CN1084870C - 分离空气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分离空气的方法和及其设备，所述方法包括：在高压精馏塔中对第一种空气物流进行精馏从而产生氮气和富氧液体；将至少部分氮蒸气进行冷凝并采用至少部分形成的冷凝物作为高压精馏塔的回流液；在低压精馏塔中对富氧液体物流进行精馏；向低压精馏塔提人态氮回流液；从低压精馏塔排出不纯的产品氧；将来自低压精馏塔第一质量交换区域的第一种液体进行再沸，并使再沸过的第一种液体流向上通过低压精馏塔；将来自低压精馏塔的第二种液体进行再沸，并使再沸过的第二种液体流向上通过低压精馏塔。

Description

分离空气的方法和设备
本发明涉及用于分离空气的方法和设备。
工业上用于分离空气的最重要的方法是通过精馏进行的。经常使用的经精馏分离空气的方法包括如下步骤：压缩空气物流；通过从其中除去水蒸气和二氧化碳而纯化形成的压缩空气物流；通过热交换将形成的纯化空气物流冷却，将产物物流返回至适于其精馏的温度。精馏在所谓的“双精馏塔”中进行，双精馏塔包含高压精馏塔和低压精馏塔。既使不是所有的空气也是绝大部分空气被引入高压塔中，并被分离成富氧空气和氮蒸气。将氮蒸气冷凝。部分冷凝物用作为高压塔的液态回流液。从高压塔的塔底排出的富氧液体被低温冷却后通过节流阀或减压阀引入低压塔的中间区域。在低压塔中，富氧液体被分离成基本纯的氧及氮产品。从低压塔排出这些产品而形成返回物流，其与进料空气进行热交换。低压塔的回流液经下述过程提供：从高压塔取出冷凝物的残余物，将其低温冷却，再经节流阀或减压阀将其引入低压塔的顶部。
低压塔通常在1-1.5巴(绝对)的压力下进行操作。在低压塔底部的液态氧用来满足高压塔顶部的冷凝负荷。相应地，来自高压塔顶部的氮蒸气与在低压塔底部的液态氮进行热交换。足够的液态氧能被蒸发，从而满足低压塔对再沸的需求并能使氧气产品获得良好收率。高压塔的塔顶压力和进料空气被压缩的压力应设计成使冷凝氮气的温度比低压塔中沸腾氧的温度高约1开氏温度。因这些关系，高压塔通常不能在低于约5.5巴的压力下操作。
当氧产品为含有例如2-20％(体积)杂质的非高纯氧产品时，业已提出了空气分离的改进方法，该方法可使高压塔在低于5.5巴的压力下操作。根据US-A-4,410,343的介绍，当需要这种低纯氧而无需具有上述低压塔与高压塔的关联关系时，可用空气来沸腾低压塔塔底的氧气从而为该塔提供再沸并蒸发氧产品。然后将形成的冷凝空气加至高压塔和低压塔中。由高压塔中排出富氧液体物流，并将其通过一节流阀，部分该物流用于在高压塔顶部进行氮冷凝。
US-A-3,210,951也公开了一种生产不纯氧的方法，其中采用空气来沸腾低压塔塔底的氧以便为该塔提供再沸并蒸发氧产品。但是，在这种情形下，来自低压塔中间区域的富氧液体被用来对高压塔产生的氮蒸气进行冷凝。
虽然US-A-4,410,343和US-A-3,210,951中所述的方法在氧产品不纯时可采取一些措施来降低高压塔与低压塔的操作压力之比，但是，人们还特别希望能有更进一步的改进方法。本发明涉及由空气分离不纯氧的方法和设备，所述方法和设备可满足上述要求。
本发明提供了一种分离空气的方法，该方法包含：在高压精馏塔中对第一种空气物流进行精馏从而产生氮蒸气和富氧液体；将至少部分氮蒸气进行冷凝并采用至少部分形成的冷凝物作为高压精馏塔的回流液；在低压精馏塔中对富氧液体物流进行精馏；向低压精馏塔提供液态氮回流液：从低压精馏塔排出不纯的产品氧：将来自低压精馏塔第一质量交换区域的第一种液体进行再沸，并使再沸过的第一种液体流向上通过低压精馏塔；将来自低压精馏塔至少一个第二质量交换区域的第二种液体进行再沸，并使再沸过的第二种液体流向上通过低压精馏塔；其中，所说的第二种液体经与第一种空气物流进行间接热交换而再沸，所说的氮蒸气经与第三种液体进行间接热交换而冷凝，第三种液体来自低压精馏塔的至少一个第三质量交换区域，第二种液体比第三种液体含氧量多，而比第一种液体的含氧量少。
本发明还提供了用于分离空气的设备，该设备包含：一个用于将第一种空气物流分离成氮蒸气和富氧液体的高压精馏塔；一个用于冷凝至少部分氮蒸气以用于液态氮回流液的冷凝器，它具有一个与高压精馏塔的一个入口相连通的冷凝物出口：一个用于精馏富氧流体物流的低压精馏塔，它具有富氧流体物流的第一入口，液态氮回流液的第二入口，不纯产品氧的出口；一个用于再沸第一种液体的第一再沸器，它具有一个与低压精馏塔的第一质量交换区域相连通的第一种液体的入口，具有一个与低压精馏塔相连通的再沸过的第一种液体的出口，从而可产生再沸的第一种液体流向上通过低压精馏塔：一个用于经与第一种空气物流间接热交换而再沸第二种液体的第二再沸器，所述第二再沸器具有一个与低压精馏塔的至少一个第二质量交换区域相连通的第二种液体的入口，一个第一种空气物流的入口，一个与低压精馏塔相连通的再沸的第二种液体的出口，从而再沸的第二种液体流可向上通过低压精馏塔：其中，所说的冷凝器具有再沸通道，这些通道具有一个与低压精馏塔的至少一个第三质量交换区域相连通的第三种液体的入口，所说的第一种、第二种和第三种液体的入口分别与低压精馏塔的第一、第二和第三质量交换区域的连通使得在操作中第二种液体的含氧量比第三种液体的多，而比第一种液体的少。
