專利名稱：生產(chǎn)低純氧的高壓高效低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及低溫空氣分離，特別涉及生產(chǎn)低純氧的低溫空氣分離。發(fā)明背景與中等壓力的氮共存的高壓低純氧有許多應用。煤氣化和能源工業(yè)就是這些應用的實例。目前煤的氣化消耗了大量的低純氧。使用低純氧發(fā)電也有很大的潛力。提供高壓下的這些產(chǎn)物的經(jīng)濟來源是非常需要的。
目前提供與中等壓力氮共存的高壓低純氧的工藝是采用常規(guī)的雙塔循環(huán)，并且在低溫分離后壓縮產(chǎn)品氣體。另一種方法是泵送液體產(chǎn)物，隨后進行蒸發(fā)。在某些場合下，使用冷壓縮來提供高壓產(chǎn)物。這些可采用的方法的每一種都導致相當高的動力費用，以及相當高的投資費用。
據(jù)此，本發(fā)明的目的是提供具有高效率和低投資費用的生產(chǎn)低純氧的低溫空氣分離系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供改進的生產(chǎn)高壓低純氧的低溫空氣分離系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個目的是提供改進的生產(chǎn)高壓低純氧的低溫空氣分離系統(tǒng)，該分離系統(tǒng)也能生產(chǎn)高壓氮。發(fā)明概述本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的和其它目的，通過閱讀本文的公開，本領域的技術人員會很清楚這些目的的。本發(fā)明的一個方面是通過原料空氣的精餾，生產(chǎn)低純氧的低溫精餾方法，所述方法采用了一高壓塔和一低壓塔，所述方法包括下述步驟(A)使從所述高壓塔而來的富氮氣流進行渦輪膨脹，以提供冷的富氮氣流；(B)與取自所述低壓塔的蒸發(fā)富氧液流相逆流使所述冷的富氮氣流冷凝為富氮液流；(C)使所述的富氮液流作為回流液送回所述的低壓塔；
(D)使所述的蒸發(fā)氧液流返回所述的低壓塔；和(E)利用所述的渦輪膨脹步驟(a)產(chǎn)生的能量。
本發(fā)明的另一個方面是生產(chǎn)低純氧的低溫精餾設備，包括(A)一高壓塔，一低壓塔，一壓縮機和使原料空氣從壓縮機送到高壓塔的裝置；(B)一渦輪膨脹機和使流體從高壓塔的上部送到渦輪膨脹機的裝置；(C)熱交換器，使流體從渦輪膨脹機送到熱交換器和從熱交換器送到低壓塔的裝置；(D)使流體從低壓塔送到熱交換器和從熱交換器送到低壓塔的裝置；和(E)利用渦輪膨脹機產(chǎn)生的能量來運轉(zhuǎn)壓縮機的裝置。附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一個實施方案生產(chǎn)低純氣體氧系統(tǒng)的流程示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第二個實施方案生產(chǎn)低純氣體氧的系統(tǒng)的流程示意圖，該實施方案進一步可以生產(chǎn)液體氧。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第三個實施方案生產(chǎn)低純氧的系統(tǒng)的流程示意圖，該實施方案能生產(chǎn)液體氧，并能進一步生產(chǎn)低壓氣體氮。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第四個實施方案生產(chǎn)低純氧的系統(tǒng)的流程示意圖，該實施方案能生產(chǎn)液體氧，并能進一步生產(chǎn)低壓氣體氮。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第五個實施方案生產(chǎn)低純氧的系統(tǒng)的流程示意圖，該實施方案使用側塔生產(chǎn)高純液體氧。
附圖的編號對于通用構件是相同的。
給本說明書和權利要求書中所使用的某些術語下定義一開始就是值得做的。
