CN117980677A - 用于空气低温分离的方法和空气分离设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用空气分离设备(100,200)进行空气低温分离的方法，该空气分离设备包括具有压力塔(11)、低压塔(12,12a,12b)和氩塔(13a,13b)的精馏塔装置(10)，其中：低压塔(12,12a,12b)包括第一精馏区和第二精馏区(A,B)；氩塔(13a,13b)包括第一精馏区和第二精馏区(C,D,D1,D2)；在低压塔(12,12a,12b)的第一精馏区和第二精馏区(A,B)之间将氩富集的流体从该低压塔中取出，并且将其馈送到氩塔(13a,13b)的第一精馏区(C)中；以及将氩贫化流体从氩塔(13a,13b)的第一精馏区(C)取出，并在低压塔(12,12a,12b)的第一精馏区和第二精馏区(A,B)之间将其馈送到该低压塔中。空气分离设备(100,200)以第一操作模式和第二操作模式操作，并且至少主要使用来自低压塔(12,12a,12b)的塔顶气体形成的氮产物在第一操作模式中比在第二操作模式中以更大的产物量从空气分离设备(100,200)排出。在第一操作模式中，氩塔(13a,13b)和纯氧塔(14)在低压塔(12,12a)的压力下或比其低的压力下操作。在第二操作模式中，氩塔和纯氧塔中的压力进一步降低。本发明还涉及相应的设备(100,200)。

Description

用于空气低温分离的方法和空气分离设备
本发明涉及一种根据独立权利要求的相应前序的用于空气低温分离的方法和空气分离设备。
背景技术
通过在空气分离设备中进行空气低温分离来制备液态或气态的空气产物是已知的，并且例如在H.-W.(主编)，工业气体处理，Wiley-VCH，2006中，具体地在第2.2.5节“低温精馏”中进行描述。
空气分离设备具有可以进行不同设计的精馏塔装置。除了用于获得液态和/或气态氮和/或氧的精馏塔(即用于氮-氧分离的精馏塔，尤其可以组合在已知的双塔中)之外，还可以提供用于获得其它空气组分(尤其是稀有气体)或纯氧的精馏塔。
典型精馏塔装置中的精馏塔在不同的压力水平下操作。已知的双塔具有所谓的压力塔(也称为高压塔、中压塔或下塔)和所谓的低压塔(也称为上塔)。高压塔通常在4巴至7巴，具体地在大约5.3巴的压力水平下操作；另一方面低压塔通常在1巴至2巴，具体地在大约1.4巴的压力下操作。在某些情况下，特别是也在本发明的实施方案的范围内(参见下文)，在这种精馏塔中也可以使用更高的压力水平。此处和下面指示的压力是相应指示的精馏塔的顶部的绝对压力。
空气分离设备可根据待递送的空气产物及其所需的聚集和压力状态而被不同地设计。例如，已知所谓的内部压缩用于提供气态压力产物。在这种情况下，从精馏塔装置中取出低温液体，在液态下进行压力升高，并通过在加热而转化成气态或超临界状态。例如，以此方式，可以产生内部压缩的气态氧、内部压缩的气态氮或内部压缩的气态氩。内部压缩提供了相对于可替代的、同样可能的外部压缩的一系列优点，并且例如在(参见上文)的第2.2.5.2节“内部压缩”中进行了说明。
然而，内部压缩并非在所有情况下都是有利的或期望的。因此，特别是对于在9巴至14.5巴的压力水平下供应氩以及压缩氮的情况，已经提出了替代的设备配置。通常，在这种替代的设备配置中，可以使用用于提供气态氮的精馏塔，其已经以期望的产物压力操作。例如，相应地提高双塔中的压力，使得来自压力塔的取出压力对应于所需的产物压力。在本发明的实施方案的范围内也可以是这种情况。因此，取出的氮不再必须被压缩。在这种情况下也可以使用用于氩生产的精馏塔。
本发明的目的是提供一种装置，该装置进一步改进空气产物的供应，特别是根据所描述的要求分布，并且使它们更有效和更简单。特别地，本发明提供了一种解决方案，通过该解决方案，除了所指定的空气产物之外，还可以获得液态或气态的(超)高纯度氧。
发明内容
在此背景下，本发明提出了一种具有相应独立发明权利要求的特征的用于空气低温分离的方法和空气分离设备。实施方案中的每一个实施方案都是从属权利要求和以下描述的主题。
在下文中，将首先更详细地解释用于描述本发明及其优点的一些术语以及基本的技术背景。
空气分离设备中使用的装置在所引用的技术文献，例如在的第2.2.5.6节“装置”中进行了描述。除非以下定义不同，因此关于在本申请的框架内使用的术语明确地参考引用的技术文献。
“冷凝器蒸发器”是其中第一冷凝流体流与第二蒸发流体流间接换热的换热器。每个冷凝器蒸发器都具有液化室和蒸发室。液化室和蒸发室具有液化通道或蒸发通道。在液化室中执行第一流体流的冷凝(液化)，并且在蒸发室中执行第二流体流的蒸发。通过相互间存在换热关系的通道组形成蒸发室和液化室。冷凝器蒸发器根据其功能也被称为“顶部冷凝器”和“贮槽蒸发器”，其中顶部冷凝器是其中精馏塔的塔顶气体被冷凝的冷凝器蒸发器，且贮槽蒸发器是其中精馏塔的贮槽液体被蒸发的冷凝器蒸发器。然而，贮槽液体也可以在顶部冷凝器中蒸发，例如如在本发明的上下文中所使用的。
“膨胀涡轮”或“膨胀机”可经由公共轴联接到另外的膨胀涡轮或能量转换器，诸如油制动器、发电机或压缩机，“膨胀涡轮”或“膨胀机”被配置为用于膨胀气态或至少部分液态材料流。特别地，用于本发明的膨胀涡轮可以设计为涡轮膨胀机。在这种情况下，特别可以使用所谓的残余气体涡轮，该残余气体涡轮使来自精馏塔装置的不纯氮膨胀以获得冷态。
