專利名稱：通過低溫分離空氣生產(chǎn)氧產(chǎn)物的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過低溫分離空氣生產(chǎn)氧產(chǎn)物的方法和設備。
背景技術：
例如Hausen/Linde低溫技術1985年第2版第4章(第281 337頁)就公開了低溫分離空氣的方法和裝置?？梢詫⒈景l(fā)明的蒸餾塔系統(tǒng)設計成雙塔系統(tǒng)(例如傳統(tǒng)型Linde雙塔系統(tǒng))，也可設計成三塔或多塔系統(tǒng)。系統(tǒng)除了具有氮氧分離塔之外，還可以具有用于獲取高純產(chǎn)物和/或者其他空氣成分尤其是惰性氣體的其他裝置，例如獲取氬氣和/或者氪-氬。低壓塔具有比高壓塔更低的工作壓力。為了產(chǎn)生在物質(zhì)交換區(qū)段中上升的蒸汽， 低壓塔具有ー個塔底蒸發(fā)器，稱作主冷凝器，將其設計成冷凝器-蒸發(fā)器形式，也就是與低壓塔蒸發(fā)的塔底液間接進行熱交換的方式液化氣態(tài)加熱流體，例如高壓塔的塔頂?shù)獨?。通常將主冷凝器直接布置在低壓塔之?nèi)(內(nèi)側主冷凝器)；也可代之以將其安置在低壓塔之外的獨立容器之中，并且利用管道將其與低壓塔相連(外側主冷凝器)。每個“冷凝器-蒸發(fā)器”均包括由液化通道以及蒸發(fā)通道構成的液化室和蒸發(fā)室，在液化室中冷凝第一流體流，在蒸發(fā)室中蒸發(fā)第二流體流，這兩股流體流間接進行熱交換。通過相互間存在熱交換關系的通道構成蒸發(fā)室和液化室。可以將主冷凝器設計成降膜蒸發(fā)器或者浸沒式蒸發(fā)器(Badverdampfer)。本發(fā)明涉及將主冷凝器設計成浸沒式蒸發(fā)器的空分方法，所述浸沒式蒸發(fā)器(有時也稱作循環(huán)蒸發(fā)器或者熱虹吸蒸發(fā)器)中的熱交換器模塊在待蒸發(fā)流體的液浴槽之中，利用熱虹吸效應使得待蒸發(fā)流體自下而上流過蒸發(fā)通道，然后在上方作為兩相混合物重新流出。余下的液體在熱交換器模塊之外流回到液浴槽之中。(所述浸沒式蒸發(fā)器的蒸發(fā)室不僅包括蒸發(fā)通道，而且也包括熱交換器模塊周圍的外圍空間)。而降膜蒸發(fā)器則相反，需要采取附加措施使得經(jīng)過蒸發(fā)通道的液體翻轉。也可以使用這兩個或更多并列布置的浸沒式蒸發(fā)器作為主蒸發(fā)器，然后將其蒸發(fā)側和液化側并聯(lián)?？梢詫⑦@些浸沒式蒸發(fā)器中的每ー個或者構成主蒸發(fā)器的唯一一個浸沒式蒸發(fā)器設計成單層或多層型式。“多層浸沒式蒸發(fā)器”具有這兩個或多個上下疊置的層，分別通過換熱段實現(xiàn)這些層。可以通過ー個獨立的熱交換器模塊實現(xiàn)每ー個層，或者通過同一個熱交換器模塊的分段構成至少兩個層或所有層。不僅可以在蒸發(fā)側、而且也可以在液化側將這些層串聯(lián)或并聯(lián)。多層浸沒式蒸發(fā)器的ー種特殊實施方案是“級聯(lián)式蒸發(fā)器”，這里是在蒸發(fā)側將層串聯(lián)，也就是未蒸發(fā)的液體從上ー層流向下ー層。同樣優(yōu)選在液化側將級聯(lián)式蒸發(fā)器串聯(lián)，例如通過同一個熱交換器模塊中經(jīng)過所有層的液化通道。也可以將級聯(lián)式蒸發(fā)器的層在液化側并聯(lián)?！爸鳠峤粨Q器”可以由ー個或多個并聯(lián)和/或者串聯(lián)的換熱段構成，例如可以由ー個或多個片式熱交換器模塊構成。
Hausen/Linde的所述專題文章已公開了采用單層浸沒式蒸發(fā)器的エ藝過程。DE1152432、DE 1949609A、TO 01/92798 A2、EP 1287302B1 和 DE 102007 003 437 Al 均公開
了采用多層浸沒式蒸發(fā)器的此類方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種尤其能在負荷快速變化時允許系統(tǒng)穩(wěn)定運行的方法和相應的設備。負荷變化是ー種運行情況，設備這時處在從氧產(chǎn)物的第一產(chǎn)量變化到第二產(chǎn)量的不穩(wěn)定過渡階段。當“負荷提高”時，第二產(chǎn)量高于第一產(chǎn)量；當“負荷減小”時，第二產(chǎn)量低于第一產(chǎn)量。
