CN1161443A - 分级冷凝馈送空气的空气沸腾低温精馏*** - Google Patents

Abstract

一空气沸腾双塔低温精馏***用于生产低纯度氧，其特征在于：馈送空气部分被用来使低压塔再沸腾，然后在精馏之前在低压塔内的一个垂直安置的级段上被部分地冷凝。

Description

分级冷凝馈送空气的空气沸腾低温精馏***

发明领域

本发明一般与低温精馏有关，尤其与利用双塔***生产低纯度氧有关，在这双塔***中低压塔被馈送的空气再沸腾。

背景技术

生产氧和氮的空气低温精馏技术是一种很完善的工业过程。常常在一双塔***中对馈送的空气进行分离，在这双塔***中来自高压塔的氮架或顶部蒸汽用来使低压塔中的底部液体的氧再沸腾。

在很多应用，如玻璃制造，钢铁冶炼和能源生产中对低纯度氧的要求正日益增长。在低压塔的各提馏段中的少量的蒸汽沸腾和在低压塔的各精馏段中的少量的液体回流，对于生产氧浓度为97摩尔％或更低的低纯度的氧来说都是必需的，它比通常用双塔运作产生的氧的纯度低。

因此，低纯度氧一般是用低温精馏***大量生产，其特征是，处于高压塔压力的馈送空气被用来使低压塔底部的液体再沸腾，然后将它通入高压塔。利用空气代替氮气来使低压塔底部汽化能减少馈送空气时的压力要求，而且还能采用馈送适当比例的空气到低压塔的再沸器或者采用将总的馈送空气的较大部分进行部分冷凝的方法，使只有必要的沸腾发生在低压塔的各提馏段。

虽然惯常的空气沸腾低温精馏***已被有效地用来生产低纯度氧，但它产生供应低压塔顶部的回流的能力却是有限的。这是由下述事实引起的，一些空气的冷凝可减少用来产生高压塔中氮的回流的蒸汽。由于产生回流的能力减小而使得氧的回收率下降，从而会消耗较多的能源。

因此，本发明的一个目的就是提供一种空气沸腾低温精馏***来生产低纯度氧，这个***比起惯常的***来说，它运作时对能源的要求较少。发明概要

上述的和另外的一些目的都可由本发明来实现，这些目的对于熟悉技术的人来说，在阅读本公开资料之后都是显而易见的，本发明一个方面是：

利用高压塔和低压塔对馈送空气进行低温精馏来生产低纯度氧的方法，它包括：

(A)把馈送空气的第一部分送入高压塔；

(B)与低压塔底部液体间接地进行热交换，部分地冷凝第二部分馈送空气来产生第一蒸汽空气部分；

(C)在与底部液体发生热交换的上方，与该低压塔中的液体间接地进行热交换，部分地使第一蒸汽空气冷凝来产生第二蒸汽空气部分和富氧的液体空气；

(D)将这第二蒸汽空气部分通入高压塔并将富氧的液体空气至少送入高压塔和低压塔中的一个中。

(E)用低温精馏方法在高压塔中产生富氧液体空气和富氮液体空气并将富氧液体空气和富氮液体空气从高压塔送入低压塔；以及

(F)用低温精馏方法在低压塔中产生低纯度氧并从低压塔中对低纯度氧进行回收。

本发明的另一方面是：

用对馈送的空气进行低温精馏的方法生产低纯度氧的设备，它包括：

(A)具有底部再沸器的第一塔和第二塔；

(B)把馈送空气送入该第一塔的机构和把馈送空气送入底部再沸器的机构；

(C)一个在第二塔中底部再沸器上方的第一中间热交换器，和一个将蒸汽从底部再沸器送入这个第一中间热交换器的机构。

(D)一个将流体从第一中间热交换器传送入第一塔的机构；

(E)一个将流体从第一塔传送进第二塔的机构；以及

(F)一个从第二塔的下部回收低纯度氧产品的机构。

正如这里所用，术语“底部液体”是指与空气比较起来含氧较多而且可从分馏塔底部提取的液体。

正如这里所用，术语“底部再沸器”是指一个从塔底液体产生塔状向上流动的蒸汽的热交换装置。底部再沸器一般是安置在塔中但从物理学来看也可在塔外。

正如这里所用，术语“低纯度氧”是指氧浓度为按摩尔计97％或更少的流体。

正如这里所用，术语“馈送空气”是指一种主要包含氮和氧的混合物，如周围的空气。

正如这里所用，术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机(turboexpander)”分别是指用来使高压气体流过涡轮以降低气体的压力和温度，因而产生冷却的方法和设备。

