CN117980679A - 用于低温空气分离的设施和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于低温空气分离的设施(100)，具有：精馏塔系统(10)，该精馏塔系统包括高压塔(11)、划分的低压塔(12,13)和划分的氩塔(14,15)；以及冷箱系统(20)，该冷箱系统包括第一冷箱(110)和第二冷箱(120)。该高压塔(11)布置在该低压塔(12,13)的下部区段(12)下方。该高压塔(11)与该低压塔(12,13)的该下部区段(12)一起位于该第一冷箱(110)中，并且该低压塔(12,13)的顶部区段(13)位于该第二冷箱(120)中。提议将该氩塔(14,15)的基部区段(14)布置在该第一冷箱(110)中，并且将该氩塔(14,15)的顶部区段(15)布置在该第二冷箱(120)中，或者反之亦然。本发明还提供一种对应的方法。

Description

用于低温空气分离的设施和方法
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的用于低温空气分离的设施和方法。
现有技术
通过在空气分离设施中进行空气的低温分离来生产呈液态或气态的空气产物是已知的，并且例如在H.-W.(编辑)，Industrial Gases Processing，Wiley-VCH，2006中，具体地在第2.2.5节“Cryogenic Rectification”中进行描述。
空气分离设施具有精馏塔系统，这些精馏塔系统可设计为双塔系统，具体地设计为经典的Linde双塔系统，但也设计为三塔系统或多塔系统。除用于获得呈液态和/或气态的氮和/或氧的精馏塔，即用于氮/氧分离的精馏塔之外，可提供用于获得另外的空气组分(具体地氩)的精馏塔。
所提及的精馏塔系统中的精馏塔在不同的压力水平下操作。已知的双塔系统具有所谓的高压塔(也称为压力塔、中压塔或下部塔)以及所谓的低压塔(也称为上部塔)。高压塔通常在4巴至14巴的压力下、具体地在大约5.3巴或在大约11巴下操作。低压塔通常在压力范围为1巴至4巴的压力下操作，具体地在约1.4巴下操作，但也可在3巴下操作。在某些情况下，更高压力也可用于也可在2巴至4巴下操作的低压塔和在9巴至14巴下的压力塔中。在此和下面所引用的具体压力是相应指示的精馏塔的顶部的绝对压力。
在用于空气的低温分离的已知方法和装备中，在高压塔的下部区域中形成富氧、贫氮液体并将其从高压塔取出。具体地还包含氩的这种液体至少部分地馈送到低压塔中并且在该低压塔中进行进一步分离。在馈送到低压塔中之前，该液体可被至少部分地蒸发，其中任选地蒸发馏分和未蒸发馏分可在不同位置馈送到低压塔中。
为了提取氩，可使用具有粗氩塔和纯氩塔的空气分离装备。一个示例在(参见上文)的图2.3A中进行说明，并且在第26页章节“Rectification in the Low-pressure,Crude and Pure Argon Column”开始以及也在第29页章节“CryogenicProduction of Pure Argon”开始进行描述。如在那里所解释的，氩在对应的装备中积聚在低压塔中的某一高度处。在该点处或在任选地也低于氩最大值的另一有利点处，可将具有通常5摩尔％至15摩尔％的氩浓度的富氩气体从低压塔取出并且转移到粗氩塔中。对应的气体通常包含约0.05ppm至100ppm的氮，并且另外基本上是氧。应明确强调，从低压塔抽出的气体的所指示的值仅表示典型的示例性值。
粗氩塔基本上用于从自低压塔取出的气体分离出氧。在粗氩塔中分离出的氧或对应的富氧流体可以液体形式返回到低压塔。氧或富氧流体通常在从高压塔取出的富氧、贫氮和任选地至少部分地蒸发的液体的馈送点下方馈送到低压塔的若干理论塔板或实际塔板中。在分离期间保持在粗氩塔中并且基本上包含氩和氮的气态馏分在纯氩塔中进一步分离以获得纯氩。粗氩塔和纯氩塔具有顶端冷凝器，这些顶端冷凝器可具体地用从高压塔取出的富氧、贫氮液体的一部分冷却，该部分在该冷却期间部分地蒸发。其他流体也可用于冷却。
原则上，在对应的装备中也可省去纯氩塔，其中在此通常确保在氩过渡部处的氮含量低于1ppm。然而，这不是强制先决条件。在这种情况下与来自常规纯氩塔相同质量的氩与常规地转移到纯氩塔中的流体相比通常稍微更向下地从粗氩塔或类似的塔取出，其中在粗氩冷凝器(即，粗氩塔的顶端冷凝器)和对应取出部之间的区段中的板具体地用作用于氮的阻挡板。本发明可与不具有纯氩塔的此类布置一起使用。由于此类布置中的粗氩塔或类似的塔已经用于纯氩生产而不用于粗氩生产，因此在下面也称为“氩塔”。因此，氩塔可以是(与或不与纯氩塔一起使用的)常规粗氩塔或被修改用于纯氩生产的对应的粗氩塔。
