TW202303059A - 用於提供氮產品、氧產品及氫產品的方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種提供氮產品、氧產品及氫產品的方法，該方法使用適於低溫分離進料空氣的空氣分離設備(100, 200)，該空氣分離設備具有精餾塔系統(10)，該精餾塔系統包括供氣式精餾塔(11)及主熱交換器，其中該氮產品的提供特別是包括：使用該供氣式精餾塔(11)對進料空氣進行低溫精餾，以獲得塔頂氣體，並且將該塔頂氣體的一部分用作該氮產品。該氧產品及該氫產品的提供包括：在電解器(20)中對水進行水電解，以獲得含水氧流及氫流，其中至少在一個操作階段中將該含水氧流或其一部分乾燥(21)，隨後以未混合狀態在該空氣分離設備中進行液化，以獲得液氧流，其中使用該液氧流或其一部分來提供該氧產品。一種相應的設備同樣為本發明之主題。

Description

用於提供氮產品、氧產品及氫產品的方法及設備
本發明係有關於如獨立請求項之前言所述的一種提供氮產品、氧產品及氫產品的方法及一種相應的設備。
在空氣分離設備中藉由低溫分離空氣來製造液態或氣態空氣產品，屬於習知技術且例如記載於H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006，特別是第2.2.5節「Cryogenic Rectification」。
空氣分離設備具有精餾塔系統，傳統上，精餾塔系統可例如形成為雙塔系統，特別是經典的Linde雙塔系統，但亦可形成為三塔或多塔系統。除了用於獲取液態及/或氣態的氮及/或氧氣體的精餾塔（即氮氧分離精餾塔）外，還可設置用於獲取其他空氣組分（尤指氪、氙及/或氬等稀有氣體）的精餾塔。其中，術語「精餾」與「蒸餾」以及「柱」與「塔」以及由此構成的複合術語往往作為同義詞使用。
上述精餾塔系統的精餾塔在不同的壓力水平上運行。已知的雙塔系統擁有所謂的高壓塔（亦稱壓力塔、中壓塔或下塔）及所謂的低壓塔（亦稱上塔）。高壓塔通常在4巴至7巴，特別是約5.3巴的壓力水平下運行。低壓塔一般在1巴至2巴，特別是約1.4巴的壓力水平下運行。在特定情況下，亦可在兩個精餾塔中採用更高的壓力水平。此處及下文所給出的壓力為塔頂處的絕對壓力。
特別是對於半導體工廠（所謂的晶圓廠）的供應，除了氣態高純氮，還需要氧及氫。氮中通常應只含有約1 ppb，最多1000 ppb的氧，基本無粒子，並且應當能夠在遠高於大氣壓的壓力水準上供應。以ppb或ppm為單位給出的值在此是指莫耳分數。氧應具有相當的純度。具體的要求概要將在下文中予以說明。
現有技術中製備主產品加壓氮氣的所謂的SPECTRA方法是已知的。這將在下文進一步詳細解釋。在SPECTRA方法中，為了除氮產品外還獲取純氧或高純氧，特別是可以使用所謂的氧塔，它可以在典型低壓塔的壓力水準上或更高的壓力水準上運行。在經相應修改的SPECTRA方法中，該氧塔位於用於獲取氮的精餾塔旁邊並且從該精餾塔進料。
亦即，SPECTRA方法基本上適於為相應的應用提供氮及氧，但氧的提供通常會造成極高的能耗。通常情況下，為了不影響氧的純度，生產高純氧時往往不能使用旋轉式機器。然而在傳統的SPECTRA方法中，可能無法做到棄用相應的泵。使用這類設備也不可能直接提供氫。
本發明的目的是相對於先前技術改良氮產品、氧產品及氫產品的提供，特別是在以前述純度為前述應用提供氮產品、氧產品及氫產品的情況下。
在此背景下，本發明提出具有獨立項之特徵的一種提供氮產品、氧產品及氫產品的方法及一種相應的設備。優先的設計分別爲各個從屬請求項以及後續的描述的內容。
在闡述本發明的特徵與優點之前，先對本發明的一些基本原理進行詳細闡釋並對下文所使用的術語進行定義。
空氣分離設備中所使用的裝置記載於被引用的專業文獻中，例如在Häring案（見上）中記載於第2.2.5.6節「Apparatus」中。考慮到本申請框架內的用語習慣，凡若以下定義並無不同者，則明確地提請參考被引用的專業文獻。
