CN101421575B - 用于低温分离空气的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)低温分离空气的方法和装置，该蒸馏塔系统具有至少一个分离塔(21，22)。在一个空气压缩机(2)中压缩一个主空气流(1，5)并且在一个净化装置(4)中净化该主空气流。从所述主空气流(5)中分支出一个第一和第二空气流(7，8)。在两个串联连接的再压缩机(10，13)中再压缩所述第一空气流(7)。通过间接的热交换(16)冷却并且至少部分地液化或者伪液化所述被再压缩了的第一空气流(15)并且接着将其导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中。通过间接的热交换(16)冷却所述第二空气流(8)并且接着将其分为两个分流(24，27)并且使其在两个减压机(25，28)中做功地减压，其中，这两个减压机具有基本上相同的入口压力。将所述第二空气流的做功地减压的这些分流(26，29)至少部分地导入(30，129)到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中。所述第二空气流做功地减压(25，28)时产生的机械能被至少部分地利用来驱动所述两个串联连接的再压缩机(10，13)。从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中取出一个液态的产品流(31)、使其在液态下置于(32)一个增高的压力并且在该增高的压力下通过与所述第一空气流(15)的间接热交换(16)蒸发或者伪蒸发并且最后将其作为气态的产品流(34)取出。所述两个再压缩机(10，13)以一个高于250K的入口温度运行，尤其是以一个高于270K的入口温度运行。

Description

用于低温分离空气的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于低温分离空气的方法。 
背景技术
例如由Hausen/Linde的低温技术，1985年第二版第四章(第281页至337页)公开了用于低温分离空气的方法和装置。该发明的蒸馏塔系统可以被构造为用于氮氧分离的单塔系统、被构造为两塔系统(例如构造为传统的林德双塔系统)或者被构造为三塔或更多塔系统。除了用于氮氧分离的塔之外，也可以设置另外的装置来获得其他空气成分，特别是获得惰性气体、例如获得氩或者获得氪-氙。 
本发明特别是涉及一种方法，通过该方法获得至少一种气态的压力产品，其方式是将一个液态的产品流从用于氮氧分离的蒸馏塔系统中取出、使其在液态中置于一个增高的压力并且在该增高的压力下通过间接的热交换蒸发或者(在超临界的压力下)伪蒸发。例如由DE 830805、DE 901542(＝US 2712738/US 2784572)、DE 952908、DE 1103363(＝US 3083544)、DE 1112997(＝3214925)、DE 1124529、DE 1117616(＝US 3280574)、DE1226616(＝US 3216206)、DE 1229561(＝US 3222878)、DE 1199293、DE1187248(＝US 3371496)、DE 1235347、DE 1258882(＝US 3426543)、DE1263037(US 3401531)、DE 1501722(＝US 3416323)、DE 1501723(＝US3500651)、DE 2535132(＝US 4279631)、DE 2646690、EP 93448B1(＝US4555256)、EP 384483B1(＝US 5036672)、EP 505812(＝US 5263328)、EP716280B1(＝US 5644934)、EP 842385B1(＝US 5953937)、EP 758733B1(＝US5845517)、EP 895045B1(＝US 6038885)、DE 19803437A1、EP 949471B1(＝US 6185960B1)、EP 955509A1(＝US 6196022B1)、EP 1031804A1(＝US 6314755)、DE 19909744、EP 1067345A1(US 6336345)、EP 1074875A1(＝US 6332337)、DE 19954593A1、EP 1134525A1(＝US 6477860)、DE10013073A1、EP 1139046A1、EP 1146301A1、EP 1150082A1、EP 1213552A1、DE 10115258A1、EP 12844404A1(US 2003051504A1)、EP 1308680A1 (＝US 6612129B2)、DE 10213212A1、DE 10213211A1、EP 1357342A1或DE 10238282A1公开了这种内压缩方法。由WO 2004/099690公开了一种本文开头所述类型的方法。 
发明内容
本发明的目的是，经济上特别有利地设计一种此类的方法和一种相应的装置。 
