CN112805524B - 用于低温分离空气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温分离空气的方法，其中空气分离设备(100,200)与蒸馏柱系统(10)一起使用，所述蒸馏柱系统具有在第一压力范围中运用的高压柱(11)和在低于所述第一压力范围的第二压力范围中运用的低压柱(12)，其中在所述高压柱(11)中通过低温精馏形成具有比大气空气更高氧含量和更低氮含量的第一底部液体以及具有比大气空气更低氧含量和更高氮含量的第一顶部气体，在所述低压柱(12)中通过低温精馏形成具有比所述第一底部液体更高氧含量和更低氮含量的第二底部液体以及具有比所述第一底部液体更高氮含量和更低氧含量的第二顶部气体，并且从所述低压柱(12)中提取所述第二顶部气体或其一部分作为非纯氮。设置成：将所述非纯氮的一部分作为再循环量依次加热，压缩至达到所述第一压力范围内的压力，接着冷却并送入所述高压柱(11)。本发明还涉及一种空气分离设备(100,200)。

Description

用于低温分离空气的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于低温分离空气的方法和设备。
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 GDA0003895035810000011
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，也可在两个精馏柱中使用更高的压力水平。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。
空气分离设备的设备配置不同，对所需产物谱(即不同液体和气态空气产物需相互产生的绝对量和相对量)的适合程度也就不同。例如当需要压力水平为例如9.5bar绝对压力的气态氮时，在例如EP 2 789 958 A1中及其援引的其他专利文献中所述的方法可能是有利的。该方法也可与所谓的纯氧柱搭配使用，及/或与(真空)变压吸附功能组合。按照此方式也可以提供不同纯度的氧。不过在某些情况下，在此需要进一步优化。
DE 821 654 B披露了一种将氮送入高压柱的方法。该氮预先用于使高压柱的底部沸腾。有关其来历，在此不再赘述。
在CN 106123489 A中披露了一种方法，其中一个实施方案是将送入高压柱中的添加空气一部分在主热交换器下游的冷凝器蒸发器中液化。
DE 198 03 437 A1描述了一种低温分离空气方法，其中的实施方案是使氮从低压柱的顶部再循环到高压柱中，称为“增压循环”。为了再循环，需将该氮与来自低压柱顶部的其他氮一起压缩，其中该其他氮作为加压氮从空气分离设备中排出。
本发明的目的在于为以下情况提供一种优化的解决方案：即通过空气分离设备不但提供压力水平例如为9.5bar绝对压力的相对高纯度氮气(氧含量通常在ppm或ppb范围内，例如约1ppm或80ppb或更小，基于摩尔分数计)，同时也能提供非纯氧(氧含量例如85至98摩尔百分比，优选地90至98摩尔百分比)。
发明内容
为了实现此目的，本发明提供一种用于低温分离空气的方法及设备。优选的实施方案为以下说明的主题。
下面将首先对在描述本发明及其优点时所使用的一些术语以及基本技术背景进行进一步的解释。
有关在空气分离设备中使用的装置，在引用的技术文献中有相关描述，例如
Figure GDA0003895035810000021
在第2.2.5.6节“Apparatus”中。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。
“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一个冷凝室和一个蒸发室。冷凝室和蒸发室分别具有冷凝通道和蒸发通道。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。冷凝室和蒸发室由相互间存在热交换联接的通道组形成。
特别地，将空气分离设备的高压柱与低压柱构成热交换联接的所谓主冷凝器被设计为冷凝器蒸发器。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。主冷凝器可由单个热交换器块或可由布置在同一压力容器中的多个热交换器块组成。
在强制流动式冷凝器蒸发器中，液体流凭借其自身压力穿过蒸发室并在该蒸发室内部分蒸发。该压力例如通过通向蒸发室的输入管路中的液柱而产生。该液体柱的高度在此对应于蒸发室中的压力损失。从蒸发室中排出的气液混合物，在一个此类一次通过式冷凝器蒸发器中分相直接传送给下一工艺步骤或一下游装置，并且特别地不会被引入冷凝器蒸发器的液槽中，从该液槽中液态部分可能会被重新吸走。
