專利名稱：利用空氣低溫蒸餾制取稀有氣體和氧氣的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用空氣蒸餾方式來制取氧氣和稀有氣體的方法和裝置。
通常用位于復式空氣分離塔主蒸發(fā)器處的驅氣來制取稀薄的氪/疝混合物(參見“Tieftemperaturtechnik”，作者Hausen和Linde，1985年版，337-340頁；“氣體的分離”，作者Isalski，1989年版，96-98頁)。然后將氧產物從蒸發(fā)器上方幾級處的低壓蒸餾塔中抽出。如果氧以氣態(tài)形式抽出，則這種設置導致大量的氪餾分存在于空氣中而所有的氙都有待回收。
然而，在利用被稱之為“泵送”的方法來制取氧的裝置中，存在于空氣中的大約30％的氪和氙“流失”于從低壓蒸餾塔中抽出的液態(tài)氧中。
DE-A-2603505公開了一種空氣分離裝置，在該裝置中在凈化塔內制取含有氪和氙的流體，所述凈化塔以從中壓蒸餾塔排出的兩股富液為原料，這兩股富液在凈化蒸餾塔中的再沸騰是由蒸發(fā)器提供的，該蒸發(fā)器以來自氬蒸餾塔的塔頂氣為原料。
本發(fā)明的一個目的是提供一種提高下述裝置氪和氙產量的系統(tǒng)，所述裝置為利用泵送和蒸發(fā)液態(tài)氧的方式來制取氣態(tài)氧的裝置(或者更一般地說該裝置為從低壓蒸餾塔的底部抽出大量液氧的裝置)。而且，優(yōu)選該裝置也制取氬。
本發(fā)明的另一個目的是發(fā)明一個高含氧量和整體凈化的主蒸發(fā)器，并因此極大的降低碳氫化合物/雜質的濃度(泵送“oxytonne”的好處)，這一點與常規(guī)制取稀薄氪和氙的方案不同。
本發(fā)明的主題之一是在蒸餾塔系統(tǒng)中通過蒸餾制取氧氣和稀有氣體的方法。該蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個中壓蒸餾塔，一個低壓蒸餾塔和一個輔助蒸餾塔。在此方法中i)將至少一股被冷卻和提純的空氣流送至中壓蒸餾塔，在中壓蒸餾塔中將上述空氣流分離；ii)至少將第一股富氮流體從中壓蒸餾塔中抽出，并且至少將這股流體的一部分直接或者間接地導入低壓蒸餾塔中；iii)從中壓蒸餾塔的中間層將中間流體抽出；iv)將與中間流體相比富含氧的流體從中壓蒸餾塔的底部抽出并將其導入輔助蒸餾塔的底部；v)將富含氮的流體從低壓蒸餾塔的頂部抽出；vi)將富含氧的液態(tài)流體作為產品從低壓蒸餾塔抽出，或者在蒸發(fā)階段后將流體抽出以制成氣態(tài)的產品；并且vii)將富氧流體從輔助蒸餾塔中抽出，與第二股富氧的流體相比這股流體還富含氪和氙，其特征在于，將中間流體導入低壓蒸餾塔中，并且一股含有至少78mol％氮的液態(tài)流體作為回流返回到輔助蒸餾塔中。
優(yōu)選地，作為回流返回輔助蒸餾塔中的液態(tài)流體是液化空氣和/或與導入中壓蒸餾塔中的液化空氣流相比富含氮的液體。
根據可選擇的方案-借助從氬蒸餾塔中導出的塔頂氣體對輔助蒸餾塔的底部進行加熱；-所述的液化空氣和/或與空氣相比富含氮的液體是通過與來自低壓蒸餾塔底部的富含氧的液態(tài)流體進行熱交換而制成的，或者可選擇在壓縮階段以后進行上述熱交換；-富氮流體包含至少80mol％的氮；-液化空氣不是來自中壓蒸餾塔，被導入輔助蒸餾塔頂部的液態(tài)流體的含氮量高于中間流體；將制取的至少10％的氧以液態(tài)形式從低壓蒸餾塔中抽出。