通过再沸第一种和第二种液体，就可以减少在压缩进料空气中消耗的功，因而降低了高压精馏塔塔底处压力与低压精馏塔塔底处压力之比。
通常，至少部分的第一种空气物流是通过其与所说的第二种液体的间接热交换而被冷凝的。
富氧液体优选直接或间接地取自高压精馏塔。
高压精馏塔优选在其塔底压力基本等于下述某一压力下进行操作，在该压力或低于该压力下，第一种空气物流经与所说的第二种液体进行间接热交换而排出，第二种液体取自低压精馏塔的第二质量交换区域。
第一质量交换区域优选为低压精馏塔的底部。通常，来自低压精馏塔第一质量交换区域的第一种液体与从该区域排出的不纯氧产品的组成相同。
在本发明方法的一些实施例中，所说的第一种液体优选在高于第一种空气物流的压力的压力下经与第二种空气物流进行间接热交换而再沸，从而至少部分第二种空气物流被冷凝。第二种空气物流优选在其与第一种空气物流热交换的下游进行减压，并被引入高压精馏塔。如果需要的话，第二种空气物流也可在其与第一种液体热交换的上游进行富氧。优选在一个气液接触塔中实现这种富集，由低压精馏塔采出  富氧液体。形成了富氧的第二种空气物流。第二种空气物流的氧富集降低了第二种空气物流为再沸第一种液体所需提供的压力，并使得有可能在与第一种空气物流相同的压力下供应第二种空气物流。优选通过泵使所述富氧液体的压力提高至气液接触塔的压力。
氧产品优选以液态排出。这样做可使欲分离的作为第二种空气物流的空气的比例降至约15％(体积)或更少。从而可降低过程中的总能量消耗。另外，也可以采取第三种氧产品为气体，但需增加再沸第一种液体所需的费用，因而，第二种空气物流通常形成更大比例的进料空气流。
优选将第三种空气物流引入低压精馏塔。
各种空气物流优选取自一种或多种压缩空气源，该压缩空气经除去水蒸气和二氧化碳而纯化并冷却至适于经精馏而将其分离的温度。
本发明的方法和设备适用于在常规的低压力下操作低压精馏塔的工艺方法，其中低压精馏塔塔底的压力低于1.5巴：还适用于在相当高的压力下例如2.5-5巴下操作低压精馏塔的工艺方法。在低压工艺过程的实例中，其中不纯氧以液态得到，不纯氧产品优选经与压缩空气物流在高于高压精馏塔塔底压力的压力下进行间接热交换而汽化。为此可采用第三种空气物流。在高压工艺过程的实例中，不纯液态氧产品可通过与冷凝流体的热交换而汽化，其热交换的下游的冷凝物流在一个或两个精馏塔中用作为回流液。
在所说的冷凝器中的所述第一和第二再沸器可位于低压精馏塔的内部。另一种方式是一个或多个再沸器可位于低压精馏塔的外部。
可以借助蒸馏塔板或填料如结构填料使精馏塔进行气液接触。与蒸馏塔板比较起来，通常存在更少的质量交换位置，在这里液体可被排出以再沸并从再沸中返回。如果从低压精馏塔的单一区域不能获得用于与第一种空气物流间接热交换的具有最佳组成的第二种液体，则可从下述过程得到适宜组成的液体，即以选定的比例从低压精馏塔的两个分开的质量交换区域排出第二种液体并将它们混合，从而得到所需组成的第二种液体。
本发明的方法和设备适用于生产含85～97％(体积)氧的不纯氧产品。如果需要的话也可以生产较纯的氧产品(例如含有约0.5％(体积)的杂质)，但是其速率明显低于生产不纯氧产品时的速率。最后，气液接触表面位于低压精馏塔内介于不纯氧产品出口的部位和较纯氧产品出口部位之间的部位。
现由下述实施方案并结合附图对本发明的方法和设备进行描述，其中图1-7均为本发明的空气分离设备的流程示意图(未按比例尺绘制)。图1-4及图6和7中，各图中同一部件采用相同的标号。
参考图1，在压缩机2中将空气压缩至某一选定的压力。形成的压缩空气流通过净化设备或装置4，由装置4从空气中除去水蒸气和二氧化碳。装置4采用吸附床(未示出)实现水蒸气和二氧化碳的去除。当采用一个或多个吸附床来净化空气时，通常各吸附床彼此按顺序进行操作，其余的吸附床可通过例如热的氮气流进行再生。这种净化设备及其操作方法是本领域众所周知的，无需作进一步的描述。
将净化的空气流分成主物流和次物流。主物流(通常占总的净化空气流的约55％)流经主换热器6从其热端8流至其冷端10。主空气物流一般在其饱和温度或接近其饱和温度下作为一种蒸气离开主换热器6的冷端10，从而该主空气物流的温度适于通过精馏来进行其分离。净化空气的次物流在增压压缩机12中进一步压缩。压缩后的次空气物流流经主换热器6从其热端8流至冷端10，从而被冷却至足以使其液化的温度。主换热器6的热端8及冷端10的中间的第一区处，从次空气物流中排出一部分分物流(slip stream)。在膨胀汽轮机14中用外功作用使分物流(slip stream)膨胀。形成的膨胀的次空气物流在主换热器6的第一区与其冷端10中间的第二区处引入主换热器6。分物流(slip stream)再在主换热器的冷端10在其饱和温度或接近其饱和温度的温度离开主换热器6。