可经由同一轴与其他膨胀透平或能源转换器(例如液压制动器、发生器或压缩机)连接的膨胀透平或膨胀机适配用于使气态流或至少部分为液态的介质流膨胀。在本发明中，特别地，膨胀透平可被设计为涡轮式膨胀机。如果压缩机受一个或多个膨胀透平的驱动，并且不带有外部馈入的能源(例如来自电动机)，则使用术语“涡轮驱动式”压缩机或者替代性地“增压器”。涡轮驱动式压缩机与膨胀透平的组合也被称为“增压涡轮机”。
在空气分离设备中，使用多级涡轮压缩机来压缩需分离的添加空气，该涡轮压缩机在此被称为“主空气压缩机”。涡轮压缩机的机械结构，一般对于行内专业人士是已知的技术领域。在涡轮压缩机中，利用布置在涡轮上或直接布置在轴上的涡轮叶片对需压缩的介质进行压缩。在此，涡轮压缩机形成一个结构单元，不过该结构单元在多级涡轮压缩机中可具有多个压缩档级。压缩档级在此通常包括涡轮叶片的对应的布置。所有这些压缩档级可受同一轴驱动。不过，也可被设置为以不同轴分组驱动压缩档级，其中轴还可经由减速器相互结合。
此外主空气压缩机的特征在于，送入蒸馏柱系统中和用于生产空气产品的全部空气量会被该主空气压缩机压缩，亦即全部添加空气会被压缩。对应地也可设置一台“二次压缩机”，但在该二次压缩机中仅将主空气压缩机中压缩的部分空气量提高到更高的压力。该压缩机也可被设计成涡轮压缩机。也可采用同一压缩机或一个此类压缩机的压缩档级作为主空气压缩机和二次压缩机。为了实现压缩部分空气量的目的，一般在空气分离设备中还要设置所述增压器形式的其他涡轮压缩机，该其他涡轮压缩机的压缩范围与主空气压缩机或二次压缩机相比通常相对较小。
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”。这里所述的“氧”或“氮”，在下文中也可理解为富含氧或氮的液体或气体，但其成分并不以此为限。
本发明的优点
本发明特别地以开头所述对于空气分离设备产物谱要求有利性的认识为基础，采用一种已知的包含一个高压柱和一个低压柱的双柱系统。有关相应设备的示例，参考开头引用的技术文献
Figure GDA0003895035810000041
特别是图2.3A和相关的解释。本发明涉及一种方法和一种空气分离设备，通过该方法和该空气分离设备不但提供压力水平例如为8至12bar(特别地9.5bar)绝对压力的相对高纯度氮气(氧含量通常在ppm或ppb范围内，例如约1ppm或80ppb或更小，基于摩尔分数计)，同时也能提供非纯氧(氧含量例如85至98摩尔百分比，优选地90至98摩尔百分比)。
在所述类型的习知双柱系统中，高压柱和低压柱凭借所谓的主冷凝器形成热交换联接。对应的双柱系统的常见实施方案包括一个所谓的内部主冷凝器，即布置在低压柱的底部区域的对应的装置。不过也可采用所谓的外置主冷凝器，在此流体送入该外置主冷凝器并经由管线从低压柱底部区域提取，接着送入主冷凝器。在已知的双柱系统或类似装置的主冷凝器中，低压柱底部的液体被蒸发，同时高压柱顶部的气体至少部分液化。因此，该对应的装置为所述类型的冷凝器蒸发器。
此外在空气分离设备的习知双柱系统中，高压柱与低压柱沿上下方向布置并且具有同一柱壳或相互连接的柱壳。特别地，高压柱与低压柱的柱壳可以相互焊接在一起；或者将高压柱与低压柱布置在同一外壳中，该外壳本身设在所谓的冷箱中。本发明也可采用高压柱与低压柱彼此分离布置，双体式低压柱等构造形式，等，只要例如对于构造空间有利即可。换言之，本发明不限于与高压柱与低压柱永久联接的习知双柱系统一起使用。此外，本发明也不受一体式高/低压柱的限制。
本发明所基于的认识还有：当所采用的非纯氮气流(在现有技术中也称为“废气”，参见图2.3A和
Figure GDA0003895035810000051
的第23页)是从一个相应蒸馏柱系统的低压柱中抽取的，但如同现有技术已知的那样不持续地或非唯一地从空气分离设备抽出，例如用于添加空气净化用吸附器的再生，那么是特别有利的。
在本发明的上下文中，更确切地说相应的非纯氮气是部分再循环到高压柱中。在这种情况下，非纯氮的对应部分特别地在空气分离设备的主热交换器中加热，并在空气分离设备的加热部分中压缩，然后再次冷却并送入高压柱中。应理解的是，并非所有从低压柱抽出的非纯氮都可被对应地处理。更确切地说，本发明仅以所阐述的方式使用对应的部分非纯氮，使得其他的非纯氮可用于例如制冷或吸附器再生，或者作为压缩机等的密封气体或者简单地被吹入大气中。
在此和下文中提及的“非纯氮”或“非纯氮流”，可理解为主要由氮组成的气体混合物，然而也可含有相当大分量的氧杂质和较少量的稀有气体。在本发明的上下文中，称为“非纯氮”的气体混合物是指根据本发明包含8至15摩尔百分比，特别地10至13摩尔百分比的氧量。氩含量通常与空气相当，并且根据工艺参数通常为0.6至1.4摩尔百分比，特别地0.7至1.3摩尔百分比。
总之为了实现所述优点，本发明提出一种用于低温分离空气的方法，其中使用具有冷凝器蒸发器和蒸馏柱系统的空气分离设备，该蒸馏柱系统具有在第一压力范围内使用的高压柱以及在低于第一压力范围的第二压力范围内使用的低压柱。为了进一步解释相应的压力范围，请参考上述实施例。在此，“第一压力范围”尤其可例如为7至13bar，“第二压力范围”特别地可为2至4bar(各自为绝对压力)。因此，这些压力范围高于习知空气分离设备的高压柱和低压柱通常使用的典型压力范围。这通过以下进一步阐述的本发明措施来实现。
