專利名稱：帶釜液塔的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及進(jìn)料空氣的低溫精餾，更具體地涉及進(jìn)料空氣的低溫精餾以生產(chǎn)氧和氮。
進(jìn)料空氣的低溫精餾一般在雙塔系統(tǒng)中進(jìn)行，其中在高壓塔進(jìn)行初始分離而在低壓塔內(nèi)進(jìn)行最終分離。在低層塔中在略大于環(huán)境壓力下制得各種產(chǎn)品。
在某些情況下，在加壓時(shí)需要氧和氮產(chǎn)品中的一個(gè)或兩個(gè)。特別是在加壓下將氮從系統(tǒng)中導(dǎo)出時(shí)，將沒有足夠的回流以有效地操作各塔。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于生產(chǎn)氧和氮的低溫精餾系統(tǒng)，即使在加壓下生產(chǎn)各產(chǎn)品的一個(gè)或兩個(gè)時(shí)，都可有效地進(jìn)行操作。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本公開后，本發(fā)明所完成的上述及其它目的將顯而易見。其一方面是生產(chǎn)氧和氮的低溫精餾方法，包含(A)將進(jìn)料空氣送入高壓塔，并在高壓塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾將進(jìn)料空氣分離成富氧釜液和富氮頂部流體；(B)將富氧釜液送入釜液塔，并在釜液塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾產(chǎn)生中間蒸氣和中間液體；(C)將自高壓塔頂部下方取出的蒸氣流與中間液體進(jìn)行間接熱交換以產(chǎn)生高壓液體并將高壓液體送入高壓塔中；(D)將來(lái)自釜液塔中的液體送入低壓塔中，并在低壓塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾生成富氮流體和富氧流體；和(E)將至少一些富氧流體作為產(chǎn)品氧回收，以及將至少一些中間蒸氣、富氮頂部流體和富氮流體中的至少一個(gè)作為產(chǎn)品氮回收。
本發(fā)明的另一方面是
生產(chǎn)氧和氮的低溫精餾設(shè)備，包括(A)第一塔、第二塔以及將進(jìn)料空氣送入第一塔的裝置；(B)具有底部再沸器的釜液塔以及將來(lái)自第一塔下部的流體送入釜液塔的裝置；(C)將來(lái)自第一塔頂部下方的流體送入釜液塔底部再沸器的裝置以及將來(lái)自釜液塔底部再沸器的流體送入第一塔的裝置；(D)將來(lái)自釜液塔的流體送入第二塔的裝置；和(E)將來(lái)自第二塔下部的流體回收的裝置以及將來(lái)自第一塔、第二塔和釜液塔中至少一個(gè)上部的液體回收的裝置。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“塔盤”意指一接觸段，它不必是一平衡段，也可指其它接觸設(shè)備如分離能力相當(dāng)于一個(gè)塔盤的填料。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“平衡段”意指氣-液接觸段，其中離開該段的氣體和液體處于傳質(zhì)平衡，如100％效率的塔盤或相當(dāng)于一理論塔板(HETP)的填料單元高度。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“進(jìn)料空氣”意指主要包含氧和氮的混合物如環(huán)境空氣。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“塔”意指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或區(qū)，其中液相和氣相逆液接觸以實(shí)現(xiàn)流體混合物的分離，如通過(guò)氣相和液相在置于塔內(nèi)的一系列垂直放置的塔盤或塔板和/或填料單元如結(jié)構(gòu)或無(wú)規(guī)填料上接觸。對(duì)蒸餾塔進(jìn)一步的討論，參見《(化學(xué)工程師手冊(cè)》第5版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，Mc Graw-Hill Book Company出版，紐約，第13段，“連續(xù)蒸餾法”。所用的術(shù)語(yǔ)“雙塔”意指其上部與一低壓塔下部處于熱交換關(guān)系的高壓塔。對(duì)雙塔的進(jìn)一步討論可參見Ruheman的“氣體分離”，牛津大學(xué)出版社，1949，第VII章，工業(yè)空氣分離。
