CN1126819A - 空气分离方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种空气分离方法和设备，其中空气由低温精馏过程分离，该过程包含分别用于冷却空气至适于其精馏的温度和蒸馏或分馏空气成富含空气组分的馏分的冷却和蒸馏阶段。在冷却和蒸馏阶段间流过的工作气流被部分地加热或冷却，然后在涡轮膨胀机中膨胀产生一致冷流，在冷却阶段回收致冷量，在致冷流完全加热后，在低于大气压的压力下由压缩机或类似的机器抽出致冷流，然后在等于或高于大气压下排放之。

Description

空气分离方法和设备

本发明涉及一种由低温精馏过程分离空气的方法，其中由待分离的空气和已被分离的空气馏分组成的工作气流在冷却和蒸馏阶段之间流动，而含空气或空气分离馏分的一种工作气流的一部分用于致冷过程。尤其地，本发明涉及这样一种空气分离方法和设备，其中通过使致冷流膨胀并作功来提供致冷，在完全加热致冷流之后，由压缩机或类似的装置在低于大气压的压力下抽出致冷流，以在大气压下和高于大气压下排放致冷流。

可用各种低温精馏过程将空气分离成其各组份。在所有的过程中，都是压缩空气，将之冷至适于其精馏的温度(通常在空气的露点或其附近)，然后将之引入含一个或多个蒸馏柱的蒸馏阶段，将空气分离成富含氮气和氧气的馏分。

在任何一种类型的空气分离设施中，都有连续的热渗漏进入设施，而在进入的空气和设施热端处的产物流之间存在焓差，这种热渗漏需要给空气分离设施提供致冷。致冷典型地是由部分地冷却一部分进入的空气流或部分地加热富含氮气或氧气的废气流提供的。空气流，废气或产物流本身在称为涡轮膨胀机的机器中膨胀作功。

为了传送膨胀功，涡轮膨胀机可与设施中所用的能量消耗制动器或发电机或压缩机连接。

涡轮膨胀机的致冷输出与膨胀的压力比，具体来说，与涡轮膨胀机进口压力和涡轮膨胀机排气压力的压力比有关。为了提高涡轮膨胀机的致冷输出，在一些情况下，使用涡轮膨胀机轴的能量输出提高用于涡轮膨胀的气体的压力以提高涡轮膨胀机进口压力。正如下面要讨论的，本发明提供一种空气分离方法和设备，其中由涡轮膨胀机提供的致冷量通过降低涡轮膨胀机的排气压力而得到提高。

本发明提供一种通过低温精馏过程分离空气的方法，所述过程包含一冷却压缩空气至适于其精馏温度的冷却阶段。所述过程也包含一将空气蒸馏成富含空气组份的馏份的蒸馏阶段，由空气和空气馏份组成的工作气流在冷却和蒸馏阶段之间流动。至少部分工作气流被部分地加热形成至少部分是由最少量工作气流组成的致冷流。致冷流进行涡轮膨胀作功，通过在冷却阶段完全加热致冷流而从致冷流中回收致冷量。致冷流完全地被加热后，在低于大气压的压力下抽出致冷流，然后将致冷流的压力增大到至少为大气压。

本发明的另一方面是提供一种分离空气的装置，它包含用于冷却压缩空气至适于其精馏温度的主热交换装置和用于将压缩空气蒸馏成富含空气组份的馏分的蒸馏装置。主热交换装置与蒸馏装置相连，使得由空气和空气馏分组成的工作气流在主热交换和蒸馏装置间流过。将主热交换装置设计成在至少一部分一种工作气流于主热交换装置中被部分地加热或冷却之后，排放由至少一种工作气流组成的致冷流。有一个涡轮膨胀机用于膨胀致冷流并作功。涡轮膨胀机与主热交换装置相连，主热交换装置也设计成使致冷流在主热交换装置中完全地被加热。一装置与主热交换装置相连，用于在低于大气压的压力下抽出致冷流，将致冷流的压力增大达至少大气压，并在至少大气压下排放致冷流。

这样，本发明通过压缩机或其它类似的装置将排气抽到低于大气压的压力，提高了涡轮膨胀机的进口与排气压力比。压缩机可由涡轮膨胀机驱动使得在过程中不消耗额外的能量。废气或产物流可用作致冷流，而这种气流通过主热交换装置以后在大气压下从空气分离装置中排出。应明白的是，在形成致冷流的过程中，废气或产物流可在设施的主热交换器以外的热交换器(例如过热器或空气液化器)中被部分地加热，随后，致冷流在主热交换器中膨胀并完全地被加热。

虽然以权利要求书结束的说明书清楚地指出了申请人认为是其发明的主题内容，但发明人认为当结合参考所附的一张图(即按本发明方法的空气分离设备操作简图)，本发明将得到更好的理解。

参照附图，空气由按本发明方法操作的空气分离设施或设备10分离，进入的空气流12由过滤器14过滤以除去空气中的灰尘和其它颗粒状物质。随后，空气被主压缩机16压缩。压缩热由后冷却器18除去，然后空气由含吸附床(设计成从空气流12中除去水和二氧化碳)的预纯化单元19提供。随后，空气流12在主热交换器20中被冷却至适于其精馏的温度，并将这样冷却的气流引入空气分离单元22。