本發明框架內所使用的「熱交換器」可採用常規設計。熱交換器用於在至少兩個例如互相逆流而行的流體之間的間接傳熱，例如在一個熱加壓空氣流與一個或數個冷流體之間，或者在一個低溫液態空氣產品與一個或數個熱的或相對較熱的，視情況仍為低溫的流體之間。熱交換器可由單一的熱交換器段或數個並聯及/或串聯熱交換器區塊（例如一個或數個板式熱交換器塊）構成。例如有板式熱交換器（英文為Plate Fin Heat Exchanger）。此類熱交換器具有「通道」，它由含有熱交換面的相互分離流體通道構成，並且與其他通道分開並聯形成「通道組」。熱交換器之特徵在於，在熱交換器中於某個時間點上在兩種流動介質（即，至少一個待冷卻流體流與至少一個待加熱流體流）之間進行熱交換。
「冷凝蒸發器」係指可供冷凝流體流與蒸發流體流發生間接熱交換的熱交換器。任一冷凝蒸發器皆具有液化室及蒸發室。液化室及蒸發室具有液化通道或蒸發通道。冷凝的流體流在液化室內冷凝（液化），蒸發的流體流在蒸發室內蒸發。蒸發室及液化室由相互之間存在熱交換關係的通道組構成。
本發明特別是可包括按照前述的SPECTRA方法對空氣進行低溫分離，該方法例如記載於EP 2 789 958 A1及該案所引用的進一步專利文獻中。最簡單的設計為一種單塔方法。然而，本發明也可與任何其他的空氣低溫分離方法結合使用。對SPECTRA方法的描述在此僅作為一個例子。
如前所述，在SPECTRA方法中，除了供氣式精餾塔外，還可以使用本身由該供氣式精餾塔供料並用於獲取氧的精餾塔。在本發明的一些技術方案中也是如此，而本發明的其他技術方案則未規定使用這種精餾塔。
亦即，SPECTRA方法最初以及在本發明的相應技術方案中雖被設置為僅用於在供氣式精餾塔的壓力水準上提供氣態氮，但正如在本發明相應的其他技術方案中那樣，藉由使用上述類型的其他精餾塔，也能進一步地獲取純氧。
與其他低溫空氣分離方法一樣，SPECTRA方法亦將經壓縮及預淨化的空氣冷卻至適合精餾的溫度。空氣可由此在常規方法中部分液化。如開頭所述，在高壓塔的常規壓力下空氣被精餾，以獲得比大氣壓下空氣更富集氮的塔頂氣體及比大氣壓下空氣更富集氧的塔底液體。
用於此目的的供氣式精餾塔的回流是透過供氣式精餾塔的塔頂氣體（更確切地說是塔頂氣體的一部分）在熱交換器中的冷凝來提供的。在此熱交換器（冷凝蒸發器）中，同樣提取自供氣式精餾塔的流體被用於冷卻，並且在此過程中蒸發或部分蒸發。其他塔頂氣體可以作為富氮產物提供。
在本發明範圍內也可使用的SPECTRA方法中，藉由在上述冷凝蒸發器中蒸發來自供氣式精餾塔的液體，來形成兩個具有不同氧含量的料流（以下稱為「第一」及「第二」料流），其中第一料流以較低的第一氧含量形成，第二料流則以較高的第二氧含量形成。
在本發明的一個技術方案中，可以使用以第一氧含量提取自供氣式精餾塔的液體形成第一料流，並且可以使用已經以更高的第二氧含量從供氣式精餾塔中提取的液體形成第二料流。在該設計中，用於形成第一料流的液體可從供氣式精餾塔的中間塔板或從液體截止裝置中抽出。在該設計中，用於形成第二料流的液體特別地可以是供氣式精餾塔的液態塔底產品的至少一部分。
在另一個設計中，要形成第一及第二料流，也可以首先使用相同的液體，例如供氣式精餾塔的塔底液體或從供氣式精餾塔取出的另一液體。其可被引導通過第一冷凝蒸發器，在此部分蒸發，並透過相分離的方式獲得氣體餾分及液體餾分。在該設計中，可以透過氣體餾分或其一部分獲得第一氧含量而形成第一料流。在該設計中，第二料流可在第一冷凝蒸發器中，藉由蒸發液體餾分或其一部分而形成。
但是在兩種設計中，第一料流及第二料流分別是之前在上述冷凝蒸發器中用於冷卻及冷凝供氣式精餾塔的相應比例的塔頂氣體的流體。
