CN101103240A - 通过低温蒸馏分离空气的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开内容讨论了与空气分离单元内的单元和设备的设计、布局和构造相关的问题。本公开内容的发明提供了一种使用多个分立的过冷器(12，14)的方法和装置。离开低温蒸馏塔的氮流(10)冷却过冷器内的流(20，22，24，26)。通过具有至少两个过冷器，氮排放物(废氮或产品流)的尺寸可减小。这节省了制造成本，并通过减小管道系统和设备内的热应力而提高了可靠性。过冷器冷却来自主热交换器(8)或分离塔系统的富液流、贫液流、液氧流和/或液空流。本公开内容还讨论了过冷器与主热交换器的结合。

Description

通过低温蒸馏分离空气的方法和装置
技术领域
本发明用于通过低温蒸馏进行的空气分离。
背景技术
多年来，已做出许多努力来改进生产工艺并降低操作和设备的成本。一种降低空气分离单元的成本的方法是减小设备和管道系统的尺寸和复杂性。
常常在双塔分馏器内通过低温蒸馏分离空气，这包括将被压缩、冷却和净化的空气供给至高压塔的步骤，在高压塔内空气分离成位于塔顶部的第一富氮流和位于塔底部的第一富氧流。第一富氧流的至少一部分供给至低压塔以生成位于顶部的第二富氮流和位于底部的第二富氧流。第二富氧流在低压塔的底部被分离，而第二富氮流在低压塔的顶部被分离。
有时在三塔分馏器内通过低温蒸馏分离空气，这包括将被压缩、冷却和净化的空气供给至高压塔的步骤，在高压塔内空气分离成位于塔顶部的第一富氮流和位于塔底部的第一富氧流。第一富氧流的至少一部分供给至中压塔以生成位于顶部的第二富氮流和位于底部的第二富氧流。第二富氮流的至少一部分被送至低压塔或送至氩塔的顶部冷凝器，而第二富氧流被送至低压塔。第三富氧流在低压塔的底部被分离，而第三富氮流在低压塔的顶部被分离。通常，蒸馏塔相互堆叠。
然后，离开低压塔(或者在三塔的情况下为低压塔和中压塔)的非常冷的氮从分离系统中作为产品或废气被除去。为了辅助分离并节约能源成本，使冷的氮流通过过冷器，在过冷器中蒸馏塔液体被冷却，同时在氮被送到主热交换器之前加热氮。在主热交换器中，进入的空气在被引入低温分离系统之前被排出的产品和废流冷却。本领域的普通技术人员已知，主热交换器可分成两个单元，其中一个单元包含压力较高的气体而另一个单元包含压力较低的气体。
相对于本发明而言并不属于现有技术的US专利No.6,202,441、No.6,276,170、No.6,314,757和No.6,347,534进一步说明了本领域内已知的低温分离方法，并公开了与空气的低温分离相关的信息。但是，这些参考内容存在下述的一个或多个缺点。
现代空气分离单元的生产能力不断提高，从而单元在物理外形上变得更大。较大的设备和管道系统导致布局、装备和管道系统的设计问题。例如，现在每天5,000吨的单元具有来自低压塔顶部的用于供给过冷器的72英寸的管路。当氮在过冷器内变热时，其膨胀，这需要更大的、94英寸的管路以离开过冷器。这些大管路导致非常大的低温包封件，并且会给设计者带来严重的热应力问题。此外，现代过冷器通常是具有高度紧凑设计的钎焊翅片热交换器。因此，设计者面临为大管路进入和离开单个小而紧凑的热交换器安排路线的重要问题。此外，热交换器的制造者必须在钎焊翅片热交换器上安装较大的集管以便于接收和排放氮流。这些设计问题会导致在较大的设备部件内产生热应力、设备成本较高和工厂区域较大的问题。
因此，本发明的目的是提供一种允许离开低温分离塔的氮分离成供给至多个过冷器的多股流的方法/过程设计和装置构型。通过提供多个冷却不同的分离流的过冷器，氮流被分开并且管路尺寸显著减小。因此，可缓解/减少与过冷器区域内的大管道系统和集管相关联的设计问题和增加的成本。
本发明的另一个目的是通过使过冷器与相应的主热交换器结合/集成来简化管道系统并降低设备成本。通过使这两者相结合，可省略过冷器和主热交换器之间的管道系统。
发明内容
本发明涉及一种用于通过低温蒸馏来分离空气的方法/过程和装置，其满足减小与空气分离单元相关联的管道系统和设备的尺寸的需求。根据本发明，离开分离塔系统的氮流分成两股或多股流，每股流(分别)被送至分立/分离的过冷器。
