带有冷箱的便携式包装和用于制造低温空气分离系统的方法
【专利摘要】本发明涉及一种带有冷箱（51)的便携式包装，在其内部设置低温空气分离系统的至少一个双柱，所述双柱具有彼此上下布置的高压柱（3)和低压柱（5)。所述高压柱（3)和所述低压柱（5)容纳质量传递元件。所述质量传递元件在所述低压柱（5)的至少一个亚区（A，B，C，D，E)内通过由折叠金属片制成的有序填料形成。所述金属片具有0.2mm或更小的片材厚度。所述有序填料具有至少lOOOmVm3的比表面积。至少在所述高压柱(3)的亚区内所述质量传递元件通过彼此上下布置且具有小于195mm特别是小于180mm间隙的矫正板形成。本发明还涉及一种使用这种便携式包装制造低温空气分离系统的方法。
【专利说明】带有冷箱的便携式包装和用于制造低温空气分离系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述带有冷箱的用于低温空气分离系统的便携式包装。
【背景技术】
[0002]这种单元通常地被术语称为“填料单元”(PU)并且例如在EP1041353B1或US2007199344A1 中有描述。
[0003]用于低温分离空气的方法和装置通常是已知的，例如从Hausen/Linde于1985年第二版的Tieftemperaturtechnik(低温技术)中第4章(第281-337页)可得知。
[0004]蒸馏柱系统在本发明可被构造为二柱系统特别是传统的Linde双柱系统或者三柱或更多柱系统。除了用于氮-氧分离的柱外，它还可具有用于制造高纯度产品和/或其它空气成分特别是稀有气体的其它装置，例如用粗氩柱和可选地用粗氩柱的氩制造和/或氪-氙制造。
[0005]通常地，在空气分离系统中，使用常规矫正板例如泡-盖板或筛板或250至最大750m2/m3比表面积(填料密度)的有序填料。下面，术语“填料的比表面积”和“填料密度”被同义地使用。特别“致密的”填料因此具有特别高的比表面积。
[0006]“冷箱”此处意味着绝热外罩，其完全用外壁包裹出隔热内部空间；在所述内部空间内，将被绝热的系统零件被设置，其例如一个或多个分离柱和/或热交换器。绝热作用受到外壁的相应构型的影响和/或通过用绝热材料填充在系统零件与外壁之间的中间空间中可以影响绝热作用。在后一变型的情形下，优选使用粉状材料例如珍珠岩。不仅用于低温空气分离系统的氮-氧分离的蒸馏柱系统，而且主热交换器和其它低温系统零件必须被一个或多个冷箱所包裹。在预制系统的情形下，冷箱的外部尺寸通常确定了包装的运输尺寸。冷箱的“高度”意味着基于冷箱在系统操作中的定向在竖直方向上的尺寸；“横截面”是垂直于其的表面(水平面)。在运输期间，冷箱的高度确定了运输长度、横截面运输高度和横截面运输宽度。
[0007]通常在与空气分离系统的安装地点相距甚远的工厂里制作PU。这就允许基本的预制并且因此最小化了在其中频繁发生非常艰难状况的安装地点处的制造费用。预制包装或多个预制包装从工厂运输至安装地点，带有一个或多个分离柱的冷箱包装水平设置。对于这种运输来说，存在对于包装长度和宽度的限制。当所述柱至少部分配备有有序填料时该技术迄今为止仅用于中等尺寸的空气分离系统中，因为填充柱通常要求比板式柱更大的高度；750_类型的填料的HETP值(HETP =理论板高)显著大于筛板。用相对较低的预制程度制造带有填充柱的较大系统；特别地，直到在安装地点处才构造冷箱。可选地，使用专用的常规矫正板；虽然这允许单位柱高度有相对较高的容量，但与填充柱相比它导致可追溯的能量消耗增加。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是将在开始时提及类型的便携式包装设计成使得它还可适用于带有柱-冷箱整体上的预制至今不能实现的容量的低温空气分离系统，其中应当实现系统的更有效的能量消耗。
[0009]通过本专利的权利要求的特征部分实现该目的。
[0010]虽然已经提出使用750m2/m3和更大的填料密度的有序填料，以减小柱的高度(例如参见EP636237B1 = W09319336A1 = US5613374)，这种填料一般由铝制成，在PU的情形下，迄今未使用过这种致密填料，因为致密填料的同时增加了柱的横截面，由此与此相关地包装的运输宽度超出容许值。
