專利名稱：用于生產氮的雙塔低溫精餾系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及空氣的低溫精餾，更具體地說，涉及以空氣為原料生產氮氣的低溫精餾。本發明用于在高壓下生產高純氮和任選附加生產低純度氧特別有效。
背景技術：
在許多工業應用中希望在高壓下使用高純氮。例如，在玻璃制造工藝或鋁或鋼的熔煉中，都使用高純氮作熔融物料的惰性氣氛。眾所周知通過低溫精餾空氣可生產高純氮，但這種已知系統一般對來自低溫精餾塔的高純氮需要加壓以便生產高壓產品。這種加壓總是把如顆粒物質摻到氮產品中。單塔系統從該塔能直接生產高壓氮但必須在高的單元分離功率條件下。此外，在前述許多工業用途中還需要使用低純度氧。例如，在上文提到的玻璃制造工藝、鋼加熱和鋁熔融的操作中，在含氧的燃料中使用低純度氧為的是給爐內裝料的加熱和熔融提供熱量。
由此，本發明的目的在于提供能在高壓下有效生產高純氮的低溫精餾系統。
本發明另外的目的在于提供能在高壓下有效生產高純氮和任選生產低純度氧的低溫精餾系統。
發明概述本技術領域的技術人員依據閱讀本說明書將會明了上述和其它目的，通過本發明可以實現，本發明的一個方面是一種生產氮的方法包括(A)使原料空氣通入第一塔并在第一塔內通過低溫精餾分離原料空氣成為富氧塔底液體和富氮塔頂蒸汽；(B)使來自第一塔的富氧塔底液體通入第二塔并在第二塔內通過低溫精餾生產富氧塔底液體和富氮塔頂蒸汽；(C)蒸發至少一些富氧塔底液體以便生產富氧蒸汽；(D)通過與來自第二塔底部上方的流體間接熱交換來冷凝富氮塔頂蒸汽；(E)渦輪膨脹部分富氧蒸汽；和(F)回收作為產品氮的富氮塔頂蒸汽。
本發明另一方面是生產氮的設備，包括(A)第一塔和用于使原料空氣通入第一塔的裝置；(B)具有塔底再沸器和中間熱交換器的第二塔；(C)用于使來自第一塔下部流體通入第二塔的裝置；(D)用于使來自第一塔上部的流體流過中間熱交換器的裝置；(E)渦輪膨脹機和用于使來自第二塔下部的流體流過渦輪膨脹機的裝置；和(F)用于回收來自第二塔上部作為產品氮流體的裝置。
本文中所使用的術語“塔盤”意指接觸段，但它并非一定是平衡段，并且還可能指其它的接觸設備，如具有相當于一個塔盤分離能力的填料。
本文中所使用的術語“平衡段”意指蒸汽-液體接觸段，借此離開該段時蒸汽和液體處于傳質平衡狀態，例如具有100％效率的塔盤或相當于一個理論塔板高度(HETP)的填料元件。
本文中使用的術語“原料空氣”意指含有主要是氧和氮的混合物，如環境空氣。
本文中使用的術語“低純度氧”意指具有氧濃度在從50到98.5摩爾百分比范圍內的流體。
本文中使用的術語“高純氮”意指氮濃度大于98.5摩爾百分比的流體。
本文中使用的術語“塔”意指蒸餾或分餾塔或區，即，接觸塔或區，其中液體相和蒸汽相逆流接觸以便進行流體混合物的分離，例如，通過蒸汽和液相在一系列安裝在塔內垂直間隔放置的塔盤或塔板上和/或有序或無規填充的填料元件上接觸。為了進一步討論蒸餾塔，參見化學工程師手冊，第5版，編輯R.H.佩里和C.H奇爾頓，麥格勞-希爾圖書公司，紐約，13節，連續蒸餾法(The chemical Engineer’s Handbook,fifth edition,edited by R.H.Perry and C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,NewYork,Section 13,The Continuous Distillation Process)。所用術語“雙塔”指其上端與一低壓塔下端有熱交換關系的高壓塔。雙塔的進一步討論登載在魯曼的“氣體的分離”中，牛津大學出版，1949，第Ⅶ章，工業氣體分離(Ruheman“The Separation of Gases”,oxford University Press,1949,chapter Ⅶ,Commercial Air Separation)。
