專利名稱：具有積分產(chǎn)品蒸發(fā)器的低溫精餾裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及進(jìn)料空氣的低溫精餾，尤其是制備高壓氣體產(chǎn)品的進(jìn)料空氣的低溫精餾。
通常，在制備一種或多種產(chǎn)品比如氧的進(jìn)料空氣低溫精餾中，希望能夠回收高壓氣體。達(dá)到此要求的一種方法是在高壓下操作低溫空氣分離設(shè)備的塔或一組塔，且直接從蒸餾塔回收到高壓氣體產(chǎn)品。但是，因?yàn)樗?nèi)的高壓加重了分離的負(fù)荷，這樣的裝置總體來說存在缺陷。優(yōu)選在相對(duì)較低的壓力下在塔內(nèi)進(jìn)行最后的分離，并且，如果要得到高壓氣體產(chǎn)品，則將產(chǎn)品從塔中抽出，并在回收前增壓。
為了獲取高壓氣體產(chǎn)品，可以將產(chǎn)品以氣體形式從塔中抽出后壓縮至所需壓力，然而，更優(yōu)選以液體形式從塔中抽出后，用泵增壓至所需壓力，然后在產(chǎn)品蒸發(fā)器中蒸發(fā)以得到所需的高壓氣體。
典型的產(chǎn)品蒸發(fā)器是與裝置中其他的換熱器分離的池式熱交換蒸發(fā)器，這樣的排列非常有效但費(fèi)用高。一般希望產(chǎn)品蒸發(fā)器與裝置中的主換熱器合在一起，并且其排列也是已知的。然而，有時(shí)將產(chǎn)品蒸發(fā)器與主換熱器合在一起會(huì)導(dǎo)致沸騰至干涸的問題，其中殘留的碳?xì)浠衔镌谘踔械臐舛壬叨a(chǎn)生易燃的問題和潛在的危險(xiǎn)。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種制備高壓氣體產(chǎn)品的低溫精餾裝置，這種裝置將產(chǎn)品蒸發(fā)器與主換熱器合在一起，并且能夠避免因沸騰至干涸而產(chǎn)生的任何危險(xiǎn)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本公開文件后將會(huì)很明確本發(fā)明所要達(dá)到的上述及其它目的，其一方面是一種制備氣體產(chǎn)品的低溫精餾方法，包括(A)將進(jìn)料空氣在主換熱器中冷卻并將冷卻的空氣通入低溫空氣分離裝置中；(B)通過低溫精餾將低溫空氣分離裝置中的進(jìn)料空氣分離以產(chǎn)生蒸氣和液體；
(C)將低溫空氣分離裝置中的液體通入分相器且將分相器中的液體通入主換熱器中；(D)通過與冷卻的進(jìn)料空氣的間接熱交換使主換熱器中的液體部分蒸發(fā)，并使得到的流體返回到分相器中；(E)從分相器中回收作為氣體產(chǎn)品的蒸氣。
本發(fā)明的另一方面是一種通過低溫精餾制備氣體產(chǎn)品的設(shè)備，包括(A)主換熱器及使進(jìn)料空氣進(jìn)入主換熱器的輔件；(B)低溫空氣分離裝置，包括至少一個(gè)塔及使主換熱器中的進(jìn)料空氣進(jìn)入低溫空氣分離裝置的輔件；(C)分相器及使低溫空氣分離裝置中的流體進(jìn)入分相器的輔件；(D)使分相器中的流體進(jìn)入主換熱器及使主換熱器中的流體進(jìn)入分相器的輔件；(E)從分相器獲取氣體產(chǎn)品的輔件。
本文件中使用的術(shù)語(yǔ)“產(chǎn)品蒸發(fā)器”是指一種換熱器，其中來自低溫空氣分離裝置的通常處于高壓的液體通過與進(jìn)料空氣進(jìn)行間接熱交換而蒸發(fā)。本發(fā)明在實(shí)施時(shí)，產(chǎn)品蒸發(fā)器包括主換熱器的一部分。
本文件中使用的術(shù)語(yǔ)“進(jìn)料空氣”是指主要含有氧和氮的混合物，比如環(huán)境空氣。
本文件中使用的術(shù)語(yǔ)“塔”是指蒸餾或分餾塔或段，即接觸塔或段，在其內(nèi)部，液相和氣相逆流接觸進(jìn)行流體混合物的分離，例如，接觸的方式為氣相和液相在塔內(nèi)安裝的一系列垂直排列的塔盤或塔板上和/或在有序或隨機(jī)填充的填料單元上進(jìn)行接觸。關(guān)于蒸餾塔的進(jìn)一步討論，參見《化學(xué)工程師手冊(cè)》(第五版R.H.Perry和C.H.Chilton編，紐約Mc Graw-Hill出版公司)第13節(jié)“連續(xù)蒸餾方法”。