通常，在SPECTRA方法中，第一料流在其用於上述冷凝蒸發器的冷卻之後，可以藉助冷壓縮機至少部分地被壓縮並且導回供氣式精餾塔。在本發明框架中也是這種情況。在SPECTRA方法中，第二料流在用於上述冷凝蒸發器中的冷卻之後可以至少部分膨脹，並作為所謂的殘餘氣體混合物被排出空氣分離設備。在本發明範圍內也可以如此設置。
對於第一料流（或相應的部分）的壓縮，可以使用一個或者多個壓縮機，其與一個或者多個膨脹機耦接，這樣可以對第二料流（或相應的部分）進行膨脹。這樣就非常明確了，每次只有第一或第二料流的一部分可以在相應耦接單元中壓縮或膨脹。不與相應壓縮機耦接的膨脹機，如果存在的話，可以特別由機械及/或電氣方式進行制動。與壓縮機耦接的膨脹機也可以進行制動。在不離開本發明範圍的情況下，可以設置任意的膨脹及再壓縮變體。
在根據本發明的一個變體所使用的、在由供氣式精餾塔供料的其他精餾塔中獲取氧的SPECTRA方法中，在第二精餾塔的下部區域通常存在其他冷凝蒸發器，其用於煮沸該其他精餾塔的塔底液體。該其他冷凝蒸發器通常用（至少）在主空氣壓縮機中被壓縮並且在主熱交換器中被冷卻的空氣（進料空氣）來操作，向第一精餾塔送入所述空氣。該空氣特別地也可以是最初以氣態形式存在的空氣，其在被送入供氣式精餾塔之前，在該其他冷凝蒸發器中液化。它是被送入第一精餾塔的進料空氣總量的一部分。可以將其他（氣態）進料空氣送入供氣式精餾塔，而無需相應的液化。在不離開本發明範圍的情況下，也可以在供氣式精餾塔的供料及該其他冷凝蒸發器的操作方面使用各種變體。 本發明的優點
本發明提出，藉由低溫空氣分離使制氫與制氮在同一地點進行，以供應相應的消費者。其中，制氫過程中所產生的氧被去除水，必要時去除其他組分（例如氫），然後如下文還將詳細說明的那樣，在位於同一地點的空氣分離設備中液化，並且必要時在存在於空氣分離設備中的過冷式逆流熱交換器中過冷。以這種方式獲得的液態氧可以液態儲存。也可以藉由升壓蒸發(Druckaufbauverdampfung)、低溫泵等方式增加壓力，以及隨後在空氣分離設備的主熱交換器中（特別是以習知的內壓縮方式）進行蒸發。其中，電解產生的氧流在液化前不與空氣分離的製程流混合，通常在液化後也是如此。「空氣分離的製程流」是從進料空氣中匯出的流，例如氮產品或不純氧產品。亦即，電解產生的氧流在此不構成空氣分離的製程流。在根據本發明對電解氧進行液化的範圍內，不介入空氣分離的低溫分離過程，確切而言，較佳不將電解產生的氧流與空氣分離的任何一個製程流混合。空氣分離設備只提供液化冷(Verflüssigungskälte)，但對電解產生的氧的提純沒有貢獻。
本發明對以下事實加以利用：在藉由水電解制氫時，可以獲得高純氧，該高純氧主要只被水污染，特別是不會因為與純度更低的氧產品混合而被污染。
在本發明範圍內可以提供的產品範圍使得以特別有利的方式提供前述晶圓廠所需的氮、氧及氫的量分率(Mengenanteil)成為可能。通常情況下，在這樣的晶圓廠中，大約0.75%的氮量需要高純氧，1.50%需要氫，也就是說，氧及水的需求量之比約為1比2。這與在水電解中獲得的量分率完全一致。在本發明範圍內視情況而額外提供的高純氧例如可在市場上出售。
本發明總體上能減少生產所述類型的氮產品、氧產品及氫產品的總能量需求及資本支出。特別是，該空氣分離設備也可以以負載靈活的方式運行。例如，如果不液化氧，而只是從儲罐中提取氧，則也可以生產液氮，或者可以將液氮送入設備，以便液化氣態氧。
以申請專利範圍的慣用語來說，本發明總體上提出一種提供氮產品、氧產品及氫產品的方法，該方法使用適於低溫分離空氣的設備，該設備具有精餾塔系統，該精餾塔系統包括供氣式精餾塔、主熱交換器及視情況而設置的過冷式逆流熱交換器。主熱交換器及過冷式逆流熱交換器可以合併成一個裝置，作為組合式主熱交換器-過冷器。如前所述，該設備特別是可被設置為用於實施SPECTRA方法，但這不是強制性要求。
「主熱交換器」在此是指將進料空氣大致冷卻到露點的裝置。主熱交換器可由數個並聯連接及/或串聯連接的塊體組成。