本發(fā)明的另一個主題是在蒸餾塔系統(tǒng)中通過蒸餾來制取氧氣和稀有氣體的裝置，該蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個中壓蒸餾塔，一個低壓蒸餾塔和一個輔助蒸餾塔。所述裝置包括i)將至少一股被冷卻和提純的空氣流送至中壓蒸餾塔的機構，在中壓蒸餾塔中將上述空氣流分離；ii)至少將第一股富氮流體從中壓蒸餾塔中抽出的機構，和將至少一部分這股流體直接或者間接地導入低壓蒸餾塔中的機構；iii)將富含氮的流體從低壓蒸餾塔的頂部抽出的機構；iv)將中間流體從中壓蒸餾塔的中間層抽出的機構；v)將與中間流體相比富含氧的流體從中壓蒸餾塔的底部送至輔助蒸餾塔底部內的機構；vi)使液態(tài)流體作為回流返回輔助蒸餾塔的機構；vii)將富氧的液態(tài)流體作為產品從低壓蒸餾塔底部抽出的機構，或者可選擇在蒸發(fā)階段后將流體抽出以制成氣態(tài)的產品；和viii)將第三股富氧流體，該流體與第二股富氧流體相比還富含氪和氙，從輔助蒸餾塔中抽出的機構；其特征在于，該裝置還包括使液化空氣或與導入中壓蒸餾塔中的液態(tài)空氣流相比富含氮的液態(tài)流體作為回流返回輔助蒸餾塔的機構。
根據所選擇的其他方案，該裝置包括-凈化蒸餾塔，將第三股富氧流體導入凈化蒸餾塔頂部的機構，和在塔中至少下行幾個理論級將第四股富氧流體抽出的裝置，第四股富氧流體為富含氪和氙的混合物；和-熱交換管，在該管中，液化空氣和/或與空氣相比富含氮的液體通過與低壓蒸餾塔底部導出的富含氧的液態(tài)流體進行熱交換制成，或者可選擇在加壓階段以后進行上述熱交換。
現在將參照

圖1-9來對本發(fā)明進行說明，這些圖是表示本發(fā)明所述裝置原理的示意圖。
在圖1所示的實施例中，復式空氣分離塔包括中壓蒸餾塔K01和低壓蒸餾塔K02，這兩個蒸餾塔通過主蒸發(fā)器E02熱連接，該蒸發(fā)器用于通過與來自蒸餾塔K02底部的氧進行熱交換，使至少部分蒸餾塔K01高處的氣態(tài)氮冷凝。
氬蒸餾塔K10以來自低壓蒸餾塔K02的富氬流體7為原料，富氬流體9從氬蒸餾塔K10返回到低壓蒸餾塔K02中。將富含氬的流體ARGON從氬蒸餾塔K10的頂部抽出。
在泵送裝置中，部分干燥和脫碳的空氣在空氣增壓機(圖中未示出)中被壓縮到足以允許任意泵送的氧蒸發(fā)的壓力。接著這些空氣在主熱交換管中冷凝(圖中未示出)。在主熱交換管的冷端，這股流體在閥或者水輪機中膨脹。然后可以分別在中壓蒸餾塔K01、低壓蒸餾塔K02和輔助蒸餾塔K05之間將這股流體的液相LIQ AIR分配成流體1、3和5。該液體包含78％mol的氮。
中壓空氣MP AIR的另一部分在主熱交換管中冷卻，并被導入中壓蒸餾塔K01的底部。
本發(fā)明的原理是在富液RL2中收集氪和氙，接著在輔助蒸餾塔K05中處理該富液。
因此兩股富液RL1和RL2都從中壓蒸餾塔K01中抽出，即從中壓蒸餾塔底部上方幾級的中間層抽出含有少量氪和氙的“常規(guī)”富液RL1，和富集氪和氙的底部富液RL2。在使這股“常規(guī)”富液RL1過冷后接著可以將其送到蒸餾塔K02中。
