TW202311684A - 用於工藝技術設備的分配器模組 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於工藝技術設備，特別是用於空氣分離設備的分配器模組，可藉由流體管線連接至主空氣壓縮機總成、至少兩個吸附器（其中的每個吸附器皆可在吸附階段及再生階段運行）以及主熱交換器總成，包括壓縮機端口、為每個待連接吸附器所設置的各一個包括第一吸附器端口及第二吸附器端口之端口對、第一熱交換器端口及第二熱交換器端口以及殘餘氣體端口或殘餘氣體出口；以及閥門及擋板組件，適於使每個端口對選擇性地：在端口對的第一狀態下，將壓縮機端口與端口對的第一吸附器端口流體連接，並將端口對的第二吸附器端口與第一熱交換器端口流體連接，或者在端口對的第二狀態下，將第二熱交換器端口與端口對的第二吸附器端口流體連接，並將端口對的第一吸附器端口與殘餘氣體端口或殘餘氣體出口流體連接；其中分配器模組具有底面，並且分配器模組的垂直於底面而測得的高度大於分配器模組的平行於底面而測得的兩個橫向尺寸。

Description

用於工藝技術設備的分配器模組
本發明係關於一種用於工藝技術設備，特別是用於空氣分離設備的分配器模組，以及一種空氣分離設備。
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或者說蒸餾塔系統，傳統上，精餾塔系統或蒸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。
如吾人所知，先前技術亦按照所謂的SPECTRA方法對空氣進行低溫分離以提供加壓氮作為主產品，該方法記載於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。
空氣分離包括壓縮、預冷、提純、冷卻及精餾等幾個基本步驟。例如，壓縮係在具有中間冷卻及再冷卻功能的多級渦輪壓縮機中進行，經壓縮而達到約5巴或以上之壓力。壓縮之前，灰塵顆粒可在所謂的強力過濾器中被去除。隨後的預冷可使用用水操作的直接接觸式冷卻器，在直接接觸式冷卻器中還可進行水溶性雜質的部分溶離。所用的水例如可在滴流式蒸發冷卻器(Rieselverdunstungskühler)中用來自精餾的殘餘氮氣（亦稱「冷卻氮」）加以再冷卻。
通常在吸附器或分子篩吸附器中對經預冷的空氣進行提純或者說淨化。水分、二氧化碳及碳氫化合物在該等吸附器中被去除。通常提供兩個（或更多）吸附器，該等吸附器分別交替地在吸附階段及再生階段運行，以便確保空氣分離設備的連續運行。
為了進行液化，以此方式經提純的空氣在一個或多個主熱交換器中被冷卻到大約-175℃。冷卻係藉由在逆流中與設備所產生的冷氣流進行內部熱交換而實現。此時，通常也會至少使用來自精餾的殘餘氮氣；亦可使用氧氣含量明顯比空氣豐富的氣體，最高為純氧氣。在接下來的膨脹過程中，空氣因Joule-Thomson效應而進一步冷卻並液化。空氣的實際分離（精餾）係在分離柱系統的分離柱（精餾塔）中進行，其中最初會產生富氧的底層餾分及富氮的頂部餾分。
空氣分離設備通常由預製部件組裝而成。然而，這往往是有問題的，因為足夠合格的裝配人員要麼不存在，要麼價格昂貴。特別是，此係關於將吸附器連接至壓縮機級及冷卻級。因此，有必要進行改良，使空氣分離設備的建造更加可靠更加簡單。
根據本發明，該目的係藉由具有獨立請求項之特徵的一種分配器模組及一種空氣分離設備而達成；附屬項係關於較佳實施方式。
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。
在本案的用語習慣中，液體及氣體可能一種或數種組分中含量豐富或稀少，其中「豐富」可代表至少為75%、90%、95%、99%、99.5%、99.9%或99.99%的，「稀少」可代表最高為25%、10%、5%、1%、0.1%或0.01%的莫耳含量、重量含量或體積含量。術語「主要」可等同於「豐富」的定義。此外，液體及氣體可能富集或耗盡一種或數種組分，其中此等術語系關於用以獲取該液體或氣體的初始液體或初始氣體中的含量。
以初始液體或初始氣體為參照，若液體或氣體至少含有相應組分的1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1000倍含量，則稱之為「富集」；若液體或氣體最多含有相應組分的0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍含量，則稱之為「耗盡」。舉例而言，若述及「氧」、「氮」或「氬」，則亦指富氧或富氮但並非必須僅由氧、氮或氬構成的液體或氣體。
本申請使用術語「壓力水平」及「溫度水平」來表徵壓力與溫度，此系為了表明，為了實現本發明理念無需使用精確的壓力值及溫度值來說明相應設備中的相應壓力與溫度。但這種壓力與溫度通常在平均值特定範圍內（例如1%、5%、10%或20%）上下波動。相應的壓力水平及溫度水平可處於不相交範圍或交疊範圍。比如壓力水平特別包含不可避免或可預見的壓力損失。溫度水平亦是如此。此處以巴為單位給出的壓力水平系為絕對壓力。
