專利名稱：低溫蒸餾分離空氣的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫蒸餾分離空氣的方法和裝置。
低溫蒸餾空氣分離單元包括將空氣分餾成重組分和輕組分的蒸餾部分。在該工藝過程中，烴類物質(zhì)會在液氧流中聚集，可造成安全隱患。前置的氧化鋁和分子篩吸附床并不能阻止所有的這些雜質(zhì)進入蒸餾過程中。
除去富氧液流中雜質(zhì)殘余物的傳統(tǒng)方法包括通過硅膠床的額外吸附步驟。另一種可選的方法是僅排出一小部分含烴類物質(zhì)的氧液流以防止重雜質(zhì)的累積，從而使其濃度保持在一足夠低的水平上。這種方法僅僅適用于那些小型工程，其中，相對于排出液氧導(dǎo)致的冷量損失，硅膠吸附單元的額外投資顯得更高。因此，希望有一種有效節(jié)約成本的系統(tǒng)，它不僅能夠除去危險的烴類物質(zhì)，也不會由于排出液氧而導(dǎo)致大量的冷量損失。美國專利US5,379,599和US5,471,842公開了泵壓輸送一清除流并在主熱交換器中對其進行汽化的情形。
本發(fā)明為此提出了安裝一個小型清除流汽化熱交換器，它可以回收清除液流的大部分冷量。該熱交換器采用暖空氣流來蒸發(fā)和加熱氧氣流。該熱蒸發(fā)的氧氣可以直接排出也可以與氣態(tài)氧混合從主熱交換器排出作為產(chǎn)品。該暖空氣流可以來自于吸附床、增壓壓縮機、或其它的熱壓縮源的排出氣。調(diào)節(jié)空氣的流量以使從交換器出來的空氣溫度控制為高于一特定值(～-90℃)，從而避免烴類物質(zhì)沉積在交換器里面。
為了進一步了解本發(fā)明的本質(zhì)和目的，結(jié)合附圖進行下列詳細的說明，附圖中相同或類似的附圖標(biāo)記代表類似的部件，其中-

圖1示出了采用并立雙塔和一個混合塔制備氧氣的本發(fā)明的空氣分離單元；-圖2示出了采用單塔制備氮氣的本發(fā)明的空氣分離單元。
在圖1中，低壓塔LP設(shè)置在同一結(jié)構(gòu)中的混合塔M的上方，高壓塔HP分開設(shè)置但是經(jīng)由冷凝器C與低壓塔熱連接。
將基本上處于高壓塔HP壓力的經(jīng)壓縮和凈化的空氣流1輸送到冷箱。將其分為三股流體。第一股流體3不經(jīng)過冷卻直接送至增壓壓縮機B，在那里被壓縮，使其壓力明顯高于高壓塔的壓力，然后將其分成9和11兩部分。流體9被送至熱交換器E2，而流體11先在后冷卻器A中被冷卻，然后進一步被送至主熱交換器E1進一步冷卻。
熱交換器E2可以是管殼式、螺旋管式或其它可以處理大溫度差、并能避免交換器通道可能的堵塞的任何類型。
空氣流9用于在熱交換器E2中使從高壓塔冷凝器出來的清除氧氣流31汽化。進入熱交換器E2的空氣的溫度高于環(huán)境溫度，而該氧氣流是在低溫下被泵送。為了防止烴類物質(zhì)沉積在熱交換器E2中，有必要調(diào)節(jié)空氣流9，從而使得離開熱交換器E2的空氣的溫度高于一特定值(～-90℃)。例如，可以在交換器E2的空氣出口處放置一個溫度檢測和控制器(TIC)，用其來控制閥門V，調(diào)節(jié)空氣流9。
流體11被冷卻至熱交換器E1的中溫，并與來自交換器E2的冷卻空氣流9一起送至汽輪膨脹機T。然后將膨脹后的空氣流13送至低壓塔LP。
空氣流5被冷卻至熱交換器E1的中溫，然后送至混合塔M的底部。
空氣流7從熱交換器E1的較高溫度端流向低溫端，然后被送至高壓塔HP的底部。
所示的塔包括一種常規(guī)設(shè)置的混合塔，其中液氧29從冷凝器被送至混合塔M的頂部，液氮21從高壓塔HP被送至低壓塔LP的頂部，富氧液體23從高壓塔的底部被送至低壓塔。混合塔M的中間液體17和底部液體15被輸送到低壓塔LP。底部液體15在進入塔LP前優(yōu)選與空氣流13混合。
向冷凝器C供入來自LP塔的底部液體25，產(chǎn)生蒸發(fā)的氣態(tài)氧氣27，該氧氣27被送回低壓塔。
氣態(tài)氮氣19從低壓塔的頂部排出，并在熱交換器E1中被加熱。
來自混合塔M頂部的氣態(tài)氧氣33被輸送到熱交換器E1中，加熱至較高溫度端，并與來自熱交換器E2的被蒸發(fā)的氧氣31混合，形成產(chǎn)物氧氣流35。
空氣流在返回工藝過程前通過清除流蒸發(fā)器E2、控制閥V和管道時具有足夠的壓降很重要。如果獲得的壓降太低，可能無法實現(xiàn)使足夠的空氣流通過清除流蒸發(fā)器，以至不能正常工作。另一方面，如果采用過大的壓降(例如采用中壓空氣并經(jīng)汽輪機后返回低壓回路)，則汽輪機中流速的降低將會導(dǎo)致冷量損失，從而降低了清除流蒸發(fā)器的冷量獲益。
如果空氣來自增壓壓縮機的后冷卻器之前的排出氣，該空氣可以被回注到汽輪機的入口，這樣冷量不會損失(參見附圖1)。這種情況下，空氣流繞過后冷卻器和主熱交換器的較高溫部分。這樣可對清除流蒸發(fā)器和控制閥門產(chǎn)生足夠的壓降，因為增壓器后冷卻器通常明顯吸收壓降。
如果空氣流取自增壓壓縮機(如果有的話)的上游，該空氣流一般返回到主熱交換器低溫端的空氣流中。這種情況下，汽化的清除流流體回送到廢氧氣膨脹器的入口以使冷量的損失最小化。
圖2的空氣分離單元采用了一個具有塔頂雙再沸器的單一塔。在圖2中，壓縮的純化空氣流1被分成兩個部分，形成空氣流9和空氣流5?？諝饬?被送至熱交換器E1，在那里被冷卻，然后被送至塔HP的底部?？諝饬?被送至熱交換器E2，不經(jīng)過熱交換器E1。之后，空氣流9與冷卻后的空氣流5混合，送至塔HP。
