TW202316070A - 用於低溫分離空氣的設備與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於低溫分離空氣的設備(100)，具有包含高壓塔(11)、分體式低壓塔(12,13)及氬塔(14,15)的精餾塔系統(10)以及包含第一冷箱(110)、第二冷箱(120)及第三冷箱(130)的冷箱系統(20)。高壓塔(11)佈置在低壓塔(12,13)的底部(12)下方。高壓塔(11)與低壓塔(12,13)的底部(12)一起佈置在第一冷箱(110)中，低壓塔(12,13)的頂部(13)佈置在第二冷箱(120)中。本發明建議將氬塔(14,15)或氬塔(14,15)的一個或數個區段佈置在第三冷箱(110,120)中。精氧塔(18)佈置在第二冷箱中。一種相應的方法同樣為本發明之主題。

Description

用於低溫分離空氣的設備與方法
本發明係關於一種如獨立請求項之前言所述的用於低溫分離空氣的設備與方法。
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，精餾塔系統可形成為雙塔系統，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（特別是氬）的精餾塔。
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 bar至14 bar，特別是約為5.3 bar或約為11 bar之壓力範圍的壓力上運行。低壓塔通常在1 bar至4 bar，特別是約為1.4 bar或3 bara之壓力範圍的壓力上運行。在某些情況下，亦可在低壓塔中使用更高的壓力，低壓塔亦可在2-4 bara的壓力下運行，壓力塔則可在9-14 bara的壓力下運行。此處及下文所給出的具體壓力為相關精餾塔的頂部處的絕對壓力。
在習知的用於低溫分離空氣的方法及設備中，在高壓塔的下部區域形成富集氧且耗盡氮的液體，並且從高壓塔中抽取該液體。此液體特別是還含有氬，至少部分地被送入低壓塔，並在該處被進一步分離。該液體可在進入低壓塔之前至少部分地蒸發，其中若有必要，已蒸發部分及未蒸發部分可在不同位置上被送入低壓塔。
可以使用具有粗氬塔及精氬塔的空氣分離設備來獲取氬。一個例子圖示於Häring案（見上）的圖2.3A中，並自第26頁起記載於「Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column」一節中以及自第29頁起記載於「Cryogenic Production of Pure Argon」一節中。如該處所述，在相應設備中，氬富集於低壓塔內一定高度處。在此位置或另一個有利位置上，也可能在氬最大值以下，可從低壓塔抽取氬濃度通常為5-15莫耳%的氬富集氣體，並將其轉移到粗氬塔中。相應的氣體通常含有約0.05 ppm至100 ppm的氮，其餘基本上是氧。需要明確強調的是，上述關於從低壓塔抽取的氣體的值僅代表典型的示例值。
粗氬塔主要用於分離出從低壓塔抽取的氣體中的氧。在粗氬塔中分離出來的氧或相應的富氧流體可液態返回低壓塔。氧或富氧流體通常在比從高壓塔抽取的富集氧且耗盡氮且可能已至少部分蒸發之液體的饋送點低數個理論或實際塔板處被送入低壓塔。在分離過程中留在粗氬塔中的、基本上包含氬及氮的氣態餾分在精氬塔中被進一步分離，以獲得純氬。粗氬塔及精氬塔具有頂部冷凝器，該等頂部冷凝器特別是可用一部分從高壓塔抽取的氧富集氮耗盡液體加以冷卻，該液體在此冷卻過程中部分蒸發。其他流體亦可用於冷卻。
相應的設備原則上亦可棄用精氬塔，此時通常需確保氬轉移處的氮含量低於1 ppm。然而，這並非是強制性的先決條件。在此情況下，與來自傳統精氬塔的氬品質相同的氬從粗氬塔或類似塔中被抽取的位置通常略低於以傳統方式被轉移到精氬塔中的液體，其中粗氬冷凝器（即粗氬塔的頂部冷凝器）與相應抽取口之間的區段中的塔板特別是用作氮的阻截塔板(Sperrboden)。本發明可以使用此種未設精氬塔的裝置。由於粗氬塔或類似的塔在此種裝置中已用於純氬的獲取，而不用於獲取粗氬，因而在下文中亦被稱為「氬塔」。因此，氬塔可以是傳統的粗氬塔（與精氬塔一起使用或者在未設精氬塔的情況下使用），或者是經相應修改而用於獲取純氬的粗氬塔。