如就此所知的那样，在空气分离设备的高压柱中会通过低温精馏形成底部液体，在此称为“第一”底部液体。该底部液体比大气空气具有更高的氧含量和更低的氮含量。当采用下文进一步阐述的本发明措施时，相应第一底部液体的典型氧含量通常为25至35摩尔百分比。此外在高压柱中形成顶部气体，这里称为“第一”顶部气体，该顶部气体具有比大气空气更低的氧含量和更高的氮含量。该第一顶部气体的氮含量通常大于95摩尔百分比，特别地大于99摩尔百分比。
在相应空气分离设备的低压柱中，通过低温精馏同样形成底部液体，在此称为“第二”底部液体。与第一底部液体相比，它具有更高的氧含量和更低的氮含量。氧含量通常大于90摩尔百分比。此外在低压柱中形成顶部气体，在此称为“第二”顶部气体。与第一底部液体相比，它具有更低的氧含量和更高的氮含量。它含有氧和氮，含量特别地在之前针对“非纯氮”所解释的浓度范围内。
高压柱和低压柱的基本使用是已知的技术范畴。因此，将压缩和冷却的空气以一条或多条添加气流的形式送入高压柱中，并且将第一底部液体或其一部分转移到低压柱中进一步精馏。第一顶部气体或其一部分可在形成高压柱与低压柱热交换联接的主冷凝器中液化或部分液化，由此既可向高压柱提供液体回流，也可向低压柱提供液体回流。第一顶部气体的部分也可以未液化或已液化的形式变成来自空气分离设备的对应的产品。其他料流送入高压柱和低压柱或在这两者之间转送属于已知的技术范畴，在此不再赘述。
在本发明的上下文中，如同现有技术已知的那样将第二顶部气体部分或全部作为非纯氮从低压柱中提取出来。因此，低压柱被设计成和如此运用，使得在其顶部形成对应的非纯氮。有关根据现有技术的此种非纯氮的进一步应用，请参考引用的技术文献。如上所述，相应的非纯氮例如可以用于吸附装置的再生及/或被排入大气中。
在本发明的上下文中设置为：将非纯氮的一部分作为再循环量依次加热，然后压缩达到第一压力范围内的压力，冷却后再送入高压柱中。再循环量的加热通常要达到0℃以上的温度范围中的一个温度，通常要达到0℃至50℃的温度范围中的一个温度。此外，如同下面所述的那样通常还要使用相应的空气分离设备的主热交换器。这里所说的加热再循环量，并不排除再循环量在被加热之前也可被冷却的可能性。此类冷却作用特别地可以由再循环量的膨胀而产生。在压缩和冷却之后，并且后者在主热交换器中完成，那么在其下游特别地不再发生进一步的冷却。
压缩至达到第一压力范围内的压力，其方式通常是再循环量在随后冷却后直接送入高压柱中，并因此选择相应的压力使其至少对应于进入高压柱的馈送点处压力。换句话说，再循环量被压缩到的第一压力区域中的压力是至少与再循环量被供应到高压柱中的馈送点处压力一样高的压力。不过，当压力不高于高压柱使用的压力范围为相对有利。
在本发明的上下文中，对再循环量形式的部分非纯氮进行对应的处理会导致在一定程度上产生用于高压柱的(量)增压循环。利用这种方式，除氮产物外，还可在2至12bar的相对高压力下直接从空气分离设备的冷却段有效供应(非纯的)氧产物，而无需任何再压缩。在本发明的上下文中，总体在一定程度上实现了升压条件下使用的双柱与下文所述附加有利措施的组合。
如上所述，DE 821 654 B披露了一种方法，其中根据图1将氮送入高压柱6中(那里的附图标号)。该氮预先用于使高压柱6的底部沸腾。有关其来历，在此不再赘述。不过无论在任何情况下，都是如同第35行所述的那样从低压柱8的顶部提取纯氮。此处所述的从低压柱8中提取的唯一其他料流，是根据第58行所述的含氩气的预馏分16。因此，没有非纯氮可用于使高压柱6的底部沸腾。料流中的氮必须是纯氮的事实也变得明显，因为它经由高压柱6顶部的阀门15馈入。如果它是非纯氮，本领域技术人员将不会考虑这一点。然而，使用纯氮不能实现本发明定义的增压循环宗旨。
在现有技术的该示例中，压力柱不是用气体来增强，而是用需在柱顶上供给的液体(纯氮)来增强。为了实现这种类型的膨胀，需压缩的气态氮必须具有对应的纯度和压力。压力必须明显高于压力柱内的压力，从而使得相对于底部液体的冷凝成为可能。在本发明的上下文中，不存在适用于此类氮流的外源/内源。也不存在氮压缩机，并且低压柱中也不生产纯低压氮。为了生产纯低压氮，需要来自高压柱的液态洗涤氮气流和至少一个用于低压柱的附加精馏段。而低压柱所需的洗涤氮提取又会降低高压柱中的强压作用。
如上所述，DE 198 03 437 A1描述了一种低温分离空气方法，其中的构造方案是使氮从低压柱的顶部再循环到高压柱中，称为“增压循环”。为了再循环，需将该氮与来自低压柱顶部的其他氮一起压缩，其中该其他氮作为加压氮从空气分离设备中排出。基于该事实，得出在此(“PGAN”)的是富含氮的产物，即纯氮。在DE 198 03 437 A1的例如图5中，已明确地将非纯氮称为此类氮(“N2U”)。另外如图所示，回路中导引的氮在高压柱顶部被提交。如果所述氮是非纯氮，则不会发生这种情况。因此，即使这里也不能以所述优势实现本发明定义的增压循环宗旨。