該目的是通過利用用于分離氮氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)通過低溫分離空氣可變以可變方式生產(chǎn)生氧產(chǎn)物的方法實現(xiàn)的，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有皆包括物質(zhì)交換區(qū)段的高壓塔
(6)和低壓塔(7)，其中-將進料空氣流(1，3，5)在主熱交換器(2)中冷卻下來，并導入高壓塔(6)中，-將氧富集的產(chǎn)物流(28)從低壓塔(7)的下部排出，在主熱交換器(2)中加熱，并作為氧產(chǎn)物(29)獲得，-將從低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)流出的液體導入作浸沒式蒸發(fā)器和冷凝器-蒸發(fā)器構造的主冷凝器(8)中，并在主冷凝器中部分蒸發(fā)，及-將未蒸發(fā)的液體從主冷凝器(8)導入塔底(35)中，該方法的特征在干，-在低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)的下端與主冷凝器(8)之間設置有用于儲存液體的液體緩沖裝置(33)，-在負荷減小期間將液體從主冷凝器的塔底(32)導入液體緩沖裝置(33)中并在此儲存，在此情況下增加了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物，及-在負荷提高期間將至少一部分儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器⑶中，在此情況下減少了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物。根據(jù)本發(fā)明的另ー個方面，其還提供通過低溫分離空氣生產(chǎn)氧產(chǎn)物的設備，其-具有用于氮氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有皆包括物質(zhì)交換區(qū)段的高壓塔(6)和低壓塔(7)，-具有用于冷卻進料空氣流(1，3，5)的主熱交換器(2)，-具有用于將經(jīng)冷卻的進料空氣流導入高壓塔(6)中的裝置，-具有用于從低壓塔(7)的下部排出氧富集的產(chǎn)物流(28)并將其導入主熱交換器
(2)中的裝置，-具有用于獲得作為氧產(chǎn)物(29)的經(jīng)加熱的產(chǎn)物流的氧產(chǎn)物管路，-具有作為浸沒式蒸發(fā)器和冷凝器-蒸發(fā)器構造的主冷凝器(8)，-具有用于將從低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)流出的液體導入主冷凝器⑶中的裝置，及-具有用于收集來自主冷凝器(8)的未蒸發(fā)的液體的塔底(35)，該設備的特征在于-設置在低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)的下端與主冷凝器(8)之間的液體緩沖裝置(33)，-用于將液體導入液體緩沖裝置(33)中的裝置，-用于將至少一部分儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器(8)中的裝置，及-調(diào)節(jié)裝置，其設計為在負荷減小期間將液體從主冷凝器的塔底(32)導入液體緩沖裝置(33)中并在此儲存，在此情況下增加了液體緩裝置(33)的儲存內(nèi)容物，并且在負荷提高期間將至少一部分儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器(8)中，在此情況下減少了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物。根據(jù)本發(fā)明所述，將ー個液體緩沖裝置布置在主冷凝器上方，這可以在該方法的穩(wěn)態(tài)運行過程中注入適當?shù)囊后w，例如從低壓塔最下方物質(zhì)交換區(qū)段中流出的一部分回流液體。例如可在穩(wěn)態(tài)運行過程中緩慢注入液體緩沖裝置，從而在負荷提高的非穩(wěn)態(tài)運行情況下有緩沖的液體可供使用。根據(jù)本發(fā)明所述，尤其可在負荷減小期間將液體從主冷凝器 的塔底送入液體緩沖裝置之中，并且提高液體緩沖裝置的儲存內(nèi)容物，也就是送入液體緩沖裝置之中的液體多于從中排出的液體。而在負荷提高期間則將液體從液體緩沖裝置送入到主冷凝器之中，并且減小液體緩沖裝置的儲存內(nèi)容物，也就是從液體緩沖裝置中排出的液體多于送入其中的液體。