用于产生气态压缩氮的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201480012282.5 | 申请日 | 2014-03-18 | 公开(公告)号 | CN105452790B | 公开(公告)日 | 2017-10-31 |
| 申请人 | 林德股份公司; | 发明人 | D·戈卢贝夫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及在蒸馏塔系统中通过低温分离空气产生气态压缩氮的方法和设备，所述蒸馏塔系统具有前置塔(41)，高压塔(42)和低压塔(43)。所有供给的空气在主空气 压缩机 (103)中被压缩，在 净化 设备(104)中被净化，并且在主换热器(2)中被冷却。冷却的供给空气的第一支流(11)以气态形式被引入前置塔(41)。冷却的供给空气的第二支流(21)以主要液态形式被引入(23，24)蒸馏塔系统，来自前置塔(41)上部区域的气态馏分51被引入前置塔顶端 冷凝器 (44)的 液化 室。在液化室中形成的液体(52)作为回流(53)被供给前置塔(41)。第一氮产物馏分(65)以气态形式从高压塔(42)排出，在主换热器(2)中加热并且作为第一液态压缩氮产物获得。第二支流(21)的至少一部分(23)被引入前置塔顶端冷凝器(44)的 蒸发 室。冷却的供给空气的第三支流(34)被膨胀以执行工作(35)，并且随后(36)被引入低压塔的底部 蒸发器 (45)的液化室，并且在那里至少部分被液化。液化的第三支流(37，38)被引入低压塔(43)。低压塔(43)的中间液体至少部分地在低压塔(43)的中间蒸发器(46)的蒸发室中蒸发。来自高压塔(42)的顶端气态馏分(59)至少部分地在中间蒸发器(46)的液化室中液化，并且从而在那里产生的液体(59，60)作为回流被引入高压塔(42)。从高压塔(42)以气态形式排出的多于35mol％的第一氮产物馏分(65)在主换热器(2)中被加热，并且作为第一气态压缩氮产物(66)获得。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在蒸馏塔系统中通过空气的低温分离产生气态压缩氮的方法，所述系统具有前置塔(41)，高压塔(42)和低压塔(43)，并且其中 |
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| 说明书全文 | 用于产生气态压缩氮的方法和装置[0002] 例如，来自Hausen/Linde 1985年第2版Tieftemperaturtechnik[Low-Temperature Engineering]第4章(281至337页)的用于空气低温分离的方法和装置是已知的。 [0003] 本发明的蒸馏塔系统包括具有前置塔、高压塔和低压塔的三塔系统。这些塔中的后两个塔通常通过至少一个冷凝器/蒸发器而具有换热关系。前置塔与高压塔相比具有较高的运行压力。除了用于氮/氧分离的塔以外，蒸馏塔系统可以具有其它装置，如用于获得其它空气组分特别是惰性气体的装置；例如，用于获得氩的装置，该装置包括至少一个原(raw)氩塔；或者用于获得氪/氙的装置。除了蒸馏塔以外，蒸馏塔系统也包括与它们直接关联的换热器，这些换热器通常地采用冷凝器/蒸发器的形式。 [0005] 术语“冷凝器/蒸发器”表示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/蒸发器具有包括各自的液化通道和蒸发通道的液化室和蒸发室。在液化室中，实施第一流体流的冷凝(液化)，并且在蒸发室中，第二流体流蒸发。蒸发室和液化室通过彼此之间进行换热的通道组形成。 [0006] 冷凝器/蒸发器的蒸发室可以是浸浴式蒸发器、降膜蒸发器或强制对流蒸发器(forced flow evaporator)的形式。 [0007] 处于“主要液态形式”的流体的液化部分至少50mol％，特别是至少70mol％。 [0008] “低压塔贮液槽蒸发器”可被直接设置在低压塔的贮液槽(sump)中，或作为可选地，设置在与低压塔分离的容器中。在任一种情况下，其蒸发室和低压塔的贮液槽室关联，并且特别地处于基本相同的压力。 [0009] 开始提到的类型的方法和相应的装置从US 2011023540A1(＝WO 2009095188 A2)中已知。该方法主要涉及通过在非常高的压力下、显著地在高于6bar内部压缩，获得大量氧。虽然在这种情况下也能直接从蒸馏塔系统获得压缩氮，这仅可能达到相对较小的程度。压缩的氮产物在这种情况下也通过内部压缩显著地获得，通过以液态形式从蒸馏塔系统(也就是从高压塔顶端冷凝器的液化室)排出氮，以液态形式对其加压并且蒸发，或者，如果压力超临界，在主换热器中进行伪蒸发(pseudo-evaporating)。虽然这允许获得相当大量的压缩氮，但是能效不总是令人满意。 [0010] 在本发明的内容中，寻求一种方法能产生特别大量的压缩氮并且以对于设备适度费用特别有效地运行。 [0011] 该目标通过权利要求1的特征达到。 [0012] 在本发明的内容中，令人惊讶地发现一种具有前置塔的方法，其不仅适用于液化生产和氧的内部压缩，而且，与权利要求的其它特征结合，也适用于从高压塔直接获得大量的压缩氮。虽然根据本发明的方法，获得一种或多种压缩氮产物流，例如通过内部压缩或通过从前置塔排出气体，所有情况下的全部量小于第一氮产物馏分中的，并且例如少于输入空气量的20mol％，特别地少于输入空气量的10mol％。 [0013] 在低压塔中用涡轮空气流(“第三部分流”，其压力被降低使得工作被执行)烘烤使得高压塔中的压力相对低，因此系统能特别有效地运行。高压塔的运行温度仅需要足够高，以使高压塔的顶端氮在低压塔的中间蒸发器中冷凝。同时，可以避免对于设备在空气压缩机的复杂中间排出的费用，原因在于通过降低压力进行所需压力的调节使得工作被执行。 [0014] 与前置塔配合中，该冷凝器构造使得能量进一步得到节约，其被证明是令人惊奇的高。然而，从FR2973485A1本身已知的是两塔系统，到目前为止结合如权利要求1所述的三塔系统还未被提出，因为从中没有预期的特别的优势。 [0015] “中间蒸发器”可设置在低压塔的内部，或者作为可选的，设置在与低压塔分离的容器中。在其蒸发室中，低压塔的至少部分中间液体被蒸发。这里被蒸发的中间馏分被再次供应回低压塔，并且在那里被用作上升气体。 [0016] 在本发明的优选实施例的内容中，除了直接从高压塔排出的压缩氮之外，第二气态氮产物馏分以气态形式从前置塔排出，在主换热器中加热，并且作为第二气态压缩产物获得。 [0017] 在根据本发明的方法中，优选地，少于30mol％的输入空气量以液态被供应到蒸馏塔系统中。尽管如此，前置塔在方法的能效上带来显著进步；根据US2011023540A1，用特别高水平的空气预液化这才能是可期望的。 [0018] 这里，如果以液态形式从前置塔和前置塔顶端冷凝器的蒸发室被供应到高压塔和低压塔中的富氧流的全部量少于输入空气量的1mol％是有利的。 [0019] 输入空气的第二部分流特别用于通过如权利要求2所述的内部压缩获得气态压缩产物。这里，例如来自低压塔的液态氧，或者来自高压塔或来自其顶端冷凝器的相对少量的液态氮可被排出，并且在主换热器中蒸发(如果压力处于亚临界)或伪蒸发(pseudo-evaporated)(如果压力处于超临界)。多个不同组成和/或不同压力的内部压缩产物的组合也是可能的。这里，已经被带到高压的第二部分流被液化(如果其压力处于亚临界)或伪液化(pseudo-liquefied)(如果其压力处于超临界)。然后，在至少一些第二部分流中压力降低至前置塔顶端冷凝器的蒸发室的压力。压力可在节流阀和/或液涡轮机中降低。 [0020] 根据本发明的方法的进一步的优选实施例，来自前置塔顶端冷凝器的蒸发室的气态馏分作为气态输入流被供应到高压塔中。该馏分特别代表高压塔的单气态输入流。 [0021] 如果前置塔的至少一部分贮液槽液体被供应到前置塔顶端冷凝器的蒸发室中会是更有利的。优选地，该步骤用所有前置塔贮液槽液体实施。贮液槽液体和输入空气的第二部分流的结合特别地形成用于前置塔顶端冷凝器的蒸发室的全部输入。 [0022] 优选地，第三部分流在主换热器中被冷却后被后压缩。为了该目的，可以使用外部驱动的后压缩机和/或涡轮驱动的后压缩机(post-compressor)。 [0025] “调节设备”包括合作的复杂的开环和闭环控制装置，能至少部分自动地达到相应的过程参数，例如通过相应的程序化运行控制系统。 [0026] 本发明的蒸馏塔系统中(在每种情况下在顶端)的运行压力是： [0027] 前置塔：例如6至9bar，优选地6至7.5bar [0028] 高压塔：例如3至6bar，优选地3.5至4.5bar [0029] 低压塔：例如1.25至1.7bar，优选地1.3至1.5bar [0030] 本发明和本发明的进一步细节将在下面参照图1至5示意性示出的典型实施例更详细地描述。 [0031] 图1中示出的系统具有蒸馏塔系统，其具有前置塔41、高压塔42、低压塔43、前置塔顶端冷凝器44、低压塔贮液槽蒸发器45和低压塔中间蒸发器46。在每种情况下顶端的运行压力为： [0032] 前置塔：7.3bar [0033] 高压塔：4.1bar [0034] 低压塔：1.37bar [0035] 压缩的、预冷却并且净化的输入空气1以7.6bar的压力进入。主空气压缩机103经由管线101和过滤器102吸入大气，并将其压缩至所述压力，并且用已知的方式实施空气(104)的预冷却和净化并且在图中仅示意性示出。 [0036] 输入空气的“第一部分流”10在主换热器2中被冷却至大约露点(taupunkt)，并且通过管线11以气态进入前置塔41。 [0037] 采用外部能量，“第二部分流”20在两个具有后冷却器4、6的后压缩机段3、5中被后压缩至接近大约70bar的高压。(该压力主要取决于所需的氧产物压力，例如大约50bar。)第二部分流在该高压下进入主换热器2并且在那里被冷却和伪液化。离开主换热器2的第二部分流21在液涡轮22中降压至接近前置塔41的运行压力从而使得工作进行，并且其中的第一部分23被供给前置塔顶端冷凝器44的蒸发室中。剩余部分24流入前置塔41。液涡轮22通过发电机25制动。 [0038] 第三部分流30在第二后压缩机段5的上游被分流，并且它的压力在具有后冷却器32的涡轮驱动的后压缩机31中至约16bar。第三部分流30在热端通过管线33进入主换热器 2。第三部分流30通过管线34在中间温度下再次离开，并且在气涡轮35中降压使得工作被执行。已经降压使得工作被执行的第三部分流36至少部分地，优选全部地或基本全部地在低压塔贮液槽蒸发器45的液化室中被液化。液化的第三部分流37在过冷逆流换热器7中进一步被冷却并且通过管线38被供应到低压塔中的中间位置。 [0039] 前置塔的贮液槽液体50全部供应到前置塔顶端冷凝器44的蒸发室中。因此，在其液化室中，前置塔的气态端部氮的第一部分51被冷凝。在此期间产生的液态氮52的第一部分53返回前置塔41，并且第二部分54被送到高压塔42。在前置塔顶端冷凝器的蒸发室中形成的气态馏分55作为气态输入流被供应到高压塔42中。在典型实施例中，其特别地形成高压塔42的单气态输入流。小量液态冲洗流105/106连续不断地或偶尔从前置塔顶端冷凝器44的蒸发室排出，并且在过冷逆流换热器7中被加热并通过管线107供应到低压塔中。 [0040] 随着时间平均，该冲洗量少于输入空气量的14mol％，特别地少于1mol％。 [0041] 在过冷逆流换热器7中被冷却后，高压塔的贮液槽液体56/57被供应到低压塔43中。高压塔的顶端气态氮的第一部分58至少部分地，优选全部地或基本全部地在低压塔42的中间蒸发器46中被液化。在该过程期间产生的液态氮59的第一部分60返回高压塔42。