專利名稱：通過空氣的低溫分離獲得壓縮氧和壓縮氮的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如專利權利要求1的特征部分中所要求保護的通過空氣的低溫分離獲得壓縮氧和壓縮氮的方法。
背景技術：
在本發(fā)明中，用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)可被構造為雙塔系統(tǒng)(例如，經典的林德雙塔系統(tǒng))，或也構造為三塔或多塔系統(tǒng)。除了用于氮-氧分離的塔之外，還可設置用于從空氣中獲得高純度產物和/或其它組分(尤其是惰性氣體，例如氬產物和/或氪-氙產物)的其它裝置。在Hausen/Linde 的專著“Tieftemperaturtechnik (低溫技術)” (1985 年第二版)和 Latimer 的短文 Chemical Engineering Progress (化工進展)(1967 年，第 63 卷,No. 2,第35頁)中描述了空氣的低溫分離的大體原理和雙塔裝置的具體的構造。一般來說，通過主冷凝器實現雙塔的高壓塔和低壓塔之間的熱交換關系，其中高壓塔的塔頂氣體液化，而相反地，低壓塔的底部液體蒸發(fā)。在本文中，“高壓塔”意指在比大氣工作壓強高至少4巴(一般來說，在約4巴和6巴之間)的壓強下，有時在甚至更高的壓強下工作的塔?！暗蛪核本哂休^低的工作壓強，并且其經通用冷凝-蒸發(fā)器通過熱交換連接到高壓塔。“主熱交換器”用于冷卻供給空氣，并可由單個熱交換器單元形成，或也可由多個熱交換器單元形成。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種生產氣態(tài)壓縮氧(被壓縮的氧)的方法，其中在液體產物中發(fā)生壓強(壓力)增大，并且高壓液體與高壓處理流(熱載體)間接熱交換而隨后被蒸發(fā)(或者，在超臨界壓強下偽蒸發(fā))。這種方法通常被稱作“內部冷凝”并且在例如Hausen/Linde的Tieftemperaturtechnik (低溫技術)(1985年第2版,第319-322頁)中描述。氮或供給空氣可被用作高壓處理流。內部冷凝的產物壓強為例如6至100巴，優(yōu)選地為30至95巴。氮循環(huán)的上循環(huán)壓強為例如在20和90巴之間，優(yōu)選地在20和75巴之間。從JP11118352A中獲知在最開始描述的這種方法。本發(fā)明將要解決的問題是提供一種在最開始描述的方法和對應裝置，其在經濟上是極其受歡迎的，并且具體地講，在合理的設備成本下，具有尤其低的能耗。通過專利權利要求1的特征部分解決了該問題。所述循環(huán)壓縮機被設計為熱壓縮機(warm compressor),即其在入口溫度高于250K,尤其是高于270K時工作。另外,其通過外部能量驅動，例如通過電動機或蒸汽輪機驅動，但不通過使空氣分離的處理流膨脹的渦輪機驅動。與JP11118352A的主要思想不同，所述循環(huán)壓縮機不作為冷壓縮機工作，并且此夕卜，其不通過其中使循環(huán)氮流膨脹的渦輪機驅動。結果，可獨立于工廠的冷要求設置循環(huán)氮流。具體地講，可自由選擇高壓塔的底部蒸發(fā)器中的加熱功率。按此方式，所述方法可按照靈活得多的方式適用于當前要求，并且可以以更受歡迎的方式積極地操作。在根據本發(fā)明的方法中，高壓塔在(至多)例如5至6. 5巴優(yōu)選地5. 2至6. 2巴的工作壓強下工作。在這種情況下，當使用雙塔或多塔系統(tǒng)作為用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)時，低壓塔壓強小于2巴，優(yōu)選地小于1. 6巴。從用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)流至循環(huán)壓縮機的“氣態(tài)循環(huán)氮流”優(yōu)選地從高壓塔的頂部被抽取。壓縮氮產物的產物壓強可等于、低于或高于第一部分流從循環(huán)壓縮機中被抽取時的壓強，該壓強例如處于高壓塔的工作壓強水平或更高。壓縮氮產物可以以壓強不同的多個子流被遞送；在這種情況下，壓縮氮產物整體在這里被稱作“第二部分流”。在本發(fā)明的變型形式的上下文中，通過設置循環(huán)氮流的第一部分流的量來調節(jié)在低壓塔的底部部分中上升的流的量，間接地通過低壓塔的上部中的回流液體的量來設置循環(huán)氮流的第二部分流的量，即通過設置高壓塔底部蒸發(fā)器的加熱功率。這樣，可在低壓塔的上部和下部二者最優(yōu)化回流比。如果循環(huán)流的第一部分流的量增加或減少，并且作為結果，更多或更少的氮在底部蒸發(fā)器中冷凝，則可作為高壓塔中的回流液體的液氮的量對應地變化，并且可獲得更多或更少的高壓氮；不重要的是，液氮的一部分是否從底部蒸發(fā)器直接被供給到低壓塔中，或者其是否被供給到高壓塔中，因此對應的更多(或更少)的液氮可從高壓塔或從主冷凝器轉移到低壓塔中。如果更少或更多的高壓塔氮作為“第二部分流”被獲取，并且因此更多或更少的加熱功率可用于主冷凝器，則對應地，低壓塔的下部產生更多或更少的上升流。對于獲得純度小于98摩爾％，優(yōu)選地為97%或更少的不純的壓縮氧來說，該方法尤其合適。其可尤其有利地用于IGCC工廠，其中至少一部分壓縮氧產物被供給到煤氣化設備中以產生燃料氣體，并且至少一部分壓縮氮產物用于煤運輸?；旧?，根據本發(fā)明的方法可在壓縮氮產物的總量恒定的情況下操作，其中壓縮氮產物的總量由以產物壓強在循環(huán)壓縮機的上游和/或下游和/或循環(huán)壓縮機的中間階段從循環(huán)氮流中分支并以壓縮氮產物獲得的流之和形成，即最終得自高壓塔而非得自低壓塔或一些其它塔的氮產物的總量。