專利名稱：液體流蒸發(fā)的工藝過程和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體蒸發(fā)的工藝過程和設(shè)備。更具體地說，它是適用于液體蒸發(fā)的一種工藝過程，是通過低溫蒸餾分離氣體混合物的過程的一部分，例如空氣蒸餾過程。
通過與一種氣體流進(jìn)行潛熱交換(氣體流因此而冷凝)來蒸發(fā)一種液體流是我們經(jīng)常所需要做的。本發(fā)明涉及到的情況是兩種流體至少由兩種組份組成。如果所用的液體流比氣體流含有較高的揮發(fā)性差的組份，那么溫度T下的氣體流的冷凝壓力將會比溫度(T－△T)下的液體流的蒸發(fā)壓力高。
例如，如果不純凈的液氧(95％氧，5％氮)流在5×105Pa的壓力下，在與冷凝空氣流反向流動過程中被蒸發(fā)，那么13×105Pa的空氣壓力是完全確定的，因為空氣具有固定的組成(21％的氧和79％的氮)。這里空氣被看作雙組份混合物，以便于比較。
同理，如果空氣壓力保持不變還是13×105Pa，那么純氮流將在低于14×105Pa數(shù)量級的壓力下蒸發(fā)。
在很多情況下，人們希望降低被冷凝的空氣流壓力或者升高被蒸發(fā)的液體流的壓力，但是壓力的最小值或最大值是由流體本身的組成所決定的。例如在空氣蒸餾過程中，人們希望能盡可能地降低原料空氣的壓力。
總之，本發(fā)明的主體在于通過與要冷凝的氣體流進(jìn)行熱交換蒸發(fā)液體流的工藝過程，兩種流體至少由兩種組份組成，并有以下特征i)在與氣體流進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)蒸發(fā)之后，液體流富集揮發(fā)性差的組份；和/或ii)在與液體流進(jìn)行熱交換而冷凝之前，氣體流富集揮發(fā)性差的組份。
根據(jù)本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點-揮發(fā)性較差的組份是氧，另一種揮發(fā)性較強(qiáng)的組份為氮；-通過將其輸送到一種混合塔的容腔內(nèi)氣體流和/或被蒸發(fā)的液體流來富集揮發(fā)性差的組份，這種混合塔從頂部注入了一種比被富集的混合物含較多揮發(fā)性差的組份的液體。
-氣體流在混合塔容腔內(nèi)的一個交換器中冷凝。
本發(fā)明的另一主體涉及到通過與氣體流熱交換進(jìn)行液體流蒸發(fā)的一種設(shè)備，兩種流體至少由兩種組份組成，含有能使氣體流和液體流之間進(jìn)行熱交換的裝置，其特征為含有一個可富集揮發(fā)差的組份的裝置i)被蒸發(fā)的液體流流向進(jìn)行熱交換的裝置的下面；ii)氣體流流向能進(jìn)行熱交換的裝置的上面。
根據(jù)其它特征-這種富集流體(某種組份)的裝置包括一個混合塔，混合塔內(nèi)注入了一種比被富集流體含有較高揮發(fā)性差的組份的液體。
-這種能進(jìn)行熱交換的裝置包含一個位于混合塔容腔內(nèi)的交換器，或者一個位于低壓塔容腔內(nèi)的交換器。
下述工藝過程是同樣可行的，其中通過與氣體流(被冷凝)進(jìn)行熱交換來實現(xiàn)液體流的蒸發(fā)，兩種流體至少由兩種組份組成，液體流比氣體液含有較高的揮發(fā)性差的組份，并具有以下特點i)在與氣體流進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)蒸發(fā)之后，液體流富集揮發(fā)性高的組份；ii)在與液體流進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)蒸發(fā)之前，氣體流富集揮發(fā)性高的組份。
這使得在特殊條件下，可以增加被蒸發(fā)液體流的壓力。
并且人們可以依此設(shè)計工藝過程和設(shè)備，來改變在此種混合物被蒸發(fā)之后和/或被冷凝之前某種混合物中一系列成份的含量。所以，對于一種三元混合物，其中的兩種揮發(fā)性差的組份可以被富集。
本發(fā)明的另一主體涉及通過與氣體流熱交換進(jìn)行液體流蒸發(fā)的設(shè)備，兩種流體至少由兩種組份組成，液體流比氣體流含有較高的揮發(fā)性差的組份，設(shè)備含有可使氣、液體流之間進(jìn)行熱交換的裝置，其特征是含有一種可富集揮發(fā)性差的組份的裝置i)被蒸發(fā)液體流流向進(jìn)行熱交換的裝置下面；ii)氣體流流向進(jìn)行熱交換的裝置上面。
