专利名称：低温空气分离的三塔系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的、用三塔系统进行低温空气分离的方法。该三塔系统包括高压塔、低压塔和中压塔。所述中压塔用作分离从所述高压塔中流出的第一富氧馏分，特别是用来生产氮，而氮则以液态形式作为回流液导入低压塔或作为产品取出。
在上述的用来分离氮氧的三塔装置中，还可以进一步附加其他的分离装置，例如附加一个用来分离氧-氩的粗氩塔、一个用来分离氩-氮的纯氩塔或一个或多个用来制备氪和/或氙的分离塔，或者非蒸馏分离的装置或后净化装置。具有附加的粗氩塔的三塔系统可以从上述的Latimer论文中以及从US 4433989、EP 828123 A或EP 831284A中等获知。
上述任务可按如下解决，即至少采用下述两种过程物流(Prozess-Strom)中的一种，作为冷凝中压塔第二氮-塔顶气的冷却液·第二液态原料空气流和/或·高压塔的中间位置液体这样，可以在中压塔-冷凝器中进行特别有效的间接换热。
本发明方法的第一种变化形式特别适用于对空气进行强力预液化的装置，而且对于高的液体产量和/或内压缩也是特别适用。对于内压缩方法，至少有一种产品(例如从高压塔和/或中压塔流出的氮、从中压塔和/或低压塔流出的氧)是以液态形式从三塔系统的一个塔中或与这样的塔相连的冷凝器中取出的，并在液态的形式下将其提高到更高的压力，与第二原料空气流进行间接热交换而被气化或(在超临界压力下)假气化，最后获得气态压力产品。在这个过程中或在接着的膨胀步骤(Entspannungsschritt)中液化了的空气被用作冷却液。气化了的第二原料空气流优选被导入低压塔中。所必需的液态空气(第二原料空气流)也可在液化装置里没有内压缩的情况下产生，例如在空气循环中产生。
此处所说的“液态原料空气”是指直接通过液化原料空气的分支物流而形成的物流，之后没有采取任何改变空气的措施。在中压塔-冷凝器的气化室中的液化和导入之间没有进行相分离。
优选地，中压塔的冷凝器采用降膜蒸发器；这样，冷却液只是部分地被气化。所生成的二相混合物被导入相分离装置，在此，气态馏分和液态成分相互分离。所说的富氧蒸气输送回中压塔，而液态成分输送到低压塔。采用降膜蒸发器可以使得液化室和气化室之间的温差特别小。这种性能有助于中压塔工作压力的优化。
一般来说，冷却液必须在间接换热的上游进行减压。在本发明中，这种减压可以有效地进行。例如，液态的或超临界状态的第二原料空气流可以导入液体涡轮机中，从该涡轮机中，第二原料空气流完全或基本上完全以液态形式溢出。
在许多情况下，在中压塔中除了导入第一富氧馏分外，导入第二加料馏分(Einsatzfraktion)是有利的；例如，所述第一富氧馏分可以是由高压塔塔底液体形成。为此，与第一富氧馏分成分不同的添加馏分(Zusatzfraktion)可以从高压塔中抽出而注入中压塔中。如果用高压塔流出的中间位置液体作为冷却液，就可以分流一部分作为进一步的加料馏分而导入中压塔中。在这种情况下，所述的添加馏分和冷却液可以从高压塔的中间位置处取出。
本发明的方法可以在没有制氩设备的情况下进行。在后一种情况下，中压塔可以用各种已知的方法进行加热，例如借助于高压塔气态氮物流的冷凝、中压塔中间馏分的冷凝或原料空气分支物流的冷凝，或者利用高压塔富氧液体的显热传输。另外一种方案是利用返回压缩的氮，对中压塔塔底进行加热，这在一份尚未公开的申请(德国专利申请10103957.3及其相应的申请)中有详细地描述。
然而，本发明的三塔系统可以以特别有利的方式与制氩设备相连；其中，可以在三塔系统之后连接一粗氩塔，粗氩塔的塔顶气可以在一粗氩-冷凝器中冷凝。优选地，所述粗氩-冷凝器也同时起着加热中压塔塔底的作用，其中，中压塔塔底液体至少在此部分地被气化，由此所形成的富氧蒸气再返回中压塔种。粗氩塔中回流液的产生和中压塔中的上升蒸气的产生可以在一个单独的换热过程中进行。因此，一个单独的冷凝器-气化器同时起二种功能是有利的。这一方面可以相对地降低装置费用，另一方面这种方法因为降低了热交换的损耗而特别节能。
