專利名稱：低溫分離方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法和設(shè)備，其中將包括氮氣和氧氣的混合物經(jīng)低溫精餾分離成富氮及富氧餾分，并且通過將由該富氮或富氧產(chǎn)物餾分之一構(gòu)成的一個或多個液體流泵送并加熱，而生成一個或多個加壓的產(chǎn)物流。更具體而言，本發(fā)明涉及這樣一種采用組裝的 (banked)換熱器布置的方法和設(shè)備，其中，換熱流在用以加熱一個或多個泵送液體流的高壓換熱器中被部分冷卻，然后在低壓換熱器中被進一步冷卻，以縮小高壓換熱器內(nèi)的熱端溫差，并由此減少與低溫精餾有關(guān)的所需供入的制冷量。
背景技術(shù)：
含氮氣和氧氣的混合物，最常見的是空氣，可經(jīng)低溫精餾分離成富氮和富氧的餾分以及空氣中所發(fā)現(xiàn)的其他組分的餾分，例如氬氣。在低溫精餾中，將該混合物壓縮，然后純化，以去除高沸雜質(zhì)(如二氧化碳)、水蒸氣以及碳氫化合物。然后將所得的壓縮并純化的流冷卻至適于蒸餾的溫度。蒸餾生成空氣的富氮和富氧餾分以及潛在的其他餾分，其可以為液體和氣體產(chǎn)物形式。存在不同的蒸餾塔布置以用于此目的。例如，蒸餾塔可以由高壓塔和低壓塔構(gòu)成，高壓塔和低壓塔由換熱器熱連接以蒸發(fā)低壓塔的富氧液體塔底(column bottom)并冷凝高壓塔的富氮蒸氣塔頂(column overhead)。對于存在對大量氣態(tài)高壓氧氣的需求的情形，例如在氣化時，氧氣通常通過泵運富氧液體流以加壓、然后通過與增壓流的間接換熱而加熱該液體來生產(chǎn)，該增壓流通常是待蒸餾空氣的一部分。在以上討論的塔布置中，富氧液體流由高壓塔的富氧液體塔底組成。 作為換熱的結(jié)果，增壓空氣將被液化并在已經(jīng)降至適于引入所述塔的壓力后引入高壓塔、 低壓塔或者在所述塔之間分割。除了氧氣，高壓氮氣也會是期望的產(chǎn)物，尤其是在氣化應(yīng)用中。這種高壓氮氣可以通過泵運冷凝的富氮蒸氣流并通過與增壓流的換熱而加熱所得液體來生產(chǎn)。應(yīng)當(dāng)指出，泵運流的加熱可以在組裝的換熱器布置中進行，該組裝的換熱器布置具有用于加熱泵運液體的高壓換熱器以及用于冷卻至少部分空氣的低壓換熱器，該低壓換熱器具有比高壓換熱器更低的最大容許工作壓力。在這點上，盡管如前所述增壓流通常由空氣構(gòu)成，但也可以采用其他流體。例如，在美國專利US 4，345，925中，流體(如氬氣)被壓縮，然后作為在高壓換熱器中發(fā)生的間接換熱的結(jié)果而被液化。然后所得液體提供與蒸餾塔相關(guān)的各種換熱功能。尤其是，使流體在低壓換熱器中蒸發(fā)并過熱，然后在將其引入高壓換熱器之前再次壓縮。由此，流體在換熱回路中循環(huán)，該換熱回路涉及對加壓富氧液體的加熱?？諝庠谄渲谐洚?dāng)增壓流體的低溫精餾設(shè)施的例子可在公開號為2008/0307828的美國專利申請中見到。在這篇申請中，空氣被壓縮和純化。將所得經(jīng)壓縮和純化的空氣的一部分在低壓換熱器中冷卻，然后導(dǎo)入高壓塔作為主空氣流。高壓塔與低壓塔經(jīng)冷凝器再沸器熱連接。該冷凝器再沸器針對蒸發(fā)低壓塔中形成的富氧液體塔底而冷凝高壓塔的富氮蒸汽塔頂?？蓪⒂傻蛪核母谎跻后w塔底構(gòu)成的富氧液體流的一部分泵運以形成泵運的液態(tài)氧流，并且也可將冷凝的富氮蒸汽的一部分泵運以形成泵運的液態(tài)氮流。 然后將泵運的液態(tài)氧流和泵運的液態(tài)氮流在高壓換熱器中通過與增壓流的間接換熱而加熱，該增壓流通過在增壓壓縮機中壓縮經(jīng)壓縮和純化的空氣的另一部分而形成。將增壓流液化、膨脹并引入高壓和低壓塔。將由低壓塔中產(chǎn)生的廢氮流構(gòu)成的熱平衡流引入低壓換熱器和高壓換熱器以抑制這些換熱器的制冷的熱端損失，并且也縮小增壓流與主空氣流在這些換熱器冷端的溫差。在任何低溫精餾設(shè)施中，必須因以下原因而供入制冷換熱器中的熱端損失、向設(shè)施內(nèi)的熱量泄漏以及生產(chǎn)液體。高壓換熱器中，被冷卻的增壓流與被加熱的一個或多個蒸發(fā)液體流之間的熱端溫差的大小代表了這類制冷損失。為了克服這類制冷損失，必須將更多的制冷引入該設(shè)施。在上述公開的專利申請中，這種制冷可通過以下方式產(chǎn)生將經(jīng)壓縮和純化的空氣的又一部分引入增壓壓縮機，在高壓換熱器或低壓換熱器中將該空氣部分冷卻，然后將該部分冷卻的流引入渦輪膨脹機以在排出流(exhaust stream)中生成制冷，其可被引入高壓塔或低壓塔。設(shè)施所需的制冷程度越高，在相關(guān)聯(lián)的增壓壓縮機中膨脹的能量將越高。由此，總能量消耗是低溫精餾設(shè)施的生產(chǎn)成本中一個重要考慮因素，因而期望將設(shè)施能量需求最小化。如將要述及的，除了其他優(yōu)點之外，本發(fā)明提供一種方法以及用于實施該方法的低溫精餾設(shè)施，其中高壓換熱器中形成的熱端溫差被縮小以減少制冷需求，并由此降低與該設(shè)施運行相關(guān)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
