CN112437862A - 用于低温分离空气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用空气分离设备来低温分离空气的方法，所述空气分离设备具有蒸馏柱系统(100)，所述蒸馏柱系统具有第一分离单元、第二分离单元、第三分离单元和第四分离单元(110‑140)。将压缩并且冷却后的空气送入所述第一分离单元(110)之中，所述第一分离单元(110)以4至9bar绝对压力的第一压力水平运行，所述第二分离单元、第三分离单元和第四分离单元(120‑140)以1至3bar绝对压力的第二压力水平运行，借助所述第一分离单元(110)形成富氧且贫氮、含氩的第一底盘液体和富氮且贫氧的第一顶部气体，将所述第一底盘液体至少部分地转移到所述第四分离单元(130)之中，将所述第一顶部气体至少部分地液化并且送回到所述第一分离单元(110)，借助所述第二分离单元(120)形成富氧的第二底盘液体和富氩的第二顶部气体，将所述第二顶部气体第一部分转移到所述第三分离单元(130)中并且将第二部分转移到所述第四分离单元(140)之中，借助所述第三分离单元(130)将供应给所述蒸馏柱系统(100)的总空气量中所含的氩的至少大部分分离出来，并且借助所述第三分离单元(130)将液态回流提供给所述第二分离单元(120)，借助所述第四分离单元(140)形成第四底盘液体和第四顶部气体，并且将所述第四底盘液体至少部分地送回到所述第二分离单元(120)。所述第二分离单元(120)具有10至50个理论板，所述第三分离单元(130)具有10至60个理论板，所述第三分离单元(130)布置在所述第二分离单元(120)上方并且所述第四分离单元(140)布置在所述第一分离单元(110)旁边。所述第三分离单元(130)在下方区域中相对于所述第二分离单元(120)的上方区域开口，或者所述第三分离单元(130)通过在所述第二分离单元(120)的上方区域与所述第三分离单元(130)的下方区域之间延伸的管道与所述第二分离单元(120)相连。本发明还涉及一种对应的设备(200)。

Description

用于低温分离空气的方法和设备
本发明涉及一种用于低温分离空气的方法和一种根据独立权利要求的前序部分所述的对应的设备。
背景技术
通过在空气分离设备中低温分离空气来生产液态或气态空气产品是已知的并且例如在Wiley-VCH出版公司2006年由H.-W.
Figure BDA0002905178450000011
编辑出版的“Industrial GasesProcessing”一书中，特别地在章节2.2.5“Cryogenic Rectification”中进行了描述。
空气分离设备具有蒸馏柱系统，这些蒸馏柱系统可例如被设计为双柱系统，特别地为典型的林德双柱系统，但也可为三柱或多柱系统。除了用于提取液态和/或气态的氮和/或氧的蒸馏柱，即用于氮氧分离的蒸馏柱外，还可设置用于提取其他空气组分，特别地氪、氙和/或氩的蒸馏柱。
所述蒸馏柱系统的蒸馏柱以不同的压力水平运行。已知的双柱系统具有所谓的高压柱(也被称为压力柱、中压柱或下部柱)和所谓的低压柱(也被称为上部柱)。高压柱典型地以4至7bar的压力水平运行，特别地约5.3bar。低压柱典型地以1至2bar的压力水平运行，特别地约1.4bar。在某些情况下，在低压柱中也可使用较高的压力水平。此处和下文说明的压力为各自给定的柱的顶部处的绝对压力。
在已知的用于低温分离空气的方法和设备中，在高压柱的下部区域形成富集氧且贫化氮的液体并且将其从高压柱中抽出去。将该液体，特别地还含有氩，至少部分地送入低压柱中并且在该处继续分离。在将该液体送入低压柱中之前可使其部分地或完全蒸发，其中在适当时可在不同位置处将蒸发的和未蒸发的部分送入低压柱中。
本发明基于一种方法或者说一种对应的设备，在该方法或者说该对应的设备中使用高压柱和低压柱。然而，在本发明的上下文中，低压柱并非被设计成一体式的，而是被划分为第一区段和第二区段，其中第一区段和第二区段布置在空气分离设备的不同位置处和不同高度上并且特别地在柱子纵轴线的俯视图中不会重叠投影。然而，在本发明的上下文中，低压柱的第一区段和第二区段以同一压力水平运行。在本发明的上下文中所用的被划分为两个区段的低压柱由此与同样已知的布置区分开来，在该同样已知的布置中除了高压柱和低压柱之外还提供另一用于分离氮和氧的柱，该柱然而以介于高压柱和低压柱运行的压力水平之间的压力水平运行。
为提取氩，可使用具有原氩柱和纯氩柱的空气分离设备。
Figure BDA0002905178450000022
(见上文)的书中的图2.3A就示出了一个实施例并且从第26页起在“Rectification in the Low-pressure,Crude and Pure Argon Column”一节中以及从第29页起在“Cryogenic Production ofPure Argon”一节中进行了描述。如其中所述的那样，在对应的设备中氩积聚在低压柱中的特定高度上。在该位置或另一有利的位置处，在适当时也可在氩最高值，即所谓的氩过渡点下方，从低压柱中抽出氩浓度典型地为5至15摩尔百分比的富集氩的气体并且将其转移至原氩柱中。对应的气体典型地含有约100ppm的氮，否则基本为氧。