“塔”這一術語其含義是指蒸餾塔或分餾塔或者蒸餾區(qū)或分餾區(qū)，也就是說接觸塔或接觸區(qū)，液相和蒸汽相逆流流動，例如通過蒸汽相和液相在塔內(nèi)固定的一系列垂直間隔的塔盤或塔板上和/或填料上的接觸，以實現(xiàn)液體混合物的分離。為了進一步討論蒸餾塔，請參看紐約.Mc Gyaw-Hill書籍出版公司的R.H.Perry和C.H.Chilton編輯的化學工程師手冊第五版第13節(jié)B.D.Smith等人著的“蒸餾”篇，第13-3頁題名為連續(xù)蒸餾法。使用“雙塔”這一術語來表示一高壓塔的上端與一低壓塔下端有熱交換的雙塔。在1949年牛津大學出版社出版的第七章，工業(yè)空氣分離中Ruheman著的“氣體分離”一文有關于雙塔的進一步討論。
蒸汽和液體接觸分離法取決于蒸汽壓差。蒸餾是分離方法，藉此可以利用液體混合物的加熱來濃縮蒸汽相中的揮發(fā)性組分和液相的難揮發(fā)組分。部分冷凝是分離方法，藉此可以利用蒸汽混合物的冷卻來濃縮蒸汽相的揮發(fā)性組分，和因而可以濃縮液相的難揮發(fā)組分。精餾或稱之為連續(xù)蒸餾也是分離的方法，該方法將蒸汽和液相的逆流處理所獲得的逐級部分蒸發(fā)和冷凝結合起來。蒸汽相和液相的逆流接觸是絕熱的，它包括兩相之間的積分接觸和微分接觸。利用精餾原理來分離混合物的分離法裝置常?？苫Q地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾至少部分地是在150°K或低于150°K的溫度下進行的精餾法。
“低純氧”的含意指的是含有小于或等于98％(摩爾)氧，優(yōu)選地含有約90-98％(摩爾)氧的富氧液體。
本文所使用“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”的術語其含意分別指的是高壓氣流通過渦輪而降低氣體壓力和溫度從而產(chǎn)生致冷作用的方法和設備。
本文所使用“上部”和“下部”的術語其含意分別指的是塔中點以上和以下塔的部分。
本文所使用“間接熱交換”的術語其含意指的是流體間沒有任何物理接觸或混合的兩流體的熱交換關系。
本文所使用當涉及塔時的“頂部”術語其含意指的是塔傳質(zhì)內(nèi)部構件以上的部分，也就是塔盤或填料上方塔的部分。
本文所使用當涉及塔時的“底部”術語其含意指的是塔傳質(zhì)內(nèi)部構件下方的部分，也就是塔盤或填料下方塔的部分。
本文所使用當涉及塔時的“中部”術語其含意指的是底部上方和頂部下方塔的部分。
本文所使用“原料空氣”術語其含意指的是主要包含氧和氮的混合物，例如環(huán)境的空氣。發(fā)明詳述簡單地說，本發(fā)明采用熱一體化的雙塔空氣蒸餾循環(huán)。雙塔在高壓下操作，高壓塔一般在175-195psia之間進行操作，低壓塔一般在60-70psia之間進行操作。用高壓塔的氮來運轉(zhuǎn)渦輪機，以低壓塔液冷凝渦輪機流出物，優(yōu)選地在中等水平，以提供致冷而使雙塔熱一體化。這種系統(tǒng)的動力需求約比常規(guī)的雙塔系統(tǒng)小6％。由于涉及到較高的壓力，該系統(tǒng)能夠使用尺寸減小的工藝設備，這將導致投資費用的節(jié)省。
圖1表示了體現(xiàn)本發(fā)明的雙塔空氣分離系統(tǒng)。利用壓縮機10使原料空氣125加壓到約185psia，該原料空氣已經(jīng)清除了高沸點的雜質(zhì)例如二氧化碳和水蒸汽。壓縮機10的出料12約有一半作為物流16送往初級熱交換器14，在其中冷卻到接近飽和的溫度。初級熱交換器14的流出物流18送往高壓塔20的底部作為該塔的初級進料。
壓縮機10的出料約15％經(jīng)管線22送往增壓壓縮機24，在其中加壓到約222psia，然后送到初級熱交換器14冷卻到接近飽和的溫度。然后作為物流26送到位于高壓塔20底部的再沸器28。在這里原料空氣用部分蒸發(fā)的底部富氧液體完全冷凝。這提供了高壓塔20的上升蒸汽流。
再沸器28的冷凝液作為物流30送到氮過熱器32，在其中冷凝液進行過冷，然后作為物流36送到低壓塔34的中間部位。
送往此工廠的總空氣約有33％經(jīng)物流38送到高壓壓縮機40，在高壓壓縮機中壓力加壓到1300psia。輸出物流42由此送往初級熱交換器14，在初級熱交換器中進行冷卻(因為它首先加熱，然后蒸發(fā)物流44中的逆流產(chǎn)物氧)。高壓空氣流46由初級熱交換器14的冷端排出，在初級熱交換器中冷端物流46通過閥門48節(jié)流到壓力約185psia，然后作為物流50送往高壓塔20。