與降膜蒸發(fā)器相比，浸沒式蒸發(fā)器的主要優(yōu)點是不需要外部液體循環(huán)。此類從塔底到緩沖裝置的人工液體循環(huán)方式咋ー看似乎不合理，但是本發(fā)明卻發(fā)現(xiàn)此類技術的好處相當大，對得起所増加的額外費用。此外本發(fā)明所述的系統(tǒng)在負荷減小過程中也有好處，可以在此類情況下將從低壓塔的上部物質(zhì)交換區(qū)段中流出的比較多的低純度液體至少部分截留在緩沖裝置之中，從而防止或者減小塔底液的雜質(zhì)污染。在非穩(wěn)態(tài)運行條件下，譬如當負荷變化時，主冷凝器上的熱交換效率通常會減小，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)原因在于蒸發(fā)側缺乏液體，現(xiàn)在可以利用本發(fā)明的方法從緩沖裝置補充缺乏的液體，因此即使在極端的運行條件下，例如當出現(xiàn)每分鐘負荷變化速率大于百分之一的快速負荷變化時，設備也能特別穩(wěn)定地運行并且沒有故障。將液體緩沖裝置適當布置在低壓塔最下面的物質(zhì)交換區(qū)段下方和主冷凝器上方，使得液體可以在自然重力作用下從緩沖裝置流入到主冷凝器的蒸發(fā)室或者其最上ー層之中。例如可以通過布置在塔壁上的一個或者多個塔盤(例如環(huán)形塔盤)，或者通過ー個或多個升氣管塔盤構成液體緩沖裝置。通常通過液浴槽構成單層浸沒式蒸發(fā)器的“塔底”。若為多層浸沒式蒸發(fā)器，通常使用最下面的液浴槽作為塔底。也可代之以通過主冷凝器下方的獨立空間構成塔底。也可以在穩(wěn)態(tài)運行情況下采用從塔底到液體緩沖裝置的液體循環(huán)方式，這時無需増大儲存內(nèi)容物；在此類情況下，浸沒式蒸發(fā)器中并不常見的此類循環(huán)可用于在蒸發(fā)器高度范圍內(nèi)平衡蒸發(fā)液體中的純度差異。尤其可以在多層浸沒式蒸發(fā)器中實現(xiàn)特別穩(wěn)定的運行。根據(jù)本發(fā)明所述方法的另ー種實施方案，利用液體泵將液體從主冷凝器的塔底送入到液體緩沖裝置之中。由于液體緩沖裝置在主冷凝器上方，但是塔底卻在其下方或者在下端，因此必須升高塔底液才能到達液體緩沖裝置。原則上可以使用任何一種用于升高液體的方法，尤其可使用液體泵。本發(fā)明特別適宜用于多層浸沒式蒸發(fā)器，如果將主冷凝器設計成級聯(lián)式蒸發(fā)器，則最為有益。采用從塔底到緩沖裝置的液體循環(huán)方式不僅可以防止缺乏液體，而且還可平衡不同層(蒸發(fā)級)的蒸發(fā)側上的濃度差異。級聯(lián)式蒸發(fā)器的每ー個蒸發(fā)級均可起到部分蒸發(fā)作用，也就是說，氧濃度以及蒸發(fā)溫度自上而下逐漸増大。但在液化側到處都有液化溫度實際上恒定的氮在流動，因此級聯(lián)式蒸發(fā)器的上方蒸發(fā)級基本上以比下方蒸發(fā)級更大的溫度差工作。當負荷變化時，這就會使得上方蒸發(fā)級中更加缺乏液體，因為這些蒸發(fā)級轉化的熱量多于下方蒸發(fā)級。根據(jù)本發(fā)明的該實施方案所述，現(xiàn)在將從最下方蒸發(fā)級流出到塔底中的純凈液體重新向上送入緩沖裝置之中，然后從這里送往最上方的蒸發(fā)級，該蒸發(fā)級可在這里平衡比較低的純度，總體上可在級聯(lián)式蒸發(fā)器的高度范圍內(nèi)在蒸發(fā)側產(chǎn)生比較平緩的濃度分布，同時可抵消級聯(lián)式蒸發(fā)器運行過程中的兩種負面效應，即負荷變化時缺乏液體以及主冷凝器高度范圍內(nèi)并非所需的濃度差異。如果氧富集的產(chǎn)物流具有98%以下例如90至95%的氧濃度，則特別適宜使用本 發(fā)明的方法。(如果沒有其他說明，則這里和以下所述的所有百分值均為摩爾量)。尤其可以利用兩種運行模式執(zhí)行本方法，在第一種運行模式下送入液體緩沖裝置中的液體多于從中排出的液體，在第二種運行模式下從液體緩沖裝置中排出的液體多于送入其中的液體。例如第一種運行模式相當于負荷不變的穩(wěn)態(tài)運行，第二種運行模式相當于負荷變化情況，例如從具有第一產(chǎn)量的第一穩(wěn)態(tài)運行エ況變?yōu)榫哂懈叩诙a(chǎn)量的第二穩(wěn)態(tài)運行エ況的過渡期間提高負荷。


圖I所示為根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設備的示意圖。
