专利名称：用一双塔加一辅助低压塔生产中纯度氧的方法
技术领域：
本发明涉及一种低温蒸馏空气进给的方法。本文所用的术语“空气进给”一般是指常压空气但也包含任何至少含有氧和氮的气体混合物。
本发明的目标市场是中纯度(80至99％，最好为85至95％)的氧，例如用于玻璃生产的氧。虽则适合该市场的低温蒸馏空气进给方法在现有技术中已为人所知，由于其他适合该市场的工艺竞争日益增加(最有名的压力变动吸收工艺)就促成对该低温蒸馏工艺的改进。因此本发明的一个目的是改进目前低温蒸馏工艺。特别是本发明的一个目的在于提高现有低温蒸馏方法的能量效率、可控制性和布局灵活性以适合在争论中的氧市场。
为争论中氧市场而设的现有技术循环就是用沸腾液氧(沸腾LOX)的标准双塔循环，该循环包含一高压塔，该塔通过一重沸器/冷凝器与一低压塔实际上是热连通的。液氧产物是从该低压塔提取的，被增压和被沸腾冷凝一部分引入空气。要是仅仅一部分引入空气相对于沸腾氧产物被全部冷凝，那时所得液体常被分成两馏分，还被用作对高压塔和低压塔的中间回流。
现用实例作下面讨论，要使氧产物压力约为25psia，那时完全冷凝所需的空气压力约为80psia。按最简单的配置，所有空气在约80psia单一压力下进入。该空气压力高于完成分离所需的压力。因此在理论上人们可选择在两个压力下处理空气；部分相对于沸腾氧产物冷凝的空气在约80psia下进入，而部分进给至高压塔的空气则在67psia下进入。这一动作使产氧的比功率减少。该被膨胀物流(形成冷箱冷冻)例如可产生或是高压空气或是低压空气。这一具有双空气压力的循环的工作缺陷在于压缩空气所需的压缩比是不平衡的。因而导致1)多级(高费用)和/或低效压缩(高功率)。例如最初两级压缩具有一压力比为2.1(各级)使其最大流量在67psia压力下，而且第三级两端之间的一压力比为1.2，使高压空气至80psia。在该例中，最初两级两端之间的压力比是很大的，而且可能需加一辅助级；最终级反而具有很低比值，而且用市场上可买到的压气机工艺是难于达到设计效率的。要是引入空气流仅有局部相对于沸腾氧产物被冷凝，那时可能使引入空气压力减低至73psia。可惜，该压力还是高于完成理想分离所需的压力。此外，所产的液体是一劣质中间回流，使该法的氧回收下降。结果是使产氧比功率情况稍好于所有空气在80psia下被引入而且一馏分空气被完全冷凝时情况。
美国专利4,702,757由克拉恩柏格(kleinberg)提出并转让给气体和化学产品公司(Air Products and Chemicals，Inc.)使人得知处理双空气压力进给的实验性循环。该具有沸腾液氧/泵抽液氧的双重沸器循环的主要特征包含(i)两重沸器在低压塔(底部重沸器是由局部冷凝该低压空气进给来驱动的；上部重沸器是由冷凝来自该高压塔的氮蒸汽来驱动的)；和(ii)两空气进给压力(该低压进给在该低压塔底部重沸器中被冷却，而且局部被冷凝；该高压进给那时被冷却分成两部分；其中一部分被膨胀至低压塔形成冷冻；另一部分则相对于沸腾液氧被冷凝；该所得液体被分开并用作对高压塔和低压塔的中间回流)。对于生产中纯度氧来说，克拉恩柏格的双重沸器、泵抽液氧循环提出相当低的功率来竞争。但该循环由于投资费用高和操作性令人担心而有缺陷。特别是上部重沸器设在低压塔内某中间部位上，这从施工观点来说是昂贵而不方便的。此外，该中间重沸器与底部重沸器有强烈的作用干扰。特别是两个重沸器都对空气压力有影响。因此有可能使底部重沸器例如替代过多的工作并使空气压力高于设计水平。重要的是产氧的“实际”比功率将总是稍大于“理论的”。
