CN101063592A - 用于通过低温空气分离来产生压力产物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过低温空气分离来产生压力产物的方法。将原料空气(1)压缩(2)、净化(4)、冷却(9)并且输入(11，23)给一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)。将液态的产物流(13)从该用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)中取出、使之在液态中达到(14)提高的压力(PIV)并且在该提高的压力(PIV)下蒸发或伪蒸发(9)。将该(伪)蒸发的产物流(16)作为压力产物输入(17)给一个具有可变的压力(PA)的气体压力储存器(19)。使该提高的压力(PIV)变化，并且该提高的压力(PIV)的变化与该气体压力储存器(19)的压力(PA)相关地进行。

Description

用于通过低温空气分离来产生压力产物的方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过低温空气分离借助于内部压缩来产生压力产物的方法。
背景技术
用于低温分离空气的方法和装置例如已由豪森/林德的1985年第二版《低温技术》第4章(第281至337页)公知。“蒸馏塔系统”包括至少一个分离塔以及配置给系统的分离塔的冷凝器和蒸发器。本发明的用于氮氧分离的蒸馏塔系统可构造成用于氮氧分离的单塔系统，可构造成双塔系统(例如构造成典型的林德双塔系统)，或者也可构造成三塔或多塔系统。该系统除了用于氮氧分离的塔之外还可具有用于获得其它空气组分、尤其是惰性气体的其它装置，例如获得氩。
在内部压缩过程中，产物中的至少一种呈液态地从蒸馏塔系统的这些塔之一中或从与这些塔之一相连接的冷凝器中取出，在液态中达到提高的压力，在例如与原料空气或氮的间接热交换中蒸发或(在超临界压力时)伪蒸发，最后作为气态的压力产物被获得并且输入给例如由气体压力储存器组成的接收系统。液体中的压力提高可通过任意公知的措施进行。通常在此使用泵。但也可利用静压势能和/或在罐上的压力建立蒸发(Druckaufbauverdampfung)。
这种内部压缩方法例如已由下述文献公知：DE 830805，DE901542(＝US 2712738/US 2784572)，DE 952908，DE 1103363(＝US3083544)，DE 1112997(＝US 3214925)，DE 1124529，DE 1117616(＝US3280574)，DE 1226616(＝US 3216206)，DE 1229561(＝US 3222878)，DE 1199293，DE 1187248(＝US 3371496)，DE 1235347，DE 1258882(＝US 3426543)，DE 1263037(＝US 3401531)，DE 1501722(＝US3416323)，DE 1501723(＝US 3500651)，DE 2535132(＝US 4279631)，DE 2646690，EP 93448 B1(＝US 4555256)，EP 384483 B1(＝US5036672)，EP 505812 B1(＝US 5263328)，EP 716280 B1(＝US5644934)，EP 842385 B1(＝US 5953937)，EP 758733 B1(＝US5845517)，EP 895045 B1(＝US 6038885)，DE 19803437 A1，EP 949471B1(＝US 6185960 B1)，EP 955509 A1(＝US 6196022 B1)，EP 1031804A1(＝US 6314755)，DE 19909744 A1，EP 1067345 A1(＝US 6336345)，EP 1074805 A1(＝US 6332337)，DE 19954593 A1，EP 1134525 A1(＝US6477860)，DE 10013073 A1，EP 1139046 A1，EP 1146301 A1，EP1150082 A1，EP 1213552 A1，DE 10115258 A1，EP 1284404 A1(＝US2003051504 A1)，EP 1308680 A1(＝US 6612129 B2)，DE 10213212 A1，DE 10213211 A1，EP 1357342 A1，DE 10238282 A1，DE 10302389 A1，DE 10334559 A1，DE 10334560 A1，DE 10332863 A1，EP 1544559 A1，EP 1585926 A1或者DE 10200502927 A1。