为了改进对应空气分离设施的构造高度及其预加工性，EP 2 965 029 B1提出将低压塔分成基部区段和顶部区段，其中如在常规双塔布置中低压塔的基部区段与高压塔保持一起安装，但低压塔的顶部区段储存在单独冷箱中。此外，在此提出将粗氩塔分成顶部区段和基部区段并且将这些区段容纳在单独共箱中。来自低压塔的顶部区段的下部区域和粗氩塔的基部区段的下部区域的液体借助于共用的泵返回到低压塔的基部区段。
本发明的目的是进一步改进对应的布置，特别是在施工工作量和成本方面。
发明内容
针对该背景，本发明提出一种具有独立权利要求的特征的用于空气的低温分离的设施和方法。优选的实施方案形成从属权利要求和以下描述的主题。
在解释本发明的特征和优点之前，将更详细地解释本发明的一些原则，并且将定义下文所使用的术语。
空气分离设施中使用的装置在所引用的技术文献，例如在(参见上文)的第2.2.5.6章节“Apparatus”中有所描述。除非以下定义不同，否则关于在本申请的框架内使用的术语因此明确地参考所引用的技术文献。
在本文使用的术语中，液体和气体可富含或缺乏一种或多种组分，其中以摩尔、重量或体积计，“富含”可以指至少75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，并且“缺乏”可以指至多25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量。术语“主要”可对应于“富含”的定义。液体和气体也能够富集或贫化一种或多种组分，其中这些术语是指初始液体或初始气体中的含量，液体或气体从该初始液体或初始气体提取而来。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1000倍的对应组分的含量，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倍的对应组分的含量，则为“贫化”。如果通过举例在此引用“氧”、“氮”或“氩”，则这也理解为意指富含氧或氮的液体或气体，但不必排他性地由氧或氮组成。利用根据本发明的实施方案的设施，例如可实现在氮中0.05ppb氧、在氩中0.2ppb氧和在氧中0.2ppb氩的范围内的纯度。
本申请使用术语“压力范围”和“温度范围”来表征压力和温度，这意旨不必为了实现本发明构思而将对应设施中的对应压力和温度以精确的压力值或温度值的形式使用。然而，此类压力和温度通常落入某些范围内，这些范围例如是平均值左右±1％、5％或10％。在这种情况下，对应的压力范围和温度范围可处于不连贯的范围内或处于彼此重叠的范围内。具体地，压力范围例如包括不可避免或预期的压力损失。这同样适用于温度范围。在此涉及压力范围的以巴指示的值是绝对压力。
“冷凝器蒸发器”是指其中第一冷凝流体流与第二蒸发流体流进行间接热交换的换热器。每个冷凝器蒸发器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)，而在蒸发室中执行第二流体流的蒸发。通过彼此间存在热交换关系的通道组形成蒸发室和液化室。所谓的主冷凝器是冷凝器蒸发器，用于空气的低温分离的设施的高压塔和低压塔经由该冷凝器蒸发器以热交换的方式彼此联接。
术语“过冷换热器”在此旨在表示换热器，在该换热器中对一种或多种材料流执行过冷，这些材料流于在此使用的类型的精馏塔系统的精馏塔之间进行转移。在其逆流中，具体地从精馏塔系统排出的一种或多种材料流以及整个设施可被加热。除所谓的主换热器之外，还存在过冷换热器，该过冷换热器的特征在于在其中冷却供应到精馏塔系统的空气的至少主要部份。本发明的空气分离设施原则上也可设计成不具有过冷换热器。
术语“冷箱”在此理解为意指温度绝缘外壳，在低温、具体地深冷温度下操作的过程工程设备安装在该温度绝缘外壳中。用于空气的低温分离的设施可包括一个或多个对应冷箱，并且具体地可由对应冷箱以模块化方式生产，本发明范围内的情况也是如此。在冷箱中，若干设施零件(即例如分离设备诸如塔和相关联的换热器)也可与管道一起紧固到支撑钢架，该支撑钢架在外侧上用片材金属板覆盖。以此方式形成的外壳的内部填充有绝缘材料诸如珍珠岩，以便防止来自环境的热量输入。在工厂处利用对应的设备部分地或完全地预加工冷箱也是可能的，使得这些冷箱必须在施工现场完成或仅在需要时彼此连接。为了连接，可使用温度绝缘的并且可能容纳在冷箱中的线模块。在典型的冷箱中，设施零件通常安装在距壁的最小距离处，以便确保足够的绝缘。冷箱中的管道优选地设计成不具有凸缘连接，即，被完全地焊接，或者具有根据本发明的合适的过渡部件，以便避免形成泄漏。由于产生的温差，因此可在管道中存在膨胀弯曲部。易产生维护的部件通常不布置在冷箱中，使得冷箱的内部有利地免维护。阀例如可设计为所谓的“角阀”，以便使得能够从外侧进行维修。在这种情况下，阀位于冷箱壁中；管线被引导到阀并再次返回。管线和设备由铝或不锈钢(具体地但非排他性地为不锈钢)在非常高的操作压力下制成。根据本发明的过渡部件使得可能连接此类材料。冷箱的涂漆很多时候呈白色，但也可呈其他亮颜色。可例如通过用例如氮连续冲刷冷箱来防止来自环境空气的水分的渗透(该水分将在冷设施零件处冻结)。
