低温分离空气的方法和空气分离设备与流程

本发明涉及在空气分离设备中低温分离空气的方法和用于实施此类方法的空气分离设备。

背景技术：

通过在空气分离设备中低温分离空气生产液态或气态的空气产品是已知的，例如在h.-w.(hrsg.)，industrialgasesprocessing，wiley-vch，2006中尤其是第2.2.5节“cryogenicrectification(低温精馏)”有描述。

对于一系列工业化利用气态氧气来说需要使用具有所谓内压缩的空气分离装置。相应的空气分离装置同样在上述引文中阐述并且可以参考其附图2.3a。在相应的空气分离设备中对超低温液体、特别是处于超低温下的液态氧施加压力，相对导热体蒸发，最后得到气态产品。内压缩与对处于低压的气态产品进行额外压缩相比具有能量转换方面的优势。

上述的内容相应的对于其他的其他产品，例如氮气或氩气来说同样可以通过气态下的内压缩得到并且事先作为低温液体从蒸馏塔系统排出。若相应的低温液体受到超过临界压力的压力，不会发生通常意义上的蒸发，而是转换至超临界状态。这被称为“伪蒸发”。

同样是低温液体产品的内压缩氧气可以通过所谓的high-air-pressure(hap-)方法实现。“低温液体产品”在这里可以理解为相应的空气分离设备只能提排出少量的液态产品，例如少于导入蒸馏系统的所有空气量的2％。

hap法可以被理解为一种空气分离方法，其中导入蒸馏系统的所有空气(这里也被称为“空气原料”)首先在主空气压缩室内被压缩至一定的压力，该压力明显大于蒸馏系统中的最大工作压力。特别的在hap法中将空气首先压缩至一定压力，该压力比蒸馏系统内的工作压力高至少4至5巴，最多高20巴。传统的具有高压塔和低压塔的双塔系统中，蒸馏塔系统中的“最大工作压力”是高压塔的工作压力。hap法的空气分离设备的投资成本特别的低，因为仅仅需要一个压缩机。

为了在能量方面优化hap法，可以使用所谓的节流流。如原则上已知的，此类节流流是压缩的进料空气的支流，其可以继续升压，冷却及经由减压装置特别是节流阀减压进入蒸馏塔系统或其高压塔中。

在所述hap法中，此类节流流可以由所有进料空气所施加的已经是高的初始压力开始，借助热的和冷的增压机继续升压。将空气送入相应的“热的增压机”，无需或者仅在比较低的冷却随后，例如在主空气压缩机下游的水冷器中。此类热增压机的送入端温度因此明显高于0℃。“冷增压机”的送入温度由于之前对导入冷增压机的空气进行冷却而显著低于0℃。

大多数hap法在主热量交换器中具有有利的q/t特征，当通过内压缩产生的氧气压力大于25巴时，这意味着借助相应的涡轮在超低温和液态状态下压缩至一定的压力水平。当内压缩氧气所需的压力下降至明显低于25巴时，对于hap法来说q/t特性的能力转换效率相对不利。当压力处于6至25巴时，具有主压缩机和副压缩机的传统方法显得更有利。

在被称为mac/bac法(mainaircompressor/boosteraircompressor)的方法中，送入蒸馏系统的部分空气仅仅被压缩至蒸馏系统中的最大工作压力或在任选更小，而另一部空气借助副压缩机压缩至更高的压力。此类方法在不产生或仅仅产生很少量的液态空气产品，例如液态氧时特别的有利。若此外在此类情况下对于气态的富含氮气的空气产品的需求小，则特别是提出mac/bac法，其中使用所谓的进吹涡轮机，即压缩的空气减压送入蒸馏塔系统的低压塔内的涡轮机。

但是相应的mac/bac法与hap法相反，由于压缩装置的成本更高，它的投资费用更高。因此需要一种方法，它可以将hap法的低成本优势和特别具有进吹涡轮机的mac/bac法的上述优点结合起来。

技术实现要素：

在此类背景下建议一种用于在空气分离设备中低温分离空气的方法，以及实施此类方法的空气分离设备。下面描述优选的实施方案。

本申请使用术语“压力水平”和“温度水平”来表征压力和温度，由此表达在相应的设备中不必以精确的压力值或温度值的形式使用压力和温度，以实现本发明的方案。但是此类压力和温度通常在一定的范围内波动，例如围绕中值波动±1％、5％、10％、20％或者甚至50％。在此，相应的压力水平和温度水平可以在不连续的范围内或者在相互重叠的范围内。例如压力水平尤其是包括不可避免的压力损失或预期的压力损失，其例如由于冷却效应或传输损失引起。相应的也适用于温度水平。在此以巴给出的压力水平涉及绝对压力。

