專利名稱：帶混合產(chǎn)品蒸發(fā)器的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及含氮、氧混合物如空氣的低溫精餾，且特別適用于通過低溫精餾生產(chǎn)高壓氣體成品。
由于高壓氧氣在能源生產(chǎn)中煤的氣化、氫的生產(chǎn)和煉鋼等部分氧化過程中的廣泛使用，使得高壓氧氣的需求在增加。氮氣也常常用于這些過程中。
市售氧氣的大量生產(chǎn)一般采用空氣的低溫精餾。生產(chǎn)高壓氧氣的一種途徑是將低溫精餾車間生產(chǎn)的成品氧氣壓縮。但這時的成品氧壓縮機(jī)的投資費用和啟動成品氧壓縮機(jī)的運行費用都很高。生產(chǎn)高壓氧氣的另一種途徑是讓低溫精餾車間在高壓條件下運行，使所生產(chǎn)的氧氣有著較高的初始壓力，以降低或消除以后過程中的壓縮要求。不幸的是，在高壓條件下運行低溫精餾車間會降低生產(chǎn)過程的效率。因為組份分離取決于各組份間的相對揮發(fā)性，它將隨壓力增加而降低。特別是在高壓氮氣也是低溫精餾車間的所要產(chǎn)品時，因為從高壓蒸餾塔中除去了作為產(chǎn)品的氮氣，使得可以用作回流液的數(shù)量減少，從而降低了氧的回收。
為了解決這一問題，已經(jīng)開發(fā)了用泵送或者水壓方法壓縮液態(tài)氧，然后使液態(tài)氧邊氣化、邊與空氣流進(jìn)行熱交換，使空氣部分或全部冷凝的空氣分離工藝。這時由于氧氣成品壓力的提高，使得壓縮所需成本明顯降低。
這種系統(tǒng)的一個問題是，空氣分離車間高壓塔的冷凝空氣進(jìn)口在塔底附近。這與空氣作為氣體進(jìn)入高壓塔底相比，冷凝空氣實際上沒有經(jīng)歷任何蒸餾作用。其結(jié)果是不能從液態(tài)空氣中分離出氮，不象所有空氣都作為氣體進(jìn)入高壓塔的情況那樣可以分離出氮并通常把它用作運行高壓塔和低壓塔時的液態(tài)氮回流液。由于高壓塔的回流比例是固定的，取決于從塔頂收回的回流液純度和塔中現(xiàn)有的平衡級數(shù)，在操作塔的上部時產(chǎn)生的回流液比較少，致使產(chǎn)品減少。
來自塔系統(tǒng)的氮氣可以代替進(jìn)料空氣用于氣化液態(tài)氧。然而這種安排常常導(dǎo)致所產(chǎn)生的回流液多個塔系統(tǒng)運行所需要的量，因而浪費了能源。再者，如果氮氣取自低壓塔，則為了得到具有產(chǎn)品蒸發(fā)所需壓力的氮氣，將導(dǎo)致相當(dāng)高的能源和投資費用。
為此，本發(fā)明的目的是提供一種低溫精餾系統(tǒng)，使得生產(chǎn)成品氣體的效率，要比傳統(tǒng)體系所能達(dá)到的結(jié)果有所提高，特別是在提高成本壓力的場合。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種低溫精餾系統(tǒng)，其中所產(chǎn)生的回流液數(shù)量是可以調(diào)節(jié)至系統(tǒng)性能最優(yōu)化，從而使生產(chǎn)氣體的效率有所改進(jìn)。
對于讀過本材料的本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說本發(fā)明顯然能夠達(dá)到以上目的和其他一些目的。其一方面是一種使用包括第一塔和第二塔的塔系統(tǒng)，使進(jìn)料空氣經(jīng)低溫精餾生產(chǎn)氧氣的方法，它包括(A)將進(jìn)料空氣經(jīng)過渡冷卻后通入第一塔中，使之在60～450磅/平方英寸的絕對壓力范圍內(nèi)運行;
(B)通過低溫精餾將第一塔中的進(jìn)料空氣分離成富氮蒸氣和富氧液體;
(C)將富氧液體通入第二塔中并在低于第一塔的壓力條件下運行;
(D)將富氮蒸氣經(jīng)過渡冷卻后，將至少部分生成的富氮流體通入第一塔頂部;
(E)利用低溫精餾將通入第二塔的流體分離成為富氮蒸氣和富氧液體;
