CN101535755A - 低温空气分离系统 - Google Patents

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Abstract

执行空气的低温空气分离的方法，其中在三种物流中处理供给空气。该三种物流处于不同的压力。该三种物流中的一种经涡轮膨胀产生制冷。其余两种物流经冷凝以实现增压产物的气化。

Description

低温空气分离系统
技术领域
本发明总的涉及低温空气分离，更特别地涉及其中供给空气经冷凝以使增压产物流气化的低温空气分离。
背景技术
低温空气分离系统通常使用通常称作液体泵吸(liquid pumping)的方法用于产物增压。液体泵吸是指低温液体产物的直接间接压缩然后使用暖冷凝流体使其气化。在该方法中，将该经泵吸的液态产物中所包含的制冷通过间接热交换引入该压缩/冷凝流体中。这种方法特别适用于特定产物的增压。特别地，通过液氧泵吸可以避免氧压缩机的费用和相关的安全问题。人们对使用完全液体泵吸的方法的兴趣已经提高了。在这种方法中，将氧直接液体泵吸到输出(管线)压力，在该方法内气化。这种方法的优点来自于完全避免使用氧压缩机。与完全氧泵吸相关的新增问题来自于液化所需的非常高压力的空气流。这些高压空气流在该初级热交换器内产生了热力学失配，因此增大了功耗。
在很多情况中，空气是用于气化该泵吸的液氧的优选补偿流体。完全氧液体泵吸相关的新增问题来自于该液氧的气化通常需要高于临界点547磅/平方英寸绝对压力(psia)的空气压力。在低于氧临界点(737psia)的氧压力下，产生相当多的无效热交换。因此，关于热交换设计方法存在相当大的改进空间。已经发现液体泵吸氧方法通常不能根据变化的液体制备而改变。
发明内容
空气的低温分离方法，包括：
A)将第一供给空气流压缩到第一压力，将该经压缩的第一供给空气流冷却，将该经冷却和压缩的第一供给空气流涡轮膨胀，以及使该经涡轮膨胀的第一供给空气流进入包含至少一个塔的低温空气分离装置中；
B)将第二供给空气流压缩到第二压力，将该经压缩的第二供给空气流冷凝，以及使该经冷凝和压缩的第二供给空气流进入该低温空气分离装置中；
C)在低于第一压力的压力下使第三供给空气流冷凝，以及使该经冷凝的第三原料空气流进入该低温空气分离装置中；和
D)在该低温空气分离装置内通过低温精馏分离该供给空气，以制备氧气和氮气中的至少一种。
此处所用的术语“塔”是指蒸馏或分馏塔或区域，即接触塔或区域，其中液相和蒸汽相逆流接触实现流体混合物的分离，例如通过蒸汽相和液相在安装在塔内的一系列垂直间隔的塔盘或塔板和/或例如规整或无规则填料的填料元件上的接触。对于蒸馏塔的进一步讨论，参见Chemical Engineer′s Handbook，第五版，由R.H.Perry和C.H.Chilton编辑，McGraw-Hill Book Company，New York，Section 13，The Continuous Distillation Process。双塔包括具有其顶端与低压塔的底端具有热交换关系的高压塔。
蒸汽和液体接触分离过程取决于该组分的蒸汽压的差别。较高蒸汽压(或较易挥发或较低沸点)的组分将容易集中在蒸汽相中，而较低蒸汽压(或较难挥发或较高沸点)的组分将容易集中在液相中。部分冷凝是由此可以使用蒸汽混合物的冷却来将易挥发组分集中在蒸汽相中以及由此将较难挥发的组分集中在液相中的分离方法。精馏，或者连续蒸馏，是将通过蒸汽和液相的逆流处理得到的连续部分气化和冷凝相结合的分离方法。蒸汽和液相的逆流接触通常是绝热的，可以包括两相之间的整体(逐级)或部分(连续)接触。使用精馏原理分离混合物的分离方法装置通常可互换地称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是至少部分在等于或低于150开氏温度(K)的温度下进行的精馏方法。
此处所用的术语“间接热交换”是指将两种流体在没有物理接触或不将两种流体彼此相互混合的情况下达到热交换关系。
此处所用的术语“供给空气”是指主要包含氧、氮和氩的混合物，例如环境空气。
此处所用的术语塔的“上部”和“下部”分别是指在塔的中点之上和之下的塔的那些部分。
此处所用的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”分别是指用于高压流体流动通过涡轮机以降低该流体的压力和温度由此产生制冷的方法和装置。
此处所用的术语“低温空气分离装置”是指其中通过低温精馏分离供给空气以制备氮、氧和/或氩的一个或多个塔，以及相互连接的管路、阀门、热交换器等。
此处所用的术语“压缩机”是指通过做功提高气体压力的机器。
此处所用的术语“低温冷却”是指将液体冷却到低于现有压力下该液体的饱和温度的温度。
附图简述
唯一的附图是本发明的低温空气分离系统的一种优选实施方式的示意图。
发明详述
本发明是与使用至少一个用于空气分离的塔且使用至少一个用于产生制冷的涡轮膨胀机的低温空气分离装置有关的改进的液氧泵吸方法。特别地，本发明用于使用至少两个补偿或冷凝空气流以便于氧的气化。在其最优选的实施方式中，该泵吸氧气化发生在初级热交换器内，涡轮膨胀轴功用于膨胀气体的压缩。该初级液化的气体优选在专门的和单独的升压空气压缩机中压缩。
将参照附图对本发明进行更详细的描述。现在参照附图，供给空气流1在多级中间冷却空气压缩机100中压缩到在5～15bara范围内的充分升高的压力。压缩机100可以是具有冷凝水出口(未示出)的中间冷却的整体齿轮式压缩机。然后将经压缩的供给空气流2引入预纯化装置110。工艺110可以包括几个单元操作，包括但不限于直接接触水冷却、基于制冷的急冷、与冷却水直接接触、相分离和/或吸收。此外，将物流2脱水并净化除去高沸点杂质(例如烃、二氧化碳等)。该工艺可以通过变温和变压吸附的结合实现。工艺110产生清洁的干空气流3，然后将其分为三部分。