根據(jù)設(shè)備的其它特點-富集流體的裝置包含一種混合塔，此塔中注入了比被富集流體含有更高揮發(fā)性差的組份的液體；-使熱交換成為可能的此種裝置包含一個位于混合塔容腔內(nèi)的交換器，或者一個位于低壓塔容腔內(nèi)的交換器。
本發(fā)明的最后一項主體涉及到通過蒸餾來分離氣體混合物的整套設(shè)備，其中包含上述裝置，并且液體流為分離產(chǎn)品，而氣體流是被分離的氣體混合物。
本發(fā)明對低溫蒸餾特別有用。
參照附圖，下面介紹本發(fā)明的兩個實施例-

圖1是已知技術(shù)中的蒸發(fā)設(shè)備圖；-圖2和圖3分別是根據(jù)本發(fā)明的第一種和第二種選擇形式的蒸發(fā)設(shè)備圖；-圖4和圖6分別是已知技術(shù)中的蒸餾過程裝配圖；-圖5是根據(jù)本發(fā)明第二種選擇方式對圖4進(jìn)行補(bǔ)充完整的本發(fā)明的整體圖解；-圖7是根據(jù)本發(fā)明第一種選擇方式對圖6進(jìn)行補(bǔ)充完整的本發(fā)明的整體圖解。
圖1表示一種熱交換器60，其中液體流A通過與氣體流C進(jìn)行潛熱交換而變?yōu)闅怏w流，而氣體流C則冷凝為液體流D。A和C兩種流體至少由兩種組份組成，并且C比A含有較多的揮發(fā)性高的組份。例如，A可為不純凈的液氧(95％O2，5％N2)，C可以是空氣(79％N2，21％O2)。在這種情況下，如果A在5×105Pa，那么C必須在13×105Pa。
為完成本發(fā)明過程，在圖2所示的第一步工藝過程中，不純凈的液氧(95％O2，5％N2)流A在5×105Pa壓力下在交換器60中繼續(xù)蒸發(fā)。被冷凝的氣相空氣流C的組成通過將其通入一個混合塔62的容腔內(nèi)來改變，此混合塔的頂部有組成為70％O2，30％N2的液流F注入。含有40％O2的頂氣E從塔62中取出，并且在比空氣流C低得多的壓力下冷凝。這樣就使得氣相空氣流C的壓力降為9×105Pa。
本發(fā)明圖2同樣可用于下述情況，即蒸發(fā)是對揮發(fā)性高的組份而言，如14×105Pa下的液氮。此時空氣流不是在13×105Pa下在圖1的交換器60中冷凝，而是將其通入混合塔62，以便在塔頂?shù)玫奖瓤諝庵泻休^多氧的富集氣。
這樣，被冷凝的流體C在冷凝前含有較高的氧含量。
為了完成此發(fā)明，圖3描述了第二種工藝過程，此時被蒸發(fā)的液體組成被改變了。目的是為了獲得組成為95％O2的5×105Pa的不純凈氧氣流B，組成為21％O2，79％N2的9×105Pa的空氣氣流C(空氣被視為雙組份混合物)被冷凝了。
我們選擇一種液體A，它含有比我們想要得到的氣體流B較少的氧，并且在空氣于9巴的冷凝溫度下和5×105Pa壓力下蒸發(fā)。液流A的組成為70％O2，30％N2，在交換器60中蒸發(fā)。蒸發(fā)完畢后，流體E在混合塔62中富集氧，混合塔62中也注入了組成為98％O2和2％N2的液體流F1。具有所希望組成的氣體流B(95％O2和5％N2)將從塔62的塔頂采出。
如此說來，第二種工藝過程所包含的階段有被蒸發(fā)的液流在蒸發(fā)完畢后富集氧，而空氣的冷凝壓力比同樣壓力下蒸發(fā)不純凈氧時所需要的冷凝壓力小。
在傳統(tǒng)的泵送液氧設(shè)備中，如圖4所示，有三股空氣流被送進(jìn)了主交換器，此時主交換器中液氧流在壓力下進(jìn)行蒸發(fā)。第一股氣流1為13×105Pa，此空氣流的剩余物(約70％)被壓縮到5×105Pa，并被一分為二。第二股氣流2經(jīng)過交換器7被輸送到雙蒸餾塔中的中壓塔100。第三股氣流3被升壓機(jī)9加壓到10×105Pa，在葉輪機(jī)11和升壓機(jī)共同作用下冷卻并調(diào)節(jié)其壓到稍高于低壓塔102的壓力，然后經(jīng)過一步過冷階段之后被輸送到低壓塔102中。
只有第一股氣流1由于其較高的壓力在交換器7中會液化，它被一分為二，分別注入低壓塔和中壓塔。
95％不純凈氧產(chǎn)品以液體形式從低壓塔102的容腔內(nèi)采出，并用泵13使其加壓到5×105Pa，然后在交換器7中蒸發(fā)。
為了減小蒸發(fā)氧過程中的空氣流壓力，本發(fā)明圖3適用于一種泵輸液氧設(shè)備，如圖5所示，其組成部份與圖4相同，并具有相同的數(shù)字圖標(biāo)。