[0011]在本发明的上下文中，现在发现即使填料密度很高，通过利用特别低的片材厚度的填料也能实现基于柱横截面的惊人高容量值；反之亦然，这意味着柱相对较低的直径用于特别低的高度。此外在本发明中，通过在那里安装矫正板特别是筛板、更确切地说具有小于125mm的特别低板距(从板顶侧至相邻板顶侧来测量的板距)的筛板，实现了高压柱特别低的高度。例如，在本发明的背景中，在低压柱中使用具有至少100mVm3密度的专用有序填料，并且高压柱容纳全部具有比125mm更低板距的专用筛板。
[0012]在本发明的情形下与冷箱包装有关的是，虽然柱和空气分离系统具有高容量，但不仅运输宽度而且运输高度具有相对低的值。能够甚至预制具有形为开头提及的上述类型包装的相对较高容量空气分离系统的优点是极大的，使得通过利用专用的填料和极低的板距很容易调整增加的成本。
[0013]在本发明中，如果例如低压柱的至少一个部段完全填充权利要求1所述类型的填料，则可能是有益的。然而，本发明还可由于这个事实而实施:其中使用该特定的填料的亚区仅仅在低压柱的一个部段的一部分之上延伸并且在该部段的其余部分中安装其它质量传递元件。
[0014]在本发明中，高压柱和低压柱被设置为彼此上下布置的双柱的形式，其中双柱被设置在冷箱内部。优选被构造为冷凝器-蒸发器的主冷凝器位于高压柱与低压柱之间或低压柱的贮槽内，双柱经由主冷凝器处于热交换连接中。术语“顶部”、“底部”、“上”和“下”此处指的是处于安装待操作状态下冷箱的设置。
[0015]对于包装中柱的数量，本发明可采用各种变型，例如如下变型:
[0016]-包装仅仅容纳双柱并且没有其它分离柱。
[0017]-除了双柱之外包装还容纳紧挨着低压柱设置的粗氩柱和可选的纯氩柱。
[0018]-除了双柱之外包装还容纳紧挨着低压柱设置的混合柱，其中低压柱的液态氧产品在与一部分进给空气直接质量传递时蒸发了并且最终产生污氧气体产品。
[0019]-除了双柱之外包装还容纳紧挨着低压柱设置的中压柱(闪式柱)，其中来自高压柱的粗氧被进一步氮-氧分离。
[0020]在本发明的上下文下，特别是高压柱、主冷凝器和低压柱以传统林德双柱的方式被彼此上下地设置。
[0021]如果使用粗氩柱，这可能是如EP377117B2 = US5019145所示的单部件式类型或例如EP628777B1 = US5426946所示双部件的多部件式类型。
[0022]优选地,高压柱内蒸懼柱板的板距在80-155mm之间，特别是95_130mm之间。
[0023]此外在冷箱中可能设置粗氩柱。在另一个应用中，冷箱除了双柱之外不容纳其它分离柱。
[0024]如果冷箱的高度小于47米是特别有益的。由此可获得包装小于47.5m的运输长度。根据运输状况，在本发明的上下文中还可获得最大40-43米的冷箱高度。在特定优选实施例中，冷箱高度在29-47米之间，特别是35-43米之间。这种情况下，冷箱还可容纳用于从设置在低压柱顶部处或其上的主冷凝器分离的液氮的分离器(相分离器)。
[0025]优选地，冷箱截面的“最小直径”不超过4.25米并且优选小于4.15米。由此可获得分别小于4.30或者小于4.20米的包装运输高度。
[0026]“冷箱横截面的最小直径”表示确定与移动方向垂直的两个运输尺寸中较小那个(通常为运输高度)的线性延伸范围。该最小直径例如在矩形横截面的情形下通过较小边长形成，在方形横截面的情形下通过正方形的边长形成，并且在圆形横截面的情形下通过圆的直径形成。在特定优选实施例中，该“最小直径”在2.5-5米之间，特别是3-4.2米之间。
[0027]垂直于其的冷箱横截面的直径优选小于5.95米特别是小于4.95米。该值确定了垂直于移动方向的两个运输尺寸中较大的那个，通常为运输宽度。因此它使得能够获得分别小于6.0米或小于5.0米的运输宽度。所述直径尺寸例如在2.0-6.0米之间，特别是
3.0-5.0米之间。
