專利名稱：連續(xù)液體空氣進料的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
通常本發(fā)明涉及進料空氣的低溫精餾，并且特別用于生產(chǎn)提高壓力的氣體產(chǎn)品的進料空氣低溫精餾。
工業(yè)化大量生產(chǎn)氧和氮是借助于進料空氣的低溫精餾，如采用雙柱系統(tǒng)，其中產(chǎn)品是由低壓柱取出的。然而不時地要求生產(chǎn)的產(chǎn)品壓力要超過從低壓柱取出時的壓力。在這樣的情況下，就需要把氣體氧加壓到預(yù)定的壓力。但出于投資費用的目的通常產(chǎn)品最好以液體的形式從低壓柱排出，泵壓至較高的壓力，然后蒸發(fā)加壓的液體的生產(chǎn)出預(yù)定提高壓力的產(chǎn)品氣體。
在這樣的一種系統(tǒng)中，通常稱作產(chǎn)品的沸騰系統(tǒng)，使液體通過與冷凝流體，一般為加壓進料空氣間接熱交換在產(chǎn)品蒸發(fā)器中蒸發(fā)。使所得到的液體進料空氣再進入低溫空氣分離裝置中進行分離。已知有兩種液體進料空氣的配置。在其中一種配置中，所有的液體進料空氣都進入高壓柱進行低溫精餾的處理。在另一種配置中，液體進料空氣被分成進入高壓柱的第一部分和進入低壓柱的第二部分。后一種配置是優(yōu)選的，因為進來的液體進料空氣在柱內(nèi)分布適宜，所以能使低溫精餾整套裝置的操作更有效。
進料空氣的低溫精餾，尤其是用于生產(chǎn)提高壓力的氣體產(chǎn)品，是大量耗能的操作，因此在能量使用效率方面上的任何改進都是希望的。
由此，本發(fā)明的一個目的是提供進料空氣低溫精餾的系統(tǒng)，其中至少一些進料空氣在進入低溫空氣分離整套裝置的一個柱或多個柱之間先被液化，這樣做可以改進效率，使之超過在此之前已有的這種系統(tǒng)。
通過本發(fā)明可達到上述和其他的目的，基于閱讀本說明書這些目的對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是明顯的，本發(fā)明的一個方面是進行進料空氣低溫精餾的方法，包括(A)冷凝進料空氣以產(chǎn)生液體進料空氣并使所有的液體進料空氣在高于高壓柱底部的液體空氣進料高度上進入高壓柱；(B)取自高壓柱的第一液流在液體空氣進料高度或低于此高度的高度上進入低壓柱；(C)取自高壓柱的第二液流在低于第一液流排出高度的高度上進入低壓柱；(D)通過在低壓柱內(nèi)的低溫精餾生產(chǎn)富氮流體和富氧流體；和(E)作為產(chǎn)品回收富氮流體和富氧流體中的至少一種。
本發(fā)明另一方面是進行進料空氣低溫精餾的設(shè)備，包括(A)產(chǎn)品蒸發(fā)器和使進料空氣進入產(chǎn)品蒸發(fā)器的裝置；(B)高壓柱和使來自產(chǎn)品蒸發(fā)器的進料空氣在高于高壓柱底部液體空氣進料高度上進入高壓柱的裝置；(C)低壓柱和使在高壓柱的液體空氣進料高度或低于此高度出來的第一流體進入低壓柱的裝置；(D)使從低于來自高壓柱的第一流體的排出高度出來的第二流體進入低壓柱的裝置；和(E)使從低壓柱回收產(chǎn)品的裝置。
本文所用術(shù)語“進料空氣”指主要包含氧、氮和氬的混合物，如環(huán)境空氣。
本文所用術(shù)語“柱”指的是蒸餾或分餾柱或區(qū)，即接觸柱或區(qū)，其中液相和氣相逆流接觸以進行流體混合物的分離，例如，通過氣相和液相在一系列垂直放置的塔盤或安裝在柱內(nèi)的塔板和/或填料元件如結(jié)構(gòu)或無規(guī)填料上接觸。為了進一步討論蒸餾柱，可參閱化學(xué)工程師手冊，第五版，R.H.佩里和C.H.奇爾頓編，麥格勞一希爾圖書公司，紐約，第13章，連續(xù)蒸餾工藝過程(Chemical Engineer’s Handbook,fifth,edited by R.H.Perry and C.H.chilton,MCGraw-Hill BookCompany,New York,section 13,The continuous DistillationProcess)。本文使用的術(shù)語“雙柱”指具有其上部與低壓柱下部呈熱交換關(guān)系的高壓柱。雙柱的進一步討論登載在魯曼的“氣體分離”中，牛津大學(xué)出版社，l949,Ⅶ節(jié)，工業(yè)空氣分離中(in Ruheman“TheSeparation of Gases”, Oxford University Press,1949,Chapter Ⅶ,Commercial Air Separation)。