術(shù)語(yǔ)“雙塔”是指一種高壓塔，其上端可與低壓塔的下端進(jìn)行熱交換。關(guān)于雙塔的進(jìn)一步討論參見Ruheman的《氣體分離》(牛津大學(xué)出版社，1949年)第三章工業(yè)空氣分離。
蒸氣和液體接觸分離過程取決于各組分間蒸氣壓的差異。高蒸氣壓(或易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組份將在氣相中濃縮，而低蒸氣壓(或不易揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分將在液相中濃縮。部分冷凝是指一種分離方法，通過該方法冷卻蒸氣混合物，用以在氣相中濃縮揮發(fā)組分和在液相中濃縮不易揮發(fā)的組份。精餾或連續(xù)蒸餾是指通過逆流處理氣相和液相將連續(xù)部分氣化和冷凝結(jié)合起來的分離方法。一般來說，氣相和液相的逆流接觸是絕熱的，可包含相之間的積分(分段)或微分(連續(xù))接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過程的排布常可以互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是指至少部分在150K或更低溫度下進(jìn)行的精餾過程。
本文件中使用的術(shù)語(yǔ)“上部”或“下部”是分別指高于和低于分離塔中點(diǎn)的塔段。
本文件中使用的術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”是指這樣的熱交換，即兩種流體相互間不進(jìn)行任何物理接觸或相互混合的熱交換過程。
本文件中使用的術(shù)語(yǔ)“主換熱器”是指與低溫空氣分離過程結(jié)合的主換熱器，在其中，進(jìn)料空氣經(jīng)過與蒸餾中的回流液進(jìn)行間接熱交換而被從室溫冷卻至蒸餾所需的低溫。主換熱器中也能包含再冷卻塔液流和/或蒸發(fā)產(chǎn)品液流。
本文件中的術(shù)語(yǔ)“分相器”是指一種具有足夠的截面積的容器，可以使進(jìn)入其中的兩相流體依靠重力分離成隨后可以分別從分相器中移走的氣體和液體組分。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，其中，低溫空氣分離裝置含有一個(gè)雙塔，并且分相器與主換熱器分開放置。
圖2是可用于本發(fā)明中的積分產(chǎn)品蒸發(fā)器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的截面圖，其中，分相器與主換熱器放置在一起。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。參見附圖1，進(jìn)料空氣1通過底部空氣壓縮機(jī)2被壓縮，經(jīng)壓縮的空氣3經(jīng)過冷卻器4移走壓縮熱而被冷卻。冷卻后的壓縮氣5經(jīng)過預(yù)凈化器6除去高沸點(diǎn)的雜質(zhì)如水蒸氣、二氧化碳和碳?xì)浠衔锒玫筋A(yù)凈化的進(jìn)料空氣7。
在附圖1中所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，預(yù)凈化進(jìn)料空氣7被分成三部分。其中一部分8經(jīng)過主換熱器9而被冷卻，冷卻后的進(jìn)料氣流10通入還含有二級(jí)或低壓塔12的低溫空氣分離裝置中的一級(jí)或高壓塔11。預(yù)凈化的進(jìn)料空氣7的另一部分13通過壓縮機(jī)14被壓縮至較高壓力，然后通過主換熱器9被冷卻。冷卻后的進(jìn)料氣流15通過渦輪膨脹機(jī)16進(jìn)行膨脹，產(chǎn)生制冷作用，經(jīng)膨脹的進(jìn)料氣流17通入低壓塔12。預(yù)凈化進(jìn)料空氣7的另一部分18經(jīng)過壓縮機(jī)19被壓縮至較高壓力，然后經(jīng)過主換熱器9進(jìn)行冷卻或更優(yōu)選的是至少進(jìn)行部分冷凝。然后將得到的進(jìn)料氣流20通入高壓塔11。
