專利名稱：帶有混合塔和氪-氙回收裝置的空氣分餾工藝及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1前序中所述的工藝。
被用作混合塔加壓的富氧餾分中氧的濃度比空氣中氧的濃度高，比如70到99.5mol％，最好為90-98mol％。混合塔被認為是一種逆流接觸塔，其中較高揮發性的氣態餾分逆向流過較低揮發性的液體。
如本發明所述的工藝特別適用于獲取氣態高壓純氧。在本文中，術語純氧被理解為是一種混合物，其氧的含量為99.5mol％或稍低一些，特別是70-99.5mol％。產品壓力為，例如2.2-4.9巴，最好為2.2-4.5巴。當然，如果需要的話，高壓產品可以在氣態下進一步壓縮。原理上，本發明也可用于混合塔壓力，該壓力比高壓塔壓力要高，比如4.5-16巴，特別是5-12巴。
從專利文獻EP531182A1、DE19951521A1和EP1139046A1中可了解到背景介紹中所述的這種類型的工藝。盡管在專利EP1139046A1中提到氪-氙回收裝置可連接到這種類型混合塔系統的下游，但是至今在實踐中并未實施過，因為在具有這種特征的系統中，迄今為止那些傳統的方法無法經濟地獲取有效的氪和氙產出。
這一目標可通過下述事實實現，即含氪和氙的氧氣流從氮-氧分離用分餾塔系統中被導入到氪-氙濃縮塔，富氪和氙的餾分在氪-氙濃縮塔中獲得，并且這一混合塔的氣態頂部產品被導入輔助塔中，在輔助塔上方得到除去氪和氙的頂部餾分。
這種氪-氙濃縮塔實現了氪和氙濃縮設備的標準功能，同時去除了甲烷。然而，單這一點還不足以滿足在混合塔工藝中獲取令人滿意的氪和氙產品。這是因為空氣中較低揮發性的成份中的相當大一部分與混合塔頂部產品一起通常在工藝中被去除了。
因此，本發明中除氪-氙濃縮塔外，還另有一個輔助塔留取仍存在于混合塔頂部產品中的氪和氙。這一有價值的產品因此就不再與高壓氧產品一起失去，而是通過如示例所述方式，可被送回到混合塔或分餾塔系統，再從那里被導入到氪-氙濃縮塔。
術語“混合塔”和“輔助塔”在本文各例中被理解為功能性術語，代表相應的逆流質量轉換區。它們可以，但不一定必須，被布置在單獨的容器中。特別是，兩個或多個這種類型的區在一個共同的容器中一個摞一個布置，如果這些區的壓力水平都彼此接近的話。本發明中，通過示例，混合塔和輔助塔可被制成這種類型的組合塔。或者，可將一水平隔板安裝在混合塔和輔助塔之間，或者將混合塔和輔助塔各自置于完全獨立的容器內。
最好從輔助塔中獲得的去除氪和氙的頂部餾分中的一部分是氣態高壓氧產品，而氪和氙不會大量地失去。
另外，如果從輔助塔中獲得的去除氪和氙的頂部餾分中的(另)一部分在一個冷凝-蒸發器中進行冷凝就更好了。在冷凝-蒸發器中生成的冷凝物大部分是氪和氙，并被作為回流用于輔助塔和氪-氙濃縮塔。
這個冷凝-蒸發器可同時被用作氪-氙濃縮塔的底部蒸發器。輔助塔和氪-氙濃縮塔因此就各自構成一個雙塔的高壓和低壓部分。
在如本發明所述工藝的一個優先配置中，被加入到混合塔的富氧餾分經過1至5層理論板，最好是2至4層理論板被去除，這些理論板位于氮-氧分離用分餾塔系統的塔或其中之一的塔的底板之上。這一餾分通常來自一雙塔系統的低壓塔之中的相應的中部區域。相反，用于氪-氙濃縮塔的含氪和氙的氧氣流被從該塔的底部取出。
本發明還涉及一種空氣低溫分餾用的設備，如權利要求9所述。
具體實施例方式
在
