專利名稱：分段進料空氣冷凝的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及低溫精餾，更具體地說，涉及低純氧的生產(chǎn)。
低溫精餾空氣以生產(chǎn)氧和氮是已經(jīng)很成熟的工業(yè)方法。一般進料空氣在雙塔系統(tǒng)中得到分離，其中來自高壓塔的氮架(nitrogen shelf)或頂部蒸汽用來再沸低壓塔中的氧底部液體。
在諸如玻璃制造、煉鋼和能源生產(chǎn)的應用中對低純氧的需求不斷增加。對于生產(chǎn)氧的純度不高于97％(摩爾)的低純氧而言，需要比一般通過雙塔操作產(chǎn)生較少的低壓塔汽提段的蒸汽蒸出以及在低壓塔的富集段中較少的液體回流。
因此，一般通過低溫精餾系統(tǒng)來大量生產(chǎn)低純氧，其中，處于高壓塔壓力的進料空氣用來再沸低壓塔底部液體，然后送入高壓塔中。使用空氣代替氮氣來蒸發(fā)低壓塔底部降低了對空氣進料壓力的要求，并且使得通過將空氣的適宜部分送入低壓塔再沸器或?qū)⒖傔M料空氣的較多部分冷凝來產(chǎn)生低壓塔汽提段上只有所需的蒸出。
雖然常規(guī)空氣沸騰低溫精餾系統(tǒng)經(jīng)已有效地用于低純氧的生產(chǎn)，但其產(chǎn)生回流以供給低壓塔頂部的能力是有限的。這是由于進料空氣的部分冷凝減少了高壓塔用以產(chǎn)生氮回流適合的蒸汽。由于產(chǎn)生回流的能力降低而導致氧回收率的減少，因此消耗更多的動力。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供用于生產(chǎn)低純氧的低溫精餾系統(tǒng)，它使用雙塔設備，并可比常規(guī)系統(tǒng)在降低的動力要求下操作。
本領域技術人員在閱讀本發(fā)明所實現(xiàn)的公開后，上述及其它目標將顯而易見。其一方面的內(nèi)容是一種通過在具有高壓塔和低壓塔的雙塔中進料空氣的低溫精餾來生產(chǎn)低純氧的方法，包括(A)將進料空氣的第一部分送入高壓塔中，并通過低溫精餾將該第一進料空氣部分分離成富氧和富氮液；(B)將來自高壓塔的富氧和富氮液送入低壓塔中；(C)通過與低壓塔內(nèi)液體進行間接熱交換而部分地冷凝進料空氣的第二部分以產(chǎn)生第一液體空氣部分和第一蒸汽空氣部分；(D)通過與低壓塔內(nèi)液體在步驟(C)進行的位置上方進行間接熱交換而至少部分地冷凝第一蒸汽空氣部分以產(chǎn)生第二液體空氣部分；(E)將第一液體空氣部分和第二液體空氣部分各自在步驟(C)進行的位置上方送入低壓塔中；(F)通過低溫精餾將送入低壓塔內(nèi)的液體分離成富氮液和富氧液；和(G)將富氧液作為產(chǎn)品低純氧回收。
本發(fā)明的另一方面的內(nèi)容是生產(chǎn)低純氧的設備，包括(A)具有第一塔和第二塔的雙塔；(B)將進料空氣的第一部分送入第一塔中的裝置；(C)將來自第一塔的液體送入第二塔中的裝置；(D)在第二塔內(nèi)的第一換熱器以及將進料空氣的第二部分送入第一換熱器中的裝置；(E)在第二塔內(nèi)位于第一換熱器上方的第二換熱器，以及將來自第一換熱器的蒸汽送入第二換熱器中的裝置；(F)將來自第一換熱器的液體和來自第二換熱器的液體各自在第一換熱器上方送入第二塔中的裝置；和(G)將來自第二塔的產(chǎn)品低純氧回收的裝置。
此處所用的術語“低純氧”指氧濃度不超過97％(摩爾)的液體。
此處所用的術語“進料空氣”指主要包括氮氣和氧氣如環(huán)境空氣的混合物。
此處所用的術語“汽輪膨脹”和“汽輪驟冷器”分別指用于高壓氣體流經(jīng)汽輪機以減少壓力及氣體的溫度因而產(chǎn)生制冷作用的方法和設備。