由主换热器6的冷端10得到的主空气物流，空气分物流和次空气物流分别作为用于分离的第一种、第二种和第三种空气物流。第二种空气物流通过第一再沸器16的冷凝通道，经与沸腾液体的间接热交换而至少部分被冷凝，所说的液体下面将作描述。形成的至少部分被冷凝的第二种空气物流离开第一再沸器16，流经节流阀18，经入口22被引入高压精馏塔20。第一种空气物流通过第二再沸器24的冷凝通道(未示出)，经与沸腾液体的间接热交换而至少部分被冷凝，所说的液体下面将作描述。形成的至少部分被冷凝的第一种空气物流离开第二再沸器24，经入口26被引入高压精馏塔20。
高压精馏塔20含有气液接触面28，从而下降的液相与上升的气相进行紧密接触，使得两相间发生传质。气液接触面28可通过例如蒸馏塔板(优选筛板)或填料(优选结构填料)提供。在高压精馏塔20的操作过程中，从塔底收集液体。该液体与经入口26引入塔20的空气蒸气近似平衡，因此达到某种程度的氧富集。在高压精馏塔20的塔顶得到氮蒸气。
通过出口30从高压精馏塔20的顶部排出氮蒸气物流，该物流在其通过冷凝器32时经与下面将要描述的沸腾液体的间接热交换而被冷凝。形成的液态氮冷凝物经入口34从高压精馏塔20的顶部返回高压精馏塔。部分液态氮冷凝物用作为高压精馏塔20的回流液，以与上升的蒸气质量交换的关系向下流过该塔。
富氧液态空气物流从高压精馏塔20经出口36排出，经通过换热器38进行低温冷却，由该换热器的热端39流至其中间区域。由换热器38中间区域离开换热器的低温冷却的富氧空气物流通过一个节流阀40，经入口44引入低压精馏塔42。低压精馏塔42也接收经入口48引入塔42的第三种空气物流，入口48的位置比入口44的位置高，该空气物流取自主换热器6的冷端10；其通过换热器38由其热端39至中间区域(富氧液态物流由该区域排出，即由换热器的中间区域排出)；然后该物流通过入口48上游的节流阀46。第三种空气物流和富氧液态空气物流在低压精馏塔42中分离成氮和不纯氧，氮在塔42的顶部得到，不纯氧(通常含约95％(体积)的氧)在该塔底得到。为了能在低压精馏塔42中实现这种分离，塔42包含气液接触表面50以使下降的液体与上升的蒸气能紧密接触从而使液体和蒸气发生质量交换。气液接触表面50可通过例如蒸馏塔板(优选筛板)或填料(优选结构填料)提供。
低压精馏塔42内的下降的液体流经下述方式取得：从高压精馏塔20经出口52得到另一部分在冷凝器32中形成的液态氮冷凝物；将该物流通过换热器38低温冷却，氮物流在换热器38的中间区域(富氧液体由该区域排出)进入换热器38；将低温冷却的液态氮物流通过节流阀54，经入口56引入低压精馏塔42，入口56的位置高于塔42内所有气液接触面50的位置。
上升的蒸气流是在低压精馏塔42中经下述方式取得：从气液质量交换区内得到彼此具有不同组成的第一种、第二种和第三种液体，将这些液体再沸。第一种液体(通常包含约95％(体积)的氧)为在塔42塔底得到的不纯液态氧的一部分。该不纯液态氧取自低压精馏塔42的塔底质量交换区域。部分液态氧从塔42经塔底处的出口58排出。残余物在第一再沸器16中经与空气物流进行间接热交换而再沸，因而如前所述第二种空气物流至少部分被冷凝。再沸器16通常至少部分浸在塔42塔底处的不纯液态氧中，因而其可成为热虹吸管。形成的不纯氧蒸气从再沸器16的顶部排出，并向上通过低压精馏塔42。第二种液体通常取自低压精馏塔42的中间质量交换区域，在该处液相中的含氧量为约80％(体积)，使第二种液体通过再沸器24而部分再沸或全部再沸，再沸器24位于低压精馏塔42内。向下流动的第二种液体经与第一种空气物流在再沸器24中进行热交换而再沸，因而如前所述第一种空气物流至少被部分冷凝。形成的汽化的第二种液体从再沸器24排出并向上通过低压精馏塔42。第三种液体通常取自低压精馏塔42的另一个中间质量交换区域。在该区域内液相中的含氧量优选为40-50％(体积)。第三种液体经向下通过冷凝器32的再沸通道而被部分再沸或全部再沸，冷凝器32位于低压精馏塔42中。如前所述向下流动的第三种液体与取自高压精馏塔20的冷凝氮在冷凝器32中进行热交换而再沸。形成的汽化的第三种液体从冷凝器32中排出并向上通过低压精馏塔42。
通过操作泵60将不纯液态氧产品物流经出口58从低压精馏塔42中排出。泵60促使不纯液态氧进入主换热器6的冷端10。不纯氧物流流过主换热器6由其冷端10流至热端8，在其内被充分汽化。形成的不纯氧气产品在大约室温下离开主换热器6的热端8。
经出口62从低压精馏塔42的顶部排出氮气产品物流。氮产品流过换热器38由其冷端41至热端39，从而向换热器38提供冷却(cooling)。氮产品物流从换热器38的热端39流至主换热器6的冷端10，并从冷端10流过主换热器6而流至其热端8。氮产品物流在大约室温下离开主换热器6。
对图1所示的设备及其操作方法可作出各种变化和改进。例如，再沸器16和24及冷凝器32中的任一个均可位于低压精馏塔42的外面，每一种可采取换热器的形式依据热虹吸管的原理使换热器至少部分浸在欲被再沸的液体中。
