专利名称：低温分离空气的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低温分离空气的方法和装置，在该方法中，将经压缩和纯化的空气的第一部分流冷却，再送入主精馏系统，在该系统中将上述部分空气分离成液氧和气态氮，使一种液态产品馏分在第一冷凝器-蒸发器中与经压缩和纯化的空气的第二部分流进行间接热交换而蒸发，并使第二部分流在第一冷凝器-蒸发器经间接热交换至少部分冷凝，将从主精馏系统中抽出的含氩的氧馏份送入粗氩塔，在粗氩塔中分离出粗氩和富氧剩余液，其中使粗氩塔顶部的蒸气态粗氩在第二冷凝器-蒸发器中进行间接热交换而液化，在此过程中，使至少第二部分流的一部分在第一冷凝器-蒸发器的下游蒸发。
在豪森/林德(Hausen/Linde)著的“低温技术”(1985年第2版)尤其是第332页至334页中描述了低温分离空气以及紧接着制取氩的基础。在制取氧和氮的空分主精馏系统中至少包括一台通常为双级的精馏塔。在EP-A-341854和EP-B-93448中披露了带有蒸发所得到的液态产品馏分的工艺。在大部分已为公知的工艺过程中，与蒸发的氧(通常为全部或者几乎全部)逆向流动的液态空气被送入精馏塔的一个塔中。根据空气的组成，上述过程应发生在塔高的中部，也就是发生在污物的上方和顶部的下方。在中间位置送入液体对馏分有影响，并导致产品纯度降低，和/或影响输入液体的充分利用。
在US-A-524831(图4)中曾建议通过使加入的空气液化提供冷却粗氩塔的冷量的一部分。但是，在该文献所描述的方法中，粗氩塔中要安装第二冷凝器-蒸发器，因此，装置费用和用于自控方面的费用非常昂贵；此外，将蒸发的空气再次复热再送回到空气压缩机以及两次压缩和纯化使得主热交换器(附加通道)、压缩机和分子筛设备尺寸较大，而且增加附加能耗。
本发明的任务在于使本文开始部分所描述的方法和装置变得极其经济，尤其是在装置非常小、运行费用非常低的情况下和/或在能耗特别低的情况下能使产品纯度非常高和/或使产品得到更加充分的利用。
完成本发明任务的第一个技术方案是通过蒸发第二部分流，提供液化粗氩所需的全部或大体为全部的冷量。
液化粗氩所需要的冷量至少与粗氩塔的回流液蒸发热量一致。当在第二冷凝器-蒸发器中发生产品液化时，若从粗氩塔中抽取粗氩液流，用于产品量的冷量可能足够。“大体为全部”意指至少为冷量的90％，优选至少为95％，最好至少为冷量的99％。其余冷量例如可通过在第二冷凝器-蒸发器的蒸发侧再加入少量其它馏份(例如从塔中抽取污液或中间液)来提供。在本发明中，最好只安装唯一的一个热交换器作为第二冷凝器-蒸发器。上述热交换器也可以是由蒸发室彼此相连的几个热交换器组成一组的成套设备。
在本发明的第一方案中，为了冷却粗氩塔，仅只需要采用唯一的一个冷凝器-蒸发器。同时，人们可以将冷凝的空气的冷量用于粗氩的液化(与分离产品的蒸发相比这更便宜一些)。此外，只需将少量液空送入或不用将液空送入精馏塔中。因而可以充分利用产品并能得到高纯产品。(当然也可以反过来说，与将液空送入塔中的相应方法相比，本方法可以始终维持产品的充分利用和产品的高纯度，并使理论塔板数减少，也就是节省了投资)。
此外，第二部分流中液化空气的含氮量高于通常在粗氩塔顶部冷凝器中蒸发的、从主精馏系统各塔中任一塔抽取的污液中的液空含氮量。因此，粗氩塔顶部可在低压下运行。故而在每块理论塔板的压力损失相同的情况下，可改善粗氩塔的分离效果，或者使用理论塔板压力损失较高的(廉价的)交换件材料(Stoffaustauchelemente)仍可达到较高的分离效果。例如，借助于本发明的技术方案，采用传统的筛板，理论塔板数可多于120，例如120至165，此时，含氧量可少于10ppm，甚至可达1ppm。
