專利名稱：生產(chǎn)高壓及高純氮?dú)獾膯嗡蜏鼐s系統(tǒng)的制作方法
一般地說(shuō)，本發(fā)明是涉及含氧和氮的混合物，如空氣的低溫精餾，更具體地說(shuō)，涉及具有改進(jìn)純度的高壓氮?dú)猱a(chǎn)品的生產(chǎn)。
諸如空氣的混合物低溫分離制氮是一項(xiàng)十分成熟的工業(yè)方法。將液體和蒸汽以逆流接觸方式通過(guò)低溫精餾裝置的塔，氧與氮之間蒸汽壓差使氮濃集于汽相，而氧濃集于液相。由于蒸汽壓差的緣故，分離塔內(nèi)壓力越低，則越容易分離。因而，制氮分離過(guò)程通常在較低的壓力下進(jìn)行。
往往，氮?dú)猱a(chǎn)品希望是高壓的。在這種情況下，可在壓縮機(jī)中把氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮到所需的壓力。這種壓縮的辦法不論從能源費(fèi)用還是從產(chǎn)品壓縮機(jī)設(shè)備投資來(lái)看，都是成本很高的。此外，在氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮過(guò)程當(dāng)中，可能產(chǎn)生粒狀物等雜質(zhì)，而如果該氮?dú)馐怯糜谥T如半導(dǎo)體制造這樣的要求高純度的場(chǎng)合，此類雜質(zhì)可能是有害的。在這些情況下，可能就需要一個(gè)進(jìn)一步凈化氮?dú)猱a(chǎn)品的步驟。
生產(chǎn)高壓氮?dú)猱a(chǎn)品的另一個(gè)方法是使低溫空分裝置的塔在高壓下運(yùn)行。在許多情況下，這種做法是不利的，因?yàn)闉檫_(dá)到所需產(chǎn)品壓力所要求的塔操作壓力超過(guò)能得到最佳循環(huán)效率的壓力，至使運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用升高。
有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種低溫精餾系統(tǒng)，借此系統(tǒng)，在避免在低溫精餾裝置內(nèi)采用高操作壓力和不需將氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮的條件下，就可高效地生產(chǎn)出氮?dú)猱a(chǎn)品。
借助本發(fā)明將達(dá)到上述以及其他目的，這一點(diǎn)，對(duì)于熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人，在讀了本公開之后將變得顯而易見;本發(fā)明的一個(gè)方面如下一種生產(chǎn)高壓氮?dú)獾牡蜏鼐s方法，它包括(A)把含氮和氧的進(jìn)料壓縮;
(B)冷卻經(jīng)壓縮的進(jìn)料并把冷卻后的進(jìn)料送入塔中;
(C)在塔內(nèi)，借助低溫精餾把進(jìn)料分離成富氮蒸汽和氧增濃液體;
(D)借助與富氮蒸汽間接換熱，使氧增濃液體蒸發(fā)，以產(chǎn)生富氮液體和氧增濃蒸汽;
(E)提高富氮液體壓力以產(chǎn)生高壓富氮液體;
(F)借助與壓縮流體間接換熱，使高壓富氮液體蒸發(fā)，以產(chǎn)生高壓氮?dú)?以及(G)回收高壓氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是借助低溫精餾生產(chǎn)高壓氮?dú)獾难b置，它包括(A)一個(gè)塔以及用于向該塔提供含有氮和氧的進(jìn)料的機(jī)構(gòu);
(B)用于將取自塔下段流體送去與取自塔上段流體進(jìn)行間接換熱的機(jī)構(gòu);
(C)用于使取自塔上段流體增壓的機(jī)構(gòu);
(D)一個(gè)產(chǎn)品蒸發(fā)器和用于將上述增壓流體送至產(chǎn)品蒸發(fā)器蒸發(fā)的機(jī)構(gòu);
(E)一臺(tái)壓縮機(jī)和用于將從壓縮機(jī)出來(lái)的流體送至產(chǎn)品蒸發(fā)器以蒸發(fā)所述增壓流體的機(jī)構(gòu);以及(F)用于將產(chǎn)品蒸發(fā)器出來(lái)的增壓、蒸發(fā)流體回收作為產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)。
這里所用術(shù)語(yǔ)“塔”意指一種蒸餾或分餾塔或區(qū)，即一種接觸塔或區(qū)，在其中，液相和汽相逆流接觸而實(shí)現(xiàn)流體混合物的分離，例如，通過(guò)汽相和液相在諸如沿塔內(nèi)豎向間隔設(shè)置的一系列盤或板，和/或規(guī)則碼放和/或無(wú)規(guī)堆放填料等的汽、液接觸元件上，進(jìn)行接觸。有關(guān)蒸餾塔的更詳細(xì)討論，可參見由R.H. Perry和C.H.Chilton主編;由McGraw-Hill Book公司出版(紐約)的《化學(xué)工程師手冊(cè)·第五版》，第13部分“蒸餾”(B.D. Smith等)，第13-3頁(yè)，“連續(xù)蒸餾過(guò)程”。
