CN105556228B - 产生压缩气流的方法和设备及低温分离空气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生压缩气流(304，5)的方法和设备，例如可以应用于低温分离空气的方法或设备。在两级冷却单元中从在气体压缩机中压缩的气流(1)排出压缩热量，其是通过螺旋状缠绕的管路的第一和第二管束(21，22)形成的，其中这两个管束(21，22)设置在共同的容器(20)中。

Description

产生压缩气流的方法和设备及低温分离空气的方法和设备
技术领域
本发明涉及产生压缩气流的方法。本发明的冷却单元至少有两级，包括不可能的后续设备，例如，净化设备或进一步冷却至低温的主热交换器。本发明原则上可以应用于所有气体压缩方法，而不管压缩气流的其他应用。它们尤其是可以应用于这样的系统，其中将气体分离单元的原料流或来自气体分离单元的产品流或中间产品流施加到升高的压力。
背景技术
具有两级冷却单元的有关方法，尤其是在低温分离产生原料空气流是已知的，其中它们用来对原料空气进行所谓预冷却。这时，该原料空气在主空气压缩机(MAC＝MainAir Compressor)中压缩，主空气压缩机一般具有多级中间冷却。主空气压缩机的下游压缩的原料空气在两个空气侧串联连接的热交换级中冷却，其中压缩空气与冷却流体进行直接或间接的热交换。作为冷却流体一般采用液体水，其中第一热交换级用冷却水而第二级用冷水。这里所谓“冷却水”理解为在第一温度下的水流，例如，来自一般的冷却塔。“冷水”具有较低的第二温度，并例如，在净化冷却器中取得，它用来自空气分离的干燥气体运行。从第二级排出的经加热的水，可以作为冷却水的补充，用作第一热交换级的冷却流体。这时，原则上可以在每个热交换级中在压缩气流之间作为直接热交换(例如，在直接接触冷却器中)或在热交换器作为间接热交换进行热传递。
在图1中显示压缩气流的冷却单元的三个方案A至C，正如它们适用于空气的低温分离。在所有三个方案中，大气中的空气(AIR)1通过过滤器2被气体压缩机3吸取，该气体压缩机形成为具有中间冷却的多级主空气压缩机。接着，热的压缩原料空气4送入两级冷却单元。
在方案A中，两个冷却级都通过直接接触冷却器101形成，在其头部引入来自净化冷却器11的冷水10作为“第二冷却流体”。冷水首先对要冷却的原料空气逆流流过直接接触冷却器(“第二冷却级”)的上部区域。在一个中间区域，送入冷却水12作为附加冷却流体。从上面来的加热的冷水和冷却水全部在直接接触冷却器的下部区域用作“第一冷却流体”。加热的水通过管道13从直接接触冷却器的储槽抽出，预冷后的压缩原料空气通过管道5从头部抽出。这时，需要两个水泵102，103，把冷却水或者冷水从大气压升高到升高的压力，例如，处于主空气压缩机3出口压力以上的压力。
在方案C中，第一冷却级由热交换器200形成，其中出主空气压缩机3的原料空气流4与冷却水进行间接热交换。在直接接触冷却器201中仍旧只实现第二冷却级。这里只需要一个水泵203用来显著提高压力。第一冷却级200的冷却流体例如可以处于大气压以下。热交换器200通常用直管热交换器(TEMA-交换器Shell-and Tube Heat Exchanger壁与管热交换器)实现。
原则上还可以有一个方案B，其中在该两个冷却级中作为间接热交换进行。为此，采用两个空气侧串联连接的直管热交换器300，301，其第二直管热交换器301用来自净化冷却器11的冷水10运行。为此不需要高压水泵(泵304只使冷却水循环，或者将其提升到加入冷却塔所需的压力)。附带地采用分离器(分相器)306，其中使冷凝水从预冷后的原料空气304中分离出来。
