專利名稱：空氣分離的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空氣分離的方法和裝置。
用精餾分離空氣已被人們所熟知。精餾一種是使下降液流和上升氣流之間發(fā)生傳質，使上升氣流中富含要分離混合物的易揮發(fā)組分(氮)，下降液流中富含待分離混合物的不易揮發(fā)組分(氧)的方法。
已知的空氣分離是在雙精餾塔中進行，這種精餾塔包括一個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔，高壓塔接收經凈化、壓縮后的溫度適合于用精餾分離的氣態(tài)空氣，低壓塔接收來自高壓塔用于分離的富氧液態(tài)空氣流，該塔通過冷凝器-再沸器與高壓塔形成熱交換關系，其中冷凝器提供用于分離的液氮回流，再沸器提供在低壓塔中的氮蒸汽的上升流。
對用于空氣分離的制冷作用有一個基本需求。這種需求的至少一部分來自低溫雙精餾塔的運行。這種制冷需求的至少一部分通常是通過使進入的空氣流或部分分離的氮產品膨脹并對外作功而被滿足的。
已知通過使部分要分離的空氣流冷凝，并將所得的液態(tài)空氣流引入高壓精餾塔的中間傳質區(qū)，能提高雙精餾塔運行的熱效率。
減少供至高壓塔頂部的液氮回流能導致效率提高。將液態(tài)空氣流引入低壓塔的中間傳質區(qū)也有相同的好處。
空氣的冷凝當然也是導致空氣分離方法中熱效率降低的一個因素。因此需要將空氣的冷凝與該方法統(tǒng)等考慮，使雙精餾塔運行增加的效率超過由空氣冷凝帶入的額外的熱效率降低。
本發(fā)明提供一種在雙精餾塔中分離空氣的方法，該精餾塔包括一個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔，高壓塔接收經凈化壓縮后、溫度適合于用精餾分離的第一氣態(tài)空氣流，低壓塔接收來自高壓塔用于分離的富氧液態(tài)空氣流，此塔通過冷凝器一再沸器與高壓塔形成熱交換關系，其中冷凝器提供用于分離的液氮回流，再沸器提供在低壓塔中的上升的蒸汽流，其特征在于來自高壓塔的富氧液態(tài)空氣流在與第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流間接熱交換中至少部分被蒸發(fā)，上述第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流由此被冷凝，所得的蒸汽流被加熱，并在透平中膨脹作功，和被引入低壓塔，以及所得的冷凝后的空氣流引入高壓塔的中間傳質區(qū)。
本發(fā)明還提供一種分離空氣的裝置，該裝置具有一個雙精餾塔，該塔包括一個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔，高壓塔具有用于接收經凈化壓縮后、溫度適合于用精餾分離的氣態(tài)空氣的第一入口，低壓塔具有用于接收直接或間接來自高壓塔的用于分離的富氧液態(tài)空氣流的第一入口，該低壓塔通過冷凝器一再沸器與高壓塔形成熱交換關系，其中冷凝器提供用于分離的液氮回流，再沸器提供在低壓塔中的上升的蒸汽流，其特征在于該裝置還包括一個使與第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣進行間接熱交換的至少部分蒸發(fā)富氧液態(tài)空氣流的蒸發(fā)器；一個使空氣進入高壓塔的中間傳質區(qū)的第二進口，它與從蒸發(fā)器流出的冷凝后空氣的一個出口相連通；一個用于加熱與第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流進行間接熱交換而形成的蒸發(fā)后的富氧液態(tài)空氣流的熱交換器；和一個用于膨脹加熱蒸發(fā)后的第二富氧液態(tài)空氣流并對外作功的透平，該透平具有與低壓塔相連通的出口。
用富氧液態(tài)空氣流冷凝第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流有利于提高本發(fā)明的空氣分離方法和裝置的熱效率。首先，容易達到蒸發(fā)的富氧液態(tài)空氣和冷凝空氣之間的高效熱交換。第二，在雙精餾塔中所得的冷凝空氣流能平衡渦輪膨脹機的低壓排氣，這樣就省去了低壓塔中位于渦輪膨脹后空氣進口之上的回流段。該平衡的發(fā)生是因為將冷凝空氣流引入高壓塔減少了高壓塔所需的液氮回流量，由此增加了低壓塔中的回流量和/或產品氮的量。
