辅助塔低温精馏系统的制作方法

专利名称：辅助塔低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及物料空气的低温精馏，它在用于在升高的压力下操作方面特别有利。
由于升高的压力操作与煤气化相结合的循环动力装置的应用，升高的压力产品，如由物料空气的低温精馏产生的氧气和氮气的需求正在增加。
从低温精馏装置生产增压产品的一种方式是将由装置生产出的产品压缩到所需压力。然而，这种方式由于两方面的原因而成本高一是起始的资本高，一是压缩机的操作和维护费用高。
从低温精馏装置生产增压产品的另一种方式是在较高压下操作装置的塔。然而，这种方式给系统加重了分离的负荷，因而需要补偿这种负荷，因为低温精馏取决于各组分的相对挥发性，而这些相对挥发性随着增加压力而减少。
在较高精馏压力下维持物料完全分离的方法之一是将物料空气的最大部分加入双塔空分装置的较高压力塔。这种方法导致最大量的高纯氮回流，而常规的双塔配置可以做到这一点。然而，在足够高的压力水平之时，该方法不足以避免氧回收方面的重大减少。
在较高精馏压力下维持物料空气的分离的另一方法是利用热泵压缩回路。在此法中，一个或几个低压物流经过附加的压缩装置再循环，压缩的物流返回到塔系统以进一步推动该分离。这些系统对于有效操作是复杂的，并且成本上取决于所应用的具体压缩装置。
因此，本发明的一个目的是提供一个低温精馏系统，该系统能在升高的压力下操作，并能改进常规的高压系统所能达到的回收。
本发明的上述目的和其它目的可由本发明达到，这对于一个读了本公开资料的本行业技术人员来说将变得很清楚。
本发明的一个方面是物料空气的低温精馏方法，包括(A)将物料空气送入具有高压塔和低压塔的双塔空气分离装置，并由低温精馏将在双塔装置中的物料空气分离成为氮蒸气和氧液体;
(B)将第二物料空气送入操作在低于较高塔的压力的辅助塔中，并由低温精馏将在辅助塔中的第二物料空气分离成为富氮蒸气和富氧液体;
(C)将辅助塔流出的富氧液体通入双塔空分装置，从双塔空分装置中排出液氧，并对排出的液氧减压;
(D)将富氮蒸气与减压的液氧间接热交换而使之冷凝，并将得到的至少一部分冷凝的富氮流体通入双塔空分装置中;以及(E)回收从与富氮蒸气间接热交换得到的氧流体作为氧产品。
本发明的另一方面是物料空气的低温精馏设备，包括(A)具有高压塔和低压塔的双塔空分装置和将物料空气送入双塔空分装置中的装置;
(B)具有塔顶冷凝器的辅助塔和将物料空气通入该辅助塔的装置;
(C)将流体从辅助塔的下部送入双塔空分装置的装置，和将流体从辅助塔的上部送入其塔顶冷凝器的装置;
(D)将流体从双塔空分装置送入减压装置和从减压装置送入塔顶冷凝器的装置;
(E)将流体从塔顶冷凝器送入双塔空分装置的装置和从塔顶冷凝器回收流体的装置。
这里所用的术语“塔”意指一个蒸馏或分馏塔或区域，即一个液相和蒸气相对流接触以进行流体混合物分离的接触塔或区域，正如所举例的，蒸气和液相通过在蒸气-液体接触元件上，如在安装在塔内的一系列垂直相间的塔板上和/或在可以是结构型填充元件和/或自由填充元件上发生的接触。对于进一步讨论蒸馏塔，请见Chemical Engineers′Handbook，第5版，第13节，B.D.Smith等人，“蒸馏”，第13-3页，“The Continuous Distillation Process”。该手册由R.H.Perry和C.H.Chilton编辑，纽约Mc Graw-Hill Book Company出版。
