用于低温分离空气的方法和空气分离设备与流程

背景技术：

1、通过在空气分离设备中低温分离空气来制备液态或气态空气产品是已知的并且例如在wiley-vch出版公司2006年由h.-w.编辑出版的“industrial?gasesprocessing”一书中，特别地在章节2.2.5“cryogenic?rectification”中进行了描述。除非另有明确定义，否则下文使用的术语具有专业文献中常用的含义。

2、对于空气分离，可使用已知的所谓主(空气)压缩机/二次压缩机(main?aircompressor/booster?air?compressor，mac/bac)方法或所谓的高气压(high?airpressure，hap)方法。主空气压缩机/二次压缩机方法是偏传统的方法，近年来，越来越多地使用高气压方法作为其替代方案。请参考下面更详细的解释。

3、如下文所述，尽管高气压方法有其优点，特别是减少了旋转机器的数量，从而降低了建造成本，但与主空气压缩机/二次压缩机方法相比，高气压方法在某些产品设置方面存在缺点。

4、因此，本发明的目的在于改进高气压方法的工艺连接，使高气压方法的上述主要优点得以保留，但从总体上看，与主空气压缩机/二次压缩机方法相比也具有优势。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明提出根据独立权利要求的前序部分所述的一种用于低温分离空气的方法和一种空气分离设备。本发明的实施方案为从属权利要求和以下说明的主题。

2、首先更详细地解释了本发明的进一步基本原理，并限定了用于描述本发明的术语。

3、“空气产物”这一概念在这里尤其应指的是至少部分通过大气空气的低温分离提供的流体。根据此处的基本理解，空气产物具有大气中包含的一种或多种空气气体，这些空气气体的组成与大气中的组成不同?？掌镌蛏峡梢砸云?、液态或超临界状态存在或加以提供，并且可以从这些聚合状态中的一种转化为另一种聚合状态。特别地，通过在特定压力下加热，液态空气产物可以转化为气态(“蒸发”)或转化为超临界状态(“伪蒸发”)，具体取决于加热期间的压力是低于或是高于临界压力。如果下文中提到了“蒸发”，则其中也应该包括相应的伪蒸发。

4、空气分离设备具有精馏塔总成，这些精馏塔总成可以是不同的设计。除了用于提取液态和/或气态的氮和/或氧的精馏塔，即用于氮氧分离的精馏塔，尤其是可在已知的双塔中联合的精馏塔外，还可设置用于提取其他空气组分，特别是稀有气体，或纯氧的精馏塔。

5、典型的精馏塔总成的精馏塔是在不同的压力水平下运行的。已知的双塔具有所谓的压力塔(也被称为高压塔、中压塔或下塔)和所谓的低压塔(上塔)。高压塔通常在4巴至7巴的压力范围内，特别是至约5.3巴的压力下运行，相反低压塔则通常在1巴至2巴的压力范围内，特别是在约1.4巴的压力下运行。

6、在空气分离设备中，使用多级涡轮压缩机来压缩进气量，该涡轮压缩机在此被称为“主空气压缩机”。涡轮压缩机的机械结构，一般对于行内专业人士是已知的技术领域。在涡轮压缩机中，利用布置在涡轮上或直接布置在轴上的涡轮叶片对需压缩的介质进行压缩。在此，涡轮压缩机形成一个结构单元，不过该结构单元在多级涡轮压缩机中可具有多个压缩档级。压缩档级在此通常包括涡轮或涡轮叶片的对应的布置。所有这些压缩档级可受同一轴驱动。不过，也可被设置为以不同轴分组驱动压缩档级，其中轴还可经由减速器相互结合。

7、此外，主空气压缩机的特征在于，输送到精馏塔总成并且用于制备空气产物的全部空气量被该主空气压缩机压缩，亦即全部进气量被压缩。对应地也可设置一台“二次压缩机”，但在该二次压缩机中仅将主空气压缩机中压缩的部分进气量提高到更高的压力。该压缩机也可被设计成涡轮压缩机。为了压缩部分空气量，通常设置有其他涡轮压缩机，该其他涡轮压缩机也被称为增压机，然而与主空气压缩机或二次压缩机相比，典型地只以相对小的程度进行压缩，特别是对于已压缩的空气量而言。在高气压方法(见下文)中也可能存在二次压缩机，然而该二次压缩机从更高的压力开始压缩一部分进气量。

