包括含两个同心塔的三个塔的经低温蒸馏分离空气的设备的制作方法

1.本发明涉及一种通过低温蒸馏分离空气的设备，该设备包括至少三个分离塔，该至少三个分离塔包括两个同心塔。


背景技术：

2.已知在双蒸馏塔中分离空气，该双蒸馏塔包括在第一压力下操作的第一塔和在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔。传统上，第二塔的储槽热连接到第一塔的塔顶。
3.第三塔可以连接到第二塔，并且可选地连接到第一塔。
4.该第三塔可以是etienne塔类型，其在介于第一压力和第二压力之间的压力下操作，并由来自第一塔的储槽的富氧液体进料。在第三塔中产生的富氧流体和富氮流体可在不同的高度/水平处进给至第二塔。
5.该第三塔可以是混合塔类型，其在塔顶被进给来自第二塔的富氧液体并且在储槽处被进给贫氧气体如空气。
6.在这种情况下，第三塔直接生产在第三塔的塔顶提取的富氧气体。
7.虽然第一塔和第二塔形成称为双塔的结构，但第三塔独立于该结构。
8.在常规配置中，第二塔叠置/叠加在第一塔上，并且其直径大于第一塔的直径。因此，冷箱的必须包含两个塔的截面积由第二塔的直径决定。增加额外的塔如上述的第三塔会进一步增大冷箱的截面积，实际上甚至需要增加补充箱。除了这种结构之外的其它结构也是已知的，例如在欧洲专利1 078 212 b1中描述的那些结构，但它们仍需要加宽冷箱或需要另一冷箱。
9.因此，有利的是从第二大直径塔下面的可用空间中受益，以便在其中容纳附加塔。有利的是，它将与第一塔同心。
10.由于可用空间(和因此该同心塔的厚度)受限，这种配置特别适合于增加这样的塔，即该塔处理的气体装载量(该气体装载量与塔的第一级通道部分成正比)与供给由第一和第二塔组成的系统的气体流相比较低。这是etienne塔类型的第三塔的情况，其在中间压力下处理进料空气总流量的大约40摩尔％，或者混合塔类型的情况，其例如在第一压力下处理进料空气总流量的大约30摩尔％。
11.该同心塔(以及第一和第二塔)的填料的选择可以被明智地调整，以便其容量使得同心塔的外径不必大于第二塔的外径。
12.de3709566公开了一种双塔，该双塔位于另一双塔的内部，从而形成四个蒸馏室，这两个双塔具有公共的储槽。
13.研究公开“air separation low purity oxygen production”提出将混合塔定位在高压塔内，因此与本发明提出的相反。建议使用同心塔，但基本前提是其是高压塔，该高压塔应为环形塔。
14.fr 2 776 206描述了同心塔，但具有串联操作的部段。因此，在图1的内塔中进行的蒸馏是在围绕它的环形塔中开始的蒸馏的继续。


技术实现要素：

15.根据本发明的主题，提供了一种用于通过低温蒸馏分离空气的设备，该设备包括塔系统，该塔系统包括：能够在第一压力下操作的第一蒸馏塔，该第一蒸馏塔具有上部区段和下部区段；第二蒸馏塔，其能够在低于第一压力的第二压力下操作并且具有直径；和具有环形横截面的第三分离塔，例如蒸馏塔，该第三分离塔具有内径和外径，该第三分离塔围绕该第一塔定位，该第三分离塔的外径至多等于第二塔的直径，该设备还包括：用于将空气输送到第一塔的管道；用于将富氧流体输送到第二塔的中间位置的管道；用于向第三塔供给空气或至少一种源自第一塔的流体的管道；回流管道，其连接到第一塔的上部区段的中间高度处，以提取富氮液体，该管道连接到第二塔的塔顶，并穿过第三塔中不含质量交换装置的区域；以及用于从第一塔中提取液体的管道，该管道连接到塔系统的另一个塔，并穿过第三塔中不含传质装置的区域，其特征在于，该第二蒸馏塔不包含任何其它的蒸馏塔。
16.根据其他可选方面:
[0017]-连接第三塔的塔顶以便接收来自第二塔的塔底液体，
[0018]-没有管道被连接用于将空气输送到第三塔，