齐默(Ziemer)的美国专利4,410,343使人得知一方法，该法不需要中间重沸器形成高压塔的冷凝工作。反而将该交换器置换到高压塔顶部，在该处氮蒸汽相对于沸腾原始液氧被冷凝。所得原始气氧接着被送至低压塔作为一蒸汽进给(代替原始液氧)。使高压塔冷凝器用原始液氧来工作重要的是低压塔重沸器工作所需的空气压力和高压塔所需空气压力并不是必须相同。实际上，按齐默的专利，该法在最佳工作时低压重沸器的空气进给压力(67psia)将高于高压塔的空气压力(45psia)。齐默的方法涉及直接由低压塔生产低压气氧。要是将其专利技术扩展至一沸腾液氧/泵抽液氧循环将要求有第三个空气压力(即80psia相对于沸腾氧冷凝空气)。齐默方法(扩展至沸腾液氧/泵抽液氧)的主要不足是复杂而且前端压缩有问题。
帕罗塞(Prosser)的美国专利5,337,570使人得知一种三进给空气压力循环。最低压力空气进给被转到高压塔，中间压力空气进给是在低压塔底部重沸器内被冷凝，而最高压力进给则是相对于沸腾液氧产物冷凝的。帕罗塞的循环还使用齐默的氮冷凝器/原始液氧汽化器替代克拉恩柏格型循环的上部重沸器。就如用齐默循环那样，理论功率是有竞争力的，但前端压缩却是复杂的。
雷斯邦(Rathbone)的欧洲专利申请94301410使人得知一循环，该循环类似于齐默和帕罗塞的专利技术方案，不过解决的问题是使该法工作仅用两个进给压力来替代三个。按雷斯邦循环，一馏分低压空气进给被完全冷凝在底部低压塔重沸器内，而其他馏分则被直接送至高压塔。该高压空气进给被用来沸腾氧产物。还按雷斯邦技术方案，来自该高压塔贮槽的原始液氧被减压并被沸腾，以促使该高压塔的氮蒸汽冷凝。雷斯邦法可减少驱动低压塔重沸器所需的空气压力，此时通过提取来自该低压塔的中间液(其成分若是蒸汽将与液氧产物相平衡)、在(很可能)一直流重沸器内使其完全汽化、并使用那个蒸汽对低压塔形成沸腾。雷斯邦法可充分利用该中间液露点/始沸点温度变化的热力学有利条件，而该低压空气则可匹配温度分布而使该空气压力至一较低水平。理论上雷斯邦方案是很适用于低至中纯度氧的。
哈氏(Ha)的美国专利5,231,837使人得知一空气分离循环，其中高压塔与低压塔底部和一中压塔底部是热连通的。该中间塔使来自该高压塔底部的原始液氧形成一冷凝顶液馏分和一底液馏分，这些馏分接着被进给至该低压塔。
本发明是一低温蒸馏空气进给的方法以生产一氧产物，特别是生产一中纯度的氧产品(80至99％，最好为85至95％)。该法除了使用惯用高压塔和低压塔以外还使用一辅助低压塔。该辅助低压塔最好是在主低压塔同样的压力下工作，并通过其底部重沸器/冷凝器与该高压塔顶部是热连通的，该辅助低压塔预处理来自该高压塔底部的原始液氧。所得塔顶馏出蒸汽物流和底部物流接着被进给至该主低压塔。最好是在至少局部呈蒸汽状态时将该底部物流进给至该主低压塔。
图1为本发明一般性实施例的示意图。
图2为图1一实施例的示意图，其中图1的一般性实施例是与一主热交换器、一辅助冷却热交换器和一冷冻发生膨胀器相结合的。