為了改良相應空氣分離設備的結構高度及可預製性，EP 2 965 029 B1提出將低壓塔分為底部（底段）與頂部（頂段），其中低壓塔的底部仍與高壓塔一起安裝，如同經典的雙塔裝置，低壓塔的頂部則被轉移到單獨的冷箱中。該案還建議將粗氬塔分為頂部（頂段）與底部（底段），並將該等區段安置在分開的冷箱中。來自低壓塔頂部的下部區域及粗氬塔底部的下部區域的液體由共用的泵送回低壓塔的底部。
本發明之目的在於進一步改良相應的裝置，特別是在結構設置及成本方面。
在此背景下，本發明提出一種具有獨立請求項之特徵的用於低溫分離空氣的設備與方法。優先的設計分別為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。
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」可等同于「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或氮構成的液體或氣體。採用本發明的技術方案的設備，例如能實現氮中0.05 ppb的氧、氬中0.2 ppb的氧以及氧中0.2 ppb的氬等純度。
本申請使用術語「壓力範圍」及「溫度範圍」來表徵壓力與溫度，此係為了表明，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。但此等壓力與溫度通常在平均值上下1%、5%或10%之特定範圍內波動。相應的壓力範圍及溫度範圍可處於不相交範圍或交疊範圍。比如壓力範圍特別包含不可避免或可預見的壓力損失。溫度範圍亦如此。關於壓力範圍以巴為單位給出的值係為絕對壓力。
「冷凝蒸發器」係指可供第一冷凝流體流與第二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。第一流體流在液化室內冷凝（液化），第二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。所謂的主冷凝器是一個冷凝蒸發器，用於低溫分離空氣的設備的高壓塔及低壓塔透過該冷凝蒸發器以熱交換的方式相互耦合。
術語「過冷式逆流熱交換器」在此係指一種熱交換器，一個或數個在此處所用之類型的精餾塔系統的精餾塔之間轉移的物料流在該熱交換器中被過冷。特別是一個或數個從精餾塔系統及整個設備輸出的物料流可在逆流中被加熱。過冷式逆流熱交換器係作為所謂的主熱交換器之補充而存在，主熱交換器的特點是至少絕大部分供應給精餾塔系統的空氣係在主熱交換器中被冷卻。本發明的空氣分離設備原則上也可以不設置過冷式逆流熱交換器。
術語「冷箱」在此係指一種隔熱殼體，其中安裝了在較低溫度，特別是低溫下運行的工藝工程裝置。用於空氣低溫分離的設備可包括一個或數個相應的冷箱，特別是可由相應的冷箱以模組化方式製成，在本發明範圍內情況亦是如此。在冷箱中，數個設備部件（即例如如塔及相關的熱交換器等分離裝置）亦可與管道一起固定在承載性鋼架上，鋼架外部被金屬板包住。以此方式形成的殼體內部填充有絕緣材料，如珍珠岩，以防止熱量從環境中進入。亦可在工廠中部分或完全地預製帶有相應裝置的冷箱，以便在需要時僅需在施工現場對該等冷箱進行總裝或者說將其相互連接起來。連接時可以使用可能安置在冷箱中的線路模組。在典型的冷箱中，設備部件通常被安裝成與壁部之間存在最小距離，以確保足夠的絕緣性。冷箱中的布管較佳不採用法蘭連接，即全部採用焊接或使用合適的銜接部件，以免發生洩漏。管道中可能存在由溫差造成的膨脹彎曲部。常需維護的部件通常不安置在冷箱中，因此冷箱內部具有免維護的優勢。例如，閥門可被設計成所謂的角閥，以便能夠從外部進行維修。其中，閥門位於冷箱壁上；管道被引向閥門，然後再返回。管道及各種裝置由鋁或不銹鋼製成，後者尤其適用於非常高的工作壓力，但不限於此。根據本發明的銜接部件使得此等材料能夠被連接起來。冷箱所刷的塗料通常為白色，但也會使用其他的淺色。舉例而言，藉由例如用氮氣連續吹掃冷箱，可以防止環境空氣中的水分滲入，這些水分會在溫度較低的設備部件上結冰。
「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精餾塔或其他組件正常運行時的空間定向。兩個組件「堆疊」佈置，在此係指兩個組件中的下方組件的上端與兩個組件中的上方組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，兩個組件精確地堆疊佈置，此係指兩個組件的軸線在同一條豎向直線上延伸。然而，兩個組件的軸線不必精確垂直地堆疊，而是亦可相對偏移，特別是在如下情況下：要求兩個組件中直徑較小的組件（例如精餾塔或塔部件）與冷箱板套之間的距離與直徑較大的另一組件與冷箱板套之間的距離一樣大。在精餾塔採用複合式設計的情況下，「功能上位於...下方」或「功能上位於...上方」等術語係指該精餾塔採用一體式設計時其所具有之分塔的佈局。 本發明的優點
