CN116685822A - 用于重启空气分离单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于重启空气分离单元的方法，该空气分离单元包括塔系统(K1，K2)和位于第一塔下方的热交换器(3)，该塔系统至少包括第一蒸馏塔(K1)，其中该热交换器的主轴线竖直且其冷端邻近第一塔的底部，其中，在重启期间，空气被送至热交换器，并且经冷却的空气的至少一部分(5)以气态形式被送至大气。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于重启空气分离单元的方法。它还涉及能够通过根据本发明的方法启动的低温蒸馏空气分离单元。
背景技术
通常使用双蒸馏塔分离空气，该双蒸馏塔包括在第一压力下操作的第一塔和在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔。第二塔的底部被来自第一塔的顶部气体加热，顶部气体在第二塔的底部于冷凝器中冷凝。
用于蒸馏的空气在热交换器中通过与来自第一和第二塔中至少一个的至少一种气体进行热交换而被冷却。主交换器竖直安装，热端朝上，冷端朝下。因此，在停用期间，密度更大的冷气体保留在下部，从而避免了冷气体向顶部迁移，这在冷重启期间可能是麻烦的。
缺点在于，这决定了在架构上的选择，通常交换器靠近塔，并且这增加了冷箱的尺寸，如果寻求建立真空冷箱，会引起与运输限制或困难相关的问题。
从WO2019/126927已知将该供气冷却热交换器设置在第一塔下方。与通常的布置相比，这里的交换器是颠倒放置的，冷端朝上，并且热端朝下。
这允许交换器安装在塔系统下，同时使管道路线最小化：冷端的管道尽可能靠近塔系统，并且热端的管道位于底部，尽可能靠近与热部分(纯化、生产)的互连点。这使得可以制造具有小横截面的冷箱，这在运输和真空绝热的情况下是有利的。
在停用期间，存在冷向热部件迁移的风险。这通过以下事实得以缓解：从交换器到纯化或生产级的出口具有在停用时关闭的阀。
“冷重启”是指在该单元未预热那么多的情况下的重启，因为停用时间短，或者因为通过添加冷能使该单元保持冷。
在冷重启期间，从交换器到纯化或生产级的这些出口阀必须打开，在交换器热稳定所需的时间内，在过渡阶段存在冷迁移(低温脆化)的风险。在这种情况下，为了减轻这种风险，必须使用不锈钢作为阀和管道的材料，并且这是昂贵的。
发明内容
本发明包括在交换器的冷端处就进入蒸馏系统的空气增加通向大气的通气口，以便使交换器中的热交换暂时不平衡，从而将冷锋反推向交换器的顶部(冷端)。
本发明提出在冷重启时，通过使热气体的总流量远大于冷气体的总流量，使热交换器暂时热失衡，从而强制交换器快速热化。这是通过以下来实现的：在交换器的冷端就至少一种要被加热或冷却的气体增加通向大气的通气口，以便以要被加热(或冷却)的气体的总流量的至少5％，优选10％的流量将冷“排放/倾泻”到大气中。
本发明还涉及用于蒸馏的塔系统不是双塔而是单塔的情况。
根据本发明的一个主题，提供一种用于重启空气分离单元的方法，该空气分离单元包括塔系统和热交换器，该塔系统至少包括第一蒸馏塔，该热交换器经由将纯化除去了水和二氧化碳并旨在将于第一塔中被分离的空气以气态形式送到热交换器的称为热端的一端并在所述热交换器的称为冷端的另一端以气态形式提取该空气来通过间接热交换冷却该空气，该交换器还用于加热来自塔系统的至少两种气体，该热交换器位于第一塔下方，该热交换器的主轴线竖直并且该热交换器的冷端邻近所述第一塔的底部，
i)在正常运行期间，在热交换器中冷却并旨在被蒸馏的空气中的至少一部分空气以气态形式被送至塔系统，例如第一塔，并且来自塔系统的至少两种流体被送至热交换器；
ii)当所述单元停用时，在热交换器中冷却的空气不再被送至塔系统，并且流体不再从塔系统被送至热交换器；以及
iii)在重启期间，空气被送至热交换器的热端，并从热交换器的冷端被送至空气在其中被分离的塔系统，并且从塔系统提取的至少一种流体被送至热交换器，其特征在于，在重启期间：
a)来自冷端的气态的所述至少一部分空气被分成两部分，其第一部分被送至塔系统，并且其第二部分被排放至大气；和/或
b)从塔系统提取的气体的至少一部分被排放至大气。
根据其他可选方面：
·在重启期间，具有一定流量的冷却空气流在交换器的冷端被排放至大气，该流量对应于正常运行期间在热交换器中冷却的气体的总流量的至少5％，优选至少10％。
·在重启期间，来自塔系统并且具有对应于待在正常运行期间于热交换器中加热的气体的总流量的至少5％，优选至少10％的流量的气体流在交换器的冷端排放至大气。
