用于空气深冷分离的方法和空气分离单元与流程

背景技术：

1、通过在空气分离装置中进行空气的深冷分离来生产呈液态或气态的空气产物是已知的，并且例如在h.-w.(编辑)，industrial gases processing,wiley-vch,2006，具体地第2.2.5章节“cryogenic rectification”中进行描述。

2、空气分离装置具有可以进行不同设计的精馏塔装置。除了用于获得液态和/或气态氮和/或氧的精馏塔(即用于氮-氧分离的精馏塔，尤其可以组合在已知的双塔中)之外，还可以提供用于获得其它空气组分(尤其是稀有气体)或纯氧的精馏塔。

3、典型精馏塔装置中的精馏塔在不同的压力水平下操作。已知的双塔具有所谓的压力塔(也称为高压塔、中压塔或下塔)和所谓的低压塔(也称为上塔)。高压塔通常在4巴至7巴，具体地在大约5.3巴的压力水平下操作；另一方面低压塔通常在1巴至2巴，具体地在大约1.4巴的压力下操作。在某些情况下，在这些精馏塔中可使用甚至较高的压力水平。此处和下面指示的压力是相应指示的精馏塔的顶部的绝对压力。

4、为了提取氩，可使用具有粗氩塔和纯氩塔的空气分离装置。一个示例在(参见上文)的图2.3a中进行说明，并且在第26页章节“rectification in the low-pressure,crude and pure argon column”开始以及也在第29页章节“cryogenicproduction of pure argon”开始进行描述。如在那里所解释的，氩在对应的设施中积聚在低压塔中的某一高度处。在该点处或在任选地也低于氩最大值的另一有利点处，可将具有通常5摩尔％至15摩尔％的氩浓度的富氩气体从低压塔抽出并且转移到粗氩塔中。对应的气体通常包含大约0.05ppm至500ppm的氮，并且另外基本上是氧。应明确强调，从低压塔抽出的气体的所指示的值仅表示典型的示例性值。

5、粗氩塔基本上用于从自低压塔抽出的气体分离出氧。在粗氩塔中分离出的氧或对应的富氧流体可以液体形式返回到低压塔。在分离期间保持在粗氩塔中并且基本上包含氩和氮的气态馏分在纯氩塔中进一步分离以获得纯氩。粗氩塔和纯氩塔具有顶部冷凝器，这些顶部冷凝器可具体地用从高压塔取出的富氧、贫氮液体的一部分冷却，该一部分在该冷却期间部分地蒸发。在本发明的上下文中也是这种情况。在部分蒸发期间形成的气相和对应的剩余液体也在不同的馈送点馈送到低压塔中，其选择解释如下。

6、来自粗氩塔的氧或富氧流体通常从高压塔低于用于冷却的部分蒸发的液体的馈送点下方多个理论塔板或实际塔板被返回到低压塔中。

7、本发明的一个目的是提供用于改进具有包括粗氩塔和纯氩塔的氩回收系统的空气分离单元的操作的装置。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明提出了一种具有相应独立发明权利要求的特征的用于空气低温分离的方法和空气分离单元。实施方案中的每一个实施方案都是从属权利要求和以下描述的主题。

2、在下文中，将首先更详细地解释用于描述本发明及其优点的一些术语以及基本的技术背景。

3、空气分离单元中使用的设备在所引用的技术文献，例如在的第2.2.5.6节“装置”中进行了描述。除非以下定义不同，因此关于在本技术的框架内使用的术语明确地参考引用的技术文献。

