CN1308215A - 低温分离空气的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于空气低温分离的方法及其装置。压缩并预先净化的空气进料导入氮－氧分离的精馏系统中,其包括压力塔、低压塔和向低压塔供热的冷凝－蒸发系统,而冷凝－蒸发系统又包含由降膜蒸发器构成的第一段。将来自低压塔的第一富氧液体导入第一段的气化段中,形成富氧蒸气和第二富氧液体。富氧蒸气至少部分地返回低压塔中。冷凝－蒸发系统还包含至少部分地由循环蒸发器构成的第二段。第二富氧液体至少部分地导入第二段的气化段中。

Description

低温分离空气的方法及设备
本发明涉及一种具有权利要求1之上位概念所述特征的低温分离空气的方法。
有关低温分离空气的基础概念以及用两个塔或多个塔进行氮-氧分离的精馏系统的建立，可以参考豪森和林德的专著《低温技术》(1985年，第二版)以及拉特默在《化工进展》(Chemical Engineering Progress)(第63卷第2期第35页，1967年)上的论文。从热交换的角度考虑，冷凝-蒸发系统(主冷凝器)一般为压力塔和低压塔的两塔系统，其中，与中压塔塔底液体的气化相反，压力塔的塔顶气体被液化。
本发明的精馏系统既可以建成传统的两塔系统，也可以是三塔或多塔系统。另外，还可在氮-氧分离塔上附加其它的装置，以获得其它的空气组份，特别是惰性气体成份，如氩气。
作为冷凝器-蒸发器的换热器包含气化段和液化段。在气化段中液体被气化。它与液化段换热接触，使得气态馏分与要气化的液体进行间接换热而被冷凝。有关气化过程的详细内容可以参考比勒特的专著《气化及其技术应用》(1981年)。一个冷凝器-蒸发器可以由一个或多个换热段组成，而一个冷凝-蒸发系统则由一个或多个冷凝器-蒸发器组成。
十几年来，在低温空气分离的实践中，只采用循环蒸发器作为冷凝器-蒸发器使用。在这种类型的蒸发器中，换热段置于要被气化的液体浴中。其气化段的上、下都是开放的。来自液体浴中的液体被气化时形成的气体向上带走(热虹吸效应)，然后又流回液体浴中。因此，只是通过气化过程就能自然地形成液体循环，而不需要使用机械能来完成。
一段时间以来，空分设备中也采用降膜蒸发器作为冷凝器-蒸发器，如EP681153A或EP410832A中所介绍的。在这种类型的蒸发器中，要被气化的液体从上面进入气化段中，并以相对较薄的膜沿着壁向下流动，所述壁将气化段和液化段分开。这种类型的蒸发器在其气化段中的压降特别低，因而，一般来说，它要比循环蒸发器耗能低。
然而，在富氧液体气化时，必须防止其全部气化，否则会导致气化段的干运行。因此，一般要将从气化段中溢出的液体通过泵再泵回气化段的入口。这种方式一方面与降膜蒸发器的节能作用相违背，另一方面又使液体中不受人欢迎的难挥发组份富集。
因此，本发明的目的就是要提供一种前述空分领域的方法及相应的装置，它可以经济地运转，而且能耗特别低。
这一目的是通过权利要求1之特征部分中的技术特征来实现的。也就是说，将在降膜蒸发器(冷凝-蒸发系统的第一段)中没有气化的液体(第二富氧液体)，象在通常的降膜蒸发过程中一样，送至一个传送设备如一个泵中；不过，该传送设备不是将此液体送回该降膜蒸发器的气化段入口，而是送至冷凝-蒸发系统的第二段。这样，第一段只需承担冷凝-蒸发系统气化总量中相对较小的一部分，如30-50％，优选为38-42％。自然，在降膜蒸发器的气化段出口处的液体量也就相应地较大。这样，就可以完全地或在很大程度上放弃人工的液体循环。传送设备使得起初没有气化的液体继续流向冷凝-蒸发系统的第二段。而冷凝-蒸发系统第二段则完全地或部分地由循环蒸发器构成。所以此处就没有必须进行人工液体循环的问题，或者只需要进行小规模的人工液体循环。
在本发明中，采用本发明的方法可使泵的工作量降至30％左右。而且降低泵功率所带来的节能效果不只是限于运转能量的节约，其优点在很大程度上源于可以降低热量的带入，而这又是通过降低第二富氧液体的传递量得以实现的。
按照本发明的方法，氧产品最好从冷凝-蒸发系统的第二段取出，既可以以气氧的形式取走，也可以以液氧的形式取走。如果采用后一种方式(液氧)，有时除液氧产品外，还会得到气态的压缩氧产品，这样，液态的富氧液体的压力增加，接着相对于空气或氮气而被气化(所谓的内压缩)。