(列出的這些和所有其它的量將以摩爾進行理解。)然而，在優(yōu)選構造中，在可變負載下執(zhí)行所述方法，其中在第一負載情況下，-獲得第一總量的壓縮氮產物PNl，-第一部分流以第一部分流的量TSl被引導通過高壓塔的底部蒸發(fā)器，以及-供給空氣以供給空氣的第一量ELl被供給到空氣壓縮機中，并且其中，在第二負載情況下，-獲得第二較高總量的壓縮氮產物PN2，PN2>PN1,-第一部分流以第二較高部分流的量TS2被引導通過高壓塔的底部蒸發(fā)器，TS2>TS1,以及-供給空氣以供給空氣的第二量EL2被供給到空氣壓縮機(2)中，其中供給空氣的第二量EL2等于供給空氣的第一 量EL1，或者僅不明顯地高于供給空氣的第一量EL1，其中(EL2-EL1)/EL1<0. 2 (PN2-PN1)/PNl。
盡管壓縮氮的總產量增加，但是因此供給空氣的量保持不變，或者僅不明顯地增力口。這里“不明顯地”意指空氣的量的相對變化為壓縮氮產物的量的相對變化的至多五分之一，優(yōu)選地小于十分之一。如果在實際示例中，在第二負載情況下壓縮氮產物PN2的總量比在第一負載情況下高50%，則供給空氣的第二量EL2的增量小于10%，并且優(yōu)選地其保持不變。由于空氣的量保持不變或僅稍微增加，因此可實現壓縮氮的總產量的顯著增加。另外，由于空氣的量大致保持不變，當負載變化時，對于蒸餾塔系統(tǒng)中的分離處理，存在相對小的失調，因此產物純度在很大程度上保持恒定。另外，氣態(tài)壓縮氧產物的量可保持不變或僅不明顯地變化。在實際示例中，第二部分流在循環(huán)壓縮機的下游作為單個壓縮氮產物被提取。隨著負載從第一負載情況增大至第二負載情況，壓縮氮產物的總量(即在這種情況下為第二部分流的量)增加25%(PN2=1. 25PN1)。同時，高壓塔底部蒸發(fā)器的加熱流的量增加大約45%(TS2=1.45TS1)，但是供給空氣的量保持不變。第一部分流的變化與壓縮氮產物的變化線性相關。增加壓縮氮的提取而保持供給空氣的量不變，導致在低壓塔(UN2)的不純的氮產物中的氧含量幾乎不變。內部壓縮的產物氧的量保持不變。增加壓縮氮的提取，UN2的量變少，其同時決定了在低壓塔中上升氣體的量。如果壓縮氮的提取增加IOOOONmVh，則UN2的量也減少10000Nm3/h。因此，主冷凝器的負載與壓縮氮的提取直接成比例。如果獲得例如多10000Nm3/h，則在主冷凝器中液化的氮少lOOOONmVh。用于低壓塔的洗滌-LIN液體(wash-LIN liquid)也對應地變少(變少大約0. 4*10000=4000Nm3/h)o這意味著低壓塔的上部中的回流比保持幾乎不變。接著，用于壓強塔的洗滌-LIN液體(來自主冷凝器)減少大約
0.6*10000=6000Nm3/h。然而，為了不降低產物純度，壓強塔中的回流比需“恢復”?，F在，這通過第一部分流的對應增加來確保?？赏ㄟ^AIC控制器控制第一部分流(例如，保持氧產物純度不變)。此外，還有利的是，如果循環(huán)氮流的第三部分流作為渦輪機流從循環(huán)壓縮機中被獲得，則其通過執(zhí)行工作而膨脹并至少部分地被供給到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中。執(zhí)行工作的渦輪機流的膨脹產生的能量優(yōu)選地以機械方式被傳遞到后置壓縮機，其中例如執(zhí)行工作的膨脹機的上游的渦輪機流和/或在被其引入到主熱交換器中的上游的循環(huán)氮流的第一部分流被再壓縮。作為另外一種選擇，通過供給空氣的部分流的執(zhí)行工作的膨脹可獲得處理冷。優(yōu)選地，獲得的機械能被傳遞至用于渦輪機空氣的后置壓縮機。有利的是，如果在根據本發(fā)明的方法中，處于高壓塔的工作壓強的來自高壓塔的液體分餾物被供給到冷凝-蒸發(fā)器中，并且在此通過與執(zhí)行工作的膨脹的渦輪機流的至少一部分的間接熱交換而被至少部分地蒸發(fā)，其中產生的流至少部分地回流到高壓塔中。使高壓塔沸騰以改進其分離效果。在本發(fā)明的上下文中使用的加熱劑并非專門被壓縮的流，而是在合適的壓強水平下總是存在的渦輪機流。因此，為了另一目的(即徹底加熱高壓塔)使用循環(huán)壓縮機。來自高壓塔的液體分餾物在其中沸騰的“冷凝-蒸發(fā)器”被構造為與主熱交換器分離的熱交換器，尤其是被構造為至少一個板式熱交換器單元，最優(yōu)選地被構造為單個板式熱交換器單元；其可被布置在高壓塔內部，或者也可布置在單獨容器的外部。用于冷凝-蒸發(fā)器的液體分餾物可得自高壓塔的底部一冷凝-蒸發(fā)器隨后代表底部蒸發(fā)器，并且優(yōu)選地直接布置在高壓塔的底部。作為另外一種選擇，冷凝-蒸發(fā)器被設計為高壓塔的中間蒸發(fā)器，并且例如處于高壓塔內的中間水平；用于冷凝-蒸發(fā)器的液體分餾物隨后在高壓塔的對應的中間點被抽取。在這種情況下，底部蒸發(fā)器和中間蒸發(fā)器通過循環(huán)氮流的不同部分流加熱，所述不同部分流在不同的合適壓強下從循環(huán)壓縮機中被提取。通常，循環(huán)氮流的第一部分流的壓強是處理過程中需要的最高壓強。如果存在特別高的冷要求，則循環(huán)氮流的第三部分流(渦輪機流)也可在這個壓強水平下從循環(huán)壓縮機中被抽取。然而，在許多情況下，受歡迎的是，以上中壓(P3、P4)從循環(huán)壓縮機的中間階段抽取循環(huán)氮流的第三部分流，并隨后將其供應到執(zhí)行工作的膨脹機。隨后，執(zhí)行工作的膨脹機的入口壓強大約為上中壓的水平，但是可以可選地通過連接至膨脹機的后置壓縮機增大。