4、在这种情况下，“冷凝器蒸发器”是指其中第一冷凝流体流与第二蒸发流体流进行间接热交换的换热器。每个冷凝器蒸发器都具有液化室和蒸发室。液化室和蒸发室具有液化通道或蒸发通道。在液化室中执行第一流体流的冷凝(液化)，并且在蒸发室中执行第二流体流的蒸发。通过相互间存在换热关系的通道组形成蒸发室和液化室。冷凝器蒸发器根据其功能也被称为“顶部冷凝器”和“底部蒸发器”，其中顶部冷凝器是其中精馏塔的塔顶气体被冷凝的冷凝器蒸发器，且底部蒸发器是其中精馏塔的塔底液体被蒸发的冷凝器蒸发器。然而，塔底液体也可以在顶部冷凝器中蒸发，例如如在本发明的上下文中所使用的。

5、具体地，将以热交换方式连接空气分离单元的高压塔和低压塔的所谓的主冷凝器设计为冷凝器蒸发器。主冷凝器或其它冷凝器蒸发器可具体地设计为单级或多级浴式蒸发器，具体是级联蒸发器(如例如在ep 1 287 302b1中所述)，但也可设计为降膜蒸发器。对应的冷凝器蒸发器可例如由单个换热器块或由布置在公共压力容器中的多个换热器块形成。

6、在也可在本发明的范围内使用的“强制流动”冷凝器蒸发器或在蒸发侧具有强制流动的冷凝器蒸发器中，液体流借助于其自身的压力被挤压通过蒸发室并且在那里部分蒸发。(“强制流动”蒸发器有时也被称为“单程蒸发器”。)该压力例如由通向蒸发室的供应管线中的液柱生成，该液柱由液体贮存器的对应定位产生。在这种情况下，该液柱的高度至少对应于蒸发室中的压力损失。离开蒸发室的气体或气体-液体混合物，即二相流，被直接传送到下一方法步骤或传送到单程/强制流动冷凝器蒸发器中的下游设备，并且具体地不被引入到冷凝器蒸发器的液浴中，剩余的液体比例将被再次从液浴中抽出，如例如在基于已知的热虹吸效应操作的常规浴式蒸发器中的情况。

7、在本文所用的术语中，流体(即液体和气体)可以富含或缺乏一种或多种组分，其中“富含”可以指至少50％、75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，“缺乏(low)”可以指至多50％、25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量，基于摩尔、重量或体积。术语“主要”可对应于“富含”的定义。流体还可被一种或多种组分富集或贫化，其中这些术语涉及获得该流体的起始流体中的含量。如果流体基于初始液体含有至少1.1倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍或1,000倍的对应组分的含量，则为“富集”，而如果流体含有最多0.9倍、0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍的对应组分的含量，则为“贫化”。例如，如果在此提及“氧”或“氮”，则这也被理解为是指富含氧或氮的流体，但不必一定仅由其组成。

8、本公开使用术语“压力范围”和“温度范围”来表征压力和温度，其意味着不必为了实现本发明构思而将对应设施中的对应的压力和温度以精确的压力或温度值的形式来使用。例如，在压力和低压塔内的不同位置处存在不同的压力，但是它们在特定压力范围内，也被称为操作压力范围。相应的压力范围和温度范围可以是不相交的范围或彼此重叠的范围。

9、下面使用的绝对和/或相对空间指示，诸如具体地“之上”、“之下”、“在……上方”、“在……下方”、“相邻”和“彼此相邻”在这里具体地是指空气分离单元的相应指定的元件(例如精馏塔、多部分精馏塔的子塔或精馏塔的精馏区域)在正常操作中的空间取向。两个元件“一个在另一个上方”的布置在此被理解为具体地是指两个元件中的较低的那个元件的上端与两个元件中的较高的那个元件的下端相比处于较低或相同的测地学高度，并且两个元件的投影在水平面上重合。具体地，这两个元件可以恰好一个在另一个上方布置，即这两个元件的竖直中心轴线在同一竖直直线上延伸。“彼此相邻”的布置具体地应是指两个元件的投影在水平平面中不重叠。在设计成多部分的精馏塔的情况下，术语诸如“功能上在……下方”或“功能上在……上方”是指如果精馏塔具有单部分设计则它们将具有的精馏区或子塔的布置。