在本文所用的术语中，流体(即液体和气体)可以富含或缺乏一种或多种组分，其中“富含”可以指至少50％、75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，“缺乏(low)”可以指至多50％、25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量，基于摩尔、重量或体积。术语“主要”可对应于“富含”的定义。流体还可被一种或多种组分富集或贫化，其中这些术语涉及获得该流体的起始流体中的含量。如果流体基于初始液体含有至少1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1,000倍的对应组分的含量，则为“富集”，而如果流体含有最多0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍的对应组分的含量，则为“贫化”。例如，如果在此提及“氧”或“氮”，则这也被理解为是指富含氧或氮的流体，但不必一定仅由其组成。
术语“高纯度氧”(或“氧6.0”)在本文中应理解为意指氧含量为至少99.9999摩尔％的液态氧(HLOX)或气态氧(HGOX)。换句话说，此时存在总计最多1ppm的杂质(主要是氩和甲烷)。因此，术语“超高纯度氧”相应地是指具有甚至更高氧含量、特别是至少99.99999摩尔％的氧。如果提到高纯度氧的形成，则这也可以包括超高纯度氧的形成。
本公开使用术语“压力范围”和“温度范围”来表征压力和温度，其意味着不必为了实现本发明构思而将对应设备中的对应的压力和温度以精确的压力或温度值的形式来使用。例如，在压力和低压塔内的不同位置处存在不同的压力，但是它们在特定压力范围内，也被称为操作压力范围。相应的压力范围和温度范围可以是不相交的范围或彼此重叠的范围。
下面使用的绝对和/或相对空间指示，诸如具体地“之上”、“之下”、“在……上方”、“在……下方”、“相邻”和“彼此相邻”在这里具体地是指空气分离设备的相应指定的元件(例如精馏塔、多部分精馏塔的子塔或精馏塔的精馏区域)在正常操作中的空间取向。两个元件“一个在另一个上方”的布置在此被理解为具体地是指两个元件中的较低的那个元件的上端与两个元件中的较高的那个元件的下端相比处于较低或相同的测地学高度，并且两个元件的投影在水平面上重合。具体地，这两个元件可以恰好一个在另一个上方布置，即这两个元件的竖直中心轴线在同一竖直直线上延伸。“彼此相邻”的布置具体地应是指两个元件的投影在水平平面中不重叠。在设计成多部分的精馏塔的情况下，术语诸如“功能上在……下方”或“功能上在……上方”是指如果精馏塔具有单部分设计则它们将具有的精馏区或子塔的布置。
术语“精馏区”在本文中是指多部分精馏塔的精馏塔或子塔内的任何节段，其被配置为进行精馏并且为此目的而设计，具体地具有对应的物质交换结构，诸如分离板或有序或无序填料。具体地，流体出口或进料点(例如侧进料点)可以设置在精馏区之间。在(功能上)最下面的精馏区下方是精馏塔的“贮槽”；在(功能上)上精馏区的上方是其“塔顶(head)”。“氮气节段”是低压塔(如果提供的话)的最上区域，其旨在能够在其塔顶排出(基本上)纯的氮。
如在(见上文)中参照图2.4A所述，尽管氩以小于1摩尔％的含量包含在大气空气中，但其对低压塔中的浓度分布施加强烈影响。在通常包括30至40个理论或实际塔板的低压塔的最低分离节段中的分离因此可以被认为是氧和氩之间的基本上二元的分离。这种精馏区也被称为“氧节段”。仅在转移到粗氩塔中的气体的排放点开始，分离在几个理论或实际塔板内变成氮、氧和氩的三元分离。
发明优点
对于开始提到的要求分布，即在9巴至14.5巴的压力水平下获得气态压缩氮和提供氩，具有压力塔和低压塔的双塔装置可以以特别有利的方式在增加的压力水平下操作，其中氮同时在低压塔的塔顶被取出并且其一部分被加热、压缩、再次冷却并且以再循环流的形式被馈送到双塔装置中，即馈送到压力塔中和/或低压塔中。
再循环流可以任选地(部分地、或分成几个部分地、或完全地)通过主冷凝器和/或通过纯氧塔的贮槽蒸发器，然后其被馈送到压力塔和/或低压塔中。然而，也可以最初将再循环流完全馈送到压力塔中并以此方式在压力塔中进一步净化再循环流的富含氮的流体。在这种情况下，来自压力塔的塔顶气体包含来自再循环流的进一步纯化的流体。就此，来自压力塔的塔顶气体的一部分可以通过主冷凝器和/或通过纯氧塔的贮槽蒸发器，并且另一部分可以作为氮产物获得。被馈送到压力塔中的再循环流的某一部分(至少部分地)可从压力塔中取出，换句话说在压力塔中的进料点上方取出。再循环流中所包含的富含氮的流体可以以这种方式进一步纯化并作为产物使用。然而，原则上也可以直接使用再循环流的一部分作为产物，即省去将其馈送到压力塔中。
在这种方法的背景下，低压塔具体地通过在上部区域中使用合适的氮气节段来配置以提供具有以下说明的规格的对应的富含氮的塔顶气体，该塔顶气体用于形成再循环流。
在这种方法的上下文下，还使用一个或多个用于氩生产的附加精馏塔，例如已知类型的粗氩塔和纯氩塔。代替粗氩塔和纯氩塔，也可以设置用于获得氩产物的单个塔，该单个塔通过设置用于分离氮的另一区段而将粗氩塔和纯氩塔的功能彼此部分地组合。如果下文涉及氩塔，则这因此可以具体地是粗氩塔，其紧邻纯氩塔存在，但也可以是相应改进的粗氩塔，紧邻其不存在纯氩塔。
在这种方法中，也可以使用纯氧塔，该纯氧塔被配置为在所说明的意义上获得高纯度或超高纯度的氧，并且该纯氧塔被馈送来自氩塔的中间点的液体，该液体在纯氧塔的头部馈送。氩塔也可以设计成两部分，其中氩塔的功能下部可以容纳在与纯氧塔共同的塔壳中直到所提及的中间点，并且功能上部被分开布置。下面结合图1解释相应的实施方案。然而，相应的纯氧塔的设计不是必需的。例如，图2示出了不与氩塔的零件结合的单独的纯氧塔。
