專利名稱：低溫空氣分離方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在精餾裝置中低溫分離空氣的方法，該精餾裝置包括壓力塔、低壓塔和具有至少兩個降膜蒸發(fā)器的冷凝器—蒸發(fā)器系統(tǒng)，將來自低壓塔的富氧液體引入第一降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道并部分蒸發(fā)，然后來自第一降膜蒸發(fā)器的未蒸發(fā)的富氧液體進入第二降膜蒸發(fā)器。
實踐中，主冷凝器幾乎總是形成為循環(huán)冷凝器或降膜蒸發(fā)器。當為循環(huán)冷凝器時，冷凝器區(qū)位于待蒸發(fā)的液體浴中。待蒸發(fā)的液體由下方進入蒸發(fā)通道，并通過與流經液化通道的載熱體逆向熱交換而至少部分蒸發(fā)。在蒸發(fā)期間形成的氣體將液體由浴中帶入蒸發(fā)通道中。此熱虹吸作用導致形成了液體經由循環(huán)冷凝器的自然循環(huán)，而無需傳送液體的另外裝置。
相反，當為降膜蒸發(fā)器時，待蒸發(fā)的液體由上方經分配系統(tǒng)引入蒸發(fā)通道中，該分配系統(tǒng)同時形成氣體密封。該液體作為液體膜沿著分開蒸發(fā)通道和液化通道的壁向下流動，并部分蒸發(fā)。形成的蒸汽和未蒸發(fā)的殘留液體從蒸發(fā)器底部的降膜蒸發(fā)器出來。此類型的蒸發(fā)器在蒸發(fā)通道中具有特別是低壓損失，并且因此在能量方面一般比循環(huán)蒸發(fā)器更適合。
然而，當富氧液體蒸發(fā)時，必須防止引起蒸發(fā)通道變干的全部蒸發(fā)。為此目的，一般加入比實際待蒸發(fā)明顯更大量的液體至蒸發(fā)通道中，以便除了期望的蒸汽，總有一定量的過量液體從蒸發(fā)通道中出來。然而，向蒸發(fā)通道中輸送過量液體是與降膜蒸發(fā)器的節(jié)能作用相矛盾的。
在EP-A 0926457中，建議在低壓塔的底部與低壓塔最低的質量傳遞元件之間重疊配置兩個或多個降膜蒸發(fā)器。單獨的降膜蒸發(fā)器連續(xù)配置。收集由質量傳遞元件出來的富氧液體，并引入第一降膜蒸發(fā)器中。來自第一降膜蒸發(fā)器的未蒸發(fā)液體然后轉移到配置于其下方的第二降膜蒸發(fā)器中。沒有準備液體由低壓塔底部循環(huán)至降膜蒸發(fā)器中。
負載變化的結果是，低壓塔流出的液體與壓力塔頂部形成的氣態(tài)氮的比例可改變，至少臨時改變。在EP-A 0926457中描述的冷凝器—蒸發(fā)器系統(tǒng)中，這可導致進入蒸發(fā)通道的液體對在蒸發(fā)通道中流動的載熱體的比例下降。如果在載熱體與待蒸發(fā)液體的量之間缺乏平衡的結果是，蒸發(fā)通道可變干并在那里累積相對低揮發(fā)性物質。
US Re.36,435同樣已公開了具有重疊放置的兩個降膜蒸發(fā)器的低溫分離設備。為啟動該設備，僅向上方的降膜蒸發(fā)器加入來自低壓塔底部的液體，同時僅由第一蒸發(fā)器出來的液體進入下游的降膜蒸發(fā)器。相反，在正常操作中，來自低壓塔底部的液體僅用泵注入下方的降膜蒸發(fā)器。僅向上方的蒸發(fā)器加入由低壓塔的質量傳遞元件出來的液體。在此類型的設備中，存在的問題是向上方降膜蒸發(fā)器加入的流體量不明確，特別是負載變化時，蒸發(fā)通道如上面所描述變干。
相對較大的空氣分離設備，其裝備有一個以上的降膜蒸發(fā)器，因此，迄今多個單獨降膜蒸發(fā)器并非串聯(lián)地而是并行地連接和操作。然而為此目的，如上所述，相應量的過量液體必須用泵注入每個降膜蒸發(fā)器，其在能量平衡方面具有負作用。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供所介紹類型的方法，其特別在能量和操作技術方面是有利的，并且避免了在降膜蒸發(fā)器中累積相對低揮發(fā)性物質。