氮產品的提供包括：使用精餾塔系統對進料空氣進行低溫精餾，以及從精餾塔系統提取氮產品或前體產品。
術語「前體產品」在此特別指物質的混合物或純物質，使用其來形成實際的產品，其中「形成」例如可包括進一步提純、加壓、加熱、冷卻、精餾、餾分或組分的混合或分離。
當在本發明範圍內使用SPECTRA方法時（可選擇這種情況），使用供氣式精餾塔對進料空氣進行低溫精餾，以獲得塔頂氣體，並且將塔頂氣體的一部分用作氮產品或氮產品的前體產品。
根據本發明，氧產品及氫產品的提供則包括：在電解器中對水進行水電解，以獲得含水氧流及氫流，其中至少在一個操作階段中將含水氧流或其一部分乾燥，隨後在主熱交換器中進行液化，以獲得液氧流，其中使用液氧流或其一部分來提供氧產品。下面將對一些細節及根據本發明的技術方案進行闡述。上文已闡述過本發明所提出的措施的優點。
在本發明範圍內，氧液化的下列組態是可能的： 組態1（僅主熱交換器） -  在主熱交換器的熱部分中冷卻 -  在主熱交換器的冷部分中完全液化 組態2（僅過冷式逆流熱交換器） -  在過冷式逆流熱交換器中冷卻及完全液化 組態3（主熱交換器及過冷式逆流熱交換器） -  3a：在主熱交換器中冷卻及完全液化-隨後在過冷式逆流熱交換器中過冷 -  3b：在主熱交換器中冷卻及部分液化-隨後在過冷式逆流熱交換器中進一步液化，然後過冷 -  3c：只在主熱交換器中冷卻-隨後在過冷式逆流熱交換器中液化，然後過冷
在組態1至3c中，主熱交換器及過冷式逆流熱交換器可實現為單獨的裝置，或者實現為組合式主熱交換器-過冷器。
舉例來說，除了電解產生的氧流外，提取自蒸餾系統、在過冷式逆流熱交換器中冷卻並再度被導入蒸餾系統的液體以及提取自精餾塔系統且在過冷式逆流熱交換器中被加熱的氣體也會流經過冷式逆流熱交換器。
組態4（僅單獨的熱交換器） -  在單獨的熱交換器的熱部分中冷卻 -  在主熱交換器的冷部分中完全液化 組態5（單獨的熱交換器及過冷式逆流熱交換器） -  3a：在單獨的熱交換器中冷卻及完全液化-隨後在過冷式逆流熱交換器中過冷 -  3b：在單獨的熱交換器中冷卻及部分液化-隨後在過冷式逆流熱交換器中進一步液化，然後過冷 -  3c：只在單獨的熱交換器中冷卻-隨後在過冷式逆流熱交換器中液化，然後過冷
在單獨的熱交換器中，較佳將一個或數個空氣分離製程流如空氣、氮或氧用作製冷劑。該等製程流透過間接熱交換從電解產生的氧流中抽出熱量。單獨的熱交換器例如可在空氣側與主熱交換器並聯連接。
在單獨的熱交換器中，電解產生的氧較佳與氮含量超過30 mol%的液態冷流進行間接熱交換而液化，從而使冷流蒸發。較佳沒有第三製程流流經單獨的熱交換器。
本發明可包括：藉由在過冷式逆流熱交換器中進行過冷，將為了提供氧產品而形成的液氧流形成為過冷液氧流。在此情況下，電解產生的氧流在主熱交換器中被冷卻並完全或部分液化；在部分液化的情況下，首先在過冷式逆流熱交換器中完成液化，然後對液體進行過冷。作為替代方案，也可以僅藉由使液氧流穿過主熱交換器來對液氧流進行相應的冷卻或過冷，特別是在液氧流處於超大氣壓力水準的情況下。
在本發明範圍內，可以使用低壓電解來提供含水氧流。作為替代方案，也可以使用高壓電解來提供。在本發明範圍內，水電解可例如以鹼性電解（AEL）或者在質子交換膜（PEM）或陰離子交換膜（AEM）上進行電解的形式進行。這兩種方法皆為低溫電解，通常可在低於60℃的操作溫度下使用。例如使用固體氧化物電解池（英文為solid oxide electrolysis cell；SOEC）的高溫電解方法也用於例如水及/或二氧化碳的電解，並且可與本發明一起使用。關於全部的方法，請參考相關技術文獻。
根據在主熱交換器中進行液化的壓力水準及水電解的壓力水準，含水氧流或其一部分可以在乾燥後以及在主熱交換器中液化前受到壓縮。