本发明的冷凝-蒸发系统的第二段可以置于低压塔中，也可以置于一个单独的容器中。
本发明的方法及其装置可以适用于各种类型的氮-氧分离技术，尤其是那些与塔顶或塔底产品纯度无关的技术。
在冷凝-蒸发系统第二段的气化段中产生的蒸气，最好不要全部或大部分地以气氧产品的形式取走，而应至少将其一半导入低压塔中，并在那里作为向上的蒸气。如果所有的氧产品均以液氧获得和/或进行内压缩，那么，也应将在冷凝-蒸发系统第二段中产生的全部气体返回低压塔中。
那些没有气化的第二富氧液体作为第三富氧液体存留在冷凝-蒸发系统的第二段中，最好将其收集于循环蒸发器的液体浴中。按本发明的方法，它最好至少部分地返回低压塔和/或冷凝-蒸发系统的第一段的气化段中。最好在液体浴液面高处设置一相应管路，这样，这一回路就可与上面提到的蒸气回路合在一起，导向低压塔，循环蒸发器中的液体高度就可同时得到调整，而不需要额外的调整或调节装置。
另外，当第二段部分地由第二降膜蒸发器构成时，在第一段和第二段之间本已存在的传送设备，还可以应用于第二降膜蒸发器，以产生液体循环。
冷凝-蒸发系统的液化段最好与两个塔相连，如权利要求4中所述。因此，在这些位置处，可以不使用泵，而且即使压力塔和低压塔并行排列也是如此。(在这种情况下，比较有利的方式是，冷凝-蒸发系统的第一段位于低压塔的最低层塔板之下，而冷凝-蒸发系统的第二段位于压力塔最高层塔板之上)。
由降膜蒸发器构成的第一段，最好如此设计其尺寸大小，使得其中通过冷凝来自压力塔的富氮气体馏分所产生的富氮液体的量，是低压塔中的回流所需要的(有时要加上以无压液体产物取走的量)。这占冷凝-蒸发系统热传递总量的30-50％，优选为38-42％。其余的热传递(50-70％，优选为58-62％)要在冷凝-蒸发系统的第二段中完成，而且如此的话至少可以产生压力塔回流所需要的液体量。
考虑到受热表面的空间分布，在某些情况下，第一段中所冷凝的富氮馏分的量，要比前面所述的大，以便将第二段相应的受热面积(一般在压力塔塔顶)转移到第一段上(一般在低压塔的塔底)。这时，在第一段中形成的第一富氮液体的一部分，要作为压力塔的回流。为此，有时需要使用液体泵。
一般来说，富氮馏分是通过压力塔的顶部氮形成的。
冷凝-蒸发系统的第一段最好只由降膜蒸发器构成。借助上述的设计，它最好是相对较为紧密的单独一块结构，也可以是多个(如四个)特别低的块互相并排连接而成的。同样，直接连接在低压塔塔底，既有利于降低装置的高度，也有利于更好的绝热(冷箱)。
冷凝-蒸发系统的第二段可以由至少两个串联的、起蒸发作用的分段构成，其中第一个分段由降膜蒸发器构成，而第二个分段由循环蒸发器构成。流出降膜蒸发器分段之气化段的液体，导入循环蒸发器分段的液体浴中。降膜蒸发器-循环蒸发器的组合可以配备例如连贯的液化段，详细描述可参考EP795349A。这种情况下，来自循环蒸发器液体浴中的液体可以返回低压塔或者冷凝-蒸发系统之第一段的气化段出口，并用于提高第二段之降膜蒸发器分段中的液体量。
另外，本发明还涉及一种按权利要求9所述的用于低温分离空气的装置。更为优选的装置布置如权利要求10-13所述。
下面，借助两个在附图中示意性表示的、用于制备气态压缩氧的实施例，对本发明及其细节作进一步地说明。
如图1所示，预先经过压缩、净化并冷却至露点附近(没有示出)的气态空气进料1，直接在塔底上导入压力塔2。压力塔2是精馏系统的一部分，精馏系统还包括一个低压塔3和一个主冷凝器，主冷凝器的形式为冷凝-蒸发系统101、102、103。在压力塔2中，空气被分离成塔顶的氮气和一富氧的液体。在本实施例中，后者不像通常那样从塔底取走，而是通过管路5在几块理论塔板或实际塔板的高度处取走。(有关这一抑制难挥发组份方法的细节，可以参阅另外一篇德国专利申请19835474，或者参阅与该申请相对应的、在其它国家的申请)。富氧液体5通过一个此处没有示出的管路进入低压塔3的中间位置处。
