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。精餾的方法是在下降液流和上升蒸汽流之間發(fā)生傳質，使上升蒸汽流中富含要分離混合物的易揮發(fā)組分(氮)，下降液流中富含不易揮發(fā)的組分(氧)。
已知的空氣分離是在雙精餾塔中進行，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汽化空氣，低壓塔接收來自高壓塔用于分離的富氧液態(tài)空氣流，它通過冷凝-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，再沸器提供在低壓精餾塔中的氮蒸汽的上升流動。
雙精餾塔可用來在低壓塔的底部生產氧餾分，在低壓塔的頂部生產氮餾分。氧可以是含小于0.5％體積雜質的純氧，也可以是含達到50％體積雜質的不純氧。
對提供給空氣分離設備的制冷有一個基本要求。這種要求的至少一部分起因于低溫雙精餾塔的運行。特別是當沒有任何空氣分離的產品是以液態(tài)形式提取時，這種制冷要求通常是這樣滿足的將部分空氣的壓力提高到高于高壓塔頂部運行壓力至少2bar，使該空氣在膨脹透平中膨脹并對外作功，透平排氣進入低壓塔。透平通常與增壓壓縮機相連，該壓縮機將空氣壓力升高到高于高壓塔頂部的壓力。
空氣分離設備通常消耗大量的能源，因此其結構應使得能量消耗最少而又不過分增加費用。為了減少能量消耗，本領域目前的方法是運行具有兩個再沸器的低壓精餾塔。一個在高溫下運行，由被分離的空氣流加熱，另一個在低溫下運行，由在高壓塔中分離后的氮流加熱。這類工廠的缺點是需要第二個再沸器，增加了基本建設費用。
US-A-5337570提供了另一種空氣分離設備的例子。第一冷凝-再沸器用于冷凝在高壓塔中分離后的部分頂部的氮。冷凝是通過與高壓塔底部富氧液體形成間接熱交換而進行的。底部的富氧液體流因此被部分再沸騰。所得的蒸汽和剩余的液體供給低壓塔。該設備使用帶一個發(fā)電機的膨脹透平，其排氣進入低壓塔。要分離的空氣在多級主壓縮機中被壓縮。供給高壓精餾塔的主空氣從低壓級中取走，該壓力低于供給膨脹透平的壓力。
本發(fā)明的目的是提供一種用精餾分離空氣的方法和裝置，它們能在合適的能量消耗下運行而不使得設備具有不可接受的高價格，并且不需要有兩個再沸器與低壓精餾塔相連。
本發(fā)明提供了一種用精餾分離空氣的方法，包括將空氣壓縮至第一壓力；不進一步壓縮，而使壓縮空氣的第一流在主熱交換器中冷卻至適合于用精餾分離的溫度，將該第一流引入雙精餾塔的高壓塔，除了高壓塔外，雙精餾塔還包括低壓塔，在低壓塔底部形成濃度為50-98.5摩爾百分數(通常是50-96摩爾百分數)的氧；使壓縮空氣的第二流膨脹并對外作功，將膨脹后的第二流引入低壓塔，從所述的底部組分中取出不純的氧產品，其中對外作功用于發(fā)電，其特征在于，雙精餾塔還包括使高壓塔與低壓塔形成熱交換關系的冷凝-再沸器，在將壓縮空氣的第二流進行膨脹時不對第二流的上游作進一步的壓縮。
本發(fā)明還提供一種用精餾分離空氣的裝置，該裝置具有雙精餾塔，包括一個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔；至少一個空氣壓縮機，用于將空氣壓縮至第一壓力；一個主熱交換器，用于將壓縮空氣的第一流冷卻至適合用精餾分離的溫度；用于第一流進入高壓塔的進口；一個膨脹透平，用于使壓縮空氣的第二流膨脹并對外作功，透平具有使壓縮空氣的第二流進入的進口和與低壓塔相連的出口，膨脹透平帶動一個發(fā)電機；和用于濃度為50-98.5(通常為50-96)摩爾百分數的不純氧產品從低壓塔底部流出的出口，其特征在于，沒有另外的壓縮裝置用來將所述的壓縮的所述第一流和第二流空氣流的壓力提高到高于第一壓力，雙精餾塔還包括一個使高壓塔與低壓塔形成熱交換關系的冷凝-再沸器。
