專利名稱：空氣分離方法及生產(chǎn)氮的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)氮的方法及裝置，其中空氣在蒸餾塔中分離為富氮氣體和富氮液體。具體地，本發(fā)明涉及這樣的一種方法和裝置，其中蒸餾塔回流是通過使一股所述的富氮氣流與從蒸餾塔中提取的液流進行間接熱交換，將該富氮氣流冷凝而產(chǎn)生的，而所述的液流則在熱交換中汽化。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的一種方法和裝置，其中上述的汽化的液流被壓縮、冷卻、再引回至蒸餾塔以提高回收率。更加具體地，本發(fā)明涉及這樣的一種方法和裝置，其中上述的液流中的氮含量高于富氧液體中的氮含量。
氮可用本領(lǐng)域內(nèi)稱為氮發(fā)生器的單塔空氣分離裝置產(chǎn)生。在一種特別有效的氮發(fā)生器中，經(jīng)過過濾的壓縮純化空氣在一個單獨的塔內(nèi)，被分離成作為塔頂餾出物的富氮氣體和作為塔底產(chǎn)物的富氧液體。設(shè)有一個塔頂冷凝器，將一股富氮氣流冷凝，以產(chǎn)生塔的回流。用以承擔(dān)這冷凝任務(wù)的冷卻劑，是由經(jīng)過閥膨脹的富氧液流提供的。這冷卻劑汽化了，氣流的一部分可在主熱交換器(用來把空氣冷卻至適于進行蒸餾的溫度)的冷端或暖端的溫度下重新壓縮。然后把重新壓縮過的該汽化的冷卻劑引回至蒸餾塔，以增加氮的總回收率。同時，汽化的冷卻劑的一部分可被部分加溫，然后膨脹并作功。膨脹后的氣流作為致冷劑為裝置提供致冷作用。膨脹功的一部分被用來壓縮，以節(jié)約能量。
下文將說明，上述類型的方法，可用來進一步提高氮產(chǎn)物的回收率。
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)氮的方法。這方法是先將壓縮的純化進料空氣冷卻至適于進行精餾的溫度。把這壓縮的純化進料空氣引入至蒸餾塔內(nèi)，產(chǎn)生富氮的塔頂餾出物和作為塔底產(chǎn)物的富氧液體。至少將由富氮塔頂餾出物組成的富氮氣流的一部分冷凝，而且至少將所得冷凝液的一部分引入至蒸餾塔作為回流。一種含氮液體是從蒸餾塔中提取的。這含氮液體中的氮含量高于上述富氧液體的氮含量。讓分別由富氧液體和含氮液體組成的第一和第二冷卻劑流膨脹。至少有一部分富氮餾出氣流通過與第一和第二冷卻劑流的間接熱交換被冷凝，從而也形成了第一和第二汽化的冷卻劑流。由富氮餾出氣流的另一部分提取氮產(chǎn)物。將第一汽化的冷卻劑流部分加溫，讓其膨脹并作功，從而形成致冷劑流。致冷劑流與壓縮的純化空氣之間進行間接的熱交換。第二汽化的冷卻劑流在暖的或冷的條件下壓縮，然后冷卻至適于進行空氣蒸餾的溫度。再將這第二汽化的冷卻劑流引入至蒸餾塔的底部區(qū)域，以提高氮產(chǎn)物的回收率。
另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)氮的裝置。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，該裝置有一個主熱交換裝置，用以將壓縮的純化進料空氣冷卻至適于進行精餾的溫度。這個主熱交換裝置的其它作用，是部分地將第一汽化的冷卻劑流加溫，將第二汽化的冷卻劑流完全冷卻至適于進行空氣精餾的溫度，以及間接地把熱從壓縮的純化進料空氣傳輸至致冷劑流。有一個蒸餾塔與主熱交換裝置相連，接受所述壓縮的純化進料空氣，從而產(chǎn)生富氮塔頂餾出物以及富氧液體塔底產(chǎn)物。有一個冷凝裝置，它至少將由富氮塔頂餾出物組成的富氮氣流的一部分冷凝。該冷凝裝置也起著其它的作用將至少一部分所得到的冷凝液引回至蒸餾塔作為回流，并將第一和第二冷卻劑流汽化，從而形成第一和第二汽化的冷卻劑流。