CN103988037A - 空气分离方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种生产氧和氮联产品的方法和装置，其中将经压缩和纯化的空气流冷却，完全或部分地压缩，然后在主蒸馏塔中进行精馏以形成富氮蒸气塔顶馏出物和粗液氧。将粗液氧流减压，然后在辅助蒸馏塔中用汽提气对粗液氧流进行汽提以产生富氧液体。将来自主蒸馏塔的富氮蒸气塔顶馏出物用于形成氮产品并且使粗液氧部分气化以产生汽提气，将剩余的富氧液体和液氮回流到主蒸馏塔。通过在经压缩和纯化的空气流的冷凝中提供热交换负荷、或者通过浓缩在主蒸馏塔的回流中所使用的富氮蒸气，而由剩余的富氧液体形成氧产品。

Description

空气分离方法和装置

 

发明领域

本发明涉及一种用于分离空气的方法和装置，其中通过在主蒸馏塔中对经压缩和纯化的空气进行精馏而生产氮产品，并且通过在辅助蒸馏塔内对在主蒸馏塔中所形成的粗液氧进行汽提而生产氧产品，由此生产作为联产品(co-products)的氧产品和氮产品。

发明背景

通常，通过在经常采用单蒸馏塔的低温空气分离设备中从空气中分离出氮，而以高纯度获得氮。在这种设备中，将空气压缩然后去除较高沸点杂质以产生经压缩和纯化的空气流。然后在主换热器内部将经压缩和纯化的空气流冷却到适合于其低温精馏的温度，然后将其导入在约3 巴或更高压力下操作的单个蒸馏塔。对在蒸馏塔内部的空气进行精馏，以产生富氮蒸气塔顶馏出物和被称为粗液氧或釜液的富氧液体塔底物。在膨胀阀中将富氧液体减压，然后将其导入热交换器以使富氮蒸气塔顶馏出物流冷凝，由此产生在蒸馏塔中回流的液氮。被部分蒸发的富氧液体可以用于形成用于设备的制冷，或者可替换地通过将液氮添加到主塔或者使流进入主换热器可以向设备提供制冷。

通常，不从这种单塔氮设备中回收氧。然而，也存在从这种设备中回收氧的兴趣。例如，浮法玻璃生产通常需要流量比为大约2:1的氮和低纯度氧。在玻璃窑炉中利用氧来提高回收率并且通常需要在90和95%之间的低纯度和在10和20 psig之间的压力的氧。虽然可以利用单独的真空变压吸附设备或者通过使输送的现场液体蒸发来提供这种氧，但增加的费用是不合理的。应当指出的是，可以利用典型的具有高压塔和低压塔的双塔空气分离设备以可操作地与热传递关系相关的方式来生产氧和氮。然而，由于产品压缩的要求和较高的初期资金成本(例如生产浮法玻璃)，因而这种设备是不经济的。对用于输出氮和氧产品的小单塔氮设备的增加的修改可以经济地满足工艺的要求，例如浮法玻璃生产，其中需要在压力下和适度的流量下(例如小于100标准立方英尺/小时(kcfh)的氮)提供氮和氧产品。

在现有技术中，存在已被修改而联产氮和氧产品的单塔氮设备的实例。例如，在US 4,783,210中，在用于使在蒸馏塔中所产生的富氮蒸气塔顶馏出物的流冷凝的热交换器中，使粗液氧塔底物流部分蒸发。所形成的富氮液体用于在蒸馏塔中回流。然后，将通过粗液氧部分气化而产生的所得液相的流在二级或辅助蒸馏塔中进行汽提以产生富含氧的塔底物，该塔底无可以被当作氧产品。用另一个富氮蒸气流使辅助蒸馏塔再沸腾，该富氮蒸气流在再沸腾中冷凝并且可以被当作液氮产品并且也用于在蒸馏塔中回流。

US 5,074,898中公开了一种单塔制氮装置，辅助蒸馏塔生产氧产品。在此专利中，在辅助蒸馏塔中对在主蒸馏塔中所产生的粗液氧流进行汽提。利用在主蒸馏塔中产生的富氮蒸气塔顶馏出物的流使辅助蒸馏塔再沸腾。由此使富氮蒸气冷凝从而形成在主蒸馏塔中的回流。辅助蒸馏塔中产生的剩余液体连同部分的经冷凝氮蒸气可以被当作液体产品。

在上述两个专利中，将塔底物用于使氮冷凝，必须在低于氮的压力下完成氮冷凝。结果，氧产品也处于低压状态。此外，因为部分的塔底物被当作产品，所以将存在较少的用于使氮冷凝的塔底液。因此，氮产量受到限制。正如将要在下文中论述的，本发明提供一种用于生产氮和氧联产品的方法和装置，除了其它优点，该方法和装置允许在升高的压力下生产氧产品。在本发明的另一方面，辅助塔底物经过分段蒸发从而能够以低于于现有技术中所采用工艺的能耗获得更大的氧分数。

发明内容

本发明提供一种将空气分离以生产氧和氮联产物的方法。根据这种方法，在主蒸馏塔内部将经压缩和纯化的包含空气的流进行冷却和精馏，以产生富氮蒸气塔顶馏出物和粗液氧。通过至少部分地将由粗液氧所组成的粗液氧流减压，在辅助蒸馏塔内部用上升的汽提气对粗液氧流进行汽提，并且通过与由富氮蒸气塔顶馏出物所组成的富氮蒸气流进行间接热交换而使富氧液体部分蒸发，而在辅助蒸馏塔内部产生富氧液体和含有不小于5.0体积%的氧的辅助塔顶馏出物。结果，由此产生液氮流、汽提气和剩余的富氧液体。用至少部分的液氮流在主蒸馏塔中回流。本文中和权利要求使用的词组“至少部分地”表示可以在辅助蒸馏塔内部作进一步处理以产生富氧液体和辅助塔顶馏出物。如下文中所述，虽然辅助塔可以仅仅用于对粗液氧流进行汽提，但它也可以用于对由上述汽提所产生的含氮和氧的蒸气进行精馏以提高氧回收。

