CN100547327C - 使用低温蒸馏的空气分离方法 - Google Patents

Abstract

在一种用于在包括至少一个至少生产气态氧和/或氮作为产品的塔(1，3)的塔(1，3)系统内通过空气低温蒸馏将空气分离成至少一种组分的方法中，如果最大直径的塔的操作压力为P＞2bar abs，则此塔的直径(用米表示)小于(I)，其中：Q_air是供给塔系统的空气流量(用Nm³/h表示)的和，K是塔的每单位面积的容量，P₀等于2bar abs。

Description

使用低温蒸馏的空气分离方法

技术领域

本发明涉及一种使用低温蒸馏的空气分离方法。更具体地，本发明涉及用于在包括至少一个在低压下操作的塔和至少一个在高压下操作的塔的单元内以大于90％的产率生产含量大于90mol％的大量氧的空气分离方法，该单元的至少一个塔包含至少一个交叉波纹规整填料区段。

背景技术

EP-A-0367817和EP-A-0491591说明了交叉波纹填料。

US-A-5653126说明了使用具有低HETP的密度至少为500m²/m³的交叉波纹规整填料进行空气分离。

通常，交叉波纹填料具有与该填料安装在其中的塔的轴线成45°的波纹。填料可有孔或无孔，并通常由折叠的金属箔带形成。

尽管经常使用加压蒸馏方法(其中塔在高于2bar abs的压力下操作)，但是对大容量的气体分离单元(每天生产的气体多于2000吨)的需求的增加已导致设计直径增大的蒸馏塔的需要。

当元件的直径超过3米乃至4.5米时，运输问题会变得非常严重，并且这有时对于直径大约6米的塔而言是不可克服的。

对于包含热联接到低压塔的中压塔的单元，或者包含三个塔--包括热联接到低压塔的中压塔以及由该中压塔供给的中间压力塔--的单元，如果希望增加低压塔的氧气产量(用纯产品的t/d表示)与横截面(用m²表示)的比率，即对于恒定的氧产量(或给定的空气通过量)减小低压塔的直径，则最好的解决方案是：

·增加从中压塔(或从中间压力塔)抽出的氮，但是在高于代表空气通过量的15-20％之间的抽出水平时发现：

о对于给定的氧纯度，单元的氧产量明显降低，

о或者，对于给定的氧气抽出量，氧纯度明显降低；

·增加单元的压力(低压＞2bar abs)，但是如果废氮的压力没有被利用(即通过膨胀以便得到液体或作为产品压力)，则从能量角度看非常不利。

在生产大量氧和氮的气体分离单元中，如果希望减小此塔的直径，最好的解决方案是：

·增加贫液以及液态氮的抽出量，但是在高于一定比率时发现，氮和贫液的纯度明显降低而单元的氧产量暴跌；

·增加吹送的空气的流量，但是在高于一定比率时，单元的性能大大变差--氧产量(或氧纯度)降低，中压下的气态氮(或中压下的气态氮的纯度)减小；

·增加液态空气流量，但是此流量由所泵送产品的产量以及液态产品(液态氧、液态氮、液态氩)的产量或能量的实际损耗设定；

·增加单元的压力(中压＞8bar abs)，但是如果废氮的压力没有被利用(即通过膨胀以便得到液体或作为产品压力)，则从能量角度看非常不利。

发明内容

本发明的目的是通过允许对于给定的氧产量减小塔的直径来减轻现有技术的问题。

本发明的一个目的是提供一种用于在包括至少一个塔的塔系统内通过空气低温蒸馏将空气分离成至少一种组分的方法，所述至少一个塔用于

a)至少生产气态氧作为产品，氧产率大于90％(优选地95％)，并且氧纯度大于90mol％(优选地95mol％乃至99mol％)，和/或

b)至少生产氮，氮产率大于85％(优选地大于90％)，并且氮纯度大于99mol％(优选地99.99mol％乃至99.999mol％)，

其特征在于：

·如果最大直径的塔的操作压力为P＜2bar abs，则此塔的直径(用米表示)小于：

${\left(\frac{{4Q}_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\πK}}\right)}^{1/2}$

·如果最大直径的塔的操作压力为P＞2bar abs，则此塔的直径(用米表示)小于：

${\left[\frac{{4Q}_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\πK}{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{0.35}}\right]}^{1/2}$

其中：

Q_air是供给塔系统的空气流量(用Nm³/h表示)的和；

K是塔的每单位面积的容量，并且至少等于22153Nm³/m²(21000Sm³/m²)(优选地至少为24263Nm³/m²(23000Sm³/m²)乃至至少为26372Nm³/m²(25000Sm³/m²))；以及