氣液接觸分離法基于各組分蒸氣壓的不同。高蒸氣壓(或易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組分易于濃縮于氣相而低蒸氣壓(或難揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分易于濃縮于液相。部分冷凝是蒸氣混合物的冷卻可用來(lái)在氣相中濃縮揮發(fā)組分而難揮發(fā)組分在液相中的分離方法。精餾或連續(xù)蒸餾是結(jié)合通過(guò)氣相和液相的逆流處理所獲得的連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝的分離方法。氣相和液相的逆流接觸基本上是絕熱的并可包括相互間的積分(階段的)或微分(連續(xù)的)接觸。利用精餾的原理來(lái)分離混合物的分離方法設(shè)備?？苫Q地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是一種在至少部分在溫度等于或低于150度開爾文(K)下進(jìn)行的精餾方法。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”意指各流體之間在沒有任何物理接觸或混合的情況下將兩種流體導(dǎo)入熱交換關(guān)系。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“再沸器”意指比塔液體中產(chǎn)生塔上流蒸氣的熱交換裝置。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“汽輪膨脹”和“汽輪驟冷器”分別意指高壓氣流通過(guò)一汽輪機(jī)以降低氣體的壓力和溫度藉以產(chǎn)生制冷作用的方法和設(shè)備。
所用的術(shù)語(yǔ)“上部”和“下部”意指分別位于塔中點(diǎn)以上和以下的塔的各段。
此處所用術(shù)語(yǔ)“底部”當(dāng)涉及一塔時(shí)，意指低于塔傳質(zhì)內(nèi)件即塔盤或填料的塔段。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“底部再沸器”意指從塔底沸騰液體的再沸器。底部再沸器可位于塔內(nèi)或塔外。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“中間再沸器”意指從塔底上方沸騰液體的再沸器。“中間再沸器”可位于塔內(nèi)或塔外。
此處所用術(shù)語(yǔ)“頂部”當(dāng)涉及一塔時(shí)，意指在塔傳質(zhì)內(nèi)件即塔盤或填料之上的塔段。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“釜液塔”意指處理取自另一塔的下部、優(yōu)選為底部的流體的塔。
僅有的圖為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖。
本發(fā)明使用一釜液塔以產(chǎn)生附加的液體回流從而可以有效地生產(chǎn)高壓產(chǎn)品。通過(guò)取自高壓塔下方的流體來(lái)驅(qū)動(dòng)該釜液塔。這種流體的氧含量及其溫度超過(guò)高壓塔頂部流體。該較高溫度的流體使得釜液塔底部的溫度高于低壓塔底部的溫度。流體較高的溫度也使高壓流體流動(dòng)增加，從而導(dǎo)致釜液塔內(nèi)較高的蒸氣上流和液體下流。結(jié)果與常規(guī)系統(tǒng)相比增加了回流液的生成，從而提高了產(chǎn)品回收率和/或增加了平均產(chǎn)品氮壓力。
