專利名稱：制取低純氧和高純氮的低溫側(cè)塔精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣的低溫精餾，具體地說(shuō)，涉及低溫精餾原料空氣以生產(chǎn)氧和氮。它具體適用于生產(chǎn)高壓的低純氧和高純氮。
在一些工業(yè)生產(chǎn)中需要使用低純氧和高純氮。例如在玻璃制造工業(yè)中，低純氧用在含氧燃料的燃燒中，以加熱和熔化制取玻璃的原材料，同時(shí)用高純氮作為已熔化玻璃的惰性保護(hù)氣體。并且通常都需要高壓的氧和氮。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能有效地同時(shí)制取低純氧和高純氮的低溫精餾系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能有效地同時(shí)制取高壓低純氧和高純氮的低溫精餾系統(tǒng)。
上述目的及其它目的可以通過(guò)本發(fā)明來(lái)達(dá)到，本領(lǐng)域普通專業(yè)人員閱讀了本說(shuō)明書(shū)后將對(duì)這些目的理解更深，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及的是一種制取低純氧和高純氮的方法，包括(A)使原料空氣流入高壓塔，在高壓塔內(nèi)經(jīng)過(guò)低溫精餾將其分離成富氮蒸氣和富氧液體；(B)回收一部分富氮蒸氣作為高純氮產(chǎn)品，并使富氧液體流入低壓塔；(C)使一部分富氮蒸氣透平膨脹以制取膨脹后的富氮蒸氣，透平膨脹后的富氮蒸氣與從上述低壓塔底部上方流出的流體間接換熱并被冷凝，以產(chǎn)生富氮液體，將富氮液體送進(jìn)低壓塔；(D)流入低壓塔的流體經(jīng)過(guò)低溫精餾分離成富氮流和富氧流；(E)使富氧流流入輔助側(cè)塔，在輔助側(cè)塔中經(jīng)過(guò)低溫精餾制取純氧，其中來(lái)自輔助側(cè)塔的液流與來(lái)自高壓塔底部上方1至10平衡級(jí)之間的某處的流體進(jìn)行間接換熱并被汽化；(F)回收從輔助側(cè)塔流出的低純氧產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一方面涉及的是制取低純氧和高純氮的裝置，它包括(A)第一塔、第二塔及把原料空氣供給第一塔的裝置；
(B)回收來(lái)自第一塔上部的流體的裝置，及把流體從第一塔下部送往第二塔的裝置；(C)一臺(tái)透平膨脹機(jī)，及把流體從第一塔上部送至透平膨脹機(jī)的裝置；(D)用于第二塔的一臺(tái)中間換熱器，把流體從透平膨脹機(jī)送至中間換熱器的裝置，及把流體從中間換熱器送至第二塔的裝置；(E)一個(gè)具有底部重沸器的輔助側(cè)塔，把流體從第二塔送至輔助側(cè)塔的裝置，把流體從第一塔送至輔助側(cè)塔底部重沸器的裝置和把流體從輔助側(cè)塔底部重沸器送至第一塔的裝置；及(F)從輔助側(cè)塔下部回收流體的裝置。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“塔盤(pán)”指接觸級(jí)，它不必是平衡級(jí)，也可指其它與塔盤(pán)分離能力相等的填料之類(lèi)的接觸裝置。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“平衡級(jí)”指汽—液在傳質(zhì)平衡的狀態(tài)下離開(kāi)的接觸級(jí)，例如一個(gè)效率為100％的塔盤(pán)，或高度與理論塔板相當(dāng)(HETP)的填料層。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“原料空氣”指主要含有氧和氮的混合氣體，例如環(huán)境空氣。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“低純氧”指一種含氧濃度從50％至98.5％(克分子)的流體。
此處“高純氮”一詞是指氮濃度高于98.5克分子百分?jǐn)?shù)的流體。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“塔”指一種蒸餾或分餾塔或區(qū)，即一種接觸塔或區(qū)，其中例如借助汽、液兩相在一系列沿塔內(nèi)縱向間隔安裝的塔盤(pán)或塔板上接觸，和/或在有規(guī)律碼放和/或無(wú)規(guī)律碼放的填料元件上接觸，使液、汽兩相逆流接觸以實(shí)現(xiàn)流體混合物的分離。關(guān)于蒸餾塔的進(jìn)一步討論，請(qǐng)參見(jiàn)“ChemicalEngineer′s Handbook，fifth edition”(《化學(xué)工程師手冊(cè)·第五版》)，由R.H.Perry和C.H.Chilton編，McGraw-Hill Book Company 出版，NewYork，Section 13，“The continuous Distillation Process”(連續(xù)蒸餾過(guò)程)。術(shù)語(yǔ)，雙塔常指一個(gè)上端與低壓塔下端呈換熱關(guān)系的高壓塔。有關(guān)雙塔裝置的進(jìn)一步討論參見(jiàn)“The Separation of Gases”(氣體分離)，Oxford University印刷，1949年，Chapter VII，Commercial AirSeparation(商用空氣分離)。