在低压塔3的上部处取走一种或多种氮产品(没有示出)。在最低层精馏塔板之下，可以得到符合产品纯度的氧，它作为第一富氧液体从低压塔3的最低层塔板或填料板处流出，并在收集设备7处收集。第一富氧液体继续流至冷凝-蒸发系统第一段101的顶部，并进入其气化段中。第一段101由降膜蒸发器构成。在此处，第一富氧液体7与来自压力塔2塔顶的富氮气体馏分4的第一部分8，进行间接热交换，并约有28-30％的第一富氧液体被气化。而富氮气体8被冷凝，形成第一富氮液体9。第一富氮液体9经控制阀10减压，并作为回流，全部返回低压塔3的塔顶，。由于在这一实施例中没有生产液氮产品，因而降膜蒸发器101的尺寸大小可以如此设计，使得其中富氮气体8冷凝形成的液氮量，恰好是低压塔的回流液体所需要的。
在冷凝-蒸发系统的第一段101中产生的蒸气11，流回至低压塔的最低层精馏板处，并在该塔内参与逆流的物质交换。仍保持为液体的成份12成为第二富氧液体。该液体通过管路13取走，并借助泵14送至冷凝-蒸发系统的第二段，该第二段由另一降膜蒸发器102和一个循环蒸发器103组合而成，详见EP795349A中所述。
第二富氧液体向下流至另一降膜蒸发器102的气化段，在此处，约有40％被气化。所形成的蒸气15全部通过管路16循环回低压塔3中，因为在本实施例中没有直接从精馏系统中取出气氧产品。过量的液体与在第二段102、103中产生的蒸气一起送至低压塔3，由此，管路16同时起到保持液体浴18液面恒定的作用。(这一功能可以通过下面放大了的图2得到进一步地解释)。来自分段102的残留液体17流入循环蒸发器103的液体浴18中，与在循环蒸发器中形成的液体19共同构成第三富氧液体。该液体部分地通过管路20取走，借助泵21进行内压缩，并按常规方式在高压下气化，最终以气态压缩产品的形式导出，由此得到氧产品。如果一部分空气进料用于氧产品气化的热传递，那么可以将因此液化的空气物流24导入压力塔2的中间位置处。另一种方案或许是，相对于气化的氧产品冷凝由压力塔压力运送的氮物流(氮循环，没有示出)。
另一降膜蒸发器102的液化段和循环蒸发器103的液化段可以连贯建成。它们由来自压力塔2的富氮气体馏分4的第二部分22进气带动。氮气首先流经降膜蒸发器102，接着流经循环蒸发器103，并至少被部分地冷凝，最好全部冷凝。此处形成的第二富氮液体23全部作为压力塔2的回流液。
图2详细示出了在管路16和环绕两个冷凝-蒸发器102、103之外部空间之间的连接，这两个冷凝器-蒸发器构成了冷凝-蒸发系统的第二段。管路的大小基本上根据要传输的气体量来设计，并将其如此设置，使得来自循环蒸发器103液体浴的液体可以溢流，并沿管路16的下边以薄膜26形式流回低压塔3，即流回第一降膜蒸发器之下的液体槽中。这样，不需任何特殊调节措施，就可以使循环蒸发器103液体浴中的液面高度保持恒定。
图3与图1的区别在于另外增加了管路301，通过该管路可以将第一富氧氮液体9的一部分返回压力塔2，作为其回流。在所述的塔和冷凝器的排布中，必须增加一个液体泵302，以克服在冷凝-蒸发系统的第一段101和压力塔2上部之间的静态高度差。借助于这种在压力塔中的液体传导，图3的实施例相对于图1是在第一段101中设置更多的受热面积，此处第一段101可以由低压塔3的塔底蒸发器构成。对于第二段102、103来说，则可以相应地使用较少的受热面积(以及较小的空间)。本实施例中，第二段102、103位于压力塔2的顶部。这样，冷凝-蒸发系统的空间分布可以达到最优。在多数情况下，这种优化所带来的好处要大于增加管路301和液泵302所带来的开支。
在一种极端的情况下(图中没有示出)，分段102的所有受热面可以都结合在第一段101中，这样冷凝-蒸发系统的第二段只由循环蒸发器103构成。

Claims (13)

1、一种低温分离空气的方法，其是将压缩并预先净化过的空气进料(1)送入到氮-氧分离的精馏系统中，该系统包含一个压力塔(2)、一个低压塔(3)和一个向低压塔(3)供热的冷凝-蒸发系统(101、102、103)，其中，冷凝-蒸发系统包含一个由降膜蒸发器构成的第一段(101)，来自低压塔(3)的第一富氧液体(6)导入降膜蒸发器(101)的气化段中，并在此进行部分气化，形成第一富氧蒸气(11)和第二富氧液体(12)，而第一富氧蒸气(11)至少部分地返回低压塔(3)中；其特征在于，冷凝-蒸发系统还包含一个第二段(102、103)，该第二段至少有一部分由循环蒸发器(103)构成，而且借助于传送设备(14)，第二富氧液体(12、13)至少部分地导入冷凝-蒸发系统之第二段(102、103)的气化段中。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在冷凝-蒸发系统之第二段的气化段中产生的蒸气，至少一半导入(16)到低压塔(3)中。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由第二富氧液体(12、13)在冷凝-蒸发系统第二段(102、103)中没有气化的部分形成的第三富氧液体(18)，至少部分地返回低压塔(3)中和/或冷凝-蒸发系统之第一段(101)的气化段中。