·从塔系统提取的气体富含氮气、氧气或氩气。
·热交换器为钎焊板翅式热交换器。
·在正常运行中，在第一压力下的第一空气流和在低于第一压力的第二压力下的第二空气流在热交换器中被冷却，并且分别被送至塔系统的第一塔和塔系统的在低于第一塔的压力下操作的第二塔。
·在重启期间，第一流的流量小于其在正常运行期间被输送的流量，或甚至该第一流的流量为零，并且第二流被分成两部分，一部分被送至第二塔，并且另一部分被排放至大气。
·塔系统包括单个塔，该单个塔为第一塔，并且在正常运行中，所有待分离的空气均被送至第一塔，在停用时，没有空气流被送至第一塔，并且在重启期间，来自冷端的空气被分成两部分，并且其第一部分被送至第一塔，并且其第二部分被排放至空气中。
·在正常运行期间和/或在重启期间和/或在停用期间，如果并且优选地仅如果塔系统的塔中的压力超过阈值，则空气的一部分或从塔系统提取的流体的一部分被排放至大气。
因此，气体管线具有两种不同的用途。
优选在重启期间，其第一部分被送至第二塔。
在重启期间，来自冷端的气态的所述至少一部分空气可分成两部分，其第一部分以气态形式被送至塔系统，并且其第二部分以气态形式被排放至大气。
根据本发明的另一主题，提供一种低温蒸馏空气分离单元，其包括：塔系统，该塔系统至少包括第一蒸馏塔；利用间接热交换来冷却待在第一塔中分离的空气的热交换器；用于将空气送至热交换器的称为热端的一端的机构；用于从热交换器的称为冷端的另一端提取经冷却的空气的机构，这些机构连接至塔系统；用于将来自塔系统的至少两种流体送去交换器中加热的机构，热交换器位于第一塔下方，其中该热交换器的主轴线竖直并且其冷端邻近第一塔的底部，其特征在于，该低温蒸馏空气分离单元包括用于将以下部分以气态形式排放至大气的机构：
a.在热交换器中冷却的空气，用于排放至大气的通气机构连接至用于从热交换器的所述另一端提取经冷却的空气的机构；和/或
b.在热交换器的上游、由塔系统生产的所述至少两种流体之一的至少一部分。
优选地，该单元包括用于在蒸馏停止的情况下防止热交换器和空气处理机构之间以及热交换器和用于将来自系统的至少一种产品排放至大气的机构之间的任何流体转移的机构。
用于将在热交换器中冷却的空气排放至大气的机构可连接至第一塔或连接至第二塔。
该单元可包括：用于处理待蒸馏的空气并且包括纯化单元的机构；用于将塔系统的并且已在热交换器中加热的至少一种产品送至外部的机构，该热交换器连接至空气处理机构并且连接至用于将来自系统的至少一种产品送至外部的机构以及用于在蒸馏停止的情况下防止热交换器和空气处理机构之间以及热交换器和用于将系统的至少一种产品送至外部的机构之间的任何流体转移的机构。
该单元可包括过冷器，用于逆着来自塔系统的气体冷却从塔系统中提取的至少一种液体。
该过冷器可位于热交换器和第一塔之间，或靠近热交换器，以降低总高度。
在待蒸馏的空气部分以中压送入第一塔(MP塔)，部分以低压直接送入第二塔(LP塔)的情况下，在不启动蒸馏系统的情况下，仅将低压空气排放至大气是有益的(即，不将MP空气送入第一塔)。这使得有可能加剧热不平衡，从而加速交换器温度的恢复。例如，如果低压空气代表总空气流量(＝热流体的总流量)的30％，如果总空气流量的10％被排放到大气中，这使得对于20％的总冷流量，30％的总热流量通过交换器成为可能，即冷/热比为2/3，而不是塔系统启动时的9/10。这使得可以更快地进行并减少排出量。
在这种配置中，由于热量的引入使储存在低压塔底部的部分液体气化，因此排气也可用于维持第二塔中的最大容许压力。这避免了对阀施加压力。
附图说明
注意，这些图是简化的：它们可能特别包括涡轮机、过冷器或压缩机。
将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中：
[图1]和[图2]分别代表示意性示出的根据本发明的单元。
具体实施方式
[图1]示出了包括塔系统的低温蒸馏空气分离单元，该塔系统包括至少第一蒸馏塔。这里，该系统包括双塔，该双塔包括在第一压力下操作的第一塔K1和在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔K2。第二塔的底部被来自第一塔的顶部气体加热，顶部气体在第二塔的底部于冷凝器中冷凝。
该单元可包括用于处理待蒸馏空气并且包括纯化单元的机构。这些机构使得以已知的方式从空气中纯化除去水和二氧化碳成为可能。该单元还可包括这样的机构，其用于将塔系统的并且已经在热交换器中被加热的至少一种产品送到外部，例如送到消费者，以便进行储存。