如前所述，再循环量的加热特别地可以在对应的空气分离设备的主热交换器中进行。因此在该实施方案中，空气分离设备具有主热交换器，并且在该主热交换器中使至少大部分供应到蒸馏柱系统中的总空气量冷却，其中再循环量的加热和冷却至少部分地在主热交换器中进行。如前所述，在本发明的上下文中并非所有非纯氮都被加热、压缩并送入高压柱中。更确切地说，特别地，非纯氮的另一部分可以从空气分离设备中排出。该另一部分可特别地通过主热交换器部分加热，然后通过涡轮机或膨胀机(其通常可以通过发生器制动)实行膨胀，再在主热交换器中进一步加热，最后从空气分离设备中排出或以所述方式用作再生气体。
在本发明的上下文中，将经压缩和冷却的空气一部分引导通过冷凝器蒸发器，在该冷凝器蒸发器中至少部分液化并且送入蒸馏柱系统中。在这里，还将经压缩和冷却的空气另一部分送入蒸馏柱系统，但并不引导通过冷凝器蒸发器。在非本发明的构造方案中，该冷凝器蒸发器可布置在一个液体容器中，第二底部液体的部分或全部送入该液体容器。按照此方式可得到特别简单的构造形式。在这种情况下，从容器中蒸发的气体可以作为气态氧产物提取并在主热交换器中加热，而来自空气分离设备冷却段的未蒸发部分可以不加热的液体形式作为液氧产物排出。
不过，当本发明与一个由一个相应冷凝器蒸发器与另一介质交换柱联接的结构一起使用时，本发明就能发挥特别的优势，详见下面详述。根据本发明，在冷凝器蒸发器中蒸发具有15％至45％，特别地20％至40％入口氧含量的液体，如同所述液体特别地来自对应的介质交换柱并且在那里作为底部液体积存的那样。在本发明的上下文中，所使用的冷凝器蒸发器可特别地被设计为强制流动冷凝器蒸发器，特别地具有如上所述的一次通过式配置。在本发明的方法中，冷凝器蒸发器可因此如此被设计成，使得各自给定液体凭借自身压力在该冷凝器蒸发器内挤入通过蒸发室并且在那里部分蒸发，而在部分蒸发期间未被蒸发的部分则可被阻止再次流过蒸发室。
在本发明的上下文中，特别地，经压缩和冷却的空气的送入蒸馏柱系统，但并不引导通过冷凝器蒸发器的部分至少有一部分在第一馈入位置作为气态压缩空气送入高压柱中，与此同时在高出第一馈入位置1至10个理论板的第二馈入位置则有利地送入再循环量。由于再循环量具有比大气空气更高的氮含量，因此在第二馈入位置的送入就特别有利。
在本发明的方法中，至少有一部分的第一底部液体有时在经过不含任何可影响其化学成分的措施的低温冷却后，可在第一位置送入低压柱中。与此相反，在冷凝器蒸发器中液化或部分液化的空气可在第二位置送入低压柱中。在这种情况下，第二位置布置在第一位置的上方，特别地在低压柱的顶部。
在本发明一个特别优选的实施方案中，经压缩和冷却的空气的引导通过冷凝器蒸发器并在其里面发生至少部分液化并送入蒸馏柱系统中的部分会被全部送入低压柱中。与此相反，经压缩和冷却的空气的送入蒸馏柱系统但并不引导通过冷凝器蒸发器的另外的部分既可以部分地也可有利地全部地送入高压柱中。
有利地，在本发明方法的一个实施方案的上下文中，如已经提到的，可以再循环量形式依次加热非纯氮流的第一部分，再将其压缩至达到第一压力范围内的压力，接着冷却并送入高压柱中；不过，非纯氮流的另一部分可以依次部分加热，再在膨胀透平中膨胀，接着再加热并从空气分离设备中排出。通过使用相应的膨胀透平可以产生冷媒。
在该方法变型的一个实施方案中，还可从低压柱的下部区域提取富氧气体，并在部分加热之前使其与非纯氮的另一部分汇合。在此形式下，特别地在不需要对应的氧的情况下，也可产生冷媒。
在本发明的上下文中，组合机器可用于压缩。因此，对于供应至蒸馏柱系统的添加空气和非纯氮再循环量，可特别地通过单个压缩机(见上文)的不同压缩档级或通过相互机械联接的压缩机进行压缩。
如果工业应用场合不仅仅需要纯氧，则对空气分离设备可在其制造和运行成本，特别地其能源消耗方面进行优化。有关详细信息，请参阅专业文献，例如F.G.Kerry，工业气体手册：气体分离与净化，CRC出版社，2006年，第3.8章，“低氧纯度工艺开发”。例如，为了获得纯度较低的气态加压氧，可以使用具有所谓混合柱的空气分离设备。在这方面，可参考例如EP 3 179 186 A1及其引文。
在现有技术中，顶部附近的富氧液体与底部附近的气态压缩空气(所谓的混合柱空气)送入习知混合柱中进行混合。按照此方式，所谓的非纯氧可以在混合柱的顶部抽出并作为气体产物从空气分离设备中提取。混合柱底部中分离的液体可在能源及/或分离技术上合适的位置送入所用的蒸馏柱系统中。通过使用混合柱，可以牺牲氧气产物的纯度为代价特别地降低氧产物压力升高所需的能源。
用介质交换柱代替习知的混合柱可能是有利的，因为送入介质交换柱的不再是添加气流，而是另一种料流。其中，该另一种料流可特别地是来自高压柱的富氧液体，特别是其底部液体。该种与大气空气相比已经富含氧的液体，特别地以液体形式送入介质交换柱中，并且与介质交换柱内向下流动的液体在底部混合。凭借冷凝器蒸发器将已形成的混合液体如下所述进行蒸发，形成的蒸汽在介质交换柱内上升。在本发明中，相应介质交换柱中的气相是以这种替代方式而形成，亦即并非如在习知混合柱中那样通过压缩空气来形成。