—方面，本發(fā)明提供一種分離包括氮氣和氧氣的混合物的方法。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，實施低溫精餾過程，該低溫精餾過程包括將該混合物壓縮、純化、冷卻和蒸餾到氧氣中形成富氮和富氧餾分；將制冷供入該低溫精餾過程；并通過泵運及加熱液態(tài)的富氮和富氧餾分之一的至少一部分來生成至少一個加壓的產(chǎn)物流。低溫精餾過程如此實施以生成增壓流和換熱流，該低溫精餾過程采用組裝的換熱器布置，所述組裝的換熱器布置具有用于冷卻混合物的至少一部分的低壓換熱器以及用于加熱富氮和富氧餾分之一的至少一部分的高壓換熱器。將增壓流和換熱流引入高壓換熱器與富氮和富氧餾分之一的至少一部分進行間接換熱。換熱流在高壓換熱器中被部分地冷卻，由此降低高壓換熱器內(nèi)的熱端溫差，從而減少需要供給到低溫精餾過程的制冷。增壓流在高壓換熱器中冷卻，而換熱流在低壓換熱器中進一步冷卻。高壓換熱器中熱端溫差的縮小減少了制冷損失，進而減少了低溫精餾過程所需的制冷量。制冷需求的減少轉(zhuǎn)換成該設(shè)施功率消耗的減少，因為首先用于產(chǎn)生制冷的壓縮需求變少。如此處及權(quán)利要求中所用，術(shù)語“部分地冷卻”是指被冷卻至換熱器的熱端和冷端處可達到的溫度中間的溫度。如此處及權(quán)利要求中所用，術(shù)語“完全地冷卻”是指被冷卻至換熱器冷端的溫度，術(shù)語“完全地加熱”是指被加熱至換熱器熱端的溫度。低溫精餾過程可生成富氮蒸氣流，該富氮蒸氣流被分成兩個富氮蒸氣流，這兩個富氮蒸氣流在高壓換熱器和低壓換熱器中被完全加熱以平衡高壓換熱器和低壓換熱器的冷端溫度?；旌衔锟梢允强諝?，在此情形下，由空氣構(gòu)成的進料流在經(jīng)過壓縮和純化后被分成第一附屬壓縮空氣流、第二附屬壓縮空氣流和第三附屬壓縮空氣流。第一附屬壓縮空氣流在低壓換熱器中被完全冷卻，第二附屬壓縮空氣流的至少一部分被進一步壓縮以形成增壓流，該增壓流在高壓換熱器中被完全冷卻后形成液體空氣流，換熱流為第三附屬壓縮空氣流。第二附屬壓縮空氣流的第一部分可被進一步壓縮以生成增壓空氣流，第三附屬壓縮空氣流的第二部分可被進一步壓縮至低于增壓空氣流的壓力，然后被更進一步壓縮，在高壓換熱器中部分地冷卻，并被引入渦輪膨脹機中以生成排出流。將排出流引入蒸餾塔中以將制冷的至少一部分供入低溫精餾過程。
在本發(fā)明的具體實施例中，混合物在高壓塔中蒸餾，該高壓塔與低壓塔經(jīng)冷凝器再沸器以換熱關(guān)系操作關(guān)聯(lián)，該冷凝器換熱器構(gòu)造成通過將低壓塔的富氧液體塔底再沸而將從高壓塔去除的高壓富氮塔頂流冷凝。將第一附屬壓縮空氣流和第三附屬壓縮空氣流在被完全冷卻后引入高壓塔。將液體空氣流膨脹并引入高壓塔和低壓塔的中的至少一個中。 將由高壓塔的液體塔底構(gòu)成的粗液氧流過度冷卻、減壓至低壓塔的壓力，并引入低壓塔以便進一步精制。由高壓富氮塔頂流冷凝形成的高壓富氮液體流的第一和第二部分分別用于使高壓塔和低壓塔回流。將高壓富氮液體流的部分中的第二個過度冷卻、在作為回流引入該低壓塔之前減壓至低壓塔的壓力，使粗液氧流及高壓富氮液體流的部分中的第二個通過與離開低壓塔的低壓富氮塔頂流的間接換熱而過度冷卻。至少一個液體流是富氧流以及高壓富氮液體流的第三部分之一，該富氧流由低壓塔的富氧液體塔底構(gòu)成。低壓富氮塔頂流可分成兩個富氮蒸氣流，用于平衡高壓換熱器與低壓換熱器的冷端溫度。排出流被引入高壓塔，液體空氣流在液體膨脹器中膨脹。另一方面，本發(fā)明提供一種分離包括氮氣和氧氣的混合物的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，該設(shè)備包括低溫精餾設(shè)施，該設(shè)施構(gòu)造成將該混合物壓縮、純化、冷卻并蒸餾成富氮和富氧餾分。