專利名稱：制備低純氧氣的副塔低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及低溫精餾，更具體地說，涉及低純氧氣的制備。
空氣的低溫分離是一種良好設(shè)立的工業(yè)方法。低溫空氣分離包括將原料空氣過濾以除去粒狀物和將過濾后的原料空氣壓縮以提供分離所需的能量。壓縮后從原料空氣中除去諸如二氧化碳和水蒸汽等高沸點雜質(zhì)并將其冷卻，然后通過低溫精餾分離出制品。分離塔在低溫下運作以讓氣體和液體得以進行蒸餾分離所需的接觸，然后將分離的制品逆著要冷卻的原料空氣流回到常溫條件下。
用于氧氣的制備的聚常用的低溫空氣分離系統(tǒng)是雙塔系統(tǒng)，它使用一高壓塔和一低壓塔，兩塔通過一主冷凝器進行熱交換。在該系統(tǒng)中其壓頭就是在基礎(chǔ)負荷空氣壓縮機的降壓值，該降壓值是由高壓塔底部壓力加上在管道及在基礎(chǔ)負荷空氣壓縮機和高壓塔間的設(shè)備的壓降來定的。反過來，高壓塔底部壓力是由從低壓塔頂?shù)酱髿獾臍饬鞯膲航?、由對低壓塔底部附加的壓差、由決定高壓塔頂部高壓氮冷凝壓力的主冷凝器兩端的溫差，和由對高壓塔底部附加的壓降來定的。在常規(guī)系統(tǒng)中高壓塔底部壓力一般在70到80磅/平方英寸(絕對值)(psia)范圍內(nèi)，因而使壓力一般在77到89psia范圍內(nèi)。
用常規(guī)雙塔系統(tǒng)進行空氣分離可獲得良好的能效和優(yōu)異的產(chǎn)品純度。但是如果需要低純氧氣即純度在99(mol)％或以下的氧氣，那末常規(guī)系統(tǒng)的效率是較低的，因為只有一部分空氣分離能力得到了利用。因為在諸如玻璃制造、煉鋼和能源生產(chǎn)等應(yīng)用中對低純氧氣的需要日益增加，因此需要可以低運行費用從生產(chǎn)低純氧氣的雙塔系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供制備低純氧氣的改良雙塔低溫精餾系統(tǒng)。
通過本發(fā)明便可達到上述和其他目的，這些目的對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說一旦讀了本公開后就變得顯而易見，本發(fā)明的一個方面是制備低純氧的低溫精餾方法，它包括(A)壓縮原料空氣；(B)將壓縮的原料空氣至少部分地冷凝，并將這樣得到的原料空氣送到也包括低塔的雙塔的高壓塔中；(C)將含有55-80(mol)％氧氣的粗制液氧從低壓塔輸送到副塔中；(D)通過在副塔內(nèi)的低溫精餾將粗制液氧分離成氧制品流體和殘余蒸汽；(E)將殘余蒸汽從副塔送到低壓塔中；(F)通過和壓縮的原料空氣間接熱交熱將氧制品液至少部分地氣化，并將壓縮的原料空氣進行所述的至少部分的冷凝；和(G)回收含氧氣量超過粗制液態(tài)氧氣的作為產(chǎn)品低純氧氣的氧氣制品流體。
本發(fā)明的另一方面是低溫精餾設(shè)備，它包括(A)基礎(chǔ)負荷原料空氣壓縮器；(B)具有底部再沸器的副塔；(C)包括第一塔和第二塔的雙塔；(D)將原料空氣從基礎(chǔ)負荷原料空氣壓縮器送到底部再沸器和從底部再沸器送到第一塔的裝置；(E)將流體從第二塔的下部送到副塔的裝置；(F)將流體從副塔送到第二塔的裝置；和(G)從副塔回收制品的裝置。
這里所述的術(shù)語“塔”是指蒸餾塔或蒸餾區(qū)、或分餾塔成分餾區(qū)，即接觸塔或接觸區(qū)，其中液相和氣相逆流接觸而使流體混合物分離，例如通過在塔內(nèi)安的一系列重直分隔的塔板或片上和/或在諸如有規(guī)則填充物或無規(guī)填充物上進行氣液相的接觸而使混合物分離。關(guān)于蒸餾的進一步討論，可能見R.H.Perry和C.H.Chilton編的《化學(xué)工程師手冊》第五版的13部分連續(xù)蒸餾方法，出版商為紐約的Mc Graw-Hill Book Company。術(shù)語雙塔是指其上端和低壓塔的下端具有熱交換關(guān)系的高壓塔。關(guān)于雙塔的進一步討論可參見1949年牛津大學(xué)出版社Ruheman的《氣體分離》一書的第六章商業(yè)空氣分離。