相对空间术语“上部”、“下部”、“之上”、“之下”、“上方”、“下方”、“相邻于”、“接近于”、“竖直”、“水平”等在此是指空气分离装备的精馏塔或其他部件在正常操作下的空间取向。两个部件布置成“一个在另一个上方”在此理解为意指两个部件中的较低者的上部端部与两个部件中的较高者的下部端部相比位于更低测地学高度处或与该下部端部位于相同测地学高度处，并且两个设备零件的投影在水平平面中重叠。具体地，两个部件布置成一个完全在另一个上方，也就是说，两个部件的轴线在相同竖直直线上延伸。然而，两个部件的轴线不必是一个完全垂直地位于另一个上方，但也可相对于彼此偏移，具体地两个部件中的一个部件(例如具有较小直径的精馏塔或塔零件)与具有较大直径的另一部件距冷箱的片材金属护套具有相同距离的情况下。术语诸如“功能上在……下方”或“功能上在……上方”在以多个零件设计的精馏塔的情况下是指部分塔的布置，在精馏塔形成为单件的情况下这些部分塔将具有该布置。
发明优点
本发明涉及一种用于空气的低温分馏的设施，该设施具有精馏塔系统，该精馏塔系统具有高压塔、低压塔和氩塔，其中低压塔和任选地还有氩塔(各自)至少分成基部区段和顶部区段，如例如已经在所引用的EP 2 965029B1中所描述的。此外，设施任选地具有纯氧塔。
如果存在，则纯氧塔用于获得高纯度或超高纯度氧，其中外来组分的残余含量通常多至0.05ppb或1ppb甲烷、氩、氪、氙、氮、氢、一氧化碳、二氧化碳等，但任选地也为更多或更少。如果存在，则从氩塔的中间点向纯氧塔供应液体，该液体在纯氧塔的顶部被引入。在任选地存在的两部段氩塔中，该中间点具体地位于该氩塔的基部区段中，并且在任何情况下具体地位于最下部分离区段上方，该最下部分离区段用于分离沸点高于氧的组分，具体地烃、二氧化碳、氪和氙。
氩塔具体地可以是除纯氩塔之外使用的粗氩塔。代替粗氩塔和纯氩塔，用于获得氩产物的单个塔通过提供另外的区段以用于分离出氮来将原始氩塔和纯氩塔的功能部分地彼此组合。如果随后提及氩塔，则该氩塔具体地可以是除纯氩塔之外还存在的粗氩塔，而且是对应修改的粗氩塔其旁边不存在纯氩塔。
为了清楚起见，下文仅概述流体在根据本发明使用的这些塔和部分塔之间的转移。因此，压力塔的贮槽流体任选地在用作氩塔和任选地纯氩塔(如果存在的话)的顶部冷凝器中的冷却介质之后馈送到低压塔的顶端区段中。压力塔的顶端气体冷凝到连接压力塔和低压塔的基部区段同时进行热交换的主冷凝器中的零件中，并且再循环到压力塔并作为产物从空气分离设施排出。低压塔的基部区段的贮槽液体作为产物至少部分地从空气分离设施排出。低压塔的基部区段的顶端气体具体地在最下部精馏区段下方馈送到低压塔的顶端区段中。低压塔的基部区段的另外的顶端气体具体地在最下部精馏区段下方馈送到氩塔中，或者在该氩塔被对应地细分的情况下馈送到该氩塔的基部区段中。氩塔的基部区段的顶端气体在氩塔被对应地划分的情况下具体地在最下部精馏区段下方馈送到氩塔的顶端区段中。来自氩塔的顶部区段的贮槽液体在氩塔被对应地细分的情况下具体地在最上部精馏区段上方馈送到氩塔的底部区段中，出于该目的特别使用泵。
术语“基部区段”和“顶部区段”在每种情况下表示对应地划分并且因此以两个部段设计的塔的区段，该两个部段在它们的功能上、具体地对于在那里产生的馏分或流而言对应于常规一部段塔的下部区段或上部区段。基部区段具有例如贮槽罐，顶部区段具有例如顶端冷凝器。因此，顶部区段是塔的连接到对应冷凝器并且返回流在其中馈送到对应塔的部段。在以一件式设计的已知空气分离设施的低压塔中，在贮槽中获得富含氧的液体馏分，该富含氧的液体馏分可作为氧产物抽出。因此，这也在以两个部段设计的低压塔的基部区段的贮槽或下部区域中执行。气态氮产物或者所谓的不纯氮可因此在已知空气分离设施的一部段低压塔的顶部抽出，只要其被相应地配备。这同样适用于以两个部段设计的低压塔的顶部区段的上部区域。在单部段氩塔的顶部(关于术语“氩塔”，参见以上解释)，以及因此在两部段氩塔的顶部区段的上部区域处，从单件式氩塔的贮槽、并且对应地从两部段氩塔的基部区段的下部区域抽出粗氩流或氩产物流，将所产生的贮槽产物馈送回到低压塔中。
在本发明的上下文中，将低压塔分成顶部区段和基部区段具体地在所谓的氧区段上方执行。如在(参见上文)中参考图2.4A所阐述，尽管氩以小于1摩尔％的含量包含在大气空气中，但该氩对低压塔中的浓度分布产生强烈影响。在通常包括30个至80个理论塔板或实际塔板的低压塔的最下部精馏区段中的分离因此可被视为氧和氩之间的基本上二元分离。该精馏区段是所提及的氧区段。仅在转移到粗氩塔中的气体的排出点处开始或在根据本发明的在氧区段上方执行的划分中，该分离在几个理论塔板或实际塔板内改变为氮、氧和氩的三元分离。