在空气分离设备中使用涡轮压缩机用于压缩空气。例如“主空气压缩机”，其特征在于，通过它将导入蒸馏塔系统的所有空气，即所有空气原料进行压缩。相应的也可以将“副压缩机”设为涡轮压缩机，在其中在mac/bac法中将导入主压缩机中的部分空气压缩至更高的压力。为了对部分空气进行压缩通常设计其他的涡轮压缩机，为了对部分空气进行压缩通常设计其他的涡轮压缩机，它们也被称为增压机，与主空气压缩机或副压缩机相比，它仅仅在相对小的范围内进行压缩。

在空气分离设备的许多位置上此外可以对空气进行减压，其中可以使用涡轮扩张器形式的减压机，其中也被称为“涡轮”。涡轮扩张器也可以与涡轮压缩机或增压机相连并对其进行驱动。当一个或多个涡轮压缩机不借助外部能量，即仅仅通过一个或多个涡轮压缩机进行驱动时，此类布置也可以被称为“涡轮增压机”。在涡轮增压机中涡轮扩展器和涡轮压缩机或者增压机机械连接。

通常可以使旋转单元，例如减压机或减压涡轮、压缩机或压缩级、升压涡轮或增压机、电动机的转子或类似的装置以合适的方式互相机械连接。“机械连接”在这里的语境中被理解为通过机械部件，例如齿轮、皮带、变速器等类似装置在这些旋转部件之间实现固定的或机械可调的转速关系。机械连接通常通过两个或多个各自互相啮合，例如以形状啮合或摩擦啮合的部件，例如齿轮或皮带轮利用皮带或其他旋转固连的方式实现。旋转固定的连接特别的可以通过共同的轴实现，在其上各自旋转固定的安装旋转单元。旋转单元的转速在此类情况下是相同的。

与之相反相应的单元“机械分离”，指的是在相应部件之间不存在固定或机械可调的转速关系。当然也可以例如在多个电动机之间特别是通过合适的电子控制，或在多个涡轮之间特别是通过选择合适的送入和终端压力预设特定的转速关系。但是这不是通过一个或多个各自互相啮合，例如以形状啮合或摩擦啮合的部件或通过旋转固定的连接实现。

涡轮压缩机和涡轮膨胀器的机械结构为专业人士所熟知。在涡轮压缩机内借助转子叶片实施空气的压缩，该叶片被布置在转子或直接布置在轴上。涡轮压缩机在这里形成结构单元，但是它具有多个“压缩级”。压缩级通常包括转子或相应的转子叶片装置。所有压缩级可以由同一根轴驱动。涡轮膨胀器实际上被设计成可参考的，但是这里的转子叶片通过膨胀的空气进行驱动。这里也涉及多个膨胀级。涡轮压缩机和涡轮膨胀可以被设计成径向或轴向机器。

在本申请的范畴内讨论的是获得空气产品，特别是氧气或氮气产品。“产品”离开所述的设备并且例如布置在油箱内或在其中使用。因此这里不仅仅涉及设备内部的循环，也可以在离开设备之前被使用，例如作为热交换器中的冷却剂。“产品”的术语因此不包括此类馏出物或流，它们本身被储存在设备中并且仅仅在那里作为回流、冷却剂或吹洗气体使用。

发明优点

本发明基于以下认识，使用串联布置的增压机，节流流的待压缩的空气在在其之间不进行冷却，可以使hap法具有普通mac/bac法的特别高效或至少能量转换方面的优点。安装在根据本发明的空气分离设备中的主热交换器内的热交换效果与通常方法的热交换效应相比更有利，其中在通常的方法中在冷的增压机之间实施中间冷却。此外本发明基于以下认识，在冷增压机的上游使用热增压机特别有利。总共三个增压机在这里可以多次压缩节流流，但是不对其他流进行压缩。一方面在热交换器之间，另一方面在串联布置的增压机之间以及在冷增压机的下游特别的在主热交换器中进行冷却。

本发明建议一种利用空气分离设备用于低温分离空气的方法，它具有蒸馏塔系统，包括在高压塔压力水平工作的高压塔和在低压塔压力水平工作的低压塔。高压塔压力水平例如在4至7巴之间，即相应的空气分离设备中的通常水平。低压塔压力水平稍高于大气压力，特别是1.2至1.8巴，从而例如在不使用额外的泵的前提下保证很高的分离效率并导出进入低压塔的空气产品。