10、发明优点

11、本发明具体地基于这样的认识：具有粗氩塔和纯氩塔的现有技术空气分离装置(粗氩塔和纯氩塔的顶部冷凝器以开头所述的方式被冷却)具有两个主要缺点：

12、冷却流体在这些顶部冷凝器中部分蒸发后剩余的液体传统上在不同点或阶段被馈送到低压塔中。从热力学观点来看，这是正确的，因为这两种液体的组成非常不同。(从热力学观点来看)不正确的是，在这些顶部冷凝器中部分蒸发期间形成的气体传统上被混合，尽管组成有明显的差异。

13、此外，用于粗氩塔和纯氩塔的顶部冷凝器中冷却并从压力塔抽出的富氧液体被节流到粗氩塔的顶部冷凝器的蒸发室中。一定比例蒸发为所谓的闪蒸气体。节流流中蒸气的比例，即闪蒸气体的比例通常约为10％。蒸气的组成明显不同于液相的组成(由于平衡条件)。液相在粗氩塔的顶部冷凝器中几乎完全蒸发，其中这里形成的蒸发气体与闪蒸气体混合。这导致具有不同组成的两个气体流的混合物，这在热力学上是不正确的，因为该混合物然后必须被进一步分离。

14、本发明通过提供一种用于空气深冷分离的方法来消除这些缺点，在该方法中，使用具有精馏塔装置的空气分离单元，该设施具有压力塔、低压塔、粗氩塔和纯氩塔。

15、使用来自压力塔的第一比例的富氧液体，形成第一液体压力流，该第一液体压力流膨胀，同时获得第一闪蒸气体并且保留第一低压液体。

16、使用来自压力塔的第二比例的富氧液体，形成第二液体压力流，该第二液体压力流膨胀，同时获得第二闪蒸气体并且保留第二低压液体。

17、这两个比例可在同一阀中一起膨胀或在分开的阀中分开膨胀。

18、粗氩塔使用第一塔顶气体冷凝装置操作，其中粗氩塔的塔顶气体利用使用第一低压液体或其一部分提供的第一冷却流体的部分蒸发而经受冷凝。

19、纯氩塔使用第二塔顶气体冷凝装置操作，其中纯氩塔的塔顶气体利用使用第二低压液体或其一部分提供的第二冷却流体的部分蒸发而经受冷凝。

20、在第一冷却流体的部分蒸发期间形成的第一蒸发气体或其一部分和在第一冷却流体的部分蒸发之后剩余的第一过量液体或其一部分被馈送到低压塔中。

21、在第二冷却流体的部分蒸发期间形成的第二蒸发气体或其一部分和在第二冷却流体的部分蒸发之后剩余的第二过量液体或其一部分被馈送到低压塔中。

22、术语“蒸发气体”是指炉顶气体冷凝装置或冷凝器蒸发器中通过来自粗氩塔和纯氩塔的相应炉顶气体的热转移形成的蒸发比例。任何剩余的液体残余物在本文中称为“过量液体”。与术语“蒸发气体”相反，术语“闪蒸气体”用于描述仅通过膨胀形成的气体或蒸气比例。

23、根据本发明规定，馈送到低压塔中的第一蒸发气体或其一部分在第一馈入区域中被部分地或完全地馈送到低压塔中。

24、与此相反，根据本发明，馈送到低压塔中的第二蒸发气体或其一部分在第二馈入区域中被部分地或完全地馈送到低压塔中。

25、因此，根据本发明，在相应的顶部冷凝器中形成的两个气相分别在不同的且各自合适的位置处馈送到低压塔中。这避免了上述缺点，考虑到这两种蒸发气体的不同组成，这些缺点是由常规的公共馈入产生的。

