專利名稱：制備氮的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從單塔氮發(fā)生器中制備氮的裝置和方法。本發(fā)明特別地涉及通過廢氣膨脹加入制冷作用的裝置和方法。本發(fā)明尤其涉及那些通過附加的空氣膨脹產生液體產品的裝置和方法。
現在已有許多在稱為單塔氮發(fā)生器的單塔中產生氮的方法和裝置。在這些方法中，壓縮空氣然后純化以除去二氧化碳、濕氣和可能危險的烴類。然后將該經壓縮并純化的空氣在一個主熱交換器內冷卻至適于對它進行精餾的溫度，該溫度通常是空氣在特定的壓縮壓力時的露點或者接近該露點溫度。然后將空氣導入至蒸餾塔以產生富氮的塔頂產品和富氧的液態(tài)塔底產品。冷凝該塔頂產品并返回至塔內用于回流。然后可以把塔頂產品的其余部分作為氣態(tài)氮產品，該氣態(tài)氮在主熱交換器中被充分地加熱，從而有助于冷卻進料空氣。也可以將不太純凈的氮作為廢料流通過該主熱交換器。這種廢料流可以用于再生提純器。
在任何的空氣分離設計中，動力消耗是很重要的設計依據。在U.S.4,966,002中，使含有液態(tài)塔底產物的廢料流進行閥膨脹，隨后在塔頂冷凝器中被用作冷卻劑。將廢料流分成兩部分。將廢料流的一部分進行部分加熱，然后膨脹；而將廢料流的其它部分再壓縮，并返回至塔中。該壓縮既可以發(fā)生在主熱交換器的熱端溫度，也可以發(fā)生在主熱交換器的冷端溫度。通過從塔中除去氮含量比塔底產物高的液態(tài)流，可實現效率的增加。然后將這樣的液流也進行閥膨脹，并導入至塔頂冷凝器用作第二冷卻劑以協(xié)助冷凝塔頂產物用作回流。將廢料流部分地加熱，膨脹作功，隨后從該主熱交換器中排出。將用作第二冷卻劑的液流在用作冷卻劑后再壓縮，冷卻返回至它的露點溫度并且再導入至塔內。
在如上所述的裝置中，從塔直接提供足夠的制冷以產生液體是困難的。這是因為多于壓縮循環(huán)流所需要的膨脹功必須作為熱從過程中排出。所以在另一專利中，將氮的液化裝置與該過程結合以產生液體。這種結合的缺點在于增加了提供氮的液化裝置的費用。
如下所述，本發(fā)明提供了一種從單塔氮發(fā)生器產生液態(tài)氮產品的方法，該方法遠比提供一個單獨的氮的液化裝置來得簡單和更加有效。
本發(fā)明提供了一種從空氣中分離出氮的裝置。根據本發(fā)明，安裝了一個蒸餾塔用以蒸餾空氣產生富含氮的塔頂產物和富含氧的液態(tài)塔底產物。塔頂冷凝器連接于蒸餾塔以接收包含塔頂產物的塔頂流和包含塔底液體產物的冷卻劑流。該塔頂冷凝器可用以液化塔頂產物流從而產生用以回流蒸餾塔的回流物流和液體產物。主熱交換器提供有若干通道，這些通道的結構可將經過壓縮和純化的空氣流的第一部分冷卻至適合于它精餾的溫度，并且將經過壓縮和純化的空氣流的第二部分進行部分冷卻。主熱交換器連接于蒸餾塔以使經過壓縮和純化的空氣流的第一部分導入其中。第一和第二膨脹裝置連接于主熱交換器，以便使部分加溫的物流和經過壓縮和純化的空氣流的第二部分分別進行膨脹。至少產生一種致冷劑流作為第一和第二膨脹裝置的產物。所安裝的主熱交換器通道也充分加熱所述的至少一種致冷劑流，從而使液體產物流產生。
本發(fā)明的另一方面涉及一種裝置和方法，其中空氣在蒸餾塔中精餾，由之產生富含氮的塔頂產物和富含氧的液態(tài)塔底產物。將包含塔頂產物的塔頂產物流液化。從而產生用以回流蒸餾塔的回流物流，同時產生液體產物流。經過壓縮和純化的空氣流的第一部分被冷卻至適合于它精餾的溫度。通過使部分加溫的物流和經過壓縮和純化的空氣流的第二部分膨脹作功，產生至少一種冷卻劑流。使經過壓縮和純化的空氣流的第一和第二部分與所述的至少一種冷卻劑流間接交換熱量，從而產生液體產物流。