(F)將富氧液體和隨后經(jīng)過渡溫?zé)峒訅旱母谎跻后w加壓，通過與進(jìn)料空氣和富氮蒸氣間接熱交換，以實現(xiàn)步驟(A)和(D)中的過渡冷卻并產(chǎn)生氧氣;
(G)回收氧氣作為產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一方面是一種用低溫精餾分離進(jìn)料空氣的裝置，包括(A)包括第一塔和第二塔的塔系統(tǒng);
(B)產(chǎn)品蒸發(fā)器，將進(jìn)料空氣通入產(chǎn)品蒸發(fā)器以及從產(chǎn)品蒸發(fā)器通入第一塔的設(shè)備;
(C)將流體從第一塔通入產(chǎn)品蒸發(fā)器以及從產(chǎn)品蒸發(fā)器通入第一塔頂部的設(shè)備;
(D)從第二塔回收流體的設(shè)備和回收流體的加壓設(shè)備;
(E)將上面所說的加壓流體通入產(chǎn)品蒸發(fā)器的設(shè)備;以及(F)從產(chǎn)品蒸發(fā)器回收氣體成品的設(shè)備。
這里所說的“進(jìn)料空氣”，指主要含氮和氧的混合物，例如空氣。
這里所說的“壓縮機(jī)”，指增加氣體壓力的裝置。
這里所說的“膨脹機(jī)”，指用于壓縮氣體因減壓膨脹做功的裝置。
這里所說的“塔”，指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即液相和氣相在其中逆流接觸以便有效分離流體混合物的接觸塔或區(qū)，例如，在塔內(nèi)一系列垂直間隔安裝的塔盤或塔板上，和/或在可以是結(jié)構(gòu)填充的元件和/或自由填充元件上，蒸汽和液相的接觸。對蒸餾塔的進(jìn)一步討論，可參閱R.H.Perry和C.H.Chilton主編的《化學(xué)工程師手冊》(第5版，McGraw-Hill Book Company，New York)第13章，“連續(xù)蒸餾過程”，術(shù)語“雙塔”指其上端與低壓塔的下端有換熱關(guān)系的高壓塔。對雙塔的進(jìn)一步討論，可參閱Ruheman的《氣體分離》(Qxford University Press，1949)第7章，“市售空氣分離”。
氣液接觸分離過程取決于各組份的蒸汽壓的差別。高蒸氣壓(或高揮發(fā)性、低沸點)組份趨向于在氣相中濃集，而低蒸氣壓(或低揮發(fā)性、高沸點)組份將趨向于在液相中濃集，部分冷凝是依靠氣相混合物的冷卻來使揮發(fā)性高的組份在氣相中濃集，因而揮發(fā)性差的組份在液相中濃集的分離過程。精餾，或者連續(xù)蒸餾，是指利用氣相和液相的逆流處理，將部分汽化和部分冷凝相繼地結(jié)合在一起的分離過程。氣相和液相的逆流接觸是在絕熱條件下進(jìn)行的，且包括了兩相之間的整體接觸和微分接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過程的裝置常?？苫Q名稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾要求精餾過程至少有一部分在絕對溫度150°K或其以下運行。
這里所說的“間接熱交換”，是指兩種液體彼此沒有任何物理接觸或混合而實現(xiàn)的熱交換。
這里所說的“氬塔”，是指處理含氬物料且得到的產(chǎn)品氬濃度高于料液氬濃度的塔，它還可以包括一個熱交換器或者在塔上部的上方冷凝器。
這里所說的“液氧”，是指氧濃度至少是90%摩爾百分?jǐn)?shù)的液體。
這里所說的“液氮”，是指氮濃度至少是99%摩爾百分?jǐn)?shù)的液體。
這里所說的“過渡溫?zé)帷?，是指溫?zé)崃黧w致使其中的液態(tài)汽化成氣態(tài)，或者是在高于其臨界壓力的條件下流體的溫?zé)帷?br> 這里所說的“過渡冷卻”，是指冷卻流體致使其中的氣態(tài)冷凝成液態(tài)，或者是在高于其臨界壓力的條件下流體的冷卻。
