CN1083581A - 三塔低温精馏系统 - Google Patents

Abstract

一个直接顺序的三塔低温精馏系统，其中原料流 流过系统从高压到低压不能反向，并能达到空气中的 三种主要成分的高回收率。

Description

本发明一般涉及空气的低温精馏系统，更特别地涉及生产氮气、氧气和氩气的空气低温精馏。

常规的生产氧气或含氮氧气和氩气的低温空分过程通常是以两级压力循环为基础。空气首先被压缩并随后以加热产品流的逆流换热方式冷却。冷却的且压缩的空气被送入两个分馏区，第一个分馏区内的压力与空气压力在同一数量级。第一分馏区与较低压力下的第二个分馏区热连接。这两个区热连接以使第一个区的一个冷凝器使第二区再沸，这些空气在第一区内部分地分离产生一个基本上纯的液氮部分和液态富氧部分。

富氧部分被作为中间原料气供入第二分馏区，来自第一分馏区的基本纯液氮在第二分馏区的顶部用作回流。在这个分馏区内完成分离，从该区底部产生基本纯的氧气以及在顶部产生基本纯的氮气。

当以常规过程生产氩气时，要使用一个第三分馏区。该区的供入料是从第二分馏区中间点抽取的富氩蒸汽部分。第三区的压力与第二区的压力处于同一数量级。在第三分馏区，供入料被分馏成从顶部抽取的富氩流、从第三区底部抽出并在中间点送入第二分馏区的液态流。

第三分馏区的回流是由在顶部的一个冷凝器提供的，在该冷凝器中，富氩蒸汽与另一股流热交换而被冷凝，该股流典型地是来自第一分馏区的富氧部分。然后富氧流在中间点处以部分蒸发状态进入第二分馏区，该中间点高于从第二分馏区抽出第三自分馏区的供入料的抽取点。

把空气，三组分混合物分离成氮气、氩气和氧气可以看作是两个二元分离。第一个二元分离是把高沸点的氧从中沸点的氩中分离开，另一个二元分离是把中沸点的氩从低沸点的氮中分离。这两个二元分离中，前者更困难，要求更多的回流和/或理论上要比后者有更多的分馏塔盘。氩-氧分离是第三分馏区和第二分馏区的第三区供入料的抽取点之下底部段的主要功能，氮-氩分离是第二分馏区在第三分馏区供入料的抽取点之上的上部段的主要功能。

分离的难易是压力的函数，两个二元分离在高压下变得更困难。这一事实说明对传统布置来说第二和第三分馏区的工作压力优选地是近于最小压力即一个大气压。对常规设计来说，由于工作压力增加到比一个大气压高，而增加了氩-氧分离的困难，导致产品回收率大幅度下降。

但是，还有其它的考虑，它们使升高压力的过程也具有吸引力。由于蒸汽浓度的增加减少了蒸馏塔的直径和换热器的横截面。提高压力生产能大幅度压缩投资费用。

在某些情况下，希望有一个燃气发电透平来集合空气的分离。在这些情况下，空气分离过程要在高的压力下运行。供入第一分馏区的空气在升高的压力大约10至20绝对大气压下。这导致第二和第三分馏区中的理论运行压力为3至6绝对大气压。常规设备在这种压力条件下运行，由于前述的压力对分离的难易的影响，会导致极少的产品回收。

因此，本发明的目的是提供一种即使在高压下运行也能通过对供入的空气低温精馏以很高产品回收率生产氮气、氧气和氩气产品的低温精馏系统。

对本领域人员来说在阅读了本发明的公开后上述目的和其它目的将会变得更明显，其中一方面是：

一种用低温精馏空气来生产氮气、氧气和氩气产品的方法，包括：

A）把空气供入工作压力范围为150-350psia下的第一塔中并在第一塔中用低温精馏方法把空气分离成富氮蒸汽和富氧-氩流体;