空气分离单元22可由一个或多个蒸馏柱组成，其中上升汽相与下降的待分离的液相接触。这种接触可藉众所周知的筛板或泡罩塔盘或结构填料而有效地进行。汽相和液相间的接触导致的汽相在柱中上升时，其中的空气轻组分浓度愈来愈高，而液相中空气的较重组分的浓度愈来愈高。结果，在蒸馏柱中产生氮气富集的塔顶馏出物和氧气富集的柱底产物。

在设备10中，空气分离单元22可由两个柱组成，高压柱以热转移关系与低压柱相连，使得在高压柱的塔顶产生中压氮气，而在低压柱的底部区域产生氧气产物。另外，废氮气从低压柱的顶部除去。然而本发明并不局限于这种排列，事实上本发明对于多柱过程和单柱过程都同样适用。

在所列举的实例中，空气分离单元22产生氧气产物流24，它在主热交换器20中被完全加热。另外，废氮气流26同样地由空气分离单元22产生，并在主热交换器20中被完全加热。这种从设备10中排出的废氮气流26标为WN₂。另外，空气分离单元22产生中压氮气流28，在下面将会讨论，该气流用作致冷流以增加过程的致冷作用。

值得注意的是在此和在权利要求中使用的术语“完全冷却”是指完全冷至空气分离单元22的运行温度或主热交换器20冷端的温度。术语“完全加热”是指加热至主热交换器20的热端温度，这在实践中可为常温，大气压的条件。术语“部分加热”和“部分冷却”是指分别部分加热或冷却至主热交换器20热端和冷端温度的中间温度。

中压氮气流28在主热交换器20中被部分地加热，然后在涡轮膨胀机30中进行涡轮膨胀，产生致冷流32。然后致冷流32在主热交换器20中被完全地加热。在主热交换器20中完全加热的致冷流32降低了进入空气的焓，由此将致冷量加入了在设备10中进行的过程。

为了增加供入的致冷量，致冷流32在低于大气压的压力下由压缩机34抽出，然后在大气压下在标为MPN₂的气流中被排出。压缩机34与涡轮膨胀机30相连，使得至少部分膨胀功被回收来给压缩机34提供能量。

须明白的是本发明并不局限于所列举的实例，例如，本发明可同样应用于空气膨胀设施，其中一部分已被部分冷却后的进入空气进行膨胀产生致冷流，随后排放至大气中。另外，本发明也可应用于这样一个设施，在其中将加压的废氮气流用于提供致冷。尽管在所列举的实例中全部的中压氮气流28都用于提供致冷，但在本发明特定的实例中，可能该气流只有一部分被利用。

本领域技术熟练者可以明白，尽管本发明已结合较佳的实例作了描述，但在不偏离本发明的精髓和范围下可作各种改变，省略和添加。

Claims (7)

1.一种分离空气的方法，其特征在于它包括：

由低温精馏过程分离空气，所述过程包含冷却压缩空气至适于其精馏温度的冷却阶段和蒸馏空气成富含空气组分的各馏分的蒸馏阶段，及由空气和所述空气馏分组成的工作气流在所述冷却和蒸馏阶段间流动；

形成至少一种富含一种所述空气的所述馏分的产物流，并从所述低温精馏过程中排放至少一种产物流；

部分加热或冷却至少部分工作气流形成至少由部分所述工作气流组成的致冷流；

使所述致冷流进行涡轮膨胀并作功；

通过在所述冷却阶段完全加热所述致冷流从所述致冷流中回收致冷量；及

在所述致冷流完全加热后，在低于大气压的压力下抽出所述致冷流并将所述致冷流的压力增大到至少为大气压。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所作的功至少有一部分用来抽出所述致冷流并增大其压力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的空气分离过程进行时所述的工作气流为从空气分离中产生的中压氮气流；和

在膨胀前，所述工作气流至少有一部分在所述冷却阶段中被部分地加热。

4.一种分离空气的设备，其特征在于它包含：

主热交换装置，用于冷却压缩空气至适于其精馏的温度；

蒸馏装置，用于蒸馏压缩空气成富含空气组分的各馏分；

所述主热交换装置与所述蒸馏装置相连，使得由空气和所述空气馏分组成的过程流在所述主热交换装置和蒸馏装置间流动；

将所述主热交换装置设计成在至少一部分所述的一种工作气流于所述主热交换装置中被部分加热或冷却后，排出至少部分由一种所述工作气流组成的致冷流；

一种涡流膨胀机，用于膨胀所述致冷流并作功；

所述涡流膨胀机与所述主热交换装置相连，并且也将所述主热交换装置设计成使所述致冷流在所述主热交换装置中完全加热；和

与所述主热交换装置相连的装置，用于在低于大气压的压力下抽出所述致冷流，将所述致冷流的压力增大至大气压，并排放所述致冷流。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于所述抽出，增压和排放装置包含一个与所述主热交换装置相连的压缩机。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述压缩机与所述涡轮膨胀机相连，使得所述膨胀功至少有一部分作用于所述压缩机。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，

将所述蒸馏装置设计成产生富含氮气的中压流；

所述工作气流包含所述中压流；和

所述蒸馏装置与所述主热交换装置相连，使得所述至少部分所述工作气流在所述冷却阶段中被部分地加热。

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