CN113242952A - 用于通过低温蒸馏来分离空气的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于分离空气的设备包括双塔(K3，K4)、用于在比大气压力高不超过1巴的压力下将空气输送到净化单元的装置(B)、用于在比第二压力高不超过1巴的第四压力下将已经在净化单元中净化的第一空气流(8)输送到热交换器的管道、用于将已经在该热交换器中冷却的第一净化空气流输送到第二塔进行分离的管道、以及升压器压缩机(E)，该设备不包括用于使第一流减压的任何装置。

Description

用于通过低温蒸馏来分离空气的设备和方法
本发明涉及一种用于通过低温蒸馏来分离空气的设备和方法。
具体地，本发明涉及一种空气分离设备，该空气分离设备包括具有第一塔和第二塔的双塔，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于第一压力的第二压力下操作。第一塔的顶部产生气体，该气体在第二塔的再沸器中冷凝。
空气分离设备的目标通常是寻求尽可能低的能量消耗。
空气的净化通常是在等于或大于第一压力的压力下进行的。这使得有可能减小净化单元的体积。
然而，从US 4964901中已知，使用两个并联的净化单元，在第一压力下净化一部分空气以及在第二压力下净化其余空气。在第二压力下净化的空气被直接输送到第二塔，而在第一压力下净化的空气被分成两部分，一部分被直接输送到第一塔，而其余部分被升压、在热交换器中被冷却、在与升压器联接的涡轮中膨胀并且被输送到第二塔。因此，使用的涡轮是鼓风机涡轮，并且低压塔接收在两个不同压力下净化后的空气。
US 5934105的方法在高于第二压力但低于第一压力的压力下净化空气；随后，旨在用于第一塔的空气被压缩，并且旨在用于第二塔的空气膨胀。
JPH 11063810和EP 1050730类似于US 5934105。
如果进入第二塔的所有流在涡轮中膨胀(如现有技术中那样)，则为了最大化能量增益，进到第一塔的空气流大约是总净化流的66％，例如以便产生96％的氧气。这意味着有必要使34％的空气流以相对较低的压力通过涡轮。
根据本发明，6％与8％之间的空气在空气涡轮中膨胀；因此，根据现有技术的涡轮由于体积流率而至少是4至5倍大。
由于根据现有技术的方法的制冷能力是固定的并且由于该方法不产生液体最终产物而保持低水平，这意味着涡轮的膨胀比率非常低，这使得涡轮效率低，并且在低温涡轮的供应商中，在任何情况下根本没有标准化，甚至根本不存在。
在期望将空气流强制输送到第一塔以便使能量增益最大化的情况下，根据现有技术，在操作中，制冷能力的调节不能通过减少涡轮流量来完成，并因此将通过调整涡轮上游的压力(也就是说，调整净化压力并最终调整鼓风机的压力)来完成。这使得调节变得非常复杂，并且使得有必要使净化与最低压力成比例，该最低压力可能在制冷能力比名义上预期的低的情况下或处于过渡阶段时具有。根据本发明提供的是，净化压力非常接近第二压力。
与现有技术(例如，根据EP 1050730)相比，本发明提供了一种消耗少1％能量的方法(如果考虑涡轮效率降低5％pt，则少2％)；根据EP1050730的方法，净化是在第一压力与第二压力之间的压力下进行。
EP 1050730的方法的膨胀比率低，在1.2:1与3.8:1之间，优选地在1.4:1与2.5:1之间，而常规的低温涡轮的膨胀比率在4:1与10:1之间。本发明使用的膨胀比率保持在该范围的下限处，因此避免了涡轮效率的显著劣化。
在EP 1050730中，净化单元的入口压力典型地为2.5巴(而不是根据本发明的大约1.3巴)。该方法使用第一压缩机，该第一压缩机具有数级、典型地两级，在两级之间具有冷却。根据本发明，压缩所有空气的压缩机具有单级，并因此没有在两级之间的冷却。
设备以特别低的能量产生富含氧气的气体流。