該低溫精餾設(shè)施具有至少一個泵，該泵用于泵運由液態(tài)的富氮和富氧餾分之一構(gòu)成的液體流的至少一部分；以及組裝的換熱器布置，該組裝的換熱器布置具有低壓換熱器和與該至少一個泵流體聯(lián)通的高壓換熱器，該低壓換熱器構(gòu)造成冷卻該混合物的至少一部分，該高壓換熱器用于加熱液體流的至少一部分并由此生成加壓的產(chǎn)物流。此外， 提供用于生成增壓流的裝置、提供用于生成換熱流的裝置以及提供用于將制冷供入低溫精餾設(shè)施的裝置。高壓換熱器連接到增壓流生成裝置以及換熱流生成裝置，并構(gòu)造成通過從換熱流到液體流的至少一部分的間接換熱而使換熱流部分地冷卻，由此縮小高壓換熱器內(nèi)的熱端溫差，從而減少所需供入低溫精餾設(shè)施的制冷，并通過從增壓流到液體流的至少一部分的間接換熱而使增壓流冷卻。低壓換熱器連接到高壓換熱器并構(gòu)造成進一步冷卻已經(jīng)在高壓換熱器中被部分冷卻的換熱流。低溫精餾設(shè)施也可以構(gòu)造成生成兩個富氮蒸氣流，高壓換熱器以及低壓換熱器也構(gòu)造成接收以及完全加熱該兩個富氮蒸氣流，由此使高壓換熱器以及低壓換熱器的冷端溫度平衡?；旌衔锟梢允强諝?，在此情形下，低溫精餾設(shè)施具有主空氣壓縮機以及與主空氣壓縮機連接以純化壓縮后的空氣的預(yù)純化單元。增壓生成裝置包括與該預(yù)純化單元連接的增壓壓縮機，并且低壓換熱器也與該預(yù)純化單元連接，由此，由混合物構(gòu)成的進料流在主空氣壓縮機中壓縮并在預(yù)純化單元中純化之后被分成第一附屬壓縮空氣流和第二附屬壓縮空氣流，該第一附屬壓縮空氣流在低壓換熱器中被完全冷卻，該第二附屬壓縮空氣流至少部分地在增壓壓縮機中被進一步壓縮以形成增壓流并在高壓換熱器中完全冷卻后形成液體空氣流。換熱流生成裝置包括也與預(yù)純化單元連接的高壓換熱器，由此，已經(jīng)過壓縮和純化的進料流被進一步分成形成換熱流的第三附屬壓縮空氣流。增壓壓縮機可以是多級機器。第二附屬壓縮空氣流的第一部分從增壓壓縮機的末級排放并形成增壓空氣流。制冷供入裝置至少部分地包括與增壓壓縮機的中間級連接的另一增壓壓縮機，以將第二附屬壓縮空氣流的第二部分進一步壓縮。高壓換熱器與該另一增壓壓縮機連接，從而第三附屬壓縮空氣流的第二部分在被進一步壓縮后在高壓換熱器中被部分冷卻，并且渦輪膨脹機與高壓換熱器連接，以將第二附屬壓縮空氣流的第一部分膨脹并由此生成排出流。渦輪膨脹機與蒸餾塔連接，由此將排出流引入蒸餾塔。 低溫精餾設(shè)施可以具有高壓塔和低壓塔以蒸餾混合物。高壓塔與低壓塔經(jīng)冷凝器再沸器以換熱關(guān)系操作關(guān)聯(lián)。從高壓塔排放的高壓富氮塔頂流的至少一部分通過使低壓塔的富氧液體塔底再沸而冷凝。低壓換熱器與高壓塔連接，由此將第一附屬壓縮空氣流和第二附屬壓縮空氣流引入高壓塔。高壓換熱器與高壓塔和低壓塔中的至少一個流體聯(lián)通，由此將液體空氣流引入高壓塔和低壓塔中的至少一個。將膨脹裝置安置在高壓換熱器與高壓塔和低壓塔中的至少一個之間，以將液體空氣流膨脹。高壓塔與低壓塔連接，由此將由高壓塔的液體塔底構(gòu)成的粗液氧流引入低壓塔以進一步精制，將高壓富氮塔頂流冷凝形成的高壓富氮液體流的第一和第二部分分別作為回流引入高壓塔和低壓塔。安置在低壓塔與低壓換熱器之間或者整合入低壓換熱器中的過冷器構(gòu)造成將粗液氧流及高壓富氮液體流的第二部分過度冷卻。膨脹閥位于過冷器與低壓塔之間，以在將粗液氧流和高壓富氮液體流的部分中的第二個引入低壓塔之前使它們膨脹。過冷器與低壓塔連接，由此從低壓塔排放的低壓富氮塔頂流與粗液氧流及高壓富氮液體流的部分中的第二個間接換熱而流過，該至少一個液體流為富氧流，由低壓塔的富氧液體塔底或者高壓富氮液體流的第三部分構(gòu)成。高壓換熱器和低壓換熱器可以與過冷器連接，由此將低壓富氮塔頂流分成兩個富氮蒸氣流，其用于平衡高壓換熱器和低壓換熱器的冷端溫度。此外，渦輪膨脹機與高壓塔連接，由此將排出流引入高壓塔，并且膨脹裝置是液體膨脹器。


盡管說明書以權(quán)利要求為結(jié)論，清楚地指出了申請人認作其發(fā)明的主題，然而應(yīng)當(dāng)相信，當(dāng)結(jié)合所附唯一附圖時將更好地理解本發(fā)明，該附圖示出了用于實施根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備。