本发明完成上述任务的第二种技术方案是将在第二冷凝器-蒸发器中通过间接热交换蒸发的第二部分流的至少一部分在不进一步提高压力的条件下送入主精馏系统。最好将蒸发的第二部分流的大部分或者甚至将蒸发的第二部分流的全部送入主精馏系统的精馏塔或精馏塔的一个塔中。
因此，用于分离的经预处理(压缩、纯化、冷却)的空气流没有丢失。反过来说，输入蒸气不象输入液体那样对精馏影响那么厉害。与US-A-5245831相比，本发明的方案可提高效率。
在本发明的两种技术方案中，可以通过各种空气组分或者由空气组分组成的各种混合物中得到液态产品馏分，例如通过氧或氮或象粗氩之类的中间产品得到液态产品馏分。当然，也可以使多种液态产品馏份(例如不同组分和/或不同压力)与第二空气部分流逆向流动而蒸发。例如，可以从精馏塔或从储存容器或从缓冲容器中抽取液体。可以用主热交换器或分开的热交换器(辅助冷凝器)作为第一冷凝器-蒸发器，在上述主热交换器中通过与输入的空气逆向流动也可使气态产品复热。
如果主精馏系统包括高压塔和低压塔，在双级塔工艺流程中采用本方法是有利的。此时，空气的第一部分送入高压塔，并从低压塔中抽取含氩的氧馏份，最好通过从低压塔流出的液氧流形成液体产品馏分。
如果将本发明两种方案的特征组合在一起，它们的优点也可结合。例如，可以将全部液化的第二空气部分流送入第二冷凝器-蒸发器，同时将其中所形成的蒸气部分地或全部地送入精馏塔(例如双级塔的低压塔)。
例如，当在提高压力的条件下得到气态氧时，如果使在与第二部分流进行间接热交换的上游的液态产品馏分的压力提高是有利的。借此，可以全部或部分地省去对气态产品的压缩，总地来说，可以通过所谓的中间压缩(innenverdichfung)以极其经济的方式生产出一种或多种如高压氧、高压氮和/或具有一定压力的粗氩之类的高压产品。
如果第二部分流在与液氧流进行间接热交换时的压力高于主精馏系统的最高压力(例如处于超临界压力状态)是很有利的。借此可使与蒸发的产品馏分逆向流动的冷凝空气的液化温度与产品的蒸发温度相适应。原则上有两种方法可将空气压缩到高压或者将全部分离空气压缩到高压并将没有用于使液体产品蒸发的空气部分膨胀(例如作功膨胀)到精馏塔的压力；或者将全部空气只压缩到送入精馏塔所需的压力，再将包括第二部分流在内的空气的剩余的一部分进行附加压缩至高压。在这种情况下还可以通过作功膨胀将经附加压缩的空气的一部分用于制冷。在这两种情况中，都可以在作功膨胀中部分地回收第二部分流中的压力能(参见EP-B-93448)。
从主精馏系统中以液态形式抽取输入的空气量的至少21％是有利的。这部分与标准体积有关。抽取这些液体既可以通过从一个或几个精馏塔中取出液体然后再进行额外的蒸发(最好在一定压力下)来实现(例如使液态产品馏份在第一冷凝器-蒸发器中蒸发)，也可以通过抽取作为液态产品例如要储存在容器中的液体来实现。上述21％的部分例如可以通过使第一冷凝器-蒸发器中的全部氧产品蒸发并且不抽取氮和/氧作为液体产品来得到。
最好将经压缩和纯化的空气的第三部分流作功膨胀并送入主精馏系统中。
上述第三部分流例如可从第二部分流分支出来，最好从将第二部分流压缩到主精馏系统的最高压力之上的附加压缩机的下游分支出来。对于这种情况，可将全部空气压缩到上述高压，第三部分流也可从第一部分流分支出来，或者甚至与第一部分流为同一股流。在双级塔方法中，最好将膨胀后的第三部分流送入高压塔中。
作为一种选择，也可以将第三部分流(例如从第一部分流分支出来)作功膨胀，使之从接近高压塔压力膨胀到低压塔压力，那么，则应将膨胀后的空气送入低压塔。
在更为有利的方式中，使另一种液态产品流与经压缩和纯化的空气进行间接热交换而蒸发。例如，为了附带地主要获得氧产品，可使一小股氮和/或氩液流的潜热与液化空气进行热交换。