此目的是通過在如上所述的方法來達成的，其中，將來自低壓塔底部的富氧液體引入第一降膜分離器的蒸發(fā)通道并引入第二降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道中。
根據本發(fā)明，向第二降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道中送入來自第一降膜蒸發(fā)器的未蒸發(fā)液體。因為安全原因，為了防止降膜蒸發(fā)器變干，將來自低壓塔底部的液體送入第一降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道中。在第二蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道中，必須避免液體的全部蒸發(fā)。在此上下文中，向第一降膜蒸發(fā)器可提供如此多的來自低壓塔底部的液體，使得足夠的未蒸發(fā)液體保持通至第二降膜蒸發(fā)器中。
然而，根據本發(fā)明，即使考慮安全因素，仍向第一降膜蒸發(fā)器中加入如此多的液體，使其不變干。向第二降膜蒸發(fā)器首先提供來自第一降膜蒸發(fā)器的未蒸發(fā)液體，其次提供合適量的來自低壓塔底部的液體，以便防止其變干。
所產生的蒸汽與由第一降膜蒸發(fā)器出來的未蒸發(fā)液體的混合物有利地分離為基本包括蒸汽的部分和基本包括液體的部分。僅液體通入第二降膜蒸發(fā)器。蒸汽部分返回至低壓塔中或作為氣態(tài)產品由設備中除去。
當然，本發(fā)明并非限定為僅兩個降膜蒸發(fā)器串聯(lián)配置。視設備的類型和尺寸而定，三個或多個降膜蒸發(fā)器串聯(lián)配置也已證明是有利的，即將由第二降膜蒸發(fā)器出來的未蒸發(fā)液體引入第三降膜蒸發(fā)器內。此外，如果相對于第一和/或第二降膜蒸發(fā)器，一個或多個降膜蒸發(fā)器并行連接，可以是有利的。在此情況下，由第一降膜蒸發(fā)器和所有與其并行連接的降膜蒸發(fā)器出來的液體優(yōu)選混合并分配至第二降膜蒸發(fā)器及與其并行配置的任何降膜蒸發(fā)器。
供給第一和第二降膜蒸發(fā)器的富氧液體量是在相應的降膜蒸發(fā)器中產生的氣態(tài)氧的量的2-5倍是有利的。這保證了不會發(fā)生變干，即不會發(fā)生液態(tài)氧的全部蒸發(fā)。對于第二降膜蒸發(fā)器，僅僅需要加入從低壓塔的底部及在第一降膜蒸發(fā)器中蒸發(fā)的液體量。換言之，供給第一降膜蒸發(fā)器的來自低壓塔底部的液體是供給第二降膜蒸發(fā)器的2-5倍。
對于多個單獨降膜蒸發(fā)器，優(yōu)選按以下方式配置使得由第一降膜蒸發(fā)器出來的液體純粹在重力作用下流入第二降膜蒸發(fā)器，而無需使用泵。當然，在第二降膜蒸發(fā)器與任何第三降膜蒸發(fā)器間的流動也是如此。
此外，為了節(jié)省泵或其他輸送裝置，降膜蒸發(fā)器優(yōu)選按以下方式配置使得由第二(或第三)降膜蒸發(fā)器出來的冷凝的氮由于靜壓力流回到壓力塔，并且由第二(或第三)降膜蒸發(fā)器出來的液態(tài)氧由于靜壓力流回到低壓塔。
圖2所示為根據本發(fā)明作為主冷凝器的兩個降膜蒸發(fā)器的配置。
圖3所示為圖2所示配置的替代實施方案。
圖4所示為根據本發(fā)明三個降膜蒸發(fā)器的配置。
汽態(tài)氮在壓力塔1的頂部經管道5取出，然后經管道6和7分別引入降膜蒸發(fā)器3和4各自的液化通道。由該兩個降膜蒸發(fā)器3、4的液化通道出來的氮然后作為回流液體分別經管道8和9回料至壓力塔1的頂部。該降膜蒸發(fā)器3、4以如下方式配置，在降膜蒸發(fā)器3、4中冷凝后，氮可反流至具有梯度的壓力塔1內，而無需使用泵。
在低壓塔2的底部10積累的富氧液體向上經管道12借助泵11輸送到兩個降膜蒸發(fā)器3、4中，并節(jié)流至平液容器20內，該平液容器連接到相應降膜蒸發(fā)器3、4的上部集管。在平液容器20中保持高于蒸發(fā)通道的一定液面。此液面首先提供所需的靜壓力以輸送蒸發(fā)通道中形成的蒸汽和未蒸發(fā)液體向下通過蒸發(fā)通道。其次，此液面確保來自降膜蒸發(fā)器3、4的頂部空間的蒸汽不進入相應的蒸發(fā)通道。
