專利名稱：輔助塔低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及物料空氣的低溫精餾，它在用于在升高的壓力下操作方面特別有利。
由于升高的壓力操作與煤氣化相結(jié)合的循環(huán)動力裝置的應(yīng)用，升高的壓力產(chǎn)品，如由物料空氣的低溫精餾產(chǎn)生的氧氣和氮?dú)獾男枨笳谠黾印?br> 從低溫精餾裝置生產(chǎn)增壓產(chǎn)品的一種方式是將由裝置生產(chǎn)出的產(chǎn)品壓縮到所需壓力。然而，這種方式由于兩方面的原因而成本高一是起始的資本高，一是壓縮機(jī)的操作和維護(hù)費(fèi)用高。
從低溫精餾裝置生產(chǎn)增壓產(chǎn)品的另一種方式是在較高壓下操作裝置的塔。然而，這種方式給系統(tǒng)加重了分離的負(fù)荷，因而需要補(bǔ)償這種負(fù)荷，因為低溫精餾取決于各組分的相對揮發(fā)性，而這些相對揮發(fā)性隨著增加壓力而減少。
在較高精餾壓力下維持物料完全分離的方法之一是將物料空氣的最大部分加入雙塔空分裝置的較高壓力塔。這種方法導(dǎo)致最大量的高純氮回流，而常規(guī)的雙塔配置可以做到這一點(diǎn)。然而，在足夠高的壓力水平之時，該方法不足以避免氧回收方面的重大減少。
在較高精餾壓力下維持物料空氣的分離的另一方法是利用熱泵壓縮回路。在此法中，一個或幾個低壓物流經(jīng)過附加的壓縮裝置再循環(huán)，壓縮的物流返回到塔系統(tǒng)以進(jìn)一步推動該分離。這些系統(tǒng)對于有效操作是復(fù)雜的，并且成本上取決于所應(yīng)用的具體壓縮裝置。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一個低溫精餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在升高的壓力下操作，并能改進(jìn)常規(guī)的高壓系統(tǒng)所能達(dá)到的回收。
本發(fā)明的上述目的和其它目的可由本發(fā)明達(dá)到，這對于一個讀了本公開資料的本行業(yè)技術(shù)人員來說將變得很清楚。
本發(fā)明的一個方面是物料空氣的低溫精餾方法，包括(A)將物料空氣送入具有高壓塔和低壓塔的雙塔空氣分離裝置，并由低溫精餾將在雙塔裝置中的物料空氣分離成為氮蒸氣和氧液體;
(B)將第二物料空氣送入操作在低于較高塔的壓力的輔助塔中，并由低溫精餾將在輔助塔中的第二物料空氣分離成為富氮蒸氣和富氧液體;
(C)將輔助塔流出的富氧液體通入雙塔空分裝置，從雙塔空分裝置中排出液氧，并對排出的液氧減壓;
(D)將富氮蒸氣與減壓的液氧間接熱交換而使之冷凝，并將得到的至少一部分冷凝的富氮流體通入雙塔空分裝置中;以及(E)回收從與富氮蒸氣間接熱交換得到的氧流體作為氧產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一方面是物料空氣的低溫精餾設(shè)備，包括(A)具有高壓塔和低壓塔的雙塔空分裝置和將物料空氣送入雙塔空分裝置中的裝置;
(B)具有塔頂冷凝器的輔助塔和將物料空氣通入該輔助塔的裝置;
(C)將流體從輔助塔的下部送入雙塔空分裝置的裝置，和將流體從輔助塔的上部送入其塔頂冷凝器的裝置;
(D)將流體從雙塔空分裝置送入減壓裝置和從減壓裝置送入塔頂冷凝器的裝置;
(E)將流體從塔頂冷凝器送入雙塔空分裝置的裝置和從塔頂冷凝器回收流體的裝置。
這里所用的術(shù)語“塔”意指一個蒸餾或分餾塔或區(qū)域，即一個液相和蒸氣相對流接觸以進(jìn)行流體混合物分離的接觸塔或區(qū)域，正如所舉例的，蒸氣和液相通過在蒸氣-液體接觸元件上，如在安裝在塔內(nèi)的一系列垂直相間的塔板上和/或在可以是結(jié)構(gòu)型填充元件和/或自由填充元件上發(fā)生的接觸。對于進(jìn)一步討論蒸餾塔，請見Chemical Engineers′Handbook，第5版，第13節(jié)，B.D.Smith等人，“蒸餾”，第13-3頁，“The Continuous Distillation Process”。該手冊由R.H.Perry和C.H.Chilton編輯，紐約Mc Graw-Hill Book Company出版。