通过剩余的富氧液体流与具有不小于空气的氮浓度的氮浓度的气态流间接地交换热使得剩余的富氧液体流被部分气化，而由剩余的富氧液体形成富氧蒸气馏分。由蒸气馏分形成氧产品流，由富氮蒸气形成氮产品流，由辅助蒸馏塔的辅助塔顶馏出物形成废物流。使氧产品流、氮产品流和废物流与经压缩和纯化的流进行间接热交换。

正如从上面论述中可以理解的，因为由相应地由剩余的富氧液体所产生的蒸气馏分而形成氧产品流，所以氧产品的生产不再与用于主蒸馏塔的回流氮的生产发生直接联系，因为剩余的富氧液体不被用于使来自主蒸馏塔的富氮蒸气冷凝。结果，剩余的富氧液体的去除不减少向主蒸馏塔的氮回流因此不减少氮产量，如现有技术中的情况。

另外，因为剩余的富氧液体不被用于使氮冷凝，所以可以在较高压力下产生这种液体。

如上所述，可以仅通过在辅助蒸馏塔内部对粗液氧流进行汽提而产生辅助塔顶馏出物。可替换地，用部分的液氮流在主蒸馏塔中回流。在后者的情况下，在辅助蒸馏塔的汽提段内部对粗液氧流进行汽提并且汽提产生含有氮和氧的蒸气流。通过将含有氮和氧的蒸气流导入精馏段并且在辅助蒸馏塔中回流因此用另一部分液氮流在精馏段中回流，而在位于汽提段上方的辅助蒸馏塔的精馏段中的辅助蒸馏塔内部对含有氮和氧的蒸气流进行精馏。此效果是通过有效地束缚否则将会逃逸出辅助塔的废物流内部的氧来提高在剩余的富氧液体内部的氧回收。

在上述任一种情况下，可以将富氧液体汇集在辅助蒸馏塔的内部。通过使富氧液体流和富氮蒸气流通过直流式热交换器而使富氧液体部分蒸发以便形成汽提气和作为辅助蒸馏塔的塔底物而汇集的剩余的富氧液体。

气态流可以是经压缩和纯化的流。经压缩和纯化的流在冷凝器中被部分冷凝并且将剩余的富氧液体流收集在分离容器中。将由在分离容器内部产生的液相所组成的液相流导入冷凝器并且通过与经压缩和纯化的流进行间接热交换而在冷凝器中使液相流部分蒸发，由此由液相流产生两相流。将该两相流导入分离容器并在分离容器内部使两相流的液相与蒸气相分离，以形成富氧蒸气馏分和液相连同收集在分离容器中的剩余富氧液体的流。然后，通过从分离容器中排出富氧蒸气馏分的流，而形成氧产品流。

在上述的本发明实施方式中，冷凝器可以位于主蒸馏塔底部区中使得冷凝的空气与通过精馏所产生的下降的液体相混合，由此在主蒸馏塔中产生作为塔底物的粗液氧。此外，可以用部分的液氮流在主蒸馏塔中回流，并且废物流与粗液氧流间接地交换热以便在减压之前将粗液氧流低温冷却。

作为由经压缩和纯化的流形成气态流的替代，气态流可以由富氮蒸气塔顶馏出物组成。在这种实施方式中，通过将富含液氧的流减压并且在热虹吸式再沸器的内部使剩余的富氧液体流与气态流进行间接热交换，而在剩余的富氧液体流与气态流之间间接地交换热。由此通过剩余富氧液体流的部分蒸发而产生蒸气馏分并且通过气体流的冷凝而产生冷凝液流。将该冷凝液流导入主蒸馏塔作为连同液氮流的回流。

在上述实施方式中，在将粗液氧流减压之前废物流可以与粗液氧流发生间接热交换以便将粗液氧流低温冷却。

在本发明的任意实施方式中，可以将剩余的富氧液体流加压以便也将氧产品流加压。此外，将液氮制冷流导入主蒸馏塔以便给予制冷。

本发明还提供一种用于分离空气以生产氧和氮联产品的装置。这种装置包括主换热器、主蒸馏塔和辅助蒸馏塔。主换热器构造成将经压缩和纯化的包含空气的流加以冷却；主蒸馏塔构造成对经压缩和纯化的流进行精馏以产生富氮蒸气塔顶馏出物和粗液氧。辅助蒸馏塔连接到主蒸馏塔，并且构造成在辅助蒸馏塔内部用上升的汽提气对由粗液氧所组成的粗液氧流进行汽提，并且至少部分地由于对粗液氧流的汽提而产生富氧液体和含有不小于5.0体积%的氧的辅助塔顶馏出物。膨胀阀位于主蒸馏塔和辅助蒸馏塔之间，以便在导入辅助蒸馏塔之前将粗液氧流减压。

