專利名稱:生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的低溫空氣分離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明一般地涉及生產(chǎn)氧和氮產(chǎn)品的空氣低溫精餾。
一些工業(yè)操作既需要中等純度氧,例如用于高爐操作或化學(xué)氧化過程,也需要中等純度氮,例如鈍化、干燥或覆蓋。傳統(tǒng)的低溫空氣分離系統(tǒng),例如那些采用低溫精餾柱生產(chǎn)產(chǎn)品的系統(tǒng),對生產(chǎn)這些產(chǎn)品并沒有經(jīng)濟上的吸引力。
因此,本發(fā)明的目的是提供一個低溫空氣分離系統(tǒng),它既能經(jīng)濟地生產(chǎn)中等純度的氧又能生產(chǎn)中等純度的氮。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明內(nèi)容后對本發(fā)明實現(xiàn)了上述和其他目的將變得十分清楚,其一方面是用低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的方法,包括(A)部分地壓縮進料空氣,將部分壓縮的進料空氣送入一個塔,在塔中通過低溫精餾把進料空氣分離為富氮蒸氣和富氧液體;(B)將富氮蒸氣送入有精餾段和汽提段的回流冷凝器的精餾段,使富氮蒸氣在向上送入精餾段,同時部分冷凝向上流動的富氮蒸氣,以產(chǎn)生富氮流體和剩余液體;(C)回收富氮流體作為中等純度氮產(chǎn)品,并把剩余液體送入塔上部;(D)將富氧液體從塔下部向下送入回流冷凝器的汽提段,同時部分蒸發(fā)向下流動的富氧液體,以產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣;(E)回收富氧流體作為中等純度氧產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一方面是用低溫空氣分離法生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的裝置,包括(A)熱交換器、塔、向熱交換器提供進料空氣的設(shè)備和將進料空氣從熱交換器送入塔的設(shè)備;(B)具有精餾段和汽提段的回流冷凝器,以及將來自塔上部的流體送入精餾段的設(shè)備;(C)從精餾段回收流體作為中等純度氮產(chǎn)品的設(shè)備,以及將來自精餾段的流體送入塔上部的設(shè)備;(D)將來自塔下部的流體送入汽提段的設(shè)備;
(E)從汽提段回收流體作為中等純度氧產(chǎn)品的設(shè)備。
本發(fā)明還有一方面是一種通過低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的方法,包括(A)部分地壓縮進料空氣,以產(chǎn)生進料空氣的蒸氣部分和進料空氣的液體部分,將進料空氣的蒸氣部分送入有精餾段和汽提段的回流冷凝器的精鎦段,將進料空氣的液體部分送入該回流冷凝器的汽提段;(B)使進料空氣的蒸氣部分向上送入精餾段,同時部分地冷凝向上移動的進料空氣的蒸氣部分,以產(chǎn)生富氮流體和剩余液體;(C)回收富氮流體作為中等純度氮產(chǎn)品,并將剩余液體送入汽提段;(D)使進料空氣的液體部分和剩余液體向下送入汽提段,同時部分地蒸發(fā)向下流動的液體,以產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣;(E)回收富氧流體作為中等純度氧產(chǎn)品。
本發(fā)明還有另一方面是用于用低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的裝置,包括(A)熱交換器、相分離器、向熱交換器提供進料空氣的設(shè)備、從熱交換器向相分離器提供進料空氣的設(shè)備;(B)具有精餾段和汽提段的回流冷凝器,將來自相分離器的流體送入精餾段的設(shè)備、和將來自相分離器的流體送入汽提段的設(shè)備;(C)回收來自精餾段的流體作為中等純度氮產(chǎn)品的設(shè)備;(D)將來自回流冷凝器精餾段的流體送入回流冷凝器汽提段的設(shè)備;(E)回收來自汽提段的流體作為中等純度氧產(chǎn)品的設(shè)備。
在這里采用的術(shù)語“進料空氣”的意思是指主要由氧和氮組成的混合物,例如大氣。
在這里采用的術(shù)語“中等純度氧”的意思是指具有氧濃度在25至80摩爾百分?jǐn)?shù)之間的流體。
在這里采用的術(shù)語“中等純度氮”的意思是指具有氮濃度在95至99.9摩爾百分?jǐn)?shù)之間的流體。
