專利名稱：低溫空氣分離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及低溫空氣分離，且更特定地涉及使用雙塔的低溫 空氣分離。
背景技術(shù)：
使用向下流動主冷凝器的低溫空氣分離系統(tǒng)典型地使用了再循環(huán) 泵以保證在正常運行以及部分負荷運行期間沸騰通道充分的可濕性。從塔貯池(sump)通過沸騰通道的液體再循環(huán)導致良好的傳熱性能，也使 得能滿足防止氧沐騰干的安全標準。然而，再循環(huán)泵增加了成本，降低 了可靠性且由于泵運行所導致的動力代價而降低了系統(tǒng)的效率。 發(fā)明內(nèi)容用于運行具有高壓塔和低壓塔的低溫空氣分離設(shè)備的方法，包括將 氮蒸氣從高壓塔通到單次通過主冷凝器的上部分，使氧液體從低壓塔的 分離部分流到單次通過主冷凝器的上部分，使氮蒸氣和氧液體以換熱關(guān) 系沿單次通過主冷凝器向下通過，其中向下流動的氧液體的至少一些但 非全部一皮蒸發(fā)，和從單次通過主冷凝器以/人0.05至0.5的范圍內(nèi)的液體 與蒸氣的質(zhì)量流量比回收氧蒸氣和氧液體。如在此所使用，術(shù)語"分離部分"意味著塔的包括盤和/或填料且位 于主冷凝器上方的部分。如在此所使用，術(shù)語"增強沸騰表面，，意味著比普通表面提供了更 高的每單位表面積傳熱的特殊表面幾何形狀。如在此所使用，術(shù)語"高通量沸騰表面"意味著增強沸騰表面，其 特征在于具有高多孔性和大空隙表面積的薄金屬膜，其通過例如金屬粉 末涂層燒結(jié)而冶金地結(jié)合到金屬基底。如在此所使用，術(shù)語"塔"意味著蒸餾或分鎦塔或區(qū)，即接觸塔或 區(qū)，其中液體相和蒸氣相逆流地^妾觸以實現(xiàn)流體混合物的分離，例如通過將蒸氣相和液體相在安裝在塔內(nèi)的一系列垂直分開的盤或板上和/或 填料元件(例如結(jié)構(gòu)化的或隨機的填料)上接觸。對于蒸餾塔的進一步 的論迷，見R. H. Perry和C. H. Chilton編輯的Chemical Engineer's Handbook,第五版，McGraw-Hill Book Company, New York, 13節(jié)"TheContinuous Distillation Process"。術(shù)語"雙塔"用于意味著高壓塔的上 端與低壓塔的下端具有換熱關(guān)系。雙塔的進一步論述見Ruheman的 "The Separation of Gases" , Oxford University Press, 1949,第VII章, Commercial Air Separation 。蒸氣和液體接觸分離過程取決于成分的蒸氣壓差異。高蒸氣壓(或 較揮發(fā)的或低沸騰)的成分將趨向于集中在蒸氣相中，而低蒸氣壓(或 較不揮發(fā)的或高淬騰)的成分將趨向于集中在液體相中。部分冷凝是分 離過程，由此可以使用蒸氣混合物的冷卻來將揮發(fā)的成分(多個成分) 集中在蒸氣相且因此將較不揮發(fā)的成分(多個成分)集中在液體相。精 餾，或連續(xù)蒸餾是將由蒸氣相和液體相的逆流處理所獲得的相繼的部分 蒸發(fā)和冷凝組合的分離過程。蒸氣相和液體相的逆流接觸 一般地是絕熱 的且可以包括相之間的整體(分級)接觸或差別(連續(xù))接觸。利用了 精餾原理來分離混合物的分離過程裝置通?？苫Q地稱為精餾塔、蒸餾 塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分地在150開氏度(K)或以下的溫度 下進行的精餾過程。


唯一的附圖是本發(fā)明的低溫空氣分離運行方法的 一個優(yōu)選實施例 的簡化的代表性示意圖。
具體實施方式
在使用向下流動主冷凝器的低溫空氣分離的實踐中，需要使沿冷凝 器向下流動的氧液體不完全地蒸發(fā)以避免無效和危險的沸騰干的條件。 為實現(xiàn)此潤濕，對于離開冷凝器的蒸發(fā)通道的流體，需要的液體與蒸氣 的質(zhì)量流量比(L/V)為大于0.5且優(yōu)選地從1到4，且此標準一般地要 求從塔貯池到向下流動主冷凝器的沸騰通道的一些液體的再循環(huán)。本發(fā)明使得在低溫空氣分離設(shè)備中向下流動主冷凝器能以從0.05 到0.5的范圍內(nèi)的L/V運行。在正常運行期間，降低的L/V要求消除了 對從塔貯池到向下流動主冷凝器的蒸發(fā)通道的再循環(huán)液體的需要。