專利名稱：帶釜液塔的低溫精餾系統的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及進料空氣的低溫精餾，更具體地涉及進料空氣的低溫精餾以生產氧和氮。
進料空氣的低溫精餾一般在雙塔系統中進行，其中在高壓塔進行初始分離而在低壓塔內進行最終分離。在低層塔中在略大于環境壓力下制得各種產品。
在某些情況下，在加壓時需要氧和氮產品中的一個或兩個。特別是在加壓下將氮從系統中導出時，將沒有足夠的回流以有效地操作各塔。
因此本發明的一個目的是提供用于生產氧和氮的低溫精餾系統，即使在加壓下生產各產品的一個或兩個時，都可有效地進行操作。
本領域技術人員在閱讀了本公開后，本發明所完成的上述及其它目的將顯而易見。其一方面是生產氧和氮的低溫精餾方法，包含(A)將進料空氣送入高壓塔，并在高壓塔內通過低溫精餾將進料空氣分離成富氧釜液和富氮頂部流體；(B)將富氧釜液送入釜液塔，并在釜液塔內通過低溫精餾產生中間蒸氣和中間液體；(C)將自高壓塔頂部下方取出的蒸氣流與中間液體進行間接熱交換以產生高壓液體并將高壓液體送入高壓塔中；(D)將來自釜液塔中的液體送入低壓塔中，并在低壓塔內通過低溫精餾生成富氮流體和富氧流體；和(E)將至少一些富氧流體作為產品氧回收，以及將至少一些中間蒸氣、富氮頂部流體和富氮流體中的至少一個作為產品氮回收。
本發明的另一方面是
生產氧和氮的低溫精餾設備，包括(A)第一塔、第二塔以及將進料空氣送入第一塔的裝置；(B)具有底部再沸器的釜液塔以及將來自第一塔下部的流體送入釜液塔的裝置；(C)將來自第一塔頂部下方的流體送入釜液塔底部再沸器的裝置以及將來自釜液塔底部再沸器的流體送入第一塔的裝置；(D)將來自釜液塔的流體送入第二塔的裝置；和(E)將來自第二塔下部的流體回收的裝置以及將來自第一塔、第二塔和釜液塔中至少一個上部的液體回收的裝置。
此處所用的術語“塔盤”意指一接觸段，它不必是一平衡段，也可指其它接觸設備如分離能力相當于一個塔盤的填料。
此處所用的術語“平衡段”意指氣-液接觸段，其中離開該段的氣體和液體處于傳質平衡，如100％效率的塔盤或相當于一理論塔板(HETP)的填料單元高度。
此處所用的術語“進料空氣”意指主要包含氧和氮的混合物如環境空氣。
此處所用的術語“塔”意指蒸餾或分餾塔或區，即接觸塔或區，其中液相和氣相逆液接觸以實現流體混合物的分離，如通過氣相和液相在置于塔內的一系列垂直放置的塔盤或塔板和/或填料單元如結構或無規填料上接觸。對蒸餾塔進一步的討論，參見《(化學工程師手冊》第5版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，Mc Graw-Hill Book Company出版，紐約，第13段，“連續蒸餾法”。所用的術語“雙塔”意指其上部與一低壓塔下部處于熱交換關系的高壓塔。對雙塔的進一步討論可參見Ruheman的“氣體分離”，牛津大學出版社，1949，第VII章，工業空氣分離。
氣液接觸分離法基于各組分蒸氣壓的不同。高蒸氣壓(或易揮發或低沸點)組分易于濃縮于氣相而低蒸氣壓(或難揮發或高沸點)組分易于濃縮于液相。部分冷凝是蒸氣混合物的冷卻可用來在氣相中濃縮揮發組分而難揮發組分在液相中的分離方法。精餾或連續蒸餾是結合通過氣相和液相的逆流處理所獲得的連續部分蒸發和冷凝的分離方法。氣相和液相的逆流接觸基本上是絕熱的并可包括相互間的積分(階段的)或微分(連續的)接觸。利用精餾的原理來分離混合物的分離方法設備常可互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是一種在至少部分在溫度等于或低于150度開爾文(K)下進行的精餾方法。