正如这里所用，术语“塔”是指一个用来进行分馏的塔或区域，也就是，在其中液相和蒸汽相逆流向地接触，以便对液体混合物进行分离的接触塔或区域，例如，用使蒸汽相和液体相在一系列有一定垂直间隔的分馏塔盘或塔板上接触的方法即可进行这种分离，这些塔盘或塔板可安装在塔中和/或填充另件上，填充另件可以是具有一定结构的填充物和/或随意地填充的另件。为了进一步论述分馏塔，请参看“化学工程手册(第五版)”，第13节，“连续分馏过程”，该手册是由R.H.PERRY和C.H.CHILTON编辑，由McGRAW-HILL图书公司出版。

蒸汽与液体的接触分离过程与这些成分的蒸汽压的差别有关。高蒸汽压(或更易挥发或者低沸点)的成分将倾向于集中在蒸汽相中，而低蒸汽压(或不怎么挥发的或高沸点的)的成分则倾向于集中到液相中。部分冷凝是这样的分离过程，凭借它就可利用冷却蒸汽混合物的方法来使那(些)易挥发的成分在蒸汽相中的浓度增大，因而不怎么挥发的成分就可集中在液相中。精馏，或连续分馏是把相继的部分汽化和冷凝联合起来的分离过程，正如对蒸汽相和液相进行逆流处理(countercurrent treatment of vapor and liquid phases)所得到的那样。汽相和液相的逆流接触是绝热的，而且可能包括各相之间的整体或局部的接触。利用精馏原理来分离混合物的分离过程所用的装置常常是可交换地称为精馏塔，分馏塔，或分凝塔。低温精馏是一个至少部分在150K或更低的温度下进行的精馏过程。

正如这里所用，术语“间接热交换”是指相互间没有任何物理接触或相互混合，两液体就有热的交换发生的情形。

作为这里所用术语“分馏塔盘(tray)”是指一套接触级段(stage)，它不一定要是平衡级段(equilibrium stage)，而且它也可能是指其他的接触装置，如象具有分隔能力等效于一个托盘的填充物件。

作为这里所用术语“平衡级段”是指蒸汽-液体接触的级段，使得离开这个级段的蒸汽和液体在质量输运上是平衡(in mass transferequilibrium)的，也就是，它是一个具有100％效率的分馏塔盘，或是一个高度等效于一个理论塔板(HETP)的填充另件。

作为这里所用术语“在塔中(within a column)”，在与热交换有关时，是指作用上看是在那个塔中，也就是说，从物理上讲是在那个塔中或是在那个塔的附近，液体从那个塔传送到热交换装置。可将液体整个地或部分地汽化并将所产生的气体或汽液混合物返回塔中。最好是，液体被部分地汽化和将所生成的气-液混合物返回到塔中的水平与从塔中提取液体的水平相同。

附图简介

图1是本发明的低温精馏***的一个优选实施例的示意流程图，其特征是，从第一中间热交换器产生的蒸汽在被传送进高压塔之前就进行了涡轮膨胀。

图2是本发明的低温精馏***的另一个优选实施例的示意流程图，其特征是，对馈送空气流进行涡轮膨胀冷却，然后再传送到低压塔中。

图3是本发明的低温精馏***的另一个优选实施例的示意流程图，其特征是，处于两个压力水平上的馈送空气被送入高压塔中，而且从第一中间热交换器产生的蒸汽在被传送进高压塔之前就先行被冷凝。