根據本發(fā)明的方法和裝置具有很多優(yōu)點。首先，能使較大比例的膨脹空氣對外作功并將其引入低壓塔，這使得能在相對高的效率下運行低壓塔，同時具有比膨脹空氣引入處低的蒸汽傳輸線。另外，減少了冷凝-再沸器的負荷。低壓塔下部的有效直徑可以減少，因此可以減少液體-蒸汽接觸表面的總面積。冷凝-再沸器的尺寸也可以減少。盡管以這種方式進行的本發(fā)明方法和裝置的運行可以使主熱交換器的冷卻流和加熱流之間的溫差加大，但該缺點早已由低壓塔的高效運行所補償，特別是由于在主熱交換器中的大溫差允許壓降或單位體積的換熱面積減少，或者是兩個優(yōu)點均可獲得。第三，省去了與膨脹透平相連的普通增壓壓縮機。第四，本發(fā)明的方法和裝置能用于產出大量的電力，因此減少了凈能量消耗。
通常氧產品從低壓精餾塔中排出時是液態(tài)，經過加壓，再與壓縮空氣的第三流進行間接熱交換而蒸發(fā)，壓縮空氣的第三流處于第二壓力，它高于第一壓力。這種熱交換可以在主熱交換器中進行，也可以在另外的熱交換器中進行。根據本發(fā)明方法和裝置的實例特別適合于生產氧濃度為70-90摩爾百分數的氧，最好是75-85摩爾百分數的氧。在優(yōu)選的實例中，較好的是要分離空氣體積流量的至少22％形成膨脹后的第二流體，最好的范圍是23％-30％。在這些實例中，壓縮空氣的第一流通常是小于要分離的總空氣體積流量的45％。
另外氧產品可以從低壓塔中以蒸汽形式排出，如果需要，在主熱交換器中加熱至非低溫后將其壓縮至所需的傳送壓力。在這種情況下，不需要冷凝壓縮空氣的第三流。這樣有可能使壓縮空氣的第二流占據總的要壓縮空氣流的較大比例。例如如果氧產品濃度為70-90摩爾百分數，通常有要分離空氣總流量的至少40％能形成壓縮空氣的第二流。
膨脹透平的進出口壓力比最好是2.5∶1-3.5∶1。
本發(fā)明的方法特別適合于沒有分離的液態(tài)產品取出或液態(tài)產品總生產量小于10％的空氣分離，較好是氧產品總生產量小于5％，最好是小于2％。
較好的情況是，壓縮空氣的第一流通常是在主熱交換器中而不是在其上游與第二流中分開。在任何情況下，第一和第二流從所述的空氣壓縮機中以相同的壓力排出。
壓縮空氣最好在主熱交換器的上游被凈化。
高壓塔和低壓塔兩者均可以由一個或多個容器構成，其中液相和氣相逆流接觸進行空氣分離，可以是例如使氣液相在填料元件上或者在安裝于容器中的成組的豎向間隔的塔盤或板片上接觸。
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是本發(fā)明第一空氣分離裝置的流程圖，圖2是本發(fā)明第二空氣分離裝置的流程圖。圖中相同的部件標以相同的符號。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(未示出)中將所得的壓縮空氣中的壓縮熱量抽走。這樣壓縮后的空氣流在吸附裝置4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，它們會在裝置的低溫區(qū)凍結。裝置4可通過壓力變化吸附或溫度變化吸附。裝置4還可包括一層或多層催化劑用于去除一氧化碳和氫雜質。這種對一氧化碳和氫雜質的去除已在EP-A-438282中描述。吸附式凈化元件的結構和運行已被人們所知，此處不進一步敘述。