大部分壓力數(shù)值是相同的，只有空氣流C的壓力只有9×105Pa。空氣流C不是在經(jīng)過交換器7時進(jìn)行冷凝，而是在混合塔104的冷凝器19中冷凝。含98％氧的不純液氧從低壓塔102的容腔內(nèi)采出，并經(jīng)過泵13加壓后輸送到混合塔104的頂部，而富集液體流從中壓塔100的容腔中采出并輸送到混合塔104的容腔中。含有所需氧純度(95％)的氣流B從混合塔的頂部采出。在交換器19中蒸發(fā)的液相是下面兩種液體的混合物，其一為從中壓塔100中采出的富集液體相，其二是從混合塔容腔塔板采出的80％O2的液相G’。一種非蒸發(fā)的液相G含有76％的O2，并與含55％O2的蒸氣E保持平衡，此液相G從容腔內(nèi)采出并回注到塔中。
圖6表示了泵輸液氧設(shè)備的一種傳統(tǒng)圖，其目的在于一定壓力下從中壓塔100和低壓塔106兩塔中的蒸餾空氣來生產(chǎn)氧。102由兩個蒸發(fā)器/冷凝器組成；中間蒸發(fā)器冷凝從中壓塔來的頂氣(氮氣)并回流到兩塔的頂部。低壓塔106低部的蒸發(fā)器21通過蒸發(fā)液氧來冷凝空氣，從而為此塔的容腔提供熱量。此種情況下中壓塔的壓力決定于蒸發(fā)器21中蒸發(fā)不純氧(95％O2)的空氣流C的冷凝壓力。
液氧從低壓塔的容腔中采集，并經(jīng)過泵13加壓到5×105Pa后輸送到交換器，并在此通過13×105Pa的空氣流的冷凝被蒸發(fā)。
為了減小輸送到中壓塔中的空氣壓力，本發(fā)明的圖2可適用于圖6的泵輸液氧設(shè)備。圖7表示了這種新設(shè)計。
被蒸餾的空氣部分，通常用來提供低壓塔容腔內(nèi)的熱量，如圖2和圖6中的氣流C，在圖7中它卻被輸送到混合塔108中并與富氧液流F接觸，此液流F產(chǎn)生于低壓塔的中部并經(jīng)過泵14加壓。通過與液流F的接觸，空氣流富集氧并產(chǎn)生組成為40％O2，60％N2的流體E，此流體E從塔108中采出并在低壓塔中的容腔蒸發(fā)器21中冷凝。從混合塔流出的液相G，其氧濃度為40％，并與液相D和從中壓塔100中采集的富集液相混合。這些液相被用作低壓塔102的回流液。
這種設(shè)計安排可使空氣壓力降低約20％，對主空氣壓縮機(jī)而言將大大地節(jié)省能源。
本發(fā)明并非僅僅應(yīng)用于通過與被冷凝的雙組份氣體流進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)雙組份液相混合物蒸發(fā)的情況，本發(fā)明同樣適用于單組份液體流的蒸發(fā)，此時的氣體流應(yīng)為包含此液相組份的混合氣體，還可以包含少量比共同組份更易揮發(fā)的另一種氣體。
本發(fā)明同樣可應(yīng)用于其它氣體和其他液體。本發(fā)明還可應(yīng)用于下述情況，即流體B(圖2)和E(圖3)部分蒸發(fā)，而流體D(圖2和圖3)部分冷凝。
權(quán)利要求
1.通過與冷凝氣流(C)進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)液體流(A)蒸發(fā)的工藝過程，其中兩種流體(A，C)至少由兩種組份組成，并具有以下特點i)通過與氣體流(C)進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)蒸發(fā)后，液體流(A)富集揮發(fā)性差的組份。ii)通過與液體流(A)進(jìn)行熱交換而實現(xiàn)冷凝前，氣流(C)富集揮發(fā)性差的組份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的過程，其中揮發(fā)性差的組份是氧，而另一種揮發(fā)性較好的組份為氮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的過程，其中氣流(C)和/或被蒸發(fā)的液流(A)混合物通過把它們輸送到有頂液(F)注入的混合塔(104，108)的容腔內(nèi)而富集揮發(fā)性差的組份，并且頂液(F)比被富集的混合物(A，C)含有較多的揮發(fā)性差的組份。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的過程，其中氣流(C)在位于混合塔容腔中的交換器(19，104)內(nèi)進(jìn)行冷凝。