26、根据本发明，馈送到低压塔中的第二过量液体或其一部分在第二馈入区域中，即在第二蒸发气体也被馈入的位置处，被部分地或完全地馈送到低压塔中。

27、在本发明的一个实施方案中，第一闪蒸气体或其一部分可与第一蒸发气体分开地在第二馈入区域中被部分地或完全地馈送到低压塔中。以这种方式，可克服同样提及的现有技术的缺点，这些缺点是鉴于不同的气体组成而由于在那里进行的公共馈入产生的。

28、根据本发明，第一馈入区域位于第二馈入区域下方5至25个理论塔板处，并且第一馈入区域和第二馈入区域各自是不包括任何分离设备的区域并且各自布置在布置于上方的上分离区域与布置于下方的下分离区域之间。优选地，第一(下)馈入区域的上分离区域也是第二(上)馈入区域的下分离区域，即，其正好位于这两个馈入区域之间。分离区域填充有物质交换元件并且优选被设计为填料区部。

29、换句话讲，根据本发明，来自纯氩塔的塔顶气体冷凝装置的蒸发气体被引入到低压塔中，具体是在与在此剩余的残余液体相同的分离级处。由于两个流均处于热力学平衡，因此不需要附加的液体分配器。这两个流例如可以二相流的形式经由二相喷嘴馈送到低压塔中。这导致氩产率的显著增加。不存在由于氧回收的改进的能量需求的增加。

30、对于分开的阀中膨胀之后的闪蒸气体分离，在本发明的第一变型中提供两个分开的相分离设备，例如用于第一闪蒸气体的简单相分离器(第一相分离)和/或用于第二闪蒸气体的第二塔顶气体冷凝装置的蒸发室。

31、通过分开地闪蒸来自压力塔的液体压力流(该液体压力流用于在粗氩塔的第一塔顶气体冷凝装置中冷却，同时形成第一闪蒸气体并且将第一闪蒸气体与在纯氩塔的第二塔顶气体冷凝装置中形成的第二蒸发气体混合)，实现了进一步的优点，其具体在于氩产率的附加增加。

32、具体地，相分离上游的膨胀可从压力塔的操作压力水平进行至低压塔的操作压力水平。关于相分离的设计，可采用不同的方法，这将在下文解释。

33、在本发明的第二变型中，第一液体压力流和第二液体压力流在公共阀中膨胀并且共同地经受相分离，优选在第二塔顶气体冷凝装置的蒸发室中进行相分离，该第二塔顶气体冷凝装置也用作相分离器。然后从蒸发室的液相排出第一冷却流体。第一闪蒸气体与第二蒸发气体一起从第二塔顶气体冷凝装置的蒸发室排出。

34、在本发明的两个变型中，第一闪蒸气体可与第一蒸发气体分开地在第二馈入区域中被馈送到低压塔中，其中具体地，第一闪蒸气体在已在第一相分离中提供之后被不节流地转移到低压塔(12)中。

35、如上所述，第一蒸发气体或其一部分在第一馈入区域中与第一过量液体或其一部分一起可作为第一二相流被馈送到低压塔中。

36、在本发明的特别有利的实施方案中，所述类型的一个或多个“强制流动”冷凝器蒸发器可在第一塔顶气体冷凝装置中使用。在这个上下文中参考上述说明。具体地，作为第一冷却流体的第一低压液体或其一部分因此被强制通过一个或多个冷凝器蒸发器，并且由此经受部分蒸发以形成第一蒸发气体和第一过量液体，该一个或多个冷凝器蒸发器作为或形成为第一塔顶气体冷凝装置的一部分。在这种情况下，“强制通过”被定义为在压力下(例如通过管线)馈送到蒸发室中。

37、有利地，强制引导由液柱的压力引起。被强制馈送通过一个或多个冷凝器蒸发器的第一低压液体或其一部分有利地保持在贮存器中，该贮存器在测地学上被布置在一个或多个冷凝器蒸发器中的一个或多个馈入位置上方。