在底部富液RL2過冷(圖中未示出)后，將其導入K10的氬混合物冷凝器E10中。為了在氬混合物冷凝器中提濃氪和氙，在上述裝置上方設置了多個級。上述組件構成蒸餾塔K05。來自該塔的部分回流是由液態(tài)空氣LIQ AIR中沒有流入蒸餾塔K01的部分5在過冷后提供的，回流的另一部分由中間流體11的部分15提供，通常經過管道13將所述平均流體導入蒸餾塔K02中，并且該流體包含至少80％mol的氮。將氣體16從蒸餾塔K05回流注入點下方的中間層抽出，而且該氣體組成氣化的富液。接著該氣體將在蒸餾塔K02中再循環(huán)。來自蒸餾塔K05的頂部氣體WN2’組成離開冷箱的廢氣WN2的一部分。
來自混合物冷凝器E10的驅氣PURGE包含大部分存在于空氣中的氪和氙，這些氪和氙已經由蒸餾塔K01和K05處理過。為了集取稀有氣體，而使這股流流入一個裝置中。例如，可以使這股流體流入稀薄的氪/氙混合物蒸餾塔(K90)中。該塔的塔底包括待受益的產品。從蒸餾塔K90中出來的蒸汽17被送回蒸餾塔K05的底部。
形成部分MP AIR的空氣流對蒸餾塔K90進行加熱。因而可以將形成的液化空氣送回中壓蒸餾塔K01和/或低壓蒸餾塔K02。
液態(tài)氧LO產品作為殘留物從蒸餾塔K02抽出，與主蒸發(fā)器E02在同一平面。因而和傳統(tǒng)制取氪和氙的方案的不同此主蒸發(fā)器被整體凈化。
優(yōu)選采用泵對液態(tài)氧LO加壓，然后液態(tài)氧在熱交換管或者專用的蒸發(fā)器中通過與壓縮空氣進行熱交換而蒸發(fā)，或者可選擇地，可以利用氮循環(huán)使液態(tài)氧LO蒸發(fā)。
接下來的附圖示出由圖1衍變而成的幾個不同的實施例。與圖1相同的元件不再重復說明。
如圖2所示的實施例，從主熱交換管出來的所有液態(tài)空氣LIQ AIR都被導入蒸餾塔K01中，將以液態(tài)形式的中間流體1’從蒸餾塔K01中抽出(最好在引入液態(tài)空氣的平面或者高于這個平面的水平處)。接著，在過冷后，將上述中間流體在蒸餾塔K02和蒸餾塔K05之間分成兩股流體3和5。將包括至少80％mol氮的流體11導入蒸餾塔K05的頂部。
在圖3中，在圖2的基礎上，將蒸餾塔K05的一個頂部部分去除。。這個蒸餾塔的回流僅由液態(tài)空氣5，最好是過冷的液態(tài)空氣，提供。該液態(tài)空氣是通過蒸發(fā)在熱交換管中加壓的液態(tài)氧LO來制取的。所有的低品味液體13都被導入低壓蒸餾塔K02中。
另外，所有出現在熱交換管出口的液態(tài)空氣LIQ AIR都可以從蒸餾塔K01中(最好是在引入液態(tài)空氣的點處)抽出，在過冷之后接著將該空氣在蒸餾塔K02和蒸餾塔K05之間進行分配，如圖4所示。
在圖5和圖6中，在圖3和圖4的基礎上，將從蒸餾塔K05出來的廢氣WN2’在低于低品味液體13的注入點處送回蒸餾塔K02中。
在圖7中，在圖5的基礎上，將流體16省略并用廢氮流WN2’取代，這股廢氮流從輔助蒸餾塔K05的頂部導入低壓蒸餾塔的中部。
在上面所述的所有圖中(圖1-7)，可以用傳統(tǒng)的方案連接上述裝置來制取氪和氙。而要這么做，需要安裝幾個級來富集蒸餾塔K02中的殘留物。在主蒸發(fā)器E02上方的幾級處將液態(tài)氧LO制取出來。在與主蒸發(fā)器E02齊平的平面處將驅氣21抽出。該驅氣包括蒸餾塔K02中的70％mol的氪和全部的氙。將這股流體送入蒸餾塔K90中以回收稀有氣體。
