專利名稱：通過低溫空氣分離得到壓縮氧氣的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的通過低溫空氣分離得到壓縮氧 氣的方法。
背景技術：
以至少兩種可以切換的吸附容器的形式為空氣分離設備的進料空氣提供凈化設 備是眾所周知的。待凈化的進料空氣流經其中一個容器，同時另一個可被熱再生(變溫吸 附=TSA)。當空氣中移除的雜質被熱的再生氣體逐出時，吸附介質必須被再一次冷卻。為 了這個目的，將容器充滿干燥冷卻氣體。然后，為了積累壓力，可通入空氣并且最終被轉換。
“主換熱器”用于冷卻與蒸餾塔系統的回流間接進行熱交換的進料氣體。它可以由 單個或多個并聯和/或串聯換熱器部件，如一個或多個板式換熱器塊形成。
用于受熱的殘余氣體流的膨脹設備優選由膨脹渦輪形成。它可以例如通過發電機 制動。
最初在美國專利US5040370中提到該類型的方法。這里，殘余氣體流被600°C的 流體加熱，作功式膨脹(work-producingly expanded)并且顯然不能被進一步地更好利用。 可選擇地，已經用作再生氣體的殘余氣體被用作膨脹機的附加進料。發明內容
本發明的目的是提供一種可以特別有利地、積極地操作的方法及相應的設備。
這個目的通過權利要求1中所述的特征來實現。在這種情況下，殘余氣體流僅被 加熱到中等溫度。這最初看起來是不利的，因為由此理論上在膨脹機上可回收較少的能量。 然而，在本發明中，已經證明由此可實現特別有利的操作凈化設備和特別有效地使用剩余 熱。
在本發明中，殘余氣體加熱器以相對低的出口溫度運行。因此殘余氣體流也以特 別低的溫度例如5°C -350C，尤其是約20°C的溫度從膨脹機離開。作功式膨脹的殘余氣體可 以被直接用作，也就是說不需要進行額外冷卻地用作，冷卻氣體。
本發明的另一個優勢在于，作為殘余氣體加熱器的加熱介質，可使用另外原本無 價值的流體，如消耗壓縮氧氣產品的工藝中的殘余氣體流，如具有上游煤氣化或重油氣化 的發電廠工藝(整體聯合循環=IGCC)。在許多情況下，使用原本毫無價值的約100°C的加 熱介質就足夠了。其殘余熱通過殘余氣體的膨脹可被有利地利用。甚至可考慮利用本來傳 遞給冷卻水的主氣體壓縮機或氣體再壓縮機的廢熱,來加熱殘余氣體。
當凈化設備中的一個容器處于冷卻循環時，殘余氣體流用作冷卻氣體當然經常發 生。在其它時候，作功式膨脹的殘余氣體(在相應的進一步加熱之后)可被用作再生氣體 和/或排放到環境中。總的來說，實現了空氣分離器總效率的改進。
原則上，富氧流可以氣態形式從低壓塔中離開，并且在稍微低于低壓塔的操作壓 力的情況下獲得，或者在主換熱器中加溫后，在氧氣壓縮機中升至較高的產品壓力。然而，在很多情況下使用內壓縮更方便，那樣富氧流以液態從低壓塔離開，在液態下升至高壓，并且在主換熱器中蒸發或在超臨界壓力水平下偽蒸發。氧氣壓縮機在熱的條件下可以省掉。作為蒸發(在次臨界壓力)或偽蒸發(在超臨界壓力)的加熱介質，優選使用被升至明顯高于高壓塔運行壓力的壓力下的第二進料空氣流。依據本發明的方法的另一個實施方案中，來自低壓塔的富氮產品流在主換熱器中被加熱，然后得到壓縮氮氣產品。熱的壓縮氮氣產品在供給用戶或管道前可以在氮氣壓縮機中被進一步壓縮。或者，或者此外，氮氣產品可以從高壓塔或氮氧分離的蒸餾塔系統中的另一個塔中排出，并且被加熱后，供給用戶或產品壓縮機。富氮產品流可以和殘余氣體流一起從低壓塔中被排出，并在主換熱器中被加熱。或者，殘余氣體流在位于產品流的排出口下部的低壓塔的中間點被單獨排出，并單獨通過主換熱器。壓縮氮氣產品可以通過從氮氣-氧氣分離的蒸餾塔系統的主冷凝器的液氮的內壓縮以例如50-80巴的小高壓流的形式進一步獲得。換熱損失的補償和液態產品生產所需的制冷，在本發明的方法中通過一個或多個膨脹機產生，其中所述膨脹機通常由膨脹渦輪形成。例如，至少第一進料空氣的一部分在進入到高壓塔之前可被作功式膨脹。本發明進一步涉及權利要求4的設備。依據本發明的設備可以通過相對應的從屬方法權利要求的特征進行補充。