在过冷逆流换热器7中被冷却后，来自高压塔42中间位置的富氮液体61/62返回低压塔43的顶端。来自低压塔43顶端的不纯的气态氮63在过冷逆流换热器7中被加热，并且进一步在主换热器中被加热到接近环境温度。热的不加压的不纯的氮64在净化设备(104)中用作再生气体用于输入空气，或被排到环境中。 [0042] 高压塔42顶端的气态氮的第二部分形成“第一氮产物馏分”65，并且在主换热器2中被加热到接近环境温度。直接(通过管线67)或者在产物压缩机68、69中进一步压缩后作为气态压缩氮产物(PGAN或HPGAN)获得温的高压塔氮66。在典型实施例中，第一氮馏分的量接近输入空气量的49mol％。 [0043] 前置塔41顶端的气态氮的第二部分形成“第二氮产物馏分”70，并且在主换热器2中被加热到接近环境温度。直接(MPGAN)或者在产物压缩机69中进一步压缩后作为气态压缩氮产物(HPGAN)获得温的前置塔氮71。 [0044] 此外，在典型实施例中，两个压缩的产物馏分(GOX IC和GAN IC)通过内部压缩获得。 [0045] 在典型实施例中，第二氮产物馏分和从内部压缩的压缩的产物馏分的量在每种情况下少于输入空气量的20mol％，特别地少于输入空气量的10mol％。 [0046] 液氧72从低压塔43(或者更确切地，从低压塔贮液槽蒸发器45的蒸发室)离开，由氧气泵73以液态形式加压至50bar，通过管线74导入主换热器2伪蒸发，最终作为气态压缩产物75获得。 [0047] 来自低压塔中间蒸发器46的液态氮59的第二部分76以液态形式由氮气泵77至高压，通过管线78导入主换热器2蒸发或伪蒸发，最终作为气态压缩产物79获得。 [0048] 在图1的典型实施例中，前置塔41和高压塔42中的材料互换元件通过筛网座(sieve base)形成，并且在低压塔43中通过有序包装形成。所有三个冷凝器/蒸发器44、45、46均是浸浴式蒸发器。 [0049] 作为可选的，前置塔41和/或高压塔42中的材料互换元件也可以通过有序包装形成。相似地，这些塔中的一个或塔41、42都可能部分配备有座，特别是筛网座，并且部分地配备有有序包装。 [0051] 图3不同于图2在于低压塔中间蒸发器46采用降膜蒸发器的形式。 [0052] 在图4中，除了图3所示的，低压塔具有纯氮部分400。此外，这额外允许液态氮401(LIN)和低压纯氮402/403/LPGAN作为产物获得。 [0053] 图5示出典型实施例，其中，前置塔41和高压塔42中的材料互换元件通过筛网座形成。相比图1，这是一种高压方法(HAP-高空气压)，因此，所有空气被压缩到至少高于蒸馏塔系统中的最高运行压力1bar的压力，其在典型实施例中接近17bar。为了该目的，通过外部能量驱动的后压缩机可在这省去。 [0054] 根据图5的典型实施例在两个气体膨胀涡轮机，第一空气涡轮机35a和第二空气涡轮机35b的使用上进一步不同于图1。在第一空气涡轮机35a中，和之前一样，第三部分流34被降压使得工作被执行，接着它通过管线36流向低压塔贮液槽蒸发器45的液化室。被降压使得工作被执行后，第一部分流11a流过第二空气涡轮机35b，全部或基本上以气态形式被送入前置塔41。在典型实施例中，两个空气涡轮机35a，35b处于相同的入口压力(接近17bar)和相同的入口温度下，并且为此，第一和第三部分流通过管线10a共同流至主换热器，并且通过管线10b再次离开。作为可选地，两个涡轮机35a、35b可处于不同的入口温度以及适当不同的入口压力下。 [0055] 根据图5的方法特别适用于超临界氧产物压力(GOX IC)(在示出的例子中，接近50bar)，特别是低压缩氮产物(GAN IC)和低液态生产(LOX，其中适当的LIN，如果采用根据图4的纯氮部分)的情况下。这里的术语“低”可以理解为各个产物的摩尔含量在整个输入空气量中少于2mol％，特别地少于1mol％。 |
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