除在本發(fā)明方法中使用的上述透平和/或其它透平出口產生的液態(tài)空氣外，供給雙精餾塔的全部冷凝液態(tài)空氣最好均與富氧液態(tài)空氣流進行熱交換。
第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流最好在高于第一凈化壓縮后氣態(tài)空氣流進入高壓塔的壓力下冷凝。另外，第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流也可在基本上等于第一凈化壓縮后氣態(tài)空氣流進入高壓塔的壓力下冷凝，富氧液態(tài)空氣流在與第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流進行熱交換之前被節(jié)流。也可以既使富氧液態(tài)空氣流在與第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流進行熱交換之前被節(jié)流，又使第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流在高于第一凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流進入高壓塔的壓力下冷凝。在另一選擇中，也可將富氧液態(tài)空氣流泵至比高壓塔運行壓力高的壓力。這樣做，能提高由膨脹透平產生的制冷量，在各例中，冷凝空氣的壓力和蒸發(fā)富氧液態(tài)空氣的壓力選擇成能保證在蒸發(fā)器中保持較好的溫-焓工況。
較好的情況是，使僅從高壓塔中流出的部分富氧液態(tài)空氣與第二富氧液態(tài)空氣流間接熱交換，不過該部分全部被蒸發(fā)。也可以使從高壓塔中流出的所有富氧液態(tài)空氣均與第二純化壓縮過的空氣流熱交換，但只有部分富氧液態(tài)空氣在熱交換過程中被蒸發(fā)。然后將所得的蒸汽和剩余液體的混合物進行相分離，使氣相流入透平機，液相流至低壓塔。
特別是如果不需要生產液氮產品時，所述的透平最好是本發(fā)明方法和裝置中專用的透平。該透平最好用來驅動使第二凈化壓縮后空氣流升壓至高于第一凈化壓縮后空氣流的壓力的壓縮機。
本發(fā)明的方法和裝置特別適合于較高壓力的運行。例如，低壓塔通?？梢栽谄漤敳繅毫?-5bar的范圍內運行。
要分離的空氣流可以來自壓縮空氣，該壓縮空氣是去除了水蒸汽、二氧化碳和烴類(如果需要)的凈化后氣體，該氣體在與空氣分離產品的間接熱交換中被冷卻。
上述精餾塔可以是任何一種蒸餾或分餾塔、一個分餾區(qū)或者幾個分餾區(qū)段，在這里液相和氣相逆流接觸使流體混合物分離。例如使液相和氣相在安裝在塔、一個區(qū)或幾個區(qū)內的填料元件上或一系列豎向間隔的罩或板上接觸。精餾塔可包括在不同容器中的若干區(qū)，這樣能避免單塔的高度過高。
本發(fā)明的方法和裝置有兩個主要用途。第一個用途是用于從低壓塔中抽取全部以氣態(tài)形式存在的純度至少為90％的氧產品時。第二個用途是用于從低壓塔中抽取第一氮產品，并且從高壓塔中抽取至少一種氣態(tài)或液態(tài)第二氮產品而在低壓塔底部產生的氧通常其純度小于90％時。
下面將詳細解釋第二個用途。為了生產用于雙精餾塔的附加的液氮回流，在低壓塔中分離的氮通過與來自低壓塔中的不純液氧流間接熱交換被冷凝(在另一個冷凝器中)。
許多工業(yè)過程，例如油和氣的回收，需要供應高壓氮，該壓力常常遠遠超過高壓塔的運行壓力。從高壓塔中抽取氮蒸汽產品減少了提高氮產品至要求的供應壓力所需的功。
這樣的氮發(fā)生器的特點是，對于給定體積、給定純度和壓力的氮產品，隨著增加氮的回收，總的功率消耗先降到最小然后再回升。這種現(xiàn)象由兩個相反的因素導致。當?shù)厥章屎艿蜁r理想的分離功(也稱之為功率消耗)最小，廢品基本上是空氣。當廢氣中不含氮時，分離功最大。然而，當回收率很低時，工藝效率(實際功率輸入/理想功率輸入)是很低的，因為設備比它所需的規(guī)模大得多，壓降和溫差較大加大了功率損失。相反，當回收率高時，工藝效率也很高。因此在最佳回收率時，存在最小功率消耗，該過程是通過在較大的設備中可使分離功率的下降正好與功率消耗的上升平衡而達到的?？偣β氏囊舶▔嚎s氮產品所消耗的功率。從高壓塔中取走部分氮產品減少了用于壓縮氮產品的功率消耗，但是也減少了氮的回收率。