氧產品的提供特別是可以包括（進一步）提純，特別是用於耗盡氬的精餾，特別是可對已蒸發的液氧進行此種精餾。
如前所述，本發明尤其可以實現負載靈活的運行。換言之，在本發明的一個技術方案中，液氧流可以只在第一操作階段形成，其中可以在第一操作階段暫時儲存液氧流，以便後續提供氧產品，其中在第二操作階段，可以使用暫時儲存的液氧流或其一部分，在主熱交換器中加熱後以氣態加壓氧產品的形式獲得該氧產品。特別是，在第二操作階段，氣態氮流可在主熱交換器中液化，以獲得液氮流，並且液氮流或其一部分可以用作該氮產品或其他氮產品，或者可被暫時儲存起來，以便後續提供該氮產品或其他氮產品。也可以在進行或不進行暫時儲存的情況下對液氮流進行習知類型的內壓縮。這可以在第一及第二操作模式下進行。針對其中一種操作模式提到的任何措施也可以在其他操作模式下實施。
本發明也可以特別是包括對其他冷卻介質的使用，因此在根據本發明的一個技術方案的方法中，使用液態空氣進行液化。
在本發明的一個使用SPECTRA方法的技術方案中，可以使用冷凝蒸發器來操作供氣式精餾塔，在該冷凝蒸發器中，隨著來自供氣式精餾塔的液體蒸發而形成低於供氣式精餾塔的運行壓力水準的第一及第二料流，其中供氣式精餾塔的其他塔頂氣體在冷凝蒸發器中冷凝並作為回流返回到供氣式精餾塔。
此外，在該技術方案中，可以第一氧含量形成第一料流，並且可以高於第一氧含量的第二氧含量形成第二料流，其中第一料流或其一部分被再壓縮至第一壓力水準，並被送入供氣式精餾塔，並且第二料流或其一部分膨脹做功，並被排出設備。
如前所述，本發明可用於未設或設有附加氧塔的SPECTRA方法，在後一種情況下，此氧塔被用作由供氣式精餾塔供料的其他精餾塔，其中第二精餾塔的塔底液體被用於提供氧產品。液氧流可被送入該其他精餾塔，以便能進一步提純。
在本發明範圍內還可以減少儲罐的蒸發損失，其中特別是在儲罐中蒸發的氧被送入設備的主熱交換器及/或過冷式逆流熱交換器。該氧特別是在過冷式逆流熱交換器或主熱交換器中被加熱。
本發明還關於一種用於提供氮產品、氧產品及氫產品的設備，其中該設備適於低溫分離空氣，並且具有精餾塔系統，該精餾塔系統包括供氣式精餾塔、主熱交換器及過冷式逆流熱交換器，其中該用於提供氮產品的設備適於使用供氣式精餾塔來對進料空氣進行低溫精餾，以獲得塔頂氣體，並且將塔頂氣體的一部分用作氮產品。
根據本發明，該設備包括電解器，該電解器適於進行水電解，以獲得含水氧流及氫流，以便提供氧產品及氫產品，其中該設備適於至少在一個操作階段中將含水氧流或其一部分乾燥，隨後在主熱交換器中進行液化，以獲得液氧流，並且使用液氧流或其一部分來提供氧產品。
對於根據本發明的空氣分離設備的進一步的特徵及優點，該空氣分離設備特別地被設置為用於實施如上所述的各種設計的方法，並且具有相應的實施裝置，參考根據本發明的方法及其設計的上述闡述。
下面將參照所附圖式更詳細地解釋本發明，在附圖中說明本發明的優選設計。
圖1以設備示意圖的形式示出根據本發明的一種實施方式的設備100。
設備100適於對空氣進行低溫分離，並為此包括具有供氣式精餾塔11的精餾塔系統10，該供氣式精餾塔適於獲取氮，並且用冷凝蒸發器13操作。由供氣式精餾塔11供料的、用於獲取氧的其他精餾塔12並不存在，但為了說明在本發明範圍內對根據先前技術的設備所進行的修改，該其他精餾塔仍被圖示出來（打叉部分）。
藉助於空氣分離設備100的主空氣壓縮機1，經由未單獨標號的過濾器從大氣中吸入空氣並壓縮空氣。在主空氣壓縮機1下游的同樣未單獨標號的後冷卻器中冷卻之後，以這種方式形成的進料空氣流a在以水運行的直接接觸冷卻器2中進一步冷卻。然後，進料空氣流a在吸附器單元3中經受清潔。在專業文獻裡有對這些關係進一步的解釋，例如在Häring（見上文）背景中附圖2.3A。
在主熱交換器4中冷卻後，進料空氣流a被送入供氣式精餾塔11，在該精餾塔中對被相應送入的空氣進行精餾。供氣式精餾塔11的塔頂氣體部分地以料流d的形式作為氮產品或者密封氣體從空氣分離設備100中排出。