该目的通过以下方式解决，即本发明提出了一种用于借助一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统低温分离空气的方法，该蒸馏塔系统具有至少一个分离塔，其中， 
在一个空气压缩机中压缩一个主空气流并且在一个净化装置中净化该主空气流， 
从所述主空气流中分支出一个第一和一个第二空气流， 
在两个串联连接的再压缩机中再压缩所述第一空气流， 
通过间接的热交换冷却并且至少部分地液化或者伪液化所述被再压缩了的第一空气流并且接着将第一空气流该导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中， 
所述第二空气流被通过间接的热交换冷却并且接着被分为两个分流并且在两个减压机中做功地减压，其中，这两个减压机具有基本上相同的入口压力， 
将所述第二空气流的做功地减压后的分流至少部分地导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中， 
所述第二空气流在做功地减压时产生的机械能被至少部分地利用来驱动所述两个串联连接的再压缩机， 
从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中取出一个液态的产品流、该液态的产品流在液态下被达到一个增高的压力并且在该增高的压力下通过与所述第一空气流的间接热交换被蒸发或者伪蒸发并且最后被作为气态的产品流取出， 
其特征在于：这两个再压缩机(Nachverdichter)以高于250K、特别是高于270K的入口温度运行。 
即两个再压缩机热运行。由此可以使用试验过的技术，例如两个相同的涡轮升压机组合。此外，换热器体积较小并且从而节省了投资成本。 
减压机(Entspannungsmaschine)优选被构造为涡轮。它们具有“基本上相同的入口压力”，也就是说，它们的入口压力最多在管路中的、换热器通道或类似物中的不同压力损失方面有区别。两个减压机的入口温度相同或者不同并且处于主换热器的热端和冷端之间的一个或者两个中间水平上。 
本发明可以应用在具有恰好两个空气流和将第二空气流分为恰好两个分流的方法中。替代地，在本发明中也可以使用一个或者更多个附加的空气流和/或一个或更多个附加的分流。例如可能的是，使用三个或更多个减压机。这些减压机可以、但不必在入口侧并联连接。 
本发明的两个或更多个减压机也可以在出口侧并联连接，也就是说，具有基本上相同的出口压力并且具有基本上相同的出口温度。对此替代地，所述在入口侧并联连接的减压机中的至少两个具有不同的压力。 
来自做功地减压的机械能的传递优选通过所述两个并联连接的减压机中的第一减压机与所述两个串联连接的再压缩机中的第一再压缩机的直接的机械耦联并且通过所述两个减压机中的第二减压机与所述两个再压缩机中的第二再压缩机的直接的机械耦联实现。 
特别有利的是将本发明应用在两塔或更多塔系统中，所述两塔或更多塔系统具有一个高压塔和一个低压塔，其中，低压塔的工作压力低于高压塔的工作压力。 
优选所述两个分流中的第一分流在其做功地减压的下游被导入到高压塔中。在此，相应减压涡轮的出口压力处于大约高压塔的工作压力的水平上。 
然后，所述两个分流中的第二分流同样被减压到大约高压塔压力并且例如与所述第一分流一起被导入到高压塔中。 
对此替代地，第二空气流的所述两个分流的第二分流至少部分地被导入到低压塔中。由此，可能的是，相应减压涡轮的出口压力被更低地选择并且在减压时通过增高的压力比可以做更多的功并且从而产生更多的冷。 
在三塔或更多塔系统中(即当用于氮氧分离的蒸馏塔系统具有一个高压塔、一个中压塔和一个低压塔时，这些塔在不同的压力下工作)，第一分流可以至少部分地被导入到高压塔中并且第二分流至少部分地被导入到中压塔和/或低压塔中。 
在很多情况下有利的是，第一空气流在第一再压缩机的上游并且第一空气流在第二再压缩机的下游处于间接的热交换。在此，该第一空气流在第 一再压缩机前面被加热并且在第二再压缩机后面又被冷却。由此，该第一空气流以一个温度进入到主换热器中，该温度低于第二再压缩机之后或者其再冷却器之后的温度。典型的方式是，该温度差为1-10K、优选为2-5K。由此，产品流能够以更低的温度从主换热器中排出，这对于空气的预冷和用于净化空气的分子筛的冷却具有有利的影响。 
替代或附加地，使用传统的中间冷却器或再冷却器，其通过与一种外部的冷媒、例如冷却水的间接热交换将在所述再压缩机中出现的压缩热(Kompression)排出。在此，可以使用一个或两个再冷却器，其方式是仅仅第一再压缩机、仅仅第二再压缩机或者两个再压缩机各具有一个再冷却器。原则上也可能的是，完全放弃再冷却器和上述的间接热交换。但是，通常至少第一再压缩机具有一个再冷却器(中间冷却器)。 
本发明还提出了一种用于低温分离空气的装置用于借助一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统低温分离空气，该蒸馏塔系统具有至少一个分离塔，该装置具有： 
一个用于压缩一个主空气流的空气压缩机， 
用于净化所述被压缩了的主空气流的净化装置， 
用于从所述主空气流中分支出一个第一和一个第二空气流的装置， 