蒸汽和液體接觸分離工藝取決于各成分蒸汽壓的差別。高蒸汽壓(或易揮發的或低沸點的)成分傾向于在蒸汽相中濃縮，而低蒸汽壓(或不易揮發或高沸點)成分傾向于在液相中濃縮。部分冷凝是一種把蒸汽混合物的冷卻用于一種或多種揮發性成分于蒸汽相中濃縮而因此使一種或多種不易揮發的成分于液相中濃縮的分離方法。精餾法，或連續蒸餾法，是通過蒸汽和液相逆流處理所獲得的連續部分蒸發和冷凝相結合的分離方法。蒸汽相和液相的逆流接觸一般是純熱的并且可包含相間的積分(分段)或微分(連續)接觸。利用分離混合物的精餾原理的分離工藝裝置經常可互換地稱作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾至少是部分在或低于150開爾文溫度(k)下進行的精餾方法。
用于本文中的術語“間接熱交換”意指使兩種流體達到熱交換而無流體的任何物理接觸或相互混合。
用于本文中的術語“再沸器”意指能從塔液體產生塔向上流動蒸汽的熱交換裝置。
用于本文中的術語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”分別指用于高壓氣體流經渦輪機以降低氣體的壓力和溫度由此產生致冷作用的方法和設備。
用于本文中的術語“上部”和“下部”分別指塔的中點以上和以下塔的那些部分。
用于本文中的涉及塔裝置時的術語“塔底”意指塔傳質內件，即塔盤或填料以下塔的部分。
用于本文中的術語“塔底再沸器”意指使來自塔底液體沸騰的再沸器。
用于本文中的術語“中間熱交換器”意指使來自塔底上部液體沸騰的再沸器。
附圖的簡要說明
圖1是本發明最佳實施方案的示意圖。
圖2是本發明另一最佳實施方案的示意圖，其中高純氮在能提高液體生產能力的循環回路中加壓。
圖3是本發明另一最佳實施方案的示意圖，其中還能生產低純度氧。
附圖中的編號對于通用元件是相同的。
詳細說明參照附圖對本發明詳細地進行說明。
現參見圖1，已清除高沸點雜質如水蒸氣、二氧化碳和碳氫化合物，并且通常在每平方英寸為60-200磅(psia)絕對壓力下的原料空氣60，正如在下文將要詳細進行說明的，流過第一熱交換器1時借助于返回的流體間接熱交換而得到冷卻。所得到的冷卻過的原料空氣61，流過能起到使塔11底部液體再沸作用的塔11的底部再沸器20而至少部分冷凝。所得到的原料空氣流62從底部再沸器20通入通常在55-195psia范圍的壓力下操作的第一塔10。
在第一塔10內，通過低溫精餾使原料空氣分離成為富氧塔底液體和富氮塔頂蒸汽。從第一塔10的下部以液體63的形式取出富氧塔底液體通過流經熱交換器2過冷，得到的液流64經過閥65作為液流66流入第二塔11，該塔具有塔底再沸器20和中間熱交器或再沸器21并且在低于第一塔10的壓力下，一般在25-70psia的范圍內進行操作。液流66在中間熱交換器21上面1-20平衡級處進入第二塔11。
富氮塔頂蒸汽作為氣流67從第一塔10上部移出再流經中間熱交換器21，其中富氮塔頂蒸汽通過與來自第二塔11塔底再沸器20上面的流體間接熱交換被冷凝。中間熱交換器21位于塔底再沸器20上方至少一個平衡級，一般為5-20個平衡級處。