[0019]-该设备包括用于在第三塔的塔顶或中间位置排出富氧气体的管道，
[0020]-连接第三塔以便接收来自第一塔的塔底液体，
[0021]-连接第二塔以便接收来自第三塔的塔顶液体，
[0022]-该设备在第一塔的上部区段的外壁与第三塔的内壁之间不包括间隙/空隙，
[0023]-第一塔的外壁是第三塔的内壁，
[0024]-该设备设计成在第三塔和第一塔的压力差小于3.5巴，优选小于2巴的情况下操作，
[0025]-第三塔的储槽位于第一塔的储槽的下方，
[0026]-第一塔完全包含在第三塔的内部，
[0027]-该设备包括绝热室，该绝热室容纳所述第一塔、第二塔和第三塔，
[0028]-第二塔的直径大于第一塔的直径，
[0029]-第二塔不包含隔板/分区/分隔件，
[0030]-第一塔具有封闭的储槽，
[0031]-第三塔具有封闭的储槽，
[0032]-第二塔和第三塔具有共同的外壳，
[0033]-第一塔比第三塔短，
[0034]-第一塔和第三塔具有公共的塔顶结构，
[0035]-第一塔的塔顶结构形成第二塔的储槽的至少一部分。
[0036]
根据本发明的另一方面，提供了一种用于在塔系统中通过低温蒸馏分离空气的方法，该塔系统包括：能够在第一压力下操作的第一蒸馏塔，该第一蒸馏塔具有上部区段和下部区段；第二蒸馏塔，其能够在低于第一压力的第二压力下操作并且具有直径；和具有环形横截面的第三分离塔，例如蒸馏塔，该第三分离塔具有内径和外径，该第三分离塔围绕该第一塔以环形方式定位，该第三分离塔的外径至多等于第二塔的直径，其中，空气被送到第一塔，富氧流体被送至第二塔的中间位置，第三塔被供给空气或至少一种来自第一塔的流体，富氮液体经由连接到第一塔上部区段的中间高度处的回流管道被提取，回流管道连接到第
二塔的塔顶并且穿过第三塔中的不含热交换装置和质量交换装置的区域，并且富氧液体经由一管道从第一塔中提取，该一管道连接到塔系统的另一个塔并且穿过第三塔中的不含质量交换装置的区域，其特征在于，第二蒸馏塔不包含任何其它的蒸馏塔。
[0037]
优选地，该塔系统仅包括能够在第一压力下操作的具有上部区段和下部区段的该第一蒸馏塔、能够在低于第一压力的第二压力下操作并具有直径的该第二蒸馏塔和该第三分离塔。
[0038]
优选地，第二塔内部的所有空间均仅在一个压力下操作。很明显，塔的塔顶和塔底之间的压力会有微小的差异。另一方面，在第二塔的给定高度处，任何质量和热交换装置在塔在该高度处的整个横截面上以相同的压力运行/操作。
[0039]
优选地，在第二塔的任何高度处，任何质量和热交换装置在塔在该高度处的整个横截面上以相同的压力运行/操作。
[0040]
如果第三塔被供给空气，则供给至第三塔的空气流/空气流量可以占第一塔、第二塔和第三塔的总进料流/总进料流量的20％至40％(基于摩尔)。
[0041]
第二塔不一定供给空气。
[0042]
如果第三塔被供给来自第一塔的富氧液体，则供给到第三塔的流/流量可以占第一塔、第二塔和第三塔的总空气进料流/流量的30％至50％(基于摩尔)。
[0043]
第二塔和第三塔不一定供给空气。
[0044]
根据本发明，第三塔是围绕第一塔的上部部分定位的环形塔。
[0045]
优选地，环形塔的操作压力与第一塔的操作压力相差小于3.5巴。
[0046]
优选地，环形塔(第三塔)的操作温度与第一塔的操作温度相差小于5℃。
[0047]
因此，该温度差足够小到能防止第一塔和第三塔之间的热传递大到足以中断在每个塔中进行的蒸馏的程度。
[0048]
如果塔的温度相差太大，则有必要提供隔热系统，例如气隙。第三塔包括圆柱形外壁和圆柱形内壁。气隙由被该内壁包围并与该内壁接触的空间中的环形空隙构成。在没有质量交换装置和热交换装置的情况下，该空隙在底部和/或顶部处开放，以便将第三塔与第一塔隔离，但不会使待蒸馏的气体短路/漏出(short-circuiting)。