若述及「膨脹機」，則一般係指習知的渦輪膨脹機。該膨脹機特別是亦可與壓縮機耦接。該壓縮機可特別為渦輪壓縮機。相應由渦輪膨脹機與渦輪壓縮機組成的組合通常被稱為「渦輪增壓器」。在渦輪增壓器中，渦輪膨脹機與渦輪壓縮機進行機械耦接，其中該耦接可以同轉速（例如通過共同軸體）或不同轉速（例如通過自有傳動裝置）的方式實現。這裡通常使用術語「壓縮機」。「冷卻壓縮機」在此系指輸送遠低於0℃，特別是低於-50℃、-75℃或-100℃及至低於-150℃或-200℃溫度水平流體的壓縮機。相應的流體流特別是透過一個主熱交換器（見下）冷卻至相應的溫度水平。
「主空氣壓縮機」特性在於，所有被送入空氣分離設備且在該處被分離的空氣均被它壓縮。而在一個或多個可酌情設置的其他壓縮機如增壓壓縮機中，則是僅對此前已在主空氣壓縮機中被壓縮過的空氣的一部分（若空氣為循環使用，則為此部分的多倍）進行進一步壓縮。相應地，空氣分離設備的「主熱交換器」特徵為，大部分被送入空氣分離設備的且在該處被分離的空氣在此被冷卻。此係全部或至少部分地在從空氣分離設備中導出的物料流的逆流中進行。在本案的用語習慣中，以此方式從空氣分離設備中「導出的」物料流或「產品」不再參與設備內部循環，而是從此處被持續抽取出的流體。
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。
「吸附器」或「分子篩吸附器」特別是指用於分離氣體混合物的裝置，該等裝置利用了吸附的物理效應，即來自氣體或液體的物質或分子聚集於固體表面。可以使用穿過吸附器的淨化氣體從固體表面再度去除被吸附的物質/分子。在空氣分離設備中，藉由吸附器去除經主空氣壓縮機壓縮的空氣中的雜質，特別是H 2O、CO 2及乙炔，然後將其冷卻到低溫。較佳使用沸石吸附器，即含有沸石晶體的吸附器，待吸附物質聚集在其表面，其中吸附發生在沸石晶體表面直徑約為1 nm的孔隙中。沸石晶體被陶瓷材料所束縛，其中形成尺寸在公釐範圍內的球形或棒狀元素。
空氣分離設備中通常設有多個吸附器，特別是兩個吸附器，它們交替地在吸附階段及再生階段運行。在吸附階段，來自主空氣壓縮機的空氣穿過吸附器，通常在5至40巴的壓力水平下。隨後，先將壓力降低至環境壓力，在再生階段，淨化氣體（通常是抽取自精餾塔且穿過主熱交換器的乾燥殘餘氮氣）以逆流方向穿過吸附器，其中設有使用溫熱淨化氣體的預熱階段以及使用冷淨化氣體的冷卻階段。隨後，吸附器中的壓力水平再次被提高至來自主空氣壓縮機的空氣的壓力水平。通常在主空氣壓縮機的最終壓力下進行吸附。再生則是在儘可能低的壓力下使用在吸附器之後被抽取的乾燥氣體進行。由於設有多個吸附器，可以實現不間斷的空氣淨化。
術語「模組」應被理解為相互連接的元件所形成的組件，該等元件固設在模組中。該等元件透過支撐結構如支撐框架、支撐殼體或類似結構而相互連接。亦即，模組乃是一個結構單元，若干元件以固定的方式佈置於其中。特別是，模組或其元件可作為一個整體被移動，例如從製造場所運到施工場所。
術語「流體連接」係指藉由流體管線進行連接。可以在流體連接的元件之間交換流體。
「上」、「下」、「之上」、「之下」、「上方」、「下方」、「旁」、「並排」、「豎向」、「水平」等相對空間術語在此係關於空氣分離設備的蒸餾塔正常運行時的空間定向。兩個蒸餾塔或其他組件「堆疊」佈置，在此係指兩個裝置部件中的下方裝置部件的上端與兩個裝置部件中的上方裝置部件的下端處於同一大地高度或較低的大地高度，並且兩個裝置部件在水平面中的投影彼此重疊。特別地，兩個裝置部件可精確地堆疊佈置，此係指兩個塔的軸線在同一條豎向直線上延伸。
根據本發明的用於工藝技術設備的分配器模組可藉由流體管線連接至主空氣壓縮機總成、至少兩個吸附器（其中的每個吸附器皆可在吸附階段及再生階段運行）以及主熱交換器總成，並且包括壓縮機端口、為每個待連接吸附器所設置的各一個包括第一吸附器端口及第二吸附器端口之端口對、第一熱交換器端口及第二熱交換器端口以及殘餘氣體端口或殘餘氣體出口；以及閥門及擋板組件。閥門及擋板組件適於（即特別是可經相應控制而）使每個端口對選擇性地：在端口對的第一狀態下，將壓縮機端口與端口對的第一吸附器端口流體連接，並將端口對的第二吸附器端口與第一熱交換器端口流體連接，或者在端口對的第二狀態下，將第二熱交換器端口與端口對的第二吸附器端口流體連接，並將端口對的第一吸附器端口與殘餘氣體端口或殘餘氣體出口流體連接。分配器模組具有底面，並且分配器模組的垂直於底面而測得的高度大於分配器模組的平行於底面而測得的兩個橫向尺寸。此條件可以這樣表述：一個包圍分配器模組的儘可能小的假想立方體的側表面大於該立方體的與地板表面相接觸之表面（底面）的側邊/邊緣。
該工藝技術設備較佳為空氣分離設備。
閥門及擋板組件通常包括多個閥門及擋板，以將流體流（空氣流、再生氣體流）交替導向吸附器，而將閥門及擋板組件整合在一個模組中，有助於實現快速而簡便的組裝，其中在將分配器模組豎立在底面上之後，基本上只需要再藉由流體管線將端口連接至其他組件（主空氣壓縮機總成、吸附器、主熱交換器總成）。由於高度相對於橫向尺寸比較大，因此在工藝技術設備或者說空氣分離設備的整體面積中僅佔用較小面積。
