專利名稱：空氣分離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣分離。
包括氧化步驟的現(xiàn)代工業(yè)和化學(xué)過程需要很大量的氧來進(jìn)行該氧化步驟。利用空氣分離法每天可以制出2000噸以上的氧，該方法包括將空氣流壓縮，由空氣流中除去諸如水蒸汽和二氧化碳這類揮發(fā)性較低的組分從而將該空氣流純化，將這樣純化的空氣流冷卻到適合用分餾或精餾法進(jìn)行分離的溫度，然后進(jìn)行該分離以得到所要求純度的氧產(chǎn)物。最好是用吸附劑床進(jìn)行該純化，該床吸附低揮發(fā)性的組分，例如水蒸汽和二氧化碳。空氣的分餾最好是在雙柱分餾器內(nèi)進(jìn)行，它包括一個(gè)高壓分餾柱和一個(gè)低壓分餾柱，二者共用一個(gè)熱交換器，該交換器在高壓柱的頂部將氮冷凝，在低壓柱的底部使富氧的液體再沸。這樣形成的液體氮的一部分作為高壓柱的回流使用，其余的則從高壓柱中取出，低溫冷卻，通過一個(gè)膨脹閥進(jìn)入低壓柱的頂部，為該柱提供回流。將空氣引入高壓柱。富氧的液態(tài)空氣則由高壓柱的底部排出，通到低壓柱，在那里通常分離成基本上純的氧和氮產(chǎn)物。這些產(chǎn)物可以從低壓柱中以氣態(tài)形式排出，以與輸入的空氣逆流熱交換的方式溫?zé)岬江h(huán)境溫度，從而將輸入的空氣冷卻。因?yàn)榇诉^程在低溫下操作，所以必須制冷。通常是將一部分輸入空氣在渦輪中膨脹，或是從高壓柱中取出氮?dú)饬鞑⑹蛊渫ㄟ^膨脹式渦輪來實(shí)現(xiàn)制冷。
這種空氣分離工廠現(xiàn)在很常見。幾乎是普遍地，低壓柱都在1.3至1.7巴、高壓柱在5.5至6.5巴的范圍內(nèi)的壓力下操作。選擇這樣的操作壓力是因?yàn)榭梢允巩a(chǎn)物氮和氧氣流在溫?zé)嶂镰h(huán)境溫度之后處于略高于大氣壓的壓力。
實(shí)際上，當(dāng)柱體要在遠(yuǎn)離空氣分離工廠的預(yù)定地點(diǎn)處制造時(shí)，機(jī)械工程和運(yùn)輸限制決定了這種空氣分離工廠的規(guī)模的上限。用工廠每天制造的氧的總噸數(shù)表示，這一限制是在每天2500噸的量級(jí)。因此，所謂的由煤制油的Sasol方法需要幾個(gè)空氣分離工廠以滿足它對(duì)氧的需求，因?yàn)樗男柩趿窟h(yuǎn)超過每天5000噸。
曾經(jīng)提出高壓柱和低壓柱分別在遠(yuǎn)大于常規(guī)的5.5-6.5巴和1.3-1.7巴的壓力下進(jìn)行操作。采用這樣高的壓力的主要理由是在低壓柱中實(shí)現(xiàn)更有效的分離。這一建議的缺點(diǎn)是，當(dāng)生產(chǎn)出的氮供大于求時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如何處理所得到的高壓產(chǎn)物氮?dú)饬鞯膯栴}。曾經(jīng)提議從氮?dú)饬髦谢厥漳芰縼斫鉀Q這一問題，作法是使氮?dú)饬髟跍u輪中膨脹，利用這一能量產(chǎn)生電力輸出。這一建議一般來說確實(shí)有利。但是，有些地方電力的輸出是不可能的或不需要的。本發(fā)明涉及利用氮?dú)猱a(chǎn)物的另一種方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種分離空氣的方法，包括利用在至少一個(gè)主熱交換器中的熱交換將壓縮的空氣流的溫度降低到適合用精餾法進(jìn)行分離的溫度，在雙精餾柱中精餾該空氣，從雙精餾柱的低壓柱中排出氧氣流和氮?dú)饬?，將氧氣和氮?dú)饬饕耘c空氣流逆流熱交換的方式通過主熱交換器，其中低壓精餾柱在至少2巴的壓力下操作，至少部分氮?dú)饬髟跍u輪中膨脹并且以與空氣流逆流的方式流過主熱交換器以產(chǎn)生制冷作用，同時(shí)維持主熱交換器內(nèi)膨脹的氮?dú)饬髋c被冷卻的空氣流之間的平均溫差至少為10K。
