用于通过低温蒸馏来分离空气的方法与流程

用于通过低温蒸馏来分离空气的方法
1.本发明涉及一种通过低温蒸馏来分离空气的方法。
2.分离设备通常包括：交换管线，其中，待蒸馏的空气被至少两种蒸馏产物冷却；以及塔系统，该塔系统包括第一塔和第二塔，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在比第一塔中的压力低的第二压力下操作。
3.第一塔的顶部热联接至第二塔的底部。
4.wo 19126927描述了一种用于通过低温蒸馏来分离空气的设备，其中，主交换管线位于蒸馏塔系统的下方，并且交换器的热端朝向底部定位。
5.旨在用于第一塔的空气在交换管线中冷却，然后被送至第一塔。
6.在冷却期间，该空气在主交换管线中自底向上部分地冷凝。必须确保所获得的液体被气体恰当地输送，以避免液体滞留在交换管线中，并且因此避免氧气和空气次要杂质(典型地为c
nhm
)局部富集的任何可能性，局部富集会带来安全风险。
7.获得足够的气体速度(包括在减少操作期间)涉及使旨在用于第一塔的空气产生显著的压力降，这就能量而言成本高昂。
8.在空气分离设备中，来自第一塔的底部液体(rl)膨胀并且被送至第二塔的中间点。来自第一塔的顶部液体(pl)膨胀并且被送至第二塔的顶部。两种液体在热交换器中被来自第二塔的顶部气体过冷。
9.在该交换器(被称为过冷却器、特别是呈交叉流构型)中，被称为贫液体pl的富氮顶部液体和被称为富液体rl的富氧底部液体在两个不同的区段中被冷却，仿佛存在两个串联的交换器。这意味着富氧液体被冷却到的温度高于来自第一塔的顶部液体的进入温度。在此构型中，残余氮气中可用的冷并非完全被提取。
10.crc出版社2007出版的kerry的industrial gas handbook[工业气体手册]的第96页展示了常规过冷却器。简化附图起见，并不总是在专利或其他文献中展示流体的精确定位。
[0011]
此外，简单起见，来自鼓风机涡轮的排气被直接送到第二塔中。相对较热的气体被送到第二塔中。
[0012]
这样的结果是减少了冷流体的冷却回收、并且使得必须对离开主交换管线并去向第一塔的底部的空气进行部分冷凝(典型地大约1％到2％)。
[0013]
本发明包括向塔馈送至少一个空气流(包括在设备的减少操作期间)，该至少一个空气流的温度比空气流的露点高1℃或甚至2℃。这种实施方式使得可以避免旨在用于第一塔的空气在主交换管线中冷凝。因此，空气以比其露点高1℃或甚至2℃的温度离开主交换管线。
[0014]
确保旨在用于第一塔的空气足够高于露点的一种方式是对进入蒸馏系统中的某些流体以及蒸馏系统内部的流体加深冷却。在这种情况下，可以设计出具有非常小的压力降的交换管线，而无需考虑与安全相关的液体输送标准。
[0015]
这关系到从蒸馏产生的流体(残余的氮气、氧气、在第二压力下的比残余的氮气更纯的氮气)中回收尽可能多的冷。
[0016]
确保旨在用于第一塔的空气足够高于露点的一个变体在于修改过冷，以便降低液体进入第二塔时的温度。
[0017]
在过冷却器中，对富氧液体加深冷却，使得富氧液体以比该富氧液体的进入温度更低的温度离开。因此，在过冷却器中存在共享区域，在该共享区域中，两种液体同时被来自第二塔的至少一个氮气流冷却。
[0018]
根据另一变体，在交换管线中，来自涡轮的排气被送回到交换管线，以便冷却残余的氮气(并且可选地来自第二塔的更纯的氮气)和氧气。
[0019]
根据本发明的一个目的，提供了一种在塔系统中通过低温蒸馏来分离空气的方法，该塔系统包括第一塔和第二塔，第一塔在第一压力下操作，第二塔在低于第一压力的第二压力下操作，第一塔的顶部热联接至第二塔的底部，其中：
[0020]
i)在热交换器中冷却被纯化为水和二氧化碳的空气流并且将其以气态形式送至第一塔
[0021]
ii)从第一塔的底部抽取富氧液体并且将其在过冷却器中过冷之后送至第二塔
[0022]
iii)从第一塔的上部抽取富氮液体并且将其在过冷却器中过冷之后送至第二塔
[0023]
iv)从第二塔抽取富氮气体和富氧流体并且将其在热交换器中加热
[0024]
v)热交换器定位在第一塔下方，第一塔进而定位在第二塔下方，空气流通过在热交换器中上升而冷却，其特征在于，
[0025]
vi)空气流离开热交换器并进入第一塔时的温度t1比该空气流的露点高至少1℃、优选地高至少2℃。
[0026]
根据其他可选方面：
[0027]
·
被纯化为水和二氧化碳的另一个空气流在热交换器中被冷却，以温度t2离开热交换器，在涡轮中膨胀，以温度t3返回热交换器并且在该交换器中被冷却至温度t4，然后以气态形式被送至第二塔，温度t2高于t1。
[0028]
·
t4比膨胀的流的露点高至少1℃、优选地高至少2℃
[0029]
·
t4高于、低于或等于t1
[0030]
·