所得到的富氮液體作為液流68從中間熱交換器21移出并且其部分69作為回流液流入第一塔10的上部。如需要，可使附加液氮91流過閥92并作為液流93進入第一塔10的上部起附加回流液作用。富氮液體68的另一部分70由于流經熱交換器3過冷。使所得到的液流71流過閥76再作為液流77進入第二塔11的上部。如需要，液流71的一部分72流經閥73后作為產品高純氮液體74回收。
在第二塔11內，各種進料都通過低溫精餾被分離成為富氧塔底液體和富氮塔頂蒸汽。至少部分富氧塔底液體通過前述與流過塔底再沸器20的原料空氣間接熱交換蒸發產生富氧蒸汽。使部分富氧蒸汽作為向上流的蒸汽向上流過第二塔11。另處一部分富氧蒸汽，通常氧濃度范圍為60-95摩爾％，作為流體78從第二塔11的下部取出再通過部分經過第一熱交換器1加熱。使所得的富氧蒸汽流79再通過流經渦輪膨脹機30渦輪膨脹，使所得到的渦輪膨脹過的富氧氣流80流經在其中受熱的第一熱交換機1，這樣可通過間接熱交換冷卻原料空氣流60。從第一熱交換器1取出的受熱富氧蒸汽流81流出系統。一些氣流81或其全部作為產品低壓低純度氧回收。
富氮塔頂蒸汽作為氣流82從第二塔11的上部取出并通過熱交換器2和3加熱。所得到的氣流83通過流經第一熱交換器1加熱，一般再于23-68psia的壓力下作為產品高純氮84回收。
圖2說明本發明的另一實施方案，該方案可用于要求高水平液體生產能力上。圖2中說明的實施方案與圖1說明的實施方案共通的那些方面不再詳細進行討論。
現參見圖2，通過流經氮產品壓縮機31對高純氮產品流84至少一部分進行壓縮，壓力一般達到70-250psia。所得到的流體85被分成兩部分，一部分86作為產品高純高壓氮回收，另一部分87流入與渦輪膨脹機33直接聯接的壓縮機32。流體87流經壓縮機32壓縮至壓力通常在85-300psia的范圍內并且通過流經冷卻器14使所得到的具有壓縮熱流體88變冷，作為流體89流入第一熱交換器1。流體89的第一部分90在部分移出第一熱交換器1后取出并借助于流過渦輪膨脹機33渦輪膨脹。使所得到的渦輪膨脹過的流體94與流體83合并形成流入第一熱交換器1冷端的流體95，然后作為產品流84流入氮產品壓縮機31。流體89的第二部分91完全移出在其中被加熱的第一熱交換器1。其后，它流過閥15再作為流體16進入第一塔10的上部，起到附加回流液的作用。
圖3說明本發明另外一個實施方案，其中在高壓下還生產低純度氧。圖3所說明的實施方案與圖1所說明實施方案共通的那些方面不再進行詳細的討論。
現參見圖3，原料空氣流61僅僅一部分100流經塔底再沸器20。剩余部分40直接流入第一塔10。從塔底再沸器20得到的原料空氣流101流經熱交換器3過冷。所得到的流體102流經閥門103再作為流體104進入第二塔11。來自第一塔10的富氧塔底液體流經熱交換器4過冷然后在與中間熱交換器21相同高度處流入第二塔11。富氮液流70進入第二塔11之前先通過熱交換器2過冷。部分富氧塔底液體作為液體73從第二塔11放出，再作為產品低純度氧液體回收。為了在回收前加熱，流入第一熱交換器1之前先通過流經熱交換器2、3和4加熱富氮蒸汽流82。