为实现上述方法，本发明还涉及如下的低温分离空气的装置，该装置包括一个主精馏系统；一根第一空气管道和一根第二空气管道，所述管道与气源相通，以便提供经压缩和纯化的空气，其中第一管道通向主精馏系统；还包括液体管道，上述管道的一侧与液态产品馏分源相通，另一侧与第一冷凝器-蒸发器的蒸发空间相通，第二管道穿过上述冷凝器-蒸发器的液化空间；还包括一个粗氩塔，该塔(经管道)与主精馏系统相通，并与第二冷凝器-蒸发器的液化空间相通，其中第二空气管道在热交换器的下游与第二冷凝器-蒸发器相通(经管道)，其中，上述第二冷凝器-蒸发器构成粗氩塔的唯一一个顶部冷凝器，或者，蒸发管道通过主精馏系统与第二冷凝器-蒸发器的蒸发空间相通，管道上没有设置用于提高压力的设备。
下面根据以附图
的方式示意地描绘出的一个实施例对本发明及本发明的其他细节进行描述。
经压缩和纯化的第一部分空气流101在压力为5-10巴最好是5.5至6.5的条件下在主热交换器2中与产品流进行热交换而被冷却到约为露点温度。主精馏系统有一个包括高压塔5(5至10，最好为5.5至6.5)、低压塔6(1.3巴至2巴，最好为1.5至1.7)及位于高压塔和低压塔之间的主冷凝器7的双级塔4。从高压塔5抽出的污液(Sumpfflussigkeit)9在逆流管8中与低压塔的产品流逆向流动而被过冷并被送入低压塔6(经管道10)。高压塔5顶部的气态氮11在主冷凝器7中与低压塔6的污物中蒸发的液体逆向流动而被液化。冷凝物12的一部分作为高压塔5的回流液(经管道15)。从低压塔6抽取的低压氮16和未纯化的氮17在热交换器8和2中复热到环境温度。
从低压塔6污物中抽取液氧流18作为产品氧，并通过泵19将其压力提高，根据所需要的压力从例如5巴提高到80巴。(当然也可以用其他方法例如通过采用流体位能或借助于贮存容器带压蒸发(Druckaufbauverdampfung)提高液相压力)。液态高压氧20在主热交换器2中被蒸蒸发并作为中间压缩气态产品(innenverdichtefesgasforminges Produkt)21被抽出。
使经压缩并纯化的空气的第二部分流201、202与蒸发的产品流逆向流动而冷凝，然后将其送入附加压缩机206，使其压力从12巴增至60巴，最好从15巴增至40巴。
使从低压塔6抽出的含氩的氧馏分在粗氩塔24中分离成塔顶部的粗氩和富氧馏分。使富氧馏分经管道23或许经一台泵返送入低压塔6。为了产生回流25或为了获得液态精氩26，使气态粗氩在上部冷凝器27中经间接热交换而液化。(也可抽取另外的或附加的粗氩气态产品)。可以象附图中示出的那样，尤其可以象DE-A-4317916＝EP-A-62877中示出的那样，在本发明范围内还可以有其它实现氩-氧分离的方案。此外，通过空气分离制取氩的其它细节可参见EP-B-377117和老申请DE4406051，DE4406049和DE4406069。
按照本发明，将已液化的第二部分流203/204送入粗氩塔的顶部冷凝器27的蒸发侧，使之蒸发。在此之前，通常使上述第二部分流在逆流管8中过冷并使其降至低压塔力。将与粗氩进行间接热交换所形成的蒸气经管道205送入低压塔6和/或经205a送入不纯氮产品管道17。
此外，通过蒸发可得到另一部分液体产品。在附图所示的例子中，由高压塔流出的液氮经管道28和29流入主热交换器2中，再经管道30作为气态产品抽出。需要时，可对液氮进行中间压缩(innenverdichtet)，例如由泵31进行压缩。
作为附加液体产品，可使其与高压空气逆向流动而蒸发，此外，例如也可将液态粗氩考虑在内，因为人们常需要高压氩气。同待蒸发的氮流和氧流一样，或者可从塔中抽取粗氩，或者可从缓冲容器最好是贮存容器中抽取粗氩。本发明尤其适用于符合EP-A-171711，EP-B-331028或EP-B-363861中描述的粗氩中间压缩的情况。