这些机构对于该单元不是必需的，因为一旦在现场安装后，它们可以添加到分离单元中。
板翅式间接热交换器3用于冷却待分离的空气，此处空气1仅被送至第一塔K1。热交换器通过与来自塔系统的至少两种不同的流体进行间接热交换来冷却纯化除去了水和二氧化碳的空气，在该示例中，这两种不同的流体是富氮气体和富氧气体，但是也可以包括其他气体。
热交换器位于第一塔K1下方，因此其主轴线是竖直的，并且优选对应于第一塔K1的主轴线。
交换器可包括如本文所示的单个主体或包括多个并联的主体。
优选地，在热交换器3和第一塔K1之间没有其它热交换器(例如塔系统的气体冷凝器)。
已经在纯化装置中纯化除去了水和CO2的空气进入交换器3的热端。热交换器位于第一塔K1的下方，其中其主轴线竖直，并且其冷端靠近第一塔的底部。在正常运行中，空气在热交换器中上升并冷却，以气态形式在冷端排出，该冷端是对应于第一塔底部的一端。它在该塔K1中被分离，然后来自塔K1的流体以已知的方式被送入塔K2，并且，在塔K2中的蒸馏在塔的顶部生产富氮气体13，并且在塔的底部生产富氧气体9。这两种气体在交换器3中正常运行时将被加热，以便在与空气1发生间接热交换之后在热端排出。显然，交换器可以更复杂：空气可以从交换器中提取以便在涡轮机中膨胀，在冷增压器中压缩，等等。
当蒸馏停止时，阀关闭管线，以防止热交换器和热交换器上游装置部分之间的任何流体转移，所述热交换器上游装置部分特别是用于处理待蒸馏空气并且包括纯化单元的机构、用于将塔系统的且已在热交换器中加热的至少一种产品送到外部的机构。
在此期间，可简单地通过在该单元周围的绝热装置或添加液氮来保持该单元的低温/冷量。在热交换器的冷端残留的流体，在正常运行中蒸馏时存在，并且比热端的流体重，倾向于向热交换器的底部，也就是热端移动。
在重启期间，打开阀以允许流体(空气)转移至热交换器和塔系统。阀也被打开以允许由蒸馏产生的流体被输送给消费者或用于空气纯化的再生。空气进入热交换器，在那里被冷却。
为了降低冷迁移的风险，可通过以打开阀V1以打开连接到绝热空间外部的管线5从而将冷却的空气排放到大气中的方式将热交换器3中冷却的部分气态空气排放到大气中。气态空气的另一部分7被送入第一塔K1。
作为将空气排放到大气中的补充或替代，可行的是将塔系统产生的气体中的至少一种气体的至少一部分排放到大气中。在这里是富氮流，该富氮流通过打开阀V2从而打开管线15而被分成两股，留下剩下的流17在热交换器中加热。富氧流全部在热交换器中被加热，但是这种气体的一部分也可被排放到大气中。
在某些情况下，可将全部产品气流排放到大气中，例如，在仅产生不纯氩气流的情况下，以生产更纯的氧气。
应理解，由于其定向，热交换器3不含任何液体，仅含气体。
[图2]与[图1]的不同之处在于，在正常运行中，两个空气流1、2被输送用于蒸馏。处于第一压力的第一流体1在热交换器3中被冷却，并以气态形式被送到第一塔K1。处于低于第一压力的第二压力的第二流体2在热交换器3中被冷却，并以气态形式被送到第二塔K2。
正常运行和停用的其余部分与前一种情况相同。
对于重启，仅恢复空气流之一，即压力最低的气流，即气流2。该气流分成两股，一股通过打开管线4中的阀V1排放到大气中。剩余部分6被直接送到第二塔K2。
在正常运行期间、启动期间或停用期间，如果其中的压力变得过大，具有V1的管线4也可用于使塔K2减压。
优选地，在正常运行和/或停用期间，仅当塔系统的塔中的压力超过阈值时，一部分空气或一部分的从塔系统(K1，K2)中提取的流体才排放到大气中。
Claims (13)
1.一种用于重启空气分离单元的方法，该空气分离单元包括塔系统(K1，K2)和热交换器(3)，该塔系统至少包括第一蒸馏塔(K1)，该热交换器经由将纯化除去了水和二氧化碳并旨在将于第一塔中被分离的空气送至所述热交换器的称为热端的一端并在所述热交换器的称为冷端的另一端提取该空气来通过间接热交换冷却该空气，该交换器还用于加热来自所述塔系统的至少两种气体(9，17)，该热交换器位于所述第一塔的下方，其中该热交换器的主轴线竖直并且该热交换器的冷端邻近所述第一塔的底部，
i)在正常运行期间，在所述热交换器中冷却并旨在将被蒸馏的空气(1，2)中的至少一部分空气被送至所述塔系统、例如送至所述第一塔，并且来自所述塔系统的至少两种气体(9，13)被送至所述热交换器；
ii)当所述单元停用时，在所述热交换器中冷却的空气不再被送至所述塔系统，并且流体不再从所述塔系统被送至所述热交换器；以及