「底面」係指為了運行分配器模組而在工藝技術設備（特別是空氣分離設備）的地板表面上搭建分配器模組時，分配器模組上與該地板表面接觸的一面，亦即，底面被相應地設置或設計。也就是說，搭建好之後，底面位於底部。底面通常不由封閉的側壁或類似之物形成。相反，該處通常設有可直接或間接錨定在地板上的框架元件。橫向尺寸可以例如是分配器模組的平行於底面而測得的最大或平均尺寸或伸展度。
高度較佳比橫向尺寸至少大1.5倍，進一步較佳至少大2倍，更進一步較佳至少大3倍，最佳大5倍以上。橫向尺寸較佳是分配器模組平行於底面的最大尺寸、分配器模組平行於底面的平均尺寸、底面面積的根中的一個。較佳地，高度應當最大為橫向尺寸的5倍。此等相對的尺寸或特徵，在考慮到對閥門/擋板及流體管線之典型尺寸要求的情況下，允許分配器模組具有較小的底面，從而間接地允許空氣分離設備具有較小的總面積。同時，可以方便地運輸分配器模組。
分配器模組的「高度」係指分配器模組（正常運行時）在豎立狀態下沿豎向所測得的尺寸，對應於臥式運輸時的「運輸長度」。高度方向與豎向相對應。以同樣方式提到的「橫向尺寸」係指分配器模組在豎立狀態下沿水平方向（即正交於豎向）所測得的尺寸。「上」與「下」，進一步的「上方」與「下方」係自底面開始進行定義，也就是說，底面為分配器模組的下側。亦即，底面相應地沿水平方向延伸。如前所述，組件「堆疊」佈置係指兩個組件中的下方組件的上端位於兩個組件中的上方組件的下端下方（在豎立狀態下處於同一大地高度或較低的大地高度），並且兩個組件在水平面中的投影彼此重疊。特別地，兩個組件可精確地堆疊佈置。這裡的組件可以是分配器模組的裝置部件，特別是閥門及擋板組件的裝置部件（如閥門及/或擋板）。
分配器模組較佳包括與第二熱交換器端口流體連接的再生氣體加熱器。分配器模組較佳包括用於連接增壓壓縮機的流體管線及/或流體端口，該增壓壓縮機從而可與第一熱交換器端口流體連接。再生氣體加熱器特別是可被加熱，並適於加熱再生氣體。相應的供能管線同樣可包括在分配器模組中。此等實施方案有助於實現進一步的整合，從而進一步簡化裝配。作為包括在分配器模組中之再生氣體加熱器的替代方案或補充方案，亦可在分配器模組中設置可被用來與未整合在分配器模組中的外部再生氣體加熱器建立流體連接之流體管線及/或流體端口。
分配器模組較佳包括適於控制閥門及擋板組件的控制單元，其中，一個端口對根據第一狀態進行工作，以使連接在該端口對上的吸附器運行於吸附階段，以及根據第二狀態進行工作，以使連接在該端口對上的吸附器運行於再生階段；其中進一步較佳地，控制單元被設置用來控制閥門及擋板組件，以便交替地使至少一個端口對根據第一狀態進行工作。控制單元有利地被安置在具有通道（其形式例如為門）的殼體或容器中。所有以電氣方式傳輸信號的儀錶皆可與工藝控制系統的I/O卡連接，在此情況下，該等I/O卡亦位於分配器模組上，從而提高了預製程度。
分配器模組較佳包括具有儀錶風管線的儀錶風分配裝置，該等儀錶風管線與包括在閥門及擋板組件中的閥門及/或擋板的控制端口流體連接；其中進一步較佳地，分配器模組上設有與儀錶風分配裝置的控制元件連接以交換資料的I/O卡，該等控制元件用於操作儀錶風，其中I/O卡可連接資料線，特別是可連接匯流排線；其中控制單元酌情透過資料線與I/O卡連接（以進行資料交換）。可藉由所謂的儀錶風以氣動方式控制或移動分配器模組中所包含的閥門/擋板。儀錶風由儀錶風管線導向閥門/擋板的控制端口。儀錶風分配裝置尤其包括（與儀錶風管線連接的）操作元件，藉由該等操作元件可以控制各條儀錶風管線的加壓。可以用透過資料線從控制單元傳輸過來的電性操作信號來控制操作元件（例如閥門）。具體來說，為此可使用匯流排或現場匯流排。控制單元或可能包括佈置於分配器模組上之部件的控制系統通常可具有如下結構：工藝控制系統（即特別是在電腦上運行的控制軟體）透過匯流排線或類似線纜與I/O卡（輸入/輸出卡）連接，該等I/O卡例如：藉由4-20 mA信號控制操作元件，操作元件遂打開或關閉用於閥門的控制風/儀錶風。在相反方向上，操作元件（儀錶）的信號及測量值經由I/O卡及匯流排線傳輸至工藝控制系統。I/O卡較佳佈置在分配器模組上。較佳地，用於製備儀錶風的裝置同樣可佈置或安裝在分配器模組中。
分配器模組較佳包括一個或多個測量裝置，特別是溫度測量設備及/或壓力測量設備及/或流量測量設備；其中必要時，該一個或多個測量裝置（特別是透過I/O卡）藉由資料線與控制單元連接，以便將測量值傳輸至控制單元。以此方式可以採集進行控制所需要的全部資料，並由控制單元用於控制。藉此可進一步提高預製程度。
分配器模組較佳包括佈置在殘餘氣體端口或殘餘氣體出口處的排氣消音器。術語「殘餘氣體出口」係指被用來將殘餘氣體排放到環境或大氣中的部件。若存在吸附器再生所不需要的過剩殘餘氣體，則亦可將這部分殘餘氣體導入利用蒸發潛熱(Verdunstungskälte)來冷卻水的蒸發式冷卻器中。這部分冷水可在工藝空氣進入處於吸附階段的吸附器之前用於冷卻該工藝空氣。
分配器模組較佳包括支撐框架，特別是鋼製支撐框架，閥門及擋板組件、可選的再生氣體加熱器、可選的控制單元或其部件、可選的增壓壓縮機以及可選的排氣消音器安裝在該支撐框架上；其中用於連接此等元件以及用於連接壓縮機端口、第一及第二熱交換器端口以及第一及第二吸附器端口的流體管線同樣安裝在該支撐框架上。支撐框架使分配器模組具有高度穩定性。有利的是，可以在支撐框架上（在為此目的而設置的固定元件上）安裝或可安裝通往分配器模組之部件的通道，例如階梯、平台及門。