B）把富氧-氩流体从第一塔中送入运行压力比第一塔低且带有一个底部再沸器的第二塔中，并在第二塔中以低温精馏方式把富氧-氩流体分离成富氮蒸汽和富氧-氩流体;

C）通过与第二塔底部再沸器的富氧-氩流体间接换热冷凝富氮蒸汽以产生富氮液体和富氧-氩蒸汽，把富氮液体用作第一塔的回流液体，并把富氧-氩蒸汽用作第二塔的回流蒸汽。

D）把富氧-氩流体从第二塔中供入工作压力比第二塔低并带有一个底部再沸器的第三塔中，以低温精馏方式把富氧-氩流体在第三塔中分离成富氩流体和富氧流体;

E）回收作为氮气产品的第一部分富氮蒸汽;

F）通过与在第三塔底部的再沸器中的富氧流体间接换热而冷凝第二部分富氮蒸气以生产富氮液体和富氧蒸汽，把富氮液体用作第二塔的回流液，并把富氧蒸汽用作第三塔的回流蒸汽;以及

G）将富氧流体作为氧产品及将富氩流体作为氩产品回收。

本发明的另一方面是：

以低温精馏方式生产氮气、氧气和氩气产品的设备，包括：

A）带有供给装置的第一塔;

B）第二塔，它带有一个底部再沸器、把流体从第一塔底部通入第二塔的装置、及把流体从第一塔上部送入第二塔底部再沸器及从第二塔底部再沸器送入第一塔的装置;

C）从第二塔回收产品的装置;

D）第三塔，它带有一个底部再沸器、把流体从第二塔送入第三塔的装置、及把第二塔上部的流体送入第三塔底部再沸器及把第三塔底部再沸器的流体送入第二塔的装置;

E）从第三塔的下部回收产品的装置;及

F）从第三塔的上部回收产品的装置。

在此所用的术语“塔”是一个蒸馏或精馏塔或区，即一个接触的塔或区，其中液相和汽相逆流地接触以引起流体混合物的分离，如所例，使液相和蒸汽相在汽-液接触元件上接触，这些接触元件是如一系列水平相隔的装在塔内的盘或板，和/或可以是结构性的和不规则的填料元件。为了对蒸馏塔的进一步描述，见由RH.Peary和C.H.Chilton编辑McGraw-Hill书籍公司，纽约出版的“化学工程师手册”，第版，第13章“蒸馏”，B.D.Smith、et  al，第13-3页，“连续蒸馏过程”

蒸汽和液体的接触分离过程有赖于组分的蒸汽压差。高蒸汽压（或易挥发或低沸点）成分将以汽相浓缩而低蒸汽压（或不易挥发或多沸点）成分将以液相浓缩。蒸馏就是分离过程，因此加热液体混合物可用来把挥发成分浓缩成汽相而低挥发成分浓缩成液相。部分冷凝也是分离过程，因为冷却蒸汽混合物可用于把易挥发成分浓缩成汽相而把不易挥发成分浓缩成液相。精馏或连续蒸馏是组合了相继的部分蒸发和冷凝的分离过程，这种蒸发和冷凝是通过汽相和液相的逆流处理而得到的，汽相和液相的逆流接触是等焓的且包括两相之间整体或局部的接触。利用精馏分离混合物的分离过程装置经常可互相交换地叫做精馏塔，蒸馏塔、或分馏塔。低温精馏是一个至少部分地在低温下，如温度在150K或以下完成精馏的过程。

