CN1204760A - 用于生产多种纯度氧气的深冷精馏体系 - Google Patents

用于生产多种纯度氧气的深冷精馏体系 Download PDF

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Abstract

一种用于生产低纯度和高纯度氧气的深冷精馏体系,它在双塔中的低压塔内或在旁路塔内,采用两个平行的精馏部段。

Description

用于生产多种纯度氧气 的深冷精馏体系
本发明总的涉及由原料气深冷精馏而生产氧气，更具体地说涉及生产低纯度及高纯度氧气。
在一些应用中，例如制玻璃、制钢及能量生产中，对低纯度氧气的需求正在增大。低纯度氧气通常通过在双蒸馏塔中深冷精馏原料气而大量生产，其中处于高压塔压力下的原料气被用于使低压塔中的底液再沸腾，然后被通入高压塔中。
一些低纯度氧气的用户，例如大型钢厂，除了低纯度氧气外，还常需要一些高纯度氧气。通常的低纯度氧气工厂不能高效率地完成这种双纯度生产。
因此，本发明的一个目的，是提供一种深冷精馏体系，它能有效地和高效率地生产低纯度氧气及高纯度氧气。
上述目的和其他目的(本领域熟练技术人员通过阅读本公开说明书将会清楚这些目的)被本发明达到了，本发明的一个方面是：
一种生产高纯度氧气和低纯度氧气的方法，它包括：
(A)把原料气冷凝并将由此所得的原料气送入高压塔中；
(B)在高压塔内用深冷精馏法将原料气分离为经富集的氧液体和经富集的氮蒸汽；
(C)从高压塔把经富集的氧液体送入低压塔内，并在低压塔内生成富氮蒸汽及富氧液体；
(D)把含氧液体送入一个被纵向隔离板隔开成第一产品区段和第二产品区段的旁路塔中，用深冷精馏法在旁路塔第一产品区段和第二产品区段中分别对含氧液体加工，在第一产品区段中生成高纯度氧气，在第二产品区段中生成低纯度氧气；
(E)用该冷凝原料气的第一部分将第一产品区段再沸腾，又用该冷凝原料气的第二部分将第二产品区段再沸腾；及
(F)从第一产品区段回收高纯度氧气，又从第二产品区段回收低纯度氧气。
本发明的另一方面是：
一种生产高纯度氧气及低纯度氧气的设备，它包括：
(A)第一塔；
(B)第二塔，其塔部位包括被纵向隔离板隔开的第一产品区段及第二产品区段；
(C)位于第一产品区段中的第一再沸腾器及位于第二产品区段中的第二再沸腾器；
(D)把原料氧送入第一再沸腾器及把原料气从第一再沸腾器送入第二再沸腾器的装置；
(E)把原料气从第二再沸腾器送入第一塔的装置；及
(F)从第一产品区段回收高纯度氧气的装置及从第二产品区段回收低纯度氧气的装置。
本发明的再一方面是：
一种生产高纯度氧气及低纯度氧气的方法，它包括：
(A)把原料气冷凝及把由此所得的原料气送入高压塔；
(B)在高压塔中用深冷精馏法把原料气分离为经富集的氧液体及经富集的氮蒸汽；
(C)把经富集的氧液体从高压塔送入具有被纵向隔离板隔开的第一产品区段和第二产品区段的低压塔；
(D)在低压塔的第一产品区段及第二产品区段中分别用深冷精馏法加工经富集的氧液体，而在第一产品区段生成高纯度氧气及在第二产品区段生成低纯度氧气；
(E)用该冷凝原料气的第一部分使第一产品区段再沸腾，又用该冷凝原料气的第二部分使第二产品区段再沸腾；
(F)从第一产品区段回收高纯度氧气及从第二产品区段回收低纯度氧气。
如本文所用的，术语“原料气”指的是主要包含氧气和氮气的一种混合物，例如环境大气。
如本文所用的，术语”低纯度氧气”指的是一种氧气浓度在50～99摩尔％范围之中的液体。
如本文所用的，术语“高纯度氧气”指的是一种氧气浓度大于99摩尔％的液体。