本發明係關於一種用於低溫分離空氣的設備，具有包含高壓塔、低壓塔及氬塔的精餾塔系統，其中低壓塔至少被分成底部及頂部，並且在可選方案中，氬塔亦至少被分成底部及頂部，例如如被引用的EP 2 965 029 B1所述。此外，該設備可選地具有精氧塔。
若存在精氧塔，則其係用於獲取高純度或超高純度的氧，其餘的雜質組分為含量通常不超過0.05 ppb或1 ppb的甲烷、氬、氪、氙、氮、氫、一氧化碳、二氧化碳等，但亦可能高於或低於此值。若存在精氧塔，則其由氬塔的一個中間點饋送液體，該液體被輸送至精氧塔的頂部。在可選的兩分式氬塔中，此中間點特別是位於其底部，在任何情況下皆特別是位於最低分離段上方，該分離段用於分離沸點高於氧的組分，特別是碳氫化合物、二氧化碳、氪及氙。
該氬塔尤其可以是與精氬塔一起使用的粗氬塔。作為粗氬塔及精氬塔的替代，亦可提供用於獲取氬產品的單塔，該單塔具有為了分離氮而設置的其他區段，從而將粗氬塔及精氬塔的功能部分地集於一身。亦即，若下文中提到氬塔，則該氬塔尤其可以是存在於精氬塔旁邊的粗氬塔，但亦可為經相應修改的、旁邊不存在精氬塔的粗氬塔。
僅為澄清起見，根據本發明所使用的塔與分塔之間的流體轉移情況概述如下。壓力塔的底層液體酌情在氬塔及可能存在的精氧塔的頂部冷凝器中用作冷卻介質後被送入低壓塔的頂段。壓力塔的頂部氣體在使壓力塔與低壓塔底部處於熱交換連接的主冷凝器中部分冷凝，並返回壓力塔，作為產品從空氣分離設備中排出。低壓塔底部的底層液體至少部分地作為產品從空氣分離設備中排出。低壓塔底部的頂部氣體特別是在最低精餾段下方被送入低壓塔的頂段。低壓塔底部的其他頂部氣體特別是在最低精餾段下方被送入氬塔，若氬塔經相應地細分，則被送入其底部。若氬塔經相應地細分，則氬塔底部的頂部氣體特別是在最低精餾段下方被送入氬塔的頂段。若氬塔經相應地細分，則氬塔頂段的底層液體特別是在最高精餾段上方被送入氬塔的底部，為此特別是需要使用泵。
術語「底部」及「頂部」係指經相應劃分、從而由兩部分組成的塔的相應區段，該等區段在功能上，特別是在該處所出現的餾分或流方面，與傳統的一體式塔的下區段及上區段相對應。底部例如具有底層容器，頂部例如具有頂部冷凝器。因此，頂部是與相應冷凝器連接的塔部，在該部分中，回流物被送入相應的塔。在習知空氣分離設備的一體式低壓塔中，在底層中獲得可作為氧產品被抽取的富氧液體餾分。因此，這也發生在兩分式低壓塔的底部的底層或下部區域中。在習知空氣分離設備的一體式低壓塔的頂部，只要有相應設備，便可相應抽取氣態氮產品或所謂的不純氮。這同樣適用於兩分式低壓塔的頂部的上部區域。在一體式氬塔的頂部（術語「氬塔」見上述說明），以及相應地在兩分式氬塔的頂部的上部區域，抽取粗氬流或氬產品流，從一體式氬塔的底層，以及相應地從兩分式氬塔的底部的下部區域，將得到的底層產品送回低壓塔。
在本發明範圍內，特別是在所謂的氧段上方將低壓塔劃分為頂部與底部。如Häring案中（見上文）參照圖2.4A所述，儘管氬在大氣中的含量不到1莫耳%，但會對低壓塔中的濃度剖面產生強烈影響。因此，低壓塔的最低精餾段（通常包括30至80個理論或實際塔板）中的分離，可被視為氧與氬之間的基本二元分離。此精餾區即為上述氧段。只有從轉移到粗氬塔的氣體的排出點開始，或者根據本發明在氧段上方進行劃分的情況下，分離才會在少許幾個理論或實際塔板內轉變為氮、氧及氬的三元分離。
術語「精餾段」在此意指精餾塔內部或複合式精餾塔的分塔內部任一個適於進行精餾且為此而特別是形成有相應的物料交換結構（如分隔塔板或規整填料或散堆填料）之區段。特別是，可以在精餾段之間提供流體抽取口或流體饋送點，例如側取口。（功能上）最低的精餾區下方為精餾塔的「底層」，（功能上的）上部精餾區上方為其「頂部」。
總體而言，本發明提出一種用於低溫分離空氣的設備，具有包含高壓塔、低壓塔及氬塔的精餾塔系統以及包含第一冷箱、第二及第三冷箱的冷箱系統。可以設置更多的冷箱，例如總共四個冷箱，其中低壓塔至少被劃分為底部與頂部，並且若有必要，則進一步設置主熱交換器箱。
在本發明範圍內，低壓塔的底部及頂部被並排佈置成使得低壓塔底部在水平面上的正交投影與低壓塔頂部在水平面上的正交投影不重疊。特別是存在一個與低壓塔的底部及頂部相交的橫截平面。
