CN102042742A - 通过低温空气分离获取液态氮的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在用于氮氧分离的蒸馏塔系统中通过低温空气分离获取液态氮的方法，该蒸馏塔系统具有一高压塔、一低压塔和一高压塔-塔顶冷凝器，其构造为冷凝器-蒸发器且具有液化室和唯一一个蒸发室。本发明的特征是，将经膨胀的节流流的至少一部分作为冷媒流导入到所述高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中。所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统还具有低压塔-塔顶冷凝器，该低压塔-塔顶冷凝器构造为冷凝器-蒸发器并且具有液化室和蒸发室。将低压塔的塔顶氮的至少一部分导入到低压塔-塔顶冷凝器的液化室中并且使其在那里至少部分地液化。将来自低压塔的下部区域的富氧液体导入到低压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中并且使其在那里至少部分地蒸发。

Description

通过低温空气分离获取液态氮的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的方法。
进料空气在“第一压力”下被净化，该第一压力例如为5至12bar、优选5.5至7.0bar。该第一压力等于或稍大于高压塔的工作压力。
“第二压力”显著高于所述第一压力。该第二压力例如为至少50bar、特别是50至80bar、优选55至70bar。
“主换热器”可以由一个或多个并联和/或串联连接的换热器段构成，例如由一个或多个板式换热器块构成。
“用于氮氧分离的蒸馏塔系统”具有恰好两个蒸馏塔，即一个高压塔和一个低压塔30。在该系统中不存在其他用于氮氧分离的蒸馏塔。原则上可以设置用于其他分离任务的蒸馏塔、例如用于获取天然气的蒸馏塔。但是本发明优选涉及除了所述高压塔和低压塔之外没有任何另外的分离塔的方法和设备。
此外，“用于氮氧分离的蒸馏塔系统”还包括一个唯一的、用于液化高压塔的塔顶气体的高压塔-塔顶冷凝器，其构造为冷凝器-蒸发器并且具有液化室和一个唯一的蒸发室，即，在该方法和设备中不采用另外的、用于液化高压塔的塔顶气体的冷凝器。所述高压塔-塔顶冷凝器具有仅仅一个唯一的蒸发室，也就是说，该蒸发室的所有部分彼此连通。所述高压塔-塔顶冷凝器特别是不是用成分不同的冷媒工作，而是优选仅仅用一种唯一的冷媒工作。一般情况下所述高压塔-塔顶冷凝器还具有仅仅一个唯一的液化室，所述高压塔的塔顶气体的至少一部分在该液化室中液化。
“节流流”在所述主换热器中通过间接热交换被冷却和液化或者——在超临界压力下——伪液化。所述节流流在导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中之前的膨胀在节流阀中进行；替代地，也可以在液体透平中进行做功膨胀。在节流流膨胀时产生两相混合物，其绝大部分由液体构成。
背景技术
此类液态氮方法(在该方法中将冷量在主换热器中传递给处于非常高压力下的空气流(“节流流”))由EP 316 768 A2(图1)、US 5660059或DE102004046344公开。所有这些方法具有传统的两塔系统，其中，高压塔-塔顶冷凝器(主冷凝器)通过低压塔的塔底液体冷却。
所述公知方法的缺点是需对导入到蒸馏塔系统中的空气进行高的预液化。这导致分离效率降低并且从而导致相对高的系统能耗。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种本文开头所述类型的方法和一种相应的设备，它们具有特别低的能耗。在此应将器械耗费保持在一定范围。
所述任务通过权利要求1特征部分的特征解决，即，通过一种方法解决，在该方法通过两个塔来代替传统的双塔，这两个塔具有一个塔顶冷凝器。在此，膨胀后的节流流至少部分地被导入到该高压塔-塔顶冷凝器中并且在那里引起液态氮的产生，该液态氮可作为回流输出给高压塔和/或低压塔和/或直接作为压力液态产品获得。通过这种方式特别有效地利用节流流中得到的冷量并且能耗特别低。
此类塔系统虽然本身是公知的，例如由US 6499312公知。但是在所述公知方法中高压塔-塔顶冷凝器不是利用节流空气流来冷却，而是用来自高压塔的塔底液体来冷却。相应地，本发明具有的优点是，在高压塔-塔顶冷凝器的蒸发侧采用具有恒定组分(并且从而具有恒定沸点温度)的馏分。由此特别是在交替载荷(欠载/过载)的情况下得到所述塔的特别稳定的工作。即使在载荷改变时塔中的馏分改变的情况下，高压塔的塔顶温度也保持恒定并且不必再调节这些塔的工作压力。此外，来自节流流(大约21mol％的氧含量)的液态空气在比高压塔的塔底液体(最低32mol％，通常36至40mol％的氧含量)温度低的情况下沸腾；由此高压塔的工作压力在本发明中可保持相对低并且该方法在能量方面特别有利地工作。