[0028]此外，优选如果在冷箱(或在另一冷箱——気箱)内设置粗氩柱，该粗氩柱具有被构造为冷凝器-蒸发器的顶部冷凝器，其中顶部冷凝器的蒸发空间经由两相管连接于低压柱，并且两相管被构造成使得在低温空气分离系统的运行中不仅气体而且液体在相同进给点处从顶部冷凝器的蒸发空间流入低压柱。在这种情形下，节省了低压柱内必须的分配器和收集器的高度。为了最小化填充柱内的高度，气体和液体从氩系统被进给至相同的点。与不同点处的独立进给相比节省了大约需要一米高度的分配器。在特定的临界运输长度的情形下，该变型能够提供优点，但是在加工方面它不是那么有益。在容纳粗氩柱的冷箱中，还可另外设置纯氩柱。
[0029]“冷凝器-蒸发器”标明了其中第一冷凝液流与第二蒸发液流间接热交换的热交换器。每个冷凝器-蒸发器具有分别由液化通路和蒸发通路组成的液化空间和蒸发空间。在液化空间内进行第一液流的冷凝(液化)，并且在蒸发空间内进行第二液流的蒸发。通过彼此为热交换关系的通路的群组形成所述蒸发和液化空间。
[0030]特别地，当在分离柱的贮槽内设置冷凝器-蒸发器(例如主冷凝器在低压柱的贮槽内)时，具有0.2mm或更小片材厚度的有序填料的金属片由铜组成，更精确地说，优选紧接在冷凝器-蒸发器之上。最优选地，它们具有0.1mm或更小的片材厚度。例如，从底部看紧接在冷凝器-蒸发器之上的质量传递部段首先具有100mVm3以上的5层铜填料，并且其上是超过100mVm3的15层铝填料。
[0031]由于铜的机械材料性质，可产生带有极低片材厚度的非常致密填料而不会出现制造和质量问题，在低厚度铝片材的情形下这是可能发生的。
[0032]“铜”在此处意味着钝铜或含铜量至少67%、优选至少80%、最优选至少90%质量百分比的合金。特别地，术语“铜”包括在EIGA文献IGC Docl3/02/E的附件C中名为“铜”和“铜-镍合金”的所有材料(由European Industrial Gases Associat1n出版的EIGA-氧气管路系统-1GC Doc 13/02/E中的“铜” / “铜-镍合金”)。
[0033]优选地，由铜制成的有序填料具有大于1000m2/m3、特别是大于1150m2/m3的比表面积。例如其填料密度可为1200或1250m2/m3。
[0034]当低温空气分离系统被设计成在标准操作中处理大于1000NmVh和小于250000Nm3/h的进给空气时，采用本发明是特别有益的。
[0035]本发明还涉及根据权利要求10所述的用于制造低温空气分离系统的方法，其中使用上述便携式包装并且在运输至安装地点后连接至用于压缩进给空气的空气压缩机、连接至用于压缩进给空气的净化单元和连接至用于冷却净化进给空气的主热交换器。净化单元例如被构造为分子筛吸附器。可选地，空气还可在可逆热交换器(Revex或交流换热器)中被净化；这种情况下，净化单元和主热交换器由相同设备形成。
[0036]以类似的方式，本发明及其实施例还可被用于稍微更大的系统中，其中便携式包装仅仅容纳分离柱也就是说例如低温空气分离系统的低压柱、高压柱或粗氩柱，或是由高压柱、低压柱和设置在其间的主冷凝器构成的双柱。这种情况下，内部完全预制的柱被运输至施工现场，其水平为基本上圆柱形部件并且在那里设置有绝热壳体(冷箱)。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]本发明及其更多细节将更详细地参照附图中示意性地示出的示例实施例如下所述。附图中:
[0038]图1示出根据本发明的低温空气分离系统的简化工艺流程图，
[0039]图2示出根据本发明的包装的简化侧视图，以及
[0040]图3以俯视图示出同一包装。
【具体实施方式】
[0041]在图1所示的方法中，净化空气I在4-20巴、优选5-12巴的压力下在主热交换器2中相对产品流冷却至大约露点温度，并且被导入此处具有高压柱3、低压柱5和粗氩柱15的蒸馏柱系统中。高压柱3与低压柱5经由共用的冷凝器-蒸发器4 (主冷凝器)为热交换关系。在示例实施例中，全部供给空气I被导入高压柱3。
[0042]从高压柱3取出贮槽液体6和氮7，在逆流式热交换器8中低温冷却并节流至低压柱5内。氧从低压柱经由氧产品管道9、氮产品管道10和污氮产品管道11被抽出。产品还可以至少一部分以液态被抽出。为了清楚起见，这在方法示图中未示出。
