CN111433545A - 在包括裂芯式主热交换器的空气分离单元中产生的富氮流的利用 - Google Patents

在包括裂芯式主热交换器的空气分离单元中产生的富氮流的利用 Download PDF

Info

Publication number
CN111433545A
CN111433545A CN201780097340.2A CN201780097340A CN111433545A CN 111433545 A CN111433545 A CN 111433545A CN 201780097340 A CN201780097340 A CN 201780097340A CN 111433545 A CN111433545 A CN 111433545A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nitrogen
stream
air
heat exchanger
rich stream
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780097340.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111433545B (zh
Inventor
赵伯伟
阿兰·布里利亚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Publication of CN111433545A publication Critical patent/CN111433545A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111433545B publication Critical patent/CN111433545B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/0409—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/04084—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04157—Afterstage cooling and so-called "pre-cooling" of the feed air upstream the air purification unit and main heat exchange line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04163—Hot end purification of the feed air
    • F25J3/04169—Hot end purification of the feed air by adsorption of the impurities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04163—Hot end purification of the feed air
    • F25J3/04169—Hot end purification of the feed air by adsorption of the impurities
    • F25J3/04181—Regenerating the adsorbents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
    • F25J3/04218—Parallel arrangement of the main heat exchange line in cores having different functions, e.g. in low pressure and high pressure cores
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04375—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
    • F25J3/04387—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using liquid or hydraulic turbine expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
    • F25J2205/32—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as direct contact cooling tower to produce a cooled gas stream, e.g. direct contact after cooler [DCAC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
    • F25J2205/34—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as evaporative cooling tower to produce chilled water, e.g. evaporative water chiller [EWC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F25J2205/66—Regenerating the adsorption vessel, e.g. kind of reactivation gas
    • F25J2205/70—Heating the adsorption vessel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04775—Air purification and pre-cooling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

采用裂芯式主热交换器将在空气精馏单元(43)中生成的产物流对着1)低压热交换器(31)中的主进料空气流(10a)和2)高压交换器(32)中的至少一个增压空气流(11)温热。因为增压空气流(11)处于比主进料空气流(10a)更高的压力和温度，所以在分裂式主热交换器中进行单独的热交换后，离开高压热交换器(32)的辅助废氮流(135)也比离开低压热交换器(31)的辅助废氮流(134)更温热。较温热的废氮流(138)被送入到空气净化单元(3)中以用于再生目的，而较冷的废氮流(137)被引入到氮水塔(4)中以执行冷却任务。两个辅助废氮流(134，135)还连接在主热交换器的温热侧上以允许流量的灵活分布。