术语“精馏区段”在此应表示多部段精馏塔的精馏塔或部分塔内的任何区段，该区段被设置以执行精馏并且出于该目的具体地设计成具有对应的质量转移结构，诸如分离板或有序或无序填料。具体地，流体出口或入口(例如侧出口)可设置在精馏区段之间。在(功能上)最下部精馏区域下方，精馏塔的“底部”位于(功能上)上部精馏区域上方、即该上部精馏区域的“顶端”。
本发明总体提出一种用于空气的低温分馏的设施，该设施具有精馏塔系统，该精馏塔系统具有高压塔、低压塔和氩塔；以及冷箱系统，该冷箱系统具有第一冷箱和第二冷箱，其中该低压塔至少分成基部区段和顶部区段。
在本发明的上下文中，低压塔的基部区段和顶部区段以如下方式并排布置，使得低压塔的基部区段在水平平面上的正交投影不与低压塔的顶部区段在水平平面上的正交投影相交。具体地，存在使低压塔的基部区段和顶部区段相交的横截面平面。
任选地，在本发明的上下文中，氩塔可同样至少分成基部区段和顶部区段，其中氩塔的基部区段和顶部区段以如下方式并排布置，使得氩塔的基部区段在所提及的水平平面上的正交投影不与氩塔的顶部区段在水平平面上的正交投影重叠。具体地，存在使低压塔的基部区段和顶部区段相交的横截面平面。
相比之下，在本发明的上下文中，高压塔布置在低压塔的基部区段下方，使得高压塔在水平平面上的正交投影与低压塔的基部部段在水平平面上的正交投影重叠，其中高压塔以及低压塔的基部部段的纵向轴线具体地沿着共同的主轴线，或者存在使高压塔以及低压塔的基部部段相交的竖直轴线。
在本发明的上下文中，高压塔与低压塔的基部区段一起布置在第一冷箱中，并且低压塔的顶部区段布置在第二冷箱中。根据本发明，氩塔或氩塔的一个或多个区段布置在第一冷箱和/或第二冷箱中。
根据本发明提出的布置导致具体地简易构造与小的输送尺寸；具体地，所有冷设施零件可在较小设施中容纳在仅两个冷箱中。此外，在稍大的设施的情况下，通常存在用于主换热器(MHE箱)的第三冷箱。“冷设施零件”在此理解为意指在设施的常规操作期间在低温(具体地低于-50℃)下操作的设备或设备零件。
在本发明中，提供对应地细分的氩塔。氩塔的基部区段具体地布置在第一冷箱中，并且氩塔的顶部区段具体地布置在第二冷箱中。另选地，在上下文内选择相反的布置，即氩塔的基部区段布置在第二冷箱中，并且氩塔的顶部区段布置在第一冷箱中。
如所提及的，氩塔可设计为粗氩塔，在该情况下，具体地可提供纯氩塔。纯氩塔可布置在第一冷箱或第二冷箱中，具体地在对应实施方案或细分的情况下，布置在设计为粗氩塔的氩塔的顶部区段布置在其中的冷箱中。
如果存在纯氧塔，如在本发明的一个实施方案的情况下，该纯氧塔可布置在第一冷箱、第二冷箱或另外提供的第三冷箱中。
在对应细分的情况下，纯氧塔以及氩塔的基部区段可并排布置在根据本发明使用的设置中，使得纯氧塔的至少一个上部部段在水平平面上的正交投影不与氩塔的基部区段在水平平面上的正交投影相交。上部部段可以是纯氧塔的一部分，该部分不会被布置在纯氧塔的贮槽中的贮槽蒸发器占用。由于该贮槽蒸发器的尺寸，该贮槽蒸发器也可呈现与纯氧塔的上部部段相比横截面显著更大的空间，并且可任选地(相对于上部部段的中心轴线)偏心地布置。在这种情况下，具有贮槽蒸发器的纯氧塔的下部部段在水平平面上的正交投影也可与氩塔的基部部段在水平平面上的正交投影部分地重叠。
换句话讲，如已经所陈述的，如果纯氧塔存在于对应的实施方案中，则在馈送点处向纯氧塔馈送第一转移液体，该第一转移液体在提取点处从氩塔或该氩塔的基部区段去除。所引用的塔或塔部段因此配备有对应的提取点和馈送点。如所提及的，来自氩塔或该氩塔的基部区段的提取点具体地位于用于排出烃的精馏区段上方。用于第一转移液体的提取点具体地位于氩塔或该氩塔的底端区段的贮槽上方1个至30个、优选地1个至15个理论塔板处。
因此，转移到纯氧塔中的第一转移液体具体地具有50摩尔％至90摩尔％的氧含量，10％至50％的氩含量，0.1ppm至100ppm的氮含量以及0.01ppb至25ppm的沸点比氧高的其他组分的含量。
纯氧塔和氩塔或该氩塔的基部区段以如下方式有利地布置，使得用于来自氩塔或该氩塔的基部区段的转移液体的提取点在测地学上位于用于转移液体进入纯氧塔的馈送点上方。以此方式，转移液体可流入纯氧塔中，具体地在不使用泵的情况下，这一方面节省了对应泵的工作量，并且另一方面避免了被对应泵的可能污染。转移流体进入纯氧塔的馈送点具体地位于纯氧塔的最上部精馏区段上方。
在具有对应地划分的氩塔的本发明的一个实施方案中，具体地提供在具体地位于氩塔的基部区段中的最下部精馏区段下方的馈送点处向氩塔的基部部段馈送第二转移液体，该转移液体在具体地位于低压塔的顶部区段中的最下部精馏区段下方的提取点处从低压塔的顶部区段取出。所引用的塔或塔部段因此配备有对应的提取点和馈送点。
在该实施方案中，低压塔的顶部区段和氩塔的基部区段可以如下方式布置，使得用于来自低压塔的顶部区段的第二转移液体的提取点在测地学上位于用于另外的转移液体进入氩塔的基部区段中的馈送点上方。以此方式，来自低压塔的底部区段的贮槽液体和来自顶部区段的贮槽液体可在氩塔的底部区段中组合并且使用仅一个(即，使用共用的)泵(该泵在理想情况下具有冗余设计)来馈送回到低压塔的底部区段。