循環(huán)氮流的第一部分流可以以高壓(P4)從循環(huán)壓縮機中抽取，高壓(P4)高于中壓(P3)，其中循環(huán)氮流的第三部分流以中壓(P3)從循環(huán)壓縮機中獲??；隨后第一部分流在此高壓下或在甚至更高的壓強下被供給到主熱交換器中。這樣，一方面可實現氣態(tài)壓縮氧產物的尤其高的產物壓強，另一方面該壓強水平與可較低的執(zhí)行工作的膨脹機的入口壓強無關。此外，循環(huán)氮流的一部分也可作為壓縮氮產物以所述高壓獲得，而不需要對設備投入額外的花費。在第一工作模式下，循環(huán)氮流的第四部分流以較低中壓(P2)從循環(huán)壓縮機的中間階段抽取，在主熱交換器的中壓通道中冷卻，并與冷凝-蒸發(fā)器上游的執(zhí)行工作的膨脹的渦輪機流混合。當使用渦輪機流在第一冷凝-蒸發(fā)器中徹底加熱高壓塔時，這是尤其受歡迎的。如果需要相對少的冷，則渦輪機流可能太少以致于其本身不再能供應塔加熱所需的熱。通過與第四部分流的混合，可將額外的熱帶給冷凝-蒸發(fā)器。冷的生產和塔的操作因此獨立。通過渦輪機流提供的冷功率可在大的范圍內變化，而不影響蒸餾塔系統(tǒng)的操作。相反，在第二工作模式中，在主熱交換器的中壓通道中的執(zhí)行工作的膨脹的渦輪機流的一部分可被變暖并在中間階段供應到循環(huán)壓縮機。當產生大量的冷并且因此渦輪機流對于第一冷凝-蒸發(fā)器的加熱來說太多時這是非常有利的。針對這個循環(huán)和針對第四部分流在第一工作模式下的運輸，往復式線路將優(yōu)選地被引導穿過主熱交換器的同一通道(“中間通道”)。用于內部冷凝的液氧流將優(yōu)選地從低壓塔的下部獲取。另外，氧含量在富氧液體的氧含量和富氮液體的氧含量之間的中間液體可從高壓塔中獲取，并且可在被布置為高于第一中間點的第二中間點被供應到低壓塔，具體地講，其中中間液體以高壓塔的中間蒸發(fā)器的水平被獲取。本發(fā)明還涉及一種根據專利權利要求12至14所述的用于通過空氣的低溫分離獲得壓縮氧和壓縮氮的裝置。


以下基于附圖中所示的實際示例更加詳細地解釋本發(fā)明和本發(fā)明的其它細節(jié)，所有的示例均設計為雙塔系統(tǒng)。圖中圖1是在高壓塔中具有兩個冷凝-蒸發(fā)器的本發(fā)明的第一實際示例，其中執(zhí)行工作而膨脹導致循環(huán)壓縮機的第二階段的入口壓強；
圖2是第一實際示例的修改形式，其中執(zhí)行工作而膨脹導致循環(huán)壓縮機的第二階段的入口壓強；圖3是在高壓塔中具有僅一個冷凝-蒸發(fā)器的實際示例，并且渦輪機流再冷凝；圖4是循環(huán)氮流的第一部分流再冷凝的變型的修改形式；圖5至圖7是在高壓塔中具有兩個冷凝-蒸發(fā)器的另外的實際示例；以及圖8和圖9是在高壓塔中僅具有一個冷凝-蒸發(fā)器和具有一個空氣渦輪機的兩個實際示例。
具體實施例方式在附圖中未示出大氣空氣怎樣通過空氣壓縮機以公知方式經過濾器抽吸，以及被壓縮到大約6巴的壓強，以及進一步經過預冷器和凈化器運輸。在圖1中，被壓縮和凈化的供給空氣6在主熱交換器20中大約冷卻到露點，并經線路7供應到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)，在示例中，所述蒸餾塔系統(tǒng)由高壓塔8及其指定的塔蒸發(fā)器(底部蒸發(fā)器9和中間蒸發(fā)器10)、低壓塔460以及主冷凝器461組成，高壓塔8和低壓塔460經主冷凝器461形成熱交換聯系，其中高壓塔的塔頂氣體與低壓塔的底部液體間接熱交換。低壓塔460的頂部的工作壓強為大約1. 4巴。主熱交換器20可為一體式或分體式設計，圖1和其它附圖中僅示出了交換器的基本功能——熱流通過冷流被冷卻。來自高壓塔8或者來自其底部蒸發(fā)器9的液化側的底部液體462 (“富氧液體”)被完全引導通過第一逆流超級冷卻器16和第二逆流超級冷卻器415，在節(jié)流閥463中膨脹至低壓塔壓強(壓力)并經線路464在第一中間點被供應到低壓塔。在中間蒸發(fā)器10的液化側產生的高壓塔8的中間液體的一部分465被從此處抽離，還在逆流超級冷卻器16和416中超級冷卻，并且在節(jié)流調節(jié)作用466之后經線路467被供應到高壓塔8的第二中間點，所述第二中間點被布置為在第一中間點之上。呈不純的液氮形式的第三供給流468在超級冷卻16/416和節(jié)流調節(jié)作用469之后經線路470被供應至低壓塔460的頂部。在這種情況下，從低壓塔460的底部或者從主冷凝器461的液化側獲取液氧，并且與圖1中的流11相似，液氧被分為內部冷凝流(“液氧流”)412和液體產物(415/417)。在低壓塔460的底部產生液氧11，其中第一部分在泵13中成為壓強為6至100巴(取決于產物要求)的“液氧流” 12。液體(IC-LOX)在這個增大的壓強下被供給到主熱交換器20中，在主熱交換器中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)，并且被變暖(保溫)至大約環(huán)境溫度。最后，氧被作為氣態(tài)壓縮氧產物14獲得。低壓塔460的底部液體11的另一部分15可選地在于逆流超級冷卻器416中超級冷卻之后作為液氧產物(LOX)經線路17被遞送。氮從高壓塔8的頂部經線路18作為“氣態(tài)循環(huán)氮流”被提取，在逆流超級冷卻器16中變暖并進一步在主熱交換器20 (線路19)中變暖，并且最終至少作為第一部分經線路21被供應至循環(huán)壓縮機22的第一階段23，在示例中，循環(huán)壓縮機22具有四個階段23、25、560以及后冷卻器24、16、561。