用于通過(guò)低溫蒸餾來(lái)分離空氣的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種借助于低溫蒸餾來(lái)分離空氣的裝置，所述裝置包括中壓塔(1)和低壓塔(2)、但不包括生產(chǎn)氬的塔，所述低壓塔包括至少四個(gè)蒸餾區(qū)段(24，25，26，27，28)，其中該低壓塔的至少第一中間蒸餾區(qū)段(25)被輔助外殼所包繞，圍繞該輔助外殼限定了空間，該空間沿著該塔的徑向方向被劃分成下部部段和上部部段，所述一個(gè)或多個(gè)中間區(qū)段被定位在該低壓塔的中間部分中，該第一中間區(qū)段的容量大于至少一個(gè)相鄰區(qū)段(24，26)的容量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于通過(guò)低溫蒸餾來(lái)分離空氣的裝置和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過(guò)低溫蒸餾來(lái)分離空氣的空氣分離單元。在空氣分離單元的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要根據(jù)客戶(hù)要求的改變來(lái)修改其設(shè)計(jì)。例如，客戶(hù)可能在該單元已經(jīng)被設(shè)計(jì)成不生產(chǎn)氬、或者甚至已經(jīng)以沒(méi)有氬塔的形式存在時(shí)意識(shí)到他需要生產(chǎn)氬。
[0002]解決該問(wèn)題的一種方式是設(shè)計(jì)具有能夠生產(chǎn)氬但在不需要?dú)鍟r(shí)將富氬氣體排放到殘余氮中的塔的單元。另外，還可能增大低壓塔的尺寸。這兩種解決方案意味著會(huì)增加投資成本。
[0003]允許進(jìn)行氬生產(chǎn)的空氣蒸餾設(shè)施一般由中壓塔構(gòu)成，該中壓塔典型地在約6巴的絕對(duì)壓力下運(yùn)行、上部安裝了典型地在稍微高于大氣壓下運(yùn)行的并且聯(lián)接到不純氬生產(chǎn)塔上的低壓塔。蒸發(fā)器-冷凝器使蒸氣位于中壓塔的頂部處，該蒸氣基本上由與來(lái)自低壓塔的基本上由純氧組成的底部液體處于熱交換關(guān)系的純氮組成。
[0004]該低壓塔包括蒸餾區(qū)段、正好在其上方的第一中間蒸餾區(qū)段、以及在該第一個(gè)中間蒸餾區(qū)段上方的若干(通常為兩個(gè)或三個(gè))區(qū)段。
[0005]這些蒸餾區(qū)段各自是由“交叉波紋”型結(jié)構(gòu)填料包塊構(gòu)成的。
[0006]如眾所周知的，交叉波紋填料包塊是由一捆波紋塔板制成的，這些波紋塔板各自被安排在大致豎直的平面中并且彼此相抵靠包裝，每個(gè)塔板具有大致矩形的形狀。這些塔板是傾斜成波紋狀的，并且這些波紋的傾斜方向從一個(gè)塔板到下一個(gè)塔板反向。所有這些塔板都具有相同的高度，而所有這些塔板的長(zhǎng)度或水平尺寸從一端塔板情況下的最小值增大至中間塔板情況下的最大值再減小至另一端塔板的相同最小值。
[0007]這些區(qū)段各自是連續(xù)的填料區(qū)段，即是由直接堆疊在彼此頂部上的多個(gè)基本包塊而沒(méi)有中間流體再分配設(shè)備的區(qū)段，每個(gè)基本包塊繞該塔的軸線(xiàn)相對(duì)于兩個(gè)相鄰層旋轉(zhuǎn)90。。
[0008]如EP-A-0664144中描述的第一中間蒸餾區(qū)段具有比其他區(qū)段更小的截面并且因此在該低壓塔的中間在該區(qū)段的邊緣與該塔的主要外殼之間具有環(huán)形截面的空間。EP-A-1108965和US-A-5339648也描述了一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的單元。