此處所用的術語“塔”指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或區(qū)，在其中液相和氣相逆流接觸以實現(xiàn)流體混合物的分離，例如通過氣相和液相在塔內(nèi)一系列垂直放置的塔盤或塔板和/或在填料單元(可以是結構填料和/或無規(guī)填料單元)上接觸。對于蒸餾塔的進一步討論，參見《化學工程師手冊》第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，紐約McGraw-Hill Book Company出版，第13章，“連續(xù)蒸餾法”。
氣液接觸分離法依賴于各組分蒸氣壓的差異。高蒸氣壓(或易揮發(fā)或低沸點)組分易于濃縮于氣相而低蒸氣壓(或難揮發(fā)或高沸點)組分易于濃縮于液相，部分冷凝是利用蒸汽混合物的冷卻來濃縮氣相中的揮發(fā)組分從而難揮發(fā)組分在液相中藉以分離的方法。精餾或連續(xù)蒸餾是通過氣液相的逆流處理獲得連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝的分離方法。氣液相的逆流接觸是絕熱的，并可包括相間積分或微分接觸。利用精餾的原理來分離混合物的分離法設備通常可互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分在溫度不超過150°K下進行的精餾方法。
此處所用的術語“間接熱交換”指在流體相互之間沒有任何物理接觸或混合的情況下將兩種液流導入熱交換關系中。
此處所用的術語“塔盤”指接觸段(不必是一平衡段)，也可指其它接觸設備例如分離能力相當于一個塔盤的填料。
此處所用的術語“平衡段”指氣-液接觸段，在其中離開該段的蒸氣和液體達到傳質(zhì)平衡，如具有100％效率的塔盤或一填料單元高度相當于一理論塔板(HETP)。
此處所用的術語“在塔內(nèi)”當涉及熱交換時指在機能上相當于在該塔內(nèi)，即位置在塔內(nèi)或鄰近該塔，液體從該塔出來被送到熱交換裝置中。液體可以全部或部分被蒸發(fā)，產(chǎn)物氣或氣-液混合物返回到塔中。最好液體部分被蒸發(fā)，產(chǎn)物氣-液混合物從與液體自塔中導出的相同高度的位置返回塔中。


圖1是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)一個優(yōu)選實施方案的流程示意圖。
圖2是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)的另一個優(yōu)選實施方案的流程示意圖。
圖3代表在本發(fā)明實踐中優(yōu)選的熱交換設備，其中所定義的塔內(nèi)熱交換在塔體外進行。
本發(fā)明用于近乎消除在雙塔系統(tǒng)的低壓塔的低溫蒸餾中的不可逆性。比起可能的常規(guī)實踐來，它將系統(tǒng)能源需求較大程度地減少。通過在低壓塔中迎著部分再沸塔液體而部分冷凝中間換熱器中的低壓進料空氣流，塔的該段操作線更接近平衡線，因而減少了系統(tǒng)的能源需求。部分冷凝的低壓進料空氣的相分離為低壓塔中第二中間換熱器在較高位置的參與提供了機會。在該第二中間換熱器中，換熱器的分離的蒸汽最好迎著部分再沸塔液體全部冷凝。離開中間換熱器的液體不與蒸發(fā)側進入的液體相混合。在中間換熱器每一段產(chǎn)生的液體被送到塔的合適高度，因此補充了正?？捎玫幕亓?。使用熱交換的第二中間段進一步減少了塔中的不可逆性，因此減少了對系統(tǒng)的能源需求。對系統(tǒng)制冷作用的需求可通過將送入到已被增壓、壓力大于用于中間換熱器部分冷凝所用壓力的設備的空氣的一部分汽輪膨脹來得到滿足。通過增加位于塔中較高位置、以和第一對中間換熱器幾乎相同操作方式的第二對中間換熱器還可進一步減少能源需求。中間換熱器的該第二對用來自初級換熱器的接近飽和的低壓空氣進料。中間換熱器的第一對用接近飽和的、壓力稍微高于第二對的空氣進料。對循環(huán)的制冷作用通過將送入到已被增壓、壓力大于中間換熱器的第一對的設備中的空氣的一部分汽輪膨脹而得到平衡。