另一種措施也能減少氮的回收。例如，液氮產品的生產需要使部分進來的空氣冷凝。這樣反過來減少了在冷凝器-再沸器中冷凝所得到的蒸汽流。再者，為了保持平衡，需要較大的效率不高的設備。
實際上，并不需要將用于產生氮氣的雙塔空氣分離設備設計成功率消耗最小或氮回收最高。一般寧可用功率消耗和氮回收關系的曲線的特定區(qū)域來反映優(yōu)選的運行范圍。實際的最佳值取決于外部的經濟環(huán)境。本發(fā)明的方法和裝置能使最佳運行范圍朝著減少功率消耗而不降低氮回收率的方向或者說是增加氮回收而不增加功率消耗的方向或兩個方向上轉化。
因此本發(fā)明的方法和裝置能使保持較高氮回收率工況的總空氣分離過程有效地運行(也就是說較低的功率消耗、在高低壓分餾塔中有合適數(shù)目的理論分餾塔盤)，反之，不具本發(fā)明特點的傳統(tǒng)工藝卻只能低效運行。具體地說，本發(fā)明的方法和裝置允許低壓塔在超過3.5bar的絕對壓力下運行的同時從超過8.5bar絕對壓力的高壓塔中取出蒸汽狀態(tài)的氮產品。在典型的例子中，在恒定的空氣壓縮功率下，總氮產品的57％可以從高壓塔中取出，氮回收率約90％，而在可相比的常規(guī)雙塔工藝中，在高壓塔處于上述壓力下只能生產出總氮產量的48％。因為從高壓塔中抽取的氮的比率越大，當在高于高壓塔的壓力下生產氮產品時總的功率消耗就會減少。從高壓塔中抽取增加份額的氮產品并不是緩解低功率消耗的唯一方法。根據(jù)本發(fā)明還可以有其它的例子來保持這種份額的穩(wěn)定，通過增加氮回收率來減少功率消耗。本發(fā)明的裝置和方法還可以使得在定的氮回收率和功率消耗的情況下，液氮產品比已知的工藝以較高的速率儲存。
下面將參照附圖通過實施例對本發(fā)明的方法和裝置加以描述。其中

圖1至圖4均為空氣分離設備的示意流程圖。
附圖不按比例。
附圖中相同的部件標以相同的標號。
參照圖1，空氣流在主空氣壓縮機2中被壓縮，在與主空氣壓縮機2相連的后冷卻器4中將所得的壓縮空氣中的壓縮熱抽走。這樣冷卻后的空氣流在吸附單元6中被凈化。凈化包括從空氣流中去除較高沸點的不純物，特別是水蒸氣和二氧化碳，否則的話，它們會在設備的低溫部分凍結。單元6可通過變壓吸附或變溫吸附進行有效純化。單元6還可包括一層或多層催化劑用于去除一氧化碳和氫雜質。這樣的去除一氧化碳和氫雜質已在EP-A-438282中描述。吸附式凈化單元的結構和運行已被人們所知，此處不進一步敘述。
在凈化單元6下游，空氣被分為第一和第二凈化壓縮后空氣流。第一凈化壓縮后空氣流從主熱交換器的熱端10至冷端12通過該主熱交換器8，在這里空氣被冷卻至適合精餾分離的溫度并以氣體狀態(tài)離開主熱交換器8的冷端12。
壓縮后的氣態(tài)第一空氣流在雙精餾塔14中被分離，該塔包括高壓塔16、低壓塔18和冷凝器一再沸器20，其中冷凝通道(未示出)與高壓塔16的上部連通，使冷凝氮在此被分離，重沸通道(未示出)與低壓塔18的下部相連。
第一氣態(tài)壓縮空氣流進入高壓塔16下部區(qū)域的底部。高壓塔16包括限定液體-蒸汽接觸表面的部件(未示出)，使塔中上升的蒸汽和下降的液氮具有完全的傳質關系，這里的液氮是通過在冷凝器-再沸器20中的氮蒸汽的冷凝形成的。傳質的結果使氮從第一壓縮后氣態(tài)空氣流中分離出去。
第二凈化壓縮后空氣流在增壓壓縮機22中進一步壓縮。在后冷卻器24中將進一步壓縮后的第二空氣流中的壓縮熱去除。使這樣冷卻后的第二凈化壓縮后空氣流從主熱交換器8熱端10流向冷端12而被進一步冷卻。在冷端12和主熱交換器8的下游，第二凈化壓縮后空氣流進入冷凝熱交換器26(它也起蒸發(fā)器的作用)，在這里被冷凝。得到的第一冷凝液流經過第一節(jié)流閥28并被引入高壓塔16的中間傳質區(qū)。第二冷凝液流經過另一個節(jié)流閥30并被引入低壓塔的中間傳質區(qū)。
富氧液流從高壓塔16的底部經出口32引出。該流被分成兩個支流，第一支流流經熱交換器34，在此被過冷。該過冷的富氧液態(tài)空氣支流流經節(jié)流閥36并在低于來自熱交換器26的第二冷凝液流入的地方被引入低壓蒸餾塔18的中間傳熱區(qū)。