(最后的兩個壓縮機階段560和后冷卻器561被簡單不出，并且從處理技術觀點也可被認為是循環(huán)壓縮機23/25的附加產物壓縮機，這樣循環(huán)壓縮機23/25被認為是兩階段的，并且通過電動機驅動；作為23/25的替代形式，可使用具有三個或多于四個階段的狹義的循環(huán)壓縮機。)循環(huán)氮流的另一部分可作為具有大約高壓塔的工作壓強的被壓縮的氮產物27 (PGAN)獲得。在循環(huán)壓縮機22的第一階段23，循環(huán)氮流被壓縮至大約9巴的第一中壓(P1-GAN)，并且在第二階段25，被進一步壓縮至大約12巴的第二中壓(P2-GAN)。在最后的兩個階段560，被壓縮至氧壓強(P4-GAN)的1. 4至2. 5倍的高壓，或被壓縮至第三中壓(P3-GAN)。此外，可根據需要從這些壓強水平(線路27、53、29、565、564)的每個抽取被壓縮的氮產物流；同時，這些被壓縮的氮產物流形成“循環(huán)氮流的第二部分流”。這些水平之一的循環(huán)氮流的一部分形成“第三部分流”，其在后置壓縮機566中被再壓縮至所述壓強的1. 3至2倍，并且在主熱交換器中作為渦輪機流40在再冷卻之后，被冷卻到中間溫度，并最終通過在膨脹機41中執(zhí)行工作而膨脹，所述膨脹機41優(yōu)選地通過膨脹渦輪機形成。執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流42的至少第一部分30在高壓塔8的中間蒸發(fā)器9 (“第一冷凝-蒸發(fā)器”)中用作加熱劑。在與高壓塔8的蒸發(fā)的中間液體的間接熱交換過程中，其被至少部分地液化。隨后，所述流經線路31、通過逆流超級冷卻器16、節(jié)流閥32以及最后通過線路33返回到高壓塔8的頂部。對于具體安裝，取決于冷要求，針對流540選擇壓強P2-GAN至P4-GAN之一，并且提供對應的管道。在膨脹渦輪機41中執(zhí)行的機械工作經機械聯結器被傳遞至后置壓縮機566。另外，渦輪機41可連接至另一壓縮機、發(fā)生器或連接至損耗性制動裝置。在高壓塔8的頂部，液氮43可作為另一產物流(PLIN)被抽取。被壓縮至循環(huán)壓縮機22的最后壓強的循環(huán)氮流的至少一部分形成“高壓處理流”，在主熱交換器20中，其為液體壓縮氧的(偽)蒸發(fā)供應熱。冷高壓處理流35在逆流超級冷卻器16 (圖1中未示出)中冷卻，在節(jié)流閥36中膨脹至高壓塔壓強，并且最終經線路37遞送到高壓塔8的頂部。作為另外一種選擇，在液體渦輪機38中執(zhí)行工作時也可執(zhí)行膨脹至高壓塔壓強；在圖示示例中，液體渦輪機38通過發(fā)生器39制動。不純的氮50從低壓塔460的頂部作為殘余氣體被抽取，在逆流超級冷卻器416和16中變暖，并且進一步在主熱交換器20中變暖(線路51，P-UN2),并最終經線路52作為殘余產物被遞送；在處理過程中，其可仍被用作再生氣體或在蒸發(fā)冷卻器中用作干氣。循環(huán)壓縮機22的第一階段23的循環(huán)氮流的下游一部分45形成“循環(huán)氮流的第一部分流”，并且在主熱交換器20中冷卻之后其在高壓塔的底部蒸發(fā)器9中至少部分地液化為中壓循環(huán)氮流46。然后，中壓循環(huán)氮流經線路47、逆流超級冷卻器16和節(jié)流閥48被遞送至高壓塔8的頂部。在實際示例中，穿過主熱交換器20的通道組(“中間通道”)的線路44作為往復式線路工作。在第一工作模式下，循環(huán)氮流的第四部分流在較低中壓(Pl-GAN)下從循環(huán)壓縮機22的第一中間階段被抽取，在主熱交換器的中壓通道中冷卻并且經過(在這種情況下朝右流動)往復式線路，與第一冷凝-蒸發(fā)器10的上游的執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流42混合。當需要相對少量的冷時，這是非常受歡迎的，并且因此渦輪機流不足以加熱塔。相反，在第二工作模式下，在往復式線路中的執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流的一部分可朝左被引導，在主熱交換器的中壓通道中變暖并再次被供應到循環(huán)壓縮機22的第二階段25的上游。當產生大量的冷時，這大體上是有利的，因此渦輪機流對于加熱第一冷凝-蒸發(fā)器來說過多。圖2中的方法與圖1中的方法的不同之處在于執(zhí)行工作的膨脹機41具有較高的出口壓強。其水平在大約12巴，出現于循環(huán)壓縮機22的第二階段25的出口(P2-GAN)。對于流230，該壓強足以操作高壓塔8的底部蒸發(fā)器209。因此，用于徹底加熱底部蒸發(fā)器209的“第一部分流”有時與渦輪機流(“第三部分流”)相同。往復式線路244還處于較高壓水平(P2-GAN)。在這種情況下，用于中間蒸發(fā)器210的加熱劑是循環(huán)氮流的部分流246，其從循環(huán)壓縮機22的第二階段25的上游分支。在圖3中的實際示例中，高壓塔具有僅單個冷凝-蒸發(fā)器、底部蒸發(fā)器209。與圖2相比，省略了中間蒸發(fā)器。因此，循環(huán)壓縮機322也可比圖2中少一個階段。圖4示出了圖3的修改形式。這里，不是渦輪機流(“第三部分流”)440而是“高壓處理流”434運動經過連接至渦輪機41的后置壓縮機，“高壓處理流”434隨后在主熱交換器20中用于氧產物的(偽)蒸發(fā)。第一和第三部分流二者均在這里起源于循環(huán)壓縮機322的最后階段的出口(壓強水平P4-GAN)。作為另外一種選擇，在圖1至圖3中，作為渦輪機/后置壓縮機組合41/566的替代，也可使用發(fā)生器/渦輪機。在圖5中，如圖3和圖4中那樣構造循環(huán)壓縮機322，其中其可正好具有兩個階段23、25。