在第二压力下被纯化为水和二氧化碳的另一个空气流在热交换器中被冷却至比其露点高至少1℃、优选地高至少2℃的温度并且在未膨胀的情况下被送至第二塔
[0031]
·
富氧液体在过冷却器中被冷却至比富氮液体进入该过冷却器时的温度低的温度，这两种被过冷的液体各自在相应的阀中膨胀，然后被送至第二塔
[0032]
·
第一塔以及潜在地第二塔仅通过气态空气流被馈送空气
[0033]
·
第一塔和第二塔仅产生气态流作为最终产物
[0034]
·
热交换器和过冷却器由钎焊在一起的铝板的单个本体构成
[0035]
·
旨在用于第一塔的、通过在热交换器中冷却而被纯化为水和二氧化碳的空气流的压力降不超过120mbar、或甚至不超过100mbar
[0036]
·
在第一塔的中间高度处抽取的液体流在过冷却器中被过冷至中间温度并且被送至第二塔，该中间温度介于富氧液体在过冷却器的出口处的温度与富氮液体在过冷却器的出口处的温度之间。
[0037]
本发明将参考附图以更详细的方式进行描述。
[0038]
[图1]示出了根据本发明的方法。
[0039]
该方法使用包括第一塔k1和第二塔k2的塔系统，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于该第一压力的第二压力下操作。第一塔k1通过第二塔k2的底部蒸发器热联接至第二塔。
[0040]
第一塔定位在第二塔k2的下方，并且第一塔的顶部热联接至第二塔的底部。铝钎焊板式热交换器e定位在第一塔k1的下方。
[0041]
空气流1被压缩机3压缩至第一压力、被冷却器5冷却并且在纯化单元7中被纯化为水和二氧化碳。为了被冷却，空气被送至热交换器e的热端(在交换器的底部处)并且升向顶部，因为交换器的冷端位于顶部处。
[0042]
纯化后的空气9在热交换器e中冷却并且以温度t2被一分为二，该温度是交换器e的中间温度。空气的一部分11继续在交换器中冷却至温度t1，该温度比空气部分9的露点高至少1℃、优选地高至少2℃。
[0043]
这部分空气以该温度t1离开交换器e并且作为馈送气体流被送至塔k1的底部。
[0044]
穿过交换器e的空气9、11的压力降不超过120mbar或甚至不超过100mbar。
[0045]
空气在第一塔中分离以形成富氧底部液体10和富氮顶部液体12。液体10和液体12被送至过冷却器s，来自第二塔k2的至少一个氮气流15在该过冷器处被加热。液体10在过冷却器的冷端处进入过冷却器并且被冷却至比液体12进入过冷却器s时的温度更低的温度。液体12离开过冷却器的冷端。过冷后的液体10和过冷后的液体12各自在阀中膨胀，并且液体10被送至第二塔k2的一个高度，液体12被送至第二塔k2的、比液体10进入时的高度更高的高度。因此，过冷却器包括其中液体10和12均被氮气15冷却的区段。过冷却器s可以放置在塔k1旁边，并且该过冷却器的热端可以朝向底部定位。
[0046]
空气的一部分13以温度t2在未经压缩的情况下在交换器下游的涡轮t中膨胀，以温度t3被送至热交换器e并且在交换器e中被冷却至温度t4，然后以气态形式被送至第二塔，温度t2高于t1。t4可以高于、等于或低于t1。t4比膨胀的流13的露点高至少1℃、优选地高至少2℃。部分13离开交换器e的冷端并且以气态形式被直接送至第二塔k2的某一高度处，该高度在膨胀的液体10到达时的高度的下方。对于空气11而言，部分13在交换器中上升而冷却。
[0047]
塔k2通过蒸馏将流10和12分离以在塔的顶部处形成富氮气体15并且在塔的底部处形成富氧气体17。气体17在交换器e中下降而升温并且随后用作本方法的产物。
[0048]
气体15在过冷却器中被加热然后在交换器e中冷凝而被一分为二，一部分用于更新纯化单元7，而其余部分用作产物或用作残余的氮气。
[0049]
在此，第一塔k1仅通过气态空气流被馈送空气。
[0050]
第二塔k2也可以被馈送空气，并且在这种情况下，可以仅被馈送气态空气。
[0051]
该方法仅产生气体流15、17作为最终产物。来自塔k2的底部冷凝器的吹扫流并不被视为是最终产物。
[0052]
过冷却器s可以结合到主交换管线e中。这使得可以进一步优化来自蒸馏的冷流体15、17(可能还有来自第二塔k2的纯氮)的提取，以便使富液体10和贫液体12以及来自鼓风机涡轮的在第二压力下的空气的冷却最小化。
[0053]
除了流体15、17之外，从塔k1抽取的液化的空气流也可以在过冷却器s中被过冷，然后被送至塔k2。
[0054]
[图1]示出了用于为方法馈送空气的一种可能性。其他变体也是可行的，例如fr 3090831中的变体使用包括第一塔和第二塔的塔系统，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于第一压力的第二压力下操作，第一塔的顶部热联接至第二塔的底部。
[0055]