進一步較佳地，支撐框架基本上呈立方形（即具有立方形的外輪廓或立方形的輪廓線），並且具有長度、寬度及深度；其中高度等於長度，橫向尺寸等於寬度、深度或其平均值；其中較佳地，寬度及深度彼此獨立地處於3.5 m至7 m範圍內，並且較佳地，長度較佳在10 m至30 m範圍內，進一步較佳地在15 m至25 m範圍內，更進一步較佳地在15 m至20 m範圍內。
分配器模組較佳被設計為：當分配器模組連接到主空氣壓縮機總成、至少兩個吸附器及主熱交換器總成時，針對每個吸附器皆獨立地在相關吸附器的吸附階段將空氣流導向吸附器，並在空氣流流經吸附器後將其從吸附器導向主熱交換器總成；以及在相關吸附器的再生階段將再生氣體流從主熱交換器總成導向吸附器，並在再生氣體流流經吸附器後將其導向殘餘氣體出口。對閥門及擋板組件的相應控制可藉由控制裝置來實現，該控制裝置特別是可被包括在分配器模組中。
較佳地，在分配器模組或閥門及擋板組件中，阻止/允許流體從壓縮機端口流向吸附器或端口對的調節配件（即第一閥門及/或擋板）水平佈置或接近於水平佈置。擋板較佳佈置在水平面中；其中進一步較佳地，特別是在擋板為三桿擋板的情況下，該等擋板水平佈置或接近於水平佈置。將空氣路徑或再生氣體切換到吸附器的擋板較佳被設計成水平安裝的三桿擋板。擋板可被佈置成開放狀態，即管線在擋板前分岔，並且具有再生氣體供應管線，或者再生氣體管線分岔，並且只有一條空氣管線通往該再生氣體管線，該空氣管線只分佈在擋板之間的三通管中。
較佳地，在分配器模組或閥門及擋板組件中，阻止/允許流體在端口對與熱交換器端口之間流動的第二閥門及/或擋板佈置在豎向的或接近於豎向的平面內；其中第二閥門及/或擋板較佳在空間上佈置於第一閥門及/或擋板上方。也就是說，在分配器模組或閥門及擋板組件中，阻止/允許流體流向主熱交換器總成及/或熱交換器端口的調節配件（即閥門及/或擋板）較佳佈置在豎平面內。在此，特別是在（第二）擋板為三桿擋板的情況下，該等擋板亦可選擇水平佈置或接近於水平佈置。
進一步較佳地，在分配器模組或閥門及擋板組件中，阻止/允許流體流向吸附器或端口對的調節配件（即閥門及/或擋板）在空間上佈置於阻止/允許流體流向主熱交換器總成或熱交換器端口的調節配件（即閥門及/或擋板）的上方或下方。
較佳地，調節配件（即，既分配給端口對又分配給熱交換器端口的閥門及/或擋板）在分配器模組或閥門及擋板組件中儘可能靠近端口對佈置。
較佳地，所有被設計成三桿擋板的調節配件或者說擋板皆安裝在水平延伸的管線中。
分配器模組中較佳包括或安裝有用於降低氣態氧(GOX)壓力的裝置。相關的防火裝置同樣可設置在分配器模組上。
分配器模組中較佳設有與第二熱交換器端口流體連接的分支，透過該分支，殘餘氣體管線從主熱交換器總成中分出，用於再生吸附器（即通往相關的第二吸附器端口，隨後通往消音器）或用於預冷蒸發式冷卻器。
根據本發明的空氣分離設備包括根據本發明的分配器模組，並進一步包括藉由流體管線連接至分配器模組的主空氣壓縮機總成、至少兩個吸附器（其中的每個吸附器皆可在吸附階段及再生階段運行）以及主熱交換器總成。分配器模組較佳亦包括一些或多個來自於主熱交換器以及通往主熱交換器的連接工藝管線。
空氣分離設備較佳進一步包括分離柱總成，其中主熱交換器總成佈置在分配器模組與分離柱總成之間；其中較佳地，主熱交換器總成安裝在主熱交換器模組中，並且/或者，分離柱總成安裝在分離柱模組中。藉由將主熱交換器總成佈置或安置在分配器模組與分離柱總成之間，可實現特別低的空間需求。
在空氣分離設備中，相對於主熱交換器總成或主熱交換器模組的熱交換器高度，分配器模組的高度介於熱交換器高度減5 m與熱交換器高度加5 m之間；其中分配器模組的高度較佳大於熱交換器高度（即熱交換器安裝好後其上邊緣在主熱交換器模組中的高度）。
在吸附階段，吸附器較佳為從下向上通流，在再生階段則較佳為從上向下通流。也就是說，吸附器的端口相應地與分配器模組的相關端口對連接。
在空氣分離設備中，分配器模組較佳直接與主熱交換器總成或主熱交換器模組相鄰佈置，其中距離小於4 m（米），進一步較佳小於2 m，最佳小於1 m。較大的連接管線（LPGAN、殘餘氣體等）可在與主熱交換器模組平行的平面內靠近主熱交換器模組佈設。
在空氣分離設備中，吸附器較佳與分配器模組間隔儘可能小的距離佈置（以吸附器的側壁如容器壁到分配器模組的距離來衡量），較佳為小於2 m的距離，進一步較佳為小於1 m的距離。
空氣分離設備較佳包括用於降低氣態氧(GOX)壓力的裝置及/或防火裝置。進一步較佳地，該等裝置視情況包括或安裝在分配器模組中。
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以簡化示意圖圖示根據先前技術的空氣分離設備。此設備整體上標示為100。
