用于通過低溫蒸餾進行空氣分離的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于通過低溫蒸餾分離空氣的方法和設(shè)備。所描述的發(fā)明特別提出一種用于優(yōu)化生產(chǎn)高純度氧(大于97%的O2)的空氣分離單元的效率的解決方案。本文中所有與純度有關(guān)的百分比都是摩爾百分比。
[0002]為了使循環(huán)效率最大化，本發(fā)明提出冷壓縮(即，在入口溫度至多為_150°C的壓縮機中對其進行壓縮)從第一塔一一稱為中壓(MP)塔一一的頂部逸出、并被傳送到蒸餾系統(tǒng)的主蒸發(fā)器-冷凝器(該主蒸發(fā)器-冷凝器熱聯(lián)接中壓(MP)塔的頂部和第二塔一一稱為低壓(LP)塔一一的底部)的氮氣流。該冷壓縮使得可以降低主空氣壓縮機的排出壓力。氮氣可以在不在交換管線中再加熱的情況下被壓縮，否則，其可以在主交換管線中被壓縮之前部分地在交換管線中被再加熱，然后可選地在被傳送至蒸發(fā)器-冷凝器之前再次冷卻。
[0003]所設(shè)想的應(yīng)用是包括生產(chǎn)純氧的一個或多個空氣分離單元的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004]已知使用冷壓縮機加熱待用于低壓空氣分離塔的底部蒸發(fā)器-冷凝器的氮。在現(xiàn)有技術(shù)中，來自中壓塔的氮的另一部分被用于蒸發(fā)來自中壓塔的富含氧的液體或者加熱低壓塔的中間蒸發(fā)器。
[0005]在某些類型的應(yīng)用中，用于耗氧客戶的工藝可能需要處于低壓或高壓的高純度(通常約為99.5% )。
[0006]為了減小裝置的電力消耗，可以尋求盡可能降低主壓縮機的排出壓力，在常規(guī)設(shè)計中并且不考慮壓降，該排出壓力對應(yīng)于中壓(MP)塔的壓力。
[0007]為此，考慮生產(chǎn)純度>97%的氧(S卩，僅含有氧和氬，不再含有任何氮)的傳統(tǒng)的雙塔設(shè)計(可選地具有氬塔)，其中用于保存設(shè)備低溫所需的制冷通過低溫渦輪中的空氣或氮的膨脹提供。通常，對于這樣的氧純度，MP塔和低壓(LP)塔之間的熱交換通過單一蒸發(fā)器-冷凝器、即單元的主蒸發(fā)器-冷凝器提供。
[0008]然后考慮冷壓縮機的安裝，該冷壓縮機壓縮在MP塔的頂部提取的所有氮流，這對于運行單元的主蒸發(fā)器-冷凝器是必需的。該冷壓縮機的作用因此是使MP塔的壓力與蒸發(fā)器-冷凝器中的氮的壓力不相關(guān)，這使得可以將MP塔的壓力降低至低于執(zhí)行蒸發(fā)器-冷凝器中的氮和氧之間的熱交換所需的壓力。因此降低了主空氣壓縮機的壓力。
[0009]該優(yōu)化僅能夠從渦輪產(chǎn)生足夠的制冷從而低溫壓縮機的使用不會阻止設(shè)備保持低溫的時刻實現(xiàn)。特別地，低溫液體(液態(tài)氧、氮、氬)的產(chǎn)生“消耗”可用的制冷并且因此降低低溫壓縮機的效果。
[0010]還應(yīng)指出，該裝置可應(yīng)用于現(xiàn)有的場地，其中現(xiàn)有的空氣(和在適當?shù)那闆r下氧)壓縮機被重新利用，僅替換冷箱。該優(yōu)化使得可以大大降低空氣壓縮機的操作壓力，只要機器的性能曲線允許即可。
[0011]傳統(tǒng)的雙塔不能使得通過將主蒸發(fā)器-冷凝器的壓力與主壓縮機的壓力解除相關(guān)來降低主壓縮機的壓力。
[0012]在其它設(shè)計中，冷壓縮機處理意在用于上部蒸發(fā)器-冷凝器的氮，該蒸發(fā)器-冷凝器使LP塔的中間位置處的(氧)含量很高的液體(約70% O2)蒸發(fā)。LP塔底部的蒸發(fā)通過利用液態(tài)空氣運行的第二蒸發(fā)器-冷凝器實現(xiàn)。氧的主要產(chǎn)量不是在由該低溫壓縮機供應(yīng)的蒸發(fā)器的高度處提取。另外，該設(shè)計僅用于生產(chǎn)純度小于97%的氧。
[0013]JP-A-54020986描述了根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的方法。這里，在渦輪中膨脹的所有氮在冷壓縮機中被壓縮。但是，該方法的能量消耗比本發(fā)明的能量消耗高3%，并且該現(xiàn)有技術(shù)的方法還要求使用較大的壓縮機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個主題，提供了一種用于在塔系統(tǒng)中通過低溫蒸餾分離空氣的方法，該塔系統(tǒng)至少包括在第一壓力下運行的第一塔和在低于第一壓力的第二壓力下運行的第二塔，第一塔的頂部通過蒸發(fā)器-冷凝器熱聯(lián)接至第二塔的底部，在該方法中:
[0015]i)經(jīng)純化的空氣在交換管線中冷卻并且被傳送至第一塔以便在該第一塔中分離，