38、特别优选地，使用“单程”布置，其中第一蒸发气体和第一过量液体作为第一二相流从冷凝器蒸发器排出，而不使第一过量液体或其一部分返回到一个或多个冷凝器蒸发器中。

39、不管其它特征的具体实施方案是如何的，第一闪蒸气体可在相分离中提供之后不节流地转移至低压塔。

40、在本发明的优选实施方案中，在第二馈入区域中馈送到低压塔中的第二蒸发气体或其一部分可具体地与在第二馈入区域中馈送到低压塔中的第二过量液体或其一部分组合以形成在第二馈入区域中馈送到低压塔中的第二二相流。

41、在另一实施方案中，第一塔顶气体冷凝装置可具体地具有浴式蒸发器，该浴式蒸发器具有其中集成有相分离的蒸发室，具体地作为锥形安装。

42、原则上，来自第一塔顶气体冷凝装置的第一过量液体可在没有压力改变措施的情况下被引入到低压塔中。然后在第一塔顶气体冷凝装置的蒸发室中建立压力，该压力对应于低压塔的操作压力加上管线损失。这确保系统在正常条件下的稳定操作。在特殊操作情况下，例如在部分负荷操作期间，液态氩可能被过冷到使得存在冷凝通道被冻结的氩阻塞的风险的程度(氩的三相点：83.8k)。

43、根据本发明的另一方面，当第一过量液体和第一蒸发气体作为第一二相流一起传送到低压塔时，该问题通过使二相流通过节流阀在第一塔顶气体冷凝装置与低压塔之间传送来解决。通过部分地关闭节流阀，在欠载的情况下，蒸发室中的压力、并且因此还有温度可增加，从而有效地防止冷凝器蒸发器由于冻结而阻塞。优选地，该阀被设计为自动阀；另选地，可使用手动阀。总之，这导致第一塔顶气体冷凝装置和粗氩塔的特别稳定的操作。

44、在操作期间、具体是在正常操作期间，节流阀可至少暂时地完全打开。

45、另外，第一过量液体可在塔顶气体冷凝装置与节流阀之间传送并通过相分离器，在该相分离器中，第一蒸发气体和第一过量液体彼此分离。然后将第一蒸发气体与第一过量液体分开地馈送到低压塔中。蒸发室中的压力不是通过用于第一过量液体的管线中的阀设定，而是通过连接到相分离器的蒸发气体管线中的阀设定。

46、可测量相分离器中的液位。根据所测量的值，优选地调节引入到第一塔顶气体冷凝装置中的第一冷却流体的量。优选地，相分离器中的液体量是定量控制的。

47、优选地，调节控制蒸发室中压力的节流阀，使得第一冷却流体的温度在进入第一塔顶气体冷凝装置时高于氩的三相点温度。该入口温度优选比氩的三相点高至少0.1至2.0k，具体是高0.1至1.0k。

48、本发明原则上可应用于具有氩回收的所有工艺回路拓扑，而不管制冷类型或产品压缩类型是如何的。这些具体地包括例如在ep 3 196 573 a1的段落[0022]至[0025]中描述的所谓的mac/bac或hap过程、在ep 2 235460a2中或在h.hausen和h.linde的“tieftemperaturtechnik:erzeugung sehr tief temperaturen,gasverflüssigung undzerlegung von gasgemischen”第二版，1985，springer-verlag,heidelberg，第4.5.2.2章节中描述的使用氮循环的方法、和/或hausen/linde，第4.5.1.6章节或(见上文)，第2.2.5.2章节“internal compression”中所述的具有内部压缩的空气分离装置。

49、关于同样根据本发明提出的空气分离单元的特征，明确地参考相应的独立权利要求。该空气分离单元被具体地配置为执行如先前在实施方案中所说明的方法。因此，关于根据本发明的过程及其有利实施方案，明确地参考上述说明。

50、下面将参考附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的优选实施方案。