专利名称：通过低温空气分离得到压缩氧气的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的通过低温空气分离得到压缩氧 气的方法。
背景技术：
以至少两种可以切换的吸附容器的形式为空气分离设备的进料空气提供净化设 备是众所周知的。待净化的进料空气流经其中一个容器，同时另一个可被热再生(变温吸 附=TSA)。当空气中移除的杂质被热的再生气体逐出时，吸附介质必须被再一次冷却。为 了这个目的，将容器充满干燥冷却气体。然后，为了积累压力，可通入空气并且最终被转换。
“主换热器”用于冷却与蒸馏塔系统的回流间接进行热交换的进料气体。它可以由 单个或多个并联和/或串联换热器部件，如一个或多个板式换热器块形成。
用于受热的残余气体流的膨胀设备优选由膨胀涡轮形成。它可以例如通过发电机 制动。
最初在美国专利US5040370中提到该类型的方法。这里，残余气体流被600°C的 流体加热，作功式膨胀(work-producingly expanded)并且显然不能被进一步地更好利用。 可选择地，已经用作再生气体的残余气体被用作膨胀机的附加进料。发明内容
本发明的目的是提供一种可以特别有利地、积极地操作的方法及相应的设备。
这个目的通过权利要求1中所述的特征来实现。在这种情况下，残余气体流仅被 加热到中等温度。这最初看起来是不利的，因为由此理论上在膨胀机上可回收较少的能量。 然而，在本发明中，已经证明由此可实现特别有利的操作净化设备和特别有效地使用剩余 热。
在本发明中，残余气体加热器以相对低的出口温度运行。因此残余气体流也以特 别低的温度例如5°C -350C，尤其是约20°C的温度从膨胀机离开。作功式膨胀的残余气体可 以被直接用作，也就是说不需要进行额外冷却地用作，冷却气体。
本发明的另一个优势在于，作为残余气体加热器的加热介质，可使用另外原本无 价值的流体，如消耗压缩氧气产品的工艺中的残余气体流，如具有上游煤气化或重油气化 的发电厂工艺(整体联合循环=IGCC)。在许多情况下，使用原本毫无价值的约100°C的加 热介质就足够了。其残余热通过残余气体的膨胀可被有利地利用。甚至可考虑利用本来传 递给冷却水的主气体压缩机或气体再压缩机的废热,来加热残余气体。
当净化设备中的一个容器处于冷却循环时，残余气体流用作冷却气体当然经常发 生。在其它时候，作功式膨胀的残余气体(在相应的进一步加热之后)可被用作再生气体 和/或排放到环境中。总的来说，实现了空气分离器总效率的改进。
原则上，富氧流可以气态形式从低压塔中离开，并且在稍微低于低压塔的操作压 力的情况下获得，或者在主换热器中加温后，在氧气压缩机中升至较高的产品压力。然而，在很多情况下使用内压缩更方便，那样富氧流以液态从低压塔离开，在液态下升至高压，并且在主换热器中蒸发或在超临界压力水平下伪蒸发。氧气压缩机在热的条件下可以省掉。作为蒸发(在次临界压力)或伪蒸发(在超临界压力)的加热介质，优选使用被升至明显高于高压塔运行压力的压力下的第二进料空气流。依据本发明的方法的另一个实施方案中，来自低压塔的富氮产品流在主换热器中被加热，然后得到压缩氮气产品。热的压缩氮气产品在供给用户或管道前可以在氮气压缩机中被进一步压缩。或者，或者此外，氮气产品可以从高压塔或氮氧分离的蒸馏塔系统中的另一个塔中排出，并且被加热后，供给用户或产品压缩机。富氮产品流可以和残余气体流一起从低压塔中被排出，并在主换热器中被加热。或者，残余气体流在位于产品流的排出口下部的低压塔的中间点被单独排出，并单独通过主换热器。压缩氮气产品可以通过从氮气-氧气分离的蒸馏塔系统的主冷凝器的液氮的内压缩以例如50-80巴的小高压流的形式进一步获得。换热损失的补偿和液态产品生产所需的制冷，在本发明的方法中通过一个或多个膨胀机产生，其中所述膨胀机通常由膨胀涡轮形成。例如，至少第一进料空气的一部分在进入到高压塔之前可被作功式膨胀。本发明进一步涉及权利要求4的设备。依据本发明的设备可以通过相对应的从属方法权利要求的特征进行补充。
本发明及本发明进一步的细节将在之后结合附图中所示的示例性实施方案更加具体的描述。图1示意说明了本发明的一个实施方案。
具体实施例方式所有进料空气在主空气压缩机中被压缩成第一压力，所述第一压力稍微高于高压塔压力，这里是约12巴，然后预冷到大约环境温度(都未在图中示出)。预冷的压缩空气I进入到包含两个容器的净化设备2中，每个容器包含分子筛作为吸附介质。净化的进料空气4的第一分流以约第一压力被引入到主换热器中，在该示例性实施方案中，所述主换热器由三个平行块5，6，7组成，每一个平行块都由一个或多个板式换热器形成。冷却的第一分流8，9是“第一进料空气流”10的一部分，以气体状态被引入到氮气-氧气分离的蒸馏塔系统的高压塔11的底部，所述蒸馏塔系统此外还包括低压塔12和主冷凝器13。在这个特定的示例性实施方案中，用于氮气-氧气分离的蒸馏塔系统，还包括以中间压力运行的中压塔14。在每种情况下塔的运行压力，具体最高为高压塔约12巴中压塔约7巴低压塔约3巴