在冷凝蒸發器13中，在此處示出的特定設計中，第一料流g及第二料流h在低於供氣式精餾塔11的運行壓力水準（為此，特別是在未單獨標號的閥中進行相應的膨脹）下被蒸發。
使用以第一氧含量提取自供氣式精餾塔11的液體形成第一料流g，並且使用以高於第一氧含量的第二氧含量提取自供氣式精餾塔11的液體（特別是塔底液體）形成第二料流h。
供氣式精餾塔11的其他塔頂氣體以料流i的形式在第一冷凝蒸發器13中冷凝，並且作為回流導回供氣式精餾塔11。一部分也可以在過冷式逆流熱交換器5中過冷，如這裡以料流k的形式所示，並作為液氮提供。也可以相應地送入液氮。在這種情況下加熱的料流l如下面更詳細地解釋的那樣處理。此外，可以設計以吹掃流m的形式的其他排出。可能的（進一步的）液氮注入（LIN注入）圖示為料流x的形式。
第一料流g的氣體在第一冷凝蒸發器13中蒸發或部分蒸發後，在壓縮機6中再壓縮至第一壓力水準，並被送入供氣式精餾塔11。虛線示出的部分也可以導回用於在壓縮機6中的壓縮。料流g的一部分也可以以料流n的形式釋放到大氣中。
在此處所圖示的例子中，第二料流h的氣體在第一冷凝蒸發器13中蒸發或部分蒸發後，在與壓縮機6耦接的膨脹機7中膨脹，並且在主熱交換器4中加熱後，在吸附器單元3中作為再生氣體使用，或釋放到大氣中，從而從空氣分離設備100中排出。
在電解器20中，在第一操作階段中透過水電解形成氫流（未圖示）及氧流o。前者作為氫產品被提供。後者受製造方式影響而含水，因此在乾燥器21中被去除水及其他組分。（乾燥器例如由一對普通的、交替運行的吸附器容器組成，如圖3所示）。繼續被標示為o的乾燥氧流穿過主熱交換器4，在該處液化，然後在過冷式逆流熱交換器5中過冷，並以液化過冷狀態被送入儲罐單元22。亦即，以此方式形成氧產品。
如果需要，特別是在第二操作階段中，儲存在儲罐單元中的氧（如此處繼續以氧流o所示）可例如以升壓壓縮(Druckaufbauverdichtung)的方式被加壓，在主熱交換器4中被加熱而蒸發，並作為相應的（其他）氧產品被提供。
作為替代方案，在圖1中，過冷式逆流熱交換器5可以習知方式整合到主熱交換器4中。
圖2以設備示意圖的形式示出根據本發明的一種實施方式的設備200。
在此設備中存在已經提到過的用於獲取氧的其他精餾塔12。這個其他精餾塔12以供氣式精餾塔11的側流p為進料，該側流首先穿過其他精餾塔12的塔底蒸發器14並在其中液化，然後在上部區域中被送往其他精餾塔12。
此外，空氣流a的一部分（在此被圖示為料流b的形式）穿過塔底蒸發器14，隨後以液化狀態被送入供氣式精餾塔11。
其他精餾塔12的塔底液體以料流q的形式被導入儲罐單元23，並且可以如上文針對料流o所說明的那樣，從儲罐單元中被用於提供氧產品，如圖中繼續以q標示的料流q所示。之前在主熱交換器4中液化、然後在過冷式逆流熱交換器5中過冷的氧流o被送入其他精餾塔12中進行進一步的提純。
作為替代方案，在圖2中，過冷式逆流熱交換器5可以習知方式整合到主熱交換器4中。
圖3示出在單獨的熱交換器300中冷卻及液化氧流o之組態3的一個實施例。液化氧經由功率(Leistung) 201及302被送入儲罐單元22。圖3的所有其餘特徵皆與圖2的特徵相對應。
1:主空氣壓縮機 2:直接接觸冷卻器 3:吸附器單元 4:主熱交換器 5:過冷式逆流熱交換器 6:壓縮機 7:膨脹機 10:精餾塔系統 11:供氣式精餾塔 12:其他精餾塔 13:第一冷凝蒸發器；冷凝蒸發器 14:塔底蒸發器 20:電解器 21:乾燥器；乾燥 22:儲罐單元 100:空氣分離設備；設備 200:設備 201:功率 300:熱交換器 302:功率 a:進料空氣流 b:料流 d:料流 g:第一料流；料流 h:第二料流 i:料流 k:料流 l:料流 m:吹掃流 n:料流 o:氧流 p:側流 q:料流 x:料流