在此所用术语“间接换热”是指把两液体流形成热交换关系而流体彼此之间没有任何物理上的接触或相互混合。

在此所用术语“供入空气”是指一种主要由氮气、氧气和氩气组成的混合物，如空气。

在此所用术语“上部”和“下部”是指分别在塔的中点之上或之下的那些塔的段。

在此所用术语“盘”是指一个接触场所，它不一定是一个平衡的级，而且也可指其它接触装置如与一个盘相等价的有分离能力的填料。

在此所用术语“平衡级”是指一个蒸汽-液体接触级，因而蒸汽和液体离开该级是在传质上平衡的，如一个有100%效率的盘或高度与一理论上的板相等的填料元件。

在此使用的术语“顶部冷凝器”是指一个从塔顶蒸汽中产生一个向下流液体的换热装置。

在此使用的术语“底部再沸器”是指从塔底部液体中产生塔的向上流蒸汽的换热装置，底部再沸器可在塔内或塔外，当底部再沸器在塔内时，底部再沸器环绕塔的在塔最下部盘或平衡级下面部分。

图1是本发明一个实施例的流程示意图。

图2是本发明另一包含从最高压塔回收产品的最佳实施例的流程示意图。

图3是本发明另一个包括从中压塔回收某些氧产品的实施例的流程示意图。

本发明是一个直接的顺序系统，其中物料流仅在一个方向移动，即从较高压向较低压区流动。这与常规设计相反，在常规设计中物料流的流动是在区域间双向流动的，如在氩侧臂塔（argon  Sidearm  Column）和双塔的低压塔之间。本发明特别用在提高运行压力而以相当高的回收率生产产品。

参考附图对本发明作详细描述。现参考图1，供给空气50流过压缩机1而压缩，并流过净化器2而除去高沸点杂质。如二氧化碳、水蒸汽和碳氢化合物。然后，压缩的清洁过的供给空气51通过换热器31和32与逆向回流进行间接换热而被冷却，且压缩后，清洁的冷却供给空气52通入第一塔4中，该塔一般在压力范围为150至350每平方英寸一磅力的绝对压力内（psia），且最好在180至300psia下运行。

在第一塔4中通过低温蒸馏，供给空气分离成氮浓度超过供给空气的富氮蒸汽，及氧-氩浓度超过供给空气但也含氮的富氧-氩流体。富氧-氩流体从第一塔4中抽出作为液态流53，在换热器9中与回流作间接换热而过冷却，然后经过阀17进入带有底部再沸器54的第二塔7。第二塔7的工作压力比第一塔4要低，第一塔4的工作压力是第二塔7的工作压力、在底部再沸器54两侧的流体混合物以及底部再沸器54的热力特性的函数。第二塔7的运行压力是第三塔10的工作压力、在底部再沸器58两侧流体的混合物以及底部再沸器58的热力特性的函数。一般第二塔在中压范围下运行，压力为40至105psia，最好在50至95psia范围内运行。

在第二塔7内，通过低温蒸馏富氧-氩流体被分离成氮浓度比富氧-氩流体高的富氮蒸汽，及氧和氩的浓度超过进入第二塔7的富氧-氩流体浓度的富氧-氩流体。富氮蒸汽从第一塔4中作为一股流55引出并进入底部再沸器54，在其内，它通过间接热交换蒸发富氧-氩流体而被冷却，并产生富氮流体和富氧-氩蒸汽。富氮作为一股流56通入第一塔4中并用作第一塔4的回流液体。富氧-氩蒸汽作为回流蒸汽向上流过第二塔7。

富氧-氩流体从第二塔7中作为一股流57抽出，在换热器11中与回流作间接换热而被过冷，然后经过阀18送入带有底部再沸器58的第三塔10中。第三塔10的工作比第二塔7的工作压力低。一般第三塔10的工作压力在12至15psia压力范围内。第三塔10的较低运行压力限制是要能防止在顶部冷凝器12中发生冷冻。在第三塔10内，经过低温蒸馏，富氧-氩流体被分离为氩浓度超过富氧-氩流体的富氩蒸汽，和氧浓度超过引入到第三塔10的富氧-氩流体的富氧流体。