這里所說的“塔系統(tǒng)”，是指進(jìn)料空氣在其中經(jīng)低溫精餾而分離的設(shè)施，它至少包括一個塔和一些輔助聯(lián)接設(shè)備如泵、管道、閥門和熱交換器。
這里所說的“低溫冷卻”，是指冷卻到氣液平衡溫度以下。
這里所說的“上部”和“下部”，是分別指塔的中點以上和以下部分。
唯一草圖是專門推薦用于將本發(fā)明中的低溫精餾系統(tǒng)具體化的圖示，進(jìn)料空氣、富氮氣體和富氧氣體在產(chǎn)品蒸發(fā)器中進(jìn)行熱交換之前先在該系統(tǒng)中分別加壓。
本發(fā)明能夠生產(chǎn)處于較高壓力下的氧氣，同時又避免或減少了成品氣體的壓縮程度，還對氮回流液的生成進(jìn)行調(diào)節(jié)以改進(jìn)系統(tǒng)的分離性能。
將參考示圖詳細(xì)描述本發(fā)明，現(xiàn)參考該圖，進(jìn)料空氣100在通過空氣主壓縮機(jī)1加壓至60～450磅/平方英寸，最好加至60～100磅/平方英寸的絕對壓力。加壓后的進(jìn)料空氣101隨后被通入預(yù)純化系統(tǒng)2中，以除去水蒸汽、二氧化碳、烴之類的高沸點雜質(zhì)，得到清潔的進(jìn)料空氣102。其中一部分清潔的進(jìn)料空氣175通過空氣增壓壓縮機(jī)3，加壓至100～200磅/平方英寸，最好加壓至120～180磅/平方英寸的絕對壓力，得到的壓縮空氣流103隨后依次在主熱交換器的溫?zé)釁^(qū)7和冷卻區(qū)8冷卻，一般來說，空氣流103將包含最終進(jìn)入塔系統(tǒng)的進(jìn)料空氣100總量的大約5～30%。
壓縮空氣流103通入產(chǎn)品蒸發(fā)器12中，在那里和過渡溫?zé)岬囊簯B(tài)氧通過間接熱交換實現(xiàn)了自身的過渡冷卻，詳見以后的討論。由此得到的冷凝空氣流124通過低溫冷卻器13實現(xiàn)低溫冷卻，低溫空氣流126通過節(jié)流閥20的節(jié)流之后作為物流127進(jìn)入第一塔15的下部，在實施本發(fā)明時，低溫冷卻器13的使用屬于任選范圍。第一塔15是比塔系統(tǒng)中具有較高壓力的塔，在60～450磅/平方英寸，最好在60～100磅/平方英寸的絕對壓力范圍內(nèi)運行。
另一部分清潔的進(jìn)料空氣176通過空氣增壓壓縮機(jī)4加壓，得到壓縮空氣流105，隨后在主熱交換器的溫?zé)釁^(qū)7冷卻，由此得到的空氣流106通過膨脹機(jī)5的膨脹，形成膨脹氣流107進(jìn)入第二塔14。第二塔14是雙塔系統(tǒng)中的低壓塔，可在低于高壓塔15的壓力條件下運行，一般在12～125磅/平方英寸的絕對壓力范圍。建議如圖所示，將膨脹機(jī)5直接和空氣增壓壓縮機(jī)4相連或配對，使得通過膨脹機(jī)5膨脹空氣物料釋放的能量可用來直接驅(qū)動空氣壓縮機(jī)4。
第三部分進(jìn)料空氣流104，通過主熱交換器的溫?zé)釁^(qū)7和冷卻區(qū)8的冷卻，形成物流109進(jìn)入第一塔15。在第一塔15中進(jìn)料空氣因低溫精餾而分離成富氮蒸氣和富氧液體。將富氧液體從第一塔15的下部收回為物流112，在熱交換器10中低溫冷卻，并作為物流113通入第二塔14。富氮蒸氣作為物流177通入主冷凝器16，在其中和沸騰塔14底部液體進(jìn)行間接熱交換而被冷凝。得到的富氮冷凝液178隨后回到第一塔15中作為回流液。富氮液體的一部分151通過熱交換器11得到低溫冷卻，所產(chǎn)生的低溫物流115進(jìn)入第二塔的上部作為回流液。
富氮蒸氣的一部分114來自第一塔15的上部，它通過熱交換器7和8，溫?zé)岬街車h(huán)境溫度。由此得到的富氮蒸氣流139通過壓縮機(jī)6，通常壓縮到100～2000磅/平方英寸的絕對壓力，形成的壓縮物流140再通過熱交換器7和8冷卻，然后作為物流138通入產(chǎn)品蒸發(fā)器12。在產(chǎn)品蒸發(fā)器中，通過與過渡溫?zé)岬囊貉踹M(jìn)行間接熱交換，富氮蒸氣被過渡冷卻。由此形成的富氮液體123可任選地通過熱交換器13得到低溫冷卻，冷卻物流125經(jīng)節(jié)流閥19節(jié)流后作為物流128進(jìn)入第一塔15的頂部用作回流液。所謂“第一塔的頂部”是指來自主冷凝器16的冷凝液流178進(jìn)入第一塔的位置或其以上位置。附圖