具體實施例方式參照該唯一的附圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的低溫精餾設(shè)施1，該設(shè)施1設(shè)計成將空氣或其它含氮氣和氧氣的混合物低溫精餾成氮氣和氧氣餾分，下面將進行討論。例如，本發(fā)明低溫精餾設(shè)施的進料可以來自另一空氣分離設(shè)施，在此情形下，該進料可能會具有較富集的氧濃度，該濃度比空氣中的更高。而且，盡管結(jié)合雙塔系統(tǒng)說明了本發(fā)明，該雙塔系統(tǒng)具有通過冷凝器再沸器以換熱關(guān)系操作關(guān)聯(lián)的高壓塔與低壓塔，以針對蒸發(fā)低壓塔中的富氧液體塔底而冷凝高壓塔中的富氮蒸氣塔頂，但是本發(fā)明不限于此類塔布置。就此而言，本發(fā)明可應(yīng)用于任何采用組裝換熱器布置的低溫精餾設(shè)施，其中將富集了通常是氮和氧的分離組分的液體流泵運然后在高壓換熱器中加熱，以形成作為高壓蒸氣或超臨界流體的加壓產(chǎn)物。進料空氣流10在主壓縮機12中壓縮。在通過第一后置冷卻器14去除壓縮的熱之后，將進料空氣流10在預(yù)純化單元16中純化，以生成經(jīng)壓縮和純化的空氣流17。此處宜于指出，盡管后置冷卻器14示為單獨的單元，但作為主壓縮機12的這類壓縮機可以是多級機器，帶有制造商作為壓縮機的一部分安裝的中間冷卻器和后置冷卻器。在此情形下，后置冷卻器可以不是如圖所示的單獨的單元，而可以是壓縮機本身的一部分。前述注解可等同地適用于任何后述的壓縮機與后置冷卻器布置。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，預(yù)純化單元16可包含吸附劑的床，例如氧化鋁或碳分子篩型的吸附劑，以吸附空氣中并由此吸附進料空氣流10中所含的高沸雜質(zhì)。例如，如公知的，這類高沸雜質(zhì)可包括將在設(shè)備1所構(gòu)想的低精餾溫度時冷凍和聚集的二氧化碳和水蒸氣。此外，可在富氧液體中收集并由此產(chǎn)生安全危害的碳氫化合物也可被吸附。 第一附屬壓縮空氣 流18從經(jīng)壓縮和純化的空氣流17的第一部分生成。增壓壓縮機20與純化單元16流體聯(lián)通，以壓縮從經(jīng)壓縮和純化的空氣流17的第二部分形成的第二附屬壓縮空氣流22，并且提供第二后置冷卻器23，第二后置冷卻器23與增壓壓縮機20連接以去除第二附屬壓縮空氣流22在進一步壓縮后的壓縮熱。這形成具有比第一附屬壓縮空氣流18更高壓力的增壓流24。應(yīng)注意，主空氣壓縮機10以及增壓壓縮機20都示為單個單元。然而，如本領(lǐng)域所知，可以并聯(lián)安裝兩個或更多個壓縮機以形成主空氣壓縮機10或增壓壓縮機20。兩個壓縮機可以是相同規(guī)?；虿煌?guī)模。例如，為了更好地符合顧客的需求，容量可以分配成70/30或60/40。通常，第二附屬壓縮空氣流22將會具有壓縮空氣流 17流量的約25%至約40%之間范圍內(nèi)的流量。 高壓換熱器26與第二后置冷卻器23和101連接，低壓換熱器28與純化單元16流體聯(lián)通以接收第一附屬壓縮空氣流18。高壓換熱器26和低壓換熱器28優(yōu)選均為銅焊鋁構(gòu)造且由多層經(jīng)側(cè)桿分隔的隔板構(gòu)成，以形成用于待加熱和冷卻流的流道。每一流道設(shè)置有本領(lǐng)域公知的翅片以增大所述換熱器內(nèi)的換熱表面積。高壓換熱器26被如此命名是因為其具有與低壓換熱器28相比更高的容許工作壓力。高壓換熱器26構(gòu)造成將增壓流24完全地冷卻，以生成液體空氣流30，并且低壓換熱器28構(gòu)造成將第一附屬壓縮空氣流18完全地冷卻，以生成主進料空氣流32。正如所能預(yù)見的，可以采用其他類型的換熱器，例如高壓換熱器26可以是螺旋纏繞的印制電路，或具有不銹鋼板翅構(gòu)造。而且，盡管高壓換熱器26 和低壓換熱器28每一個都示作為單個單元，但是實踐中，其每一個都可以由若干并聯(lián)在一起的換熱器構(gòu)成。低壓換熱器28將會具有比高壓換熱器26更大的流通橫截面積及總體積。通常， 高壓換熱器26的平均密度將會比低壓換熱器28更大，此處密度是指空重除以體積。典型的密度約為1000kg/m3。高壓換熱器26的典型工作壓力約為1200psig及更高。提供空氣分離單元34，其具有通過冷凝器再沸器50以換熱方式與低壓塔38操作關(guān)聯(lián)的高壓塔36。任選地，空氣分離單元34還可以包括氬塔，該氬塔與低壓塔38連接以便生成氬產(chǎn)物?？梢岳斫?，高壓塔36和低壓塔38的每一個都包含液體-蒸氣質(zhì)量傳質(zhì)元件， 如無規(guī)則的或結(jié)構(gòu)化的篩板或填料(packing)。這類元件如本領(lǐng)域所公知在用于精餾目的的每個這類塔中增強了待分離混合物的液相和蒸氣相的液體_蒸氣接觸?？