專利名稱：生產低純氧和高純氮的低溫混雜系統的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及空氣的分離，更具體地說，涉及進料空氣的分離以生產低純氧和高純氮。
在一些工業應用上需要同時使用低純氧和高純氮。如在玻璃制造上，在含氧燃料燃燒時使用低純氧來加熱和熔化制造物料，而高純氮則用作焙融玻璃的惰性氣氛。一般在這種情況下，氮對氧的產品流的要求比率為1.5至2.0。
通過空氣的低溫精餾可有效地生產高純氮和低純氧，但如沒有昂貴的方法改良，則在所需的比率范圍內得不到高的產品回收率。
因此，本發明的一個目的是提供可同時有效地生產低純氧和高純氮的低溫精餾系統。
本發明的另一個目的是提供對兩種產品可以高的產品回收率有效地生產低純氧和高純氮的低溫精餾系統。
對本領域技術人員而言，在閱讀了本說明書后顯而易見的上述及其它目的可通過本發明得到實現，本發明的一方面是一種生產低純氧和高純氮的方法，包括(A)將進料空氣送進包含至少一個吸附床的吸附劑系統，并在該吸附劑系統內將氮從進料空氣中吸附出來以制得富氧蒸氣和富氮蒸氣；(B)將富氧蒸氣作為產品低純氧回收；(C)將富氮蒸氣送入一塔中并通過在該塔內低溫精餾將該富氮蒸氣分離成氮頂部流體和含氧底部流體；和(D)將氮項部流體作為產品高純氮回收。
本發明的另一方面是生產低純氧和高純氮的設備，包括
(A)包含至少一個吸附床的吸附劑系統，并具有進料輸入裝置，藉此將進料空氣送入該吸附劑系統中；(B)用于從吸附劑系統中回收低純氧的裝置；(C)用于將來自吸附劑系統的富氮蒸氣送入低溫精餾塔的裝置；和(D)將來自低溫精餾塔上部的流體作為產品高純氮回收的裝置。
此處所用的術語“進料空氣”意指主要包括氧和氮的混合物，如環境空氣。
此處所用的術語“低純氧”意指氧濃度在50-98.5％(摩爾)范圍內的流體。
此處所用的術語“高純氮”意指氮濃度高于98.5％(摩爾)的流體。
此處所用的術語“塔”意指蒸餾塔或分餾塔或區，即接觸塔或區，其中液相和氣相逆流接觸以完成流體混合物的分離，如通過氣相和液相在一系列安置于塔內的垂直放置塔盤或塔板和/或在如結構或無規填料的填料單元上接觸。對蒸餾塔的進一步討論，請參見《化學工程師手冊》，第5版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，Mc Graw-Hill BookCompany出版，紐約，第13段，“連續蒸餾法”。
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)組分易于濃縮在氣相而低蒸氣壓(或難揮發或高沸點)組分易于濃縮在液相中。精餾或連續蒸餾是一種結合由氣液相的逆流處理獲得的連續部分蒸發和冷凝的分離方法。氣液相的逆流接觸通常是絕熱的，并可包括各相之間的積分(階段的)或微分(連續的)接觸。利用精餾原理以分離混合物的分離法設備常可互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分在溫度等于或低于150度開爾文(°K)下進行的精餾法。
此處所用的術語“間接熱交換”意指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流導入熱交換關系。
此處所用的術語“頂部冷凝器”意指從塔蒸氣中產生塔下流液體的熱交換設備。