本發(fā)明還提供了用于分離空氣的裝置，包括至少一臺(tái)主熱交換器，用來將壓縮空氣流的溫度降低到適合用精餾進(jìn)行分離的溫度，一臺(tái)雙精餾柱，它有一個(gè)與貫穿上述主熱交換器的空氣流通道相連的空氣入口，雙精餾柱中低壓柱有用來排出氧氣流和氮?dú)饬鞯某隹冢龀隹谂c貫穿主熱交換器的通道相連，一臺(tái)膨脹式渦輪用來使至少一部分氮?dú)饬髋蛎洸⑶乙耘c壓縮空氣流逆流的方式將其送回到所述主熱交換器，該渦輪的安排使得氮?dú)饬髋c使用該裝置進(jìn)行冷卻的空氣流之間的平均溫度差能保持至少10K。
最好是，采用至少部分氮?dú)饬髟诰s柱和主熱交換器所位于的保溫室外起冷卻作用。這種在保溫室外進(jìn)行的冷卻作用可以例如是從壓縮空氣流中除掉壓縮熱、將用來在空氣分離裝置處進(jìn)行冷卻作用的水冷卻、或是將在空氣分離裝置處產(chǎn)生的氣體混合物中至少一種組分冷凝下來。
所述的溫度差最好是至少20K。
在空氣分離技術(shù)中通常設(shè)法使在其熱交換器內(nèi)被溫?zé)岬臍饬髋c被冷卻的氣流之間保持小的溫差。這樣一種措施使能量的利用更為有效，但是需要更大的熱交換器。被溫?zé)岬臍饬骱捅焕鋮s的氣流之間的溫差大時(shí)，主熱交換器可以制作得較小。特別是當(dāng)主熱交換器是矩陣型時(shí)，它可以由較少的部件構(gòu)成，從而減少對(duì)歧管、管道及其它輔助設(shè)備的需要。這不僅使主熱交換器本身的成本降低，而且也減小了該空氣分離裝置中低溫操作的部件位于其中的保溫室(有時(shí)稱作“低溫箱”)的尺寸。另外，氮?dú)饬鞅旧碓陔x開主熱交換器時(shí)的溫度較低，這有利于將它用于低溫箱外的冷卻作用。
再者，在低壓精餾柱的壓力為至少2巴(最好是壓力為2.5-4.5巴)下操作，由給定尺寸的雙精餾柱生產(chǎn)氧的產(chǎn)率可能會(huì)更高。
使用氮?dú)饬鲝膲嚎s空氣流中除去壓縮熱有助于減少空氣分離裝置對(duì)冷水的需求，因此可以減小用來向空氣分離裝置和其它裝置供應(yīng)這種冷卻水的冷卻塔的尺寸。
氮?dú)饬饕部梢灾苯佑脕砝鋮s冷卻塔中的水。氮的這一用途有可能減小用來冷卻水的機(jī)械制冷設(shè)備的尺寸，或完全不用它。另外，與常規(guī)的工廠比較，有可能將水冷卻至更低的溫度，使其成為更有效的冷卻劑，從而有可能減小為將水冷卻所需的裝置的尺寸。水的冷卻最好是以把氮?dú)庵苯油ㄈ胨信c之接觸的方式來進(jìn)行。
現(xiàn)在通過實(shí)施例并參照


本發(fā)明的方法和設(shè)備，這些附圖是一個(gè)空氣分離工廠的示意圖。
參照附圖，畫出的裝置包括一個(gè)多級(jí)壓縮機(jī)2，它具有壓縮級(jí)4、6和8，緊隨其后的分別是后冷卻器10、12和14。后冷卻器10和12是水冷式。空氣流在壓縮機(jī)2中被壓縮至約11巴的壓力。然后將空氣通過一臺(tái)純化裝置16，它能有效地從輸入的空氣中除掉低揮發(fā)性的雜質(zhì)，主要是水蒸汽和二氧化碳。裝置16使用吸附劑床從輸入的空氣中吸附水蒸汽和二氧化碳。這些吸附床可以相互無順序地工作，以便當(dāng)用一個(gè)或幾個(gè)吸附床純化空氣時(shí)，對(duì)剩下的一個(gè)或幾個(gè)吸附床進(jìn)行再生，通常是用氮?dú)饬鞣ㄔ偕?。然后將純化過的空氣流分成主氣流和次氣流。
主氣流通過主熱交換器18，氣流的溫度在其中被降到適合于用精餾法在低溫下進(jìn)行空氣分離的程度。
