專利名稱：空氣分離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分離空氣的方法和設(shè)備。
商業(yè)上分離空氣的最重要的方法是精餾法。最常采用的空氣分離過程包括幾個(gè)步驟，即壓縮空氣流、通過除去水蒸汽和二氧化碳純化壓縮空氣流、以及通過與返回的產(chǎn)品物流熱交換將壓縮空氣流預(yù)冷卻到適于其精餾的溫度。所說的精餾在所謂“雙精餾塔”中完成，這種雙精餾塔包括一個(gè)較高壓力塔和一個(gè)較低壓力塔，即這二個(gè)塔中有一個(gè)塔的操作壓力高于另一個(gè)塔的壓力。將空氣(如果不是全部也是大部分)送入較高壓力塔中分離成富氧液態(tài)空氣和液氮蒸氣。氮蒸氣被冷凝，部分冷凝液在較高壓力塔中用作回流液。富氧液體從較高壓力塔底放出，經(jīng)進(jìn)一步冷卻后經(jīng)過一個(gè)節(jié)流或減壓閥送入較低壓力塔的中間區(qū)域。此富氧液體在此較低壓力塔中被分離成基本純凈的氧和氮產(chǎn)品。這二種產(chǎn)品以氣態(tài)自較低壓力塔中放出，并形成與進(jìn)來的空氣流熱交換的返回物流。較低壓力塔的回流液，取自較高壓力塔的其余冷凝液，經(jīng)過進(jìn)一步冷卻后使之經(jīng)過節(jié)流或減壓閥進(jìn)入較低壓力塔的頂部。
按常規(guī)，此較低壓力塔在1～1.5個(gè)絕對(duì)大氣壓范圍的壓力下操作。較低壓力塔底的液氧用來滿足較高壓力塔頂處的冷凝需要。因此，較高壓力塔頂?shù)牡魵馀c較低壓力塔的液體氧熱交換。可以使足夠量的液體氧蒸發(fā)，以便滿足較低壓力塔再沸的要求和能夠獲得良好的氣體氧產(chǎn)品的產(chǎn)率。較高壓力塔頂?shù)膲毫?因而也是進(jìn)來的空氣被壓縮到的壓力)應(yīng)這樣設(shè)置，以便使冷凝氮的溫度比較低壓力塔中沸騰氧的溫度高1或2°K。由于這些原因，所以一般不能夠使較高壓力塔在低于大約5巴壓力下操作。
人們對(duì)這種空氣分離過程已提出了一些改進(jìn)，使較高壓力塔能夠在低于5巴的壓力下操作，但此時(shí)氧產(chǎn)品純度不高，例如其中含有3～20%(體積)雜質(zhì)。Ziemer在US-A-4410343披露當(dāng)需要這樣低純度氧時(shí)，不采用上述的那種較低與較高壓力塔間的連接方式，而是采用空氣使較低壓力塔底的氧沸騰，以便既為該塔提供再沸又使氧產(chǎn)品蒸發(fā)。然后將得到的冷凝空氣送入較高和較低壓力的二塔之中。從較高壓力塔放出的富氧液流，經(jīng)過節(jié)流或減壓閥后，一部分用來在較高壓力塔頂處起冷凝氮的作用。
US-A-3210951中也披露出一種生產(chǎn)不純氧的工藝方法，其中用空氣使較低壓力塔底中氧沸騰，以便既為該塔提供再沸作用又使氧產(chǎn)品蒸發(fā)。但是，此工藝中使用來自較低壓力塔中間區(qū)域的富氧液流，來實(shí)現(xiàn)在較高壓力塔中產(chǎn)生的氮蒸氣的冷凝。此工藝能夠使較高壓力塔的操作壓力降低到接近4巴。
US-A-3210951和US-A-4410343中公開的方法，不適合于在高于約1.5巴壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)較低壓力塔的情況。
EP-A-0538118中公開了一種在高于傳統(tǒng)的壓力限下使雙塔工藝運(yùn)行的方法，該法不損失氧的回收率而且能耗低。在一實(shí)例中，從較高壓力精餾塔底取出富氧液態(tài)空氣后，送入一附加塔中的全部液-氣傳質(zhì)表面上方的某位置處。此附加塔在介于較高壓力塔和較低壓力塔壓力之間的壓力下操作，它向較低壓力精餾塔的不同中間水平提供液體進(jìn)料和氣體進(jìn)料。
本發(fā)明的目的之一是提供在與上述已有工藝相比于提高的較低壓力精餾器的壓力下能夠更高效操作的空氣分離方法和設(shè)備。
按照本發(fā)明提供了一種空氣分離法，它包括下列步驟a)在較高壓力精餾器中將預(yù)冷和純化的空氣分離成富氧液體和氮?dú)怏w;
b)在介于較高壓力精餾器頂部壓力和較低壓力精餾器底部壓力之間的壓力下分離所說的富氧液體流，以便形成進(jìn)一步富氧的液體和中間氣體;
c)在較低壓力精餾器中將所說進(jìn)一步富氧的液體流分離成氧和氮;以及d)為所說的較高和較低壓力精餾器提供回流的液氮，其中一部分所說的回流液體氮是通過與來自所說的較低壓力精餾器中間傳質(zhì)區(qū)的液體間接熱交換，由所說的氮?dú)饬鞯睦淠纬傻摹?br> 本發(fā)明還提供了分離空氣的設(shè)備，它包括a)將預(yù)冷卻和純化的空氣分離成富氧液體和氮?dú)庥玫囊粋€(gè)較高壓力精餾器;
b)用于生產(chǎn)氧和氮的一個(gè)較低壓力精餾器;
c)在介于所說的較高壓力精餾器頂部壓力和所說的較低壓力精餾器底部壓力之間的壓力下，將所說的富氧液流分離成進(jìn)一步富氧液體和中間氣體用的分離裝置;