如本文所用的，术语“塔”指的是一种蒸馏或分馏柱或区带，即接触柱或区带，其中，液体和蒸汽相逆向接触以进行液体混合物的分离，例如，在一系列垂直安置在塔中的分隔开的盘或板上，或在填充元件例如构筑填充物或无规填充物上使汽液相接触。关于蒸馏塔的进一步讨论见the Chemical Engineer′s Handbook，第5版，R．H．Perry和C．H．Chilton编，McGraw-Hill Book Company，New York，第13节，The Continuous Distillation Process。所谓“双塔”指一个高压塔，它的上端与低压塔的下端处于热交换关系。关于双塔的进一步讨论见Ruheman著，“The Separation of Gases”，Oxford UniversityPress，1949，第VII章，Commercial Air Separation。
蒸汽与液体接触分离过程取决于各组分的蒸汽压差。高蒸汽压(或高挥发性或低沸点)组分将倾向于在蒸汽相中聚集，而低蒸汽压(或低挥发性或高沸点)组分，则倾向于在液相中聚集。部分凝聚是这样一种分离过程，即可利用蒸汽混合物的冷却作用来浓缩蒸汽相中的易挥发组分，并浓缩液相中的低挥发组分。精馏或连续蒸馏是这样一种分离过程，即它联合了因蒸汽相和液体相的逆向处理而获得的连续部分蒸发和冷凝。蒸汽相和液相的逆向接触通常是绝热的，可以包括相间的积分(分步的)或微分(连续的)接触。利用精馏原理分离混合物的分离加工装置常可有多种称呼如精馏塔，蒸馏塔或分馏塔。深冷精馏是至少部分地在150卡尔文(K)度或低于150卡尔文(K)度温度下进行的精馏过程。
如本文所用的，术语“间接热交换”指的是在没有任何物理接触或液体彼此之间混合的情况下使两种液流处于热交换关系之中。
如本文所用的，“再沸腾器”指的是一种热交换设备，它产生来自塔液的塔上流蒸汽。
如本文所用的，“再沸腾”指用冷却和／或冷凝液体通过间接热交换而汽化塔液。
如本文所用的，术语塔或塔区段的“上部”和“下部”分别指高于或低于塔或塔区段中间点的塔或塔区段的这些部位。
如本文所用的，术语“旁路塔”指的是加工取自双塔之一或二者的液体的塔。
如本文所用的，术语“构筑填充物”指的是这样一种填充料，其中，个体成员彼此之间，或相对于塔的轴具有特定的取向。
如本文所用的，术语“平衡阶段”指的是这样一种汽-液接触阶段，在此阶段内汽和液处于质量传递平衡，例如塔板具有100％效率，或填充元件高度等于理论塔板高度(HETP)。
如本文所用的，术语“纵向取向的”指的是沿塔的主轴方向。
如本文所用的，术语“液汽比”和“L／V”指的是流下塔的液体数量与升入塔中蒸汽量的比值。
附图简要说明
图1是本发明一种优选实施方案的简化示意描述图。
图2是本发明的另一种优选实施方案的简化示意描述图。
图3是本发明的又一种优选实施方案的简化示意描述图。
通常，本发明包括在旁路塔中或在双塔装置的低压塔中使用两个平行的汽提部位，该两个汽提部位加工含氧液体、并且均被高压原料气再沸腾。一个汽提部位在比另一汽提部位低的液汽比，和／或在较多平衡阶数条件下进行操作，因此通过将含氧液体进行深冷精馏而生产高纯度氧气。
下面将参考附图对本发明作更详细描述。现参看图2，将已洗去高沸点杂质例如水蒸汽和二氧化碳，并处于高压〔通常在50～150磅／平方英寸绝对值(psia)的范围内〕的原料气150分为第一部分100和第二部分160。把第一部分100通入第一再沸腾器10中，如下面将更详述的，在其中第一部分通过与底液的不直接热交换而被冷凝。把所得的部分冷凝原料气102通入第二再沸腾器12中，在其中通过与底液的不直接热交换，另一部分又被冷凝。把所得的至少部分冷凝原料气25通入第一或高压塔20中，此塔20是双塔体系(它还包括第二或低压塔21)的一部分。将第二原料气部分160直接通入高压塔20。如果需要，此气流25中的部分原料气可以直接通入低压塔中。