本發(fā)明將參照附圖更詳盡地描述?，F(xiàn)參照圖1，進料空氣100通過基礎負荷(base load)壓縮機3 1而被壓縮至一般在20-50磅/平方英寸絕對壓力(psia)的范圍內(nèi)，所得進料空氣流60通過凈化器50而被清除高沸點雜質(zhì)如水蒸汽和二化碳。已得到凈化并被壓縮的進料空氣61的部分63一般含大約20-50％的進料空氣100，從該進料空氣中導出用于中間換熱器，這將在后面更詳加描述。剩下的進料空氣流62通過增壓壓縮機32而被壓縮至壓力在40-100psia的范圍內(nèi)，所得進料空氣流79被送入主換熱器1中，在其中它通過與返回流進行間接熱交換而被冷卻。
一般含大約5-15％進料空氣的進料空氣流79的部分80在部分橫過主換熱器1后導出，通過汽輪驟冷器30而被汽輪膨脹以產(chǎn)生致冷作用，并作為流81送入低壓塔11中。最好含有進料空氣的主要部分并一般含大約35-75％進料空氣100的剩下進料空氣流64從主換熱器1出來，送入產(chǎn)品鍋爐23，在此它通過與沸騰的產(chǎn)品氧進行間接熱交換而至少部分得到冷凝。所得進料空氣流65作為第一進料空氣部分送入第一或高壓塔10中。
第一塔10是雙塔系統(tǒng)(也包括第二或低壓塔11)的高壓塔。高壓塔10在40-100psia的壓力范圍內(nèi)操作。在高壓塔10內(nèi)第一進料空氣部分通過低溫精餾分離為富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽作為流82從塔10中導出并送入主冷凝器20，在此處它通過與沸騰的低壓塔底液體進行間接熱交換而被冷凝。所得富氮液體83被分成作為回流返回高壓塔10的流84和通過換熱器101而被冷卻并作為回流通過閥87進入低壓塔11的流85。富氧液作為流71從高壓塔10中導出，通過換熱器102而被冷卻并經(jīng)閥73進入低壓塔11中。在示于圖1的實施方案中，流71與來自第一交換的流68匯合，而該匯合流75被送入低壓塔。第二或低壓塔11在壓力小于高壓塔10的條件下操作，其壓力在15-30psia的范圍內(nèi)。
進料空氣流63通過主換熱器1與返回流進行間接熱交換而被冷卻。所得冷卻的低壓進料空氣流66作為第二進料空氣部分送入第一中間換熱器21中，所述中間換熱器21位于低壓塔11內(nèi)一般在底部再沸器20熱交換的大約2-15個平衡級上方。在第一中間換熱器21中，第二進料空氣部分66通過與蒸發(fā)著的、最好是部分蒸發(fā)著的沿塔11流下的液體進行間接換熱交換而被部分冷凝，藉以為塔11產(chǎn)生上向流蒸汽和在來自中間換熱器21進入相分離器40的兩相流67中生成第一液體空氣部分和第一蒸汽空氣部分。
氮氣濃度超過流66的第一蒸汽空氣部分99從相分離器40中出來進入第二中間換熱器22中，該第二中間換熱器22位于低壓塔11內(nèi)第一中間換熱器21上方一般大約1-10個平衡級的位置。在第二中間換熱器22內(nèi)，第一蒸汽空氣部分99通過與蒸發(fā)著的、最好是部分蒸發(fā)著的沿塔11流下的液體進行間接熱交換而至少部分最好是全部被冷凝，藉以為塔11產(chǎn)生附加的上向流蒸汽并生成第一液體空氣部分。
氧氣濃度超過流66的第一液體空氣部分68從相分離器40中出來，經(jīng)閥69在第二中間換熱器22上方一般在10個平衡級的位置或其上進入低壓塔11。如先前提及的，圖1示意了流68與流71匯合形成流75然后進入塔11的一個實施方案。氮氣濃度超過流66的第二液體空氣部分76從第二中間換熱器22中出來，經(jīng)閥77在第二中間換熱器22一般5-20個平衡級的上方進入低壓塔11中。第一和第二液體空氣部分起著提供附加的回流液體進入低壓塔11以提高塔內(nèi)的低溫分離的作用。