富氧液態(tài)空氣的第二支流流經熱交換器26，在此處由于同冷凝的第二凈化壓縮后空氣流間接熱交換而被蒸發(fā)。蒸發(fā)后的第二富氧液態(tài)空氣支流通過從主熱交換器8冷端12流向其中間區(qū)而被再次加熱。該流從熱交換器8的中間區(qū)引出，在透平38中膨脹并向外作功。如果需要，透平38可以與增壓壓縮機22連接并驅動該壓縮機。膨脹后的氣態(tài)第二富氧液態(tài)空氣支流在低于第一過冷的富氧液態(tài)空氣支流引入之處通過進口40被引入低壓塔18的中間傳質區(qū)。
在低壓塔18中，空氣被分離成頂部的氮氣餾分和底部的不純的液態(tài)氧餾分。冷凝器-再沸器20的再沸器在塔18中提供蒸汽所必需的向上流動。塔18的液氮回流從兩處提供。第一處是再沸器-冷凝器20的冷凝通道。冷凝后的液氮流通過高壓塔16的頂部區(qū)被取走，通過熱交換器34被過冷，流經節(jié)流閥41并被引入低壓塔18的頂部區(qū)域。第二處是另一個冷凝器42。在低壓塔18中分離出來的一部分氮蒸汽組分在該另一冷凝器42中被冷凝，得到的冷凝液作為回流回到塔18的頂部。對冷凝器42是這樣提供冷卻的從低壓塔18的底部抽出不純的液態(tài)氧，使其通過節(jié)流閥44。在該另一冷凝器42中同冷凝氮的熱交換使得不純的液態(tài)氧流蒸發(fā)。所得的蒸汽通過出口45流出冷凝器42，并通過流經熱交換器34和主熱交換器8被加熱。所得的加熱后的不純氧蒸汽從主熱交換器8的熱端10作為廢氣被排入大氣。
第一氮產品流以蒸汽形式通過出口46從低壓塔18的頂部流出，接下來經過熱交換器34，通過流經主熱交換器8冷端12至熱端10被加熱至接近大氣溫度。第二氮產品也是以蒸汽形態(tài)從高壓塔16的頂部經出口48排出，通過流經主熱交換器8的冷端12至熱端10而被加熱至接近大氣溫度。
在圖中所示的空氣分離設備運行的典型例子中，高壓塔16頂部的工作壓力約9.5bar、低壓塔18頂部的工作壓力約4.2bar。增壓壓縮機22將第二凈化壓縮后空氣流的壓力從約9.8bar提高到約11.5bar。上述另一冷凝器42在約1.4bar的壓力下運行。富氧液態(tài)空氣流通過出口32從高壓塔16的底部流出時，通常氧的克分子系數(shù)為0.35。不純的液態(tài)氧從低壓塔的底部流出時，氧的克分子系數(shù)是0.73。
在這個例子中，總氮產品的57％從高壓塔16中取出，氮的回收率是90％。與常規(guī)的雙塔空氣分離工藝相比，后者在氮回收率是90％時，僅能從高壓塔中得到總氮產品的48％。
圖2所示的設備與圖1所示的相似，區(qū)別在于，膨脹透平22和與其相連的后冷卻器24被省略(其過程是第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流在基本上等于第一凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流進入高壓塔16時的壓力下被冷凝)，并且被蒸發(fā)的富氧液態(tài)空氣流通過熱交換器26上游的節(jié)流閥202而減壓。
圖3所示的設備與圖1所示的基本相似。不同的是，所有通過出口32從高壓塔16流出的富氧液態(tài)空氣都流經熱交換器26。富氧液態(tài)空氣在熱交換器26中被部分蒸發(fā)。所得的部分蒸發(fā)后流體流進相分離器302，在這里液相與氣相分離。氣相從相分離器302中流出，經過主熱交換器至膨脹透平38。液相在熱交換器34中被過冷，然后經過節(jié)流閥36朝上進入低壓塔18。
盡管圖1至圖3所示的設備生產氮和不純氧產品，然而后者的不純物量超過10％，圖4所示的設備生產的氧產品其不純物量小于1％。該氧產品以蒸汽形態(tài)通過出口402從低壓塔中流出，通過從主熱交換器8冷端12至熱端10的流動而被加熱至接近大氣溫度。盡管圖4所示設備的許多方面與圖1所示的相同，然而后者的冷凝器-再沸器20的熱負荷較大。因此沒有蒸發(fā)的氮產品從高壓塔16中流出。另外，圖4的設備省去了冷凝器42，在其中被再沸騰的液體改在冷凝器-再沸器20中再沸騰。
權利要求
