC2的功能與圖7中相同。必要時可用PIC2控制第二頂部氣體冷凝裝置(14.10)的蒸發側壓力。
作為替代方案，可以使用TIC（溫度指示與控制）控制器來代替PIC2，該控制器對第一冷卻液進入第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)時的溫度進行控制。LIC3控制流入第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)的第一冷卻液的量，但在此係根據相分離器804中的料位測量值。流向低壓塔的第二過剩液體I的量由LIC4根據純氬冷凝器蒸發側的液位進行調節。此外，在用於第二過剩液體G及被轉移至精氬塔14的粗氬的管線中設有控制器FIC3及FIC4。控制器FIC3在此特別重要。藉此可直接控制流701中的液體含量（而非以計算方式加以測定），並避免冷凝器中發生乾式蒸發(Trockenverdampfung)。
圖9以簡化方式示出根據圖8之發明的一種特殊的設備設計。這此，第一頂部氣體冷凝裝置13.10的熱交換器塊佈置在相分離器804內部，第一蒸發氣體及第一過剩液體在該相分離器中相互分離。在此情況下，第一頂部氣體冷凝裝置並不失去其作為強制流動式蒸發器的特性。相反，待蒸發的液體繼續經強制導引而透過LIC3處的管線及熱交換器塊上的集管進入蒸發通道，而非像在浴式蒸發器中那樣從分離器804的液浴中被吸取。
圖10與圖8非常相似。然而，此處係根據粗氬塔的進料量來對閥803進行控制。
圖7至圖10的特殊措施亦可應用於圖2及圖3的整體工藝，例如為第一液體加壓流配備單獨的相分離器，或將其整合到頂部氣體冷凝裝置中。
Vorbemerkung zu Patentansprüchen: Mit dem gedanklichen Trick, dass die beiden Anteile des「 Flüssigkeitsdruckstroms」 (HDS-Roh-LOX) auch gemeinsam in demselben Ventil entspannt und in denselben Phasentrenner eingeleitet werden können, habe ich Anspruch 1 unverändert lassen können, was viele rechtliche Vorteile hat.
1:主空氣壓縮機 2:預冷裝置 3:提純系統 4:增壓壓縮機裝置 5:第一增壓渦輪 6:第二增壓渦輪/渦輪增壓器 7:主熱交換器 8:泵 9:泵 10:精餾塔系統 11:壓力塔 12:低壓塔 13:粗氬塔 13.10:頂部氣體冷凝裝置 13.11:相分離器 13.12:「強制流動式」冷凝蒸發器/回流式或浴式冷凝蒸發器 14:精氬塔 14.10:頂部氣體冷凝裝置 90:空氣分離設備 100:空氣分離設備/技術方案 200:空氣分離設備/技術方案 300:空氣分離設備 600:底層蒸發器 601:閥 602:管線 603:管線 604:管線 701:兩相流 702:下輸管 703:擋板 803:節流閥 804:相分離器 A:氧富集液體 B:第一液體加壓流 C:第一閃蒸氣體 D:第二液體加壓流 E:第二閃蒸氣體 F:第一蒸發氣體 G:第一過剩液體 H:第二蒸發氣體/液體加壓流 I:第二過剩液體 K:第一冷卻液 T:轉移流
［圖1］以簡化圖圖示根據非本發明技術方案的空氣分離設備。 ［圖2］至［圖4］以簡化圖圖示根據本發明之技術方案的空氣分離設備，該等空氣分離設備對兩個液體加壓流進行單獨的相分離。 ［圖5］為圖3及圖4的局部視圖。 [IC3342]［圖6］為本發明的另一技術方案，該技術方案在精氬塔的頂部冷凝器的蒸發室內對兩個液體加壓流進行共同的相分離。 [IC3350]［圖7］至［圖10］為本發明的進一步技術方案，該等技術方案在粗氬塔的頂部冷凝器下游採取了附加措施。
在圖中，結構或功能上相當的元件用相同的符號表示，並且為清楚起見，不對其進行重複說明。有關設備及設備組件的說明以同樣的方式適用於相應的方法及方法步驟。
1:主空氣壓縮機
2:預冷裝置
3:提純系統
5:第一增壓渦輪
6:第二增壓渦輪/渦輪增壓器
7:主熱交換器
8:泵
9:泵
10:精餾塔系統
11:壓力塔
12:低壓塔
13:粗氬塔
13.10:頂部氣體冷凝裝置
14:精氬塔
14.10:頂部氣體冷凝裝置
90:空氣分離設備

Claims (18)