該富氧液體在蒸發(fā)通道內部分蒸發(fā)。汽—液混合物然后經管道13返回至低壓塔2。蒸汽形式的氧作為該設備的產品可經從管道13分出來的另一管道14移走。連接兩個降膜蒸發(fā)器3、4的上部和下部集管31的管道30用于補償集管31的任何過壓或減壓。
為防止兩個降膜蒸發(fā)器3、4變干，它們使用過量的富氧液體來操作。舉例來說，在主冷凝器中蒸發(fā)100,000m3/h(s.t.p.)的氧，即在每個降膜蒸發(fā)器3、4中產生50,000m3/h(s.t.p.)的氧。因為安全原因，向蒸發(fā)器3、4中施加3倍量的液態(tài)氧，即在每個情況中為150,000m3/h(s.t.p.)。因此，總共300,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧通過泵11由低壓塔2的底部10輸送到降膜蒸發(fā)器3、4的頂部。在此例中，壓力塔頂部的高度應為14m高，且每個降膜蒸發(fā)器3、4應為8m高。泵11因此必須輸送300,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧至14m+8m＝22m的總高度。
圖2所示為對應

圖1的精餾設備，其中根據本發(fā)明配置兩個降膜蒸發(fā)器203、204。壓力塔1和低壓塔2以及泵211放置在地平面上。在此例中，降膜蒸發(fā)器203位于降膜蒸發(fā)器204之上，以便由降膜蒸發(fā)器203出來的流體可在重力作用下流到降膜蒸發(fā)器204的頂端。與圖1所示類似，經由管道205、206、207供給降膜蒸發(fā)器203、204以來自壓力塔1的加壓氮。由液化通道出來的氮經由管道208、209返回到壓力塔1。下方的降膜蒸發(fā)器204的配置方式為它的液化通道的出口位于壓力塔1的上方。因此，無需使用泵就可使冷凝的氮返回到壓力塔1。
由低壓塔2的底部10提取的液態(tài)氧部分地經管道215用泵注入至降膜蒸發(fā)器203的頂部，部分經管道216用泵注入至降膜蒸發(fā)器204的頂部。未蒸發(fā)的過量液態(tài)氧出現(xiàn)在上方降膜蒸發(fā)器203的蒸發(fā)管道的底端。在分離器219中將所產生的蒸汽和過量液體分離。然后將過量液體經管道217加入降膜蒸發(fā)器204的頂部，而所產生的蒸汽經管道232和218返回低壓塔2或經管道214部分地提取為產物。管道230用于降膜蒸發(fā)器203的上端和下端間的壓力補償。
向降膜蒸發(fā)器204中經管道217加入來自上方降膜蒸發(fā)器203的過量液體，并經管道216加入新液體。由該蒸發(fā)器204的蒸發(fā)管道出來的汽—液混合物經管道218返回低壓塔2。
圖2所示的空氣分離設備的限制條件與圖1所示相對應。重復一遍，在每個降膜蒸發(fā)器203、204中產生50,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧。液態(tài)氧與所產生蒸汽的量的應用比例應同樣為3。
向上方的降膜蒸發(fā)器203中應加入150,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧。在該降膜蒸發(fā)器203的底端產生50,000m3/h(s.t.p.)的氧蒸汽以及100,000m3/h(s.t.p.)的過量液體。將50,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧混合至此100,000m3/h(s.t.p.)的過量液體中，并通過泵211輸送到該點。將來自降膜蒸發(fā)器203的過量液體與新的氧的混合物加入下方的降膜蒸發(fā)器204中。該下方的降膜蒸發(fā)器204同樣輸送50,000m3/h(s.t.p.)的蒸汽形式的氧以及100,000m3/h(s.t.p.)的過量液體。