在這里采用的術(shù)語“塔”的意思是指蒸餾或分餾的塔或區(qū),即接觸塔或區(qū),其中液相和蒸氣相逆流接觸以實現(xiàn)流體混合物的分離,例如,通過蒸氣相和液相在一系列安裝在塔中垂直放置的盤或板上的接觸,和/或例如在規(guī)則或不規(guī)則排列的填充元件上的接觸。對蒸餾塔的深入討論可參閱化學(xué)工程師手冊,第五版,R.H.Perry和C.H.Chilton編著,McGraw-Hill Book Company,New York,13章,連續(xù)蒸餾過程。
在這里采用的術(shù)語“間接熱交換”的意思是指把兩種流體引入熱交換關(guān)系而無流體相互間的任何物理接觸或內(nèi)混合。
在這里采用的術(shù)語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”的意思分別是指高壓氣流通過渦輪降低氣體的壓力和溫度從而產(chǎn)生冷凍的方法和設(shè)備。
在這里采用的術(shù)語“上部”和“下部”的意思分別是指塔中點以上和以下的部分。
在這里采用的術(shù)語“過冷卻”和“過冷卻器”的意思分別是指把液體過冷卻到比該壓力下液體飽和溫度還低的溫度的方法和設(shè)備。
在這里采用的術(shù)語“相分離器”的意思是指一個容器,兩相進料在其中被分離成單獨的蒸氣和液體部分。典型地,容器要有足夠的截面積,以致蒸氣和液體能被重力所分開。
在這里采用的術(shù)語“回流冷凝器”的意思是指熱交換設(shè)備,它有許多垂直排列的帶有散熱片的通道,蒸氣從通道的底部向頂部流動,這些統(tǒng)稱為回流冷凝器的精餾段,它還有許多垂直排列的帶有散熱片的通道,液體從頂部向底部流動,這些統(tǒng)稱為回流冷凝器的汽提段。每一個精餾管或通道與至少一根汽提管或通道成熱交換關(guān)系,因此,通過精餾通道上升的蒸氣由與汽提通道中向下流動的液體進行間接熱交換而部分地冷凝,向下流動的液體部分地蒸發(fā)。
圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施方案的示意圖,其中采用一個塔與回流冷凝器相接。
圖2是另一個本發(fā)明優(yōu)選實施方案的示意圖,其中采用一個塔與回流冷凝器相接。
圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施方案的示意圖,其中采用一個相分離器與回流冷凝器相接。
圖4是另一個本發(fā)明優(yōu)選實施方案的示意圖,其中采用一個相分離器與回流冷凝器相接。
圖中采用的數(shù)字對于共同的部件是相同的。
本發(fā)明的要點是防止具有不同組分的液體在進入回流冷凝器的汽提段之前直接混合,因此避免了熱力學(xué)的無效性,并使本發(fā)明可能以更有效的方法生產(chǎn)期望的產(chǎn)品。
參考附圖將更詳細地說明本發(fā)明?,F(xiàn)在參考圖1,壓縮機101通常把進料空氣2壓縮至30-70磅/英寸2(psia),得到的壓縮空氣流6中的高沸點雜質(zhì),例如水蒸氣和二氧化碳,在通過凈化器103后被清除。在熱交換器107中,經(jīng)過清洗、過冷卻的進料空氣流8經(jīng)與返回液流的間接熱交換冷卻到它的露點附近,由此產(chǎn)生的進料空氣流10在熱交換器123中經(jīng)與返回液流的間接熱交換而部分冷凝。由此產(chǎn)生的兩相進料空氣流12被送入塔131。
塔131在壓力通常為28-68psia的范圍內(nèi)操作。在塔131中,進料空氣被低溫精餾分離成富氮蒸氣和富氧液體。富氮蒸氣從塔131的上部作為管道14通入回流冷凝器140的精餾段,回流冷凝器140也有汽提段,在圖1中表示為精餾段142和汽提段144。富氮蒸氣在精鎦段142內(nèi)向上流動,同時部分地經(jīng)與汽提段144向下流動液體的間接熱交換而冷凝,從而產(chǎn)生富氮流體和剩余液體。富氮流體從精餾段142中作為蒸氣流50流出,并在通過熱交換器123時加熱。由此產(chǎn)生的富氮蒸氣流52在通過渦輪膨脹機150時由渦輪膨脹致冷,由此產(chǎn)生承載冷凍的富氮蒸氣54在通過熱交換器123時加熱。由此產(chǎn)生的富氮蒸氣流56在通過熱交換器107時進一步加熱,并且作為中等純度氮產(chǎn)品作為氣流58回收。
來自精餾段142的剩余液體作為物流16進入塔131的上部,作為回流液體。富氧液體從塔131的下部流出,并作為物流20通過過冷卻器133,在其中經(jīng)與剩余蒸氣的間接熱交換而過冷卻,這將在以下進一步討論。由此產(chǎn)生冷卻后的富氧液體22通過閥門137,作為物流26進入汽提段144。富氧液體向下流過汽提段144的同時部分地蒸發(fā),正象前面敘述的那樣,產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣。剩余蒸氣從汽提段144中作為氣流60流出,在通過低溫過冷卻器133時被加熱,以實施前面提到的富氧液體過冷卻。由此產(chǎn)生加熱后的剩余蒸氣62在通過熱交換器123時被加熱,產(chǎn)生的物流64在通過熱交換器107時被進一步加熱,并作為物流66從系統(tǒng)中排出。