一般高压塔20在50～150psia压力范围内操作。在高压塔内，通过深冷精馏，原料气被分离为经富集的氧液体及经富集的氮蒸汽。经富集的氧液体(其氧气浓度通常在30～55摩尔％的范围内)被从高压塔20的下区段以液流103的形式，并被作为含氧液体送入低压塔21中。
低压塔21在低于高压塔20的压力下，通常为15～35psia的范围进行操作。低压塔20具有纵向隔离板22，而22分出包括第一产品区段23及第二产品区段24的塔部位。第一再沸腾器10位于第一产品区段23的下方。第二再沸腾器12则位于第二产品区段24的下方。将经富集的氧液体103至少在分配塔部段的一定位置以上送入低压塔21。优选如图2所示，把该液体103在高于整个分配塔部段之处，即在分配塔部段的顶部处或高于顶部处，送入低压塔21中。在图2所示的本发明实施方案中，经富集的氧液体在进入分配塔部段前将来自高压塔的顶部氮蒸汽冷凝。
经富集的氧液体逆着向上流的蒸汽，分别被平行地向下通过第一产品区段23和第二产品区段24，并在这一过程中被深冷精馏而分别分离为高纯度氧气及低纯度氧气。第一产品区段在比第二产品区段低的液汽比下操作，和／或具有比第二产品区段高的平衡阶数目，这使之能生成高纯产品。优选塔内物，即在第一产品区段23和第二产品区段24中的传质元件包括构筑填充物。
高纯氧液体汇集于第一产品区段23底部，并用原料氧100的第一部分进行再沸腾，在第一产品区段23内生成向上流动蒸汽。高纯度氧气产品从靠近第一再沸腾器10的第一产品区段23，以液体和／或气体形式被回收。在图2所示的实施方案中，高纯氧气从第一产品区段23作为液流112中的液体被取出并回收。
低纯度氧气液体汇集在第二产品区段24底部，用原料气体100的第二冷凝部分进行再沸腾，在第二产品区段24内生成向上流动的蒸汽。从接近第二再沸腾器24的第二产品区段24以液体和／或气体形式回收低纯度氧气产品。在图2所示的实施方案中，从第二产品区段24以液流113中的液体取出低纯度氧气并回收。
从高压塔20将经富集的氮液体以液流110取出，并送入位于低压塔内的中间位置的再沸腾器120之中。在再沸腾器120中，经富集的氮蒸汽被冷凝，第一部分121以回流物被送回高压塔20中，而第二部分122以回流物被送回低压塔21中。从第二塔21的上部将含氮气流26取出，它通常是废氮气。如图2所示，含氮气流26也可以以产品取出，而废氮气流126也可以从塔中在低于气流26取出地点之处取出。
图1说明了本发明的另一实施方案，其中为生产高纯度氧气和低纯度氧气的平行汽提部位位于分隔开的旁位塔内。现在参考图1，把已洗去高沸点杂质例如水蒸汽及二氧化碳并处于高压(通常在60～150psia的范围内)的原料气170送入第一再沸腾器31，在其中第一部分通过与底液的非直接热交换而被冷凝，下面将更详述。把所得的部分冷凝原料气32，通入第二再沸腾器33中，其中原料气的另一部分通过与底液的非直接热交换又被冷凝。把所得的至少部分冷凝的原料气34通入作为双塔体系一部分的第一塔或高压塔43之内，而该双塔还包括第三塔或低压塔44。如果需要，可将原料气34的一部分直接通入低压塔内。
高压塔43在通常为60～150psia的压力下操作。在高压塔43内，原料气通过深冷精馏而被分离为经富集的氧液体及经富集的氮蒸汽。将氧气浓度通常为30～55摩尔％的经富集的氧液体，从高压塔43的下方以液流45被送入低压塔44中，低压塔44在低于高压塔43的压力下操作，此压力通常在15～35psia的范围内。经富集的氮蒸汽以汽流46从高压塔43的上部通入低压塔再沸腾器37中，在其中它与低压塔底液通过非直接热交换而被冷凝。把所得的经富集的氮液体38分为以回流物进入高压塔43的第一组分39，及以回流物进入低压塔44的第二部分40。