8、“冷压缩机”或“冷增压机”在这里指的是在明显低于空气分离设备的环境温度的温度范围内，在某个温度下，特别是低于-50℃或-100℃的温度下，特别是高于-150℃或-200℃，为其输送流体的压缩机或增压机。而流体在高于-30℃、0℃、20℃或50℃，特别是高达100℃或200℃的温度范围内的某个温度下被输送给热压缩机或热增压机。

9、在空气分离设备中的几个点位处也可使空气膨胀，为此，除其他外可使用涡轮膨胀机形式的膨胀机，在此也被称为“膨胀涡轮机”或简称为涡轮机。涡轮膨胀机也可与涡轮压缩机联接并驱动该涡轮压缩机。如果在没有外部供应能量的情况下，即仅经由一台或几台涡轮膨胀机驱动一台或几台涡轮压缩机，则针对此类布置也可使用术语“涡轮增压机”。在涡轮增压机中，涡轮膨胀机(膨胀涡轮机)和涡轮压缩机(增压机)机械联接，其中可以相同转速(例如经由共同的轴)或者以不同转速(例如经由中间的传动齿轮)实现该联接。如果我们在这里提到了“涡轮机单元”，则其中尤指具有至少一个膨胀涡轮机的装置。

10、主空气压缩机/二次压缩机方法的特征在于，整体供应给精馏塔总成的进气量的仅一部分被压缩到这样的压力水平，该压力水平明显高于压力塔的压力水平，即比压力塔的压力水平高至少3巴、4巴、5巴、6巴、7巴、8巴、9巴或10巴，并且进而高于在精馏塔总成中使用的最高压力水平的压力水平。进气量的另一部分仅被压缩到压力塔的压力水平，或最高与该压力塔的压力水平差异不超过1巴至2巴的压力水平，并且在该压力水平下被送入压力塔，而不膨胀。此类主空气压缩机/二次压缩机方法的一个例子在(见上文)的书中的图2.3a中示出。

11、相反，典型地，在高气压方法中，整体供应给精馏塔总成的全部进气量均被压缩到这样的压力水平，该压力水平明显高于压力塔的压力水平，即高于压力塔的压力水平3巴、4巴、5巴、6巴、7巴、8巴、9巴或10巴或以上，并且进而高于在精馏塔总成中使用的最高压力水平的压力水平。该压差可例如最大达14巴、16巴、18巴或20巴或以上。高气压方法已多次描述，并例如从ep?2?980?514?a1和ep?2?963?367?a1中已知。

12、高气压工艺通常与所谓的内压缩(iv，internal?compression，ic)结合使用。在内压缩中，通过从精馏塔总成中提取低温液态的空气产物，使该空气产物经受压力升高至产物压力，并且在产物压力上通过加热转化成气态或超临界状态，从而至少形成一种借助空气分离设备提供的气态加压空气产物。例如可借助于内压缩产生气态加压氧气(gox?iv,gox?ic)、气态加压氮气(gan?iv,gan?ic)或气态加压氩气(gar?iv,gar?ic)。与备选的同样可能的外压缩相比，内压缩提供了一系列技术优点并且例如在(见上文)的书中的章节2.2.5.2“内压缩”中已被阐释。

13、在典型的空气分离设备中，对应的膨胀涡轮机存在于各个点位处，用于制冷和液化料流。特别地，其中涉及到克劳德涡轮机和拉赫曼涡轮机，以及可能同样会涉及到焦耳-汤姆逊涡轮机。关于对应涡轮机的功能和用途参考专业文献，例如在crc?press于2006年出版的f.g.kerry，“industrial?gas?handbook:gas?separation?and?purification”一书中，特别是章节2.4，“contemporary?liquefaction?cycles”，章节2.6，“theoreticalanalysis?of?the?claude?cycle”和章节3.8.1，“the?lachmann?principle”。