在凈化裝置4下游，壓縮空氣流從熱端8流進主熱交換器6，在主熱交換器6的中間區(qū)，壓縮空氣流被分成第一和第二流。第一流繼續(xù)穿過主熱交換器6，在或接近其露點溫度時從冷端10流出，這也是適合用精餾分離的溫度。壓縮空氣的第一流從主熱交換器6的冷端10流出后通過進口12進入雙精餾塔14的高壓塔16的下部，雙精餾塔還包括低壓塔18和(單個的)冷凝-再沸器20。(這里沒有另外的冷凝-再沸器使高壓塔16中低壓塔18形成間接熱交換關系。)在運行中，空氣在高壓塔16中分離成底部富氧液體餾分和頂部氮蒸汽餾分，富氧液體流通過出口22從高壓塔16的底部流出，富氧液體空氣流在進一步的熱交換器24中被過冷，通過或焦耳-湯姆遜閥，或節(jié)流閥26，經進口27流入低壓塔18選定的中間區(qū)。
從高壓塔16頂部流出的氮蒸汽進入冷凝-再沸器20，在那里經與低壓塔18底部的沸騰不純液態(tài)氧進行間接熱交換而被冷凝。所得的部分液氮冷凝液作為回流返回塔16，剩余的冷凝液流經熱交換器24被過冷，然后流經節(jié)流閥或焦耳-湯姆遜閥28，通過進口30作為回流進入低壓塔18的頂部。
從高壓塔16的出口22流出的富氧液態(tài)空氣形成要在低壓塔中進行分離的空氣的一部分。另一部分空氣是在主熱交換器6的中間區(qū)與壓縮空氣的第一流分流的壓縮空氣的第二流。壓縮空氣的第二流從主熱交換器6中間區(qū)流出，在膨脹透平(有時稱之為渦輪膨脹器)32中膨脹并對外作功。該功使與透平32相連的發(fā)電機34運行。所得的膨脹后氣體在接近低壓塔18壓力時離開透平32，并由進口38引入低壓塔中間區(qū)。在低壓塔18中該空氣流被分離成頂部的氮蒸汽和底部的通常含70-90摩爾百分數的液態(tài)氧。冷凝-再沸器20通過與冷凝氮的間接熱交換使底部的不純液態(tài)氧再蒸發(fā)。所得的部分氧蒸汽升至塔18，在那里與下降液流接觸。其余的不純氧蒸汽通過出口40從低壓塔18流出，經從冷端10至熱端8流過主熱交換器6而被加熱至非低溫溫度，即稍低于大氣的溫度。所得的加熱后氧產品在氧壓縮機42中被壓縮至需要的傳輸壓力。壓縮后的氧產品流至氧輸送管線44。
圖2所示的設備與圖1所示的基本相似，區(qū)別在于，通過出口40從低壓塔18流出的氧產品是液體并在液體泵54中加壓至所需的傳輸壓力。部分凈化后的空氣從凈化元件4中取出，在增壓壓縮機46中進一步壓縮。所得的進一步壓縮后空氣流從熱端8至冷端10流過主熱交換器6，被冷卻至液化溫度。所得的冷卻后的進一步壓縮空氣流在冷凝-蒸發(fā)器48中通過與加壓后的不純液態(tài)氧產品流進行間接熱交換而冷凝，不純液態(tài)氧產品流因此蒸發(fā)。流經冷凝-蒸發(fā)器48的空氣通常是完全冷凝。所得的冷凝液流經節(jié)流閥50，通過進口52進入高壓塔16。進口52的位置高于進口12。在冷凝-蒸發(fā)器48中形成的氧蒸汽從冷端10至熱端8流經主熱交換器6，然后以所需的壓力流至產品氧輸送管線44。通常，具有大致與空氣相同組分的液體流從高壓塔16的中間出口56排出，通過熱交換器24被過冷，然后通過節(jié)流閥或焦耳-湯姆遜閥58由進口60引入低壓塔18。另外，冷凝液態(tài)空氣流也可以在閥50的上游分流，該流的一部分經節(jié)流閥或焦耳-湯姆遜閥(未示出)進入低壓塔18。
在圖2所示裝置運行的典型例子中，經出口40從低壓塔18流出的氧產品含80摩爾百分數的氧，可在泵54中提升至約4.3bar的壓力。透平32的進口壓力約3.8bar，出口壓力約1.25bar。約有空氣總體積流量的40％通過進口12引入高壓塔16，約占總體積流量的25％通過進口16進入低壓塔18，其余的通過進口52進入高壓塔16。