富氧液流52從高壓塔20的底部送往氮過熱器32，在氮過熱器中液流進行過冷，此后作為物流54送往低壓塔34的中間部位。高壓塔20頂部的富氮蒸汽作為物流56送往低壓塔34中的主冷凝器58。在這里氮用部分沸騰產(chǎn)物液體氧冷凝為液體。所得到的液體氮60進行分流，一部分作為回流液126送往高壓塔20的上部，另一部分作為回流液127送往低壓塔34的上部。
來自高壓塔20頂部的一部分富氮蒸汽流56作為物流62送往渦輪膨脹機64。如果需要的話，物流62在送往渦輪膨脹機64之前可以在初級熱交換器14中進行加熱。在渦輪膨脹機中產(chǎn)生了循環(huán)致冷。此外利用來自渦輪膨脹機64的動力輸出來給例如在增壓壓縮機24中的輸入空氣加壓。利用渦輪膨脹機與壓縮機的間接或直接偶聯(lián)，使渦輪膨脹機64的能量送往一臺或多臺原料空氣壓縮機，或者利用與渦輪膨脹機相連的發(fā)電機的發(fā)電使用發(fā)電機的電來運轉(zhuǎn)一臺或多臺壓縮機。這種操作導致了本發(fā)明實施中可大部分節(jié)能。
利用與來自低壓塔34的部分蒸發(fā)富氧液流70的間接熱交換，渦輪機64的排出物流66在熱交換器68中完全冷凝。然后這種富氧物流作為物流72從熱交換器68送到低壓塔34。物流70優(yōu)選地取自低壓塔34的中間部位，和物料72也在中間部位送入低壓塔34。來自熱交換器68的液氮冷凝液作為物流74而被收集，此后送往氮過熱器32。在過冷后，液氮冷凝液作為回流液76送入低壓塔的上部，優(yōu)選地送入頂部。如圖1所示，物流74優(yōu)選地與物流127合并而形成回流液76。
低壓塔34優(yōu)選在約62psia的壓力下進行操作。低純產(chǎn)物液氧作為物流78從低壓塔底部抽出，和送入泵80，在泵80中它的壓力增至所需要的高壓，此處結合圖1一道說明的特定例子中，所需要的高壓約是1165psia。然后增壓的低純氧液體送往初級熱交換器14的冷端，在熱交換器中蒸發(fā)，加熱到環(huán)境溫度，再作為產(chǎn)物流82加以回收。
氮氣作為物流84從低壓塔頂部取出，送往氮過熱器32，在過熱器中，在送往初級熱交換器14冷端之前，物流84被上述過冷物流加熱。在初級熱交換器14中，氮氣加熱到環(huán)境溫度，并作為高壓氮氣流86供作最終使用。
上述的一體化循環(huán)獲得超過98％的氧的回收率。計算表明該循環(huán)極大地降低了單位功率需求，一般約比帶產(chǎn)品壓縮機的常規(guī)雙塔循環(huán)的單位功率需求低6％。由于比常規(guī)操作壓力要高，本發(fā)明也因較小設備尺寸而降低了基本投資。
正如上述說明所能了解到的，使用高壓塔氮經(jīng)膨脹和被低壓塔富氧液冷凝而產(chǎn)生致冷，就使低壓塔和高壓塔實現(xiàn)熱一體化，從而降低了蒸餾系統(tǒng)的不可逆性。此外，高壓塔在較高壓力下運轉(zhuǎn)不僅有助于這種特征的實現(xiàn)，而且也能夠通過軸旋轉(zhuǎn)做功而由渦輪膨脹機64回收能量。
當需要產(chǎn)生附加的液體時，在圖2所示的高壓物流42上可以安裝兩相渦輪膨脹機。這可以使約2.3％的氧作為液體除去。在這種情況下，圖1例示的節(jié)流閥48被兩相渦輪膨脹機100所代替。所需的高壓空氣數(shù)量的微小減少是由這種循環(huán)效率的改進。液氧產(chǎn)物流102是作為來自低壓塔34底部的物流78的一支流而取出的。液體氧產(chǎn)物的主要部分連續(xù)地送往如前面圖1所示的泵80。所有其它的特點仍舊相同。
圖3表示了生產(chǎn)液氧的另一個可替代的方案。在這種情況下，利用過量氮膨脹機來提供平衡本方法(包括百分之幾的液體)所需要的致冷。氮從初級熱交換器14的中點提取出來用作渦輪膨脹機106的進料104。渦輪膨脹機106的排出物流108送往初級熱交換器14的冷端，在此它作為低壓氣體氮輸出之前被加熱到環(huán)境溫度。節(jié)流閥48代替圖2的兩相渦輪膨脹機100。圖3的所有其它特征仍是相同的。
