CN102901322A - 通过低温空气分离获得压力氮和压力氧的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过低温空气分离获得压力氮和压力氧的方法和装置。已压缩并净化的原料空气在主热交换器中冷却并导入用于氮氧分离的分馏塔系统中，后者具有至少一个高压塔和低压塔，低压塔在至少2bar的压力下运行。将不纯氮流以气态从低压塔的第一中间位置取出，该第一中间位置位于取出氮流的位置下方。用于氮氧分离的分馏塔系统还包括残余气体塔，其工作压力低于低压塔的工作压力。残余气体塔具有构造成冷凝蒸发器的池底蒸发器。从高压塔出来的液态粗氧馏分膨胀并在第一中间位置处导入残余气体塔。气态的不纯氮流导入池底蒸发器的液化室并在那里至少部分液化。至少部分液化的不纯氮流膨胀并导入残余气体塔的上部区域。

Description

通过低温空气分离获得压力氮和压力氧的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的通过低温空气分离获得压力氮和压力氧的方法。
例如，从Hausen/Linded的《低温技术》1985年的第二版第四章第281至337页中已知用于低温空气分离的方法和装置。
本发明的分馏塔系统可构造为两塔系统(例如为传统的Linde-双塔系统)或者也可构造为三塔或多塔系统。除了用于氮氧分离的塔柱外，其可附加地具有其他用于获得高纯度产品和/或另外的空气成分、尤其是惰性气体的装置，例如氩获得装置和域氪-氙获得装置。
在这里，“压力产品”(压力氧产品，压力氮产品)理解为空气分离设备的最终产物，其处于一压力下，所述压力高于大气压至少0.5bar并且特别是至少为2bar。
在这里，“不纯氮”表示这样的馏分，即，其包含至少80％的氮。这些以及所有其他的百分比数据应理解为摩尔量。
“主热交换器”用于使原料空气在与来自用于氮氧分离的分馏塔系统(或来自其他塔)的回流进行间接热交换的情况下对原料空气进行冷却。主热交换器可由一个或多个并联和/或串联连接的热交换器区段形成，例如由一个或多个板式换热器区段形成。
下面所述的热交换器被称作“冷凝蒸发器”，在该热交换器中，冷凝的第一流体流与蒸发的第二流体流进行间接热交换，每个冷凝蒸发器具有一个液化室和一个蒸发室，它们由液化通道或蒸发通道组成。在液化室中进行第一流体流的冷凝(液化)，在蒸发室中进行第二流体流的蒸发。蒸发-和液化室由彼此处于热交换关系中的通道组形成。
根据本发明所述的方法尤其适用于用来同时产生压力氧和大量压力氮(例如所获空气总量的50％至70％为压力氮)的设备。当氮消费者需要时，也可在不同压力下产生多种压力氮馏分，例如在IGCC设备(带有集成的煤-或重油气化设备的燃气-和蒸汽涡轮发电机)中所实现的那样。
在该情况下值得将用于氮氧分离的分馏塔系统的总压力水平提高并且使低压塔以高于2bar、尤其为2至10bar、例如3至5bar的压力运行。在高压塔中(且如果用于氮氧分离的分馏塔系统构造为三塔系统时，在中压塔中)的压力须相应地匹配(高压塔压力约等于低压塔压力的0.8次方乘以4)。所有硬件构件如分离柱和热交换器则可设置得更紧凑并因此在价格上更有利。此外还有能量上的优点，因为在主热交换器中的温度曲线更有利，且高压塔和低压塔之间的压力比更小。
通常称作残余气体的不纯氮流(空气总量的10％至30％)在从分馏塔系统中离开处也具有已提高的压力，低压塔在该已提高压力下运行。为了将该方法设置得尽可能有效率，应在设备中利用所述气体的能量。传统的解决方案为：将残余气体在热交换器中加热，然后在透平(残余气体透平)中膨胀至一个相应的低压。在此，残余气体被冷却。冷的残余气体被再次导引穿过主热交换器，并在此使较热的流冷却。由EP384483B1(US5036672)或US3886758中公开了这类过程。