根据本发明，提供了使用至少两个分立的过冷器通过低温蒸馏分离空气的方法，该方法包括以下步骤：
a)压缩空气流；
b)在主热交换器内冷却所述空气流；
c)将所述空气流供给至分离塔系统；
d)在所述分离塔系统内从所述空气流中分离出至少一股氮流；
e)从所述分离塔系统中除去第一过冷器氮流和第二过冷器氮流；
f)使所述第一过冷器氮流通过第一过冷器；
g)使所述第二过冷器氮流通过第二过冷器；
h)在所述第一过冷器氮流通过所述第一过冷器之后，将所述第一过冷器氮流送至所述主热交换器；
i)在所述第二过冷器氮流通过所述第二过冷器之后，将所述第二过冷器氮流送至所述主热交换器；
j)在所述第一过冷器内至少冷却第一过程流(process stream)；以及
k)在所述第二过冷器内至少冷却第二过程流。
应当指出，上述空气流可分成并且优选地分成具有多种压力的多股流。按照系统的操作要求，这些流被冷却并供给至分离塔系统。此外，上述分离塔系统可以是用于将空气分离成其组分的多种方法中的任何一种的那些系统。
根据本发明的可选实施例：
-所述主热交换器包括低压主热交换器和高压主热交换器；
-在所述第一过冷器氮流通过所述低压过冷器之后，所述第一过冷器氮流供给至所述低压主热交换器；
-所述第一过冷器与所述低压主热交换器相结合；
-在所述第二过冷器氮流通过所述高压过冷器之后，所述第二过冷器氮流供给至所述高压主热交换器；
-所述第二过冷器与所述高压主热交换器相结合；
-所述氮流来自双空气分离塔或三空气分离塔的低压分离塔，或来自三空气分离塔的中压塔；
-所述第一过冷器氮流和所述第二过冷器氮流的流量由控制系统控制；
-所述控制系统包括第一控制阀和第二控制阀；
-所述第一过程流选自包括富液(rich liquid)流、液空(液态空气)流、贫液(lean liquid)流、液氧(液态氧)流和它们的组合的流组；
-所述第二过程流选自包括富液流、液空流、贫液流、液氧流和它们的组合的流组；
-过程流一分为二以形成第一过程流和第二过程流；
-从分离塔系统中除去氮流并划分该氮流以形成第一和第二过冷器氮流。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用至少两个分立的过冷器通过低温蒸馏来分离空气的装置，该装置包括：
a)分离塔系统，
b)第一过冷器，
c)第二过冷器，
d)主热交换器，
e)用于将氮从所述分离塔系统送至所述第一过冷器的管道，
f)用于将氮从所述分离塔系统送至所述第二过冷器的管道，
g)用于将氮从所述第一过冷器送至所述主热交换器的管道，
h)用于将氮从所述第二过冷器送至所述主热交换器的管道，
i)用于将第一热流送至所述第一过冷器的管道，其中所述第一热流在所述第一过冷器内被冷却，
j)用于将第二热流送至所述第二过冷器的管道，其中所述第二热流
在所述高压过冷器内被冷却，
k)用于将第一被冷却流从所述低压过冷器送至所述分离塔系统的管道，和
l)用于将第二被冷却流从所述高压过冷器送至所述分离塔系统的管道。
根据其它选择：
-存在控制系统，其中所述控制系统控制送至所述第一过冷器和所述第二过冷器的氮流的流量；
-所述主热交换器包括低压主热交换器和高压主热交换器；
-所述用于将氮从所述第一过冷器送至所述主热交换器的管道将氮从所述第一过冷器送至所述低压主热交换器；
-所述用于将氮从所述第二过冷器送至所述主热交换器的管道将氮从所述第二过冷器送至所述高压主热交换器；
-所述第一过冷器与所述低压主热交换器相结合；
-所述第二过冷器与所述高压主热交换器相结合；
-存在用于划分来自塔系统的塔的氮流以形成第一和第二过冷器流的装置。
本发明具有减小管道尺寸的优点，从而解决了与过冷器、管道系统和相关设备有关的设计和构造问题。改进的设计降低了过冷器的制造成本和工厂建设成本。系统还具有通过减小热应力并从而降低设备故障率而提高安全性和可靠性的优点。
可选地，主热交换器可分成多个分立的单元，以降低复杂性，降低成本，并改进分离系统的布局。
