專利名稱：生產(chǎn)高壓氧氣的空氣沸騰低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及采用空氣沸騰的低溫精餾工藝，它尤其有助于生產(chǎn)氧氣濃度在70～85摩爾百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的高壓氧氣。
低溫精餾空氣的生產(chǎn)氧氣和氮氣是一個早已制定的工業(yè)方法。通常在雙塔系統(tǒng)中對進料空氣進行分離，其中來自高壓塔的氮氣或頂部蒸汽被用來使低壓塔中的底部液態(tài)氧再沸騰。
對低純度氧氣的需求在不斷增加，例如在玻璃制造業(yè)、煉鋼和能源生產(chǎn)中都要使用低純度氧氣，對于生產(chǎn)低純度(氧氣純度小于98.5摩爾百分?jǐn)?shù))的氧氣來說，必須使在低壓塔的汽提段蒸出的蒸汽和在低壓塔的富集段回流的液體，少于通常雙塔運行所產(chǎn)生的蒸出蒸汽和回流液體。
因此，采用一個低溫精餾系統(tǒng)可以生產(chǎn)大量的低純度氧氣，其中進料空氣在高壓塔的壓力下，被用于使低壓塔底部的液體再沸騰，然后，再進入高壓塔。要使用空氣而不是氮氣來使低壓塔底部液體汽化，這樣作可以降低對進料空氣壓力的要求，并且，或者通過在低壓塔的再沸器中輸入適量的空氣，或者通過使總進料空氣的較大部分被部分冷凝，以使在低壓塔的汽提段只作必要的沸騰。
盡管傳統(tǒng)的空氣沸騰低溫精餾系統(tǒng)能夠有效地生產(chǎn)低純度氧氣，但它在產(chǎn)生液態(tài)氮回流液以供應(yīng)到低壓塔頂部方面的能力卻受到限制。這起因于在高壓塔的運行壓力下，組分較低的相對揮發(fā)性，該高壓塔類似于主空氣進料塔，這是由于產(chǎn)生了大量的液態(tài)空氣。此外，由于產(chǎn)生液態(tài)氮回流液的能力也降低，使得回收的氧量減少，從而增加了能量消耗。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種生產(chǎn)低純度氧氣的低溫精餾系統(tǒng)，其中通過與進料空氣進行間接熱交換，使低壓塔底部的液體再次沸騰。與傳統(tǒng)的空氣沸騰系統(tǒng)的能量需求相比，尤其是在生產(chǎn)的氧氣濃度小于90摩爾數(shù)的情況下，本發(fā)明的系統(tǒng)可在降低能量需求的條件下運行。
經(jīng)常希望在高壓下回收氧氣產(chǎn)品，通?？梢酝ㄟ^使氣體穿過一個壓縮機，而將產(chǎn)品氣體壓縮到高壓力。這種系統(tǒng)有效，但成本高。此外，至今空氣沸騰低溫精餾系統(tǒng)已被大量地用于生產(chǎn)低壓氧氣。
因此，本發(fā)明的另一個目的是提供一種空氣沸騰低溫精餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在無需對氧氣進行壓縮的情況下，高效率生產(chǎn)高壓氧氣。
本專業(yè)技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明的說明書后就會清楚本發(fā)明的上述目的和其它目的，通過實施本發(fā)明可以實現(xiàn)這些目的，本發(fā)明的一方面是一種采用高壓塔和低壓塔的低溫空氣分離方法，其中采用進料空氣使低壓塔底部的液體沸騰，然后將進料空氣通入高壓塔中，并在低壓塔中產(chǎn)生液態(tài)氧，本發(fā)明的改進之處包括(A)對第二部分進料空氣進行渦輪膨脹，以產(chǎn)生冷卻，將渦輪膨脹后的第二部分進料空氣通入高壓塔中；
(B)從低壓塔排出液態(tài)氧，并增加所排出的液態(tài)氧的壓力；(C)通過與第三部分進料空氣進行間接熱交換，使加壓后液態(tài)氧汽化，第三部分進料空氣的壓力高于使低壓塔底部液體沸騰的那部分進料空氣的壓力，從而生成了氧氣和液態(tài)進料空氣；(D)將生成的液態(tài)進料空氣通入至少高壓塔和低壓塔中的一個塔；以及(E)回收生成的氧氣作為高壓氧氣產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一方面是一種低溫精餾裝置，有第一塔和底部帶有再沸器的第二塔，以及將進料氣流輸送到底部再沸器，并從底部再沸器輸送到第一塔中的部件，改進之處包括(A)一個渦輪膨脹機，和將第二部分進料氣流輸送到渦輪膨脹機以及從渦輪膨脹機輸送到第一塔中的部件；(B)從第二塔中排出液體的部件，以及用于對從第二塔排出的液體加壓，以生產(chǎn)高壓液體的部件；(C)一個產(chǎn)品沸騰器，將第三部分進料氣流輸送到產(chǎn)品沸騰器中的部件，以及將上述高壓液體輸送到產(chǎn)品沸騰器中的部件；(D)將液態(tài)進料空氣從產(chǎn)品沸騰器輸送到第一塔和第二塔中的至少一個塔中的部件；以及(E)從產(chǎn)品沸騰器回收氣體產(chǎn)品的部件。