提供用于通过与由富氮蒸气塔顶馏出物所组成富氮蒸气流进行间接热交换而使富氧液体部分蒸发，由此产生液氮流、汽提气和剩余的富氧液体的装置。富氧液体部分蒸发装置连接到主蒸馏塔，以便用至少部分的液氮流在主蒸馏塔中回流。主换热器连接到主蒸馏塔和辅助蒸馏塔以便由富氮蒸气形成的氮产品流和由辅助蒸馏塔的辅助塔顶馏出物所形成的废物流与经压缩和纯化的空气流间接地交换热。还提供用于在剩余的富氧液体流与具有不小于空气的氮浓度的氮浓度的气态流之间间接地交换热以便使剩余的富氧液体流部分蒸发的装置。此外，提供用于在部分蒸发之后由剩余的富氧液体流形成富氧蒸气馏分的装置。主换热器连接到富氧蒸气馏分形成装置、主蒸馏塔和辅助蒸馏塔，以便在主换热器内部由富氧蒸气馏分组成的氧产品流、由富氮蒸气塔顶馏出物组成的氮产品流、和由辅助蒸馏塔的辅助塔顶馏出物组成的废物流与经压缩和纯化的流发生间接热交换。

辅助塔可以只具备对粗液氧流进行汽提的汽提段。作为一个替代，辅助塔可以具备汽提段和位于汽提段上方的精馏段。在后者的情况下，在辅助蒸馏塔的汽提段内进行粗液氧流的汽提并且在汽提段中产生进入用于对含氮和氧的蒸气流进行精馏的精馏段的含氮和氧的蒸气流。提供该精馏，由此增加在剩余富氧液体内的氧回收。富氧液体部分蒸发装置连接到主蒸馏塔，以便用部分的液氮流在主蒸馏塔中回流，富氧液体部分蒸发装置也连接到辅助蒸馏塔以便用另一部分的液氮流使辅助蒸馏塔因此在精馏段中回流。另一个膨胀阀位于富氧液体部分蒸发装置和辅助蒸馏塔之间，以便将另一部分的液氮流的压力降低至辅助蒸馏塔的压力。

在本发明的任意实施方式中，辅助蒸馏塔可以具备用于收集富氧液体的装置。富氧液体部分蒸发装置是直流式热交换器，该热交换器连接到辅助蒸馏塔和富氧液体收集装置以便通过使由富氧液体所组成的富氧液体流通过而在直流式热交换器内部使富氧液体部分蒸发，并且剩余富氧液体汇集作为辅助蒸馏塔塔底物的。主蒸馏塔连接到直流式热交换器，以便在直流式热交换器内部将富氮蒸气流冷凝。

气态流可以是经压缩和纯化的空气流。在这种情况下，剩余的富氧液体流热交换装置和富氧蒸气馏分形成装置是冷凝器和分离容器。冷凝器连接到主换热器以便将经压缩和纯化的流部分冷凝。分离容器连接到辅助蒸馏塔以便剩余的富氧液体流汇集在分离容器中。分离容器连接到冷凝器，以便在冷凝器中将由在分离容器内部所产生液相组成的液相流部分蒸发以产生被导入分离容器中的两相流。在分离容器内部使两相流的液相与蒸气相分离以形成富氧蒸气馏分和液相，主换热器连接到分离容器以便由富氧蒸气馏分形成氧产品流。

在上述本发明的实施方式中，冷凝器可以位于主蒸馏塔的底部区中以便冷凝的空气与通过对经压缩和纯化的流进行精馏所产生下降的液体混合，以产生作为主蒸馏塔中的塔底物的粗液氧。此外，直流式热交换器可以连接到主蒸馏塔，以便用部分的液氮流在主蒸馏塔中回流。低温冷却热交换器连接到直流式热交换器、辅助蒸馏塔和膨胀阀，以便在低温冷却热交换器的内部废物流与粗液氧流间接地交换热，并且在通过膨胀阀之前将粗液氧流低温冷却。

作为一个替代，气态流可以由富氮蒸气组成。在这种情况下，剩余富氧液体流热交换装置和富氧蒸气馏分形成装置是由具有壳体的热虹吸式再沸器所构成。壳体连接到辅助塔以便接收剩余的富氧液体流，另一个膨胀阀位于壳体和辅助塔之间以便将剩余的富氧液体流减压。热虹吸式再沸器连接到主蒸馏塔以便接收气态流，由此通过与剩余富氧液体流进行间接热交换而将气态流冷凝，由此在壳体内部形成富氧蒸气馏分并且将冷凝液流作为连同液氮流的回流排放到主蒸馏塔。主换热器连接到壳体、主蒸馏塔和辅助蒸馏塔，以便由蒸气馏分形成的氧产品流，由富氮蒸气塔顶馏出物形成的氮产品流，由在辅助蒸馏塔中间产生的辅助塔顶馏出物形成的废物流均在主换热器的内部与经压缩和纯化的流发生间接热交换。

在上述实施方式中，低温冷却热交换器位于辅助蒸馏塔、主蒸馏塔和主换热器之间，以便在粗液氧流的减压之前和加热主换热器中的废物流之前废物流与粗液氧流发生间接热交换。

在本发明的任一实施方式中，主蒸馏塔可以具备用于导入液氮制冷流以便给予制冷的顶部进口。

附图简述

虽然本发明以明确地指出申请人认为是其发明的主题的权利要求为结束，但一般认为当结合附图时将更好地理解本发明，其中：

图1是用于实施根据本发明方法的空气分离设备的示意图。

图2是用于实施根据本发明方法的空气分离设备的一个替代实施方式的示意图。

图3是用于实施根据本发明方法的空气分离设备的另一个替代实施方式的示意图。

详述

参照图1，示出了能够联产氧和氮产品(“N₂”和“O₂”)的空气分离设备1。

在饱和或近似饱和的情况下在主换热器12中将经压缩和纯化的空气流10冷却到适合于其精馏的温度。正如可以理解的，空气分离设备1可以是需要压缩空气的装置的一部分，因此可以由这种装置中所产生的部分空气形成经压缩和纯化的空气流10。可替换地，可以通过将空气压缩到通常在70 psia至90 psia之间的压力，然后对将会在深冷温度固化或浓缩的较高沸点杂质(例如二氧化碳、水蒸气和烃类)的空气进行纯化而形成这种流。主换热器12可以具有常规的钎焊铝板翅结构。正如本领域技术人员将会理解的，主换热器12可以由并行操作的多个单元所组成。