圖8示出一個實施例。
在上面所示的所有圖中(圖1-8)，提到了同時生產氬。然而，也可以將上述裝置安裝到不生產氬的設備中。例如，安裝熱交換器來冷凝從蒸餾塔K02中抽出的部分氣體7就足夠了。這股氣體一旦液化，就將其(9)送入蒸餾塔K02中。這使其將在蒸餾塔K05中再沸騰。
圖9示出一個實施例。
在有鼓風式渦輪機的具體方案中，將鼓送的空氣送入蒸餾塔K05的底部以回收流體中含有的氪和氙。
另外，圖1-9所示的方案也可以包括蒸餾裝置，例如Etienne塔(一種可以在中壓和低壓之間的壓力下運行并以富液為原料的蒸餾塔)。在這種情況下，就可以依據相同的原理，通過將圖1-9所示的氬蒸餾塔K10換成Etienne塔，來改進Etienne蒸餾塔的頂部冷凝器，這種相同的原理為在冷凝器的上方增加幾個級來收集稀有氣體。
不將所有的液態(tài)空氣送至輔助蒸餾塔的頂部，而是此蒸餾塔的入口處僅引入能夠確保氪和氙在K05底部富集所需的L/V(蒸餾部分中下降的液體流速和增大的氣體流速的比值)，從而限制K05底部氧氣濃度的氣流量，這或許也是有利的。將剩余的液態(tài)空氣流和富液RL2一起導入輔助蒸餾塔的底部。
權利要求
1.一種在蒸餾塔系統(tǒng)中通過蒸餾制取氧氣和稀有氣體的方法，該蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個中壓蒸餾塔(K01)，一個低壓蒸餾塔(K02)和至少一個輔助蒸餾塔(K05)，在該方法中i)將至少一股被冷卻和提純的空氣流(1)送至中壓蒸餾塔，在中壓蒸餾塔中將上述空氣流分離；ii)至少將第一股富氮流體(11)從中壓蒸餾塔中抽出，并且至少將這股流體的一部分直接或者間接地導入低壓蒸餾塔中；iii)從中壓蒸餾塔的中間層將中間流體(RL1)抽出；iv)將與中間流體相比富含氧的流體(RL2)從中壓蒸餾塔的底部抽出并將其導入輔助蒸餾塔的底部；v)將富含氮的流體(WN2)從低壓蒸餾塔的頂部抽出；vi)將富含氧的液態(tài)流體(LO)作為產品從低壓蒸餾塔抽出，或者在蒸發(fā)階段后將流體抽出以制成氣態(tài)的產品；和vii)將富氧流體(PURGE)從輔助蒸餾塔中抽出，與第二股富氧流體相比這股流體還富含氪和氙；其特征在于，將中間流體(RL1)導入低壓蒸餾塔中，并且至少一股含有至少78mol％氮的液態(tài)流體(5，15)作為回流返回到輔助蒸餾塔中。
2.如權利要求1所述的方法，其中將第三股富氧流體(PURGE)導入凈化蒸餾塔(K90)的頂部，組成富含氪和氙的混合物的第四股富氧流體(MIXTURE)在塔的至少下行幾個理論級被抽出。
3.如上述任一權利要求所述的方法，其中作為回流返回輔助蒸餾塔(K05)的液態(tài)流體(5)是液化空氣和/或與導入中壓蒸餾塔中的液化空氣流相比富含氮的液體。
4.如上述任一權利要求所述的方法，其中利用氬蒸餾塔(K10)塔頂氣體對輔助蒸餾塔的底部進行加熱。
5.如權利要求3或4所述的方法，其中通過與來自低壓蒸餾塔底部的富含氧的液態(tài)流體(LO)進行熱交換來制取液態(tài)空氣(5)和/或與空氣相比富含氮的液體，或者可選擇壓縮階段以后進行上述熱交換。
6.如權利要求3所述的方法，其中富氮流體(15)包含至少80mol％的氮。
7.如權利要求3所述的方法，其中液化空氣(5)不來自中壓蒸餾塔。