蒸气和液体接触分离过程取决于各组分的蒸气压之差。高蒸气压(或易挥发或低沸点)组分趋向于在蒸气相内浓缩，而低蒸气压(或不易挥发或高沸点)组分趋向于在液相浓缩。蒸馏是用加热液体混合物在蒸气中浓缩挥发性组分和液相中浓缩不挥发性组分的分离过程。部分冷凝是用冷却蒸气混合物在蒸气相浓缩易挥发组分和在液相浓缩不挥发性组分的分离过程。精馏或连续蒸馏是将蒸气相和液相对流处理而获得的连续部分蒸发和部分冷凝相结合的分离过程。蒸气相和流相的对流接触是绝热的，并可包括两相间的累积接触和局部接触。利用精馏分离混合物的原理的分离过程的设备常被互换地称为精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是一种至少部分在低温下，如在或低于150°K的温度进行的精馏过程。
这里所用的术语“间接热交换”意指使两种流体物流进行热交换而没有这些流体相互的物理接触或中间混合发生。
这里所用的术语“物料空气”意指一种主要包括氮气和氧气例如空气的混合物。
这里所用的术语“压缩机”意指一种增加气体压力的设备。
这里所用的术语“膨胀机”意指一种用于从压缩气体减压做功的装置。
这里所用的术语“上部”和“下部”分别意指塔的中点以上和以下的那些部分。
这里所用的术语“回流”意指塔内由冷凝蒸气产生的向下流动的液相。
这里所用的术语“塔顶冷凝器”意指一种从塔顶蒸气产生向下流动的液体的热交换设备。


图1 是本发明低温精馏的一个优选实施方案的流程图，其中的物料空气被通入双塔空分装置的高压塔和低压塔两个塔。
图2 是本发明低温精馏的另一个优选实施方案的流程图，其中的第二物料空气在通入辅助塔之前受到膨胀。
图3 是本发明低温精馏的另一个优选实施方案的流程图，其中的所有物料空气被压缩成高压，而第二物料空气从主物料空气中分出支线并被膨胀。
本发明包括在双塔空分装置的上游使用一种辅助塔使双塔系统能在较高压力下操作，同时减少能量消耗并达到比传统的高压系统改进的产品回收率。能量消耗减少的达到是因为流回辅助塔的物料空气的压力比高压塔的压力低，造成系统的能耗降低。辅助塔也维持在使双塔装置的低压塔可得到液氮的状态因而促进了高压操作而没有回收损失。在压力低于低压塔的压力进行氧的蒸发帮助塔系统在高压下操作。减压辅助塔的使用结果是保持了氧的回收，因为双塔装置的压力增加。这一结果的造成是由于给上部塔供给更大流量的高纯氮回流液。此外，这种流量的增加是随着由整个配置所需的空气压缩能量的减小而达到的。
参考附图对本发明作详描述。参考图1，物料空气40在压缩机1 内受压缩，然后在热交换器2 内冷却，并被在吸附装置3 内清除掉高沸点沾污物和/或不凝性物质。物流40的约15-45%的部分41，通过主热交换器6 被冷却到接近其露点温度。在主热交换器6 的中间位置上，物料空气的一部分43被引出，经膨胀机7 膨胀减压到近接于低压塔10的压力。经膨胀的物流被再引入主热交换器6，冷却到接近于其露点温度，然后再被送到低压塔10的中间位置。
双塔空分装置包括高压塔8，一般操作在75-250磅/平方英寸绝对压力范围内，和低压塔10，操作压力低于高压塔，一般在17-85磅/平方英寸(psia)。物料空气44由主热交换器6 通入高压塔8。