蒸氣和液體接觸分離過程取決于各組分的蒸氣壓之差。高蒸氣壓(或易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組分趨向于在蒸氣相內(nèi)濃縮，而低蒸氣壓(或不易揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分趨向于在液相濃縮。蒸餾是用加熱液體混合物在蒸氣中濃縮揮發(fā)性組分和液相中濃縮不揮發(fā)性組分的分離過程。部分冷凝是用冷卻蒸氣混合物在蒸氣相濃縮易揮發(fā)組分和在液相濃縮不揮發(fā)性組分的分離過程。精餾或連續(xù)蒸餾是將蒸氣相和液相對流處理而獲得的連續(xù)部分蒸發(fā)和部分冷凝相結(jié)合的分離過程。蒸氣相和流相的對流接觸是絕熱的，并可包括兩相間的累積接觸和局部接觸。利用精餾分離混合物的原理的分離過程的設(shè)備常被互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是一種至少部分在低溫下，如在或低于150°K的溫度進(jìn)行的精餾過程。
這里所用的術(shù)語“間接熱交換”意指使兩種流體物流進(jìn)行熱交換而沒有這些流體相互的物理接觸或中間混合發(fā)生。
這里所用的術(shù)語“物料空氣”意指一種主要包括氮?dú)夂脱鯕饫缈諝獾幕旌衔铩?br> 這里所用的術(shù)語“壓縮機(jī)”意指一種增加氣體壓力的設(shè)備。
這里所用的術(shù)語“膨脹機(jī)”意指一種用于從壓縮氣體減壓做功的裝置。
這里所用的術(shù)語“上部”和“下部”分別意指塔的中點(diǎn)以上和以下的那些部分。
這里所用的術(shù)語“回流”意指塔內(nèi)由冷凝蒸氣產(chǎn)生的向下流動的液相。
這里所用的術(shù)語“塔頂冷凝器”意指一種從塔頂蒸氣產(chǎn)生向下流動的液體的熱交換設(shè)備。


圖1 是本發(fā)明低溫精餾的一個優(yōu)選實施方案的流程圖，其中的物料空氣被通入雙塔空分裝置的高壓塔和低壓塔兩個塔。
圖2 是本發(fā)明低溫精餾的另一個優(yōu)選實施方案的流程圖，其中的第二物料空氣在通入輔助塔之前受到膨脹。
圖3 是本發(fā)明低溫精餾的另一個優(yōu)選實施方案的流程圖，其中的所有物料空氣被壓縮成高壓，而第二物料空氣從主物料空氣中分出支線并被膨脹。
本發(fā)明包括在雙塔空分裝置的上游使用一種輔助塔使雙塔系統(tǒng)能在較高壓力下操作，同時減少能量消耗并達(dá)到比傳統(tǒng)的高壓系統(tǒng)改進(jìn)的產(chǎn)品回收率。能量消耗減少的達(dá)到是因為流回輔助塔的物料空氣的壓力比高壓塔的壓力低，造成系統(tǒng)的能耗降低。輔助塔也維持在使雙塔裝置的低壓塔可得到液氮的狀態(tài)因而促進(jìn)了高壓操作而沒有回收損失。在壓力低于低壓塔的壓力進(jìn)行氧的蒸發(fā)幫助塔系統(tǒng)在高壓下操作。減壓輔助塔的使用結(jié)果是保持了氧的回收，因為雙塔裝置的壓力增加。這一結(jié)果的造成是由于給上部塔供給更大流量的高純氮回流液。此外，這種流量的增加是隨著由整個配置所需的空氣壓縮能量的減小而達(dá)到的。
參考附圖對本發(fā)明作詳描述。參考圖1，物料空氣40在壓縮機(jī)1 內(nèi)受壓縮，然后在熱交換器2 內(nèi)冷卻，并被在吸附裝置3 內(nèi)清除掉高沸點(diǎn)沾污物和/或不凝性物質(zhì)。物流40的約15-45%的部分41，通過主熱交換器6 被冷卻到接近其露點(diǎn)溫度。在主熱交換器6 的中間位置上，物料空氣的一部分43被引出，經(jīng)膨脹機(jī)7 膨脹減壓到近接于低壓塔10的壓力。經(jīng)膨脹的物流被再引入主熱交換器6，冷卻到接近于其露點(diǎn)溫度，然后再被送到低壓塔10的中間位置。
雙塔空分裝置包括高壓塔8，一般操作在75-250磅/平方英寸絕對壓力范圍內(nèi)，和低壓塔10，操作壓力低于高壓塔，一般在17-85磅/平方英寸(psia)。物料空氣44由主熱交換器6 通入高壓塔8。
