專利名稱：帶液態(tài)空氣汽提操作的低溫空氣分離系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及原料空氣的低溫精餾，更具體地說，涉及采用具有相連的氬側塔的雙塔系統(tǒng)進行的原料空氣的低溫精餾。
生產氧、氮和/或氬的空氣低溫精餾是一種成熟的工業(yè)方法。原料空氣通常在雙塔系統(tǒng)中被分離成氮和氧，其中高壓塔的富氮(nitrogen-rich)頂部蒸汽用于再沸低壓塔的富氧釜底液。來自低壓塔的流體送至氬側塔中生產氬。
在低壓塔中連有生產氬的測塔的雙塔低溫空氣分離系統(tǒng)中，存在明顯的熱力學不可逆性，即氬塔頂部冷凝器中沸騰的釜液和冷凝氬之間存在大的溫差。該溫差可高于5℃，而連接高壓塔和低壓塔的主冷凝器中通常的溫差小于1.5℃。由氬冷凝器的不可逆性而損耗的功的量值與現(xiàn)代空氣分離系統(tǒng)中通過其它改進而獲得的效益而言是很大的。為此，其中不可逆程度降低改進的低溫空氣分離系統(tǒng)是有意義的。
因此，本發(fā)明的目的是提供改進的低溫精餾系統(tǒng)，其中降低了氬頂部冷凝器和低壓塔之間的熱力學不可逆性。
通過本發(fā)明能達到上述目的和其它目的，這對于閱讀了本說明書的本專業(yè)人員來說是顯而易見的。本發(fā)明的一個方面是采用包括高壓塔和低壓塔的雙塔主裝置和具有頂部冷凝器的氬塔進行的原料空氣低溫精餾方法，包括
(A)冷凝一部分原料空氣產生液態(tài)原料空氣；(B)將液態(tài)原料空氣和氣態(tài)原料空氣送入汽提塔，并使液態(tài)原料空氣與氣態(tài)原料空氣在汽提塔中逆向流動產生氮濃度比空氣高的汽提塔產品氣體和氧濃度高于25摩爾％的汽提塔產品液體；(C)將汽提塔產品氣體送入高壓塔通過低溫精餾進行分離；(D)通過在氬塔頂部冷凝器中與含氬流體進行間接熱交換至少部分汽化汽提塔產品液體產生含氧氣體；和(E)將含氧氣體送入低壓塔通過低溫精餾進行分離。
本發(fā)明的另一方面是低溫精餾設備，包括(A)包括第一塔和第二塔的雙塔主裝置和具有頂部冷凝器的氬塔；(B)汽提塔，將液體送入汽提塔上部的裝置和將氣體送入汽提塔下部的裝置；(C)將流體自汽提塔上部送入第一塔的裝置(D)將流體自汽提塔下部送入頂部冷凝器的裝置；和(E)將流體自頂部冷凝器送入第二塔的裝置。
本說明書所用“原料空氣”指主要包括氮、氧和氬的混合物，如空氣。
本說明書所用“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”分別指使高壓氣流通過渦輪機以減小氣體的壓力和溫度從而產生致冷作用的方法和設備。
本說明書所用“塔”指蒸餾塔或精餾塔或蒸餾區(qū)或精餾區(qū)，即這樣一種接觸塔或接觸區(qū)，液相和汽相在其中逆向接觸以實現(xiàn)流體混合物的分離，例如通過在塔內安裝的一系列豎向間隔的塔盤或塔板上和/或在結構填料、無規(guī)填料等填料上使氣相和液相接觸。關于蒸餾塔可進一步參見the Chemical Engineer′s Handbook fifth edition，由R.H.Perry和C.H.Chilton編輯，McGraw-Hill Book Compang，New York出版，Section 13，The Continuous Distillation Process?！半p塔”優(yōu)選意味著高壓塔的頂端與低壓塔的底部具有熱交換關系。關于雙塔可進一步參見Ruheman“The Separation of Gases”，Oxford University Press，1949，Chapter VII，Commercial AirSeparation。利用高壓塔和低壓塔結合的其他雙塔裝置也可用于本發(fā)明的實際操作。
