具有雙產品側冷凝器的低溫空氣分離系統的制作方法

專利名稱：具有雙產品側冷凝器的低溫空氣分離系統的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及低溫空氣分離領域，更具體地說，涉及生產氧和氮的低溫空氣分離。
利用低溫分離空氣來制取氧和氮是一種已完善的工業方法。液體和蒸汽以逆流接觸的方式流過一個塔或幾個塔，氧和氮之間蒸汽壓不同，使得氮富集于蒸汽中，而氧富集于液體中。由于存在蒸汽壓差，分離塔中壓力越低，就越容易使氧和氮分離。因此，通常是在壓力較低的情況下最后分離產品氧和產品氮，所用壓力常常只比大氣壓力高幾磅/吋2。
人們常常希望得到高壓產品氧和高壓產品氮。在這種情況下，常用壓縮機將產品壓縮到所需要的壓力。而產品壓縮機壓縮時的能源消耗及成本都是很昂貴的。
因此，本發明的一個目的是要提供一種改進的制取氧和氮的低溫系統。
本發明的另一目的是要提供一種改進的制取氧和氮的低溫系統，該系統能制取高壓氧和高壓氮，而又減少或不需要對產品氣體進行壓縮。
本領域的普通專業技術人員閱讀了本發明所公開的內容后，將能清楚地看到，用本發明可完成上述任務和其它任務。本發明一方面包括
一種制取氧和氮的低溫空氣分離方法，它包括(A)向高壓塔供給原料空氣，在高壓塔內將原料空氣分離成富氮蒸汽和富氧液體;
(B)使富氧液體從高壓塔流入低壓塔;
(C)冷凝富氮蒸汽以生產富氮液體，并將富氮液體送入低壓塔;
(D)將流入低壓塔的流體分離成富氮蒸汽和富氧液體;
(E)使富氧液體與原料空氣進行間接熱交換，以生產氧氣產品;
(F)使富氮液體與原料空氣進行間接熱交換，以生產氮氣產品。
本發明另一方面包括用于制取氧和氮的低溫空氣分離設備，它包括(A)熱交換裝置;
(B)從熱交換裝置到第一塔之間的管道裝置;
(C)從第一塔到第二塔之間的管道裝置;
(D)從第一塔到冷凝器/再沸器之間的管道裝置;
(E)使流體從第二塔流到上述熱交換裝置的裝置;
(F)使流體從冷凝器/再沸器流到上述熱交換裝置的裝置。
在本說明書及權利要求書中所使用的術語“塔”指的是一種蒸餾或精餾塔，或蒸餾或精餾區，即一種接觸塔或區，在該塔或區中，液相和汽相逆流接觸，以實現流體混合物的分離。例如，汽相和液相可以在安裝在塔內的一系列垂直相隔的盤或板上接觸，或者，也可以在填料部件上接觸。對于蒸餾塔的進一步討論可以參見“化學工程手冊”(第5版，由R.H.Perry和C.H.Chilton編，McGraw-Hill圖書公司出版、紐約)的第13章，即“蒸餾”一章的第13-3頁上B.D.Smith等人的文章“連續蒸餾過程(The Continuous DistillationProcess)”。術語“雙級塔”指的是一種高壓塔，其上端與低壓塔的下端處于熱交換關系。關于雙級塔的進一步討論發表在Ruheman的“氣體分離(The Separation of Gases)”一書(牛津大學出版，1949年)的第7章“工業空氣分離(Commerical Air Separation)”中。
蒸汽和液體接觸分離過程取決于各組分的蒸汽壓之差。蒸汽壓大(或易揮發或低沸點)的組分容易富集于蒸汽相中，而蒸汽壓小(或難揮發或高沸點)的組分容易富集于液相中。蒸餾是一種分離過程，它通過加熱液體混合物使易揮發組分濃集于蒸汽相中，而使難揮發組份濃集于液相中。分凝是另一種分離過程，它通過冷卻蒸汽混合物使易揮發組分濃集于蒸汽相中，而使難揮發組分濃集于液相中。精餾或連續蒸餾是通過逆流處理蒸汽相和液相，將逐次部分蒸發和部分冷凝結合起來的分離過程。蒸汽相和液相的逆流接觸是絕熱的，它可以包括不同相之間全部接觸或局部接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝設備常常可互換地稱之為“精餾塔”、“蒸餾塔”或“分餾塔”。
本說明書和權利要求書中所使用的術語“間接熱交換”的含義是兩種流體進行熱交換時沒有任何直接接觸，或者流體之間相互不摻混。
此處所用的術語“填料”指的是用作塔內部件的任何具有予定結構、尺寸和形狀的實體或空心體，它們為液體提供了表面積，從而能在兩相逆流流動期間，在液-汽接觸界面處進行傳質。