膨胀后的节流流在此可以直接或间接供入到高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中。
在第一种情况下，将冷媒流在节流流膨胀的紧下游直接导入到高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中。冷媒流在此可通过整个节流流构成或者通过膨胀紧之后分支出的一部分构成。
替代或附加地，对所述膨胀后的节流流在至少一部分进行相分离，并且所述冷媒流通过来自该相分离的液相的至少一部分构成。优选所述相分离在高压塔的一中间部位上进行。在此，节流流(或该节流流的一部分)在一中间部位上被导入到高压塔中并且所述冷媒流再被从设置在该中间部位上的液体捕获装置(例如杯)中取走。当高压塔中总共具有例如40至90、优选40至60个理论塔板情况下(视期望的产品单元而定)，所述中间部位例如位于倒数第6至12个、优选第8至11个理论塔板的紧上方。
对于产品液化所需的冷量优选在一个两透平空气回路中产生，例如在权利要求4中所述的那样。两个膨胀机通常通过两个膨胀透平构成。它们具有优选相同的入口压力(处于所述中间压力的水平上或更高)和/或相同的出口压力(处于所述第一压力的水平上)。
有利的是，在膨胀机中产生的机械能通过机械耦合传递到两个串联的再压缩机上，在所述再压缩机中将空气的一部分从所述中间压力继续压缩到所述高压力，例如权利要求5的主题所述的那样。高压流然后可用作节流流；替代或附加地，两个透平流通过所述高压流构成；在这种情况下可进一步提高冷量产生并且从而提高液体生产，而不必从外部供入能量。
在一个优选的实施方式中，在高压塔-塔顶冷凝器中采用的全部冷量都通过所述冷媒流提供。即，由所述节流流构成的冷媒流就是用于高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室的唯一进料流。
此外，将高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中产生的蒸汽导入到低压塔中，特别是在低压塔的塔底处导入到该低压塔中。所述蒸汽在那里用作上升蒸汽，优选该蒸汽构成在低压塔中上升的全部蒸汽。
在本发明方法的一个特别的实施方式中，高压塔和低压塔都不具有用于从相应塔的液体中产生上升蒸汽的煮沸器。
此外有利的是，在高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中仅仅进行部分蒸发并且将保持液态的馏分导入到低压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中。从后者中可以液态地取出小的冲洗量。
在高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中获取的液体的至少一部分可被导入到低压塔中并且在那里再进行分离。
高压塔塔底的液态粗氧流优选被导入到低压塔中。
除了所述节流流之外，将通过经净化的进料空气的另一部分构成的分解空气流在气态下特别是在高压塔的塔底处导入到高压塔中。该分解空气流可通过做功膨胀下游的两个透平流的一部分构成。
在本发明的方法中，优选将导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中的进料空气总量的至少50mol％、特别是50-60mol％在液态下导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中。
此外，本发明还涉及一种如权利要求14所述的用于通过低温空气分离获取液态氮的设备。
附图说明
下面借助于图中示意性示出的实施例详细解释本发明以及本发明的其他细节。图中示出：
图1：是本发明方法的第一实施例，
图2：是第二实施例，其中，仅仅示出蒸馏塔系统，
图3：详细示出第一实施例的制冷系统，和
图4-6：是所述制冷系统的另外的变型方案。
具体实施方式
图1通过三个虚线的矩形划分为空气的方法方面的预处理、制冷系统和用于氮氧分离的蒸馏塔系统(从左往右)。
进入的空气1经由过滤器2被供应给主空气压缩机3并且在那里被压缩到5.5至7.0bar的第一压力并且在预冷却装置4中例如通过在换热器中的间接热交换或者通过在直接接触冷却器中的直接热交换又被冷却到大致环境温度。