物流3的第一部分(约65～70％)取作第一供给空气流4，将其引入装有涡轮的增压压缩机121。该部分增压和冷却的空气流5(约5～20bara)进一步通过压缩装置130压缩到在20～60bara范围内的第一压力。在初级热交换器200中将所得到的第一供给空气流6冷却到在125～190K范围内的温度，然后在涡轮膨胀机122中膨胀。然后将涡轮机排气8引入塔300的下部，作为初级气态空气进料。塔300是双塔的高压塔，该双塔还包括低压塔310。在图中所示的本发明的实施方式中，该低温空气分离装置包括塔300和310。
物流3的第二部分(20～25％)取作第二供给空气流20。在可以包括多个中间冷却的压缩阶段的压缩机140中将该物流进一步压缩到第二压力，其可以高于第一压力，在25～70巴范围内。该经过压缩和冷却的物流21进一步在热交换器200中冷却，充分冷凝和低温冷却作为物流22离开。然后可以将该物流通过阀门400降低压力，作为物流23、24和25引入高压塔300中。该物流的一部分液可以通过第二膨胀阀420以物流26和27进入低压塔310中。
空气流3的第三部分(5～10％)取作压力低于第一压力的第三供给空气流30。物流30优选引入热交换器200中，在其中将该物流冷却、冷凝和低温冷却，作为物流31离开。然后将物流31引入降压装置410中(如果需要)，作为物流32离开，然后作为进料以物流24的方式引入塔系统中。
塔300和310表示其中蒸汽和液体逆向接触以实现基于气/液传质的各自供给流的分离的蒸馏塔。塔300和310将优选使用填料(规整或乱堆的)或塔盘或其结合。
空气流8和25引入中等压力塔300中。塔300用于将各物流分为富含氮的塔顶物和富含氧的塔底流。塔顶气体50的冷凝是通过珠冷凝器220实现的。由此将冷凝的前若引入塔310的富含氧的塔底流体中。然后将所得到的富含氮的液流51同时作为物流56用作中等压力塔和作为物流55用作低压塔310的回流液体。也从塔300中取出富含氧的液体40，然后引导通过减压阀430，然后作为物流41进入塔310中。塔310在1.1～1.5bara的压力下操作。首先在热交换器310中将富含氮的液体52低温冷却，作为53离开，可以将气分为产物液流54和回流液流55(如前所述)。在塔310中，进一步将物流55、27和41分离为富含氮气的塔顶流60和70以及富含氧的塔底液体80。从低压塔310的上部取出富含氮的物流60和70，顺序通过在热交换器210和200中间接热交换将其加温到常温，然后分别作为加温的低压氮流62和72形成。物流62可以取作副产物氮流，如果需要将其压缩。物流72可以用作再生可以构成预处理装置110的部分的吸附剂系统的清洗/吹扫流体，和/或排放到大气中。
从低压塔310的下部提取富含氧的液体80。然后通过重力压透和机械泵440的结合将该物流压缩。然后可以将该泵吸的液氧流81分为产物液流84(直接储存，未示出)和物流82。物流82经过气化和在热交换器200中的加温，作为压力通常在10～50巴范围内的高压气态物流83形成。在优选实施方式中，在低于泵吸氧流82的起泡点温度的温度下第三供给空气流30/31开始冷凝。优选在高于物流82的起泡点温度的温度下第二供给空气流20/21开始冷凝(或者如果具有超临界压力，开始拟冷凝)。这样，充分降低了压缩机100、140和130的总能耗。图中所示的基础塔系统存在多种改进。该双压力热连接的双塔可以用于回收高纯度和低纯度氧。此外，在回收高纯度氧时，可以在该设计中引入侧臂塔，以实现氩在粗制或精制状态下的回收(作为液体或气体)。可以使用具有该基础结构的各种辅助热交换选择。实例包括在进入塔310之前物流40被物流61和71冷却。如果在该塔系统中引入了氩侧臂塔，可以将该富含氧的液体40用于对该氩冷凝器提供制冷。其它低温空气蒸馏方法可以与本发明结合使用。这些包括热泵吸单一塔，以及使用被中等压力供给空气的冷凝(部分或相反)再沸的低压塔的低纯度氧循环。
关于加温端压缩，可以将压缩装置140、130和涡轮增压机121总体或部分引入联合整体齿轮机中。这种机器将会降低该工艺所需的独立驱动电极(或装置)的数量。这种及其的使用将仍能实施单独和不同的压缩服务。
空气液化流20和30已经用于描述本发明的一般目的。应当理解可以在高于和低于物流82(泵吸液氧)的起泡点温度下都使用多于一个压力等级(用于在温度下冷凝)。
图中所示的液体空气流22和31的设置并不意味着是限定性的。设想了任何组合数。例如，可以将物流31整体或部分通过与传送高压液体空气流22不同的管道引入塔310或300中。同样地，可以将高压液体空气流22整体或部分引入塔300或310中。物流30不必直接源自预处理装置的出口。可替代地，其可以原子压缩装置140的中间级位置。该目的可以用于获得具有足以在低于物流82的起泡点的温度下冷凝的压力的空气流。
外部动力的增压压缩装置130可以重新设置在压缩机121上游(以及净化装置110下游)的位置。例如，物流4可以直接通过压缩机装置130压缩，然后进入涡流增压机单元120中。可替代地，可以将压缩装置130排除在该工艺之外，或周期性将其绕开。
如此所示，压缩装置100可以包括几个中间冷却压缩等级。同样地，物流2的压力可以经选择使得在与塔300底部存在的压力相当的压力下制备清洁的干空气流(物流3)。在这种设置中，可以提取第四空气流，通过热交换器200将其冷却到接近饱和，引入塔300中。对于具有较低的总液体制备需求的装置，这种装置会是有利的。
空气分离领域已知包括多个涡轮膨胀物流。这种设置可以引入本发明中。例如可以在物流7的温度水平之前提取一部分物流6，将其膨胀到接近塔300的压力。然后可以将这一物流在热交换器200中进一步冷却到接近饱和，引入塔300的底部，或与膨胀器122的排出物流8混合。可替代地，空气物流可以膨胀到低压塔310中。
作为另一替代方式，可以将其它少量液氧或液氮流单独泵吸到初级氧流中，然后在热交换器200中气化(与初级氧流合作)。本发明的关键要素仍是第一冷凝物流具有低于构成总加温氧流的大于一半的初级氧流82的冷凝温度。