在高压塔8 内，物料空气由低温精馏分离成比物料空气浓缩的富氮馏分和富氧馏分。富氧馏分从塔8 排出，作为物流45，经热交换器13受过冷，经阀18降压，通入塔10。富氮馏分从塔8 排出，作为物流46，由与沸腾的塔10底部间接热交换在底部再沸器11中冷凝。得到的富氮液体的一部分47返回塔8 作为回流，另一部分48流过热交换器14受过冷，经过阀16，然后进入塔10用于回流。
塔10内各种物料由低温精馏分离成氮蒸气，氮浓度为98-99.99%或更高，和液氧，氧浓度为75-99.9%。氮蒸气从塔10上方排出作为物流49，通过热交换器14、13和6 受加温，作为氮产品50回收。作为产品回收意指从系统中除去，并包括作为产品的实际回收和放入大气。由本发明生产出的一种或几种产品有时并不马上需要用时，放空比贮存更合算。含氮物流51也从塔10的上部排出，用于产品纯度控制的目的，经过热交换器14、13和6 受热加温，然后从系统中作为物流52被除去。
辅助塔9 在低于高压塔8的压力下操作，并通常在75-250psia的范围内。一般塔9 的操作压力高于塔10的。在辅助塔9 中，第二物料空气由低温精馏分离为富氮蒸气和富氧液体。富氧液体从辅助塔9 的下部排出，为液流53，经阀19进入双塔空分装置的低压塔10用作为分离成氮蒸气和氧液体的辅助物流。如果需要，物流53可与物流45先合并再通入塔10。富氮蒸气以物流54通入辅助塔顶冷凝器12。如果需要，一些富氮蒸气可作为产品氮回收。
液氮从双塔空分装置的低压塔10的下部排出，为物流55，经热交换器15过冷，再流经如阀20这种减压设备减压。减压液氧再通入塔顶冷凝器12，在其中与冷凝的富氮蒸气间接热交换而受气化。最好一部分得到的富氮冷凝液56通入辅助塔9 作为回流。若一部分得到的富氮冷凝液不用作为辅助塔的回流，则如从双塔系统来的一些液氮将供给辅助塔。至少部分得到的富氮冷凝液57流经热交换器受过冷，流经阀17减压，再通入双塔空分装置的塔10的上部作为附加的回流，通入点为位于物流53通入塔10点的下面。如需要，物流57可与物流48合并再通入塔10。
从在塔顶冷凝器12与冷凝的富氮蒸气热交换得到的氧蒸气，从塔顶冷凝器12排出，作为物流58，流经热交换器15和6 受加温，然后作为产品氧59回收，此时压力在17-85psia范围内。
为了演示本发明与常规升压低温空气过程相比的优点，进行了计算机模拟图1中举出的本发明的实施方案，其中高压塔底部压力为约202psia，辅助塔底部压力为约75.5psia。从低压塔底部排出的液氧的氧浓度为90%。氧回收为97.9%。为了对此目的，以相同低温装置操作在相同压力的常规双塔空分系统为获得相同的氧纯度时的氧回收仅为93.1%。
图2演示本发明另一实施方案。图2与图1相应的数字代表相同部件，相同部件不再详述。在图2实施方案中，全部物料空气流42通过热交换器6并进入高压塔8。在中间位置，第二物料空气流41被引出，经涡轮膨胀机60进行涡轮膨胀至相应于相似辅助塔9的操作压力。经膨胀的物流而后被再引入主热交换器6，再冷却至接近其露点温度，再供入辅助塔9。
图3演示本发明的另一实施方案，图3里与图1和图2相同的部件用相同的数字来代表。相同部件不再详述。
在图3的实施方案中，全部物料空气流40经压缩机1压缩至基本相应于高压塔8的压力。该全部冷却和清洁的物料空气流被送入主热交换器6中，并在这里分成主物料空气42和第二物料空气41。主物料空气全部穿过热交换器6，再送入高压塔8。第二物料空气41经膨胀机60如在图2方案中那样膨胀，经热交换器6进一步冷却，再通入辅助塔9。
