CN1274069A - 生产中等纯度氧和中等纯度氮的低温空气分离系统 - Google Patents

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Abstract

一种低温空气分离系统,在其中先对进料空气进行处理,以产生蒸气和液体,然后在回流冷凝器的精馏段对蒸气进行处理,以生产中等纯度氮,在回流冷凝器的汽提段对液体进行处理,以生产中等纯度氧。

Description

生产中等纯度氧和中等纯度氮的低温空气分离系统
本发明一般地涉及生产氧和氮产品的空气低温精馏。
一些工业操作既需要中等纯度氧，例如用于高炉操作或化学氧化过程，也需要中等纯度氮，例如钝化、干燥或覆盖。传统的低温空气分离系统，例如那些采用低温精馏柱生产产品的系统，对生产这些产品并没有经济上的吸引力。
因此，本发明的目的是提供一个低温空气分离系统，它既能经济地生产中等纯度的氧又能生产中等纯度的氮。
本领域的技术人员在阅读了本发明内容后对本发明实现了上述和其他目的将变得十分清楚，其一方面是：
用低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的方法，包括：
(A)部分地压缩进料空气，将部分压缩的进料空气送入一个塔，在塔中通过低温精馏把进料空气分离为富氮蒸气和富氧液体；
(B)将富氮蒸气送入有精馏段和汽提段的回流冷凝器的精馏段，使富氮蒸气在向上送入精馏段，同时部分冷凝向上流动的富氮蒸气，以产生富氮流体和剩余液体；
(C)回收富氮流体作为中等纯度氮产品，并把剩余液体送入塔上部；
(D)将富氧液体从塔下部向下送入回流冷凝器的汽提段，同时部分蒸发向下流动的富氧液体，以产生富氧流体和剩余蒸气；
(E)回收富氧流体作为中等纯度氧产品。
本发明的另一方面是：
用低温空气分离法生产中等纯度氧和中等纯度氮的装置，包括：
(A)热交换器、塔、向热交换器提供进料空气的设备和将进料空气从热交换器送入塔的设备；
(B)具有精馏段和汽提段的回流冷凝器，以及将来自塔上部的流体送入精馏段的设备；
(C)从精馏段回收流体作为中等纯度氮产品的设备，以及将来自精馏段的流体送入塔上部的设备；
(D)将来自塔下部的流体送入汽提段的设备；
(E)从汽提段回收流体作为中等纯度氧产品的设备。
本发明还有一方面是：
一种通过低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的方法，包括：
(A)部分地压缩进料空气，以产生进料空气的蒸气部分和进料空气的液体部分，将进料空气的蒸气部分送入有精馏段和汽提段的回流冷凝器的精镏段，将进料空气的液体部分送入该回流冷凝器的汽提段；
(B)使进料空气的蒸气部分向上送入精馏段，同时部分地冷凝向上移动的进料空气的蒸气部分，以产生富氮流体和剩余液体；
(C)回收富氮流体作为中等纯度氮产品，并将剩余液体送入汽提段；
(D)使进料空气的液体部分和剩余液体向下送入汽提段，同时部分地蒸发向下流动的液体，以产生富氧流体和剩余蒸气；
(E)回收富氧流体作为中等纯度氧产品。
本发明还有另一方面是：
用于用低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的装置，包括：
(A)热交换器、相分离器、向热交换器提供进料空气的设备、从热交换器向相分离器提供进料空气的设备；
(B)具有精馏段和汽提段的回流冷凝器，将来自相分离器的流体送入精馏段的设备、和将来自相分离器的流体送入汽提段的设备；
(C)回收来自精馏段的流体作为中等纯度氮产品的设备；
(D)将来自回流冷凝器精馏段的流体送入回流冷凝器汽提段的设备；
(E)回收来自汽提段的流体作为中等纯度氧产品的设备。
在这里采用的术语“进料空气”的意思是指主要由氧和氮组成的混合物，例如大气。
在这里采用的术语“中等纯度氧”的意思是指具有氧浓度在25至80摩尔百分数之间的流体。
