專利名稱：空氣的低溫分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣的低溫分離方法，該方法對(duì)原料空氣進(jìn)行壓縮、凈化、冷卻并使其分成多股支流，然后導(dǎo)入雙級(jí)精餾裝置的壓力段和低壓段，其中，將第一支流送入壓力段，將第二支流送入低壓段。
EP-A 0342436公開了一種這樣的方法。該方法先將原料空氣僅壓縮到低壓段壓力，到中等壓力時(shí)將原料氣分為一股第一支流和一股第二支流。僅對(duì)第一支流進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，該支流的一部分流入壓力塔中。這種流程雖然能大大節(jié)約壓縮能，但不得不特設(shè)一個(gè)凈化段(一般為分子篩)，用以除去第二支流中的二氧化碳、烴和水。由于采用低壓，該分子篩需要大量再生氣。這些氣體不能再用于其它目的，尤其是不能用來(lái)很經(jīng)濟(jì)地蒸發(fā)冷卻預(yù)冷空氣所需用的冷卻水。
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，進(jìn)一步改進(jìn)上述那類方法，從而提高其經(jīng)濟(jì)性，特別能成本低廉地凈化空氣。
該任務(wù)是這樣完成的使原料空氣在第一壓縮段壓到約為壓力段壓力，在凈化段吸附凈化，隨后分成第一和第二支流，使第二支流在加進(jìn)低壓段之前先與壓縮過(guò)的原料空氣逆向進(jìn)行間接熱交換而預(yù)熱，并膨脹作功，用第二支流膨脹時(shí)所得到的功來(lái)壓縮流程中的流體，特別是原料空氣。
通過(guò)本發(fā)明的方法，只在一個(gè)凈化段中就可以處理所有的原料空氣，當(dāng)然這種處理過(guò)程是在壓力段壓力下進(jìn)行的，因而省去了一個(gè)輔助的低壓凈化段的投資費(fèi)用和高運(yùn)行費(fèi)用。貯存在第二支流中的剩余壓縮能一部分可在一個(gè)透平膨脹機(jī)中作為機(jī)械功被回收，一部分轉(zhuǎn)化為冷量。
在一般情況下，上述機(jī)械功直接通過(guò)機(jī)械連接全部傳給一臺(tái)壓縮機(jī)，或者也可用來(lái)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)。為了在有利的條件下作功膨脹，應(yīng)預(yù)先加熱第二支流，這時(shí)可從壓縮過(guò)的原料空氣中方便地獲取熱量。
例如可以使一種產(chǎn)品流或一種中間產(chǎn)品流流過(guò)由透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)。通常，用膨脹時(shí)得到的功來(lái)壓縮原料空氣是最有利的。
另外，在該方法中還可獲得冷量，其辦法是在吸附的下游分出一股第三支流，在第二壓縮級(jí)再對(duì)該支流進(jìn)行壓縮，隨后將其冷卻，作功膨脹并供給低壓段，其中，用第三支流作功膨脹時(shí)所得到的功在第二壓縮級(jí)再壓縮第三支流。這里，不需要的壓力同樣可用于制冷。
為了輸送功和傳遞冷量，本發(fā)明提供了兩種可選擇的方案一種方案是用在第二支流作功膨脹時(shí)獲得功作為第一壓縮級(jí)的動(dòng)力。由于該功顯然不足以驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，通常必須另外用一臺(tái)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)連接透平膨脹機(jī)和第一壓縮級(jí)的軸。
該方案的優(yōu)點(diǎn)是，使減壓膨脹前的第二支流通過(guò)與第一壓縮級(jí)后和凈化段前的原料空氣之間進(jìn)行間接熱交換而預(yù)熱。