蒸汽和液體的接觸分離過程取決于各組分的蒸汽壓差。高蒸汽壓(易揮發(fā)或低沸點)組分將傾向于在汽相濃縮，而低蒸汽壓(難揮發(fā)或高沸點)組分將傾向于在液相濃縮。部分冷凝是這樣一種分離過程，借助于這種分離過程蒸汽混合物的冷卻可用于在汽相中濃縮易揮發(fā)組分，而在液相中濃縮難揮發(fā)組分。精餾或連續(xù)蒸餾是這樣一種分離過程，它結合了由汽相和液相逆流處理而獲得的連續(xù)部分汽化和冷凝過程。汽相和液相的逆流接觸是絕熱的，并且包括各相間的積分或微分接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過程裝置常稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔，這些名稱可換用。低溫精餾是至少部分地在溫度等于或低于150K的溫度下進行的精餾過程。
本說明書所用“間接熱交換”指使兩股流體物流處于熱交換關系而不直接接觸或相互混合的過程。
本說明書所用“氬塔”指處理包含氬的進料并產出氬濃度高于進料的產品的塔。
本說明書所用“頂部冷凝器”指由塔頂蒸汽產生塔內降流液體的熱交換裝置。
本說明書所用“上部”和“下部”分別指高于或低于塔中間點的區(qū)域。
本說明書所用“結構填料”指各單個填料相互之間以及相對于塔軸都具有特定取向的填料。結構填料的實例可參見USP4,186,159-Huber，USP4,299,050-Meier，USP4,929,399-Lockett等和USP5,132,056-Lockett等。
本說明書所用的“液氮”指氮濃度至少為78摩爾％的液體。
本說明書所用的“液氧”指氧濃度至少為20摩爾％的液體。
本說明書所用的“平衡級”指離開的汽體和液體物流處于平衡的汽液接觸過程。
本說明書所用的“過冷卻”指將液體冷卻到低于所在壓力下液體的飽和溫度。
本說明書所用的“汽提塔”指這樣一個塔，其中液體引入到該塔的上部，通過上升蒸汽從下行液體中脫除或汽提易揮發(fā)的組分。


圖1—4是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)優(yōu)選實施方案的各示意流程圖。
圖5是本發(fā)明另一實施方案某些方面的橫剖面簡圖，其中汽提塔置入裝有高壓塔的殼體。
本發(fā)明是一個低溫空氣分離系統(tǒng)，其中，液體在氬塔的頂部冷凝器中沸騰，它含有的氧摩爾分數(shù)通常比來自常規(guī)系統(tǒng)的高壓塔槽中的液體高。本發(fā)明利用較矮的汽提塔以提高進入高壓塔底的蒸汽含氮量，并提供用于氬塔頂部冷凝器的氧摩爾分數(shù)高的液體。來自高壓塔槽的流體，即釜液，在氬塔頂部冷凝器中不汽化或部分汽化，而是被過冷卻并在比常規(guī)方法中釜液和汽化釜液通常進入塔的位置高的位置進入低壓塔。這種液體用作中間回流物流(intermediate reflux stream)，通過松開通常位于釜液和汽化的釜液通常進入常規(guī)方法的低壓塔的位置的上邊一點的夾子(pinch)，提高低壓塔的分離程度。分離程度的提高表現(xiàn)為用給定高度的塔以給定的純度回收更多的進料空氣中更大部分的進入氬，或在固定的回收率和固定的塔高條件下提高了氬的純度，或在固定的回收率和固定的純度條件下減小了所需的塔高。這樣就至少部分降低了前述氬塔頂部冷凝器的熱力學不可逆性，提高了氬的回收率，或提高了氬的純度，或降低了塔的高度。
現(xiàn)在參考圖對本發(fā)明進行更詳細說明。圖1說明本發(fā)明的一個特別優(yōu)選實施方案?，F(xiàn)參見圖1，壓力通常為70—500psia(磅/平方英寸，絕對壓力)的原料空氣1在主熱交換器32中與返回物流間接換熱而冷卻。產生的冷卻原料空氣物流2可分為主要部分3和次要部分8。包括進入系統(tǒng)的原料空氣總量的0～10％的次要部分8在熱交換器33中與返回物流間接換熱而被液化，而熱交換器33產生的物流9送入汽提塔34，這將在后面做更詳細的描述。主要部分3在渦輪膨脹機35中進行渦輪膨脹產生致冷作用，同時產生的物流4被分為次要部分6和主要部分5。
包括系統(tǒng)中所用的全部原料空氣(即送入雙塔主設備的全部原料空氣)的約20％至45％的物流6送入產品蒸發(fā)器36，在此與沸騰的液氧進行間接熱交換而被冷凝。產出的液態(tài)原料空氣7送入汽提塔34的上部。在圖1所示的優(yōu)選實施方案中，物流7與物流9結合形成物流10，然后送入汽提塔34的上部。氣態(tài)原料空氣物流5送入汽提塔34的下部。