经预冷却的空气在第一压力下在一净化装置5中被净化，该净化装置包括分子筛-吸附器。经净化的空气6(空气)被供应给所述制冷系统，该制冷系统用于冷却所述进料空气和用于产生液化冷量。所述经净化的空气6在那里首先至少部分地与一返回流7混合为一回路流8。所述回路流8在一具有再冷却器10的回路压缩机9中又被压缩到30至40bar的中间压力。全部的中间压力空气11在两个串联连接的再压缩机12、14中又被压缩到至少50bar、特别是50至80bar之间、优选55至70bar的高压力。在所述再压缩机12、14后面分别跟随着一个再冷却器13、15。
所述高压空气16被分为两个子流17、18。第一子流17包括节流流和第一透平流，它们共同地进入到主换热器19的热端并且被冷却到第一中间温度，该第一中间温度处于环境温度与空气的露点温度之间。在该第一中间温度的情况下从所述第一子流中分支出第一透平流20。剩余部分进一步在该主换热器的冷端被冷却和伪液化并且构成所述节流流21，该节流流大致包括总空气量1的多半部分。第一透平流20在第一(冷)透平22中做功地膨胀到大致所述第一压力和一高于露点温度几度的温度。经膨胀的第一透平流23完全气态或基本上完全气态并且其第一部分构成气态的分解空气流24。剩余部分25被供应给主换热器19的冷端并且又被加热到大致环境温度。
高压空气16的第二子流构成第二透平流18。该第二透平流从大致环境温度和所述高压起在第二(热)透平26中做功地膨胀、同样膨胀到大致所述第一压力。经膨胀的第二透平流27以第二中间温度又进入到主换热器19中并且在那里与所述经膨胀的第一子流23的部分25合一，以便形成返回流7并且重新被供应给回路压缩机9。
气态的分解空气流24(空气)和节流流21(JT-空气)进入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中，该蒸馏塔系统具有一个高压塔28、一个高压塔-塔顶冷凝器29、一个低压塔30和一个低压塔-塔顶冷凝器31。高压塔28的工作压力处于5.5至7.0bar之间。分解空气流24气态地直接在高压塔28的塔底处被供入。节流流21在节流阀32中膨胀到低于4bar的压力并且完全作为冷媒流33被导入到高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中。
高压塔28的塔顶气体34实际上由纯氮组成并且其第一部分35(以一个稍小于进入的空气量1的一半的摩尔量)被导入到高压塔-塔顶冷凝器29的液化室中并且在那里基本上完全液化。在高压塔-塔顶冷凝器中产生的液体36的第一部分37作为回流被输出给高压塔28。剩余部分38在一个过冷却-逆流换热器39中冷却后被冷却并且经由节流阀40作为回流被输出给低压塔30，该低压塔在低于4bar的压力下工作。在高压塔28的塔底积累的液体作为液态的粗氧流41经由所述过冷却-逆流换热器39和一个节流阀42被供入到所述低压塔-塔顶冷凝器31的蒸发室中。
冷媒流33在高压塔-塔顶冷凝器中几乎完全蒸发，仅仅相对少的量为了冲洗和调节的目的被液态地取出。在高压塔-塔顶冷凝器29的蒸发室中产生的蒸汽43被直接导入到低压塔30的塔底区域中。高压塔-塔顶冷凝器29的蒸发室中保持液态的馏分44经由节流阀45被导入到低压塔-塔顶冷凝器31的蒸发室中。
在低压塔30的塔底积累的富氧液体80在所述过冷却-逆流换热器39中过冷却和节流之后同样被导入到低压塔-塔顶冷凝器31的蒸发室中。
低压塔30的塔顶氮46被导入到低压塔-塔顶冷凝器31的液化室中并且在那里基本上完全液化。在高压塔28的塔底积累的液体作为液态的粗氧流41经由所述过冷却-逆流换热器39和一个节流阀42被供入到所述低压塔-塔顶冷凝器31的蒸发室中，该蒸发室处于1.4至1.6bar的压力下。
来自低压塔-塔顶冷凝器31的冷气体首先被引导通过所述过冷却-逆流换热器39并且在此冷却所述液体。然后，该冷气体经由管路56和57流至所述主换热器并且在那里冷却热空气流。通过管路62也冲洗低压塔-塔顶冷凝器31，其方式是，取出少量的液体(清洗)。剩余气体57/58(废物/Reg气体)在热态下直接60或在作为净化装置5中的再生气体59使用后间接61排出到周围环境中(amb)。
来自低压塔-塔顶冷凝器31的蒸发室的液体47的第一部分48作为回流被输出给低压塔30。剩余部分49、51在高于3bar的压力下作为液态氮产品(待贮藏的LIN)被提供并且在一个未示出的液体储罐中被储存。通过对小部分量52的节流53可以使液态氮49、51在一个氮流过冷却器50中过冷却。在此蒸发的氮54与来自低压塔-塔顶冷凝器31的剩余气体56混合(废物)。