原氩柱主要用于将氧从从低压柱中抽出的气体中分离出来。可将在原氩柱中分离的氧或者说对应的富氧流体以流体形式送回至低压柱中。在此，典型地在从高压柱中抽出的，富集氧且贫化氮的，并且在适当时部分地或完全蒸发的液体的送入位置下方的多个理论或实际板将氧或者说富氧流体送入低压柱中。将分离过程中保留在原氩柱中的，主要含有氩和氮的气态馏分在纯氩柱中进一步分离，以获得纯氩。原氩柱和纯氩柱具有顶置式冷凝器，特别地可通过从高压柱中抽出的，富集氧且贫化氮的液体的一部分冷却这些顶置式冷凝器，该液体的一部分在冷却时部分地蒸发。也可使用其他流体进行冷却。
原则上，在对应的设备中也可省略纯氩柱，其中在此典型地确保氩过渡处的氮含量低于1ppm。在这种情况下，从原氩柱中抽出的氩，抽出位置在比常规转移到纯氩柱中的流体更下方一点，和从常规纯氩柱中抽出的氩质量相同，其中原氩冷凝器，即原氩柱的顶置式冷凝器与对应的抽气设备之间的区段中的板用作氮的阻挡板。
与
Figure BDA0002905178450000021
(见上文)参考附图2.4A所述的一样，尽管氩在大气中的含量低于1摩尔百分比，但是对低压柱中的浓度分布曲线有很大影响。因此可以将典型地包括30至40个理论或实际板的低压柱最下面分离段中的分离视为氧与氩之间的基本二元分离。只有从转移到原氩柱中的气体的出口位置起，少数理论或实际板之内的分离才会转变为氮、氧和氩的三元分离。
因此，即使在对应的设备或对应的方法中不应进行氩的提取，从低压柱中排出氩也可证实是有利的。如前所述，当使用原氩柱时进行对应的氩排出，因为富氩气体从低压柱转移到原氩柱中，但是基本上仅将该气体中所含的氧送回到低压柱中。与之相反，利用对应地提取的气体所排出的氩则被持续从低压柱抽出。
所谓“氩排出”，这里一般指的是从低压柱将含氩的流体转移到另一个分离单元之中并且在贫化氩之后部分或完全从另一个分离单元送回到低压柱中的措施。氩排出的经典方式就是使用原氩柱。但也可以使用以下所述的氩排出柱。
氩排出的有利效应归因于不再需要在低压柱中为了排出的氩量而分离氧和氩，而是可以将这种二元分离从低压柱转移出来。原则上，在低压柱中分离氧和氩本身就很麻烦，而且要求主冷凝器有对应的“加热”功率。通过从低压柱排出氩，就可以减少主冷凝器的加热功率。因此，在氧产量保持不变的情况下，例如要么可以将更多空气注入低压柱之中，要么从高压柱抽出更多压缩氮气，各自又都可以提供能量优势。
在传统的原氩柱中，正如所解释的那样，原氩被提取并在下游的纯氩柱中净化成为纯氩。与之相反，氩排出柱则主要用于氩排出，目的就是为了改善低压柱中的分离。这里所谓的“氩排出柱”原则上可以理解为用来分离氧和氩的分离柱，该分离柱不是用来提取纯氩产物，而是基本上用来从低压柱排出氩。
氩排出柱的构造与传统原氩柱的构造原则上只有很小的差别。然而，氩排出柱典型地包含少得多的理论或实际板，即少于40个，特别地在介于15与30个之间。关于板数的更多数值参考下面的详细说明。与传统的原氩柱一样，氩排出柱的底盘区域通常尤其可以与低压柱的中间部位相连。特别地，可以借助顶置式冷凝器冷却氩排出柱，在该顶置式冷凝器中使得从高压柱抽出的富氧且贫氮的液体部分地蒸发。氩排出柱典型地不具有底盘蒸发器。本发明使用以下述方式布置的氩排出柱。
US 5 339 648 A公开了一种空气分离设备，其具有高压柱和在一个区段中垂直划分的低压柱。由此在该区段中形成的低压柱部分范围可以用来排出氩。根据US 5 311 744A，整个氩柱位于高压柱上。在氩柱下方有另一个分离段，在该分离段上方抽出流体并且将其送入氮气汽提塔之中。FR2 739438A1公开了一种蒸馏柱系统，其具有两分式低压柱，其中氩柱就立在该组件旁边。
本发明的任务在于，使用氩排出柱改善空气的低温分离，并且特别地以更有利的方式设计所用蒸馏柱的布置。
发明内容
在此背景下，本发明提出具有相应的独立权利要求的特征的一种用于低温分离空气的方法和一种对应的设备。实施方案是各自从属权利要求以及以下说明的主题。
在解释本发明的特征和优点之前，先对本发明的一些基本原理进行进一步的解释，并对下面所用的术语进行定义。
在空气分离设备中使用的装置在引用的专业文献，例如
Figure BDA0002905178450000041
(见上文)的书中的章节2.2.5.6“Apparatus”中进行了描述。因此，除非下文的定义与之有偏差，否则本申请的上下文中的用语明确参照所引用的专业文献。
在本文使用的语言中，流体和气体可富含或缺乏一种或多种成分，其中“富含”可表示在摩尔、重量或体积基础上的至少50％、75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，而“缺乏”可表示最多50％、25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量。“大部分”这一概念可对应于“富含”这一定义。此外，液体和气体可富集或贫化一种或多种成分，其中这些概念指的是初始液体或初始气体中的含量，从该初始液体或初始气体中提取了液体或气体。如果液体或气体相对于初始液体或初始气体含有至少1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1,000倍的对应成分的含量，则为“富集”，而如果液体或气体含有最多0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍的对应成分的含量，则为“贫化”。如果在此例如提及“氧”、“氮”或“氩”，则也应将其理解为富含氧或氮，但不一定完全由这些物质组成的液体或气体。