在本發明範圍內，可選地，氬塔同樣可至少被劃分為底部與頂部，其中氬塔的底部及頂部被並排佈置成使得氬塔底部在上述水平面上的正交投影與氬塔頂部在水平面上的正交投影不重疊。特別是存在一個與氬塔的底部及頂部相交的橫截平面。
相反，在本發明範圍內，高壓塔佈置在低壓塔的底部下方，使得高壓塔在水平面上的正交投影與低壓塔底部在水平面上的正交投影重疊，其中高壓塔及低壓塔底部的縱軸特別是沿著共同的主軸，或者說存在一個與高壓塔及低壓塔底部相交的豎軸。
在本發明範圍內，高壓塔與低壓塔的底部一起佈置在第一冷箱中，低壓塔的頂部佈置在第二冷箱中。根據本發明，氬塔或氬塔的一個或數個區段在第一冷箱及/或第二冷箱中。作為替代方案，氬塔或者說氬塔的所有部分皆安置在第三冷箱中。另一個替代方案是為氬塔的底段及頂段各設置一個自有箱體。
本發明所提出的佈局特別是有助於實現簡單的可建性，運輸尺寸小，且能實現儘可能低的箱體高度（不高於教堂塔樓或靠近機場...）。「溫度較低的設備部件」在此應理解為在設備正常運行期間在較低溫度下，特別是在低於-50℃的溫度下運行的裝置或裝置部件。
在本發明的一個提供經相應細分的氬塔的技術方案中，氬塔的底部特別是可佈置在第一冷箱中，氬塔的頂部特別是可佈置在第二冷箱中，或者反過來，即，氬塔的底部亦可佈置在第二冷箱中，氬塔的頂部亦可佈置在第一冷箱中。
如前所述，氬塔可被設計成粗氬塔，在此情況下，特別是可提供精氬塔。其中，精氬塔可佈置在第一冷箱或第二冷箱中，特別是佈置在如下冷箱中：在採用相應設計或細分的情況下，被設計成粗氬塔的氬塔的頂部佈置在該冷箱中。
在本發明中，精氧塔佈置在其中一個冷箱中，即與氬塔或氬塔的第一區段佈置在同一個冷箱中。
在根據本發明所使用的設備中，精氧塔及氬塔或氬塔的第一區段（例如底部）被並排佈置成使得精氧塔或精氧塔的上部在水平面上的正交投影與氬塔或氬塔的第一區段在水平面上的正交投影不重疊。其中，該上部可為精氧塔的未被佈置在精氧塔底層中的底層蒸發器所佔據的部分。該底層蒸發器可基於其尺寸而亦佔據一個截面明顯大於精氧塔上部的空間，並且可酌情（相對於上部的中心軸）偏心佈置。在此情況下，具有底層蒸發器的精氧塔下部在水平面上的正交投影亦可與氬塔底部在水平面上的正交投影部分重疊。
此外，低壓塔的頂部及精氧塔或精氧塔的上部較佳被並排佈置成使得至少精氧塔或精氧塔上部在水平面上的正交投影與低壓塔頂部或氬塔第一區段在水平面上的正交投影不重疊。
如前所述，若在相應設計中存在精氧塔，則該精氧塔在饋送點處被饋送第一轉移液體，該第一轉移液體係在抽取點處從氬塔或其底部被抽取。因此，上述塔或塔部配備有相應的抽取點及饋送點。如前所述，用於從氬塔或其底部抽取的抽取點特別是位於用於排出碳氫化合物的精餾段上方。用於第一轉移液體的抽取點特別是位於氬塔或其底段的底層上方1至30個理論塔板處。
因此，轉移到精氧塔中的第一轉移液體特別是具有50莫耳%至95莫耳%的氧含量、10%至50%的氬含量、0.1 ppm至500 ppm，較佳0.1 ppm至100 ppm的氮含量，沸點高於氧的其他組分的含量為0.01 ppb至25 ppm。
精氧塔及氬塔或其底部有利地被佈置成使得：以測地學角度看，用於從氬塔或其底部抽取轉移液體的抽取點位於用於將轉移液體送入精氧塔的饋送點上方。如此一來，轉移液體特別是可以在不使用泵的情況下排入精氧塔，這一方面節省了相應泵的費用，另一方面避免了相應泵可能帶來的污染。用於將轉移流體送入精氧塔的饋送點特別是位於精氧塔的最高精餾段上方。
在本發明的一個設有經相應細分的氬塔的技術方案中，特別是如下設置：氬塔的底部在特別是位於氬塔底部的最低精餾段下方的饋送點處被饋送第二轉移液體，該第二轉移液體係在特別是位於低壓塔頂部的最低精餾段下方的抽取點處從低壓塔的頂部被抽取。因此，上述塔或塔部配備有相應的抽取點及饋送點。 [見請求項 7]
在此技術方案中，低壓塔的頂部及氬塔的底部可被佈置成使得：以測地學角度看，用於從低壓塔頂部抽取第二轉移液體的抽取點位於用於將該其他轉移液體送入氬塔底部的饋送點上方。藉此，氬塔的底層液體及低壓塔頂段的底層液體可在氬塔的底部合併，並由僅一個（即共用的）泵回輸至低壓塔的底段，該泵在理想情況下採用冗餘設計。 [見請求項 8]
在氬塔的底部中較佳設有空段（Leerabschnitt）。空段位於塔套內部並且沿著塔的一個豎向分區延伸。空段中未設物質交換元件，也就是說，空段在物質交換中不起任何作用。起初，提供這樣的區段似乎很荒謬，因為塔套會變得更貴。然而，在本發明中，將低壓塔頂部的物質交換區域置於相對較高的位置（在空段之上），而將底層置於相對較低的位置（在空段之下），會使交換一種或多種轉移液體的操作變得方便。具體來說，空段被佈置在塔的下部區域，特別是塔套下端的正上方。 [見請求項 9]