高压塔28的塔顶气体35的少量可作为压力氮产品63、64气态地获得。这些来自高压塔28的馏分(PGAN)同样被引导通过所述主换热器19并且为此有助于冷却所述热空气流。
在图2中，节流流21在节流阀232中首先仅仅膨胀到高压塔28的工作压力并且在一个中间部位上供应给该高压塔。在高压塔中进行相分离。经膨胀的节流流的液态份额的至少一部分然后作为冷媒流270、233在相应另外的节流271之后被导入到高压塔-塔顶冷凝器的蒸发室中。所述节流流21的气态份额由此作为高压塔28中的上升蒸汽被提供。
在图3至7中示出制冷系统的不同连接方式，它们可以分别与图1和2中所述的每个蒸馏塔系统组合。
图3仅仅示出图1的局部放大图。该变型方案的优点是，热透平26从特别高的压力(所述高压力，节流流21也处于该高压力下)和相应更高的温度膨胀。在该情况下无需第二透平流18在主换热器19中的预冷却。不需要从主换热器19到热透平26的管路，换热器可简单且廉价地制造。
在图4中，不同的是，第二透平流18也在主换热器419中预冷却。
在图5的实施例中，第二(热)透平26的入口压力更低并且处于所述中间压力的水平上。为此，第二透平流518在两个再压缩机12、14的上游就已经从被压缩到所述中间压力的回路流11中分支出、在主换热器19中被预冷却并且最后被供应给透平26。
图6中，主换热器19附加地用制冷机666冷却。这种制冷机也可以在图4的变型方案中补充使用。

Claims (14)

1.一种用于在用于氮氧分离的蒸馏塔系统中通过低温空气分离获取液态氮的方法，该蒸馏塔系统具有恰好两个蒸馏塔，即一个高压塔(28)和一个低压塔(30)，还具有唯一的、用于液化所述高压塔(28)的塔顶气体(34)的高压塔-塔顶冷凝器(29)，该高压塔-塔顶冷凝器构造为冷凝器-蒸发器并且具有液化室和一个唯一的蒸发室，其中，在该方法中：
-将进料空气(1)在一个主空气压缩机(3)中压缩到第一压力并且使其接着净化(5)，
-使由净化后的进料空气(6)的一部分构成的节流流(21)在高于所述第一压力的第二压力下在主换热器(19)中液化或伪液化，
-使经液化或伪液化的节流流(21)膨胀(33)并且接着导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中，
-将高压塔(28)的塔顶气体(34)的至少一部分(35)导入到高压塔-塔顶冷凝器(2)的液化室中并且使其在那里至少部分地液化，
-在所述低压塔(30)中产生氮产品(46)并且将其至少部分地作为液态产品(51)排出，
其特征在于，
-将经膨胀的节流流的至少一部分作为冷媒流(33，233，270)导入到所述高压塔-塔顶冷凝器(29)的蒸发室中，
-所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统还具有低压塔-塔顶冷凝器(31)，该低压塔-塔顶冷凝器构造为冷凝器-蒸发器并且具有液化室和蒸发室，
-将低压塔(30)的塔顶氮(46)的至少一部分导入到低压塔-塔顶冷凝器(31)的液化室中并且使其在那里至少部分地液化，并且
-将来自低压塔(30)的下部区域的富氧液体(80)导入到低压塔-塔顶冷凝器(31)的蒸发室中并且使其在那里至少部分地蒸发。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述冷媒流(33)在所述节流流(21)的膨胀(32)的紧下游直接导入到所述高压塔-塔顶冷凝器(29)的蒸发室中。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使经膨胀(232)的节流流的至少一部分经历相分离并且所述冷媒流(233，270)通过来自所述相分离的液相的至少一部分构成，其中，所述相分离特别是在高压塔(28)的一中间部位进行。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，
-使经净化的进料空气(6)至少部分地与一返回流(7)混合成一回路流(8)，
-使该回路流(8)在一回路压缩机(9)中压缩到一高于所述第一压力的中间压力，
-使第一透平流(20)在一第一膨胀机(22)中做功地膨胀，该第一透平流通过回路压缩机(9)下游的回路流(11)的第一部分构成，
-使第二透平流(18)在一第二膨胀机(26)中做功地膨胀，该第二透平流通过回路压缩机(9)下游的回路流(11)的第二部分构成，并且