本申请书使用“压力水平”和“温度水平”这两个概念来表征压力和温度，由此表示不必为了实现本发明的理念而在对应设备中使用以精确的压力或温度值的形式的相应压力和温度。然而，此类压力和温度典型地在一定的范围内移动，该范围例如为平均值±1％、5％或10％。在此，对应的压力水平和温度水平可在不相交的范围内，或者在相互重叠的范围内。特别地，例如压力水平包括不可避免的或预期的压力损失。对应的内容适用于温度水平。此处单位为bar的压力水平为绝对压力。
空气分离设备的高压柱和低压柱(或者说在本发明的上下文中低压柱的第一区段)通过所谓的主冷凝器处于热交换连接中。主冷凝器可特别地布置在低压柱(或者说此处为其第一区段)的下部(底盘)区域中。在这种情况下，涉及所谓的内置主冷凝器并且主冷凝器的蒸发腔同时是低压柱(或者说其第一区段)的内腔。然而主冷凝器，即所谓的外置主冷凝器原则上可布置在高压柱的内腔外部。
主冷凝器和本发明的上下文中所用的氩排出柱的顶置式冷凝器可以各自设计成冷凝器蒸发器。“冷凝器蒸发器”指的是将第一冷凝流体流与第二蒸发流体流在其中间接换热的换热器。每个冷凝器蒸发器都有具有液化或蒸发通道的液化室和蒸发室。在液化室中使得第一流体流冷凝(液化)，在蒸发室中使得第二流体流蒸发。蒸发室和液化室通过相互间存在换热关系的通道组形成。特别地，主冷凝器可以设计成单层或多层浸没式蒸发器，特别地可以设计成(例如EP 1 287 302 B1中所述的)级联蒸发器，但或者也可以设计成降膜蒸发器。主冷凝器可以通过单个换热器模块或者布置在同一个压力容器中的多个换热器模块形成。然而，本发明明确不限于冷凝器蒸发器或者说冷凝器的对应类型。
空气分离设备的蒸馏柱系统布置在一个或多个冷箱中。“冷箱”在此应理解为隔热的包封，该包封包括整体带外壁的隔热内腔，除了管路和类似部件的绝缘套管。在该内腔中布置有需要隔热的设备部件，例如一个或多个蒸馏柱和/或换热器。隔热效果可通过对应的外壁实施方案和/或通过用绝缘材料填充设备部件与外壁之间的间隙来实现。对于后一种变体，优选地使用粉状材料，如珍珠岩。在常见的空气分离设备中，不仅用于低温分离空气的设备的蒸馏柱系统，而且主换热器和其他低温设备部件均被一个或多个冷箱所包围。冷箱的外部尺寸通常决定了预制设备的运输尺寸。
空气分离设备的“主换热器”用于在与蒸馏柱系统中的回流进行间接热交换时冷却进气。主换热器可由单个或多个并联和/或串联的换热器区段形成，例如由一个或多个板式换热器组形成。专门用于单一液体或超临界流体的蒸发或假蒸发而不对另一种流体进行加热和/或蒸发的单独换热器不属于主换热器。
在本文使用的语言中，“过冷器”或“超低温逆流换热器”(这两个术语在下文中完全可以相互替换使用)是一种换热器，在空气分离设备中气态和液态物料流通过该换热器互相进行热交换，这些物料流从精馏柱系统中抽出并且经过热交换后部分或完全返回精馏柱系统。
“上部”、“下部”、“上方”、“下方”、“在…之上”、“在…之下”、“在…旁边”、“并排”、“垂直”、“水平”等相对的空间概念在此涉及空气分离设备的蒸馏柱在正常运行中的空间取向。两个蒸馏柱或其他组件“上下重叠”的布置在此应理解为，两个设备部件中下方的那个的上端与两个设备部件中上方的那个的下端相比处于较低或相同的测地学高度，并且两个设备部件的投影在水平面上重合。特别地，两个设备部件精确地上下重叠布置，也就是说，两个设备部件的轴线在同一垂直直线上延伸。然而在其他情况下，特别地当设备部件具有不同直径的时候，不将轴线上下重叠布置也可能是有利的，例如为了将具有较小直径的设备部件更加靠近冷箱壁布置。
本发明的优点
本发明基于这样的认识：以明显不同于现有技术的方式将氩排出柱布置在具有两分式低压柱的空气分离设备的蒸馏柱系统中，就能特别有效地实施空气分离方法，并且特别地能以特别简单而且成本低廉的方式建造对应的空气分离设备。
在本发明的上下文中可以实现的优点特别地包括能够以特别有利的方式将本发明提出的蒸馏柱系统的相应组件布置在不同的冷箱中，所述冷箱即使在使用氩排出柱的情况下也能预先制作，并且可以预制后运送到相应的使用地点。然而，本发明的优点并不限于改善了冷箱中各组件的可布置性和可运输性，而且特别地也包括能以简单的方式建造对应的空气分离设备，因为舍弃了大量的管道，例如以不一样的常规方式布置氩排出柱的时候典型地就需要大量管道。
除了以上所述将低压柱两分之外，本发明的一种特别优选的实施方案的一个重要方面还在于，将氩排出柱在下侧打开的状态下放在对应的两分式低压柱的下方区段上。在本申请书的上下文中，两分式低压柱的“下方区段”或“第一区段”通常指的是在其底盘中、如同在传统的一体式低压柱的底盘中一样形成富氧液体的那个区段。但是在另一种优选的实施方案中，氩排出柱也可以通过管路与两分式低压柱的下方区段相连。在本发明的所有实施方案中，氩排出柱布置在低压柱下方部分的上方。
在此，对应的两分式低压柱的下方区段或者说第一区段在所有情况下都可以作为结构单元与高压柱相连。特别地，将高压柱和低压柱以换热方式相连的主冷凝器也位于两分式低压柱的第一区段或者说下方区段之中。与之相反，两分式低压柱的“第二区段”或“上方区段”则是在其中顶侧形成富氮顶部气体的那一段，该顶部气体可作为对应的(低压)氮产物输出。在本发明的上下文中，特别地将低压柱适当两分，从而在两分式低压柱的上方区域或者第一区段或者说下方区段的顶部产生氩浓度的最大值，相当于传统一体式低压柱中最大氩浓度的区域。这一点特别地通过对应地选择低压柱第一部分或者说下方区段中的理论板数量和已知的结构性措施来予以实现。