富氮蒸汽从第二塔7中作为一股流59流出，一部分的富氮蒸汽60可作为氮产品的回收，回收产品意味着从系统中抽走以及包括作为实际的产品回收和放入空气二种情况。这可以是当用本发明生产的一种或多种产品并非立刻需要的情况，那么把这些产品排入大气比储存费用低。在图1所示实施例中，该股流60是经过与换热器11、9、32和31间接换热而变暖且作为氮产品61回收。在该股流60中的氮产品可在流过换热器31之后任一点上回收。一般氮产品的纯度至少90%，最好至少99%。一般氮产品的流率是供给空气流率的5%-40%。图1也表示了产品纯度控制方法的使用，其中，一股含氮气体的流95从第二塔的中间点抽出，由换热器9、32和31加热并作为一股流96流出该系统。图1所示实施例包括一个使用富氮流体的氮热泵循环。该氮热泵循环将在以后作详述。

富氮蒸汽59流入底部再沸器58，在其内它通过间接换热蒸发富氧流体而被冷凝并产生富氮液体和富氧蒸汽。富氮液体从底部再沸器58中作为一股流62流出进入第二塔7中，并作为第二塔7的回流液体。富氧蒸汽作为回流蒸汽向上流过第三塔10。如果希望，则富氮流62的一部分可作为产品氮回收，这部分可加入到该股流60中或取代流60作为回收富氮蒸汽而成为氮产品。

富氧流体从第三塔63下部作为一股流63抽出，在图1所示实施例中，使用了一个能以高压回收氧产品的氧产品蒸发器。在本实施例中，该股流63通过泵16泵到较高压力，经过换热器11而升温并通入氧产品蒸发器8中，在其内通过间接换热冷凝了富氮蒸汽而自身蒸发。结果氧蒸汽流64从氧产品蒸发器8中流出，流过换热器9、32和31升温，并作为氧产品65回收，纯度为98%至99.9995%且回收率在90%至100%范围内。

正如前所述，氧产品蒸发器8是通过冷凝富氮蒸汽来运转的。富氮蒸汽流55的一部分66被送入氧产品蒸发器8中，在其内它经过间接换热蒸发富氧液体而被冷凝。此后富氮液体67通过换热器11被过冷，流过阀13，流入换热器15进一步过冷，然后通过阀14并进入顶部冷凝器12。从氧产品蒸发器8来的富氮液体的一部分68可作为附加的液体回流通入第一塔4中。底部再沸器58的富氮液体的一部分69也可流过换热器15被过冷，然后经过阀14进入顶部冷凝器12。

富氮流体从第三塔中作为蒸汽流70抽出并流入顶部冷凝器12，在其内它进行间接换热蒸发了富氮和富氮流体而被部分冷凝，结果富氩液流体71被通入相分离器72，从该处富氩液体73作为回流液体通入第三塔10且从该处富氩蒸汽流74被抽出并作为产品氩回收，其纯度为85%至99.995%，回收率为65%至99%。如果希望，氩产品也可取自顶部冷凝器12的上游用于回收，例如，流70的一部分。

在顶部冷凝器12作热交换的氮蒸汽从顶部冷凝器12作为流75流出，通过流过换热器15、11、9、32和31而升温并流出该系统。在图1所示实施例中，该股升温的流75被压缩机压缩然后与一股流60结合，结合流通过压缩机77和78的压缩，然后作为前述的氮产品流61回收。

如前所述，图1所示实施例使用了一个能用于提高氩回收的氮热泵循环。该热泵循环包括一个如图1的循环氮气流60的一部分流6，如果使用了，氮循环流6可以有直到供给空气的25%的流率。为系统致冷过程，流78从流60中取出，通过压缩机80压缩并通过冷却器81去掉压缩产生的热，压缩的流82通过换热器31冷却并通过膨胀器83膨胀以产生致冷效果。膨胀器83通过一耦合装置用于驱动压缩机80，产生的膨胀流84然后进入流75中并用于冷却通过换热器32和31的供给空气，压缩机78中的压缩氮产品的一部分作为流6通过换热器31和32进行冷却，因此冷却的氮流6通过底部再沸器54，例如作为流55的一部分。这会在第二塔7中产生一更好的回流率，减少了从第二塔7中流出的上部流的氩损失并因此提高了氩的回收率。