该解决方案的缺点在于，需要用于使残余气体膨胀的透平。由于要将相对较大量的气体从相对较低的压力膨胀至非常低的压力，该透平通常较大且因此较贵。由于与典型机构如分离柱或热交换器相比，透平的可用性不那么高，因此设备的整体可用性也被透平影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供开头提及类型的方法和相应的装置，该方法和装置经济上特别有利且尤其在能耗相对较低的情况下要求相对较低的投资费用，且/或在运行中提供特别高的稳定性。
该目的通过权利要求1的特征部分的特征而实现。
为了从不纯氮流中回收压力能，使用附加的分离塔来代替残余气体透平，所述分离塔被称作残余气体塔。
来引低压塔中的不纯氮流首先在附加的冷凝蒸发器(该冷凝蒸发器位于残余气体塔的池底)中液化并且然后在节流阀中膨胀至所需的低压力。将已膨胀的液体从上方导引到该附加的分离柱中且作为用于分离过程的回流。该附加的分离柱以该方式从上方冷却并且通过池底加热装置从下方加热。该塔柱被用来将粗氧液体从高压塔的池底中预分离出来。(在三塔系统中可附加或替代地导入中压塔的池底液体的至少一部分)。所述液体大约在塔柱中部(残余气体塔的“第一中间位置”)被供入。从残余气体塔出来的气体则处于相应的低压下。池底液体比从高压塔出来的原始氧含氧量高并且可在相应位置处供入到用于氮氧分离的分馏塔系统的另一塔中。
以该方式可取消残余气体透平并且尽管如此仍能够以令人吃惊的高效方式回收不纯氮流的压力能。
用于氮氧分离的分馏塔系统优选具有主冷凝器，其构造为冷凝蒸发器。高压塔的顶部和低压塔的池底通过该主冷凝器处于热交换连接下。
优选的是，将液态池底馏分从残余气体塔中取出且在第二中间位置处导入低压塔，该第二中间位置在第一中间位置下方。由于残余气体塔在低于低压塔的压力下运行，液态池底馏分的压力须在其导入到低压塔中之前例如通过泵提高。
在根据本发明所述的方法的另一设计方案中，将一气态残余气体流从残余气体塔的顶部引出且在主热交换器中加热。
优选的是，低压塔和池底蒸发器之间的不纯氮流不进行压力提高并且尤其是池底蒸发器的液化室基本上在低压塔的工作压力下运行。
压力氧产品可基本上在低压塔的工作压力下(扣除功率损失)获得或在主热交换器下游在氧压缩机中进一步压缩(外部压缩)。然而在很多情况下内部压缩更有利，在内部压缩的情况下，处于液态下的氧流从低压塔的下部区域中取出、在液态下经受压力升高且在主热交换器中以与原料空气进行间接热交换的形式而蒸发或在超临界压力下伪蒸发，其中，原料空气的一部分液化或在超临界压力下伪液化。
在该情况下，已(伪)液化的原料空气的至少一部分可导入残余气体塔，更确切的说是在第二中间位置处导入，该第二中间位置位于第一中间位置(从高压塔出来的粗氧馏分在该第一中间位置处导入)的上方。
低压塔优选不具有顶部蒸发器。在残余气体塔的上部区域中的回流液体尤其仅仅由已膨胀的不纯氮流形成。
低压塔也优选不具有顶部冷凝器。从高压塔出来的液态氮更适用于作为在低压塔上部区域中的回流液体。在带有中压塔的三塔系统的情况下可附加或替代地将从中压塔中出来的液态氮输送至低压塔。
本发明此外涉及根据权利要求9所述的装置。根据本发明所述的装置可通过与从属的方法权利要求的特征相应的装置特征得到补充。
附图说明
在下文中借助于在附图中示意性示出的实施例进一步解释本发明以及本发明其他细节。相关附图如下：
图1用于根据本发明所述方法和相应装置的第一实施例的示意图，在该实施例中，用于氮氧分离的分馏塔系统构造为带有残余气体塔的两塔系统；以及
图2是第二实施例的示意图，在该实施例中，用于氮氧分离的分馏塔系统构造为带有残余气体塔的三塔系统。
具体实施方式
在图1中，大气空气通过管路1由主空气压缩机2吸入并压缩至约10bar的压力。已压缩的原料空气3在预冷装置4中冷却并且紧接着在包含分子筛吸附器的净化装置5中净化，也就是说，尤其是去除掉水和二氧化碳。