US 5666824描述了根据权利要求1的前序部分的方法，但是其中第一流在第二塔的中间冷凝器中被至少部分地冷凝。当气体形成时，它本身在第二塔的另一中间冷凝器中被冷凝，并且这样形成的液体被输送到第二塔的顶部。因此，第一流未被直接输送至蒸馏。
WO 2013/014252在图6中描述了一种方法，其中第一部分的空气在热交换器中被冷却到其露点，在该热交换器处，在涡轮中膨胀的空气流也被冷却到其露点。这是不可能的，因为冷却空气流的废氮已经在过冷器中被再加热。在此情况下，氮气太热而不能将空气流冷却到其露点，并且空气流最多将会被冷却到露点以上约10℃的温度。
此外，在计算图6的制冷平衡时，发现通过在涡轮上游使用压缩机并在膨胀之前冷却至环境温度，需要大于80巴的压缩压力。在此情况下，涡轮的膨胀比率比工业上使用的值高得多。因此，本领域技术人员不可能实施所描述的图6的方法。
根据本发明的主题，提供了一种空气分离设备，该空气分离设备包括：具有第一塔和第二塔的双塔，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于该第一压力的第二压力下操作，该第二塔具有底部再沸器、用于将富氮气体从该第一塔的顶部输送到该底部再沸器的装置、以及用于将至少一部分冷凝的富氮气体从该底部再沸器输送到该第一塔的顶部的装置；热交换器；净化单元；用于在比大气压力大至多1巴的第三压力下将空气输送到该净化单元的装置；用于在比该第二压力大至多1巴的第四压力下将该净化单元中净化的第一空气流输送到该热交换器的管道；用于将在该热交换器中冷却的第一净化空气流引入该第二塔以便在其中进行分离的管道；升压器；用于将在该净化单元中净化的第二空气流输送到该升压器的管道；用于将被该升压器压缩到该第一压力与该第一压力以上1巴之间的第五压力的该第二流的至少一部分输送到该热交换器的管道；用于产生制冷的装置；用于从该双塔的被连接到该热交换器的塔中取出至少一种富含氧或氮的流体的管道；以及用于将至少一种富含氧或氮的流体作为产物从该热交换器离开的管道，该设备不包括使该第一流膨胀的任何装置而是仅包括单个净化单元，其特征在于，该第二塔不包括中间冷凝器，用于引入该第一净化空气流的管道被连接到该第二塔的内部，以便使得该第一流能够参与蒸馏。
根据其他可选的方面：
·用于产生制冷的装置包括用于使该第二流的一部分膨胀的至少一个涡轮、和/或用于使源自该第一塔的富氮气体膨胀的一个涡轮、和/或用于将低温液体从外部源输送到该双塔的装置。
·用于使该第二流的该部分膨胀的涡轮被连接到该第二塔，以便将膨胀的空气输送到该第二塔。
·用于在该第三压力下将空气输送到该净化单元的装置不包括除单级压缩机之外的任何压缩装置。
·该设备不包括用于压缩该第一流的任何装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用双塔通过低温蒸馏来分离空气的方法，该双塔具有第一塔和第二塔，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于该第一压力的第二压力下操作，该第二塔具有底部再沸器，其中：
i)包含水和二氧化碳的空气在比大气压力大至多1巴的第三压力下被输送到单个净化单元，
ii)净化的空气被分离成两部分，
ii)在该净化单元中净化的第一空气流在比该第二压力大至多1巴的第四压力下被输送到热交换器，
iv)在该热交换器中冷却的第一净化空气流被输送到该第二塔，而没有使该第一净化空气流膨胀，
v)第二净化空气流被升压到该第一压力与该第一压力以上1巴之间的第五压力，该第二流的至少一部分在该第五压力下被输送到该热交换器，并且该第二流的该至少一部分以气态形式被输送到该第一塔，
vi)提供制冷以便在该方法中保持冷态，
vii)来自该第一塔的富氮气体在该再沸器中被至少部分地冷凝，并且冷凝的氮气的至少一部分返回到该第一塔，
viii)富氮液体和富氧液体被从该第一塔输送到该第二塔，