Description

在包括裂芯式主热交换器的空气分离单元中产生的富氮流的 利用
技术领域
本发明涉及一种用于通过低温蒸馏将空气分离成富含氮和氧的产物的方法和设备。更特别地，本发明涉及通过在泵送的氧液体和已经由主空气压缩机和增压空气压缩机两者压缩的进料空气流之间的间接热交换来在高压下生产气态氧产物。
背景技术
低温空气蒸馏是一种用于由空气生产大规模的氧气、氮气或有时生产稀有气体产物的公认的和优选的方法。
在低温空气蒸馏中，空气被压缩然后净化掉高沸点污染物，诸如二氧化碳、水分和碳氢化合物。可以在主热交换器内对着返流将所得的压缩和净化的空气流冷却到适合其精馏的温度，然后送入到空气精馏单元(ASU)中。ASU通常包括高压塔(在大约5～6.5bara运行)和低压塔(在大约1.1～1.5bara运行)，它们通过设置在低压塔底部附近的冷凝器-蒸发器热连接。在高压塔内，对进料空气进行精馏以使其在底部附近形成富氧液流，并在不同的蒸馏塔板处形成各种纯度的富氮流，这些流的一部分或全部可以被过冷却然后作为回流引入低压塔中或用于进一步精制。取决于客户的需求，双塔的ASU可以在高压塔或低压塔的顶部产生气态或液态氮产物流，在低压塔的底部产生气态或液态氧产物流，和/或在低压塔的顶部下方产生废氮流。产物流和废氮流作为返流引入主热交换器中以冷却进入的空气流。
在典型的双塔蒸馏方案中，在1.1～1.5bara下运行的低压塔的底部处抽出氧产物流。为了在约20bar至50bar的高压下生产气态氧产物，必须通过氧压缩机或通过液体泵送过程将氧压缩至更高的压力。因为与氧压缩机相关联的安全和成本问题，液体泵送过程在ASU中变得更加常见。在随后的过程中，将液态氧产物流泵送到所期望压力，之后将其引入主热交换器中，并在主热交换器中对着已被增压压缩机进一步压缩的经压缩和净化的空气流汽化。在这个热交换过程中，增压空气流继而液化或转化为密相流体。另外，可以通过泵送液氮产物流，然后以类似方式在主热交换器中将其汽化来产生高压的气态氮产物。
尽管在上述液体泵送过程中，单个主热交换器可以用于通过与所有返流的间接热交换而不管它们的压力如何来冷却进入的空气流，但也已知在单独的高压热交换器内将加压的液氧产物流汽化以改善整体成本效率。为了达到热平衡的目的，在用于过冷任务之后，将富氮流分流并送入高压热交换器和低压热交换器两者中，这两个热交换器将主空气流冷却至适合其精馏的温度。
在高压热交换器和低压热交换器的温热端，排出的富氮(或废氮)流通常具有不同的压力和/或温度。由于在空气净化单元或预冷单元中，经加热的富氮(或废氮)流可以进一步用于使吸附剂再生，因此需要在布置每个辅助富氮流的功能之前考虑其各自的量、温度和压力。
US 9,222,725B2公开了一种空气分离设备和方法，其中采用了高压热交换器和低压热交换器两者。为了通过减小高压热交换器的尺寸来降低其制造成本，与经过低压热交换器的第二辅助废氮流相比，第一辅助废氮流通过高压热交换器内较小的横截面流动面积并承受较高的压降。因为第二辅助废氮流处于较高压力下，所以将其送至空气净化单元以用于使吸附剂再生。
在US 2001/0015069 A1中，还采用了单独的高压热交换器来将泵送的液态氧产物汽化。从低压塔顶部取出的产物氮流被分成两个辅助流，它们分别通入到高压热交换器和低压热交换器中。然后，离开高压加热器交换器的辅助产物氮流用于在空气净化单元中使吸附剂再生。离开低压加热器热交换器的辅助产物氮流未在预冷单元中使用，并且两个辅助产物氮流未在热交换器的温热侧互连。
US 3,447,332描述了从精馏塔中取出的氮流在通过两个单独的主热交换器之前被分成两个流。在低压热交换器中，第一辅助氮流与加压液氧流一起对着第一压缩和纯净空气流加热；而在高压热交换器中，第二辅助氮流经历与第二压缩和净化空气流和第三压缩和净化空气流的间接热交换。第一压缩和净化空气流、第二压缩和净化空气流和第三压缩和净化空气流从离开吸附器的同一压缩和净化空气流中分流，因此它们在两个主热交换器的温热端入口处都具有相同的温度和压力。将经加热的第一辅助氮流通入到吸附器中以用于再生目的，并将第二辅助氮流引入预冷器中。两个经加热的辅助氮流不处于流动连通。
发明内容
改善能源效率并降低与原材料和装备相关联的成本在低温空气分离的领域中不断对人们提出挑战。
一旦富氮流分别在高压热交换器和低压加热器交换器中被温热，它们就可以进一步用于在包括氮水塔的空气预冷单元中冷却水或在空气净化单元中使吸附剂再生。由于再生所需的温度高于预冷所需的温度，因此应将较高温度的经加热的富氮流输送至其中，以用于节能目的。另外，对于整个空气分离设备的操作而言，使经加热的富氮流有足够的流量流向空气净化单元是至关重要的，因此需要一种机构来保持流量一致性。上面引用的参考文件没有考虑总的能量效率，并且没有提供用于调节引入到空气净化单元中的富氮流的流量的方式。
因此，本发明提供了一种分离空气的方法，包括以下步骤。首先，使进料空气流依次通过主空气压缩机、空气预冷单元和空气净化单元以产生主进料空气流，然后将其分为两部分。主进料空气流的第一部分在增压空气压缩机中被进一步压缩以形成具有比主进料空气流更高的压力和更高的温度的增压空气流。通过与在空气精馏单元中产生的第一富氮流的间接热交换，在低压热交换器中冷却主进料空气流的其余部分，该空气精馏单元包括第一塔、第二塔和设置在第二塔的底部处的冷凝器蒸发器，由此产生用于送入到空气精馏单元中的第一进料空气流。增压空气流也分为两部分，第一部分在高压热交换器中通过与泵送的液氧和在空气精馏单元中产生的第二富氮流的间接热交换被部分地冷却，随后在第一膨胀器中膨胀，然后作为第二进料空气流送入到空气精馏单元中，并且可选地在第一压缩机中压缩增压空气流的其余部分，然后在高压热交换器中通过与泵送的液氧和第二富氮流的间接热交换将其冷却以产生第三进料空气流，随后在第二膨胀器中膨胀以产生膨胀的第三进料空气流以用于送入到空气精馏单元中。在热交换器的高温侧，将在使第二富氮流经过高压热交换器之后形成的经加热的第二富氮流引入到再生气体加热器和空气净化单元中以用于再生，并且将在使第一富氮流经过低压热交换器之后形成的加热的第一富氮流引入到另一实体中；其中，经加热的第一富氮流和经加热的第二富氮流处于流动连通，并且与经加热的第一富氮流相比，经加热的第二富氮流的温度更高。
在空气精馏单元中，第一塔在比第二塔更高的压力下运行。因此，有时第一塔被称为高压塔，而第二塔被称为低压塔。