纯氧塔中的精馏过程通过借助贮槽蒸发器(再沸器)蒸发贮槽液体来驱动。用于这种贮槽蒸发器的加热介质可以是所提及的再循环流，该再循环流可以至少部分地平行穿过主冷凝器和贮槽蒸发器，该主冷凝器以换热方式连接压力塔和低压塔。在压力塔中进一步纯化再循环流时，也可以以对应方式使用其塔顶气体。与使用相应地冷凝的压缩空气的设计相比，这种拓扑结构可具有某些优点。
由于高效率的要求，以换热方式连接压力塔和低压塔的主冷凝器被设计成具有相对低的平均温差(约1.0K或略高)，这也导致纯氧塔的贮槽蒸发器中的低平均温差(约1.0K或略低，考虑到从压力塔到所述贮槽蒸发器的再循环流或塔顶气体的部分流中的控制阀的特定压降)。
除了所谓的设计情况之外，通常还存在由客户指定或由产品开发要求驱动的多个其它操作情况。由于两个蒸发器(纯氧塔的主冷凝器和贮槽蒸发器，如使用示例在下表中所示)的负荷比显著改变，因此具有显著降低的主产物(压缩氮)和特别是相对高的纯氧产物去除和/或进入纯氧塔的进料流中较低的氧含量的操作情况在此提出挑战。情况1(设计情况)中的主冷凝器的负荷比纯氧塔的贮槽蒸发器的负荷大约10倍。相反，情况5(压缩氮产物和处理空气流大大减少的操作情况)中的主冷凝器的负荷仅比纯氧塔的贮槽蒸发器的负荷大5倍。
表1
情况 情况1 情况5 情况6
主冷凝器的负荷[kW] 4,997 2,190 2,186
纯氧塔的贮槽蒸发器的负荷[kW] 532 428 568
比率 9.4 5.1 3.9
由于过大的传热表面，壳体中的主冷凝器的显著较低的负荷(2190kW)导致压力塔的塔顶处的显著较低的压力。由于相对高的负荷(428kW)，该压力对于纯氧塔的贮槽蒸发器中的冷凝过程而言太低。为了解决现有技术中的这一问题，主冷凝器必须设计成具有显著更大的平均温差，以便在所有操作情况下在来自纯氧塔的贮槽蒸发器上游的压力塔的再循环流或其部分流或塔顶气体中具有用于控制阀的足够间隙(压差)。然而，这种解决方案将导致该设计情况下的效率劣势。特别地，本发明现在创造了在类似的操作情况下稳健地控制纯氧塔的贮槽蒸发器的操作的可能性，而不会导致在该设计情况下的效率劣势。
本发明的一个重要方面特别在于，通过提供附加阀并且在一些实施方案中通过提供用于将液体从氩塔返回到低压塔的足够的高度差来将双塔和氩塔的压力室分开。在其它实施方案中，如果低压塔在氧气节段上方与经由泵的液体回流分开，则这不是必需的。
该附加阀可以在设计情况下完全(或几乎完全)打开，并且在所有情况下部分关闭，其中所提及的两个冷凝器之间的负荷比大大降低，这导致氩塔和纯氧塔中的操作压力降低。进入氩塔的体积流减少是不相关的，因为其在与设计情况相比以减少的材料流的情况下操作。在纯氧塔的主冷凝器和贮槽蒸发器之间具有降低的负荷比的情况是欠载情况，即具有较低处理空气流的操作情况。
所提出的解决方案在具有显著降低的主产物(气态压缩氮)和相对高的纯氧产物去除和/或进入纯氧塔的进料流中较低的氧含量的情况下实现稳健的设备操作，而不导致在设计情况下的效率劣势。单独引入所提及的阀导致在纯氧塔的贮槽蒸发器上游的加热介质流中用于控制阀的足够压差。
总体上，本发明提出一种用于使用空气分离设备进行空气低温分离的方法，该空气分离设备包括具有压力塔、低压塔和氩塔的精馏塔装置，其中低压塔被设计成一个或多个部分并且包括第一精馏区和第二精馏区(在共同的塔壳中的单部分设计的情况下，否则分布在多个塔壳上)，并且氩塔被设计成一个或多个部分并且包括第一精馏区和第二精馏区(在共同的塔壳中的单部分设计的情况下，否则分布在多个塔壳上)。低压塔和氩塔的第一精馏区具体地是(功能上)最低的精馏区；第二精馏区直接位于其上方。
压力塔和低压塔具体地以这样的方式操作：使得至少用进料空气馈送的压力塔的贮槽液体包含含量为28％至38％的氧以及氩和氮，并且来自压力塔的塔顶气体包含含量为0.001ppb至100ppb(例如约10ppb)的氧、0.1ppm至100ppm(例如约30ppm)的氩，以及其它基本上为氮和可能更轻的组分。此外，压力塔和低压塔具体地以这样的方式操作：使得来自低压塔的塔顶气体具有含量为0.001ppb至1,000ppb(例如约10ppb)的氧和0.1ppm至300ppm(例如约35ppm)的氩。
在低压塔的第一精馏区和第二精馏区之间，具体地在已知的氩袋处，将氩富集的第一转移流体从低压塔取出并以第一转移量在氩塔的第一精馏区下方馈送到氩塔中。在这方面，氩塔的操作对应于已知的方法，其中相应的氩塔被馈送相应的流体。在氩塔的第一精馏区下方，从氩塔中取出氩贫化的第二转移流体，并且以第二转移量在低压塔的第一精馏区和第二精馏区之间馈送(返回)到低压塔中，这在氩生产领域中也是已知的。
具体地，第一转移流体相对于低压塔的贮槽液体以及相对于其塔顶气体是氩富集的。具体地，其可具有20％至6％，例如18％至11％的氩，其余主要是氧。在本领域技术人员已知的相应精馏区之间的某点处进行移除。
根据本发明，现在前提条件是空气分离设备在第一操作模式和第二操作模式中操作，其中氮产物在第一操作模式中比在第二操作模式中以更大的产物量从空气分离设备排出。氮产物可以以已经在下面指出和解释的方式形成。具体地，第一操作模式代表所解释的设计情况，而第二操作模式对应于特殊操作模式或具有减少的氮移除的非设计情况。在第二操作模式中，如下所述，在氩塔中进行压力降低，而在低压塔中进行较小的压力降低或不进行压力降低，并且其中的压力具体地被基本上保持恒定。具体地，以下面解释的方式降低压力。