本发明对其中一诸如图1实施例的一般性实施例来说作了最清楚的说明。现参阅图1，本发明是一低温蒸馏空气进给的方法以生产一使用蒸馏塔系统的氧产物[70]，该系统包含一高压塔[D1]、一主低压塔[D3]和一辅助低压塔[D2]。图1的方法包含(a)将至少一部分该空气进给[10]进给至该高压塔的底部；(b)将一富氮塔顶馏出物[20]从该高压塔顶部除去，将其至少第一个部分在第一个重沸器/冷凝器[R/C1]内冷凝，该重沸器/冷凝器则设在该辅助低压塔的底部，将所述冷凝第一部分再分成第一个部分[22]和第二个部分[24]，将该第一部分作为回流进给至该高压塔的一上部位置，将该第二部分经第一个阀[V1]减压，并将该第二部分作为回流进给至该主低压塔的一上部位置；(c)将一原始液氧流[30]从该高压塔底部除去，将其至少第一个部分经第二个阀[v2]减压，并将所述部分作为掺杂回流进给至该辅助低压塔的顶部；(d)将一原始氮塔顶馏出物[40]从该辅助低压塔除去，并将其直接作为一蒸汽进给至该主低压塔内一中间部位；(e)将一富氧流[50]从该辅助低压塔内一下部位置除去，该富氧流作为一蒸汽和/或液体，并将其进给至该主低压塔内一中间部位，该部位是在步序(d)中该原始氮塔顶馏出物的中间进给部位下方；(f)将一富氮塔顶馏出物[60]从该主低压塔顶部除去；和(g)将该氧产物[70]作为一蒸汽和/或液体从该主低压塔内一下部位置除去。
本发明的一重要特征是该辅助低压塔，该塔一般仅包含三至六级，并通过其底部重沸器/冷凝器与该高压塔顶部是热连通的。该辅助塔根据提出的方案可使该法控制较好而且布局灵活性较大，在实际上可使该主低压塔和该高压塔隔离。该辅助塔可在相当于高压塔和主低压塔之间的任何压力下工作，虽则出乎意外地得知最佳压力是和该主低压塔压力相同的，加上该塔和该主低压塔之间的预期压力降。
该辅助低压塔的功能是将该原始液氧[30]转换成对该主低压塔的两进给[40和50]，从而使该主低压塔的工作加强并增加氧回收。这两进给较多的是该富氧流[50]，最好是将该物流在其至少局部呈蒸汽状态时从该辅助低压塔中除去，接着进给至该主低压塔。只要该重沸器/冷凝器[R/C1]的工作是适宜的，最好尽量使该物流是富氧的，上述重沸器/冷凝器连通该高压塔和该辅助低压塔。这时，一方面可通过该主低压塔减少所需的沸腾，将其转换成有较高的氧回收。同样，要是可将该主低压塔底部沸腾减少，接着使该塔内被冷凝的空气减少，而由该高压塔所形成的蒸汽则可增加，因而可生产更多的氮回。该第二动作由于该主低压塔的塔顶馏出物损耗减少而有助于提高氧回收。
图2是本发明第二个实施例的一示意图，其中图1的一般性实施例已与一空气分离循环的其他特征相结合，该循环包含一主热交换器[HX1]、一辅助热交换器[HX2]和一膨胀器[E1]。图2等同于图1(共用物流和装置使用相同的标号)，除了下列情况以外(1)将该氧产物[70]作为一液体除去，泵抽至一高压[在泵P1内]，其后汽化并在该主热交换器内加热。
(2)在至少一部分该空气进给[10]进给至该高压塔底部以前，将该空气进给压缩[在第一个压气机C1内]，清除在低温下要结冰的一些杂质[在一清除系统CS1内，该系统一般包含吸附层]，在该主热交换器内冷却至一接近其露点的温度，并在第二个重沸器/冷凝器[R/C2]内被局部冷凝，上述重沸器/冷凝器设在该主低压塔的底部位置。
(3)在该主热交换器内冷却该压缩而干净的空气进给以前，该法还包含将一空气回流物流[12]从该空气进给中除去，进一步压缩该空气回流物流[在第二个压气机C2内]，在该主热交换器内冷却并接着冷凝该空气回流物流，将该空气回流物流分成第一个部分[14]和第二个部分[16]，经第三个阀[V3]对该第一部分减压，并将其作为回流进给至该高压塔，并经第四个阀[V4]对该第二部分减压，再将其作为回流进给至该主低压塔内一上部中间部位。