-将所述做功地膨胀的第一透平流(23)的至少一部分(25)和/或将所述做功地膨胀的第二透平流(27)的至少一部分作为返回流(7)回输到回路流(8)中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
-将所述被压缩到所述中间压力的回路流(11)的至少一部分在两个串联连接的再压缩机(12，14)中压缩到一高于所述中间压力并且特别是大致等于所述第二压力的高压力，其中，
-所述第一膨胀机(22)与所述两个再压缩机中的一个(12)机械耦合，并且
-所述第二膨胀机(26)与所述两个再压缩机中的另一个(14)机械耦合。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在高压塔-塔顶冷凝器(29)中采用的全部冷量通过所述冷媒流(33，233，270)提供。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，将在高压塔-塔顶冷凝器(29)的蒸发室中产生的蒸汽(43)导入到低压塔(30)中，特别是在该低压塔的塔底处导入。
8.如权利要求1至7所述的方法，其特征在于，高压塔(28)和低压塔(30)都不具有用于从相应塔的液体中产生上升蒸汽的煮沸器。
9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，从高压塔-塔顶冷凝器(28)的蒸发室中将保持液态的馏分(44)导入到低压塔-塔顶冷凝器(31)的蒸发室中。
10.如权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，将在高压塔-塔顶冷凝器(28)的液化室中获得的液体(36)的至少一部分(38)导入到低压塔(31)中。
11.如权利要求l至10之一所述的方法，其特征在于，将一液态的粗氧流(41)从高压塔(28)的塔底导入到低压塔(30)中。
12.如权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，将一分解空气流(24)作为所述节流流(21)以气态导入到高压塔(28)中，特别是在高压塔的塔底处导入，所述分解空气流通过所述经净化的进料空气(6)的另一部分构成，其中，该分解空气流(24)特别是包括所述做功地膨胀的第一透平流(23)的至少一部分和/或所述做功地膨胀的第二透平流(27)的至少一部分。
13.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，将所述导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中的进料空气(1)总量的至少40mol％、特别是至少50mol％以液态导入(33，232)到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中。
14.一种用于通过低温空气分离获取液态氮的设备，该设备具有：
-用于氮氧分离的蒸馏塔系统，该蒸馏塔系统具有恰好两个蒸馏塔、即一个高压塔(28)和一个低压塔(30)，以及具有一个唯一的、用于液化所述高压塔(28)的塔顶气体(34)的高压塔-塔顶冷凝器(29)，该高压塔-塔顶冷凝器构造为冷凝器-蒸发器并且具有液化室和一个唯一的蒸发室，
-用于将进料空气(1)压缩到第一压力的主空气压缩机(3)，
-用于净化被压缩到第一压力的所述进料空气的净化装置(5)，
-用于通过经净化的所述进料空气(6)的一部分形成节流流(21)的装置，
-用于使所述节流流在一高于所述第一压力的第二压力下液化或伪液化的主换热器(19)，
-用于使经液化或伪液化的所述节流流(21)膨胀的装置(32)，
-用于将经膨胀的所述节流流导入到所述用于氮氧分离的蒸馏塔系统中的装置，
-用于将所述高压塔(28)的塔顶气体(34)的至少一部分(35)导入到高压塔-塔顶冷凝器(2)的液化室中的装置，
-用于将在所述低压塔(30)中产生的氮产品(46)作为液态产品(51)排出的装置，
其特征在于，所述设备还具有：
-用于将经膨胀的所述节流流的至少一部分作为冷媒流(33，233，270)导入到所述高压塔-塔顶冷凝器(29)的蒸发室中的装置，
-构造为冷凝器-蒸发器并且具有液化室和蒸发室的低压塔-塔顶冷凝器(31)，
-用于将所述低压塔(30)的塔顶氮(46)的至少一部分导入到所述低压塔-塔顶冷凝器(31)的液化室中的装置，和
-用于将来自低压塔(30)的下部区域的富氧液体(80)导入到所述低压塔-塔顶冷凝器(31)的蒸发室中的装置。
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