ix)富氧气体或富氮气体从该双塔中取出，并且该富氧气体或富氮气体在该热交换器中被再加热，以便形成该方法的产物，其特征在于，该第一空气流被直接输送到该第二塔，以便在其中进行分离，而没有在冷凝器中冷凝。
根据其他可选的方面：
·全部第一流被输送到该第二塔。
·该第一流在低于或等于该富氧液体到达的水平高度的水平高度被输送到该第二塔。
·该方法不产生任何液体产物作为最终产物，和/或没有液体流从双塔中取出作为最终产物。
·该方法通过涡轮中第二流的一部分从第五压力膨胀到第二压力而保持冷态。
·在该涡轮中膨胀的空气部分占该净化空气的6vol％与15vol％之间、优选地6vol％与8vol％之间。
·所有空气在不超过1.5巴、实际上甚至不超过1.3巴的压力下被净化。
·所有的第二流在该热交换器中被冷却到该热交换器的中间温度，该涡轮的入口处于该热交换器的该中间温度，并且该第二流的输送到该第一塔的部分在该热交换器中被冷却到该热交换器的冷端。
·该第一压力不超过6巴。
·该第二压力不超过1.5巴。
·该富氧气体包含至少80mol％的氧。
·该富氧气体包含至少90mol％的氧。
·该富氧气体包含少于98mol％的氧。
·该第一流占该净化空气流的20vol％与30vol％之间。
·该第二流占该净化空气流的70vol％与80vol％之间。
·富氧气体和/或富氮气体从该双塔中取出，并且该富氧气体和/或该富氮气体在该热交换器中被再加热，以便通过在该热交换器的冷端处引入该富氧气体和/或该富氮气体而形成该方法的产物。
·该第一空气流和/或该第二流的旨在用于该第一塔的部分在该热交换器中被冷却到其露点以上至少5℃的温度。
·富氧液体被取出并且在该热交换器中被再加热，以便形成该方法的产物。
·该富氧液体在专用汽化器或该热交换器中汽化之前被加压。
·该富氧液体通过与该第二流的一部分进行热交换、或与被加压到大于该第五压力的压力的第三空气流进行热交换而被汽化。
·该第一空气流在该热交换器与该第二塔之间被过冷。
·在该涡轮中膨胀的空气部分在涡轮的出口与该第二塔之间被过冷。
本发明将参考附图以更详细的方式进行描述。
图1表示了根据本发明的通过低温蒸馏来分离空气的方法。
通过低温蒸馏来分离空气的设备包括具有第一塔K3和第二塔K4的双塔，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于第一压力的第二压力下操作，该第二塔具有底部再沸器M。第二塔K4不包含中间冷凝器。
在此示例中，第一压力是4.5巴，并且第二压力是1.13巴。
富氮气体从第一塔的顶部被输送到底部再沸器M，并且来自底部再沸器的冷凝的富氮气体的至少一部分被输送到第一塔的顶部。
处于大气压力的空气在过滤器A中进行过滤，在大气压力以上至多1巴、优选地至多0.5巴的压力下由具有单级的鼓风机B进行压缩，由冷却装置C进行冷却，并且在单个净化单元D中净化水和二氧化碳，空气4在比大气压力高至多1巴、优选地至多0.5巴的第三压力下进入该净化单元。净化单元包括两个交替用于净化空气的吸附床，一个床净化空气，而另一个床被再生。
在单元D中净化的空气被分成两个部分，以便形成两股流6、8。空气8既不压缩也不膨胀，并且该空气的压力与第二压力相差等于管道和热交换器G中的压降的压力。
优选地，第一流8占流4的20vol％与30vol％之间，并且第二流6占流4的70vol％与80vol％之间。
因此，空气8被直接从净化单元输送到第二塔K2以在其中进行分离，以完全气态形式进入塔。空气8在热交换器G中被冷却到其露点以上至少5℃的温度。
流6在升压器E中被升压，在冷却器F中被冷却，并且被输送到热交换器G。升压器E将空气6升压到第一压力与第一压力以上1巴之间的第五压力。空气6在交换器的中间水平处被分成两部分30、32。空气30在交换器的中间温度(例如-125℃)下离开交换器，在涡轮28中膨胀降至第二压力并且以气态形式进入，与流8混合，以在第二塔K4中进行分离。