方案A的系统从DE 32 16 502Al、EP 1 239 246B2(US 6,598,424B2)、DE 202 05751U1、DE 10 2005 028012Al、DE 10 2007 014643Al或WO 2010/017968A2(US 2011/0214453Al)公开，方案B的系统从EP 828 122Al、US 2007/204652Al、EP 1 995 537A2(US2008/0289362Al)、EP 2 053 331Al(US 2009/107177Al)、EP 2 053 330Al(US2009/120128Al)公开，而方案C的系统从DE 101 15 258Al、DE 101 30754Al、DE 10 2007027073Al、EP 2 489 968Al、WO 2013/053425A2公开。方案A和C的结合表示在WO 2011/110301A2中。EP 2 236 964Al(US 2010/242537Al)和WO 2010/017968A2(US 2011/0214453Al)公开具有单级空气预冷却的空气分离系统。
所有三个方案都只有一个有限的应用范围，并且需要一个相对较大的组件数目。因此，在高的气体压力下，方案A和C昂贵，能量消耗大，因为它们需要一个或两个高压水泵。附带地在空气和冷却水之间直接接触时，由于升高的CO2分压和较高的空气温度存在腐蚀危险。
方案B允许防止直接接触。但问题是热交换器301的实际实施。其设计提出高的要求，由于冷却流体相对较小的通过能力和非常小的平均温度差(这两者与热交换器300进行比较)。对于这个问题，至今尚未发现令人满意的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于，这样设计上述方法和相应的设备，以便给出一个特别紧凑的系统，其同时具有特别低的能耗及此外宽的实际应用范围，其尤其是包括将大气空气压缩至特高压(在主空气压缩机3出口10巴和更高)。
该目的通过产生压缩气流的方法实现，其中将该气流在单级或多级气体压缩机中压缩，接着在冷却单元中排出至少一部分在气体压缩机中产生的压缩热量，其中该冷却单元包括第一热交换级，其具有冷却通道和加热通道，及第二热交换级，其具有冷却通道和加热通道，其中在该方法中压缩的气流在第一热交换级中与在第一温度下引入第一热交换级中的第一冷却流体进行间接热交换，及从第一热交换级排出的气流在第二热交换级中与在低于第一温度的第二温度下引入第二热交换级中的第二冷却流体进行间接热交换，其特征在于，第一和第二热交换级通过螺旋状缠绕的管路的第一和第二管束形成，及第一和第二管束设置在共同的容器中。与上述方案B相比，采用包括两个冷却级的结合的设备。其被构造成螺旋状缠绕的热交换器，具有安排在共同的容器中的两个彼此独立地缠绕的管束。在本发明的范畴内，原则上还可以将三个或更多个管束布置在该共同的容器内。
在螺旋状缠绕的热交换器中，多层的管路缠绕在芯管上。引导介质通过各管路，该介质与在管路和围绕的外罩之间的空间中流动的介质进行热交换。这些管路在热交换器上端合并成多组，以管束的形式从外空间引出。
例如在下列出版物中描述了如此缠绕的热交换器及其制造：
-Hausen/Linde,Tieftemperaturtechnik(低温技术),2.Aufl.1985,471-475页
-W.Scholz,“Gewickelte Rohrwarmeaustauscher(缠绕管热交换器)”,Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft,Nr.33(1973),34-39页
-Kreis,“Gewickelte Warmeaustausch(缠绕热交换器)”in Hess,Apparate-Handbuch:Technik,Bau,Anwendung,1990,262-264页
这些管路在外侧可以如同在内侧一样光滑地构造。替代性地，它们在外侧可以具有用于增大热交换面积的肋条。这缩短了热传递效率所需的管长，从而通过热交换器管束的明显更加紧凑的构造方式，降低了设备成本。肋条例如可以从光滑管壁辊压出来；在此，管路和肋条实际上由一块体组成。替代性地，通过额外的材料将肋条施加在相应管路原本光滑的外表面上。
缠绕的热交换器在制造成本方面原则上高于其他热交换器类型，例如板式热交换器或直管式热交换器。但是在本发明的范畴内发现，在一个外壳内特别地布置两个管束，总体上实现了压缩设备及尤其是制冷设备的特别紧凑的设计方案。由于气流与冷却流体的间接接触，几乎不出现腐蚀问题。