作为另一种改进方案，本发明的过冷器可与分立的主热交换器相结合以进一步降低管道系统的复杂性和设备成本。
附图说明
图1是本发明的低温方法的一个优选实施例的示意图。
图2是本发明的低温方法的第二优选实施例的示意图。
图3是本发明的低温方法的第三优选实施例的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于通过低温蒸馏分离空气的方法和装置，该方法和装置满足减小与空气分离单元相关联的管道系统和设备的尺寸的需求。本发明将离开分离塔系统的氮流分成两股或多股流，每股流被送至分立的过冷器。
如本文中所用，“分离塔系统”是指将空气分离成其组分所需的塔的组合。典型的空气分离方法具有结合在一个系统中的三个塔部件。底部塔是高压塔，中间塔是中压塔而顶部塔是低压塔。塔以及相关联设备的组合构成分离塔系统。分离塔系统通常从空气中分离出氮和氧，但是可包括分离空气的氩、氙、氪或其它组分的系统。
如本文中所用，术语“塔”是指蒸馏或分馏塔或区域即接触塔或区域，其中液相和气相逆流地接触，例如通过气相和液相在安装于塔内的一系列垂直隔开的盘或板上和/或在封装元件(packing element)如结构化或无规则的封装件上接触，以实现流体混合物的分离。
如本文中所用，术语“过冷器”是指用于冷却所述过程的液体的装置，该装置在离开分离塔系统的氮通到主热交换器之前使用所述氮冷却过程流。“过冷”通常是指将流冷却到比在现有压力下的液体饱和温度低的温度。但是，在本发明中，过冷器可用于仅冷却过程流。过冷器通常使离开低温塔的冷的氮流以与较热的塔流逆流的方式通过，以便使塔流过冷，并在离开的氮流通到主热交换器之前使该氮流变热。
如本文中所用，术语“主热交换器”是指通过使冷的离开流与热的进入流相逆流地通过来冷却进入流的热交换器。主热交换器可分成两个或多个分立的主热交换器，被称为高压主热交换器(HPMHE)和低压主热交换器(LPMHE)。HPMHE接纳所有处于高于给定压力的压力下的流，而LPMHE接纳所有处于低于给定压力的压力下的流。这样，LPMHE的结构可不如HPMHE坚实。HPMHE接纳高压进入空气，在一个实施例中该高压进入空气在高于40bar的压力下进入。LPMHE接纳中压进入空气，在一个实施例中该中压进入空气在大约6bar的压力下进入。
如本文中所用，“低压氮”是指来自低压分离塔顶部的氮。在一个实施例中，低压氮在大约1-2bar的压力下离开低压塔。
如本文中所用，“中压氮”是指来自中压分离塔顶部的氮。
如本文中所用，“富液”是指来自高压分离塔底部的富氧的液流。在一个实施例中，此液流在大约6bar的压力下工作。
如本文中所用，“贫液”是指来自高压分离塔上部的氧贫乏的液流。在一个实施例中，此液流在大约6bar的压力下工作。
如本文中所用，“液空”是指液态空气，例如离开高压塔的通常在中间部分的侧面的液流。在一个实施例中，此液流在大约6bar的压力下工作。
如本文中所用，“液氧流”(Lox)是指来自中压塔底部的液流。在一个实施例中，此液流在大约2bar的压力下工作。
如本文中所用，“中压空气”(MP Air)是指来自初级空气压缩系统而没有被进一步压缩的进入空气流。此流在冷却之后作为气体供给至高压分离塔的底部。在一个实施例中，中压空气在大约6bar的压力下进入高压塔。
如本文中所用，“受热氮流”是指离开主热交换器的低压氮流。这可被称为废氮，或是产品。在一个实施例中，受热氮流在大约1-2bar的压力下离开主热交换器。如果主热交换器分成两个分立的装置，则离开低压主热交换器的氮流在此被称为第一受热氮流，而离开高压主热交换器的氮流在此被称为第二受热氮流。
如本文中所用，“低压氧流”(LPox)是指离开分离塔系统的氧流。在一个实施例中，此流在被送至主热交换器之前被泵加压到大约12bar的压力。
如本文中所用，“高压氧流”(HPox)是指在被泵加压到高压之后的离开分离塔系统的氧流。在一个实施例中，此流在被送至主热交换器之前被泵加压到大约73bar的压力。
如本文中所用，“高压液氮流”(HP Lin)是指在压力升高之后而在在主热交换器内被加热之前离开分离塔系统的氮流。在一个实施例中，此流被泵加压到大约11.5bar的压力。