净化的进料空气3的第二分流15在带有后冷却器17的再压缩机16中被再压缩 成约50-90巴(其压力主要取决于氧气的内压缩压力)的第二压力，并且用于第一部分18 作为涡轮气流。这在主换热器块6中被冷却到中间温度，通过管路19被再一次排出，在涡 轮发电机20中膨胀到差不多高压塔的压力，并最终通过管路21被送入到第一进料空气流 10中。
高压空气的第二部分22为内压缩提供热量(参见下面进一步地描述)并且在主 换热器6中伪液化，接着在液体涡轮23中作功式膨胀，并最终以液态通过管路23充分流入 高压塔的中间位置。液体的一部分24可被引入到低压塔12中，和/或经由过冷逆流换热 器25和管路26或27进入到中压塔14。
净化压力的第三分流28和29最终流入到主换热器块5中，在那里在大致第一压 力下被冷却，并且也形成第一进料空气流10的一部分。
此外，另一部分30可被用作仪表气源或者供应到临近的设备。
高压塔11的气态塔顶氮气31在主冷凝器13中被低压塔12蒸发的底部液体冷凝 成第一部分32。第二部分33在中压塔14的底部蒸发器中被冷凝，所述中压塔由降膜式蒸发 器(顶部)和浴式蒸发器(底部)的组合形成(原则上，在本发明中，任何形式的冷凝器一 蒸发器都可以用作主冷凝器或作为中压塔的底部蒸发器，如浴式蒸发器，还可以是圆盘蒸 发器或纯降膜式蒸发器，或这些的组合)。在两个冷凝器13，34中形成的液态氮32、35，由 管路36应用到第一部分，作为高压塔11的逆流。剩余物37在过冷逆流换热器25中被冷 却，并经由管路38得到液体产品(LIN)。
气态纯净塔顶氮气31的第三部分60在主换热器块5中被加热到差不多环境温 度。热的压缩氮气61的第一部分62用作中等压力产品(MPGAN)或密封气体；作为第二部 分，其在具有后冷却器64的纯净氮气压缩机63中被进一步压缩，并最终得到高纯度的高压 产品(HPGAN)。
从稍微低于顶部的中间点，经由管路39，液态不纯氮从高压塔11中被排出，在过 冷逆流换热器25中被冷却，经由管路40作为低压塔的逆流。
从高压塔11的底部，原氧41以液态的形式被排出，并在过冷逆流换热器25中被 低温冷却。过冷原氧42的一部分经由节流阀43被引入到低压塔12，另一部分经由节流阀 44被引入到中压塔14，在每种情况下都位于中间点。
进一步富氧化的中压塔14的底部流45冷却中压塔顶部冷凝器46。在这种情况 下，产生的蒸汽47和剩余的液体48经由管路49流入到低压塔。中压塔顶部冷凝器46被 构造成逆流冷凝器，并且冷凝中压塔的塔顶蒸气。产生的液体，如果不被用作中压塔14的 逆流，则经由管路50进入到低压塔的顶部。
从低压塔的底部，纯度为90-99摩尔％的液态氧51作为“富氧流”被排出，并作为 第一部分52、53，在过冷逆流换热器25中部分过冷后，得到液态产品(LOX)。主要部分54 进入到内压缩，以液态由泵55升至30-110巴的高压。第一部分56在主换热器6中在这个 压力下被(伪)蒸发，并最终经由管路57得到第一压缩氧气产品(GOX-1Cl)。剩余物58在 60-100巴的较低压力下被(伪)蒸发，并经由管路59得到第二压缩氧气产品(G0X-1C2)。
从低压塔12的顶部，氮气含量为97-99摩尔％的不纯的氮气经由管路65被排出， 在过冷逆流换热器25中被加热，并进一步经由管路65/66和67/68在主换热器6，7中再被加热到差不多环境温度。热的不纯的氮气的第一部分形成了残余气体流69。残余物在具有后冷却器71的不纯氮气压缩机70中被压缩，并最终得到低纯度的高压产品(HPGAN)。
依据本发明，残余气体流69在残余气体加热器72中被加热到差不多环境温度，但是低于250°C。在该示例性实施方案中，加热的残余气体流73的温度约是100°C。这被引入到发电机一制动的膨胀涡轮机74。作功式膨胀的残余气体流75具有20°C的温度，在制冷循环中，至少部分经由管路76和78作为冷却气体被引入到净化设备中。此外，还可以经由管路77被排到空气中或在净化设备2中经由再生气体加热器79和再生气体管路80作为再生气体使用。
权利要求