若相應設備具有過冷式逆流熱交換器，則該過冷式逆流熱交換器可佈置在其中一個冷箱中。在上述技術方案中，該過冷式逆流熱交換器特別是可佈置在低壓塔的頂部下方。 [見請求項 11]
也就是說，在本發明的這個技術方案中特別是可如下設置：以測地學角度看，低壓塔的頂部佈置在過冷式逆流熱交換器上方。此時若要求低壓塔頂部的底層液體能夠從氬塔的底部從相應的精餾段上方排入精氧塔，則精氧塔必須被定位得足夠高。在此情況下，氬塔底段的底層可向下增加一個所謂「空程(Leerschuss)」（即空區或空段）的長度，如此便可同時保證，在相應的技術方案中，來自低壓塔頂部的液體可排入氬塔底部的底層中。藉此可將低壓塔佈置得儘可能低，並且能減小低壓塔所在冷箱的箱體高度。
作為上述技術方案的替代方案，亦可如下設置：低壓塔的頂部在特別是位於低壓塔頂部的最低精餾段下方的饋送點處被饋送第二轉移液體，該第二轉移液體係在特別是位於氬塔底部的最低精餾段下方的抽取點處從氬塔的底部被抽取。因此，上述塔或塔部配備有相應的抽取點及饋送點。在此技術方案中，氬塔的底部及低壓塔的頂部可被佈置成使得：以測地學角度看，用於從氬塔底部抽取該其他轉移液體的抽取點位於用於將該其他轉移液體送入低壓塔頂部的饋送點上方。藉此，低壓塔的底層液體及氬塔底段的底層液體可在低壓塔的頂部合併，並由僅一個泵回輸至低壓塔的底段。
在具有過冷式逆流熱交換器的相應設備中，該過冷式逆流熱交換器在上述技術方案中特別是可佈置在氬塔的底部下方。
特別是可如下設置：低壓塔的頂部及氬塔的頂部被並排佈置成使得低壓塔頂部在水平面上的正交投影與氬塔頂部在水平面上的正交投影不重疊。相應存在一個與低壓塔的頂部及氬塔的頂部相交的橫截平面。
在本發明範圍內，特別是可保持35至50米，特別是約為43米的冷箱高度。高壓塔特別是可具有15至30米，尤其為25.8米的高度，低壓塔的底部特別是可具有7至20米，例如為14.8米的高度。低壓塔底部的高度特別是由安置在其中的主冷凝器的高度及分離裝置（所謂的氧段）的高度所決定，此二者特別是可位於5至14米處，例如7.4米處。直徑特別是可為1.5至4米，例如約2.8米。氬塔底部的高度例如為25至45米，特別是約為39米。
低壓塔的頂部特別是具有18至30米，例如23米的高度（當直徑為2.4至3米，例如約2.6米時），或者具有25至30米，例如約27米的高度（當直徑為1.2至4.0米，例如約2.45米時）。尺寸特別是取決於所使用的填料密度。氬塔的頂部可具有合適的尺寸。
在此背景下，本發明所提出的佈局及其技術方案尤其能實現緊湊的結構。
與習知設備一樣，低壓塔的底部亦透過冷凝蒸發器與高壓塔連接，以進行相互間的熱交換，並且低壓塔的底部及高壓塔特別是被佈置在共用塔套中或被佈置在數個在塔套側連接的塔套中，尤其是以習知的Linde雙塔之形式（但沒有低壓塔的頂部）。
在採用立式安裝的情況下，過冷式逆流熱交換器對豎向空間的需求最高可達45米，例如約8米。若氬塔的頂部包括相應的頂部冷凝器（粗氬冷凝器），則該頂部冷凝器像氬塔底部那樣通常具有30至40米的高度。關於過冷式逆流熱交換器的前述佈置方案之所以有利的原因主要在於，藉此可實現節省空間的佈局。過冷式逆流熱交換器的其他佈置方案，例如佈置在熱交換器箱中等等，也可能是有利的。
(A)精氧塔可佈置在第一冷箱中的高壓塔、低壓塔的底部及氬塔的底部（在經相應細分的情況下）旁邊，使得至少精氧塔的上部（原因及進一步說明見上文）在水平面上的正交投影與高壓塔在水平面上的正交投影、低壓塔底部在水平面上的正交投影以及氬塔底部的正交投影不重疊。在此情況下，連接管線最小化。
若此種佈局(A)在尺寸上不再可運輸，便可將HDS與NDS的下部一起轉移到單獨的箱體中。然後，理想情況下，低壓塔與氬塔的上部一起在第二冷箱中。精氧塔的煮沸器可位於低壓塔的陰影下，並以不對稱的方式進行佈置。氬塔或者說氬塔的區段佈置在第三冷箱中。這裡的高度安排很重要。
在本發明範圍內，氬塔的底部（在氬塔經相應細分的情況下）特別是可被設計為用於分離高沸點組分，但亦可用於分離其他雜質，特別是亦可用於防止富集。
在本發明範圍內，特別是低壓塔頂部的下部區域及氬塔底部的下部區域（在經相應細分的情況下）可透過泵與低壓塔底部的上部區域流體耦合。
僅僅為澄清起見，此處需再次指出：本發明所提出的設備有利地具有適於為高壓塔饋送經冷卻的壓縮空氣的構件、適於將來自高壓塔的流體饋送給低壓塔的構件以及適於將來自低壓塔的流體饋送給氬塔的構件。