Claims (10)

1.空气的低温分离方法，包括：
A)将第一供给空气流压缩到第一压力，将该经压缩的第一供给空气流冷却，将该经冷却和压缩的第一供给空气流涡轮膨胀，以及使该经涡轮膨胀的第一供给空气流进入包含至少一个塔的低温空气分离装置中；
B)将第二供给空气流压缩到第二压力，将该经压缩的第二供给空气流冷凝，以及使该经冷凝和压缩的第二供给空气流进入该低温空气分离装置中；
C)在低于第一压力的压力下使第三供给空气流冷凝，以及使该经冷凝的第三原料空气流进入该低温空气分离装置中；和
D)在该低温空气分离装置内通过低温精馏分离该供给空气，以制备氧气和氮气中的至少一种。
2.权利要求1的方法，其中该第二压力大于该第一压力。
3.权利要求1的方法，其中该低温空气分离装置包含低压塔和高压塔。
4.权利要求3的方法，其中该第一供给空气流进入该高压塔。
5.权利要求3的方法，其中该第二供给空气流中至少一些进入该高压塔。
6.权利要求3的方法，其中该第三供给空气流中至少一些进入该高压塔。
7.权利要求1的方法，其中通过与该低温空气分离装置中产生的增压液氧的气化进行间接热交换，将该第二供给空气流冷凝。
8.权利要求7的方法，其中在高于该加压液氧的起泡点温度的温度下，该第二供给空气流开始冷凝。
9.权利要求1的方法，其中通过与该低温空气分离装置中产生的增压液氧的气化进行间接热交换，将该第三供给空气流冷凝。
10.权利要求9的方法，其中在低于该加压液氧的起泡点温度的温度下，该第三供给空气流开始冷凝。
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