來自塔底部的富氧液體15在熱交換器E3中被繼續(xù)冷卻后，送至冷凝器C1。冷凝器C1用于在塔頂部冷凝部分氣態(tài)氮，從而蒸發(fā)部分富氧液體。蒸發(fā)的富氧液體被送至增壓器B中，并在低于流體5的塔入口點之處回到塔中。
未在C1中蒸發(fā)的富氧液體被送至冷凝器C2，冷凝器C2位于冷凝器C1的下方。冷凝器C2同樣也是用來在塔頂部冷凝部分氣態(tài)氮，由此蒸發(fā)部分剩余富氧液體。未在C2中蒸發(fā)的富氧液體作為清除流31排出，在熱交換器E2中用空氣流9汽化。汽化的清除流在汽輪機T中膨脹，驅(qū)動增壓機B，用于在熱交換器E3中冷卻富氧液體，在熱交換器E1中被加熱，然后作為流體53從系統(tǒng)中排出。
產(chǎn)物氮氣33從塔的頂部排出，在熱交換器E1中被加熱。中間純度的氮氣19從塔的中部排出，在熱交換器E1中被加熱。液態(tài)氮氣51從塔的頂部排出，送至儲存罐S。
很明顯，本發(fā)明也可以用于其它類型的空氣分離單元，例如單塔單元、雙塔單元和附加其它塔諸如氬氣塔的雙塔單元，以及三塔單元。總的來說，本發(fā)明可以用于任何需要清除重組分和回收冷量和/或清除流分子的裝置。清除流取自蒸發(fā)器或塔的底槽，其中含有最高濃度的重組分(烴類等)。本發(fā)明的必要技術(shù)特征在前面公開的內(nèi)容中進行了充分的描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本發(fā)明，并在不脫離本發(fā)明實質(zhì)、不偏離后面權(quán)利要求書和其等同物的范圍的情況下作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種采用包括至少一個塔的塔系統(tǒng)的低溫蒸餾空氣分離方法，包括以下步驟a)在一壓縮機里壓縮進料空氣以產(chǎn)生壓縮空氣；b)在一凈化單元中凈化壓縮的空氣以產(chǎn)生壓縮和凈化的空氣；c)將壓縮和凈化的空氣送至一主熱交換器以產(chǎn)生冷卻的、壓縮和凈化的空氣；d)將冷卻的、壓縮和凈化的空氣送至塔系統(tǒng)；e)從該塔系統(tǒng)中排出富氮和富氧流，并在主熱交換器中加熱該富氮和富氧流；f)從該塔系統(tǒng)中排出液態(tài)清除流；和g)該液態(tài)清除流不經(jīng)過主熱交換器加熱，通過與溫度高于0℃的流體的熱交換汽化該液態(tài)清除流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該溫度高于0℃的流體為空氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該空氣流來自壓縮器的下游。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該空氣流來自凈化單元的下游。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該空氣流來自增壓壓縮器的下游。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述液態(tài)清除流在一與主熱交換器分離的另一熱交換器中汽化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中控制輸送至熱交換器的空氣流的流量，保持離開熱交換器的冷卻空氣的溫度高于一設(shè)定值。
8.一種采用包括至少一個塔的塔系統(tǒng)進行空氣分離的低溫蒸餾裝置，其還包括以下設(shè)備a)一主熱交換器；b)用于將冷卻的壓縮空氣送至主熱交換器、以及從主熱交換器送至塔系統(tǒng)的管道；c)用于將富氧和富氮流從塔系統(tǒng)送至主熱交換器的管道；d)一清除流蒸發(fā)器；e)用于從塔系統(tǒng)排出清除流并將該清除流送至清除流蒸發(fā)器的管道；f)用于將壓縮和凈化的空氣送至清除流蒸發(fā)器的管道；以及g)用于將壓縮和凈化的空氣從清除流蒸發(fā)器送至塔系統(tǒng)的管道。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中清除流蒸發(fā)器是螺旋型熱交換器或管殼式熱交換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中主熱交換器是板翅式熱交換器。
全文摘要
一種采用塔系統(tǒng)進行空氣分離的低溫蒸餾裝置，包括至少一個塔(HP、LP、M)、一主熱交換器(E1)、用于將冷卻的壓縮空氣送至主熱交換器、以及從主熱交換器送至塔系統(tǒng)的管道、用于將富氧、富氮流從塔系統(tǒng)送至主熱交換器的管道、清除流蒸發(fā)器(E2)、用于從塔系統(tǒng)排出清除流(31)并將該清除流送至清除流蒸發(fā)器的管道、用于將壓縮和凈化的空氣(9)送至清除流蒸發(fā)器的管道、以及用于將壓縮和凈化的空氣從清除流蒸發(fā)器送至塔系統(tǒng)的管道。
文檔編號F25J3/04GK1904531SQ20061010649
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者T·帕烏爾斯基, M·A·突尼 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司