P₀等于2bar abs。

产率是所有富氧产品中的氧分子数相对于分离单元的原料空气中的氧分子数的百分比。

塔的每单位面积的容量是被送到塔内的气体的摩尔体积与塔的平均横截面的比率。

根据其它可选的特征：

-塔系统的最大直径的塔包含至少一个填充有气体/液体接触器的区段，该气体/液体接触器允许气相和液相之间进行材料交换，其效率由小于350mm(优选地小于300mm)的TUH(传质单元高度)限定；

-所述气体/液体接触器包括密度小于500m²/m³、优选地小于400m²/m³的交叉波纹规整填料；

-塔系统包括至少一个由中压塔和低压塔形成的双塔，该中压塔热联接到该低压塔，并且该低压塔构成最大直径的塔；

-所生产的氧与低压塔的横截面的比率大于或等于150t/d/m²；

-被送到塔系统中的空气的流量与低压塔的横截面的比率不小于22153Nm³/h/m²(21000Sm³/h/m²)，优选地不小于24263Nm³/h/m²(23000Sm³/h/m²)，更优选地不小于26372Nm³/h/m²(25000Sm³/h/m²)；

-被送到中压塔中的气态空气与低压塔的横截面的比率不小于18988Nm³/h/m²(18000Sm³/h/m²)(优选地不小于21098Nm³/h/m²(20000Sm³/h/m²)，更优选地不小于23208Nm³/h/m²(22000Sm³/h/m²))；以及

-所述中压塔的至少一个区段容纳有密度不超过500m²/m³乃至400m²/m³的交叉波纹规整填料。

本发明的另一个目的是提供一种使用低温蒸馏的空气分离单元，该单元包括塔系统，最大直径的塔的直径在3m和6m之间，该最大直径的塔包含至少一个气体/液体接触器区段，该气体/液体接触器区段包括密度不超过500m²/m³乃至400m²/m³的交叉波纹规整填料。令人惊讶地，这在经济上是有利的，因为即使增加了塔的高度并且修改了结构，直径减小的效果也是最主要的。此外，可通过将塔区段与流体传送管并排地放置在希望位置来解决增加的高度的缺陷。

优选地，最大直径的塔仅包含密度不超过500m²/m³乃至400m²/m³的交叉波纹规整填料。

在某些情况下，塔系统的所有塔仅包含密度不超过500m²/m³乃至400m²/m³的交叉波纹规整填料。

如果流体是该空气分离单元的产物，其一种组分的含量如下，则该流体可被称为“产品”：

-如果该组分为氧，含量大于85mol％；

-如果该组分为氮，含量大于95mol％。

组分的萃取效率通过经由原料流体进入分离单元的所述组分的摩尔量与经由产品离开的相同组分的摩尔量的比率定义，此组分的含量大于或等于上述含量。

可将密度不超过500m²/m³乃至400m²/m³的交叉波纹规整填料安装在双塔的中压塔和/或低压塔、三(Etienne)塔的中压塔和/或低压塔和/或中间压力塔、氩塔、混合塔或者任何其它类型的空气分离塔内。

如果填料的平均密度(没有扣除任何穿孔的面积)不超过500m²/m³，则该填料的密度小于500m²/m³。

附图说明

下面将参照附图更详细地说明本发明。

图1示出根据本发明的空气分离单元。

具体实施方式

在根据本发明的单元中，双塔包括在5bar abs和20bar abs之间的压力下操作的中压塔1以及在1.2bar abs和8bar abs之间的压力下操作的低压塔3。低压塔的直径大于中压塔，但是在一些情况下，中压塔的直径可大于低压塔。这两个塔通过例如浴槽式的再沸器/冷凝器5相互热联接。

低压塔3仅容纳有密度不超过500m²/m³--例如密度为400m²/m³--的规整填料区段。

中压塔1仅容纳有密度接近或等于上述值的规整填料区段。

将已冷却和净化的空气流7送到中压塔1内，并且在膨胀步骤之后，将富氧和富氮液体流9、11从中压塔送到低压塔。

从低压塔底部抽出的是作为产品的气态氧流13，其中氧产率大于90％(优选地大于95％)。氧纯度大于90mol％(优选地大于95mol％乃至99mol％)。

在低压塔的顶部，以大于85％(优选地大于90％)的氮产率抽出气态氮15。氮的纯度大于99mol％(优选地大于99.99mol％乃至99.999mol％)。

从低压塔的一上部位置抽出废氮流17。

低压塔的直径(用米表示)小于：

${\left[\frac{{4Q}_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\πK}{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{0.35}}\right]}^{1/2}$