此處所用的術語“冷凝器/再沸器”是指一種熱交換裝置，在該裝置中，通過與正蒸發的塔底流體進行間接熱交換來使蒸汽冷凝，并為該塔提供了上升的蒸汽流。
此處所用的術語“結構定形填料(structured packing)”指的是各個填料彼此之間，以及相對于塔軸線而言具有特定取向的填料。
此處所用的術語“透平膨脹”指的是讓高壓氣體通過一個透平機而降低氣體的壓力和溫度，從而產生冷量。常采用負載裝置，例如發電機、功率計或壓縮機之類來回收能量。


圖1是本發明的方法和裝置的優選實施例的示意圖;
圖2是本發明的方法和裝置的另一優選實施例的示意圖;
圖3是本發明的方法和裝置的再一個優選實施例的示意圖。
下面將參照附圖詳細描述本發明的方法和裝置。
參見圖1，干凈的、冷的、壓縮過的原料空氣1在熱交換器30中與逆向回流進行間接熱交換而被冷卻，為了生產高壓氣體產品，原料空氣的壓力應足以使液體蒸發，這些將在下文中作更全面的描述。通常，原料空氣的絕對壓力范圍為90-500磅/吋2(psia)。
原料空氣被分成兩部分，第一部分4可占原料氣的5%-40%，它流經熱交換裝置31，該裝置是一臺雙產品側冷凝器。在熱交換裝置31中，空氣部分4至少部分被冷凝，也可以全部被冷凝。然后，空氣部分4經管道裝置流入熱交換器或過冷卻器32中，并在其中過冷卻。再流經閥33，最后作為流體6流入第一塔或高壓塔34中，該塔是空分設備中雙級塔系統的高壓塔。高壓塔34的運行壓力范圍一般為60-100磅/吋2。
原料空氣的第二部分5可以占原料氣的50%-90%，它經透平膨脹機35而被膨脹，以便為低溫分離提供冷量。膨脹后的空氣部分36流入高壓塔34中。
原料空氣的第三部分3可通過熱交換器37與低壓氮進行熱交換而被冷卻，再流經閥38，作為流體6的一部分進入高壓塔34中。另外，若原料氣部分4流經雙產品側冷凝器31時只部分被冷凝，未冷凝部分可以代替部分3或者加入部分3中，在熱交換器37中進行熱交換。
在高壓塔34中，通過低溫精餾，原料氣被分離成富氧液體和富氮蒸汽。富氧液體9由管道裝置送至熱交換器66中，在該熱交換器中，與低壓氮氣進行間接熱交換而被冷卻，然后進入第二塔或低壓塔39中，該塔的運行壓力低于高壓塔34的運行壓力，其范圍一般為15-30磅/吋2。富氮蒸汽40從高壓塔34經管道裝置流入冷凝器/再沸器41中，與塔39的底部沉積物進行間接熱交換而被冷凝。冷凝器/再沸器41雖然可設在塔的外部，但最好位于低壓塔內部。所生成的富氮液體42流出冷凝器/再沸器41，其一部分43作為回流返回到高壓塔34中。富氮液體8從高壓塔34流出，經過熱交換器66進入低壓塔39。另一種方法是也可以將液體42的一部分作為回流送至低壓塔39中，以代替從高壓塔34流出的流體8。
在低壓塔39內，通過低溫精餾，將送入塔內的流體分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽10從低壓塔39中流出，此低壓氮順次流過熱交換器66、37和30而復熱，并可作為低壓氮氣產品11被回收。富氧液體用于冷凝流體40中的富氮蒸汽，因而為低壓塔39提供了上升的蒸汽流。
一部分富氧液體13從低壓塔39中流出，進入雙產品側冷凝器31。在圖1所示的優選的實施例中，為了制取高壓氧氣產品，將富氧液體增壓，使其在雙產品側冷凝器中在較高壓力下蒸發。再參見圖1，富氧液體13經閥44流入至少一個貯槽中。如圖1所示，富氧液體分別經閥47和48流入貯槽45和46中的一個或兩個內，然后分別經閥49和50，再經閥51作為流體14進入過冷卻器32中。上述一個或數個貯槽用于貯存液氧產品，以便事后作為產品氧送走。為了提高富氧液體的壓力，可以在上述一個或數個貯槽上裝備增壓盤管或其它裝置。或者也可以用液壓泵或利用液壓頭，即液面之間的高度差來增加富氧液體的壓力。增壓后的富氧液體流經過冷卻器32而被加熱，所生成的流體52進入相分離器53中。從相分離器53流出的富氧液體54，流經雙產品側冷凝器31，在該冷凝器中，它被部分蒸發，而用于冷凝原料氣，這在上面已討論過。兩相流17返回到相分離器53中，蒸汽55從相分離器53中流出，經熱交換器30，作為高壓氧氣產品流18而被回收。高壓氧氣產品的壓力范圍可以達40-650磅/吋2。此外，根據所用系統的制冷情況，還可以回收一些液體產品。例如，除高壓氣體產品外，還可以生產液氧75和液氮76。