如本文中所用，“第一高压空气流”(First HP Air)是指已经通过初级压缩系统和增压压缩机的进入主热交换器的空气流。在一个实施例中，此压力升高到大约50bar。
如本文中所用，“冷却的第一高压空气流”是指在主热交换器内冷却之后的First HP Air流。此流通常在在膨胀阀或膨胀涡轮内膨胀之后供给到中压塔的侧面。
如本文中所用，“第二高压空气流”(Second HP Air)是指已经通过初级压缩系统和增压压缩机的进入主热交换器的空气流。在一个实施例中，此压力升高到大约69bar。
如本文中所用，“冷却的第二高压空气流”是指在主热交换器内冷却之后的Second HP Air流。此流通常在在膨胀阀或膨胀涡轮内膨胀之后供给到高压塔的侧面。
如本文中所用，“低压液氧流”(LP Lox)是指在低于高压液氧流的压力下工作的在在主热交换器内汽化之前离开分离塔系统的氧流。在一个实施例中，LP Lox在大约12bar的压力下工作。
如本文中所用，“高压液氧流”(HP Lox)是指被泵加压到高工作压力的在在主热交换器内汽化之前离开分离塔系统的氧流。在一个实施例中，HP Lox在大约73bar的压力下工作。
如本文中所用，“冷却的中压空气流”(CMP air)是指在冷却之后的来自初级入口压缩系统的MP Air流。此流供给至高压分离塔的底部。
参照图1，本发明的一个实施例通过将空气压缩成中压空气流(MPAir)2、第一高压空气流(First HP Air)4和第二高压空气流(Second HPAir)6而将空气分离为各组分。这些流在主热交换器8内冷却，然后供给至分离塔系统ASU。分离塔系统从空气流中分离出低压氮流10以便将其从系统中除去。所述方法至少利用第一过冷器12和第二过冷器14来冷却来自分离塔系统的进入供给流，同时在低压氮通往主热交换器8时对其加热。第一过冷器12和第二过冷器14是分立的单元。设计和制造低温过冷器领域的普通技术人员可制造本发明所要求的分立的过冷器。
再参照图1，低压氮流10分成第一过冷器氮流16和第二过冷器氮流18。低压氮流10是来自分离塔系统ASU内的任何塔的排放物。低压氮流10可以是来自分离塔系统的低压塔(未示出)的排放物、来自中压(intermediate pressure)塔的排放物、来自中压(medium pressure)塔的排放物、这些流的组合，或离开分离塔系统的任何冷的排放流。在一个实施例中，来自低压塔的排放物被送至一个过冷器而来自中压塔的排放物被送至另一个过冷器。
再参照图1，第一过冷器氮流16在第一过冷器12内变热，同时冷却来自分离塔系统的流。第一过冷器12优选地冷却富液流20、空气液体流22或这两者。但是，第一过冷器12也可冷却空气分离单元的任何过程流，包括贫液流、液氧流和它们的组合。类似地，第二过冷器氮流18在第二过冷器14内变热，同时使来自分离塔系统的流过冷。第二过冷器14优选地冷却贫液流24、液氧流26或这两者。第二过冷器14也可冷却空气分离单元的任何过程流，包括富液流20、空气液体流22和它们的组合。
仍参照图1，离开第一过冷器12和第二过冷器14的氮流被送至主热交换器8，以冷却中压空气流(MP Air)2、第一高压空气流(HP air 1)4和第二高压空气流(Second HP Air)6。离开第一过冷器12和第二过冷器14的氮流优选地在分离的管路内被送至主热交换器8，但是可组合到供给至主热交换器8的一条管路内。
第一过冷器氮流16的流量和第二过冷器氮流18的流量优选地但并非必须地由位于它们各自的流动管道内的第一控制阀32和第二控制阀34控制。这些控制阀优选地但并非必须地位于主热交换器8的出口。各个流的流量优选地由一控制模式控制，该控制模式基于第一过冷器12和第二过冷器14之间的比率划分低压氮流10。
本领域的普通技术人员应认识到，分离塔系统通常产生低压液氧流(LP Lox)36、高压液氧流(HP Lox)38和高压液氮流(HP Lin)40。这些流也被传送通过主热交换器8以对进入的空气流进行冷却。