熱交換器塊1可包括一個或多個位於相應的製冷箱或冷箱（即包圍待隔熱區域的隔熱牆）中的熱交換器，該熱交換器塊被提供一個以虛線示出的空氣流，該空氣流此前已在壓縮機2中被壓縮並在吸附器裝置3中被提純。如過濾器及預冷裝置等額外的裝置未予圖示。一般來說，經壓縮的空氣流可被分成多個餾分，該等餾分被再壓縮至不同的壓力水平並且彼此分開地穿過熱交換器塊（未圖示）。吸附器裝置3通常包括多個可交替運行且可相應再生的吸附器。
在熱交換器1中，被提供的且經壓縮與提純的空氣在逆流中被來自如下所述之分離柱5頂部的冷氣態富集氮UN 2及純GAN（可能還有其他達到環境溫度的工藝流，即富集UN 2、GAN、GOX IC、GAN IC等）冷卻。至少一部分氣態富集氮UN 2在穿過用於冷卻經提純之空氣的熱交換器1後，被引向吸附器裝置3並用作再生氣體，該再生氣體在吸附器的再生階段穿過吸附器。其他的、此處未圖示的冷氣態氮部分在流經熱交換器後可作為產品使用。
經冷卻的空氣流以氣態或部分液態的形式進入分離柱5的示例性中間區域（例如透過膨脹閥4），其中亦可設想進入分離柱的其他區域，特別是下部區域。相應的設備還可包括對（分）空氣流進行再壓縮以及在高壓熱交換器中進行冷卻。為清晰起見，同樣未予圖示。在有多個空氣餾分的情況下，該等空氣餾分可（在酌情藉由渦輪進行膨脹後）至少部分地進入分離柱的不同區域。如前所述，作為如圖1所示的單一個分離柱5的替代方案，亦可使用多個串聯的分離柱，雙塔及類似塔柱。
分離已液化空氣時，會對其組分的不同沸點加以利用。為此，液態空氣在分離柱5中透過一定數量之簡化示出的篩板滴流而下，與未液化的上升空氣形成逆流。液體積聚於篩板上，並被上升的蒸汽泡穿過。其中，主要是沸點較高的氧從氣流中液化，而沸點較低的氮則從液滴中蒸發。由於此原因，氣態氮GAN聚集於分離柱5的溫度較低的頂部，液態氧LOX則聚集在較熱的底部。
為了進一步提純餾分，來自分離柱5底部的液態氧LOX在蒸發器6中蒸發，氣態氮在所謂的頂部冷凝器7中液化。蒸發的氣態氧GOX及液化的氮LIN被再度提供給分離柱5，該處反復進行精餾，直至達到所需純度。
從分離柱5的底部或頂部可抽取相應純度的流體，並將其儲存在液罐8、9中，以便進一步使用。
從分離柱5中可進一步抽取例如氧氬混合物O/Ar，在另一個塔柱中單獨進行的製程中，可從該混合物中獲得高純度氬。獲取氙氣、氪氣、氦氣及/或氖氣等惰性氣體亦需要單獨的塔柱。
為了冷卻新吸入的空氣（見上文），抽取一部分已獲取的氮GAN並以上述方式將其回輸至熱交換器1，其中至少有一部分可在流經熱交換器後作為再生氣體使用。
圖2A及圖2B示出空氣分離設備200的俯視圖（圖2A）及側視圖（圖2B），在該空氣分離設備中設有根據本發明的一種實施方式的分配器模組20。
圖示的空氣分離設備200包括多個模組，這有助於實現較高的預製程度。除分配器模組20外，還設有主壓縮機模組22、主熱交換器模組24及分離柱模組26。此外，該空氣分離設備包括兩個吸附器28、29。空氣分離設備200的元件佈置在地板表面30上，如混凝土板。為清晰起見，例如圖2B中吸附器及主熱交換器模組可能需要的支撐框架或支柱結構未予圖示，但當然可以提供。除分配器模組20外，作為主壓縮機模組、主熱交換器模組及分離柱模組的替代，可以設置由未連接成模組的、至少部分地相互獨立的單個元件所組成的非模組化結構。相應地，作為主壓縮機模組、主熱交換器模組及分離柱模組的替代，可以更一般性地、相互獨立地設置主壓縮機總成、主熱交換器總成及分離柱總成，它們各自包括與相應模組相同的功能元件，其中該等功能元件只是未連接成一個模組。下面的實施方案亦比照適用於相應的總成而非模組。
圖中未示出可能需要用來安裝或固定分配器模組之部件的支撐框架。
主壓縮機模組22從環境或大氣中吸入空氣32並將其壓縮（例如壓縮至4-30巴範圍內的壓力）。除了象徵性所圖示的主壓縮機外，主壓縮機模組22通常還包括用於在壓縮前對吸入空氣進行過濾的過濾器以及用於對經壓縮的空氣進行再次冷卻（例如冷卻到大約20℃，未圖示）的冷卻裝置。冷卻裝置可使用水來實現此目的，其中冷卻係藉由接觸冷卻及/或蒸發冷卻而實現。可設置一個或多個主壓縮機模組或主壓縮機總成。空氣通常在最後一個壓縮機級之後、進入分配器模組之前被冷卻，例如在再冷器中，用製冷設備或直接接觸式冷卻器進行冷卻。
經壓縮的空氣由被稱為壓縮機管線34的流體管線導向分配器模組20，分配器模組將空氣導入被稱為第一吸附器管線46、47的流體管線，該流體管線通往處於吸附階段的吸附器。在流經吸附器後，經淨化的空氣經另一條被稱為第二吸附器管線48、49的流體管線返回分配器模組20，並被分配器模組導入被稱為第一熱交換器管線36的流體管線，該流體管線與主熱交換模組24連接。原則上，若空氣已在分配器模組中被分成多個餾分，則亦可設置多條第一熱交換器管線，以及在分配器模組中設置相應的端口。
主熱交換器模組24包括例如佈置在製冷箱或冷箱中的主熱交換器，在該主熱交換器中，經壓縮、淨化的空氣在逆流中被來自分離柱模組26的一個或多個冷流體流冷卻。可能的冷流體流是氣態氮（例如UN 2及/或GAN）及氣態氧(GOX)。此等冷流體流之一，較佳氣態富集氮UN 2，作為再生氣體從主熱交換器模組24由被稱為第二熱交換器管線38的流體管線導向分配器模組20。