已压缩并且净化的原料空气6被分成三股部分流10，20，30。第一部分流10(直接空气流)在不进一步提高压力的情况下导入主热交换器8的热端、在那里冷却至大致露点温度且经过管路11和12导入用于氮氧分离的分馏塔系统的高压塔50，该分馏塔系统此外还具有低压塔51和主冷凝器53。主热交换器可由单个或者多个并联和/或串联连接的热交换器区段形成，例如由一个或多个板式换热器单元块形成。高压塔和低压塔中(分别在顶部处)的工作压力分别为9.7bar和约3.0bar。
第二和第三部分流20，30首先共同经过管路7导入到带有再冷却器15的由电机驱动的第一再压缩机9中并且在那里再压缩至约20bar的中间压力。第二部分流20(透平流)在带有再冷却器22的、由透平驱动的再压缩机21中进一步压缩至约28bar并且在该压力下经过管路23导入主热交换器8的热端。所述第二部分流在一中间温度的情况下经过管路24取出、在膨胀透平25中做功膨胀至约高压塔压力并且最后经过管路26和12导入高压塔。也可替代地应用发电机透平并且取消再压缩机21和再冷却器22(未示出)。
第三部分流30在带有再冷却器32的、由电机驱动的第二再压缩机31中从中间压力升至60bar的高压、经过管路33引导至主热交换器8并在那里冷却和(伪)液化。紧接着，第三部分流33在膨胀阀34中膨胀至约高压塔压力且经过管路35(更确切的说，至少部分地以液体的形式)导入到用于氮氧分离的分馏塔系统中。替代地，在耦合在发电机37上的透平36中进行膨胀。液态空气的一部分38，39可在过冷却逆流器54中冷却且在合适的中间位置处输入低压塔51。
高压塔50的气态的顶部氮55的第一部分56在主冷凝器53中液化。在此产生的液态氮57的第一部分58作为回流输送至高压塔50。第二部分66，67在过冷却逆流器54中冷却且作为回流输入低压塔51的顶部。
此外，在该实施例中，富含氮的中间馏分68，69在过冷却逆流器54中冷却且在中间位置处供应给低压塔51中。
从高压塔50出来的富含氧的池底馏分70同样在过冷却逆流器54中冷却并且其中的第一部分71在另一中间位置处导入低压塔51。
在该实施例中获得处于四个不同的压力下的压力氮产品。
一方面，从用于氮氧分离的分馏塔系统中直接以气态形式取出两个氮产品流，并且在主热交换器8中加热至约环境温度，即，低压塔51的气态顶部氮73，74，75作为处于低压塔压力(GAN)下的压力氮产品并且高压塔的顶部氮55的第二部分72，76作为处于高压塔压力(PGAN1)下的压力氮产品。
另一方面，从主冷凝器53出来的液态氮57的第三部分59输入到氮内部压缩装置中。该第三部分在氮泵60中在液态状态下升至高于高压塔工作压力的氮压力、经过管路61引导至主热交换器8、在那里以与原料空气进行间接热交换的方式而(伪)蒸发并且加热至约环境温度并且最后在该已提高的压力下经过管路62作为气态的压力氮产品(ICGAN2)而得到。已被泵送的氮的一部分63可在膨胀阀64中以节流方式调节至处于高压塔压力和所述已提高的氮压力之间的中间压力并且在该中间压力下作为另一气态压力氮产品65(ICGAN1)而得到。
可通过以下方式提取压力氧产品，即，直接在低压塔51的池底之上进行气态提取并紧接着在主热交换器中在约低压塔压力下加热，并且在需要时可将压力氧产品在氧压缩机中进一步压缩(外部压缩)。通常有利的是，在此也使用内部压缩装置，其方式是，从低压塔51的下部区域中(这里指直接在池底处或从主冷凝器53的蒸发室中)提取处于液态下的氧流77。处于液态下的氧流77在氧泵78中经受压力升高直至一个已提高的氧压力，且在主热交换器8中以与原料空气进行间接热交换的方式而蒸发或伪蒸发，其中，原料空气的一部分液化或伪液化。已被泵送的氧79的至少第一部分80，81在此作为处于已提高的氧压力下的压力氧产品(HP-GOX)获得。已被泵送的氧79的另一部分82，84可在膨胀阀83中以节流方式调节至处于低压塔压力和已提高的氧压力之间的中间压力，且在该中间压力下作为另一气态压力氧产品(MP-GOX)而得到。