如果对应的系统具有过冷换热器，则该过冷换热器可布置在第一冷箱中或第二冷箱中。因此在本发明中避免了将过冷换热器布置在包含主换热器(MHE箱)的第三冷箱中。在刚刚解释的实施方案中，过冷换热器可具体地布置在低压塔的顶部区段下方。
在本发明的该实施方案中，因此具体地可提供，低压塔的顶部区段在测地学上布置在过冷换热器上方。如果低压塔的顶部区段的贮槽液体可从对应精馏区段上方排放到来自氩塔的底部区段的贮槽中并进入纯氧塔中，则该贮槽液体必须定位得足够高。在这种情况下，氩塔的基部区段的贮槽可向下延伸所谓的“空白区”(即，排空区域)，使得可同时确保在对应的实施方案中液体可从低压塔的顶部区段排放到氩塔的底部零件的贮槽中。因此，低压塔可布置得尽可能低，并且低压塔所在的冷箱的箱高度可减小。
作为刚刚提及的实施方案的另选方案，还可提供，在具体地位于低压塔的顶部区段中的最下部精馏区段下方的馈送点处向低压塔的顶部区段馈送第二转移液体，该第二转移液体在具体地位于氩塔的基部区段中的最下部精馏区段下方的提取点处从氩塔的基部区段去除。所引用的塔或塔部段因此配备有对应的提取点和馈送点。在该实施方案中，氩塔的基部区段和低压塔的顶部区段布置成使得用于来自氩塔的基部区段的另外的转移液体的提取点在测地学上位于用于另外的转移液体进入低压塔的顶部区段中的馈送点上方。以此方式，低压塔中的贮槽液体和氩塔的基部区段的贮槽液体可在低压塔的顶部区段中组合并且借助于仅一个泵返回到低压塔的底部区段。
在具有过冷换热器的对应系统中，在刚刚解释的实施方案中，所述换热器可具体地布置在氩塔的基部区段下方。
可具体地提供，低压塔的顶部区段和氩塔的顶部区段以如下方式并排布置，使得低压塔的顶部区段在水平平面H上的正交投影不与氩塔的顶部区段在水平平面上的正交投影重叠。对应地存在横截面平面，该横截面平面与低压塔的顶部区段和氩塔的顶部区段相交。
在本发明的上下文中，具体地，可保持35米至50米、具体地大约43米的冷箱高度。高压塔具体地可具有20米至30米、具体地25.8米的高度，并且低压塔的基部区段具体地可具有7米至20米(例如14.8米)的高度。低压塔的基部区段的高度具体地由主冷凝器和容纳在其中的分离装置以及所谓的氧区段的高度限定，这两者具体地可位于5米至10米(例如7.4米)处。直径具体地可以是1.5米至4米，例如大约2.8米。氩塔的基部区段例如具有30米至40米、具体地大约39米的高度。
低压塔的顶部区段具体地具有18米至30米(例如23米)的高度(其中直径为2.4米至3米，例如约2.6米)，或25米至30米(例如约27米)的高度(其中直径为1.2米至3.5米，例如约2.45米)。这些尺寸具体地取决于所利用的填料密度。氩塔的顶部区段可具有有利的尺寸。
根据本发明的所提出的布置及其实施方案具体地针对该背景实现紧凑设计。
如在已知系统中，低压塔的基部区段经由用于相互热交换的冷凝器蒸发器连接到高压塔，并且低压塔的基部区段和高压塔具体地以已知Linde双塔的形式具体地布置在共同的塔壳体中或若干壳体连接的塔壳体中(但没有低压塔的顶部区段)。
过冷换热器可具体地具有5米至10米(例如大约8米)的高度。如果氩塔的顶部区段包括对应的顶部冷凝器(粗氩冷凝器)，则该顶部区段像氩塔的基部区段一样通常具有30m至40m的高度。用于过冷换热器的以上解释的布置变型是特别有利的，因为这些变型与空间节省布置相关联。过冷换热器例如在换热器箱等中的其他布置变型也可以是有利的。
纯氧塔可在第一冷箱中接近于高压塔、低压塔的基部区段和氩塔(在具有对应细分的情况下)的基部区段布置，使得纯氧塔的至少上部部段(出于原因和进一步解释，参见上文)在水平平面上的正交投影不与高压塔在水平平面上的正交投影和低压塔的基部部段在水平平面上的正交投影以及氩塔的基部部段的正交投影重叠。连接管线由此被最小化。
在本发明的上下文中，低压塔的顶部区段与氩塔(在具有对应细分的情况下)的顶部区段相比有利地设计成具有更低填料密度，或者与低压塔的顶部区段一起布置在共用的冷箱中的氩塔的顶部区段中的填料密度更低。以此方式，可以有利方式实现根据本发明提出的在第二冷箱中的容纳。
在本发明的上下文中，氩塔(在具有其对应细分的情况下)的基部区段可具体地被设置以用于分离高沸点组分并且还有其他杂质，具体地还以避免富集。
在本发明的上下文中，具体地，低压塔的顶部区段的下部区域和氩塔(在具有对应划分的情况下)的基部区段的下部区域可经由泵流体地联接到低压塔的基部区段的上部区域。
仅为了清楚起见，在此应当再次提及，根据本发明提出的设施有利地具有被配置为向高压塔馈送冷却压缩空气的构件、被配置为从高压塔向低压塔馈送流体的构件以及被配置为从低压塔向氩塔馈送流体的构件。
最后，本发明还扩展到用于空气的低温分离的方法；就其特征而言，明确地参考对应的独立专利权利要求。具体地，在如先前在不同实施方案中已解释的这种方法中使用设施。对于所提出的方法和可能的实施方案的特征和优点，因此明确地参考涉及根据本发明的设施的解释。