［圖1］展示了根據本發明的一種實施方式的一個設備。 ［圖2］展示了根據本發明的另一種實施方式的一個設備。 ［圖3］展示了一個根據本發明的系統，該系統將主熱交換器及過冷式逆流熱交換器整合在一起。
在圖式中，在結構上及/或功能上彼此一致的元件以相同的附圖標記給出，並且僅為了清楚起見在下文中不重複解釋。
1:主空氣壓縮機
2:直接接觸冷卻器
3:吸附器單元
4:主熱交換器
5:過冷式逆流熱交換器
6:壓縮機
7:膨脹機
10:精餾塔系統
11:供氣式精餾塔
12:其他精餾塔
13:第一冷凝蒸發器；冷凝蒸發器
20:電解器
21:乾燥器；乾燥
22:儲罐單元
100:空氣分離設備；設備
a:進料空氣流
d:料流
g:第一料流；料流
h:第二料流
i:料流
k:料流
l:料流
m:吹掃流
n:料流
o:氧流
x:料流

Claims (14)

  1. 一種提供氮產品、氧產品及氫產品的方法，該方法使用適於低溫分離進料空氣的空氣分離設備(100, 200)，該空氣分離設備具有精餾塔系統(10)，該精餾塔系統包括供氣式精餾塔(11)及用於冷卻該進料空氣的主熱交換器(4)，其中該氮產品的提供包括：使用該精餾塔系統(10)對進料空氣進行低溫精餾，以及從該精餾塔系統(10)提取該氮產品或其前體產品，其特徵在於，該氧產品及該氫產品的提供包括：在電解器(20)中對水進行水電解，以獲得含水氧流及氫流，其中至少在一個操作階段中將該含水氧流或其一部分乾燥(21)，並且視情況對其實施進一步的提純步驟，以獲得液氧流，然後將該已乾燥氧流導入該空氣分離設備而不與該空氣分離設備的製程流混合，並且在該空氣分離設備中以未混合狀態進行液化(4)，其中使用在此過程中產生的液氧流或其一部分來提供該氧產品。
  2. 如請求項1之方法，其中該已乾燥氧流的該液化是在該主熱交換器(4)、該空氣分離的過冷式逆流熱交換器(5)、組合式主熱交換器-過冷器的過冷部分或該空氣分離設備的獨立於主熱交換器且視情況獨立於過冷式逆流熱交換器的單獨的熱交換器中進行。
  3. 如請求項1之方法，其中使用該供氣式精餾塔(11)對該進料空氣進行該低溫精餾，以獲得塔頂氣體，其中將該塔頂氣體的一部分用作該氮產品或該氮產品的前體產品，其中隨著來自該供氣式精餾塔(11)的液體在冷凝蒸發器(13)中蒸發而形成兩個具有不同氧含量的料流，並且該塔頂氣體的另一部分在該冷凝蒸發器(13)中冷凝並返回到該供氣式精餾塔(11)。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其中使用電解，特別是高壓電解來提供該含水氧流。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其中該含水氧流或其一部分在該乾燥(21)之後以及在該主熱交換器(4)中進行該液化之前受到壓縮。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中該氧產品的提供包括提純，特別是用於耗盡氬的精餾。
  7. 如前述請求項中任一項之方法，其中該液氧流只在第一操作階段形成，其中在該第一操作階段暫時儲存該液氧流，以便後續提供該氧產品，並且在第二操作階段使用該暫時儲存的液氧流或其一部分，在該主熱交換器(4)中加熱後以氣態加壓氧產品的形式獲得該氧產品。
  8. 如請求項7之方法，其中在該第二操作階段，在該主熱交換器(4)中液化氣態氮流，以獲得液氮流，其中將該液氮流或其一部分用作該氮產品或其他氮產品，或者暫時儲存該液氮流，以便後續提供該氮產品或其他氮產品。
  9. 如前述請求項中任一項之方法，其中使用液態空氣進行該液化。
  10. 如前述請求項中任一項之方法，其中使用冷凝蒸發器(13)操作該供氣式精餾塔(11)，在該冷凝蒸發器中，隨著來自該供氣式精餾塔(11)的液體蒸發而形成低於該供氣式精餾塔(11)的運行壓力水準的第一及第二料流，其中該供氣式精餾塔(11)的其他塔頂氣體在該冷凝蒸發器(13)中冷凝並作為回流返回到該供氣式精餾塔(11)。