氩塔中的转化率通常通过在氩塔的顶部冷凝器的蒸发室(冷凝器蒸发器)的出口处的气体阀瓣调节。例如，如果需要较低的转化量(例如，对于欠载情况)，则阀瓣关闭得更多，并且蒸发室中的压力因此增加。压力的增加导致蒸发温度的增加和(因此导致)冷凝器蒸发器中驱动温度差的减小。在较低的温度下，较少的氩可在冷凝器蒸发器中冷凝，并且转化率降低。然而，在这些措施已经开始之后，氩塔中的压力仍然与低压塔中的压力相同。如果现在关闭从低压塔到氩塔的入口中的阀，则氩塔中的压力降低。压力降低还导致冷凝温度的降低(并且因此也导致冷凝器蒸发器中的驱动温差)。这将导致转化率的进一步降低。因此，通过调节蒸发室出口处的所提及的气体阀瓣，通过合适的控制“保持”转化率，也就是说，在这种情况下再次打开阀瓣，使得蒸发压力降低，并且转化量保持不变。因此，氩塔在降低的压力和相同的转化率下操作(与欠载情况匹配)。另选地，在第一操作模式中，氩塔也可以在略微降低的压力下操作；然后在第二操作模式中进一步降低其操作压力。
换句话说，在第一步骤中调节氩塔中的压力包括，具体地，增加氩塔的顶部冷凝器的蒸发室中的压力，同时增加蒸发室中的蒸发温度并且减小氩塔中的驱动温度差和转化率。在第二步骤中，氩塔中压力的调节具体地包括关闭或更紧密地关闭在供应管线中提到的阀。在第三步骤中，氩塔中的压力的调节具体地包括降低氩塔的顶部冷凝器的蒸发室中的压力，同时降低蒸发室中的蒸发温度并且增加氩塔中的驱动温度差和转化率。
在本发明的上下文中，氩塔中的压力在一定压力范围内调节，该压力范围在第一操作模式中对应于低压塔操作的压力范围，并且在第二操作模式中低于低压塔操作的压力范围。此时，如上所述，位于被提供用于将第一转移量馈送到低压塔中的管线中的阀可以仅在第二操作模式中关闭，或者在第二操作模式中比在第一操作模式中更紧密地关闭。这种阀确保氩塔和可能的纯氧塔中的压力损失或较低的操作压力，同时氩塔中的转化量可经由粗氩冷凝器(即氩塔的顶部冷凝器)的蒸发室的出口处的阀调节，如已知的和刚刚解释的。在第二操作模式中，氩塔中的转化量明显更小，因为进料空气的量明显更小。上面已经解释了根据本发明提出的措施的优点，这些优点具体地但非排他地与纯氧塔的使用相关地出现。一个特定的优点是在较低压力下更有效的蒸馏。
在本发明的一个特别有利的实施方案中，该精馏塔装置包括纯氧塔，其中在一定压力范围内调节压力，该压力范围在第一操作模式中对应于低压塔操作的压力范围，并且在第二操作模式中低于低压塔操作的压力范围。此外，纯氧塔在液体作为回流的情况下操作，该液体在氩塔的第一精馏区和第二精馏区之间从氩塔取出，并且从纯氧塔取出塔顶气体，该塔顶气体在氩塔的第一精馏区和第二精馏区之间被馈送到氩塔中。如上所述，本发明可通过适应纯氧塔的主冷凝器和贮槽蒸发器之间的负荷变化而提供特别的优点。
具体地，当形成再循环流时，本发明可以是有利的，如以上原理所述。这里，压力塔和低压塔通常通过主冷凝器以换热方式连接，其中使用来自低压塔的塔顶气体形成再循环流，该再循环流被加热、压缩、再次冷却，部分或完全通过主冷凝器和/或部分或完全通过纯氧塔的贮槽蒸发器，在那里至少部分冷凝，并且被馈送回到精馏塔装置，即压力塔和/或低压塔中。具体地，压缩发生在主换热器的暖侧。如果来自低压塔的塔顶气体用于形成再循环流并且不以再循环流的形式返回到精馏塔装置，则这种塔顶气体可以与用于形成再循环流的剩余物一起馈送到该点，并且在这种情况下氮产物可以从压缩上游或下游的再循环流转移。
再循环流可以部分或完全通过主冷凝器和/或部分或完全通过纯氧塔的贮槽蒸发器，在那里至少部分冷凝，并返回到精馏塔装置。然而，也可以将再循环流(特别是完全)馈送到压力塔中，而无需预先使其通过纯氧塔的主冷凝器和/或贮槽蒸发器。在后一种情况下，如所提及的，将气体特别是塔顶气体在再循环流的进料点上方从压力塔中取出，其以这种方式相对于再循环流被进一步纯化，并且代替再循环流，该再循环流现在可以部分地或完全地通过主冷凝器和/或部分地或完全地通过纯氧塔的贮槽蒸发器，在该处该再循环流被至少部分地冷凝，并且返回到精馏塔装置。
在本发明的上下文中，可以使用来自压力塔的塔顶气体提供氮产物，其中在所提及的实施方案中，为此将至少一部分再循环流馈送到压力塔，并对再循环流进行附加纯化。在该实施方案中，再循环流的富含氮的流体因此在压力塔中进一步纯化以获得相应纯的产物。另选地，也可使用来自低压塔的未以再循环流形式馈送到压力塔中的塔顶气体来提供氮产物。具体地，在主换热器的暖侧上并且具体地在用于形成再循环流的塔顶气体的剩余部分的相应压缩之前或之后转移氮产物。
在本发明的一个特别有利的实施方案中，在第二操作模式中从空气分离设备排出的氮产物的产物量可以比在第一操作模式中少至少2.5％、少至少10％或少10％至60％。在第二操作模式中，可以调节氩塔中的压力，该压力比低压塔中的压力低至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或高达900毫巴，而低压塔中的压力保持基本上恒定，也就是说，变化不超过100毫巴。
在本发明的第一组实施方案中，低压塔的第一精馏区和第二精馏区可以容纳在共同的塔壳中，其中低压塔的第二精馏区布置在低压塔的第一精馏区上方。因此，本发明的该第一组实施方案涉及“未分开的”低压塔。在下文中，首先描述本发明的该第一组实施方案的变型。
在第一组实施方案中，氩塔的第一精馏区和第二精馏区可具体地容纳在分开的塔壳中，其中容纳氩塔的第一精馏区的塔壳布置在纯氧塔的塔壳上方并与纯氧塔的塔壳连接或与纯氧塔的塔壳一体地设计。氩塔和纯氧塔的第一精馏区因此可以流体分离地布置在共同的外部结构中。