在高壓塔8 內(nèi)，物料空氣由低溫精餾分離成比物料空氣濃縮的富氮餾分和富氧餾分。富氧餾分從塔8 排出，作為物流45，經(jīng)熱交換器13受過冷，經(jīng)閥18降壓，通入塔10。富氮餾分從塔8 排出，作為物流46，由與沸騰的塔10底部間接熱交換在底部再沸器11中冷凝。得到的富氮液體的一部分47返回塔8 作為回流，另一部分48流過熱交換器14受過冷，經(jīng)過閥16，然后進(jìn)入塔10用于回流。
塔10內(nèi)各種物料由低溫精餾分離成氮蒸氣，氮濃度為98-99.99%或更高，和液氧，氧濃度為75-99.9%。氮蒸氣從塔10上方排出作為物流49，通過熱交換器14、13和6 受加溫，作為氮產(chǎn)品50回收。作為產(chǎn)品回收意指從系統(tǒng)中除去，并包括作為產(chǎn)品的實際回收和放入大氣。由本發(fā)明生產(chǎn)出的一種或幾種產(chǎn)品有時并不馬上需要用時，放空比貯存更合算。含氮物流51也從塔10的上部排出，用于產(chǎn)品純度控制的目的，經(jīng)過熱交換器14、13和6 受熱加溫，然后從系統(tǒng)中作為物流52被除去。
輔助塔9 在低于高壓塔8的壓力下操作，并通常在75-250psia的范圍內(nèi)。一般塔9 的操作壓力高于塔10的。在輔助塔9 中，第二物料空氣由低溫精餾分離為富氮蒸氣和富氧液體。富氧液體從輔助塔9 的下部排出，為液流53，經(jīng)閥19進(jìn)入雙塔空分裝置的低壓塔10用作為分離成氮蒸氣和氧液體的輔助物流。如果需要，物流53可與物流45先合并再通入塔10。富氮蒸氣以物流54通入輔助塔頂冷凝器12。如果需要，一些富氮蒸氣可作為產(chǎn)品氮回收。
液氮從雙塔空分裝置的低壓塔10的下部排出，為物流55，經(jīng)熱交換器15過冷，再流經(jīng)如閥20這種減壓設(shè)備減壓。減壓液氧再通入塔頂冷凝器12，在其中與冷凝的富氮蒸氣間接熱交換而受氣化。最好一部分得到的富氮冷凝液56通入輔助塔9 作為回流。若一部分得到的富氮冷凝液不用作為輔助塔的回流，則如從雙塔系統(tǒng)來的一些液氮將供給輔助塔。至少部分得到的富氮冷凝液57流經(jīng)熱交換器受過冷，流經(jīng)閥17減壓，再通入雙塔空分裝置的塔10的上部作為附加的回流，通入點(diǎn)為位于物流53通入塔10點(diǎn)的下面。如需要，物流57可與物流48合并再通入塔10。
從在塔頂冷凝器12與冷凝的富氮蒸氣熱交換得到的氧蒸氣，從塔頂冷凝器12排出，作為物流58，流經(jīng)熱交換器15和6 受加溫，然后作為產(chǎn)品氧59回收，此時壓力在17-85psia范圍內(nèi)。
為了演示本發(fā)明與常規(guī)升壓低溫空氣過程相比的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了計算機(jī)模擬圖1中舉出的本發(fā)明的實施方案，其中高壓塔底部壓力為約202psia，輔助塔底部壓力為約75.5psia。從低壓塔底部排出的液氧的氧濃度為90%。氧回收為97.9%。為了對此目的，以相同低溫裝置操作在相同壓力的常規(guī)雙塔空分系統(tǒng)為獲得相同的氧純度時的氧回收僅為93.1%。
圖2演示本發(fā)明另一實施方案。圖2與圖1相應(yīng)的數(shù)字代表相同部件，相同部件不再詳述。在圖2實施方案中，全部物料空氣流42通過熱交換器6并進(jìn)入高壓塔8。在中間位置，第二物料空氣流41被引出，經(jīng)渦輪膨脹機(jī)60進(jìn)行渦輪膨脹至相應(yīng)于相似輔助塔9的操作壓力。經(jīng)膨脹的物流而后被再引入主熱交換器6，再冷卻至接近其露點(diǎn)溫度，再供入輔助塔9。
圖3演示本發(fā)明的另一實施方案，圖3里與圖1和圖2相同的部件用相同的數(shù)字來代表。相同部件不再詳述。
在圖3的實施方案中，全部物料空氣流40經(jīng)壓縮機(jī)1壓縮至基本相應(yīng)于高壓塔8的壓力。該全部冷卻和清潔的物料空氣流被送入主熱交換器6中，并在這里分成主物料空氣42和第二物料空氣41。主物料空氣全部穿過熱交換器6，再送入高壓塔8。第二物料空氣41經(jīng)膨脹機(jī)60如在圖2方案中那樣膨脹，經(jīng)熱交換器6進(jìn)一步冷卻，再通入輔助塔9。
