專利名稱：：低溫空氣分離法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本文中所用的術(shù)語"塔"是指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或區(qū)，其中液相和氣相逆流接觸以進(jìn)行流體混合物的分離，例如通過使氣相和液相在安裝于所述塔內(nèi)的一系列垂直間隔的塔盤或塔板和/或填料元件(如規(guī)整填料或散堆填料)上接觸。蒸餾塔的進(jìn)一步討論參見theChemicalEngineer'sHandbook(化學(xué)工程師手冊(cè))，第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton編輯，McGraw-HillBookCompany(McGraw-Hill圖書公司)，紐約，第13節(jié)，TheContinuousDistillationProcess(連續(xù)蒸餾婦。雙塔包括高壓塔，所述高壓塔上端與低壓塔下端具有熱交換關(guān)系。[0009蒸氣和液體接觸分離法取決于各組分的蒸氣壓差。較高蒸氣壓(或揮發(fā)性較高或低沸點(diǎn))組分將在氣相中濃縮而較低蒸氣壓(或揮發(fā)性較低或高沸點(diǎn))組分將在液相中濃縮。部分冷凝為其中蒸氣混合物的冷卻可用于濃縮氣相中的揮發(fā)組分以及液相中的低揮發(fā)性組分的分離法。精餾或連續(xù)蒸餾是結(jié)合了連續(xù)部分汽化和濃縮的分離法，如通過氣相和液相的逆流處理獲得。氣相和液相的逆流處理通常為絕熱的且可包括各相之間的積分(多極)或微分(連續(xù))接觸。利用精餾原理來分離混合物的分離法裝置經(jīng)?？苫Q稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫分離為至少部分在150開氏度(K)以下進(jìn)行的精餾法。本文中所用的術(shù)語"進(jìn)料空氣"是指主要包含氧氣和氮?dú)獾幕旌衔?，如環(huán)境空氣。0012本文中所用的術(shù)語塔的"上部，，和"下部"分別是指所述塔中點(diǎn)以上和以下的部分。0013本文中所用的術(shù)語"渦輪膨脹"和"渦輪膨脹機(jī)，，分別是高壓流體流過渦輪以降低其壓力和溫度，以產(chǎn)生冷凍的方法和儀器。在塔102中將空氣分離成富氧和富氮部分。將富氧液體12從所述塔底移走，引入換熱器108,逆著加熱氮蒸氣冷卻，作為過冷液體21出來，并進(jìn)料至塔103中間點(diǎn)，低于流10的進(jìn)料點(diǎn)但高于塔底。氮蒸氣13從中壓塔102頂部離開。將蒸氣流14的一部分作為中壓氮產(chǎn)品移走，并進(jìn)料至主換熱器101的冷端。流14在主換熱器101中逆著冷空氣流升溫并作為熱中壓氮?dú)饬?9離開熱端。流13的剩余部分15進(jìn)入冷凝器/再沸器105的冷凝側(cè)。流15在塔104中逆著蒸發(fā)的塔底液體液化。離開冷凝器/再沸器的液氮16分流成兩股流；將流17送入換熱器108,流18作為回流返回塔102。流17逆著加熱氮蒸氣過冷，所得過冷液氮流28在或靠近頂部進(jìn)入低壓塔104。富氮蒸氣流19在塔102頂部下方至少一級(jí)的位置被移走并進(jìn)入冷凝器/再沸器106的冷凝側(cè)。流19在塔103中逆著蒸發(fā)的塔底液體被液化并作為液流20返回塔02。流20在流19的回收點(diǎn)或以上的位置進(jìn)入塔102。[0022〗中壓塔103用于進(jìn)一步補(bǔ)充送入低壓塔104的氮回流。氮蒸氣23從中壓塔103的頂部出來并進(jìn)入冷凝器/再沸器107的冷凝側(cè)。流23在塔104中間逆著蒸發(fā)液體液化。離開冷凝器/再沸器107的液氮24分流成兩股流；流25返回塔103頂部，流26進(jìn)料至換熱器108。流26逆著加熱氮蒸氣被過冷，所得過冷液氮流29進(jìn)津+至低壓i荅104頂部或附近。將富氧液體22從塔103底部移走并在冷凝器/再沸器107以上幾級(jí)的位置進(jìn)料至低壓蒸餾塔104的中間點(diǎn)。10023低壓蒸餾塔104進(jìn)一步將其進(jìn)料流分離成富氧液體和富氮蒸氣。將富氧液流30從塔104的下部移走，送到低溫氧氣泵112并提高到稍微超過最終氧氣輸送壓力。