在具有混合柱的习知空气分离设备中，由于下面更详细解释的原因，最大可用的所谓吹入当量受到严重限制。然而，这也限制了通过增加空气分离设备中的吹入当量而可能节省的能源。通过使用介质交换柱消除该缺点。
术语“吹入当量”是指通过一台典型的拉赫曼涡轮机(吹入式涡轮机)进行膨胀并接着送入(吹入)低压柱的压缩空气。以这种方式膨胀进入低压柱中的空气会干扰精馏，因此吹入式涡轮机中可膨胀的空气量以及为一台对应的设备以此方式产生的冷量受到限制。从高压柱中提取并从空气分离设备中排出的富氮空气产物也以相应的方式影响精馏。送入低压柱中的空气量再加上从高压柱中提取并从空气分离设备中排出的氮，可以按照与总进气量以及送入蒸馏柱系统的供气量的比例来给定。所得值即为“吹入当量”。
因此，吹入当量是被定义为被压缩并凭借吹入式涡轮机膨胀进入空气分离设备的低压柱中的压缩空气量再加上氮量，该氮量有时来自高压柱，但既不作为液体循环自动返回到高压柱，也不作为液体循环送入低压柱，亦即关联送入蒸馏柱系统中的全部压缩空气量。从高压柱提取的氮，既可是纯氮或来自高压柱顶部的基本纯氮，亦即上述的第一顶部气体，但也可是从高压柱顶部下方区域抽取的较低氮含量富氮气体。
如果在相应的空气分离设备中使用吹入式涡轮机，并且通过该吹入式涡轮机使压缩空气量M1膨胀，再从高压柱提取氮气量M2，再从空气分离设备提取液态及/或气态氮产物，亦即不用作输入高压柱及/或低压柱的回流量，而是用作送入整个蒸馏柱系统的压缩空气量M3，那么相应设备中的吹入当量E如下：
E＝(M1+M2)/M3。 (1)
应理解的是，例如M1也可为零。
与用于低温分离空气的其它方法相比，在习知混合柱方法中可用吹入当量较低的原因，特别地送入混合柱中的空气流没有以最佳方式参与双柱中的精馏过程所致。这样，特别地该气流所含的氧全部经过高压柱和低压柱。该氧以混合柱顶部产物的形式从空气分离设备中排出。与此相反，通往混合柱的气流所含氮(在混合柱中的交换过程之后)几乎全部停留在混合柱的底部液体中。该底部液体通常具有约65％的氧含量，在已知方法中是通过与该氧含量相对应的馈送点送入低压柱中。
不过从分离技术角度来看，该馈送点位于低压柱的相对较低区域，亦即位于氧含量相对较高的工段处。位于馈送点下方的精馏段或分离段可视为氧段，因为在混合柱底部产物的馈送点下方不再有馈料送入低压柱中。因此从分离技术的角度来看，氮必须在非常远的下方就从通向混合柱的气流(以混合柱的底部液体形式进入低压柱)中分离。然而，这种分离在给定的条件下极其复杂，并且要求主冷凝器具备相对大的功率。因此，必须对应地减少进入低压柱的吹入量或所述的吹入当量，这样才能实现令人满意的分离。
介质交换柱上述运作改进的主要优点，在于添加空气被全部引导到蒸馏柱系统中并在那里对应地预分离。如上所述，送入混合柱中的空气流在习知方法中未以最佳方式参与双柱中的精馏过程，特别地该空气流所含的氧全部经过高压柱和低压柱。然而，它在介质交换柱的上述运用范围内才这样实行。按照此方式，可以大大改善精馏比或降低精馏所需的耗费。这样，就没有氧分子如在习知方法中那样经过精馏柱(所有氧在这些精馏柱中通过分离技术处理)，并且在低压柱中不产生需要以更高的成本分离的过量氮。主冷凝器的功率可以这种方式大大降低，也就是说相应设备中的吹入当量可显著提高，而且还节省能源。
在本发明的上下文中，送入蒸馏柱系统中的空气被部分引导通过冷凝器蒸发器，其中空气部分也被送入蒸馏柱系统但并不引导通过冷凝器蒸发器，如前所述。
根据本发明，冷凝器蒸发器与介质交换柱的结合运用特别地使得混合液体在冷凝器蒸发器中部分蒸发，其中该混合液体是使用从介质交换柱排出的底部液体而形成的，其中第一底部液体的一部分在第一馈入位置处送入，而第二底部液体的一部分在第一馈入位置上方的第二馈入位置处送入。按照此方式，可以上述方式在介质交换柱的底部获得该混合液体，并通过将其特别地导入该冷凝器蒸发器中而使其在冷凝器蒸发器中部分蒸发。
在本发明的上下文中，特别地，第一底部液体的在第一馈入位置送入介质交换柱中的部分是以未加热的方式送入。“未加热的”馈料在此应理解为所述馈料未经目的性的加热升温。这点至少适用于介质交换柱的工作压力低于高压柱的工作压力时的情况。在某些情况下，第一底部液体部分受到低温冷却也可是有利的。至于第二底部液体的在第二馈入位置处送入介质交换柱中的部分，根据所述的本发明实施方案，与此相反是在送入介质交换柱之前先在主热交换器中加热。特别地，该部分在中间温度水平下从主热交换器中提取。
混合液体是已经提到的在冷凝器蒸发器中蒸发的液体。在本发明的上下文中，混合液体的未在冷凝器蒸发器中蒸发的部分如所述的那样特别地部分地或优选地全部地送入低压柱中。在本发明的上下文中，还可以在第一和第二馈入位置之间的提取位置从介质交换柱中提取液体，并将液体部分或全部送入低压柱中。这点同样适用于第一底部液体的另一部分，所述第一底部液体直接送入低压柱，而不经过介质交换柱。