(4)一冷冻发生膨胀器是因为要在该主热交换器内冷却该空气回流物流[12]而设的，将一空气膨胀流[18]除去，在一膨胀器[E1]内膨胀，并在其后进给至该主低压塔内一中间部位，该部位是在该原始氮塔顶馏出物[40]和富氧流[50]的中间进给部位之间。可选用的是该膨胀物流可与该空气进给合并，或是在该空气进给在重沸器/冷凝器R/C2内局部冷凝以前，或是在该空气进给导至该高压塔底部以前。
(5)来自该主低压塔[60]的富氮塔顶馏出物，也被认为是废氮，在该主热交换器内被加热。一部分该热废氮可用来更新该前端清除系统[CS1]内所装有的一些吸附层。
(6)在加热该主热交换器内的废氮[60]以前，将该废氮在一辅助热交换器[HX2]中加热，此时相对于(i)按步序(b)来自该高压塔的该第二部分[24]冷凝富氮塔顶馏出物，在其被减压作为回流进给至该主低压塔内一上部位置以前；和(ii)在所述物流分成两部分14和16并将其作为回流分别进给至高压塔和主低压塔以前的该冷凝空气回流物流。可选用的是可在两部分14和16分开后完成该热交换，由此可使两部分14和16在该辅助热交换器内被辅助冷却至不同程度。
(7)来自该高压塔顶部的富氮塔顶馏出物的第二个部分[21]在该主热交换器内被加热，并作为一产物流被除去。
注意图2中从该高压塔顶部被除去的全部富氮塔顶馏出物[20]相对于来自该辅助低压塔底部的汽化富氧液被冷却，除了对第二个部分[21]作为就加上面[7]所指出的一产物流可任意除去的情况以外。这是不同于哈氏的美国专利5,231,837以前所讨论的，在该处一部分来自该高压塔顶部的塔顶馏出物也是在该主低压塔底部内被冷凝的。(按哈氏专利，该高压塔顶部与哈氏的中压塔底部和哈氏的低压塔底部是热连通的)。因此图2可使该进给空气压力是较低的，而此时也就可以节能。
图2实施例的计算机模拟显示本发明特别适用于生产中纯度(85至95％)的氧产物并且是在中等压力(20至30psia)下进行的。下面的表1概列以一100摩尔物质平衡为条件这样一种模拟。应当指出该氧产物[70]是在该主低压塔底部生产的其压力为19.5psia，该产物将在泵P1内被泵抽至适中压力，同时计及到该主热交换器两端预期的压力降。
表1物流号 压力流量 组分(psia) (摩尔/100) N2 Ar O210 48.148.7 78.12 0.9320.9512 51.051.3 78.12 0.9320.9518 78.522.7 78.12 0.9320.9524 47.524.0 96.93 0.352.7230 48.133.7 64.73 1.3433.9340 20.011.7 85.32 0.8113.8750 20.022.0 53.72 1.6344.6570 19.521.6 6.593.0090.4160 18.378.4 97.83 0.361.8121 0.0有经验的专业人员将懂得对图2的实施例可以有许多变型和/或变更。例如(1)在冷冻发生膨胀器配置方面可以有许多选用方案。例如待膨胀的空气可在某一部位由空气进给10中产生，该部位相当于该主热交换器内冷却该物流的部位。或是可将该待膨胀空气引入作为一“第三空气”回路，该回路利用一空气压缩扩展器，由此使该待膨胀空气正好在空气进给10被压缩和清理后从空气进给10中分离出。在分离后，该待膨胀空气在一压气机内被进一步压缩、在该主热交换器内被冷却并在一膨胀器内被膨胀，其中所述膨胀器和所述压气机被连接成一压缩扩展器。或是使该法的冷冻通过配置一膨胀器来形成，由此至少有一部分来自该高压塔顶部的富氮塔顶馏出物[21]在该主热交换器内被加热，在一膨胀器内被膨胀并在该主热交换器内被再热。