优选地，冷却液通过与来自中压塔的第二氮-塔顶气进行间接地换热而至少部分地被气化；由此所形成的气态馏分导入低压塔，特别是借助于冷却通风机。
优选地，中压塔在第一富氧馏分的注入处之上至少7个理想塔板的范围内设有传质单元(Stoffaustauschelemente)，例如在所述注入处之上7至50个理想塔板之处，优选为16至22个理想塔板处。
在第一富氧馏分的注入处以下中压塔没有传质单元，或在1至5个理想塔板范围内没有传质单元。
此外，本发明还涉及一种如权利要求9所述的制备氩的装置。在权利要求10至14中则描述了该装置的优选实施方式。
在
图1所示出系统中，大气空气1在具有后冷却器3的空气压缩机2中被压缩。被压缩了的原料空气4被导入净化装置5中，该净化装置由一些分子筛-吸附器构成。被净化了的空气6的第一部分7在主热交换器8中冷却到露点。被冷却了的空气的第一部分9与另一气态空气流67混合。该混合气流在本实施例中形成“第一原料空气流”，其没有节流地通过管道10而被输送入三塔系统的高压塔11中。三塔系统除了高压塔还有中压塔12和低压塔13。
在本实施例中，高压塔11总的塔顶产物(“第一氮-塔顶气”)通过管道14被导入主冷凝器15中，在此被完全地或基本完全地冷凝。在此所形成的液态氮16的第一部分17作为回流液回流到高压塔11中，第二部分18在底部逆流冷却器19中冷却，并通过管道20、节流阀21和管道22被输送到低压塔13的顶部。
高压塔11的塔底中产生第一富氧液体，其通过管道23、底部逆流冷却器19、管道24、节流阀25和管道26作为“第一富氧馏分”注入中压塔12中。在本实施例中，中压塔12在第一富氧馏分26注入处以下没有传质单元，在注入处上方通过所安置的填料而形成传质单元，其相当于总数为22个理想塔板。
中压塔的塔底产物(“第二富氧液体”)通过管道27和控制阀28而导入粗氩-冷凝器29的气化室中，在此部分地被蒸发。这样所形成的二相混合物30被导入分离器(相分离器)31中。蒸气部分32作为“富氧蒸气”流回到中压塔12中，在中压塔中作为上升蒸气。所留下的液体33被节流(34)，作为富氧加入液35注入低压塔13中。
在中压塔12塔顶生成的第二氮-塔顶气，在本实施例中通过管道36而被全部取出，在中压塔-塔顶冷凝器37的液化室中被全部冷凝。在此所形成的液态氮38的第一部分39作为回流液回流到中压塔12中；第二部分40通过节流阀41和管道42-22输送到低压塔13的顶部和/或直接作为制备的液态产物(没有图示出)。
在低压塔13的上部区域取出的气态氮43-44-45和不纯氮46-47-48，在底部逆流冷却器19和主热交换器8中加热，并作为产品(GAN)或余气(UN2)而取出。
从低压塔13的塔底中流出的液态氧49的第一部分50-52用泵51输送入主冷凝器15的气化室并在此部分地气化。在此生成的二相混合物被输送回低压塔13的塔底液49的其余部分在内压缩泵55中被压缩到所期望的产品压力，通过管道56而输送到主热交换器8中，在此被气化或假性气化和加热，最后通过管道57作为气态压力产品(GOX-IC)而输出。用内压缩法可以达到任一所期望的产品压力，例如可达到3-120bar的压力。