氣液接觸分離工藝過程取決于各組分蒸汽壓之差。高蒸汽壓(或易揮發(fā)或低沸點)的組分傾向在氣相中濃集而低蒸汽壓(或不易揮發(fā)或高沸點)的組分傾向于在液相中濃集。部分冷凝是一種分離方法，借此把蒸汽混合物的冷卻用于濃集揮發(fā)組分一種或多種于氣相中，由此減少液相中的揮發(fā)性組分一種或多種。精餾或連續(xù)蒸餾，也是一種分離方法，這種方法是把逆流處理氣液相時所形成的連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝結(jié)合起來。通常氣液相逆流接觸是絕熱的并且包括相間的積分(階段式)或微分(連續(xù))接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝的設(shè)置經(jīng)?？苫Q地稱作精餾柱、蒸餾柱或分餾柱。低溫精餾是一種至少部分在或低于150度開氏溫度(K)下進行的精餾方法。
本文所用術(shù)語“間接熱交換”意指使兩股流體進入熱交換關(guān)系而沒有任何物理接觸或流體彼此的混合。
本文所用術(shù)語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”分別指用于高壓氣體流過渦流機以降低氣體的壓力和溫度由此產(chǎn)生冷凍作用的方法和設(shè)備。
本文所用術(shù)語“上部”和“下部”分別指柱中點以上和以下柱的那些部分。
本文所用術(shù)語“平衡段”指的是氣液接觸段，借此離開該段時的蒸汽和液體是處于傳質(zhì)平衡態(tài)，例如具有100％效率的塔盤或相當(dāng)于一塊理論塔板的填料元件高度(HETP)。
本文所用術(shù)語“氬柱”意指處理含氬的進料且產(chǎn)生氬濃度超過進料氬濃度的產(chǎn)品。
本文所用術(shù)語“底部”，當(dāng)涉及柱時，意指在該柱內(nèi)傳質(zhì)內(nèi)部構(gòu)件之下的柱的那部分。
本文所用術(shù)語“產(chǎn)品蒸發(fā)器”意指熱交換器，進料空氣在其中與蒸發(fā)液體的間接熱交換而被冷凝。產(chǎn)品蒸發(fā)器可以是獨立的熱交換器也可以是被裝入大熱交換器中的熱交換器。
本文所用術(shù)語“過熱器”意指熱交換器，其中來自低壓柱的含氮流體在冷卻一種或多種流體的同時在其飽和溫度以上加熱。過熱器可以是獨立的熱交換器也可被并入較大的熱交換器中。
附圖
的簡述單一附圖用來圖示本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)的一個最佳實施方案。
本發(fā)明體現(xiàn)了這樣的反直覺發(fā)現(xiàn)，即假若產(chǎn)品蒸發(fā)器中產(chǎn)生的所有液化進料空氣首先被送入高壓柱，隨后有部分從該高壓柱放出進入低壓柱，進行低溫精餾的能量和分離效率較至今已知的使用產(chǎn)品蒸發(fā)器的系統(tǒng)要高。
現(xiàn)在參照附圖對本發(fā)明作詳細地描述。參看附圖，已被加壓至通常在80-700磅/英寸2絕對壓力(psia)范圍內(nèi)壓力且已清除掉高沸點雜質(zhì)如二氧化碳、水蒸氣和烴的氣體進料空氣11，被分成進料空氣流15和進料空氣流12，前者由通過氣流11表示的總進料空氣約20-35％組成，后者由氣流11的約65-80％組成。進料空氣流12通過流經(jīng)主熱交換器1與返回流體進行間接熱交換被冷卻，所得到的冷卻進料空氣流13經(jīng)渦輪膨脹機8被渦輪膨脹，再作為流體14進入第一或高壓柱5，優(yōu)選在高壓柱5的底部進入。
進料空氣流15通過流經(jīng)增壓壓縮機10把壓力升到通常在150-800psia的范圍內(nèi)，再使所得到的加壓流體16流經(jīng)作為產(chǎn)品蒸發(fā)器的主熱交換器1的部分80，它在其中被冷卻并且通過與加壓的富氧液體的間接熱交換而被冷凝，正如在下文將更充分地描述，產(chǎn)生液體進料空氣。所有在產(chǎn)品蒸發(fā)器80中產(chǎn)生的液體進料空氣都作為流體17從產(chǎn)品蒸發(fā)器80中出來經(jīng)調(diào)節(jié)的閥門18再以液流19在稱作液體空氣進料高度的高度上進入高壓柱5，該高度在該柱底部的上面，優(yōu)選在高壓柱5底部上方4-7個平衡段。