圖1所示實施例中，經凈化了的空氣1以，例如4.5-7.1巴，最好大約5.8巴的壓力輸入。該空氣的第一部分流經管道2到達主熱交換器3，在那里被大約冷卻到露點并最后作為“第一加壓空氣流”經過管道4流入到氮-氧分離用分餾塔系統中的高壓塔5。高壓塔5的作業壓力為，比如4.3-6.9巴，最好為大約5.6巴。氮-氧分離用分餾塔系統也可有一低壓塔6，其作業壓力為，比如1.3-1.7巴，最好大約為1.5巴。這兩座塔通過主冷凝器7連接在一起以交換熱能。
氮-氧分離用分餾塔系統在實施例中被設計成一個傳統的林德雙塔裝置。然而，本發明也可用于帶有其他類型冷凝器和/或塔配置的精餾系統。
從高壓塔5底部流出的富氧液體8在第一過冷逆流熱交換器9中被冷卻，經過節流10后被導入低壓塔6的中部。從高壓塔5頂部流出的氣態氮11中的一部分12可在主熱交換器3中加熱，并得到加壓氮產品13。剩余部分14在主冷凝器7中大體上被完全冷凝。所獲得的液態氮15中的至少一部分16被作為回流加入到高壓塔5中。如果需要的話，另一部分17可以作為液態產品取出。從高壓塔5中流出的中間液18(不純氮)，經過過冷9和節流19后，被作為回流用于低壓塔6。從低壓塔頂部流出的氣態不純氮20在熱交換器9和3中被加熱，并最終通過管道21取出。它也可作為再生氣體用于空氣1的凈化設備(未示出)。
液態氧22被從低壓塔6中取出作為“富氧餾分”，在泵23中被壓縮到比如5.7-8.3巴，最好大約7.0巴，在第二過冷逆流熱交換器24中加熱，并最終被加入(25)到混合塔26的頂部。去除液態氧22的位置是，在此例中，位于低壓塔6底部之上的大約4個理論板。
一條熱交換介質流沿與液態富氧餾分25相反的方向流入混合塔，這條熱交換介質流在實施例中是由第二加壓空氣流42、43構成的，該第二加壓空氣流42、43是以稍高于冷端的一個中間溫度從第一加壓空氣流4中被分出并從主熱交換器3中去除，然后在第二過冷逆流熱交換器24中進一步冷卻，最后被吹入到混合塔26的底部區域。從混合塔26出來的底部液體38-39與中間液體40-41均在第二過冷逆流熱交換器24中進行過冷處理，并在與其成份相對應的位置上被節流入低壓塔6中。
混合塔26的氣態頂部產品流到輔助塔27的較低一端，在該實施例中輔助塔27與混合塔26是組合在一起的。組合塔有三個部分，頂部構成輔助塔27，兩個較低的部分構成混合塔26。去除氪和氙的頂部餾分28的第一部分29在主熱交換器3中加熱并通過管道30作為氣態加壓氧產品獲得。剩余部分31在冷凝-蒸發器32中被大體上完全冷凝。形成的冷凝物33于是就只含有非常少量的氪和氙，并且該冷凝物的第一部分34被作為回流加入到輔助塔27中，而該冷凝物的第二部分35被作為回流加入到氪-氙濃縮塔36中。如果需要的話，第三部分37可作為液態氧產品被取出。
氪-氙濃縮塔36的作業壓力大約比輔助塔27的頂部壓力低1巴，在本例中大約為5.6巴。結果是，冷凝-蒸發器32可同時被用作氪-氙濃縮塔的底部蒸發器。氪-氙濃縮塔36(低壓部分)與輔助塔27和混合塔26的組合體(高壓部分)這時就組成一雙塔。含氪和氙的氧氣流44就以液態形式被從低壓塔6的底部取出，在泵45中被壓縮成高壓，經過加熱24后，經管道46、47或48被導入到兩個不同的位置，作為加壓餾分用于氪-氙濃縮塔36。一些甲烷與頂部氣體49-50一起離開氪-氙濃縮塔36，頂部氣體49-50被回送到低壓塔。相反，氪和氙在底部被凈化，并從該位置上富氪和氙的餾分51以液態形式被取出。