冷凝裝置連接于蒸餾塔，使第一冷卻劑流由所述富氧液體組成，而第二冷卻劑流由氮含量高于所述富氧液體的一種含氮液體組成。冷凝裝置也連接于主熱交換裝置，使第一汽化的冷卻劑流在其中部分地加溫。在冷凝裝置與蒸餾塔之間裝有第一第二膨脹閥，用來分別對第一和第二冷卻劑流進行閥膨脹。有一個裝置用來從另一部分富氮氣流提取氮產(chǎn)物。還有一膨脹裝置連接于主熱交換裝置，讓第一汽化的冷卻劑流膨脹并作功，從而形成致冷劑流。主熱交換裝置也連接于膨脹裝置，使壓縮的純化空氣間接地與致冷劑流交換熱量。有一壓縮裝置連接于冷凝裝置，用以重新壓縮第二汽化的冷卻劑流。該壓縮裝置也連接于主熱交換裝置，使第二汽化的冷卻劑流在其中冷卻。蒸餾塔還在其底部區(qū)域與主熱交換裝置相連，以便將完全冷卻至適于進行空氣精餾的溫度后的第二汽化的冷卻劑流接受到蒸餾塔內(nèi)。
將第二汽化的冷卻劑流再次引回到蒸餾塔內(nèi)，可提高氮產(chǎn)物的回收率。第二汽化的冷卻劑流是由氮含量高于所述富氧液體的一種含氮液體流得到的。因此，在溫度與富氧液體相同時，它具有較高的露點壓力。于是第二汽化的冷卻劑流對壓縮裝置的輸入壓力較高，所以作同樣的功可壓縮更多的流量。這種流量的增加，可使熱量抽提作用增加，從而使回收率大于現(xiàn)有技術(shù)(在現(xiàn)有技術(shù)中，是使汽化的粗液氧流再循環(huán)回至蒸餾塔)。而且，含氮液體流的組分接近于蒸餾塔貯液池中的平衡蒸汽的組分。這可使蒸餾塔的底部以比現(xiàn)有技術(shù)更可逆的方式運行。
應(yīng)注意，“完全加溫”表示加溫到主熱交換器的暖端溫度?！巴耆鋮s”表示冷卻到空氣引入至蒸餾塔之前的溫度。而“部分加溫”則表示加溫到一個中間溫度，即主加熱器暖端和冷端溫度之間的一個溫度。
說明書后列有清楚地指出申請人認(rèn)為是其發(fā)明內(nèi)容的權(quán)利要求，但申請人認(rèn)為參照附圖
可更好理解本發(fā)明，而附圖是用以說明在本發(fā)明的裝置中分離空氣的方法的一張單獨的圖。
參看附圖，其中顯示了用以生產(chǎn)氮產(chǎn)物的空氣分離裝置1。將壓縮的純化進料空氣流10引入至主熱交換器12。雖然未在圖中表示，進料空氣流10是用本領(lǐng)域中人們熟知的方法，將空氣用濾器過濾除去灰塵微粒后，再進行壓縮而產(chǎn)生的。用后冷卻器將壓縮熱去除后，再在預(yù)純化單元中將空氣純化，預(yù)純化單元一般包含若干個不同步運行的分子篩床，用以去除進料空氣中的二氧化碳、水汽和烴類。
進料空氣流10在主熱交換器12內(nèi)冷卻至適合于蒸餾的溫度以后，引入至蒸餾塔14的中部區(qū)域，在蒸餾塔14的頂部區(qū)域16產(chǎn)生富氮的氣體塔頂餾出物，并在蒸餾塔14的底部區(qū)域18產(chǎn)生富氧的液體塔底產(chǎn)物。蒸餾塔14可使用塔板、無規(guī)填料或結(jié)構(gòu)填料使待分離的空氣的上升的氣相與下降的液相緊密接觸，從而將空氣分餾為富氮氣體和富氧液體。蒸餾塔14是設(shè)計成使所述的富氮氣體是高純度氮，即所含的氧少于百萬分之100(100ppm)的氮。
由蒸餾塔14提取一股富氮氣流20。富氮氣流由富氮的氣體塔頂餾出物組成。富氮氣流20的一部分22在冷凝器24內(nèi)冷凝。所得到的冷凝液引回至蒸餾塔14作為回流。可以理解，全部富氮氣流都可以冷凝。在這情況下，只將冷凝液的一部分作為回流，其余部分則可取出作為產(chǎn)物。
從蒸餾塔14也提取出由富氧的液體塔底產(chǎn)物組成的第一冷卻劑流26。第二冷卻劑流28則是由蒸餾塔14中提取的含氮液體產(chǎn)生的。由于這含氮液體是在蒸餾塔14底部區(qū)域18上面的地方提取的，它具有的氮含量比在蒸餾塔14底部區(qū)域18收集的富氧液體中的高。第一和第二冷卻劑流26和28在低溫冷卻單元30中低溫冷卻，然后分別在降壓閥32和34內(nèi)進行閥膨脹。這降壓操作使第一和第二冷卻劑流26和28的溫度降低，使它們可在塔頂冷凝器24內(nèi)用以使富氮氣流20的一部分22冷凝。