高壓液流32進(jìn)料至主換熱器101的冷端，在此使之升溫并逆著冷凝高壓進(jìn)料空氣流沸騰。熱的高壓氧蒸氣產(chǎn)品42離開主換熱器101的熱端。富氮蒸氣31從低壓塔104的上部出來，進(jìn)料至換熱器108，逆著冷卻液體升溫并作為過熱氮蒸氣流33離開。0024流33進(jìn)入主換熱器101的冷端，在此它逆著冷卻空氣流部分升溫并分流成兩股流。將完成氮產(chǎn)品所不需的那部分流從主換熱器101中間點(diǎn)移走，該流34進(jìn)料至廢氣渦輪113并膨脹到較低壓力。廢氣渦輪113與液體渦輪111一起用于產(chǎn)生低溫空氣分離裝置的冷凍。低壓氮?dú)饬?5離開廢氣渦輪113,進(jìn)料至主換熱器101并作為熱的低壓廢氮?dú)?6離開熱端。流37作為熱的低壓產(chǎn)物氮離開換熱器101的熱端并進(jìn)料至氮?dú)鈮嚎s機(jī)114的第一級(jí)并在那些級(jí)的級(jí)間冷卻器115中冷卻。使冷卻的壓縮氮?dú)饬?8與相同壓力的氮?dú)饬?9混合以形成流40。將氮?dú)饬?0進(jìn)料至氮?dú)鈮嚎s機(jī)116的剩余級(jí)并在那些級(jí)的級(jí)間冷卻器117中冷卻。所得高壓氮?dú)饬鹘?jīng)過冷卻(未顯示后冷卻器)以形成輸送到最終用戶的產(chǎn)品氮?dú)饬?1。0025就此給定實(shí)施例而言，所需的氧氣輸送壓力為1115磅/平方英寸(絕對(duì)值)(psia)而所需的氮?dú)廨斔蛪毫?35psia。理想地，高壓空氣流5將提高至少2300psia，以提供在1115psia以上沸騰的氧氣。然而，銅焊鋁換熱器(BAHX)能承受的壓力有限。這種情況下，我們根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和BAHX的壓力限制將流5限定到1215psia。稍微高的壓力對(duì)于BAHX是可能，但可能不經(jīng)濟(jì)?？赡苄枰┻x技術(shù)如螺旋形換熱器用來處理2300psia的氣流壓力。然而，這非常昂貴。0026〗在常規(guī)示范的情況下，當(dāng)將塔上部壓力提高到剛好足以使所有廢氮?dú)獾呐蛎浱峁┝怂璧闹鲹Q熱器熱端溫差時(shí)，功率最低化。如果將壓力提高到超過如此，廢氣膨脹機(jī)會(huì)提供超過所需的冷凍。當(dāng)按照常規(guī)示范采用廢氣膨脹時(shí)，塔102的壓力僅為約95psia,塔104的壓力為約25psia。由于主換熱器中氧的高沸騰壓和冷凝高壓空氣流的允許壓力上限，裝置進(jìn)料的絕大部分必須進(jìn)入增壓壓縮機(jī)109。在本實(shí)施例中，流5的流速為流1流速的大約35%。這才羊高的流速加上高的排氣壓力意味著增壓壓縮4幾109消耗了所述裝置總能量消耗的大部分。這種情況下，超過25%的裝置能量消耗來自增壓壓縮機(jī)109。圖2顯示了壓力最低化使得廢氮膨脹機(jī)冷凍產(chǎn)生3.0K的主換熱器溫差(WEDT)的系統(tǒng)的主換熱器的冷卻曲線。2.0K的內(nèi)部窄點(diǎn)(PHX窄點(diǎn)DT)是由于超臨界(1115psia)氧氣逆著冷卻超臨界空氣(1215psia)升溫。大量高壓空氣流在主換熱器冷端提供了過量冷凍，如冷端的大溫差所證實(shí)。WEDT和PHX窄點(diǎn)DT之差為1.OK。00281通過提高整個(gè)裝置壓力將本發(fā)明用于這種循環(huán)中。當(dāng)將塔102的壓力從95psia提高到180psia和將塔104的壓力從25psia提高到"psia時(shí)，通過廢氣膨脹渦輪產(chǎn)生過量冷凍，因?yàn)椴槐刈鳛楫a(chǎn)品的所有氮?dú)舛既匀煌ㄟ^廢氣膨脹機(jī)。結(jié)果，PHX相當(dāng)寬的冷卻曲線如圖3中所示。WEDT與PHX窄點(diǎn)DT之差現(xiàn)在超過7K。結(jié)果是，就相同主換熱器101而言，需要少許多的來自增壓空氣壓縮機(jī)109的高壓空氣5以適當(dāng)?shù)厥顾懈邏貉醴序v。通過該過量冷凍，流5的流速為進(jìn)料流1的35%-25%而被增壓壓縮機(jī)109消耗的裝置能量的分?jǐn)?shù)為約25%-12.5%。將本發(fā)明應(yīng)用于這種循環(huán)的另一益處是產(chǎn)生的渦輪能量明顯提高，這通過廢氣膨脹渦輪113實(shí)現(xiàn)。此外，因?yàn)閷⒄麄€(gè)裝置的壓力提高以產(chǎn)生過量冷凍，氮?dú)猱a(chǎn)物流37和39在較高壓力下離開所述裝置，從而氮?dú)鈮嚎s機(jī)的能量要求下降。盡管主進(jìn)料空氣壓縮機(jī)需要較高能量，本發(fā)明實(shí)踐提供了超過常規(guī)實(shí)踐的優(yōu)勢(shì)。這顯示于表l中，該表顯示了常規(guī)實(shí)踐(A)和采用本發(fā)明實(shí)踐(B)的圖1中所示循環(huán)的歸一化能量消耗。表1中的數(shù)字編號(hào)與圖1相同。所述實(shí)施例用于il明和對(duì)比而非限定，氧產(chǎn)品流42以1115psia離開所述裝置，氮產(chǎn)物流41被壓縮到335psia。此外，本發(fā)明實(shí)踐能有效地生產(chǎn)適量的液體產(chǎn)品。一部分過糞渦輪冷凍可用于制備液體產(chǎn)物且相關(guān)裝置的能量會(huì)非常低。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>0031當(dāng)氧產(chǎn)物的壓力為至少250psia時(shí)，本發(fā)明實(shí)踐的益處將特別有益。通常通過本發(fā)明實(shí)踐，氧產(chǎn)品的壓力將為200-1500psia。[0032盡管已參考某些實(shí)施方案和低溫空氣分離循環(huán)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到在權(quán)利要求書精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明存在其它實(shí)施方案和其它低溫空氣分離。權(quán)利要求1.一種將進(jìn)料空氣低溫分離的方法，其中進(jìn)料空氣在主換熱器中冷卻，通過在至少一個(gè)塔中低溫精餾分離而產(chǎn)生富氧液體和富氮蒸氣，將富氧液體壓力提高，通過與至少部分進(jìn)料空氣進(jìn)行間接熱交換使所述加壓的富氧液體蒸發(fā)，產(chǎn)生產(chǎn)品氧，改進(jìn)之處包括產(chǎn)生超過進(jìn)行低溫精餾所需的足夠過量冷凍，使得所述方法的總熱端溫差超過主換熱器的最低內(nèi)部溫差至少2K。2.權(quán)利要求l的方法，其中至少部分冷凍通過富氮蒸氣的渦輪膨脹產(chǎn)生。3.權(quán)利要求l的方法，其中至少部分冷凍通過進(jìn)料空氣的渦輪膨脹產(chǎn)生。4.權(quán)利要求3的方法，其中所述進(jìn)行渦輪膨脹的進(jìn)料空氣為液化的進(jìn)料空氣。5.權(quán)利要求l的方法，其中所述總熱端溫差超過所述最低內(nèi)部溫差至少3K。6.權(quán)利要求l的方法，其中所述總熱端溫差超過所述最^f氐內(nèi)部溫差至少4K。7.權(quán)利要求l的方法，其中所述氧產(chǎn)品的壓力為至少200psia。8.權(quán)利要求1的方法，其中所述富氧液體在所述主換熱器中蒸發(fā)。9.權(quán)利要求l的方法，其中所述富氧液體在與主換熱器分離的產(chǎn)物再沸器中蒸發(fā)。10.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括回收富氮蒸氣作為產(chǎn)品氮。全文摘要一種將低溫空氣分離的方法，其中液氧(30)經(jīng)過增壓(112)并逆著冷凝進(jìn)料空氣(5)蒸發(fā)以產(chǎn)生氧氣產(chǎn)品(42)，其中產(chǎn)生過量裝置冷凍，使得所述方法的總熱端溫差超過所述主換熱器(101)的最低內(nèi)部溫差至少2K。文檔編號(hào)F25J3/04GK101351680SQ200680050267公開日2009年1月21日申請(qǐng)日期2006年10月31日優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日發(fā)明者N·M·普羅塞爾,P·J·蘭金申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司