根据本发明的hap法首先包括以下步骤，首先将所有送入蒸馏塔系统中的空气压缩至比高压塔压力高至少4且最多20巴的初始压力水平。特别的本发明范围内在所使用的主空气压缩机内将所用空气压缩至10至23巴的压力水平。也可以在该压力水平借助分子滤网对压缩空气进行干燥和纯化。

一部分被压缩至初始压力水平并且相应经过干燥和纯化的空气随后在大于0℃的第一温度水平实施第一升压过程，随后在低于第一温度水平的温度水平实施两个其他的升压过程。实施了第一升压过程的空气在此特别是可以在第一升压过程后在相应空气分离设备的主热交换器中进行冷却。因此相应的空气在相应地更低的温度水平实施其他的升压过程。

实施了两个其他的升压过程的空气随后减压进入高压塔内。为了进行减压使用节流阀。因此实施了两个其他的升压过程及之前的第一升压过程的空气称作所谓的“节流流”，该术语在空气分离领域已经广为人知。

从低压塔排出低温的富氧液体，在低温状态实施升压，随后加热和蒸发，从空气分离设备作为空气产品导出。因此根据本发明的方法是空气分离方法，其中对氧气或相应的富氧空气产品实施所谓的内部压缩。

根据本发明，将第一增压机(即“热的”增压机，如上文多次提到)用于第一升压过程，其中第一增压机是利用第一减压机驱动的，在其中使另一部分被压缩至初始压力水平的空气从初始压力水平减压至第二压力水平，随后送入低压塔中。其他的部分特别的在之前进行冷却。第一减压机根据其功能是所谓的“喷射涡轮”或者“拉赫曼涡轮”，它在空气分离领域也同样广为人知。通过相应的将空气喷入低压塔可以改善能量效率。具体细节可以参考专业文献，例如f.g.kerry，industrialgashandbookgasseparationandpurification，crcpress，2006，特别是章节3.8.1，“thelachmannprinciple”。

此外根据本发明，将第二增压机和第三增压机(即两个“冷的”增压机)用于两个其他的升压过程，相继地引导空气通过其中以实施两个其他的升压过程，其中空气以离开第二增压机时的温度水平送入第三增压机。换句话说在本发明的范畴内在冷增压机之间不进行中间冷却，如根据本发明可知的，与通常的方法相比可以在所使用的热交换器中实现更好的热交换效应。

各自总计引导通过第一增压机、第二增压机和第三增压机以及任选通过节流阀的空气量根据本发明彼此相差不超过10％。特别是这些空气量相差不超过5％或者基本或完全相同。换句话说，各自经历第一和两个额外升压过程的空气量和可选的在节流阀中减压的空气量在所提及范围内相似或相同。

这意味着，第一增压机、第二增压机和第三增压机以及任选使用的减压阀仅仅用于提供节流流，而不用于提供其他的空气部分或者送入蒸馏塔系统中的流。若从低压塔排出的低温富氧液体以低温状态升压到6至25巴，则本发明的优点尤其是显著。根据本发明因此设计了相应的压力升高过程。如开头所述，通常在内压缩的氧气产品的压力范围内，传统的mac/bac法的转换效率比较有利。但是本发明通过所述的使用串联的不进行中间冷却的增压机也可以在hap法中实现相应的优点。

如上所述，若液体生产量小，即基于所有送入蒸馏塔系统中的空气量，从空气分离设备以液态导出比例为最多1％或0％的空气产品，则本发明特别有利。因此根据本发明进行了上述设计。此外产生相对少量的富氮空气产品。富氮空气产品是在蒸馏塔系统的高压塔靠近顶部或顶部排出并且不再回流至高压塔或低压塔。因此，特别是在本发明的范畴内，基于所有送入蒸馏塔系统中的空气量，将比例为最多2％的富氮空气产品从高压塔排出并从空气分离设备以气态导出。

在本发明的范畴内有利地各自借助减压机驱动第二增压机和第三增压机，在其中使预先冷却且随后即在所述减压机内减压后送入蒸馏塔系统中的另一部分被压缩至初始压力水平的空气进行减压。为了驱动第二增压机这里使用第二减压机，为了驱动第三增压机使用第三减压机。与为两个其他的升压过程设计的串联工作的增压机不同，相应的减压机并联(平行地)布置，这意味着用于驱动减压机的空气事先分为两个支流。以此方式可以使减压的空气量各自适应于所需的在与减压机相连的相应冷增压机中的压力升高过程或反过来。