对于“气体压力储存器”在此理解为用于缓冲气态的压力产物并且尤其是具有这样的缓冲容量的任何系统，该缓冲容量足够补偿周期性的接收波动，或者足够补偿可能在负荷变化期间出现的在产量方面的暂时的不足或过剩。周期性的接收波动的一个例子是钢厂的氧供给，在该钢厂中，由于转炉每隔一定时间工作而需要短时间地高的氧量。另一个例子是空气分离设备，这种空气分离设备的产量连续地与当前消耗相适应，但该空气分离设备的负荷(生产率)不能以与消耗相同的速度变化并且因此在负荷调节期间出现暂时的不足或过剩。气体压力储存器的缓冲容量大体上应足够这样补偿由于消耗的典型变化(在数分钟或秒内)出现的在产量方面的不足或过剩，使得空气分离设备的产量可按照消耗变化随动，而不破坏产物的允许的最小或最大压力极限。典型空气分离设备在整个负荷范围上从70％至100％的负荷变化的负荷调节时间为30分钟至2小时。
因为“气体压力储存器”与高的投资成本相联系，所以大体上不是针对所有可能情况设计该气体压力储存器，而是仅针对在正常工作期间典型的接收波动来设计。例外情况必要时可通过产物的泄放或附加供应装置(例如用于低温液体的蒸发器)得到满足。
对于“气体压力储存器”尤其是理解为具有这样的缓冲容量的系统，该缓冲容量至少等于待(伪)蒸发成压力产物的液态的产物流的量，该量是蒸馏塔系统在正常工作中在确定的时间间隔内产生的，该缓冲容量例如至少等于在一分钟内产生的量、至少等于在五分钟内产生的量或至少等于在十分钟内产生的量。气体压力储存器的缓冲容量通过该气体压力储存器的容积和其压力的可能的波动幅度、即最大工作压力与最小工作压力之间的差来确定。最大工作压力通过用户的压力要求确定，最小工作压力通过气体压力储存器的结构和适用于此的可靠性规范来确定。“气体压力储存器”例如可通过一个或多个稳固的气体压力储存器-容器构成或者通过具有大的管线长度的管道系统构成，该管道系统例如用于给多个用户供应压力气体。这样的“气体压力储存器”在确定的压力范围内工作，该压力范围通过最小允许压力和最大允许压力确定。在这两个值之间典型地存在至少2bar、尤其是至少5bar、优选至少10bar的差。允许的压力波动幅度越大，在气体压力储存器的压力缓冲器中可使用的容量就越大。压力缓冲器的必需的容量基本上与接收波动的变化曲线相关，所述接收波动通常为系统所决定。为了可流入到气体压力储存器中，在蒸馏塔系统中获得的压力产物必须具有比气体压力储存器中的压力高的压力。到目前为止，该要求这样来满足，即内部压缩产物的蒸发在这样的压力下进行，该压力即使在气体压力储存器的压力最大的情况下也保证压力产物填充到气体压力储存器中。蒸发时的压力以及蒸馏塔系统中的工作压力保持恒定。在气体压力储存器中的当前压力较小时，气态的压力产物被节流，由此使能量消散。
发明内容
本发明的任务在于，提供开头所述类型的方法，该方法在能量方面特别有利地工作。
根据本发明，提出了一种用于通过低温空气分离来产生压力产物的方法，在该方法中，将原料空气压缩、净化、冷却并且输入给一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统，将液态的产物流从该用于氮氧分离的蒸馏塔系统中取出、使之在液态中达到提高的压力(PIV)并且在该提高的压力(PIV)下蒸发或伪蒸发，将该(伪)蒸发的产物流作为压力产物输入给一个具有可变的压力(PA)的气体压力储存器，其中，使该提高的压力(PIV)变化，并且该提高的压力(PIV)的变化与该气体压力储存器的压力(PA)相关地进行。
该任务这样来解决，使该提高的压力(即内部压缩产物的压力)变化，并且该提高的压力(PIV)的变化与气体压力储存器的压力(PA)相关地进行。
如果气体压力储存器中的压力低于其最大值，则通过内部压缩产物的压力的适配可在降低的压力下进行蒸发。这意味着，为了蒸发产物流须使用很少的能量。
在内部蒸发方法中经常将气态的热载体流压缩到高的压力(PW)并且在该高的压力下用于通过间接热交换来使液态的产物流(伪)蒸发。在本发明的范围内有利的是，在此使该高的压力(PW)和/或该热载体流的量(MW)变化并且该高的压力(PW)或该量(MW)的变化与该气体压力储存器的压力(PA)相关地进行。由此，当气体压力储存器的压力低于其最大值时，在压缩热载体流时节省了能量。在实践中，最后所述的变化可视内部压缩产物的压力(PIV)而定；所述与气体压力储存器的压力(PV)相关则是间接的相关。