即使未詳細圖示，一般亦會為此（也就是為各種冷流體流）設置從主熱交換器模組到分配器模組的多條流體管線，例如用於氣態富集氮UN 2的第二熱交換器管線38以及另一條用於氣態純氮GAN的流體管線（未圖示）。在此情況下，除第二熱交換器端口68（見下文）外，還可在分配器模組中設置其他端口，以便能與此等來自主熱交換器模組的流體管線建立流體連接。可以在分配器模組中設置與此等端口連接的流體管線，以使來自主熱交換器模組的各種流體流能夠被進一步輸送。特別是，可以設置與該等端口連接的流體管線及裝置（閥門、端口），使一個或多個流體流（例如作為產品流）的排出成為可能，例如可以設置成將氣態純氮GAN作為產品排出。
經壓縮、淨化、冷卻的空氣從主熱交換器模組24被至少一條流體管線40導向分離柱模組26，在分離柱模組中進行空氣分離，即將空氣分離成各種空氣組分（上文已結合圖1描述過）。為此，分離柱模組26包括一個或多個例如佈置在製冷箱或冷箱中的分離柱。若多個空氣餾分被主熱交換器模組冷卻，則可相應地在主熱交換器模組與分離柱模組之間設置多條流體管線。
一個或多個冷流體流從分離柱模組26被至少一條流體管線42導向主熱交換器模組24。圖2A、圖2B中未示出可能為液態產品及/或氣態產品（即分離出來的空氣組分）設置的流體管線及/或容器。
由主熱交換器模組24透過流體管線（第二熱交換器管線）38供應的再生氣體被分配器模組導入通往處於再生階段之吸附器的流體管線（第二吸附器管線）。從吸附器經另一條流體管線（第一流體管線）返回分配器模組20的再生氣體作為殘餘氣體透過殘餘氣體出口44排放到環境中。
分配器模組20具有底面21，並且以該底面豎立地佈置在地板表面30上。分配器模組的豎向尺寸或高度H（即分配器模組20垂直於底面21的尺寸）大於分配器模組的橫向尺寸（即分配器模組20平行於底面21的尺寸）。舉例而言，平行於底面的最大尺寸可作為橫向尺寸。平行於底面的平均尺寸同樣可作為橫向尺寸。底面面積的根亦可作為橫向尺寸。在分配器模組（如圖所示）基本呈立方形的情況下，即底面形成一個具有深度T與寬度B的矩形，例如可將寬度B與深度T中之較大者或寬度B與深度T的平均值作為橫向尺寸。
分配器模組的高度H較佳為分配器模組之橫向尺寸的至少1.5倍，進一步較佳為至少2倍，更進一步較佳為至少3倍。具有此特徵之分配器模組的優點在於，一方面，分配器模組的元件可沿豎向佈置於分配器模組中，從而與水平佈置相比，豎立在底面上的分配器模組的佔地面積小，進而使空氣分離設備的整體面積可以保持相對較小。另一方面，透過公路將分配器模組從製造設備臥式運輸至空氣分離設備（更確切地說，係運輸至空氣分離設備的施工現場）是可能的。此外，用於連接熱交換器模組及立式分配器模組的管線及端口要短得多，並且整合在分配器模組中，不必在施工現場安裝。
舉例而言，橫向尺寸可在3 m至7 m的範圍內，較佳在3.5 m至6 m的範圍內，高度H可大於10 m，較佳在10 m至30 m的範圍內，進一步較佳在15 m至25 m的範圍內，更進一步較佳在15 m至20 m的範圍內。在分配器模組呈立方形的情況下，深度T及寬度B可分別獨立地處於關於橫向尺寸的上述範圍內（即在3 m至7 m的範圍內，較佳在3.5 m至6 m的範圍內）。例如，分配器模組的高度H（對應於臥式運輸時的運輸長度）可約為23 m，深度T（對應於運輸寬度）可約為5.2 m，寬度B（對應於運輸高度）可約為4.8 m。
分配器模組20中設有用於連接上文已提到的流體管線的流體端口。詳細來說，提供以下流體端口：用於連接壓縮機管線34的壓縮機端口60，為每個吸附器設置的用於連接第一吸附器管線46、47的第一吸附器端口62、63，為每個吸附器設置的用於連接第二吸附器管線48、49的第二吸附器端口64、65，用於連接第一熱交換器管線36的第一熱交換器端口66，用於連接第二熱交換器管線38的第二熱交換器端口68，以及用於連接殘餘氣體出口44的殘餘氣體端口70；可能還有其他用於連接蒸發式冷卻器及/或用於連接或排出諸如GAN、PGAN、GAN IC、GOXIC、GOX等產品的端口。被分配給同一個吸附器的第一吸附器端口及第二吸附器端口分別形成一個端口對（46、48以及47、49）。若殘餘氣體出口較佳整合在分配器模組中，則可省去殘餘氣體端口。倘若兩個或更多的（主）熱交換器包括在主熱交換器模組（製冷箱或冷箱）中，則工藝管線可彼此分開地通往分配器模組，並在該處合併或彙集，或者已經在佈置於主熱交換器模組上或整合於主熱交換器模組中的單獨模組中彙集。
分配器模組20中內設閥門及擋板組件50，其中上述端口分別獨立地被包括在閥門及擋板組件50中或者藉由流體管線與該閥門及擋板組件連接。閥門及擋板組件50包括可經控制而使每個相連的吸附器或與吸附器連接的端口對（分配給吸附器的端口對）可選擇性地在第一狀態及第二狀態下工作的閥門及/或擋板。在第一狀態下，壓縮機端口與第一吸附器端口流體連接，第二吸附器端口與第一熱交換器端口流體連接，亦即，來自主壓縮機模組的空氣流先被導入吸附器（處於吸附階段），而後被導向主熱交換器模組。在第二狀態下，第二熱交換器端口與第二吸附器端口流體連接，第一吸附器端口與殘餘氣體端口或殘餘氣體出口連接，亦即，來自主熱交換器模組的再生氣體流先被導入吸附器（處於再生階段），而後被排放到環境中。如此一來，吸附器可交替地在吸附階段及再生階段運行，而不會中斷空氣分離設備的運行。