從冷凝器/再沸器41流出的富氮液體流入雙產品側冷凝器31中。在圖1所示的優選的實施例中，使富氮液體增壓，這樣，在雙產品側冷凝器中，可在高壓下蒸發富氮液體以生產高壓氮氣產品。再參見圖1，富氮液體56通過閥57流入至少一個貯槽內。如圖1所示，富氮液體分別經閥門60和61流入貯槽58和59中的一個或兩個內，然后分別經過閥62和63進到過冷卻器32中。上述一個或數個貯槽用于貯存液氮產品，以便事后作為產品氮送走。可以在上述一個或數個貯槽上裝備增壓盤管或其它裝置，以使富氮液體增壓。或者，也可以用液壓泵或液壓頭來增加富氮液體的壓力。增壓后的富氮液體15流經過冷卻器32而被加熱，然后流經雙產品側冷凝器31而被蒸發，在冷凝器31中，富氮液體用于冷凝原料氣，這在上面已討論過。氮蒸汽流64流經熱交換器30，然后作為高壓氮氣產品流65而被回收。高壓氮氣產品的壓力范圍可達100-600磅/吋2。
本發明的低溫系統所制取的氮氣純度至少可為99%，甚至可高達99.99%或更高，所制取的氧氣的純度范圍可為95%-99.95%。如果需要一些液氧和/或液氮，可以不經蒸發直接從塔中回收。當然，如果需要的話，也可以直接從塔中回收一些氣態氧或氣態氮。
圖2表示本發明的另一個實施例，其中，原料空氣的第一部分在流經雙產品側冷凝器之前先透平膨脹。圖2中與圖1相同的部件用相同標號表示，對這些部件將不再進行討論。在圖2所示的實施例中，將清潔的、冷的、經壓縮的原料空氣的第一部分70大約從熱交換器30的中點抽出，然后經透平膨脹機71透平膨脹。所生成的原料氣第一部分72流經熱交換器31和32，并在透平膨脹機35的下游與原料氣的第二部分匯合，而作為流體67流入高壓塔34中。對于圖2所示的實施例，這種附加的原料氣透平膨脹，可以為塔提供額外的冷量，這樣可使液體產品的產量增加。而氣態產品仍可在低壓下制取。
圖3表示本發明的又一個實施例，其中，將原料氣第一部分的一支透平膨脹，再流經一個分開的側冷凝器，在該冷凝器中該部分原料氣與富氮液體進行熱交換。圖3中與圖1相同的部件用相同標號表示，在此對這些部件不再進行討論。
在圖3所示的實施例中，從熱交換器30中點附近抽出清潔、冷的、壓縮過的原料氣的第一部分的支流80，使其通過透平膨脹機81而透平膨脹。所生成的原料氣支流82流經熱交換器83和閥84，再與流經熱交換器68和69的原料氣第一部分的第二支85匯合而形成流體部分4，使該部分流入高壓塔34。在熱交換器83中的熱交換是與富氮液體15之間進行的，之后，富氮液體15流經熱交換器30，并作為高壓氮氣產品而被回收。因此，在圖3所示的實施例中，雙產品側冷凝器為兩部分，即熱交換器68和83。利用圖3所示的實施例，人們可以制取兩種壓力各不相同的產品。而且，利用圖3所示的實施例所制取的液體產品，盡管不能象圖2所示的實施例那么多，但卻比圖1所示的實施例要多。
高壓塔和低壓塔中之一或二者內可以裝有塔盤或填料。如果充裝填料，可以采用無規填料或結構定形填料。但是本發明特別適合在塔內充裝結構定形填料，因為填料能降低塔內運行壓力，有助于提高產品回收率并能增加液體產量。填料塔還可增加一些附加段，而不會顯著增高塔的運行壓力。由于結構定形填料的性能更易預測，而且在給定床高的情況下段數更多，所以結構定形填料比無規填料更好。這對于系統的初次投資及系統的組成都是很重要的。
表Ⅰ列出了利用圖1的實施例對本發明進行計算機模擬的數據總結。表Ⅰ中的數據只是為了用圖表說明本發明，并不意味著限制本發明，表Ⅰ中的流體標號與圖1中的流體標號相同。
表Ⅰ流體號 溫度 壓力 流量 濃度(摩爾百分比)(°F) (磅/吋2) (MCFH) N2O21 44 126 1000 78 214 -252 125 265 78 215 -252 125 713 78 216 -282 82 287 78 2136 -273 82 713 78 218 -289 79 382 99 19 -282 82 618 65 3310 -316 19 770 98 111 43 15 770 98 156 -288 79 30 100 065 43 135 20 100 013 -290 22 200 0 99.618 43 45 193 0 99.675 -290 45 7 0 99.676 -288 79 10 100 0雖然我們結合一些具體的實施例詳細地描述了本發明，但本領域的普通專業技術人員應意識到，在本權利要求書所描述的實質內容的范圍內，還可以有其它一些實施例。