諝庠谶@類蒸餾塔中的精餾生成空氣的富氮和富氧餾分，如高壓塔36的富氮塔頂和低壓塔38的富氮塔頂 (所處壓力當(dāng)然低于高壓塔36中生成的富氮蒸氣)，以及作為低壓塔38的液體塔底的富氧液體。如將要討論的，這些餾分的流可以直接作為產(chǎn)物，或者經(jīng)冷凝和/或加壓并加熱以形成低溫精餾設(shè)施1的產(chǎn)物。將液體空氣流30通過渦輪膨脹機40膨脹至適于將其引入高壓塔36的壓力?？梢曰厥諄碜砸后w渦輪膨脹機40的能量，由此液體渦輪膨脹機可產(chǎn)生低溫精餾設(shè)施1所需的制冷的一部分。可替代地，可以使用膨脹閥(或者二者的組合)。在被膨脹后，液體空氣流 30被分成第一輔助膨脹流42和第二輔助膨脹流44。第二輔助膨脹流44被膨脹閥46膨脹至適于將其作為另一膨脹流47引入低壓塔38的壓力。由此，分別在其與塔中被分離混合物的組成相匹配的點將第一和第二輔助膨脹流42和44都引入高壓塔36和低壓塔38的中間位置。然而可以理解，將液體空氣流30引入高壓塔36或低壓塔38的本發(fā)明實施例也是可能的?？諝庠诟邏核?6中的精餾生成粗液氧塔底和富氮蒸氣塔頂。針對將低壓塔中進行的精餾生成的富氧塔底蒸發(fā)，在冷凝器再沸器中將富氮蒸氣塔頂流48的一部分冷凝。就此而言，這類精餾還在低壓塔38內(nèi)生成富氮蒸氣塔頂。所得冷凝物生成富氮液體流52。富氮液體流52的第一部分54作為回流返回高壓塔36。第二部分56在過冷單元29中過度冷卻，如圖所示，通過在其中設(shè)定適宜的通道，該過冷單元29為低壓換熱器28的整體部分。 然而，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，過冷單元29實際上可以是單獨的換熱器，或者是多個并聯(lián)操作的獨立換熱器。然后任選地將所得過冷液氮流58進一步再分成部分60和62。然后過冷液氮流58的部分60在膨脹閥64中膨脹至適于將其引入低壓塔38的壓力，然后作為回流引入低壓塔38。過冷液氮流58的部分62可被取作任選的液體產(chǎn)物。空氣的蒸餾在高壓塔36中生成粗液氧塔底，本領(lǐng)域也稱為釜液。粗液氧塔底構(gòu)成的粗液氧流58也在與低壓換熱器28整合的過冷單元29中過度冷卻，然后在膨脹閥68中膨脹，以引入低壓塔以便進一步精制。富氮蒸氣流70可從低壓塔38的頂部去除，其由低壓塔38中進行的蒸餾所導(dǎo)致生成的低壓富氮蒸氣塔頂構(gòu)成。盡管沒有圖示，然而如本領(lǐng)域所知，如果對所得產(chǎn)物也有同樣的要求，則為保持富氮蒸氣流70的純度，廢氮流也可以從低于低壓塔38頂部的位置去除。 由于這在所示實施例中沒有進行，因而富氮蒸氣流70不具有典型的產(chǎn)物純度，因為它受到比氮氣產(chǎn)物流更多量的氧氣的污染。然后將富氮蒸氣流70被再分成兩個輔助富氮蒸氣流 71和72。輔助富氮蒸氣流71在低壓換熱器28的過冷單元部分被部分地加熱，以便將富氮液體流56的第二部分56以及粗液氧流58過度冷卻。然后在低壓換熱器28中將輔助富氮蒸氣流71完全地加熱，以形成廢氮流73。如圖所示，該廢氮流73可以本領(lǐng)域所知的方式用于使預(yù)純化單元16中的吸附劑床再生。輔助富氮蒸氣流72在高壓換熱器中被完全地加熱，以形成廢氮流74。選擇這些流的流速以平衡高壓換熱器26和低壓換熱器28的冷端溫差。就此而言，如果液體空氣流30的溫度過高，則被液體渦輪膨脹機膨脹至塔壓后的液體將產(chǎn)生過多的蒸氣，結(jié)果在蒸餾塔中將不會發(fā)生所期望的蒸餾?？蓮牡蛪核?8去除低壓塔38的富氧液體塔底構(gòu)成的富氧液體流75。該富氧液體 流75的第一部分76可經(jīng)泵78壓縮以形成經(jīng)泵運的液氧流80。該富氧液體流75的第二部分82可任選地取作產(chǎn)物。經(jīng)泵運的液氧流80、兩個富氮蒸氣流71和72以及將述及的第二輔助氮蒸氣流84和經(jīng)泵運的液氮流92構(gòu)成空氣分離單元34的返回流，其用于在高壓換熱器26和低壓換熱器28中冷卻進入的空氣。如圖所示，任選地，富氮蒸氣流48可以分成第一和第二輔助氮蒸氣流82和84。第一輔助氮蒸氣流82被引入冷凝器再沸器50，第二輔助氮蒸氣流84在低壓換熱器28中被完全地加熱并形成氮產(chǎn)物流86。富氮液體流52的第三部分88可任選地在泵90中被泵運以生成經(jīng)泵運的液氮流92，該經(jīng)泵運的液氮流92在高壓換熱器26中被完全地加熱以生成加壓的氮產(chǎn)物流94。提醒注意，如果期望不同壓力下的加壓氮產(chǎn)物流，則可將經(jīng)泵運的液氮流92再分并泵運至不同壓力。