閥門及擋板的此種佈局已為相關領域通常知識者所知（例如見H.-W. Häring（編輯），Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006，特別是其中的圖2.3A）。然而根據本發明，閥門及擋板係佈置在分配器模組中。為完整起見，圖3A及圖3B示出相應的閥門及擋板組件，其中各相關端口標有符號。其中，圖3A示出將第一吸附器端口62、63連接到壓縮機端口60及殘餘氣體端口70之閥門90及擋板92（可稱為第一閥門及/或擋板）的佈局（其中只有一部分代表性地標有符號），圖3B示出將第二吸附器端口64、65連接到第一熱交換器端口66及第二熱交換器端口68之閥門/擋板（可稱為第二閥門及/或擋板）的佈局。應該注意的是，圖中端口的定位只是示意性的，不一定符合實際位置，因此與圖2A、圖2B相比，圖3A、圖3B所示的不同定位只是為了便於說明。圖3A的閥門/擋板較佳佈置在水平面上；圖3B的閥門/擋板較佳佈置在豎平面上。圖3B的閥門/擋板較佳佈置在圖3B的閥門/擋板上方。
分配器模組20中較佳設有再生氣體加熱器52，以便在吸附器再生階段的預熱階段加熱再生氣體。再生氣體加熱器與第二熱交換器端口68連接，佈置在第二熱交換器端口與閥門及擋板組件50之間，並且藉由流體管線與後者連接。作為替代方案，再生氣體加熱器亦可被安置在分配器模組旁邊。然而，整合到分配器模組20中是有利的，因為如此可進一步提高預製程度。
較佳地，殘餘氣體出口44同樣可整合到分配器模組中。特別是，可以在殘餘氣體出口及分配器模組上安裝（圖中未示出的）排氣消音器。
若打算將來自其中一個吸附器的經壓縮、淨化的空氣流分成多個空氣餾分，並且/或者打算對空氣流或空氣餾分進行再壓縮，則同樣可將相應的流體管線及閥門及/或有可能設置的壓縮機安裝在分配器模組中。這同樣適用於來自熱交換器且由整合在分配器模組中的流體管線及裝置（閥門、端口）所輸送之產品（N 2、氬、O 2）的所有流體管線。較佳地，截止閥、流量及溫度測量裝置以及（透過連接管橋等）與終端用戶進一步連接的端口亦佈置在分配器模組上。
1:熱交換器塊 2:壓縮機 3:吸附器裝置 4:膨脹閥 5:分離柱 6:蒸發器 7:頂部冷凝器 8,9:液罐 20:分配器模組 21:底面 22:主壓縮機模組 24:主熱交換器模組 26:分離柱模組 28,29:吸附器 30:地板表面 32:空氣 34:壓縮機管線 36:第一熱交換器管線 38:第二熱交換器管線；流體管線 40,42:流體管線 44:殘餘氣體出口 46,47:第一吸附器管線 48,49:第二吸附器管線 50:閥門及擋板組件 52:再生氣體加熱器 60:壓縮機端口 62,63:第一吸附器端口 64,65:第二吸附器端口 66:第一熱交換器端口 68:第二熱交換器端口 70:殘餘氣體端口 90:閥門 92:擋板 200:空氣分離設備 B:寬度 H:高度 T:深度
［圖1］以簡化示意圖圖示根據先前技術的空氣分離設備。 ［圖2A］及［圖2B］圖示空氣分離設備的俯視圖及側視圖，在該空氣分離設備中設有根據本發明的一種實施方式的分配器模組。 ［圖3A］及［圖3B］示意性地圖示閥門及擋板在閥門及擋板總成中的示例性佈局。
20:分配器模組
21:底面
22:主壓縮機模組
24:主熱交換器模組
26:分離柱模組
28:吸附器
30:地板表面
32:空氣
34:壓縮機管線
36:第一熱交換器管線
38:第二熱交換器管線；流體管線
40,42:流體管線
44:殘餘氣體出口
46:第一吸附器管線
48:第二吸附器管線
50:閥門及擋板組件
52:再生氣體加熱器
60:壓縮機端口
62:第一吸附器端口
64:第二吸附器端口
66:第一熱交換器端口
68:第二熱交換器端口
70:殘餘氣體端口
200:空氣分離設備
H:高度

Claims (15)

  1. 一種用於工藝技術設備(200)的分配器模組(20)，可藉由流體管線連接至主空氣壓縮機總成(22)、至少兩個吸附器(28、29)（其中的每個吸附器皆可在吸附階段及再生階段運行）以及主熱交換器總成(24)，包括： 壓縮機端口(60)、為每個待連接吸附器所設置的各一個包括第一吸附器端口(46、47)及第二吸附器端口(48、49)之端口對、第一熱交換器端口(66)及第二熱交換器端口(68)以及殘餘氣體端口(70)或殘餘氣體出口(44)；以及 閥門及擋板組件(50)，適於使每個端口對選擇性地： 在該端口對的第一狀態下，將該壓縮機端口(60)與該端口對的第一吸附器端口(46、47)流體連接，並將該端口對的第二吸附器端口(48、49)與該第一熱交換器端口(66)流體連接，並且 在該端口對的第二狀態下，將該第二熱交換器端口(68)與該端口對的第二吸附器端口(48、49)流體連接，並將該端口對的第一吸附器端口(46、47)與該殘餘氣體端口(70)或殘餘氣體出口(44)流體連接； 其中該分配器模組具有底面(21)，並且該分配器模組的垂直於該底面而測得的高度(H)大於該分配器模組的平行於該底面而測得的兩個橫向尺寸(T、B)。
  2. 如請求項1所述之分配器模組，其中該高度(H)比該等橫向尺寸(T、B)至少大1.5倍，較佳至少大2倍。