(2)在该原始液氧[30]经阀V2减压并将其进给至该辅助低压塔以前，可将该物流在该辅助热交换器[HX2]内辅助冷却。
(3)要是适当，可使一部分该原始液氧[30]减压并直接进给至该主低压塔。此时选择将至少局部呈蒸汽状态的该氧产物流[70]除去，这样做可能是有利的。
(4)为了增加热力效率，人们可以设想用膨胀器来替代一个或一些阀V1、V2、V3和V4，从而达成大幅度减压是在等熵情况下而不是在等焓下。但这种效率提高是在增加投资费用和操作复杂性前提下才能达到。
(5)不是将所有空气进给[10]如图2所示那样转至重沸器/冷凝器R/C2，只有一部分空气进给可经热交换而被全部冷凝。该空气的剩余部分可绕过R/C2直接送至该高压塔的底部。
(6)压缩后空气回流物流[12]可通过相对于来自泵P1的氧产物流[70]的热交换在另一热交换器(不是在该主热交换器HX1)内被冷却和冷凝。在该情况下可能也有利于在该另一热交换器内加热一部分该废氮物流[60]。
(7)在图2中该冷凝空气回流物流是在该主低压塔和该高压塔(物流14和16)之间分开的。另一方面，可将所有冷凝空气流只进给至两蒸馏塔中的其中一个。
(8)虽然氧产物压力的预定范围是25至30psia，可以理解的是对氧产物压力并没有限制。氧产物压力的选择决定在其压缩后该空气回流物流[12]的压力。要是该氧压力是所希望的在很低的压力下(少于或等于该主低压塔压力，一般为20psia)，则也有可能从该主低压塔作为一蒸汽抽出该氧产物[70]。
(9)在两个图中示有来自该第一重沸器/冷凝器R/C1的冷凝富氮塔顶馏出物被分至两物流(22和24)。可选用的是可将所有该冷凝富氮塔顶馏出物用作对该高压塔D1的回流。在该情况下，要是希望有一主低压塔的回流，则可从该高压塔在该塔顶部下方少许级部位提取一液体。当一部分富氮塔顶馏出物[21]是作为一高纯度产物所要求的，则这样做是特别有用的。
(10)可以理解的是该废物流[60]按其特有的性质可以是一有用的产物。
有经验的专业人员将进一步懂得本发明有许多其他实施例，这些均在下面权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种低温蒸馏空气进给生产一氧产物的方法，该法使用一蒸馏塔系统，该系统包含一高压塔、一主低压塔和一辅助低压塔，所述方法包含(a)将至少一部分该空气进给进给至该高压塔的底部；(b)从该高压塔顶部除去一富氮塔顶馏出物，冷凝至少第一个部分该馏出物在第一个重沸器/冷凝器内，该重沸器/冷凝器设在该辅助低压塔底部，并将至少第一个部分该冷凝第一部分作为回流进给至该高压塔内一上部位置；(c)将一原始液氧流从该高压塔底部除去，对至少第一个部分物流减压，并将所述部分作为掺杂回流进给至该辅助低压塔的顶部；(d)将一原始氮塔顶馏出物从该辅助低压塔顶部除去，并将其直接作为一蒸汽进给至该主低压塔内一中间部位；(e)将一富氧流作为一蒸汽和/或液体从该辅助低压塔内一下部位置除去，并将其进给至该主低压塔内一中间部位，该部位则在步序(d)的该原始氮塔顶馏出物中间进给部位下方；(f)将一富氮塔顶馏出物作为废氮从该主低压塔顶部除去；和(g)将该氧产物作为一蒸汽和/或液体从该主低压塔的一下部位置除去。
2.按权利要求1所述的方法，其中该富氮塔顶馏出物是从该高压塔顶部除去的，其全部相对于来自该辅助低压塔底部的汽化富氧液被冷凝，除了作为一产物流可任意除去的第二个部分以外。