热载体流例如可通过原料空气的分流或通过来自蒸馏塔系统的氮流构成。原料空气的分流通常被再压缩，作为热载体流使用并且接着被引导到用于氮氧分离的蒸馏塔系统中。对于“量”在此理解为每时间单位的摩尔量，该量例如以Nm3/h计量。
附加地或作为替换方案，在本发明的范围内也可这样节省能量，在气体压力储存器中的压力(PA)降低的情况下避免制冷，其方式是，在该方法的制冷系统中产生的冷量与气体压力储存器的压力(PA)相关地变化。
该制冷系统可包括一个或多个用于使一个或多个过程流承担工作地减压的减压机、一个或多个用外来能量驱动的制冷设备和/或通过一个或多个深冷液体流输入冷量的冷量输入装置。在本发明中典型地调节一个或多个通过膨胀涡轮引导的过程流的量。在气体压力储存器中的压力降低时减小该量。对压力能相应减小的要求使得进一步节省了能量。
在根据本发明的方法的另一个构型中，蒸馏塔系统的一个或多个工作参数与气体压力储存器的压力(PA)相关地变化。
已经公知：空气分离设备的工作参数通过负荷变换系统来与可变的产物量相适配。这种负荷变换系统可包括前馈控制装置例如ALC(Automatic Load Change)或多变量调节装置例如MPC(ModelPredictive Control)。在本发明的范围内有利的是，使用这种系统用于改善在内部压缩压力变化时设备的工作性能并且由此优化蒸馏塔系统的工作参数。通过受控制地适配这些工作参数保证了所选择的内部压缩压力与蒸馏的工作点之间的稳定性并且还避免热交换器承受不允许的负荷。使用负荷变换系统的重要优点是可限制内部压缩压力的梯度，即内部压缩压力不是任意快速地、而是以受控制的方式跟随接收压力(Abnahmedruck)。这在过渡阶段的接收压力变化快速的情况下即使在根据本发明的方法中也导致过强地节流或导致产物流被泄放。但与传统过程不同，这样的过程仅短时间地进行。
在本发明的该构型中，负荷变换系统持续地有效并且使用于内部压缩压力的给定值与当前的接收压力相适配。负荷变换系统的压力给定值由当前的接收压力和预选择的差的总和构成，以便在接收压力上升时避免不必要的泄放。不言而喻，该类型的负荷调节可与用于产物量的负荷变换系统组合。
此外，有利的是与气体压力储存器(例如管道)的如EP 1542102A1中所描述的预测性压力调节相组合。在此，气体压力储存器中的压力变化曲线借助于关于所连接的终端用户的未来要求的、可供使用的信息来求得。该压力变化曲线在本发明的范围内用来确定用于负荷变换系统的压力给定值，以便尽可能避免产物泄放。
在本发明的另一个构型中，提高的压力(PIV)仅稍高于气体压力储存器的瞬时的压力(PA)；尤其是这两个压力之间的差(PIV-PA)持续地小于气体压力储存器的压力的波动幅度的一半、尤其是小于其三分之一、特别是小于其五分之一。气体压力储存器的压力的波动幅度是指气体压力储存器的允许的最大压力与允许的最小压力之间的差。
此外，本发明还涉及一种用于通过低温空气分离来产生压力产物的装置。所述的控制或调节装置可构造成闭环控制装置或开环控制装置。
根据本发明，提出了一种用于通过低温空气分离来产生压力产物的装置，该装置具有一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统、用于将压缩的净化的且冷却的原料空气输入到该用于氮氧分离的蒸馏塔系统中的机构、用于从该用于氮氧分离的蒸馏塔系统中取出液态的产物流的机构、用于使液态中的该产物流达到提高的压力(PIV)的机构、用于使该提高的压力(PIV)下的产物流蒸发或伪蒸发的机构、用于将(伪)蒸发的产物流作为压力产物输入给一个气体压力储存器的机构，其中，设置有用于使该提高的压力(PIV)变化的机构，设置有控制或调节装置，该控制或调节装置与该气体压力储存器的压力(PA)相关地进行该提高的压力(PIV)的变化。
有利的是，将空气流压缩到高的压力(PW)，使该液态的产物流通过与处于该高的压力下的空气流间接热交换来(伪)蒸发。
附图说明
下面借助于附图中描述的实施例对本发明以及本发明的其它细节进行详细说明。
图1根据实施例的方法和装置的粗略简化的示意图；以及
图2接收压力和内部压缩压力的在时间上的变化曲线的曲线图。
具体实施方式
在一个主空气压缩机2中使空气1达到第一压力P1。压力空气3在一个净化装置4中被净化。净化的空气5分支成第一分流6和第二分流7。第一分流6在一个主热交换器9中冷却到大致露点并且通过管路10和11流动到用于氮氧分离的蒸馏塔系统中，该蒸馏塔系统在该例子中具有一个主压力塔和一个副压力塔，该主压力塔与该副压力塔通过一个公用的冷凝器-蒸发器即所谓的主冷凝器处于热交换关系中。空气11在实际上完全的气态中被引导到高压塔中。