富氮氣流20的另一部分36先在低溫冷卻單元30內(nèi)被加溫至主熱交換器12冷端的溫度。隨后富氮氣流20的一部分36在主熱交換器12內(nèi)被完全加溫，并作為產(chǎn)物氮氣流排出(圖中標(biāo)示為PGN2)。
第一冷卻劑流26在塔頂冷凝器24內(nèi)汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝黄睦鋮s劑流38。同樣，第二冷卻劑流28的汽化，產(chǎn)生了第二汽化的冷卻劑流40。第一汽化的冷卻劑流38首先在低溫冷卻單元30內(nèi)加溫至主熱交換器12冷端的溫度，然后在主熱交換器12內(nèi)再部分地加溫。此后，第一汽化的冷卻劑流38引入至汽輪膨脹器42內(nèi)，由此產(chǎn)生致冷劑流44。致冷劑流44在低溫冷卻單元30內(nèi)加溫，然后在主熱交換器12內(nèi)完全加溫，最后作為廢氮氣流排出(圖中標(biāo)示為WN2)。
第二汽化的冷卻劑流40在一個再循環(huán)壓縮機46內(nèi)壓縮，然后完全冷卻。再循環(huán)壓縮機40耦合于汽輪膨脹器42，使一部分膨脹功可用來壓縮冷卻劑流40。其余的膨脹功則通過耗能制動器47轉(zhuǎn)化為熱而排除。隨后，第二汽化的冷卻劑流40輸入至蒸餾塔14的底部區(qū)域18，以提高氮產(chǎn)物的回收率。注意壓縮的純化空氣流是在蒸餾塔14的中部區(qū)域引入的。這個中間位置就是輸入空氣的組分與蒸餾塔14內(nèi)待分離的空氣汽相的組分相同的位置。但是，壓縮的純化空氣流10可以與第二汽化的冷卻劑流40合并，并引入至蒸餾塔14的底部區(qū)域。但這種方法的熱力學(xué)效率不如上述實施例高。
在所說明的實施例中，第二汽化的冷卻劑流40是在基本上等于空氣進行蒸餾的溫度下壓縮的。這里和權(quán)利要求中都用了“基本上”這個詞，因為第二汽化的冷卻劑流40可以稍冷于壓縮的純化空氣流10在蒸餾塔14中部輸入處的溫度，亦即稍冷于主熱交換器12冷端的溫度。雖然在圖中未示出，在另一個實施例中，第二汽化的冷卻劑流40可在主熱交換器12內(nèi)完全加溫，重新壓縮，然后再完全冷卻。
以上參照較佳的實施例說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的條件下，可對這實施例作各種改變、增加和刪減。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)氮的方法，所述方法包括將壓縮的純化進料空氣冷卻至適于進行精餾的溫度；將上述壓縮的純化進料空氣引入至蒸餾塔，產(chǎn)生富氮的氣體塔頂餾出物以及作為塔底產(chǎn)物的富氧液體；至少使由上述富氮氣體塔頂餾出物組成的富氮氣流的一部分冷凝，并至少將所得到的冷凝液的一部分引入至所述蒸餾塔作為回流；從所述蒸餾塔中提取含氮液體，該含氮液體中的氮含量高于所述富氧液體的氮含量；將分別由所述富氧液體和所述含氮液體組成的第一和第二冷卻劑流膨脹；用所述第一和第二冷卻劑流使所述的至少一部分富氮氣流冷凝，并由此產(chǎn)生汽化的第一和第二冷卻劑流；從所述富氮氣流的另一部分提取氮產(chǎn)物；部分加溫所述第一汽化的冷卻劑流，使其膨脹并作功，以形成致冷劑流；在所述致冷劑流和所述壓縮的純化空氣之間間接地進行熱交換；以及壓縮所述第二汽化的冷卻劑流，將該第二汽化的冷卻劑流冷卻至所述溫度，并將其引入至所述蒸餾塔的底部，以提高所述氮產(chǎn)物的回收率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于所述氮產(chǎn)物是以氣態(tài)氮產(chǎn)物流形式提取的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于所述壓縮的純化進料空氣是引入至所述蒸餾塔的中間部位。