在这里采用的术语“中等纯度氮”的意思是指具有氮浓度在95至99.9摩尔百分数之间的流体。
在这里采用的术语“塔”的意思是指蒸馏或分馏的塔或区，即接触塔或区，其中液相和蒸气相逆流接触以实现流体混合物的分离，例如，通过蒸气相和液相在一系列安装在塔中垂直放置的盘或板上的接触，和/或例如在规则或不规则排列的填充元件上的接触。对蒸馏塔的深入讨论可参阅化学工程师手册，第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton编著，McGraw-Hill Book Company，New York，13章，连续蒸馏过程。
在这里采用的术语“间接热交换”的意思是指把两种流体引入热交换关系而无流体相互间的任何物理接触或内混合。
在这里采用的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”的意思分别是指高压气流通过涡轮降低气体的压力和温度从而产生冷冻的方法和设备。
在这里采用的术语“上部”和“下部”的意思分别是指塔中点以上和以下的部分。
在这里采用的术语“过冷却”和“过冷却器”的意思分别是指把液体过冷却到比该压力下液体饱和温度还低的温度的方法和设备。
在这里采用的术语“相分离器”的意思是指一个容器，两相进料在其中被分离成单独的蒸气和液体部分。典型地，容器要有足够的截面积，以致蒸气和液体能被重力所分开。
在这里采用的术语“回流冷凝器”的意思是指热交换设备，它有许多垂直排列的带有散热片的通道，蒸气从通道的底部向顶部流动，这些统称为回流冷凝器的精馏段，它还有许多垂直排列的带有散热片的通道，液体从顶部向底部流动，这些统称为回流冷凝器的汽提段。每一个精馏管或通道与至少一根汽提管或通道成热交换关系，因此，通过精馏通道上升的蒸气由与汽提通道中向下流动的液体进行间接热交换而部分地冷凝，向下流动的液体部分地蒸发。
图1是本发明优选实施方案的示意图，其中采用一个塔与回流冷凝器相接。
图2是另一个本发明优选实施方案的示意图，其中采用一个塔与回流冷凝器相接。
图3是本发明优选实施方案的示意图，其中采用一个相分离器与回流冷凝器相接。
图4是另一个本发明优选实施方案的示意图，其中采用一个相分离器与回流冷凝器相接。
图中采用的数字对于共同的部件是相同的。
本发明的要点是防止具有不同组分的液体在进入回流冷凝器的汽提段之前直接混合，因此避免了热力学的无效性，并使本发明可能以更有效的方法生产期望的产品。
参考附图将更详细地说明本发明。现在参考图1，压缩机101通常把进料空气2压缩至30-70磅/英寸2(psia)，得到的压缩空气流6中的高沸点杂质，例如水蒸气和二氧化碳，在通过净化器103后被清除。在热交换器107中，经过清洗、过冷却的进料空气流8经与返回液流的间接热交换冷却到它的露点附近，由此产生的进料空气流10在热交换器123中经与返回液流的间接热交换而部分冷凝。由此产生的两相进料空气流12被送入塔131。
塔131在压力通常为28-68psia的范围内操作。在塔131中，进料空气被低温精馏分离成富氮蒸气和富氧液体。富氮蒸气从塔131的上部作为管道14通入回流冷凝器140的精馏段，回流冷凝器140也有汽提段，在图1中表示为精馏段142和汽提段144。富氮蒸气在精镏段142内向上流动，同时部分地经与汽提段144向下流动液体的间接热交换而冷凝，从而产生富氮流体和剩余液体。富氮流体从精馏段142中作为蒸气流50流出，并在通过热交换器123时加热。由此产生的富氮蒸气流52在通过涡轮膨胀机150时由涡轮膨胀致冷，由此产生承载冷冻的富氮蒸气54在通过热交换器123时加热。由此产生的富氮蒸气流56在通过热交换器107时进一步加热，并且作为中等纯度氮产品作为气流58回收。