送入高壓柱5的液體進料空氣具有的氧濃度約21摩爾％。在實施本發(fā)明時，第一液流21在液體空氣進料高度或低于該高度的高度上從高壓柱排出，優(yōu)選在與液體空氣進料高度相同的高度上，即相同的平衡段。當(dāng)用于本發(fā)明中時，術(shù)語“高度”與平衡段同義。第一液流21的氧濃度從約21摩爾％到不大于35摩爾％。優(yōu)選方案是，第一液流21具有的成分基本上與液體進料空氣19相同，第一液流從高壓柱排出的高度稱液體空氣排出高度。液流21的流量低于液體進料空氣流19的流量，液流21的流量一般為液流19的40-80％。由此可以看出液流19和21都可看成是連續(xù)液體進料空氣流。第一液流21由于流經(jīng)過熱器2而被過冷而所得到的過冷流22流經(jīng)閥門23再作為液流24進入低壓柱3。
高壓柱5是在壓力范圍為75-90psia下操作的。在高壓柱5內(nèi)，進料空氣通過低溫精餾被分成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽作為流體50從高壓柱5的上部排出再進入主冷凝器4，它在其中通過與低壓柱3的底液間接熱交換被冷凝。所得到的富氮液體51被分成部分52，它作為回流液體返回高壓柱5，分成的另一部分53，通過過熱器2的部分穿過而被過冷。所得到的過冷流體54流過閥門56再作為流體57進入低壓柱3。如需要，流體54的部分58流經(jīng)閥門59后作為高壓液體氮60回收。
具有氧濃度一般在約35-約40摩爾％范圍內(nèi)的富氧液體，作為第二液流25在第一液流21的排出高度下面的高度上，即低于液體空氣排出高度，從高壓柱5的下部排出，并且優(yōu)選從柱5的底部排出。流體25通過在熱交換器2中的部分穿過過冷，過冷過的流體26分成第一部分27和第二部分30。第一部分27流經(jīng)閥門28再作為流體29進入低壓柱3。第二部分30流經(jīng)閥門31再作為流體32進入氬柱頂部冷凝器6，它在那里至少部分，優(yōu)選基本上完全被汽化。所得到的富氧蒸汽以流體33的形式自頂部冷凝器6經(jīng)閥34再作為流體35在距離低于流體29進入低壓柱3的那一點5-7全平衡段的高度上流入低壓柱3。剩余的液體作為液流36從頂部冷凝器6經(jīng)閥門37再作為液流38流進低壓柱3。
第二或低壓柱3是包括高壓柱5在內(nèi)的雙柱中的低壓柱，并且在低于高壓柱5的壓力下操作，通常壓力范圍在15-25psia。在低壓柱3內(nèi)各種進入該柱的進料通過低溫精餾被分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽作為氣流61從低壓柱3的上部排出，通過流經(jīng)過熱器2和主熱交換器1受熱，再以氮濃度至少為99摩爾％的低壓氣體氮回收的氣流63排出系統(tǒng)。廢氣64在低于流體61的排出高度的高度上排出低壓柱3，通過流經(jīng)過熱器2和主熱交換器1受熱再以氣流66排出系統(tǒng)。
富氧液體以液流67從低壓柱3的下部排出再加壓以產(chǎn)生壓力范圍一般在50-450psia的高壓富氧液體。在用圖說明的本發(fā)明實施方案中，借助于流體67流經(jīng)液體泵9完成加壓作用以產(chǎn)生高壓富氧液流68。液流68流入產(chǎn)品蒸發(fā)器80，它在那里通過與上述冷凝的進料空氣間接熱交換而至少部分被蒸發(fā)。如需要求，一些富氧液體以液流71從液流68取出，流經(jīng)閥門72再作為液氧產(chǎn)品73回收。蒸發(fā)過的富氧流體以流體70從產(chǎn)品蒸發(fā)器段80排出再作為一般壓力范圍在50-450psia且氧濃度范圍一般在99.5-99.9摩爾％的高壓氧氣體產(chǎn)品回收。
主要含氧和氮的流體以流體48從低壓柱3流入氬柱7，它在其中通過低溫精餾分離成更富氬蒸汽和更富氧液體。更富氧液體以流體49從氬柱7流入低壓柱3。更富氬蒸汽作為流體39流入頂部冷凝器6，它在那里通過與上述蒸發(fā)的富氧液體間接熱交換被冷凝。所得到的更富氬液體作為流體44流出頂部冷凝器6再作為回流液進入氬柱7。流體39的部分40流經(jīng)閥門41再作為氣體粗氬42排出。液氬以流經(jīng)閥門46的液流45從柱7排出再作為液氬47回收。