此處所用的術語“間接熱交換”意指各流體之間在沒有任何物理接觸或混合的情況下將兩種流體導入熱交換關系。
此處所用的術語“再沸器”意指比塔液體中產生塔上流蒸氣的熱交換裝置。
此處所用的術語“汽輪膨脹”和“汽輪驟冷器”分別意指高壓氣流通過一汽輪機以降低氣體的壓力和溫度藉以產生制冷作用的方法和設備。
所用的術語“上部”和“下部”意指分別位于塔中點以上和以下的塔的各段。
此處所用術語“底部”當涉及一塔時，意指低于塔傳質內件即塔盤或填料的塔段。
此處所用的術語“底部再沸器”意指從塔底沸騰液體的再沸器。底部再沸器可位于塔內或塔外。
此處所用的術語“中間再沸器”意指從塔底上方沸騰液體的再沸器。“中間再沸器”可位于塔內或塔外。
此處所用術語“頂部”當涉及一塔時，意指在塔傳質內件即塔盤或填料之上的塔段。
此處所用的術語“釜液塔”意指處理取自另一塔的下部、優選為底部的流體的塔。
僅有的圖為本發明一優選實施方案的示意圖。
本發明使用一釜液塔以產生附加的液體回流從而可以有效地生產高壓產品。通過取自高壓塔下方的流體來驅動該釜液塔。這種流體的氧含量及其溫度超過高壓塔頂部流體。該較高溫度的流體使得釜液塔底部的溫度高于低壓塔底部的溫度。流體較高的溫度也使高壓流體流動增加，從而導致釜液塔內較高的蒸氣上流和液體下流。結果與常規系統相比增加了回流液的生成，從而提高了產品回收率和/或增加了平均產品氮壓力。
本發明將參照圖詳細加以描述。現參照圖，進料空氣30通過壓縮機22被壓縮至絕對壓力一般在65-325磅/平方英寸(絕對壓)的范圍。通過凈化器23清除被壓縮進料空氣32的高沸點雜質如二氧化碳和水蒸氣，所得清潔、壓縮的進料空氣被送入高壓塔。示于圖中的實施方案是一段選實施方案，其中只有部分清潔、壓縮的進料空氣被送入高壓塔中。再參照圖，清潔、壓縮的進料空氣34被分成三部分36、38和44。包含進料空氣34至少60％(一般為約60％-75.5％)的第一部分36經過主換熱器17通過與返回流進行間接熱交換而得到冷卻。所得進料空氣流60被送入在壓力一般為60-320psia下操作的第一或高壓塔中。
當使用第二進料空氣部分38時，一般包含流34的約24％-34％。當需要高壓氧產品時該流用于蒸發受壓液體。通過壓縮機24流38被壓縮至壓力一般為75-2500psia、優選125-1300psia，并且通過冷卻器25，所得加壓流40被冷卻至接近環境溫度。所得流42通過主換熱器17而在其中被冷凝。如圖所示，流64中的所得液體被送入至少一個或所有三個用于本發明實踐中的塔中(雖然流64的部分流68進入釜液塔是可選的)。第一液體部分70經部分橫過換熱器16而得到低溫冷卻，通過閥164并作為流72被送入第二或低壓塔12中。塔12是也包括高壓塔10的雙塔系統中的低壓塔，并在低于高壓塔10的壓力下(一般在約16-125psia)操作。
流64的剩余部分被送入高壓塔10并可選地被送入到壓力在高壓塔及低壓塔之間(一般在約35-230psia)下操作的釜液塔11中。參照圖，液流64的可選部分68被送經閥161進入釜液塔11中，液流64的部分66被送經閥160進入高壓塔10中。