汽、液接觸分離過(guò)程與各組分的蒸汽壓不同有關(guān)。高蒸汽壓(易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組分將趨于在汽相中富集，而低蒸汽壓(難揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分將趨于在液相中富集。部分冷凝是一種通過(guò)冷卻蒸汽混合物達(dá)到在汽相中富集易揮發(fā)組分(一種或多種)在液相中具有較少的易揮發(fā)組分(一種或多種)的分離過(guò)程。精餾或連續(xù)蒸餾是一種如借助對(duì)汽液相進(jìn)行逆流處理而達(dá)到的、順序地將部分蒸發(fā)與冷凝相結(jié)合的分離過(guò)程。汽、液相的逆流接觸是絕熱的，它可包括兩相間的積分(分段的)或微分(連續(xù)的)接觸。應(yīng)用精餾原理分離混合物的分離設(shè)備常常用幾個(gè)可互換的術(shù)語(yǔ)精餾塔、蒸餾塔或分餾塔來(lái)描述。低溫精餾是一種至少部分過(guò)程在150K或更低溫度下進(jìn)行的精餾過(guò)程。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“間接換熱”指讓兩種流體在彼此沒(méi)有任何物理接觸或混合的情況下進(jìn)行換熱的過(guò)程。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“重沸器”指一種換熱裝置，它從塔液中產(chǎn)生沿塔上升的蒸汽。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“透平膨脹”和“透平膨脹機(jī)”分別指一種方法和設(shè)備，它們用于使高壓氣體流經(jīng)一臺(tái)透平機(jī)以降低氣體的壓力和溫度從而產(chǎn)生冷量。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“上部”和“下部”分別指塔中點(diǎn)以上和以下的部分。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“底部”，當(dāng)指塔時(shí)是指低于塔中傳質(zhì)內(nèi)部件(即塔板或填料)的塔部分。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“底部重沸器”指一種使塔底液體沸騰的重沸器。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“中間換熱器”指一種使高于塔底處的液體沸騰的重沸器。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，其中回收透平膨脹后的高純氮；圖2是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，其中高純氮不經(jīng)透平膨脹就被回收。
附圖中相同標(biāo)號(hào)表示同一部件。
下面參照附圖詳述本發(fā)明。
參照?qǐng)D1，已除去高沸點(diǎn)雜質(zhì)(例如二氧化碳和水蒸汽)的原料空氣分成主原料空氣流60和增壓原料空氣流66。增壓原料空氣流66處于高壓，壓力范圍一般為60-500磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)(psia)。原料空氣流通過(guò)主換熱器1，在該換熱器中上述原料空氣流與回流間接換熱而被冷卻。所產(chǎn)生的冷卻后的主原料空氣61流入第一或高壓塔10，該塔的工作壓力通常在60-90psia范圍，該塔是還包括第二或低壓塔12的雙塔系統(tǒng)的一部分。
冷卻后的增壓原料空氣流67從主換熱器1流入換熱器2，在換熱器2中增壓原料空氣流與氮蒸汽間接換熱而過(guò)冷。所生成的過(guò)冷增壓原料空氣流68分成流69和流103，流69通過(guò)閥70作為流71流入高壓塔10，流103通過(guò)閥104作為流105流入低壓塔12。