d)用于把所說的進(jìn)一步富氧的液體送入所說的較低壓力精餾器中以便將其分離成氧和氮的裝置;以及e)為所說的較高和較低壓力精餾器提供液氮回流液用的裝置，它包括使所說的氮?dú)饬髋c來自所說較低壓力精餾器中間傳質(zhì)區(qū)的液體進(jìn)行間接熱交換的一個(gè)冷凝器。
在本發(fā)明方法的步驟(b)中，所說富氧液流的分離操作是(i)在一附加精餾器中精餾(以下有時(shí)叫作“中間精餾”)或者ii)于介于較高壓力精餾器頂?shù)膲毫洼^低壓力精餾器底的壓力之間的所說壓力下，閃蒸所說的富氧液流，使之形成液-氣混合物;并且將形成的液-氣混合物分離成液相和氣相，形成所說的進(jìn)一步富氧的液體和所說的中間氣體。這些步驟有時(shí)統(tǒng)稱為“中間閃蒸分離”。為了提高所說中間氣體的形成速率，優(yōu)選使一部分所說的進(jìn)一步富氧的液體再沸。
如果本發(fā)明方法的(b)步驟以中間精餾的方式進(jìn)行，則在全部液-氣傳質(zhì)裝置的下方將所說的富氧液流送入附加精餾器中或向其中送入進(jìn)來的供料。
此液體的再沸，優(yōu)選通過與來自較高壓力精餾器的另一氮流間接熱交換的方式進(jìn)行，以便使氮冷凝。此氮冷凝液提供了又一回流源，它最好用于所說的較高壓力精餾器中。所說的附加精餾器優(yōu)選設(shè)置有一個(gè)再沸器，以便在此附加精餾器底使液體部分再沸。附加精餾器優(yōu)選產(chǎn)生氮?dú)庾鳛橹虚g氣體。優(yōu)選使所說的氮冷凝形成另外的回流液氮，其中一部分優(yōu)選用于較低壓力精餾器中，而另一部分優(yōu)選用于附加精餾器中。
若本發(fā)明方法的(b)步驟按中間閃蒸分離方式進(jìn)行，則可以在相分離器的上游或其中進(jìn)行所說的部分再沸。所述的部分再沸過程可以通過與來自較高壓力精餾器中的另一氮?dú)饬髦g的間接熱交換方式進(jìn)行，使氮冷凝。此氮冷凝液提供了進(jìn)一步的回流源，它優(yōu)選用于較高壓力精餾器中。另外的回流液體氮優(yōu)選通過使來自較高壓力精餾器的氮與由較低壓力精餾器底放出的液氧之間的間接熱交換的方式形成，所說的液氧優(yōu)選在比較低壓力精餾器頂?shù)膲毫Φ偷膲毫ο逻M(jìn)入所說的熱交換器。借以使液氧蒸發(fā)并可以以產(chǎn)品形式取出。另外的這種回流液氮一般在較高壓力精餾器中作為回流液使用。
若本發(fā)明方法的(b)步驟按中間閃蒸分離方式進(jìn)行，則優(yōu)選將所說的中間氣體冷凝并將形成的冷凝液還送到較高壓力精餾器中，以便提高回流液氮的產(chǎn)生速度。
無論(b)步驟是如何進(jìn)行的，所說的中間氣體最好都通過與所說的進(jìn)一步富集的液流間接熱交換的方式加以冷凝，此液流的壓力在所說熱交換器的上游降低。此進(jìn)一步富集的液流通常得以部分汽化，而且最好把形成的流體送入較低壓力精餾器中。(必要時(shí)可以使進(jìn)一步富集的液流送入較低壓力精餾器而不經(jīng)過與中間氣體的間接熱交換)。也可以通過與從較低壓力精餾器的中間傳質(zhì)區(qū)取出的液體進(jìn)行間接熱交換將中間氣體冷凝，這種由較低壓力精餾器的中間傳質(zhì)區(qū)取出的液體得以至少部分地再沸。優(yōu)選使之返回到較低壓力精餾器的傳質(zhì)區(qū)。
通常，較低壓力精餾器的再沸由一臺(tái)再沸-冷凝器通過與預(yù)冷卻和純化的空氣流之間的間接熱交換來提供，該進(jìn)料空氣流因而被至少部分地冷凝。
所說的較高壓力精餾器和附加精餾器優(yōu)選各包括一個(gè)精餾塔。較低壓力精餾器也可以包括一個(gè)單精餾塔或兩個(gè)分開的塔。后一方式的優(yōu)點(diǎn)是用于使所說氮?dú)饬髋c來自較低壓力精餾器中間傳質(zhì)區(qū)的液體進(jìn)行間接熱交換的所說冷凝器可以設(shè)置在一個(gè)塔的底部區(qū)域，因而可以構(gòu)成一種傳統(tǒng)的熱虹吸式的冷凝再沸器。
在較低壓力精餾器中分離的氧的純度，優(yōu)選為85～96%，在較低壓力精餾器中分離的氮的純度優(yōu)選為至少98%。
本發(fā)明方法用的致冷作用，可以通過利用原料空氣流或氮?dú)饬鞯耐夤π阅茉斐傻呐蛎涀饔脕韺?shí)現(xiàn)。
以下參照附圖，利用實(shí)施例來說明本發(fā)明的方法和設(shè)備，其中

圖1是本發(fā)明的第一空氣分離設(shè)備示意流程圖;
圖2是本發(fā)明的第二空氣分離設(shè)備示意流程圖;
圖3是圖2所示設(shè)備操作的McCabe-Thiele圖;
圖4～8是本發(fā)明的另一些空氣分離設(shè)備示意流程圖。
在隨后對(duì)圖1的說明中，方括弧中列出的參數(shù)是用計(jì)算機(jī)模擬其中所示設(shè)備的運(yùn)行時(shí)得到的。