當使用第三進料空氣部分44時一般包含進料空氣流34的約0.5-6％。通過壓縮機20流44被壓縮至壓力一般在100-550psia的范圍內。所得壓縮流46通過冷卻器21被冷卻至接近環境溫度，所得流48通過部分橫過主換熱器17而得到冷凝。所得流50經汽輪驟冷器19而被汽輪膨脹以產生制冷作用，所得汽輪膨脹流52被送入低壓塔12中。通過汽輪驟冷器19產生的能量通過軸26來驅動壓縮機20。
高壓塔10內被送入該塔的進料空氣通過低溫精餾被分離成富氧釜液和富氮頂部流體。富氮頂部液體蒸氣流110從高壓塔10的頂部導出。如圖中所示，若需要，流110的部分120通過主換熱器17而得到加熱，并作為氮濃度一般為至少97％(摩爾)的產品高壓氮122而得到回收。若需要，流120的部分可在部分橫過主換熱器17后被導出，進行汽輪膨脹以產生制冷作用并返回各塔中。
包含富氮頂部流體流110剩余部分的流112被送入低壓塔12的底部再沸器13，在其中通過與沸騰的低壓塔底部液體進行間接熱交換而得到冷凝。所得冷凝富氮頂部液體114作為回流被送入低壓塔12和高壓塔10中。流114的第一部分94通過部分橫過換熱器16而得到低溫冷卻，通過閥166膨脹并作為流96被送入高壓塔12的上部。流114的第2部分116被送入高壓塔10的上部。若需要，液體富氮頂部流體114的部分也可作為回流被送入釜液泵11的上部。
氧含量一般在29-42％(摩爾)的富氧釜液在流80中從高壓塔10的下部導出，通過部分橫過換熱器16而得到低溫冷卻，通過閥162降低了壓力并作為流82被送入釜液塔11中。
在釜液塔11內，進入該塔的進料通過低溫精餾被分離成中間蒸氣和中間液體。氧濃度一般在38-51％(摩爾)的中間液體在流83中從釜液塔11的下部導出經閥163，然后作為流84被送入低壓塔12中。氮濃度至少為97％(摩爾)的中間蒸氣作為流100從釜液塔11的上部導出，并進入低壓塔12的中間再沸器15中。所得含氮液102被分成流104(作為回流被送入釜液塔11的上部)以及流106(通過部分橫過提熱器16而被低溫冷卻)，經閥165膨脹并作為附加回流流108被送入低壓塔12的上部。若需要，中間蒸氣100的部分可作為氮蒸氣產品回收。
通過取自高壓塔10頂部下方的高壓蒸氣流90來驅動釜液塔11。流90的氧濃度超過富氮頂部流體的氧濃度，一般在0.5-8％(摩爾)的范圍內。流90取自高壓塔10頂部下方的1-15個平衡段、優選4-15個平衡段的位置。若被送入釜液塔底部再沸器的所述流取自上述定義范圍內的最適位置的上方，則不能產生所需的增加回流，而若取自該范圍內的下方位置，則產品回收率將受到危害。流90被送入釜液塔11的底部再沸器14，在其中通過與釜液塔底部液體進行間接熱交換而得到冷凝。所得液流92在與流90從高壓塔10被導出的相同位置或其上方被重新送回高壓塔10中。
因為流90具有較高的氧濃度因而溫度高于再沸低壓塔12底部的富氮頂部流體的溫度，所以被流90再沸的釜液塔11的底部具有較高的溫度，一般比低壓塔12底部高0.5-2.0°K。該較高溫度使得流90的流量得以增加，導致釜液塔11內較高的蒸氣上流和液體下流。這依次增加了從塔11導出的中間蒸氣的流動，結果增加了在流108中被送入低壓塔12的附加回流的形成。附加回流增加了產品回收率，或增加了富氮頂部流體或中間蒸氣流動的能力，或增加了該系統壓力的能力，使得節省壓縮功率。
在低壓塔12中通過低溫精餾將各種進入該塔的進料分離成富氮流體和富氧流體。氧濃度一般在70-99.5％(摩爾)、優選在80-98(摩爾)范圍內的富氧流體作為流130從低壓塔12的下部導出并作為產品氧回收。若需要，如圖所示，流130的壓力可通過泵18被加壓至30-2000psia、優選50-1300psia的范圍內，然后加壓流132通過主換熱器17而得到蒸發并作為氧產品的流134回收。