否則，此處所示的處理與圖1中的更相似，并且具體地講，高壓塔8具有中間蒸發(fā)器10。在循環(huán)壓縮機22的第一階段23中，循環(huán)氮流被壓縮到大約9巴的中壓，并且在第二階段25被進一步壓縮到高達16巴的上循環(huán)壓強。如果處于上循環(huán)壓強的氮未作為被壓縮的氮產物經線路29被抽取，則其在此被專門用作“第一部分流”，以徹底加熱底部蒸發(fā)器9。通過渦輪機流540的執(zhí)行工作的膨脹機541產生所述處理所需的冷，在示例中，所述冷通過來自氮壓縮機(例如來自未示出的分離的壓縮機，或者來自氮循環(huán)壓縮機的另外階段)的氮形成。執(zhí)行工作的膨脹機541的下游的出口流542與處于壓強水平PGAN、P1GAN或P2GAN之一的氮流之一混合。在膨脹渦輪機41中執(zhí)行的機械工作Pturb是傳遞熱，尤其是將熱傳遞至壓縮機、發(fā)生器或耗能制動器。在示例中，處于合適壓強下并來自氮壓縮機(例如來自未示出的分離的壓縮機，或者來自氮循環(huán)壓縮機的另外階段)的氮流534被用作高壓處理流，所述高壓處理流在主熱交換器中為液體壓縮氧的(偽)蒸發(fā)供應熱。本質上，氮流34也可來自任何其它壓縮氮源，因此，壓強水平為PGAN、P1-GAN或P2-GAN。所述氮流可膨脹至任何合適的現有壓強水平PGAN或P1-GAN，并可隨后被添加到對應的循環(huán)或壓縮的產物流。作為另外一種選擇，執(zhí)行工作的膨脹機導致大氣水平，并且膨脹的渦輪機流在于主熱交換器中變暖之后最終在無壓強的情況下被遞送。冷高壓處理流535如圖1所示地被運輸。圖6中的方法與圖1中的方法的不同之處在于執(zhí)行工作的膨脹機641的出口壓強(線路642)處于高壓塔8的工作壓強的水平PGAN。結果，對應地，針對產物液化可獲得更多的冷。
渦輪機流540通過以下三個流之一的至少一部分形成-29 (P2-GAN)，來自循環(huán)壓縮機28的最后階段；-565 (P3-GAN)，來自產物壓縮機560的中間階段；-564 (P4-GAN)，來自產物壓縮機560的最后階段。渦輪機流通過執(zhí)行工作而膨脹至大約壓強塔8的工作壓強。膨脹的渦輪機流642最終與來自壓強塔8的頂部的循環(huán)氮流19混合。在這種情況下，渦輪機功率被遞送到氮后置壓縮機666，其進一步增大渦輪機流的壓強。在圖7中的處理中，高壓處理流734不通過氮形成而是通過供給空氣的部分流形成。所述部分流例如從未示出的凈化器的下游分支，并被帶至后置壓縮機中，上升至可為高達90巴的所需壓強。(主空氣壓縮機、凈化器、分支和后置壓縮機在圖7中未示出。)與圖1至圖6相似，高壓處理流734在主熱交換器中冷卻并(偽)液化，在節(jié)流閥736中膨脹至高壓塔壓強，并最終經線路737在合適的中間點供給到高壓塔8中。另外，與圖1至圖6相似，也可在于液體渦輪機738中執(zhí)行工作時引起膨脹至(高壓)塔壓強，所述液體渦輪機738優(yōu)選地通過發(fā)生器739制動。也可將如圖7所示的用空氣作為高壓處理流應用至圖1至圖6的處理的變型形式。在圖7中，用于執(zhí)行工作的膨脹機841的渦輪機流840不通過氮形成，而是通過供給空氣的另一部分形成，這里尤其為供給空氣的未被用作高壓處理流734的其余部分。結果，空氣壓縮機中的所有空氣均被壓縮至高于高達90巴的高壓塔壓強的壓強，并隨后分流為渦輪機流840和高壓處理流734。(作為另外一種選擇，渦輪機流840和/或高壓處理流可單獨地被進一步壓縮。)膨脹的渦輪機流在合適的中間點被供給至高壓塔8中。圖7中所示的第二修改形式(空氣渦輪機取代氮渦輪機)也可單獨或與將空氣用作高壓處理流結合地用于圖1至圖6所示的方法。圖8中的方法還將供給空氣用作高壓處理流734和渦輪機流840。所有空氣在主空氣壓縮機中被壓縮至大約高壓塔壓強，并隨后在凈化器(在附圖中也未示出)中被凈化。被壓縮至高壓塔壓強并被凈化的空氣801分離為總共三個部分流高壓處理流734、渦輪機流840以及除此之外的直接空氣流802、806，直接空氣流802、806在沒有壓強改變進一步措施的情況下經線路807以氣態(tài)形式被供給到高壓塔8中。高壓處理流和渦輪機流經線路802被結合引導至帶有后冷卻器804的第一外部驅動后置壓縮機803，并隨后被進一步分支。高壓處理流在帶有后冷卻器809的另一外部驅動后置壓縮機808中被進一步壓縮至特別高的壓強，而渦輪機流流動通過由膨脹機841驅動的后置壓縮機810，所述膨脹機841通過透平膨脹機形成并且以機械方式經公共軸連接至后置壓縮機810。所述后置壓縮機810也具有后冷卻器811。以液體形式經線路737被供給至高壓塔8中的空氣的一部分865被再次從高壓塔中獲取，并且與圖1中的流465相似，在中間點被供應至低壓塔460。循環(huán)氮流的“第一部分流”在此由流845/846形成，流845/846在循環(huán)壓縮機22的兩個階段23、25之間獲取，并被發(fā)送到高壓塔8的底部蒸發(fā)器9。低壓塔460經管線連接至常規(guī)気生產系統(tǒng)。用粗IS塔(raw argon column)進行氬生產的細節(jié)未在此示出，本領域技術人員對此非常熟悉。在替代形式中，在圖8中，作為流845的替代，使用另一壓縮氮流作為用于高壓塔8的底部蒸發(fā)器9的加熱媒介。此外，通過內部冷凝獲得另外的壓縮氮產物流853，其中在主冷凝器461中獲得的液氮的一部分850以液體形式在泵851中達到高壓，并經線路852被引導至主熱交換器20，在主熱交換器20中其被蒸發(fā)或偽蒸發(fā)并變暖至環(huán)境溫度。圖9在很大程度上與圖8對應，但不具有氮內部冷凝。在圖8中未示出的逆流超級冷卻器在這里被示出。所述方法通過另外的中壓塔900區(qū)分，所述中壓塔900在低壓塔760和高壓塔8的工作壓強之間的工作壓強下工作。