汽、液接觸分離過(guò)程依靠各組分間蒸汽壓不同來(lái)實(shí)現(xiàn)。高蒸汽壓(易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組分趨于濃集在汽相，而低蒸汽壓(難揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分則趨于濃集在液相。蒸餾乃是這樣一種分離過(guò)程可以通過(guò)加熱一種液體混合物來(lái)使揮發(fā)組分濃集在汽相，并從而使難揮發(fā)組分濃集在液相。部分冷凝是這樣一種分離過(guò)程可以通過(guò)冷卻一種蒸汽混合物來(lái)使揮發(fā)組分濃集在汽相，并從而使難揮發(fā)組分濃集在液相。精餾，或連續(xù)蒸餾，是這樣一種分離過(guò)程借助將汽相和液相進(jìn)行逆流處理而實(shí)現(xiàn)一連串的部分蒸發(fā)和部分冷凝相結(jié)合。此種汽、液相間的逆流接觸可以包括相間的整體或局部接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過(guò)程的設(shè)備常常被稱作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔，意思是一樣的。低溫精餾是一種至少部分地在諸如133°K或更低的低溫下進(jìn)行的精餾過(guò)程。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“間接換熱”意指讓兩股流體處于換熱關(guān)系而不發(fā)生流體間的任何物理接觸或互相攪混。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“進(jìn)料空氣”意指一種主要成分為氮和氧的混合物，例如空氣。
這里所用術(shù)語(yǔ)“平衡級(jí)”意指汽、液間這樣一種接觸過(guò)程流出的汽流與液流間處于平衡狀態(tài)。
這里所用術(shù)語(yǔ)塔的“上段”和“下段”，分別指塔的上半部分和下半部分。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的簡(jiǎn)圖，其中富氮液體借助與進(jìn)料換熱而蒸發(fā)。
圖2是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的簡(jiǎn)圖，其中通過(guò)與進(jìn)料換熱而產(chǎn)生另一股富氮液流。
圖3是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案的簡(jiǎn)圖，其中富氮液體借助與來(lái)自塔的氮蒸汽換熱而蒸發(fā)。
圖4是本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施方案的簡(jiǎn)圖，其中富氮液體借助與氧增濃蒸汽換熱而蒸發(fā)。
下面將參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
現(xiàn)在參看圖1，進(jìn)料空氣1經(jīng)主壓縮機(jī)2壓縮，再經(jīng)分子篩凈化器3，清除諸如二氧化碳和水蒸汽等高沸點(diǎn)雜質(zhì)。也可以使用反向換熱器清除進(jìn)料中的高沸點(diǎn)雜質(zhì)。壓縮后的進(jìn)料空氣的部分流4經(jīng)增壓壓縮機(jī)5進(jìn)一步壓縮。所得二段壓縮部分流6以及剩余的進(jìn)料空氣部分流7，經(jīng)主換熱器8冷卻。二段壓縮部分流6中的部分流9，從換熱器8的中間一點(diǎn)取出，經(jīng)膨脹機(jī)10作功膨脹而產(chǎn)生冷量，然后注入流7。二段壓縮部分流6流經(jīng)換熱器8時(shí)，至少發(fā)生部分冷凝。所得冷卻流6和7被送入低溫精餾塔11。較好的是，流6進(jìn)入塔11的位置比流7進(jìn)入塔11的位置高至少一個(gè)平衡級(jí)。