氮濃度一般至少為97％(摩爾)的富氮流體作為流140從低壓塔12的上部導出，通過換熱器16和主換熱器17得到加熱，并作為流144從該系統中導出。若需要，流144的部分或全部可作為低壓氮產品得到回收。若需要，流140的部分可在部分橫過主換熱器17后被導出，并進行汽輪膨脹以產生制冷作用。然后，所得汽輪膨脹流可經主換熱器17，其中制冷作用可通過間接熱交換而被送入進入的進料流中。
通過本發明的實踐，人們可在不遇到缺乏回流塔的情況下，尤其是在加壓下有效地生產氧和氮產品。雖然本發明參照本發明的一段選實施方案已做了詳細描述，但本領域技術人員將會理解在本權利要求書的精神和范疇內本發明的其它實施方案。例如來自釜液塔的中間蒸氣可通過與來自釜液塔的液體而不是與來自低壓塔的流體進行間接熱交換而得到冷凝。
權利要求
1.生產氧和氮的低溫精餾方法，包括(A)將進料空氣送入高壓塔并在高壓塔內通過低溫精餾將該進料空氣分離成富氧釜液和富氮頂部液體；(B)將富氧釜液送入釜液塔中并在釜液塔內通過低溫精餾產生中間蒸氣和中間流體；(C)將取自高壓塔頂部下方的蒸氣流通過與中間液體進行間接熱交換以產生高壓液體，并將高壓液體送入高壓塔內；(D)將來自釜液塔的液體送入低壓塔并在低壓塔內通過低溫精餾產生富氮流體和富氧流體；和(E)將至少一些富氧流體作為產品氧回收，以及將至少一些中間蒸氣、富氮頂部流體及富氮流體中的至少一個作為產品氮回收。
2.權利要求1的方法，其中蒸氣流從高壓塔的頂部下方1-15個平衡段的位置取出。
3.權利要求1的方法，其中高壓液體從所述蒸氣流從高壓塔取出的位置或其下方被送入高壓塔中。
4.權利要求1的方法，其中中間蒸氣從釜液塔的上部導出，冷凝，所得液體被送入低壓塔和釜液塔中。
5.權利要求4的方法，其中中間蒸氣通過與來自低壓塔和釜液塔中至少一個的流體進行間接熱交換而得到冷凝。
6.生產氧和氮的低溫精餾設備，包括；(A)第一塔、第二塔以及將進料空氣送入第一塔的裝置；(B)具有底部再沸器的釜液塔以及將來自第一塔下部的流體送入釜液塔的裝置；(C)將來自第一塔頂部下方的流體送入釜液塔底再沸器的裝置，以及將來自釜液塔底部再沸器的流體送入第一塔的裝置；(D)將來自釜液塔的流體送入第二塔的裝置；和(E)將來自第二塔下部流體回收的裝置，以及將來自第一塔、第二塔和釜液塔中至少一個的上部的流體回收的裝置。
7.權利要求6的設備，其中將來自第一塔頂部上方的流體送入釜液塔底部再沸器的裝置與第一塔在第一塔頂部下方1-15個平衡段的位置相連接。
8.權利要求6的設備，其中將來自釜液塔底部再沸器的液體送入第一塔的裝置與第一塔在蒸氣從第一塔被送入釜液塔底部再沸器的位置或其上方相連接。
9.權利要求6的設備，其中將來自釜液塔的流體送入第二塔的裝置包含將來自釜液塔上部的流體送入第二塔中的裝置以及將來自釜液塔下部的流體送入第二塔中的裝置。
10.權利要求6的設備，還包含用于第二塔的中間再沸器、將來自釜液塔上部流體送入該中間再沸器的裝置，以及將來自該中間再沸器的流體送入第二塔上部的裝置。
全文摘要
用于生產氧和氮的低溫精餾系統,使用了一釜液塔,它處理來自高壓塔的富氧釜液以及被取自高壓塔頂部下方的流體所再沸。
文檔編號F25J3/04GK1182199SQ9711408
公開日1998年5月20日 申請日期1997年7月2日 優先權日1996年11月7日
發明者N·M·普羅瑟 申請人:普拉塞爾技術有限公司