两个串联连接的、用于再压缩所述第一空气流的再压缩机， 
用于通过间接的热交换冷却并且液化或者伪液化所述被再压缩了的第一空气流并且将该第一空气流导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中的装置， 
用于通过间接的热交换将所述第二空气流冷却到一个中间温度的装置， 
两个在入口侧并联连接的减压机，用于使所述被冷却了的第二空气流以两个分流做功地减压， 
用于将所述第二空气流的做功地减压了的分流导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中的装置， 
用于将所述第二空气流做功地减压时产生的机械能传递到所述两个串联连接的再压缩机上的装置， 
用于从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中取出一个液态的产品流的、用于使该液态的产品流在液态下被提高压力到一个增高的压力、用于在该增高的压力下通过与所述第一空气流的间接热交换蒸发或者伪蒸发该产品 流并且用于将该产品流作为气态的产品流取出的装置，其特征在于： 
所述两个再压缩机与用于供入在高于250K的入口温度下的第一空气流的装置。 
附图说明
下面借助于附图中示意性示出的实施例详细描述本发明以及本发明的其他细节。 
图1示意性示出了本发明的实施例。 
具体实施方式
在图1的实施例中，大气空气作为主空气流经由管路1被一个空气压缩机2吸入、在那里被压缩到10至30巴、优选大约19巴的第一压力、在一个预冷却器3中被冷却到大约环境温度并且被供入到一个吸附式空气净化装置4。被净化后的主空气流5在6处分支为一个第一空气流7和一个第二空气流8。 
第一空气流在一个升压换热器9中被加热到大约冷却水温度并且在一个第一再压缩机10中被压缩到15-60巴、优选25巴的中间压力。接着，压缩热至少部分地在一个第一再冷却器11中被取出。然后，第一空气流12在一个第二再压缩机13中被进一步压缩到22-90巴、优选大约40巴的最终压力并且接着在一个第二再冷却器14和所述升压换热器9中被加热到大约超过冷却水温度。第一空气流15在该最终温度下进入到一个主换热器16中并且在那里被冷却和液化、例如(在超临界压力时)伪液化。冷的第一空气流17被减压到4-10巴、优选大约6巴的压力(其方式是例如在一个节流阀18中)并且在该压力下至少部分地液态地经由管路19导入到一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统的高压塔21中，该蒸馏塔系统还具有一个低压塔22、一个未示出的冷凝蒸发器和一个过冷却逆流换热器23。 
第二空气流8不被再压缩。该第二空气流在所述第一压力下被导入到主换热器16中并且在那里被冷却到125-200K、优选大约140K的中间温度。该第二空气流在该中间温度下被分支为两个分流24、27并且其在两个并联连接的涡轮25、28中遭受做功式减压，这两个分流被减压到大约高压塔21的工作压力。这两个被减压了的分流26、29再次汇合并且经由管路30基本上以气态被导入到高压塔21中。 
氧31作为“液态产品流”被从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统20的低压塔22中直接地或者经由一个液箱取出、通过泵32在液态下被置于一个增高的、4-70巴、优选大约40巴的压力。在该增高的压力下，液态或者超临界的氧33在主换热器16中通过与所述第一空气流的间接热交换被蒸发或者伪蒸发并且被加热到大约环境温度。最后，所述氧作为气态的产品流34被取走。从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统20中可以经由主换热器取出一个或更多个另外的产品或者剩余流35。附加或者替代图中所示的氧内压缩地，也能够以类似的方式对来自主冷凝器或者来自所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统20的高压塔的氮进行内压缩。 
在图1的实施例中，第一涡轮25和第一再压缩机10以及第二涡轮28和第二再压缩机13经由各一个共同的轴以成对的方式机械耦联。 
升压换热器9和再冷却器14是可选的。它们可以个别地或者全部被取消。 

Claims (11)

1.一种用于借助一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)低温分离空气的方法，该蒸馏塔系统具有至少一个分离塔(21，22)，其中，
在一个空气压缩机(2)中压缩一个主空气流(1，5)并且在一个净化装置(4)中净化该主空气流，
从所述主空气流(5)中分支出一个第一和一个第二空气流(7，8)，
在两个串联连接的再压缩机(10，13)中再压缩所述第一空气流(7)，
通过间接的热交换(16)冷却并且至少部分地液化或者伪液化所述被再压缩了的第一空气流(15)并且接着将第一空气流该导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中，
