[发明专利]一种通过低温分离空气获得加压氮气的方法和设备

说明书

一种通过蒸馏柱系统低温分离空气获得加压氮气的方法和设备。蒸馏柱系统有高压柱(4)，低压柱(6)，主冷凝器(5)和低压柱顶部冷凝器(7)。低压柱顶部冷凝器(7)的蒸发空间是强制流动蒸发器的形式。高压柱(4)具有阻挡板段(8)，阻挡板段(8)被布置在引入进料空气(3)的位点的正上方，并且具有1至5个理论或实际板。引入低压柱(6)的富氧液流(11)在阻挡板段(8)上方从高压柱(4)中取出。净化流(9A)在阻挡板段(8)下方取出并从蒸馏柱系统中去除(9B)。气态氮流(26A,26B)在主热交换器(2)中被加热之前，在逆流过冷器(12)中与来自高压柱(4)的富氧液流(11)进行间接热交换而被加热。

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分用于通过低温分离空气获得加压氮气的方法。

该方法特别地涉及从高压柱中提取氮产物的系统。氮产物可以来自两个柱，例如通过直接来自低压柱的和高压柱的气态氮(GAN)。或者，至少一部分低压柱氮可以以液态形式(LIN-液氮)取出，所述至少一部分低压柱氮进料至高压柱并从中作为气态氮(GAN)产物取出。从US 2004244417 A1 的图2、DE 19933557或EP 1022530中已知这种涉及低压柱LIN被“泵回”至高压柱的方法。在这种工艺中，主冷凝器和低压柱顶部冷凝器一般被采用，该冷凝器以浴蒸发器在其蒸发侧的形式。这代表了一种经过试验和测试的蒸发器形式，在这种蒸发器中，由于挥发性成分例如丙烷比氧重，因此特别地应该预期没有操作困难。然而，由于液浴中的静液面导致蒸发温度的升高，在能量方面，浴冷凝器不是最优的。

本发明是基于改进就能耗而言在开始提述的方法和相应装置，且同时使系统能够安全运行的目标。

该目标是通过权利要求1的所有特征实现的。

采用强制流动蒸发器作为低压柱顶部冷凝器，允许在蒸发流和冷凝流之间的特别小压力差，同时如同在浴蒸发器中的相同平均温差。这显著地减少了装置的能源消耗，例如，相当于高压柱压力的在10bar氮的产物输出压力的情况下，降低了3.2％；如果再考虑从10bar到60bar的进一步压缩，节能占总能耗的2.2％。

然而，低压柱上方的液浴的损失还伴随着取出净化流和排出高沸点组分，特别是丙烷的可能性的丧失。在本发明中，这通过净化流从高压柱的底部取出来补偿。在这个取出(和进气的进入)的上方，提供阻挡板段，它保留了在高压柱底部的高沸点组分，特别是丙烷。低压柱的富氧液流在阻挡板段的上方被取出，且含有较少的高沸点组分，特别地几乎不再含有丙烷。即使在阻挡板段有两个理论板，假定在空气净化器下游的空气中丙烷含量为0.0075ppm(假设空气净化器分子筛中丙烷保留率约为85％)，99.8％的丙烷由净化流除去。在此过程中，84％的N₂O也被分离出来(相对于通过空气净化器的N₂O量)。其他组分的分离度对于C₂H₆为69％，对于C₂H₄为15％，对于甲烷约为2.5％，这并不关键。“高沸点组分”在这里被理解为具有比氧气更高蒸发温度的物质。

原则上，上述措施可以保证装置的安全运行。这些措施本身从WO 2016131545 A1就已知了，但是这里在较高的工艺压力下使用，结果不会产生预液化，即蒸馏上游进料空气没有液化，而是所有的空气都以气体的形式进入高压柱。

总的来说，在开始提到的根据US 2004244417 A1的图2与WO 2016131545 A1的方法有以下不同之处：

这两种方法具有如此不同的性质，因此将它们组合对于本领域普通技术人员是毫无疑问的。

在US 2004244417 A1中，由于该工艺中的相对较低压力(或与出现自精馏系统的流相对较小的压力差)，进料空气在进入高压柱的过程中也含有少量液体成分--即便得到非常少的液体产物或纯气体操作将会如此。因此，如果上述措施(也参见WO 2016131545A1)被应用于这些方法之一，相对较多的液体将会出现在高压柱底部。这种量将与净化流一起作为整体取出并显著降低产物生产或对设备能耗具有负面影响。