不同于一般的按照交叉流动原理工作的TEMA交换器，在本发明中使用的缠绕的管束热交换器以交叉逆流运行。这允许以明显更低的温度差运行，并且能够实际实现图1B的热交换器301。此外，在本发明中图1B的这两个热交换步骤300和301在一个结合的设备中实施。
第一和第二管束优选具有共同的芯管。这两个管束的管路在制造时在该共同芯管的不同的轴向区段上缠绕。若冷却单元在运行时，如同一般情况，垂直布置(芯管的轴线处于垂直线)，则这两个管束彼此上下布置，尤其是第二管束在第一管束上面。
优选第一冷却流体也用在第二管束中，方法是将其在第二热交换级中加热的下游引入第一热交换级中。这时，它可以与附加冷却流体混合；于是这时形成的混合物作为第一冷却流体引入第一热交换级中。作为替代方案，第二冷却流体的管路可以引导通过该第二和第一管束，在这两个管束之间并不需要管路收集器。于是该第一冷却流体与第二冷却流体分开流动通过第一管束中的附加的管路；接着，在某些情况下与第二冷却流体合并。
在本发明中原则上能够将压缩气流在管路内部引导，而将冷却流体在外空间中引导。然而特别有利的是，第一和第二冷却流体各自引导通过第一和第二管束的管路内部。于是将待冷却的气流引导通过该管束的外空间，其由容器壁或装入容器内的内衬限定。
此外，本发明涉及产生压缩气流的设备，其具有单级或多级气体压缩机，及用于排出至少一部分在气体压缩机中产生的压缩热量的冷却单元，其中该冷却单元包括第一热交换级，其具有冷却通道和加热通道，及第二热交换级，其具有冷却通道和加热通道，其特征在于，第一和第二热交换级通过螺旋状缠绕的管路的第一和第二管束形成，第一和第二管束设置在共同的容器中，及第一和第二管束的管路缠绕在共同的芯管上。
本发明还涉及低温分离方法，其中将压缩的原料空气流在净化单元中净化，在主热交换器中冷却至低温，并引入蒸馏塔系统中，蒸馏塔系统排出至少一股氮富集的流和至少一股氧富集的流，其特征在于，该压缩的原料空气是通过根据本发明的方法产生的。本发明还涉及低温分离空气的设备，其具有用于产生压缩的原料空气流的设备、用于净化压缩的气流的净化单元、和用于将压缩的原料空气流冷却至低温的主热交换器、和用于将冷却的原料空气分离成为至少一股氮富集的流和至少一股氧富集的流的蒸馏塔系统，其特征在于，用于产生压缩的原料空气的设备被构造成根据本发明的设备。例如，即使在气体压缩机(这里：主空气压缩机)出口压力为5巴或更低的情况下，本发明原则上也可以应用于各种空气分离方法。然而对于在气体压缩机中将原料空气流压缩到大于10巴，尤其是大于13巴，尤其是大于17巴的情况，其应用尤为有利。
附图说明
现将参照在图2中示意地显示的实施例，对本发明以及本发明的其他细节作较详细的说明。该实施例涉及为低温空气分离系统产生压缩的原料空气，并建立在按照图1方案B的工艺流程图上。但这时，这两个冷却级300，301并不是由具有各自本身的容器的分离的设备形成的，而是由图2所示的结合的设备形成。
具体实施方式
在一个共同的压力容器20中安排第一管束21和第二管束22。这两个管束21，22的管路各自呈螺旋形缠绕在一个芯管23不同的轴向区段上。在主空气压缩机(图1B中的3)中被压缩的热的原料空气4从下面流入该容器，并在第一管束21处和在第二管束22处从旁边经过，并在此被冷却。预冷后的原料空气流304在容器20的头部抽出。
在第二管束22上端冷水10作为“第二冷却流体”引入该管路内部。在第二管束下端排出的加热的第二冷却流体在收集器中集合，与冷却水412混合，并通过分配器送入第一管束21的管路上端作为“第一冷却流体”。(收集器和分配器在图2示意图中未示出。)从第一管束21下端排出的水413从该容器20引出，并优选至少部分地引入冷却塔中。在冷却塔中被冷却的水，一方面可以直接提供冷却水；另一方面，在冷却塔中被冷却的水的一部分可以引入蒸发冷却器中，以便产生冷水流。
在一个具体的数值示例中出现下列温度：
100℃在流入容器20的原料空气流4中；
11℃在从容器20流出的原料空气流304中；
7℃在流入容器20的冷水流10中；
17℃在流入容器20的冷却水流412中；
27℃在从容器20流出的水流413中。

Claims (15)