14、尤为著名的是高气压方法，在该方法中采用上述拉赫曼涡轮机。在拉赫曼涡轮机中膨胀的空气被送入(吹入)低压塔，因此也被称为吹入涡轮机(英语：上塔膨胀机)。其中，拉赫曼涡轮机可作为另一个涡轮机单元，在涡轮机单元之外加以提供，借助该涡轮机单元向压力塔中膨胀气态压缩空气，即克劳德涡轮机。

15、术语“吹入的空气量”是指通过一台典型的拉赫曼涡轮机(吹入式涡轮机)进行膨胀并接着送入(吹入)低压塔的压缩空气。以这种方式膨胀进入低压塔中的空气会干扰精馏，因此吹入式涡轮机中可膨胀的空气量以及为一台对应的设备以此方式产生的冷量受到限制。从压力塔中作为加压氮取出且从空气分离设备中输出的富氮空气产物，以及从空气分离设备中输出的液氮和从空气分离设备中输出的内部压缩氮也会对精馏产生相应的影响和/或共同作用。

16、通过拉赫曼涡轮机吹入低压塔的空气量，包括从压力塔中取出且从空气分离设备中输出的氮气量，还包括从空气分离设备中输出的液氮量和从空气分离设备中输出的内部压缩氮气量(以上情况如果都存在)，可以根据输入精馏塔总成的空气总量来确定。这样得到的数值称为吹入当量。

17、“节制流”或“焦耳-汤姆逊流”指的是在空气分离设备的主热交换器中，在压力下至少大部分液化，然后(特别是经由节流阀)特别地送入压力塔的空气量。也可以利用焦耳-汤姆逊涡轮机代替节流阀。

18、在本文使用的语言中，液态，气态或也在超临界状态中存在的液体可富含或缺乏一种或几种成分，其中“富含”可表示在摩尔、重量或体积基础上的至少75％、90％、95％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的含量，而“缺乏”可表示最多25％、10％、5％、1％、0.1％或0.01％的含量。术语“主要”可对应于刚才给出的“富含”的定义，然而特别地指90％以上的含量。例如，如果本文提及“氮”，则可能是指纯净气体，但也可能是指富含氮的气体。

19、本发明的特征和优点

20、高气压工艺可用于不同实施例。这些通常按照设备的液体输出量进行分类和区分，即根据以液体形式提供和以液体形式从设备中提取的空气产物(在这里也被称为液体产物)的量，或根据内压缩的空气产物与液体产物的比率。

21、在有少量液态产物或没有液态产物且有一定内部压缩的情况下，利用热增压器(由涡轮机驱动)和冷增压器(也由涡轮机驱动)的高气压方法是主空气压缩机/二次压缩机方法的一种经济有效的替代方法。然而，串联连接的冷热增压器所能达到的最大压力可能不够高，无法在不过度增加主空气压缩机压力(与主空气压缩机/二次压缩机方法相比，这会导致能源劣势)或不影响涡轮增压器总成的可建造性的情况下，最佳地平衡主热交换器中的冷热流。

22、在传统的主空气压缩机/二次压缩机方法中，由于所使用的两台压缩机(主空气压缩机和二次压缩机)都“负责”不同功能的任务，因此该方法可以很好地适应不同的产品设置。原则上，主空气压缩机只为分离提供进气，而增压器则为内部压缩和液体生产提供能量。通过巧妙地连接涡轮机和二次压缩机(带/不带中间抽取)以及使用额外的节制流，可以实现非常高的能效。然而，通常需要大量的压缩机级数，从而增加了投资成本。在此，本发明提供了一种补救措施。

23、在高气压方法中，上述任务(为内部压缩和液体生产提供分离空气和能量)仅由一台压缩机来完成。因此，必须将总进气压缩至高压，以实现主热交换器中冷流和暖流的良好平衡。高压必须由涡轮增压器和主空气压缩机提供。在某些情况下，特别是在液体产物很少或没有液体产物的产品设置中，很难在不影响增压涡轮机的可建造性或不明显增加主空气压缩机压力的情况下实现有效的平衡。