特别的借助各个减压机通过合适的机械连接驱动冷增压机。相应的机械连接可以参考上文内容。实际上相应的增压机也可以由马达驱动，但是从投资成本和传到至相应设备中的热量角度出发通过相应的减压机进行驱动特别有利。

有利地使空气在驱动第二增压机和第三增压机的减压机中减压至高压塔压力水平。通过相应的减压可以实现空气的部分液化。气态部分在此可以直接送入高压塔中，而液化的部分减压进入低压塔中。液化的部分可以以此方式回流至低压塔并且在那里改善分离效率，例如在kerry的文献章节2.6，“theoreticalanalysisoftheclaudecycle”中提及的。

本发明允许进一步优化和改进。特别是可以对一部分被压缩至初始压力水平的空气进行冷却，并从初始压力水平开始，即在不通过增压机或类似装置进行额外升压的情况下，减压进入高压塔中。这特别的可以通过其他的减压阀实现。

送入第二增压机中的空气特别是可以预先在主热交换器中冷却到130至200k的温度水平。在驱动第二增压机和第三增压机的减压机中减压的空气特别是预先冷却到120至190k的温度水平。在驱动第一增压机的第一减压机中减压的空气特别是预先冷却到150至230k的温度水平。在第三增压机中进行升压的空气有利地在于此进行升压之后并且在其减压进入高压塔内之前冷却到97至105k的温度水平，即最低温度水平，这可以借助相应的主热交换器实现。借助第二增压机有利地使压力升高10至25巴，借助第三增压机有利地使压力升高5至20巴。

本发明还涉及用于低温分离空气的具有蒸馏塔系统的空气分离设备，该蒸馏塔系统包括在高压塔压力水平工作的高压塔和在低压塔压力水平工作的低压塔。

所述空气分离设备在此包括被设计用于以下目的的装置，首先将所有送入蒸馏塔系统中的空气压缩至比高压塔压力水平高至少4且最多20巴的初始压力水平；一部分被压缩至初始压力水平的空气在大于0℃的第一温度水平实施第一升压过程，随后在低于第一温度水平的温度水平实施两个其他的升压过程，随后利用节流阀减压送入高压塔中；从低压塔排出低温的富氧液体，其在低温状态实施升压，随后加热和蒸发，从空气分离设备导出。根据本发明针对第一升温过程提供第一增压机，其与第一减压机机械相连，其中设置有用于以下目的的装置，使另一部分被压缩至初始压力水平的空气在第一减压机中从初始压力水平减压至低压塔压力水平，随后送入低压塔中。根据本发明针对两个其他的升压过程提供第二增压机和第三增压机，并且设置有用于以下目的的装置，针对两个其他的升压过程相继地引导空气通过第二增压机和第三增压机，在此空气以离开第二增压机时的温度水平送入第三增压机。设置有用于以下目的的装置，各自总计引导通过第一增压机、第二增压机和第三增压机的空气量彼此相差不超过10％。此外设置有用于以下目的的装置，从低压塔排出的低温的富氧液体在低温状态实施的升压过程以升压到6至25巴的形式设定。

所述空气分离设备被设计用于以液态提供比例为基于所有送入蒸馏塔系统中的空气量最多1％的空气产品，有利地从高压塔排出及以气态提供比例为基于所有送入蒸馏塔系统中的空气量最多2％的富氮空气产品。

此类空气分离设备特别的被设计用于实施上述方法。因此可以参考相应的特征和优点。

下文将参考所附的图示进一步阐述本发明，并将通过发明的结构形式说明具体细节。

附图说明

图1以流程示意图示出根据本发明的结构形式的空气分离设备。

图2示出使用根据本发明的结构形式的热交换器的q/t图表。

图3示出使用根据本发明的结构形式的热交换器的q/t图表。

具体实施方式

图1以流程示意图展示根据本发明的一种特别有利的结构形式的空气分离设备并以100表示。

空气分离设备100借助空气压缩和纯化单元1送入压缩空气流a，包括主空气压缩机和合适的纯化系统，其中仅仅粗略示意。图1所示的空气分离设备被设计用于所谓的hap法。这意味着，压缩空气流a被压缩至至少比蒸馏塔系统10的高压塔11的压力水平高4至20巴的压力水平，压缩空气流包括送入空气分离设备100的蒸馏塔系统10的所有空气。

流a的压力水平在这里被成为“初始压力水平”，高压塔11的压力水平被称为“高压塔压力水平”。在初始压力水平从压缩空气流a一共产生4个支流，其中以b、c、d和e表示。

