專利名稱：用于生產高壓氧的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及使用雙塔系統(tǒng)低溫精餾進料空氣生產氧，更具體地說，涉及氮或者氬都不從雙塔中的低壓塔生產的系統(tǒng)。
背景技術：
工業(yè)上通過低溫精餾進料空氣大量地生產氧，通常使用眾所周知的雙塔系統(tǒng)，其中產品氧取自于低壓塔。有時要求在壓力超過從低壓塔取出氧時的壓力下生產氧。在這種情況下，要把氣體氧壓縮至預定的壓力。然而，就投資費用來說，通常最好是提高氧的壓力，使其能作為液體從低壓塔中移出，再使加壓過的液體氧蒸發(fā)，生產出所要求的高壓產品氧氣。
典型地，采用這樣一種雙塔系統(tǒng)時，在低壓塔內也能生產出產品氮，并能從該塔中將其回收。此外，經常有一股來自低壓塔的流體流入能在其中生產氬的氬側塔中，然而，有時要求直接或間接來自低壓塔的唯一產品是氧，在這樣的情況下，不可避免要盡可能有效地操作系統(tǒng)，因為不能利用低壓塔產生氮或者氬作產品，以便補償該系統(tǒng)的投資和操作費用。當要求高壓產品氧時，因為這會進一步增加該系統(tǒng)的費用，所以這是一種特殊的情況。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于生產高壓氧的改進的雙塔低溫精餾系統(tǒng)，其中不從低壓塔直接或間接回收其它的產品。
發(fā)明概述基于閱讀本說明書，對所屬領域的技術人員將明了的上述和其它目的，由本發(fā)明予以完成，本發(fā)明的一個方面是一種生產高壓氧的方法，該法包括(A)使進料空氣的第一部分通入高壓塔且使由該高壓塔流出的流體通入低壓塔；(B)使進料空氣的第二部分冷凝并使所生成的液體進料空氣通入低壓塔；(C)在低壓塔內通過低溫精餾生產液體氧；(D)提高液體氧的壓力以便生產高壓液體氧，再通過與冷凝的進料空氣第二部分間接熱交換來蒸發(fā)高壓液體氧以便生產高壓氧氣；和(E)回收高壓氧氣。
本發(fā)明另一方面是用于生產高壓氧的設備，該設備包括(A)第一塔、第二塔，以及用于使進料空氣通入第一塔的裝置；(B)產品鍋爐，用于使進料空氣通入該產品鍋爐的裝置，以及用于使來自產品鍋爐的進料空氣通入第二塔的裝置；(C)用于使來自第一塔的流體通入第二塔的裝置；(D)用于從第二塔的下部排出流體、提高排出的流體壓力、以及使被排出流體通入產品鍋爐的裝置；和(E)用于從產品鍋爐回收高壓氧產品的裝置。
本文所用術語“液體氧”意指具有至少98％(摩爾)氧濃度的液體。
本文所用術語“進料空氣”意指主要含氮、氬和氧的混合物，如環(huán)境空氣。
本文所用術語“產品鍋爐”意指熱交換器，其中液體氧被蒸發(fā)和進料空氣被冷凝。產品鍋爐可以是單獨的熱交換器也可以是低溫空氣分離裝置的初級熱交換器的一部分。
本文所用術語“過冷”和“過冷卻器”分別指用于冷卻一種液體到低于就存在壓力而言該液體飽和溫度的溫度的方法和設備。
本文所用術語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”分別指用于高壓氣體流經過渦輪以降低氣體的壓力和溫度的方法和設備。
本文所用術語“塔”意指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即，接觸塔或區(qū)，其中液相和氣相逆流接觸以便進行流體混合物的分離，例如，通過氣相和液相在一系列安裝在塔內垂直隔開的塔盤或塔板和/或結構填充元件和/或無規(guī)填充元件上接觸。為了進一步討論蒸餾塔可參見化學工程師手冊第五版，由R.J.佩里和C.H.奇爾頓編，麥格勞-希爾圖書公司，紐約，第13節(jié)，連續(xù)蒸餾法(Chemical Engineers′Handbook fiftheditioh,edited by R.J.Perry and C.H.Chilton,McGraw-HillBook Company,New York,Section 13,The Continuous DistillationProcess)。術語，雙塔用來表示具有與低壓塔下端有熱交換關系的上端的高壓塔。雙塔的進一步討論發(fā)表在Ruheman的“氣體分離”中，牛津大學出版社，1949,Ⅶ章，工業(yè)用空氣分離(“The Separationof Gases”,Oxford University Press,1949,Chapter Ⅶ,Commercial Air Separation)。