3.按权利要求1所述的方法，其中该富氧流是从该辅助低压塔在步序(e)中被除去的，该富氧流是在呈至少部分蒸汽状态时被除去。
4.按权利要求1所述的方法，其中该辅助低压塔是在相同于该主低压塔的压力下工作的，此时还加上该辅助低压塔和该主低压塔之间所预料的压力降。
5.按权利要求1所述的方法，其中该氧产物是在中纯度(85至95％)下生产的。
6.按权利要求1所述的方法，其中该氧产物是从该主低压塔底部在步序(g)中被除去的，该氧产物是作为一液体被除去的，并且接着在一热交换器内被汽化和加热。
7.按权利要求6所述的方法，其中该氧产物在汽化前被泵抽至一高压。
8.按权利要求1所述的方法，其中来自该高压塔顶部的第二个部分该冷凝富氮塔馏出物在步序(b)被减压，并作为回流进给至该主低压塔的一上部位置。
9.按权利要求1所述的方法，其中在步序(a)将该空气进给进给至该高压塔底部前，至少一部分该空气进给被至少局部冷凝在该主低压塔底部的第二个重沸器/冷凝器内。
10.按权利要求9所述的方法，其中在该第二重沸器/冷凝器内局部冷凝该空气进给以前，该空气进给被压缩，清除在低温下要结冰的一些杂质，并在一主热交换器内被冷却至一接近其露点的温度。
11.按权利要求10所述的方法，其中在该主热交换器内冷却该压缩而干净的空气进给以前，该法还包含将一空气回流物流从该空气进给中分离，进一步压缩该空气回流物流，冷却并接着冷凝在一外热交换器内的该空气回流物流，将该空气回流物流分成第一个部分和第二个部分，经第三个阀对该第一部分减压，并将其作为回流进给至该高压塔，并经第四个阀对该第二部分减压，还将其作为回流进给至该主低压塔内一上部中间位置。
12.按权利要求11所述的方法，该外热交换器是该主热交换器。
13.按权利要求12所述的方法，其中在该主热交换器内冷却该空气回流物流时，分离出一空气膨胀流并在一膨胀器内被膨胀产生一膨胀空气流。
14.按权利要求13所述的方法，其中该膨胀空气流被进给至该主低压塔的一中间部位，该部位是在步序(d)中该原始氮塔顶馏出物和步序(e)中该富氧流的中间进给部位之间。
15.按权利要求14所述的方法，其中该在步序(f)中被分离的废氮是在该主热交换器内加热的。
16.按权利要求15所述的方法，其中在该主热交换器内对该废氮加热前，所述废氮是在一辅助热交换器被加热的，此时相对于(i)在步序(b)中来自该高压塔的该第二部分冷凝富氮塔顶馏出物，在其被减压作为回流进给至该主低压塔内一上部位置以前；和(ii)在所述物流分成所述第一部分和所述第二部分并将所述两部分作为回流分别进给至该高压塔和主低压塔以前的该冷凝空气回流物流。
全文摘要
一种方法显示低温蒸馏空气进给生产一氧产物,特别是生产一种中纯度氧产物(80至99%,最好是85至95%)。该法除了使用惯用高压塔和低压塔以外还有一辅助低压塔。该辅助低压塔最好是在相同于该主低压塔的压力下工作,并通过其底部重沸器/冷凝器与该高压塔顶部是热连通的,该塔预处理来自该高压塔底部的该原始液氧。所得塔顶馏出物蒸汽流和底部物流接着被进给至该主低压塔。最好是在该底部物流呈至少局部蒸汽状态时将其进给至该主低压塔。
文档编号F25J3/04GK1174321SQ97117199
公开日1998年2月25日 申请日期1997年8月5日 优先权日1996年8月6日
发明者R·阿拉瓦尔, Z·T·菲科维斯基, D·M·何罗恩 申请人:气体产品与化学公司