在本发明的第二组实施方案中，低压塔的第一精馏区可以容纳在第一塔壳中，低压塔的第二精馏区可以容纳在第二塔壳中，并且第一塔壳和第二塔壳可以彼此相邻地布置。
在第二组实施方案中，第一塔壳和包围压力塔的塔壳具体地一个在另一个上方并且以双塔的形式布置。因此，低压塔的功能上较低的部分放置在压力塔上。
在第二组实施方案中，氩塔的第二精馏区可以细分为第一子区和第二子区，其中氩塔的第一精馏区容纳在第三塔壳中，氩塔的第二精馏区的第一子区在氩塔的第一精馏区上方容纳在第三塔壳中，并且氩塔的第二精馏区的第二子区容纳在第四塔壳中。具体地参照图2进一步说明这样的实施方案。
在第二组实施方案中，可以将气体从低压塔的第一精馏区上方的第一塔壳中取出，并且在低压塔的第二精馏区下方的第一部分中馈送到第二塔壳中，并且在氩塔的第一精馏区下方的第二部分中馈送到第三塔壳中作为第一转移流体。此外，可以将液体从氩塔的第一精馏区下方的第三塔壳中取出并且在低压塔的第一精馏区上方馈送到第一塔壳中作为第二转移流体，并且可以将液体从低压塔的第二精馏区下方的第二塔壳中取出并且馈送到氩塔的第一精馏区下方的第三塔壳中。
在第二组实施方案中，第二塔壳的下端具体地在测地线上被布置在第一转移流体进入第三塔壳的进料位置的上方，使得第一转移流体可以纯粹通过重力转移到第三塔壳中，即具体地在不使用泵的情况下。
在本发明的上下文中，第一精馏塔顶部的第一压力水平为9巴至14.5巴，例如约11.8巴，并且第二精馏塔顶部的第二压力水平为2巴至5巴，例如约3.8巴。
关于同样根据本发明提出的空气分离设备的特征，明确地参考相应的独立权利要求。该空气分离设备被具体地配置为执行如先前在实施方案中所说明的方法。因此，明确地参考关于根据本发明的方法及其有利实施方案的上述说明。
下面将参考附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的优选实施方案。
附图说明
图1和图2示出了根据本发明不同实施方案的空气分离设备。
在附图中，在结构上或功能上彼此对应的元件由相同的附图标记表示，并且为了清楚起见，不再重复说明。关于设备和设备部件的说明以相同的方式适用于相应的方法和方法步骤。
在图1中，以简化工艺流程图的形式示出了根据本发明的实施方案的空气分离设备，并且整体上由100表示。
在空气分离设备100中，空气借助于主空气压缩机1经由过滤器2被吸入并且被压缩到例如约12.5巴的压力水平。在对水进行冷却和分离之后，相应压缩的空气在预清洁单元3中除去残余水和二氧化碳，该预清洁单元可以以本身已知的方式设计。对于所提及的部件的设计，参考开头所引用的技术文献。
相应形成的压缩空气流a从暖端到冷端通过主换热器4馈送到精馏塔装置10的压力塔11中。除了包括塔壳11'的压力塔11之外，所示示例中的精馏塔装置10包括具有塔壳12'的低压塔12、分成两部分并由具有塔壳13a'和13b'的塔节段13a和13b组成的粗氩塔以及具有塔壳14'的纯氧塔14以及纯氩塔15。压力塔11经由主冷凝器16以换热方式连接到低压塔12，该主冷凝器具体地可以被设计为多级浴式蒸发器，并且贮槽蒸发器17布置在纯氧塔14的底部。在所示示例中，过冷换热器18也与精馏塔系统10相关联。
低压塔12和氩塔13a、13b包括精馏区A至D，其中第一精馏区和第二精馏区A、B设置在低压塔12中，并且第一精馏区和第二精馏区C、D也设置在氩塔中。在低压塔12的第一精馏区和第二精馏区A、B之间，将氩富集的第一转移流体以材料流t1的形式从低压塔12中取出，并以第一转移量在氩塔13a、13b的第一精馏区C下方馈送到氩塔13a、13b中。在氩塔13a、13b的第一精馏区C下方，将氩贫化的第二转移流体以材料流t2的形式从氩塔13a、13b中取出并且以第二转移量在低压塔12的第一精馏区和第二精馏区A、B之间馈送到低压塔12中。
纯氧塔14在液体作为回流的情况下操作，将该液体在氩塔13a、13b的第一精馏区和第二精馏区C、D之间以材料流r的形式从氩塔13a、13b中取出，并且将塔顶气体以材料流g的形式从纯氧塔14中取出，该塔顶气体在氩塔13a、13b的第一精馏区和第二精馏区C、D之间被馈送到氩塔13a、13b中。
压力塔11和低压塔12通过主冷凝器16以换热方式连接，其中使用来自低压塔12的塔顶气体形成再循环流c，该再循环流c经过过冷换热器18，在主换热器4中加热，通过压缩机5被压缩，在主换热器4中再次冷却，在部分c1中经过主冷凝器16并且在部分c2中经过纯氧塔14的贮槽蒸发器17，在那里至少部分地冷凝，并且被馈送回到压力塔11和低压塔12中。来自低压塔的塔顶气体的一部分从再循环流c转移并以气体产物流c3和液体产物流c4的形式排出，其中后者可通过使部分流c5膨胀而过冷。
与这里所示的实施方案相比而言，再循环流c也可以在不使气体产物流c3在主换热器4中冷却之后在主换热器4的暖侧上转向，特别是基本上完全转向的情况下，在不首先使其通过纯氧塔14的主冷凝器16和/或贮槽蒸发器17的情况下返回到压力塔11中。在后一种情况下，如所提及的，将气体特别是塔顶气体在再循环流c的进料点上方从压力塔11中取出，其以这种方式相对于再循环流c被进一步纯化，并且代替再循环流本身，该再循环流现在可以部分地或完全地通过主冷凝器16和/或部分地或完全地通过纯氧塔14的贮槽蒸发器17，在该处该再循环流被至少部分地冷凝，并且返回到精馏塔装置10。在后一种情况下，可以使用来自压力塔11的塔顶气体提供氮产物。