本发明还公开了一种空气分离设备，该空气分离设备包括主空气压缩机和与空气净化单元处于流动连通以产生主进料空气流的空气预冷单元；增压空气压缩机，该增压空气压缩机与空气净化单元处于流动连通以进一步压缩主进料空气流的一部分，以形成具有比主进料空气流更高的压力和更高的温度的增压空气流；分裂式低压热交换器和高压热交换器。该空气分离设备还包括空气精馏单元，该空气精馏单元包括第一塔、第二塔和设置在第二塔的底部处的冷凝器蒸发器，以产生第一富氮流和第二富氮流以及液氧。在该设备中，低压热交换器被配置为接收主进料空气流的一部分并通过与第一富氮流的间接热交换来冷却主进料空气流的那部分，以形成第一进料空气流和经加热的第一富氮流。还有第一膨胀器，该第一膨胀器与增压空气压缩机处于流动连通，以在增压空气流通过与第二富氮流和泵送的液氧的间接热交换在高压热交换器内部分地冷却之后使所述流的至少一部分膨胀，以形成要引入到空气精馏单元中的第二进料空气流、经加热的第二富氮流和气态氧产物。在该设备中，高压热交换器被配置为在增压空气流由第一压缩机可选地压缩之后接收所述流的一部分并通过与第二富氮流和泵送的液氧的间接热交换来冷却增压空气流的那部分以形成第三进料空气流，该第三进料空气流要在经由第二膨胀器膨胀之后被引入到空气精馏单元中。还有第一导管，该第一导管用于将经加热的第一富氮流从低压热交换器输送到另一实体，以及第二导管，该第二导管用于将经加热的第二富氮流从高压热交换器输送到空气净化单元；其中，第一导管和第二导管通过结合区段互连，以允许经加热的第一富氮流或经加热的第二富氮流的至少一部分流过结合区段。
本公开的另一实体可以是空气预冷单元的氮水塔。
第一富氮流和第二富氮流从抽出自第二塔的同一富氮气态流分流。
经加热的第一富氮流与经加热的第二富氮流的流量平衡由沿第一导管和第二导管策略性放置的两个阀调节。
因为进入高压热交换器的增压空气流处于比主进料空气流更高的温度和更高的压力，所以由于热负载平衡，在各自的间接热交换后，经加热的第二富氮流也处于比经加热的第一富氮流更高的温度。将较热的富氮流引入到再生气体加热器以用于空气净化单元可以节省加热能量，继而改善了整个设备的能量效率。此外，由于经加热的第二富氮流和经加热的第一富氮流处于流动连通，因此后面的流可以补充前面的流以确保始终有足够的流量可用于空气净化单元。
根据本公开，通过在空气精馏单元中产生的富氮流在空气预冷单元和空气净化单元之间的优化分布，可以获得以下优点：
a)较低温度的富氮流有助于在空气预冷单元中将进料空气流冷却至较低温度；因此节省了能量并减小了预冷单元的尺寸，这继而减少了装备支出。
b)进入空气净化单元的进料空气流处于较低温度，结果，进料空气流中的水含量较低，使吸附剂体积和吸附器尺寸较小，这继而减少了装备支出。
c)较高温度的富氮流需要较少的能量通过再生气体加热器被加热到合适温度以用于使吸附剂再生。
d)当进气温度较低时，增压空气压缩机消耗较少的功率。
e)在主热交换器的温热侧上，阀的策略性布置允许经加热的富氮流的灵活分布。例如，在高压热交换器运行之前，可以将离开低压热交换器的富氮流引入到空气净化单元中以用于使吸附剂再生，因此加快空气净化单元的启动过程。
f)本发明还公开了一种机构，通过该机构可以提高整个精馏单元的操作压力，以根据客户的要求产生处于更高压力的气态流。
附图说明
附图应被理解为本发明的示例，而绝不以任何方式限制本发明的范围。
图1是用于执行根据本发明的方法的空气分离设备的示意图。
具体实施方式
低温空气分离设备通常包括以下单元：带有过滤器的主空气压缩机、空气预冷单元、空气净化单元和空气精馏单元，它们容纳在一个或多个冷箱中。
大气进料空气流经过一系列进气过滤器以去除灰尘颗粒，这些进气过滤器安装在主空气压缩机的吸入侧。主空气压缩机可以是具有若干级的离心类型。在主空气压缩机中进行压缩期间，过滤后的进料空气流的温度上升到大约70℃～95℃，因此需要将其冷却到适合进入空气净化单元的温度。冷却可以以若干种方式实现。在离开主空气压缩机后，进料空气流可以首先经过后冷却器，也可以直接进入空气预冷单元中。空气预冷单元由将进入的空气与冷冻的冷却水进行冷却的设备和用于冷冻冷却水的设备组成。空气冷却设备可以是一级直接接触式空气冷却器(DCAC)、两级DCAC或板式交换器。在一级DCAC中，空气从底部进入，并经历与泵送到顶部的冷冻的冷却水逆流接触。在两级DCAC中，空气也从底部进入，并且首先与送入冷却器中下区段的普通冷却水逆流接触，其次与泵送到冷却器上区段的冷冻的冷却水逆流接触。通常在氮水塔中通过与在空气精馏单元中产生的干燥的富氮流(通常为废氮流)逆流接触期间蒸发一些冷却水来获得冷冻的冷却水。汽化水从干燥的富氮流中吸收潜热并冷却氮流，这继而将剩余的冷却水冷冻至大约10℃～20℃。也可以采用制冷单元将冷却水冷冻至大约5℃～10℃。由于富氮流是空气预冷单元中的主要冷却源，因此其性质会显著影响单元的能量效率/功耗以及进料空气流的排出温度。进入的富氮流的较低温度产生在预冷单元中获得的较冷的进料空气流。
在空气在热交换器中冷却到低温之前，空气净化单元对于从进料空气流中去除水、CO2和碳氢化合物至关重要。如果未净化空气，则在热交换过程中，由于温度下降，水分和CO2将凝结并且液态水将冻结，从而导致热交换器中堵塞。吸附容器是用于净化的标准装备。基于要去除的杂质类型选择吸附剂，并且常用选择包括煤、硅胶、氧化铝、沸石和分子筛。在典型的双容器或四容器吸附单元中，两层吸附剂水平放置在每个容器中，在下部是用于去除水的活性氧化铝，并且在上部是用于去除CO2的分子筛。当空气从吸附容器的底部进入时，其首先经过氧化铝床。因为较冷的空气流被较低的水含量饱和，所以减小了处理相同流量的空气流所需的氧化铝的体积。然后，进料空气流经过分子筛床。由于在较低温度下对CO2的吸附效率较高，因此也减小了处理相同流量的空气流所需的分子筛的体积。由于上述现象，用于处理较冷的进料空气流所需的吸附剂较少，因此可以减小吸附容器的尺寸，并且实现节省整个单元的成本。
因为吸附剂的吸附能力有限，所以一旦被杂质饱和，就需要将其重新活化或再生。吸附剂的再生通常是通过使低压的高温氮从与进料空气流相反的方向进入吸附容器中而进行的。使用再生气体加热器将离开热交换器的富氮流加热到120℃至160℃的温度范围。为了将富氮流加热到期望的温度，对于较高的初始温度的流，消耗较少的能量，并且当通过蒸汽驱动再生气体加热器时，可以节省大约10％～20％的蒸汽。
为了生产压力为～40bara以上的高压气态产物，诸如氧或氮，经常执行内部压缩过程，其中首先通过液泵将相应的液体产物加压至目标压力，然后在热交换器中通过与加压的温热流(包括空气或在一些情况下包括富氮气体)的间接热交换而汽化。通过在增压空气压缩机或一系列增压空气压缩机中进一步压缩离开空气净化单元的进料空气流来执行将空气加压。通常，单个增压空气压缩机可以将主空气压缩机之后的进料空气流从大约5～7bara加压到大约40～60bara。因为压缩是放热过程，所以进料空气流必须在进入热交换器之前在后冷却器中冷却；然而，即使在冷却后，与仅经过主空气压缩机的空气流相比，经历额外压缩的空气流仍然较热，并且温度差可以在大约2℃～20℃的范围内。