參照?qǐng)D1，進(jìn)料空氣流由壓縮機(jī)2壓縮后，使得到的被壓縮的空氣流通過一個(gè)提純單元4從中有效地除去水蒸汽和二氧化碳。
單元4采用一些吸附劑床(未示出)除去水蒸汽和二氧化碳。這些床互相輪換運(yùn)行，以便在一或多個(gè)床在純化進(jìn)料空氣流時(shí)，其余的床被再生，例如用熱氮?dú)饬鳑_洗的方式再生。這種純化單元及其操作是本領(lǐng)域中公知的，無需作進(jìn)一步說明。
經(jīng)純化的進(jìn)料空氣流[溫度297°K，壓力12.3巴]被分成第一和第二兩股空氣流。第一空氣流[流速95823標(biāo)準(zhǔn)米3/小時(shí)(sm3/hr)]流過一臺(tái)主熱交換器6，由其熱端8到冷端10，其溫度因而從大約環(huán)境溫度降至空氣的飽和溫度(或適于精餾分離空氣的其它溫度)[116.9°K]。冷卻的第一空氣流的第一部分[流速51082sm3/hr]通過入口14被送入較高壓力精餾塔12的底部區(qū)域。所說的冷卻的第一空氣流的第二部分[流速44741sm3/hr]由于穿過一臺(tái)第一冷凝-再沸器16的諸冷凝通路而被至少部分冷凝。將得到的至少部分冷凝的空氣[狀態(tài)100%液態(tài)，溫度109.3°K]經(jīng)過入口18送入較高壓力精餾塔12中。此較高壓力精餾塔12內(nèi)設(shè)置有液-氣接觸裝置(未示出)，以便使下行的液相與上升的氣相密切接觸，在此二相之間產(chǎn)生傳質(zhì)。
下行的液相逐漸變得富氧，而上升的氣相逐漸變得富氮。所說的液-氣接觸裝置可以包括排列的數(shù)個(gè)液-氣接觸塔盤和與之相通的降液管，或者可以包括有規(guī)和無規(guī)填料。在較高壓力精餾塔12的底部，一般收集有大量液體(未示出)。
入口14一般設(shè)在適當(dāng)部位，以便在所說的液-氣接觸裝置的下方將空氣通入塔12中，或者使處于較高壓力精餾塔12的底部的液體與進(jìn)來的空氣之間近似處在平衡狀態(tài)下。因此，由于氧比空氣中其它主要成分(氮和氬)揮發(fā)性小，所以在較高壓力精餾塔12的底部(一般是個(gè)池子)收集的液體，其氧濃度高于空氣中的，即富含氧。
在所說的液-氣接觸裝置(未示出)中設(shè)置有足夠數(shù)目的塔盤或足夠高度的填料，使由此液-氣接觸裝置頂部出來的氣體部分為基本上純的氮?dú)狻⒌谝还傻獨(dú)饬饔奢^高壓力精餾塔12的頂部通過出口20放出后，在第二再沸-冷凝器22內(nèi)被冷凝，冷凝液經(jīng)由入口24返回到處于較高壓力精餾塔12頂部的收集器30中。第二股氮?dú)饬饔奢^高壓力精餾塔頂通過出口26放出后，在第三冷凝-再沸器28中被冷凝，此冷凝液由此冷凝-再沸器28放出，經(jīng)入口32被返送到收集器30中。使用進(jìn)入收集器30中的部分液氮作為較高壓力精餾塔12中的回流液氮;另一部分此冷凝液將被用作較低壓力精餾器34中的回流液，詳見下述。
富氧液流(通常包含大約32%(體積)氧)[組成(摩爾分?jǐn)?shù))0.32 O2、0.01 Ar、0.67 N2;壓力12巴;溫度110.7°K;流速44519sm3/hr]通過出口36由較高壓力精餾塔12中放出后，在熱交換器38中被進(jìn)一步冷卻。此經(jīng)進(jìn)一步冷卻的液流通過第一減壓閥閃蒸后，形成由電閃蒸氣體和進(jìn)一步富氧的殘液組成的混合物。將此進(jìn)一步富氧液體和乏氧氣體組成的混合物，經(jīng)由入口44送入中間精餾塔42的底部區(qū)域。中間分餾塔42的再沸是由處于塔42底部的第二冷凝-再沸器28完成。此冷凝-再沸器28使氣體由塔42的底部向上流動(dòng)。另一臺(tái)冷凝-再沸器46冷凝由中間精餾塔42頂放出的氣體。一部分形成的冷凝液返回塔42作為回流液，另一部分用作較低壓力精餾器中的回流液(詳見下述)。在中間精餾塔42中最好設(shè)置足夠數(shù)目的蒸餾塔盤(未列出)或足夠高度的填料(未劃出)，以便在下行的液體和上升的氣體之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用并在塔42的頂部給出基本純凈的氮。因此，在冷凝-再沸器46中形成的冷凝液基本上是液氮。必要時(shí)，也可以自塔42取出氣體氮產(chǎn)品。