24、在已知的高气压方法中，可以借助冷增压器产生节制流，并降低主空气压缩机的压力。然而，其能源效率仍无法与主空气压缩机/二次压缩机方法相提并论。在这种情况下，冷增压器连接在热增压器的下游。由于热增压机通常需要压缩较大的容积，或者涡轮机和增压机之间的容积比必须设定，以便能够建造机器，因此级压比通常小于1.4。使用冷增压器时，级压比可达到2或稍高。涡轮机和增压器的具体转速必须在可建造的范围内，机器的转速不能太高。此外，由us2013/0255313?a1已知一种使用串联连接的两个冷压缩机的相应工艺。

25、本发明的优势尤其体现在液体产量低(基于内部压缩产物，从设备中取出的液体少于10％)的情况下，以及在使用冷压缩机且吹入当量非常低，但氮产量相对于氧产量非常高的方法中。

26、本发明的解决方案利用了如下事实，即在许多设备和运行情况下，上述意义上的吹入当量并未得到充分利用。众所周知，增加吹入当量可以提高能量吸收(在高气压和主空气压缩机/二次压缩机方法中使用拉赫曼涡轮机)。通过增加吹入当量，提供所需产物所需的空气量成倍增加，但主空气压缩机所需的压力却降低了，从而减少了总能耗。此外，增加吹入当量减少氩产量。为了达到优化，存在一个最佳值，在该最佳值下，(仅)吹入当量应被耗尽。

27、对于氮产量较高的设备，吹入当量的最佳值较低，因为吹入当量的增加会降低氮产量。

28、本发明的当前理念是通过在运行压力下从压力塔中取出额外的压缩氮量来利用吹入当量。这些增压氮气被输送到涡轮机，涡轮机驱动冷增压器(在主热交换器中加热后)，并膨胀至低压塔下方的压力(或膨胀至在低压塔顶部取出的纯氮的压力)。以此方式膨胀的氮气流现在在主热交换器中被加热，并从低压塔的顶部送入纯氮，特别是在纯氮在外部氮气压缩机中被压缩之前。

29、而在热增压器中经压缩后冷却的空气的部分气流被送入冷增压器。而在主空气压缩机中经压缩的空气的部分气流被送入热增压机。在冷增压器中经压缩的部分气流被用作高压节制流或高压焦耳-汤姆逊流。这意味着来自主空气压缩机的部分空气被重新压缩两次，以提供高压焦耳-汤姆逊流。通过这种方式，可以优化设备的吹入当量，从而提供所需的氮产量。

30、从总拥有成本(tco)的角度来看，本发明提高了高压空气接线的效率，而不会损失任何成本效益或增加工艺的复杂性。最重要的是，可以降低成本：

31、●通过提高吹入当量(在这种情况下，通过从压力塔中取出压缩氮气)，可以减少低压塔中的气体负荷，从而可选地，低压塔可以设计成较小的塔直径。

32、●与能效可能相当的冷增压法使用自增压涡轮机相比，所需的冷增压涡轮机要小一个等级，因为通过涡轮机的空气量要少得多。

33、●利用由拉赫曼涡轮机驱动的冷增压机的方法在能效上可能相当且具有增加吹入当量的优点，但在相应的系统尺寸的情况下，则无法建造涡轮机，因为所需的转速超过75,000转/分钟(涡轮机上的空气量更少，膨胀空气的压力梯度更大)。

34、根据保守计算，与传统的高气压冷增压法相比，建议的方法的能耗是相同的。根据氩气和能源评估以及所需的空气产物，提出的方法非常有利。对于不生产氩气的设备来说，该方法非常有利。

35、根据本发明的用于低温分离空气的方法是利用空气分离设备进行的，空气分离设备具有包括压力塔和低压塔的精馏塔总成，其中压力塔在第一压力范围内运行，低压塔在低于第一压力范围的第二压力范围内运行，并且在精馏塔总成中分离的空气总量的至少90％被压缩至第三压力范围内的某一压力，第三压力范围比第一压力范围高5巴。因此，如上文详细说明的那样，执行了高气压方法。