本發(fā)明將參照?qǐng)D詳細(xì)加以描述。現(xiàn)參照?qǐng)D，進(jìn)料空氣30通過(guò)壓縮機(jī)22被壓縮至絕對(duì)壓力一般在65-325磅/平方英寸(絕對(duì)壓)的范圍。通過(guò)凈化器23清除被壓縮進(jìn)料空氣32的高沸點(diǎn)雜質(zhì)如二氧化碳和水蒸氣，所得清潔、壓縮的進(jìn)料空氣被送入高壓塔。示于圖中的實(shí)施方案是一段選實(shí)施方案，其中只有部分清潔、壓縮的進(jìn)料空氣被送入高壓塔中。再參照?qǐng)D，清潔、壓縮的進(jìn)料空氣34被分成三部分36、38和44。包含進(jìn)料空氣34至少60％(一般為約60％-75.5％)的第一部分36經(jīng)過(guò)主換熱器17通過(guò)與返回流進(jìn)行間接熱交換而得到冷卻。所得進(jìn)料空氣流60被送入在壓力一般為60-320psia下操作的第一或高壓塔中。
當(dāng)使用第二進(jìn)料空氣部分38時(shí)，一般包含流34的約24％-34％。當(dāng)需要高壓氧產(chǎn)品時(shí)該流用于蒸發(fā)受壓液體。通過(guò)壓縮機(jī)24流38被壓縮至壓力一般為75-2500psia、優(yōu)選125-1300psia，并且通過(guò)冷卻器25，所得加壓流40被冷卻至接近環(huán)境溫度。所得流42通過(guò)主換熱器17而在其中被冷凝。如圖所示，流64中的所得液體被送入至少一個(gè)或所有三個(gè)用于本發(fā)明實(shí)踐中的塔中(雖然流64的部分流68進(jìn)入釜液塔是可選的)。第一液體部分70經(jīng)部分橫過(guò)換熱器16而得到低溫冷卻，通過(guò)閥164并作為流72被送入第二或低壓塔12中。塔12是也包括高壓塔10的雙塔系統(tǒng)中的低壓塔，并在低于高壓塔10的壓力下(一般在約16-125psia)操作。
流64的剩余部分被送入高壓塔10并可選地被送入到壓力在高壓塔及低壓塔之間(一般在約35-230psia)下操作的釜液塔11中。參照?qǐng)D，液流64的可選部分68被送經(jīng)閥161進(jìn)入釜液塔11中，液流64的部分66被送經(jīng)閥160進(jìn)入高壓塔10中。
當(dāng)使用第三進(jìn)料空氣部分44時(shí)一般包含進(jìn)料空氣流34的約0.5-6％。通過(guò)壓縮機(jī)20流44被壓縮至壓力一般在100-550psia的范圍內(nèi)。所得壓縮流46通過(guò)冷卻器21被冷卻至接近環(huán)境溫度，所得流48通過(guò)部分橫過(guò)主換熱器17而得到冷凝。所得流50經(jīng)汽輪驟冷器19而被汽輪膨脹以產(chǎn)生制冷作用，所得汽輪膨脹流52被送入低壓塔12中。通過(guò)汽輪驟冷器19產(chǎn)生的能量通過(guò)軸26來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)20。
高壓塔10內(nèi)被送入該塔的進(jìn)料空氣通過(guò)低溫精餾被分離成富氧釜液和富氮頂部流體。富氮頂部液體蒸氣流110從高壓塔10的頂部導(dǎo)出。如圖中所示，若需要，流110的部分120通過(guò)主換熱器17而得到加熱，并作為氮濃度一般為至少97％(摩爾)的產(chǎn)品高壓氮122而得到回收。若需要，流120的部分可在部分橫過(guò)主換熱器17后被導(dǎo)出，進(jìn)行汽輪膨脹以產(chǎn)生制冷作用并返回各塔中。
包含富氮頂部流體流110剩余部分的流112被送入低壓塔12的底部再沸器13，在其中通過(guò)與沸騰的低壓塔底部液體進(jìn)行間接熱交換而得到冷凝。所得冷凝富氮頂部液體114作為回流被送入低壓塔12和高壓塔10中。流114的第一部分94通過(guò)部分橫過(guò)換熱器16而得到低溫冷卻，通過(guò)閥166膨脹并作為流96被送入高壓塔12的上部。流114的第2部分116被送入高壓塔10的上部。若需要，液體富氮頂部流體114的部分也可作為回流被送入釜液泵11的上部。