[0009]在EP-A-0664144中，該塔被設(shè)計(jì)成使得可以將大多數(shù)富氬蒸氣從擋板下方的該環(huán)形截面的空間中抽出，該擋板將該空間劃分成下部部段和豎直方向上部部段。然后該蒸氣被供給至氬塔中。還使該氬塔中的底部液體返回到該下部部段，在該下部部段大部分富氬蒸氣被抽出。來(lái)自該氬塔頂部處的冷凝器的汽化富液被輸送到該空間的上部部段。
[0010]該第一中間蒸餾區(qū)段是通過(guò)多個(gè)分配器與相鄰區(qū)段分離開(kāi)的。
[0011]因此，與氬的生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)的從該塔抽取氣體以及將氣體供應(yīng)給該塔對(duì)該塔的高度沒(méi)有任何要求。
[0012]可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)第一中間蒸餾區(qū)段的較小直徑而無(wú)需增大該塔的直徑，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)段的大小不是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。確切地，相當(dāng)大量的氣體流動(dòng)到該氬塔中，并且因此不通過(guò)這一區(qū)段。
[0013]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)該設(shè)施被設(shè)計(jì)成不生成氬時(shí)，不安裝該截面減小的區(qū)段。
[0014]本發(fā)明的目的之一是設(shè)計(jì)一種適用于生產(chǎn)或不生產(chǎn)氬的低壓塔。理念是使用具有截面減小的第一中間蒸餾區(qū)段、帶或不帶氬生產(chǎn)的塔，并且更改這一區(qū)段中的填料的密度，其中在不包括氬生產(chǎn)的情況下，填料密度較低并且在包括氬生產(chǎn)的情況下，填料密度較高。
[0015]本發(fā)明能夠使用用于具有帶或不帶氬生產(chǎn)的低壓塔的標(biāo)準(zhǔn)模型。這意味著可能使包括流體供應(yīng)管線(xiàn)的冷箱的架構(gòu)進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化。因此可以縮短交付給客戶(hù)的提貨時(shí)間，因?yàn)樵跊Q定是否需要生產(chǎn)氬之前就能夠制造該塔。
[0016]已知的做法是通過(guò)改變填料的幾何形狀來(lái)增加填料區(qū)段的容量，如文件EP-A-0707885所述。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)目的，提供了一種使用低溫蒸餾的空氣分離單元，包括與低壓塔熱聯(lián)通的中壓塔，該低壓塔具有一個(gè)外殼和至少四個(gè)蒸餾區(qū)段，每個(gè)蒸餾區(qū)段是由一疊交叉波紋型結(jié)構(gòu)填料包塊構(gòu)成的，每個(gè)包塊包括一捆矩形波紋塔板，該低壓塔的至少一個(gè)第一中間蒸餾區(qū)段被輔助外殼所包繞，圍繞該輔助外殼界定了一個(gè)空間，該空間在該塔的徑向方向上被劃分成下部部段和上部部段，該一個(gè)或多個(gè)中間區(qū)段被定位在該低壓塔的中間部分中，其特征在于，該第一中間區(qū)段的容量大于至少一個(gè)相鄰區(qū)段的容量、或甚至大于該塔的其他區(qū)段的容量，并且不包括用于將一種流體從該低壓塔的一個(gè)中間高度輸送至另一塔以在該另一塔中進(jìn)行分離的裝置。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)目的，該單元包括:
[0019]-在該外殼中的、旨在將該上部部段和該下部部段與該塔的外部聯(lián)通的多個(gè)開(kāi)口，這些開(kāi)口已經(jīng)被封堵。