本领域的普通技术人员还应认识到，在本领域内存在用于压缩空气的多种已知构型，包括使用多个压缩系统。First HP Air 4和Second HP Air 6的流通常在高于40bar的压力下进入主热交换器。MP Air 2通常在大约6bar的压力下进入主热交换器，但也可为大约4bar到大约10bar。此外，还应认识到，可存在比本发明的实施例内所示的三个流更多或更少的分离空气流。
另外，本领域的技术人员应认识到，可用于本发明的用于分离空气组分的分离塔系统存在多种构型。该应用的实施例涉及典型的包括高压分离塔、中压分离塔和低压分离塔的分离塔系统。但是，本发明可用于分离空气组分的任何分离塔系统。
图2的实施例利用了与上述方法相同的方法。但是，在该实施例中，主热交换器被分成分立的热交换器——低压主热交换器(LPMHE)42和高压主热交换器(HPMHE)44。离开第一过冷器12的低压氮优选地但非必须地被送至LPMHE 42。类似地，离开第二过冷器14的低压氮优选地但非必须地被送至HPMHE 44。本领域的普通技术人员已知如何设计和制造LPMHE和HPMHE。
图3的实施例也使用如上所述与图1的相同方法。同样，类似于图2的方法，主热交换器被分成分立的热交换器——低压主热交换器(LPMHE)42和高压主热交换器(HPMHE)44。但是，在图3的实施例中，第一过冷器12结合在LPMHE 42内，而第二过冷器14结合在高压主热交换器44内。低温热交换器制造领域内的普通技术人员可设计和制造本发明的成一体的热交换器。
尽管已参照本发明的特定优选形式详细地说明了本发明，但是可存在其它形式。例如，分离塔系统可包括两个塔，或者可包括氩分离部分。同样，主热交换器可包括一个、两个或多个分立的热交换器。此外，本发明可在分离过程中应用于两个、三个或多个过冷器，其中过程流在分立的过冷器之间被划分。此外，可存在过冷器和主热交换器的可选构型，例如第二过冷器与HPMHE结合，而第一过冷器和LPMHE是分立的单元，或者第一过冷器与LPMHE结合，而第二冷却器和HPMHE是分立的单元。在本领域内还已知多种控制模式来控制经过本发明的过冷器的氮的流量或压力，例如齐备的调节器、压力控制阀、流量孔、流量控制阀或其它流量调节装置。因此，所附权利要求的精神和范围应当不限于对包含在本文中的优选形式的说明。
在本说明书内公开的所有特征(包括任何附属的权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等效或类似用途的可选特征来替换，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅仅是一类等同或类似特征的一个示例。

Claims (20)

1.一种使用至少两个分立的过冷器通过低温蒸馏分离空气的方法，该方法包括以下步骤：
a)压缩空气流；
b)在主热交换器(8，42，44)内冷却所述空气流；
c)将所述空气流供给至分离塔系统；
d)在所述分离塔系统内从所述空气流中分离出至少一股氮流；
e)从所述分离塔系统中除去第一过冷器氮流(16)和第二过冷器氮流(18)；
f)使所述第一过冷器氮流通过第一过冷器(12)；
g)使所述第二过冷器氮流通过第二过冷器(14)；
h)在所述第一过冷器氮流通过所述第一过冷器之后，将所述第一过冷器氮流送至所述主热交换器；
i)在所述第二过冷器氮流通过所述第二过冷器之后，将所述第二过冷器氮流送至所述主热交换器；
j)在所述第一过冷器内至少冷却第一过程流(20，22)；以及
k)在所述第二过冷器内至少冷却第二过程流(24，26)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主热交换器包括低压主热交换器(42)和高压主热交换器(44)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一过冷器氮流(28)通过所述低压过冷器(12)之后，将所述第一过冷器氮流供给至所述低压主热交换器(42)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一过冷器与所述低压主热交换器相结合。