在被冷却之后，将经压缩和纯化的空气流10导入位于主蒸馏塔18的底区16中的冷凝器14。蒸馏塔18含有传质接触元件，例如塔板、规整填料、散堆填料或者这种元件的组合，这些元件通常用参考数字20表示。优选地，在冷凝器14内部将进入的空气部分地冷凝以产生蒸气馏分22，该蒸气馏分22上升进入传质接触元件20与产生富氮蒸气塔顶馏出物23的下降的液相接触。富氮蒸气塔顶馏出物23通常是基本上为纯的氮。空气的部分冷凝产生液体馏分24，该液体馏分构成大约20%的进入空气并且连同作为粗液氧26的已在主蒸馏塔18的底区16中的接触元件20内部下降的液体而汇集。

应当指出的是，用于使进入的空气冷凝的替代装置将会使冷凝器14位于主蒸馏塔18的外部。连同这种装置，可以单独地将液体馏分24和已在蒸馏塔20内部下降的液体混合以形成粗液氧26或者可以将它们低温冷却并单独地加入到塔34中。在另一个这种装置中，可以将经压缩和纯化的空气流直接导入主蒸馏塔壳体。空气将会被允许与塔内部的蒸气和来自冷凝器14的再循环蒸气22混合。在这种构造中，冷凝器将会不具有冷凝侧总管，即仅通过冷凝而使气体流入热交换器。作为另一个替代，可以将一部分的经冷却空气流10引导至塔18的壳体，并且利用管道将一部分空气流10直接地输送至冷凝器14。这种构造将会允许对产品氧流和氮流进行调节。然而，此构造将会需要额外的阀和控制装置。另一个装置将会采用可以被进一步压缩的单独空气流。该单独的空气流如果被进一步压缩则将会在加热端被分离，或者如果不被压缩则在冷端被分离。然后，将会在冷凝器14内部将该空气流完全冷凝。然后经过合适的管道将经冷凝的空气导入主蒸馏塔18的段间位置。经冷凝的空气将会不被收集在该塔的贮槽中，而是将液化空气从主蒸馏塔14的底部向上加入到数段中。

然后，优选地在低温冷却热交换器30的内部对由粗液氧26所组成的粗液氧流28进行低温冷却，在位于主蒸馏塔18和辅助塔34之间的膨胀阀32中将粗液氧流28减压至优选15至25 psia的压力。然后，通过使这种流与上升的汽提气流52在传质接触元件36中接触而在辅助蒸馏塔34内部对粗液氧流28进行汽提；传质接触元件36可以是塔板、规整填料、散堆填料、或者这种元件的组合。汽提产生辅助塔顶馏出物38，该馏出物38通常含有在80体积%至90体积%之间的氮和通常含有85体积%至98体积%的氧的剩余富氧液体56。

可以将富氧液体40收集在收集塔板42的内部或类似的装置中，其中收集下降的液体被并且允许上升的蒸气通过并进入传质接触元件36。通过与由在直流式热交换器48内部的富氮蒸气23所组成富氮蒸气流46进行间接热交换，而使由富氧液体40所组成的富氧液体44的流部分蒸发。作为间接热交换的结果，产生液氮流50。使富氧液体流44部分蒸发以产生汽提气52和剩余的气体液体流54，剩余的气体液体流54汇集在辅助蒸馏塔34的底部作为剩余的富氧液体56。应当指出的是，在替代实施方式中，可以从辅助蒸馏塔34中提取出来自直流式热交换器的沸腾侧的两相流，并且将该两相流引导至一个单独的相分离器以产生剩余的富氧液流68，然后利用管道将蒸气相输送至辅助蒸馏塔34以形成汽提气52。尽管不是优选的，但该实施方式将等同于附图中所示的实施方式。

作为直流式热交换器48和收集塔板42的替代装置，可以利用位于辅助塔34基部的热虹吸式再沸器使富氧液体40部分蒸发从传质接触元件36下降到辅助塔34的基部。这种再沸器的芯部将位于剩余富氧液体的内部，并且通过使富氧液体40蒸发而产生汽提气。然而，这将会不是优选的，考虑到这种热交换器将不会利用直流式热交换器的温度差来操作；随后必须将进入的空气压缩至较高压力。

如图所示，可以将液氮流50(其全部或其部分)导入主蒸馏塔18作为回流流58。由辅助塔顶馏出物38所组成剩余部分，作为其它的液氮流60(通过阀63而被减压)和废物流62，可以首先被导入低温冷却热交换器30与粗液氧流28进行间接热交换从而将其低温冷却，然后与进入的经压缩和纯化的空气流10进行间接热交换从而有助于在主换热器12内部将其冷却。可替换地，可将流60与流62混合并加热。在已被加热后，将从主换热器12中排出作为气态氮联产品(“N₂”)的其它液氮流60，并且可以将废物流62用于使在用于对进入的空气进行预纯化的预纯化单元中采用的吸附剂的再生并且用于空气分离设备1。此外，也可以通过将其再压缩并且将其与进入的空气混合，而使全部或部分的这种流再循环。应当指出的是，流60的应用是任选的，液氮流60的蒸发的目的是向流28提供额外的低温冷却并因此能够实现更大的氧产量。