[0020]-第二和第三中間蒸餾區(qū)段，該第二和第三中間蒸餾區(qū)段以一種方式安排成使得在使用時(shí)，該第二區(qū)段位于該第一中間區(qū)段上方并且該第三區(qū)段位于該第二中間區(qū)段上方，并且包括處于該第一和第二中間區(qū)段之間的空間內(nèi)的第一開(kāi)口、處于該第二和第三中間區(qū)段之間的空間內(nèi)的第二開(kāi)口、以及處于該第三區(qū)段上方的空間內(nèi)的第三開(kāi)口，該第一、第二和第三開(kāi)口被設(shè)計(jì)成有待連接到液體輸入管上，該第一或該第三開(kāi)口是封堵的并且該第二開(kāi)口是打開(kāi)的。
[0021]-如以上權(quán)利要求之一所述的單元，其中，該第一中間區(qū)段中的填料具有的密度比這些相鄰區(qū)段中的至少一者的密度小了至少50m2/m3。
[0022]-該第一中間區(qū)段中的填料具有的幾何形狀與這些相鄰區(qū)段中的至少一者的幾何形狀不同。
[0023]-該中壓塔是通過(guò)在該低壓塔的底部中的冷凝器-再沸器與該低壓塔熱聯(lián)通的。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一目的，提供了一種空氣分離單元，該空氣分離單元包括與如上所述的低壓塔熱聯(lián)通的中壓塔，該中壓塔不包括用于將一種流體從該低壓塔的中間高度輸送至另一塔以在該另一塔中進(jìn)行分離的裝置。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)目的，提供了一種通過(guò)低溫蒸餾來(lái)分離空氣的方法，其中將有待分離的空氣輸送至如以上權(quán)利要求之一所述的單元的中壓塔，將富含氧的液體和富含氮的液體從該中壓塔輸送至該低壓塔，將富含氮的流體從該低壓塔的頂部抽取出來(lái)并且將富含氧的流體從該低壓塔的底部抽取出來(lái)，并且在該低壓塔的中間高度處不抽取流體來(lái)輸送到另一個(gè)塔。
[0026]在此所使用的術(shù)語(yǔ)“富液”是專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指一種與空氣相比富含氧的液體。
[0027]在一般情況下，有利的是設(shè)計(jì)出與所要求的產(chǎn)品無(wú)關(guān)的中壓塔和低壓塔的底部(至少一個(gè)區(qū)段)的標(biāo)準(zhǔn)化版本，并且根據(jù)客戶(hù)要求來(lái)設(shè)計(jì)該低壓塔的其余部分。
[0028]現(xiàn)在將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，在附圖中:
[0029]-圖1示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的被適配成不生產(chǎn)氬地使用的空氣蒸餾單元低壓塔，
[0030]-圖2示意性地描繪了被適配成在生產(chǎn)氬的情況下使用的空氣蒸餾單元低壓塔。
[0031]空氣蒸餾設(shè)施(在圖1中描繪出其低壓塔)是由中壓塔I構(gòu)成的，該中壓塔典型地在約6巴的絕對(duì)壓力下運(yùn)行、上部安裝了典型地在稍微高于大氣壓下運(yùn)行的低壓塔2。注意，不存在用于生產(chǎn)不純的或純的氬的任何塔。蒸發(fā)器-冷凝器4將蒸氣維持在塔I的頂部，該蒸氣基本上由與來(lái)自塔2底部的基本上由純氧組成的液體處于熱交換關(guān)系的純氮組成。
[0032]塔I接收有待分離的經(jīng)加壓且凈化的空氣并且產(chǎn)生富含氧的液體流和富含氮的液體流，這兩者都被輸送至低壓塔2。
[0033]圖1中的圖示是高度示意性的并且本質(zhì)上目的是示出該設(shè)施的流體入口/出口以及其限定的蒸餾區(qū)段。