在低压塔44内，送入的物料通过深冷精馏被分离为富氧液体及富氮蒸汽。富氮蒸汽从塔44以气流42被取出，并可以以产品氮气被回收。为进行产品纯度控制废氮气流50也被从低于此塔44顶部之处被取出。
把富氧液流104(其氧气浓度大于经富集的氧液体，通常在50～95摩尔％范围内)，从低压塔44中取出，并作为含氧液体通入旁路塔或辅助塔51的上部，塔51在通常为17～35psia的压力范围下操作。
第二塔或旁路塔51具有纵向隔离板52，它划定包括第一产品区段53和第二产品区段54的塔部段。第一再沸腾器31位于第一产品区段的下部。第二再沸腾器33位于第二产品区段的下部。将富氧液体104在分配塔部段至少某处之上送入旁路塔51之中，优选如图1所示，在整个分配塔部段之上，即分配塔部段顶部之上，将富氧液体104送入旁路塔51中。
把富氧液体逆着向上流动的蒸汽，平行地分别向下通过第一产品区段53及第二产品区段54，在这过程中通过深冷精馏而被分别分离，成为高纯度氧气及低纯度氧气。比起第二产品区段，第一产品区段在较低液汽比下操作，和／或具有较多的平衡阶数，这使之能生产更高纯度氧气。优选在第一产品区段53及第二产品区段54之内，塔中的内填物，即传质元件包括构筑填充物。
高纯度液态氧气汇集在第一产品区段53的底部，它被上述原料气170的冷凝第一部分再沸腾，在第一产品区段53内生成向上流动的蒸汽。从靠近第一再沸腾器31的第一产品区段53以液体和／或气体形式回收高纯度氧气产品。在图1所示的实施方案中，从第一产品区段53以液流60中液体形式取出高纯度氧气并回收之。
在第二产品区段54的底部汇集低纯度氧气，并用原料气170的第二冷凝部分将它再沸腾，以便在第二产品区段54内生成向上流动的蒸汽，从靠近第二再沸腾器33的第二产品区段54以液体和／或气体的形式回收低纯度氧气产品。在图1所示的实施方案中，从第二产品区段54以液流61中液体的形式取出低纯度氧气并回收之。从第二塔51的上部取出含氮气流116并通入低压塔44。
图3说明本发明旁路塔加以改动的另一实施方案。对共同部件来说，图3中的编号相当于图1中的编号，将不再对这些共同部件作详细讨论，在图3所示的实施方案中，从低压塔44及高压塔43取出在旁路塔中已加工的含氧液体。
现在参考图3，将冷凝的原料气流34在高于塔底之处通入高压塔43中，又将另外的原料气流75在低于气流34的导入处通入高压塔43中。把富氧液流104从低压塔44通入旁路塔51的第二产品区段。在图3所示的本发明实施方案中，隔离板52优选通过塔51的整个高度。将经富集的氧液体流76(其氧气浓度小于液流104中的富氧液体的氧气浓度)从高压塔43通入旁路塔51的第一产品区段。因此可以明白，在图3所示的本发明实施方案中，较低氧气浓度的含氧液体，即经富集的氧液体76，被用于在第一产品区段生产高纯度氧气60，而具有更高氧气浓度的含氧液体，即富氧液体104被用于在第二产品区段生成低纯度氧气61。从塔51的上部分别从第一产品区段53及第二产品区段54取出气流116，然后通入低压塔44。
高压塔的压力根据将逆着低压塔中沸腾的富氧液体离开此塔顶部的经富集的氮蒸汽进行冷凝的需要而加以控制。沸腾的氧气越纯，则在高压塔中需要更高压力以产生冷凝所需要的温度差。由于采用原料气使高纯和低纯汽提部分进行再沸腾，利用一种比在低纯氧气产品中更明显缺乏氧气的液体，可将在高压塔中上面通过的氮气冷凝下来。因此，在本发明的实践中，在高压塔中的压力可以比氮气从高压塔上部流过时用来再沸腾低纯氧气提部段应出现的压力要低些。