下面参考附图更详细地解释本发明，这些附图例示本发明的实施方案和未根据本发明的实施方案。
附图说明
图1以简化过程流程图的形式例示可基于本发明的实施方案的用于空气的低温分离的设施。
图2以侧视图并以简化的表示例示根据本发明的实施方案设计以用于空气的低温分离的设施的部件的布置。
图3以平面图并以简化的表示例示根据本发明的实施方案设计以用于空气的低温分离的设施的部件的布置。
如果在下面描述用于空气的低温分离的设施(在下文也称为“空气分离设施”)的设施部件，则对应的解释也适用于由此执行的方法，并且反之亦然。
本发明的实施方案
图1示意性地示出空气分离设施，该空气分离设施被设置以获得氩产物和纯氧产物，并且总体由100表示。
空气分离设施100具有精馏塔系统10，该精馏塔系统包括高压塔11、分成基部区段12和顶部区段13的低压塔、同样分成基部区段14和顶部区段15的(粗)氩塔以及纯氩塔20。纯氧塔由18标示。用1标示的框包括存在于所例示类型的空气分离设施中的用于馈送空气的压缩、净化和冷却的惯例部件，具体地还有已知类型的主换热器。过冷换热器用17标示。
低压塔的基部区段12和顶部区段13以及氩塔的基部区段14和顶部区段15在结构上彼此分离并且在以上所解释的含义上接近于彼此布置。低压塔的基部区段12和顶部区段13一起在功能上对应于双塔的常规低压塔。高压塔11以及低压塔的基部区段12和顶部区段13因此形成本身已知类型的用于氮-氧分离的精馏塔系统，由氩塔的基部区段14和顶部区段15以及纯氩塔20组成的氩系统连接到该精馏塔系统。
在示出的示例性实施方案中，冷却和压缩的馈送空气以两个材料流a、b的形式馈送到高压塔11或低压塔的顶部区段13中。空气分离设施100可设计用于内部压缩，并且可根据需要设计于在此所示的框架中。另外压缩的馈送空气以材料流c的形式引导通过纯氧塔18的未单独地标示的贮槽蒸发器，在那里至少部分地冷凝，然后同样(现在称为d)被馈送到低压塔的顶部区段13中。馈送到塔布置中的空气的具体类型对于本发明不是关键的，并且可以任何期望的方式设计(具有/不具有扼流，具有/不具有馈送到低压塔或该低压塔的顶部区段13中的空气等)。这也适用于供应涡轮以用于冷发电，其可提供或可不提供。
高压塔11以及低压塔的基部区段12经由冷凝器蒸发器19(所谓的主冷凝器)连接以进行热交换并且设计为结构单元。然而，本发明原则上也可用于其中高压塔11和低压塔(或其基部区段12)彼此单独地布置并且具有单独冷凝器蒸发器19，即不集成到塔中的系统。
空气分离设施100的操作从根据图1的表示直接显而易见。因此，参考在开始时所引用的技术文献。
具体地，低压塔的基部区段12和顶部区段13在这种情况下彼此流体地联接，因为顶端气体以材料流e的形式从低压塔的基部区段12的上部区域转移到低压塔的顶部区段13的下部区域。如还参考图2所解释的，低压塔的顶部区段13和氩塔的基部区段14的布置在示出的示例中是使得呈材料流f形式的贮槽液体可从低压塔的顶部区段13的下部区域流入氩塔的基部区段14的下部区域中，其中顶端气体的另外的区段以材料流g的形式也从低压塔的基部区段12的上部区域馈送。以此方式，将贮槽液体从低压塔的顶部区段13和氩塔的基部区段14收集在氩塔的基部区段14的贮槽中，并且可借助于共用的泵110以材料流h的形式泵送回到低压塔的基部区段12的上部区域中。如所提及的，相反的布置也是可能的。
氩塔的底端区段14的顶端气体转移到氩塔的顶端区段15的下部区域中，并且对应地利用泵120将液体泵送回。纯氩塔20的并入可基本上对应于本领域中例行的并入。由基部区段14和顶部区段15组成的氩塔因此流体地并行连接到低压塔或该低压塔的基部区段12和顶部区段13，使得来自低压塔的基部区段12的上部区域的对应顶端气体也转移到氩塔的基部区段14的下部区域中，并且贮槽液体从氩塔的基部区段14的下部区域返回到低压塔的基部区段12的上部区域中。具体地，使用相同的泵，该泵还用于使贮槽液体从低压塔的顶部区段13的下部区域返回到低压塔的基部区段12的上部区域中。
此外，氩塔的基部区段14和顶部区段15彼此流体地联接，因为顶端气体从氩塔的基部区段14的上部区域转移到氩塔的顶部区段15的下部区域中，并且借助于(另外的)泵，贮槽液体从氩塔的顶部区段15的下部区域再循环到氩塔的基部区段14的上部区域中。
在此在馈送点18a处向纯氧塔18馈送呈材料流t形式的转移液体，该转移液体在提取点14a处从氩塔的基部区段14去除。纯氧塔18以及氩塔的基部区段14以如下方式布置，使得用于来自氩塔的基部区段14的转移液体的提取点14a在测地学上位于用于转移液体进入纯氧塔18的馈送点18a上方，作为其结果该转移液体可被转移到纯氧塔18中而无需泵。