在第一或高壓塔10中，原料空氣通過(guò)低溫精餾分離成富氮蒸汽和富氧液體。氧濃度范圍為30-40％(克分子)的富氧液體從高壓塔10的下部抽出，并作為流62通過(guò)過(guò)冷器3，在過(guò)冷器3中與回流間接換熱而過(guò)冷。所生成的流63通過(guò)閥64作為流65流入第二或低壓塔12。
富氮蒸汽作為流76從高壓塔10上部抽出。富氮蒸汽的第一股流77流入主冷凝器或塔底重沸器21，在該主冷凝器中第一股流與至少已部分汽化并作為流85返回塔12的塔12的底液84間接換熱而冷凝。所生成的富氮液體作為流78流出低壓塔的底部重沸器21，并作為回流返回到高壓塔10。
富氮蒸汽的第二股流79經(jīng)透平膨脹機(jī)30膨脹，從而產(chǎn)生制冷作用。本發(fā)明的一個(gè)重要方面在于，從高壓塔10流到透平膨脹機(jī)30的富氮蒸汽不是過(guò)熱的。這就降低了投資成本，簡(jiǎn)化了管路及控制，且提高了循環(huán)效率。所生成的透平膨脹流80分成流81和流82，流81流入中間換熱器22，流82流過(guò)主換熱器1而被加熱，并作為高純氮產(chǎn)品流83而回收。實(shí)際上中間換熱器22既可置于低壓塔12內(nèi)，也可放在低壓塔12之外。當(dāng)中間換熱器22置于塔12內(nèi)時(shí)，它處于高于塔12的塔底2-10平衡級(jí)，低于富氧液65流入塔12的入口處2-10平衡級(jí)之處。
透平膨脹后的富氮蒸汽81在中間換熱器22內(nèi)通過(guò)與來(lái)自低壓塔塔底上部的流體間接換熱而冷凝，所生成的富氮液體作為流88從換熱器22流入低壓塔12。從高于高壓塔10塔底15至30平衡級(jí)范圍內(nèi)某點(diǎn)處抽取一股含氧濃度范圍為0.1-0.2％(克分子)的流，將它作為流89從塔10通過(guò)過(guò)冷器4，與一股回流間接換熱而過(guò)冷。所生成的過(guò)冷流90通過(guò)閥91作為流92流入塔12。
低壓塔12在比高壓塔10低的壓力下工作，其工作壓力一般在15-30psia范圍內(nèi)。在低壓塔12內(nèi)，流入該塔的不同流體通過(guò)低溫精餾分離成富氮流和富氧流。從低壓塔12上部抽取富氮流作為蒸汽流93，使其通過(guò)過(guò)冷器4、3和2及主換熱器1而被加熱。所生成的流95可作為高純氮產(chǎn)品加以回收。作為流93從低壓塔頂部抽取的氮用來(lái)冷卻幾種過(guò)程流體，首先它冷卻作為流89返回至塔頂?shù)幕亓饕?，其次它冷卻作為流62的中間回流液，第三它冷卻作為流67流入塔的液態(tài)原料空氣。為清楚起見(jiàn)，將所述的換熱過(guò)程表示為在三個(gè)分立的換熱器4、3及2中進(jìn)行。實(shí)際上最好將所有三個(gè)換熱器合并為一體。
富氧流從低壓塔12的下部作為流86流到第三或輔助側(cè)塔11的上部，該塔11在15至25psia的壓力范圍內(nèi)工作。在輔助側(cè)塔11中，富氧流通過(guò)低溫精餾低純氧和剩余蒸汽。剩余蒸汽作為流87返回塔12的下部。
輔助側(cè)塔11具有靠從高壓塔流出的蒸汽驅(qū)動(dòng)的底部重沸器20。蒸汽流72的氧濃度一般為4-10％(克分子)，它是從高于高壓塔10塔底1-10最好是3-5平衡級(jí)中間的某點(diǎn)處抽取的，它流入底部重沸器20，在其中冷凝并作為流73返回塔10。液流74從輔助側(cè)塔11塔底送入底部重沸器20，在該重沸器中它至少部分汽化并作為流75流回到塔11。
低純氧從輔助側(cè)塔11的下部作為產(chǎn)品回收。在圖1所示的實(shí)施例中，低純氧是從輔助側(cè)塔11下部作為液流96提取的。液流96的一股97通過(guò)閥98并作為低純液氧產(chǎn)品99回收。流96的另一股流100通過(guò)液體泵32增壓，所產(chǎn)生的增壓流101壓力在25至250psia范圍，該流101與增壓原料空氣流66在主換熱器1中通過(guò)間接換熱而汽化，并作為增壓低純氧氣流102回收。
圖2表示了本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中回收從高壓塔中流出的高壓高純氮。圖2中與圖1中相同的標(biāo)號(hào)表示相同部件，對(duì)這些共有部件不再作詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D2，富氮蒸汽流79在透平膨脹機(jī)30的上游分成流182及流180。流182流過(guò)主換熱器1而變熱，并在流183中作為高壓高純氮產(chǎn)品回收。富氮蒸汽流180通過(guò)透平膨脹機(jī)30透平膨脹產(chǎn)生冷量，所生成的經(jīng)膨脹的富氮蒸汽181流入中間換熱器22。該流程的其余部分與圖1描述的相同。