可以預(yù)期如果需要提供即進入高壓柱又進入低壓柱的冷凝進料空氣的話，則把液體進料空氣分成分別進入高壓柱和低壓柱的兩股液流，而事實上，這樣的系統(tǒng)在工業(yè)上已實施。出乎意料是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)實施方式不同，如果所有的液體進料空氣先被引入高壓柱然后部分這種液體進料空氣以串行方式從高壓柱進入低壓柱，就可以獲得某些效率。盡管不希望受任何理論的約束，但相信在本發(fā)明下所獲得的有益結(jié)果是由于高壓柱的液體進料空氣流壓力降低造成的，這也降低了進入過熱器液流的壓力。這不僅減少了過熱器的費用，而且還降低了過熱器中加熱側(cè)的壓力降，所以減少了能耗。況且，由于送入低壓柱的液體進料空氣，即第一液流是在低壓下，所以很少閃蒸出，借此提高了分離效率。更進一步，高壓柱還能起到液化進料空氣相分離器的作用，因此可進一步提高系統(tǒng)的效率。
盡管參閱具體的優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了更詳細地說明，但所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認識到在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)還存在著本發(fā)明的其它實施方案。例如，液體進料空氣進入高壓柱之前可流經(jīng)兩相或液體渦輪機。第一液流，即液流21，不經(jīng)過冷進入低壓柱。來自高壓柱的全部富氧液流可流入氬柱頂部冷凝器由此出來的液體再作為第二液流流入低壓柱。另一可替代方式是，本發(fā)明無須實施氬柱，且在該情況下，全部來自高壓柱的富氧液體流都將作為第二液流進入低壓柱。此外，如上所述，產(chǎn)品蒸發(fā)器可從主熱交換器中分離出來。
權(quán)利要求
1．一種對進料空氣實行低溫精餾的方法，包括(A)冷凝進料空氣以產(chǎn)生液體進料空氣，再使所有的液體進料空氣在高壓柱底部之上的液體空氣進料高度上進入高壓柱；(B)取自高壓柱的第一液流在液體空氣進料高度或低于此高度的高度上進行低壓柱；(C)取自高壓柱的第二液流在低于第一液流排出高度的高度上進入低壓柱；(D)在低壓柱內(nèi)通過低溫精餾生產(chǎn)富氮流體和富氧流體；和(E)作為產(chǎn)品回收富氮流體和富氧流體中的至少一種。
2．權(quán)利要求1的方法，其中第一液流在液體空氣進料高度上從高壓柱中取出。
3．權(quán)利要求1的方法，其中第一液流具有基本上與流入高壓柱的液體進料空氣相同的組成。
4．權(quán)利要求1的方法，其中第一液流在進入低壓柱之前過冷。
5．權(quán)利要求1的方法，其中富氧流體先作為液體從低壓柱排出，然后提高壓力，再通過與所述冷凝進料空氣的間接熱交換而蒸發(fā)，以產(chǎn)生所述液體進料空氣和產(chǎn)生作為產(chǎn)品回收的提高壓力的氣態(tài)氧。
6．一種對進料空氣實行低溫精餾的設(shè)備，包括(A)產(chǎn)品蒸發(fā)器和用于進料空氣進入該產(chǎn)品蒸發(fā)器的裝置；(B)高壓柱和使來自產(chǎn)品蒸發(fā)器的進料空氣在高壓柱底部之上的液體空氣進料高度進入高壓柱的裝置；(C)低壓柱和使來自在高壓柱液體空氣進料高度或低于此高度出來的第一流體進入低壓柱的裝置；(D)使來自高壓柱第一流體排出高度之下的第二流體進入低壓柱的裝置；和(E)從低壓柱回收產(chǎn)品的裝置。
7．權(quán)利要求6的設(shè)備，其中液體空氣進料高度是在高壓柱底部之上4-7個平衡段。
8．權(quán)利要求6的設(shè)備，其中使來自高壓柱的第一流體流入低壓柱的裝置與高壓柱在液體空氣進料高度上連通。
9．權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括過熱器，且其中使來自高壓柱的第一流體進入低壓柱的裝置包括過熱器。
10．權(quán)利要求6的設(shè)備，其中從低壓柱回收產(chǎn)品的裝置包裝液體泵，使來自低壓柱的流體流入液體泵的裝置、使來自液體泵的流體進入產(chǎn)品蒸發(fā)器的裝置，以及從產(chǎn)品蒸發(fā)器回收流體的裝置。
全文摘要
一種用于進料空氣分離的低溫精餾系統(tǒng),其中至少一些進料空氣在進入分離柱之前被液化,所有液化的進料空氣都被引入高壓柱,然后,從高壓柱排出部分之這種液化進料空氣再以串接方式引入低壓柱。
文檔編號F25J3/04GK1232166SQ9910186
公開日1999年10月20日 申請日期1999年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月14日
發(fā)明者E·O·米勒, D·P·波納奎斯特, D·R·帕斯尼克, C·A·恩格爾斯, J·P·里科塔 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司