專利名稱：通過低溫空氣分離得到壓縮氧氣的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的通過低溫空氣分離得到壓縮氧 氣的方法。
背景技術(shù)：
以至少兩種可以切換的吸附容器的形式為空氣分離設(shè)備的進(jìn)料空氣提供凈化設(shè) 備是眾所周知的。待凈化的進(jìn)料空氣流經(jīng)其中一個(gè)容器，同時(shí)另一個(gè)可被熱再生(變溫吸 附=TSA)。當(dāng)空氣中移除的雜質(zhì)被熱的再生氣體逐出時(shí)，吸附介質(zhì)必須被再一次冷卻。為 了這個(gè)目的，將容器充滿干燥冷卻氣體。然后，為了積累壓力，可通入空氣并且最終被轉(zhuǎn)換。
“主換熱器”用于冷卻與蒸餾塔系統(tǒng)的回流間接進(jìn)行熱交換的進(jìn)料氣體。它可以由 單個(gè)或多個(gè)并聯(lián)和/或串聯(lián)換熱器部件，如一個(gè)或多個(gè)板式換熱器塊形成。
用于受熱的殘余氣體流的膨脹設(shè)備優(yōu)選由膨脹渦輪形成。它可以例如通過發(fā)電機(jī) 制動(dòng)。
最初在美國專利US5040370中提到該類型的方法。這里，殘余氣體流被600°C的 流體加熱，作功式膨脹(work-producingly expanded)并且顯然不能被進(jìn)一步地更好利用。 可選擇地，已經(jīng)用作再生氣體的殘余氣體被用作膨脹機(jī)的附加進(jìn)料。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以特別有利地、積極地操作的方法及相應(yīng)的設(shè)備。
這個(gè)目的通過權(quán)利要求1中所述的特征來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，殘余氣體流僅被 加熱到中等溫度。這最初看起來是不利的，因?yàn)橛纱死碚撋显谂蛎洐C(jī)上可回收較少的能量。 然而，在本發(fā)明中，已經(jīng)證明由此可實(shí)現(xiàn)特別有利的操作凈化設(shè)備和特別有效地使用剩余 熱。
在本發(fā)明中，殘余氣體加熱器以相對低的出口溫度運(yùn)行。因此殘余氣體流也以特 別低的溫度例如5°C -350C，尤其是約20°C的溫度從膨脹機(jī)離開。作功式膨脹的殘余氣體可 以被直接用作，也就是說不需要進(jìn)行額外冷卻地用作，冷卻氣體。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)勢在于，作為殘余氣體加熱器的加熱介質(zhì)，可使用另外原本無 價(jià)值的流體，如消耗壓縮氧氣產(chǎn)品的工藝中的殘余氣體流，如具有上游煤氣化或重油氣化 的發(fā)電廠工藝(整體聯(lián)合循環(huán)=IGCC)。在許多情況下，使用原本毫無價(jià)值的約100°C的加 熱介質(zhì)就足夠了。其殘余熱通過殘余氣體的膨脹可被有利地利用。甚至可考慮利用本來傳 遞給冷卻水的主氣體壓縮機(jī)或氣體再壓縮機(jī)的廢熱,來加熱殘余氣體。
當(dāng)凈化設(shè)備中的一個(gè)容器處于冷卻循環(huán)時(shí)，殘余氣體流用作冷卻氣體當(dāng)然經(jīng)常發(fā) 生。在其它時(shí)候，作功式膨脹的殘余氣體(在相應(yīng)的進(jìn)一步加熱之后)可被用作再生氣體 和/或排放到環(huán)境中?？偟膩碚f，實(shí)現(xiàn)了空氣分離器總效率的改進(jìn)。