[0034]低壓塔2的主要外殼包括六個(gè)蒸餾區(qū)段，即:
[0035].包括在該塔的液體出口 10的底部與第一中間蒸餾區(qū)段25之間的下部蒸餾區(qū)段24
[0036].正好在區(qū)段24上方的第一中間蒸餾區(qū)段25，兩者之間具有分配器(未示出)，該第一中間蒸餾區(qū)段在液體入口 6的下方，該第一中間蒸餾區(qū)段的截面小于下部區(qū)段的截面
[0037].在第一和第三中間蒸餾區(qū)段之間的第二中間蒸餾區(qū)段26
[0038].在第二中間區(qū)段與上部蒸餾區(qū)段28之間的第三中間蒸餾區(qū)段27，
[0039].包括在第三中間蒸餾區(qū)段與尖塔區(qū)段之間的上部蒸餾區(qū)段28
[0040].尖塔區(qū)段29，該尖塔區(qū)段具有的截面小于該上部蒸餾區(qū)段的截面。
[0041]該第一中間蒸餾區(qū)段的截面小于以下這些區(qū)段的截面:下部區(qū)段、上部區(qū)段、以及第二和第三中間區(qū)段。區(qū)段29是以虛線(xiàn)示出的，因?yàn)樵搮^(qū)段的存在不是必需的。
[0042]第一中間區(qū)段25是由被輔助外殼所包繞的填料構(gòu)成的圓柱體，該輔助外殼具有比該塔的外殼更小的直徑。該第一中間區(qū)段被定位在該塔的外殼內(nèi)并且被由該塔的外殼和包繞著填料的輔助外殼所界定的環(huán)形截面空間所環(huán)繞。環(huán)形密封構(gòu)件71通過(guò)密封接頭連接該塔的外殼和該輔助外殼，并且區(qū)段26的頂部通過(guò)多個(gè)間隔件72與分配器29C間隔開(kāi)。
[0043]這些蒸餾區(qū)段23至29各自是由“交叉波紋”型結(jié)構(gòu)填料包塊構(gòu)成的。
[0044]如眾所周知的，交叉波紋填料包塊是由一捆波紋塔板制成的，這些波紋塔板各自被安排在大致豎直的平面中并且彼此相抵靠包裝，每個(gè)塔板具有大致矩形的形狀。這些塔板是傾斜成波紋狀的，并且這些波紋的傾斜方向從一個(gè)塔板到下一個(gè)塔板反向。所有這些塔板都具有相同的高度，而所有這些塔板的長(zhǎng)度或水平尺寸從一端塔板的最小值增大至中央塔板的最大值再減小至另一端塔板的相同最小值。
[0045]這些區(qū)段23至29各自是連續(xù)的填料區(qū)段，即是由直接堆疊在彼此頂部上的多個(gè)基本層(或“包塊”)構(gòu)成而沒(méi)有中間流體再分配設(shè)備的區(qū)段，每個(gè)基本層繞該塔的軸線(xiàn)相對(duì)于兩個(gè)相鄰層旋轉(zhuǎn)90°。盡管某些區(qū)段、尤其是區(qū)段23、24和28的高度高，這些區(qū)段分別可以包括40、38、和50個(gè)理論踏板，但歸功于后面將明了的多個(gè)特征此成為可能。
[0046]一方面是蒸餾區(qū)段24和25、另一方面是25和26、26和27、27和28、以及最后28和29是通過(guò)分配器而彼此分離的。
[0047]然而低壓塔不旨在連接到氬生產(chǎn)塔，但該低壓塔仍然含有截面減小的區(qū)段25，該區(qū)段通常用于供應(yīng)氬生產(chǎn)塔的低壓塔。
[0048]然而在供應(yīng)氬生產(chǎn)塔的低壓塔中，用于這五個(gè)區(qū)段24至28的填料是相同的，用于第一中間區(qū)段25的填料的密度與這些區(qū)段24、26、27、28、和29(若存在)的密度不同。區(qū)段29的存在不是必要的。
[0049]這意味著，在構(gòu)建該塔時(shí)，可以很晚地、在一旦已經(jīng)作出生產(chǎn)氬或不生產(chǎn)氬的決定時(shí)作出關(guān)于有待安裝在該第一中間區(qū)段中的填料容量的決定?？梢灾圃斐鲈撝魍鈿ず瓦@些外部連接件，并且僅是區(qū)段25的安裝決定塔2的最終用途。