富氧流體從汽提段144中作為液流70流出,在通過熱交換器123時,經(jīng)與剛進來的部分冷凝的進料空氣進行間接熱交換而蒸發(fā)。由此產(chǎn)生的富氧蒸氣作為氣流72在通過熱交換器107時被進一步加熱,而作為中等純度氧的產(chǎn)品作為氣流74回收。
圖2說明了本發(fā)明中一個類似于圖1的設(shè)備,但是,中等純度氧產(chǎn)品是在提高了壓力后回收的。在圖2中列舉的設(shè)備與圖1中列舉的設(shè)備相似,這里就不詳細討論。
現(xiàn)在參看圖2,清洗、過冷卻后的進料空氣8被分為第一部分進料空氣9和第二部分進料空氣90。第一部分進料空氣9在熱交換器107中冷卻到它的露點附近,并作為氣流10進入塔131。第二部分進料空氣通過壓縮機92時,通常被壓縮到50-250psia的范圍內(nèi),并通過熱交換器107冷卻到它的露點附近。產(chǎn)生的第二部分進料空氣94在熱交換器123中,與由蒸發(fā)而提高了壓力的富氧液流進行間接熱交換而冷凝,由此產(chǎn)生的液體第二部分進料空氣96進入塔的上部。富氧液體作為液流70通過液體泵160,通常被增壓到25-125psia的范圍。由此產(chǎn)生增壓后的富氧液體171經(jīng)與冷凝的第二部分進料空氣的間接熱交換而蒸發(fā),如前所述,由此產(chǎn)生的提高了壓力的富氧蒸氣172,在通過熱交換器107時進一步加熱,并作為增壓的中等純度氧產(chǎn)品作為物流174回收。
圖3表示本發(fā)明的另一套裝置,其中采用了相分離器而沒有采用塔。圖3表示的本發(fā)明實施方案與圖1表示的實施方案的相同部分以相同編號表示,這里就不詳細討論了。
現(xiàn)在參看圖3,部分冷凝的進料空氣流12進入相分離器135,在那里它被分離為進料空氣蒸氣部分和進料空氣液體部分。進料空氣蒸氣部分從相分離器135流出,作為氣流15進入精餾段142,在那里對它的處理方式與富氮蒸氣相同,這已經(jīng)在圖1所表示的相同實施方案中討論過了。進料空氣液體部分17從相分離器135流出,進入過冷卻器133,過冷卻并形成過冷卻液流19。殘留液16從精餾段142流出,進入過冷卻器133,在那里過冷卻,并從那里流出形成過冷卻液液流18。過冷卻液流18和19分別通過膨脹閥138和139的調(diào)節(jié),生成液流24和21。這兩個液流在導(dǎo)入汽提段144之前不能混合,這點很重要,因為它們的組成不同,那種混合將導(dǎo)致熱力學(xué)上的無效性。由于在物流24中的液體具有的氧濃度比在物流21中的低,因而物流24與物流21分別進入汽提段144,并且物流24進入汽提段144的位置比物流21的位置高。進入汽提段并向下流動的液體部分地蒸發(fā),如前所述,產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣,并如前面圖1所述的被進一步處理。
圖4表示出與圖3表示的相分離器的差異,這里將不再詳述圖4與圖3的實施方案所具有相同的特點。
現(xiàn)在參看圖4,剩余液體16通過閥門28,并作為液流32進入熱交換器123,在那里部分地蒸發(fā)。由此產(chǎn)生包含了蒸氣和剩余液體的兩相流體34進入相分離器155。蒸氣作為氣流36從相分離器155中流出,并進入物流64形成物流65,它在通過熱交換器107時加熱,并作為氣流166從系統(tǒng)中排出。留下的剩余液體通過相分離器作為物流38進入過冷卻器133,在其中過冷卻,并從中形成過冷卻液流40。因為物流40中的液體與物流21中的液體組分大致相同,這兩個液流可以合并而不會產(chǎn)生熱力學(xué)的無效性。合并物流21和40所形成的液流42進入汽提段144,如前所述,在其中處理以產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣。富氧流體和剩余蒸氣在與圖3所示的實施方案中相同的方式作進一步處理。
雖然本發(fā)明參考一些優(yōu)選的實施方案進行了詳細的說明,但是,本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),還有符合本發(fā)明的其他實施方案。例如,雖然舉例說明的每一個實施方案具有相同長度的精餾段和汽提段,但這種要求不總是如此。在一個這樣的實施方案中,精餾通道的頂部可以被封住,使得汽提段比精餾段長,并使靠近被封住段的汽提段變成一個隔熱段。