iii)在重启期间，空气被送至所述热交换器的热端，并从所述热交换器的冷端以气态形式被送至空气在其中被分离的所述塔系统，并且从所述塔系统提取的至少一种气体被送至所述热交换器，其特征在于，在重启期间：
a)来自冷端的气态的所述至少一部分空气被分成两部分，其第一部分(6，7)被送至所述塔系统，并且其第二部分(4，5)被排放至大气；和/或
b)从所述塔系统提取的气体的至少一部分(15)被排放至大气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在重启期间，对应于正常运行期间在所述热交换器中冷却的气体的总流量的至少5％、优选至少10％的冷却空气流(7)在交换器的冷端被排放至大气。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在重启期间，来自所述塔系统并且具有对应于在正常运行期间待在所述热交换器中加热的气体的总流量的至少5％、优选至少10％的流量的气体流(15)在交换器的冷端被排放至大气。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述塔系统(K1，K2)提取的气体(13)富含氮气或氧气或氩气。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热交换器(3)是钎焊板翅式交换器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
i.在正常运行中，在第一压力下的第一空气流(1)和在低于第一压力的第二压力下的第二空气流(2)在所述热交换器(3)中被冷却，并且被对应地送至所述塔系统的第一塔(K1)和所述塔系统的在低于所述第一塔的压力下操作的第二塔(K2)；并且
ii.在重启期间，第一流的流量小于其在正常运行期间被输送的流量，或甚至该第一流的流量为零，并且第二流被分成两部分，一部分(6)被送至所述第二塔，并且另一部分(4)被排放至大气。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述塔系统包括单个塔，该单个塔为第一塔，并且在正常运行中，所有待分离的空气均被送至所述第一塔，在停用时，没有空气流被送至所述第一塔，并且在重启期间，来自冷端的空气被分成两部分，并且其第一部分被送至所述第一塔且其第二部分被排放至空气中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在正常运行期间和/或在重启期间或在停用期间，当并且优选地仅当所述塔系统的塔中的压力超过阈值时，空气的一部分或从所述塔系统(K1，K2)提取的流体的一部分被排放至大气。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在重启期间，所述第一部分(6，7)被送至所述第二塔(K2)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在重启期间，来自冷端的气态的所述至少一部分空气被分成两部分，其第一部分(6，7)以气态形式被送至所述塔系统，并且其第二部分(4，5)以气态形式被排放至大气。
11.一种低温蒸馏空气分离单元，其包括：塔系统，该塔系统至少包括第一蒸馏塔(K1)；利用间接热交换来冷却旨在于第一塔中分离的空气的热交换器(3)；用于将空气(1，2)送至所述热交换器的称为热端的一端的机构；用于从所述热交换器的称为冷端的另一端提取经冷却的空气的机构，这些机构连接至所述塔系统；用于将来自所述塔系统的至少两种流体(9，13)送去交换器中加热的机构，所述热交换器位于所述第一塔的下方，其中该热交换器的主轴线竖直并且其冷端邻近所述第一塔的底部，其特征在于，该低温蒸馏空气分离单元包括用于将以下部分以气态形式排放至大气的机构：
a.在所述热交换器中冷却的空气(4，5)，用于排放至大气的通气机构连接至用于从所述热交换器的所述另一端提取经冷却的空气的机构；和/或
b.在所述热交换器的上游、由所述塔系统生产的所述至少两种流体之一的至少一部分(15)。
12.根据权利要求11所述的单元，其包括用于在蒸馏停止的情况下防止所述热交换器和空气处理机构之间以及所述热交换器和用于将来自系统的至少一种产品排放至大气的机构之间的任何流体转移的机构。
13.根据权利要求11或12所述的单元，其中，用于将在所述热交换器中冷却的空气(4，5)排放至大气的机构连接至所述第一塔或连接至第二塔。
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