用于(假性-)蒸发内压缩了的氧56所必需的热量可由原料空气的第二部分62所提供，这部分空气是通过管道58从已净化了的空气6中分流出来的，其在一个具有后冷却器60的后压缩机59中压缩到所需的高压，通过管道61而输送到主热交换器8中。原料空气的第二部分至少部分地作为“第二原料空气流”通过管道75、底部逆流冷却器19、管道76、节流阀77和管道78而被输送入中压塔的顶部冷凝器37的气化室，而不用预先采用相分离或其他的改变浓度的措施。其在中压塔-冷凝器37部分地被蒸发。所形成的二相混合物79被导入分离器(相分离器)中。蒸气部分81流入低压塔13。留下的液态部分82通过阀83也被注入(84)低压塔13中。注入口位置低于不纯氮气取出口46，并高于中压塔塔底液的注入口35。
深冷了的高压空气62的其余部分被调节(63)到高压塔-压力，通过管道64而导入高压塔11。注入气态空气10的注入口优选为位于高于高压塔塔底上方数个理想塔板的地方。
净化了的原料空气6的一部分65与第二部分62一起被后压缩并且被导入主热交换器8中(58-59-60-61)，然后又在中间温度下被取出而被输入一膨胀机66中，在本实施例中该膨胀机为发电机-涡轮机。被有效膨胀了的原料空气的第三部分67与第一部分9一起作为“第一原料空气流”10而导入高压塔11。
低压塔13通过气体管道68和液体管道69与粗氩塔联接。通过管道68，气态的含氩馏分被导入粗氩塔中，在此，粗氩塔顶馏分和富氧的塔底液互相分离。在本实施例中，气态的粗氩塔顶馏分71的第一部分72作为粗氩的制成产品(GAR)。该粗氩还可以进一步纯化，例如在纯氩塔(未图示出)中纯化。其余部分73在粗氩-冷凝器29中完全地或基本完全地被液化，通过管道74作为回流液而回流到粗氩塔70的塔顶。
在本实施例中，所用的三个冷凝器-气化器15、29、37都是降膜蒸发器。在本发明中，其中每个都可用其他类型的气化器代替，例如循环气化器(吸热气化器)。例如如果将粗氩-冷凝器装备成循环气化器，那么循环气化器就能直接安置在中压塔12的塔底内。这样，粗氩塔70和中压塔12就可能在装置上设置成双塔，并且例如可被安放在一个共同的容器中。
而这正是本发明的主要优点，即在此位置用降膜蒸发器，利用它的小的温差去最佳化塔的压力。如果低压塔13、中压塔12、粗氩-冷凝器29和粗氩塔70以在图中所示那样互相联接安装，那么甚至连对于降膜蒸发器所必需的循环泵(见用于主冷凝器15的泵51)都可省去。液体只基于静力学的压力就能通过管道27、30、33、35从中压塔12流出，通过粗氩-冷凝器流入低压塔13。对于液化方面也不需要泵。
各塔的工作压力(塔顶压力)为高压塔11例如为4至12bar， 优选为大约6bar中压塔12例如为1.2至2bar， 优选为大约1.4bar低压塔13例如为1.2至2bar， 优选为大约1.6bar图2所示的工作流程中，中压塔12有较少的理想塔板，例如12。所以塔顶产物36和在中压塔的塔顶冷凝器37中所形成的液体38、39、40所具有的纯度比高压塔或主冷凝器中流出的氮要低，这种液体通过管道222而流入低压塔顶部。所以在41被节流了的液态中压塔-氮242在中间处导入低压塔，在本图所示的实施例中约在不纯的氮取出口的高度处。
在图3中，总的中压塔-氮40没有作为在中压塔12的回流液39，而是作为液体产物(LIN)通过管道342而取出。所以中压塔的塔板数可根据产品的要求而设定。因为没有中压塔氮导入低压塔，中压塔中产品纯度与高压塔11和低压塔13的塔顶馏分的浓度无关。相反地低压塔的产物也不受中压塔工作时可能的波动的影响。
由于温度差、压力差和浓度，中压塔12塔顶冷凝器37的蒸发侧的压力，可比低压塔13的工作压力低。在这种情况下，如果从分离器80流出的蒸气81用冷通风机485压入低压塔中，如图4所示，那么还是可以采用图2的冷凝器排列布置。
图5所示的实施例示出了另一种根据图1的方法的变化。在此，总的深冷的高压空气通过管道564而输送入高压塔中。用于中压塔的塔顶冷凝器37的冷却液由高压塔的中间液体575构成，该中间液体通过底部逆流冷却器19、管道576、节流阀577和管道578而被输送。塔顶冷凝器37的气化室下游的物流途径(579至584)类似于图1。在本实施例中，中间液体575在稍高于液态空气564的注入口的位置抽取。两处开口之间的距离优选为大约2至10个理想塔板。抽取口也可选择位于液态空气注入口的高度位置或稍低的位置。