冷凝-再沸器28使中間精餾塔42底的液體部分再沸。進(jìn)一步富集的殘留液流(通常含約40%(體積)氧)[組成(摩爾分?jǐn)?shù))O20.40，Ar 0.02，N20.58;壓力8.1巴;溫度105.4°K;流速38472sm3/hr]經(jīng)由出口48連續(xù)由中間精餾塔42的底部放出后，使之通過一個(gè)第二減壓閥49，以便使其壓力降低到與較低壓力精餾器34操作壓力大體相同的水平。經(jīng)減壓和進(jìn)一步富集的第一液流(一般含一些氣體)流過冷凝-再沸器46，以便為冷凝其中的氮?dú)馓峁├鋮s作用。此進(jìn)一步富集的液流本身，在冷凝-再沸器28中至少部分汽化。形成的富氧流[狀態(tài)66%(重量)氣體和34%(重量)液體;壓力4.5巴;溫度99.1°K]由入口50被送到較低壓力精餾器34中間位置處作為第一進(jìn)料物流。作為第二進(jìn)料物流，將液態(tài)空氣流[組成(摩爾分?jǐn)?shù))O20.21，Ar 0.01，N20.78;溫度109.2°K;壓力12.0巴，流速26999sm3/hr]由處于與入口18同高度的出口52處從較高壓力精餾塔12中放出。一部分第二進(jìn)料物流[流速20999sm3/hr]通過減壓閥54，使其壓力降低到約近于較低壓力精餾器34的數(shù)值。將形成的減壓的液態(tài)空氣流過入口56送入精餾器34中。按另一種方案，可以將來自冷凝-再沸器16的至少被部分冷凝的空氣，經(jīng)由減壓閥(未示出)供入較低壓力精餾器34中，而不首先送入較高壓力精餾塔12之中。經(jīng)由出口52從較高壓力精餾塔12中放出的另一部分液態(tài)空氣流[流速6000sm3/hr]，從閥54的上游取出后，經(jīng)過閥53被送入中間壓力精餾塔中進(jìn)行分離。
如圖1所示，較低壓力精餾器34包括一個(gè)上級(jí)58和一個(gè)下級(jí)60;上下級(jí)58和60互相自由相通。這就是說，氣體通過導(dǎo)管62從下級(jí)60的頂部進(jìn)入上級(jí)58的底部，其間不經(jīng)過任何降低或提高其壓力的裝置。液體以相似方式經(jīng)過導(dǎo)管64從上級(jí)58的底部流到下級(jí)60的頂部而不通過任何降低或提高其壓力的裝置。二級(jí)式較低壓力精餾器34的優(yōu)點(diǎn)在于可以將冷凝-再沸器22設(shè)在上級(jí)58的底部區(qū)域內(nèi)，因此可以是一種傳統(tǒng)型熱虹吸式結(jié)構(gòu)。
較低壓力精餾器34中的兩股進(jìn)料物流的分離導(dǎo)致形成氧和氮產(chǎn)品。此較低壓力精餾器34的上下級(jí)58和60均有液-氣接觸裝置(未示出)，借以使下行的液與上升的氣相密切接觸，在此兩相之間發(fā)生傳質(zhì)作用。所說的液-氣接觸裝置(未示出)類型可以與在較高壓力精餾塔12中或中間壓力精餾塔42中使用的液-氣接觸裝置相同或不同。從兩個(gè)源向較低壓力精餾器34提供回流的液氮;第一個(gè)源是收集器20的出口66，液氮流[摩爾分?jǐn)?shù)N20.99;壓力11.9巴;溫度106.6°K;流速24305sm3/hr]通過出口66放出。然后使此液氮流經(jīng)過熱交換器38使之進(jìn)一步冷卻。此經(jīng)進(jìn)一步冷卻的液氮流[溫度94.3°K;壓力7.8巴]通過一減壓閥68后，由入口70流入較低壓力精餾器34上級(jí)58的頂部區(qū)域內(nèi)。第二股回流的液氮流從冷凝-再沸器46的冷凝液中取出，在熱交換器38中加以進(jìn)一步冷卻。此進(jìn)一步冷卻的液氮[摩爾分?jǐn)?shù)N21.0;溫度94.3°K;壓力7.8巴;流速12047sm3/hr]流經(jīng)減壓閥72后，被送入較低壓力精餾器34的上級(jí)58的頂部區(qū)作回流的液氮。因而形成液體穿過較低壓力精餾器34向下流動(dòng)的液流。通過冷凝-再沸器16的運(yùn)轉(zhuǎn)，使處于較低壓力精餾器34的下級(jí)60的頂部的液體再沸，來形成向上穿過較低壓力精餾器34的氣流。由于此冷凝-再沸器的運(yùn)行使此級(jí)底部的液體再沸，從而增大了通過較低壓力精餾器34的上級(jí)58的氣流。
通過出口76，從較低壓力精餾器34下級(jí)60的底部區(qū)域放出一種氧產(chǎn)品，純度一般為90～95%[組成(摩爾分?jǐn)?shù))O20.95，Ar 0.03，N20.02;溫度107.3°K;壓力4.6巴;流速21525sm3/hr]。此產(chǎn)品氧流由冷端10向熱端8穿過熱交換器6后，被加熱至環(huán)境溫度[溫度294°K;壓力4.4巴]。產(chǎn)品氮流[組成(摩爾分?jǐn)?shù))O20.01，N20.99，溫度92.8°K，壓力4.5巴，流速78415sm3/hr]通過出口78由較低壓力精餾器34上級(jí)58的頂部放出，然后使之流過熱交換器38，借以對(duì)從中流過的其它物流的進(jìn)一步冷卻提供必要的冷卻作用。氮從熱交換器38中流出后，又從冷端10向熱端8流過熱交換器6，然后在接近環(huán)境溫度的溫度下[溫度294°K，壓力4.3巴]離開熱交換器6。