[0050]要更改區(qū)段25的填料容量，存在許多可能性。如在EP-A-0707885中提出的，能夠修改該填料區(qū)段的邊緣，以減少在該區(qū)段的下部部分和/或上部部分中相對(duì)于該區(qū)段內(nèi)部而言氣體流動(dòng)的阻力。
[0051]還能夠選擇用于區(qū)段25的填料比用于區(qū)段24和26的密度小至少50m2/m3。因此，用于區(qū)段25的填料可以具有350m2/m3的密度，而用于區(qū)段24和26的填料的平均密度為500m2/
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[0052]目的是針對(duì)沒(méi)有氬的情況選擇比涉及氬的情況具有更高液泛極限的區(qū)段。這種極限的差異可以通過(guò)多種不同的方式獲得，例如通過(guò)選擇由具有不同幾何形狀的填料制成的區(qū)段，帶或不帶用于減少對(duì)氣體流動(dòng)的阻力的經(jīng)修改的下部邊緣等。
[0053]第一與第二中間區(qū)段之間提供了富液(富含氧的液體)入口。在該塔的上游，該液體被膨脹從而部分汽化，并且成為被輸送到這兩個(gè)區(qū)段之間的空間的液體流6和氣體流6A。
[0054]第二和第三中間蒸餾區(qū)段之間提供了液化空氣入口。在該塔的上游，該液體經(jīng)膨脹從而部分汽化，并且成為被輸送到這兩個(gè)區(qū)段之間的空間的液體流8和氣體流8A。
[0055]在上部區(qū)段28與(可選的)尖塔區(qū)段29之間提供了液氮入口17并且在該尖塔區(qū)段的頂部處提供了液氮入口 18。如果沒(méi)有尖塔，則將液氮輸送到塔的頂部。
[0056]因此圖1展示了連接成以無(wú)氬生產(chǎn)的雙塔的低壓塔運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化塔2。
[0057]如果決定將同一個(gè)塔2用作供給氬生產(chǎn)塔的塔，則區(qū)段25的填料將具有與用于區(qū)段24、26、27、28以及(若存在)29的填料相同的密度(例如500m2/m3)。相比之下，必需在該塔中提供開(kāi)口，如圖2所示。
[0058]因此圖2的塔的內(nèi)部與圖1相同，除了區(qū)段25的容量之外。在區(qū)段25中，管被連接到隔板71下方的下部部段，以將富含氬的氣體攜送至該氬分離塔。來(lái)自該塔的底部液體經(jīng)由管21達(dá)到該下部部段。在該氬塔頂部處的冷凝器中汽化的富液經(jīng)由管13到達(dá)該上部部段。
[0059]對(duì)于回流，富液6和汽化富氧液體6A到達(dá)第二和第三中間區(qū)段26、27，并且液化空氣8和經(jīng)汽化的液化空氣8A到達(dá)第三中間區(qū)段27與上部區(qū)段28之間。這些氮入口與圖1中的相同。
[0060]因此，在知道塔2是否將被用于生產(chǎn)氬之前，就可以在第一和第二中間區(qū)段25、26之間、在第二和第三中間區(qū)段26、27之間、以及在第三中間區(qū)段27和上部區(qū)段28之間形成開(kāi)口。因而該塔被制造成具有將允許后續(xù)連接通向或來(lái)自該氬塔的流體管的并且還能夠不論是否將生產(chǎn)氬都允許連接到該中壓塔上的多個(gè)開(kāi)口。
[0061]然后，將裝配盲板凸緣或某種其他系統(tǒng)來(lái)封堵在不生產(chǎn)氬的情況下沒(méi)有被使用的入口和出口、并且封堵在生產(chǎn)氬的情況下沒(méi)有被使用的入口和出口。
[0062]如果生產(chǎn)氬，則第一和第二中間區(qū)段25、26之間的開(kāi)口將被封堵，第二和第三間中間區(qū)段26、27之間的開(kāi)口將允許富液到達(dá)，并且第三中間區(qū)段27和上部區(qū)段28之間的開(kāi)口將允許液化空氣到達(dá)。