  1. 一種低溫分離空氣的方法，其中使用具有精餾塔裝置(10)的空氣分離設備(100–300)，該精餾塔裝置具有壓力塔(11)、低壓塔(12)、粗氬塔(13)及精氬塔(14)，其中 –      使用來自該壓力塔(11)的第一部分氧富集液體形成第一液體加壓流，該第一液體加壓流發生膨脹，以產生第一閃蒸氣體並留下第一低壓液體， –      使用來自該壓力塔(11)的第二部分該氧富集液體形成第二液體加壓流，該第二液體加壓流發生膨脹，以產生第二閃蒸氣體並留下第二低壓液體， –      該粗氬塔(13)使用第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)進行工作，在該第一頂部氣體冷凝裝置中，在使第一冷卻液部分蒸發的情況下對該粗氬塔(13)的頂部氣體進行冷凝，使用該第一低壓液體或其一部分來提供該第一冷卻液， –      該精氬塔(14)使用第二頂部氣體冷凝裝置(14.10)進行工作，在該第二頂部氣體冷凝裝置中，在使第二冷卻液部分蒸發的情況下對該精氬塔(14)的頂部氣體進行冷凝，使用該第二低壓液體或其一部分來提供該第二冷卻液， –      該第一冷卻液部分蒸發時所形成的第一蒸發氣體或其一部分以及該第一冷卻液部分蒸發時所剩餘的第一過剩液體或其一部分被送入該低壓塔(12)，並且 –      該第二冷卻液部分蒸發時所形成的第二蒸發氣體或其一部分以及該第二冷卻液部分蒸發時所剩餘的第二過剩液體或其一部分被送入該低壓塔(12)， 其特徵在於， –      該第一蒸發氣體或其被送入該低壓塔(12)的部分在第一饋送區內被部分或全部送入該低壓塔(12)， –      該第二蒸發氣體或其被送入該低壓塔(12)的部分在第二饋送區內被部分或全部送入該低壓塔(12)， –      該第二過剩液體或其被送入該低壓塔(12)的部分在該第二饋送區內被部分或全部送入該低壓塔(12)，且 –      該第一饋送區位於該第二饋送區下方5至25個理論塔板處，並且該第一饋送區及該第二饋送區分別是不包括任何分離裝置的區域。 [P21C127 ursprünglich = IC3050, Fig.1-5]
  2. 如請求項1所述之方法，其中 -       在第一相分離中將該第一閃蒸氣體與該第一低壓液體分離，且 -       在第二相分離中將該第二閃蒸氣體與該第二低壓液體分離，其中 -       在彼此分離的第一及第二相分離器中進行該第一及第二相分離，且 -       特別是該第二相分離器係由該第二頂部氣體冷凝裝置的蒸發室形成。 [IC3342, Fig.6]
  3. 如請求項1所述之方法，其中該第一閃蒸氣體及該第一低壓液體的形成以及該第二閃蒸氣體及該第二低壓液體的產生係在共同的閥中、在共同的相分離中以及在共同的相分離器中進行，該相分離器特別是由該第二頂部氣體冷凝裝置的蒸發室形成。 [Bisheriger Anspruch 2+8]
  4. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中該第一閃蒸氣體或其一部分與該第一蒸發氣體分開地在該第二饋送區內被部分或全部送入該低壓塔(12)，其中特別是該第一閃蒸氣體在該第一相分離中被提供後未經節流地轉移到該低壓塔(12)。
  5. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中該第一蒸發氣體或其一部分與該第一過剩液體或其一部分一起作為第一兩相流在該第一饋送區內被送入該低壓塔(12)。 [bisheriger A7: Nicht mehr als Definition Forced Flow - reicht in der Beschreibung] [Können wir diesen Anspruch in die Beschreibung verlagern, um Anspruchsgebühren zu sparen? Aus meiner Sicht nein]
  6. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中該第一低壓液體或其經強制導引而穿過該一個或多個冷凝蒸發器(13.12)的部分被保存在貯存器中，以大地測量學角度看，該貯存器佈置在該一個或多個冷凝蒸發器(13.12)的一個或多個饋料位置上方。
  7. 如請求項5或6所述之方法，其中該第一蒸發氣體及第一過剩液體作為該第一兩相流從該冷凝蒸發器(13.11)排出，而不將該第一過剩液體或其一部分回輸到該一個或多個冷凝蒸發器(13.11)中。
  8. 如請求項4至7中任一項所述之方法，其中該第一閃蒸氣體在該相分離中被提供後未經節流地轉移到該低壓塔(12)。