本發(fā) 明的單次通過的主冷凝器處理了僅來自塔的分離部分的氧液體且使用 了具有增強的沸騰表面(優(yōu)選地是高通量沸騰表面)的沸騰通道。本發(fā)明將參考附圖更完全地描述?，F(xiàn)在參考附圖，附圖中示出了具 有高壓塔30和低壓塔31的雙塔低溫空氣分離設(shè)備的部分示意圖，且示 出了在低壓塔內(nèi)的也稱為冷凝器/再沸騰器的單次通過主冷凝器32的放置。主冷凝器/再沸騰器將高壓塔和低壓塔熱連接。 一般地在從45至300 磅/平方英寸的絕對壓力(psia)范圍內(nèi)的壓力下的氮蒸氣在管線10中 從高壓塔30通到單次通過主冷凝器或多個主冷凝器的上部分，其中氮 蒸氣與氧液體當流體都向下流動通過單次通過主冷凝器(多個主冷凝 器)時進行換熱。 一般地在從1至100磅/平方英寸表壓(psig)的范圍 內(nèi)的壓力下的氧液體部分蒸發(fā)，且作為結(jié)果的氧蒸氣和剩余的氧液體從 單次通過主冷凝器(多個主冷凝器)回收，如分別以流動箭頭34和33 示出。氮蒸氣由向下流動通道通過單次通過主冷凝器完全冷凝，且作為 結(jié)果的氮液體在管線11內(nèi)從單次通過主冷凝器回收，且分別在管線35 和36中作為回流而到高壓塔和低壓塔內(nèi)。在低壓塔31內(nèi)，從塔通過填料12或盤(未示出)下來的氧液體收 集在收集器/分配器13內(nèi)。打開的上升件14從收集器箱的底板向上延伸， 以使在主冷凝器內(nèi)生成的氧蒸氣向上流動通過塔。氧液體從收集器流動 通過分配器管15且收集在單獨的才莫塊的分配器部分16內(nèi)。來自流動分 配器部分的氧液體流動通過單獨的管或傳熱通道，其中它部分地蒸發(fā)。 這些通道具有增強的沸騰表面，增強的沸騰表面顯著地增加了液體潤濕 沸騰側(cè)表面的能力且降低了實現(xiàn)潤濕所需的液體流量。未蒸發(fā)的液體17 收集在塔底部且作為產(chǎn)品從塔回收。產(chǎn)品沸騰器泵18用于升高氧的壓 力到要求的產(chǎn)品壓力。在主冷凝器管或蒸發(fā)通道的出口處的液體與蒸氣 的質(zhì)量流量比(L/V)范圍從0.05到0.5，且優(yōu)選地在從0.2到0.4的范 圍內(nèi)。重要的是維持在沸騰表面上的最小液體流量以保證足夠的潤濕，原 因如下1. 為防止液體膜的破壞，使得在強制對流蒸發(fā)或沸騰傳熱中傳熱表 面積;〖皮有效地利用。未潤濕的區(qū)域在傳熱到蒸發(fā)流方面失去了其有效性。2. 為保證在未蒸發(fā)的液體氧中的最大污染物含量，特別是碳氫化合 物不達到危險水平。液體氧中碳氫化合物的濃度當在傳熱通道內(nèi)氧蒸發(fā) 時逐漸增加。3. 為通過保證對沸騰表面的足夠的潤濕而最小化污垢(例如氮氧化 物、二氧化碳等的固體污染物的沉積)。也通過將液體內(nèi)的污染物濃度 保持為在其溶解性極限以下來最小化污垢。對于以上給出的原因，規(guī)定的液體流量必須足以在沸騰表面上提供 穩(wěn)定的液體膜。也應(yīng)足以保證充分的潤濕，即液體在每個單獨的通道內(nèi) 的沸騰表面上均勻地擴展。液體流量是否足以保持沸騰表面被充分地潤 濕是關(guān)鍵性設(shè)計考慮。用于充分的潤濕的流量(限定為在流動方向傳熱表面的每單位寬度的流量)取決于1. 表面類型(增強表面對普通表面)。增強表面由于幫助液體擴展 的毛細作用比普通表面更好地潤濕；2. 流動通道的幾何形狀(圓形對非圓形)。在非圓形通道中，膜厚 度是不均勻的。表面張力將液體拉向角部。因此，膜厚度低于平均厚度 的表面區(qū)趨向于首先變干，從而導致液體沸騰為部分干。因此，為完全 潤濕非圓形通道所要求的最小流量典型地高于圓形通道所要求的最小 流量。在非圓形通道中，具有較少的角部，例如無鰭部的通道是優(yōu)選的；3. 流體特性(特別是表面張力和液體粘性)；4. 作為流體-表面組合的函數(shù)的接觸角；和5. 用于將液體分配到單獨的傳熱通道內(nèi)的方法。 每單位寬度的流量(rL)為r l=ml/w其中Mi^液體質(zhì)量流量，[kg/s],和 \￥=沸騰傳熱表面的總流動寬度或周長，[m]。用于預(yù)測為潤濕表面所要求的最小液體流量的等式以液體膜雷諾 數(shù)表示，它與1\相關(guān)，如下 ReL=4 r L/ p l其中rL是每單位寬度流量，[kg/ms] 且Ml是液體粘性，[NS/m2]。替代地，為保證充分潤濕的最小液體流量也可以表示為在滯騰通道 的出口處的無量綱的比值L/V (液體與蒸氣的質(zhì)量流量比)。液體與蒸氣的質(zhì)量流量比L/V、雷諾數(shù)ReL和傳熱表面的流動寬度 (或周長)W之間的關(guān)系由下式給出 L/V=[ReL]W m L/4MV 其中Mv是蒸氣質(zhì)量流量，[kg/s],和 W是已潤濕的周長，[m]。對于殼-管模塊的組，已潤濕的周長由下式計算W=NtNm7TDi 其中N，每模塊的管數(shù)； Nm—莫塊數(shù)； DH管的內(nèi)徑，[m]。對于其他幾何形狀，W^沸騰通道數(shù)x通道周長。因為出于安全性的考慮，沸騰表面的充分潤濕是重要的，所以必須 維持最小液體流動。因此，標準可以根據(jù)最小膜雷諾數(shù)(ReL)或最小 出口 L/V (液體與蒸氣質(zhì)量流量比)來設(shè)定，以安全地運行主冷凝器/ 再沸騰器。實驗工作示出，通過實踐本發(fā)明，可以以較低的L/V運行，原因如 下要求較小的表面積的出乎意料地更好的傳熱性能，由于較小的表面 積和較長的管長度所導致的已潤濕周長的降低，和增強沸騰表面的出乎 意料地更好的可潤濕性特征。總之，附圖示出了用于低溫蒸餾空氣的系統(tǒng)的相關(guān)部分，具有如下 特征-使用單次通過向下流動主冷凝器，具有高通量殼_管類型或高通 量BAHX類型，-不使用再循環(huán)泵來保證在正常運行期間沸騰通道的可潤濕性， -因此并非所有沿沸騰通道向下流動的氧液體4皮蒸發(fā)，在沸騰通道的出口處存在的液體流動在/人0.05至0.5的L/V范圍內(nèi)。當?shù)蜏乜諝夥蛛x設(shè)備以 一定的部分負荷運行時且當沿沸騰通道向下流動的液體不足以滿足潤濕標準時，產(chǎn)品氧泵18可以用于將一些氧液體泵送到沸騰表面，而回收的氧液體的剩余部分在管線38內(nèi)通過以用于收回。雖然本發(fā)明已參考某些優(yōu)選實施例詳細描述，但本領(lǐng)域一般技術(shù)人 員將認識到，在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)存在本發(fā)明的其他實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于運行具有高壓塔和低壓塔的低溫空氣分離設(shè)備的方法，包括將氮蒸氣從高壓塔通到單次通過主冷凝器的上部分，使氧液體從低壓塔的分離部分流到單次通過主冷凝器的上部分，使氮蒸氣和氧液體以換熱關(guān)系沿單次通過主冷凝器向下通過，其中向下流動的氧液體的至少一些但非全部被蒸發(fā)，和從單次通過主冷凝器以從0.05至0.5的范圍內(nèi)的液體與蒸氣的質(zhì)量流量比回收氧蒸氣和氧液體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中液體與蒸氣的質(zhì)量流量比在從 0.2至0.4的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中單次通過主冷凝器是殼-管模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中單次通過主冷凝器是銅焊的鋁 換熱器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中單次通過主冷凝器包括多個冷凝器模塊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中單次通過主冷凝器具有帶有增 強沸騰表面的沸騰通道。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中單次通過主冷凝器具有帶有高 通量沸騰表面的沸騰通道。
全文摘要
一種低溫空氣分離系統(tǒng)，其中來自高壓塔(30)的氮蒸氣(10)和來自低壓塔(31)的氧液體每個以換熱關(guān)系向下通過單次通過主冷凝器(32)，且氧液體的一些但并非全部蒸發(fā)，使得氧液體(33)和蒸氣(34)以在從0.05至0.5的范圍內(nèi)的液體與蒸氣質(zhì)量流量比離開冷凝器(32)，以此消除了對保證避免氧沸騰干的再循環(huán)泵的需求。
文檔編號F25J3/00GK101248324SQ200680030008
公開日2008年8月20日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者J·H·羅亞爾, M·J·洛克特, R·J·吉布, V·S·查克拉瓦蒂 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司