在這種情況下，原料空氣總要預(yù)冷。一般情況下，空氣以約35℃的溫度離開用約25℃的冷卻水工作的冷卻器，為了在凈化段進(jìn)行吸附，必須將空氣降溫到大約10℃至15℃。這通常通過(guò)一個(gè)外加的制冷設(shè)備或由冷的冷卻水來(lái)實(shí)現(xiàn)，該冷卻水來(lái)自一臺(tái)用干燥的氮?dú)夤ぷ鞯恼舭l(fā)冷卻器。此時(shí)，上述預(yù)冷至少部分地可由凈化后的第二支流來(lái)承擔(dān)，所以，降低了制冷設(shè)備的費(fèi)用，而且氮?dú)庖部捎糜谄渌挠猛尽?br>
在第二方案中，將第二支流作功膨脹時(shí)得到的功用于在第三壓縮級(jí)中再壓縮第三支流。
最好第三壓縮級(jí)位于第二壓縮級(jí)之前，以用于提高第三支流膨脹時(shí)的壓差。
此外，有利的是，在凈化段下游另行或可選擇性地分出一個(gè)第四支流，該支流經(jīng)第四壓縮級(jí)再壓縮，隨后冷卻，減壓膨脹并進(jìn)入壓力段，其中，用在第二支流作功膨脹時(shí)得到的功在第四壓縮級(jí)再壓縮第四支流。通常用一個(gè)節(jié)流閥來(lái)使第四支流減壓膨脹。
這里給壓縮級(jí)編號(hào)是為了清楚地區(qū)分它們，并不意味著在第四壓縮級(jí)存在時(shí)上述第二或第三壓縮級(jí)也必須存在。
然而業(yè)已證明，使第三和第四支流在一個(gè)共同的第三壓縮級(jí)中再壓縮也是有利的。這樣，可使第三和第四壓縮級(jí)處在一個(gè)機(jī)器中，這在費(fèi)用上是比較節(jié)省的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是，將熱量傳遞給處于高壓下的第二支流的第二種方式是，使第二支流在其膨脹前通過(guò)與經(jīng)第三或第四壓縮級(jí)再壓縮后的第三和/或第四支流進(jìn)行間接熱交換而被預(yù)熱。
通過(guò)該項(xiàng)措施，可以非常方便地調(diào)節(jié)各支流到達(dá)主換熱器入口的溫度，在該換熱器中一股或多股再壓縮后的支流得到冷卻。這對(duì)于冷卻進(jìn)入透平膨脹機(jī)之前的第二支流是極其有效的。
如果在該方法中要求獲得高壓氧氣，則將第四支流再壓縮到超過(guò)壓力塔壓力是特別有利的。這樣，在本發(fā)明構(gòu)思的一種有利的進(jìn)一步改進(jìn)中，可由低壓段抽出液氧，將其加壓，并與再壓縮過(guò)的第四支流進(jìn)行間接熱交換而汽化。
處于超過(guò)壓力塔壓力下的可供使用的一定量的空氣在此用來(lái)節(jié)能地制備高壓氧氣。使氧氣在液態(tài)下加壓(不是利用一臺(tái)泵就是利用流體靜力學(xué)位能)，接著將其在高壓下汽化。用正在汽化的氧逆流冷凝高壓空氣，放出潛熱。最好間接熱交換在主換熱器組內(nèi)進(jìn)行，其它原料流和產(chǎn)品流也流過(guò)該換熱器組。
然后將部分冷凝的第四支流在第一支流上方送入壓力段也是有利的。
通常，在與壓力氧氣進(jìn)行熱交換時(shí)，大部分高壓空氣冷凝，因此可以利用一定的預(yù)分離效果，方式是將冷凝液送入在其余壓力塔空氣上方的至少一塊最好大約四至八塊理論塔板上。
用本發(fā)明的方法來(lái)制取低純度的氧氣特別有利。此處氧氣純度低于99%，最好處于85%和98%之間(體積百分?jǐn)?shù))。對(duì)于空氣分離設(shè)備(分離空氣量大于100，000Nm3/h，優(yōu)選大于200，000Nm3/h，最好為200，000至400，000Nm3/h之間)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)特別明顯。用于GUD-(聯(lián)合循環(huán))-設(shè)備或煉鋼設(shè)備(例如COREX工藝)范圍內(nèi)也是有利的。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