尽管可以利用单个主热交换器来在不同的压力下冷却进入的进料空气流，但是对于包含加压液氧和/或氮流的返流，已知的是在单独的高压热交换器内通过与增压空气流的间接热交换将加压液氧流单独汽化；同时通过与主进料空气流的间接热交换在低压热交换器内在较低的压力下加热气态返流。因为能够承受高压(最大70～100bara)的热交换器比设计用于低压任务(最大10～20bara)的热交换器更昂贵，所以此种分离的配置节省了整个热交换单元的制造成本。为了热平衡的目的，通常是从低压塔中去除的废氮流的富氮气态流被分流并被送入到高压热交换器和低压热交换器两者的冷侧中。根据本发明，用于高压热交换器的温热流是处于比主进料空气流更高的压力和更高的温度下的增压空气流，该主进料空气流是用于低压热交换器的温热流。由于在相应热交换器中的热均衡，经过高压热交换器的富氮气态流比流过低压热交换器的流的部分更温热。在两个热交换器的温热侧处的分流的富氮气态流的压力取决于热交换器的内置压降，该内置压降由配置决定，诸如热交换器中每个通道的横截面积。
参考图1，下面说明本发明。但是应当理解，该实施例仅是示例性的，不限制本发明的范围和应用。
进料空气流5首先在带有后冷却器的主空气压缩机1中被压缩到～6.0bara的压力和～100℃的温度，之后进入空气预冷单元2的两级直接接触式空气冷却器(DCAC)中。在DCAC中，进料空气流从底部上升，并经历与大约30℃的第一冷却水142和然后大约14℃的冷冻的冷却水140的逆流接触。冷却水142和冷冻的冷却水140分别经由泵214和216被泵送到DCAC的中部和顶部区段。通过使冷却水与空气精馏单元43中产生的富氮流137逆流接触，随后在主热交换器中进行温热，从而在氮水塔4中产生冷冻的冷却水。在图1中，流137主要来自经加热的第一富氮流134，其在低压热交换器31中被加热并且具有19.4℃的温度。然而，当流134的流量不足时，也可以合并在高压热交换器32中被加热并且温度为35.7℃的经加热的第二富氮流135的一部分。因此，进入氮水塔中的富氮流137处于大约21℃的温度。在执行冷却任务之后，流137从氮水塔顶部排放到空气中。
在预冷之后，进料空气流现在在17.0℃的温度下作为流139进入空气净化单元3中。空气净化单元3是两床吸附容器，其需要通过富氮流138进行再生。通过在再生气体加热器201中将富氮流136加热至150℃来生成流138。再次，取决于再生所需的流量，流136可以仅构成来自高压热交换器的流135、仅构成来自低压热交换器的流134或两者的组合。在这种特定情况下，流136由流135的一小部分组成，并因此具有35.7℃的相同温度。
离开空气净化单元3的25℃进料空气流被称为主进料空气流10。将其一部分引入到低压热交换器31中，经历与第一富氮流132的间接热交换，并且可选地从在大约5～7bara下运行的第一塔40的顶部抽出气态氮产物120。然后，流10a成为～25℃的第一进料空气流，并被送入到第一塔40的底部中。
流10的另一部分通过增压空气压缩机202及其对应的后冷却器，成为压力为42.5bara、温度为39℃的增压空气流11。流11的一部分直接进入高压热交换器32中，并且在部分冷却之后，作为流14被取出以传送到第一膨胀器204中。这个膨胀步骤为空气精馏单元43提供制冷。此后，膨胀并冷却的流16被合并到第一进料空气流15中。增压空气流11的另一部分被输送到第一压缩机203中，被进一步压缩至大约60～80bara，然后作为流12被引入到高压热交换器中。最通常地，第一膨胀器204是涡轮膨胀器，其构成与第一压缩机203对应的压缩单元。由于流12现在处于高压下，因此其能够在高压热交换器中汽化加压的液体返流。因此，高压热交换器中的返流通常包括泵送的液氧102，有时包括泵送的液氮112和第二富氮流133。一旦流12在高压热交换器中被冷却以成为第三进料空气流17，然后它就由诸如第二膨胀器205的泄压装置膨胀，以形成膨胀的第三进料空气流18。流18的一部分直接进入第一塔40中，并且其一部分(18a)在过冷器33中过冷，然后被送入到第二塔42中。
进料空气流在空气精馏单元43中被精馏以在第一塔40的底部处形成富氧液流19，并在第一塔的顶部处形成氮塔顶馏出物。氮塔顶馏出物的一小部分可以作为气态氮产物120从第一塔40中被取出，其压力为约5～7bara。流120在低压热交换器31中被加热，然后被发送给客户。剩余的氮塔顶馏出物被送至设置在第二塔42底部的冷凝器蒸发器41，其中将氮塔顶馏出物与第二塔42中产生的汽化液氧进行冷凝。冷凝氮的一部分作为液氮110被抽出，然后泵送入液氮泵212中形成泵送的液氮112，同时另一部分作为回流返回第到一塔40，又一部分21在过冷器33中进行过冷，之后成为液氮产物或作为回流发送到第二塔42。在第二塔42的底部产生的液氧也作为液氧100被抽出，随后泵送入液氧泵210以形成泵送的液氧102。流102和112两者都在大约5～90bara的压力范围内，并且它们在高压热交换器32中被汽化以分别传送加压的气态氧和气态氮产物。
从第一塔40的中上区段抽出氮含量通常为约95mol％的富氮液流20。将其在过冷器33中过冷并作为回流传递到第二塔42中，在此将其一部分作为富氮气态流130取出。在一些情况下，这个流130被称为废氮流。由于第二塔42通常在1.1～1.5bara的压力范围内运行，因此流130也处于约1.1～1.5bara的压力。在过冷器33中被温热之后，流130被分成第一富氮流132和第二富氮流133，该第一富氮流然后经过低压热交换器31，该第二富氮流然后经过高压热交换器32。
由于第一富氮流132和第二富氮流133是从同一流130中分流出来的，因此它们在低压和高压热交换器的冷侧处于相同压力下。在低压和高压热交换器的温热侧上，为了合并这两个流并将它们根据需要引导到下游的不同装置，相应的经加热的第一富氮流134和经加热的第二富氮流135经由结合区段而连接。结合区段在第一连接点400处连接到流134的流动，并且在第二连接点402处连接到流135的流动。需要可调节连接点400和402处的压力，以允许流134和135沿任一方向流动，从而使流134和135能够在再生气体加热器和氮水塔之间灵活分布。另外，在低压和高压热交换器的冷侧上的第一富氮流132和第二富氮流133之间的分布也可以通过放置在热交换器的热侧上的阀来调节。
在图1中，下面描述了示例性阀布置。第一阀301设置在第二连接点402和高压热交换器之间。第二阀302设置在第一连接点与另一实体(在此情况下为氮水塔)之间。因为跨调节阀的压降正常情况下是大约20mbar，所以为了使第一连接点和第二连接点处的压力保持相同，跨高压热交换器的压降需要比跨低压热交换器的压降小至少20mbar。阀由其各自的流量指示控制器(FIC)控制，流量指示控制器自己不会产生大的压降；然而，出于节能原因，它们通常不会与被调节的阀放置在同一流上。例如，用于第一阀的第一FIC放置在流134上，并且用于第二阀的第二FIC放置在再生气体加热器旁边。