所示的實施方案中所示，物流128和物流178相通，共同形成回流液進(jìn)入第一塔15和第二塔14?？刂仆ㄈ氘a(chǎn)品蒸發(fā)器中的富氮蒸氣量，就能調(diào)節(jié)所生成的回流液體量，使得精餾系統(tǒng)的運行性能達(dá)到最優(yōu)化。
如果需要，可以從產(chǎn)品蒸發(fā)器的上游物流138中取出一部分富氮蒸氣129，在熱交換器9中和回流液流發(fā)生間接熱交換將其冷凝。由此生成的物流130隨后通過閥門18進(jìn)入塔系統(tǒng)，例如隨物流128進(jìn)入即可。如果需要，也可從物流128中取出一部分成為物流179，以便回收為液態(tài)氮成品。
進(jìn)入第二塔14的液體在其中經(jīng)低溫精餾分離成富氮蒸氣和富氧液體。從第二塔14中作為物流117提取出富氮蒸氣，并在熱交換器11、10、9、8和7中因間接熱交換而被溫?zé)?，作為物?43離開系統(tǒng)，它可以作為氮氣產(chǎn)品全部地或部分地回收，其純度至少是99%(摩爾)。廢液流118從塔14中在回流液流115的入口以下位置處收回，經(jīng)熱交換器11、10、9、8和7，作為物流142從系統(tǒng)中除去，以達(dá)到調(diào)節(jié)目的。
富氧液體即液態(tài)氧，從第二塔14的下部收回，成為物流119，優(yōu)選可以通過例如液體泵17，使物流119加壓到20～1000磅/平方英寸的絕對壓力范圍。加壓的富氧液體流120通過熱交換器13加溫大致達(dá)到它的飽和溫度，成為物流121進(jìn)入產(chǎn)品蒸發(fā)器12。如果生產(chǎn)低壓氧，從效率的觀點來看，熱交換器13并不重要，可以取消。在產(chǎn)品蒸發(fā)器12中，富氧液體通過和進(jìn)料空氣以及富氮蒸氣的間接熱交換得到以過渡溫?zé)?，同時使這兩種流體過渡冷卻。在產(chǎn)品蒸發(fā)器12中因氣化生成的氧氣產(chǎn)物作為物流122從產(chǎn)品蒸發(fā)器12中收回，通過熱交換器7和8而被溫?zé)?，尤其是也使進(jìn)來的進(jìn)料空氣得以冷卻，隨后全部或部分地作為氧氣產(chǎn)品回收形成物流141，它的氧濃度至少是90%(摩爾)，且壓力最高可達(dá)1000磅/平方英寸的絕對壓力水平。
本發(fā)明實施時可以在塔系統(tǒng)中包括一氬塔。這種系統(tǒng)在圖中以簡化的形式加以說明。使用氬塔時，來自第二塔14的物流180主要包含氧和氬，作為料液進(jìn)入氬塔22，該氬塔包括一個頂部冷凝器21。料液在氬塔22中因低溫精餾分離成高富氬蒸氣和高富氧液體。高富氧液體作為物流181返回入第二塔14，使用氬塔時，富氧液體流113不如圖上所示那樣直接進(jìn)入第二塔14，而是進(jìn)入氬塔頂部的冷凝器21，在其中部分氣化，隨后分別作為蒸氣流182和液體流183進(jìn)入塔14。富氧液體在頂部冷凝器21中通過和富氬蒸氣的間接熱交換而被部分氣化，而富氬蒸氣被冷凝并用于氬塔22作為回流液。高富氬流體以氣體或液體形式從塔22中回收成分物流184，它是含氬濃度至少是95%(摩爾)的粗氬產(chǎn)品。
在此，本發(fā)明采用了混合產(chǎn)品蒸發(fā)器裝置，富氧流體在其中氣化的同時也使來自高壓塔的富氮蒸氣和進(jìn)料空氣實現(xiàn)過渡冷卻，這和傳統(tǒng)的低溫精餾車間中相對于一種或多種操作物流液態(tài)氧的氣化相比，低溫精餾車間運行的回收效率有所改進(jìn)，特別是本發(fā)明比那些利用進(jìn)料空氣和來自低壓塔的氮使氧氣化或過渡溫?zé)岬南到y(tǒng)有利。因為從低壓塔取氮就相當(dāng)于在產(chǎn)品蒸發(fā)器和溫度范圍過高的低壓塔頂部之間運行著一個加熱泵。與之相反，實施本發(fā)明時，氮取自高溫塔，并將過渡冷卻了的氮通入高壓塔頂部，產(chǎn)生足夠的兩個塔使用的回流液，這在降低能源消耗方面取得良好結(jié)果。