通过高压柱、低压柱的第一区段和氩排出柱的根据本发明所提出的布置，特别地可以将所实现的对应结构单元安置到尚可运输的冷箱之中，因此可以预制对应的空气分离设备并且必要时可以将对应的冷箱带到相应的使用地点。空气分离设备低温部分中的其余组件，特别地低压柱的第二区段，必要时还有超低温逆流换热器，均可以转移到至少一个第二冷箱之中，该第二冷箱典型地也不超过可供运送至使用地点的最大尺寸。如果将低压柱的第二区段转移到某个冷箱之中，并且将用于所述分离单元管道安装的管路，特别地与过冷器一起转移到另一个冷箱之中，即可产生本发明的一种特别有利的实施方案。
总而言之，本发明提出一种使用具有蒸馏柱系统的空气分离设备来低温分离空气的方法。在本发明的上下文中，蒸馏柱系统包括第一分离单元(相当于传统空气分离设备的高压柱)、第二分离单元(相当于两分式低压柱的第一区段或下方区段)、第三分离单元(相当于氩排出柱)和第四分离单元(相当于两分式低压柱的第二区段或上方区段)。在本发明的上下文中，将压缩并且冷却后的空气送入第一分离单元中，但不一定仅送入该分离单元。可以借助已知的措施压缩对应的空气，特别地使用主空气压缩机，必要时使用一个或者多个二次压缩机、增压机等等。在本发明的上下文中，借助同样已知的措施对其进行净化，特别地清除水和二氧化碳。在本发明的上下文中，可以将不同的措施用于空气净化和冷却，以及用于进一步处理该空气。特别地，也可以使用一个或多个减压阀、增压机、涡轮机等等，这些设备正如空气分离领域基本上已知的一样。详细情况再次参阅相关专业文献，例如
Figure BDA0002905178450000081
(见上文)的书。
在本发明的上下文中，第一分离单元以4至9bar、特别地4至8bar绝对压力的第一压力水平运行，例如大约5.3bar绝对压力的压力水平，相当于空气分离设备高压柱的正常运行压力。在本发明的上下文中，第二分离单元、第三分离单元和第四分离单元相反地以共同的第二压力水平运行，该压力水平在本发明的上下文中为1至3bar、特别地为1至2bar绝对压力，即相当于空气分离设备低压柱的典型压力水平。第二压力水平例如可以为大约1.4bar绝对压力。
在本发明的上下文中，正如对于空气分离设备的高压柱来说已知的一样，借助第一分离单元形成富氧且贫氮、含氩的第一底盘液体和富氮且贫氧的第一顶部气体。更多详情也参阅关于空气分离或关于运行已知空气分离设备的高压柱的相关专业文献。
在本发明的上下文中，将第一底盘液体部分或完全转移到第四分离单元中，并且将第一顶部气体部分或完全液化并送回到第一分离单元。特别地，为液化第一顶部气体或者其送回到第一分离单元的部分，使用主冷凝器，该主冷凝器在本情况下将第一分离单元和第二分离单元以换热方式相连。以下所述为关于对应主冷凝器的进一步详情。
本发明并不限于仅仅液化送回到第一分离单元的第一顶部气体部分。更确切地说，在本发明的上下文中，其他顶部气体也可被液化并且特别地作为液态空气产物，没有或者有随后的蒸发或者转变为超临界状态，作为产物从空气分离设备排出。在本发明的上下文中，还可以从第一分离单元的顶部将其他液化的顶部气体，也就是将液化的第一顶部气体作为回流交给第四分离单元，特别地在预先输送对应的液化顶部气体被引导经过超低温逆流换热器之后。未液化的顶部气体也可以从第一分离单元的顶部被抽出并且例如作为压缩氮气产物从空气分离设备输出。如前所述，通过使用氩排出柱，特别地可以使得从空气分离设备排出的高压柱顶部气体量增加。
在本发明的上下文中，借助第二分离单元形成富氧的第二底盘液体和富氩的第二顶部气体。这例如可以具有5％至15％的氩含量并且剩余部分中具有的基本上为氧。如前所述，在本发明的上下文中，第二分离单元基本上相当于两分式低压柱的下方区段或第一区段，或相当于直至氩最大值的传统一体式低压柱的下方部分。同样如前所述，这一点通过选择对应的分离剂或选择分离板的数量即可予以实现。第二分离单元的对应的设计使得能够以有利方式在第三分离单元中排出氩。
在本发明的上下文中，为此将第二顶部气体第一部分转移到第三分离单元中，将第二部分转移到第四分离单元中。第四分离单元相当于两分式低压柱的传统第二区段或者说上方区段，而第三分离单元则基本上设置成用于排出氩。如下所述，在本发明的上下文中，可以将第三分离单元与第二分离单元一起设计成结构单元。因此，在这种情况下不需要从低压柱输出对应的流体并且转移到氩排出柱中。而是代之以在本实施方案中将第二顶部气体特别地不用转向就转移到第三分离单元中。在本实施方案中，特别地不用管路进行转移。
借助第三分离单元将供应给蒸馏柱系统的空气总量中所含的至少大部分氩分离出来，其中借助第三分离单元产生送回到第二分离单元的液态回流。为此，第三分离单元具有可以使用已知分离装置、特别地有序或无序填料或板来形成的分离区。关于第三分离单元的尺寸设计参阅下面的解释。原则上，可以用已知方式设计第三分离单元，其中第三分离单元相当于一个氩排出柱，该氩排出柱然而在下方区域中相对于第二分离单元开口。
在本发明的上下文中，借助第四分离单元形成第四底盘液体和第四顶部气体并且将第四底盘液体部分或完全送回到第二分离单元。根据本发明，第四分离单元布置在第一(和由此必要时还有第二)分离单元旁边，因此特别地使用合适的泵将第四底盘液体转移到第二分离单元。
在本发明的上下文中，特别地设置成，第二分离单元也就是低压柱的第一区段或者说下方区段具有10至50个理论板，特别地具有20至40个理论板。在本发明的上下文中，第三分离单元具有10至60个理论板，特别地具有15至30个理论板。因此，第二分离单元为包括典型氧区段或者说这类氧区段的对应分离装置的低压柱区段。与之相反，第三分离单元则如同多次解释的那样被设计成氩排出柱。特别地，第三分离单元可以具有最多为第二分离单元直径的80％、70％、60％或50％的直径。