如圖所示，主熱交換器18是一個(gè)單件設(shè)備。但是可以用多個(gè)主熱交換器彼此串聯(lián)或并聯(lián)，或是串聯(lián)與并聯(lián)排列相結(jié)合。主空氣流在主熱交換器18中通常被冷卻到它在支配壓力下的飽和溫度，并且以此溫度離開熱交換器18的冷端。然后經(jīng)由入口20將主空氣流引入構(gòu)成雙精餾柱22一部分的高壓精餾柱24中。這里所用的術(shù)語“雙精餾柱”是指一種包含兩個(gè)精餾柱和一個(gè)冷凝-再沸器的裝置，兩個(gè)精餾柱中的一個(gè)在比另一個(gè)更高的壓力下操作，冷凝-再沸器將來自高壓精餾柱的氮蒸汽冷凝，將低壓柱的富氧液體餾分再沸。因此，在附圖中的柱24之上還畫出了低壓精餾柱26。精餾柱24和26都包含著液體-蒸汽接觸塔板和相連的泄液管(或其它裝置，未畫出)，藉此使下降的液相與上升的蒸汽相緊密接觸，使得在此兩相之間發(fā)生質(zhì)量傳遞。在每個(gè)柱中，下降的液相逐漸地富集氧，而上升的蒸汽相則逐漸地富集氮。高壓柱24在壓力略低于輸入空氣被壓縮的壓力下操作。柱24的操作條件最好是使其頂部產(chǎn)生基本上純的氮餾分，但其底部的氧餾分中仍含有相當(dāng)比例的氮。
柱24和26通過冷凝-再沸器28連在一起。冷凝-再沸器從高壓柱24的頂部接收氮蒸汽，通過與柱26中的沸騰液態(tài)氧進(jìn)行熱交換而冷凝。所得到的冷凝物送回到高壓柱24。一部分冷凝物為柱24提供回流，其余的則收集在一起，經(jīng)由出口40排出其液流，在熱交換器42中低溫冷卻，經(jīng)過膨脹閥44通入低壓柱26的頂部，從而為低壓柱26提供回流。
低壓精餾柱26在大約3.3巴的壓力下操作，由兩個(gè)來源接收氧-氮混合物用于分離。第一個(gè)來源是由離開純化裝置16的空氣流分出的次空氣流。該次空氣流在增壓壓縮機(jī)34中被壓縮(通常壓縮至20巴左右)，然后與主空氣流并流地通過主熱交換器18，由主熱交換器18的溫?zé)岫说剿哪硞€(gè)中間位置，由其該中間位置在200K左右的溫度下排出，然后在膨脹式渦輪36中膨脹到低壓精餾柱26的操作壓力。經(jīng)過入口38將膨脹的次空氣流引入柱26中。膨脹式渦輪36可以與增壓壓縮機(jī)34結(jié)合以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)34，從而不必為此再提供外部動(dòng)力。但是，另一種作法是兩臺(tái)機(jī)器可以彼此獨(dú)立。這種獨(dú)立的安排常常更好，因?yàn)檫@樣可以使每種機(jī)械的出口壓力彼此獨(dú)立地設(shè)定。
用于在低壓精餾柱26中進(jìn)行分離的氧-氮混合物的第二個(gè)來源是取自高壓柱24底部的富氧餾分液流。將該液流在熱交換器30中低溫冷卻，然后通過一個(gè)焦耳-湯姆遜閥32流入柱26中。
經(jīng)過出口46從低壓柱26中排出產(chǎn)物氧氣流，將其以與輸入空氣流逆流的方式通過主熱交換器18，溫?zé)岬浇诃h(huán)境溫度。此外，經(jīng)過出口50從低壓精餾柱26的頂部排出產(chǎn)物氮?dú)饬?，先以與在熱交換器42中低溫冷卻的液氮流成逆流的方向通過該熱交換器42然后流過熱交換器30，其方向與在其中冷卻的富氧液體成逆流熱交換關(guān)系。該氮?dú)庥捎谕ㄟ^熱交換器30而被進(jìn)一步溫?zé)帷Ｈ缓罅魅胫鳠峤粨Q器的冷端，流過該熱交換器的一部分通路。隨后將該氮?dú)饬鞣殖蓛煞?。它的一部分由主熱交換器排出(例如在大約130K的溫度下)，在膨脹式渦輪52中膨脹到壓力略高于大氣壓。該氮?dú)饬髟陔x開膨脹式渦輪52時(shí)的溫度通常比主空氣流離開熱交換器18時(shí)的溫度低10K左右。在熱交換器18溫?zé)岫朔较蛏系臏夭钭詈么笮沟迷跍責(zé)岫颂幍臏夭顬?0K左右，而兩個(gè)液流在熱交換器長度上的平均溫差大于10K。然后使如此膨脹的氮?dú)饬鞣祷責(zé)峤粨Q器，由其冷端流到其溫?zé)岫?，從而能保持它與被溫?zé)岬闹骺諝饬髦g的相當(dāng)大的平均溫差。一旦離開主熱交換器18的溫?zé)岫?，膨脹的氮?dú)饬骶涂梢杂糜谠诩兓b置16中的再生處理。