在图1所示的实施方案中，低压塔12的第一精馏区A和第二精馏区B容纳在共同的塔壳12'中，其中低压塔12的第二精馏区B布置在低压塔12的第一精馏区A上方。此外，氩塔13a、13b的第一精馏区C容纳在塔壳13a'中，并且氩塔13a、13b的第二精馏区D容纳在分离的塔壳13b'中。其中容纳有氩塔13a、13b的第一精馏区C的塔壳13a'布置在纯氧塔14的塔壳14'上方并且与纯氧塔14的塔壳14'连接或与纯氧塔14的塔壳14'一体地设计。
现在将解释根据图1的空气分离设备100的操作的其它方面，其中一些方面也以相同或类似方式在根据图2的空气分离设备200中实现。
将贮槽液体以材料流s的形式从压力塔中取出，并且在通过过冷换热器18并且部分用作纯氩塔15的贮槽蒸发器中的加热介质之后，被馈送到氩塔13a、13b和纯氩塔15的顶部冷凝器的液体池中。在那里形成的气体和相应的冲洗量以材料流s1至s3的形式被馈送到低压塔12中。来自氩塔13a、13b的第一精馏区C上方的气体和来自纯氧塔g的塔顶气体被输送到位于第二精馏区D下方的氩塔13a、13b的相应部分13b，如已经部分提及的那样。这里产生的贮槽液体通过泵18返回到第一精馏区A上方的氩塔13a、13b的相应部分13a，并且如所提及的返回到纯氧塔14。
在此设计为粗氩塔的氩塔13a、13b和纯氩塔15如氩生产领域通常已知的那样操作。因此，参考相关技术文献。具体地，将纯氩流p以液体形式从纯氩塔15中取出，其在内部被压缩并作为气态氩压力产物排出。将纯氧流o以液体形式从纯氧塔14的底部取出，其例如可以储存在罐系统(未示出)中。
可以将气体流t在第一精馏区A下方从低压塔12中取出，经受任何稀释气体流v，在主换热器8中加热，借助于例如由发电机G制动的残余气体涡轮8膨胀到中间温度，并且释放到大气中或在预清洁单元3中加热和使用。如以材料流o1的形式所示，纯氧可在主换热器中蒸发并作为相应的纯氧产物释放。
对于图1中所示的空气分离设备100的其它特征，再次参考相关技术文献。
图2示出了根据本发明另一实施方案的空气分离设备200的简化表示。
在根据图2的空气分离设备200中，低压塔12a、12b的第一精馏区A容纳在第一塔壳12a'中，低压塔12a、12b的第二精馏区B容纳在第二塔壳12b'中，并且第一塔壳和第二塔壳12a'、12b'彼此相邻地布置。第一塔壳12a'和压力塔11的塔壳11'一个在另一个上方地布置并且是以双塔的形式设计的。氩塔13a、13b的第二精馏区D被细分为第一子区D1和第二子区D2，其中氩塔13a、13b的第一精馏区C容纳在第三塔壳13a'中，氩塔13a、13b的第二精馏区D的第一子区D1在氩塔13a、13b的第一精馏区C上方容纳在第三塔壳13a'中，并且氩塔13a、13b的第二精馏区D的第二局部区D1容纳在第四塔壳13b'中。
如图2所示，将在低压塔12a、12b的第一精馏区A上方的呈材料流k形式的气体从第一塔壳12a'中取出，并且将在低压塔12a、12b的第二精馏区B下方的呈材料流k1形式的第一部分馈送到第二塔壳12b'中，并且将在氩塔13a、13b的第一精馏区C下方的呈材料流k2形式的第二部分馈送到第三塔壳13b'中作为第一转移流体。
将液体以材料流m的形式在氩塔13a、13b的第一精馏区C下方从第三塔壳13b'中取出并馈送到低压塔12a、12b的第一精馏区A上方的第一塔壳12a'中作为第二转移流体，将液体以材料流n的形式在低压塔12a、12b的第二精馏区B下方从第二塔壳12b'中取出并馈送到氩塔13a、13b的第一精馏区C下方的第三塔壳13a'中。第二塔壳12b'的下端在测地线上被布置在第一转移流体进入第三塔壳13a'的进料位置的上方，使得第一转移流体纯粹通过重力转移到第三塔壳13a'中。
纯氧塔14在液体作为回流的情况下操作，将该液体在氩塔13a、13b的第一精馏区和第二精馏区C、D之间以材料流r的形式从氩塔13a、13b中取出，并且将塔顶气体以材料流g的形式从纯氧塔14中取出，该塔顶气体在氩塔13a、13b的第一精馏区和第二精馏区C、D之间被馈送到氩塔13a、13b中。
关于根据图2的空气分离设备200的设计和操作模式的进一步细节，参考对图1和空气分离设备100的解释以及技术文献。
根据图1的空气分离设备100和根据图2的空气分离设备200在第一操作模式和第二操作模式中操作，其中在低压塔12中形成的氮产物在其在压缩机5中压缩之后在第二操作模式中以比在第一操作模式中更小的产物量以材料流c3的形式从空气分离设备100、200排出，并且在第二操作模式中，材料流t1或k2(即第一转移流体)的第一转移量被调节到比在第一操作模式中更低的值。

Claims (14)

1.一种使用空气分离设备(100,200)进行空气低温分离的方法，所述空气分离设备包括具有压力塔(11)、低压塔(12,12a,12b)和氩塔(13a,13b)的精馏塔装置(10)，其中：
-所述低压塔(12,12a,12b)被设计成一个或多个部分并且包括第一精馏区和第二精馏区(A,B)，并且所述氩塔(13a,13b)被设计成一个或多个部分并且包括第一精馏区和第二精馏区(C,D,D1,D2)，
-在所述低压塔(12,12a,12b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(A,B)之间，将氩富集的第一转移流体从所述低压塔(12,12a,12b)中取出并且以第一转移量在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方馈送到所述氩塔(13a,13b)中，