假设第一阀和第二阀两者都调节到初始位置，在初始位置，第一连接点400和第二连接点402处的压力相同，则137的全部流量将由流134组成，并且136的全部流量将由流135组成。如果流137需要更多的流量，则将第一阀301关闭稍多一点，因此在402处升高压力并使流135的一部分通过结合区段并与流134合并。同样，如果流136需要更多流量，则将第二阀302关闭更多一点，从而在400处升高压力并使流134的一部分通过结合区段并与流135合并。
在一些情况下，需要稍微升高整个精馏单元的操作压力以向客户提供处于所需压力的产物。这可以通过在第一连接点和低压热交换器之间添加第三阀来实现。当不需要增加压力时，其处于全开位置，并且可以稍微关闭以升高精馏单元的操作压力。其可以由放置在其旁边的压力指示控制器(PIC3)控制。
根据图1的配置对空气分离单元执行了模拟，其氧容量为70,000Nm3/h。模拟是用Hysys工具进行的。表1列出了选定的流动流的模拟压力、流量和温度。
表1。选定流动的模拟属性
Figure BDA0002515533680000111
在上表中，可以看出，在预冷和净化步骤之后的主进料空气流10处于5.563bara和25℃。流10的一小部分在增压压缩机中经历增压机压缩，并成为42.5bara和39℃的流11。流10和流11的其余部分分别进入低压热交换器和高压热交换器中。因为这两个热交换器的温热流的温度变化，所以冷流在其离开单独的热交换器时被温热到不同的温度。在这种情况下，第一富氮流和第二富氮流在进入热交换器之前处于相同的压力和温度。在低压热交换器中对主进料空气流10a进行温热之后，经加热的第一富氮流134以19.4℃的温度结束。相比之下，由于通过与包括若干个增压流的较温热流的间接热交换，经过高压热交换器的经加热的第二富氮流135以35.7℃的温度结束。
表1还显示了一种方案，其中到空气净化单元的流136不需要经加热的第二富氮流135的全部流量。因此，流135的一部分可以补充经加热的第一富氮流134以在氮水塔中执行冷却任务。这种流量分布由通过调节阀稍微升高流135的压力(1.135bara)到高于流134的压力(1.115bara)来实现。结果，送入到氮水塔中的合并流137的温度在经加热的第一富氮流和第二富氮流之间。
还通过仅将经加热的第一富氮流和第二富氮流送入到的单元进行颠倒来对比较实例进行模拟，这类似于现有技术中公开的布置。具体地，将较冷的流引入到再生气体加热器中，并将较热的流输送到氮水塔。表2中示出了与表1的发明示例的比较。
表2。模拟的流动和装备性质
Figure BDA0002515533680000121
在表2的示例中，由低压蒸汽驱动的再生气体加热器201用于将进入的富氮流加热至适于再生的150℃的温度。当进入的富氮流处于较高温度时，加热所消耗的蒸汽较少。在本发明示例中，此进入的富氮流处于35.7℃，对比在比较示例中的26.0℃；结果，比较示例中的再生气体加热器的消耗的蒸汽按流量计多10％。
被送入到氮水塔中的富氮流在本发明示例中也处于21℃的较低温度，低于比较示例中的32℃的温度。在本发明实例中，较冷的富氮流导致在氮水塔中冷冻的较冷的水流140，这继而产生较冷的主进料空气流139离开空气预冷单元。因为较冷的空气流包含较少的水，所以减少了用于去除水的吸附剂(诸如氧化铝)的量。另外，在较低温度下，对其他主要杂质(包括CO2)的吸附效率更高，因此也可以使用较少量的其特定吸附剂(诸如分子筛)。根据模拟，为了处理相同流量的主进料空气流，比较示例需要按体积计多15％的吸附剂。吸附容器的直径与所装吸附剂的体积有关，并且本发明示例的直径较小，为4.9m，对比在比较示例中的直径为5.2m。
进入空气净化单元中的较低温度的进料空气流也在较低温度下离开该单元。然后，流的一部分在增压空气压缩机中被进一步压缩。由于事实上增压空气压缩机对于较冷的进入流更节能，因此本发明示例中消耗的功率小于比较示例中消耗的功率。
根据前面的描述，本领域技术人员可以容易地确定本发明的基本特性，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改以使其适应各种用途和条件。

Claims (27)

1.一种分离空气的方法，包括：
a)使进料空气流(5)依次经过主空气压缩机(1)、空气预冷单元(2)和空气净化单元(3)以产生主进料空气流(10)，在增压空气压缩机(202)中进一步压缩该主进料空气流(10)的一部分以形成具有比该主进料空气流(10)更高的压力和更高的温度的增压空气流(11)；
b)通过与在空气精馏单元(43)中产生的第一富氮流(132)的间接热交换在低压热交换器(31)中冷却该主进料空气流的另一部分(10a)，该空气精馏单元包括第一塔(40)、第二塔(42)和设置在该第二塔(42)的底部处的冷凝器蒸发器(41)，其中，该第一塔在比该第二塔更高的压力下运行，由此产生用于送入到该空气精馏单元(43)中的第一进料空气流(15)；
c)通过与泵送的液氧(102)和在该空气精馏单元(43)中产生的第二富氮流(133)的间接热交换，在高压热交换器(32)中部分地冷却该增压空气流(11)的至少一部分，随后在第一膨胀器(204)中膨胀，之后作为第二进料空气流(16)送入到该空气精馏单元(43)中；
d)在第一压缩机(203)中可选地压缩在该增压空气流的一部分(12)，然后在该高压热交换器(32)中通过与该泵送的液氧(102)和该第二富氮流(133)的间接热交换而冷却该增压空气流的那部分，以产生第三进料空气流(17)，随后在第二膨胀器(205)中膨胀以产生膨胀的第三进料空气流(18)以用于送入到该空气精馏单元(43)中；
e)将在使该第二富氮流(133)经过该高压热交换器(32)之后形成的加热的第二富氮流(135)引入到再生气体加热器(201)和该空气净化单元(3)中以用于再生，并且将在使该第一富氮流(132)经过该低压热交换器(31)之后形成的加热的第一富氮流(134)引入到另一实体中；
其中，该经加热的第一富氮流(134)和该经加热的第二富氮流(135)处于流动连通，并且与该经加热的第一富氮流(134)相比，该经加热的第二富氮流(135)的温度更高。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该第一富氮流(132)和该第二富氮流(133)从抽出自该第二塔(42)的同一富氮气态流(130)分流。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该经加热的第二富氮流(135)比该经加热的第一富氮流(134)更温热2℃～20℃。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该经加热的第二富氮流(135)比该经加热的第一富氮流(134)更温热10℃。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该另一实体包括氮水塔(4)。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该经加热的第一富氮流(134)和该经加热的第二富氮流(135)通过结合区段处于流动连通。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该空气预冷单元包括空气冷却器和该氮水塔。