应当指出的是，可以在通过阀63之前从塔20的段间位置提取出液氮回流流60。

也应指出的是，可以将被论述的低温冷却热交换器30或30'与主换热器12整合在一起。同样可能的是，在不采用这种低温冷却热交换器30或30’的情况下构成本发明的一个实施方式。在任何情况下，在该图示的实施方式中，可以在通过低温冷却热交换器30和主换热器12之前，在膨胀阀63中使其它的液氮流60减压。

通过在主换热器12内部与进入的经压缩和纯化空气流10进行间接热交换而加热由富氮蒸气塔顶馏出物 23所组成的氮产品流64从而获得氮联产品，同时也有助于冷却空气流10。如图所示，通过将从主蒸馏塔18顶部取出的富氮蒸气流66分离成前述的两个流，而产生氮产品流64和富氮蒸气流46。然而，可以单独地从主蒸馏塔18中取出氮产品流64和富氮蒸气流46。应当指出的是，因为可以将全部的液氮流50作为回流而导入主蒸馏塔18，所以可以仅由经加热的氮产品流64形成氮联产品。

通过取出由剩余富氧液体56所组成的剩余富氧液体流68并将这种流导入分离容器 70，而生产氧联产品。在冷凝器14中使由液相74所组成的液相流72部分蒸发以便通过与进入的经压缩和纯化空气流10进行间接热交换而产生两相流76，由此将经压缩和纯化的空气流10部分地冷凝。在分离容器内部使两相流76的液体馏分与蒸气馏分分离，以形成蒸气馏分和通过与流的分离和剩余富氧液体68的添加而产生的液相74。可利用控制阀(未图示)来调节容器70的操作压力。由蒸气馏分78所组成的蒸气相流80形成氧产品流。可以任选地将通过阀84的排出流82收集作为液体产品(或者作为污染物排出蒸发器)。可替换地，可提取出一部分的流68作为液体产品并将其输送至合适的贮存装置。

应当指出的是，可以利用位于超过主蒸馏塔18高度的位置的辅助蒸馏塔34将剩余的富氧液体流68加压。由此形成经加压的氧产品。又一个替代是借助于机械泵或者泵的使用并结合通过将辅助蒸馏塔34定位在主蒸馏塔18的上方所产生的液柱压力，将剩余的富氧液体流加压。

如图所示，冷凝器14起热虹吸的作用。作为用于形成氧产品的替代装置，分离容器70可以构建成容纳冷凝器14。在这种情况下，两相流将离开冷凝器而进入分离容器70的内部。然而，一般认为，该图示的实施方式比上述布置更具有成本效益。另外，如果通过排出流82将大于约20%的氧产品当作液体产品，那么将能够将冷凝器14重构成直流式热交换器并且有可能进一步节约动力消耗。在这种布置中，利用管道将剩余的富氧液体流68直接输送至冷凝器14。然后，在相分离容器中将部分蒸发的产品分离并且将不存在回流流，例如被导入冷凝器14中的富氧液体流。

参照图2，示出了本发明一个替代实施方式作为空气分离设备2。应当指出的是，图2中所示的元件将具与上面参照图1所论述相同的描述，图2中所示的这种元件将使用与图1中相同的参考数字；为简洁起见将不作进一步论述。空气分离设备2具体地被设计成允许将更大分数空气中所含有的氮作为产品加以回收。这是通过增加向主蒸馏塔18的液氮回流而实现。

在空气分离设备2中，在已在主换热器12内部被冷却之后，将经压缩和纯化的空气流10导入主蒸馏塔20并进行精馏，以产生富氮蒸气塔顶馏出物23和粗液氧塔底物26'。在已在膨胀阀32内部被减压之后，可以任选地在低温冷却单元30'中将粗液氧流 28’低温冷却并且在辅助蒸馏塔34内部进行汽提。以关于空气分离设备1中所描述的方式，在直流式热交换器48中将第一富氮蒸气流46冷凝以产生第一液氮流50和剩余的富氧液体56。在已在膨胀阀90中被减压之后，将在辅助蒸馏塔34中产生的所得剩余富氧液体流68导入热虹吸式再沸器86中。可以通过与气态流92进行间接热交换，而将剩余富氧液体流68部分蒸发，所述气态流92可以由主蒸馏塔18的富氮蒸气塔顶馏出物23所构成。气态流92通入位于热虹吸式再沸器86壳体96内部的芯部94，以完成热交换。将气态流92冷凝以产生被导入主蒸馏塔18中的冷凝液流98作为用于在上述塔中的回流的一部分。将在直流式热交换器48中产生的全部液氮流50导入主蒸馏塔18作为塔回流。该富氮蒸气塔顶馏出物的分段冷凝将增加液氮回流，因此增加空气分离设备2生产氮产品的能力。