在第二或低壓塔11中進入該塔的各流體通過低溫精餾被分離成富氮流體和富氧流體。富氮流體作為蒸氣流89從塔11中導出，經(jīng)過換熱器101、102和1時被加熱并作為可以作氮氣產(chǎn)品全部或部分回收的氮氣流1離開系統(tǒng)。富氧流體從塔11中導出，并作為產(chǎn)品低純氧全部或部分回收。在示于圖1的實施方案中，富氧流體作為液體流92從塔11中導出，液流92進入產(chǎn)品鍋爐23在其中通過與冷凝第一進料空氣部分64進行間接熱交換而得到蒸發(fā)。所得富氧蒸氣流93經(jīng)過主換熱器1時被加熱，并作為產(chǎn)品低純氧流94被回收。如需要，流92的部分可以作為產(chǎn)品低純液氧直接回收。
圖2示意了本發(fā)明在低壓塔內(nèi)使用第二對中間換熱器的另一個實施方案。圖2對普通單元的數(shù)字相對應于圖1的數(shù)字，而且這些普通單元不再詳細加以描述。
現(xiàn)參照圖2，一般含大約5-20％進料空氣100的進料空氣流61的第三部分103從流61中抽取出來在第二對中間換熱器中加以處理。然后在如示于圖1的實施方案所述進行處理前通過壓縮機33被壓縮至較高的壓力。進料空氣流103通過主換熱器1時被加熱，所得流104在位于低壓塔11內(nèi)第二中間換熱器22上方一般約1-10個平衡級的位置的第三中間換熱器24中得到部分冷凝。在第三中間換熱器24內(nèi)，進料空氣流104通過與蒸發(fā)著的、最好是部分蒸發(fā)著的沿塔11流下的液體進行間接熱交換而部分得到冷凝，藉以為塔11產(chǎn)生上向流蒸汽并生成第三液體空氣部分和在兩相流105中從第三中間換熱器24出來進入相分離器41的另一蒸汽空氣部分。氮氣濃度超過流103的另一蒸汽空氣部分106從相分離器41中出來進入低壓塔11內(nèi)第三中間換熱器24上方一般約1-10個平衡級位置的第四中間換熱器25。在第四中間換熱器25中，另一蒸汽空氣部分106通過與蒸發(fā)著的沿塔11流下的液體進行間接熱交換而至少部分、最好是全部被冷凝。
氧氣濃度超過流103的第三液體空氣部分107經(jīng)閥108并與流68匯合形成流109，然后與流71匯合形成流75并按如上所述處理。氮氣濃度超過流103的第四流體空氣部分110從第四中間換熱器25中出來，經(jīng)閥111并與如上述處理的流77匯合。
雖然圖1和2示意的與換熱器21、22、24和25相關的熱交換位置在塔體內(nèi)發(fā)生，但這僅是為了簡化本發(fā)明方法的說明。在許多情況下可以預料一個或多個這種換熱器將在位置上處于塔體內(nèi)，即在功能上相當于在塔內(nèi)。圖3示意了一種這樣功能上相當于位于塔內(nèi)的換熱器的廣義形式的設備。
現(xiàn)參照圖3，塔200內(nèi)下行液體被收集并作為流204從塔中導出。用于液體回收和導出的裝置對于蒸餾設備設計領域的技術人員來說是公知的。液流204導入換熱器201(可以是黃銅鋁質(zhì)換熱器)內(nèi)。當液體204橫過換熱器201時，通過與至少部分被冷凝的流體202進行間接熱交換而至少部分被蒸發(fā)。流體202代表流入換熱器的蒸汽，如圖1的流66或流99。流202和204在換熱器201內(nèi)以逆流形式流動。部分被蒸發(fā)的液體205從換熱器201中出來，送回塔200中。最好該部分被蒸發(fā)的液體以下述方式返回塔中蒸汽部分206可與塔內(nèi)從液體204原先被導出的位置下方上升的蒸汽209混合。當兩相流被導入進塔內(nèi)的中間位置時，在蒸餾塔設計中常采用這些裝置以完成上述目的。流205的液體部分207從蒸汽部分釋放出來并最好分布給傳質(zhì)單元如緊挨著液體204原先被導出位置的下方的填料或塔盤。所述用于從蒸汽中釋放液體和用于分布液體的裝置常被用于蒸餾塔的設計中。雖然從實用的角度最好使用所有塔中下行液體用于流204，但在一些設計情況下可能會指令僅用部分這種下行液體用于此目的。如已提到的是，流202在換熱器201內(nèi)通過熱交換而至少部分地冷凝。流203的流體被送入塔中。流203相當于例如圖1的流67或流76。