沒有從主熱交換器18中取出并在渦輪52中膨脹的那部分氮?dú)饬骼^續(xù)與主空氣流以逆流的方式流過熱交換器18。它離開主熱交換器18的溫?zé)岫说臏囟韧ǔ１拳h(huán)境溫度低大約10-20K。這部分氮特別適合在工廠中那些在低溫下操作的部分的外面起冷卻或制冷作用。例如，如附圖所示，該氣流可用來為后冷卻器10、12和14中的一個(gè)提供冷卻。如圖所示，后冷卻器14是用氮冷卻的。然后將生成的溫?zé)岬牡诶缗蛎浭綔u輪54中減壓，從而使其溫度再次降至低于環(huán)境溫度，并且通入到冷卻塔56中，該塔用來向空氣分離工廠所處地區(qū)的其它部位的機(jī)械提供冷卻作用。因此，來自渦輪54的膨脹的氮?dú)饪梢灾苯右肜鋮s塔56的水中。進(jìn)一步驟造成了水的蒸發(fā)冷卻，結(jié)果水溫可以降低大約5℃。由于利用氮?dú)鈦砝鋮s壓縮機(jī)2，對(duì)冷卻水的需求減少了，從而有可能減小冷卻塔56的尺寸。另外，由于使用氮來冷卻水，有可能進(jìn)一步減小對(duì)使用氟利昂或其它制冷劑的輔助制冷設(shè)備的需求及其大小。在一個(gè)實(shí)施例中，在渦輪54中的膨脹可以用來將氮的溫度從約350K降至約285K。
利用膨脹式渦輪52來維持主熱交換器中被冷卻的氣流與被溫?zé)岬臍鉄嶂g較大的溫差，對(duì)于以指定產(chǎn)率生產(chǎn)氧的工廠而言，熱交換器的尺寸可以比常規(guī)的小。另外，通過在3巴左右的壓力下操作低壓柱，有可能在工廠中每天生產(chǎn)3000噸以上的氧，而該工廠的柱體尺寸仍能使它們能在異地制造。如果對(duì)氧的需求量特別大，例如每天10000噸左右，則可以用三個(gè)工廠而不是四個(gè)工廠滿足這一需要。考慮到在制造熱交換器方面可能另外節(jié)省的開支，成本可以大大降低。再者，由于主熱交換器可以制作得較小，工廠中在低溫下操作的部分位于其中的低溫箱或保溫室的尺寸也因此減小，這就可以進(jìn)一步節(jié)省資金(保溫室在圖中用虛線示出)。由于在主熱交換器18中被冷卻的氣流與被溫?zé)岬臍饬髦g維持較大的溫差，工廠的功率消耗會(huì)增加，但是對(duì)于有豐富的天然能源但是離主要工業(yè)中心很遠(yuǎn)的地點(diǎn)，能量的輸出變得不經(jīng)濟(jì)，上述因素也就變得不重要。這類地點(diǎn)的實(shí)例是邊遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣田。
對(duì)于示于附圖的工廠可以作許多改動(dòng)和變化。使用膨脹的氮?dú)饬鲗?duì)冷卻塔和壓縮機(jī)2的一臺(tái)后冷卻器提供冷卻作用僅僅是作為實(shí)例，說明在環(huán)境溫度左右而不是在低溫下能利用的氮的冷卻能力。
另外，最好是利用一小股離開熱交換器18溫?zé)岫说牡獨(dú)廨o助氣流(未畫出)從純化裝置16的吸附劑床中除去熱作為再生處理的一部分。然后可以將這股輔助氣流與主氮?dú)饬髟跓峤粨Q器14和渦輪54的中間部位或渦輪54和冷卻塔56的中間部分重新匯合。
如果需要的話，可以省去壓縮機(jī)34和渦輪36，則所有的空氣均通入柱24中。那么對(duì)于空氣分離過程的制冷需求可由氮渦輪52滿足。另一種更理想的作法是，將兩個(gè)氮渦輪彼此并聯(lián)使用。其中之一的出口溫度可以在例如90-100K的范圍，另一個(gè)的出口溫度可以為例如140-150K。利用這樣的安排，有可能在從熱交換器18的冷端到從具有較高出口溫度的渦輪引入氮?dú)獾奈恢锰?，被冷卻的空氣流和氮?dú)饬髦g采用被溫?zé)岬摹⑤^小的溫差(例如5至10K的范圍)，而在從該位置到熱交換器18的溫?zé)岫瞬捎幂^大的溫差(例如至少20K)。
某些氮也可以用來在低于環(huán)境溫度下起制冷作用。例如，參照附圖，取自熱交換器18用于在渦輪52中膨脹的一部分氮?dú)饬骺梢杂脕韺?duì)熱交換器(未畫出)和其它裝置(未畫出)提供冷卻，在這些裝置中將氣體混合物的至少一種組分冷凝。這種氮?dú)饬髯詈檬侨∽詼u輪52的上游，但是也可以取自其下游。