汽提塔34是一個較小的塔，一般有大約1至10個平衡級，典型的是具有約5個平衡級。在汽提塔34中，液態(tài)原料空氣向下流動，與向上流動的氣態(tài)原料空氣逆向流動。在該過程中，氮從向下流動的液體中汽提出來進入向上流動的氣體中，結果生成氮濃度超過空氣的汽提塔產品氣體和氧含量超過空氣的汽提塔產品液體。通常，汽提塔產品氣體的氮濃度在79～90摩爾％范圍內，優(yōu)選高于85摩爾％。汽提塔產品液體的氧濃度至少為25摩爾％，通常在33～45摩爾％范圍，優(yōu)選高于40摩爾％。而在常規(guī)的系統(tǒng)中，從高壓塔送到氬塔頂部冷凝器的釜液的氧濃度一般僅約為33摩爾％。
汽提塔產品氣體隨物流15從汽提塔34的上部送入塔37，塔37是包括塔37和第二塔即低壓塔38的雙塔主設備的第一塔即高壓塔37。塔37通常在壓力為70～150psia的范圍內操作。在塔37內通過低溫精餾將汽提塔產品氣體分離成為氮增濃(nitrogen-enriched)蒸汽和氧增濃液體。氮增濃蒸汽經(jīng)管線39進入主冷凝器43，在其中與塔38塔底液通過間接熱交換被冷凝。生成的氮增濃液體隨物流44流出主冷凝器43。一部分氮增濃液體45作為回流返回高壓塔37，氮增濃液體的另一部分21在熱交換器33中被過冷卻并且通過閥門46作為回流進入低壓塔38。如果需要，例如由物流25表示的一部分氮增濃液體可作為產品液氮回收。
氧濃度通常在22～32摩爾％的氧增濃液以物流20形式從塔37下部引出。氧增濃液體的氧濃度一般小于常規(guī)雙塔系統(tǒng)的高壓塔釜液的氧濃度。物流20中的氧增濃液體在熱交換器33中過冷卻，然后通過閥門47在低于氧增濃液體物流21進入塔38的位置處進入低壓塔38。
汽提塔產品液體以物流11形式從汽提塔34的下部引出，在過冷卻器即熱交換器33中與返回物流逆流流動而過冷卻，并送入頂部冷凝器48的沸騰側。氬濃度至少為90摩爾％的含氬蒸汽送入頂部冷凝器48的冷凝側，這在后邊將作詳細說明。在頂部冷凝器48內，汽提塔產品液體通過與頂部冷凝器48內的含氬流體間接熱交換而至少部分汽化。生成的含氧氣體隨物流12從頂部冷凝器48通過閥門49在低于高壓塔釜液隨物流20進入塔38的位置處進入低壓塔38。剩余的含氧液體可隨物流13從頂部冷凝器48通過閥門50進入低壓塔38。
低壓塔即第二塔38在低于高壓塔即第一塔37的操作壓力下操作，并通常為15～25psia。在塔38中，進入該塔的各種進料通過低溫精餾分離成為富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽隨物流29從塔38的上部引出，流經(jīng)熱交換器33和32而被暖熱，并隨物物流31從系統(tǒng)中引出，它可作為氮濃度等于或高于99摩爾％的氮氣產品回收。為控制產品純度，廢料物流40可在低于物流29引出的位置處從塔38中引出，流經(jīng)熱交換器33和32而被暖熱，并隨物流42從系統(tǒng)中引出。
如前所述，富氧液體被汽化以便向塔38提供上流的蒸汽，與冷凝氮增濃液體逆向流動。一部分生成的富氧氣體可直接從塔38回收。圖1表明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其中富氧液體用于進行部分原料空氣的冷凝，產生液態(tài)原料空氣，送入汽提塔。在該優(yōu)選實施方案中，一部分富氧液體從塔38或主冷凝器43中以物流89形式引出，然后進入產品蒸發(fā)器36。如需要，富氧液體可流經(jīng)液體泵51或利用單元43和36之間的高度差所產生的液體壓頭來增加壓力。同樣，如需要，一部分富氧液體也可作為產品液氧回收，如物流88所示。進入產品蒸發(fā)器36的富氧液體在其中與前述的冷凝原料空氣逆流流動而被汽化。生成的富氧氣體隨物流90從產品蒸發(fā)器36中引出，并流經(jīng)主熱交換器32而被暖熱，并以物流91形式離開系統(tǒng)，它可作為氧濃度通常在99～99.9摩爾％范圍的氧氣產品回收。