雖然本發(fā)明已參考優(yōu)選實施方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會認(rèn)識到，在本申請的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)，還有其它本發(fā)明的實施方案。輔助塔底部的富氧液體和高純液氮的壓力還可由可利用的液體壓頭和/或機(jī)械泵的任何組合使之輪流增加，因而可被直接送入高壓塔中。同樣，從高壓塔排出的液體可經(jīng)過冷和/或減壓，然后通入輔助塔。雙塔裝置存在著可找到一個最佳性能壓力的情況，其中低壓塔10的壓力可超過輔助塔9的操作壓力。如果這樣，就需要機(jī)械泵來升高來自輔助塔液體的壓力，因而它們可供給塔10。這時閥17和19可由機(jī)械泵代替。此外，在需要?dú)瀹a(chǎn)品時，也可有氬支塔，這容易與本發(fā)明系統(tǒng)相結(jié)合。而且，也可以如從物流55、48或57回收一部分來從系統(tǒng)中回收液氧和/或液氮。
權(quán)利要求
1.物料空氣的低溫精餾方法，包括(A)將物料空氣送入具有高壓塔和低壓塔的雙塔空氣分離裝置，并由低溫精餾將在雙塔裝置中的物料空氣分離成為氮蒸氣和氧液體；(B)將第二物料空氣送入操作在低于較高塔的壓力的輔助塔中，并由低溫精餾將在輔助塔中的第二物料空氣分離成為富氮蒸氣和富氧液體；(C)將輔助塔流出的富氧液體通入雙塔空分裝置，從雙塔空分裝置中排出液氧，并對排出的液氧減壓；(D)將富氮蒸氣與減壓的液氧間接熱交換而使之冷凝，并將得到的至少一部分冷凝的富氮流體通入雙塔空分裝置中；以及(E)回收從與富氮蒸氣間接熱交換得到的氧流體作為氧產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1的方法，其中從輔助塔來的富氧液體流入雙塔空分裝置的較低壓塔。
3.權(quán)利要求1的方法，其中冷凝富氮流體的第二部分流入雙塔空分裝置的較低壓塔。
4.權(quán)利要求1 的方法，其中進(jìn)一步包括回收氮蒸氣作為氮產(chǎn)品。
5.權(quán)利要求1 的方法，其中進(jìn)一步包括回收富氮蒸氣作為氮產(chǎn)品。
6.權(quán)利要求1 的方法，其中進(jìn)一步包括回收一些液氧作為液氧產(chǎn)品。
7.權(quán)利要求1 的方法，其中進(jìn)一步包括回收一些冷凝液氮作為液氮產(chǎn)品。
8.權(quán)利要求1 的方法，其中進(jìn)一步包括第二物料空氣在供入輔助塔之前先受膨脹。
9.物料空氣的低溫精餾設(shè)備，包括(A)具有高壓塔和低壓塔的雙塔空分裝置和將物料空氣送入雙塔空分裝置中的裝置;(B)具有塔頂冷凝器的輔助塔和將物料空氣通入該輔助塔的裝置;(C)將流體從輔助塔的下部送入雙塔空分裝置的裝置，和將流體從輔助塔的上部送入其塔頂冷凝器的裝置;(D)將流體從雙塔空分裝置送入減壓裝置和從減壓裝置送入塔頂冷凝器的裝置;(E)將流體從塔頂冷凝器送入雙塔空分裝置的裝置和從塔頂冷凝器回收流體的裝置。
10.權(quán)利要求9 的裝置，其中將流體從輔助塔的下部通入雙塔空分裝置的裝置與低壓塔相連。
11.權(quán)利要求9 的裝置，其中將流體從塔頂冷凝器通入雙塔空分裝置的裝置與低壓塔相連。
12.權(quán)利要求9 的裝置，其中進(jìn)一步包括回收從低壓塔的上部排出流體的裝置。
13.權(quán)利要求9 的裝置，其中向輔助塔提供物料空氣的裝置包括膨脹機(jī)。
14.權(quán)利要求9 的裝置，其中進(jìn)一步包括將流體從塔頂冷凝器通入輔助塔的裝置。
全文摘要
具有一輔助塔和一雙塔裝置的低溫精餾系統(tǒng)，其中從雙塔裝置來的液氧先于回收輔助塔頂蒸氣前氣化，產(chǎn)生用于雙塔裝置的附加回流，因而在升高壓力的條件下維持氧回收。
文檔編號F25J3/04GK1080990SQ9310651
公開日1994年1月19日 申請日期1993年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月1日
發(fā)明者H·E·霍華德 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司