氣液接觸分離法取決于各成分蒸氣壓的差別。高蒸氣壓(或更易揮發(fā)或低沸點)的組分傾向于在蒸氣相中濃縮而低蒸發(fā)壓(或不易揮發(fā)或高沸點)的組分傾向于在液相中濃縮。部分冷凝是一種把蒸氣混合物的冷卻用于濃縮揮發(fā)性組分于蒸氣相中而由此減少液相中揮發(fā)性成分的分離方法。精餾，或連續(xù)蒸餾，是一種由逆流處理氣液相所得到的連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝融合起來的分離方法。氣液相逆流接觸是絕熱的且在相間包括積分或微分接觸。利用精餾原理去分離混合物的分離方法裝置是經?？苫Q叫做精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分在或低于開氏(K)150度下進行的精餾過程。
本文所用術語“間接熱交換”意指使兩種流體建立熱交換關系但無任何物理接觸或流體的相互混合。
本文所用塔的“上部”和“下部”分別指該塔中點以上和以下的那些部分。
本文所用術語塔“頂”意指該塔內部構件，例如塔盤或填料上面塔的部分。
附圖的簡要描述

圖1是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)一種最佳實施方案的示意圖。
圖2是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)另一最佳實施方案的示意圖。
詳細說明將參照附圖對本發(fā)明詳細進行說明。
現(xiàn)參照圖1，已清除高沸點雜質如水蒸氣、二氧化碳和碳氫化合物的進料空氣60，其壓力通常在每平方英寸70-100磅絕對壓力(psia)范圍內，被分成第一部分61、第二部分67和第三部分63。第一部分61，含有約60-76％的進料空氣60，由于流經初級熱交換器1而被冷卻再使所得到的冷卻進料空氣第一部分62流入第一或高壓塔10。
第二進料空氣部分67，含有約20-30％的進料空氣60，通過流經壓縮機32進一步被壓縮至120-500psia范圍內的壓力。正如在下文將要進一步討論的，通過與初級熱交換器1的產品鍋爐部分中的液體氧間接熱交換使所生成的高壓第二進料空氣部分68被冷凝。在圖1所說明的本發(fā)明實施方案中，產品鍋爐是包括熱交換通道A和B在內的初級熱交換器1的一部分。
來自產品鍋爐所生成的液體進料空氣69在塔的中間高度處，即塔11頂部的下面流入第二或低壓塔11中。在圖1所說明的實施方案中，液體進料空氣69被分成第一部分70和第二部分72。第一部分70，含有至少40％的液體進料空氣69，并且可能含有高達100％的液體進料空氣69，通過流經過冷器4被過冷然后如上所述作為流體71流入低壓塔11。第二部分72，如果有的話，含有剩余的液體進料空氣流69，流經閥73后作為液流74流入高壓塔10。
于圖1說明的本發(fā)明流入低壓塔的液體進料空氣在其引入低壓塔之前被過冷的實施方案，在最大限度回收氧的方面是特別好的實施方案。
按常規(guī)的實施方法，如果進料空氣被液化，則液化的進料空氣要全部送入高壓塔。由于在高壓塔內發(fā)生的氬-氧分離甚微，所以進料空氣中的大部分氬與來自高壓塔的富氧底液一起流入低壓塔。這樣，與進入低壓塔大流量的這種釜液(Kettle liquid)結合，使氬在釜液進料點下面的低壓塔內得到濃縮，這樣對從低壓塔上部回收氬，以及回收氮都是有利的。
在流入低壓塔的液化空氣下實施本發(fā)明時，氬-氧分離出現(xiàn)在能使離開低壓塔頂部的蒸氣在保持低氧濃度的同時具有較高氬濃度的高壓塔中。此外，液化空氣對于低壓塔能起中間回流液的作用，提高該塔那部分的液氣比(L/V)，從而有助于分離。往低壓塔引入液化空氣還可以起到減小釜液從高壓塔到低壓塔的進料流速的作用，使氬在低壓塔內向上移動。
當流體在高于塔溫進入塔時，一些液體會被蒸發(fā)同時吸收由較高溫度的流體所引入的熱量。因此就指定流速而言，較熱的進料向塔輸送的液體回流液要比較冷進料少得多。過冷流入低壓塔的進料空氣憑借有效地向塔提供更多的回流液而有助于提高氧的回收。先過冷進料空氣然后將其加入高壓塔沒有益處。在實施本發(fā)明時，低壓塔在塔頂和液體空氣加料點之間含有的平衡級比在常規(guī)低壓塔中發(fā)現(xiàn)的多5-20。塔的這一部分完成揮發(fā)性更強組分的氮和氬與氧的分離任務。
在圖1說明的本發(fā)明最佳實施方案中，采用第三進料空氣部分?，F(xiàn)再次參見圖1，第三進料空氣部分63，含有約4-10％的進料空氣60，在壓縮機30內進一步被壓縮至范圍在95-到160psia內的壓力。所得到的進一步壓縮進料空氣第三部分64部分通過初級熱交換器1被冷卻再作為流體65通過流經渦輪膨脹機31渦輪膨脹。使所得到的渦輪膨脹過的第三進料空氣部分66從渦輪膨脹機31流入低壓塔11。正如圖1所示，優(yōu)選壓縮機30與渦輪膨脹機31直接聯(lián)用以便渦輪膨脹機31運轉能起到驅動壓縮機30的作用。