在本发明的上下文中，此外设置成，第三分离单元(以上述解释的意思)布置在第二分离单元上方，特别地恰好在其上方，并且第三分离单元在下方区域中特别地不呈锥形地相对于第二分离单元的上方区域开口，或者第三单元通过在第二分离单元的上方区域和第三分离单元的下方区域之间延伸的管路与第二分离单元相连。在此，所谓第三分离单元“不呈锥形的”开口指的是第三分离单元的柱壳相对于第二分离单元的柱壳不具有缩窄部分。特别地，在本发明的上下文中，在此实施方案中不存在相对于第三分离单元横截面的横截面减小。特别地，然而第三分离单元可以如前所述具有比第二分离单元更小的横截面，并且第三分离单元的整个横截面可供第二顶部气体的第一部分流入到第三分离单元之中。与传统的将氩排出柱布置在由高压柱和低压柱构成的蒸馏柱系统旁边的布置相比，在本发明的上下文中，即使在一种实施方案中有管路在第二分离单元的上方区域和第三分离单元的下方区域之间延伸，也不需要借助泵、管路等等转移对应的流体。相反地，来自第二分离单元的第二顶部气体基本上无阻碍上升到第三分离单元之中并且来自第三分离单元的液体可以基本上无阻碍流出到第二分离单元之中。如果第三分离单元在下方区域中相对于第二分离单元的上方区域开口，那么这一点特别地不用转向或者说不用管路就能予以实现。如前所述，本发明的一个特别优点也就在于此。
仅为了全面起见，再次强调，在本发明的上下文中，第一分离单元和第二分离单元也是上下重叠布置，另外也与以上和以下解释所述的一样。
就此而言，正如对于氩排出柱已知的一样，在本发明的上下文中所用的氩排出柱、即第三分离单元也可以具有顶置式冷凝器，该顶置式冷凝器可以利用来自高压柱的富氧液体、在此即第一底盘液体来冷却。随后可以将冷却时部分蒸发的对应液体特别地在不同的高度送入第四分离单元之中。有利地，在顶置式冷凝器之外分开对应的流，使其具有不同的浓度。
在本发明的上下文中，如前所述，特别地可以使用之前所述类型的降膜蒸发器或者级联蒸发器、特别地多层级联蒸发器作为主冷凝器，也就是作为将第一分离单元和第二分离单元以换热方式相连的冷凝器。以此方式，在对应的主冷凝器中产生特别有效的液化。然而，本发明明确不限于此类形式的冷凝器蒸发器，而是可以与任意类型的主冷凝器一起使用。
在本发明的上下文中，被送入到第一分离单元中的压缩且冷却后的空气特别地可以包括气态和液化的进气流，可将其各自以第一压力水平送入到第一分离单元之中。在这种情况下，可以将气态进气流在第一进料位置、并且将液态进气流在第二进料位置送入到第一分离单元之中，其中第一进料位置位于第二进料位置下方，其中在第一进料位置下方典型地在第一分离单元中不设置分离装置，其中第二进料位置有利地处在可以从第一分离单元从中抽出液态物料流的液体截留装置上方，并且其中第二进料位置处在某个分离单元或者第一分离装置某个分离区域的上方。应当明确强调的是，在本发明的上下文中，也可以将进气例如分两个阶段在共同的管路中送入到第一分离单元之中。在空气分离领域，形成对应的物料流是已知的。
特别有利的是，在本发明的上下文中，第一分离单元和第二分离单元在结构上相互连接，并且可以布置在共同的柱壳之内，其中该共同的柱壳也可以在结构上与第三分离单元相连。本发明所述的共同的柱壳特别地可以是共同的圆柱形外容器，从而能够以相同的横截面制造在本发明的上下文中的第一分离单元和第二分离单元。如果高压柱或者说第一分离单元具有比低压柱的第一区段或者说第二分离单元更小的直径，则典型地不安置在共同的柱壳中；将高压柱的柱壳安装在低压柱根部区段的柱壳底侧。那么在这种情况下，第一分离单元和第二分离单元一般具有独立、但是相互连接的柱壳。那么原则上也可以使用不同的横截面。第三分离单元特别地具有比第一分离单元和/或第二分离单元更小的横截面，因此不必布置在这个共同的圆柱形柱壳之内，但是如果第三分离单元在下方区域中相对于第二分离单元的上方区域开口，则与第一分离单元和第二分离单元的共同柱壳或者说与第二分离单元的柱壳相连，例如焊接到第二分离单元上方区域中的开口上。在这种情况下，一般设置第二分离单元和第三分离单元的柱壳的无管路的直接接触。如前所述，但也可以设置成通过管路连接。
第四分离单元有利地在结构上并非如此与第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元相连，而是仅通过管道安装或管路连接到第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元。以此方式，一方面可以将第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元，并且另一方面可以将第四分离单元布置在对应设备的不同位置上，并且特别地可以将其安置在不同的冷箱中。在此，第四分离单元同样可以具有比第二分离单元更小、但也可以更大的横截面。特别地，第四分离单元可以具有18至65个理论板，并且因此相当于通过第二分离单元构成其第一区段的对应两分式低压柱的剩余部分。
在本发明提出的方法中，第二顶部气体的第一部分特别地具有第二顶部气体的20％至50％体积百分比，并且第二顶部气体的第二部分具有50％至80％体积百分比(因此特别为剩余部分)。以此方式，在本发明的上下文中，在第三分离单元中产生特别有效的氩排出。