圖1所示工廠的致冷要求利用從純化單元4取出第二股純化的空氣流[溫度297°K，壓力12.3巴，流速4177sm3/hr]并且在壓縮機(jī)80中進(jìn)一步壓縮的方法來滿足。然后將被壓縮的第二股空氣流[溫度297°K，壓力20.6巴]冷卻到介于熱交換器6的冷端10和熱端8之間的溫度，冷卻方法是用第一股空氣流并行地從中流過。第二股空氣流由主熱交換器6的中間區(qū)域放出[溫度251.6°K]后，在一臺(tái)膨脹透平82內(nèi)膨脹作外功。經(jīng)膨脹的空氣流[溫度175°K，壓力4.6巴]返回到熱交換器6，通過從中流過而進(jìn)一步降低其溫度。經(jīng)膨脹的第二股空氣流由熱交換器6的冷端10放出后[溫度117.3°K]被送入較低壓力精餾器34上級(jí)58之中，作為與另外兩股進(jìn)料物流分開的第三股進(jìn)料物流。
以下參照?qǐng)D2，其中示出的工廠具有與圖1中所示相似的塔排布，但是圖1中的中間精餾塔42被一臺(tái)簡(jiǎn)單相分離器90(其中不發(fā)生分餾作用)代替。結(jié)果，與圖1中所示工廠相比有許多變化，參照?qǐng)D2對(duì)這些變化說明如下。首先，較高壓力精餾塔12的附加回流，是由較高壓力精餾塔12頂部區(qū)域通過出口92放出的另外氮?dú)饬鞑⑶以诹硪焕淠?再沸器94中將一部分該物流冷凝而提供的(從出口放出的另一部分氮流自冷端10至熱端8穿過熱交換器6后用作環(huán)境溫度下提高壓力的氮產(chǎn)品)。將形成的液氮冷凝物通過入口96返回到較高壓力精餾塔中的收集器30內(nèi)。經(jīng)過出口98，從較低壓力精餾器34下級(jí)6的底部區(qū)域放出液氧流，并且經(jīng)過減壓閥100將其閃蒸到冷凝-再沸器94中，用這種方法使冷凝-再沸器94冷卻。液態(tài)氧，通過與來自較高壓力精餾塔12的氮之間的熱交換作用而汽化。經(jīng)由出口102從冷凝-再沸器94放出的氧氣，自冷端10至熱端8流過主熱交換器6后作為氧產(chǎn)品。因此不從較低壓力塔34的下級(jí)60直接放出氣態(tài)氧流產(chǎn)物。
在圖2所示工廠中采用相分離器90的另一個(gè)結(jié)果是由分離器90的頂部放出的、用于在冷凝-再沸器46中起冷凝作用的氣體中含有大量氧，不適于在較低壓力精餾器34的上級(jí)58之頂部作為回流的液氮使用。因此入口74并不設(shè)在較低壓力精餾器34上級(jí)58的頂部區(qū)域(即處在其中設(shè)置的全部液-氣接觸裝置上方)，而是設(shè)置在中間位置上，以便有一些液-氣接觸表面處于入口74的上方。此外，由冷凝-再沸器46放出的被送往較低壓力精餾器34中的冷凝液，也不在它通過減壓閥72的上游被進(jìn)一步冷卻。對(duì)于分離器90的給定操作壓力而言，冷凝-再沸器46在比其中欲加以冷凝的氣體基本上是純氮的情況更高的溫度下操作。因此，經(jīng)由分離器90的出口48放出的部分進(jìn)一步富集的液體，不通過圖2所示工廠中的減壓閥49和冷凝-再沸器46，而是在經(jīng)過減壓閥104的下游，由入口106將其送入較低壓力精餾器34的上級(jí)58之中中間位置處。
在圖2所示工廠中采用相分離器90的另一個(gè)后果是由于在分離器90中不發(fā)生精餾作用而不需要把來自冷凝-再沸器46的冷凝液返送到此分離器之中。反之，卻用泵110迫使部分冷凝液經(jīng)由入口112進(jìn)入較高壓力精餾塔12之中。結(jié)果提高了較高壓力精餾塔12中液氮的形成速率。不僅如此，在精餾塔12的中間位置并不放出任何液態(tài)空氣流，以便向?yàn)檩^低壓力精餾塔34和閃蒸分離器90提供進(jìn)料。這樣一來，減壓閥53和連接管道就從圖2所示工廠中省去了。還有一個(gè)額外的變化，那就是全部第一進(jìn)料空氣流均流過冷凝-再沸器16，然后通過入口114(代替圖1所示的入口14和18)將其送入較高壓力精餾塔之中。
還應(yīng)當(dāng)指出，在圖2所示的工廠中冷凝-再沸器設(shè)置在相分離器90的上游處，以便使從減壓閥40放出的液-氣混合物中的液體在通入相分離器90的入口44之上游沸騰。
基于計(jì)算機(jī)的模擬，圖2所示工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)例列于下表1之中。此實(shí)例之中，全部氮產(chǎn)品均取自較低壓力精餾器34的上級(jí)58，因此從較高壓力精餾器12出口92處無產(chǎn)品放出。





按照表1所述實(shí)例，圖2所示的設(shè)備操作情況，通過McCabe-Thiele圖(圖3)進(jìn)一步加以說明，它描述了較低壓力精餾器34的操作線。此操作線和平衡線之間能夠達(dá)到十分接近的程度而不必在較低壓力精餾器中使用過多的理論塔板。
對(duì)于圖1和2中所示設(shè)備的操作情況與EP-A-0538118工藝所報(bào)導(dǎo)的操作情況(參見其中表1和相關(guān)的說明)作了比較，比較結(jié)果列于下表2之中。