原則上，富氧流可以氣態(tài)形式從低壓塔中離開，并且在稍微低于低壓塔的操作壓 力的情況下獲得，或者在主換熱器中加溫后，在氧氣壓縮機(jī)中升至較高的產(chǎn)品壓力。然而，在很多情況下使用內(nèi)壓縮更方便，那樣富氧流以液態(tài)從低壓塔離開，在液態(tài)下升至高壓，并且在主換熱器中蒸發(fā)或在超臨界壓力水平下偽蒸發(fā)。氧氣壓縮機(jī)在熱的條件下可以省掉。作為蒸發(fā)(在次臨界壓力)或偽蒸發(fā)(在超臨界壓力)的加熱介質(zhì)，優(yōu)選使用被升至明顯高于高壓塔運(yùn)行壓力的壓力下的第二進(jìn)料空氣流。依據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，來自低壓塔的富氮產(chǎn)品流在主換熱器中被加熱，然后得到壓縮氮?dú)猱a(chǎn)品。熱的壓縮氮?dú)猱a(chǎn)品在供給用戶或管道前可以在氮?dú)鈮嚎s機(jī)中被進(jìn)一步壓縮。或者，或者此外，氮?dú)猱a(chǎn)品可以從高壓塔或氮氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)中的另一個(gè)塔中排出，并且被加熱后，供給用戶或產(chǎn)品壓縮機(jī)。富氮產(chǎn)品流可以和殘余氣體流一起從低壓塔中被排出，并在主換熱器中被加熱。或者，殘余氣體流在位于產(chǎn)品流的排出口下部的低壓塔的中間點(diǎn)被單獨(dú)排出，并單獨(dú)通過主換熱器。壓縮氮?dú)猱a(chǎn)品可以通過從氮?dú)?氧氣分離的蒸餾塔系統(tǒng)的主冷凝器的液氮的內(nèi)壓縮以例如50-80巴的小高壓流的形式進(jìn)一步獲得。換熱損失的補(bǔ)償和液態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)所需的制冷，在本發(fā)明的方法中通過一個(gè)或多個(gè)膨脹機(jī)產(chǎn)生，其中所述膨脹機(jī)通常由膨脹渦輪形成。例如，至少第一進(jìn)料空氣的一部分在進(jìn)入到高壓塔之前可被作功式膨脹。本發(fā)明進(jìn)一步涉及權(quán)利要求4的設(shè)備。依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以通過相對應(yīng)的從屬方法權(quán)利要求的特征進(jìn)行補(bǔ)充。


本發(fā)明及本發(fā)明進(jìn)一步的細(xì)節(jié)將在之后結(jié)合附圖中所示的示例性實(shí)施方案更加具體的描述。圖1示意說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式所有進(jìn)料空氣在主空氣壓縮機(jī)中被壓縮成第一壓力，所述第一壓力稍微高于高壓塔壓力，這里是約12巴，然后預(yù)冷到大約環(huán)境溫度(都未在圖中示出)。預(yù)冷的壓縮空氣I進(jìn)入到包含兩個(gè)容器的凈化設(shè)備2中，每個(gè)容器包含分子篩作為吸附介質(zhì)。凈化的進(jìn)料空氣4的第一分流以約第一壓力被引入到主換熱器中，在該示例性實(shí)施方案中，所述主換熱器由三個(gè)平行塊5，6，7組成，每一個(gè)平行塊都由一個(gè)或多個(gè)板式換熱器形成。冷卻的第一分流8，9是“第一進(jìn)料空氣流”10的一部分，以氣體狀態(tài)被引入到氮?dú)?氧氣分離的蒸餾塔系統(tǒng)的高壓塔11的底部，所述蒸餾塔系統(tǒng)此外還包括低壓塔12和主冷凝器13。在這個(gè)特定的示例性實(shí)施方案中，用于氮?dú)?氧氣分離的蒸餾塔系統(tǒng)，還包括以中間壓力運(yùn)行的中壓塔14。在每種情況下塔的運(yùn)行壓力，具體最高為高壓塔約12巴中壓塔約7巴低壓塔約3巴
凈化的進(jìn)料空氣3的第二分流15在帶有后冷卻器17的再壓縮機(jī)16中被再壓縮 成約50-90巴(其壓力主要取決于氧氣的內(nèi)壓縮壓力)的第二壓力，并且用于第一部分18 作為渦輪氣流。這在主換熱器塊6中被冷卻到中間溫度，通過管路19被再一次排出，在渦 輪發(fā)電機(jī)20中膨脹到差不多高壓塔的壓力，并最終通過管路21被送入到第一進(jìn)料空氣流 10中。