所述第二空气流(8)被通过间接的热交换(16)冷却并且接着被分为两个分流(24，27)并且在两个减压机(25，28)中做功地减压，其中，这两个减压机具有基本上相同的入口压力，
将所述第二空气流的做功地减压后的分流(26，29)至少部分地导入(30，129)到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中，
所述第二空气流在做功地减压(25，28)时产生的机械能被至少部分地利用来驱动所述两个串联连接的再压缩机(10，13)，
从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中取出一个液态的产品流(31)、该液态的产品流在液态下被达到(32)一个增高的压力并且在该增高的压力下通过与所述第一空气流(15)的间接热交换(16)被蒸发或者伪蒸发并且最后被作为气态的产品流(34)取出，
其特征在于：这两个再压缩机(10，13)以一个高于250K的入口温度运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)具有一个高压塔(21)和一个低压塔(22)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第二空气流的两个分流的一第一分流(26)被至少部分地导入(30)到该高压塔(21)中。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述第二空气流的两个分流的第二分流(29)被至少部分地导入(30)到该高压塔(21)中。
5.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述第二空气流的两个分流的第二分流被至少部分地导入(129)到该低压塔(22)中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统具有一个高压塔、一个中压塔和一个低压塔，其中，所述第一分流被至少部分地导入到该高压塔中并且所述第二分流被至少部分地导入到该中压塔和/或该低压塔中。
7.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述第一空气流在所述第一再压缩机的上游并且所述第一空气流在所述第二再压缩机的下游彼此被置于间接的热交换(9)。
8.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：仅仅是第一再压缩机具有一个再冷却器、仅仅是第二再压缩机具有一个再冷却器或者这两个再压缩机各具有一个再冷却器(11，14)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述两个再压缩机(10，13)以高于270K的入口温度运行。
10.一种用于低温分离空气的装置，用于借助一个用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)低温分离空气，该蒸馏塔系统具有至少一个分离塔(21，22)，该装置具有：
一个用于压缩一个主空气流(1)的空气压缩机(2)，
用于净化所述被压缩了的主空气流的净化装置(4)，
用于从所述主空气流(5)中分支出一个第一和一个第二空气流(7，8)的装置，
两个串联连接的、用于再压缩所述第一空气流(7)的再压缩机(10，13)，
用于通过间接的热交换冷却并且液化或者伪液化所述被再压缩了的第一空气流(15)并且将该第一空气流导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中的装置，
用于通过间接的热交换(16)将所述第二空气流(8)冷却到一个中间温度的装置(16)，
两个在入口侧并联连接的减压机(25，28)，用于使所述被冷却了的第二空气流以两个分流(24，27)做功地减压，
用于将所述第二空气流的做功地减压了的分流(26，29)导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中的装置(26，29，30，129)，
用于将所述第二空气流做功地减压(25，28)时产生的机械能传递到所述两个串联连接的再压缩机(10，13)上的装置，
用于从所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统(20)中取出一个液态的产品流(31)的、用于使该液态的产品流在液态下被提高压力到(32)一个增高的压力、用于在该增高的压力下通过与所述第一空气流(15)的间接热交换蒸发或者伪蒸发该产品流并且用于将该产品流作为气态的产品流(34)取出的装置(31，32，33，16，34)，
其特征在于：
所述两个再压缩机(10，13)与用于供入在高于250K的入口温度下的第一空气流的装置。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述入口温度高于270K。
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