[发明专利]使用低温蒸馏的空气分离方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用低温蒸馏的空气分离方法和设备。具体地，本发明涉及使用由液体射流(将来自外部源的液氮送入塔顶)保持冷却的单个塔来生产氮。本发明的目的更具体地在于满足对高纯度氮、也就是含氧量通常少于0.1％的氮的适度的和可变的需求(通常为100-2000Sm³/h)。在本说明书中，所涉及的流量是质量流量。 

背景技术

高纯度氮通常在低温下获得。对于低消耗，建造传统的自主生产单元在自动化装备的情况下代表了一种昂贵的投资，而在相反情况下代表了一种更有限的投资、但具有高的劳动成本。这总是等同于高的氮成本价格。 

一种更经济的方案在于使用蒸发器，也就是大容量例如数万升的液氮储罐，将液氮从所述储罐中抽出并使其蒸发。从能量角度来讲，该方案并不非常令人满意，因为损失了包含在液氮中的冷能，另外，这还要求相对地在附近存在液氮生产单元，以使通过液罐车为蒸发器补充(供料)的成本保持适度。 

有时，利用液体射流的气态氮发生器安装有包括蒸发器的应急/备用输送系统，这使得能够或者在设备故障时将气体输送给用户，或者在用户消耗多于设备的名义产量时产生更多的气态氮。来自应急输送系统的液体通常在环境加热器(atmospheric heater)中蒸发，如在EP-A-0452177中可见。 

当用户消耗存在峰值时，来自存储罐的液氮在环境交换器(或水池)中蒸发，以便用氮分子补足(top-up)，该氮分子将与低温设备输出的氮产品混合。因此损失了液体的冷能。

液氮还用于通过液体射流保持设备处于冷的状态。在稳定操作状况下送至设备的液氮的量为设备制得的氮流量的大约3％。 

发明内容

本发明提出回收在应急输送系统用于消耗高峰时蒸发的液体的一些冷能。 

根据本发明，当存在消耗峰值时，根据现有技术在环境加热器中蒸发以用分子补足的所有或一些液体经由液体射流管线被送至蒸馏塔。 

在蒸馏塔中，该液体流入增加了进入塔中的回流的水平。对于恒定的空气通过量，通过增加提取水平，将能够提取比来自设备的名义量更多的氮。这种输出量的增加使得对于增加的每个液体分子几乎都有一个附加的气体分子。因此，所述塔用作用于来自存储罐的液体的“蒸发器”。 

增加塔的回流的结果是塔底富液相对于名义产量的过量生产。此超出量导致对来自存储罐的液体的冷能的回收。此超出量将或者存储在塔底，或者存储在专门的容器中。 

当需求高峰结束或者当达到LR(富液)存储容量时停止设备的这种操作模式。提取水平回到其名义值，设备生产其名义容量(图2)。当需求高峰继续时(图3)，再次通过环境蒸发实现用分子补足。 

代替传统的液氮射流，将使用存储的富液来保持设备处于冷的状况。根据用户消耗曲线，甚至可以设想在两个消耗峰值之间存在足够的自主性，以完全省去液体射流。 

因此，通过减少或甚至消除对液氮的消耗，操作成本显著减少。 

根据本发明的第一方面，提供了一种使用低温蒸馏的空气分离方法，其中，通过空气蒸馏单元生产可变流量的气态氮，所述空气蒸馏单元包括适于生产名义流量的气态氮的空气蒸馏塔，所述塔的顶部与一液氮源连接，所述空气蒸馏单元通过进行如下步骤生产气态氮： 

i)在塔的全部操作过程中： 

a)将经压缩、冷却和净化的空气送至一热交换器，然后送至塔中， 

b)从塔中抽取气态氮， 

c)控制塔底的液体液位； 

d)没有液氮被从塔中送至液氮源； 

ii)在塔的第一操作过程中，当所需产量对应于名义产量时： 

a)将液体射流流量B送至塔中； 

iii)在塔的第二操作过程中，当所需产量高于名义产量时： 

a)使送至塔中的液体射流流量增加到B+x，和 

b)使塔生产的气态氮流量增加，其特征在于： 

iv)在塔的第三操作的至少一部分过程中，跟随第二操作，所需产量变得最多等于名义产量，且基本停止供给液体射流流量， 

在第二操作过程中射流流量以摩尔流量计算的增加x是塔生产的流量以摩尔流量计算的增加的0.8到1.2倍。 

如果液体射流流量不超过第一操作期间输送的液体射流流量的10％或甚至5％，则认为该液体射流流量基本停止。最有利的情形显然是当(液体射流)流量停止时。 

根据其它可选的方面：