8.如权利要求6所述的方法，其中，该结合区段在设置在该低压热交换器(31)和该另一实体(4)之间的第一连接点(400)处与该经加热的第一富氮流(134)的流动相交，并在设置在该高压热交换器(32)和该再生气体加热器(201)之间的第二连接点(402)处与该经加热的第二富氮流(135)的流动互连。
9.如权利要求8所述的方法，其中，将该经加热的第一富氮流(134)的一部分引入到该空气净化单元(3)中，以用于通过该结合区段进行再生。
10.如权利要求8所述的方法，其中，将该经加热的第二富氮流(135)的一部分与该经加热的第一富氮流(134)通过该结合区段合并，之后被送入到该另一实体(4)中。
11.如权利要求8所述的方法，其中，通过设置在该高压热交换器(32)和该第二连接点(402)之间的第一阀(301)调节该第一富氮流(132)与该第二富氮流(133)的流量平衡。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该第一阀(301)由设置在该低压热交换器(31)和该第一连接点(400)之间的第一流量指示控制器(FIC 1)控制。
13.如权利要求8所述的方法，其中，通过设置在该第一连接点(400)和该另一实体(4)之间的第二阀(302)调节到该另一实体(4)的流量。
14.如权利要求13所述的方法，其中该第二阀(302)由设置在该第二连接点(402)和该再生气体加热器(201)之间的第二流量指示控制器(FIC 2)控制。
15.如权利要求8所述的方法，其中，能够通过由第三压力指示控制器(PIC 3)控制的第三阀(303)调节该空气精馏单元(43)的操作压力，该第三压力指示控制器和该第三阀均设置在该低压热交换器(31)和该第一连接点(400)之间。
16.如权利要求1所述的方法，其中，跨该高压热交换器(32)中的第二富氮流(133)的通道的压降比跨该低压热交换器(31)中的第一富氮流(132)的通道的压降小至少20mbar。
17.如权利要求1所述的方法，其中，该增压空气流(11)也通过在该高压热交换器(32)中与泵送的液氮(112)的间接热交换而被冷却。
18.如权利要求1所述的方法，其中，该主进料空气流(10)也通过在该低压热交换器(31)中与气态氮产物(120)的间接热交换而被冷却。
19.一种空气分离设备，包括：
a)主空气压缩机(1)和与空气净化单元(3)处于流动连通以产生主进料空气流(10)的空气预冷单元(2)；
b)增压空气压缩机(202)，该增压空气压缩机与该空气净化单元(3)处于流动连通以进一步压缩该主进料空气流(10)的一部分，以形成具有比该主进料空气流(10)更高的压力和更高的温度的增压空气流(11)；
c)低压热交换器(31)和高压热交换器(32)；
d)空气精馏单元(43)，该空气精馏单元包括第一塔(40)、第二塔(42)和设置在该第二塔(42)的底部处的冷凝器蒸发器(41)，以产生第一富氮流(132)和第二富氮流(133)以及液氧(100)；
e)该低压热交换器(31)被配置为接收该主进料空气流的一部分(10a)并通过与该第一富氮流(132)的间接热交换来冷却该主进料空气流的那部分，以形成第一进料空气流(15)和经加热的第一富氮流(134)；
f)第一膨胀器(204)，该第一膨胀器与该增压空气压缩机(202)处于流动连通，以在该增压空气流通过与该第二富氮流(133)和泵送的液氧(102)的间接热交换在该高压热交换器(32)内部分地冷却之后使所述流的至少一部分(14)膨胀，以形成要引入到该空气精馏单元(43)中的第二进料空气流(16)、经加热的第二富氮流(135)和气态氧产物；
g)该高压热交换器(32)被配置为在该增压空气流由第一压缩机(203)可选地压缩之后接收所述流的一部分(12)并通过与该第二富氮流(133)和泵送的液氧(102)的间接热交换来冷却该增压空气流的那部分以形成第三进料空气流(17)，该第三进料空气流要在经由第二膨胀器(205)膨胀之后被引入到该空气精馏单元(43)中；
h)第一导管，该第一导管用于将该经加热的第一富氮流(134)从该低压热交换器(31)输送到另一实体(4)；
i)第二导管，该第二导管用于将该经加热的第二富氮流(135)从该高压热交换器(32)输送到该空气净化单元(3)；
其中，该第一导管和该第二导管通过结合区段互连，以允许该经加热的第一富氮流(134)或该经加热的第二富氮流(135)的至少一部分流过该结合区段。
20.如权利要求19所述的空气分离设备，其中,该空气预冷单元包括空气冷却器和作为该另一实体的氮水塔。
21.如权利要求19所述的空气分离设备，其中,该第一富氮流(132)和该第二富氮流(133)从抽出自该第二塔(42)的同一富氮气态流(130)分流。
22.如权利要求19所述的空气分离设备，其中,该空气精馏单元(43)还产生被引入到该高压热交换器(32)中的液氮(110)和被引入到该低压热交换器(31)中的气态氮产物(120)。
23.如权利要求19所述的空气分离设备，其中,该结合区段在该低压热交换器(31)和该另一实体(4)之间的第一连接点(400)处与该第一导管互连。
24.如权利要求23所述的空气分离设备，其中，该结合区段在该高压热交换器(32)和再生气体加热器(201)之间的第二连接点(402)处与该第二导管互连。
25.如权利要求24所述的空气分离设备，其中，第一阀(301)设置在该高压热交换器(32)和该第二连接点(402)之间，并且其相应的第一流量指示器控制器(FIC 1)设置在该低压热交换器(31)和该第一连接点(400)之间。
26.如权利要求25所述的空气分离设备，其中该第二阀(302)设置在该第一连接点(400)和该另一实体(4)之间，并且其相应的第二流量指示器控制器(FIC 2)设置在该第二连接点(402)和该再生气体加热器(201)之间。
27.如权利要求26所述的空气分离设备，其中，第三阀(303)及其相应的第三压力指示器控制器(PIC3)设置在该低压热交换器(31)和该第一连接点(400)之间。