[0049]
优选地，从第一塔被第三塔包围的部分提取至少一种气体或液体。连接到第一塔的这种提取穿过第三塔，优选在第三塔中不含质量和热交换装置的区域中穿过。第三塔的加填料的区段的构造优选设置成使得从第一塔中的任何(液体或气体)提取均发生在第三塔中的不含填料的区域中。
附图说明
[0050]
将参照附图更详细地描述本发明。
[0051]
图1示意性地示出了三塔式设备，第三塔在介于其它两个塔之间的中间压力下操作。
[0052]
图2示意性地示出了三塔式设备，第三塔是混合塔。
具体实施方式
[0053]
图1示出了通过低温蒸馏分离空气的设备，其包括能够在第一压力下操作的、具有
上部区段和下部区段的第一塔k1和能够在低于第一压力的第二压力下操作并具有直径的第二塔k2。
[0054]
第二塔k2位于第一塔k1上方，从而形成单个结构。
[0055]
空气流1作为进料气体被送入第一塔k1的储槽中，在此处，空气流通过蒸馏分离成位于储槽中的富氧液体和在塔顶处的富氮气体。
[0056]
第一塔k1还被供给两相空气流3，在图中，该两相空气流在管道中穿过填料。
[0057]
在填料外侧的通道将是优选的。
[0058]
具有内径和外径的呈环形形式的第三塔k3围绕该第一塔k1定位；在图示的情况下，第三塔高于第一塔，因此第三塔k3的储槽位于第一塔k1的储槽的下方。
[0059]
环形塔k3的操作压力与第一塔k1的操作压力相差小于3.5巴。例如，第一塔可以在6巴下操作，第三塔k3可以在3.5-4巴的压力下操作。
[0060]
第一塔k1包括一个在另一个上方的/叠置的三个填料区段，这三个填料区段彼此间以自由间距彼此分开；第三塔k3有两个填料区段。显然，区段的数量可以根据要进行的分离而变化。塔k1的区段具有圆形基部，塔k3的区段具有环形基部。
[0061]
在这种情况下，第一塔k1的外壁构成第三塔k3的内壁。还可行的是，第一塔具有外壁并且第三塔具有单独的内壁，第一塔的外壁与第三塔的内壁之间具有空隙。该空隙将在其中一个端部上是开放的，以便可以可选地建立绝热的气隙。
[0062]
第二塔k2的直径与第三塔k3的外径相同。以这种方式，塔k2、k3可以具有直径相同的外壳，实际上甚至是共同的外壳。第三塔k3的顶部通过截头圆锥形屏障19与塔k2的储槽分隔，该屏障阻止任何流体通过。
[0063]
在第一塔的塔顶形成的气态氮经由穿过第三塔k3的填料上方的空间的管道提取。氮气5被送到热交换器e1，在那里被冷凝成液体。
[0064]
液氮15经由穿过第三塔k3的填料上方的空间的管道提取。该液氮与来自交换器e1的冷凝后的氮气5混合。
[0065]
富氧液体17从第一塔k1的储槽并且经第三塔k3的不含填料的空间提取。液体17可选地在热交换器e2中过冷，并被送至第三塔k3，在该第三塔处，该液体被分离。
[0066]
在塔k3塔顶处形成的富氮气体从该塔中提取并且在热交换器e3中冷凝，然后其一部分作为回流送到塔k3的塔顶并且其另一部分作为回流送到第二塔的塔顶。
[0067]
来自第三塔k3的富氧的塔底液体7被分成两部分。部分9在热交换器e1中蒸发，并供给到第三塔k3的储槽。剩余部分11在阀中减压至与第二塔的压力相接近的压力，并作为冷源送入交换器e3，在该交换器e3中被大部分蒸发。蒸发的馏分和可选的剩余液体馏分作为第二塔的进料送入第二塔中。
[0068]
未详细示出的第二塔k2对应于双塔的正常低压塔。
[0069]
因此，供给第二塔的经蒸发的液体11的馏分被分离以形成在第二塔k2的塔顶处的氮气和在第二塔k2的储槽中的富氧液体。
[0070]
连接第二塔k2以便接收来自第三塔k3的塔顶液体15。
[0071]