5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其特征在于，在所述第二过冷器氮流(30)通过所述高压过冷器(14)之后，将所述第二过冷器氮流供给至所述高压主热交换器(44)。
6.根据权利要求2、3、4或5所述的方法，其特征在于，所述第二过冷器与所述高压主热交换器相结合。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述氮流来自双空气分离塔或三空气分离塔的低压分离塔或来自三空气分离塔的中压塔。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一过冷器氮流(16)和所述第二过冷器氮流(18)的流量由控制系统控制。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制系统包括第一控制阀和第二控制阀。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一过程流(20，22)选自包括富液流、液空流、贫液流、液氧流和它们的组合的流组。
11.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二过程流(24，26)选自包括富液流、液空流、贫液流、液氧流和它们的组合的流组。
12.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括从所述分离塔系统中除去氮流，并划分该氮流以形成第一和第二过冷器氮流。
13.一种用于使用至少两个分立的过冷器通过低温蒸馏来分离空气的装置，该装置包括：
a)分离塔系统(ASU)，
b)第一过冷器(12)，
c)第二过冷器(14)，
d)主热交换器(8，42，44)，
e)用于将氮流(10，16)从所述分离塔系统送至所述第一过冷器的管道，
f)用于将氮流(10，18)从所述分离塔系统送至所述第二过冷器的管道，
g)用于将氮(28)从所述第一过冷器送至所述主热交换器的管道，
h)用于将氮(30)从所述第二过冷器送至所述主热交换器的管道，
i)用于将第一热流(20，22)送至所述第一过冷器的管道，其中所述第一热流在所述第一过冷器内被冷却，
j)用于将第二热流(24，26)送至所述第二过冷器的管道，其中所述第二热流在所述高压过冷器内被冷却，
k)用于将第一被冷却流从所述低压过冷器送至所述分离塔系统的管道，以及
l)用于将第二被冷却流从所述高压过冷器送至所述分离塔系统的管道。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，该装置还包括控制系统，其中所述控制系统控制送到所述第一过冷器和所述第二过冷器的氮流的流量。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述主热交换器包括低压主热交换器(42)和高压主热交换器(44)。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述用于将氮(28)从所述第一过冷器(12)送至所述主热交换器的管道将氮从所述第一过冷器送至所述低压主热交换器(42)。
17.根据权利要求15或16所述的装置，其特征在于，所述用于将氮(30)从所述第二过冷器(14)送至所述主热交换器的管道将氮从所述第二过冷器送至所述高压主热交换器(44)。
18.根据权利要求15、16或17所述的装置，其特征在于，所述第一过冷器(12)与所述低压主热交换器(42)相结合。
19.根据权利要求14、15、16或17所述的装置，其特征在于，所述第二过冷器(14)与所述高压主热交换器(44)相结合。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括用于划分来自塔系统的塔的氮流以形成第一和第二过冷器流的装置。
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