這里所使用的“液態(tài)氧”這一術(shù)語表示氧的濃度的70～98摩爾百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的液體。
這里所使用的“進料空氣”這一術(shù)語表示最初含有氮氣和氧氣的混合物，如空氣。
這里所使用的術(shù)語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”分別代表一種方法和一種裝置，該方法和裝置是使高壓氣體流過一個渦輪機，以降低氣體的壓力和溫度，從而使其冷卻。
這里所使用的“塔”這一術(shù)語表示分餾蒸餾塔或區(qū)，即一個接觸塔或區(qū)，其中液相和蒸汽相逆流接觸，以有效地分離流體混合物，例如，通過使蒸汽相和液相在安裝在塔中一組垂直隔開的塔盤或塔板上的接觸，和/或在填充元件上的接觸，上述填充元件可以是規(guī)則填充和/或不規(guī)則填充元件。對蒸餾塔進一步的論述見由R.H.Perry和C.H.Chilton，McGraw-Hill BookCompany，New York出版的《化學(xué)工程師手冊》第五版，第13章“連續(xù)蒸餾工藝”。
蒸汽和液體的接觸分離過程，取決于組分的蒸汽壓的差別。蒸汽壓高(或揮發(fā)性高或沸點低)的組分趨于在汽相濃縮，而蒸汽壓低(或揮發(fā)性低或沸點高)的組分則趨于在液相濃縮。部分冷凝就是冷卻蒸汽混合物可以用來濃縮汽相中的揮發(fā)性組分(多個揮發(fā)組分)，從而使低揮發(fā)性組分(多個揮發(fā)組分)在液相中濃縮的分離過程。精餾或連續(xù)蒸餾也是一種通過使汽相和液相逆流處理而得到的連續(xù)部分汽化和冷凝結(jié)合起來的分離方法。汽相和液相的逆流接觸是不傳熱的，兩相之間可以是積分接觸或微分接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過程設(shè)備，在稱呼上經(jīng)常是可互換的，如精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是一種精餾方法，該方法至少部分在150°或低于此溫度下進行。
這里所使用的“間接熱交換”這一術(shù)語表示在沒有任何物質(zhì)接觸或流體之間相互混合的情況下，使兩種流體物料進行熱交換。
這里所使用的術(shù)語“頂部冷凝器”表示一種使塔頂蒸汽生成向下流動的液體的熱交換設(shè)備。
這里所使用的術(shù)語“底部再沸器”表示一種使塔底液體生成向上流動的蒸汽的熱交換設(shè)備。


圖1是本發(fā)明一個最佳實施例的簡圖。
圖2是本發(fā)明另一最佳實施例的簡圖。
下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
參照圖1，通常在40～65磅/英寸2的絕對壓力(Psia)的進料空氣1，通過在熱交換器300中與回流物流進行間接熱交換而被冷卻，結(jié)果生成了進料空氣氣流2，它通過穿過熱交換器301而被進一步冷卻。得到的進料空氣氣流3，流入底部再沸器306，在這里它被部分冷凝，同時使低壓塔200底部的液體沸騰，低壓塔200通常在18～25psia的壓力范圍內(nèi)運行。得到的進料空氣以氣流4的形式，從再沸器306的底部進入高壓塔100，該高壓塔100在高于低壓塔200的壓力下運行，壓力范圍通常為30～60psia。
另一輸入的空氣氣流10，在大于氣流1的壓力下，通常在80～1400psia的壓力范圍內(nèi)，由穿過熱交換器300而被冷卻。得到的進料空氣氣流11被分成氣流25和氣流12。氣流25包括第二部分的進料空氣，它由穿過渦輪膨脹器35被渦輪膨脹而產(chǎn)生制冷作用。得到的進料空氣氣流26由穿過熱交換器309而被降溫，再以氣流27進入高壓塔100。