在該工藝中，制冷過程是通過下述方式實現的，即對第三加壓空氣流52-55-56作業膨脹57至大體為低壓塔的作業壓力。在通過主熱交換器3冷卻的上游，渦輪空氣可以在帶有再冷卻室54的再壓縮室53中被進一步壓縮，再冷卻室54由膨脹渦輪57驅動。膨脹了的第三加壓空氣流58最終在59處被吹入到低壓塔6中。
在如本發明所述工藝中，實際上加壓空氣1中所含有的所有氪和氙都經過氪-氙濃縮塔36的底部并因此成為濃縮物51被從該處取出。從第一加壓空氣流4中取出的較低揮發性的餾分與從高壓塔5中取出的底部液體8一起被送入低壓塔。在混合塔空氣(第二加壓空氣流)42-43中含有的氪和氙通過輔助塔27防止其與高壓氧產品28、29、30一起泄漏，并且與液體38-39和40-41一起被送入低壓塔6。渦輪空氣(第三加壓空氣流)58-59的較低揮發性的餾分也最終停留在低壓塔的底部。如果送入混合塔26的液態氧22也含有氪和氙，這也被阻留在輔助塔27中并被送回到低壓塔。
通過低壓塔6中的底部液體44去除大體上全部的氪和氙，并在氪-氙濃縮塔36中被進一步濃縮，同時排掉甲烷，這樣做的結果就是，如本發明所述，獲得很高的氪和氙產量。
圖2與圖1僅有一點不同，即輔助塔27布置在一個容器中，該容器獨立于混合塔26。氪-氙濃縮塔36和輔助塔27在這種情況下與冷凝-蒸發器32一起組成了一個雙塔。
根據工藝工程，單獨布置塔26和27等同于如圖1所示的組合塔，因為混合塔26中的所有氣態頂部產品260都被導入輔助塔27的底部，相反來自輔助塔27的所有底部液體261都流回到混合塔26的頂部。
圖2所示變型被特別推薦用于現有混合塔裝置中，該裝置被改裝以具有一個氪-氙回收裝置。
盡管圖1和圖2所示工藝可適用于小于或等于高壓塔內壓力的氧產品壓力，圖3示出了一種工藝可得到更高的產品壓力。(否則，圖3與圖1沒有不同之處。)在這種情況下，第二加壓空氣流342-343通過管道362被從主熱交換器3的上游的全部空氣1中分離出。由帶有再冷卻器364的再冷凝器363加壓，于是混合塔26的作業壓力就為，例如7.0-17巴，最好大約12.0巴。
權利要求
1.一種氮-氧分離用分餾塔系統(5，6)中的工藝，用于空氣的低溫分餾，在該工藝中，·第一加壓空氣流(4)被導入氮-氧分離用分餾塔系統，·來自氮-氧分離用分餾塔系統的富氧餾分(22)以液態形式被增壓(23)并被加入(25)到混合塔(26)中，·一熱交換介質流，特別是第二加壓空氣流(43，343)，被導入到混合塔(26)的下方區域，并與富氧餾分(22，25)逆流接觸，·氣態頂部產品(260)在混合塔(26)的上方區域獲得，并且其中，·來自混合塔的下方或中部區域的液體(38，39，40，41)被導入氮-氧分離用分餾塔系統，其特征在于·來自氮-氧分離用分餾塔系統的含氪和氙的氧氣流(44，46，47，48)被導入氪-氙濃縮塔(36)，·富氪和氙的餾分(51)在氪-氙濃縮塔(36)中獲得，并且·混合塔(26)的氣態頂部產品(260)被導入輔助塔(27)，在其上方區域獲得除去氪和氙的頂部餾分(28)。
2.如權利要求1所述的工藝，其特征在于，來自輔助塔(27)的除去氪和氙的頂部餾分(28)中的一部分(29，30)以氣態高壓氧產品的形式獲得。
3.如權利要求1或2所述的工藝，其特征在于，來自輔助塔(27)的除去氪和氙的頂部餾分(28)中的一部分(31)在冷凝-蒸發器(32)中被冷凝。