在圖1和圖2所示的裝置中，主空氣壓縮機2設定透平32的進口壓力和高壓塔16的進口12壓力。在透平32進口處的空氣壓力比空氣壓縮機2出口的壓力略低一些，這是由于流過凈化裝置4和主熱交換器6時的壓降所致。同理，高壓塔16的進口12處的壓力比主空氣壓縮機2出口的壓力略低幾分之一巴也是由于流經主熱交換器6和凈化裝置4的壓降所致。另外，用在圖1圖2所示裝置中的膨脹透平32是單獨的膨脹透平。
權利要求
1．一種用精餾分離空氣的方法，包括將空氣壓縮至第一壓力；不進一步壓縮，而使壓縮空氣的第一流在主熱交換器中冷卻至適合于用精餾分離的溫度，將該流引入雙精餾塔的高壓塔，雙精餾塔還包括低壓塔，在低壓塔底部形成濃度為50-98.5摩爾百分數的氧使壓縮空氣的第二流膨脹并對外作功，將膨脹后的第二流體引入低壓塔，從所述的底部組分中取出不純的氧產品，其中對外作功用于發(fā)電，其特征在于，雙精餾塔還包括使高壓塔與低壓塔形成熱交換關系的冷凝一再沸器，在將壓縮空氣的第二流進行膨脹時不對第二流的上游作進一步壓縮。
2．如權利要求1所述的方法，其中氧產品是以液態(tài)從低壓塔流出的，經過壓縮，在與壓縮空氣的第三流的間接熱交換中蒸發(fā)，壓縮空氣的第三流的壓力處于第二壓力，它高于第一壓力。
3．如權利要求2所述的方法，其中氧產品的濃度范圍是50-96摩爾百分數。
4．如權利要求3所述的方法，其中氧產品的濃度范圍是75-85摩爾百分數，要分離空氣體積流量的至少22％形成膨脹后的第二流。
5．如權利要求4所述的方法，其中要分離空氣體積流量的23％-30％形成膨脹后的第二流。
6．如前述任一權利要求所述的方法，其中膨脹透平進出口壓力的比是2.5∶1-3.5∶1。
7．如前述任一權利要求所述的方法，其中沒有分離的液體產品被取出。
8．如前述任一權利要求所述的方法，其中壓縮空氣的第一流在主熱交換器中與第二流體分開。
9．一種用精餾分離空氣的裝置，該裝置具有雙精餾塔，包括一個高壓精餾塔和一個低壓精餾塔；至少一個空氣壓縮機，用于將空氣壓縮至第一壓力；一個主熱交換器，用于將壓縮空氣的第一流冷卻至適合用精餾分離的溫度；用于第一流體進入高壓塔的進口；一個膨脹透平，用于使壓縮空氣的第二流膨脹并對外作功，透平具有使壓縮空氣流的第二進入的進口和與低壓塔相連的出口，透平帶動一個發(fā)電機；和用于濃度為50-98.5摩爾百分數的不純氧產品從低壓塔底部流出的出口，其特征在于，沒有另外的壓縮裝置用來將所述的壓縮空氣的第一或第二流的壓力提高到高于第一壓力，雙精餾塔還包括一個使高壓塔與低壓塔形成直接熱交換關系的冷凝一再沸器。
10．如權利要求9所述的裝置，還包括一個泵，用于從低壓塔中排出液態(tài)氧產品并提高其壓力；一個熱交換器，用于使加壓后的氧產品與壓縮空氣的第三流進行間接熱交換而蒸發(fā)；和一個進一步的壓縮機，用于使壓縮空氣的第三流在與蒸發(fā)氧產品發(fā)生熱交換的上游將其壓力提高。
全文摘要
用精餾法分離空氣。將空氣在主壓縮機2中壓縮至第一壓力。壓縮空氣的第一流不作進一步壓縮而在主熱交換器6中冷卻至適合于用精餾分離的溫度。將該流引入雙精餾塔14的高壓塔16,雙精餾塔還包括低壓塔18,在低壓塔的底部形成濃度為50—98.5(通常為50—96)摩爾百分數的氧;和使高壓塔16與低壓塔18形成熱交換關系的冷凝—再沸器20。使壓縮空氣的第二流在膨脹透平32中膨脹并對外作功,在此上游不對壓縮空氣的第二流作進一步壓縮。將膨脹后的第二流引入低壓塔18。不純氧產品從所述底部取出。對外作功用于發(fā)電,因此透平32與發(fā)電機34相連。
文檔編號F25J3/04GK1236884SQ99106020
公開日1999年12月1日 申請日期1999年4月9日 優(yōu)先權日1998年4月9日
發(fā)明者C·J·海內 申請人:英國氧氣集團有限公司