因此，该设备可以从第二塔k2生产气态和/或液态氧并且从第一塔生产液态和/或气态氮。
[0072]
第三塔k3对应于本领域公知的etienne塔。
[0073]
供给到第三塔k3的流17可以占第一、第二和第三塔的总空气进料流(流1和流3)/流量的30％至50％(基于摩尔)。
[0074]
图2示出了通过低温蒸馏分离空气的设备，其包括能够在第一压力下操作的具有上部区段和下部区段的第一塔k1和能够在低于第一压力的第二压力下操作并具有直径的第二塔k2。
[0075]
第二塔k2位于第一塔k1的上方，从而形成单个结构。
[0076]
第一塔k1包括两个或三个填料区段，这些填料区段中的一个在另一个的上方/彼此上下叠置并且彼此间隔开一间距；第三塔k3有两个填料区段g。显然，填料区段的数量可以根据要进行的分离而变化。第三塔k3的区段具有环形基部。
[0077]
在这种情况下，第一塔k1的外壁构成第三塔k3的内壁。还可行的是，第一塔具有外壁并且第三塔具有单独的内壁，第一塔的外壁与第三塔的内壁之间具有空隙。该空隙将在其中一个端部上是开放的，以便可以可选地建立绝热的气隙。第二塔k2优选具有与第三塔k3的外径相同的直径。这样，塔k2、k3可以具有共同的外壳。第三塔k3的顶部和第一塔k1的顶部通过具有圆形截面的屏障与塔k2的储槽分隔，该屏障具有与第二塔k2的直径相同的直径并且防止除了打算用于交换器e02和源自交换器e02的氮气以外的任何流体通过。
[0078]
气体空气流ag1作为进料气体被送入第一塔k1的储槽中，在此处其通过蒸馏而分离成位于储槽中的富氧液体和在塔顶处的富氮气体。
[0079]
富氧流lr从第一塔k1的储槽中提取，并被送到第二塔k2，以便在其中进行分离。来自第一塔k1的塔顶气体ng在第二塔k2的储槽中的热交换器e02中冷凝。冷凝的液体在第一塔的塔顶作为回流被返回。液氮lps在穿过第三塔的无填料空间的管道中从第一塔的塔顶被提取，并且以已知方式被送到第二塔k2的塔顶。
[0080]
液氮lpi在穿过第三塔k3的优选无填料空间的管道中从第一塔k1的中间位置被提取，并且以已知方式送到第二塔k2的顶部。
[0081]
第三塔k3作为混合塔运行，从而提供被送到该塔的塔顶的富氧液体与被送到该塔的储槽的空气ag之间的混合。
[0082]
第三塔k3的产物是在该塔的塔顶处被提取的富氧气体ogi。
[0083]
在第三塔k3的中间位置提取非常富氧的液体ltr1，在第三塔k3的储槽处提取非常富氧的第二液体ltr2。
[0084]
这两种液体ltr1、ltr2被送到第二塔k2。
[0085]
供给到第三塔k3的空气流ag可占第一和第三塔的总进料流(ag1 ag)/流量的20％至40％(基于摩尔)。
[0086]
第三塔k3的压力可以大于、等于或小于第一塔k1的压力。在第二塔k2的储槽处提取流ol的泵的存在使获得期望的压力成为可能。
[0087]
然而，如果塔k3的压力与第一塔的压力相差小于3.5巴，则气隙的存在是非必须的。因此，第一塔k1的压力可以是6巴，第三塔的压力可以是3巴至9巴。
[0088]
在这两种情况下，第三塔可以仅围绕第一塔的一部分，例如上部部分或下部部分。
[0089]
优选地，在这两种情况下，第二塔的直径大于第一塔的直径和/或等于或大于第三塔的外径。
[0090]
塔的最大直径被认为是它的直径。例如，如果第二塔包括通常称为尖塔/塔尖
(minaret)的上部区段，(其直径小于塔的主要部分的直径)，则主要部分的直径被认为是直径。
[0091]
对于这两个附图，第一塔k1的填料是规整填料。
[0092]
对于这两个附图，第三塔k3的填料是无规填料。
[0093]
优选地，第三塔的压力与第一塔的压力相差至少1巴。
[0094]
对于图2的情况，第一塔和第三塔的压力可以相等。