1．一種在雙精餾塔中分離空氣的方法，該精餾塔包括個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔，高壓塔接收第一凈化壓縮后、溫度適合于用精餾分離的氣態(tài)空氣流，低壓塔接收來自高壓塔的用于分離的富氧液態(tài)空氣流，該塔通過冷凝器一再沸器與高壓塔形成熱交換關系，其中冷凝器提供分離的液氮回流，再沸器提供在低壓塔中上升的蒸汽流，其特征在于來自高壓塔的富氧液態(tài)空氣流在與第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流的間接熱交換中至少部分被蒸發(fā)，第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流由此被冷凝，所得的蒸汽流被加熱，在透平中膨脹作功，并被引入低壓塔，以及將所得的冷凝后空氣流引入高壓塔的中間傳質區(qū)。
2．如權利要求1所述的方法，其中第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流在高于第一凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流進入高壓塔的壓力下被冷凝。
3．如權利要求1所述的方法，其中第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流在基本上等于第一凈化壓縮后氣態(tài)空氣流進入高壓塔的壓力下被冷凝，富氧液態(tài)空氣流在與第二凈化壓縮后氣態(tài)空氣流進行熱交換之前被節(jié)流。
4．如前述任一權利要求所述的方法，其中只有從高壓塔中流出的部分富氧液態(tài)空氣與第二富氧液態(tài)空氣流間接熱交換，但該部分全部被蒸發(fā)。
5．如權利要求1-3之一所述的方法，其中從高壓塔中流出的所有富氧液態(tài)空氣均與第二富氧液態(tài)空氣流間接熱交換，但只有部分富氧液態(tài)空氣在熱交換過程中被蒸發(fā)。
6．如權利要求5所述的方法，其中使所得的蒸汽和剩余液體的混合物進行相分離，使氣相流入透平，液相流至低壓塔。
7．如前述任一權利要求所述的方法，其中所述的透平是專用透平。
8．如前述任一權利要求所述的方法，其中低壓塔運行的壓力范圍在頂部為3.5-6bar。
9．如前述任一權利要求所述的方法，其中第一氮產品從低壓塔中流出，至少一種氣態(tài)或液態(tài)的第二氮產品從高壓塔中流出，從低壓塔底部產出的氧其純度小于90％。
10．一種分離空氣的裝置，該裝置具有雙精餾塔，此塔包括一個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔，高壓塔具有用于接收第一凈化壓縮后、溫度適合于用精餾分離的氣態(tài)空氣的第一入口，低壓塔具有用于接收直接或間接來自高壓塔中分離的富氧液態(tài)空氣流的第一入口，該低壓塔通過冷凝器一再沸器與高壓塔形成熱交換關系，其中冷凝器提供分離的液氮回流，再沸器提供在低壓塔中上升的蒸汽流，其特征在于該裝置還包括一個使與第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣進行間接熱交換的至少部分蒸發(fā)富氧液態(tài)空氣流的蒸發(fā)器；一個使空氣進入高壓塔中間傳質區(qū)的第二入口，它與蒸發(fā)器的冷凝空氣出口相連通；一個用于加熱與第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流進行間接熱交換而形成的蒸發(fā)后的富氧液態(tài)空氣流的熱交換器；和個用于膨脹加熱蒸發(fā)后的第二富氧液態(tài)空氣流并對外作功的透平，該透平具有與低壓塔相連通的出口。
11．如權利要求10所述的裝置，其中上述透平與增壓壓縮機相連，用于提高第二凈化壓縮后的氣態(tài)空氣流的壓力。
全文摘要
第一壓縮凈化后空氣流在主熱交換器8中被冷卻,并被引入雙精餾塔14的高壓塔16的底部進行分離。至少部分富氧液態(tài)空氣流在另一熱交換器26中蒸發(fā),再在主熱交換器8中被加熱,在膨脹透平38中膨脹,然后通過進口40引入雙精餾塔14的低壓塔18中,通過與第二壓縮凈化后空氣流進行間接熱交換,使富氧液態(tài)空氣流的部分被蒸發(fā),第二空氣流因此被冷凝。將所得的冷凝流引入高壓塔16的中間區(qū)。
文檔編號F25J3/02GK1229908SQ9910575
公開日1999年9月29日 申請日期1999年3月24日 優(yōu)先權日1998年3月24日
發(fā)明者P·希金博特姆 申請人:英國氧氣集團有限公司