在此情況下，泵211必須輸送總量為200,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧。但總輸送高度大于圖1所示的配置。這是因為泵211在壓力塔1和兩個降膜蒸發(fā)器203、204的高度之上輸送液態(tài)氧。因此總輸送高度為14m+8m+8m＝30m。
泵能與液體的量和總輸送高度的乘積成比例。圖1和2所示配置中泵能的比可計算為(300,000m3/h(s.t.p.)×22m)/(300,000m3/h(s.t.p.)×30m)＝1.1因此，在現(xiàn)有技術已知并如圖1所示的配置中，能量費用比圖2所示本發(fā)明配置高10％。此外，在圖1所示的實施方案中，泵11必須設計為用于300,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧，而在本發(fā)明的技術方案中，泵211設計為用于200,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧就足夠了。因此泵211可設計為比泵11小三分之一。
圖3所示為圖2所示配置的可替代實施方案。此實施方案與圖2所示的區(qū)別僅在于兩個降膜蒸發(fā)器203、204直接彼此連接。上部降膜蒸發(fā)器203的氣—液分離器219直接置于降膜蒸發(fā)器204的上部平液容器220上。因此，在兩個降膜蒸發(fā)器203、204之間有組件219、220，其中在上部的降膜蒸發(fā)器203中產生的蒸汽由相應過量液體中分離，并且因為與圖1所示的平液容器20相關說明的同樣理由，過量液體與所供給的新液體組合在一起。結果，兩個降膜蒸發(fā)器203、204的管道系統(tǒng)顯著簡化了。
圖4所示為根據本發(fā)明三個降膜蒸發(fā)器的配置。在此情況中，將來自頂部降膜蒸發(fā)器403的過量液體加入降膜蒸發(fā)器404的蒸發(fā)通道的頂部，并且來自此降膜蒸發(fā)器404的過量液體又進入降膜蒸發(fā)器421的頂部。降膜蒸發(fā)403、404、421中的每一個都另外由低壓塔2的底部10經泵411和管道415、416、422供給新的液態(tài)氧。單個的降膜蒸發(fā)器403、404、421以與圖2所示實施方案類似的方式經管道417、423連接。也可以與圖3所示實施方案類似的方式在降膜蒸發(fā)器403、404、421之間直接連接，以便省去管道417、423。
總共將產生100,000m3/h(s.t.p.)的蒸汽形式的氧，即在每個蒸發(fā)器403、404、421中將產生33,333m3/h(s.t.p.)的蒸汽。單個的降膜蒸發(fā)器403、404、421的施加量應同樣考慮為3倍。
因此，來自低壓塔2的底部10的100,000m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧必須輸送到降膜蒸發(fā)器403。在降膜蒸發(fā)器403底端的產物為33,333m3/h(s.t.p.)的蒸汽形式的氧以及66,666m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧。因此，另外的33,333m3/h(s.t.p.)的新的氧必須通過管道416加入降膜蒸發(fā)器404。同樣，在蒸發(fā)器404的底端產生33,333m3/h(s.t.p.)的蒸汽形式的氧和66,666m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧，結果也必須借助泵411將33,333m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧加入底部降膜蒸發(fā)器421。因此，總共166,666m3/h(s.t.p.)的液態(tài)氧必須用泵送入超過14m+8m+8m+8m＝38m的總高度。與并行配置的三個降膜蒸發(fā)器(輸送量＝300,000m3/h(s.t.p.)；總輸送高度＝14m+8m＝22m)相比較，相應泵能的比為(300,000m3/h(s.t.p.)×22m)/(166,166m3/h(s.t.p.)×38m)＝1.046因此，與三個降膜蒸發(fā)器的常規(guī)平行配置相比較的結果是節(jié)省了幾乎5％的能量。