具體實施例方式以下將依據(jù)示意圖中所示的實施例，對本發(fā)明以及本發(fā)明的其他細節(jié)進行詳細解釋。經(jīng)過壓縮和凈化的進料空氣I以大約5. 5巴的壓カ流入主熱交換器2的熱端，并分為第一股空氣流3和第二股空氣流4。可以通過管路5分出一部分干燥空氣I作為儀表空氣或者供應給其他壓縮空氣設備。在主熱交換器2中將第一股空氣流3大致冷卻到露點，然后通過管路5送入高壓塔6之中，高壓塔是用于分離氮氧的蒸餾塔系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)包括一個低壓塔7和ー個設計成級聯(lián)式蒸發(fā)器的主冷凝器8。這些塔中的工作壓カ(分別在塔頂上)高壓塔6中約為5. 2巴，低壓塔7中約為I. 3巴。在主熱交換器2中將第二股空氣流4僅僅冷卻到中間溫度，并且在中間溫度下送入利用發(fā)電機10對其進行制動的渦流膨脹機9，在這里使其做功減壓到大致低壓塔的壓力，通過管路11重新送回到主熱交換器2，最終在某一中間部位通過管路12送入低壓塔7。將高壓塔6的塔頂?shù)獨?3 —部分14送入主冷凝器8的液化室，在主熱交換器2中將剩余部分15大致加熱到環(huán)境溫度，最終通過管路16作為氣態(tài)氮壓縮產(chǎn)物(PGAN)排出。
將主冷凝器8中產(chǎn)生的液態(tài)氮17的第一部分18作為回流送入高壓塔6的塔頂，將第二部分19在逆流式過冷器23中冷卻下來，然后通過管路20作為回流送入低壓塔7的塔頂。必要時可以將第三部分21作為液態(tài)氮產(chǎn)物(LIN)排出。將高壓塔6的氧富集的塔底液24同樣在逆流式過冷器23中冷卻，然后在某一中間部位通過管路25送入到低壓塔7之中。從低壓塔7的塔頂排出氣態(tài)氮26，在逆流式過冷器23和主熱交換器2中將其加熱，然后通過管路27排出，例如在圖中沒有繪出的空氣浄化裝置中將其用作再生氣體。從低壓塔7的下部(這里直接在主冷凝器8上方)排出氧富集的產(chǎn)物流28，在主 熱交換器2中將其大致加熱到環(huán)境溫度，然后通過管路29獲得氧產(chǎn)物(GOX)?？梢酝ㄟ^管路30、31、33和泵32從主冷凝器8的塔底35獲得一部分液體作為液體產(chǎn)物(LOX)，例如用于充注液體儲罐以備應急供應之用。作為替代或補充方案，除了取出氣態(tài)產(chǎn)物之外，也可以通過內(nèi)部壓縮方式獲得壓カ氧產(chǎn)物，方法是對一部分液態(tài)氧31施加壓力，然后在主熱交換器2中使其蒸發(fā)或者假蒸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明所述，有ー個環(huán)形塔盤形式的液體緩沖裝置33直接位于低壓塔7最下面的物質(zhì)交換區(qū)段32下方。在設備穩(wěn)態(tài)運行過程中，可以將從最下面的物質(zhì)交換區(qū)段32流出的一部分液體充入該液體緩沖裝置之中。在負荷提高的情況下通過管路34將液體從緩沖裝置33定向送入主冷凝器8之中，而且是送入其最上層的液浴槽之中。任何情況下均可在負荷減小時通過液體泵36和管路37將液體從塔底36送入液體緩沖裝置33之中。
權利要求
1.利用用于氮氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)通過低溫分離空氣以可變方式生產(chǎn)氧產(chǎn)物的方法，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有皆包括物質(zhì)交換區(qū)段的高壓塔(6)和低壓塔(7)，其中 -將進料空氣流(1，3，5)在主熱交換器(2)中冷卻，并導入高壓塔(6)中， -將氧富集的產(chǎn)物流(28)從低壓塔(7)的下部排出，在主熱交換器(2)中加熱，并作為氧產(chǎn)物(29)獲得， -將從低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)流出的液體導入作為浸沒式蒸發(fā)器和冷凝器-蒸發(fā)器構造的主冷凝器(8)中，并在主冷凝器中部分蒸發(fā)，及 -將未蒸發(fā)的液體從主冷凝器(8)導入塔底(35)中，該方法的特征在干， -在低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)的下端與主冷凝器(8)之間設置有用于儲存液體的液體緩沖裝置(33)， -在負荷減小期間將液體從主冷凝器的塔底(32)導入液體緩沖裝置(33)中并在此儲存，在此情況下増加了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物，及 -在負荷提高期間將至少一部分儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器(8)中，在此情況下減少了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物。