氣液接觸分離方法取決于組分蒸汽壓力的不同。高蒸汽壓(或易揮發(fā)或低沸點)組分趨于富集在氣相中，而低蒸汽壓(或難揮發(fā)或高沸點)組分則趨于富集在液相中。部分冷凝是將氣態(tài)混合物冷卻以將揮發(fā)性組分富集于氣相而將難揮發(fā)組分富集于液相中的分離過程。精餾或連續(xù)蒸餾是通過對氣相和液相逆流處理獲得的、結(jié)合連續(xù)部分汽化和冷凝的分離過程。氣相和液相的逆流接觸一般是絕熱的，可包括相間的積分(分階段的)接觸或微分(連續(xù))接觸。利用精餾分離混合物的原理進行分離處理的配置通?？山惶娴胤Q為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部發(fā)在開氏150度(°K)或以下溫度進行的精餾過程。
這里所用的術(shù)語“間接熱交換”是指兩種流體在沒有任何物理接觸或流體間的相互混合的情況下進行的熱交換。
這里所用的術(shù)語“底部再沸器”是指從塔底液中產(chǎn)生塔的上流蒸汽的熱交換裝置。
這里所用的術(shù)語“渦輪膨脹”和“渦輪聚冷器”各指高壓氣體流過渦輪機以降低氣體的壓力和溫度從而產(chǎn)生致冷作用的方法和裝置。
這里所用的術(shù)語“上部分”和“下部分”是各指在塔的中部上面和下面的部分。
這里所用的術(shù)語“原料空氣”是指諸如周圍空氣等主要包含氮氣和氧氣的混合物。
這里所用的術(shù)語“低純氧氣”是指氧濃度在99(mol)％或以下的流體。


圖1是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施方案的圖示。
圖2是本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案的示意圖，其中可制備較高壓力的氧氣制品。
圖3是本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方案的示意圖，其中原料空氣是在兩個壓力水平下提供給高壓塔的。
圖4是使用增壓進料渦輪機的本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案的示意圖。
一般來說，通過將氧氣制品的純度對高壓塔底部壓力的相依性脫開，本發(fā)明可使雙塔系統(tǒng)中的高壓塔在較低壓力下運作。這樣本發(fā)明就可通過降低要獲得必要的壓頭所需的原料空氣壓縮功來達到節(jié)省能量的目的。
本發(fā)明將根據(jù)附圖來詳細敘述。
現(xiàn)在參見圖1，原料空氣24通過在基礎(chǔ)負荷原料空氣壓縮機25上將其壓縮到一般在38至65psia的壓力范圍，然后通過冷卻器26冷卻以除去壓縮熱。此后將加壓的原料空氣27通過凈化器28清除諸如水蒸氣和二氧化碳待高沸點雜質(zhì)，這樣處理后的原料空氣流1通過和在主熱交換器70的返回流體間接熱交換而冷卻。一般占總原料空氣百分之十到二十五的小部分(原料空氣)2通過渦輪驟冷器80，渦輪膨脹而產(chǎn)生致冷并通過熱交換器71進一步冷卻，然后送到低壓塔200中。
一般含百分之七十五至九十原料空氣的部分3通過一般位于副塔300下部的底部再沸器350。在底部再沸器350內(nèi)，經(jīng)壓縮的原料空氣至少部分地被冷凝，此后這樣得到的原料空氣流29通過閥50送到高壓塔100中。
高壓塔100是雙塔的第一塔或高壓塔，雙塔也包括第二塔或低壓塔200。高壓塔100的操作壓力一般在30到60psia的范圍內(nèi)。在高壓塔100內(nèi)，原料空氣通過低溫精餾而分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽流4通到主冷凝器250中通過和低壓塔200底液間接熱交換而冷凝。得到的富氮液31被分成液流6和5。液流6作為回流通到塔100中，液流5通過熱交換器72冷凍并作為回流通過閥52通到塔200中。富氧液體作為液流7從塔100的下部導(dǎo)出并經(jīng)熱交換器73冷卻，然后通過閥51送到塔200中。塔200的操作壓力低于塔100，一般在16到25psia的范圍內(nèi)。主冷凝器250可以是常規(guī)的熱虹吸裝置，或可以是單程液體流裝置，也可以是下流液體流裝置。