图1所示的设备还可有其它改进方式。例如，如果低压精馏塔装有填料，那么塔通常将会有更少的可从其排出液体而在外部再沸器中再沸的排出位置。在图1未示出的改进方式中，如果不存在可从其排出含有55～60％(体积)氧的另一种液体的常规位置，那么可将由低压精馏塔42的不同质量交换位置取得的两种液体物流进行适当的混合而形成第二种液体，其中一种物流的含氧量小于第二种液体所希望的含氧量，而另一种物流的含氧量则大于第二种液体所希望的含氧量。另外还比如，不仅第二再沸器24和冷凝器32可位于低压精馏塔42的外部，而且第二种液体和第三种液体可通过将一种其含氧量大于第二种液体的含氧量的液体物流与含氧量小于第三种液体的含氧量的另一种液体物流混合而形成，通过选择两种液体物流的相对比例可得到所希望的组成以再沸。
图1所示设备的另一种可能的改进方式中，存在一种附加的空气物流，它取自介于主换热器6的冷端10与第二再沸器24之间的区域上的第一种空气物流。附加的物流绕过(by-passes)第二再沸器24并被引入高压精馏塔20选定的位置。一般如果采取附加的空气物流，那么进入再沸器24的所有的第一种空气物流通常会在其中全部冷凝。同样类似地可取一部分介于主换热器6的冷端10和第一再沸器16间的第二种空气物流，将这部分第二种空气物流通过一个节流阀或减压阀(未示出)并将其引入高压精馏塔20而不通过第一再沸器16。通常，液态空气物流被引入高压精馏塔20的质量交换的位置高于同样组成的气态空气物流。如果需要的话，若引入高压精馏塔20的空气物流包含液相和气相，可将空气物流通过一个相分离器(未示出)从而使液相与高压精馏塔20的上游的气态物流分离。
图1所示的设备可采取的另一种改进方式是采用包含两个或多个分立的容器的低压精馏塔42。例如，第二再沸器24可位于较高容器的槽内(未示出)，从而在重力作用下液体可由其流入较低的容器(未示出)中，该容器包含第一再沸器16及介于第一再沸器16和第二再沸器24之间的气液接触面50。蒸气从较低容器的顶部流入较高容器的底部区域。
图1所示设备的另一种改进方式用图2表示。在该改进中，第二种空气物流在汽轮机14中膨胀至第一种空气物流的压力。在换热器6内介于其冷端10和分出分物流以在汽轮机14中膨胀的区域间的区域中第一种空气物流与第二种空气物流汇合。第二种空气物流实际上再次在换热器6冷端10的下游的第一种空气物流中排出并被通入含气液接触面72的气液接触塔70的塔底，该接触面72可通过气液接触塔板或通过填料如结构填料提供。随着第二种空气物流向上通过塔70，其与下降的不纯液态氧物流进行质量交换。不纯液态氧物流包含约55％(体积)的氧，且在低压精馏塔42的中间质量交换区，经泵61被泵送至塔70的顶部。随着向上通过塔70，第二种空气物流的氧含量增加。从塔70的顶部经出口74排出富氧的第二种空气物流，再将其通过第一再沸器16，从而至少被部分冷凝。富氧的液态空气流出再沸器16而通过节流阀18。形成的物流通过入口51被引入低压精馏塔50(而不是被引入高压精馏塔20)。相应地，为了向高压精馏塔20提供液态空气进料，部分第三种空气物流从换热器38的上游取出，经过膨胀阀53并由入口55引入高压精馏塔20中。富氧液态空气物流经出口76从塔70的底部排出。富氧液态空气物流通过节流阀78，再经入口80进入高压精馏塔20。
第二种空气物流含氧量的增加将提高其冷凝温度。相应地，为了保持第一再沸器16上的最佳冷凝温度，与其在图1所示设备操作时的压力作比较，必须减少第二种空气物流的压力。从而与图1所示设备操作时相应的压力相比，膨胀汽轮机14的出口压力及增压压缩机12的出口压力均降低。因而与图1所示设备的操作条件相比较可节约能量。
图1所示设备的另一种改进方式用图3表示。在这种改进方式中，次空气物流在主换热器6的热端8的上游被分成两部分副物流。副物流之一在第一增压压缩机90中压缩，形成的压缩空气物流通过主换热器6从其热端8流至其冷端10。该空气物流构成了第二种空气物流，在第一再沸器16中至少将其部分冷凝。另一副空气物流在第二增压压缩机92中压缩，该压缩的空气物流离开第二增压压缩机92的出口并流经主换热器6由其热端8流至冷端10。该空气物流由其通过主换热器6而至少部分被冷凝，并且其构成了第三种空气物流，它被引入低压精馏塔。从在主换热器6的热端8和冷端10中间的区域的净化主空气物流排出分空气物流从而形成第四种空气物流。在膨胀汽轮机94中由外功的作用而使第四种空气物流膨胀。形成的膨胀的空气物流在比第一中间区域温度较低的第二中间区域中再次引入主换热器6。第四种空气物流流经主换热器6从其第二中间区域流至冷端10。第四种空气物流在近似其饱和温度的温度下离开主换热器6的冷端10，通过入口96引入低压塔42中，引入位置在冷凝器32上方的质量交换区。由膨胀汽轮机94作的功是驱动增压压缩机90。另一方面，图3所示的设备可与图1所示的设备相比。
图1所示的设备的另一种可能的改进方式由图4表示。在该改进方式中，所有第三种空气物流通过主换热器6冷端10下游的节流阀96。从阀96，第三种空气物流流入第一再沸器16与节流阀18间的第二种空气物流中并与之混合。从高压精馏塔20经出口98排出液态空气物流，并形成液态空气物流，将其在换热器38中进行低温冷却，再经节流阀46减压，然后经入口48引入低压精馏塔20。