下面的例子是本发明计算机模拟运行图1所示实施例的说明例，该例仅是作为说明目的而并不想作任何限制。

实施例

图1所述本发明实施例的静态性能是用典型的结构填料的塔压力降来模拟的，在低压塔或第三塔顶部的压力为15psia，空气首先压缩到压力近似为200psia，然后对空气进行清洁、干燥和冷却，此后进入压力在194psia下的高压塔或第一塔中。一个从产品氮中循环出的冷却的氮气流与第一塔顶部蒸汽一起进入底部再沸器54。循环流速是供给空气流率的4.9%。高压塔包括65个理论级。来自底部再沸器54的从高压塔顶部排出的氮液体为供给空气的45%，并含有百万分之5（ppm）的氧。

供入塔4的其余部分作为富氧-氩液体从底部排出，该底部产品在节流减压到中压或第二塔7的压力63psia以前，被过冷，并送入第二塔7内，第二塔7包括75个理论级。在从底部算起的第20个理论级处供入。塔7的底部产品是饱和的富氧-氩液体，其中含氧和百分之4摩尔氩和百万分之40的氮，底部流率是供给空气流率的22%。

从中压塔顶部引出的气态氮产品流60的流率是供给空气流率的25%，它含百万分之1的氧。它被换热器11、9、32和31升温并以压力为62psia下从换热器31中排出，这指出了从含氮的空气中回收了32%的氮。

从底部再沸器58排出的氮液体的流率决定第三塔中的回流率。在此处流率是供给空气流率的13%。该股流然后与一股流67混合，且该混合流通过阀14并进入顶部冷凝器12，在该处它在压力为36psia下蒸发，为塔10提供了回流。所产生的蒸汽被升温，并以供给空气的流率的58%的流率，在压力为33psia下排出换热器31。

塔7底部的产品然后被冷却，此后节流降压到第三塔10的压力15psia，并被送入第三塔10中。第三塔有60个理论级并且它被在从底部算起的第25个理论级处送入。第三塔10的底部产品是饱和富氧液体，含有99.74%的氧并带有残存的氩。底部的流体是供给空气流率的21%，该底部产品然后泵压到63psia压力，在换热器11中升温，并在氧产品蒸发器8中蒸发。产生的氧气在换热器9、32和31中升温，并以压力为62psia排出，它指出了从含氧的供给空气中回收了99.9%的氧。

从顶部冷凝器12排出的顶部产品是富氩气流，其中含百分之2摩尔的氧和百分之0.05摩尔的氮，其流率是供给空气流率的0.84%，它代表了从所含氩气的空气中回收了88%的氩。

图1所示的致冷的产生是许多可提供的方法中的一个。本发明与致冷产生方法无关。在该例中，致冷的产生是使用了一个由耦合件19机械耦合的透平/调压机单元。为产生致冷效果，一部分压力为62psia的氮产品流被压缩，冷却并膨胀到压力为35psia，在进入换热器32的冷端以前，与其它氮流混合，膨胀流的摩尔流率是空气流率的4.7%。

图2表示本发明的另一个实施例，其中某些氮产品是直接从第一塔中另外取出的，在图2所示实施例中没使用氧产品蒸发器。图2中标号对应于图1中的共同元件且不再对这些共同元件作进一步说明了。现参考图2，高压富氮蒸汽流55的一部分85流出该塔系统并通过换热器32和31作为一部分氮产品流61被回收。来自底部再沸器54的富氮液体流56的一部分86流过换热器11和15，通过阀14进入顶部冷凝器12。在本实施例中富氧流体作为蒸汽流87从塔10的下部抽出，并因流过换热器11、9、32和31而就升温并作为氧产品流65回收。