高壓空氣的第二部分22為內(nèi)壓縮提供熱量(參見下面進(jìn)一步地描述)并且在主 換熱器6中偽液化，接著在液體渦輪23中作功式膨脹，并最終以液態(tài)通過管路23充分流入 高壓塔的中間位置。液體的一部分24可被引入到低壓塔12中，和/或經(jīng)由過冷逆流換熱 器25和管路26或27進(jìn)入到中壓塔14。
凈化壓力的第三分流28和29最終流入到主換熱器塊5中，在那里在大致第一壓 力下被冷卻，并且也形成第一進(jìn)料空氣流10的一部分。
此外，另一部分30可被用作儀表氣源或者供應(yīng)到臨近的設(shè)備。
高壓塔11的氣態(tài)塔頂?shù)獨(dú)?1在主冷凝器13中被低壓塔12蒸發(fā)的底部液體冷凝 成第一部分32。第二部分33在中壓塔14的底部蒸發(fā)器中被冷凝，所述中壓塔由降膜式蒸發(fā) 器(頂部)和浴式蒸發(fā)器(底部)的組合形成(原則上，在本發(fā)明中，任何形式的冷凝器一 蒸發(fā)器都可以用作主冷凝器或作為中壓塔的底部蒸發(fā)器，如浴式蒸發(fā)器，還可以是圓盤蒸 發(fā)器或純降膜式蒸發(fā)器，或這些的組合)。在兩個(gè)冷凝器13，34中形成的液態(tài)氮32、35，由 管路36應(yīng)用到第一部分，作為高壓塔11的逆流。剩余物37在過冷逆流換熱器25中被冷 卻，并經(jīng)由管路38得到液體產(chǎn)品(LIN)。
氣態(tài)純凈塔頂?shù)獨(dú)?1的第三部分60在主換熱器塊5中被加熱到差不多環(huán)境溫 度。熱的壓縮氮?dú)?1的第一部分62用作中等壓力產(chǎn)品(MPGAN)或密封氣體；作為第二部 分，其在具有后冷卻器64的純凈氮?dú)鈮嚎s機(jī)63中被進(jìn)一步壓縮，并最終得到高純度的高壓 產(chǎn)品(HPGAN)。
從稍微低于頂部的中間點(diǎn)，經(jīng)由管路39，液態(tài)不純氮從高壓塔11中被排出，在過 冷逆流換熱器25中被冷卻，經(jīng)由管路40作為低壓塔的逆流。
從高壓塔11的底部，原氧41以液態(tài)的形式被排出，并在過冷逆流換熱器25中被 低溫冷卻。過冷原氧42的一部分經(jīng)由節(jié)流閥43被引入到低壓塔12，另一部分經(jīng)由節(jié)流閥 44被引入到中壓塔14，在每種情況下都位于中間點(diǎn)。
進(jìn)一步富氧化的中壓塔14的底部流45冷卻中壓塔頂部冷凝器46。在這種情況 下，產(chǎn)生的蒸汽47和剩余的液體48經(jīng)由管路49流入到低壓塔。中壓塔頂部冷凝器46被 構(gòu)造成逆流冷凝器，并且冷凝中壓塔的塔頂蒸氣。產(chǎn)生的液體，如果不被用作中壓塔14的 逆流，則經(jīng)由管路50進(jìn)入到低壓塔的頂部。
從低壓塔的底部，純度為90-99摩爾％的液態(tài)氧51作為“富氧流”被排出，并作為 第一部分52、53，在過冷逆流換熱器25中部分過冷后，得到液態(tài)產(chǎn)品(LOX)。主要部分54 進(jìn)入到內(nèi)壓縮，以液態(tài)由泵55升至30-110巴的高壓。第一部分56在主換熱器6中在這個(gè) 壓力下被(偽)蒸發(fā)，并最終經(jīng)由管路57得到第一壓縮氧氣產(chǎn)品(GOX-1Cl)。剩余物58在 60-100巴的較低壓力下被(偽)蒸發(fā)，并經(jīng)由管路59得到第二壓縮氧氣產(chǎn)品(G0X-1C2)。