正如可以理解的，如果排出流106具有足够的流量，则可以使用代替热虹吸式再沸器86的其它装置(包括直流式热交换器)。此外，尽管未图示，代替富氮蒸气，可以将具有不小于空气的氮浓度的氮浓度的流导入热虹吸式再沸器86的芯部94。例如，可以将空气流压缩并且在主换热器12中使该流液化。此后，可以将其导入主蒸馏塔18的中间位置。然后，具有与这种液体流大致相同组成的气态流可以进入热虹吸式再沸器86的芯部94并且被冷凝。把所得冷凝液流导入主蒸馏塔的位置，在此位置，下降的塔液体的组成与上述冷凝液相同或近似相同，或者将该冷凝液流导入辅助蒸馏塔34以便进行汽提和氧联产品的生产。

剩余富氧液体流68的部分蒸发形成蒸气馏分和液体馏分，该蒸气馏分和液体馏分汇集在壳体中作为蒸气馏分100和液相102。在主换热器 12内部，由蒸气馏分100所组成的蒸气相流104与进入的经压缩和纯化的空气流10发生间接热交换，以便加热蒸气相流100，从而产生氧产品(“O₂”)并有助于冷却经压缩和纯化的空气流10。由液相102所组成的排出流106可以在阀108中被减压和被作为液氧产品收集。在该实施方式中，任选地，废物流62可以在低温冷却热交换器 30'内部与粗液氧流28'发生间接热交换。随后，在主换热器12内部废物流62也与经压缩和纯化的空气流10发生间接热交换，以加热废物流62并且帮助冷却经压缩和纯化的空气流10。可以将废物流62回收至进入的空气中。这可以在交换器12中通过与进入的空气直接混合而加热之后或者在进一步压缩之后而完成。正如在空气分离设备1中的情况，通过与进入的经压缩和纯化空气流10发生间接热交换，而在主换热器12内部将由富氮蒸气塔顶馏出物23所组成的氮产品流64加热，从而也有助于冷却经压缩和纯化空气流10。

参照图1和图2，借助于液氮流110向空气分离设备1或空气分离设备2给予制冷；液氮流110通过流量控制阀112然后被导入位于主蒸馏塔18的顶部的顶部进口114。可以从现场贮罐中获得液氮流110并且液氮流110可具有高压或低压。液氮流110的添加补偿环境热泄漏以及由于主换热器12的操作所导致的热端损失。应当指出的是，可以将液体流110直接导入进入热交换器30'或12的蒸气流中的一个蒸气流中。正如可以理解的，在导入主蒸馏塔18之前，可以使一部分的进入空气发生膨胀。在这方面，在主换热器12内部部分冷却之后可以使一部分的经压缩和纯化的空气流发生膨胀，然后与废气流62混合。另一种可能将会是向主蒸馏塔18的蒸馏塔***施加背压并且可以在主换热器12内部将辅助蒸馏塔34和废物流62部分加热，在涡轮膨胀机中膨胀并且在主换热器12内部进一步加热。涡轮膨胀机的使用可提供从塔***中取出液体产品的可能性。可将从冷凝器48或96中所获得的一部分液氮输送至合适的贮存装置。又一个替代是可以将液氧流导入剩余的富氧液体流68或者与该液体流68混合，然后导入热虹吸式再沸器86的壳体96中。

参照图3，示出了构成图1中所示空气分离设备1的替代实施方式的空气分离设备1'。在空气分离设备1中，图示的辅助塔34’具备汽提段36a，该汽提段36a可以具备如上面参考图1所描述传质接触元件36。如上所述在这种汽提段36a内部对粗液氧流28进行汽提，而不是直接地产生辅助塔顶馏出物，而是产生含氮和氧的蒸气。辅助塔34a还具备位于汽提段36a上方的精馏段36b，该精馏段36b是用于对这种含氮和氧的蒸气进行精馏，由此回收部分氧，这些氧否则就在废物流62中从设备排出。利用在用阀63'减压之后被导入辅助塔34'顶部的液氮流60'在此精馏段中回流。正如可以理解的，可以对图2中所示的设备作出相同的修改。在这种情况下，将以类似于图3中所示的方式将辅助塔加以修改。在图2的实施方式的情况下，将部分的冷凝液流 98用于在辅助塔34'中回流。

正如可以理解的，所有的预期是将否则会在废物中损失的部分的氧加以回收以增加氧回收。然而，必须打破增加的氧回收与从否则将会用于在主蒸馏塔中回流的液氮中取出液氮并因此生产氮的事实之间的平衡。任何更大的精馏将会伴随液氮流60'的流量增加因此伴随可利用产品氮64的下降，因为为了维持产品氮杂质必须维持主塔的回流率。在陈述这种限制中的更具体的方式是精馏段36b的性能，当结合汽提段36a的性能时，在辅助塔36内部的辅助塔顶馏出物38应含有不小于5.0体积%的氧。为了达到此目的，通常液氮流60'与来自塔18的总可利用氮流的流量比(流60和64的总和)应在0.1和0.4之间，并且在精馏段36b中的液体/蒸气比是在0.23或更小。

虽然已参照优选实施方式描述了本发明，但正如本领域技术人员将会理解的，可在不背离所附权利要求中所陈述本发明精神和范围的前提下作出许多变化、添加和省略。

Claims (21)

1.一种分离空气以生产氧和氮联产品的方法，所述方法包括：

冷却经压缩和纯化的包含空气的流；

在主蒸馏塔内部对经压缩和纯化的流进行精馏，以产生富氮蒸气塔顶馏出物和粗液氧；

通过至少部分地将由粗液氧组成的粗液氧流减压而在辅助蒸馏塔内部产生富氧液体和含有不小于5.0体积%的氧的辅助塔顶馏出物，在所述辅助蒸馏塔内部用上升的汽提气对所述粗液氧流进行汽提并且通过与由所述富氮蒸气塔顶馏出物所组成的富氮蒸气流进行间接热交换而使所述富氧液体部分蒸发，由此产生液氮流、汽提气和剩余的富氧液体；