雖然在詳細(xì)描述本發(fā)明時，參考了特別優(yōu)選的實施方案，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認(rèn)識到，只要按此精神和遵照權(quán)利要求中的范圍，本發(fā)明也存在其他實施方案。例如，熱變換器9，10和11可以合成一個熱變換器，熱變換器7和8也可以合為一個單元。為了簡化各種各樣的主熱變換器的音路分配，也可以利用隔離芯將有些物流相互隔開。再如縮機(jī)3和6也可以合成一個機(jī)器。
權(quán)利要求
1.一種使用包括第一塔和第二塔的塔系統(tǒng)，使進(jìn)料空氣經(jīng)低溫精餾生產(chǎn)氧氣的方法，它包括(A)將進(jìn)料空氣經(jīng)過渡冷卻后通入第一塔中，使之在60～450磅/平方英寸的絕對壓力范圍內(nèi)運行；(B)通過低溫精餾將第一塔中的進(jìn)料空氣分離成富氮蒸氣和富氧液體；(C)將富氧液體通入第二塔中并在低于第一塔的壓力條件下運行；(D)將富氮蒸氣經(jīng)過渡冷卻后，將至少部分生成的富氮流體通入第一塔頂部；(E)利用低溫精餾將通入第二塔的流體分離成為富氮蒸氣和富氧液體；(F)將富氧液體和隨后經(jīng)過渡溫?zé)峒訅旱母谎跻后w加壓，通過與進(jìn)料空氣和富氮蒸氣間接熱交換，以實現(xiàn)步驟(A)和(D)中的過渡冷卻并產(chǎn)生氧氣；(G)回收氧氣作為產(chǎn)品。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)料空氣在步驟(A)中實現(xiàn)過濾冷卻之前要先加壓。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中富氮蒸氣在步驟(D)中實現(xiàn)過渡冷卻之前要先加壓。
4.一種用低溫精餾分離進(jìn)料空氣的裝置，包括(A)包括第一塔和第二塔的塔系統(tǒng);(B)產(chǎn)品蒸發(fā)器，將進(jìn)料空氣通入產(chǎn)品蒸發(fā)器以及從產(chǎn)品蒸發(fā)器通入第一塔的設(shè)備;(C)將流體從第一塔通入產(chǎn)品蒸發(fā)器以及從產(chǎn)品蒸發(fā)器通入第一塔頂部的設(shè)備;(D)從第二塔回收流體的設(shè)備和回收流體的加壓設(shè)備;(E)將來自第二塔的流體通入產(chǎn)品蒸發(fā)器的設(shè)備;(F)從產(chǎn)品蒸發(fā)器中回收氣體成品的設(shè)備。
5.按照權(quán)利要求4的裝置，其中將進(jìn)料空氣通入產(chǎn)品蒸發(fā)器的設(shè)備包括一個壓縮機(jī)。
6.按照權(quán)利要求4的裝置，其中將取自第一塔的流體通入產(chǎn)品蒸發(fā)器的設(shè)備包括一個壓縮機(jī)。
7.按照權(quán)利要求4的裝置，其中使用液體泵作為加壓設(shè)備。
全文摘要
一種低溫空氣分離系統(tǒng)，其中液體氧的氣化是和進(jìn)料空氣、氮的冷凝同步實現(xiàn)的，其中氮取自高壓塔，冷凝后又回流到高壓塔頂部，因此供給添加回流液用于空氣分離，使得塔系統(tǒng)的運行有著較高的靈活性和較低的能源消耗。
文檔編號F25J3/04GK1112669SQ95101920
公開日1995年11月29日 申請日期1995年2月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月8日
發(fā)明者C·S·拉福斯 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司