2.根據(jù)權利要求I的方法，其特征在于，利用液體泵(36)將液體從主冷凝器的塔底(35)導入液體緩沖裝置(33)中。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于，主冷凝器(8)作為多層浸沒式蒸發(fā)器，尤其是作為級聯(lián)式蒸發(fā)器構造。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其特征在于，氧富集的產(chǎn)物流(28)的氧濃度小于98%。
5.通過低溫分離空氣生產(chǎn)氧產(chǎn)物的設備，其 -具有用于氮氧分離的蒸餾塔系統(tǒng)，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有皆包括物質(zhì)交換區(qū)段的高壓塔(6)和低壓塔(7)， -具有用于冷卻進料空氣流(1，3，5)的主熱交換器(2)， -具有用于將經(jīng)冷卻的進料空氣流導入高壓塔(6)中的裝置， -具有用于從低壓塔(7)的下部排出氧富集的產(chǎn)物流(28)并將其導入主熱交換器(2)中的裝置， -具有用于獲得作為氧產(chǎn)物(29)的經(jīng)加熱的產(chǎn)物流的氧產(chǎn)物管路， -具有作為浸沒式蒸發(fā)器和冷凝器-蒸發(fā)器構造的主冷凝器(8)， -具有用于將從低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)流出的液體導入主冷凝器(8)中的裝置，及 -具有用于收集來自主冷凝器(8)的未蒸發(fā)的液體的塔底(35)，該設備的特征在于-設置在低壓塔(7)的最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)的下端與主冷凝器(8)之間的液體緩沖裝置(33)， -用于將液體導入液體緩沖裝置(33)中的裝置， -用于將至少一部分儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器(8)中的裝置，及 -調(diào)節(jié)裝置，其設計為在負荷減小期間將液體從主冷凝器的塔底(32)導入液體緩沖裝置(33)中并在此儲存，在此情況下増加了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物，并且在負荷提高期間將至少一部分儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器(8)中，在此情況下減少了液體緩沖裝置(33)的儲存內(nèi)容物。
6.根據(jù)權利要求5的設備，其具有用于將液體從主冷凝器的塔底(35)輸送到液體緩沖裝置(33)中的液體泵(36)。
7.根據(jù)權利要求6的設備，其特征在于，主冷凝器(8)作為多層浸沒式蒸發(fā)器，尤其是作為級聯(lián)式蒸發(fā)器構造。
全文摘要
利用氮氧分離蒸餾塔系統(tǒng)通過低溫分離空氣生產(chǎn)氧產(chǎn)物的方法和設備，蒸餾塔系統(tǒng)具有皆包括物質(zhì)交換區(qū)段的高壓塔(6)和低壓塔(7)。將進料空氣流(1，3，5)在主熱交換器(2)中冷卻，導入高壓塔(6)。將氧富集的產(chǎn)物流(28)從低壓塔(7)下部排出，在主熱交換器(2)中加熱，作為氧產(chǎn)物(29)獲得。將從低壓塔(7)最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)流出的液體導入主冷凝器(8)。在低壓塔(7)最下面的物質(zhì)交換區(qū)段(32)下端與主冷凝器(8)之間設置有液體緩沖裝置(33)。在負荷減小期間將液體導入液體緩沖裝置(33)并在此儲存。在負荷提高期間將儲存在液體緩沖裝置(33)中的液體導入(34)主冷凝器(8)。
文檔編號F25J3/04GK102692114SQ20121012015
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者A·阿列克謝耶夫, G·德姆斯基, G·蓬普爾 申請人:林德股份公司