1.一种在氮气-氧气分离的蒸馏塔系统中通过空气的低温分离得到压缩氧气的方法， 所述蒸馏塔系统包括至少一个高压塔(11)和一个低压塔(12)，其中-低压塔(11)以最高为至少1. 5巴的运行压力运行，-第一进料空气流在净化设备(2)中被净化，并在主换热器(5，6，7)中被冷却，-冷却的第一进料空气流(10)进入到高压塔(11)中，-富氧流(54，56，58)以液态从低压塔(12)中被排出，以液态升至高压(55)，并且在主换热器(5，6，7)中被蒸发或伪蒸发并被加热，-得到加热的氧气流(57，59)作为压缩氧气产品，-来自低压塔(12)的富氮残余气体流在主换热器(5，6，7)中被加热，-在主换热器(5，6，7)中被加热的残余气体流￠9)在残余气体加热器(72)中通过与加热介质间接热交换而被加热，-加热的残余气体流(73)在膨胀机(74)中作功式膨胀，其特征在于-残余气体加热器(72)的加热介质由工艺流形成，所述工艺流不是由氮气一氧气分离的蒸馏塔系统产生的，-膨胀机(74)由发电机制动，-从残余气体加热器(72)排出的残余气体流出口温度低于250°C，尤其低于200°C，尤其低于150°C，和，-作功式膨胀的残余气体流(75)的至少一部分(78)在净化设备(2)中被用作冷却气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，富氧流(54)从低压塔(12)中以液态排出， 以液态升至高压，并在主换热器(5，6，7)中蒸发或伪蒸发。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，来自低压塔(12)中的富氮产品流在主换热器(5，6，7)中被加热，然后得到压缩氮气产品￠1,68)。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，残余气体加热器(72)中的加热介质将残余热传递给富氮残余气体流(69)，其中该残余热由消耗压缩氧气产品的工艺产生，尤其是由残余流产生。
5.一种使用氮气一氧气分离的蒸馏塔系统通过空气的低温分离得到压缩氧气的设备， 所述蒸馏塔系统包括至少一个高压塔(11)和一个低压塔(12)，所述设备-具有净化设备(2)，用于净化第一进料空气流，-具有主换热器(5，6，7)，用于冷却净化的第一进料空气流，-具有用于将冷却的第一进料空气流(10)引入到高压塔(11)的装置，-具有用于将以液态从低压塔(12)中排出的富氧流(54，56，58)升高压的装置(55)， -具有用于将高压下的富氧流(54，56，58)引入到主换热器(5，6，7)中的装置，-具有用于将在主换热器(5，6，7)中蒸发或伪蒸发并加热的氧气流(57，59)作为压缩氧气产品排出的装置，-具有用于将来自低压塔(12)的富氮残余气体流引入到主换热器(5，6，7)中的装置， -具有残余气体加热器(72)，用于通过与加热介质间接热交换加热在主换热器(5，6， 7)中被加热的残余气体流(69)，-和具有膨胀机(74)，用于作功式膨胀被加热的残余气体流(73)，其特征在于-具有用于将作功式膨胀的残余气体流(75)的至少一部分(78)作为冷却气体引入净化设备(2)的装置，其中-残余气体加热器(72)的加热介质由工艺流形成，所述工艺流不是由氮气-氧气分离的蒸馏塔系统产生，-膨胀机(74)由发电机制动。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述设备具有用于将富氧流(54)从低压塔 (12)中以液态排出的装置，用于将液态富氧流(54)的压力升至高压的装置，和用于将在高压下的富氧流引入到主换热器(5，6，7)中的装置。
7.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述设备具有用于将来自低压塔的富氮产品流引入到主换热器(5，6，7)中，并将在换热器(5，6，7)中被加热的富氮产品流作为压缩氮气产品(61，68)排出的装置。
8.如权利要求5-7之一所述的方法，其特征在于，残余气体加热器(72)中的加热介质将残余热传递给富氮残余气体流(69)，其中该残余热由消耗压缩氧气产品的工艺产生，尤其是由残余流广生。
全文摘要
本发明涉及在氮气—氧气分离的蒸馏塔系统中通过空气的低温分离得到压缩氧气的方法和设备，所述蒸馏塔系统包括至少一个高压塔(11)和一个低压塔(12)。低压塔(11)以最高为至少1.5巴的运行压力运行。第一进料空气流在净化设备(2)中被净化，并在主换热器(5，6，7)中被冷却。被冷却的第一进料空气流(10)进入到高压塔(11)中。来自低压塔(12)的富氧流(54，56，58)在主换热器(5，6，7)中被加热。得到加热的氧气流(57，59)作为压缩氧气产品。来自低压塔(12)的富氮残余气体流在主换热器(5，6，7)中被加热。在主换热器(5，6，7)中被加热的残余气体流(69)在残余气体加热器(72)中通过与加热介质的间接热交换被加热。被加热的残余气体流(73)在膨胀机(74)中作功式膨胀。从残余气体加热器(72)排出的残余气体流出口温度低于250℃，尤其低于200℃，尤其低于150℃。作功式膨胀的残余气体流(75)的至少一部分(78)在净化设备(2)中被用作冷却气体。
文档编号F25J3/04GK102997617SQ20121037508
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月10日 优先权日2011年9月13日
发明者T·劳滕施莱格 申请人:林德股份公司