還可以這樣改動(dòng)圖1中所示的裝置在氮?dú)膺M(jìn)入冷卻塔56之前用一個(gè)閥或幾個(gè)閥而不用膨脹式渦輪降低氮?dú)獾膲毫Α?br> 權(quán)利要求
1.一種分離空氣的方法，包括在至少一個(gè)主熱交換器中利用熱交換將壓縮空氣流的溫度降低到適合用精餾將其分離的溫度，在雙精餾柱中精餾該空氣，從雙精餾柱的低壓柱中排出氧氣流和氮?dú)饬?，使該氧和氮?dú)饬饕耘c空氣流成逆流熱交換關(guān)系的方向通過主熱交換器，其中低壓精餾柱在至少2巴的壓力下操作，至少部分氮?dú)饬髟谝慌_(tái)渦輪中膨脹并且以與空氣流相反的方向通過主熱交換器，從而產(chǎn)生制冷作用并保持主熱交換器中膨脹的氮?dú)馀c被冷卻的空氣流之間的平均溫差至少為10K。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中平均溫差至少為20K。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中至少部分氮?dú)饬鞅挥脕碓诰s柱和主熱交換器位于其中的保溫室的外面起冷卻作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在保溫室外的冷卻作用是從壓縮空氣流中除去壓縮熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中在保溫室外的冷卻作用是將水冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中水是保存在冷卻塔中的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中氮與水直接接觸，從而產(chǎn)生蒸發(fā)冷卻作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中冷卻作用是氣體混合物中至少一種組分冷凝。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其中低壓精餾柱在2.5至4.5巴的壓力范圍內(nèi)操作。
10.分離空氣的裝置，包括至少一個(gè)主熱交換器，用來將壓縮空氣流的溫度降至適合用精餾將其分離的溫度，一個(gè)雙精餾柱，它有空氣入口與貫穿所述主加熱器的空氣流通道相連，雙精餾柱的低壓柱有氧氣流和氮?dú)饬鞒隹?，該出口與貫穿主熱交換器的通道相連，一臺(tái)膨脹式渦輪用來將至少一部分氮?dú)饬髋蛎洸⑶乙耘c壓縮空氣流成逆流的方式將該氮?dú)饬鞣邓偷剿鲋鳠峤粨Q器中，渦輪的安排使得在使用該裝置時(shí)膨脹的氮?dú)饬骱捅焕鋮s的空氣流之間的平均溫差能維持為至少10K。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，它另外還包括用至少部分氮?dú)饬髟谥鳠峤粨Q器和雙精餾柱所位于的保溫室外起冷卻作用的裝置。
全文摘要
提供了一種分離空氣的方法和裝置。該方法包括在主熱交換器中利用熱交換將壓縮空氣流的溫度降低到適合用精餾將其分離的溫度，在雙精餾柱中精餾空氣，從其低壓柱排出氧和氮?dú)饬鳎怪耘c空氣流逆流的方式通過主熱交換器，至少部分氮?dú)饬髟跍u輪中膨脹并以與空氣流相反的方向通過主熱交換器，從而產(chǎn)生制冷作用并保持該膨脹的氮?dú)馀c被冷卻的空氣流之間的平均溫差至少為10K。因此熱交換器的尺寸可比常規(guī)工廠大大減小。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1058266SQ91104809
公開日1992年1月29日 申請(qǐng)日期1991年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月12日
發(fā)明者J·T·拉文 申請(qǐng)人:英國氧氣集團(tuán)有限公司