36、在-30℃至100℃的第一温度范围内的温度下，将所分离的空气总量的一部分连续送入由第一涡轮机驱动的第一增压器，利用第一增压器将该一部分从第三压力范围内的压力压缩至高于第三压力范围的第四压力范围内的压力，使该一部分冷却至-160℃至-60℃的第二温度范围内的温度，在第二温度范围内的温度下，将该一部分送入由第二涡轮机驱动的第二增压器，利用第二增压器将该一部分从第四压力范围内的压力压缩至高于第四压力范围的第五压力范围内的压力，使该一部分冷却至-200℃至-150℃的第三温度范围内的温度，其中尤其地，使该一部分至少部分液化并且将其送入压力塔。尤其是高压焦耳-汤姆逊流，它可以与在第三压力范围内的压力下提供的另一股焦耳-汤姆逊流一起使用。此处和下文解释的所有冷却步骤都可以使用主热交换器进行，前提是尚未通过膨胀实现冷却。

37、在本发明的范围内，在第一压力范围内的压力下从压力塔中取出气态氮，并将其连续加热至尤其是-100℃至50℃的第四温度范围内的温度，使该气态氮在第二涡轮机中膨胀至第二压力范围内的压力，同时冷却至尤其是-150℃至-40℃的第五温度范围内的温度，并且将该气态氮加热至0℃至50℃的第六温度范围内的温度。此外，还从低压塔中取出气态氮，并将其加热至第六温度范围内的温度。

38、根据本发明，例如在现有技术的范围内，例如特别是us?9,945,606?b2的范围内，从低压塔中取出的气态氮与从加压塔中取出的气态氮分开加热，即特别是在主热交换器的单独热交换通道中加热至第六温度范围内的温度，并且第四温度范围为-100℃至50℃，第五温度范围为-140℃至-40℃。

39、换句话说，在本发明的范围内，将用于氮气涡轮机(即第二涡轮机)的氮气加热至第四温度范围内相对较高的温度，然后使其膨胀，从而调节第五温度范围内的温度，然后尤其地将该氮气在主热交换器中的单独通道中加热，并且仅在加热下游与来自低压塔的低压氮气混合。这样做的好处在于，与在较低温度下进行膨胀并在与低压氮气混合之前进行膨胀相比，较高的涡轮机进口温度可降低氮气消耗量，为冷增压器提供必要的动力，从而提高能源效率。

40、较高的涡轮机进口温度或较低的进气量可使所需的涡轮机更小，并通过提高比转速而更容易建造。此外，与进气温度较低的拉赫曼涡轮机或压力氮气涡轮口相比，较高的涡轮机进口温度也减少了所需的压缩氮气量，这导致了较低的吹入当量，从而使空气系数较低。这就减少了所需的空气量，提高了空气压力，从而在预冷和分子筛吸附器或再生能力方面节约了能源和成本。

41、由于低压氮气的通道从约200k到300k，而不是从96k到300k，因此提出的工艺减少了主热交换器的体积。与使用拉赫曼或冷压氮气涡轮机的方法相比，在相同输出功率的情况下，主热交换器可以设计成明显更小的体积，因为该工艺需要使用的空气量更少。根据本发明的实施方案所设置的，主空气压缩机的压力上的额外的焦耳-汤姆逊流可改进热交换器温度曲线的平衡，从而提高能效。在热增压器中需要压缩的空气量较小，因此可以在较高的压差下运行。额外的节制流具有非常大的能量优势，特别是在具有两个或多个不同内部压缩压力(例如气态氧为30巴(绝对压力)，气态氧或氮为15巴(绝对压力))的工艺中。

42、在本发明的范围内，第一压力范围尤其为4巴至7巴，第二压力范围尤其为1巴至2巴，第三压力范围尤其为10巴至18巴，第四压力范围尤其在第三压力范围的1.2倍至1.5倍的某一压力范围内，第五压力范围尤其在第四压力范围的1.6倍至2.5倍的某一压力范围内。