在這種情況下，來自高壓塔8或者來自其底部蒸發(fā)器9的液化側的底部液體462 (“富氧液體”)不直接供給，而是間接地供給到低壓塔460中。在超級冷卻16之后，所述液體首先經線路964到達中壓塔900，在這里進行另一預分離。與前述實際示例相比，液體空氣865在這種情況下也不被供給到低壓塔460，而是在流動通過逆流超級冷卻器16和節(jié)流閥之后經線路965在中間點被供給到中壓塔900。(可經線路965再次獲取一部分，并且如圖1中那樣，可經466和467被供給到低壓塔460中。)中壓塔900具有兩個冷凝-蒸發(fā)器中壓塔底部蒸發(fā)器901和中壓塔頂部冷凝器902。中壓塔底部蒸發(fā)器901使用高壓塔8的塔頂氮的部分流903加熱。所得的冷凝的氮904作為回流液體被遞送到中壓塔900的頂部。中壓塔頂部冷凝器902通過中壓塔900或者其底部蒸發(fā)器901的液化側的底部液體905冷卻。仍為液體的所得的流906和分餾物907被供給到低壓塔460中。未作為回流液體被供給到中壓塔900中的在中壓塔頂部冷凝器902中獲得的液氮的那一部分908可在超級冷卻16之后用作用于低壓塔460的另外的回流液體909。
權利要求
1.一種在用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中通過空氣的低溫分離獲得壓縮氧和壓縮氮的方法，所述蒸餾塔系統(tǒng)包括具有底部蒸發(fā)器(9、209)的至少一個高壓塔(8)和低壓塔(460)，其中所述低壓塔(460)經被構造為冷凝-蒸發(fā)器的主冷凝器(461)與高壓塔(8)形成熱交換聯系，其中在所述方法中 -在空氣壓縮機(2)中壓縮供給空氣， -壓縮的供給空氣(6、734、802、840)在主熱交換器(20)中冷卻，并且至少部分地被供給到高壓塔(8)中， -從高壓塔(8)中獲取富氧液體(462、465)，并在第一中間點(464、467、906)將其供應到低壓塔(460)， -從高壓塔(8)和/或主冷凝器(461)中獲得富氮液體(468、470)，并將其遞送到低壓塔(460)的頂部， -從用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中獲取液氧流(11、12 )，所述液氧流(11、12 )在液體狀態(tài)下達到增大的壓強(13)，在所述增大的壓強下被供給到主熱交換器(20)中，在主熱交換器(20)中被蒸發(fā)或偽蒸發(fā)并變暖至大約環(huán)境溫度，并最終以氣態(tài)壓縮氧產物(14)的形式被獲得， -高壓處理流(34、734)在主熱交換器(20)中與氧流進行間接熱交換，并隨后膨脹(36、38 ;736、738)，其中所述膨脹的高壓流(37、737)在液體狀態(tài)下被至少部分地供給到用于氮-氧分離的蒸餾-塔系統(tǒng)中， -從高壓塔中抽取氣態(tài)循環(huán)氮流(18、19)，并且將其在循環(huán)壓縮機(22)中至少部分地(21)壓縮， -從循環(huán)壓縮機(22，322)中獲取循環(huán)氮流的第一部分流(45、46 ;244、242、230 ;845、846)，并使其在主熱交換器(20)中冷卻，在高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)中與高壓塔(8)的底部液體間接熱交換而至少部分地液化，并且再循環(huán)到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中，并且其中 -循環(huán)氮流的第二部分流以產物壓強(P、P1、P2、P3、P4)從循環(huán)壓縮機的上游和/或下游分支和/或在循環(huán)壓縮機的中間階段分支，并且以壓縮氮產物(27、29、53、564、565)被獲得， 其特征在于， -循環(huán)壓縮機(22、322)被構造為熱壓縮機，并借助于外部能量驅動。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，獲得壓縮氮產物(PN)的總量，該總量由以產物壓強(P、PU P2、P3、P4)在循環(huán)壓縮機的上游和/或下游和/或循環(huán)壓縮機的中間階段從循環(huán)氮流中分支并以壓縮氮產物(27、29、53、564、565)獲得的流之和形成，其中在第一負載情況下， -獲得第一總量的壓縮氮產物PNl， -第一部分流以第一部分流的量TSl被引導通過高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)，以及 -供給空氣以供給空氣的第一量ELl被供給到空氣壓縮機(2)中， 并且其中，在第二負載情況下， -獲得第二較高總量的壓縮氮產物PN2，PN2>PN1,-第一部分流以第二較高部分流的量TS2被引導通過高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)，TS2>TS1,以及 -供給空氣以供給空氣的第二量EL2被供給到空氣壓縮機(2)中，其中供給空氣的第二量EL2等于供給空氣的第一量ELl，或者僅不明顯地高于供給空氣的第一量EL1，其中(EL2-EL1)/EL1<0. 2 (PN2-PN1)/PNl。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，從循環(huán)壓縮機(22、322)中獲得作為渦輪機流(40 ；242)的循環(huán)氮流的第三部分流(30)，第三部分流(30)通過執(zhí)行工作(41)膨脹，并且被至少部分地供給到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，來自高壓塔(8)的處于高壓塔的工作壓強下的液體分餾物被供給到冷凝-蒸發(fā)器(9、10)中，并且在這里與執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流的至少一部分進行間接熱交換，被至少部分地蒸發(fā)，其中因此產生的流至少部分地再循環(huán)至高壓塔(8)。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，從高壓塔(8)的底部或者從高壓塔(8)的中間點抽取所述液體分餾物。