在本发明方法中，可特别地设置为：使用所谓逆流过冷器形式的热交换器，其中将该第二底部液体的部分的全部或部分通过第二馈入位置送入介质交换柱中，并在主热交换器中加热之前预先加热，及/或将所述再循环量的部分或全部在主热交换器中进一步加热之前预先加热，及/或将经压缩和冷却的空气的所述引导通过冷凝器蒸发器的部分在该冷凝器蒸发器里面至少部分液化并送入蒸馏柱系统中，在送入蒸馏柱系统中之前先冷却，及/或将混合液体的未蒸发部分在部分或全部送入低压柱之前冷却，及/或将在第一和第二馈入位置之间的提取位置处从介质交换柱提取的液体的部分或全部在部分或全部送入低压柱之前冷却，及/或将第一底部液体另一部分的部分或全部在部分或全部送入低压柱之前冷却。如上所述，也可以对应地使用所述料流的各自部分，即冷却或加热。在这种情况下，所述料流可在对应于其各自温度的位置送入对应的热交换器或从中提取出去。
在本发明的上下文中，可特别地设置为：顶部气体从介质交换柱中提取、加热并从空气分离设备中排出。该顶部气体具有比第二底部液体更低的氧含量，因此可以在对应的压力下作为工艺产物提供，该工艺产物除了所提供的氮之外还可用于其他。来自高压柱的第一顶部气体也可以所述方式作为产物排出。
如上所述，根据非本发明实施方案的空气分离设备也可在不带前述类型介质交换柱的情况下使用。在这种情况下，可特别地设置为：在冷凝器蒸发器中，来自高压柱的第二底部液体全部或其部分以不变组分的形式蒸发，其中蒸发部分和未蒸发部分从空气分离设备中部分地或全部地作为氧产物排出。
本发明还涉及一种空气分离设备。关于该空气分离设备的特征和优点。特别地，此类空气分离设备被适配用于实施前述构造方案中所述一个或多个方法，并且具有为此对应设计而成的工具。有关特征和优点明确参照以上阐述。
下面参考附图更详细地阐述本发明，这些附图说明了本发明的优选的实施方案。
附图说明
图1示出本发明空气分离设备一个实施方式的简化示意图。
图2示出本发明空气分离设备一个实施方式的简化示意图。
图3示出非本发明空气分离设备的简化示意图。
在附图中，对结构上或功能上彼此对应的元件以相同的附图标号示出，并且为了概览起见不重复阐明。在附图中，液体料流用黑色(填充的)流动箭头示出，而气态料流用白色(未填充的)流动箭头示出。
具体实施方式
图1以工艺流程图的形式示出了本发明空气分离设备一个实施方式，并且总体上用100来表示。
在设备100中，添加空气A经由过滤器1被一个主空气压缩机2吸入。在热交换器(未特别绘制)和一个直接接触式冷却器中预冷却之后，将对应压缩的空气送入吸附器站3，并且在那里摒除非期望的组分，例如水和二氧化碳。随后，空气以添加空气流a的形式送入空气分离设备100的主热交换器4中，并且在冷端处从主热交换器中提取。随后，将最初用a表示的添加气流分成两个子流b和c。子流b在冷凝器蒸发器5中至少全部液化或部分液化，并且继续以b标识号引导通过逆流过冷器6，接着送入蒸馏柱系统10的低压柱12中，该蒸馏柱系统除了低压柱12之外还具有高压柱11。与此相反，子流c直接送入高压柱11中。
在高压柱11中，使用子流c和后述送入高压柱11的其他料流，并通过低温精馏形成具有比大气空气更高氧含量和更低氮含量的第一底部液体以及具有比大气空气更低氧含量和更高氮含量的第一顶部气体。将第一底部液体从高压柱11中抽出并分成两个子流d和e。在第一馈入位置将子流d送入介质交换柱7。将子流e引导通过逆流过冷器6并送入低压柱12。从高压柱中提取第一顶部气体，并且以子流f的形式在主冷凝器中部分或全部液化，该主冷凝器以热交换的方式连接高压柱11和低压柱12。其中一部分(参见链接X)可以作为液氮产物(HPLIN)从空气分离设备100中排出，另一部分以未特别指定的回流方式再循环到高压柱11。第一顶部气体的未引导通过主冷凝器的部分可在主热交换器4中以料流g的形式被加热，并且例如作为加压氮气产物(PGAN)或密封气体(SG)来提供。
在低压柱12中，使用送入低压柱12的料流，并通过低温精馏形成具有比第一底部液体更高氧含量和更低氮含量的第二底部液体以及具有比第一底部液体更低氧含量和更高氮含量的第二顶部气体。第一底部液体至少部分地以料流h的形式通过未特别指定的泵从低压柱12的底部排出，并且部分地以料流i的形式作为液氮产物来提供。在此将以料流k的形式示出的另一部分引导通过逆流过冷器6，在主热交换器4中部分加热并且在第二馈入位置送入介质交换柱7中。
如上所述，通过将料流d和k送入介质交换柱7中，并在该介质交换柱中形成柱底部的混合液体。该混合液体随后被导出至冷凝器蒸发器5中蒸发，该冷凝器蒸发器特别地可被设计为强制流动式冷凝器蒸发器。混合液体的未蒸发部分可以料流l的形式引导通过逆流过冷器6，然后被送入低压柱12中。在第一馈入位置(料流d)和第二馈入位置(料流k)之间的提取位置，液体以料流m形式从介质交换柱7中被抽取，该液体同样可在引导通过逆流过冷器6之后送入低压柱12中。