用至少部分的所述液氮流在所述主蒸馏塔中回流；

通过使所述剩余的富氧液体流与具有不小于空气的氮浓度的氮浓度的气态流进行间接交换热使得所述剩余的富氧液体流部分蒸发，而由所述剩余的富氧液体形成富氧蒸气馏分；

由所述蒸气馏分形成氧产品流；由所述富氮蒸气塔顶馏出物形成氮产品流；由所述辅助塔顶馏出物形成废物流；和

使所述氧产品流、所述氮产品流和所述废物流与所述经压缩和纯化的流进行间接热交换。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述辅助塔顶馏出物仅仅是通过在辅助蒸馏塔内部对所述粗液氧流进行汽提而产生。

3.如权利要求1所述的方法，其中用部分的所述液氮流在所述主蒸馏塔中回流；

在辅助蒸馏塔的汽提段的内部进行所述粗液氧流的汽提；

在所述辅助蒸馏塔内部对所述粗液氧流进行汽提产生含氮和氧的蒸气流；和

通过将所述含有氮和氧的蒸气流导入所述精馏段而在位于所述汽提段上方的所述辅助蒸馏塔的精馏段中的所述辅助蒸馏塔的内部对所述含氮和氧的蒸气流进行精馏，并且用另一部分的所述液氮流在所述辅助蒸馏塔中因此在所述精馏段中回流，由此提高在所述剩余富氧液体内部的氧回收。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

在所述辅助蒸馏塔内部收集所述富氧液体；和

通过使由所述富氧液体组成的富氧液体流和所述富氮蒸气流通过直流式热交换器而使所述富氧液体部分地蒸发，以便形成所述汽提气和作为所述辅助蒸馏塔的塔底物而汇集的所述剩余的富氧液体。

5.如权利要求4所述的方法，其中：

所述气态流是经压缩和纯化的流；

在冷凝器中将所述经压缩和纯化的流部分地冷凝；

通过以下方式形成所述富氧蒸气馏分：

       将所述剩余的富氧液体流收集在分离容器中；

将由在所述分离容器内部产生的液相所组成的液相流导入所述冷凝器，并且在所述冷凝器中通过与所述经压缩和纯化流进行间接热交换而使所述液相流部分地蒸发，由此从所述液相流中产生两相流；

将所述两相流导入所述分离容器并且在所述分离容器的内部使所述两相流的液相与蒸气相分离以形成富氧蒸气馏分，并且将所述液相连同所述剩余的富氧液体流收集在所述分离容器中；和

通过从所述分离容器中排放出所述富氧蒸气馏分的流，而形成所述氧产品流。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述冷凝器位于主蒸馏塔底部区中使得冷凝的空气与由所述精馏所产生的下降的液体混合，由此产生作为所述主蒸馏塔中的塔底物的粗液氧。

7.如权利要求6所述的方法，其中：

用部分的所述液氮流在所述主蒸馏塔中回流；和

所述废物流与所述粗液氧流间接地交换热，使得在减压之前将所述粗液氧流低温冷却。

8.如权利要求4所述的方法，其中：

所述气态流是由所述富氮蒸气塔顶馏出物组成；

通过将富含液氧的流减压并且使所述剩余的富氧液体流在热虹吸式再沸器内部通过并且与所述气态流进行间接热交换，而在所述剩余的富氧液体流与所述气态流之间间接地交换热，由此通过所述剩余富氧液体流的部分蒸发而产生所述蒸气馏分并且通过所述气流的冷凝而产生冷凝液流；和

将所述冷凝液流导入所述主蒸馏塔作为连同所述液氮流的回流。

9.如权利要求8所述的方法，其中在所述粗液氧流的减压之前使所述废物流与所述粗液氧流进行间接热交换，以便将所述粗液氧流低温冷却。

10.如权利要求1所述的方法，其中将所述剩余的富氧液体流加压以便也将所述氧产品流加压。

11.如权利要求1所述的方法，其中将液氮制冷流导入所述主蒸馏塔以给予制冷。

12.一种用于分离空气以生产氧和氮联产品的装置，所述装置包括：

主换热器，其构造成冷却经压缩和纯化的包含空气的流；

主蒸馏塔，其构造成对所述经压缩和纯化的流进行精馏以产生富氮蒸气塔顶馏出物和粗液氧；

辅助蒸馏塔，其连接到所述主蒸馏塔并且构造成在所述辅助蒸馏塔的内部用上升的汽提气对由所述粗液氧组成的粗液氧流进行汽提，并且至少部分地由于对所述粗液氧流的汽提而产生富氧液体和含有不小于5.0体积%的氧的辅助塔顶馏出物；

膨胀阀，其位于所述主蒸馏塔和辅助蒸馏塔之间以便在被导入所述辅助蒸馏塔之前将所述粗液氧流减压；

装置，其通过与由所述富氮蒸气塔顶馏出物所组成的富氮蒸气流进行间接热交换而使所述富氧液体部分蒸发，由此产生液氮流、汽提气和剩余富氧液体；

所述富氧液体部分蒸发装置连接到所述主蒸馏塔，使得用至少部分的所述液氮流在所述主蒸馏塔中回流；

所述主换热器连接到所述主蒸馏塔和所述辅助蒸馏塔，以便由所述富氮蒸气塔顶馏出物组成的氮产品流和由所述辅助蒸馏塔的辅助塔顶馏出物所形成的废物流与所述经压缩和纯化的空气流间接地交换热；