图4是实施本发明的优选热交换装置的图示，其特征是，塔中的确定的热交换发生在塔壳的外面。

发明详细描述

本发明可以用来几乎消除由空气沸腾装置的低压塔构成的低温分馏***中的不可逆性。这在较大程度上减少了***的能量要求，对于惯常的方法来说对能量的要求可能是较多的。采用局部地使低压馈送空气流股(stream)冷凝而使低压塔再沸腾的方法，使得这个塔段的工作管路(operating line)更接***衡管路，于是减少了***的能量要求。在低压塔中的较高水平位上还可装设一中间热交换器。在这中间热交换器中从底部再沸器分离出来的蒸汽逆着塔液被部分冷凝。离开中间热交换器的液体并不与汽化侧进入的液体混合。在热交换的每套级段上所产生的液体都被传送到塔***的适当层位上，这样就可对通常获得的回流进行补充。***的冷却要求可用下述方法来满足：对一部分送入工厂的空气进行涡轮膨胀，或对从热交换器产生的蒸汽进行涡轮膨胀。

下面将参考图对本发明作更加详细的描述。现在参看图1，用把馈送的空气100通过基本加载压缩机(base load compressor)32的方法，将馈送的空气100压缩到绝对压强(PSIA)在每平方英寸40---100磅之间的压力上，并把这样所得到的馈送空气60通过净化器50，将它里面的高沸点杂质除去。净化的，加压的馈送空气86的一部分87可从馈送的空气取出，其量一般在馈送空气100量的15％到40％之间，再将它通过一增压压缩机(booster compressor)33加压到50--1200psia之间的压力上，并将这样得到的馈送空气流股89送入主热交换器1，在这里间接地与回流(return stream)进行热交换而被冷却。然后让所得馈送空气流股102通过阀门101送进第一塔或高压塔10，这个高压塔是工作在35到100psia之间的压力上。

第二部分88大约含有馈送空气的60％到85％，它由于通过主热交换器1而变冷，将所得气流63通入底部再沸器20，在这再沸器中由于与在第二或低压塔11中的再沸腾的底部液体间接地进行热交换而部分被冷凝，这个低压塔的工作压力比高压塔10的压力低，一般是在15到35psia的压力范围内。在底部再沸器20中的部分冷凝产生了第一蒸汽空气部分和第一液体空气部分，，这第一蒸汽空气部分具有的氮浓度超过了馈送空气63的氮浓度，这第一液体空气部分具有的氧浓度则超过了馈送空气63中的氧浓度。

在示于图1的本发明的实施例中，第一蒸汽空气部分和第一液体空气部分并没分开，但更确切地说，这两部分以两相流64的方式被送入安置在低压塔11内底部再沸器20之上一般约1到10个平衡级段的第一中间热交换器21中。在第一中间热交换器21中，这第一蒸汽部分由于与正汽化的，顺塔11下流的液体进行间接的热交换而被部分冷凝，这液体最好是部分汽化的，这样对于塔11来说就会产生向上升的蒸汽流，产生出氮浓度超过第一蒸汽空气部分的第二蒸汽空气部分和其氧浓度超过第一蒸汽空气部分的富氧液体空气。在示于图1的实施例中，富氧液体空气与第一液体空气相混合并同第二蒸汽空气部分一起合成两相流65，从第一中间热交换器21通入相分离器(phases separator)40中。

将第二蒸汽空气部分从相分离器40中抽取出来成为流股67，并让它通过涡轮膨胀机30进行膨胀，然后作为经涡轮膨胀的流股70送入高压塔10。从相分离器40提取富氧液体作为流股66通过阀门99，再作为流股91通过热交换器2和阀门93进入在低压塔11中第一中间热交换器21之上，一般5到25个平衡级段的位置处。在示于图1的实施例中，流股66与从高压蒸塔10产生的富氧液体结合形成流股91。

在高压塔10中，进入塔中的馈送空气被低温精馏分离成富氧的液体和富氮的液体。从塔10中将富氧的液体抽取出来成为流股71中的液体，送入塔11中，最好是象早先讨论的那样将它(流股71)与流股66结合成为联合流股91。从塔10中将富氮的液体取出作为蒸汽流股72并将它送入冷凝器23中，这个冷凝器23安置在塔11内，一般在第一中间热交换器21之上1到20个平衡级段的位置上。在冷凝器23中，富氮的蒸汽由于与顺塔向下流动的液体的间接热交换而被冷凝，在塔内产生向上升的蒸汽。将所生成的富氮液体从冷凝器23中取出成为流股73。将富氮液体73的一部分74作为回流通入塔10的上部。将流股73的另一部分75通过热交换器2和阀门77，并作为回流进入塔11的上部。