[0043]经由氩传递管道14从低压柱5的下部区域(贮槽液体管道6下面)抽出含氩的氧流，进入粗氩柱15的下部区域并且在此被分离为粗氩产品16和残余馏分17。残余馏分流回低压柱。它可经由管道14回流(如果存在相应的梯度)或如图1所示通过泵18经由独立的管道17被运输。
[0044]粗氩柱的顶部被粗氩冷凝器19所冷却，经由管道20从高压柱3被导入的贮槽液体在该粗氩冷凝器19的蒸发侧上被蒸发。蒸发馏分经由管道21被引导至低压柱。例如它可在贮槽液体管道6的高度处被导入。然而，在贮槽液体管道6的开口与氩传递管道14的接头之间的进给是特别优选的。
[0045]用已知的方式，在所述方法中，通过一个或多个工艺液流在一个或多个涡轮中的做功产生的膨胀来产生低温。这在简图中未示出。
[0046]示例实施例中的低压柱5具有通过在每种情形下由有序填料的填料部段形成的以下部段:
[0047]A纯氮部段(污氮管道11之上)
[0048]B污氮部段(由污氮管道11和贮槽液体管道6来限制)
[0049]C污氧部段(由贮槽液体管道6和用于从天然氩冷凝器19导入部分蒸发的馏分的管道21来限制)，与该图有偏差的是，该部段的填料可以利用较窄直径的整个区域，
[0050]D氩中间部段(由用于从天然氩冷凝器19导入蒸发馏分的管道21和用于在粗氩柱中分离含氩的氧馏分的抽出管道14来限制)，
[0051]E氧部段(在用于在粗氩柱中分离含氩的氧馏分的抽出管道14下面且紧接在贮槽蒸发器=主冷凝器4之上)。
[0052]在示例实施例中，以下的质量传递元件用于低压柱5的各种部段中:
[0053]A纯氮部段:由0.1Omm片材厚度的折叠金属片组成且具有大于1000m2/m3比表面积、特别是1250m2/m3的有序招填料
[0054]B污氮部段:由0.1Omm片材厚度的折叠金属片组成且具有750m2/m3比表面积的有序铝填料
[0055]C污氧部段:由0.1Omm片材厚度的折叠金属片组成且具有750m2/m3比表面积的有序铝填料
[0056]DlS中间部段:由0.1Omm片材厚度的折叠金属片组成且具有大于1000m2/m3比表面积、特别是1250m2/m3的有序铝填料
[0057]E氧部段:至少在最低部分内为由0.05mm片材厚度的在DIN EN13599中规定为Cu-DHP R200的折叠金属片组成且具有大于100mVm3特别是1250m2/m3的比表面积的有序铜填料。
[0058]粗氩柱15具有五个质量传递部段。通过由0.1Omm片材厚度的折叠铝片组成且具有大于1000m2/m3、特别是1250m2/m3比表面积的有序填料在示例实施例中形成所有这些部段。
[0059]高压柱3容纳专门的筛板。示例中的板距是123mm的常数。
[0060]在不同于示例实施例的一个或多个上述列出的低压柱的部段内，还可使用不同类型的质量传递元件的组合，例如不同比表面积或不同片材料的有序填料的组合或有序填料和常规矫正板的组合。
[0061]在不同于图1所示的实施例中，待分离的某些空气由于做功导致在涡轮机内膨胀，并且绕过高压柱3内的初步分离，例如在部段C与D之间或在部段B与C之间被直接喷射进入低压柱5内。在其它的不同实施例中，粗氩柱可被省略和/或添加混合柱，其中低压柱的液态氧产品在直接质量传递中随着某些进给空气一起被蒸发并且最终产生为污氧气体产品。
[0062]在另一可选实施例中，在粗氩柱15的至少一个亚区中使用这样的有序填料:其通过折叠铜片形成且具有大于750m2/m3、特别是大于100mVm3或大于1150m2/m3例如1250的比表面积，其中所述铜片具有0.1mm或更小的片材厚度,例如0.05mm。
[0063]在图2和3中，装置的对应部分用与图1相同的附图标记标明。
[0064]便携式包装是根据图1的系统的一部分，被具有长方体形状的冷箱51所包裹。冷箱51的壁和顶通过覆盖有金属片的钢支撑结构形成。在系统部分与外壁之间的冷箱内部填充有粉末状的绝热材料例如珍珠岩。
[0065]冷箱51容纳低压柱5、高压柱3和主冷凝器4的双柱以及相应的管道、阀和计量装置。它被完全地预制为包装并且随后被运输至安装地点。
[0066]在图2中，还示出用于来自主冷凝器的液氮7的分离器(相分离器)60，其位于低压柱5的顶部处。
[0067]在图2和3中示出冷箱的尺寸，其尺寸确定了包装的运输长度TL、运输高度TH和运输宽度TB。