氣流12由穿過熱交換器301而被進一步冷卻，至接近其飽和點，得到的進料空氣氣流14被分成氣流5和氣流15。氣流15由穿過熱交換器305而液化，得到的液化進料空氣6進入塔中，下面還將進行詳細描述。
氣流15包括第三部分的進料空氣，其壓力高于沸騰低壓塔200底部的進料空氣的壓力。氣流15進入產(chǎn)品沸騰器307，在這里它通過與汽化的加壓液態(tài)氧間接進行熱交換而被冷凝，然后進入塔100和塔200中的至少一個中。圖1所表示的實施例是一個最佳實施例，其中生成的液態(tài)進料空氣沿管線16進入低溫冷卻308中，在這里通過與加壓液態(tài)氧進行間接熱交換而被低溫冷卻。低溫冷卻后的液態(tài)進料空氣17，與液流6結(jié)合在一起，形成進料空氣液流18，該液流18由穿過熱交換器304而被進一步低溫冷卻，形成液流19。
液態(tài)進料空氣19的至少一部分22穿過閥40，其壓力被調(diào)節(jié)到高壓塔100的壓力，由此得到的進料氣流23進入高壓塔100內(nèi)。如果需要，可使液態(tài)進料空氣19的一部分20穿過閥50，將其壓力調(diào)節(jié)到低壓塔200的壓力，得到的進料空氣部分21進入低壓塔200中。
在高壓塔100內(nèi)，通過低溫精餾將進料空氣分離成富氮蒸氣和富氧液體。富氮蒸氣70進入頂部的冷凝器302，在那里被冷凝。生成的液體分成回流液46和73。回流液73作為回流進入高壓塔100中?；亓饕?6穿過熱交換器303而被低溫冷卻，得到的液流47穿過閥門48將其壓力調(diào)節(jié)到低壓塔200的壓力，并作為回流液49進入低壓塔200中。如果需要，富氮蒸汽的一部分42可由通過熱交換器301和300而被加熱，并作為高壓氮氣產(chǎn)品而被回收，其純度高達大約99.9摩爾百分?jǐn)?shù)。
富氧液體的液流28的形式穿過熱交換器304，在其中被過冷。得到的液流29穿過閥門37而被減壓，得到的液流30進入冷凝器302，在這里通過與冷凝的富氮蒸汽進行間接的熱交換而被部分汽化。得到的富氧蒸汽和剩余的富氧液分別以氣流32和液流31的形式，分別穿過閥門38和39，并在其中將其壓力減壓到低壓塔200的壓力。然后，分別得到的氣流34和液流33進入低壓塔200內(nèi)。
通過在塔200內(nèi)進行低溫精餾使進入低壓塔200中的各種物料分離，產(chǎn)生氮蒸汽和液態(tài)氧。氮蒸汽以氣流51的形式從塔200中排出，穿過熱交換器303、304、305、301和300而被加熱，如果需要，可作為低壓氮氣產(chǎn)品55回收，其氮氣的純度高達大約99.5摩爾百分?jǐn)?shù)。
以液流58的形式從低壓塔200中排出的液態(tài)氮，例如通過穿過一個液體泵59而被加壓。然后，得到的加壓液氧60在熱交換器308中由對液態(tài)進料空氣低溫冷卻而被加熱，再以液流61的形式進入產(chǎn)品沸騰器307中，在這里通過與加壓的進料空氣進行間接的熱交換而被汽化。在產(chǎn)品沸騰器中產(chǎn)生的氧氣以氣流62的形式穿過熱交換器309、301和300，在這些熱交換器中，它被加熱，作為高壓氧氣產(chǎn)品被回收。通常其壓力在40～800psia范圍內(nèi)，氧氣濃度在70～98摩爾百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。
圖2表示的是本發(fā)明的另一實施例，對一般的部件，圖2中數(shù)字表示的部件與圖1中的部件相同，在此不再詳細地描述。圖2所表示的實施例與圖1所表示的實施例的不同之處首先在于，經(jīng)渦輪膨脹后的進料空氣26在穿過熱交換器309后，不是直接進入高壓塔100，而是與氣流3結(jié)合在一起，形成進料空氣氣流91，該氣流91在進入底部再沸騰306之前，先穿過熱交換器301，然后以氣流4的形式進入高壓塔100中。在圖2所示實施例的實際運行中，高壓進料空氣氣流14，以及氧氣氣流62和氮氣氣流42和51都穿過熱交換器310。