塔11在低于125磅/平方英寸，絕壓(Psia)的壓力下操作，較好低于70Psia，最好在低于60Psia的壓力下操作。一般，塔11的操作壓力在35-50Psia范圍內(nèi)。較低的塔11操作壓力有利于進(jìn)料的分離。在塔11內(nèi)，進(jìn)料借低溫精餾分離成富氮蒸汽和氧增濃液體。塔11包括至少一個(gè)塔頂冷凝器，例如塔頂冷凝器12。具有一般含氮量在30-55分子百分?jǐn)?shù)的氧增濃液體，以流13進(jìn)入換熱器14，在其中被過(guò)冷，流經(jīng)閥15，然后進(jìn)入塔11的塔頂冷凝器12。富氮蒸汽16也可送入塔頂冷凝器12，在此氧增濃液體通過(guò)與來(lái)自塔的富氮蒸汽間接換熱而蒸發(fā)，結(jié)果產(chǎn)生富氮液體和氧增濃蒸汽。產(chǎn)生的氧增濃蒸汽流17流經(jīng)換熱器14和8而變溫，然后從系統(tǒng)取出。
富氮液流18較好經(jīng)一臺(tái)液泵增壓，例如液泵19。富氮液的一部分20作為塔11的回流液。富氮液壓力升至45-250Psia范圍內(nèi)。使富氮液增壓的任何其他有效手段也可用于實(shí)施本發(fā)明。加壓富氮液流21流經(jīng)換熱器14而變暖，再流經(jīng)換熱器8與冷卻的壓縮進(jìn)料間接換熱而蒸發(fā)。較好讓壓縮流體通過(guò)與加壓的富氮液間接換熱而至少部分地冷凝。獲得的高壓氮?dú)?2作為產(chǎn)品回收，其中含有氧10ppm(摩爾)到0.1ppb(摩爾)，壓力在45-250Psia之間，不需對(duì)產(chǎn)品氣進(jìn)行壓縮。在實(shí)施本發(fā)明過(guò)程中，至少50%，較好地至少90%從過(guò)程回收的富氮蒸汽取自塔內(nèi)，用泵升至高壓，再蒸發(fā)。
圖2表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，作為精餾塔的一部分采用了兩個(gè)塔頂冷凝器。圖2中數(shù)字代號(hào)對(duì)應(yīng)于圖1對(duì)應(yīng)部件(設(shè)備)的代號(hào)，故不再贅述這些部件的詳情。現(xiàn)在參看圖2，全部進(jìn)料空氣經(jīng)二段壓縮，然后從換熱器8中間一點(diǎn)抽出一部分物流30，經(jīng)膨脹機(jī)10透平膨脹，再送至塔11。進(jìn)料空氣的另一部分物流31被送入輔助塔頂冷凝器32，其中，同時(shí)也通過(guò)富氮蒸汽16。從輔助塔頂冷凝器32出來(lái)的進(jìn)料空氣為物流33，該物流經(jīng)過(guò)換熱器14和8以后變暖，而后在壓縮機(jī)2和5之間與進(jìn)料流1重新匯合。富氮液的部分流34可以作為除氮?dú)猱a(chǎn)品外的液氮產(chǎn)品回收。圖2所示實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)在于，它可能獲得較圖1所示實(shí)施方案高的氮回收率。其原因在于，進(jìn)塔的液態(tài)進(jìn)料量比之圖1所示實(shí)施方案的情況有所減少。
圖3表示本發(fā)明又一實(shí)施方案，其中氮流體被用來(lái)蒸發(fā)富氮液。圖3中數(shù)字代號(hào)對(duì)應(yīng)于圖1中的代號(hào)，代表相應(yīng)的部件(設(shè)備)，故對(duì)這些部件的詳細(xì)情況，就不再詳述?，F(xiàn)在參看圖3，全部經(jīng)二段壓縮的進(jìn)料空氣通過(guò)換熱器8和透平膨脹機(jī)10成為流35，然后進(jìn)入塔11。含氮在98-99.999%的蒸汽流39被從塔11中抽出，流經(jīng)換熱器14和8而變暖，經(jīng)壓縮機(jī)38壓縮，再送回?fù)Q熱器8，在換熱器8中，這股流被用來(lái)蒸發(fā)富氮液21。形成的氮流體流37較好地在通過(guò)換熱器8過(guò)程中至少部分地冷凝，將該流返回經(jīng)過(guò)換熱器14，經(jīng)過(guò)閥36，再返回塔11，其導(dǎo)入點(diǎn)較好地比流39抽出(從塔11)點(diǎn)高至少一個(gè)平衡級(jí)。在圖3所示實(shí)施方案中，所表示的壓縮氮流與富氮液間接換熱是在單一的換熱器8中進(jìn)行的。但是這并非所要求的，且這一換熱過(guò)程可以在一個(gè)分開的換熱器中進(jìn)行。這就是說(shuō)，主換熱器8可任選地是兩個(gè)或兩個(gè)以上單獨(dú)的換熱器。
圖4表示本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施方案，其中采用氧增濃流體來(lái)蒸發(fā)富氮液。圖4中數(shù)字代號(hào)與前面各圖表示相應(yīng)部件的代號(hào)相對(duì)應(yīng)，故有關(guān)這些對(duì)應(yīng)部件詳情，就不再敘述?，F(xiàn)在參看圖4，氧增濃流體17的一部分，即流41，經(jīng)由壓縮機(jī)42壓縮，再通過(guò)換熱器8返回，在其中，使富氮液21蒸發(fā)。獲得的氧增濃流體43較好地至少有部分冷凝，將該股流體注入流13，隨后通過(guò)換熱器14和閥15進(jìn)入塔頂冷凝器12。在圖4所示實(shí)例中，壓縮的氧增濃蒸汽與富氮液之間的換熱是在單一的換熱器8中進(jìn)行的。但這并非是必須的，此種換熱可以在一個(gè)分開的換熱器中進(jìn)行。即是說(shuō)，主換熱器8可任選地是兩個(gè)或兩個(gè)以上單獨(dú)的換熱器。