4、根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，在压力塔(2)的上部形成富氮的气体馏分(4)；富氮的气体馏分(4)的第一部分(8)导入冷凝-蒸发系统第一段(101)的液化段中，并在此至少部分被冷凝，形成第一富氮液体(9)；富氮的气体馏分(4)的第二部分(22)导入冷凝-蒸发系统之第二段(102、103)的液化段中，并在此至少部分被冷凝，形成第二富氮液体(23)；第一富氮液体(9)至少部分地减压(10)，作为低压塔(3)的回流；第二富氮液体(23)至少部分地作为压力塔(2)的回流。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一富氮液体(9)的一部分输送(301、302)至压力塔(2)作为回流。
6、根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，压力塔(2)和低压塔(3)并行排列，其中，冷凝-蒸发系统的第一段(101)处于低压塔(3)的最低层塔板或填料板之下，和/或冷凝-蒸发系统的第二段处于压力塔(2)的最高层塔板或填料板之上。
7、根据权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，冷凝-蒸发系统的第一段(101)只由降膜蒸发器构成。
8、根据权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，冷凝-蒸发系统的第二段至少由两个串联连接并起蒸发作用的分段组成，其中至少一个分段由降膜蒸发器(102)构成，而且至少一个分段由循环蒸发器(103)构成。
9、一种带有氮-氧分离精馏系统的空气低温分离装置，它包含一个压力塔(2)、一个低压塔(3)和一个向低压塔(3)供热的冷凝-蒸发系统(101、102、103)，其中，冷凝-蒸发系统包含一个由降膜蒸发器构成的第一段(101)，所述装置还包括：将压缩并预先净化过的空气进料(1)导入压力塔(2)的空气进料管路(1)、将来自低压塔(3)的第一富氧液体(6)导入降膜蒸发器(101)的气化段中的设备、以及将来自降膜蒸发器(101)之气化段的富氧蒸气(11)返回低压塔(3)中的设备；其特征在于，冷凝-蒸发系统还包含一个第二段(102、103)，该第二段中至少一部分由循环蒸发器(103)构成，而且所述装置还包含将来自降膜蒸发器(101)的气化段中的第二富氧液体(12、13)送入冷凝-蒸发系统之第二段(102、103)的气化段中的设备，以及传送设备(14)。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，压力塔(2)和低压塔(3)并行排列，其中，冷凝-蒸发系统的第一段(101)处于低压塔(3)的最低层塔板或填料板之下，和/或冷凝-蒸发系统的第二段处于压力塔(2)的最高层塔板或填料板之上。
11、根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，冷凝-蒸发系统之第一段(101)只由降膜蒸发器构成。
12、根据权利要求9-11之一所述的装置，其特征在于，冷凝-蒸发系统的第二段至少由两个串联连接并起蒸发作用的分段组成，其中，至少一个分段由降膜蒸发器(103)构成，而且至少有一个分段由循环蒸发器构成。
13、根据权利要求9-11之一所述的装置，其特征在于，冷凝-蒸发系统的第一段(101)之液化段的出口(9)，通过液体管路(301)，有时还通过液体泵(302)，与压力塔(2)相连。
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