如前所述，在本发明的上下文中，第四分离单元布置在第一分离单元旁边，并且在此特别地布置在单独的冷箱中。以此方式，对应空气分离设备的总高就会总体上减小。在此类实施方案中，特别地设置成，使用输送泵或者至少两个并联布置的输送泵将第四底盘液体送回到第二分离单元中，并且在此特别地在第二分离单元的顶部将其作为液态回流交给第二分离单元。特别地，可以并联运行两个泵并且出于冗余原因可以提供第三个泵。使用两个并联布置的输送泵，就能以特别简单的方式进行建造，因为有对应尺寸的标准泵可供使用。在此，对应的输送泵设置成用于克服第二分离单元与第四分离单元之间的高差，反之亦然。反之，第二顶部气体的第二部分可有利地通过第二分离单元与第四分离单元之间的最小压力差流入到第四分离单元之中。
特别地，将第四分离单元适当布置在第一分离单元旁边，使得第四分离单元的下终端布置在第一分离单元的下终端上方不超过八米，特别地不超过七米、六米或五米，例如一至四米。在此，“下终端”是分离单元的一部分，即形成柱内腔边界的柱底盘。但是还有管路从这里引出。特别地，将第四分离单元布置在所述高度的支架上，以保证所用的泵有足够的汽蚀余量。通过此类布置，可以建造特别紧凑并且其垂直范围有限的空气分离设备。
如前多次所述，第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元有利地布置在一个共同的冷箱中，并且第四分离单元布置在另一个冷箱中。
在本发明的上下文中，一方面第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元以及另一方面第四分离单元特别地相互连接并且/或者借助管道与其他设备相互连接。该管道的至少一部分可以垂直延伸。在本发明的上下文中，可以独立于其中一方面布置有第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元以及另一方面布置有第四分离单元的两个冷箱，将这种管道的至少一部分布置在一个附加冷箱中，这里将其称作“管道冷箱”，该冷箱是可以预制的。提供对应的管道冷箱就能对应地减小另外两个冷箱的尺寸，并且特别地能以可(更好地)运输的方式设计这些冷箱。管道冷箱中也可以安置大部分仪表、阀门等等。它们例如可以包含形成管道系统的管路长度的至少50％、60％、70％或80％。在对应的空气分离设备的建造地点，将冷箱相互连接起来并且由此同时建立管道系统。如果管道冷箱也包含空气分离设备中所提供的、能够以特别有利的方式与管道系统一起布置的过冷器或超低温逆流换热器，则特别有利。
在本发明的上下文中，特别地可设置成，引导第一底盘液体首先经过对应的过滤逆流换热器，无论其是否布置在另一个冷箱中，并且然后将该液体在第一进料位置送入到第四分离单元中。此外还可以设置成，在附近，优选直接在液态进气流进入第一分离单元中的进料位置下方，从第一分离单元抽出液态物料流，引导其经过超低温逆流换热器，并且在第二进料位置处将其送入到第四分离单元中。在此，进入第四分离单元的第二个进料位置有利地在进入第四分离单元的第一进料位置上方并且有利地通过至少一个分离段与后者分开。
特别地，在本发明的上下文中，液态空气产物可以从蒸馏柱系统被抽出，在液体状态下升高压力，通过加热转变为气态或者超临界状态，并且从空气分离设备中排出。因此，特别地可以在与空气产物的所谓内压缩有关的情况下使用本发明。关于内压缩方法的详细说明参阅引用的现有技术。
在本发明的上下文中，可以从蒸馏柱系统抽出其他物料流并且作为空气产物提供。因此，特别地可以从第四分离单元抽出气态物料流，引导其经过超低温逆流换热器，并且作为所谓的不纯氮气从蒸馏柱系统输出。从第四分离单元抽出的部位有利地位于进入第四分离单元中的第二进料位置上方。此外，在本发明的上下文中，还可以在第四分离单元的上方区域中抽出液态物料流并且作为液态氮产物提供。此外，也可以在第四分离单元的上方区域中抽出气态富氮的流，引导其经过超低温逆流换热器，并且作为对应的低压氮产物提供。
本发明还涉及一种具有蒸馏柱系统的空气分离设备，该蒸馏柱系统包括第一分离单元、第二分离单元、第三分离单元和第四分离单元，正如对应独立权利要求中所述的一样。
本发明所述的有利地用于执行一种方法的空气分离设备，如之前解释那样，以同样的方式得益于本发明所述方法在其所解释的实施方案中的优点。因此，明确参阅上述解释。
附图说明
图1为根据本发明的一种实施方式的空气分离设备的蒸馏柱系统的局部示意图。
具体实施方式
图1示出了适配成用于按照本发明的一种实施方式所述的运行的空气分离设备的蒸馏柱系统的简化局部视图。图1中所示的蒸馏柱系统用100来整体表示。该蒸馏柱系统在此处仅略微勾勒的空气分离设备200中提供。
图1中所示的蒸馏柱系统100的组件包括第一分离单元110、第二分离单元120、第三分离单元130和第四分离单元140、主冷凝器150、超低温逆流换热器160、输送泵170、内压缩泵180和顶置式冷凝器190。
第一分离单元110相当于传统的空气分离设备的高压柱。第一分离单元以此处称作“第一压力水平”的对应压力水平运行。第二分离单元120和第四分离单元140相当于传统的空气分离设备的低压柱的第一区段和第二区段。它们均以此处称作“第二压力水平”的对应共同压力水平运行。第三分离单元130是氩排出柱。它同样以第二压力水平运行。
在图1中所示的蒸馏柱系统100中，第一分离单元110和第二分离单元120通过主冷凝器150以换热方式连接，正如以下还将解释的一样。第一分离单元110和第二分离单元120特别地还布置在共同的柱壳之内，并且如上所述上下重叠、特别地直接上下重叠。顶置式冷凝器190布置在第三分离单元130的上端。在此处所示的替代方案中，第三分离单元130在下方区域中相对于第二分离单元120的上方区域开口。但也可以将第三分离单元130通过在第二分离单元120的上方区域和第三分离单元130的下方区域之间延伸的管道与第二分离单元120相连。此情况未单独绘图表示。