本發明及本發明進一步的細節將在之后結合附圖中所示的示例性實施方案更加具體的描述。圖1示意說明了本發明的一個實施方案。
具體實施例方式所有進料空氣在主空氣壓縮機中被壓縮成第一壓力，所述第一壓力稍微高于高壓塔壓力，這里是約12巴，然后預冷到大約環境溫度(都未在圖中示出)。預冷的壓縮空氣I進入到包含兩個容器的凈化設備2中，每個容器包含分子篩作為吸附介質。凈化的進料空氣4的第一分流以約第一壓力被引入到主換熱器中，在該示例性實施方案中，所述主換熱器由三個平行塊5，6，7組成，每一個平行塊都由一個或多個板式換熱器形成。冷卻的第一分流8，9是“第一進料空氣流”10的一部分，以氣體狀態被引入到氮氣-氧氣分離的蒸餾塔系統的高壓塔11的底部，所述蒸餾塔系統此外還包括低壓塔12和主冷凝器13。在這個特定的示例性實施方案中，用于氮氣-氧氣分離的蒸餾塔系統，還包括以中間壓力運行的中壓塔14。在每種情況下塔的運行壓力，具體最高為高壓塔約12巴中壓塔約7巴低壓塔約3巴
凈化的進料空氣3的第二分流15在帶有后冷卻器17的再壓縮機16中被再壓縮 成約50-90巴(其壓力主要取決于氧氣的內壓縮壓力)的第二壓力，并且用于第一部分18 作為渦輪氣流。這在主換熱器塊6中被冷卻到中間溫度，通過管路19被再一次排出，在渦 輪發電機20中膨脹到差不多高壓塔的壓力，并最終通過管路21被送入到第一進料空氣流 10中。
高壓空氣的第二部分22為內壓縮提供熱量(參見下面進一步地描述)并且在主 換熱器6中偽液化，接著在液體渦輪23中作功式膨脹，并最終以液態通過管路23充分流入 高壓塔的中間位置。液體的一部分24可被引入到低壓塔12中，和/或經由過冷逆流換熱 器25和管路26或27進入到中壓塔14。
凈化壓力的第三分流28和29最終流入到主換熱器塊5中，在那里在大致第一壓 力下被冷卻，并且也形成第一進料空氣流10的一部分。
此外，另一部分30可被用作儀表氣源或者供應到臨近的設備。
高壓塔11的氣態塔頂氮氣31在主冷凝器13中被低壓塔12蒸發的底部液體冷凝 成第一部分32。第二部分33在中壓塔14的底部蒸發器中被冷凝，所述中壓塔由降膜式蒸發 器(頂部)和浴式蒸發器(底部)的組合形成(原則上，在本發明中，任何形式的冷凝器一 蒸發器都可以用作主冷凝器或作為中壓塔的底部蒸發器，如浴式蒸發器，還可以是圓盤蒸 發器或純降膜式蒸發器，或這些的組合)。在兩個冷凝器13，34中形成的液態氮32、35，由 管路36應用到第一部分，作為高壓塔11的逆流。剩余物37在過冷逆流換熱器25中被冷 卻，并經由管路38得到液體產品(LIN)。
氣態純凈塔頂氮氣31的第三部分60在主換熱器塊5中被加熱到差不多環境溫 度。熱的壓縮氮氣61的第一部分62用作中等壓力產品(MPGAN)或密封氣體；作為第二部 分，其在具有后冷卻器64的純凈氮氣壓縮機63中被進一步壓縮，并最終得到高純度的高壓 產品(HPGAN)。
從稍微低于頂部的中間點，經由管路39，液態不純氮從高壓塔11中被排出，在過 冷逆流換熱器25中被冷卻，經由管路40作為低壓塔的逆流。
從高壓塔11的底部，原氧41以液態的形式被排出，并在過冷逆流換熱器25中被 低溫冷卻。過冷原氧42的一部分經由節流閥43被引入到低壓塔12，另一部分經由節流閥 44被引入到中壓塔14，在每種情況下都位于中間點。