[0068]在根据本发明的包装的不同示例实施例中，冷箱除了双柱3/4/5外能够容纳一个或多个以下设备:
[0069]-主热交换器
[0070]-低温冷却逆流式热交换器[0071 ]-粗氩柱(单件或多件)
[0072]-纯氩柱
[0073]低压柱5的其它不同实施例与上述实施例的区别在于氧部段E容纳由折叠铝片制成的有序填料。除了这个粗折叠外，片材具有穿孔和细微的切槽。其片材宽度是0.2mm。填料具有至少1000m2/m3、特别是1250m2/m3的比表面积。
[0074]另一个不同实施例与上述实施例的区别在于氩中间部段D还容纳具有氧部段E的高比表面积的专用铝填料。
[0075]分别在第三和第四个不同实施例中，代替第一和第二变型的特定致密铝填料，在所有情形下使用具有0.1mm的片材厚度和1200mm2/m3的比表面积的铜填料。
【权利要求】
1.一种带有冷箱(51)的便携式包装，在冷箱内部设置低温空气分离系统的双柱，所述双柱具有彼此上下布置的高压柱(3)和低压柱(5)，其中所述高压柱(3)和所述低压柱(5)容纳质量传递元件，并且在所述低压柱(5)的至少一个亚区(A，B，C，D，E)内所述质量传递元件通过由折叠金属片制成的有序填料形成， 其特征在于: -所述金属片具有0.2mm或更小的片材厚度，其中 -所述有序填料具有至少100mVm3的比表面积，并且其中 -至少在所述高压柱(3)的亚区内所述质量传递元件通过彼此上下布置且具有小于195mm特别是小于180mm板距的矫正板形成。
2.根据权利要求1所述的包装，其特征在于:在高压柱(3)内蒸馏板之间的板距在80-155_、特别是 95-130_ 之间。
3.根据权利要求2所述的包装，其特征在于:所述冷箱(51)的高度小于47米。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的包装，其特征在于:所述冷箱(51)的横截面的最小直径不超过4.25米。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的包装，其特征在于:所述冷箱(51)的横截面的垂直于所述最小直径的直径小于4.95米。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的包装，其特征在于:在所述冷箱内还设置有粗氩柱(15)，该粗氩柱具有被构造为冷凝器-蒸发器的顶部冷凝器(19)，其中所述顶部冷凝器(19)的蒸发空间经由两相管(21)连接于所述低压柱(5)，并且所述两相管(21)被构造成使得在低温空气分离系统的运行中不仅气体而且液体也从所述顶部冷凝器的所述蒸发空间流入所述低压柱(5)。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的包装，其特征在于:至少在所述低压柱的亚区中，其中所述有序填料的金属片具有0.2mm或更小的片材厚度，所述金属片由铜组成，并且特别地具有0.1mm或更小的片材厚度。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的包装，其特征在于:所述有序填料具有大于1000m2/m3、特别是大于1150m2/m3的比表面积。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的包装，其特征在于:所述低温空气分离系统被设计成在标准操作中用于处理大于10000Nm3/h且小于250000Nm3/h的进给空气。
10.一种用于制造低温空气分离系统的方法，其中 -冷箱(51)作为根据权利要求1-9任意一项所述的便携式包装被运输至所述安装地点， -在所述安装地点处所述冷箱(51)被连接至用于压缩进给空气的空气压缩机，连接至用于已压缩的进给空气的净化单元并且连接至用于冷却已净化的进给空气的主热交换器⑵。
【文档编号】F25J3/04GK104220829SQ201380017919
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】A·莫尔, S·洛赫纳 申请人:林德股份公司