借助于本發(fā)明可以有效地制取低純氧和高純氮，且兩種產(chǎn)品都可在高壓下制取。本發(fā)明的中間換熱器利用可在低壓塔提餾段獲得的剩余驅(qū)動(dòng)力來(lái)提供冷量維持循環(huán)，而不影響該塔上部精餾段的驅(qū)動(dòng)力。冷量靠來(lái)自高壓塔的富氮蒸汽透平膨脹而產(chǎn)生。該冷量取代了一般靠進(jìn)入低壓塔中部的高壓原料空氣進(jìn)行常規(guī)膨脹而產(chǎn)生的冷量。結(jié)果，可從塔系統(tǒng)中抽取大量的高純氮，并可以在高壓下回收。這就減少了投資成本，降低了過(guò)程的不可逆性，并且在給定的、可能與傳統(tǒng)情況相同的輸入功的情況下提高了產(chǎn)品回收量。
盡管已參照某些優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可意識(shí)到，在本權(quán)利要求書(shū)的構(gòu)思和保護(hù)范圍內(nèi)尚有其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種制取低純氧和高純氮的方法，包括(A)使原料空氣流入高壓塔，在高壓塔中原料空氣通過(guò)低溫精餾分離成富氮蒸汽和富氧液體；(B)回收一部分富氮蒸汽作為高純氮產(chǎn)品，并讓富氮液體流入低壓塔；(C)使一部分富氮蒸汽透平膨脹來(lái)制取透平膨脹后的富氮蒸汽，使已透平膨脹的富氮蒸汽與來(lái)自低壓塔底部上方的流體間接換熱而冷凝，由此制取富氮液體，并使富氮液體流入低壓塔；(D)通過(guò)低溫精餾把流入低壓塔的流體分離成富氮流和富氧流；(E)使富氧流流入輔助側(cè)塔中，并在輔助側(cè)塔中通過(guò)低溫蒸餾制取低純氧；其中從輔助側(cè)塔中流出的液體通過(guò)與來(lái)自高于高壓塔底部1至10平衡級(jí)之處的蒸汽間接換熱而汽化；及(F)從輔助側(cè)塔中回收低純氧產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使富氮蒸汽流在作為高純氧產(chǎn)品回收前進(jìn)行透平膨脹。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于從輔助側(cè)塔抽取低純氧液體，使其壓力增加，且在作為低純氧產(chǎn)品回收前與一股原料空氣流間接換熱使其汽化。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使從高于高壓塔塔底15至30平衡級(jí)間的某處抽取的流體流入低壓塔。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括回收來(lái)自低壓塔的富氮流作為高純氮產(chǎn)品。
6.用于制取低純氧和高純氮的裝置，包括(A)第一塔、第二塔及把原料空氣供給第一塔的裝置；(B)從第一塔上部回收流體的裝置，及把流體從第一塔的下部送往第二塔的裝置；(C)一臺(tái)透平膨脹機(jī)，及把流體從第一塔上部送往透平膨脹機(jī)的裝置；(D)一臺(tái)用于第二塔的中間換熱器，把流體從透平膨脹機(jī)送進(jìn)中間換熱器的裝置，及把流體從中間換熱器送往第二塔的裝置；(E)一個(gè)帶有底部重沸器的輔助側(cè)塔，把流體從第二塔送入輔助側(cè)塔的裝置，及把流體從第一塔送入輔助側(cè)塔的底部重沸器和從輔助側(cè)塔底部重沸器送入第一塔的裝置；及(F)從輔助側(cè)塔下部回收流體的裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于從第一塔上部回收流體的裝置包括上述透平膨脹機(jī)。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于回收來(lái)自輔助側(cè)塔下部的流體的裝置包括一臺(tái)液體泵。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括把從高于第一塔塔底15～30平衡級(jí)處提取的流體送入第二塔上部的裝置。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括從第二塔上部回收流體的裝置。
全文摘要
一種最好是在高壓下制取低純氧和高純氮的低溫精餾系統(tǒng),其中使來(lái)自高壓塔的富氮蒸氣在流入低壓塔前透平膨脹,并與低壓塔的中間液逆流而被冷凝,在輔助側(cè)塔中制取低純氧,該側(cè)塔靠來(lái)自高壓塔的流體驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1173626SQ9710958
公開(kāi)日1998年2月18日 申請(qǐng)日期1997年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月13日
發(fā)明者D·P·波納奎斯特, S·M·薩頓 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司