43、有利地，在第一温度范围内的温度下，将所分离的空气总量的另一部分连续送入第一增压器，利用第一增压器将该另一部分从第三压力范围内的压力压缩至第四压力范围内的压力，使该另一部分冷却至第二温度范围或另一温度范围内的温度，使该另一部分在第一涡轮机中膨胀至第一压力范围内的压力，并且将该另一部分送入压力塔?；痪浠八?，涡轮流的形成是有利的，它首先在热增压器中与高压节制流一起被压缩。与高压节制流的冷却相比，随后的冷却可以至相同或不同的温度水平。

44、如前所述，在特别优选的实施方案中，根据本发明的方法还可以包括：在第三压力范围内的压力下，将所分离的空气总量的另一部分冷却至第三温度范围内的温度，并且将该另一部分(作为另一股节制流)送入压力塔。其优点已经说明。

45、从低压塔中取出的气态氮和从压力塔中取出的气态氮可以在分开加热至第六温度范围内的温度后彼此汇合。这种在加热下游汇合的优点也已在上文说明。

46、在该方法中，有利地从精馏塔总成中取出一种或多种液体，使其或分别进行内部压缩，并以一种或多种气态内部压缩产物的形式从空气分离设备中排出。

47、有利地，一种或多种气态内部压缩产物是或包括利用来自低压塔的富含氧的液体生产的气态内部压缩产物。

48、有利地，不从空气分离设备中取出液体产物，或者从空气分离设备中取出一种或多种液体产物，其总量不超过一种或多种气态内部压缩产物总量的10％。如前所述，本发明特别适用于这种液体产量低的情况。

49、在本发明的实施方案中，可以从低压塔中取出富含氩的液体，并且将其送入氩提取系统以提取氩。然而，在本发明的实施方案中，也可以设置无氩提取的实施方案。

50、根据本发明的用于低温分离空气的空气分离设备具有包括压力塔和低压塔的精馏塔总成，其中空气分离设备被设置为：在第一压力范围内运行压力塔，在低于第一压力范围的第二压力范围内运行低压塔，并且将在精馏塔总成中分离的空气总量的至少90％压缩至第三压力范围内的压力，第三压力范围比第一压力范围高5巴。

51、此外，空气分离设备被设置为用于：在-30℃至100℃的第一温度范围内的温度下，将所分离的空气总量的一部分连续送入由第一涡轮机驱动的第一增压器，利用第一增压器将该一部分从第三压力范围内的压力压缩至高于第三压力范围的第四压力范围内的压力，使该一部分冷却至-160℃至-60℃的第二温度范围内的温度，在第二温度范围内的温度下，将该一部分送入由第二涡轮机驱动的第二增压器，利用第二增压器将该一部分从第四压力范围内的压力压缩至高于第四压力范围的第五压力范围内的压力，使该一部分冷却至-200℃至-150℃的第三温度范围内的温度，并且将该一部分送入压力塔。

52、此外，根据本发明的空气分离设备被设置为用于：在第一压力范围内的压力下从压力塔中取出气态氮，并将其连续加热至第四温度范围内的温度，使该气态氮在第二涡轮机中膨胀至第二压力范围内的压力，同时冷却至第五温度范围内的温度，并且将该气态氮加热至0℃至50℃的第六温度范围内的温度，以及从低压塔中取出气态氮，并将其加热至第六温度范围内的温度。

53、根据本发明，空气分离设备被设置为用于：将从低压塔中取出的气态氮与从压力塔中取出的气态氮分开加热至第六温度范围内的温度，其中第四温度范围为-100℃至50℃，第五温度范围为-150℃至-40℃。

54、根据本发明提出的空气分离设备特别地适配用于执行如之前在实施方案中所阐述的方法。因此，应明确地参考上文关于根据本发明的方法及其有利的实施方案的阐述。

55、下面参考附图更详细地阐述本发明，这些附图说明了本发明的优选的实施方案。