在蒸发经多级中间压缩的产品流20，29时，冷凝空气的压力原则上取决于最高蒸发温度。在本实施例的情况中，经中间压缩的氮29的蒸发温度高于经中间压缩的氧20的蒸发温度，但是，待蒸发的液氮量明显少于液氧量，空气压力可以由上述两个蒸发温度中低的那相蒸发温度决定。
在一个最佳实施例中，其数值如下压力(巴)空气压力(管道1) 6.50第二部分流202/203 58.0高压塔5 6.20低压塔6 1.60粗氩塔24的顶部1.05粗氩塔24的顶部1.40经中间压缩的氧(管道20)20.0经中间压缩的氮(管道31)25.0与第二部分空气流逆向流动的上述一种或几种液体产品的蒸发也可以不象附图中所描绘的那样，而在一个或几个与主热交换器分开的辅助冷凝器中进行。
可以抽取部分氧产品作为液态产品(经管道33)；同样，也可从低压塔6中抽取一定量的氧气并使其经主热交换器2而复热(图中未示出)。
为了产生工艺冷量(Verfahrenska/te)，可从经附加压缩的第二部分流202中分支出第三部分流301，使其作功膨胀(经透平机32)，并将其送入主精馏系统最好送入高压塔5中。
权利要求
1.低温分离空气的方法，在该方法中将经压缩和纯化的空气(1)的第一部分流(101)冷却(在第一冷凝器-蒸发器(2)中)，再送入主精馏系统(4)，在该系统中将上述空气分离成液氧和气态氮，其中，使一种液态产品馏分(20，29)在第一冷凝器-蒸发器(2)中与经压缩和纯化的空气的第二部分流(202，203)进行间接热交换蒸发，并使上述第二部分流(202，203)在第一冷凝器-蒸发器(2)中进行间接热交换时至少部分冷凝；将从主精馏系统(4)抽出的含氩的氧馏分(22)输入粗氩塔(24)，在粗氩塔中将上述馏分分离成粗氩和富氧剩余液体，其中使粗氩塔顶部的粗氩蒸气在第二冷凝器-蒸发器(27)中通过间接热交换而液化，在此过程中，使至少第二部分流(203)的一部分在第一冷凝器-蒸发器(2)下游蒸发，其特征在于，通过蒸发第二部分流(203)提供液化粗氩所需的全部或大体为全部的冷量。
2.低温分离空气的方法，在该方法中将经压缩和纯化的空气(1)的第一部分流(101)冷却(在第一冷凝器-蒸发器(2)中)，再送入主精馏系统(4)，在该系统中上述空气被分离成液氧和气态氮，其中使一种液态产品馏份(20，29)在第一冷凝器-蒸发器(2)中与经压缩和纯化的空气的第二部分流(202，203)进行间接热交换而蒸发，并使上述第二部分流(202，203)在第一冷凝器-蒸发器(2)中进行间接热交换时至少部分冷凝；将从主精馏系统(4)抽出的含氩的氧馏分(22)输入粗氩塔(24)，在粗氩塔中将上述馏分分离成粗氩和富氧剩余液体，其中使粗氩塔顶部的粗氩蒸气在第二冷凝器-蒸发器(27)中通过间接热交换而液化，在此过程中，使至少第二部分流(203)的一部分在第一冷凝器-蒸发器(2)的下游蒸发，其特征在于，将在第二冷凝器-蒸发器(27)中进行间接热交换而蒸发的第二部分流(205)的至少一部分在不进一步提高压力的条件下送入主精馏系统(4)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将在第二冷凝器-蒸发器(27)中进行间接热交换而蒸发的第二部分流(205)的至少一部分在不进一步提高压力的条件下送入主精馏系统(4)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过从主精馏塔(4)尤其是从双塔系统的低压塔(6)抽取的液氧流(18)形成上述液态产品馏分。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将与第二部分流(202，203)进行间接热交换(在第一冷凝器-蒸发器(2)中)的上游的液态产品馏分(20，29)的压力(通过压缩机19；31)提高。