在用于氮氧分离的蒸馏塔系统12中，空气分离成至少一个富含氧的产物流13和至少一个富含氮的馏分(未示出)。产物流13具有例如98至99.5摩尔％的氧含量。该产物流被呈液态地取出，例如从低压塔的塔底或从主冷凝器的蒸发室中取出。在泵14中，从蒸馏塔中吸出的液态的产物流13达到提高的压力PIV并且例如具有15至30bar的值，该提高的压力比该蒸馏塔的工作压力高。氧15在该提高的压力下以液态或超临界状态被导流到主热交换器9的冷端，在该主热交换器中蒸发或伪蒸发并且被加热到大致环境温度。通过排出阀18，该产物流作为气态的压力产物16、18从设备中排出并且被引导到一个气体压力储存器19中，该气体压力储存器在该实施例中构造成管道系统。通过该管道系统19，气态的压力氧最后提供给原则上任意数量的用户V1至Vn。
该管道系统也作用产物缓冲器。视瞬时的接收量而定，气体压力储存器的压力(在管路17的通入部位)在该实施例中可在30bar的最大允许压力与15bar的最小允许压力之间波动。
热载体流21提供(伪)蒸发所需的热量，该热载体流也被称为内部压缩空气并且是第二空气分流7的一部分，该第二空气分流在一个再压缩机20中被再压缩到高的压力PW，该高的压力比第一压力P1高并且例如具有30至40bar的值。分流21/22中的该压力通过阀8或压缩机20的导向叶片调节。在该高的压力下，内部压缩空气22流过主热交换器9直到所述冷端并且在此情况下在与(伪)蒸发的氧15进行的间接热交换中冷凝或者在超临界压力的情况下伪冷凝。内部压缩空气通过阀30减压并且在23处在部分液化的状态中流入到用于氮氧分离的蒸馏塔系统中。
第二空气分流7/21的另一部分25作为涡轮流在中间温度下从主热交换器中被导流出来。该部分相对于内部压缩空气的量通过涡轮的导向叶片调节。第一分流6与第二分流7/21的流量的比例通过分流22中的减压阀30来调节。
涡轮空气25在膨胀涡轮26中减压到高压塔的大致工作压力。减压的涡轮空气27与第一分流10一起通过管路11被引导到用于氮氧分离的蒸馏塔系统12的高压塔中。涡轮26在该实施例中是该设备的制冷系统的重要单元。
在传统方式中，整个空气分离设备稳态地工作并且泵14持续地产生比例如30bar的最大接收压力稍高的压力。与当前接收压力的适配仅通过阀18中的相应节流来获得。即使在产物量变化的情况下，在泵14中也仅调节液态的产物流13/15的量，但压力保持恒定。
而在本发明中，泵14的排出压力与瞬时的接收压力相适配。对泵14调节到这样的排出压力，该排出压力比瞬时的接收压力稍高约0.5至2bar。为了即使在接收压力升高的情况下也不必立即通过管路28和阀29来泄放气态的压力产物16，一定的差作为余量是有意义的。相应的精细适配通过阀18实现，但在该阀中也只是进行微小的压力降低。
优选不仅该空气分离设备中的流量而且不同的压力包括用于氮氧分离的蒸馏塔系统12的内部的分离过程参数在内都借助于一个中央过程控制系统(未示出)来调节，该中央过程控制系统由自动的负荷变换系统操纵。此外，在此还控制确定内部压缩空气22的量和压力的阀8和30、用于确定涡轮空气25的量的阀24、用于确定氧产物的当前量的泵14和用于使产物压力与接收压力精细适配的阀18。对于例外情况，即没有成功地使该设备足够快速地按照上升的接收压力随动，该过程控制系统也可暂时关闭阀18并且使气态的压力产物通过管路28和阀29泄放到大气中。
图2在上部分中定性地示出了接收压力PA和内部压缩压力PIV关于沿着x轴画出的五小时时间间隔的示例性的在时间上的变化曲线。
图2的曲线图的下部分表示由气体压力储存器释放给用户(实线)的量的在时间上的变化曲线。
在曲线图的上部分中用实线表示压力储存器中或气体压力储存器的产物管道中(“气体压力储存器的压力”)的接收压力PA的变化曲线。接收压力PA可在最小工作压力(min)与最大工作压力(max)之间的气体压力储存器压力波动范围内变动。如果接收量上升(下面的实线)，则接收压力PA下降(上面的实线)，反之亦反。在上面用虚线表示的内部压缩压力PIV(“提高的压力”)原则上以略微的间距和延迟按照接收压力PA的变化曲线随动。差PIV-PA小于气体压力储存器压力的波动幅度的三分之一。
内部压缩压力PIV不可任意快速地变化，由此，即使在根据本发明的方法中也可发生短时间地泄放产物(参见图2中下面的虚线)。但泄放量可通过本发明保持很小。