[0016]ii)富含氮的氣體被從第一塔的頂部提取出并分成兩部分，第一部分在入口溫度至多為-150°C的壓縮機中被壓縮并在蒸發(fā)器-冷凝器中冷凝，
[0017]iii)富含氮的氣體的第二部分在交換管線中被再加熱并在膨脹渦輪中膨脹，
[0018]iv)富含氧的液體或從該液體得到的液體被從第一塔的底部傳送到第二塔以便在該第二塔中分離，而沒有與來自第一塔的富含氮的氣體換熱而被再加熱，
[0019]V)將富含氮的液體從第一塔的頂部傳送到第二塔的頂部，
[0020]vi)富氧流體被從第二塔的底部提取出并在交換管線中被再加熱，
[0021]vii)富氮氣體被從第二塔的上部部分提取出并在交換管線中被再加熱，
[0022]viii)該蒸發(fā)器-冷凝器是用于蒸發(fā)第二塔的下部部分中的液體的唯一裝置，
[0023]其特征在于，富含氮的氣體的所述第二部分在交換管線中被再加熱和在渦輪中膨脹，而沒有被壓縮。
[0024]根據(jù)其它可選的主題:
[0025]-富氧流體含有至少97%的氧，或者甚至至少99%的氧。
[0026]-來自步驟V)的富氧流體是液體，該液體在交換管線中蒸發(fā)和被再加熱。
[0027]-蒸發(fā)的液體在交換管線中預(yù)熱之后被壓縮。
[0028]-從第一塔傳送至第二塔的富含氮的液體的氮含量小于被傳送至蒸發(fā)器-冷凝器的富含氮的氣體。
[0029]-在蒸發(fā)器-冷凝器中冷凝的所有氣體作為回流被送回到第一塔。
[0030]-來自步驟V)的富氧流體是富氧氣體。
[0031]-富氧氣體在交換管線中再加熱之后被壓縮到其生產(chǎn)壓力。
[0032]-從第二塔提取出富含氬的氣體并將其傳送到第三塔以便生成比該富含氬的氣體更加富含氬的流，并且從第一塔提取出富氮氣體作為產(chǎn)品。
[0033]-壓縮機由馬達和/或由使來自塔系統(tǒng)的空氣或富含氮的流膨脹的渦輪驅(qū)動。
[0034]-在第一操作/運行模式期間，壓縮機停機，并且至少一種液體被從塔系統(tǒng)提取出作為最終產(chǎn)品，在第二操作模式期間，壓縮機運行，沒有液體被從塔系統(tǒng)提取出作為最終產(chǎn)品，或者比在第一操作模式期間少至少三倍的液體被提取出。
[0035]-僅在電價低于閾值時使用第一操作模式，并且僅在電價高于該閾值時使用第二操作模式。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的另一主題，提供了一種用于通過低溫蒸餾分離空氣的設(shè)備，該設(shè)備包括:塔系統(tǒng)，該塔系統(tǒng)至少包括在第一壓力下運行的第一塔和在低于第一壓力的第二壓力下運行的第二塔，第一塔的頂部通過蒸發(fā)器-冷凝器熱聯(lián)接至第二塔的底部；交換管線；用于將待冷卻的經(jīng)純化的空氣傳送到交換管線并用于將冷卻的空氣傳送到第一塔以便在第一塔中分離的裝置；用于從第一塔的頂部提取富含氮的氣體的裝置；入口溫度至多為_150°C的用于壓縮富含氮的氣體的第一部分的壓縮機；用于將富含氮的氣體的第二部分傳送到交換管線的裝置；用于使富含氮的氣體的第二部分膨脹的渦輪，該渦輪連接至交換管線；用于將待冷凝的壓縮氣體傳送到蒸發(fā)器-冷凝器的裝置；用于將富含氧的液體或從該液體得到的液體從第一塔的底部傳送到第二塔以便在第二塔中分離的裝置；用于將富含氮的液體從第一塔的頂部傳送到第二塔的頂部的裝置；用于從第二塔的底部提取富氧流體的裝置；用于將待被再加熱的富氧流體傳送到交換管線的裝置；用于從第二塔的上部部分提取富氮氣體的裝置；用于將待被再加熱的提取的氣體傳送到交換管線的裝置；用于與來自第一塔的富氮氣體作用而再加熱送往第二塔的富氧液體的任何裝置，并且該蒸發(fā)器-冷凝器是用于使第二塔的下部部分中的液體蒸發(fā)的唯一裝置。
[0037]根據(jù)其它可選的主題，該設(shè)備包括:
[0038]-用于在第一塔的比被傳送到蒸發(fā)器-冷凝器的富含氮的氣體低的高度處提取被從第一塔傳送到第二塔的富含氮的液體的裝置。
[0039]-用于將在蒸發(fā)器-冷凝器中冷凝的所有氣體作為回流傳送到第一塔的裝置。
[0040]-富氧流體是富氧氣體。
[0041]-所述設(shè)備包括用于在交換管線中再加熱所述富氧氣體之后將所述富氧氣體壓縮到其生產(chǎn)/產(chǎn)品壓力的氧壓縮機。
[0042]-所述設(shè)備包括:第三塔；用于將富含氬的氣體從第二塔傳送到第三塔的裝置；用于從第三塔抽取比所述富含氬的氣體更富含氬的流的裝置；和用于從第一塔提取富氮氣體作為產(chǎn)品的裝置。
[0043]-壓縮機由馬達和/或由使空氣或來自塔系統(tǒng)的富含氮的流膨脹的渦輪驅(qū)動。
【附圖說明】
[0044]下面將參照示出根據(jù)本發(fā)明的方法的附圖詳細說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0045]在圖1中，塔系統(tǒng)僅包括雙塔，該雙塔具有第一塔100和在低于第一塔的壓力下運行的第二塔102。這兩個塔僅通