本發(fā)明優(yōu)于傳統(tǒng)的空氣沸騰系統(tǒng)之處在于，在氧氣純度小于90摩爾百分?jǐn)?shù)，尤其是在70～85摩爾百分?jǐn)?shù)的范圍內(nèi)，本發(fā)明能夠高效率地生產(chǎn)氧氣。采用傳統(tǒng)工藝，當(dāng)氧氣純度小于90摩爾百分?jǐn)?shù)時，會出現(xiàn)這種情況，渦輪機前后的壓力比太小，以致于不能產(chǎn)生足夠的致冷的維護工藝的運行。由于本發(fā)明使高壓進料空氣氣流流入渦輪機內(nèi)，所以本發(fā)明解決了這個難題。
盡管參照特定的最佳實施例對本發(fā)明進行了詳細地描述，但本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該知道，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，本發(fā)明還會有其他的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種采用一個高壓塔和一個低壓塔的低溫空氣分離方法，其中使用進料空氣使低壓塔底部的液體沸騰，然后再將其通入高壓塔中，并在低壓塔中生成了液態(tài)氧，本發(fā)明的改進包括(A)使第二部分進料空氣渦輪膨脹，以使其冷卻，并將渦輪膨脹后的第二部分進料空氣通入高壓塔中；(B)從低壓塔排出液態(tài)氧，并增大所排出的液態(tài)氧的壓力；(C)通過與第三部分進料空氣進行間接熱交換，使加壓后的液態(tài)氧汽化，第三部分進料空氣的壓力高于那部分使低壓塔底部的液體沸騰的進料空氣的壓力，從而產(chǎn)生了氧氣和液態(tài)進料空氣；(D)將生成的液態(tài)進料空氣通入高壓塔和低壓塔中的至少一個塔；以及(E)回收生成的氧氣作為高壓氧氣產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在進入高壓塔之前采用渦輪膨脹后的第二部分進料空氣使低壓塔底的液體沸騰。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將生成的液態(tài)進料空氣既通入高壓塔，又通入低壓塔。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于包括在高壓塔和低壓塔中的每一個塔中都產(chǎn)生氮氣蒸汽，從高壓塔和低壓塔中至少一個塔中回收氮氣蒸汽，作為氮氣產(chǎn)品。
5.一種低溫精餾裝置，包括第一塔和帶有底部再沸器的第二塔，將進料氣流輸送到底部再沸器并從底部再沸器輸送到第一塔的部件，改進之處包括(A)一個渦輪膨脹機，和將第二部分進料氣流輸送到渦輪膨脹機以及從渦輪膨脹機輸送到第一塔中的部件；(B)從第二塔中排出液體的部件，以及用于給從第二塔排出的液體加壓，以生產(chǎn)高壓液體的部件；(C)一個產(chǎn)品沸騰器，將第三部分進料氣流輸送到產(chǎn)品沸騰器中的部件，以及將上述高壓液體輸送到產(chǎn)品沸騰器中的部件；(D)將液態(tài)進料空氣從產(chǎn)品沸騰器輸送到第一塔和第二塔中的至少一個塔中的部件，以及(E)從產(chǎn)品沸騰器回收氣體產(chǎn)品的部件。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于將第二部分進料氣流從渦輪膨脹機輸送到第一塔的部件包括一個底部再沸器。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，包括將液態(tài)進料從產(chǎn)品沸騰器既輸送到第一塔又輸送到第二塔中的部件。
全文摘要
一種空氣沸騰低溫精餾系統(tǒng)，其中附加的進料空氣氣流被用來使加壓的液態(tài)氧汽化，并通過渦輪膨脹，在進入塔系統(tǒng)之前使其冷卻。
文檔編號F25J3/04GK1116293SQ9510547
公開日1996年2月7日 申請日期1995年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月10日
發(fā)明者G·A·包林諾, R·F·德尼維希 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司