关于其一部分可以是蒸馏柱系统110的空气分离设备的更多说明，参阅相关的专业文献，例如
Figure BDA0002905178450000151
(见上文)的书，特别地章节2.2.5和附图2.3A。在此类空气分离设备中，特别地可以提供气态进气流1和液化的进气流2。就此而言，特别地可以使用已知类型的主空气压缩机、净化和纯化装置、涡轮机、减压阀和主换热器。
将进气流1和2各自在进料位置111和112送入到第一分离单元110之中。在第一分离单元110中，以第一压力水平形成富氧且贫氮、含氩的底盘液体和富氮且贫氧的顶部气体。从第一分离单元110以物料流3的形式抽出底盘液体。从第一分离单元110以物料流4的形式抽出顶部气体。直接在进气流2的进料位置112下方从第一分离单元110输出以物料流5的形式的液体。
物料流3被引导经过超低温逆流换热器160，并且部分以物料流31的形式在进料位置141送入到第四分离单元140之中。另一部分以物料流32的形式转移到顶置式冷凝器190的蒸发室之中。从顶置式冷凝器190的蒸发室抽出液态物料流33和气态物料流34，并且同样送入到第四分离单元140之中，而且特别地在不同的高度。同样地，物料流4被划分为两个分流41和42。第一分流41在主冷凝器150中部分或完全液化。第一分流41的第一部分411在进料位置113作为回流送回到第一分离单元110。第一分流41的第二部分412被引导经过超低温逆流换热器160并且作为回流交给第四分离单元140。从蒸馏柱系统100输出分流42作为气态压缩氮气产物。物料流5被引导经过超低温逆流换热器160，并且在进料位置142送入到第四分离单元140之中。
在第二分离单元120中，形成富氧的底盘液体和富氩的顶部气体。从第二分离单元120以物料流6的形式抽出底盘液体。在内压缩泵180中，将物料流6的第一分流61在液体状态下提高压力，通过加热转变成气态或者超临界状态(在图1中未单独表示)并且作为内压缩的压缩氧气产物输出。在部分引导经过超低温逆流换热器160并且经过对应调温之后，物料流6的第二分流62被提供作为液态氧产物。
第二分离单元120的顶部气体部分上升进入第三分离单元130，该分离单元布置在第二分离单元120上方，并且在下方区域中特别地以没有横截面缩窄的方式朝向第二分离单元120开口。以物料流7的形式抽出另一部分顶部气体。物料流7在进料位置143被送入到第四分离单元140的下方区域。
在第三分离单元130中，形成顶部气体，该顶部气体至少包含之前包含在供应给蒸馏柱系统100的进气中的绝大部分氩气。以物料流8的形式从第三分离单元130抽出该顶部气体。从第三分离单元130滴流的、以此方式贫化氩或者(基本上)没有氩的液体直接重新抵达第二分离单元120。因此，在第三分离单元130中进行氩排出。
在第四分离单元140中形成底盘液体和顶部气体。从第四分离单元140以物料流9的形式抽出底盘液体，并且借助输送泵170将其作为回流送回到第二分离单元120，并且在此在进料位置114送入到第二分离单元120之中。从第四分离单元抽出物料流10，即所谓的不纯氮，引导其经过超低温逆流换热器160，并且从蒸馏柱系统100输出。同样的情况适用于作为气态低压氮产物提供的富氮物料流11。从第四分离单元140的顶部的液体截留装置以物料流12的形式抽出富氮液体，并且作为液氮产物提供。如果不需要气态低压氮产物，就可以在第四分离单元14中省去对应的分离段，并且抽出所有顶部气体作为相当于物料流10的不纯氮。
与这里所示的一样，但是对于本发明并非必须，在冷箱A或B中一方面提供第一分离单元110、第二分离单元120和第三分离单元130并且另一方面提供第四分离单元140，并且借助这里以20概括表示的管路或管道将其相互连接，并且/或者与超低温逆流换热器160和图中没有绘制的主换热器之类的其他设备相连。管道至少分段地垂直延伸。可以独立于其中一方面布置了第一分离单元110、第二分离单元120和第三分离单元130以及另一方面布置了第四分离单元140的两个冷箱A和B，将此类管道20的至少一部分布置在一个附加冷箱C中。用于管道的该附加冷箱C特别地也可以包含过冷器160。

Claims (13)

1.一种使用空气分离设备来低温分离空气的方法，所述空气分离设备具有蒸馏柱系统(100)，所述蒸馏柱系统具有第一分离单元(110)、第二分离单元(120)、第三分离单元(130)和第四分离单元(140)，其中将压缩并且冷却后的空气送入所述第一分离单元(110)之中，所述第一分离单元(110)以4至9bar绝对压力的第一压力水平运行，所述第二分离单元(120)、所述第三分离单元(130)和所述第四分离单元(140)以1至3bar绝对压力的第二压力水平运行，借助所述第一分离单元(110)形成富氧且贫氮、含氩的第一底盘液体和富氮且贫氧的第一顶部气体，将所述第一底盘液体部分或完全转移到所述第四分离单元(130)之中，将所述第一顶部气体部分或完全液化并且送回到所述第一分离单元(110)，借助所述第二分离单元(120)形成富氧的第二底盘液体和富氩的第二顶部气体，将所述第二顶部气体第一部分转移到所述第三分离单元(130)中并且将第二部分转移到所述第四分离单元(140)之中，借助所述第三分离单元(130)将供应给所述蒸馏柱系统(100)的总空气量中所含的氩部分或完全分离出来，借助所述第三分离单元(130)将液态回流提供给所述第二分离单元(120)，借助所述第四分离单元(140)形成第四底盘液体和第四顶部气体，并且将所述第四底盘液体部分或完全送回到所述第二分离单元(120)，其特征在于，所述第二分离单元(120)具有10至50个理论板，所述第三分离单元(130)具有10至60个理论板，所述第三分离单元(130)布置在所述第二分离单元(120)上方，所述第四分离单元(140)布置在所述第一分离单元(110)旁边，并且所述第三分离单元(130)在下方区域中相对于所述第二分离单元(120)的上方区域开口，或者所述第三分离单元(130)通过在所述第二分离单元(120)的上方区域与所述第三分离单元(130)的下方区域之间延伸的管道与所述第二分离单元(120)相连。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第四分离单元(140)的下终端布置在所述第一分离单元(110)的下终端上方不超过八米。