表2EP-A-538 118 圖1 圖2Air壓力(巴) 16.0 12.33 10.45N2壓力(巴) 5.0 4.27 4.27O2壓力(巴) 5.16 4.43 3.07O2回收% 99.4 97.6 97.8相對(duì)能耗 100 92.6 86.5工藝效率 48.3 52.2 55.8每種工藝的能耗定義為將產(chǎn)品物流壓縮到進(jìn)料空氣流壓力所需的能量，因而它表示在所說分離過程中所消耗的功。此相對(duì)能耗數(shù)據(jù)列于表2中，而EP-A-0538118工藝的能耗視為100。
可以看出，空氣壓力(主熱交換器中壓降較小，它是較高壓力精餾器底部的壓力)與氮?dú)鈮毫?壓降較小，它是較低壓力精餾器頂部的壓力)之比值，在圖1和2所示設(shè)備操作中要小于EP-A-0538118工藝操作中的比值，因此，對(duì)于較低壓力精餾器的給定操作壓力而言，圖1和2所示設(shè)備中的較高壓力塔12與EP-A-0538118工藝中相應(yīng)的塔相比，在較低壓力下操作。對(duì)于往往需要提高該塔操作壓力這些生產(chǎn)難題來說，這能成為一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，而且能耗上的優(yōu)點(diǎn)也是顯著的。這些優(yōu)點(diǎn)勝過本發(fā)明工藝中存在的氧收率降低的缺點(diǎn)。
對(duì)于圖1和2所示的設(shè)備可以作出各種變化和改進(jìn)。圖2所示設(shè)備的一種改進(jìn)實(shí)例由圖4示出。圖2和4中出現(xiàn)的相似部件用相同參照符號(hào)表示。由于圖2和4中所示設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作互相之間基本相同，所以下面只就圖2所示設(shè)備中沒有精確對(duì)應(yīng)物的圖4中所示設(shè)備的那些特點(diǎn)加以說明。
在圖4所示設(shè)備中，精餾器34只有一單個(gè)容器120，而不是圖2所示設(shè)備中分離的容器58和60。因此，再沸器22設(shè)在該容器或塔120的中間位置處。
圖4所示的設(shè)備，除了從較低壓力精餾器34的出口78處取出相當(dāng)純的氮產(chǎn)品之外，還生產(chǎn)不純的氮產(chǎn)品。為了生產(chǎn)這種不純的氮產(chǎn)品，從較高壓力精餾器12的出口122放出不純的液氮流，使之通過部分熱交換器38被進(jìn)一步冷卻，然后再通過節(jié)流閥124得到減壓后，經(jīng)過入口126被送入較低壓力精餾器34之中。由較低壓力精餾器34出口128處放出的氣體氮產(chǎn)品，與從較低壓力精餾塔34的出口78放出的純氮產(chǎn)品并流通過熱交換器38和6。
圖4所示設(shè)備中，冷凝-再沸器28設(shè)置在容器90之中，此冷凝-再沸器28可以是熱虹吸式的，而且至少被部分地浸沒在容器90內(nèi)的液體中。
圖5所示的設(shè)備與圖4所示的大體相似(因此，此二圖中的相似部件用相同參照符號(hào)表示)，但是再沸器16設(shè)在較低壓力精餾器34的外邊。此外，圖5所示設(shè)備運(yùn)行時(shí)，于冷凝-再沸器16中再沸的液體組成不同于在冷凝-再沸器94中再沸的不純液氧產(chǎn)品的組成。為了保證這種組成上的差別，在冷凝-再沸器94中汽化的液體直接(經(jīng)出口98)從較低壓力精餾器34中的液-氣傳質(zhì)裝置(未示出)底部取出，而不使之進(jìn)入精餾器34的池130中。但是離開較低壓力精餾器34中液-氣傳質(zhì)裝置底部的一些所說液體，在重力作用下被送入池130中，在130中與從較低壓力精餾塔34的傳導(dǎo)面(靠近且低于冷凝-再沸器22)放出的相對(duì)富氮的液體混合。形成的混合物從出口132中放出后流過冷凝-再沸器16的沸騰通道得以再沸。產(chǎn)生的氣體再被送入較低壓力精餾器34中，但在低于其中設(shè)置的液-氣傳質(zhì)裝置(未示出)位置處送入。由于富氮，此液體在冷凝-再沸器16的沸騰通道內(nèi)再沸時(shí)其沸點(diǎn)降低。因此，通過降低從壓縮機(jī)2向冷凝-再沸器16供給空氣的壓力，使冷凝-再沸器16中空氣冷凝的溫度得以進(jìn)一步降低。結(jié)果，可以將較高壓力精餾塔的操作壓力降低約0.5巴而不降低較低壓力精餾器34的操作壓力。