流30可以占空气4的6vol％与15vol％之间，优选地6vol％与8vol％之间。
空气32被冷却到交换器G的冷端，并且以基本上气态形式输送到第一塔K3的底部，以便在其中进行分离。空气8在热交换器G中被冷却到其露点以上至少5℃的温度。
富氧液体流34在第一塔的底部处被取出，并且被输送到第二塔的高于空气入口的水平高度。可替代地，空气可以在与液体34到达的水平高度相同的水平高度处进入第二塔。
膨胀的液体34可以在相分离器中分离：相分离器产生的液体被输送到塔K4，并且蒸气相可以在空气8、30的入口处混合到塔K4中。
液氮流35从第一塔的顶部被取出，并且被输送到第二塔的顶部。
气态氮36在第二塔K4的顶部处被取出，并且在过冷器S中被加热，且随后在交换器G中被加热。该气体的一部分14用于使净化单元D再生。
气态氧29在第二塔K4的底部处被取出。流29优选地包含至少80mol％的氧、实际上甚至至少90mol％的氧、但优选地少于98mol％的氧。
将注意到，该方法不会产生任何液体流作为最终产物。该方法不产生任何液体流，进行汽化以便形成最终气态产物，可选地形成在压力下的最终气态产物。然而，有可能的是以这种方式产生少量的最终气态产物，该最终气态产物可以可选地与主要气态产物混合。
此外，可能会产生小的液体流。
在替代形式中，空气8和/或空气30可以在过冷器S中被过冷，并且然后被引入第二塔K4。以其他方式，流8和流30的混合物可以在过冷器S中被过冷，并且然后被引入第二塔K4。
在所描述的示例中，流29是气态氧流，该气态氧流在热交换器G中从热交换器G的冷端被加热。可替代地，流29可以是被加压到比第二塔K4的压力高的压力的富氧液体流。液体29在专用汽化器(未展示出)中、或在热交换器G中被汽化。液体29可以通过与所有空气32进行热交换而被汽化以便部分地冷凝空气32，冷凝的空气随后将被输送到第一塔K3的底部。以其他方式，液体29可以通过与一部分空气32进行热交换而被汽化以便完全冷凝这部分空气32。冷凝的空气随后将被输送到第一塔K3的底部或到第一塔和/或第二塔的中间点。
以其他方式，一部分净化空气可以在升压器中被升压到比第一塔K3的压力大的压力，以便汽化液体29。

Claims (15)

1.一种空气分离设备，包括：具有第一塔(K3)和第二塔(K4)的双塔，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于该第一压力的第二压力下操作，该第二塔具有底部再沸器(M)、用于将富氮气体从该第一塔的顶部输送到该底部再沸器的装置、以及用于将至少一部分冷凝的富氮气体从该底部再沸器输送到该第一塔的顶部的装置；热交换器(G)；净化单元(D)；用于在比大气压力大至多1巴的第三压力下将空气输送到该净化单元的装置(B)；用于在比该第二压力大至多1巴的第四压力下将该净化单元中净化的第一空气流(8)输送到该热交换器的管道；用于将在该热交换器中冷却的第一净化空气流引入该第二塔以便在其中进行分离的管道；升压器(E)；用于将在该净化单元中净化的第二空气流(6)输送到该升压器的管道；用于将被该升压器压缩到该第一压力与该第一压力以上1巴之间的第五压力的该第二流的至少一部分输送到该热交换器的管道；用于产生制冷的装置(28)；用于从该双塔的被连接到该热交换器的塔中取出至少一种富含氧或氮的流体(29)的管道；以及用于将至少一种富含氧或氮的流体作为产物从该热交换器离开的管道，该设备不包括使该第一流膨胀的任何装置而是仅包括单个净化单元，其特征在于，该第二塔不包括中间冷凝器，用于引入该第一净化空气流的管道被连接到该第二塔的内部，以便使得该第一流能够参与蒸馏。
2.如权利要求1所述的设备，其中，用于产生制冷的装置包括用于使该第二流(6)的一部分(30)膨胀(28)的至少一个涡轮、和/或用于使源自该第一塔(K3)的富氮气体膨胀的一个涡轮、和/或用于将低温液体从外部源输送到该双塔(K3，K4)的装置。