现在，采用本发明，人们能由深冷空气分离工厂有效地生产高纯度和低纯度氧气。虽然本发明通过参考两个优选实施方案而作了详细描述，但本领域熟练技术人员将会认识到，在本发明的精神及权利要求范围内，还会存在本发明的其他具体方案。例如，分配塔可含有多于1个的隔离板，而且分开的部分可含有多于两个产品区段，每个产品区段有其自己的再沸腾器。采用这一方法可生产三种或多种不同纯度的氧气产品。
此外，适用于本发明实践的分配塔一般可定义如下：
一种生产第一产品及第二产品的精馏塔，它包括：
(A)一个在其中有一个纵向排列隔离板的塔，此隔离板将此塔分为第一产品区段及第二产品区段；
(B)位于第一产品区段的第一再沸腾器；
(C)位于第二产品区段的第二再沸腾器；
(D)把原料气送入塔部段至少某处之上的装置；
(E)从靠近第一再沸腾器的塔部段把第一产品取出的装置；
(F)从靠近第二再沸腾器的塔部段把第二产品取出的装置。

Claims (10)

1．一种生产高纯度氧气和低纯度氧气的方法，它包括：
(A)把原料气冷凝并把由此所得的原料气送入高压塔内；
(B)在高压塔内用深冷精馏法将原料气分离为经富集的氧液体和经富集的氮蒸汽；
(C)从高压塔把经富集的氧液体送入低压塔内，并在低压塔内生成富氮蒸汽及富氧液体；
(D)把含氧液体送入一个具有被纵向阻离板隔开的第一产品区段和第二产品区段的旁路塔中，用深冷精馏法在旁路塔第一产品区段和第二产品区段中分别把含氧液体加工，在第一产品区段生成高纯度氧气，在第二产品区段生成低纯度氧气；
(E)用该冷凝原料气的第一部分将第一产品区段再沸腾，又用该冷凝原料气的第二部分将第二产品区段再沸腾；及
(F)从第一产品区段回收高纯度氧气，又从第二产品区段回收低纯度氧气。
2．权利要求1的方法，其中在第一产品区段中的液汽比小于在第二产品区段中的液汽比。
3．权利要求1的方法，其中含氧液体含有得自低压塔的富氧液体。
4．权利要求1的方法，其中含氧液体含有得自低压塔的富氧液体和来自高压塔的经富集的氧液体，而且其中把经富集的氧液体送入第一产品区段，又把富氧液体送入第二产品区段。
5．一种生产高纯度氧气及低纯度氧气的方法，它包括：
(A)把原料气冷凝及把由此所得的原料气送入高压塔内；
(B)在高压塔中用深冷精馏法把原料气分离为经富集的氧液体及经富集的氮蒸汽；
(C)把经富集的氧液体从高压塔送入具有被纵向隔离板隔开的第一产品区段和第二产品区段的低压塔；
(D)在低压塔的第一产品区段及第二产品区段中分别用深冷精馏法加工经富集的氧液体，而在第一产品区段生成高纯度氧气及在第二产品区段生成低纯度氧气；
(E)用该冷凝原料气的第一部分使第一产品区段再沸腾，又用该冷凝原料气的第二部分使第二产品区段再沸腾；
(F)从第一产品区段回收高纯度氧气及从第二产品区段回收低纯度氧气。
6．一种生产高纯度氧气及低纯度氧气的设备，它包括：
(A)第一塔；
(B)第二塔，其塔部位包括被纵向隔离板隔开的第一产品区段及第二产品区段；
(C)位于第一产品区段中的第一再沸腾器及位于第二产品区段中的第二再沸腾器；
(D)把原料氧送入第一再沸腾器及把原料气从第一再沸腾器送入第二再沸腾器的装置；
(E)把原料气从第二再沸腾器送入第一塔的装置；及
(F)从第一产品区段回收高纯度氧气的装置及从第二产品区段回收低纯度氧气的装置。
7．权利要求6的设备，其中第一产品区段具有比第二产品区段多的平衡阶数。
8．权利要求6的设备，其中第二塔是双塔中的低压塔。
9．权利要求6的设备，其中第二塔是旁路塔，而且还包括第三塔，及把液体从第三塔的低部位送入旁路塔的装置。
10．权利要求6的设备，其中第二塔是旁路塔，而且还包括第三塔及把液体从第三塔的低部位送入旁路塔的第二产品区段的装置，而且还包括把液体从第一塔的低部位送入旁路塔的第一产品区段的装置。
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