6.根據權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，循環(huán)壓縮機(22、322)是多階段構造，并且循環(huán)氮流的第三部分流以較高的中壓(P2、P3、P4)從循環(huán)壓縮機的中間階段被抽取并隨后被供應到執(zhí)行工作的膨脹機。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，循環(huán)氮流的部分流以高壓(P4)從循環(huán)壓縮機被抽取，并被隨后用作高壓處理流(34)，所述高壓(P4)高于中壓(P3)。
8.根據權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，循環(huán)壓縮機是多階段構造，并且在第一工作模式下，循環(huán)氮流的第四部分流(45)以較低的中壓(P1-GAN、P2-GAN)從循環(huán)壓縮機的中間階段被抽取，在主熱交換器的中壓通道中被冷卻，并且與底部蒸發(fā)器(9)上游的執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流(42)混合，并且所述混合物形成第一部分流(30)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，在第二工作模式下，執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流(42)的一部分在主熱交換器的中壓通道中變暖，并且被供應到中間階段的循環(huán)壓縮機，其中執(zhí)行工作而膨脹的渦輪機流(42)的其余部分的至少一部分形成第一部分流(30)。
10.根據權利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，從低壓塔(460)的下部區(qū)域中獲取液氧流(411、412)。
11.根據權利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，氧含量在富氧液體(462)的氧含量和富氮液體(468)的氧含量之間的中間液體(465、467)從高壓塔(8)中被獲取，并且在被布置為高于第一中間點的第二中間點被供應到低壓塔(460 )，其中具體地講，所述中間液體(465)在高壓塔(8)的中間蒸發(fā)器(10)的水平被獲取。
12.一種用于通過空氣的低溫分離獲得壓縮氧和壓縮氮的裝置，具有 -用于氮-氧分離的蒸餾-塔系統(tǒng)，其至少具有高壓塔(8)和低壓塔(460)，其中所述低壓塔(460)具有被構造為冷凝-蒸發(fā)器的主冷凝器(461 )，所述主冷凝器(461)被構造為用于低壓塔(460)和高壓塔(8)的熱交換連接， -空氣壓縮機(2 )，用于壓縮供給空氣， -主熱交換器(20 )，用于冷卻壓縮的供給空氣(6、734、802、840 )， -用于將冷卻的供給空氣供給到高壓塔(8)中的裝置，-用于從高壓塔(8)中抽取富氧液體(462、465)并用于將該液體(464、467)或從中衍生的液體(467、906)在第一中間點供應到低壓塔(460)的裝置， -用于從高壓塔(8)和/或主冷凝器(461)中抽取富氮液體(468、470)并用于將該液體遞送到低壓塔(460)的頂部的裝置， -用于從用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中抽取液氧流(11、12、411、412)的裝置， -用于使液體狀態(tài)的氧流達到增大的壓強(13)的裝置，所述裝置將處于增大的壓強下的氧流供給到主熱交換器(20)中，用于在主熱交換器(20)中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)，并且變暖至大約環(huán)境溫度，并最終作為氣態(tài)壓縮氧產物(14)被抽取， -用于使主熱交換器(20)中的高壓處理流(34、734)與氧流進行間接熱交換并隨后使其膨脹(36、38、736、738)的裝置， -用于將膨脹的高壓處理流(37、737)至少部分地以液體狀態(tài)供給到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中的裝置， -用于從高壓塔中抽取氣態(tài)循環(huán)氮流(18、19)的裝置， -循環(huán)壓縮機(22、322)，用于壓縮循環(huán)氮流的至少一部分(21 )， -用于從循環(huán)壓縮機(22、322)中抽取循環(huán)氮流的第一部分流(45、46 ;244、242、230 ；845,846)的裝置，所述裝置用于將第一部分流在主熱交換器(20)中冷卻，用于將第一部分流供給到高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9)中，以與高壓塔(8)的底部液體進行間接熱交換從而至少部分地使其液化，并且用于將至少部分地液化的第一部分流再循環(huán)到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中，以及具有 -用于將循環(huán)氮流的第二部分流以產物壓強(P、P1、P2、P3、P4)從循環(huán)壓縮機的上游和/或下游和/或從循環(huán)壓縮機的中間階段分支并用于作為壓縮氮產物(27、29、53、564、565)被抽取的裝置， 其特征在于， -循環(huán)壓縮機(22、322)被構造為熱壓縮機，并借助于外部能量被驅動。