氧含量一般在29-42％(摩爾)的富氧釜液在流80中從高壓塔10的下部導(dǎo)出，通過(guò)部分橫過(guò)換熱器16而得到低溫冷卻，通過(guò)閥162降低了壓力并作為流82被送入釜液塔11中。
在釜液塔11內(nèi)，進(jìn)入該塔的進(jìn)料通過(guò)低溫精餾被分離成中間蒸氣和中間液體。氧濃度一般在38-51％(摩爾)的中間液體在流83中從釜液塔11的下部導(dǎo)出經(jīng)閥163，然后作為流84被送入低壓塔12中。氮濃度至少為97％(摩爾)的中間蒸氣作為流100從釜液塔11的上部導(dǎo)出，并進(jìn)入低壓塔12的中間再沸器15中。所得含氮液102被分成流104(作為回流被送入釜液塔11的上部)以及流106(通過(guò)部分橫過(guò)提熱器16而被低溫冷卻)，經(jīng)閥165膨脹并作為附加回流流108被送入低壓塔12的上部。若需要，中間蒸氣100的部分可作為氮蒸氣產(chǎn)品回收。
通過(guò)取自高壓塔10頂部下方的高壓蒸氣流90來(lái)驅(qū)動(dòng)釜液塔11。流90的氧濃度超過(guò)富氮頂部流體的氧濃度，一般在0.5-8％(摩爾)的范圍內(nèi)。流90取自高壓塔10頂部下方的1-15個(gè)平衡段、優(yōu)選4-15個(gè)平衡段的位置。若被送入釜液塔底部再沸器的所述流取自上述定義范圍內(nèi)的最適位置的上方，則不能產(chǎn)生所需的增加回流，而若取自該范圍內(nèi)的下方位置，則產(chǎn)品回收率將受到危害。流90被送入釜液塔11的底部再沸器14，在其中通過(guò)與釜液塔底部液體進(jìn)行間接熱交換而得到冷凝。所得液流92在與流90從高壓塔10被導(dǎo)出的相同位置或其上方被重新送回高壓塔10中。
因?yàn)榱?0具有較高的氧濃度因而溫度高于再沸低壓塔12底部的富氮頂部流體的溫度，所以被流90再沸的釜液塔11的底部具有較高的溫度，一般比低壓塔12底部高0.5-2.0°K。該較高溫度使得流90的流量得以增加，導(dǎo)致釜液塔11內(nèi)較高的蒸氣上流和液體下流。這依次增加了從塔11導(dǎo)出的中間蒸氣的流動(dòng)，結(jié)果增加了在流108中被送入低壓塔12的附加回流的形成。附加回流增加了產(chǎn)品回收率，或增加了富氮頂部流體或中間蒸氣流動(dòng)的能力，或增加了該系統(tǒng)壓力的能力，使得節(jié)省壓縮功率。
在低壓塔12中通過(guò)低溫精餾將各種進(jìn)入該塔的進(jìn)料分離成富氮流體和富氧流體。氧濃度一般在70-99.5％(摩爾)、優(yōu)選在80-98(摩爾)范圍內(nèi)的富氧流體作為流130從低壓塔12的下部導(dǎo)出并作為產(chǎn)品氧回收。若需要，如圖所示，流130的壓力可通過(guò)泵18被加壓至30-2000psia、優(yōu)選50-1300psia的范圍內(nèi)，然后加壓流132通過(guò)主換熱器17而得到蒸發(fā)并作為氧產(chǎn)品的流134回收。
氮濃度一般至少為97％(摩爾)的富氮流體作為流140從低壓塔12的上部導(dǎo)出，通過(guò)換熱器16和主換熱器17得到加熱，并作為流144從該系統(tǒng)中導(dǎo)出。若需要，流144的部分或全部可作為低壓氮產(chǎn)品得到回收。若需要，流140的部分可在部分橫過(guò)主換熱器17后被導(dǎo)出，并進(jìn)行汽輪膨脹以產(chǎn)生制冷作用。然后，所得汽輪膨脹流可經(jīng)主換熱器17，其中制冷作用可通過(guò)間接熱交換而被送入進(jìn)入的進(jìn)料流中。