装置，其用于使所述剩余的富氧液体流与具有不小于空气的氮浓度的氮浓度的气态流进行间接地交换热，以便使所述剩余的富氧液体流部分蒸发；和装置，其用于在被部分蒸发之后由所述剩余富氧液体流形成富氧蒸气馏分；和

所述主换热器连接到所述富氧蒸气馏分形成装置、所述主蒸馏塔和所述辅助蒸馏塔，使得由所述富氧蒸气馏分组成的氧产品流、由所述富氮蒸气塔顶馏出物组成的氮产品流、和由所述辅助蒸馏塔的辅助塔顶馏出物组成的废物流在所述主换热器内部通过而与所述经压缩和纯化的流进行间接热交换。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述辅助塔仅具备其中对所述粗液氧流进行汽提的汽提段。

14.如权利要求12所述的装置，其中：

 所述辅助塔具有汽提段和位于所述汽提段上方的精馏段；

在辅助蒸馏塔的汽提段的内部进行所述粗液氧流的汽提，并且在所述汽提段中产生含氮和氧的蒸气流，所述含氮和氧的蒸气流进入所述精馏段以便对所述含氮和氧的蒸气流进行精馏，由此提高在所述剩余富氧液体内部的氧回收；

所述富氧液体部分蒸发装置连接到所述主蒸馏塔，以便用部分的所述液氮流在所述主蒸馏塔中回流，并且也连接到所述辅助蒸馏塔以便用另一部分的所述液氮流在所述辅助蒸馏塔中因此在所述精馏段中回流；和

另一个膨胀阀位于所述富氧液体部分蒸发装置和所述辅助蒸馏塔之间，以便将所述另一部分的液氮流的压力减小到所述辅助蒸馏塔的压力。

15.如权利要求12所述的装置，其中：

所述辅助蒸馏塔具有用于收集所述富氧液体的装置；

所述富氧液体部分蒸发装置是直流式热交换器，所述直流式热交换器连接到辅助蒸馏塔和所述富氧液体收集装置以便通过由所述富氧液体组成的富氧液体流的通过而使所述富氧液体在所述直流式热交换器内部部分蒸发，并且所述剩余的富氧液体作为所述辅助蒸馏塔的塔底物来收集；和

所述主蒸馏塔连接到所述直流式热交换器，以便在所述直流式热交换器内部将所述富氮蒸气流冷凝。

16.如权利要求15所述的装置，其中：

所述气态流是所述经压缩和纯化的空气流；

所述剩余的富氧液体热交换装置和所述富氧蒸气馏分形成装置是冷凝器和分离容器，所述冷凝器连接到所述主换热器，以便将所述经压缩和纯化的流部分地冷凝；

 所述分离容器连接到所述辅助蒸馏塔，以便所述剩余的富氧液体流汇集在所述分离容器中；

所述分离容器连接到所述冷凝器以便由在所述冷凝器中使在所述分离容器内部产生的液相所组成的液相流部分蒸发，以产生被导入所述分离容器中的两相流，在所述分离容器的内部使所述两相流的液相与蒸气相分离以形成所述富氧蒸气馏分和所述液相；和

所述主换热器连接到所述分离容器以便由所述富氧蒸气馏分形成所述氧产品流。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述冷凝器位于所述主蒸馏塔的底部区中使得经冷凝空气与通过对所述经压缩和纯化的流进行精馏所产生的下降的液体混合，以便在所述主蒸馏塔中产生作为塔底物的粗液氧。

18.如权利要求17所述的装置，其中：

所述直流式热交换器连接到所述主蒸馏塔以便用部分的所述液氮流在所述主蒸馏塔中回流；和

低温冷却热交换器连接到所述直流式热交换器、所述辅助蒸馏塔和所述膨胀阀，以便所述废物流与所述粗液氧流在所述低温冷却热交换器的内部间接地交换热，并且在通过所述膨胀阀之前将所述粗液氧流低温冷却。

19.如权利要求15所述的装置，其中：

所述气态流是由所述富氮蒸气组成；

所述剩余的富氧液体流热交换装置和所述富氧蒸气馏分形成装置是具有壳体的热虹吸式再沸器；

所述壳体连接到所述辅助塔以便接收所述剩余的富氧液体流；

另一个膨胀阀位于所述壳体和所述辅助塔之间，以便将所述剩余的富氧液体流减压；

所述热虹吸式再沸器连接到所述主蒸馏塔以接收所述气态流，由此通过与所述剩余富氧液体流的间接热交换而使所述气态流冷凝，由此在所述壳体的内部形成所述富氧蒸气馏分并且将冷凝液流排放到所述主蒸馏塔作为连同所述液氮流的回流；和

所述主换热器连接到所述壳体、所述主蒸馏塔和所述辅助蒸馏塔 使得由所述蒸气馏分所形成的氧产品流、由所述富氮蒸气塔顶馏出物所形成的氮产品流、由从在所述辅助蒸馏塔中产生的辅助塔顶馏出物所形成的废物流在所述主换热器的内部通过，与经压缩和纯化的流进行间接热交换。

20.如权利要求19所述的装置，其中低温冷却热交换器位于所述辅助蒸馏塔、所述主蒸馏塔和所述主换热器之间，以便在所述粗液氧流的减压之前且在所述主换热器中加热所述废物流之前所述废物流与所述粗液氧流进行间接热交换。

21.如权利要求12所述的的装置，其中所述主蒸馏塔具有用于导入液氮制冷流以给予制冷的顶部进口。