圖6中所示的設(shè)備，展示了對(duì)圖4所示設(shè)備可作出的另一些改進(jìn)，而且此二圖中相似的部件也用相同參照符號(hào)表示。在這些改進(jìn)中，富氧液體的進(jìn)一步富集是在兩個(gè)獨(dú)立的階段中完成的，其中的下游級(jí)相當(dāng)于圖4所示設(shè)備的再沸-冷凝器28和容器90，而且其中的上游級(jí)在圖4所示的設(shè)備中無對(duì)應(yīng)物。參看圖6，富氧液體自較高壓力精餾塔12經(jīng)出口36放出后，通過熱交換器38得到進(jìn)一步冷卻。進(jìn)一步冷卻的富氧液通過減壓閥140，在低于其中全部液-氣接觸裝置(未示出)的位置被閃蒸到輔助精餾塔142之中。在此輔助精餾塔142中富氧液體被分離成進(jìn)一步富氧的液體和氮?dú)?，這樣分出的氮?dú)獠患?。此輔助精餾塔142的回流液，是由從塔142頂部放出的氮?dú)饬?，?jīng)在較低壓力精餾器34的中間傳質(zhì)位置處設(shè)置的冷凝-再沸器144(處于冷凝-再沸器22的上方)中冷凝而形成的。不純氮?dú)庠诶淠?再沸器144中的冷凝作用，是通過與取自較低壓力精餾器34中傳質(zhì)的沸騰液體進(jìn)行間接熱交換而完成的。形成的部分冷凝液返回到輔助精餾塔142的頂部作回流液，而另一部分則通過減壓閥146后經(jīng)入口148被送入較低壓力精餾器34中。輔助精餾塔142的再沸，由設(shè)置在塔142中池內(nèi)的另一冷凝-再沸器150所提供。此冷凝-再沸器150，被經(jīng)出口26從較高壓力精餾器12頂部放出的氮?dú)饧訜?，氮在冷?再沸器150中冷凝，形成的冷凝液經(jīng)入口32返回較高壓力精餾器12中作為回流的液氮。進(jìn)一步富氧的液體自輔助精餾塔142底部放出，經(jīng)過減壓閥40閃蒸后，被送入設(shè)在容器90內(nèi)的冷凝-再沸器28中。此冷凝-再沸器的操作基本上與圖2所述的相同。
在圖6所示設(shè)備的一個(gè)操作實(shí)例中，較高壓力精餾塔12的操作壓力為10.2巴，輔助精餾塔142的操作壓力為7.8巴，容器90的出口壓力為6.5巴。較低壓力精餾器34的操作壓力為4.5巴左右，而且不純液氧產(chǎn)品在約3.2巴下汽化。
圖7中示出一種可以視為圖6所示設(shè)備改進(jìn)的設(shè)備，此二圖中的相似部件用相同參照號(hào)表示。在此改進(jìn)方案中，利用不純液氧產(chǎn)品的蒸發(fā)來冷凝由輔助精餾塔142頂放出的氮?dú)狻Ｒ虼?，在圖7所示的設(shè)備中采用一臺(tái)單一的冷凝-再沸器來代替圖6所示設(shè)備中的冷凝-再沸器94和144。參見圖7，不純的液氧產(chǎn)品經(jīng)出口98自較低壓力精餾器34底部放出并通過減壓閥100減壓。形成的液流被送入冷凝-再沸器160中，全部在其中汽化。形成的氣體通過主熱交換器6被加熱到環(huán)境溫度下。冷凝-再沸器160被從輔助塔142頂放出的氮加熱。氮冷凝，形成的冷凝液返回到輔助塔142頂部作為該塔的回流液。不純的液氮經(jīng)出口164從塔142頂部放出后在熱交換器38中被進(jìn)一步冷卻，使其與自塔122放出的不純液氮在減壓閥166的下游匯合。圖7所示設(shè)備的操作方式和其它方面全部與圖6相似。
在圖7所示設(shè)備的一個(gè)典型運(yùn)行實(shí)例中，較高壓力精餾塔12可以用約13巴操作壓力，較低壓力精餾器的操作壓力約6巴，輔助塔142操作壓力為10巴，冷凝-再沸器的操作壓力約為8巴，而且冷凝-再沸器160的操作壓力(在其沸騰通路中)約2.6巴。
圖8示出一種圖4所示設(shè)備的改進(jìn)。此改進(jìn)方案中，用一臺(tái)小型精餾塔170代替容器90，此精餾塔170底部有冷凝-再沸器28，其上方通常設(shè)置幾個(gè)塔盤(未示出)。富氧液流經(jīng)入口44被送入塔170之中，而入口44處在其中全部液-氣接觸塔盤的上方。該液體經(jīng)各塔盤向下流過塔170，與再沸-冷凝器28中沸騰的氣體接觸。傳質(zhì)作用發(fā)生在上升的氣體和下降的液體之間，結(jié)果進(jìn)一步提高了液體中的富氧作用。圖8所示設(shè)備操作的方式和其它方面情況均與圖4中所示的設(shè)備相似。
權(quán)利要求
1.一種空氣分離的方法，它包括以下步驟a)在較高壓力精餾器中將預(yù)冷和純化的空氣分離成富氧液體和氮?dú)怏w；b)在介于較高壓力精餾器頂部壓力和較低壓力精餾器底部壓力之間的壓力下分離所說的富氧液體流，以便形成進(jìn)一步富氧的液體和中間氣體；c)在較低壓力精餾器中將所說進(jìn)一步富氧的液體流分離成氧和氮；以及d)為所說的較高和較低壓力精餾器提供回流的液氮，其中一部分所說的回流的液氮，是通過與來自所說的較低壓力精餾器的中間傳質(zhì)區(qū)的液體間接熱交換，由所說的氮?dú)饬鞯睦淠纬傻摹?br> 2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的中間氣體通過在所說熱交換器的上游與已被降壓的所說的進(jìn)一步富氧的液流進(jìn)行間接熱交換而被冷凝;而且進(jìn)一步富氧的液流通過與所說的中間氣體的熱交換而部分被汽化，并將此部分汽化的進(jìn)一步富氧的液體送入較低壓力精餾器中。