在这种情况下，使用了三个空气流。空气被压缩至第二塔的压力，然后被纯化。接着，空气被一分为二，一部分在第二塔的压力下被冷却并且通过在交换器中上升而被送至第二塔。离开交换器时的最终温度比其在第二压力下的露点高至少1℃、优选地高至少2℃。
[0056]
另一部分被升压至第一塔的压力。该部分的一小部分通过在交换器中上升而冷却并且以温度t1离开该交换器，该温度比该小部分空气的露点高至少1℃、优选地高至少2℃。
[0057]
该部分的其余部分在交换器中被冷却至温度t2，在鼓风机涡轮中膨胀，以温度t3返回至交换器，在热交换器的冷端处冷却至温度t4并且被送至第二塔。t4比露点高至少1℃、优选地高至少2℃。

技术特征：
1.一种在塔系统中通过低温蒸馏来分离空气的方法，该塔系统包括第一塔(k1)和第二塔(k2)，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于该第一压力的第二压力下操作，该第一塔的顶部热联接至该第二塔的底部，其中：i)在热交换器(e)中冷却已经被纯化为水和二氧化碳的空气流(11)并且将其以气态形式送至该第一塔ii)从该第一塔的底部抽取富氧液体(10)并且将其在过冷却器(s)中过冷之后送至该第二塔iii)从该第一塔的上部抽取富氮液体(12)并且将其在该过冷却器中过冷之后送至该第二塔iv)从该第二塔抽取富氮气体(15)和富氧流体(17)并且将其在该热交换器中加热v)该热交换器定位在该第一塔下方，该第一塔进而定位在该第二塔下方，该空气流通过在该热交换器中上升而冷却，其特征在于，vi)该空气流(11)离开该热交换器并进入该第一塔时的温度t1比该空气流的露点高至少1℃。2.如权利要求1所述的方法，其中，该空气流(11)离开该热交换器并进入该第一塔时的温度t1比该空气流的露点高至少2℃。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，已经被纯化为水和二氧化碳的另一个空气流(13)在该热交换器(e)中被冷却，以温度t2离开该热交换器，在涡轮(t)中膨胀，以温度t3返回该热交换器并且在该交换器中被冷却至温度t4，然后以气态形式被送至该第二塔(k2)，该温度t2高于t1。4.如权利要求3所述的方法，其中，t4比膨胀的流(13)的露点高至少1℃。5.如权利要求4所述的方法，其中，t4比该膨胀的流(13)的露点高至少2℃。6.如权利要求1所述的方法，其中，在该第二压力下被纯化为水和二氧化碳的另一个空气流在该热交换器中被冷却至比其露点高至少1℃的温度并且在未膨胀的情况下被送至该第二塔。7.如权利要求6所述的方法，其中，在该第二压力下被纯化为水和二氧化碳的另一个空气流在该热交换器中被冷却至比其露点高至少2℃的温度并且在未膨胀的情况下被送至该第二塔。8.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该富氧液体(10)在该过冷却器中被冷却至比该富氮液体进入该过冷却器时的温度低的温度，这两种被过冷的液体各自在相应的阀中膨胀，然后被送至该第二塔(k2)。9.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该第一塔(k1)以及潜在地该第二塔(k2)仅通过气态空气流被馈送空气。10.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该第一塔(k1)和该第二塔(k2)仅产生气体流作为最终产物。11.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该热交换器(e)和该过冷却器(s)由钎焊在一起的铝板的单个本体构成。12.如前述权利要求之一所述的方法，其中，旨在用于该第一塔的、通过在该热交换器中冷却而被纯化为水和二氧化碳的空气流(11)的压力降不超过120mbar。13.如权利要求12所述的方法，其中，旨在用于该第一塔的、通过在该热交换器中冷却
而被纯化为水和二氧化碳的空气流(11)的压力降不超过100mbar。14.如前述权利要求之一所述的方法，其中，在该第一塔(k1)的中间高度处抽取的液体流在该过冷却器(s)中被过冷至中间温度并且被送至该第二塔(k2)，该中间温度介于该富氧液体在该过冷却器的出口处的温度与该富氮液体在该过冷却器的出口处的温度之间。

技术总结
一种在塔系统中通过低温蒸馏来分离空气的方法，该塔系统包括第一塔(K1)和第二塔(K2)，该第一塔在第一压力下操作，该第二塔在低于第一塔的第二压力下操作，空气流(11)在冷却后通过升向热交换器的冷端而离开所述热交换器并进入第一塔时的温度T1比空气流的露点高至少1℃、优选地高至少2℃。优选地高至少2℃。优选地高至少2℃。


技术研发人员：伯诺瓦
受保护的技术使用者：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2023/10/6