上述图1-4所示的所有方法基本上为低压方法，也就是说，低压精馏塔42是在低于约1.5巴的塔底压力下操作的。一般说来，当低压精馏塔42这样操作时，高压精馏塔20塔底的操作压力可保持在低于3.0巴，从而压缩机2的出口压力可保持在低于3.3巴，使下游压降总共为0.3巴。在图2所示设备的操作实例中，压缩机2的出口压力可为2.8巴，膨胀汽轮机14的出口压力为约4巴。压缩机12的出口压力通常为10巴，氧泵60提高不纯氧产品物流的压力至4巴，虽然压力范围可以很宽，但条件是压缩机12的出口压力应使第三种空气物流的液化温度高于不纯液态氧产品物流的沸腾温度。
本发明方法的相对低的操作压力其一个原因是第二再沸器24的再沸负荷大大超过第一再沸器16的再沸负荷。由于第二再沸器24的冷凝通道比再沸器16的冷凝通道的操作温度低，因而供给的第一种空气物流就比第二种空气物流的压力低。本发明的方法大大改进了常规的所谓的“双再沸器”方法，在该方法中，仅相应于冷凝器32的氮冷凝器下方位置的再沸通过低压精馏塔底部的单一再沸器来提供。通过使第三种空气物流与液态不纯氧产品的热交换而使第三种空气物流冷凝也可促进本发明方法的有效操作。通常，由泵60对不纯氧产品加压至3-8巴，第三种空气物流以5-20巴的压力离开主换热器6的冷端10，从而使不纯液态氧产品物流的汽化与第三种空气物流的冷凝的温度焓分布保持良好匹配。
对于本发明的方法和设备来讲，低压精馏塔并不是必须在低压下操作。实际上，当希望由低压精馏塔产生高压氮产品时，采用本发明的方法和设备可以是有效的。提高低压精馏塔的操作压力可降低从该塔分离的氧组分和氮组分的相对挥发度。相应地，随着增加低压精馏塔的操作压力，需要更大量的液态氮回流液。图5所示的设备中，通过下述手段缓和在低压精馏塔中对增加液态氮回流液的要求：通过节流阀使优选低温冷却的富氧液态空气物流闪蒸，从而将其压力降至介于高压精馏塔塔底压力和低压精馏塔塔底压力间的某一值；将形成的物流部分再沸；在一个相分离器中将形成的液相和气相分离开。结果，液相的含氧量进一步增加。从相分离器中排出液相物流，并将其引入低压精馏塔。富氮的气相取自相分离器，最好将气相冷凝，并也将其引入低压精馏塔。
参照图5，按照类似于图1所示设备的压缩机2和净化装置4的方式来操作压缩机102和净化装置104以产生基本上不含水蒸气和二氧化碳的压缩空气物流。将经压缩和净化的空气物流分成主物流和次物流。通常至少85％的空气进入主物流。主物流流过主换热器106从其热端108流至其冷端110。在主换热器106的第一中间区域由主空气物流中分出分物流，将分物流在膨胀汽轮机112中用外功作用而膨胀。形成的经膨胀的分物流从膨胀汽轮机112中流出并在主换热器106的第二中间区域进入主换热器106，第二中间区域的温度低于第一中间区域的温度。膨胀的分物流从第二中间区域通过主换热器106流至其冷端110。
经压缩并净化的空气物流在增压压缩机114中进一步压缩。形成的经进一步压缩的次空气物流流过主换热器106从其热端108流至其冷端110。
由主换热器106的冷端110排出的主空气物流形成用于分离的第一种空气物流：由主换热器106的冷端110排出的次空气物流形成用于分离的第二种空气物流，由主换热器106的冷端110排出的经膨胀的分物流形成用于分离的第三种空气物流。
将第二种空气物流通过第一再沸器116的冷凝通道，经与下面将要描述的沸腾液体进行间接热交换而至少被部分冷凝。形成的至少部分被冷凝的第二种空气物流离开第一再沸器116，流经节流阀118后经入口122引入高压精馏塔120。第一种空气物流通过第二再沸器124的冷凝通道，经与下面将要描述的沸腾液体进行间接热交换而至少被部分冷凝。形成的至少部分被冷凝的第一种空气物流离开第二再沸器124，经入口126引入高压精馏塔120。
高压精馏塔120包含气液接触面128，从而下降的液相与上升的气相进行紧密接触，使得两相间发生传质。在高压精馏塔120的底部收集液体。该液体与经入口126引入塔120的空气蒸气达到近似平衡，因此使含氧量有所增加。在高压精馏塔120的顶部得到氮蒸气。经出口130从高压精馏塔120顶部排出的第一种氮蒸气物流经与下面将要描述的沸腾液体在第一冷凝器132中进行间接热交换而冷凝。经高压精馏塔120的出口130排出的第二种氮蒸气物流如下面将要描述的那样在第二冷凝器133中类似地被冷凝。来自高压精馏塔120的顶部的第三种氮物流如下面将要描述的那样在第三冷凝器135中被冷凝。由第一、第二和第三冷凝器形成的液态氮冷凝物分别经其顶部的入口134、136和138返回高压精馏塔120。部分液态氮冷凝物被用作高压精馏塔120的回流液，其以与上升的蒸气呈质量交换关系向下流过该塔。