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，与液态产品馏分(20，29)进行间接热交换(在第一冷凝器-蒸发器(2)中)时的第二部分流(202，203)具有一定压力，该压力高于主精馏系统(4)的最高压力。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，以液态形式从主精馏系统(4)中抽出至少输入空气量的21％。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，使经压缩和纯化的空气的第三部分流(301)作功膨胀(经透平机32)，并将其送入主精馏系统(4)中。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，使另一种液态产品流与经压缩和纯化的空气进行间接热交换而蒸发。
10.实现如权利要求1至8所述方法的低温分离空气的装置，包括一个主精馏系统(4)，一根第一空气管道(101)和一根第二空气管道(202，203)，上述管道与气源(1)相通，以便提供经压缩和纯化的空气，其中第一管道(101)通向主精馏系统(4)；还包括液体管道(20，29)，上述管道的一侧与液态产品馏份源相通，另一侧与第一冷凝器-蒸发器(2)的蒸发空间相通，第二管道(202，203)穿过上述冷凝器-蒸发器的液化空间；还包括一个粗氩塔(24)，该塔(经管道22，23)与主精馏系统(4)相通，并与第二冷凝器-蒸发器(27)的液化空间相通，其中第二空气管道(202，203)在热交换器(2)的下游与第二冷凝器-蒸发器(27)相通(经管道(204))，其特征在于，上述第二冷凝器-蒸发器(27)构成粗氩塔(24)的唯一一个顶部冷凝器(27)。
11.实现如权利要求1至8所述方法的低温分离空气的装置，包括一个主精馏系统(4)，一根第一空气管道(101)和一根第二空气管道(202，203)，上述管道与气源(1)相通，以便提供经压缩和纯化的空气，其中第一管道(101)通向主精馏系统(4)；还包括液体管道(20；29)，上述管道的一侧与液态产品馏分源相通，另一侧与第一冷凝器-蒸发器(2)的蒸发空间相通，第二管道(202，203)穿过上述冷凝器-蒸发器的液化空间；还包括一个粗氩塔(24)；该塔(经管道22，23)与主精馏系统(4)相通，并与第二冷凝器-蒸发器(27)的液化空间相通，其中第二空气管道(202，203)在热交换器(2)的下游与第二冷凝器-蒸发器(27)相通(经管道(204))，其特征在于，蒸发管道(205)通过主精馏系统(4)与第二冷凝器-蒸发器(27)的蒸发空间相通，管道上没有设置用于提高压力的设备。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，蒸发管道(205)通过主精馏系统(4)与第二冷凝器-蒸发器(27)的蒸发空间相通，管道上没有设置用于提高压力的设备。
全文摘要
本发明涉及一种低温分离空气的方法和装置，将经压缩、纯化的空气的第一部分冷却，再送入主精馏系统，在该系统中上述空气被分离。至少将第二部分流的一部分与上述液态产品馏分在进行间接热交换的下游用作冷却接在主精馏系统之后的粗氩塔的冷媒。上述第二部分流提供液化粗氩所需的全部或大体为全部冷量。最好将在粗氩塔的顶部冷凝中进行间接热交换而蒸发的至少部分第二部分流不进一步提高压力而送入主精馏系统中。
文档编号F25J3/04GK1125838SQ95117579
公开日1996年7月3日 申请日期1995年12月5日 优先权日1994年12月5日
发明者格哈德·旁普 申请人:林德股份公司