在本發(fā)明中，通過一個附加的膨脹裝置使部分空氣流膨脹，產生附加的制冷作用。然后將這部分膨脹的空氣流逆流引入至通入主熱交換器的空氣中。所述的部分加溫的物流可以是一股廢氣流，它包含由液體塔底產物汽化而產生的、在蒸餾塔的塔頂冷凝器中用作冷卻劑的部分或全部廢氣。然后將加溫和膨脹后的空氣從設備中排出。較好的是將空氣和廢氮氣充分加溫并從設備中排出。正是這增加的制冷作用使得有可能產生液體產物。容易理解，加入一個膨脹裝置比加入一個氮氣液化器以完成同樣的目的要簡單得多。
應當注意，本說明書和權利要求書中所用的術語“部分加溫”是指加溫至主熱交換器的冷端和熱端之間的溫度。而“充分加溫”是指加溫至主熱交換器的熱端的溫度?！安糠掷鋮s”是指冷卻至主熱交換器的冷端和熱端之間的溫度。
本說明書和后附的權利要求書清楚地指出了申請人認為是其發(fā)明的內容，結合附圖當可更好地理解這些內容，其中

圖1是實施本發(fā)明方法的一種裝置的示意圖；圖2是圖1所述裝置的另一種實施方案的部分示意圖；圖3是圖1所述裝置的再一種實施方案的部分示意圖。
為了便于說明，圖2和圖3中與圖1中相同的部件用相同的參考標號表示。除了在圖2和圖3中具體指明的變化以外，圖中沒有示出的方案的其余部分都與圖1相同。
現結合附圖來說明本發(fā)明的空氣分離裝置1。將經過壓縮的空氣冷卻以除去壓縮熱，并將它純化。純化可以在任一已知的設備中進行，例如具有不同步運行的若干床層的壓力周期變動吸附單元，以除去進料中的濕氣、二氧化碳和烴類。
然后將所得的經壓縮和純化的空氣流10導至具有單元14,16和18的熱交換器復合體12。在空氣部分冷卻后，其中的第一部分20冷卻至適合于其精餾的溫度，而第二部分22以部分冷卻的狀態(tài)從熱交換器復合體12中排出。然后將經過壓縮和純化的第一部分空氣流20導入蒸餾塔24，該蒸餾塔可以具有諸如塔盤、填料之類的既可以是無規(guī)的又可以是有結構的質量傳遞單元，以使上升的空氣的蒸汽相與起始于蒸餾塔24頂部的下降的液相接觸。結果，富含氮的塔頂產物在蒸餾塔24的頂部區(qū)域26內產生。富含氧的塔底產物在蒸餾塔24的底槽區(qū)28產生。
塔頂冷凝器30連接于蒸餾塔以便接收塔頂產物流32。塔頂產物流32在塔頂冷凝器30內液化產生回流物流34，引發(fā)下降的液相在蒸餾塔24內形成，并產生液體產物流36(圖中標示為“LN2”)。
用于塔頂冷凝器30的冷卻劑由第一冷卻劑流38和較好還有的第二冷卻劑流40組成，該第一冷卻劑流38包含富氧的液體塔底產物，第二冷卻劑流40由氮含量比塔底產物高、從蒸餾塔24中排出的液體所組成。該第一冷卻劑流38和第二冷卻劑流40分別在膨脹閥42和44中膨脹，以降低其壓力和溫度。該第一冷卻劑流38和第二冷卻劑流40在塔頂冷凝器30中汽化。
第一冷卻劑流38在汽化以后形成廢物流，該廢物流在熱交換器復合體12中被部分加溫而產生部分加溫的物流45。部分加溫的物流45在膨脹裝置(較好地是汽輪式膨脹機)46中膨脹并產生致冷劑流47。第二冷卻劑流40在汽化以后，在循環(huán)壓縮器48中被再壓縮并冷卻至熱交換器復合體12的露點溫度。然后將所得到的經壓縮的冷卻劑流40循環(huán)返回至蒸餾塔24中。汽輪式膨脹機46可偶合至循環(huán)壓縮器48，以使部分膨脹功在循環(huán)壓縮器中被回收，而部分膨脹功通過各種已知的能耗裝置(如發(fā)電機或制動器)消耗掉。