下面用圖1和2所示的兩個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明及本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)。
按照?qǐng)D1所示的工藝流程，環(huán)境空氣經(jīng)管道1由第一壓縮級(jí)2吸入，并被壓縮到壓力為5至10巴，最好約為5.65巴，然后冷卻到5℃至25℃，最好約為12℃，并在裝有分子篩的凈化段4中除去如水、二氧化碳和烴之類的雜質(zhì)。緊接著在凈化段4之后，原料空氣被分為第一支流101和第二支流102。第一支流101在主換熱器5中由逆流的產(chǎn)品流冷卻，然后送入一個(gè)常規(guī)的兩級(jí)精餾塔6的壓力段7。從低壓段8(運(yùn)行壓力為為1.2至1.6巴，最好約1.3巴)中抽出氣態(tài)氧9和氣態(tài)氮10作為產(chǎn)品，在主換熱器中上述產(chǎn)品流被加熱到接近環(huán)境溫度。氮?dú)饪捎糜趦艋?的分子篩的再生(經(jīng)管11)和/或用于其它目的，例如由管道12抽出用于在一個(gè)蒸發(fā)冷卻器中冷卻冷卻水。
按照本發(fā)明，第二支流102在換熱器3中與壓縮后的原料空氣逆流熱交換而被加熱，再在透平膨脹機(jī)13中膨脹，冷卻，爾后吹入低壓段8中。原料空氣流可以在換熱器3和凈化段4之間另行冷卻(圖中未示出)，例如通過(guò)與由于蒸發(fā)冷卻而變冷的水進(jìn)行間接熱交換而被冷卻。
同樣在凈化段4下游分出第三支流，再在第二臺(tái)壓縮機(jī)14中對(duì)其進(jìn)一步壓縮，在主換熱器5中將其冷卻至中等溫度，爾后在透平膨脹機(jī)15中膨脹制冷。該支流膨脹時(shí)得到的功用機(jī)械方式傳遞給第二壓縮機(jī)14。減壓后的第三支流103與經(jīng)膨脹和冷卻的第二支流102一起送入低壓段8。
圖2表示本發(fā)明方法的第二個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例中，在分流點(diǎn)21處由第一支流101分出第二支流，該支流在換熱器3′中被加熱，并在透平膨脹機(jī)13′中減壓膨脹。由此得到的功被傳遞給第三壓縮機(jī)16。
第三支流在進(jìn)入與透平膨脹機(jī)15相接的第二壓縮機(jī)14之前在第三壓縮機(jī)中被壓縮到壓力至少為15巴，最好是20至50巴，接著在換熱器3′中由膨脹前的第二支流102逆流冷卻。
在第三壓縮級(jí)16和換熱器3之后，由第三支流分出一股第四支流104(在22處)，該支流在主換熱器5中被冷卻，并被節(jié)流減壓而進(jìn)入壓力段7。氧氣從低壓段經(jīng)管道9抽出，并在泵17中加壓到壓力至少為4巴，最好為20至100巴，再與第四支流逆流熱交換而被汽化。第四支流中的高壓空氣在熱交換過(guò)程中幾乎全部冷凝，并在第一支流101之上方被送入壓力段7中。
業(yè)已證明，當(dāng)要求得到純度為85%至98%的產(chǎn)品氧(由實(shí)施例中的管道9引出)時(shí)，按照本發(fā)明的方法將原料空氣直接加入低壓段是很經(jīng)濟(jì)的。例如若想得到純度為96%的氧氣，最多可用35%的原料空氣通過(guò)第二和第三支流102、103直接供給低壓段，而不會(huì)明顯降低氧氣產(chǎn)量
權(quán)利要求