在低压塔11中，进入塔中的各馈送空气被低温精馏分离成富氮蒸汽和低纯度氧。将富氮蒸汽从塔11的上部取出构成流股96，由于通过热交换器2和1而变暖，并作为流股98而流出***，成为产品氮而可加以回收。低纯度氧则可从塔11的下部取出加以回收。在示于图1的实施例中，低纯度氧是作为流股79从塔11取出的。如果愿意，流股79的部分80可以作为低纯度产品液体氧加以回收的。流股79的另一部分81的压力会由于通过液泵34而增大，形成增压的液体的低纯度氧流股82，它又会由于通过主热交换器1汽化。产生的流股83可作为增压的低纯度气态氧加以回收。

图2示出了本发明的另一个实施例，其中***的冷却是由部分馈送空气的涡轮膨胀而引起的。对于共同的另件而言，图2中的标号与图1中的标号是一致的，而且这些共同的另件将不再详细讨论。

现在来参看图2，馈送空气流股89在主热交换器的上游被分成第一部分102和第三部分68，第一部分102通过热交换器2流进第一塔或高压塔10，而第三部分68则由于通过压缩机35而被进一步压缩。得到的进一步被压缩的第三馈送空气部分69的量大约为总的馈送空气量的5％到15％，它由于在局部穿过主热交换器1而变凉，后来又由于通过馈送空气的涡轮膨胀机36而产生致冷。然后将所得的经涡轮膨胀的空气流股37送进第二或低压塔11。

在示于图2的实施例中，两相流股65并不流入相分离器。确切地说，是让整个流股流入高压塔10的下部。流股65的液体部分与塔10底部的富氧液体混合，然后作为联合流股91流进塔11。

图3画出了本发明的另一个实施例。对于共同的零部件而言，图3中的标号与图1和图2中的标号是一致的，对这些共同的零部件将不再详细讨论。

现在让我们参看图3，馈送空气流股86被分成第一部分125和馈送空气流股126，第一部分125由于通过主热交换器1而冷却，接着就被送入第一或高压塔10，而馈送空气部分126则由于通过压缩机33而被压缩形成经压缩的流股127。流股127被分成第三馈送空气部分69和流股128，流股128又被进一步分成馈送空气流股129和130。流股130被压缩机131进一步压缩，形成进一步压缩的流股132，它由于通过主热交换器1而被变冷，之后经过阀门133送入高压塔10。馈送空气129由于经过主热交换器1而变冷，之后129被分成两部分，一部分为134，这部分经过热交换器2后最好与流股132结合进入塔10中；另一部分是流股63，它是馈送空气的第二部分而且被送入底部再沸器20。

在图3所示的实施例中，两相流股64被通入相分离器41中，而且仅只流股25中的第一蒸汽空气部分25被送入第一中间热交换器21。流股26中的第一液体部分经过阀门98与富氧液体空气流股66和富氧液体71结合形成流股91。在图3所示的实施例中，第二蒸汽空气部分67流过第二中间热交换器22，这个第二中间热交换器安置在低压塔11内第一中间热交换器21之上最好1到10个平衡级段的位置上。由于与向下流动的液体进行了间接热交换，因而第二蒸汽空气部分在第二中间热交换器22中被冷凝，以提供向上的蒸汽流动。所得到的冷凝的第二蒸汽空气部分76可从第二中间热交换器22经阀门177送入塔10中。

尽管图1、图2和图3把与热交换器21、22和23有关的热交换画得就好象在物理上是发生在低压塔壳内一样，但这是为了简化本发明的方法的图解才这样做的。可以预料在很多情形中，一个或多个这样的热交换器，从物理学来看，将被安置在低压塔的壳外，但从作用上看却是在塔内。图4是按具有塔内功能的热交换器的普遍形式画出的一个这样的装置图。