此外在馈送点14b处向氩塔的基部区段14馈送呈已经提及的材料流f形式的另外的转移液体，该另外的转移液体在提取点13b处从低压塔的顶部区段13去除，其中低压塔的顶部区段13和氩塔的基部区段14在此例示的示例中以如下方式布置，使得用于来自低压塔的顶部区段13的另外的转移液体的提取点13b位于用于另外的转移液体进入氩塔的基部区段14的馈送点14b上方。
空气分离设施100的部件集成到冷箱中在图2中以简化侧视图的形式例示，其中空气分离设施100的部件用与以上关于图1所解释的相同的附图标记指示。如图1所示，这些部件以侧视图示出，但更加简化。流体连接未示出，但对应于根据图1的表示是显而易见的。例示了两个冷箱110和120，这些冷箱如下所解释包含空气分离设施100的部件并使它们热绝缘。
低压塔的基部区段12和顶部区段13在这种情况下以如下方式接近于彼此布置，使得低压塔的基部区段12在水平平面H上的正交投影不与低压塔的顶部区段13在水平平面H上的正交投影重叠，并且氩塔的基部区段14和顶部区段15同样以如下方式并排布置，使得氩塔的基部区段14在水平平面H上的正交投影不与氩塔的顶部区段15在水平平面H上的正交投影重叠。
相比之下，高压塔11布置在低压塔的基部区段12下方，使得高压塔11在水平平面H上的正交投影与低压塔的基部区段12在水平平面H上的正交投影重叠。
纯氧塔18以及氩塔的基部区段14并排布置，使得纯氧塔18的(以上进一步所解释)至少一个上部部段在水平平面H上的正交投影不与氩塔的基部区段14在水平平面H上的正交投影重叠，
此外，在空气分离设施100中，低压塔的顶部区段13和氩塔的顶部区段15以如下方式并排布置，使得低压塔的顶部区段13在水平平面H上的正交投影与氩塔的顶部区段15在水平平面H上的正交投影重叠。
高压塔11、低压塔的基部区段12和氩塔的基部区段14以及纯氧塔18布置在第一冷箱110中，并且低压塔的顶部区段13和氩塔的顶部区段15就像纯氩塔20一样布置在第二冷箱120内。这导致根据本发明的对应实施方案的优点。
如在此以虚线所例示，过冷换热器17可在第二冷箱120中具体地布置在低压塔的顶部区段13下方，使得过冷换热器17在水平平面H上的正交投影具体地与低压塔的顶部区段13在该水平平面H上的正交投影重叠。
如所解释的，低压塔的顶部区段13与氩塔的顶部区段15相比可设计成具有更低填料密度，并且氩塔的底部区段14可被配置为分离甲烷。如以上并且图1中详细地所解释的，也在此，也可将低压塔的顶部区段13的下部区域和氩塔的基部区段14的下部区域经由(共用的)泵流体地联接到低压塔的基部区段12的上部区域。
图3以平面图例示图2所示的部件，其中水平平面H并行于纸平面，并且为了另外的细节明确地参考涉及图2的解释。

Claims (13)

1.一种用于低温空气分离的设施(100)，具有：精馏塔系统(10)，所述精馏塔系统包括高压塔(11)、低压塔(12,13)和氩塔(14,15)；以及冷箱系统(20)，所述冷箱系统具有第一冷箱周边(110)和第二冷箱(120)，其中
-所述低压塔(12,13)至少分成基部区段(12)和顶部区段(13)，
-所述低压塔(12,13)的所述基部区段(12)和所述顶部区段(13)以如下方式接近于彼此布置，使得所述低压塔(12,13)的所述基部区段(12)在水平平面(H)上的正交投影不与所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)在所述水平平面(H)
上的正交投影相交，
-所述高压塔(11)以如下方式布置在所述低压塔(12,13)的所述基部区段(12)下方，使得所述高压塔(11)在所述水平平面(H)上的正交投影与所述低压塔(12,13)的所述基部区段(12)在所述水平平面(H)上的所述正交投影相交，
-所述高压塔(11)与所述低压塔(12,13)的所述基部区段(12)一起位于所述第一冷箱(110)中，并且所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)布置在所述第二冷箱(120)中，其特征在于
-所述氩塔(14,15)至少分成基部区段(14)和顶部区段(15)，其中所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)和所述顶部区段(15)以如下方式接近于彼此布置，使得所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)在所述水平平面(H)上的正交投影不与所述氩塔(14,15)的所述顶部区段(15)的正交投影相交，其中
-所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)布置在所述第一冷箱(110)中，并且所述氩塔(14,15)的所述顶部区段(15)布置在所述第二冷箱(120)中，
-或者所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)布置在所述第二冷箱(120)中，并且所述氩塔(14,15)的所述顶部区段(15)布置在所述第一冷箱(110)中。