為了制取液體產物，經壓縮和純化的第二部分空氣流22在汽輪式膨脹器50中進行汽輪膨脹，產生制冷劑流51。致冷劑流51與致冷劑流47合并起來得到致冷劑流52，該致冷劑流52被引入至熱交換器復合體12的冷端，在其中充分加溫。應理解，在主熱交換器復合體12中可為致冷劑流47和51提供分別的通道(雖然這樣做成本較高)。由于存在第二汽輪式膨脹器50以及經壓縮和純化的第二部分空氣流22進行了汽輪膨脹，就可能產生液體并將其以液體產物流36的形式提取。雖然在圖中未示出，汽輪式膨脹器50可偶合于已知的能量消耗裝置。
參看圖2，其中顯示了另一種實施方式，在該實施方式中，第一冷卻劑流38仍在塔頂冷凝器30中汽化，產生廢物流與致冷劑流51合并。然后將所得的合并的物流部分加溫，形成部分加溫的物流45。然后部分加溫的物流45膨脹產生致冷劑流47，該致冷劑流在主熱交換器復合體12中被充分加溫。
進一步參看圖3，其中顯示了本發(fā)明的另一種實施方式，在該實施方式中，第一冷卻劑流38在塔頂冷凝器30中汽化，產生部分加溫的廢物流然后與致冷劑流51合并，形成部分加溫的物流45。部分加溫的物流45膨脹產生致冷劑流47，然后該致冷劑流在主熱交換器復合體中被充分加溫。
在蒸餾塔24的頂部區(qū)域26中也可得到氣體產物流53。氣體產物流53在主熱交換器復合體12中充分加溫，從中以產物氮氣流的形式排出(圖中標示為“PGN”)。
以上參照較佳的實施方式對本發(fā)明作了說明，本領域的技術人員會理解，可以在不背離本發(fā)明的實質和范圍的條件下作各種改變、增加和省略。
權利要求
1．一種從空氣中分離氮的裝置，它包括用以精餾空氣的蒸餾塔，由之產生富含氮的塔頂產物和富含氧的液體塔底產物；連接于所述的蒸餾塔、用以接收包含所述的塔頂產物的塔頂產物流的塔頂冷凝器，該塔頂冷凝器的結構可液化所述的塔頂產物流，從而產生用以回流該蒸餾塔的回流物流以及液體產物流；具有若干通道的主熱交換器，這些通道的結構可將經壓縮和純化的空氣流的第一部分冷卻至適合于精餾的溫度，并使經壓縮和純化的空氣流的第二部分進行部分冷卻；上述主熱交換器連接于所述的蒸餾塔，使所述的經壓縮和純化的空氣流的第一部分引入其中；連接于主熱交換器的第一和第二膨脹裝置，分別用以膨脹部分加溫的物流和用以膨脹所述的經壓縮和純化的空氣流的第二部分，從而產生至少一種致冷劑流作為所述的第一和第二膨脹裝置的產物；上述主熱交換器通道的結構也可接收和充分加溫所述的至少一種致冷劑流，從而引入制冷作用并使得可能產生所述的液體產物流。
2．如權利要求1所述的裝置，其特征還在于所述的塔頂冷凝器還連接于蒸餾塔，使包含所述的液體塔底產物的冷卻劑流在該塔頂冷凝器內汽化，從而形成廢物流；主熱交換器通道的結構還可將所述的廢物流部分加溫，從而產生所述的部分加溫的物流。
3．如權利要求1所述的裝置，其特征還在于所述的塔頂冷凝器還連接于蒸餾塔，使包含所述的液體塔底產物的冷卻劑流在該塔頂冷凝器內汽化，從而形成廢物流；所述的第二膨脹裝置和塔頂冷凝器連接于所述的主熱交換器，使所述的廢物流和所述的經壓縮和純化的空氣流的第二部分在膨脹后合并起來，并在該主熱交換器中部分加溫，形成所述的部分加溫的物流。
4．如權利要求1所述的裝置，其特征還在于所述的塔頂冷凝器還連接于蒸餾塔，使包含所述的液體塔底產物的冷卻劑流在該塔頂冷凝器內汽化，從而形成廢物流；主熱交換器連接于所述的塔頂冷凝器以部分加溫所述的廢物流；和第二膨脹裝置與主熱交換器相連接，使所述的經壓縮和純化的空氣流的第二部分在所述的廢物流中膨脹之后形成所述的部分加溫的物流。