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于控制裝置，通過該控制裝置，設置-壓縮氮產物(PN)的總量，該總量由以產物壓強(P、P1、P2、P3、P4 )在循環(huán)壓縮機的上游和/或下游和/或循環(huán)壓縮機的中間階段從循環(huán)氮流中分支并作為壓縮氮產物(27、29、53、564、565)被獲得的流之和形成， -第一部分流的部分流的量(TS)被引導通過高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)，以及 -被供給到高壓塔(8)中的供給空氣的量(EL)， 其中所述控制裝置被構造為使得 -在第一負載情況下 -獲得第一總量的壓縮氮產物PNl， -第一部分流以第一部分流的量TSl被引導通過高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)，以及 -供給空氣以供給空氣的第一量ELl被供給到高壓塔(8)中， -并且，在第二負載情況下 -獲得第二較高總量的壓縮氮產物PN2，PN2>PN1, -第一部分流以第二較高部分流的量TS2被引導通過高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)，TS2>TS1,以及 -供給空氣以供給空氣的第二量EL2被供給到高壓塔(8)中，其中供給空氣的第二量EL2等于供給空氣的第一量EL1，或者僅不明顯地高于供給空氣的第一量EL1，ELI ( EL2〈EL1 0. 2 PN2/PN1。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于，具有用于將氧含量在富氧液體(462)的氧含量和富氮液體(468)的氧含量之間的中間液體(465、467)從高壓塔(8)中抽取的裝置，并且該裝置用于將該液體在被布置為高于第一中間點的第二中間點供應到低壓塔(460)，其中用于抽取所述中間液體(465)的裝置尤其是被布置在高壓塔(8)的中間蒸發(fā)器(10)的水平。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中通過空氣的低溫分離獲得壓縮的氧和壓縮的氮的方法和裝置，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有至少一個高壓塔(8)和一個低壓塔(460)，其中所述低壓塔(460)使用被設計為冷凝-蒸發(fā)器的主冷凝器(461)與高壓塔(8)形成熱交換連接。供給空氣在空氣壓縮機(2)中被壓縮。壓縮的供給空氣(6、734、802、840)在主熱交換器(20)中冷卻，并且至少部分地被引入到高壓塔(8)中。富氧液體(462、465)被從高壓塔(8)中去除并在第一中間位置(464、467、906)被供給到低壓塔(460)中。富氮液體(468、470)被從高壓塔(8)和/或主冷凝器(461)中去除，并被供給到低壓塔(460)的頂部。液氧流(11、12)被從用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中去除，以液體狀態(tài)(13)變?yōu)樯叩膲簭姡谒錾叩膲簭娤卤灰氲街鳠峤粨Q器(20)中，在主熱交換器(20)中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)和加熱到大約環(huán)境溫度，并最終以氣態(tài)壓縮的氧產物(14)被獲得。高壓處理流(34、734)在主熱交換器(20)中與氧流間接熱交換，并隨后被減壓(36、38；736、738)，其中減壓的高壓流(37、737)以液體狀態(tài)被至少部分地引入到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中。氣態(tài)循環(huán)的氮流(18、19)被從高壓塔中抽取，并在循環(huán)壓縮機(22)中被至少部分地(21)壓縮。循環(huán)氮流的第一支流(45、46；244、242、230；845、846)被從循環(huán)壓縮機(22、322)中去除，在主熱交換器(20)中冷卻下來，在高壓塔(8)的底部蒸發(fā)器(9、209)中與高壓塔(8)的底部液體間接熱交換而至少部分地冷凝，并被引導回流到用于氮-氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中。循環(huán)氮流的第二支流以產物壓強(P、P1、P2、P3、P4)在循環(huán)壓縮機的上游和/或下游和/或循環(huán)壓縮機的中間階段分支并以壓縮氮產物(27、29、53、564、565)獲得。循環(huán)壓縮機(22、322)被設計為熱壓縮機，并使用外部能量驅動。
文檔編號F25J3/04GK103069238SQ201180039066
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權日2010年8月13日
發(fā)明者D·施文克, A·阿列克謝耶夫, F·馬斯特森, D·戈盧貝夫 申請人:林德股份公司