權(quán)利要求
1.一種用低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的方法,包括(A)部分地壓縮進料空氣,將部分壓縮的進料空氣送入一個塔,在塔中通過低溫精餾把進料空氣分離為富氮蒸氣和富氧液體;(B)將富氮蒸氣送入有精餾段和汽提段的回流冷凝器的精餾段,使富氮蒸氣在向上送入精餾段,同時部分冷凝向上流動的富氮蒸氣,以產(chǎn)生富氮流體和剩余液體;(C)回收富氮流體作為中等純度氮產(chǎn)品,并把剩余液體送入塔上部;(D)將富氧液體從塔下部向下送入回流冷凝器的汽提段,同時部分蒸發(fā)向下流動的富氧液體,以產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣;(E)回收富氧流體作為中等純度氧產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1的方法,其中進料空氣分成兩部分,第一部分作為蒸氣進入塔,第二部分被加壓、冷凝,然后進入塔。
3.用于用低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的裝置,包括(A)熱交換器、塔、向熱交換器提供進料空氣的設(shè)備和將進料空氣從熱交換器送入塔的設(shè)備;(B)具有精餾段和汽提段的回流冷凝器,以及將來自塔上部的流體送入精餾段的設(shè)備;(C)從精餾段回收流體作為中等純度氮產(chǎn)品的設(shè)備,以及將來自精餾段的流體送入塔上部的設(shè)備;(D)將來自塔下部的流體送入汽提段的設(shè)備;(E)從汽提段回收流體作為中等純度氧產(chǎn)品的設(shè)備。
4.權(quán)利要求3的設(shè)備,其中從汽提段回收流體作為中等純度氧產(chǎn)品的設(shè)備包括液體泵。
5.一種通過低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的方法,包括(A)部分地壓縮進料空氣,以產(chǎn)生進料空氣的蒸氣部分和進料空氣的液體部分,將進料空氣的蒸氣部分送入有精餾段和汽提段的回流冷凝器的精餾段,將進料空氣的液體部分送入該回流冷凝器的汽提段;(B)使進料空氣的蒸氣部分向上送入精餾段,同時部分地冷凝向上移動的進料空氣的蒸氣部分,以產(chǎn)生富氮流體和剩余液體;(C)回收富氮流體作為中等純度氮產(chǎn)品,并將剩余液體送入汽提段;(D)使進料空氣的液體部分和剩余液體向下送入汽提段,同時部分地蒸發(fā)向下流動的液體,以產(chǎn)生富氧流體和剩余蒸氣;(E)回收富氧流體作為中等純度氧產(chǎn)品。
6.權(quán)利要求5的方法,其中剩余液體送入汽提段的位置要比液體進料空氣部分送入汽提段的位置高。
7.權(quán)利要求5的方法,其中剩余液體在進入汽提段之前部分地蒸發(fā)生成蒸氣,并留下剩余液體,留下的剩余液體送入汽提段。
8.用于用低溫空氣分離生產(chǎn)中等純度氧和中等純度氮的裝置,包括(A)熱交換器、相分離器、向熱交換器提供進料空氣的設(shè)備、從熱交換器向相分離器提供進料空氣的設(shè)備;(B)具有精餾段和汽提段的回流冷凝器,將來自相分離器的流體送入精餾段的設(shè)備、和將來自相分離器的流體送入汽提段的設(shè)備;(C)回收來自精餾段的流體作為中等純度氮產(chǎn)品的設(shè)備;(D)將來自回流冷凝器精餾段的流體送入回流冷凝器汽提段的設(shè)備;(E)回收來自汽提段的流體作為中等純度氧產(chǎn)品的設(shè)備。
9.權(quán)利要求8的裝置,其中把流體從回流冷凝器的精餾段送入回流冷凝器汽提段的設(shè)備與該汽提段相連,其位置要高于把流體從相分離器送入汽提段的設(shè)備與該汽提段相連的位置。
10.權(quán)利要求8的裝置,其中把流體從回流冷凝器的精餾段送入回流冷凝器汽提段的設(shè)備包括過冷卻器。
全文摘要
一種低溫空氣分離系統(tǒng),在其中先對進料空氣進行處理,以產(chǎn)生蒸氣和液體,然后在回流冷凝器的精餾段對蒸氣進行處理,以生產(chǎn)中等純度氮,在回流冷凝器的汽提段對液體進行處理,以生產(chǎn)中等純度氧。
文檔編號F25J3/04GK1274069SQ0010824
公開日2000年11月22日 申請日期2000年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月4日
發(fā)明者V·斯里尼瓦桑, M·M·沙, A·C·P·劉, M·J·洛克特 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司