類似地，經(jīng)泵運的液氧流 80在高壓換熱器26中被完全地加熱以生成加壓的氧產(chǎn)物流96。如本領(lǐng)域所公知，任何低溫精餾設(shè)施由于例如下述原因都必須被制冷克服熱端換熱損失、向包含蒸餾塔的冷箱的熱量泄漏、以及容許液體產(chǎn)物的生成。在低溫精餾設(shè)施1 中，將第二附屬壓縮空氣流22的部分98從增壓壓縮機20的中間級抽出，然后在增壓壓縮機100中進一步壓縮。第二附屬壓縮空氣流22的部分98將通常為從預(yù)純化單元16排放的經(jīng)壓縮和純化的空氣流量的約5%至約20%。在后置冷卻器101中去除壓縮熱后，此流在高壓換熱器26中被部分地冷卻以生成部分冷卻的流103，將該部分冷卻的流103引入渦輪膨脹機104中以生成排出流105，將該排出流105引入高壓塔36中以給該低溫精餾設(shè)施 1供入所需的制冷。如本領(lǐng)域中所知，這是且僅是向低溫精餾設(shè)施供入制冷的一個選擇。例如，取決于期望的產(chǎn)物品質(zhì)，可以將排出流引入低壓塔38，或者可以將廢氮流膨脹。如上所述，將增壓流24在高壓換熱器26中完全地冷卻。這就是說，這樣的實施例也是可能的其中增壓流24在高壓換熱器26的冷端之前被去除并由此具有較高的溫度。 任何情形下，增壓流24的目的都是在生成加壓的氮產(chǎn)物流94和加壓的氧流96時提供在加熱經(jīng)泵運的液氧流80和經(jīng)泵運的液氮流92時的傳熱負荷(heat transfer duty)的主要部分。就此而言，經(jīng)泵運的液氧流80和液氮流92均可被加壓至超臨界壓力，并且當(dāng)加熱至超臨界溫度時，所得加壓的產(chǎn)物氮流94及加壓的產(chǎn)物氧流96將作為超臨界流體供應(yīng)。然而，本發(fā)明還構(gòu)想這類流體可被加壓至亞臨界壓力，如此，在加熱時被蒸發(fā)，以作為高壓蒸氣流供應(yīng)。提醒注意，代替增壓流24得自空氣的情形，可以使用其他流體，如上述美國專利 US4, 345，925中所示的氬氣，其中增壓流在閉合的換熱回路中循環(huán)。然而，在所有情形中，存在關(guān)于這類增壓流的制冷損失，其具有隨熱端溫差的程度增加的大小。在高壓換熱器26的情形中，當(dāng)在其熱端測量時，該熱端溫差為被冷卻流的平均溫度與被加熱流的平均溫度之差，該被冷卻流即為增壓流24以及第二附屬壓縮空氣流 22的部分98，該被加熱流即為經(jīng)泵運的液氧流94和液氮流96以及輔助富氮蒸氣流72。這類熱端溫差的程度越大，所需制冷的量將越大。實踐中，在低溫精餾設(shè)施1的情形中，更大的制冷需求將由增壓壓縮機100供應(yīng)，因此這類壓縮機的功率消耗更高。為了縮小熱端溫差、制冷的需求程度以及由此的功率消耗，從經(jīng)壓縮和純化的空氣流17的一部分形成第三附屬壓縮空氣流106。這類流充當(dāng)換熱流，其在高壓換熱器26中被部分地冷卻，然后在低壓換熱器28中被進一步冷卻以形成經(jīng)冷卻的空氣流108，該經(jīng)冷卻的空氣流108可在低壓換熱器28中與第一附屬壓縮空氣流18組合。這兩個流的組合也可以不必在換熱器中進行。 它們可以分別進入低壓塔。所得的組合流110可以進一步與排出流105組合，并作為流體 112引入高壓塔。正如所知，存在形成該類換熱流的其它可能。例如，廢氮流73的一部分可被 壓縮， 然后在高壓換熱器26內(nèi)被部分地冷卻，替代所示的換熱流106。然后可將這類流在低壓換熱器28中進一步冷卻，然后引入高壓塔36的中間位置。下表是來自低溫精餾設(shè)施1的操作的計算例的流概要。
表
權(quán)利要求
1.一種分離包括氮氣和氧氣的混合物的方法，所述方法包括實施低溫精餾過程，所述低溫精餾過程包括將所述混合物壓縮、純化、冷卻和蒸餾到氧氣中成為富氮和富氧餾分；將制冷供入所述低溫精餾過程；并且通過泵運和加熱液態(tài)的所述富氮和富氧餾分之一的至少一部分而生成至少一個加壓的產(chǎn)物流；所述低溫精餾過程被實施為生成增壓流和換熱流，所述低溫精餾過程采用組裝的換熱器布置，所述組裝的換熱器布置具有用于冷卻所述混合物的至少一部分的低壓換熱器以及用于加熱泵運后的所述富氮和富氧餾分之一的至少一部分的高壓換熱器；將所述增壓流和所述換熱流引入所述高壓換熱器與所述富氮和富氧餾分之一的至少一部分間接換熱；將所述換熱流在所述高壓換熱器中部分地冷卻，從而縮小所述高壓換熱器內(nèi)的熱端溫差，并由此減少需供入所述低溫精餾過程的制冷； 將所述增壓流在所述高壓換熱器中冷卻；以及在所述高壓換熱器中部分地冷卻之后，將所述換熱流在所述低壓換熱器中進一步冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述低溫精餾過程生成富氮蒸氣流，所述富氮蒸氣流分成在所述高壓換熱器和所述低壓換熱器中被完全地加熱的兩個富氮蒸氣流，從而平衡所述高壓換熱器和所述低壓換熱器的冷端溫度。