本發(fā)明的實際操作中，頂部冷凝器48是氬塔頂部冷凝器，氬塔可以是粗氬塔，即具有約40～60個平衡級并產生氬濃度為90～99摩爾％的粗氬的塔。優(yōu)選氬塔是精氬塔，其中使用結構填料作為塔的傳質內構件，這樣能夠進行具有150或更多個平衡級的塔操作，并生產出氬濃度為99.999摩爾％或更高的含氬流體。當使用這樣一個大的或超級的氬塔時，優(yōu)選塔分為兩部分，這種兩部分的氬塔示于附圖中。
現(xiàn)在再參考圖1，氬塔由第一部分52和第二部分53組成。含有約8～25摩爾％的氬而其它主要成分為氧的流體隨物流115從低壓塔38進入氬塔第一部分52，在此通過低溫精餾分成更富氧的液體和中間蒸汽。更富氧的液體隨物流116從氬塔第一部分52送回到低壓塔38。中間蒸汽隨物流54從氬塔第一部分52送入氬塔第二部分53，在其中通過低溫精餾分成為含氬蒸汽和中間液體。中間液體沿管線117從氬塔第二部分53送入氬塔第一部分52作為低溫精餾的降流液體。如需要可由液體泵55將物流117的液體泵至氬塔第一部分52頂部。通常氬塔第一部分52具有40至60個平衡級，而氬塔第二部分53具有110至140個平衡級。
含氬蒸汽沿管線56從氬塔送入頂部冷凝器48的冷凝側，在此該蒸汽與前述的蒸發(fā)汽提塔產品液體逆流流動而至少部分冷凝。在頂部冷凝器48內的含氬流體可以是粗氬，也可以是氬濃度為99.999摩爾％或更高的精氬，這取決于所用氬塔的類型。生成的冷凝的含氬流體作為回流沿管線57返回氬塔。在圖1所示的實施方案中，管線57從頂部冷凝器48連至氬塔第二部分53。一部分含氬流體以氣體或以液體形式沿管線125作為產品回收。
本發(fā)明能夠改進運轉性能，即通過在氬塔頂部冷凝器中采用具有較高氧濃度的液體作為沸騰流體，較之常規(guī)方法降低了功的輸入。這樣能夠使得氬塔頂部冷凝器中的溫度差減小。此外，由于送入高壓塔的原料空氣的氮摩爾分數(shù)比常規(guī)系統(tǒng)高，所以從高壓塔送入低壓塔的釜液也具有更高的氮濃度。這導致與低壓塔內的液體組成的更好匹配，提高了低壓塔的分離性能。這樣增加了氬塔內產生的氬的回收率或純度，或在減少功輸入的情況下也有相當?shù)幕厥章驶蚣兌?。例如，與具有氬側塔和對流程具有固定凈功輸入的常規(guī)雙塔系統(tǒng)比較，在所有塔的相同平衡級數(shù)目條件下，由本發(fā)明提供的附加分離作用將氬的回收率從原料空氣物流中所含氬的約85％提高到約92％。對于固定的氬回收率，凈功輸入與常規(guī)系統(tǒng)比較可減少約3.5％。
圖2—4說明本發(fā)明其它優(yōu)選實施方案。各圖中相同的部件用相同的數(shù)字表示，對這些相同的部件不再作詳細描述。
參見圖2，這里所描述的是這樣一種實施方案，其中進入產品蒸發(fā)器36的原料空氣不是來自通過渦輪膨脹機35渦輪膨脹過的原料空氣。在該實施方案中，第二原料空氣物流300流經(jīng)主熱交換器32而冷卻。產生的物流301分成物流303和物流302，其中物流303在熱交換器33中液化，并成為物流9，而物流302進入產品蒸發(fā)器36并成為物流7。物流303包括進入系統(tǒng)的原料空氣總量(即物流1和300)的約0～10％，而物流302包括進入系統(tǒng)的原料空氣總量的約20～45％。
在圖3所示的實施方案中，用作汽提塔上流蒸汽的原料空氣物流沒有經(jīng)過渦輪膨脹。在這個實施方案中，另一原料空氣物流400流經(jīng)主熱交換器32而冷卻，并且產生的物流401通過渦輪膨脹機58而被渦輪膨脹，渦輪膨脹后的物流402與汽提塔34下部的沸騰液體間接熱交換被進一步冷卻，然后以物流403形式送入低壓塔38。在這個實施方案中，渦輪膨脹后的原料空氣物流包括進入系統(tǒng)的全部原料空氣(即物流1,300和400)的0～15％，而進入汽提塔的氣態(tài)原料空氣包括進入系統(tǒng)的全部原料空氣的50％至80％。
在圖4所示的實施方案中，來自高壓塔37的一部分氧增濃釜液體99通過閥門59送入汽提塔34的上部。這樣能夠增加物流11的流速。如氬塔頂部冷凝器制冷要求高的話，這是有益的。
圖5表示本發(fā)明有關部分中的其他具體實施方案，其中汽提塔被裝在與高壓塔即第一塔相同的一個塔殼中。這個具體方案的操作基本上與其它實施方案相同，因而不再具體描述。圖5中的數(shù)字與圖1中相應的數(shù)字一樣表示相同的作用。