最後，本發明亦關於一種低溫分離空氣的方法，關於其特徵，請明確參考相應的獨立請求項。特別是，此種方法會使用前文以各種技術方案說明過的設備。因此，關於該方法及可能之技術方案的特徵與優點，請明確參考有關於根據本發明的設備的說明。
下面將參考所附圖式對本發明進行詳細闡述，所附圖式圖示本發明的技術方案以及非本發明的實施方式。
圖1示意性地示出一個適於獲取氬產品及純氧產品的空氣分離設備，該空氣分離設備整體以100標示。
空氣分離設備100具有精餾塔系統10，該精餾塔系統包括高壓塔11、被劃分為底部12與頂部13的低壓塔、同樣被劃分為底部14與頂部15的（粗）氬塔以及精氬塔20。精氧塔被標示為18。被標示為1的區塊包括圖示類型之空氣分離設備中所存在的用於壓縮、提純及冷卻進料空氣的常規組件，特別是亦包括習知類型的主熱交換器。過冷式逆流熱交換器被標示為17。
低壓塔的底部12及頂部13以及氬塔的底部14及頂部15在結構上相互分離，並且按前述定義並排佈置。低壓塔的底部12及頂部13在功能上共同對應於雙塔中的傳統低壓塔。高壓塔11以及低壓塔的底部與頂部12、13由此形成習知類型的氮氧分離精餾塔系統，由氬塔的底部14與頂部15以及精氬塔20所組成的氬系統連接至該精餾塔系統。
在圖示實施例中，經冷卻及壓縮的進料空氣以兩個物料流a、b的形式被送入高壓塔11及低壓塔的頂部13。空氣分離設備100可適於進行內壓縮，並且在此處所圖示的框架內可採用任意設計。進一步的經壓縮的進料空氣以物料流c的形式穿過精氧塔18的底層蒸發器（未單獨標號），在該處至少部分冷凝，然後同樣被送入低壓塔的頂部13，現在被標示為d。塔裝置的具體進氣方式對本發明並不重要，可以任意方式進行設計（有/無節制流，有/無空氣進入低壓塔或其頂部13，等等）。此亦適用於製冷渦輪的提供，可以提供，也可以不提供。
高壓塔11及低壓塔的底部12透過冷凝蒸發器19（即所謂的主冷凝器）而處於熱交換連接，並被設計成結構單元。然而，本發明原則上亦適用於高壓塔11及低壓塔（或其底部12）彼此分開佈置並具有單獨的（即不整合在塔中的）冷凝蒸發器19之系統。
根據圖1的圖示內容可直接知曉空氣分離設備100的操作。因此，請參考開頭所引用的技術文獻。
在此，低壓塔的底部12及頂部13特別是以如下方式彼此流體耦合：來自低壓塔底部12的上部區域的頂部氣體以物料流e的形式轉移到低壓塔頂部13的下部區域。如同參考圖2所說明的那樣，在圖示例子中，低壓塔的頂部13及氬塔的底部14被佈置成使得：物料流f形式的底層液體可從低壓塔頂部13的下部區域排入氬塔底部14的下部區域，來自低壓塔底部12的上部區域的另一部分頂部氣體亦以物料流g的形式被送入氬塔底部的下部區域。如此一來，來自低壓塔頂部13及氬塔底部14的底層液體被收集在氬塔底部14的底層中，並且可以物料流h的形式被共用的泵110泵回低壓塔底部12的上部區域。如前所述，亦可反過來佈置。
氬塔底部14的頂部氣體被轉移到氬塔頂段15的下部區域，液體被泵120相應泵回。精氬塔20的整合可基本上按相關領域的慣例進行。也就是說，由底部14及頂部15組成的氬塔平行地流體連接至低壓塔或其底部12及頂部13，使得來自低壓塔底部12的上部區域之相應的頂部氣體亦被轉移到氬塔底部14的下部區域，並且來自氬塔底部14的下部區域的底層液體返回低壓塔底部12的上部區域。特別地，上述操作所使用的泵與用於將底層液體從低壓塔頂部13的下部區域回輸至低壓塔底部12的上部區域的泵為同一個泵。
此外，氬塔的底部14及頂部15以如下方式彼此流體耦合：來自氬塔底部14的上部區域的頂部氣體轉移到氬塔頂部15的下部區域，來自氬塔頂部15的下部區域的底層液體藉由（其他的）泵返回氬塔底部14的上部區域。
在此，精氧塔18在饋送點18a處被饋送物料流t形式的轉移液體，該轉移液體係在抽取點14a處從氬塔的底部14被抽取。其中，精氧塔18及氬塔的底部14被佈置成使得：以測地學角度看，用於從氬塔底部14抽取轉移液體的抽取點14a位於用於將轉移液體送入精氧塔18的饋送點18a上方，如此便可在不使用泵的情況下將轉移液體轉移到精氧塔18中。
氬塔的底部14進一步在饋送點14b處被饋送前述之物料流f形式的其他轉移液體，該其他轉移液體係在抽取點13b處從低壓塔的頂部13被抽取，其中在此處所圖示的例子中，低壓塔的頂部13及氬塔的底部14被佈置成使得：用於從低壓塔頂部13抽取該其他轉移液體的抽取點13b位於用於將該其他轉移液體送入氬塔底部14的饋送點14b上方。