虽然本发明已参考优选实施方案进行了详细描述，但本领域中的技术人员会认识到，在本申请的权利要求书的精神和范围内，还有其它本发明的实施方案。辅助塔底部的富氧液体和高纯液氮的压力还可由可利用的液体压头和/或机械泵的任何组合使之轮流增加，因而可被直接送入高压塔中。同样，从高压塔排出的液体可经过冷和/或减压，然后通入辅助塔。双塔装置存在着可找到一个最佳性能压力的情况，其中低压塔10的压力可超过辅助塔9的操作压力。如果这样，就需要机械泵来升高来自辅助塔液体的压力，因而它们可供给塔10。这时阀17和19可由机械泵代替。此外，在需要氩产品时，也可有氩支塔，这容易与本发明系统相结合。而且，也可以如从物流55、48或57回收一部分来从系统中回收液氧和/或液氮。
权利要求
1.物料空气的低温精馏方法，包括(A)将物料空气送入具有高压塔和低压塔的双塔空气分离装置，并由低温精馏将在双塔装置中的物料空气分离成为氮蒸气和氧液体；(B)将第二物料空气送入操作在低于较高塔的压力的辅助塔中，并由低温精馏将在辅助塔中的第二物料空气分离成为富氮蒸气和富氧液体；(C)将辅助塔流出的富氧液体通入双塔空分装置，从双塔空分装置中排出液氧，并对排出的液氧减压；(D)将富氮蒸气与减压的液氧间接热交换而使之冷凝，并将得到的至少一部分冷凝的富氮流体通入双塔空分装置中；以及(E)回收从与富氮蒸气间接热交换得到的氧流体作为氧产品。
2.权利要求1的方法，其中从辅助塔来的富氧液体流入双塔空分装置的较低压塔。
3.权利要求1的方法，其中冷凝富氮流体的第二部分流入双塔空分装置的较低压塔。
4.权利要求1 的方法，其中进一步包括回收氮蒸气作为氮产品。
5.权利要求1 的方法，其中进一步包括回收富氮蒸气作为氮产品。
6.权利要求1 的方法，其中进一步包括回收一些液氧作为液氧产品。
7.权利要求1 的方法，其中进一步包括回收一些冷凝液氮作为液氮产品。
8.权利要求1 的方法，其中进一步包括第二物料空气在供入辅助塔之前先受膨胀。
9.物料空气的低温精馏设备，包括(A)具有高压塔和低压塔的双塔空分装置和将物料空气送入双塔空分装置中的装置;(B)具有塔顶冷凝器的辅助塔和将物料空气通入该辅助塔的装置;(C)将流体从辅助塔的下部送入双塔空分装置的装置，和将流体从辅助塔的上部送入其塔顶冷凝器的装置;(D)将流体从双塔空分装置送入减压装置和从减压装置送入塔顶冷凝器的装置;(E)将流体从塔顶冷凝器送入双塔空分装置的装置和从塔顶冷凝器回收流体的装置。
10.权利要求9 的装置，其中将流体从辅助塔的下部通入双塔空分装置的装置与低压塔相连。
11.权利要求9 的装置，其中将流体从塔顶冷凝器通入双塔空分装置的装置与低压塔相连。
12.权利要求9 的装置，其中进一步包括回收从低压塔的上部排出流体的装置。
13.权利要求9 的装置，其中向辅助塔提供物料空气的装置包括膨胀机。
14.权利要求9 的装置，其中进一步包括将流体从塔顶冷凝器通入辅助塔的装置。
全文摘要
具有一辅助塔和一双塔装置的低温精馏系统，其中从双塔装置来的液氧先于回收辅助塔顶蒸气前气化，产生用于双塔装置的附加回流，因而在升高压力的条件下维持氧回收。
文档编号F25J3/04GK1080990SQ9310651
公开日1994年1月19日 申请日期1993年5月29日 优先权日1992年6月1日
发明者H·E·霍华德 申请人:普拉塞尔技术有限公司