8.如上述任一權利要求所述的方法，其中被導入輔助蒸餾塔頂部的液態(tài)流體(5，15)的含氮量高于所述中間流體。
9.如上述任一權利要求所述的方法，其中將制取的至少10％的氧以液態(tài)形式從低壓蒸餾塔中抽出。
10.一種在蒸餾塔系統(tǒng)中通過蒸餾制取氧氣和稀有氣體的裝置，該蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個中壓蒸餾塔(K01)，一個低壓蒸餾塔(K02)和一個輔助蒸餾塔(K05)，該裝置還包括i)將至少一股被冷卻和提純的空氣流(1)送至中壓蒸餾塔中的機構，在中壓蒸餾塔中將上述空氣流分離；ii)至少將第一股富氮流體(11)從中壓蒸餾塔中導出的機構，和將至少一部分這股流體直接或者間接地導入低壓蒸餾塔中的機構；iii)將富含氮的流體(WN2)從低壓蒸餾塔頂部抽出的機構；iv)將中間流體(RL1)從中壓蒸餾塔的中間層抽出的機構；v)將與中間流體相比富含氧的流體從中壓蒸餾塔的底部送至輔助蒸餾塔底部內的機構；vi)使液態(tài)流體(5，15)作為回流返回輔助蒸餾塔的機構；vii)將富含氧的液態(tài)流體(LO)作為產品從低壓蒸餾塔底部導出的機構，或者可選擇地在蒸發(fā)階段后將流體抽出以制成氣態(tài)的產品；和viii)將第三股富氧流體(PURGE)，該流體與第二股富氧流體相比還富含氪和氙，從輔助蒸餾塔中抽出的機構，其特征在于，該裝置還包括使液化空氣或與導入中壓蒸餾塔中的液態(tài)空氣流相比富含氮的液態(tài)流體作為回流返回輔助蒸餾塔的機構。
11.如權利要求10所述的裝置，還包括一個凈化蒸餾塔(K90)，將第三股富氧流體(PURGE)導入凈化蒸餾塔頂部的機構，和將組成富含氪和氙的混合物的第四股富氧流體(MIXTURE)在塔的至少下行幾個理論級抽出的裝置。
12.如權利要求10或11所述的裝置，還包括與低壓蒸餾塔底部導出的富含氧的液態(tài)流體進行熱交換，或者在壓縮階段以后進行熱交換，其中產生液化空氣和/或與空氣相比富含氮的液體的熱交換管。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用低溫空氣蒸餾制取稀有氣體和氧氣的方法和裝置。在包括至少一個中壓蒸餾塔(K01)，一個低壓蒸餾塔(K02)和一個輔助蒸餾塔(K05)的蒸餾塔系統(tǒng)內制取稀有氣體和氧氣的方法包括在中壓蒸餾塔的中間層抽出中間排放流體(LR1)，將其導入低壓蒸餾塔；從中壓蒸餾塔中導出排放流體(LR2)，該流體富含氧，將其導入輔助蒸餾塔的罐；從低壓蒸餾塔的頂部導出富含氮的排放流體(WN2)；從低壓蒸餾塔的罐中導出富含氧的液態(tài)排放流體(CL)，形成產品，可在蒸發(fā)階段后將流體導出以制成氣態(tài)產品；并從輔助蒸餾塔中導出富含氪和氙的富氧排放流體(PURGE)，使含有至少78％mol氮的液態(tài)流體(5，15)作為回流返回到輔助蒸餾塔中。
文檔編號F25J3/04GK1678875SQ03820967
公開日2005年10月5日 申請日期2003年7月30日 優(yōu)先權日2002年9月4日
發(fā)明者L·若瓦尼, F·茹達斯, B·索尼耶 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司