在将压力氧提供给钢厂的具体数字实例中，最小工作压力(min)具有20bar的值，最大工作压力具有35bar的值；差PIV-PA小于2bar，优选处于0.5与1bar之间的范围内。
不言而喻，本发明可用于任意其它的内部压缩方法，尤其是用于使用不同的制冷装置的内部压缩方法，该不同的制冷装置具有一个或多个涡轮，所述涡轮将空气鼓入到高压塔中和/或低压塔中或者使来自蒸馏塔系统12的分离塔之一的富含氮的馏分减压。
根据本发明的调节可进一步精细化，其方式是，对关于用户V1至Vn的未来消耗量的信息进行分析处理并且由此获得对于接收压力未来值的预计，例如根据EP 1542102 A1中所描述的措施进行。负荷变换系统于是可提早使空气分离设备的状态朝与将来必需的内部压缩压力PIV相应的方向变动。以此方式可获得内部压缩压力的变化曲线与接收压力更好地适配，这主要有助于避免暂时泄放产物。

Claims (7)

1.用于通过低温空气分离来产生压力产物的方法，在该方法中，将原料空气(1)压缩(2)、净化(4)、冷却(9)并且输入(11，23)给一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)，将液态的产物流(13)从该用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)中取出、使之在液态中达到(14)提高的压力(PIV)并且在该提高的压力(PIV)下蒸发或伪蒸发(9)，将该(伪)蒸发的产物流(16)作为压力产物输入(17)给一个具有可变的压力(PA)的气体压力储存器(19)，其特征在于：使该提高的压力(PIV)变化，并且该提高的压力(PIV)的变化与该气体压力储存器(19)的压力(PA)相关地进行。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：将气态的热载体流(7，21，22)压缩(20)到高的压力(PW)，使该液态的产物流(13，15)通过与处于该高的压力下的热载体流间接热交换(9)来(伪)蒸发，其中，使该高的压力(PW)和/或该热载体流的量(MW)变化并且该高的压力(PW)或该热载体流的量(MW)的变化与该气体压力储存器(19)的压力(PA)相关地进行。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：在一个制冷系统(26)中获得用于该方法的冷量，在该制冷系统(26)中产生的冷量与该气体压力储存器(19)的压力(PA)相关地变化。
4.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：该蒸馏塔系统的工作参数与该气体压力储存器(19)的压力(PA)相关地变化。
5.根据权利要求1至4中一项的方法，其特征在于：该提高的压力(PIV)仅稍高于该气体压力储存器(19)的压力(PA)并且尤其是这两个压力之间的差(PIV-PA)小于该气体压力储存器(19)的压力的波动幅度的一半、尤其是小于其三分之一、特别是小于其五分之一。
6.根据权利要求1至5中一项的方法，其特征在于：将空气流(7，21，22)压缩(20)到高的压力(PW)，使该液态的产物流(13，15)通过与处于该高的压力下的空气流间接热交换(9)来(伪)蒸发。
7.用于通过低温空气分离来产生压力产物的装置，该装置具有一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)、用于将压缩的净化的且冷却的原料空气输入到该用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)中的机构(1，3，5，6，7，10，11，21，22，23，25，27)、用于从该用于氮氧分离的蒸馏塔系统(12)中取出液态的产物流的机构(13，15)、用于使液态中的该产物流达到提高的压力(PIV)的机构(14)、用于使该提高的压力(PIV)下的产物流蒸发或伪蒸发的机构(9)、用于将(伪)蒸发的产物流作为压力产物输入给一个气体压力储存器(19)的机构(16，17)，其特征在于：设置有用于使该提高的压力(PIV)变化的机构，设置有控制或调节装置，该控制或调节装置与该气体压力储存器的压力(PA)相关地进行该提高的压力(PIV)的变化。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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