在低压塔51的中间位置(“第一中间位置”)处从低压塔中取出气态的不纯氮流85，该不纯氮流85不如顶部氮73纯净，然而至少包含80％的氮。在该实施例中，其氮含量为90％。根据本发明，该流用于运行残余气体塔52，该残余气体塔52具有池底蒸发器85且在顶部处在1.4bar的压力下工作。不纯氮流85导入到池底蒸发器的液化室中、在那里与残余气体塔52的池底液体进行间接热交换且在此至少部分地冷凝。至少部分液化的不纯氮流87在节流阀88中膨胀至残余气体塔的工作压力并且导入到残余气体塔52的上部区域中，尤其直接在塔的顶部处。
从高压塔50出来的液态粗氧馏分89将在残余气体塔中进一步积聚。其由池底馏分70的一部分形成，其从该池底馏分70中在冷却逆流器54下游分支出。液态粗氧馏分89在膨胀阀90中膨胀且在一第一中间位置处输入残余气体塔52。
此外，在该实施例中，在液态空气38在过冷却逆流器54中冷却后，其部分流90在第二中间位置处供应到残余气体塔中。
残余气体塔的液态的池底馏分91比从高压塔50中出来的粗氧馏分89含氧量高且借助于泵92达到低压塔51的较高压力。其经过管路93在一第二中间位置(其位于第一中间位置下方，在该第一中间位置处引出不纯氮流85)处导入低压塔。第二中间位置也位于粗氧71(该粗氧71直接从高压塔50导引到低压塔51中)的供给位置的下方。
富含氮的残余气体流94，95，96在残余气体塔52的顶部处以气态形式引出且在过冷却逆流器54中和在主热交换器8中加热。如有需要，热的残余气体96还可作为再生气体应用于净化单元5和/或应用在预冷单元4的蒸发式冷却器中。
图2与图1的不同之处在于：该过程除此之外应用了中压塔200，如从三塔系统中已知的那样。中压塔200具有各一个冷凝蒸发器作为池底蒸发器201和顶部蒸发器202并且在处于低压塔和高压塔工作压力之间的压力下工作(在本例中为6bar)。高压塔50的池底馏分70的一部分201作为原料物质导入中压塔200。液态空气38的一部分204可附加地供给到中压塔200中。
中压塔200的池底液体205在中压塔200的顶部冷凝器202中部分蒸发，且紧接着经过管路206或207在合适的位置处供给到低压塔51中。只要中压塔200的顶部氮未在顶部冷凝器202中冷凝，则气态的顶部氮将经过管路208引导至主热交换器8且经过管路209作为另一处于中压塔压力(PGAN2)下的压力氮产品而得到。
在图2中，从残余气体塔52中泵出的池底馏分293仅供给到中压塔200中。
替代地，该馏分类似于图1(管路93)仅仅供给到低压塔51中或部分地供给到低压塔51中。到低压塔51中的供入优选与保持为液态的馏分207从中压塔顶部冷凝器202的蒸发室中输出的高度一致。

Claims (9)

1.一种用于通过低温空气分离获得压力氮和压力氧的方法，在所述方法中：
-将已压缩并且净化的原料空气(6，10，23，33)在主热交换器(8)中冷却并且引导到用于氮氧分离的分馏塔系统中，所述分馏塔系统具有至少一个高压塔(50)和低压塔(51)，其中，低压塔(51)在至少2bar的压力下运行，
-将至少一个氮流(73，74)从低压塔的上部区域中取出、在主热交换器(8)中加热并且作为压力氮产品(75)获得，
-将至少一个氧流(77)从低压塔(51)的下部区域中取出、在主热交换器(8)中加热并且作为压力氧产品(81，84)获得，
-将不纯氮流(85)以气态从低压塔(51)的第一中间位置取出，所述第一中间位置位于氮流(73)提取位置的下方，
其特征在于，
-用于氮氧分离的分馏塔系统此外包括残余气体塔(52)，所述残余气体塔的工作压力低于所述低压塔(51)的工作压力，
-残余气体塔(52)具有构造成冷凝蒸发器的池底蒸发器(86)，
-使特别是来自高压塔(50)的液态粗氧馏分(89)膨胀并且在第一中间位置处引导至残余气体塔(52)，