来自介质交换柱7顶部的顶部气体可以料流n的形式引导通过主热交换器4，并作为气态氮气压力产物(GOX)来提供。
在图1所示的本发明实施方案的上下文中，从低压柱12的顶部抽出作为非纯氮的第二顶部气体形式为料流o，再通过逆流过冷器6，接着在主热交换器4中加热，再通过压缩机8压缩，接着通过未特别指定的二次冷却器加以冷却，再在主热交换器4中进一步冷却，并且现在用p表示再循环到高压柱11中。这便是以上多次提到的“再循环量”，即非纯氮的一部分。料流o的子流(用q表示)亦即非纯氮的另一部分是从料流o中分流出来，并且如习知技术的非纯氮流那样在主热交换器4中部分加热，并凭借发生器透平9予以膨胀，再在主热交换器4中进一步加热，最后以合适的方式交付使用，例如作为吸附器站3中的再生气体。利用这种形式就可以产生冷煤。
如图1和随后附图所示，无论这里所述的料流是各自通过热端还是冷端送入逆流过冷器或从中取出，抑或相反，都可以在对应于料流的相应温度的其他位置处设置馈入位和提取位。
图2示出了本发明空气分离设备另一实施方案，并且总体上用编号200来表示。图1所示的空气分离设备100特别地适用于全量氧生产，而图2所示的实施方案200则特别地适用于需要较低氧产量时的应用场合。图2所示空气分离设备200与图1所示空气分离设备100的主要区别，在于富氧气体以料流r的形式从高压柱排出，再通过逆流过冷器6与图1所示料流q汇合。
图3中示出了非本发明空气分离设备，总体上用编号300来表示。这里所述的实施方案仅旨在便于对本发明的理解。与前述构造方案不同，此处不设置介质交换柱7。更确切地说，此处是将料流h形式的第二底部液体直接送入一个容器20(即所谓的辅助冷凝器)中，该容器内布置有在此用5a表示的冷凝器蒸发器。与之相反，这里不馈入第一底部液体。馈入第二底部液体时，介质组分特别地不发生变化。馈入的第二底部液体的蒸发部分以料流s的形式排出，而未蒸发部分以料流t的形式排出。

Claims (18)

1.一种低温分离空气的方法，在所述方法中使用具有冷凝器蒸发器(5)和蒸馏柱系统(10)的空气分离设备(100,200)，所述蒸馏柱系统具有在第一压力范围内运用的高压柱(11)和在低于所述第一压力范围的第二压力范围内运用的低压柱(12)，其中
-在所述高压柱(11)内，通过低温精馏形成具有比大气空气更高氧含量和更低氮含量的第一底部液体以及具有比大气空气更低氧含量和更高氮含量的第一顶部气体，
-在所述低压柱(12)内，通过低温精馏形成具有比所述第一底部液体更高氧含量和更低氮含量的第二底部液体以及具有比所述第一底部液体更高氮含量和更低氧含量的第二顶部气体，以及
-从所述低压柱(12)中提取所述第二顶部气体或所述第二顶部气体的一部分作为含氧量为8至15摩尔百分比的非纯氮，
-将所述非纯氮的一部分作为再循环量依次加热，压缩至达到所述第一压力范围内的压力，接着冷却并送入所述高压柱(11)，
-将经压缩和冷却的空气一部分引导通过所述冷凝器蒸发器(5)，再在所述冷凝器蒸发器中液化或部分液化，随后送入所述低压柱(12)，
-在所述冷凝器蒸发器(5)中蒸发或部分蒸发具有15％至45％入口氧含量的液体，以及
-将所述经压缩和冷却的空气另一部分送入所述高压柱(11)，但并不引导通过所述冷凝器蒸发器(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述经压缩和冷却的空气的送入所述蒸馏柱系统(10)，但并不引导通过所述冷凝器蒸发器(5)的所述部分至少一部分在第一馈入位置作为气态压缩空气送入所述高压柱(11)中，并且其中，在高出所述第一馈入位置1至10个理论或实践板的第二馈入位置送入所述非纯氮的所述再循环量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
-将所述第一底部液体的一部分在第一位置送入所述低压柱(12)，
-将在所述冷凝器蒸发器(5)中液化或部分液化的空气在第二位置送入所述低压柱(12)，以及
-所述第二位置布置在所述第一位置的上方。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述经压缩和冷却的空气的引导通过所述冷凝器蒸发器(5)并在其里面发生至少部分液化并送入所述蒸馏柱系统(10)的所述部分会被全部送入所述低压柱(12)中，并且所述经压缩和冷却的空气的送入所述蒸馏柱系统(10)但并不引导通过所述冷凝器蒸发器(5)的另一部分会被部分或全部送入所述高压柱(11)中。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，使用强制流动式冷凝器蒸发器作为冷凝器蒸发器(5)。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述非纯氮的第一部分作为再循环量依次加热，压缩至达到所述第一压力范围内的压力，接着冷却并送入所述高压柱(11)，并且其中，将所述非纯氮的另一部分依次部分加热，在膨胀透平(9)中膨胀，再次被加热并从所述空气分离设备(100,200)中排出。