圖2以簡化側視圖的形式圖示空氣分離設備100的組件在冷箱中的整合，其中以與圖1相同的符號標示空氣分離設備100的組件。與圖1一樣，該等組件亦以側視圖形式被圖示，但簡化程度更高。圖中未示出流體連接，但可相應參照圖1的圖示內容。圖中示出兩個冷箱110及120，如下文所述，該等冷箱包含空氣分離設備100的組件並將其熱絕緣。
低壓塔的底部12及頂部13在此被並排佈置成使得低壓塔底部12在水平面H上的正交投影與低壓塔頂部13在水平面H上的正交投影不重疊，並且氬塔的底部14及頂部15同樣被並排佈置成使得氬塔底部14在水平面H上的正交投影與氬塔頂部15在水平面H上的正交投影不重疊。
相反，高壓塔11則佈置在低壓塔的底部12下方，使得高壓塔11在水平面H上的正交投影與低壓塔底部12在水平面H上的正交投影重疊。
精氧塔18及氬塔的底部14被並排佈置成使得至少精氧塔18的上部（詳見上文）在水平面H上的正交投影與氬塔底部14在水平面H上的正交投影不重疊。
此外，在空氣分離設備100中，低壓塔的頂部13及氬塔的頂部15被並排佈置成使得低壓塔頂部13在水平面H上的正交投影與氬塔頂部15在水平面H上的正交投影重疊。
高壓塔11、低壓塔的底部12及氬塔的底部14以及精氧塔18佈置在第一冷箱110中，低壓塔的頂部13及氬塔的頂部15佈置在第二冷箱120中，精氬塔20亦是如此。由此產生根據本發明的相應實施方式的優點。
如此處的虛線所示，過冷式逆流熱交換器17特別是可被佈置在第二冷箱120中低壓塔的頂部13下方，使得過冷式逆流熱交換器17在水平面H上的正交投影與低壓塔頂部13在同一水平面H上的正交投影重疊。
如前所述，低壓塔的頂部13可被設計成其填料密度低於氬塔的頂部15，並且氬塔的底部14可被設計成用於分離甲烷。
如前所述並且如圖1中詳細所示，低壓塔頂部13的下部區域及氬塔底部14的下部區域在此亦可透過（共用的）泵與低壓塔底部12的上部區域流體耦合。
圖3以俯視圖圖示圖2所示的組件，其中水平面H與紙面平行，關於進一步的細節，請明確參考關於圖2的說明。
圖4與圖2相一致，氬塔底部14的空段14a除外。塔套在塔的整個長度上不間斷地延伸（即，亦包括以虛線示出的空段14a）。僅空段14a上方安裝有物質交換元件，例如規整填料。液體從物質交換元件的下端穿過空段滴入空段14a下端的塔底層中。
1:區塊 10:精餾塔系統 11:高壓塔 12:底部 13:頂部 13b:抽取點 13c:饋送點 14:底部；第一區段 14a:抽取點；空段 14b:饋送點 14c:抽取點 15:頂部；頂段 17:過冷式逆流熱交換器 18:精氧塔 18a:饋送點 19:冷凝蒸發器 20:精氬塔；冷箱系統 100:空氣分離設備；設備 110:泵；第一冷箱 120:泵；第二冷箱 130:第三冷箱 a:物料流 b:物料流 c:物料流 d:物料流 e:物料流 f:物料流 g:物料流 H:水平面 h:物料流 t:物料流
［圖1］以簡化工藝流程圖的形式圖示用於低溫分離空氣的設備，該設備可構成本發明的一個技術方案的基礎。 ［圖2］以側視圖及簡化視圖圖示按本發明的技術方案設計的、用於低溫分離空氣之設備的組件佈局。 ［圖3］以俯視圖及簡化視圖圖示按本發明的技術方案設計的、用於低溫分離空氣之設備的組件佈局。 ［圖4］為圖2的一個變體，該變體使用了空段。
若下文描述一種用於低溫分離空氣的設備（以下亦簡稱為「空氣分離設備」）的設備組件，則相應的說明亦適用於用該設備所實施的方法，反之亦然。
1:區塊
10:精餾塔系統
11:高壓塔
12:底部
13:頂部
14:底部；第一區段
15:頂部；頂段
17:過冷式逆流熱交換器
18:精氧塔
19:冷凝蒸發器
20:精氬塔
100:空氣分離設備
110:泵；第一冷箱
120:泵；第二冷箱
H:水平面

Claims (12)

  1. 一種用於低溫分離空氣的設備(100)，該設備 -      具有包含高壓塔(11)、低壓塔(12､13)、氬塔(14､15)及精氧塔(18)的精餾塔系統(10)以及冷箱系統(20)，其中 -      該精氧塔(18)及該氬塔或該氬塔(14､15)的底部(14)被並排佈置成使得至少該精氧塔(18)的上部在水平面(H)上的正交投影與該氬塔(14､15)或者說該氬塔(14､15)的底部(14)在該水平面(H)上的正交投影不重疊， -      