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中 所述混合物為空氣；由所述空氣構(gòu)成的進料流在經(jīng)壓縮和純化后被分成第一附屬壓縮空氣流、第二附屬壓縮空氣流以及第三附屬壓縮空氣流；所述第一附屬壓縮空氣流在所述低壓換熱器中被完全地冷卻； 所述第二附屬壓縮空氣流的至少一部分被進一步壓縮以形成所述增壓流，并且在所述高壓換熱器中被完全冷卻后形成液體空氣流；以及所述換熱流為所述第三附屬壓縮空氣流。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二附屬壓縮空氣流的第一部分被進一步壓縮以生成所述增壓空氣流； 所述第三附屬壓縮空氣流的第二部分被進一步壓縮至低于所述增壓空氣流的壓力，并且此后被更進一步壓縮、在所述高壓換熱器中被部分地冷卻并被引入渦輪膨脹機中以生成排出流；以及所述排出流被引入所述蒸餾塔以將所述制冷的至少一部分供入所述低溫精餾過程。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述混合物在所述高壓塔中被蒸餾，所述高壓塔通過冷凝器再沸器以換熱關(guān)系與所述低壓塔操作關(guān)聯(lián)，所述冷凝器再沸器構(gòu)造成通過使所述低壓塔的富氧液體塔底再沸而使從所述高壓塔去除的高壓富氮塔頂流冷凝；所述第一附屬壓縮空氣流和所述第三附屬壓縮空氣流在被完全冷卻后被引入所述高壓塔；所述液體空氣流被膨脹并引入所述高壓塔和所述低壓塔中的至少一個；由所述高壓塔的液體塔底構(gòu)成的粗液氧流被過度冷卻、減壓至所述低壓塔的壓力并引入所述低壓塔以便進一步精制；由所述高壓富氮塔頂流冷凝所形成的高壓富氮液體流的第一和第二部分被分別用于使所述高壓塔和所述低壓塔回流；所述高壓富氮液體流的所述部分中的第二個被過度冷卻、在作為回流引入所述低壓塔之前被減壓至所述低壓塔的壓力；所述粗液氧流和所述高壓富氮液體流的所述部分中的第二個通過與離開所述低壓塔的低壓富氮塔頂流的間接換熱而被過度冷卻；所述至少一個液體流是由所述低壓塔的富氧液體塔底構(gòu)成的富氧流和所述高壓富氮液體流的第三部分中的一個。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述低壓富氮塔頂流被分成兩個富氮蒸氣流，其用于平衡所述高壓換熱器和所述低壓換熱器的冷端溫度；所述排出流被引入所述高壓塔；以及所述液體空氣流在液體膨脹器中被膨脹。
7.一種分離包括氮氣和氧氣的混合物的設(shè)備，所述設(shè)備包括低溫精餾設(shè)施，其構(gòu)造成將所述混合物壓縮、純化、冷卻和蒸餾成富氮和富氧餾分； 所述低溫精餾設(shè)施具有至少一個泵，其用于泵運由液態(tài)的所述富氮和富氧餾分之一構(gòu)成的液體流的至少一部分；組裝的換熱器布置，其具有構(gòu)造成將所述混合物的至少一部分冷卻的低壓換熱器以及與所述至少一個泵流體聯(lián)通的高壓換熱器，所述高壓換熱器用于加熱所述液體流的所述至少一部分并由此形成加壓的產(chǎn)物流；用于生成增壓流的裝置；用于生成換熱流的裝置；以及用于將制冷供入所述低溫精餾設(shè)施的裝置；所述高壓換熱器與所述增壓流生成裝置及所述換熱流生成裝置連接，并構(gòu)造成通過從所述換熱流到所述液體流的所述至少一部分的間接換熱而使所述換熱流部分地冷卻，由此縮小所述高壓換熱器內(nèi)的熱端溫差，從而減少需供入所述低溫精餾設(shè)施的制冷，以及通過從所述增壓流到所述液體流的所述至少一部分的間接換熱而使所述增壓流冷卻；以及所述低壓換熱器與所述高壓換熱器連接，并構(gòu)造成將在所述高壓換熱器中部分冷卻后的所述換熱流進一步冷卻。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述低溫精餾設(shè)施也構(gòu)造成生成兩個富氮蒸氣流， 所述高壓換熱器和所述低壓換熱器也構(gòu)造成接收和部分地加熱所述兩個富氮蒸氣流，由此平衡所述高壓換熱器和所述低壓換熱器的冷端溫度。