图3表示本发明的另一实施例，其中某些氧产品是直接从第二塔中另外产生的。图3中标号对应于图1的相同部件且对这些部件将不再作描述。现参考图3，从第二塔7的中间段抽取一富氧-氩流体流88，并流过换热器11以及阀18，并送入第三塔10。在第二塔7中至少比一股流88从第二塔中抽出点低一个盘或平衡级的点处从第二塔7中取出一含氧蒸汽流89。流89流入从氧产品蒸发器8中取出的一股流64，且这股流流过换热器9、32和31，并作为氧产品流65予以回收。

虽然参考了一定的较佳实施例对本发明作了说明，本领域普通技术人员可认识到在本发明权利要求的范围和精神内有各种其它的实施例。

Claims (9)

1、以低温精馏空气来生产氮、氧和氩产品的一种方法，包括：

A)把供给空气送入在150至350psia压力范围下运行的第一塔中，并在第一塔内以低温精馏方式把供给空气分离成富氮蒸汽和富氧-氩流体；

B)把第一塔的富氧-氩流体送入运行压力比第一塔低的第二塔中，该第二塔带有一底部再沸器，并用低温精馏法在第二塔内把富氧-氩流体分离成富氮蒸汽和富氧-氩流体；

C)使富氮蒸汽在第二塔底部再沸器中与富氧-氩流体间接换热冷凝以产生富氮液和富氧-氩蒸汽。把富氮液用作第一塔内的回流液，并把富氧-氩蒸汽用作第二塔内的回流液，并把富氧-氩流体用作第二塔内的回流蒸汽；

D)把富氧-氩流体从第二塔输入运行压力比第二塔更低且带有底部再沸器的第三塔中，并以低温精馏法把富氧-氩流体在第三塔中分离成富氩流和富氧流；

E)把第一部分富氮蒸汽作为氮产品加以回收；

F)第二部分富氮蒸汽与富氧流在第三塔底部再沸器中间接换热而冷凝，以产生富氮液体和富氧蒸汽，将富氮液作为第二塔的回收液，并把富氧蒸汽作为第三塔的回收蒸汽；

G)把富氧流作为产品氧和把富氩流作为产品氩加以回收。

2、如权利要求1的方法，其中富氧流在回收前通过间接换热冷凝富氮蒸汽而被增压并被蒸发。

3、如权利要求1的方法，其中富氮蒸汽在回收前被冷凝。

4、如权利要求1的方法还包括回收从第一塔中抽出的含氮流体。

5、如权利要求1的方法还包括回收从第二塔中抽出的含氧流体。

6、一种用低温精馏方式生产氮、氧和氩产品的设备，包括：

A）一个带供给气体引入装置的第一塔;

B）一个第二塔，该塔有一个底部再沸器，把第一塔下部的流体送入第二塔的装置，以及把第一塔上部流体送入第二塔底部再沸器及把第二塔底部再沸器的流体送入第一塔的装置;

C）从第二塔回收产品的装置;

D）一个第三塔，该塔有一个底部再沸器，把第二塔的流体送入第三塔的装置，以及把第二塔上部流送入第三塔底部再沸器及从第三塔底部再沸器送回第二塔的装置。

E）从第三塔下部回收产品的装置;

F）从第三塔上部回收产品的装置。

7、如权利要求6的设备，其特征是从第三塔下部回收产品的装置包括一个泵和一个产品蒸发器。

8、如权利要求6的设备，其特征是还包括一个从第一塔上部回收产品的装置。

9、如权利要求6的设备，其特征是还包括从第二塔回收附加产品的装置，共中所述回收附加产品的装置与第二塔在某一点处相联通，该联通点低于使流体从第二塔流入到第三塔的装置与第二塔相通的那一点。

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