在低壓塔200內(nèi)，進入該塔的各種原料通過低溫精餾分離成富氮蒸汽和粗制液態(tài)氧。富氮蒸汽作為氣流8從塔200的上部導(dǎo)出，通過熱交換器72、73和70加溫，然后作為氣流33從系統(tǒng)中排出，它可作為廢氣排到大氣中，也可全部或部分回收。氣流33一般含氧氣范圍為0.1—2.5(mol)％而其余的基本上都是氮氣。氧濃度范圍為50-88(mol)％的粗制液氧從第二塔或低壓塔200的下部導(dǎo)出并作為液流10通過副塔300的上部。
副塔的操作壓力與低壓塔200相似，一般在16到25psia的范圍內(nèi)。在副塔300內(nèi)，下行的粗制液態(tài)氧通過逆著上流蒸汽的低溫粗餾而加濃成氧氣制品流體和其它的蒸汽。一般含氧25-65(mol)％含氮30-79(mol)％的其它蒸汽流13從副塔300的上部通到低壓塔200中。
氧濃度超過粗制液態(tài)氧、含量范圍達到70-99(mol)％的氧氣制品流體作為流體在副塔300的下部收集其至少一部分通過和逆行的要冷凝的壓縮原料空氣在底部再沸器350中間接熱交換而氣化，再沸器350可以是常規(guī)的熱虹吸裝置或單程或下流型裝置。這種氣化可為粗制液氧在副塔300內(nèi)的分離產(chǎn)生上流蒸汽。氧氣制品流體可作為氣體和/或液體回收。氧氣制品氣可作為氣流11從副塔300導(dǎo)出、通過熱交換器71和70加溫并作為氧氣制品氣34回收。氧氣制品液可作為液流12通過閥53從副塔300導(dǎo)出并作為氧氣制品液3 5回收。氧氣制品流體的氧氣濃度在77—99(mol)％的范圍內(nèi)。
表1列出了通過計算機進行本發(fā)明的模擬來執(zhí)行圖1所示的實施方案所獲的結(jié)果。在表1中各氣液流的編號與圖1相對應(yīng)。提供本發(fā)明的這個實施例的目的是說明情況而不是對本發(fā)明的范圍作限制。在該實施例中，高壓塔含有20個理論塔板，低壓塔含22個理論塔板，而副塔含8個理論塔板。
表1氣液流 流速 壓力 溫度組成(摩爾百分比)編號 (lb.
mol/hr.) (psia) (°K)N2Ar O21 100 60 289 78 0.920.929.859.4 139 78 0.920.93 90.257.4 95 78 0.920.97 62.255.9 94 68.5 1.230.310 33 18.3 69 13.6 3.48311 21.318.4 92 1.9 3.19512 0.118.4 92 0.5 2.197.413 11.616.3 89 35.2 3.861在該實施例，氧氣回收率是原料空氣中所含氧氣的97％。在該實施例中進行低溫精餾所需的壓頭只有64psia。這比驅(qū)動相應(yīng)的常規(guī)雙塔分離所需的78psia低約18％，因而證明本發(fā)明的實施可獲得良好的效果。
圖2，3和4說明了本發(fā)明的其它優(yōu)選的實施方案。對于普通組件在圖2，3和4中的數(shù)碼相應(yīng)于圖1的數(shù)碼，這些普通組件將不再詳細討論。
現(xiàn)在參照圖2，原料空氣流1的一部分36通過壓縮機37進一步壓縮，通過冷凝器38冷卻壓縮熱并作為氣流30通過主熱交換器70和閥56，在原料空氣流29導(dǎo)入塔100的進口的上方導(dǎo)入高壓塔100中。氧氣制品液流12通過液體泵60提高壓力，加壓后的液流14通過主熱交換器70氣化而制備出升高壓力的低純氧氣制品氣流15。一般所述升高壓力的氧氣制品氣的壓力在30至300psia范圍內(nèi)。依照熱交換器設(shè)計需要，最好與要冷凝的氣流30相逆向的液流14的煮沸在單獨的位于液體泵60和主熱交換器70之間的熱交換器(未畫出)中進行。
在圖3所說明的實施方案中，原料空氣1的一部分20在通過主熱交換器70和底部再沸器350前徑壓縮機39進一步壓縮，而原料空氣流的其余部分32通過主熱交換器70但繞過底部再沸器350而直接通入塔100中。該實施方案可使人們更容易將要通過底部再沸器350的原料空氣全部冷凝，當(dāng)要制備氧氣純度在90—99(mol)％內(nèi)的氧氣制品時這是有利的。