高壓塔11通常在絕對(duì)壓力為65-90磅/平方英寸(psia)的壓力范圍進(jìn)行操作。進(jìn)料空氣在高壓塔11內(nèi)經(jīng)低溫精餾分離成富氮蒸氣和富氧液體。富氧液流21從高壓塔11的下部抽出，通過主換熱器9被再冷卻成液流22后進(jìn)入低壓塔12。富氮蒸氣流23從高壓塔11的上部抽出，通入主冷凝器24，在那里，通過與沸騰塔12底部液體進(jìn)行間接熱交換而被冷凝。冷凝后的富氮液體25被分成返回高壓塔11進(jìn)行回流的部分26和通過主換熱器9進(jìn)行再冷卻后作為液流28進(jìn)入低壓塔12的上部進(jìn)行回流的部分27。
低壓塔12在低于高壓塔11的壓力下操作，壓力范圍通常為19-30psia。進(jìn)入低壓塔12中的各種物料經(jīng)低溫精餾被分離成富氮蒸氣和富氧液體。從低壓塔12的上部抽出富氮蒸氣流29，經(jīng)主換熱器9進(jìn)行加熱，并且由裝置中出來的氮?dú)饬?0可以全部或部分作為氮?dú)猱a(chǎn)品回收，其中的氮的濃度至少為99％(mol)。為了控制產(chǎn)品的純度，廢氣流31從低壓塔12的上部低于氣流29的抽出位置抽出，經(jīng)過主換熱器9的加熱，并作為氣流32從裝置中抽出。
氧濃度至少為85％(mol)一般在95-99.8％(mol)的范圍內(nèi)的富氧液體33，從低壓塔12的下部抽出。優(yōu)選如附圖1中所示，富氧液體經(jīng)液體泵34泵至較高壓力而產(chǎn)生被加壓的富氧液體流35。當(dāng)供給產(chǎn)品蒸發(fā)器的液體的壓力在15-55psia范圍內(nèi)時(shí)，本發(fā)明更具效用。如果需要的話，富氧液體35經(jīng)泵后的部分36可以作為液體氧產(chǎn)品回收。
富氧液體35經(jīng)過分相器37，經(jīng)過分相器后的液流38進(jìn)入主換熱器9的產(chǎn)品蒸發(fā)器段經(jīng)與正被冷卻的進(jìn)料空氣進(jìn)行間接熱交換而被部分氣化?？刂聘谎跻毫?8的流速以確保產(chǎn)品蒸發(fā)器段的液體得以部分氣化。產(chǎn)品蒸發(fā)器中得到的兩相流體39返回至分相器37，蒸氣40從分相器37中抽出并以氣態(tài)產(chǎn)品的形式得到所含氧的濃度至少為85％(mol)的氣體氧產(chǎn)品。如附圖1所示，優(yōu)選氣態(tài)氧流40經(jīng)主換熱器9加熱后得到氣流41。因?yàn)槭褂昧朔窒嗥?，避免了換熱器內(nèi)的液體完全蒸發(fā)，從而避免了沸騰至干涸的情況，在干涸的情況下會(huì)使富氧液體中的碳?xì)浠衔餄饪s并產(chǎn)生險(xiǎn)情。
在附圖1中所描述的本發(fā)明的實(shí)施方案中，分相器與主換熱器中的產(chǎn)品蒸發(fā)器段分開放置。優(yōu)選將分相器與產(chǎn)品蒸發(fā)器段放置在一起，一個(gè)這樣的實(shí)施方案如附圖2所示。
如附圖2所示，產(chǎn)品蒸發(fā)器段50與分相器51放置在一起，中間有垂直的間隔條52。附圖2所示的實(shí)施方案構(gòu)成主換熱器的下部，且圖中所示為橫截面。正如在換熱器技術(shù)中所公知的，通過交替放置板和翅片，利用連接的分隔棒和分配器導(dǎo)入和收集各通道的流體，從而形成沸騰通道61和冷卻通道60。低溫空氣分離裝置中的液體53經(jīng)入口54進(jìn)入分相器51中，在分相器51中形成液池55。如果需要的話，可以從分相器51中獲取液體產(chǎn)品流56。
液池55中的液體通入產(chǎn)品蒸發(fā)器50的熱交換通道61的底部，借助液池55的液頭壓力，往上至熱交換通道。在熱交換通道內(nèi)，向上流的液體通過與通道60中向下流的正被冷卻的進(jìn)料空氣的間接熱交換而被部分氣化。得到的兩相流體便流出熱交換通道的頂部并返回到分相器51。兩相流體中的液體57落入液池55中并成為其中的一部分，同時(shí)兩相流體中的蒸氣58通過出口59流出分相器51而獲取氣體產(chǎn)品。附圖2中所示的實(shí)施例中，在獲取前，將氣體產(chǎn)品經(jīng)主換熱器加熱。盡管產(chǎn)品蒸發(fā)器段50通常位于主換熱器9的底部，但應(yīng)明確進(jìn)料空氣冷卻通道60能夠擴(kuò)展至主換熱器的整個(gè)長(zhǎng)度。進(jìn)料空氣冷卻流20首先在主換熱器的上部借助返回流被冷卻，然后在主換熱器的下部即產(chǎn)品蒸發(fā)器段被進(jìn)一步冷卻和冷凝。