  11. 如請求項10之方法，其中以第一氧含量形成該第一料流，並且以高於該第一氧含量的第二氧含量形成該第二料流，其中該第一料流或其一部分被再壓縮至該第一壓力水準，並被送入該供氣式精餾塔(11)，並且該第二料流或其一部分膨脹做功，並被排出該設備(100, 200)。
  12. 如請求項10或11之方法，其中使用由該供氣式精餾塔(11)供料的其他精餾塔(12)，其中該第二精餾塔(12)的塔底液體被用於提供該氧產品。
  13. 如請求項12之方法，其中將該液氧流送入該其他精餾塔(12)。
  14. 一種用於提供氮產品、氧產品及氫產品的設備(100, 200)，其中該設備(100, 200)包括用於對進料空氣進行低溫分離的空氣分離設備，該空氣分離設備又具有精餾塔系統(10)，該精餾塔系統包括供氣式精餾塔(11)及用於冷卻該進料空氣的主熱交換器(4)，其中該用於提供該氮產品的設備適於使用該精餾塔系統(10)對進料空氣進行低溫精餾，並且從該精餾塔系統(10)提取該氮產品或其前體產品，其特徵在於，該設備(100, 200)包括電解器(20)，該電解器適於進行水電解，以獲得含水氧流及氫流，以便提供該氧產品及該氫產品，其中該設備(100, 200)適於至少在一個操作階段中將該含水氧流或其一部分在不與該空氣分離設備的製程流混合的情況下乾燥(21)，隨後以未混合狀態在該空氣分離設備中進行液化，以獲得液氧流，並且使用在此過程中所產生的該液氧流或其一部分來提供該氧產品。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7272954B2 (en) * 2004-07-14 2007-09-25 L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Proceded Georges Claude Low temperature air separation process for producing pressurized gaseous product
US8136369B2 (en) * 2006-07-14 2012-03-20 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude System and apparatus for providing low pressure and low purity oxygen
EP2789958A1 (de) 2013-04-10 2014-10-15 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und Luftzerlegungsanlage
WO2020083528A1 (de) * 2018-10-23 2020-04-30 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und anlage zur tieftemperaturzerlegung von luft
EP3739714A1 (de) * 2019-05-16 2020-11-18 Linde GmbH Verfahren zum betreiben einer industrieanlage und entsprechende industrieanlage
CN114017993B (zh) * 2022-01-06 2022-06-07 杭氧集团股份有限公司 一种利用绿电电解水制氢副产氧气的装置及方法

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