在图6中，第二原料空气流676在导入678中压塔的塔顶冷凝器37的气化室之前不是通过节流阀(在图1中的77)膨胀，而是在液体涡轮机677里膨胀。在本实施例中涡轮机所做出的功用发电机转变成电能。在图6的实施例中，所用深冷的高压空气62都被导入液体涡轮机677中，再接着导入塔顶冷凝器37中。没有液态空气流入高压塔11中。
图7中所示出的方法与图5所示的不同，不是从高压塔中流出的总的中间液体775、776都通过777-778而输送入中压塔的塔顶冷凝器37的气化室，而是一部分786-787-788作为“添加馏分”流入中压塔内部。添加馏分788的注入口位于高压塔塔底液的注入口26的上方；总的中间液体775、776也可选择全部流入(788)中压塔12中。用于中压塔-塔顶冷凝器37的冷却液也可以是其他的液体，例如液化了的原料空气(例如见图1)、高压塔-塔底液、高压塔的另一中间位置的液体或中压塔或低压塔的富氧液体。
如专业人员可直接看出的那样，在本发明的范围内，完全可以将这些实施例中所描述的各个特点进行进一步的联合。
权利要求
1.一种用三塔系统进行低温空气分离的方法，该三塔系统具有高压塔(11)、低压塔(13)和中压塔(12)，在该方法中(a)第一原料空气流(10、64、564)被导入高压塔(11)中，在该高压塔中分离为第一富氧液体和第一氮-塔顶气；(b)来自高压塔(11)的第一富氧馏分(23、24、26)被导入中压塔(12)中，在该中压塔中分离为第二富氧液体和第二氮-塔顶气；(c)从高压塔和/或中压塔(12)流出的第二富氧馏分(33、35)被导入低压塔(13)中，在该低压塔中分离出第三富氧液体和第三氮-塔顶气，(d)从低压塔(13)中取出氮产物物流和/或氧产物物流；(e)从中压塔(12)流出的第二氮-塔顶气的至少一部分(36)，通过与冷却液(78、578、678、778)进行间接热交换(37)，而至少部分地被冷凝；其特征在于，(f1)将第二原料空气流(62、75、76、676)液化，接着作为用于冷凝从中压塔(12)流出的第二氮-塔顶气(36)的冷却液(78)和/或(f2)从高压塔(11)中间位置流出的液体(575、576、775、776)被用作冷凝从中压塔(12)流出的第二氮-塔顶气(36)的冷却液。
2.根据权利要求1的方法，其中，冷却液(78、578、678、778)在间接热交换(37)时只是部分地被气化，所形成的二相混合物(79、579)被导入相分离装置(80、580)中，在该装置中气态馏分(81、581)和液态成分(82、582)被相互分离。
3.根据权利要求1或2之一的方法，其特征在于，冷却液(678)在间接热交换(37)的上游处被有效地减压(677)。
4.根据权利要求1-3之一的方法，其中，从高压塔(11)中抽出与第一富氧馏分(26)组成不同的添加馏分(786、788)而注入中压塔(12)中。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，从高压塔(11)的中间位置取出(775、776)所述的添加馏分(786、788)和冷却液(788)。
6.根据权利要求1-5之一的方法，其特征在于，来自所述三塔系统的含氩馏分(68)导入粗氩塔(70)中，在该粗氩塔中分离为粗氩-塔顶馏分和富氧液体，其中，在粗氩-冷凝器的下游，将来自粗氩塔(70)上部区域的馏分(72)和/或粗氩-塔顶馏分的一部分取出，作为粗氩产品。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将粗氩-塔顶馏分(71)的至少一部分(73)导入粗氩-冷凝器(29)中，在该处通过与来自中压塔(12)的第二富氧液体的至少一部分(27)进行间接热交换，而至少部分地被冷凝；其中，特别将粗氩-冷凝器(29)中形成的富氧蒸气(32)返回中压塔(12)。