从图4可看出，在低压塔200内下沉的液体被收集为流股204从塔中提取出来。收集和提取液体的装置对于具有分馏装置设计知识的人都是很熟悉的。液体流股204被引入热交换器201，它可以是一个焊接的铝制热交换器。当液体204穿过201时，由于与至少部分被冷凝的流体202的间接热交换，液体204至少会部分被汽化。流体202表示流进热交换器的蒸汽流，例如图1中的流股64或72。在热交换器201中，流股202和204作逆向流动。在热交换器201中存在有部分被汽化的液体空气205，将部分被汽化的液体空气205送回低压塔200。最好是让部分被汽化的液体这样返回到塔中，使得蒸汽部分206能与在低压塔内从原来提取液体空气204的位置下面上升的蒸汽209混合。实现这一点的方法普遍被用于在塔内的中间位置上引入两相流股的分馏塔设计中。流股205的液体部分207与蒸汽部分相分离，并且最好将液体207分送到就在原来提取液体204的水平位置下面的那些如象填料(packing)或塔盘这样的质量输送部件上。如上所述，用来使液体与蒸汽分离和用来分送这些液体的手段都普遍被用在分馏塔的设计中。虽然从功能的观点来看，对于流股204来说采用全部沿塔下流液体是较为可取的，但某些设计情形却为此规定，仅仅利用一部分向下流动的液体。象说过的那样，流股202至少部分地被在热交换器201中的热交换所冷凝。所得的在流股203中的液体被送入塔中。例如，流股203就与图1中的流股65或73相当。

虽然借助某些优选的实施例对本发明已作了详细的描述，但熟悉技术的人都会认同，还存在另外一些属于本发明的精神和权利要求范围内的实施方案。

Claims (10)

1.采用高压塔和低压塔对馈送空气进行低温精馏生产低纯度氧的方法，它包括：

(A)把馈送空气的第一部分送入高压塔；

(B)与低压塔的底部液体进行间接热交换，使第二蒸汽空气部分部分地发生冷凝，以产生第一蒸汽空气部分；

(C)在低压塔内，在与底部液体热交换的上方，与液体进行间接热交换，使第一蒸汽空气部分部分地发生冷凝，以便产生第二蒸汽空气部分和富氧液体空气；

(D)将第二蒸汽空气部分通入高压塔并将富氧液体空气至少通入高压塔和低压塔的一个中；

(E)用低温精馏的方法在高压塔内生产富氧液体和富氮液体并将富氧液体和富氮液体从高压塔送入低压塔；以及

(F)用低温精馏的方法在低压塔内生产低纯度氧并从低压塔回收低纯度氧。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：第二蒸汽空气部分在通入高压塔之前就进行涡轮膨胀。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于：在通入高压塔之前，就在低压塔内，在与产生第二蒸汽空气部分的热交换的上方与液体进行间接热交换，使第二蒸汽空气部分部分地发生冷凝；

4.权利要求1所述的方法，其特征在于：在通入低压塔之前，在低压塔内，在与产生第二蒸汽空气部分的热交换的上方与液体进行间接热交换，使富氮液体发生冷凝；

5.权利要求1所述的方法，其特征在于：它还包括使第三馈送空气部分进行涡轮膨胀并将这经涡轮膨胀的第三馈送空气部分送入低压塔。

6.低温精馏馈送空气生产低纯度氧的设备，包括：

(A)具有一个底部再沸器的第一塔；

(B)将馈送空气送入第一塔的装置和将馈送空气通入底部再沸器的装置；

(C)一个在第二塔内，在底部再沸器之上的第一中间热交换器和一个将蒸汽从底部再沸器送入第一中间热交换器的装置；

(D)一个将液体从第一中间热交换器送入第一塔的装置；

(E)一个将液体从第一塔送入第二塔的装置；以及

(F)一个从第二塔的下部回收低纯度氧产品的装置。

7.权利要求6所述的设备，还包括一个涡轮膨胀机，其特征在于：这个涡轮膨胀机就包含在将液体从第一中间热交换器送入第一塔的装置之中。

8.权利要求6所述的设备，还包括一个在第二塔内，在第一中间热交换器上方的第二中间热交换器，其特征在于：这个第二中间热交换器就包含在将液体从第一中间热交换器送入第一塔的装置之中。

9.权利要求6所述的设备，还包括一个在第二塔内，在第一中间热交换器上方的冷凝器，而且在用来将液体从第一塔送入第二塔的装置中就包含有用来将蒸汽从第一塔送入冷凝器的装置和用来将液体从冷凝器送入第二塔的装置。

10.权利要求6所述的设备，还包括一个馈送空气涡轮膨胀机，用来将馈送空气送入馈送空气涡轮膨胀机的装置，以及将馈送空气从馈送空气涡轮膨胀机送入第二塔的装置。

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