盡管本發(fā)明根據(jù)一定的優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍內(nèi)，本發(fā)明還有其它的實(shí)施方案。例如，可以使用其它低溫空氣分離裝置，如帶有氬(argon)側(cè)臂塔和/或向上流側(cè)塔的雙塔的裝置。
權(quán)利要求
1．一種制備氣體產(chǎn)品的低溫精餾方法，包括(A)將進(jìn)料空氣在主換熱器中冷卻并將冷卻的進(jìn)料空氣通入低溫空氣分離裝置中；(B)通過低溫精餾將低溫空氣分離裝置中的進(jìn)料空氣分離以產(chǎn)生蒸氣和液體；(C)將低溫空氣分離裝置中的液體通入分相器且將分相器中的液體通入主換熱器；(D)通過與正在冷卻的進(jìn)料空氣的間接熱交換使主換熱器中的液體部分蒸發(fā)，并使得到的流體返回到分相器中；(E)從分相器中獲取作為氣體產(chǎn)品的蒸氣。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中液體為所含氧的濃度至少為85％(mol)的富氧液體。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中液體在通入分相器前增壓。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其中分相器中的蒸氣在獲取前通過與正在冷卻的進(jìn)料空氣進(jìn)行間接熱交換而被加熱。
5．通過低溫精餾制備氣體產(chǎn)品的設(shè)備，包括(A)主換熱器及使進(jìn)料空氣進(jìn)入主換熱器的輔件；(B)低溫空氣分離裝置，包括至少一個(gè)塔及使主換熱器中的進(jìn)料空氣進(jìn)入低溫空氣分離裝置的輔件；(C)分相器及使低溫空氣分離裝置中的流體進(jìn)入分相器的輔件；(D)使分相器中的流體進(jìn)入主換熱器及使主換熱器中的流體進(jìn)入分相器的輔件；(E)從分相器獲取氣體產(chǎn)品的輔件。
6．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中分相器與主換熱器分開放置。
7．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中分相器與主換熱器一起放置。
8．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中低溫空氣分離裝置包括帶高壓塔和低壓塔的雙塔及使低溫空氣分離裝置中的流體進(jìn)入與低壓塔的下部連通的分相器的輔件。
9．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中低溫空氣分離裝置中的流體進(jìn)入分相器的輔件包含液體泵。
10．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中從分相器中獲取氣體產(chǎn)品的輔件，包含使分相器中的蒸氣通過主換熱器的輔件。
全文摘要
一種不會(huì)產(chǎn)生沸騰至干涸的問題的低溫精餾裝置,該裝置中的產(chǎn)品蒸發(fā)器并入主換熱器中,低溫精餾裝置中的液體在產(chǎn)品蒸發(fā)器的分相器的上流中得以處理,產(chǎn)品蒸發(fā)器中的流體在獲取前通入分相器中。
文檔編號(hào)F25J3/00GK1236087SQ99106298
公開日1999年11月24日 申請(qǐng)日期1999年4月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月18日
發(fā)明者K·K·王, M·J·洛克特, D·P·波納奎斯特, V·斯里尼瓦桑, J·K·霍維爾 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司