將圖4所示的兩相渦輪膨脹機100和過量氮渦輪膨脹機106相結合可以進一步增加液體的產(chǎn)量。根據(jù)這種安排，可以使液氧的產(chǎn)量增加到總氧產(chǎn)量的3.5％。這需要過量氮以入口空氣2.3％的流速進行膨脹。
添加一個位于低壓塔34下方的小側塔110，如圖5所示，可以產(chǎn)生高純液氧。來自低壓塔34底部的低純液氧流112送到側塔110的頂部。側塔110頂部的蒸汽作為物流114回到低壓塔34。側塔110中純凈的下落液體富集了氧，并作為高純(約99.5％)的氧流116在側塔110底部取出。利用位于側塔底部的再沸器118來運轉(zhuǎn)側塔110。高壓塔20的蒸汽在再沸器118中冷凝，液體作為液流120返回到高壓塔20。本法其余部分與圖2所示使用兩相渦輪膨脹機100的相同。
應該理解，上述的說明只是本發(fā)明例示性的說明。在不違背本發(fā)明的前提下，本領域的技術人員可以設計出不同的替代方案和改進方案。據(jù)此，本發(fā)明要包括所有這樣的替代，改進和變化，它們都在所附權利要求的范圍之內(nèi)。
權利要求
1．以原料空氣的精餾來生產(chǎn)低純氧的低溫精餾方法，該方法使用一高壓塔和一低壓塔，所述方法包括下列步驟(A)使來自所述高壓塔的富氮氣體流進行渦流膨脹以提供冷卻的富氮氣流；(B)與取自所述低壓塔的蒸發(fā)富氧液流相逆流使所述冷卻的富氮氣流冷凝為富氮液流；(C)使所述的富氮液流作為回流液送回所述的低壓塔；(D)將所述的蒸發(fā)氧液流返回所述的低壓塔；和(E)利用所述的渦輪膨脹步驟(a)產(chǎn)生的能量。
2．權利要求1的方法，其中所述利用步驟是使用所述能量將原料空氣流壓縮至所述高壓塔。
3．權利要求1的方法，還包括在所述渦輪膨脹之前通過與原料空氣的間接熱交換加熱所述富氮氣體。
4．權利要求1的方法，還包括在使作為回流液的所述富氮液體送往所述的低壓塔之前，通過與來自所述低壓塔的氣體氮產(chǎn)物的間接熱交換過冷所述富氮液體。
5．權利要求4的方法，還包括下列步驟使來自所述低壓塔的所述氣體氮產(chǎn)物流的一部分進行膨脹，以提供原料空氣附加的致冷。
6．權利要求1的方法，其中使用初級熱交換器來回收產(chǎn)物氣體的致冷，所述方法還包括下列步驟通過所述的初級熱交換器供給壓縮空氣，以提供冷卻的壓縮的原料空氣；渦輪膨脹所述冷卻的壓縮的原料空氣，以實現(xiàn)其進一步的冷卻，然后將所述的冷卻的壓縮的原料空氣送往所述高壓塔；和回收來自所述低壓塔的富氧液體，和提供一部分富氧液體作為液體產(chǎn)物流出。
7．權利要求6的方法，還包括下列步驟渦輪膨脹一部分來自所述低壓塔的氣體氮產(chǎn)物流，以提供所述壓縮原料空氣的附加致冷。
8．權利要求1的方法，其中采用側塔生產(chǎn)高純氧，所述側塔包括再沸器，所述方法還包括下列步驟將所述來自低壓塔的低純液體氧供給所述的側塔；將所述來自高壓塔的蒸汽供給所述再沸器并使所述蒸汽與存在于所述側塔中的液體氧逆流來冷凝所述的蒸汽，從而濃集所述的低純氧；和回收來自所述側塔的高純氧。
9．生產(chǎn)低純氧的低溫精餾設備，它包括(A)一高壓塔，一低壓塔，一壓縮機和使原料空氣從壓縮機送往高壓塔的裝置；(B)渦輪膨脹機和使液體從高壓塔的上部送往渦輪膨脹機的裝置；(C)熱交換器，將液體從渦輪膨脹機送往熱交換器和從熱交換器送往低壓塔的裝置；(D)將液體從低壓塔送往熱交換器和從熱交換器送往低壓塔的裝置；和(E)利用渦輪膨脹機產(chǎn)生的能量來運轉(zhuǎn)壓縮機的裝置。
10．權利要求9的設備，其中使液體從低壓塔送往熱交換器和從熱交換器送往低壓塔的裝置在中間部位與低壓塔連通。
全文摘要
通過空氣精餾生產(chǎn)低純氧的高效系統(tǒng)使用高壓塔和低壓塔,和包括下列步驟:使來自高壓塔的富氮氣流進行渦輪膨脹,以提供冷卻的富氮氣流;與取自低壓塔的蒸發(fā)富氧液流相逆流使冷卻的富氮氣流冷凝為富氮液體;將富氮液體作為回流液送往低壓塔;使蒸發(fā)的氧液體返回到低壓塔;利用渦輪膨脹步驟產(chǎn)生的能量來壓縮原料空氣。
文檔編號F25J3/04GK1210964SQ9811910
公開日1999年3月17日 申請日期1998年9月8日 優(yōu)先權日1997年9月9日
發(fā)明者D·P·波納奎斯特, S·M·薩坦 申請人:普拉塞爾技術有限公司