  9. 如請求項4至8中任一項所述之方法，其中該第二蒸發氣體或其在該第二饋送區內被送入該低壓塔(12)的部分與該第二過剩液體或其在該第二饋送區內被送入該低壓塔(12)的部分合併成第二兩相流，該第二兩相流在該第二饋送區內被送入該低壓塔(12)。 [IC3350, Figuren 7-9], ab hier neu ggü. Erstanmeldung
  10. 如請求項5至7中任一項或請求項8及9中任一項結合請求項5所述之方法，其中導引該第一兩相流在該第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)與該低壓塔(12)之間穿過節流閥。
  11. 如請求項12所述之方法，其中該節流閥在運行過程中至少間歇性地完全打開。 [IC3350, Figuren 8+9]
  12. 如請求項6或請求項7至10中任一項結合請求項4所述之方法，其中在該頂部氣體冷凝裝置(13.10)與該低壓塔(12)之間通入相分離器(804)，該第一蒸發氣體及該第一過剩液體在該相分離器中相互分離，其中導引該蒸發氣體在該相分離器與該低壓塔(12)之間穿過節流閥。
  13. 如請求項12所述之方法，其中測量該相分離器中的液位，並根據測量值來調節被導入該第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)的第一冷卻液的量。
  14. 如請求項13所述之方法，其中對該相分離器中所產生的液體量進行量控。 [zu Figur 9,neu 15.11.2022]
  15. 如請求項12至14中任一項所述之方法，其中該頂部氣體冷凝裝置(13.10)具有熱交換器塊，並且該熱交換器塊佈置在該相分離器(804)內部，該第一蒸發氣體及該第一過剩液體在該相分離器中相互分離。
  16. 如請求項10至15中任一項所述之方法，其中對該節流閥進行調節，使得該第一冷卻液進入該第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)時的溫度較佳比氬的三相點溫度高至少0.1 K。
  17. 一種具有精餾塔裝置(10)的空氣分離設備(100–300)，該精餾塔裝置具有壓力塔(11)、低壓塔(12)、粗氬塔(13)及精氬塔(14)，其中該空氣分離設備(100–200)被設置為 –      使用來自該壓力塔(11)的第一部分氧富集液體形成第一液體加壓流，並且使該第一液體加壓流膨脹，以產生第一閃蒸氣體並留下第一低壓液體， –      使用來自該壓力塔(11)的第二部分該氧富集液體形成第二液體加壓流，並且使該第二液體加壓流膨脹，以產生第二閃蒸氣體並留下第二低壓液體， –      使用第一頂部氣體冷凝裝置(13.10)操作該粗氬塔(13)，並且在該第一頂部氣體冷凝裝置中，在使第一冷卻液部分蒸發的情況下對該粗氬塔(13)的頂部氣體進行冷凝，使用該第一低壓液體或其一部分來提供該第一冷卻液， –      使用第二頂部氣體冷凝裝置(14.10)操作該精氬塔(14)，並且在該第二頂部氣體冷凝裝置中，在使第二冷卻液部分蒸發的情況下對該精氬塔(14)的頂部氣體進行冷凝，使用該第二低壓液體或其一部分來提供該第二冷卻液， –      將該第一冷卻液部分蒸發時所形成的第一蒸發氣體或其一部分以及該第一冷卻液部分蒸發時所剩餘的第一過剩液體或其一部分送入該低壓塔(12)，並且 –      將該第二冷卻液部分蒸發時所形成的第二蒸發氣體或其一部分以及該第二冷卻液部分蒸發時所剩餘的第二過剩液體或其一部分送入該低壓塔(12)， 其特徵在於構件，該等構件被設置為 –      將該第一蒸發氣體或其被送入該低壓塔(12)的部分在第一饋送區內部分或全部送入該低壓塔(12)， –      將該第二蒸發氣體或其被送入該低壓塔(12)的部分在第二饋送區內部分或全部送入該低壓塔(12)，並且 –      將該第二過剩液體或其被送入該低壓塔(12)的部分在該第二饋送區內部分或全部送入該低壓塔(12)， –      其中該第一饋送區位於該第二饋送區下方5至25個理論塔板處，並且該第一饋送區及該第二饋送區分別是不包括任何分離裝置的區域。
  18. 如請求項17所述之空氣分離設備(100–300)，具有構件，該等構件被設置為將該第一閃蒸氣體或其一部分與該第一蒸發氣體分開地在該第二饋送區內部分或全部送入該低壓塔(12)。
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