来自精馏段142的剩余液体作为物流16进入塔131的上部，作为回流液体。富氧液体从塔131的下部流出，并作为物流20通过过冷却器133，在其中经与剩余蒸气的间接热交换而过冷却，这将在以下进一步讨论。由此产生冷却后的富氧液体22通过阀门137，作为物流26进入汽提段144。富氧液体向下流过汽提段144的同时部分地蒸发，正象前面叙述的那样，产生富氧流体和剩余蒸气。剩余蒸气从汽提段144中作为气流60流出，在通过低温过冷却器133时被加热，以实施前面提到的富氧液体过冷却。由此产生加热后的剩余蒸气62在通过热交换器123时被加热，产生的物流64在通过热交换器107时被进一步加热，并作为物流66从系统中排出。
富氧流体从汽提段144中作为液流70流出，在通过热交换器123时，经与刚进来的部分冷凝的进料空气进行间接热交换而蒸发。由此产生的富氧蒸气作为气流72在通过热交换器107时被进一步加热，而作为中等纯度氧的产品作为气流74回收。
图2说明了本发明中一个类似于图1的设备，但是，中等纯度氧产品是在提高了压力后回收的。在图2中列举的设备与图1中列举的设备相似，这里就不详细讨论。
现在参看图2，清洗、过冷却后的进料空气8被分为第一部分进料空气9和第二部分进料空气90。第一部分进料空气9在热交换器107中冷却到它的露点附近，并作为气流10进入塔131。第二部分进料空气通过压缩机92时，通常被压缩到50-250psia的范围内，并通过热交换器107冷却到它的露点附近。产生的第二部分进料空气94在热交换器123中，与由蒸发而提高了压力的富氧液流进行间接热交换而冷凝，由此产生的液体第二部分进料空气96进入塔的上部。富氧液体作为液流70通过液体泵160，通常被增压到25-125psia的范围。由此产生增压后的富氧液体171经与冷凝的第二部分进料空气的间接热交换而蒸发，如前所述，由此产生的提高了压力的富氧蒸气172，在通过热交换器107时进一步加热，并作为增压的中等纯度氧产品作为物流174回收。
图3表示本发明的另一套装置，其中采用了相分离器而没有采用塔。图3表示的本发明实施方案与图1表示的实施方案的相同部分以相同编号表示，这里就不详细讨论了。
现在参看图3，部分冷凝的进料空气流12进入相分离器135，在那里它被分离为进料空气蒸气部分和进料空气液体部分。进料空气蒸气部分从相分离器135流出，作为气流15进入精馏段142，在那里对它的处理方式与富氮蒸气相同，这已经在图1所表示的相同实施方案中讨论过了。进料空气液体部分17从相分离器135流出，进入过冷却器133，过冷却并形成过冷却液流19。残留液16从精馏段142流出，进入过冷却器133，在那里过冷却，并从那里流出形成过冷却液液流18。过冷却液流18和19分别通过膨胀阀138和139的调节，生成液流24和21。这两个液流在导入汽提段144之前不能混合，这点很重要，因为它们的组成不同，那种混合将导致热力学上的无效性。由于在物流24中的液体具有的氧浓度比在物流21中的低，因而物流24与物流21分别进入汽提段144，并且物流24进入汽提段144的位置比物流21的位置高。进入汽提段并向下流动的液体部分地蒸发，如前所述，产生富氧流体和剩余蒸气，并如前面图1所述的被进一步处理。
图4表示出与图3表示的相分离器的差异，这里将不再详述图4与图3的实施方案所具有相同的特点。
现在参看图4，剩余液体16通过阀门28，并作为液流32进入热交换器123，在那里部分地蒸发。由此产生包含了蒸气和剩余液体的两相流体34进入相分离器155。蒸气作为气流36从相分离器155中流出，并进入物流64形成物流65，它在通过热交换器107时加热，并作为气流166从系统中排出。留下的剩余液体通过相分离器作为物流38进入过冷却器133，在其中过冷却，并从中形成过冷却液流40。因为物流40中的液体与物流21中的液体组分大致相同，这两个液流可以合并而不会产生热力学的无效性。合并物流21和40所形成的液流42进入汽提段144，如前所述，在其中处理以产生富氧流体和剩余蒸气。富氧流体和剩余蒸气在与图3所示的实施方案中相同的方式作进一步处理。