-在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方，将氩贫化的第二转移流体从所述氩塔(13a,13b)中取出并且以第二转移量在所述低压塔(12,12a,12b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(A,B)之间馈送到所述低压塔(12,12a,12b)中，
其特征在于
-所述空气分离设备(100,200)以第一操作模式和第二操作模式操作，
-在所述第一操作模式中以比在所述第二操作模式中更大的产物量从所述空气分离设备(100,200)排出氮产物，
-在所述第一操作模式中在如下压力范围内设定所述氩塔(13a,13b)中的压力
-对应于其中所述低压塔(12,12a)进行操作的压力范围，或者
-至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴的压力范围，
并且其在所述第二操作模式中比在所述第一操作模式中的所述氩塔的所述压力范围低至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴，
-并且其中所述精馏塔装置(10)包括纯氧塔(14)，在所述第一操作模式中在如下压力范围内调节所述纯氧塔中的压力
-对应于其中所述低压塔(12,12a)进行操作的所述压力范围，或者
-至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴的压力范围，
并且其在所述第二操作模式中比在所述第一操作模式中的所述纯氧塔(14)的所述压力范围低至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴，其中所述纯氧塔(14)用液体作为返回流操作，所述液体在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(C,D)之间从所述氩塔(13a,13b)取出，并且其中将塔顶气体从所述纯氧塔(14)去除并且在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(C,D,D1,D2)之间馈送到所述氩塔(13a,13b)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中设置在用于将所述第一转移量馈送到所述氩塔中的管线中的阀在所述第二操作模式中关闭，或者在所述第二操作模式中比在所述第一操作模式中更紧密地关闭。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述压力塔(11)和所述低压塔(12,12a,12b)借助于主冷凝器(16)以换热的方式连接，其中使用来自所述低压塔(12,12a,12b)的塔顶气体形成再循环流，所述再循环流被加热、压缩、再次冷却、部分或完全通过所述主冷凝器(16)并且/或者部分或完全通过所述纯氧塔(14)的贮槽蒸发器(15)，在那里至少部分冷凝，并且被馈送回到所述压力塔(11)和/或所述低压塔(12,12a,12b)中。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中在所述第二操作模式中从所述空气分离设备(100,200)排出的所述氮产物的产物量比在所述第一操作模式中少至少2.5％、少至少10％或少10％至60％。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间，所述低压塔(12,12a,12b)中的压力改变不超过100毫巴。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述低压塔(12)的所述第一精馏区(A)和所述第二精馏区(B)容纳在共同的塔壳(12')中，其中所述低压塔(12)的所述第二精馏区(B)布置在所述低压塔(12)的所述第一精馏区(A)上方。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(C,D)容纳在分开的塔壳(13a',13b')中，并且其中容纳所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)的所述塔壳(13a')具体地布置在所述纯氧塔(14)的塔壳(14')上方并且与所述纯氧塔的塔壳连接或与所述纯氧塔的塔壳一体地设计。
8.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，其中所述低压塔(12a,12b)的所述第一精馏区(A)容纳在第一塔壳(12a')中，所述低压塔(12a,12b)的所述第二精馏区(B)容纳在第二塔壳(12b')中，并且所述第一塔壳和所述第二塔壳(12a',12b')彼此相邻地布置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一塔壳(12a')和所述压力塔(11)的塔壳(11')一个在另一个上方地布置并且是以双塔的形式设计的。