在圖4說明的實施方案中，一部分原料空氣2取自氣流1中主熱交換器70的上游并通過壓縮機90壓縮。壓縮后的氣流通過冷凝器91冷卻以除去壓縮熱并部分地通過主熱交換器70。此后該氣流通過渦輪驟冷器80渦輪膨脹而產(chǎn)生致冷并由此通過熱交換器71進入低壓塔200。渦輪驟冷器80直接和壓縮機90匹配以便讓通過經(jīng)渦輪驟冷器80的加壓的氣體流2的膨脹釋放的能量來驅(qū)動壓縮機90。該實施方案從設(shè)備的觀點出發(fā)是好的，它也可用于制備氧氣純度在90—99(mol)％范圍內(nèi)的氧氣制品。
因此通過本發(fā)明的應(yīng)用，人們可以用雙塔在較低的壓力下有效地制備低純氧氣，而降低常規(guī)的雙塔系統(tǒng)所需的費用。盡管經(jīng)根據(jù)一定的優(yōu)選的實施方案詳細描述了本發(fā)明的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到本權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)還有本發(fā)明的其它實施方案。
權(quán)利要求
1.制備低純氧氣的低溫精餾方法，包括(A)壓縮原料空氣；(B)將壓縮的原料空氣至少部分地冷凝，并將這樣得到的原料空氣送到也包括低壓塔的雙塔的高壓塔中；(C)將含有55-80(mol)％氧氣的粗制液氧從低壓塔輸送到副塔中；(D)通過在副塔內(nèi)的低溫精餾將粗制液氧分離成氧制品流體和其它蒸汽；(E)將其它蒸汽從副塔送到低壓塔中；(F)通過和壓縮的原料空氣間接熱交換得氧制品液至少部分地氣化，并將壓縮的原料空氣進行所述的至少部分的冷凝；和(G)回收含氧氣量超過粗制液態(tài)氧氣作為產(chǎn)品低純氧氣的氧氣制品流體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中氧氣制品流體是以氣體回收的。
3.權(quán)利要求1的方法，其中氧氣制品流體是以液體回收的。
4.權(quán)利要求1的方法，其中氧氣制品流體以液態(tài)從副塔導(dǎo)出、并增壓、在回收前先氣化。
5.權(quán)利要求1的方法，還包括將一部分經(jīng)壓縮的原料空氣渦輪膨脹，并將經(jīng)渦輪膨脹的原料空氣送到低壓塔中。
6.低溫精餾設(shè)備，包括(A)基礎(chǔ)負荷原料空氣壓縮機；(B)具有底部再沸器的副塔；(C)包括第一塔和第二塔的雙塔；(D)將原料空氣從基礎(chǔ)負荷原料空氣壓縮機送到底部再沸器和從底部再沸器送到第一塔的裝置；(E)將流體從第二塔的下部送到副塔的裝置；(F)將流體從副塔送到第二塔的裝置；和(G)從副塔回收制品的裝置。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中從副塔回收制品的裝置包括液體泵。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括渦輪驟冷器、將原料空氣送到渦輪驟冷器的裝置、和將原料空氣從渦輪驟冷器送到第二塔的裝置。
9.權(quán)利要求8的設(shè)備，還包括直接與渦輪驟冷器直接匹配的壓縮機，其中將原料空氣送到渦輪驟冷器的裝置包括從所述的直接匹配的壓縮機到渦輪驟冷器的導(dǎo)管裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備低純氧氣的使用雙塔和輔助的副塔的低溫精餾系統(tǒng)，其中副塔通過要冷凝的壓縮原料空氣驅(qū)動，從而可使系統(tǒng)在較低壓頭下運行，因而降低了操作費用。
文檔編號F25J3/04GK1126305SQ9510255
公開日1996年7月10日 申請日期1995年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月4日
發(fā)明者H·張 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司