進一步富氧化的中壓塔14的底部流45冷卻中壓塔頂部冷凝器46。在這種情況 下，產生的蒸汽47和剩余的液體48經由管路49流入到低壓塔。中壓塔頂部冷凝器46被 構造成逆流冷凝器，并且冷凝中壓塔的塔頂蒸氣。產生的液體，如果不被用作中壓塔14的 逆流，則經由管路50進入到低壓塔的頂部。
從低壓塔的底部，純度為90-99摩爾％的液態氧51作為“富氧流”被排出，并作為 第一部分52、53，在過冷逆流換熱器25中部分過冷后，得到液態產品(LOX)。主要部分54 進入到內壓縮，以液態由泵55升至30-110巴的高壓。第一部分56在主換熱器6中在這個 壓力下被(偽)蒸發，并最終經由管路57得到第一壓縮氧氣產品(GOX-1Cl)。剩余物58在 60-100巴的較低壓力下被(偽)蒸發，并經由管路59得到第二壓縮氧氣產品(G0X-1C2)。
從低壓塔12的頂部，氮氣含量為97-99摩爾％的不純的氮氣經由管路65被排出， 在過冷逆流換熱器25中被加熱，并進一步經由管路65/66和67/68在主換熱器6，7中再被加熱到差不多環境溫度。熱的不純的氮氣的第一部分形成了殘余氣體流69。殘余物在具有后冷卻器71的不純氮氣壓縮機70中被壓縮，并最終得到低純度的高壓產品(HPGAN)。
依據本發明，殘余氣體流69在殘余氣體加熱器72中被加熱到差不多環境溫度，但是低于250°C。在該示例性實施方案中，加熱的殘余氣體流73的溫度約是100°C。這被引入到發電機一制動的膨脹渦輪機74。作功式膨脹的殘余氣體流75具有20°C的溫度，在制冷循環中，至少部分經由管路76和78作為冷卻氣體被引入到凈化設備中。此外，還可以經由管路77被排到空氣中或在凈化設備2中經由再生氣體加熱器79和再生氣體管路80作為再生氣體使用。
權利要求
1.一種在氮氣-氧氣分離的蒸餾塔系統中通過空氣的低溫分離得到壓縮氧氣的方法， 所述蒸餾塔系統包括至少一個高壓塔(11)和一個低壓塔(12)，其中-低壓塔(11)以最高為至少1. 5巴的運行壓力運行，-第一進料空氣流在凈化設備(2)中被凈化，并在主換熱器(5，6，7)中被冷卻，-冷卻的第一進料空氣流(10)進入到高壓塔(11)中，-富氧流(54，56，58)以液態從低壓塔(12)中被排出，以液態升至高壓(55)，并且在主換熱器(5，6，7)中被蒸發或偽蒸發并被加熱，-得到加熱的氧氣流(57，59)作為壓縮氧氣產品，-來自低壓塔(12)的富氮殘余氣體流在主換熱器(5，6，7)中被加熱，-在主換熱器(5，6，7)中被加熱的殘余氣體流￠9)在殘余氣體加熱器(72)中通過與加熱介質間接熱交換而被加熱，-加熱的殘余氣體流(73)在膨脹機(74)中作功式膨脹，其特征在于-殘余氣體加熱器(72)的加熱介質由工藝流形成，所述工藝流不是由氮氣一氧氣分離的蒸餾塔系統產生的，-膨脹機(74)由發電機制動，-從殘余氣體加熱器(72)排出的殘余氣體流出口溫度低于250°C，尤其低于200°C，尤其低于150°C，和，-作功式膨脹的殘余氣體流(75)的至少一部分(78)在凈化設備(2)中被用作冷卻氣體。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，富氧流(54)從低壓塔(12)中以液態排出， 以液態升至高壓，并在主換熱器(5，6，7)中蒸發或偽蒸發。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，來自低壓塔(12)中的富氮產品流在主換熱器(5，6，7)中被加熱，然后得到壓縮氮氣產品￠1,68)。