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述氩塔(13a,13b)的所述第二精馏区(D)被细分为第一子区(D1)和第二子区(D2)，其中所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)容纳在第三塔壳(13a')中，所述氩塔(13a,13b)的所述第二精馏区(D)的所述第一子区(D1)在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)上方容纳在所述第三塔壳(13a')中，并且所述氩塔(13a,13b)的所述第二精馏区(D)的所述第二子区(D1)容纳在第四塔壳(13b')中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述低压塔(12a,12b)的所述第一精馏区(A)上方的气体从所述第一塔壳(12a')中取出，并且在所述低压塔(12a,12b)的所述第二精馏区(B)下方的第一部分中馈送到所述第二塔壳(12b')中并且在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方的第二部分中馈送到所述第三塔壳(13b')作为第一转移流体，其中将液体从所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方的所述第三塔壳(13b')中取出，并且在所述低压塔(12a,12b)的所述第一精馏区(A)上方馈送到所述第一塔壳(12a')中作为第二转移流体，并且其中将液体从所述低压塔(12a,12b)的所述第二精馏区(B)下方的所述第二塔壳(12b')中取出，并且在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方馈送到所述第三塔壳(13a')中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二塔壳(12b')的下端在测地线上位于所述第一转移流体进入所述第三塔壳(13a')的入口位置上方，所述第一转移流体被纯粹地转移到所述第三塔壳(13a')中。
13.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述压力塔(11)在9巴至14.5巴的操作压力范围内的压力下操作，并且其中所述低压塔(12,12a,12b)在2巴至5巴的操作压力范围内的压力下操作。
14.一种空气分离设备(100,200)，所述空气分离设备包括具有压力塔(11)、低压塔(12,12a,12b)和氩塔(13a,13b)的精馏塔装置(10)，其中：
-所述低压塔(12,12a,12b)被设计成一个或多个部分并且包括第一精馏区和第二精馏区(A,B)，并且所述氩塔(13a,13b)被设计成一个或多个部分并且包括第一精馏区和第二精馏区(C,D,D1,D2)，并且
所述空气分离设备(100,200)被配置成使得
-在所述低压塔(12,12a,12b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(A,B)之间，将氩富集的第一转移流体从所述低压塔(12,12a,12b)中取出并且以第一转移量在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方馈送到所述氩塔(13a,13b)中，
-在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区(C)下方，将氩贫化的第二转移流体从所述氩塔(13a,13b)中取出并且以第二转移量在所述低压塔(12,12a,12b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(A,B)之间馈送到所述低压塔(12,12a,12b)中，
其特征在于
-所述空气分离设备(100,200)被配置用于在第一操作模式和第二操作模式中操作，其中：
-所述空气分离设备(100,200)被配置成在所述第一操作模式中以比在所述第二操作模式中更大的产物量从所述空气分离设备(100,200)排出氮产物，
-所述空气分离设备(100,200)被配置成在所述第一操作模式中在如下压力范围内调节所述氩塔(13a,13b)中的压力-对应于其中所述低压塔(12,12a)进行操作的压力范围，或者
-至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴的压力范围，
并且其在所述第二操作模式中比在所述第一操作模式中的所述氩塔的所述压力范围低至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴，
-并且其中所述精馏塔装置(10)包括纯氧塔(14)，其中所述空气分离设备(100,200)被配置成在第一操作模式中在如下压力范围内调节所述纯氧塔(14)中的压力
-对应于其中所述低压塔(12,12a)进行操作的所述压力范围，或者
-至少50毫巴、至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴的压力范围，
并且其在所述第二操作模式中比在所述第一操作模式中的所述纯氧塔(14)的所述压力范围低至少100毫巴和/或高达700毫巴或900毫巴，其中所述空气分离设备(100,200)被配置用于所述纯氧塔(14)用液体作为返回流操作，所述液体在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(C,D)之间从所述氩塔(13a,13b)取出，并且其中所述纯氧塔(14)包括用于取出塔顶气体的组件，所述塔顶气体在所述氩塔(13a,13b)的所述第一精馏区和所述第二精馏区(C,D,D1,D2)之间被馈送到所述氩塔(13a,13b)中。
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