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中 所述混合物為空氣；所述低溫精餾設(shè)施具有主空氣壓縮機以及預(yù)純化單元，所述預(yù)純化單元與所述主空氣壓縮機連接以在壓縮后將所述空氣純化；所述增壓流生成裝置包括與所述預(yù)純化單元連接的增壓壓縮機； 所述低壓換熱器也與所述預(yù)純化單元連接，由此，進料流被分成第一附屬壓縮空氣流和第二附屬壓縮空氣流，所述進料流由已在所述主空氣壓縮機中壓縮并在所述預(yù)純化單元中純化的混合物構(gòu)成，所述第一附屬壓縮空氣流在所述低壓換熱器中被完全地冷卻，所述第二附屬壓縮空氣流至少部分地在所述增壓壓縮機中被進一步壓縮以形成所述增壓流，其在所述高壓換熱器中被完全冷卻后形成液體空氣流；以及所述換熱流生成裝置包括也與所述預(yù)純化單元連接的所述高壓換熱器，由此所述進料流在被壓縮和純化后被進一步分成第三附屬壓縮空氣流，所述第三附屬壓縮空氣流形成所述換熱流。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中 所述增壓壓縮機為多級機器；所述第二附屬壓縮空氣流的第一部分從所述增壓壓縮機的末級排放，并形成所述增壓空氣流；以及所述制冷供入裝置至少部分地包括與所述增壓壓縮機的中間級連接的另一增壓壓縮機，以將所述第二附屬壓縮空氣流的第二部分進一步壓縮，所述高壓換熱器與所述另一增壓壓縮機連接，以將進一步壓縮后的所述第三附屬壓縮空氣流的第二部分在所述高壓換熱器中部分地冷卻，渦輪膨脹機與所述高壓換熱器連接，以將所述第二附屬壓縮空氣流的第一部分膨脹并由此生成排出流，并且所述渦輪膨脹機與所述蒸餾塔連接，由此將所述排出流引入所述蒸餾塔。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述低溫精餾設(shè)施具有蒸餾所述混合物的高壓塔和低壓塔，所述高壓塔和所述低壓塔通過冷凝器再沸器以換熱關(guān)系操作關(guān)聯(lián)，所述冷凝器再沸器構(gòu)造成通過使所述低壓塔的富氧液體塔底再沸而使從所述高壓塔排放的高壓富氮塔頂流的至少一部分冷凝；所述低壓換熱器與所述高壓換熱器連接，由此將所述第一附屬壓縮空氣流和所述第二附屬壓縮空氣流引入所述高壓塔；所述高壓換熱器與所述高壓塔和所述低壓塔中的至少一個流體聯(lián)通，由此將所述液體空氣流引入所述高壓塔和所述低壓塔中的至少一個；膨脹裝置安置于所述高壓換熱器與所述高壓塔和所述低壓塔中的至少一個之間，以膨脹所述液體空氣流；所述高壓塔與所述低壓塔連接，由此將所述高壓塔的液體塔底構(gòu)成的粗液氧流引入所述低壓塔以進一步精制，將所述高壓富氮塔頂流冷凝所形成的高壓富氮液體流的第一和第二部分分別作為回流引入所述高壓塔和所述低壓塔；過冷器，其安置于所述低壓塔和所述低壓換熱器之間或者整合入所述低壓換熱器中， 構(gòu)造成將所述粗液氧流和所述高壓富氮液體流的所述部分中的第二個過度冷卻；膨脹閥位于所述過冷器和所述低壓塔之間，以將所述粗液氧流和所述高壓富氮液體流的所述部分中的第二個在其被引入所述低壓塔之前膨脹；所述過冷器與所述低壓塔連接，由此使從所述低壓塔排放的低壓富氮塔頂流以與所述粗液氧流和所述高壓富氮液體流的所述部分中的第二個間接換熱的方式流過；以及所述至少一個液體流是由所述低壓塔的富氧液體塔底構(gòu)成的富氧流和所述高壓富氮液體流的第三部分中的一個。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述高壓換熱器和所述低壓換熱器與所述過冷器連接，由此將所述低壓富氮塔頂流分成兩個富氮蒸氣流，其用于平衡所述高壓換熱器和所述低壓換熱器的冷端溫度； 所述渦輪膨脹機與所述高壓塔連接，由此將所述排出流引入所述高壓塔；以及所述膨脹裝置為液體膨脹 器。
全文摘要
本發(fā)明涉及低溫分離方法及設(shè)備，具體地提供了在低溫精餾設(shè)施中分離例如空氣的混合物的方法和設(shè)備，該低溫精餾設(shè)施采用組裝的換熱器布置。在這類布置中，低壓換熱器用于冷卻該混合物的一部分，高壓換熱器用于加熱一種或多種由所分離的富氮和富氧餾分構(gòu)成的經(jīng)泵運的液體流，由此生成加壓的產(chǎn)物流?？梢允强諝獾囊徊糠值脑鰤毫饔糜诠?yīng)高壓換熱器中的大部分換熱負荷。此外，也可以是混合物的一部分的換熱流可在高壓換熱器中被部分地冷卻，然后在低壓換熱器中被進一步冷卻，以縮小高壓換熱器的熱端溫差，由此減少該設(shè)施所需的制冷。
文檔編號F25J3/04GK102155841SQ20111007879
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者H·E·霍華德 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司