7.根据权利要求6所述的方法，其中从所述低压柱(12)的下部区域提取富氧气体，并在部分加热之前使其与所述非纯氮的所述另一部分汇合。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，送入所述蒸馏柱系统(10)的添加空气和所述非纯氮的所述再循环量通过单个压缩机的不同压缩档级或通过相互机械联接的压缩机进行压缩。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，混合液体在所述冷凝器蒸发器(5)中部分蒸发，其中所述混合液体是使用从介质交换柱(7)排出的底部液体而形成的，其中所述第一底部液体的一部分在第一馈入位置处未加热地送入，而所述第二底部液体的一部分在所述第一馈入位置上方的第二馈入位置处加热后送入。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述混合液体在所述冷凝器蒸发器(5)中部分蒸发，其中所述混合液体的未在所述冷凝器蒸发器(5)中蒸发的一部分至少部分地送入所述低压柱(12)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，在所述第一和第二馈入位置之间的提取位置从所述介质交换柱(7)中提取液体，并将所述液体部分或全部送入所述低压柱(12)中，并且其中，将所述第一底部液体的另一部分送入所述低压柱(12)中。
12.根据权利要求11所述的方法，在所述方法中使用热交换器(6)，在所述热交换器中，
-将所述第二底部液体的所述部分的全部或部分通过所述第二馈入位置送入所述介质交换柱(7)中，并在主热交换器(4)中加热之前预先加热，及/或
-将所述再循环量的部分或全部在所述主热交换器(4)中进一步加热之前预先加热，及/或
-将所述经压缩和冷却的空气的引导通过所述冷凝器蒸发器(5)的所述部分的部分或全部在所述冷凝器蒸发器里面至少部分液化并送入所述蒸馏柱系统(10)中，并送入所述蒸馏柱系统(10)中之前先冷却，及/或
-将所述混合液体的未蒸发部分的部分或全部在部分或全部送入所述低压柱(12)之前冷却，及/或
-将在所述第一和第二馈入位置之间的所述提取位置处从所述介质交换柱(7)提取的所述液体的部分或全部在部分或全部送入所述低压柱(12)之前冷却，及/或
-将所述第一底部液体的另一部分的部分或全部在送入所述低压柱(12)之前冷却。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中，从所述介质交换柱(7)提取顶部气体，加热并从所述空气分离设备(100,200)中排出，及/或从所述高压柱(11)提取第一顶部气体，加热并从所述空气分离设备(100,200)中排出。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中在高于所述第二压力范围的产物压力下获取氧。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述冷凝器蒸发器(5)中蒸发或部分蒸发具有20％至40％入口氧含量的液体。
16.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二位置布置在所述低压柱(12)的顶部。
17.一种空气分离设备(100,200)，具有冷凝器蒸发器(5)和蒸馏柱系统(10)，所述蒸馏柱系统具有适配用于在第一压力范围内运用的高压柱(11)以及适配用于在低于所述第一压力范围的第二压力范围内运用的低压柱(12)，其中所述空气分离设备(100,200)适配用于：
-在所述高压柱(11)内，通过低温精馏形成具有比大气空气更高氧含量和更低氮含量的第一底部液体以及具有比大气空气更低氧含量和更高氮含量的第一顶部气体，
-在所述低压柱(12)内，通过低温精馏形成具有比所述第一底部液体更高氧含量和更低氮含量的第二底部液体以及具有比所述第一底部液体更低氧含量和更高氮含量的第二顶部气体，以及
-从所述低压柱(12)中提取第二顶部气体或所述第二顶部气体的一部分作为含氧量为8至15摩尔百分比的非纯氮，
-将所述非纯氮的一部分作为再循环量依次加热，压缩至达到所述第一压力范围内的压力，接着冷却并送入所述高压柱(11)，
-将经压缩和冷却的空气一部分引导通过所述冷凝器蒸发器(5)，再在所述冷凝器蒸发器中液化或部分液化，随后送入所述蒸馏柱系统(10)，
-在所述冷凝器蒸发器(5)中蒸发或部分蒸发具有15％至45％入口氧含量的液体，以及
-将经压缩和冷却的空气另一部分送入所述蒸馏柱系统(10)，而不引导通过所述冷凝器蒸发器(5)。
18.根据权利要求17所述的空气分离设备(100,200)，其中，在所述冷凝器蒸发器(5)中蒸发或部分蒸发具有20％至40％入口氧含量的液体。
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