從低壓塔12的頂部，氮?dú)夂繛?7-99摩爾％的不純的氮?dú)饨?jīng)由管路65被排出， 在過冷逆流換熱器25中被加熱，并進(jìn)一步經(jīng)由管路65/66和67/68在主換熱器6，7中再被加熱到差不多環(huán)境溫度。熱的不純的氮?dú)獾牡谝徊糠中纬闪藲堄鄽怏w流69。殘余物在具有后冷卻器71的不純氮?dú)鈮嚎s機(jī)70中被壓縮，并最終得到低純度的高壓產(chǎn)品(HPGAN)。
依據(jù)本發(fā)明，殘余氣體流69在殘余氣體加熱器72中被加熱到差不多環(huán)境溫度，但是低于250°C。在該示例性實(shí)施方案中，加熱的殘余氣體流73的溫度約是100°C。這被引入到發(fā)電機(jī)一制動(dòng)的膨脹渦輪機(jī)74。作功式膨脹的殘余氣體流75具有20°C的溫度，在制冷循環(huán)中，至少部分經(jīng)由管路76和78作為冷卻氣體被引入到凈化設(shè)備中。此外，還可以經(jīng)由管路77被排到空氣中或在凈化設(shè)備2中經(jīng)由再生氣體加熱器79和再生氣體管路80作為再生氣體使用。
權(quán)利要求
1.一種在氮?dú)?氧氣分離的蒸餾塔系統(tǒng)中通過空氣的低溫分離得到壓縮氧氣的方法， 所述蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個(gè)高壓塔(11)和一個(gè)低壓塔(12)，其中-低壓塔(11)以最高為至少1. 5巴的運(yùn)行壓力運(yùn)行，-第一進(jìn)料空氣流在凈化設(shè)備(2)中被凈化，并在主換熱器(5，6，7)中被冷卻，-冷卻的第一進(jìn)料空氣流(10)進(jìn)入到高壓塔(11)中，-富氧流(54，56，58)以液態(tài)從低壓塔(12)中被排出，以液態(tài)升至高壓(55)，并且在主換熱器(5，6，7)中被蒸發(fā)或偽蒸發(fā)并被加熱，-得到加熱的氧氣流(57，59)作為壓縮氧氣產(chǎn)品，-來自低壓塔(12)的富氮?dú)堄鄽怏w流在主換熱器(5，6，7)中被加熱，-在主換熱器(5，6，7)中被加熱的殘余氣體流￠9)在殘余氣體加熱器(72)中通過與加熱介質(zhì)間接熱交換而被加熱，-加熱的殘余氣體流(73)在膨脹機(jī)(74)中作功式膨脹，其特征在于-殘余氣體加熱器(72)的加熱介質(zhì)由工藝流形成，所述工藝流不是由氮?dú)庖谎鯕夥蛛x的蒸餾塔系統(tǒng)產(chǎn)生的，-膨脹機(jī)(74)由發(fā)電機(jī)制動(dòng)，-從殘余氣體加熱器(72)排出的殘余氣體流出口溫度低于250°C，尤其低于200°C，尤其低于150°C，和，-作功式膨脹的殘余氣體流(75)的至少一部分(78)在凈化設(shè)備(2)中被用作冷卻氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，富氧流(54)從低壓塔(12)中以液態(tài)排出， 以液態(tài)升至高壓，并在主換熱器(5，6，7)中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，來自低壓塔(12)中的富氮產(chǎn)品流在主換熱器(5，6，7)中被加熱，然后得到壓縮氮?dú)猱a(chǎn)品￠1,68)。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，殘余氣體加熱器(72)中的加熱介質(zhì)將殘余熱傳遞給富氮?dú)堄鄽怏w流(69)，其中該殘余熱由消耗壓縮氧氣產(chǎn)品的工藝產(chǎn)生，尤其是由殘余流產(chǎn)生。