第一蒸汽流41，通常具有的氧濃度范圍在1-15摩爾％，從第二塔11的上部引出然后經熱交換器2、3和4加熱以便形成流體98。第二富氧蒸汽流43，具有的氧濃度超過第一蒸汽流41并且一般在60-96摩爾％范圍內，從第二塔11的下部取出。使流體43的一部分44流過閥45再作為流體46與流體98合并形成流體99，它部分移過能作為流體79排出的第一熱交換器1，流體79如上所述進一步被加工處理。流體43的另一部分96通過流經第一熱交換器1加熱再于23-68psia范圍的壓力下作為產品低純度氧97回收。
就生產高純高壓氮而無須產品加壓而言，對比常規單塔系統可能需要的單位分離功率本發明低得多。例如，采用圖1所說明的實施方案，在單位分離功率為2.8kwh/1000CF(每千立方英尺氮千瓦小時)就能生產含有不到2ppm氧的35psia的氮。采用圖3所說明的實施方案時，單位分離功率只不過是3.3kwh/1000CF，還能回收純度為90摩爾％的副產氧。比較起來，對于用在生產高壓氮而產品不壓縮的典型單塔低溫空分的工廠來說，單位分離功率約為5.4kwh/1000CF。
通過本發明的使用可在高壓下有效生產產品無需壓縮的高純氮并且還可任選生產低純度氧，對比使用常規系統效率高得多。盡管參照某些最佳實施方案對本發明已作詳細的說明，但本領域的技術人員將會認識到在權利要求書的精神和領域內還存在著另外一些本發明的實施方案。
權利要求
1．生產氮的方法，包括(A)使原料空氣通入第一塔并在第一塔內借助于低溫精餾使原料空氣分離成為富氧塔底液體和富氮塔頂蒸汽；(B)使來自第一塔的富氧塔底液體通入第二塔和在第二塔內借助于低溫精餾生產富氧塔底液體和富氮塔頂蒸汽；(C)為生產富氧蒸汽蒸發至少一些富氧塔底液體；(D)通過與來自第二塔塔底上方的流體間接熱交換冷凝富氮塔頂蒸汽；(E)渦輪膨脹部分富氧蒸汽；和(F)回收作為產品氮的富氮塔頂蒸汽。
2．權利要求1所述的方法，其中富氧塔底液體通過與其后流入第一塔的原料空氣的間接熱交換而被蒸發。
3．權利要求1所述的方法，其中富氧塔底液體通過與其后流入第二塔的原料空氣的間接熱交換而被蒸發。
4．權利要求1所述的方法，還包括使部分富氮蒸汽加壓，冷凝加壓過的部分并使冷凝加壓過的部分流入第一塔。
5．權利要求1所述的方法，還包括回收一些作為產品低純度氧的富氧塔底液體和富氧蒸汽中至少一種。
6．生產氮用的設備，包括(A)第一塔和使原料空氣通入第一塔的裝置；(B)具有塔底再沸器和中間熱交換器的第二塔；(C)用于使來自第一塔下部的流體流入第二塔的裝置；(D)用于使來自第一塔上部的流體流經中間熱交換器的裝置；(E)渦輪膨脹機和用于使來自第二塔下部的流體流過渦輪膨脹機的裝置；和(F)用于使來自第二塔上部的流體作為產品氮回收的裝置。
7．權利要求6所述的設備，還包括用于使原料空氣流入塔底再沸器的裝置和用于使來自塔底再沸器的原料空氣流入第一塔和第二塔中至少一個的裝置。
8．權利要求6所述的設備，還包括氮產品壓縮機、用于使來自第二塔上部的流體流入氮產品壓縮機的裝置和用于使來自氮產品壓縮機的流體流入第一塔的裝置。
9．權利要求6所述的設備，還包括用于回收來自第二塔下部流體的裝置。
10．權利要求6所述的設備，還包括用于使來自第二塔上部的流體流入渦輪膨脹機的裝置。
全文摘要
用于在高壓下生產高純氮的雙塔低溫精餾系統,其中在第二塔的中間熱交換器中處理來自第一塔的塔頂蒸汽和渦輪膨脹來自第二塔的富氧蒸汽以便產生供分離用的致冷作用。
文檔編號F25J3/04GK1210250SQ9811877
公開日1999年3月10日 申請日期1998年8月27日 優先權日1997年8月29日
發明者D·P·波納奎斯特 申請人:普拉塞爾技術有限公司