经出口140从高压精馏塔排出富氧液态空气物流，将其通过换热器142从其热端144流至其中间区域而低温冷却，从该中间区域排出后，使其通过节流阀146而闪蒸。随着其通过第三冷凝器135与上面提到的取自高压精馏塔120顶部的第三氮物流进行间接热交换，形成的富氧液态空气物流被部分再沸。部分再沸的结果是形成了比原富氧液态空气的含氧量高的液相以及比原富氧液态空气的含氧量低的气相。在相分离器148中将液相和气相分离。由相分离器148的顶部排出气相，将其通过第四冷凝器150进行冷凝。形成的冷凝物物流通过节流阀152，经入口156引入低压精馏塔154较上部的质量交换区域。从相分离器148的底部排出液态物流并将其分成两部分分物流。一部分分物流通过节流阀158，再通过第四冷凝器150而再沸，从而为第四冷凝器150中的氮蒸气的冷凝提供必要的冷却(cooling)。将形成的再沸的分物流经入口160引入低压精馏塔154。另一部分液体分物流从相分离器148排出后通过节流阀162，再经入口164引入低压精馏塔154。除了经入口156、160和164引入低压精馏塔154的流体外，经与入口164在相同高度位置的入口166将第三种空气物流引入低压精馏塔154。
经入口156、160、164和166引入低压精馏塔154的流体在塔内被分离成从塔154的顶部得到的氮及在其底部的不纯氧(通常包含约95％(体积)的氧)。为了能在低压精馏塔154中实现这种分离，在塔内设置气液接触面168，从而能够使得下降的液体与上升的气体进行紧密接触以便在液体和气体间发生质量交换。
经出口170从高压精馏塔120取出另一部分在冷凝器132、133和135中形成的液态氮冷凝物而产生低压精馏塔154内的下降的液体流。经出口170排出的液态氮物流通过换热器142而低温冷却(氮物流进入换热器142的中间区域并从该换热器的冷端172离开换热器142，富氧液态空气物流由所说的中间区域排出并通过阀146)，将低温冷却的液态氮物流通过节流阀174并由入口176引入低压精馏塔154，入口176的位置高于所有气液接触表面168的位置。
低压精馏塔154内上升的蒸气流是这样产生的：从塔中气液质量交换区域中取彼此不同组成的第一种、第二种和第三种液体并再沸这些液体。通常含约95％(体积)氧的第一种液体为由塔154的底部得到的部分不纯氧。在第一再沸器116中不纯氧液体与第二种空气物流进行间接热交换而再沸，从而提供必要的冷却(cooling)以至少部分冷凝第二种空气物流。再沸器116通常至少部分浸在塔154的底部的不纯液态氧中，而且通常为热虹吸管型。形成的不纯氧蒸气从第一再沸器116的顶部排出并向上通过低压精馏塔154。
第二种欲再沸的液体一般取自低压精馏塔154的中间质量交换区域。其中液相的含氧量为约80％(体积)。第二种液体通过第二再沸器124而部分或全部再沸，再沸器124位于低压精馏塔154中。第二种液体在再沸器124内与第一种空气物流热交换而再沸，从而使第一种空气物流如前所述至少被部分冷凝。形成的汽化的第二种液体从再沸器124中排出并向上通过低压精馏塔154。
第三种液体一般取自低压精馏塔154的另一中间质量交换区域。在该中间质量交换区域内液相中的含氧量优选为40-50％(体积)。第三种液体经向下通过第一冷凝器132的再沸通道而部分或全部被再沸，冷凝器132位于低压精馏塔154内。向下流动的第三种液体的再沸是通过与取自高压精馏塔120的冷凝氮按如上所述的热交换而实现的。形成的汽化的第三种液体从第一冷凝器132排出并向上通过低压精馏塔154。
通常含95％(体积)氧的不纯液态氧产品物流经出口180从低压精馏塔154排出，流经减压阀或节流阀182进入第二冷凝器133。氧在第二冷凝器133中经与来自高压精馏塔120顶部的氮如前面所述进行间接热交换而汽化。形成的不纯氧蒸气从第二冷凝器133流出通过换热器106从其冷端110至其热端108。不纯氧产品在近似室温的温度从换热器106的热端108排出。
气态氮产品物流经出口182从低压精馏塔154的顶部排出。氮产品流过换热器142从其冷端172流至其热端144，从而向该换热器提供冷却(cooling)。氮产品物流从换热器142的热端144流出通过主换热器106从其冷端110流至其热端108，并以近似室温的温度离开。
在图5所示设备的典型操作实施方案中，高压精馏塔120的塔底操作压力为约9.5巴，而低压精馏塔154的塔底操作压力为约4.5巴。第一再沸器116的冷凝通道的操作压力通常为12巴左右。不纯氧产品(通常含95％(体积)的氧)在2.5巴压力下产生。