5.一種使用氮?dú)庖谎鯕夥蛛x的蒸餾塔系統(tǒng)通過空氣的低溫分離得到壓縮氧氣的設(shè)備， 所述蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個(gè)高壓塔(11)和一個(gè)低壓塔(12)，所述設(shè)備-具有凈化設(shè)備(2)，用于凈化第一進(jìn)料空氣流，-具有主換熱器(5，6，7)，用于冷卻凈化的第一進(jìn)料空氣流，-具有用于將冷卻的第一進(jìn)料空氣流(10)引入到高壓塔(11)的裝置，-具有用于將以液態(tài)從低壓塔(12)中排出的富氧流(54，56，58)升高壓的裝置(55)， -具有用于將高壓下的富氧流(54，56，58)引入到主換熱器(5，6，7)中的裝置，-具有用于將在主換熱器(5，6，7)中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)并加熱的氧氣流(57，59)作為壓縮氧氣產(chǎn)品排出的裝置，-具有用于將來自低壓塔(12)的富氮?dú)堄鄽怏w流引入到主換熱器(5，6，7)中的裝置， -具有殘余氣體加熱器(72)，用于通過與加熱介質(zhì)間接熱交換加熱在主換熱器(5，6， 7)中被加熱的殘余氣體流(69)，-和具有膨脹機(jī)(74)，用于作功式膨脹被加熱的殘余氣體流(73)，其特征在于-具有用于將作功式膨脹的殘余氣體流(75)的至少一部分(78)作為冷卻氣體引入凈化設(shè)備(2)的裝置，其中-殘余氣體加熱器(72)的加熱介質(zhì)由工藝流形成，所述工藝流不是由氮?dú)?氧氣分離的蒸餾塔系統(tǒng)產(chǎn)生，-膨脹機(jī)(74)由發(fā)電機(jī)制動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備具有用于將富氧流(54)從低壓塔 (12)中以液態(tài)排出的裝置，用于將液態(tài)富氧流(54)的壓力升至高壓的裝置，和用于將在高壓下的富氧流引入到主換熱器(5，6，7)中的裝置。
7.如權(quán)利要求5或6所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備具有用于將來自低壓塔的富氮產(chǎn)品流引入到主換熱器(5，6，7)中，并將在換熱器(5，6，7)中被加熱的富氮產(chǎn)品流作為壓縮氮?dú)猱a(chǎn)品(61，68)排出的裝置。
8.如權(quán)利要求5-7之一所述的方法，其特征在于，殘余氣體加熱器(72)中的加熱介質(zhì)將殘余熱傳遞給富氮?dú)堄鄽怏w流(69)，其中該殘余熱由消耗壓縮氧氣產(chǎn)品的工藝產(chǎn)生，尤其是由殘余流廣生。
全文摘要
本發(fā)明涉及在氮?dú)狻鯕夥蛛x的蒸餾塔系統(tǒng)中通過空氣的低溫分離得到壓縮氧氣的方法和設(shè)備，所述蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個(gè)高壓塔(11)和一個(gè)低壓塔(12)。低壓塔(11)以最高為至少1.5巴的運(yùn)行壓力運(yùn)行。第一進(jìn)料空氣流在凈化設(shè)備(2)中被凈化，并在主換熱器(5，6，7)中被冷卻。被冷卻的第一進(jìn)料空氣流(10)進(jìn)入到高壓塔(11)中。來自低壓塔(12)的富氧流(54，56，58)在主換熱器(5，6，7)中被加熱。得到加熱的氧氣流(57，59)作為壓縮氧氣產(chǎn)品。來自低壓塔(12)的富氮?dú)堄鄽怏w流在主換熱器(5，6，7)中被加熱。在主換熱器(5，6，7)中被加熱的殘余氣體流(69)在殘余氣體加熱器(72)中通過與加熱介質(zhì)的間接熱交換被加熱。被加熱的殘余氣體流(73)在膨脹機(jī)(74)中作功式膨脹。從殘余氣體加熱器(72)排出的殘余氣體流出口溫度低于250℃，尤其低于200℃，尤其低于150℃。作功式膨脹的殘余氣體流(75)的至少一部分(78)在凈化設(shè)備(2)中被用作冷卻氣體。
文檔編號F25J3/04GK102997617SQ20121037508
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者T·勞滕施萊格 申請人:林德股份公司