  3. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，其中該等橫向尺寸(T、B)分別為以下尺寸中的一個： -     該分配器模組平行於該底面(21)的最大尺寸， -     該分配器模組平行於該底面的平均尺寸， -     該底面面積的根。
  4. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，包括可藉由流體管線(36、38)連接至該主熱交換器總成(24)的熱端的端口(66、68)，其中該等端口(66、68)佈置在該分配器模組的高度的上三分之一中。
  5. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，包括可藉由流體管線(34)連接至該主空氣壓縮機總成的端口(60)，其中該端口佈置在該分配器模組的高度的上三分之一中。
  6. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組， -     其中在該分配器模組或該閥門及擋板組件中，阻止/允許流體流向該等吸附器或該等端口對的第一閥門及/或擋板水平佈置或接近於水平佈置，即，相應閥門所連接的端口管線水平佈置或接近於水平佈置；並且/或者 -     其中在該分配器模組或該閥門及擋板組件中，阻止/允許流體在端口對與該等熱交換器端口之間流動的第二閥門及/或擋板佈置在豎向的或接近於豎向的平面內，即，相應閥門所連接的端口管線佈置在豎向的或接近於豎向的平面內； -     其中該等第二閥門及/或擋板較佳在空間上佈置於該等第一閥門及/或擋板上方；並且 -     其中較佳地，該等第一擋板及/或第二擋板特別是在被設計成三桿擋板的情況下水平佈置或接近於水平佈置，即，相應閥門所連接的端口管線水平佈置或接近於水平佈置。
  7. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，包括與該第二熱交換器端口(68)流體連接的再生氣體加熱器(52)。
  8. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，包括佈置在該殘餘氣體端口(70)或該殘餘氣體出口(44)處的排氣消音器。
  9. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，包括支撐框架，特別是鋼製支撐框架，該閥門及擋板組件及/或如請求項5所述之該再生氣體加熱器及/或可選的控制單元及/或如請求項6所述之該排氣消音器安裝在該支撐框架上；其中用於連接此等元件以及用於連接該壓縮機端口、該第一及第二熱交換器端口以及該第一及第二吸附器端口的流體管線同樣安裝在該支撐框架上。
  10. 如請求項9所述之分配器模組，其中該支撐框架基本上呈立方形，並且具有長度、寬度及深度；其中該高度等於該長度，該橫向尺寸等於該寬度、該深度或其平均值；其中較佳地，該寬度及該深度彼此獨立地處於3.5 m至7 m範圍內，並且較佳地，該長度較佳在10 m至30 m範圍內。
  11. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，被設計為：當該分配器模組連接到該主空氣壓縮機總成、該至少兩個吸附器及該主熱交換器總成時，針對每個吸附器皆獨立地 在相關吸附器的吸附階段將空氣流導向該吸附器，並在該空氣流流經該吸附器後將其從該吸附器導向該主熱交換器總成；以及 在相關吸附器的再生階段將再生氣體流從該主熱交換器總成導向該吸附器，並在該再生氣體流流經該吸附器後將其導向殘餘氣體出口。
  12. 如前述請求項中任一項所述之分配器模組，包括適於控制該閥門及擋板組件的控制單元，其中，一個端口對根據該第一狀態進行工作，以使連接在該端口對上的吸附器運行於該吸附階段，以及根據該第二狀態進行工作，以使連接在該端口對上的吸附器運行於該再生階段；其中該控制單元較佳被設置用來控制該閥門及擋板組件，以便交替地使至少一個端口對根據該第一狀態進行工作。
  13. 一種空氣分離設備(200)，包括如前述請求項中任一項所述之分配器模組(20)，並進一步包括藉由流體管線連接至該分配器模組的主空氣壓縮機總成(22)、至少兩個吸附器(28、29)（其中的每個吸附器皆可在吸附階段及再生階段運行）以及主熱交換器總成(24)。
  14. 如請求項13所述之空氣分離設備，包括分離柱總成(26)，其中該主熱交換器總成(24)佈置在該分配器模組(20)與該分離柱總成(26)之間；其中較佳地，該主熱交換器總成安裝在主熱交換器模組中，並且/或者，該分離柱總成安裝在分離柱模組中。
  15. 如請求項13或14所述之空氣分離設備，其中相對於該主熱交換器總成(24)或該主熱交換器模組的熱交換器高度，該分配器模組(20)的高度(H)介於該熱交換器高度減5 m與該熱交換器高度加5 m之間；其中該分配器模組的高度(H)較佳大於該熱交換器高度。
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