3.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的中間氣體通過與從所說的較低壓力精餾器中間傳質(zhì)區(qū)取出流體進(jìn)行間接熱交換作用而被冷凝。
4.一種如權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的方法，其中在(b)步驟中所說的分離由另一精餾器中的精餾所完成。
5.一種如權(quán)利要求4所述的方法，其中將富氧液流于全部氣-液傳質(zhì)裝置的下方送入所說的另一精餾器中，而且在此另一精餾器中產(chǎn)生的中間氣體是氮。
6.一種如權(quán)利要求5所述的方法，其中使用一部分冷凝的中間氣體作為所說另一精餾器中的回流液，而且使用另一部分冷凝的中間氣體作為較低壓力精餾器中的回流液。
7.一種如權(quán)利要求4～6中任何一項(xiàng)所述的方法，其中使所說另一精餾器底部中的一部分液體或者使送向所說另一精餾器的一部分進(jìn)料再沸。
8.一種如權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的方法，其中所說的(b)步驟的完成方式是在介于較高壓力精餾器頂部壓力和較低壓力精餾器底部壓力之間的所說壓力下，將富氧液流閃蒸成一種液-氣混合物;將形成的液-氣混合物分離為液相和氣相，以形成進(jìn)一步富氧的液體和中間氣體;使一部分進(jìn)一步富氧的液體再沸，以便提高所說中間氣體的形成速率。
9.一種如權(quán)利要求8所述的方法，其中冷凝所說的中間氣體，并使形成的冷凝液返回到較高壓力精餾器之中。
10.一種如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中使部分進(jìn)一步富氧的液體再沸，以提高中間氣體的形成速率。
11.一種如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中所說的再沸是通過與來自較高壓力精餾塔的氮?dú)饬鬟M(jìn)行間接熱交換而完成的，所述氮?dú)饬魍瑫r(shí)得以冷凝。
12.一種如權(quán)利要求11所述的方法，其中使用在進(jìn)一步富氧的液體再沸時(shí)形成的所述冷凝氮?dú)庾鳛檩^高壓力精餾塔中的回流液。
13.一種如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過與預(yù)冷卻的和純化的進(jìn)料空氣流進(jìn)行間接熱交換作用，來為較低壓力精餾器提供再沸，進(jìn)料空氣流同時(shí)至少部分被冷凝。
14.分離空氣用的設(shè)備，它包括a)將預(yù)冷卻的和純化的空氣分離成富氧液體和氮?dú)庥玫囊粋€(gè)較高壓力精餾器;b)生產(chǎn)氧和氮用的一個(gè)較低壓力精餾器;c)在介于所說的較高壓力精餾器頂部壓力和所說的較低壓力精餾器底部壓力之間的壓力下，將所說的富氧液流分離成進(jìn)一步富氧液體和中間氣體用的分離裝置;d)用于把所說的進(jìn)一步富氧的液流送入所說的較低壓力精餾器中以便將其分離成氧和氮的裝置;以及e)為所說的較高和較低壓力精餾器提供液氮回流液用的裝置，它包括使所說的氮?dú)饬髋c來自所說較低壓力精餾器中間傳質(zhì)區(qū)的液體進(jìn)行間接熱交換的一個(gè)冷凝器。
15.一種如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所說的分離裝置包括另一臺(tái)精餾器。
16.一種如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所說的分離裝置包括一個(gè)減壓閥和處于所說減壓閥下游側(cè)的一個(gè)相分離器。
17.一種如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所說的另一精餾器具有一個(gè)冷凝器和一個(gè)與之相連的再沸器。
18.一種如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中它還包括處于所說相分離器上游或其中的一個(gè)再沸器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的分離空氣的方法和設(shè)備。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1097247SQ94104648
公開日1995年1月11日 申請(qǐng)日期1994年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月5日
發(fā)明者T·拉思博恩 申請(qǐng)人:英國(guó)氧氣集團(tuán)有限公司