1.低温分离方法，其中将压缩的原料空气流在净化单元中净化，在主热交换器中冷却至低温，并引入蒸馏塔系统中，蒸馏塔系统排出至少一股氮富集的流和至少一股氧富集的流，其特征在于，该压缩的原料空气是通过产生压缩气流(304，5)的方法产生的，其中将该气流(1)在单级或多级气体压缩机(3)中压缩，接着在冷却单元中排出至少一部分在气体压缩机中产生的压缩热量，其中该冷却单元包括
-第一热交换级，其具有冷却通道和加热通道，及
-第二热交换级，其具有冷却通道和加热通道，
其中在该方法中
-压缩的气流在第一热交换级中与在第一温度下引入第一热交换级中的第一冷却流体(412)进行间接热交换，及
-从第一热交换级排出的气流在第二热交换级中与在低于第一温度的第二温度下引入第二热交换级中的第二冷却流体(10)进行间接热交换，
其特征在于，
-第一和第二热交换级通过螺旋状缠绕的管路的第一和第二管束(21，22)形成，及
-第一和第二管束(21，22)设置在共同的容器(20)中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将该原料空气流在气体压缩机中压缩至大于10巴的压力。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，将该原料空气流在气体压缩机中压缩至大于13巴的压力。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，将该原料空气流在气体压缩机中压缩至大于17巴的压力。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，第一和第二管束(21，22)具有共同的芯管(23)。
6.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，第二冷却流体在其于第二热交换级中进行加热的下游引入第一热交换级中。
7.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，第一和第二冷却流体各自通过第一和第二管束(21，22)的管路内部引导。
8.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，该管路在外侧具有肋条。
9.低温分离空气的设备，其具有用于产生压缩的原料空气流的设备、用于净化压缩的气流的净化单元、和用于将压缩的原料空气流冷却至低温的主热交换器、和用于将冷却的原料空气分离成为至少一股氮富集的流和至少一股氧富集的流的蒸馏塔系统，其特征在于，用于产生压缩的原料空气的设备被构造成产生压缩气流的设备，其具有
-单级或多级气体压缩机(3)，及
-用于排出至少一部分在气体压缩机中产生的压缩热量的冷却单元，
其中该冷却单元包括
-第一热交换级，其具有冷却通道和加热通道，及
-第二热交换级，其具有冷却通道和加热通道，
其特征在于，
-第一和第二热交换级通过螺旋状缠绕的管路的第一和第二管束(21，22)形成，
-第一和第二管束(21，22)设置在共同的容器(20)中，及
-第一和第二管束的管路缠绕在共同的芯管(23)上。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于，用于产生压缩的原料空气流的气体压缩机的出口压力被设计为大于10巴。
11.根据权利要求9的设备，其特征在于，用于产生压缩的原料空气流的气体压缩机的出口压力被设计为大于13巴。
12.根据权利要求9的设备，其特征在于，用于产生压缩的原料空气流的气体压缩机的出口压力被设计为大于17巴。
13.根据权利要求9的设备，其特征在于用于将从第二热交换级排出的第二冷却流体引入第一热交换级中的装置。
14.根据权利要求9至13之一的设备，其特征在于用于将第一冷却流体引入第一管束(21)的管路内部的装置以及用于将第二冷却流体引入第二管束(22)的管路内部的装置。
15.根据权利要求9至13之一的设备，其特征在于，该管路在外侧具有肋条。
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