2.根据权利要求1所述的设施(100)，其中所述氩塔(14,15)设计为粗氩塔，并且另外提供纯氩塔(20)，其中所述纯氩塔(20)布置在所述第一冷箱(110)或所述第二冷箱(120)中，具体地布置在设计为粗氩塔的所述氩塔(14,15)的所述顶部区段(15)布置在其中的所述冷箱中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设施(100)，其中所述精馏塔装置(100)具有纯氧塔(18)。
4.根据权利要求3所述的设施(100)，其中所述纯氧塔(18)布置在所述第一冷箱(110)、所述第二冷箱(120)或另外提供的第三冷箱(23)中。
5.根据权利要求3或4所述的设施(100)，其中所述纯氧塔(18)以及所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)以如下方式并排布置，使得所述纯氧塔(18)的至少一个上部部段在所述水平平面(H)上的正交投影不与所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)在所述水平平面(H)上的所述正交投影重叠。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设施(100)，其中所述纯氧塔(18)具有用于第一转移液体的馈送点(18a)并且所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)具有用于所述第一转移液体的提取点(14a)，其中所述纯氧塔(18)以及所述氩塔(14,15)的所述基部区段布置成使得用于所述第一转移液体的所述提取点(14a)在测地学上位于用于所述第一转移液体的所述馈送点(18a)上方。
7.根据权利要求6所述的设施(100)，其中用于所述第一转移液体的所述提取点(14a)位于所述氩塔(14,15)的所述基部区段的贮槽上方1个至30个、优选地1个至15个理论塔板处。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设施(100)，其中所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)具有用于第二转移液体的馈送点(14b)，并且所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)具有用于所述第二转移液体的提取点(13b)，其中所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)和所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)布置成使得用于所述第二转移液体的所述提取点(13b)位于用于所述第二转移液体的所述馈送点(14b)上方。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设施(100)，包括：过冷换热器(17)，所述过冷换热器布置在所述第一冷箱(110)或所述第二冷箱(120)中，具体地布置在所述第二冷箱(120)中所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)下方。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的设施(100)，其中所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)具有用于第二转移液体的馈送点(13c)，并且所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)具有用于所述第二转移液体的提取点(14c)，其中所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)和所述低压塔(12,13)的所述顶部区段(13)以如下方式布置，使得用于所述第二转移液体的所述提取点(14c)位于用于所述第二转移液体的所述馈送点(13c)上方。
11.根据权利要求10所述的设施(100)，包括：过冷换热器(17)，所述过冷换热器布置在所述氩塔(14,15)的所述基部区段(14)下方。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其中所有冷设备零件布置在所述第一冷箱(110)或所述第二冷箱(120)中，并且不使用第三冷箱。
13.一种用于空气的低温分离的方法，其中使用根据权利要求1至12中的一项所述的系统(100)。
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