5．如權利要求2、3或4所述的裝置，其特征還在于所述的冷卻劑流包含第一冷卻劑流；所述的塔頂冷凝器還連接于蒸餾塔以接收第二冷卻劑流，該第二冷卻劑流包含所述的經壓縮和純化的空氣流的第一部分的液相，其氮含量高于所述的塔底產物的氮含量；在所述的塔頂冷凝器與蒸餾塔之間插入一個膨脹閥，用以膨脹所述的第二冷卻劑流；有一個循環(huán)壓縮器連接于所述的塔頂冷凝器，用以將所述的第二冷卻劑流再次壓縮至蒸餾塔的塔內壓力；和所述的主熱交換器連接于循環(huán)壓縮器與蒸餾塔之間，以將經再壓縮后的第二冷卻劑流返回至所述的蒸餾塔內，而其所述的熱交換通道的結構也可使所述的第二冷卻劑流冷卻至露點溫度或其附近。
6．如權利要求5所述的裝置，其特征還在于所述的主熱交換器連接于所述的蒸餾塔，主熱交換器的通道的結構也可接收包含所述的塔頂產物的氣流并將該氣流充分加溫，從而形成氣體氮產物流。
7．一種從空氣中分離氮的方法，包括以下步驟在蒸餾塔中精餾空氣，由此產生富含氮的塔頂產物和富含氧的液體塔底產物；在使包含所述的塔頂產物的塔頂產物流液化的同時使廢物流汽化，由之產生用以回流所述的蒸餾塔的回流物流以及液體產物流；將經壓縮和純化的空氣流的第一部分冷卻至適合于精餾的溫度，并使經壓縮和純化的空氣流的第二部分進行部分冷卻；將經壓縮和純化的空氣流的第一部分引入至所述的蒸餾塔；使部分加溫的物流和所述的經壓縮和純化的空氣流的第二部分膨脹作功，產生至少一種致冷劑流；和使所述的經壓縮和純化的空氣的第一和第二部分與所述的致冷劑流之間間接交換熱量，從而引入制冷作用，以產生所述的液體產物流。
8．如權利要求7所述的方法，其特征還在于所述的塔頂產物流是相對于包含所述的液體塔底產物的冷卻劑流的汽化而同時冷凝的，從而使所述的冷卻劑流在汽化后形成廢物流；和將所述的廢物流部分加溫，從而形成所述的部分加溫的物流。
9．如權利要求7所述的方法，其特征還在于所述的塔頂產物流是相對于包含所述的液體塔底產物的冷卻劑流的汽化而同時冷凝的，從而使所述的冷卻劑流在汽化后形成廢物流；和將所述的廢物流和經壓縮和純化的空氣的第二部分在膨脹后合并起來并部分加溫，以形成所述的部分加溫的物流。
10．如權利要求7所述的方法，其特征還在于所述的塔頂產物流是相對于包含所述的液體塔底產物的冷卻劑流的汽化而同時冷凝的，從而使所述的冷卻劑流在汽化后形成廢物流；部分加溫所述的廢物流；和將所述的經壓縮和純化的空氣的第二部分在膨脹后與所述的廢物流合并而形成所述的部分加溫的物流。
11．如權利要求8、9或10所述的方法，其特征還在于所述的冷卻劑流包含第一冷卻劑流；還有第二冷卻劑流與所述的塔頂產物間接交換熱量并汽化，該第二冷卻劑流包含所述的經壓縮和純化的空氣流的第一部分的液相，其氮含量高于所述的塔底產物的氮含量；第二冷卻劑流在與所述的塔頂產物流進行間接熱交換之前先進行膨脹；將所述的第二冷卻劑流再壓縮至所述的蒸餾塔的塔內壓力；將所述的第二冷卻劑流冷卻至露點溫度或其附近，然后引入至所述的蒸餾塔內。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在單塔氮氣發(fā)生器中分離氮氣的裝置和方法，其中通過廢氣的膨脹加入制冷作用。一部分進料空氣流在部分冷卻后進行汽輪膨脹以增加提供的制冷量，從而得以回收液體氮產物。
文檔編號F25J3/02GK1227341SQ9910173
公開日1999年9月1日 申請日期1999年1月26日 優(yōu)先權日1998年1月27日
發(fā)明者K·V·姆克波倫, J·A·古德博迪, C·M·布魯克斯 申請人:波克股份有限公司