其中：

Q_air是供给塔系统的空气流量(用Nm³/h表示)的和；

K是塔的每单位面积的容量，并且至少等于22153Nm³/m²(21000Sm³/m²)(优选地至少为24263Nm³/m²(23000Sm³/m²)乃至至少为26372Nm³/m²(25000Sm³/m²))；以及

P₀等于2bar abs。

为了给出数值示例，假设一设备必须处理527450Nm³/h(500000Sm³/h)的空气通过量。根据本发明，如果低压塔在低于2bar abs的压力下操作，则低压塔的横截面因此小于(500000/21000)m²(优选地小于(500000/23000)m²乃至小于(500000/25000)m²)，并且直径小于：

${\left[\frac{4(500000/21000)}{\mathrm{\π}}\right]}^{1/2}$

即5.5m(优选地5.26m，乃至至多5.05m)。

如果低压塔在3bar abs的压力下操作，则低压塔的横截面因此小于(500000/21000)m²(优选地小于(500000/23000)m²乃至小于(500000/25000)m2)，并且直径小于：

${\left[\frac{4(500000/21000)}{\mathrm{\π}{(3/2)}^{0.35}}\right]}^{1/2}$

即5.13m(优选地4.9m，乃至至多4.7m)。

Claims (23)

1.用于在包括至少一个塔(1，3)的塔(1，3)系统内通过空气低温蒸馏将空气分离成至少一种组分的方法，所述至少一个塔(1，3)用于

a)至少生产气态氧作为产品，氧产率大于90％，并且氧纯度大于90mol％，和/或

b)至少生产氮，氮产率大于85％，并且氮纯度大于99mol％，

其特征在于：

·如果最大直径的塔(3)的操作压力为P＜2bar abs，则此塔的用米表示的直径小于：

${\left(\frac{4Q_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\πK}}\right)}^{1/2}$

·如果最大直径的塔的操作压力为P＞2bar abs，则此塔的用米表示的直径小于：

${\left[\frac{4Q_{\mathrm{air}}}{\mathrm{\πK}{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{0.35}}\right]}^{1/2}$

其中：

Q_air是供给塔系统的用Nm³/h表示的空气流量的和；

K是塔的每单位面积的容量，并且至少等于22153Nm³/m²；以及

P₀等于2bar abs。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，氧产率大于95％。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，氧纯度大于95mol％。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，氧纯度大于99mol％。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，氮产率大于90％。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，氮纯度大于99.99mol％。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，氮纯度大于99.999mol％。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，K至少为24263Nm³/m²。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，K至少为26372Nm³/m²。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述塔系统的最大直径的塔(3)包含至少一个填充有气体/液体接触器的区段，该气体/液体接触器允许气相和液相之间进行材料交换，其效率由小于350mm的传质单元高度限定。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述气体/液体接触器的效率由小于300mm的传质单元高度限定。

12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于，所述气体/液体接触器包括密度小于500m²/m³的交叉波纹规整填料。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述气体/液体接触器包括密度小于400m²/m³的交叉波纹规整填料。

14.根据权利要求1-11中任一项的方法，其特征在于，所述塔系统包括至少一个由中压塔(1)和低压塔(3)形成的双塔，该中压塔热联接到该低压塔，并且该低压塔构成所述最大直径的塔。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，所述方法生产氧，其中所生产的氧与低压塔的横截面的比率大于或等于150t/d/m²。

16.根据权利要求14的方法，其特征在于，被送到塔系统中的空气的流量与低压塔的横截面的比率不小于22153Nm³/h/m²。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于，被送到塔系统中的空气的流量与低压塔的横截面的比率不小于24263Nm³/h/m²。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于，被送到塔系统中的空气的流量与低压塔的横截面的比率不小于26372Nm³/h/m²。

19.根据权利要求14的方法，其特征在于，被送到中压塔(1)中的气态空气与低压塔的横截面的比率不小于18988Nm³/h/m²。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于，被送到中压塔(1)中的气态空气与低压塔的横截面的比率不小于21098Nm³/h/m²。

21.根据权利要求20的方法，其特征在于，被送到中压塔(1)中的气态空气与低压塔的横截面的比率不小于23208Nm³/h/m²。

22.根据权利要求19的方法，其特征在于，所述中压塔(1)的至少一个区段容纳有密度不超过500m²/m³的交叉波纹规整填料。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，所述中压塔(1)的至少一个区段容纳有密度不超过400m²/m³的交叉波纹规整填料。

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