[发明专利]空气分离装置、操作方法和控制设施

说明书

本发明涉及根据独立权利要求的各前序部分的空气分离装置、操作空气分离装置的方法及这种空气分离装置的控制设施。

现有技术

例如在H.-W.Haring(编者)，Industrial Gases Processing，Wiley-VCH，2006年，尤其是在2.2.5部分，"Cryogenic Rectification"中已知和描述了通过在空气分离装置中空气的低温分离技术生产液态或气态空气产品。本发明适用于相应空气分离装置的各种实施方案。

空气分离装置具有蒸馏塔系统，例如，其可以配置为双塔系统，尤其是经典林德(Linde)双塔系统，但也同样可以配置为三塔或多塔系统。除了用于分离液态或气态的氮气或氧气(如液氧LOX、气态氧GOX、液氮LIN和/或气态氮GAN)的蒸馏塔，即用于氮氧分离的蒸馏塔之外，也可以提供用于分离其他空气组分，特别是稀有气体氪、氙或氩的蒸馏塔。

空气分离装置的蒸馏塔系统在其蒸馏塔的不同操作压力下操作。例如，已知的双塔系统具有(高)压塔和低压塔。高压塔的操作压力为例如4.3-6.9巴，特别是约5.5巴。低压塔在例如1.2-1.7巴，特别是在约1.4巴的操作压力下操作。此处所指的压力是指相应蒸馏塔塔底的绝对压力。以下所指的压力也可指“蒸馏压力”，因为在这些压力下在蒸馏塔内发生通入的各进料空气的分馏。这并不排除在蒸馏塔系统中的不同位置处可以主要为其他压力。

将利用各空压机或各空压机组合(如主空压机和后空压机)来达到压力的冷却后的压缩空气(进料空气)通入蒸馏塔系统。所有空压机都可以是多级的。由于空气分离装置中约95％的能耗来自于上述空压机，因此在此处具有最大的节能潜力。从根本上需要能源效率更高的低温空气分离方法和装置。

发明内容

在此背景下，本发明提供具有各权利要求的特征的空气分离装置、操作空气分离装置的方法及这种空气分离装置的控制设施。

在空气分离装置中的空压机中达到压力的进料空气通常在不同配置的冷却设施中进行冷却，从而移除压缩过程中产生的热量。这些冷却装置包括例如目前已知的处于一个或多个压缩级之间和其下游的中间冷却器和后冷却器。例如，尤其是可使用来自冷却水回路中的冷却水进行操作的直接接触冷却器来有效冷却空气分离装置的主空压机中压缩的空气。此外，可以提供同样使用冷却水进行操作的间接换热器。在已知方法中，进料空气的温度随后变得非常低，即在主换热器中，温度显著低于0℃。

进行再冷却尤其是为了降低空压机的能耗。此处冷却水的温度越低，越可以冷却工艺空气，从而使空压机的能耗降低。另外，所述工艺空气因而可以在较低温度下进入空气分离的实际过程，包括进入主换热器。因此在主换热器中被转换的热量更低，从而可将换热器的体积设计的更小，并且通过减压产生的冷量也更少。例如，产生的冷量接近大概120-200K的低温会导致大量的能量损失，这明显要高于在接近室温温度下使用冷却水进行冷却的能量损失。此外，需要做的较大的低温组件(换热器、涡轮机、阀门)的成本较高。

空气分离装置的冷却水回路通常包括再冷却设备，其中所述冷却水回路中的加热的冷却水是使用冷却空气通过蒸发冷却的方式进行冷却的。尤其是下面将会进行描述的已知类型的冷却塔可以作为再冷却设备。例如，在EP 0 644 390 A1和JP 5885093A1中公开了相应的空气分离装置。此处所用的冷却空气通常产生自空气分离装置的周围环境，因此其具有取决于周围环境的温度，取决于周围环境的压力和取决于周围环境的湿度。所述湿球温度可由上述三种参数确定。

湿球温度是用于表示冷却极限温度(cooling limit temperature)的量度，即，冷却水在相应再冷却设备中通过直接蒸发冷却理论上可以达到的最低温度。众所周知，在潮湿表面的水分挥发是与周围大气的水分吸收能力相平衡的。由于蒸发所产生的冷量，冷却极限温度低于作为相对大气湿度函数的空气温度。在蒸发冷却过程中温度下降越多，则周围空气就越干燥。所述湿球温度和在相应再冷却设备中实际获得的冷却的冷却水之间的温差在本领域中称为冷却极限温差。再冷却设备比如冷却塔的性能是由填料的比表面积、液气比和压降决定的。为了达到小的冷却极限温差(cooling limit difference)，原则上是可取的，因为较低的冷却水温度具有上述优点，但因此造成用于建造再冷却设备的很大的资本成本。