權利要求
1.一種制取氧和氮的空氣分離方法，包括(A)向高壓塔提供原料空氣，在高壓塔內將原料空氣分離成富氮蒸汽和富氧液體；(B)將富氧液體從高壓塔送至低壓塔；(C)冷凝富氮蒸汽，以生產富氮液體，將富氮液體送至低壓塔；(D)將流入低壓塔中的流體分離成富氮蒸汽和富氧液體；(E)使富氧液體與原料空氣進行間接熱交換，以制取氧氣產品；(F)使富氮液體與原料空氣進行間接熱交換以制取氮氣產品。
2.如權利要求1所述的方法，其特征是將原料空氣分成第一部分和第二部分，通過步驟(E)和(F)中的熱交換，使第一部分至少部分冷凝。
3.如權利要求2所述的方法，其特征是通過步驟(E)和(F)中的熱交換，使原料空氣的第一部分全部冷凝。
4.如權利要求2所述的方法，其特征是第二部分進入高壓塔之前使其透平膨脹。
5.如權利要求1所述的方法，其特征是還包括回收從低壓塔中取出的富氮蒸汽。
6.如權利要求1所述的方法，其特征是通過與富氧液體進行間接熱交換而冷凝富氮蒸汽。
7.如權利要求1所述的方法，其特征是在進行步驟(E)的熱交換之前，使富氧液體增壓。
8.如權利要求1所述的方法，其特征是在進行步驟(F)的熱交換之前，使富氮液體增壓。
9.如權利要求2所述的方法，其特征是在進行步驟(E)和(F)的熱交換之前，使原料空氣的第一部分透平膨脹。
10.如權利要求2所述的方法，其特征是將原料空氣的第一部分分成第一支和第二支，將第一支透平膨脹然后進行步驟(F)的熱交換，將第二支進行步驟(E)的熱交換。
11.如權利要求1所述的方法，其特征是還包括回收一些富氧液體。
12.如權利要求1所述的方法，其特征是還包括回收一些富氮液體。
13.用于制取氧和氮的低溫空氣分離設備，它包括(A)熱交換裝置;(B)從熱交換裝置到第一塔之間的管道裝置;(C)從第一塔到第二塔之間的管道裝置;(D)從第一塔到冷凝器/再沸器之間的管道裝置;(E)使流體從第二塔流到上述熱交換裝置的裝置;(F)使流體從冷凝器/再沸器流到所述熱交換裝置的裝置。
14.如權利要求13所述的設備，其特征是使流體從第二塔流到熱交換裝置的裝置包括至少一個貯槽。
15.如權利要求13所述的設備，其特征是使流體從冷凝器/再沸器流到熱交換裝置的裝置包括至少一個貯槽。
16.如權利要求13所述的設備，其特征是使流體從第二塔流到熱交換裝置的裝置包括一個液壓泵。
17.如權利要求13所述的設備，其特征是使流體從冷凝器/再沸器流到熱交換裝置的裝置包括一個液壓泵。
18.如權利要求13所述的設備，其特征是還包括一個與第一塔流體流動相通的透平膨脹機。
19.如權利要求13所述的設備，其特征是還包括設在從熱交換裝置到第一塔的管路上的過冷卻器裝置。
20.如權利要求13所述的設備，其特征是還包括一個與熱交換裝置流體流動相通的透平膨脹機。
21.如權利要求13所述的設備，其特征是上述熱交換裝置包括第一部分和第二部分，部分(E)中裝置的通道裝置用于使流體流到上述熱交換裝置的第二部分，部分(F)中裝置的通道裝置用于使流體流到上述熱交換裝置的第一部分。
22.如權利要求21所述的設備，其特征是還包括一個與上述第二部分流體流動相通的透平膨脹機。
23.如權利要求13所述的設備，其特征是第一塔內部至少部分區域充裝有結構定形填料。
24.如權利要求13所述的設備，其特征是第二塔的內部至少部分區域充裝有結構定形填料。
全文摘要
本發明公開了一種低溫空氣分離系統，該系統將加壓后的原料空氣至少部分冷凝，以蒸發高壓液氮和高壓液氧，從而能在減少或不需要對產品進行壓縮的條件下制取高壓氮氣的高壓氧氣。
文檔編號F25J3/04GK1058644SQ9110531
公開日1992年2月12日 申請日期1991年6月26日 優先權日1990年6月27日
發明者J·R·德雷 申請人:聯合碳化工業氣體技術公司