下表所示為當使用根據本發(fā)明的降膜蒸發(fā)器的配置與常規(guī)配置相比較時的高度介于14m-24m的不同壓力塔的泵能比。比較一個降膜蒸發(fā)器并行配置(一級)、一個在另一個之上串聯(lián)的兩個降膜蒸發(fā)器的本發(fā)明配置以及一個在另一個之上串聯(lián)的三個降膜蒸發(fā)器的本發(fā)明配置(三級)時的相對能耗。在每個情況下的能量需要以使用與14m高度的壓力塔串聯(lián)的兩個降膜蒸發(fā)器(二級)為標準。降膜蒸發(fā)器的總高度設為8m。
表1

表2再次表明泵的能量需要是壓力塔高度的函數(shù)，每個壓力塔的高度的2級變量標準化為1。進入“1級”和“3級”塔的值因此直接表示對應串聯(lián)的兩個降膜蒸發(fā)器的配置與相對配置的能量比。
表2

很明顯，根據本發(fā)明兩個或多個降膜蒸發(fā)器一個在一個之上的配置對所有壓力塔的高度提供了能量效益。除了所示的能量節(jié)省，本發(fā)明還具有的優(yōu)點為可以使用較小的且因此較便宜的泵，因為只需要輸送較小量的液體。
權利要求
1.一種用于在精餾設備中低溫分離空氣的方法，該精餾設備包括壓力塔、低壓塔以及具有至少兩個降膜蒸發(fā)器的冷凝器—蒸發(fā)器系統(tǒng)，將來自低壓塔的富氧液體引入第一降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道內并使其部分蒸發(fā)，并且來自第一降膜蒸發(fā)器的未蒸發(fā)的富氧液體進入第二降膜蒸發(fā)器內，該方法的特征在于將來自低壓塔(2)的底部(10)的富氧液體引入第一降膜蒸發(fā)器(203、403)的蒸發(fā)通道內，然后引入第二降膜蒸發(fā)器(204，404)的蒸發(fā)通道內。
2.如權利要求1的方法，其特征在于將由第一降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)通道出來的氣—液混合物分離為氣體和液體。
3.如權利要求1或2的方法，其特征在于來自第二降膜蒸發(fā)器(404)的未蒸發(fā)的富氧液體進入第三降膜蒸發(fā)器(421)內。
4.如權利要求1或2的方法，其特征在于兩個降膜蒸發(fā)器(203、204)明確地串聯(lián)配置。
5.如權利要求1-4之一的方法，其特征在于加入第一和第二降膜蒸發(fā)器(203、403、204、404)的富氧液體的量是在相應降膜蒸發(fā)器(203、403、204、404)中產生的氧蒸汽量的2-5倍。
6.如權利要求1-5之一的方法，其特征在于由第一降膜蒸發(fā)器(203、403)出來的未蒸發(fā)的富氧液體由于靜壓力而流入第二降膜蒸發(fā)器(204、404)內。
7.如權利要求1-6之一的方法，其特征在于由第二降膜蒸發(fā)器(204)出來的冷凝氮由于靜壓力而流入壓力塔(1)中。
8.如權利要求1-7之一的方法，其特征在于壓力塔(1)和低壓塔(2)彼此相鄰配置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在精餾設備中低溫分離空氣的方法，該精餾設備包括壓力塔(1)、低壓塔(2)以及具有至少兩個降膜蒸發(fā)器(203、204)的冷凝器－蒸發(fā)器系統(tǒng)。將來自低壓塔(2)的富氧液體引入第一和第二降膜蒸發(fā)器(203、204)的蒸發(fā)通道內并使其部分蒸發(fā)。并且來自第一降膜蒸發(fā)器(203)的未蒸發(fā)的富氧液體轉移到第二降膜蒸發(fā)器(204)的蒸發(fā)通道內。
文檔編號F25J3/04GK1438465SQ03103869
公開日2003年8月27日 申請日期2003年2月13日 優(yōu)先權日2002年2月13日
發(fā)明者霍斯特·科爾杜安, 迪特里?！ち_特曼 申請人:林德股份公司