3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中送入到所述第一分离单元中的压缩和冷却后的空气包括气态和液化的进气流(1,2)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第一分离单元(110)和所述第二分离单元(120)布置在一个共同的柱壳之内或者布置在两个结构上相连的柱壳中，其中所述共同的柱壳或者所述第二分离单元(120)的柱壳与所述第三分离单元(130)在结构上相连。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第四分离单元具有18至55个理论板。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第二顶部气体的第一部分包括所述第二顶部气体的20％至60％体积百分比并且所述第二顶部气体的第二部分包括40％至80％体积百分比。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中使用输送泵(170)或者使用两个或多个并联布置的输送泵将所述第四底盘液体送回到所述第二分离单元(120)之中。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述第一分离单元(110)、所述第二分离单元(120)和所述第三分离单元(130)布置在一个共同的冷箱(A)中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第四分离单元(140)布置在所述共同的冷箱(A)中或者另一个冷箱(B)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中借助分段垂直延伸的管道(20)一方面将所述第一分离单元(110)、所述第二分离单元(120)和所述第三分离单元(130)并且另一方面将所述第四分离单元(140)相互连接，并且/或者与其他设备相互连接，其中所述管道(20)至少一部分布置在独立的管道冷箱(C)中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中此外将过冷器(120)布置在所述管道冷箱(C)中。
12.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中液态空气产物从所述蒸馏柱系统(100)被抽出，在液体状态下增加压力，通过加热转变为气态或超临界状态，并且从所述空气分离设备排出。
13.一种具有蒸馏柱系统(100)的空气分离设备，所述蒸馏柱系统具有第一分离单元(110)、第二分离单元(120)、第三分离单元(130)和第四分离单元(140)，其中所述空气分离设备被适配为，将压缩并且冷却后的空气送入所述第一分离单元(110)之中，所述第一分离单元(110)以4至9bar绝对压力的第一压力水平运行，所述第二分离单元(120)、所述第三分离单元(130)和所述第四分离单元(140)以1至3bar绝对压力的第二压力水平运行，借助所述第一分离单元(110)形成富氧且贫氮、含氩的第一底盘液体和富氮且贫氧的第一顶部气体，将所述第一底盘液体部分或完全转移到所述第四分离单元(130)之中，将所述第一顶部气体部分或完全液化并且送回到所述第一分离单元(110)，借助所述第二分离单元(120)形成富氧的第二底盘液体和富氩的第二顶部气体，将所述第二顶部气体第一部分转移到所述第三分离单元(130)中并且将第二部分转移到所述第四分离单元(140)之中，借助所述第三分离单元(130)将供应给所述蒸馏柱系统(100)的总空气量中所含的氩部分或完全分离出来，借助所述第三分离单元(130)将液态回流提供给所述第二分离单元(120)，借助所述第四分离单元(140)形成第四底盘液体和第四顶部气体，并且将所述第四底盘液体至少部分地送回到所述第二分离单元(120)，其特征在于，所述第二分离单元(120)具有10至50个理论板，所述第三分离单元(130)具有10至60个理论板，所述第三分离单元(130)布置在所述第二分离单元(120)上方，所述第四分离单元(140)布置在所述第一分离单元(110)旁边，并且所述第三分离单元(130)在下方区域中相对于所述第二分离单元(120)的上方区域开口，或者所述第三分离单元(130)通过在所述第二分离单元(120)的上方区域与所述第三分离单元(130)的下方区域之间延伸的管道与所述第二分离单元(120)相连。
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