4.如權利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，殘余氣體加熱器(72)中的加熱介質將殘余熱傳遞給富氮殘余氣體流(69)，其中該殘余熱由消耗壓縮氧氣產品的工藝產生，尤其是由殘余流產生。
5.一種使用氮氣一氧氣分離的蒸餾塔系統通過空氣的低溫分離得到壓縮氧氣的設備， 所述蒸餾塔系統包括至少一個高壓塔(11)和一個低壓塔(12)，所述設備-具有凈化設備(2)，用于凈化第一進料空氣流，-具有主換熱器(5，6，7)，用于冷卻凈化的第一進料空氣流，-具有用于將冷卻的第一進料空氣流(10)引入到高壓塔(11)的裝置，-具有用于將以液態從低壓塔(12)中排出的富氧流(54，56，58)升高壓的裝置(55)， -具有用于將高壓下的富氧流(54，56，58)引入到主換熱器(5，6，7)中的裝置，-具有用于將在主換熱器(5，6，7)中蒸發或偽蒸發并加熱的氧氣流(57，59)作為壓縮氧氣產品排出的裝置，-具有用于將來自低壓塔(12)的富氮殘余氣體流引入到主換熱器(5，6，7)中的裝置， -具有殘余氣體加熱器(72)，用于通過與加熱介質間接熱交換加熱在主換熱器(5，6， 7)中被加熱的殘余氣體流(69)，-和具有膨脹機(74)，用于作功式膨脹被加熱的殘余氣體流(73)，其特征在于-具有用于將作功式膨脹的殘余氣體流(75)的至少一部分(78)作為冷卻氣體引入凈化設備(2)的裝置，其中-殘余氣體加熱器(72)的加熱介質由工藝流形成，所述工藝流不是由氮氣-氧氣分離的蒸餾塔系統產生，-膨脹機(74)由發電機制動。
6.如權利要求5所述的設備，其特征在于，所述設備具有用于將富氧流(54)從低壓塔 (12)中以液態排出的裝置，用于將液態富氧流(54)的壓力升至高壓的裝置，和用于將在高壓下的富氧流引入到主換熱器(5，6，7)中的裝置。
7.如權利要求5或6所述的設備，其特征在于，所述設備具有用于將來自低壓塔的富氮產品流引入到主換熱器(5，6，7)中，并將在換熱器(5，6，7)中被加熱的富氮產品流作為壓縮氮氣產品(61，68)排出的裝置。
8.如權利要求5-7之一所述的方法，其特征在于，殘余氣體加熱器(72)中的加熱介質將殘余熱傳遞給富氮殘余氣體流(69)，其中該殘余熱由消耗壓縮氧氣產品的工藝產生，尤其是由殘余流廣生。
全文摘要
本發明涉及在氮氣—氧氣分離的蒸餾塔系統中通過空氣的低溫分離得到壓縮氧氣的方法和設備，所述蒸餾塔系統包括至少一個高壓塔(11)和一個低壓塔(12)。低壓塔(11)以最高為至少1.5巴的運行壓力運行。第一進料空氣流在凈化設備(2)中被凈化，并在主換熱器(5，6，7)中被冷卻。被冷卻的第一進料空氣流(10)進入到高壓塔(11)中。來自低壓塔(12)的富氧流(54，56，58)在主換熱器(5，6，7)中被加熱。得到加熱的氧氣流(57，59)作為壓縮氧氣產品。來自低壓塔(12)的富氮殘余氣體流在主換熱器(5，6，7)中被加熱。在主換熱器(5，6，7)中被加熱的殘余氣體流(69)在殘余氣體加熱器(72)中通過與加熱介質的間接熱交換被加熱。被加熱的殘余氣體流(73)在膨脹機(74)中作功式膨脹。從殘余氣體加熱器(72)排出的殘余氣體流出口溫度低于250℃，尤其低于200℃，尤其低于150℃。作功式膨脹的殘余氣體流(75)的至少一部分(78)在凈化設備(2)中被用作冷卻氣體。
文檔編號F25J3/04GK102997617SQ20121037508
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月10日 優先權日2011年9月13日
發明者T·勞滕施萊格 申請人:林德股份公司