4.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征還在于所述第二汽化的冷卻劑流是基本上在所述溫度下壓縮。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征還在于所述第一和第二冷卻劑流在膨脹之前先進行低溫冷卻。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征還在于所述氮產(chǎn)物是以氣態(tài)氮產(chǎn)物流形式提取的；和所述氣態(tài)氮產(chǎn)物流、致冷劑流、和第一汽化的冷卻劑流與所述第一和第二冷卻劑流間接地進行熱交換，從而低溫冷卻所述第一和第二冷卻劑流。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征還在于所述的氣態(tài)氮產(chǎn)物流和致冷劑流通過與所述的壓縮的純化進料空氣和所述的第二汽化的冷卻劑流間接地進行熱交換，而使氣態(tài)氮產(chǎn)物流完全加溫，并使所述第一汽化的冷卻劑流部分地加溫。
8.一種產(chǎn)生氮的裝置，該裝置包括主熱交換裝置，用以將壓縮的純化進料空氣冷卻至適于進行精餾的溫度，將第一汽化的冷卻劑流部分加溫，將第二汽化的冷卻劑流完全冷卻至上述溫度，并使熱量從所述壓縮的純化進料空氣間接地傳輸至致冷劑流；連接于所述主熱交換裝置的蒸餾塔，用以接受所述的壓縮的純化進料空氣，從而產(chǎn)生富氮塔頂餾出物以及作為塔底產(chǎn)物的富氧液體；冷凝裝置，用以至少將由所述富氮塔頂餾出物組成的富氮氣流的一部分冷凝，并至少將所得冷凝液的一部分引入至所述的蒸餾塔中作為回流，而且使所述第一和第二冷卻劑流汽化，從而形成所述的第一和第二汽化的冷卻劑流，所述冷凝裝置連接于蒸餾塔，使所述的第一冷卻劑流由所述的富氧液體組成，而所述的第二冷卻劑流由其氮含量高于所述富氧液體的含氮液體組成，所述冷凝裝置也連接于主熱交換裝置，使所述的第一汽化的冷卻劑流在其中部分加溫；置于所述的冷凝裝置與蒸餾塔之間的第一和第二膨脹閥，分別用以使所述第一和第二冷卻劑流進行閥膨脹；用以從富氮氣流的另一部分中提取氮產(chǎn)物的裝置；連接于所述的主熱交換裝置的膨脹裝置，用以使所述的第一汽化的冷卻劑流膨脹并作功，從而形成所述的致冷劑流，所述的主熱交換裝置連接于所述的膨脹裝置，使所述的壓縮的純化空氣與致冷劑流間接地進行熱交換；和連接于所述冷凝裝置的壓縮機，用以壓縮所述的第二汽化的冷卻劑流，該壓縮機也連接于所述的主熱交換裝置，使所述的第二汽化的冷卻劑流在其中冷卻；和所述的蒸餾塔也在其底部區(qū)域連接于所述的主熱交換裝置，將所述的第二汽化的冷卻劑流，在全部冷卻至所述的溫度以后，接受至蒸餾塔內(nèi)，從而提高所述的氮產(chǎn)物的回收率。
全文摘要
在單塔氮發(fā)生器中生產(chǎn)氮的一種方法，其中用第一和第二冷卻劑流使富氮塔頂餾出物冷凝，以提供蒸餾塔的回流。冷卻劑流之一是由氮含量高于在蒸餾塔底部產(chǎn)生的富氮液體的氮含量的液體組成。這冷卻劑流被壓縮、冷卻和再循環(huán)至蒸餾塔底部，以提高氮的回收率。
文檔編號C01B21/04GK1152108SQ9611290
公開日1997年6月18日 申請日期1996年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月7日
發(fā)明者J·P·瑙莫維茲 申請人:波克股份有限公司