1.一種空氣的低溫分離方法，其中壓縮(2)、凈化(4)、冷卻(5)原料空氣(1)，將其分成多股支流，送入一個(gè)兩級(jí)精餾裝置(6)的壓力段(7)和低壓段(8)，將第一支流(101)送入壓力段(7)和將第二支流(102)送入低壓段(8)，其特征在于，--將原料空氣(1)在第一壓縮級(jí)(2)壓縮到大約為壓力段壓力，在凈化段(4)吸附凈化，接著分為第一支流(101)和第二(102)支流；--使第二支流(102)在供給低壓段(8)之前以與壓縮過(guò)的原料空氣逆流地進(jìn)行間接熱交換(3，3′)方式的加熱，并作功膨脹(13，13′)；和--將第二支流膨脹時(shí)得到的功用來(lái)壓縮(2，16)一種工藝流體，特別是壓縮原料空氣。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在吸附(4)的下游分出一股第三支流(103)，使其在第二壓縮級(jí)(14)再壓縮，隨后冷卻(5)，作功膨脹(15)，并供給低壓段(8)，并將第三支流作功膨脹(15)時(shí)得到的功用來(lái)在第二壓縮級(jí)(14)再壓縮第三支流。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是將第二支流作功膨脹(13)時(shí)得到的功用來(lái)驅(qū)動(dòng)第一壓縮級(jí)(2)。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征是使減壓膨脹前的第二支流與第一壓縮級(jí)(2)之后和凈化段(4)之前的原料空氣進(jìn)行間接熱交換(3)，從而使其加熱。
5.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征是將第二支流作功膨脹(13′)時(shí)得到的功用來(lái)在第三壓縮級(jí)(16)再壓縮第三支流。
6.按權(quán)利要求1至5中之一所述的方法，其特征是在凈化段(4)的下游分出一股第四支流(104)，將該支流在第四壓縮級(jí)(16)再壓縮，隨后冷卻(5)，減壓膨脹并供入壓力段(7)中，并將第二支流作功膨脹(13′)時(shí)得到的功用來(lái)在第四壓縮級(jí)(16)再壓縮第四支流。
7.按權(quán)利要求5和6所述的方法，其特征是在一個(gè)共同的第三壓縮級(jí)(16)再壓縮第三和第四支流。
8.按權(quán)利要求5至7中之一所述的方法，其特征是使減壓膨脹前的第二支流通過(guò)與在第三亦即第四壓縮級(jí)(16)再壓縮后的第三和/或第四支流間接熱交換(3′)來(lái)進(jìn)行加熱。
9.按權(quán)利要求5至8中之一所述的方法，其特征是由低壓段(8)抽出(9)液氧，將其加壓(17)并使其與再壓縮過(guò)的第四支流(104)間接熱交換(5)而汽化。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征是使第四支流(104)在與正在汽化的氧間接熱交換(5)時(shí)至少部分地冷凝，隨后在第一支流(101)上方供入壓力段(7)。
11.用權(quán)利要求1至10中之一所述的方法獲取低純氧氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空氣的低溫分離方法，尤其是用來(lái)生產(chǎn)中等純度氧氣的方法。在該方法中，在第一壓縮級(jí)(2)壓縮所有的原料空氣(1)，并通過(guò)吸附(4)對(duì)其進(jìn)行凈化。將原料空氣的第一支流(101)送進(jìn)兩級(jí)精餾塔(6)的壓力段(7)。將第二支流直接送到低壓段(8)。本發(fā)明在吸附(4)后將第二支流與其余原料空氣分開，用壓縮過(guò)的原料空氣與其逆流流動(dòng)面將其加熱(3)，并作功膨脹(13)。其中得到的功至少部分地用來(lái)壓縮(2)原料空氣。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1065326SQ92101960
公開日1992年10月14日 申請(qǐng)日期1992年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月26日
發(fā)明者韋爾海姆·路德 申請(qǐng)人:琳德股份公司