CN201780097340.2A 2017-12-28 2017-12-28 在包括裂芯式主热交换器的空气分离单元中产生的富氮流的利用 Active CN111433545B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2017/119235 WO2019127179A1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 Utilization of nitrogen-enriched streams produced in air separation units comprising split-core main heat exchangers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111433545A true CN111433545A (zh) 2020-07-17
CN111433545B CN111433545B (zh) 2022-03-04

Family

ID=67064363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780097340.2A Active CN111433545B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 在包括裂芯式主热交换器的空气分离单元中产生的富氮流的利用

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11635254B2 (zh)
EP (1) EP3732415A4 (zh)
CN (1) CN111433545B (zh)
WO (1) WO2019127179A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110864499A (zh) * 2019-12-02 2020-03-06 海南凯美特气体有限公司 一种高效率污氮冷量回收处理空分系统
US20210199378A1 (en) * 2019-12-30 2021-07-01 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L?Exploitation Des Procedes Georges Claude Method and apparatus for improving efficiency of a front-end purification unit of an air separation plant
FR3110685B1 (fr) * 2020-05-20 2022-12-23 Air Liquide Procédé et appareil de séparation d’air par distillation cryogénique
CN114562895B (zh) * 2022-01-26 2024-02-20 杭氧集团股份有限公司 一种空气预冷系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6196024B1 (en) * 1999-05-25 2001-03-06 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Cryogenic distillation system for air separation
CN101103240A (zh) * 2005-01-14 2008-01-09 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 通过低温蒸馏分离空气的方法和装置
EP2662654A1 (en) * 2012-05-07 2013-11-13 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and apparatus for the separation of air by cryogenic distillation
WO2014053297A2 (en) * 2012-10-01 2014-04-10 L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for the separation of air by cryogenic distillation

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1551621A1 (de) 1967-07-13 1972-02-24 Sp Kt Bjuro Kislorodnogo Kompr Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft
JP3715497B2 (ja) 2000-02-23 2005-11-09 株式会社神戸製鋼所 酸素の製造方法
DE10115258A1 (de) * 2001-03-28 2002-07-18 Linde Ag Maschinensystem und dessen Anwendung
US7533540B2 (en) * 2006-03-10 2009-05-19 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation system for enhanced liquid production
US9222725B2 (en) * 2007-06-15 2015-12-29 Praxair Technology, Inc. Air separation method and apparatus
US20110192194A1 (en) * 2010-02-11 2011-08-11 Henry Edward Howard Cryogenic separation method and apparatus
WO2012155318A1 (en) * 2011-05-13 2012-11-22 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and apparatus for the production of oxygen at high pressure by cryogenic distillation
DE102011113262A1 (de) 2011-09-13 2013-03-14 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Drucksauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft
DE102011113671A1 (de) 2011-09-20 2013-03-21 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