参看图6，图6所示的设备与图3所示的设备大体类似，所不同的是不纯氧产品以气态从低压精馏塔42流出。结果，正如以下将描述的那样，这两种设备之间存在许多各自的差别。首先，图6所示的设备中，在低压精馏塔42的底部没有不纯液态氧产品的出口58，也没有泵60。相反，不纯气态氧产品从位于第一再沸器上方的出口191排出，经流过主换热器6从其冷端10至其热端8而被加热至室温。其次，由于高压空气物流不再需要用来汽化液态不纯氧物流的目的，因而压缩机和膨胀机的设置方式不同。所有的次空气物流流至增压压缩机192中，在其内该物流被进一步压缩至约4.5巴。形成的经进一步压缩的次空气物流被分成两部分副物流。一部分副物流构成第二种空气物流，该物流通过主换热器6从其热端8至其冷端10，并按图3所示的方式用于再沸器16中。另一部分副空气流在另一个增压压缩机194中进一步被压缩。压缩空气从增压压缩机194的下游通过主换热器6的热端8进入主换热器6，在换热器内冷却至第一中间温度，再从相应于主换热器内第一中间温度的第一中间位置从主换热器排出，在膨胀汽轮机196中经外功作用膨胀至近似精馏塔42的压力。如经增压压缩机194驱动。离开汽轮机196的空气返回换热器6的第二中间位置并通过该位置流至换热器6的冷端10，从冷端10的下游经入口96引入精馏塔42，该物流与图3所述的第四种空气物流等价。
图6与图3所示设备的第三个差别是，前者无第三种空气物流，该第三种空气物流从压缩机192排出通过换热器6进入低压精馏塔42的入口48。与此相反，液态空气物流从图6所示设备的高压精馏塔20的出口198流出后在换热器38中低温冷却，再通过节流阀46而提供经入口48引入低压精馏塔42的液态空气物流。
在操作过程中，图6所示设备采用的第二种空气物流的流量比图3所示设备相应的流量大许多。第二种空气物流这种较大的流量将向再沸器16提供更多的热量，从而能使不纯氧产品可以气态以适当的流量从低压精馏塔42排出。
参看图7，图7所示的设备大体类似于图2所示的设备。但是，图7所示设备中，不纯氧产品以气态经出口191排出精馏塔42，结果，图7与图2所示设备在若干方面存在差别。此外，这两种设备间还有若干其它次要差别。
由于图7所示的设备中氧产品以气态排出，因而就不存在精馏塔42塔底处的出口58，且没有泵60及其中所包括的相关的壁装管道(wall pipework)。进而，由于在图7所示设备中不需要在换热器6中汽化液态氧气产品物流，所有来自压缩机12的空气流向膨胀汽轮机14。由汽轮机14产生的膨胀空气物流不再与净化的空气物流重组，该净化空气物流在与空气离开净化装置4时的压力基本相同的压力下流过主换热器，膨胀的空气通过主换热器6从其选定的中间区域流至其冷端10而进一步降温，从冷端10排出后经入口202引入低压精馏塔42，入口202与入口44在同一位置高度。
按照上面图2所述的类似的方式形成第一种和第二种空气物流。但是，液体物流是从混合塔70的底部取得，其不是如图2所示方式被引入高压精馏塔20，而是与从塔20的出口36排出的液体物流混合。此外，也不采用泵61将液体泵送至混合塔70的顶部。相反依靠重力进料。向高压精馏塔20的进料设置方式也与图2所示的方式不同。在图7所示设备中，以与从净化装置4排出的空气压力基本相同的压力离开主换热器6冷端10的部分冷却的空气物流经入口204引入高压精馏塔20的底部。进而，入口26位于塔20中某些气液接触装置28的上方。因为所有来自压缩机12的空气流至膨胀汽轮机14，从而没有从压缩机12流至高压精馏塔20或流至低压精馏塔42的物流。为了得到经入口48引入低压精馏塔20的液态空气物流，从高压精馏塔20经出口206排出一种液态空气物流，将其在换热器38中低温冷却，通过节流阀46形成经入口48引入的物流。图7所示设备与图2所示设备的最后一个差别是，图7中从再沸器16排出的空气物流与从高压精馏塔20的出口36排出的液体和从混合塔70底部排出的液体物流合并。
在操作过程中，图7所示设备采用的第二种空气物流的流量比图2所示设备相应的流量大许多。第二种空气物流的较大流量将向再沸器16提供更多的热量，从而能使不纯氧产品可以气态以适当的流量从低压精馏塔42排出。
图4所示的方法的实例在下表1中给出，表1中给出了流量、温度、压力、组成及每种加工物流的状态，由字母A～S标记图4中每一种加工物流。
                                     表1
  物流   流量/sm3 hr-1   压力/巴   温度/K            组成  状态*
摩尔份数
  O2   Ar   N2
  ABCDEFGHIJLMNOPQRS   172103.8172103.892677.150360.070000.050360.050360.050360.0172103.870000.082570.982570.9162570.0162570.068189.968189.9246951.1246951.1   2.682.439.094.162.428.948.944.182.402.372.40-2.352.432.381.353.451.271.14   281.093.093.093.787.4144.3120.096.288.784.085.581.088.486.592.492.586.3278.0   0.210.210.210.210.220.210.210.210.210.220.010.010.310.310.950.950.010.01   0.010.010.010.010.010.010.010.010.010.01--0.010.010.040.04--   0.780.780.780.780.770.780.780.780.780.770.990.990.680.680.010.010.990.99   100％V100％V100％L100％L100％L100％V100％V100％V68％V100％L100％L100％L100％L100％L100％L100％V100％V100％V