虽然本发明参考一些优选的实施方案进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员将认识到在权利要求的精神和范围内，还有符合本发明的其他实施方案。例如，虽然举例说明的每一个实施方案具有相同长度的精馏段和汽提段，但这种要求不总是如此。在一个这样的实施方案中，精馏通道的顶部可以被封住，使得汽提段比精馏段长，并使靠近被封住段的汽提段变成一个隔热段。

Claims (10)

1.一种用低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的方法，包括：
(A)部分地压缩进料空气，将部分压缩的进料空气送入一个塔，在塔中通过低温精馏把进料空气分离为富氮蒸气和富氧液体；
(B)将富氮蒸气送入有精馏段和汽提段的回流冷凝器的精馏段，使富氮蒸气在向上送入精馏段，同时部分冷凝向上流动的富氮蒸气，以产生富氮流体和剩余液体；
(C)回收富氮流体作为中等纯度氮产品，并把剩余液体送入塔上部；
(D)将富氧液体从塔下部向下送入回流冷凝器的汽提段，同时部分蒸发向下流动的富氧液体，以产生富氧流体和剩余蒸气；
(E)回收富氧流体作为中等纯度氧产品。
2.权利要求1的方法，其中进料空气分成两部分，第一部分作为蒸气进入塔，第二部分被加压、冷凝，然后进入塔。
3.用于用低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的装置，包括：
(A)热交换器、塔、向热交换器提供进料空气的设备和将进料空气从热交换器送入塔的设备；
(B)具有精馏段和汽提段的回流冷凝器，以及将来自塔上部的流体送入精馏段的设备；
(C)从精馏段回收流体作为中等纯度氮产品的设备，以及将来自精馏段的流体送入塔上部的设备；
(D)将来自塔下部的流体送入汽提段的设备；
(E)从汽提段回收流体作为中等纯度氧产品的设备。
4.权利要求3的设备，其中从汽提段回收流体作为中等纯度氧产品的设备包括液体泵。
5.一种通过低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的方法，包括：
(A)部分地压缩进料空气，以产生进料空气的蒸气部分和进料空气的液体部分，将进料空气的蒸气部分送入有精馏段和汽提段的回流冷凝器的精馏段，将进料空气的液体部分送入该回流冷凝器的汽提段；
(B)使进料空气的蒸气部分向上送入精馏段，同时部分地冷凝向上移动的进料空气的蒸气部分，以产生富氮流体和剩余液体；
(C)回收富氮流体作为中等纯度氮产品，并将剩余液体送入汽提段；
(D)使进料空气的液体部分和剩余液体向下送入汽提段，同时部分地蒸发向下流动的液体，以产生富氧流体和剩余蒸气；
(E)回收富氧流体作为中等纯度氧产品。
6.权利要求5的方法，其中剩余液体送入汽提段的位置要比液体进料空气部分送入汽提段的位置高。
7.权利要求5的方法，其中剩余液体在进入汽提段之前部分地蒸发生成蒸气，并留下剩余液体，留下的剩余液体送入汽提段。
8.用于用低温空气分离生产中等纯度氧和中等纯度氮的装置，包括：
(A)热交换器、相分离器、向热交换器提供进料空气的设备、从热交换器向相分离器提供进料空气的设备；
(B)具有精馏段和汽提段的回流冷凝器，将来自相分离器的流体送入精馏段的设备、和将来自相分离器的流体送入汽提段的设备；
(C)回收来自精馏段的流体作为中等纯度氮产品的设备；
(D)将来自回流冷凝器精馏段的流体送入回流冷凝器汽提段的设备；
(E)回收来自汽提段的流体作为中等纯度氧产品的设备。
9.权利要求8的装置，其中把流体从回流冷凝器的精馏段送入回流冷凝器汽提段的设备与该汽提段相连，其位置要高于把流体从相分离器送入汽提段的设备与该汽提段相连的位置。
10.权利要求8的装置，其中把流体从回流冷凝器的精馏段送入回流冷凝器汽提段的设备包括过冷却器。
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