WO2018042336A2 (en) * 2016-08-30 2018-03-08 8 Rivers Capital, Llc Cryogenic air separation method for producing oxygen at high pressures
EP3410050B1 (de) * 2017-06-02 2019-05-01 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zur gewinnung eines oder mehrerer luftprodukte und luftzerlegungsanlage

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6196024B1 (en) * 1999-05-25 2001-03-06 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Cryogenic distillation system for air separation
CN101103240A (zh) * 2005-01-14 2008-01-09 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 通过低温蒸馏分离空气的方法和装置
EP2662654A1 (en) * 2012-05-07 2013-11-13 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and apparatus for the separation of air by cryogenic distillation
WO2014053297A2 (en) * 2012-10-01 2014-04-10 L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for the separation of air by cryogenic distillation
CN105431698A (zh) * 2012-10-01 2016-03-23 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 通过低温蒸馏分离空气的方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019127179A1 (en) 2019-07-04
US11635254B2 (en) 2023-04-25
EP3732415A1 (en) 2020-11-04
US20210055049A1 (en) 2021-02-25
CN111433545B (zh) 2022-03-04
EP3732415A4 (en) 2021-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111433545B (zh) 在包括裂芯式主热交换器的空气分离单元中产生的富氮流的利用
CN112005067B (zh) 用于从产氮低温空气分离单元增强回收氩和氧的系统和方法
JP5425100B2 (ja) 低温空気分離方法及び装置
US6336345B1 (en) Process and apparatus for low temperature fractionation of air
CN112041626B (zh) 用于从产氮低温空气分离单元增强回收氩和氧的系统和方法
CN111989528B (zh) 用于从产氮低温空气分离单元增强回收氩和氧的系统和方法
US20120036892A1 (en) Air separation method and apparatus
US20120131951A1 (en) Air liquefaction separation method and apparatus
BR112020021060A2 (pt) unidade de separação de ar, e, método de separação de ar.
US20090241595A1 (en) Distillation method and apparatus
US9360250B2 (en) Process and apparatus for the separation of air by cryogenic distillation
US10981103B2 (en) System and method for enhanced recovery of liquid oxygen from a nitrogen and argon producing cryogenic air separation unit
US5237822A (en) Air separation
US20130086941A1 (en) Air separation method and apparatus
US9291388B2 (en) Method and system for air separation using a supplemental refrigeration cycle
CN111542723B (zh) 一种基于深冷精馏工艺生产空气产品的方法及空分系统
US20200080773A1 (en) Cryogenic air separation unit with flexible liquid product make
US10359231B2 (en) Method for controlling production of high pressure gaseous oxygen in an air separation unit
US20120125044A1 (en) Feed compression method and apparatus for air separation process
US11933538B2 (en) System and method for recovery of nitrogen, argon, and oxygen in moderate pressure cryogenic air separation unit
WO2021242308A1 (en) Enhancements to a dual column nitrogen producing cryogenic air separation unit
CN115485519A (zh) 用于产生氮和氩的低温空气分离单元的集成式氮液化器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant