專利名稱：通過精餾來分離空氣的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過精餾來分離空氣的方法，其中對(duì)空氣進(jìn)行壓縮、預(yù)凈化、冷卻并在兩級(jí)精餾的壓力級(jí)中分離成一種富氮餾份和一種富氧的液體，將這兩種餾份至少部分地送往精餾的中壓級(jí)，分離成氧和氮，在此，至少采出一種氣態(tài)的氮餾份，加熱并使其至少部分地作功澎脹。另外，本發(fā)明的主題還是一種實(shí)施該方法的裝置。
美國專利說明書US2，666，303已經(jīng)公開了一種這樣的方法。這里，來自中壓級(jí)的氮為工藝制冷而減壓澎脹。這比中壓級(jí)在高于大氣壓力下操作時(shí)用壓力級(jí)氮驅(qū)動(dòng)冷循環(huán)要經(jīng)濟(jì)。然而，該已知方法的缺點(diǎn)是，中壓級(jí)氣態(tài)氮餾份已減壓的部分不能再用于需要高壓的用途。
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)本說明書開頭所述類型的方法和裝置的經(jīng)濟(jì)性，特別是要以特別有利的方式提供過程制冷，且并不限制氣態(tài)氮餾份的繼續(xù)應(yīng)用。
該目的可由下述措施來實(shí)現(xiàn)加熱并重新壓縮至少一部分作功澎脹后的氮，其中將至少一部分減壓澎脹后所得的功用于壓縮。
特別有利的是，在高壓下操作的空氣分離裝置中進(jìn)行再壓縮的同時(shí)應(yīng)用作功澎脹。這是由于澎脹透平入口處的壓力還相當(dāng)高，因而可以達(dá)到較高的效率。這對(duì)于與發(fā)電裝置聯(lián)合且共同使用煤或重油的氣化來驅(qū)動(dòng)的空氣分離裝置來說，尤為適宜。
從工藝之外輸入能量作為壓縮功率的一部分，這證明是有利的。由此可使減壓后的氮?dú)獠糠种匦禄謴?fù)其原有的壓力(減壓前的壓力)或上升到更高的壓力，如果需要將它以相應(yīng)的參數(shù)繼續(xù)使用的話。例如，在空氣分離設(shè)備與氣化煤發(fā)電裝置的聯(lián)合設(shè)備中，可將再壓縮的氮?dú)馑腿胪ǔＬ幱诟邏合碌娜紵摇?br> 因此，尤為有利的是按本發(fā)明進(jìn)一步的特征使氣態(tài)氮餾份減壓的部分壓縮到基本上與氣態(tài)氮餾份分開時(shí)相等的壓力，并接著又重新送入氣態(tài)氮餾份未減壓的部分中。
借助于這種工藝方式，按照本發(fā)明制冷時(shí)，還可以提供處于中壓級(jí)(一般較高)壓力下的總的氣態(tài)氮餾份，該餾份可在例如一個(gè)煤氣化發(fā)電裝置的燃燒室繼續(xù)使用。
尤其在整個(gè)空氣分離和特別是中壓級(jí)必須在較高壓力下運(yùn)行的那些應(yīng)用中，所達(dá)到的產(chǎn)品純度往往是不能令人滿意的。得到的氮?dú)馐沁@樣，氧氣產(chǎn)品則純度更差。
由于這種原因，按照本發(fā)明的另一方面，從中壓級(jí)頂部采出另一氮餾份，將之加熱，壓縮，接著再冷卻并導(dǎo)入壓力級(jí)，在一定的情況下是有益的。將(純)氮餾份至少部分地送入一個(gè)所稱的強(qiáng)化循環(huán)中。經(jīng)由強(qiáng)化循環(huán)而進(jìn)入壓力級(jí)的氮，通過與中壓級(jí)的釜液間接換熱而冷凝，將其以液態(tài)采出并作為輔助回流供給中壓級(jí)。由此，在不影響壓力級(jí)傳質(zhì)的條件下提高了中壓級(jí)的物質(zhì)交換，因而產(chǎn)物流具有較高的純度。
本發(fā)明還涉及一種實(shí)施上述方法的裝置。該裝置包括一個(gè)主換熱器，該換熱器內(nèi)有空氣和氮?dú)馔ǖ溃€具有一個(gè)由壓力塔和中壓塔組成的雙級(jí)精餾塔，其特征是有一根管道由主換熱器的中間區(qū)域引出，使氮?dú)馔ǖ琅c澎脹透平入口連通，并由另一根管道使澎脹透平出口與一臺(tái)壓縮機(jī)的入口連通，并作為通道穿過主換熱器。此外，壓縮機(jī)的出口還可以與主換熱器的氮通道的出口連通。
下面借助于附圖
所示本發(fā)明方法的一種實(shí)施方式進(jìn)一步解釋本發(fā)明及其它細(xì)節(jié)。
經(jīng)壓縮并預(yù)凈化過的空氣經(jīng)管1導(dǎo)入，在主換熱器17中與產(chǎn)物流間接換熱而冷卻，然后進(jìn)入兩級(jí)精餾塔2的壓力級(jí)3。壓力級(jí)3(操作壓力6至20巴，優(yōu)選8至17巴)與中壓級(jí)4(操作壓力1.5至10巴，優(yōu)選2.0至8.0巴)經(jīng)一個(gè)共有的冷凝/蒸發(fā)器13呈換熱連接。引入的空氣在壓力級(jí)3預(yù)分離成氮和富氧餾份。富氧餾份經(jīng)管6以液體狀態(tài)采出，在換熱器32中過冷后節(jié)流噴入中壓級(jí)4。壓力級(jí)3頂部的氮經(jīng)管5同樣以液體狀態(tài)采出，在換熱器32中過冷后部分地由管8作為液體產(chǎn)物排出。來自壓力級(jí)3的另一部分的氮由管9以回流形式送入中壓級(jí)4。
作為中壓級(jí)4的產(chǎn)物，采出液體氧(管14)、氣態(tài)純氮(管15)和不純的氮(管16)，并在主換熱器17中對(duì)其加熱，氮?dú)饬鲃t另外還在換熱器32中輔助加熱。
在進(jìn)入壓力級(jí)3之前，管1中一部分空氣(管21)在換熱器20中與來自中壓級(jí)4塔釜的氧14換熱而冷凝。來自中壓級(jí)4塔釜的液氧14為此由泵19加壓到高壓，并在冷凝器20中進(jìn)行熱交換時(shí)部分地汽化。部分冷凝的空氣22在高于第一進(jìn)料口(管1)的位置進(jìn)入壓力級(jí)3。氧的汽化部分由管23排出并加熱(17)。另一部分氧由管42作為液體產(chǎn)物流排出。
按照本發(fā)明，使管16中的一部分不純的氮在約110至210K、優(yōu)選135至185K的中等溫度下，經(jīng)管30由主換熱器17引出，并在澎脹透平31中作功澎脹到2.6至1.4巴、優(yōu)選約2.0巴的壓力。減壓澎脹后的氮經(jīng)管32重新送到主換熱器17的冷端并加熱至環(huán)境溫度。從而將減壓澎脹時(shí)所制的冷傳遞給管1中待分離的空氣。
為了能夠使澎脹的氮和未澎脹的部分(管39)一起抽去，分兩級(jí)33、36再次將其壓縮，以此各自相繼地將壓縮熱除去(冷卻器35、37)。第二壓縮級(jí)36與澎脹透平31相耦合，以便回收膨脹時(shí)所作的功，用于工藝中。為了使該氣體重新恢復(fù)其(在管30及29中的)初始?jí)毫Γ€需要另一壓縮級(jí)33，該壓縮級(jí)由外部引入的能量驅(qū)動(dòng)。然而，通過本發(fā)明的工藝方式，該附加消耗的能量將非常有效地轉(zhuǎn)化成工藝?yán)淞俊?br> 如果需要壓力高于中壓級(jí)4的純氮，可在加熱后將其壓縮。這一般在多個(gè)壓縮級(jí)40、41中實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，通常在每級(jí)40、41之后，要用水冷卻器(圖中未示出)將壓縮熱導(dǎo)出。
在這種情況下，特別有利的是采用強(qiáng)化循環(huán)來提高中壓級(jí)的傳質(zhì)和產(chǎn)物純度。為此，圖中虛線表示的管線是必要的。經(jīng)管42從管15中分出至少一部分調(diào)整到壓力塔(在該實(shí)施例中位于壓縮級(jí)40和41之間)壓力水平的純氮，在主換熱器17中加熱，繼而經(jīng)管42送入壓力級(jí)3。
附加的氮在中壓級(jí)4的頂部冷凝，同時(shí)液體在其塔釜汽化。它還可以液體形式附帶經(jīng)管5采出，并以回流形式送入中壓塔。然后也由管15采出數(shù)量相應(yīng)提高的氮，將之加熱(32，17)并在壓縮級(jí)40壓縮，這樣，強(qiáng)化循環(huán)通路就閉合了，換熱器32和17的平衡也實(shí)現(xiàn)了。
權(quán)利要求
1.通過精餾來分離空氣的方法，其中將空氣1壓縮、預(yù)凈化、冷卻17并在兩級(jí)精餾塔2的壓力級(jí)3預(yù)分離成一種富氮餾份5和一種富氧液體6，該兩種餾份5、6至少部分地進(jìn)入精餾過程2的中壓級(jí)4，并分離成氧和氮，其中至少引出一種氣態(tài)的氮餾份16，加熱17并至少部分地30作功澎脹31，其特征在于，加熱17并重新壓縮33、36至少一部分作功澎脹31過的氮32，其中將澎脹31時(shí)所得功的至少一部分用于壓縮36。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，壓縮33的一部分功率由工藝之外輸入的能量供給。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，將氣態(tài)氮餾份澎脹后的部分32壓縮33、36到一種與氣態(tài)氮餾份16分開時(shí)30、39的壓力基本相等的壓力。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其特征是，將氣態(tài)氮餾份澎脹并重新壓縮的部分38重新引入氣態(tài)氮餾份未減壓澎脹的部分39。
5.權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征是，由中壓級(jí)4頂部抽出另一種氮餾份15，將之加熱32、17，壓縮40，接著再次冷卻17并引入42壓力級(jí)3。
6.實(shí)施權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述方法的裝置，該裝置中有一個(gè)主換熱器17，其內(nèi)有空氣1和氮16、39的通道，有一個(gè)由壓力塔3和中壓塔4組成的雙級(jí)精餾塔2，其特征在于，管30由主換熱器17的中間區(qū)域引出并與氮通道16和澎脹透平31的入口相連接，另一根管32將澎脹透平31出口與壓縮機(jī)33、36入口連通，并作為通道穿過主換熱器17。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其特征是，壓縮機(jī)33、36的出口與主換熱器17氮通道39的出口連通。
全文摘要
本發(fā)明描述了通過精餾來分離空氣的一種方法和一種裝置。將由該工藝抽出的氮16加熱到一種中等溫度，部分地從主換熱器17中導(dǎo)出30并作功膨脹31。膨脹的氣體32在主換熱器17中將其冷量傳給分離空氣1，然后重新壓縮33、36。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1045173SQ9010033
公開日1990年9月5日 申請(qǐng)日期1990年1月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月23日
發(fā)明者迪特里希·羅特曼 申請(qǐng)人:琳德股份公司