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。
此處所用的術語“上部”和“下部”意指分別經于塔中點以上和以下的塔的部分。
此處所用的術語“吸附劑”意指可在其間隙或微孔內接受或捕獲氣體或流體種類的物質(通常為固體)。吸附劑的例子包括礬土、氧化硅、碳和分子篩。特別優選的吸附劑是氮選擇性分子篩。
此處所用的術語“吸附床”意指吸附劑顆粒鄰近相互之間的匯集體并構成可被流體所接觸的形式。
唯一的附圖
是本發明低溫混雜進料空氣分離系統的一優選實施方案的示意圖。
本發明使得人們可以高的產品回收率有效地生產兩種產品高純氮和低純氧，特別是氮對氧的產品比率在1.5-2.0范圍內。本發明使用了一吸附系統和一低溫精餾系統。來自低溫精餾塔的底部流體優選循環至吸附系統，并在該吸附系統中進行分離。
本發明將參見附圖作極詳盡的描述。現參照附圖，進料空氣25通過壓縮機1而被壓縮至壓力一般在10-100磅/平方英寸(絕對壓)，所得進料空氣流26被送入包含至少一個吸附床的吸附劑系統2。圖中所示的吸附劑系統2包含二個吸附劑床，并且操作時，當一個床的吸附劑正變得負荷時，流26從該床循環至另一床。吸附在一個床進行而解吸在另一床進行，當吸附床變得負荷時，各流動將為逆流。一般與多床吸附劑系統常在一起的管道和閥門不示于圖上。本領域技術人員熟悉多床吸附系統及其操作。
在吸附劑系統內進料空氣流26的氮被優先吸附到包含吸附床的吸附劑顆粒上，得到富氧蒸氣。氧濃度優選在80-95％(摩爾)范圍內的富氧蒸氣以流27從吸附劑系統2中導出，送入緩沖罐3中，并從中以流19作為產品低純氧回收。
當吸附劑系統2的一個床變得為氮所滿負荷時，通過如將該床暴露在通過真空泵4所造成的真空條件下進行解吸。該吸附劑系統可直接解吸至環境壓力而不需真空泵。解吸令已吸附到吸附劑顆粒上的氮形成富氮蒸氣，被從吸附劑系統中以流18導出。
氮濃度一般在85-95％(摩爾)的富氮流18通過真空泵4進入緩沖罐5。從緩沖罐5中富氮流流經壓縮機6被壓縮至壓力一般在50-200磅/平方英寸(絕對壓)的范圍，然后通過冷卻器7冷卻壓縮熱。此后該富氮蒸氣流流經高沸點吸附劑系統8，在圖示的該實施方案中，該吸附劑系統是類似于氮吸附劑系統2的二床系統。通過流經吸附劑系統8，富氮蒸氣被除去高沸點雜質如二氧化碳、水蒸氣和各種碳氫化合物。
潔凈、受壓的富氮蒸氣28被送入主換熱器9，在其中通過與各回流進行間接熱交換而被冷卻。富氮蒸氣流28的第一部分29部分橫過換熱器9后被導出，并通過汽輪驟冷器10而被汽輪膨脹以產生制冷作用。所得汽輪膨脹流30被送入塔11中。富氮蒸氣流28的第二部分31完全橫過主換熱器9，并通過閥13得到節流，送入塔11中。
塔11在壓力一般為30-180磅/平方英寸(絕對壓)的范圍內操作。塔11內富氮蒸氣通過低溫精餾被分離成氮頂部流體和含氧底部流體。氮頂部流體作為蒸氣流32從塔11的上部導出。氮蒸氣流32的一部分33通過主換熱器9而被加熱，所得流16作為產品高純氮回收。如需要，流33可在進入換熱器9之間進行汽輪膨脹以產生制冷作用。氮蒸氣流32的另一部分34被送入頂部冷凝器12，在其中通過與含氧底部流體進行間接熱交換而被冷凝。所得氮液以流35從頂部冷凝器12中導出。流35的至少一部分36作為回流被送入塔11中。如需要，來自頂部冷凝器12的氮流體的一部分37可通過閥15并作為產品高純氮液體回收。