第一塔或高壓塔通常在70-90psia范圍內的壓力下操作。在高壓塔范圍內，進料空氣通過低溫精餾被分離成為富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽作為流體79從高壓塔10的上部排出再流入底部再沸器5，在那里富氮蒸汽通過與沸騰的低壓塔11的底液間接熱交換而被冷凝。所得到的富氮液體80被分成作為回流液流入高壓塔上部的第一部分81，和通過流經過冷器2過冷的第二部分82。使過冷的富氮液流83流經閥84然后作為液流85流入低壓塔11的上部成為回流液。富氧液體以液流75從高壓塔的下部排出再通過流經過冷器3過冷。所得到的過冷富氧液流76流經閥77后作為液流78流入低壓塔11。
第二塔或低壓塔11在低于高壓塔10的壓力下且通常在18-25psia的范圍內操作。在低壓塔11內各種加到塔中的進料通過低溫精餾被分離成液氧和廢氣。廢氣以氣流89從低壓塔11的頂部排出，通過流經過冷器2、3和4以及初級熱交換器1廢氣升溫再作為釋放到大氣的氣流93從體系排放。
液氧作為流體86從低壓塔11的下部排出。這是從低壓塔11作為產品回收的唯一流體。如有要求，部分流體86還可作為液氧產品回收。在圖1所說明的實施方案中，提高全部流體86的壓力，如通過運用液體壓頭或如圖1所說明的，通過運用液體泵33。高壓液氧87通過流經初級熱交換器1的產品鍋爐部分借助與前述冷凝的進料空氣第二部分間接熱交換而被蒸發(fā)，然后作為具有至少98％(摩爾)氧濃度的高壓氧氣產品88且范圍在40-250psia內的壓力下進行回收。
圖2說明本發(fā)明另外一種最佳實施方案，其中高壓氮氣被另外回收。對于通用的部件來說，圖2中的數字與圖1中的數字相當，并且這些通用的部件將不再作詳細地描述。
現(xiàn)參照圖2，第一進料空氣部分61部分通過初級熱交換器1。所得到的冷卻進料空氣流20通過流經渦輪膨脹機21而被渦輪膨脹，且所得到的渦輪膨脹進料空氣第一部分22流入高壓塔10。富氮蒸汽79的部分95通過流經初級熱交換器1升溫并作為具有至少99％(摩爾)氮濃度的高壓氮氣在范圍為68-88psia的壓力下回收。
現(xiàn)在通過本發(fā)明的使用人們能夠使用雙塔低溫空氣分離裝置更加有效地生產高純高壓氧。盡管本發(fā)明參照某些最佳實施方案已詳細予以描述，但所屬領域的技術人員將會認識到在權利要求書的精神和范圍內存在著本發(fā)明其它的實施方案。
權利要求
1．一種生產高壓氧的方法，該方法包括(A)使進料空氣的第一部分通入高壓塔并且使來自該高壓塔的流體通入低壓塔；(B)使進料空氣的第二部分冷凝并使得到的液體進料空氣通入低壓塔；(C)通過在低壓塔內低溫精餾生產液體氧；(D)提高液體氧的壓力以便生產高壓液氧，并通過與冷凝的進料空氣第二部分間接熱交換使高壓液氧蒸發(fā)以便生產高壓氧氣；和(E)回收高壓氧氣。
2．權利要求1所述的方法，其中液體加料空氣在進入低壓塔之前被過冷。
3．權利要求1所述的方法，其中使部分液體進料空氣進入高壓塔。
4．權利要求1所述的方法，其中使進料空氣的第一部分在進入高壓塔之前渦輪膨脹。
5．權利要求1所述的方法，該法進一步包括渦輪膨脹進料空氣的第三部分并使渦輪膨脹過的第三部分進入低壓塔。
6．用于生產高壓氧的設備，包括(A)第一塔、第二塔以及用于使進料空氣進入第一塔的裝置；(B)產品鍋爐、用于使進料空氣進入產品鍋爐的裝置以及用于使來自產品鍋爐的進料空氣進入第二塔的裝置；(C)用于使來自第一塔的流體進入第二塔的裝置；(D)用于排出來自第二塔下部流體，提高排出的流體壓力以及使排出的流體進入產品鍋爐的裝置；和(E)用于從產品鍋爐回收產品高壓氧的裝置。
7．權利要求6所述的設備，其中用于使來自產品鍋爐的進料空氣進入第二塔的裝置包括過冷器。
8．權利要求6所述的設備，該設備還包括用于使來自產品鍋爐的進料空氣流入第一塔的裝置。
9．權利要求6所述的設備，其中用于使進料空氣進入第一塔的裝置包括渦輪膨脹機。
10．權利要求6所述的制備，該設備還包括用于從第一塔的上部回收流體的裝置。
全文摘要
用于生產高壓氧的低溫精餾系統(tǒng),其中使部分進料空氣通過與加壓過的液氧間接熱交換冷凝,然后優(yōu)選在過冷之后流入雙塔系統(tǒng)中的低壓塔。
文檔編號F25J3/04GK1214444SQ9812091
公開日1999年4月21日 申請日期1998年10月9日 優(yōu)先權日1997年10月14日
發(fā)明者N·J·林奇, D·P·伯納奎斯特, S·G·弗賴 申請人:普拉塞爾技術有限公司