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的過程，其中氣體流(E)富集揮發(fā)性差的組份并在中壓/低壓雙塔系統(tǒng)的低壓塔(102，106)中的容腔蒸發(fā)器(21)中進(jìn)行冷凝，所說的低壓塔包含一個中間蒸發(fā)器，以用來冷凝中壓塔(100)的頂氣-氮氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的過程，其中得到不純凈的氧，并且一種富氧液相被蒸發(fā)，被蒸發(fā)的液相先被輸送到混合塔，并在這里與從雙塔系統(tǒng)的低壓塔容腔內(nèi)采集的、純度比上述不純氣態(tài)氧稍高的液氧相接觸，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)，不純的氧從混合塔的頂部采出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的過程，其中從混合塔容腔中采出的液體被輸送到低壓塔。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的過程，其中從低壓塔容腔中產(chǎn)生的氧與一種蒸氣進(jìn)行熱交換而蒸發(fā)，此蒸汽比空氣含較多的氧，并從混合塔的頂部采出，在此混合塔中，被蒸餾空氣的一部份和從低壓塔中部產(chǎn)生的、含較多氧的液體流相接觸，進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的過程，其中在所說的混合塔容腔中產(chǎn)生的液相和所說的被冷凝的蒸汽都被輸送到低壓塔中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的過程，其中所說的液相部份是產(chǎn)生于中壓塔的富集液相的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的過程，其中所說的液相部份是富集液相和從混合塔的容腔塔板上采集的液相的混合物。
12.通過與氣體流(C)進(jìn)行熱交換而蒸發(fā)液體流(A)的設(shè)備，兩種流體(A，C)至少由兩種組份組成，并且此設(shè)備含有可使氣體流(C)和液體流(A)之間進(jìn)行熱交換的裝置(60，19，21)，其特征為含有富集揮發(fā)性差組份的裝置(62，104，108)i)被蒸發(fā)的液體流(A)流向能進(jìn)行熱交換的裝置(60，19，21)的下部；ii)氣體流(C)流向能進(jìn)行熱交換的裝置(60，21)的上部。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中富集流體(A，C)的裝置(62，104，108)由一個混合塔(104，108)組成，此塔中注入了一種比被富集流體含較多揮發(fā)性差的組份的流體(F，F(xiàn)’)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12和13之一的設(shè)備，其中能進(jìn)行熱交換的裝置包含一個位于混合塔(104)容腔內(nèi)的交換器，或者一個位于低壓塔(102，106)容腔內(nèi)的交換器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14中的設(shè)備，其中低壓塔(102，106)的下部(106)位于中間蒸發(fā)器的下方，而與位于中壓塔上方的上部(102)相分離。
16.用蒸餾法分離氣體混合物的整套設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求13-15之一的一種設(shè)備，其中液體流(A)是一種分離產(chǎn)物，而氣體流(C)是被分離的氣相混合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的整套設(shè)備，其中液體流(A)是空氣的一種或多種組份的加壓流體，而氣體流(C)是空氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及到通過與冷凝氣進(jìn)行熱交換而完成液體蒸發(fā)的工藝過程，在此過程中，被蒸發(fā)液體的壓力降低，并且在蒸發(fā)完成后液體流中富集揮發(fā)性差的組分。根據(jù)本發(fā)明的另一種可選方式，被冷凝的氣體中同樣可以富集揮發(fā)性差的組分。
文檔編號F25J3/04GK1142042SQ9610361
公開日1997年2月5日 申請日期1996年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月15日
發(fā)明者J·P·特蘭尼爾 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發(fā)空氣股份有限公司