該精氧塔(18)具有用於第一轉移液體的饋送點(18a)，並且該氬塔(14､15)或者說該氬塔(14､15)的底部(14)具有用於該第一轉移液體的抽取點(14a)，其中該精氧塔(18)及該氬塔(14､15)的底部被佈置成使得該用於第一轉移液體的抽取點(14a)以測地學角度看位於該用於第一轉移液體的饋送點(18a)上方， 其特徵在於 ，–     該低壓塔(12､13)至少被分成底部(12)及頂部(13)， –     該低壓塔(12､13)的底部(12)及頂部(13)被並排佈置成使得該低壓塔(12､13)的底部(12)在水平面(H)上的正交投影與該低壓塔(12､13)的頂部(13)在該水平面(H)上的正交投影不重疊， –     該高壓塔(11)佈置在該低壓塔(12､13)的底部(12)下方，使得該高壓塔(11)在該水平面(H)上的正交投影與該低壓塔(12､13)的底部(12)在該水平面(H)上的正交投影重疊， -      該精氧塔(18)及該氬塔(14､15)或者說該氬塔(14､15)的底部(14)被並排佈置成使得至少該精氧塔(18)的上部在該水平面(H)上的正交投影與該氬塔(14､15)或者說該氬塔(14､15)的底部(14)在該水平面(H)上的正交投影不重疊， -      該冷箱系統具有第一冷箱(110)、第二冷箱(120)及第三冷箱(130)， –     該高壓塔(11)與該低壓塔(12､13)的底部(12)一起佈置在該第一冷箱(110)中， -      該低壓塔(12､13)的頂部(13)佈置在該第二冷箱(120)中， –     該氬塔(14､15)或該氬塔(14､15)的一個或數個區段佈置在該第三冷箱(130)中，並且 -      該精氧塔(18)佈置在該第二冷箱中。
  2. 如請求項1所述之設備(100)，其中該氬塔(14､15)至少被劃分為底部(14)與頂部(15)，其中該氬塔(14､15)的底部(14)及頂部(15)被並排佈置成使得該氬塔(14､15)的底部(14)在該水平面(H)上的正交投影與該氬塔(14､15)的頂部(15)在該水平面(H)上的正交投影不重疊。
  3. 如請求項1或2所述之設備(100)，其中該氬塔(14､15)被設計成粗氬塔，進一步提供精氬塔(20)，其中該精氬塔(20)佈置在該第一冷箱(110)或該第二冷箱(120)中，特別是與被設計成粗氬塔的該氬塔(14､15)的頂部(15)佈置在同一個冷箱中。
  4. 如前述請求項中任一項所述之設備(100)，其中該用於第一轉移液體的抽取點(14a)位於該氬塔(14､15)的底部的底層上方1至30個理論塔板處。
  5. 如前述請求項中任一項所述之設備(100)，其中該氬塔(14､15)的底部(14)具有用於第二轉移液體的饋送點(14b)，並且該低壓塔(12､13)的頂部(13)具有用於該第二轉移液體的抽取點(13b)，其中該低壓塔(12､13)的頂部(13)及該氬塔(14､15)的底部(14)被佈置成使得：該用於第二轉移液體的抽取點(13b)位於該用於第二轉移液體的饋送點(14b)上方。
  6. 如前述請求項中任一項所述之設備(100)，其中在該氬塔(14､15)中或該氬塔的底部(14)中設有空段(13a)。
  7. 如請求項1至6所述之設備(100)，具有過冷式逆流熱交換器(17)，該過冷式逆流熱交換器佈置在該第一或第二冷箱(110､120)中，特別是在該第二冷箱(120)中佈置於該低壓塔(12､13)的頂部(13)下方。
  8. 如前述請求項中任一項所述之設備(100)，其中該低壓塔(12､13)的頂部(13)具有用於第二轉移液體的饋送點(13c)，並且該氬塔(14､15)的底部(14)具有用於該第二轉移液體的抽取點(14c)，其中該氬塔(14､15)的底部(14)及該低壓塔(12､13)的頂部(13)被佈置成使得：該用於第二轉移液體的抽取點(14c)位於該用於第二轉移液體的饋送點(13c)上方。
  9. 如請求項8所述之設備(100)，具有過冷式逆流熱交換器(17)，該過冷式逆流熱交換器佈置在該氬塔(14､15)的底部(14)下方。
  10. 如前述請求項中任一項所述之設備(100)，其中所有溫度較低的裝置部件皆佈置在該第一或第二冷箱(110､120)中，並且不使用第三冷箱。
  11. 如前述請求項中任一項所述之設備，其中該粗氬塔(14､15)的第一區段(14)由該粗氬塔的底部形成。
  12. 一種低溫分離空氣的方法，其中使用如請求項1至13中任一項所述之設備(100)。
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