利用本發(fā)明，可在減小氬塔頂部冷凝器和低壓塔的熱力學不可逆性的情況下，以更高的效率進行低溫空氣分離。雖然參考一些優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了詳細的表述，但本專業(yè)的普通技術人員會認識到在權利要求的精神范圍內本發(fā)明還有其它的實施方案。
權利要求
1.采用包括高壓塔和低壓塔的雙塔主裝置和具有頂部冷凝器的氬塔進行的原料空氣低溫精餾方法，包括(A)冷凝一部分原料空氣產生液態(tài)原料空氣；(B)將液態(tài)原料空氣和氣態(tài)原料空氣送入汽提塔，并使液態(tài)原料空氣與氣態(tài)原料空氣在汽提塔中逆向流動產生氮濃度比空氣高的汽提塔產品氣體和氧濃度高于25摩爾％的汽提塔產品液體；(C)將汽提塔產品氣體送入高壓塔通過低溫精餾進行分離；(D)通過在氬塔頂部冷凝器中與含氬流體進行間接熱交換至少部分汽化汽提塔產品液體產生含氧氣體；和(E)將含氧氣體送入低壓塔通過低溫精餾進行分離。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中冷凝原料空氣部分占全部所用原料空氣的20％至45％。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中通過與取自低壓塔的液氧間接熱交換，冷凝所述一部分原料空氣。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中氣態(tài)原料空氣在送入汽提塔之前進行渦輪膨脹。
5.根據(jù)權利要求1的方法，還包括使原料空氣物流與汽提塔的液體進行間接熱交換，接著將所述的原料空氣物流送入低壓塔。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中汽提塔產品液體先進行過冷卻，然后與含氬流體間接熱交換而至少部分汽化。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中汽提塔產品液體的氧濃度高于33摩爾％。
8.根據(jù)權利要求1的方法，還包括回收下列產品的至少一種i)取自低壓塔的產品氮，ii)取自低壓塔的產品氧，和iii)取自氬塔頂部冷凝器的產品氬。
9.低溫精餾設備，包括(A)包括第一塔和第二塔的雙塔主裝置和具有頂部冷凝器的氬塔；(B)汽提塔，將液體送入汽提塔上部的裝置和將氣體送入汽提塔下部的裝置；(C)將流體自汽提塔上部送入第一塔的裝置；(D)將流體自汽提塔下部送入頂部冷凝器的裝置和(E)將流體自頂部冷凝器送入第二塔的裝置。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，還包括產品蒸發(fā)器；用于將液體自第二塔送入產品蒸發(fā)器的裝置；和用于將液體自產品蒸發(fā)器送入汽提塔的裝置，所述裝置包括將液體送入汽提塔上部的裝置。
11.根據(jù)權利要求9的裝置，還包括渦輪膨脹機和將氣體自渦輪膨脹機送入汽提塔的裝置。
12.根據(jù)權利要求9的裝置，其中用于將流體自汽提塔下部送入頂部冷凝器的裝置包括過冷卻器。
13.根據(jù)權利要求9的裝置，其中氬塔傳質內構件包括結構填料(Structured packing)。
14.根據(jù)權利要求13的裝置，其中氬塔包括至少150個平均級(equilibrium stage)。
15.根據(jù)權利要求14的裝置，其中氬塔分為兩部分。
16.根據(jù)權利要求9的裝置，其中汽提塔和第一塔裝在同一塔殼內。
全文摘要
有利地分離原料空氣的低溫精餾系統(tǒng)，其中利用雙塔主裝置上游的汽提塔來減小氬塔頂部冷凝器和低壓塔的熱力學不可逆性。
文檔編號F25J3/04GK1121174SQ9510892
公開日1996年4月24日 申請日期1995年7月13日 優(yōu)先權日1994年7月14日
發(fā)明者D·P·邦納奎斯特, M·J·洛凱特 申請人:普拉塞爾技術有限公司