3.如权利要求2所述的设备，其中，用于使该第二流(6)的该部分(30)膨胀(28)的涡轮被连接到该第二塔(K4)，以便将膨胀的空气输送到该第二塔。
4.如权利要求1或2所述的设备，其中，用于在该第三压力下将空气输送到该净化单元的装置不包括除单级压缩机(B)之外的任何压缩装置。
5.如权利要求1、2或3所述的设备，不包括用于压缩该第一流(8)的任何装置。
6.一种使用双塔通过低温蒸馏来分离空气的方法，该双塔具有第一塔(K3)和第二塔(K4)，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于该第一压力的第二压力下操作，该第二塔具有底部再沸器(M)，其中：
i)包含水和二氧化碳的空气在比大气压力大至多1巴的第三压力下被输送到单个净化单元(D)，
ii)净化的空气被分离成两部分，
iii)在该净化单元中净化的第一空气流(8)在比该第二压力大至多1巴的第四压力下被输送到热交换器(G)，
iv)在该热交换器中冷却的第一净化空气流被输送到该第二塔(K4)，而没有使该第一净化空气流膨胀，
v)第二净化空气流(6)被升压到该第一压力与该第一压力以上1巴之间的第五压力，该第二流的至少一部分在该第五压力下被输送到该热交换器，并且该第二流的该至少一部分以气态形式被输送到该第一塔，
vi)提供制冷以便在该方法中保持冷态，
vii)来自该第一塔的富氮气体在该再沸器中被至少部分地冷凝，并且冷凝的氮气的至少一部分返回到该第一塔，
viii)富氮液体(35)和富氧液体(34)被从该第一塔输送到该第二塔，
ix)富氧气体(29)或富氮气体从该双塔中取出，并且该富氧气体或富氮气体在该热交换器中被再加热，以便形成该方法的产物，其特征在于，该第一空气流被直接输送到该第二塔，以便在其中进行分离，而没有在冷凝器中冷凝。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该第一流(8)在低于或等于该富氧液体(34)到达的水平高度的水平高度被输送到该第二塔(K4)。
8.如权利要求6和7之一所述的方法，通过涡轮(28)中的该第二流(6)的一部分(30)从该第五压力膨胀到该第二压力来保持冷态，在该涡轮中膨胀的空气的该部分优选地占该净化空气的6vol％与15vol％之间、优选地6vol％与8vol％之间。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所有的第二流(6)在该热交换器(G)中被冷却到该热交换器的中间温度，该涡轮(28)的入口处于该热交换器的该中间温度，并且该第二流的输送到该第一塔的部分(32)在该热交换器中被冷却到该热交换器的冷端。
10.如权利要求6至9之一所述的方法，其中，所有空气(4)在不超过1.5巴、实际上甚至不超过1.3巴的压力下被净化。
11.如权利要求6至10之一所述的方法，其中，该富氧气体(29)包含至少80mol％的氧、实际上甚至至少90mol％的氧、但优选地少于98mol％的氧。
12.如权利要求6至11之一所述的方法，其中，该第一流(8)占该净化空气流的20vol％与30vol％之间。
13.如权利要求6至12之一所述的方法，其中，该第二流(6)占该净化空气流的70vol％与80vol％之间。
14.如权利要求6至13之一所述的方法，其中，富氧气体(29)和/或富氮气体从该双塔中取出，并且该富氧气体和/或该富氮气体在该热交换器(G)中被再加热，以便通过在该热交换器的冷端处引入该富氧气体和/或该富氮气体而形成该方法的产物。
15.如权利要求6至14之一所述的方法，其中，该第一空气流(8)和/或该第二流(6)的旨在用于该第一塔的部分(32)在该热交换器(G)中被冷却到其露点以上至少5℃的温度。
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