通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐，人們可在不遇到缺乏回流塔的情況下，尤其是在加壓下有效地生產(chǎn)氧和氮產(chǎn)品。雖然本發(fā)明參照本發(fā)明的一段選實(shí)施方案已做了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在本權(quán)利要求書的精神和范疇內(nèi)本發(fā)明的其它實(shí)施方案。例如來(lái)自釜液塔的中間蒸氣可通過(guò)與來(lái)自釜液塔的液體而不是與來(lái)自低壓塔的流體進(jìn)行間接熱交換而得到冷凝。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)氧和氮的低溫精餾方法，包括(A)將進(jìn)料空氣送入高壓塔并在高壓塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾將該進(jìn)料空氣分離成富氧釜液和富氮頂部液體；(B)將富氧釜液送入釜液塔中并在釜液塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾產(chǎn)生中間蒸氣和中間流體；(C)將取自高壓塔頂部下方的蒸氣流通過(guò)與中間液體進(jìn)行間接熱交換以產(chǎn)生高壓液體，并將高壓液體送入高壓塔內(nèi)；(D)將來(lái)自釜液塔的液體送入低壓塔并在低壓塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾產(chǎn)生富氮流體和富氧流體；和(E)將至少一些富氧流體作為產(chǎn)品氧回收，以及將至少一些中間蒸氣、富氮頂部流體及富氮流體中的至少一個(gè)作為產(chǎn)品氮回收。
2.權(quán)利要求1的方法，其中蒸氣流從高壓塔的頂部下方1-15個(gè)平衡段的位置取出。
3.權(quán)利要求1的方法，其中高壓液體從所述蒸氣流從高壓塔取出的位置或其下方被送入高壓塔中。
4.權(quán)利要求1的方法，其中中間蒸氣從釜液塔的上部導(dǎo)出，冷凝，所得液體被送入低壓塔和釜液塔中。
5.權(quán)利要求4的方法，其中中間蒸氣通過(guò)與來(lái)自低壓塔和釜液塔中至少一個(gè)的流體進(jìn)行間接熱交換而得到冷凝。
6.生產(chǎn)氧和氮的低溫精餾設(shè)備，包括；(A)第一塔、第二塔以及將進(jìn)料空氣送入第一塔的裝置；(B)具有底部再沸器的釜液塔以及將來(lái)自第一塔下部的流體送入釜液塔的裝置；(C)將來(lái)自第一塔頂部下方的流體送入釜液塔底再沸器的裝置，以及將來(lái)自釜液塔底部再沸器的流體送入第一塔的裝置；(D)將來(lái)自釜液塔的流體送入第二塔的裝置；和(E)將來(lái)自第二塔下部流體回收的裝置，以及將來(lái)自第一塔、第二塔和釜液塔中至少一個(gè)的上部的流體回收的裝置。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中將來(lái)自第一塔頂部上方的流體送入釜液塔底部再沸器的裝置與第一塔在第一塔頂部下方1-15個(gè)平衡段的位置相連接。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中將來(lái)自釜液塔底部再沸器的液體送入第一塔的裝置與第一塔在蒸氣從第一塔被送入釜液塔底部再沸器的位置或其上方相連接。
9.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中將來(lái)自釜液塔的流體送入第二塔的裝置包含將來(lái)自釜液塔上部的流體送入第二塔中的裝置以及將來(lái)自釜液塔下部的流體送入第二塔中的裝置。
10.權(quán)利要求6的設(shè)備，還包含用于第二塔的中間再沸器、將來(lái)自釜液塔上部流體送入該中間再沸器的裝置，以及將來(lái)自該中間再沸器的流體送入第二塔上部的裝置。
全文摘要
用于生產(chǎn)氧和氮的低溫精餾系統(tǒng),使用了一釜液塔,它處理來(lái)自高壓塔的富氧釜液以及被取自高壓塔頂部下方的流體所再沸。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1182199SQ9711408
公開日1998年5月20日 申請(qǐng)日期1997年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月7日
發(fā)明者N·M·普羅瑟 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司