[0063]如果不生產(chǎn)氬，則第一和第二中間區(qū)段25、26之間的開(kāi)口將允許富液到達(dá)，第二和第三間中間區(qū)段26、27之間的開(kāi)口將允許液化空氣到達(dá)，并且第三中間區(qū)段27和上部區(qū)段28之間用于空氣的開(kāi)口將被封堵。
[0064]然而，被設(shè)計(jì)成用于氬生產(chǎn)的塔2與被設(shè)計(jì)成不用于生產(chǎn)氬的塔2之間仍可能存在其他差異。特別是，分配器的類(lèi)型或尺寸可以塔與塔之間變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種使用低溫蒸餾的空氣分離單元，包括與低壓塔(2)熱連接的中壓塔(I)，該低壓塔(2)具有外殼和至少四個(gè)蒸餾區(qū)段(24，25，26，27，28，29)，每個(gè)蒸餾區(qū)段由一疊交叉波紋型結(jié)構(gòu)填料包塊構(gòu)成，每個(gè)包塊包括一捆矩形波紋塔板，該低壓塔的至少一個(gè)第一中間蒸餾區(qū)段(25)被輔助外殼所包繞，圍繞該輔助外殼界定了空間，該空間在該塔的徑向方向上被劃分成下部部段和上部部段，該一個(gè)或多個(gè)中間區(qū)段位于該低壓塔的中間部分中，其特征在于，該第一中間區(qū)段的容量大于至少一個(gè)相鄰區(qū)段的容量、或甚至大于該塔的其他區(qū)段的容量，并且不包括用于將流體從該低壓塔的一個(gè)中間高度輸送至另一塔以在該另一塔中進(jìn)行分離的裝置。2.如權(quán)利要求1所述的單元，包括在該外殼中的、旨在將該上部部段和該下部部段與該塔的外部連接的多個(gè)開(kāi)口，這些開(kāi)口已經(jīng)被封堵。3.如權(quán)利要求1和2之一所述的單元，包括第二和第三中間蒸餾區(qū)段，該第二和第三中間蒸餾區(qū)段以如下方式安排，使得在使用時(shí)，該第二區(qū)段(26)位于該第一中間區(qū)段上方并且該第三區(qū)段(27)位于該第二中間區(qū)段上方，并且包括處于該第一和第二中間區(qū)段之間的空間內(nèi)的第一開(kāi)口、處于該第二和第三中間區(qū)段之間的空間內(nèi)的第二開(kāi)口、以及處于該第三區(qū)段上方的空間內(nèi)的第三開(kāi)口，該第一、第二和第三開(kāi)口被設(shè)計(jì)成連接到液體輸入管上，該第一或該第三開(kāi)口是被封堵的并且該第二開(kāi)口是打開(kāi)的。4.如以上權(quán)利要求之一所述的單元，其中，該第一中間區(qū)段(25)中的填料具有的密度比這些相鄰區(qū)段(24，26)中的至少一者的密度小至少50m2/m3。5.如以上權(quán)利要求之一所述的單元，其中，該中壓塔(I)通過(guò)在該低壓塔(2)的底部中的冷凝器-再沸器(4)與該低壓塔熱連接。6.如以上權(quán)利要求之一所述的單元，其中，該第一中間區(qū)段(25)的容量大于這兩個(gè)相鄰區(qū)段(24，26)的容量。7.如權(quán)利要求6所述的單元，其中，該第一中間區(qū)段(25)的容量大于該低壓塔的其他區(qū)段(24，26，27，28，29)的容量。8.—種通過(guò)低溫蒸餾來(lái)分離空氣的方法，其中將有待分離的空氣輸送至如以上權(quán)利要求之一所述的單元的中壓塔(I)，將富含氧的液體和富含氮的液體從該中壓塔輸送至該低壓塔(2)，將富含氮的流體(16，19)從該低壓塔的頂部抽出并且將富含氧的流體(10)從該低壓塔的底部抽出，并且在該低壓塔的中間高度處不抽取流體輸送到另一個(gè)塔。
【文檔編號(hào)】F25J3/04GK105992923SQ201580008381
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日
【發(fā)明人】帕特里斯·卡瓦恩, 奧利維爾·德卡尤克斯, 娜塔莎·駭克-勃?jiǎng)诘? 娜塔莉·施米特
【申請(qǐng)人】喬治洛德方法研究和開(kāi)發(fā)液化空氣有限公司