雖然本發(fā)明已參照特定的優(yōu)選實施方案作了詳細的描述，但本領域技術人員將會認可在權利要求書的精神和范圍內(nèi)本發(fā)明的其它實施方案。
權利要求
1.一種通過在具有高壓塔和低壓塔的雙塔中進料空氣的低溫精餾來生產(chǎn)低純氧的方法，包括(A)將進料空氣的第一部分送入高壓塔和通過低溫精餾在高壓塔內(nèi)將該第一進料空氣部分分離成富氧和富氮液；(B)將來自高壓塔的富氧和富氮液送入低壓塔中；(C)通過與低壓塔內(nèi)液體進行間接熱交換來部分地冷凝進料空氣的第二部分以產(chǎn)生第一液體空氣部分和第一蒸汽空氣部分；(D)通過與低壓塔內(nèi)液體在步驟(C)進行的位置上方進行間接熱交換來至少部分地冷凝第一蒸汽空氣部分以產(chǎn)生第二液體空氣部分；(E)將第一液體空氣部分和第二液體空氣部分各自在步驟(C)進行的位置上方送入低壓塔中；(F)通過低溫精餾將進入低壓塔的各種液體分離成富氮液和富氧液；和(G)將富氧液作為產(chǎn)品低純氧回收。
2.權利要求1的方法，還包括(H)通過與低壓塔內(nèi)液體進行間接熱交換來部分地冷凝進料空氣的第三部分以產(chǎn)生第三液體空氣部分和另外的蒸汽空氣部分；(I)通過與低壓塔內(nèi)液體在步驟(H)進行的位置上方進行間接熱交換至少部分地冷凝所述另外的蒸汽空氣部分以產(chǎn)生另外的液體空氣部分；和(J)將第三液體空氣部分和第四液體空氣部分分別在步驟(H)進行的位置上方送入低壓塔中。
3.權利要求1的方法，其中富氧液作為液體從低壓塔中導出，并在回收前通過與進料空氣進行間接熱交換而得到蒸發(fā)。
4.權利要求1的方法，還包括將富氮液作為產(chǎn)品氮回收。
5.生產(chǎn)低純氧的設備，包括(A)具有第一塔和第二塔的雙塔；(B)將進料空氣的第一部分送入第一塔中的裝置；(c)將來自第一塔的液體送入第二塔中的裝置；(D)在第二塔內(nèi)的第一換熱器和將進料空氣的第二部分送入第一換熱器中的裝置；(E)第二塔內(nèi)在第一熱器位置上方的第二換熱器，以及將來自第一換熱器的蒸汽送入第二換熱器中的裝置；(F)將來自第一換熱器的液體和來自第二換熱器的液體各自在第一換熱器上方送入第二塔中的裝置；和(G)將來自第二塔的產(chǎn)品低純氧回收的裝置。
6.權利要求5的設備，還包括第二塔內(nèi)的第三換熱器，將進料空氣的第三部分送入第三換熱器的裝置，第二塔內(nèi)在第三換熱器上方的第四換熱器，將來自第三換熱器的蒸汽送入第四換熱器的裝置，以及將來自第三換熱器的液體和來自第四換熱器的液體各自在第三換熱器上方送入第二塔中的裝置。
7.權利要求5的設備，還包括一產(chǎn)品鍋爐，其中將進料空氣的第一部分送入第一塔中的裝置和將來自第二塔的產(chǎn)品低純氧回收的裝置都包括該產(chǎn)品鍋爐。
8.權利要求5的設備，還包括將來自第二塔的產(chǎn)品氮回收的裝置。
全文摘要
用于生產(chǎn)低純氧的雙塔低溫精餾系統(tǒng)，其中進料空氣的一較少部分在進行精餾前在低壓塔內(nèi)的兩個垂直定位的段上連續(xù)冷凝。
文檔編號F25J3/04GK1164635SQ97104520
公開日1997年11月12日 申請日期1997年3月18日 優(yōu)先權日1996年3月19日
發(fā)明者D·P·博納奎斯特 申請人:普拉塞爾技術有限公司