4.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，在冷凝-蒸發器(32)中生成的冷凝物(33)的一部分(34)被作為回流加入到輔助塔(27)中。
5.如權利要求2或4所述的工藝，其特征在于，在冷凝-蒸發器(32)中生成的冷凝物(33)中的一部分(35)被作為回流加入到氪-氙濃縮塔中。
6.如權利要求2或3所述的工藝，其特征在于，在冷凝-蒸發器(32)中來自氪-氙濃縮塔(36)下方區域的液體被蒸發。
7.如權利要求1-6中之一所述的工藝，其特征在于，富氧餾分(22)通過1至5層理論板被去除，這些理論板位于氮-氧分離用分餾塔系統的塔或其中之一塔的底部上方，特別是帶有一高壓塔(5)的雙塔系統中的低壓塔(6)。
8.如權利要求1-7中之一所述的工藝，其特征在于，含氪和氙的氧氣流(44)從氮-氧分離用分餾塔系統的塔或其中之一塔的底部被去除，特別是帶有一高壓塔(5)的雙塔系統中的低壓塔(6)。
9.一種空氣低溫分餾用設備，包括氮-氧分離用分餾塔系統(56)，并且具有一混合塔(26)，并且·具有第一加壓空氣管道(4)，它被連接到氮-氧分離用分餾塔系統，·具有第一液氧管道(22，25)，它被連接到氮-氧分離用分餾塔系統并且通過增加液體壓力用裝置(23)接入混合塔(26)，·具有一條熱交換介質管道，特別是一條第二加壓空氣管道(43，343)，它接入混合塔(26)的下方區域，·具有用于在混合塔(26)上方區域獲取氣態頂部產品(260)的裝置，·具有一條液體管道(38，39，40，41)，它從混合塔的下方或中部區域出來并接入到氮-氧分離用分餾塔系統，其特征在于，·一個氪-氙濃縮塔(36)用于獲取富氪和氙餾分(51)·一條第二液態氧管道(44，46，47，48)用于把含氪和氙的氧氣流從氮-氧分離用分餾塔系統導入到氪-氙濃縮塔(36)，·裝置(260)用于把混合塔(26)中的氣態頂部產品導入到輔助塔(27)，并且·用于在氪-氙濃縮塔(36)的上方區域獲取除去氪和氙的頂部餾分(28)的裝置。
全文摘要
本發明所涉及的工藝和設備用于氮－氧分離用分餾塔系統(5，6)中的空氣低溫分餾。第一加壓空氣流(4)被導入到氮－氧分離用分餾塔系統。來自氮－氧分離用分餾塔系統的富氧餾分(22)以液態形式被加壓(23)并被加入(25)到混合塔(26)中。熱交換介質流，特別是第二加壓空氣流(43，343)，被導入混合塔(26)的下方區域并與富氧餾分(22，25)逆流接觸。氣態頂部產品(260)在混合塔(26)的上方區域獲得。來自混合塔(26)下方或中部區域的液體(38，39，40，41)被導入氮－氧分離用分餾塔系統。來自氮－氧分離用分餾塔系統的含氪和氙的氧氣流被導入氪－氙濃縮塔(36)。富氪和氙的餾分(51)在氪－氙濃縮塔(36)中獲得。混合塔(26)中的氣態頂部產品(260)被導入輔助塔(27)，并在其上方區域獲得除去氪和氙的頂部餾分(28)。
文檔編號C01B13/02GK1470836SQ0314863
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月23日 優先權日2002年6月24日
發明者迪特里希·羅特曼, 迪特里希 羅特曼, 克里斯蒂安·孔茨, 蒂安 孔茨 申請人:林德股份公司