-将气态的不纯氮流(85)导入到池底蒸发器(86)的液化室中并且在那里至少部分地液化，
-使至少部分地液化的不纯氮流(87)膨胀(88)并且导入到残余气体塔(52)的上部区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将液态的池底馏分(91，93)从残余气体塔(52)中取出并且在第二中间位置处引导至低压塔(51)，所述第二中间位置位于所述第一中间位置下方。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将气态的残余流从残余气体塔(52)的顶部抽取出并且在主热交换器(8)中加热。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在低压塔(51)和池底蒸发器(86)之间的不纯氮流(85)中不进行压力升高，并且尤其是池底蒸发器(86)的液化室基本上在低压塔(52)的工作压力下运行。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将一氧流(77)在液态下从低压塔(52)的下部区域中取出、在液态下经受压力升高(78)并且在主热交换器(8)中在与原料空气(10，33)进行间接热交换的情况下蒸发或伪蒸发，其中，原料空气的一部分(33)液化或伪液化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将已经(伪)液化的原料空气(33，35)的至少一部分(90)在第二中间位置处引导至残余气体塔(52)，所述第二中间位置位于所述第一中间位置的上方。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，残余气体塔(52)不具有顶部冷凝器。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，低压塔(51)不具有顶部冷凝器。
9.用于通过低温空气分离获取压力氮和压力氧的装置，该装置具有：
-用于氮氧分离的分馏塔系统，所述分馏塔系统具有至少一个高压塔(50)和低压塔(51)，
-用于冷却已压缩并且净化的原料空气(6，10，23，33)的主热交换器(8)，
-用于将已冷却的原料空气(12，35)导入到用于氮氧分离的分馏塔系统中的器件，
-用于将低压塔(51)的工作压力控制在至少为2bar的值上的调节装置，
-用于从低压塔的上部区域中取出氮流(73，74)的器件，
-用于将氮流(74)导入到主热交换器(8)中以进行加热的器件，
-用于将已加热的氮流作为压力氮产品(15)取出的器件，
-用于将氧流(77)从低压塔(51)的下部区域中取出的器件，所述氧流在主热交换器(8)中加热并且作为压力氧产品(81，84)获得，
-用于将不纯氮流(85)以气态从低压塔(51)的第一中间位置处取出的器件，所述第一中间位置位于氮流(73)提取位置的下方，
其特征在于，
-用于氮氧分离的分馏塔系统此外包括残余气体塔(52)，所述残余气体塔的工作压力低于低压塔(51)的工作压力，
-所述残余气体塔(52)具有池底蒸发器(86)，该池底蒸发器构造为冷凝蒸发器，
并且所述装置此外具有：
-用于使尤其是来自高压塔(50)的液态粗氧馏分(89)膨胀的器件，
-用于将已膨胀的粗氧馏分(89)在第二中间位置处导入到残余气体塔(52)中的器件，
-用于将气态的不纯氮流(85)导入到池底蒸发器(86)的液化室中以使所述不纯氮流至少部分地液化的器件，
-用于使已至少部分地液化的不纯氮流(87)膨胀(88)的器件(88)，以及
-用于将已膨胀的不纯氮流导入到残余气体塔(52)的上部区域中的器件。
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