含氧底部流體以流38從塔11的下部導出，經閥14節流并送入頂部冷凝器(2)，在其中蒸發以進行前述氮頂部流體的冷凝。如需要，流38可在被送入頂部冷凝器12之前與流33和/或39進行間接熱交換而得到低溫冷卻。所得含氧蒸氣以流39從頂部冷凝器12中導出，并通過換熱器9得到加熱，生成可從系統中除去的含氧底部流體流40。如需要，流39可在送入換熱器9之前汽輪膨脹以產生制冷作用。
附圖示意了本發明的一優選實施方案，其中含氧底部流體的部分或全部通過所述系統得到循環。由于送入塔11內的進料的特性及所述塔的操作，含氧底部流體具有和空氣的氧濃度不相上下的氧的濃度，一般在15-25％(摩爾)的范圍內，一般為約21％(摩爾)。這使得含氧流40可被送入吸附劑系統2中進行分離以生產富氧蒸氣和富氮蒸氣。
參照回附圖，含氧底部流體流40可被分為流17和流41。流41通過換熱器42而得到加熱，并用于清掃或解吸高沸點吸附劑系統8。或者氮流33的一部分也可用來清掃或解吸高沸點吸附劑系統8。所得流43離開所述系統。如需要，若含氧底部流體所含的氧濃度高于空氣的氧濃度，則部分流43可如圖所示通過虛線44與流17重新匯合。
在附圖所示的實施方案中，流17被送入壓縮機1，在其中與進料空氣25匯合形成流26被送入吸附劑系統2，并如前述般進行處理。
雖然本發明已參照特定優選實施方案做了詳細的描述，本領域技術人員將會理解到在權利要求書的精神和范疇內本發明的其它實施方案。
權利要求
1．生產低純氧和高純氮的方法，包括(A)將進料空氣送進包含至少一個吸附床的吸附劑系統，并在該吸附劑系統內將氮從進料空氣中吸附出來以制得富氧蒸氣和富氮蒸氣；(B)將富氧蒸氣作為產品低純氧回收；(C)將富氮蒸氣送入一塔中并通過在該塔內低溫精餾將該富氮蒸氣分離成氮頂部流體和含氧底部流體；和(D)將氮頂部流體作為產品高純氮回收。
2．權利要求1的方法，還包括將含氧底部流體送入所述吸附劑系統中，以進一步生產富氧蒸氣和富氮蒸氣。
3．權利要求1的方法，其中將富氮蒸氣在送入所述塔之前進行壓縮。
4．權利要求1的方法，其中富氮蒸氣在送入所述塔之前被清除各種高沸點雜質。
5．權利要求1的方法，其中富氮蒸氣在送入所述塔之前被冷卻，并且至少一部分富氮蒸氣被汽輪膨脹。
6．生產低純氧和高純氮的設備，包括(A)包含至少一個吸附床的吸附劑系統，并具有進料輸入裝置，藉此將進料空氣送入該吸附劑系統中；(B)用于從吸附劑系統中回收低純氧的裝置；(C)用于將來自吸附劑系統的富氮蒸氣送入低溫精餾塔的裝置；和(D)將來自低溫精餾塔上部的流體作為產品高純氮回收的裝置。
7．權利要求6的設備，還包括將來自所述塔下部的流體送入所述吸附劑系統的進料輸入裝置的裝置。
8．權利要求6的設備，其中將來自所述吸附劑系統的富氮蒸氣送入所述低溫精餾塔的裝置包括一壓縮機。
9．權利要求6的設備，其中將來自所述吸附劑系統的富氮蒸氣送入所述低溫精餾塔的裝置包括用于從所述富氮蒸氣中除去高沸點雜質的第二吸附劑系統。
10．權利要求6的設備，其中將來自所述吸附劑系統的富氮蒸氣送入所述低溫精餾塔的裝置包括一個汽輪驟冷器。
全文摘要
以高的產品回收率同時生產低純氧和高純氮的混雜系統,其中來自吸附劑系統的解吸流出物送入低溫精餾塔,并且優選來自所述塔的底部流體為所述吸附劑系統提供附加的進料。
文檔編號F25J3/04GK1226672SQ9712251
公開日1999年8月25日 申請日期1997年10月31日 優先權日1997年1月7日
發明者H·E·霍華德, D·P·博納奎斯特 申請人:普拉塞爾技術有限公司