可見，采用本發(fā)明可以通過(guò)一個(gè)單塔低溫精餾裝置生產(chǎn)出高壓氮?dú)?，而同時(shí)又不需要把氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮。盡管已經(jīng)結(jié)合某些較好實(shí)例對(duì)本發(fā)明做了詳述，熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人會(huì)意識(shí)到，在本權(quán)利要求的原則和范圍內(nèi)，尚有另外一些實(shí)例。例如，附圖所示各實(shí)例當(dāng)中的每一個(gè)實(shí)例里，主換熱器同時(shí)也起著產(chǎn)品蒸發(fā)器的作用。而另一方面，如上面已經(jīng)討論過(guò)的，富氮液的蒸發(fā)可以在一個(gè)與主換熱器(進(jìn)料在其中冷卻)分開的換熱器中進(jìn)行，故在這種情況下，這個(gè)單獨(dú)的換熱器就將是本發(fā)明中的產(chǎn)品蒸發(fā)器了。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)高壓氮?dú)獾牡蜏鼐s方法，它包括(A)把含氮和氧的進(jìn)料壓縮；(B)冷卻經(jīng)壓縮的進(jìn)料并把冷卻后的進(jìn)料送入塔中；(C)在塔內(nèi)，借助低溫精餾把進(jìn)料分離成富氮蒸汽和氧增濃液體；(D)借助與富氮蒸汽間接換熱，使氧增濃液體蒸發(fā)，以產(chǎn)生富氮液體和氧增濃蒸汽；(E)提高富氮液體壓力以產(chǎn)生高壓富氮液體；(F)借助與壓縮流體間接換熱，使高壓富氮液體蒸發(fā)，以產(chǎn)生高壓氮?dú)?；以?G)回收高壓氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1的方法，其中被壓縮流體是進(jìn)料。
3.權(quán)利要求1的方法，其中被壓縮流體是氧增濃蒸汽。
4.權(quán)利要求1的方法，其中被壓縮流體是從塔內(nèi)抽出并在與加壓富氮液換熱后又返回塔內(nèi)的含氮流體。
5.權(quán)利要求1的方法，其中壓縮流體通過(guò)與加壓富氮液換熱至少部分地冷凝。
6.權(quán)利要求1的方法，其中至少一定量冷卻的壓縮進(jìn)料在通入塔之前，進(jìn)行透平膨脹。
7.權(quán)利要求1的方法，它進(jìn)一步包括，通過(guò)富氮蒸汽與部分進(jìn)料間接換熱而產(chǎn)出一定量的富氮液。
8.借助低溫精餾生產(chǎn)高壓氮?dú)獾难b置，它包括(A)一個(gè)塔以及用于向該塔提供含有氮和氧的進(jìn)料的機(jī)構(gòu);(B)用于將取自塔下段流體送去與取自塔上段流體進(jìn)行間接換熱的機(jī)構(gòu);(C)用于使取自塔上段流體增壓的機(jī)構(gòu);(D)一個(gè)產(chǎn)品蒸發(fā)器和用于將上述增壓流體送至產(chǎn)品蒸發(fā)器蒸發(fā)的機(jī)構(gòu);(E)一臺(tái)壓縮機(jī)和用于將從壓縮機(jī)出來(lái)的流體送至產(chǎn)品蒸發(fā)器以蒸發(fā)所述增壓流體的機(jī)構(gòu);以及(F)用于將產(chǎn)品蒸發(fā)器出來(lái)的增壓、蒸發(fā)流體回收作為產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)。
全文摘要
一種單塔低壓低溫精餾系統(tǒng)，其中，塔頂?shù)羝c塔底物呈反向相變而冷凝，經(jīng)加壓，并借助該加壓流體蒸發(fā)，從而同時(shí)獲得高純和高壓的氮?dú)猱a(chǎn)品。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1092855SQ94100508
公開日1994年9月28日 申請(qǐng)日期1994年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月21日
發(fā)明者J·R·德雷, M·J·羅伯特斯, D·P·邦納奎斯特, 張海理, P·L·賈斯特, J·B·邁斯, J·H·羅雅爾 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司