8.根据权利要求1-7之一的方法，其特征在于，冷却液(78、578、678、778)通过与来自中压塔(12)的第二氮-塔顶气(36)进行间接地热交换而至少部分地被气化，由此所形成的气态馏分(81、581)导入低压塔(13)中，特别是借助于冷却通风机(485)进行导入。
9.一种用三塔系统进行低温空气分离的装置，该三塔系统具有高压塔(11)、低压塔(13)和中压塔(12)，包括(a)将第一原料空气流导入高压塔(11)的第一原料空气-管道(10、64、564)；(b)将从高压塔(11)流出的第一富氧馏分导入中压塔(12)的第一粗氧-管道(23、24、26)；(c)将从高压塔和/或中压塔(12)流出的第二富氧馏分导入低压塔(13)的第二粗氧-管道(33、35)；(d)至少一种用于氮产物物流和/或氧产物物流的产品管道；以及(e)中压塔-冷凝器(37)，其液化室与中压塔(12)的上部区域相连(36)；其特征在于，所述中压塔-冷凝器(37)具有一个气化室，该气化室与冷却液的管路(78、578、678、778)相连，其中所述的管路又与(f1)用于液化原料空气流(62、75)的第二原料空气-管路(62、75)和/或(f2)高压塔(11)的中间位置相连(76、676、575、576、775、776)。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，在管路(676、678)中设置液体涡轮机(677)。
11.根据权利要求9或10的装置，其特征在于，该装置还具有用于加入添加馏分的添加管路(775、776、786、788)，即从高压塔(11)中抽出与第一富氧馏分(26)组成不同的添加馏分而注入中压塔(12)中的管路。
12.根据权利要求9-11之一的装置，其特征在于，用于中压塔-冷凝器(37)的管路(775、776、778)与所述添加管路(775、776、786、788)至少部分地由总管路(775、776)构成。
13.根据权利要求9-12之一的装置，其特征在于，所述的中压塔-冷凝器为降膜蒸发器。
14.根据权利要求13的装置，其特征在于，在所述的中压塔-冷凝器(37)的下游设置相分离装置(80、580)，其蒸气室与低压塔(13)相连(81、581)，特别是通过冷却通风机(485)与之相连。
全文摘要
本发明涉及用于进行低温空气分离的三塔系统,该三塔系统具有高压塔(11)、低压塔(13)和中压塔(12)。第一原料空气流(10、64)被导入高压塔(11)中,在此分离出第一富氧液体和第一氮－塔顶气。从高压塔(11)流出的第一富氧馏分(23、24、26)被导入中压塔中,在此分离出第二富氧液体和第二氮－塔顶气。从高压塔和/或中压塔(12)流出的第二富氧馏分(33、35)被导入低压塔(13)中,在此分离出第三富氧液体和第三氮－塔顶气。从低压塔(13)流出的含氩馏分(68)被输送入粗氩塔(70)中,在此分离出粗氩－塔顶馏分和富氧液体。至少一部分(73)粗氩－塔顶馏分被导入粗氩－冷凝器(29),在此与至少一部分(27)从中压塔(12)流出的第二富氧液体进行间接热交换而至少部分地被冷凝。在此所生成的富氧蒸汽(32)回流入中压塔(12)中。从粗氩塔(70)上部区域流出的馏分(72)和/或一部分在粗氩－冷凝器下游的粗氩－塔顶馏分作为氩制成产品。
文档编号C01B23/00GK1375676SQ0210792
公开日2002年10月23日 申请日期2002年3月21日 优先权日2001年3月21日
发明者格哈德·蓬普尔 申请人:林德股份公司