*体积百分数
L＝液体
V＝气体

Claims (14)

1.一种分离空气的方法，该方法包含：在高压精馏塔中对第一种空气物流进行精馏从而产生氮蒸气和富氧液体；将至少部分氮蒸气进行冷凝并采用至少部分形成的冷凝物作为高压精馏塔的回流液；在低压精馏塔中对富氧液体物流进行精馏；向低压精馏塔提供液态氮回流液：从低压精馏塔排出不纯的产品氧；将来自低压精馏塔第一质量交换区域的第一种液体进行再沸，并使再沸过的第一种液体流向上通过低压精馏塔；将来自低压精馏塔至少一个第二质量交换区域的第二种液体进行再沸，并使再沸过的第二种液体流向上通过低压精馏塔；其中，所说的第二种液体经与第一种空气物流进行间接热交换而再沸，所说的氮蒸气经与第三种液体进行间接热交换而冷凝，第三种液体来自低压精馏塔的至少一个第三质量交换区域，第二种液体比第三种液体含氧量多，而比第一种液体的含氧量少。
2.根据权利要求1所述的方法，其中不纯氧产品以液态从低压精馏塔排出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一质量交换区域是在低压精馏塔的底部，所说的第一种液体在比第一种空气物流的压力高的压力下与第二种空气物流进行间接热交换而再沸，从而至少部分第二种空气物流被冷凝。
4.根据权利要求3所述的方法，其中第二种空气物流在其与第一种液体热交换的下游进行减压，并被引入高压精馏塔。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的方法，其中第二种空气物流在气液接触塔内与从低压精馏塔排出的富氧液体物流混合而富集氧，所说的第一种液体经与富氧的第二种空气物流进行间接热交换而再沸。
6.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的方法，其中将第三种空气物流引入低压精馏塔。
7.根据权利要求1所述的方法，其中低压精馏塔塔底的操作压力为2.5～5巴，所说的富氧流体是这样形成的：从高压精馏塔取富氧液体物流；通过减压阀使富氧液体物流闪蒸从而将其压力降至介于高压精馏塔塔底压力和低压精馏塔塔底压力间的某一值；将形成的物流部分再沸；将形成的液相和气相分离：将分离的液体和气体物流引入低压精馏塔。
8.根据权利要求7所述的方法，其中分离的气相物流在其引入低压精馏塔的上游被冷凝。
9.根据权利要求7所述的方法，其中由闪蒸富氧液体物流形成的物流经与取自高压精馏塔的氮进行间接热交换而部分再沸，从而氮被冷凝。
10.一种用于分离空气的设备，该设备包含：一个用于将第一种空气物流分离成氮蒸气和富氧液体的高压精馏塔；一个用于冷凝至少部分氮蒸气以用于液态氮回流液的冷凝器，它具有一个与高压精馏塔的一个入口相连通的冷凝物出口；一个用于精馏富氧流体物流的低压精馏塔，它具有富氧流体物流的第一入口，液态氮回流液的第二入口，不纯产品氧的出口；一个用于再沸第一种液体的第一再沸器，它具有一个与低压精馏塔的第一质量交换区域相连通的第一种液体的入口，具有一个与低压精馏塔相连通的再沸过的第一种液体的出口，从而可产生再沸的第一种液体流向上通过低压精馏塔；一个用于经与第一种空气物流间接热交换而再沸第二种液体的第二再沸器，所述第二再沸器具有一个与低压精馏塔的至少一个第二质量交换区域相连通的第二种液体的入口，一个第一种空气物流的入口，一个与低压精馏塔相连通的再沸的第二种液体的出口，从而再沸的第二种液体流可向上通过低压精馏塔；其中，所说的冷凝器具有再沸通道，这些通道具有一个与低压精馏塔的至少一个第三质量交换区域相连通的第三种液体的入口，所说的第一种、第二种和第三种液体的入口分别与低压精馏塔的第一、第二和第三质量交换区域的连通使得在操作中第二种液体的含氧量比第三种液体的多，而比第一种液体的少。
11.根据权利要求10所述的设备，其中第一质量交换区域为低压精馏塔的底部，第一再沸器具有第二种空气物流的入口和至少部分冷凝的第二种空气物流的出口，该出口与高压精馏塔连通。
12.根据权利要求11所述的设备，该设备还包括一个在第一再沸器上游用于使第二种空气物流富集氧的气液接触塔。
13.根据权利要求10-12中任一权利要求所述的设备，该设备还包括：一个高压精馏塔的富氧液态物流的出口；一个用于降低富氧液态物流的压力的节流阀；一个在节流阀下游用于再沸部分减压的富氧液态物流的再沸器；一个用于将形成的液态物流和气态物流进行分离的相分离器，该相分离器具有液态物流的出口和气态物流的出口，两个出口均与低压精馏塔连通。
14.根据权利要求13所述的设备，该设备还包括另一个在低压精馏塔上游的用于冷凝所说的气态物流的冷凝器。
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