支流b的空气在这里首先在增压机2内进行升压。增压机2内的升压在这里被称为“第一升压过程”，它在0℃以上的温度进行，因此增压机2通常也被称为“热增压机”。

支流b的空气在经过增压机2中的升压后在后冷却器3中冷却，随后在热侧送入空气分离设备100的主热交换器4。支流b的空气从主热交换器4(参见连接a)以明显低于0℃的中间温度水平排出。支流b的相应地经冷却的空气随后两个其他的升压过程。为此支流b的空气首先通过增压机5，随后通过增压机6。增压机5在这里被称为“第二”，而增压机6也被称为“第三”增压机。两个增压机5、6在明显低于0℃的温度水平，特别是在低于增压机2的第一温度水平的温度水平工作。因此它们也被称为“冷增压机”。

支流b的空气以其离开第二增压机5时的温度水平送入第三增压机6。在第二增压机5和第三增压机6之间不进行中间冷却。在增压机6中的升压之后，支流b的空气以其离开第三增压机6时的温度水平重新送入到主热交换器4中并在冷侧排出。

增压机5和6由减压机7和8驱动，在其中利用支流c的空气，其为此分为支流f和g。支流c的空气在此首先送入主热交换器的热侧并且在中间温度水平进行排出，在这之前它分为所提及的支流f和g并且送入减压机7、8中。

支流d的空气送入主热交换器4的热侧并且在冷侧被排出，支流e的空气送入主热交换器4的热侧，在中间温度水平被排出并在减压机9中用于驱动增压机2。

支流f和g的减压空气在分离器13中进行转化，其中分离出液相。液相(参见连接b)以流h的形式减压进入低压塔12中。流f和g的仍保持气态的部分的空气以流i的形式送入高压塔11中。支流b和d的空气通过阀门14和15减压进入高压塔11中。在流b和d的送入口的正下方可以通过减压从高压塔11得到流q形式的液态部分，引导通过过冷逆流器16，并与流h一起减压进入低压塔12中。

在高压塔11中利用流b、d和i的空气形成氧富集的液态塔底产物和氮富集的气态塔顶产物。氧富集的液态塔底产物在低压塔11至少部分以流k的形式被排出，引导通过过冷逆流器16，并减压进入低压塔12中。氮富集的气态塔顶产物至少一部分以流1的形式排出。其中一部分可以以流m的形式在主热交换器4中进行加热并且作为富氮的压力产品从空气分离设备100中输出，或者例如在空气压缩和纯化单元1的主空气压缩机中用作致密气体(密封气体dichtgas)。

流1的另一部分可以与高压塔和低压塔热交换相连的主冷凝器17中至少部分液化。相应的部分液化产品可以回流至高压塔11，另一部分以流n的形式引导通过过冷逆流器16，并减压进入低压塔12中。

在低压塔12中形成富氧的液态塔底产物和气态的塔顶产物。低压塔12的富氧的液态塔底产物可以至少部分地以流o的形式从高压塔12获得并借助泵18升高压力转变为液态，在主热交换器4中加热和蒸发并作为内压缩的富氧产品从空气分离设备100中输出。

低压塔12的气态塔顶产物可以至少部分地以流p的形式作为所谓的不纯氮排出，引导通过过冷逆流器16，在主热交换器4中加热，例如在空气压缩和纯化单元1中用作吸附器的再生气体。

通过图1展示的空气分离设备100的工作流程可以在主热交换器4中实现特别有利的热交换，前提是满足上述的其他条件。这将借助图2和3所示的q/t图表说明。

在图2中展示相应的q/t图表，流o的富氧空气在空气分离设备100的泵18中被压缩至大约为15.0巴的压力水平，在图3中展示压力约为10.0巴的相应q/t图表。这里的横坐标表示以k为单位的温度，纵坐标表示以mw为单位的热交换器的焓(总量)。201表示热量的状态变化曲线或者总曲线，202表示冷却剂的状态变化曲线或总曲线，其中是待加热的流o的富氧空气。从图2和3可以看出，状态变化曲线或者总曲线201和202由于使用根据本发明的相应空气分离设备曲线非常接近。

主热交换器中的热和冷总曲线越接近，由于热传递造成的能量转换损失越少，因为由热传递造成的能量转换损失与1/t²成比例，从能量转换的角度出发“低温”下的温度差特别不利。t在上文中表示局部热传递的温度水平。

因此如图所示，当热和冷总曲线在200至100k的范围内，则主热交换器中的工作过程在所述意义上非常有利或者可以在此类情况下改善整个系统的能量转换效率。