低温精馏再生器系统的制作方法

专利名称：低温精馏再生器系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及低温精馏过程，具体地说，涉及生产氮用的低温精馏过程。
氮气的小用户一般都具有运送到使用地点的储罐的液态氮，并象使用要求的那样，从储罐汽化产生氮气。这种供应方式成本高，因为氮必须在生产厂液化，运输到使用地点，并在需要使用之前一直保持液态。
氮最好在使用现场生产，因为这样可以消除上述液化、运输和储存费用，确实，为此目的氮的大用户一般都在使用地点有生产厂。但是驱动这样的生产厂用的冷冻一般都是通过供给空气或废气的涡轮膨胀产生的，对于较小的工厂使用这样的涡轮膨胀机一般成本过高。另外，在传统的工厂中一般都对空气流进行预纯化来清除水和二氧化碳，但是，这在较小的工厂由于成本太高亦不宜采用。最后，传统的热交换器，诸如铜铝热交换器，用来冷却进来的空气，并对离开精馏塔的成品和废气流进行加温，规模小时这亦由于成本太高不宜采用。
再生器可以用来回收大部分不然就会随着产品和废气流而排出工厂的冷流，而与此同时，去除水和二氧化碳，这样，就使比当前可行的小得多的工厂在商业上可行的操作成为可能，而同时避免预纯化的必要性。另外，与具有同样传热本领的其他热交换器，诸如铜铝热交换器相比，再生器是一种低成本的热交换装置。但是，再生器对于打算进行的操作要求在供给的空气和废气流之间有非常小的温度差，而且，因为排出的冷流具有较小热容量，并处于比供给的空气较低的温度，所以必须向再生器的冷端送入失衡流，以便通过在供给的空气和排出的气体之间维持小的温度差来保证减弱霜的积聚。失衡流可以是一部分供给的空气、一部分产品或一部分废气流。不论采用什么途径构造失衡方案，都会复杂化，并减少再生器可能为小型氮生产设备带来的好处。
因此，本发明的一个目的是提供一种生产氮用的低温精馏系统，它减少对生产用气流进行涡轮膨胀以产生冷冻作用的必要性或不要求涡轮膨胀，它采用对冷端失衡要求比传统做法所要求的低的、或者完全消除了对该端失衡的要求的再生器。
对于本专业的技术人员来说，一旦阅读本公开都会清楚上述和其他目的，它们是通过本发明达到的，本发明的一个方面是一种利用具有外壳侧和盘管侧的再生器，通过对供给的空气进行低温精馏生产氮的方法，所述方法包括(A)在冷却周期中令供给的空气通过再生器的外壳侧来冷却供给的空气，并将已冷却的供给的空气引入一个塔；(B)把外源低温液体通入塔，并在所述塔内用低温精馏把供给的空气分离成氮蒸汽和富氧液体；(C)用与富氧液体的间接热交换的方法使氮蒸汽的第一部分冷凝产生富氧蒸汽；(D)让氮蒸汽的第二部分通过再生器的盘管侧，通过与所述冷却的供给空气的间接热交换，给氮蒸汽的所述第二部分加温；(E)把已加温氮蒸汽的第二部分作为成品氮回收；以及(F)在非冷却周期中让富氧蒸汽通过所述再生器的外壳侧。
本发明的另一方面是一种通过对供给的空气进行低温精馏来生产氮的装置，它包括(A)具有外壳侧和盘管侧的再生器；(B)具有顶部冷凝器的塔；(C)让供给的空气通入所述再生器外壳侧的装置；让供给的空气从再生器的外壳侧通入塔的装置；以及让外源低温液体通入塔和顶部冷凝器中至少一个用的装置；(D)让蒸汽从塔通入顶部冷凝器用的装置和让液体从塔通入顶部冷凝器用的装置；(E)让蒸汽从塔上部通入再生器盘管侧用的装置和把蒸汽作为成品氮从再生器盘管侧回收用的装置；以及(F)让蒸汽从顶部冷凝器通入再生器外壳侧用的装置。
本发明的再一个方面是一种利用具有外壳侧和盘管侧的再生器、通过对供给的空气进行低温精馏而生产氮的方法，所述方法包括(A)在冷却周期中令供给的空气通过再生器的外壳侧来对供给的空气进行冷却，并把已冷却的供给的空气引入具有顶部冷凝器的塔；(B)在所述塔内通过低温精馏把供给的空气分离成氮蒸汽和富氧液体；(C)让外源低温液体通入顶部冷凝器，并通过与富氧液体间接热交换使氮蒸汽的第一部分冷凝产生富氧蒸汽；(D)让氮蒸汽的第二部分通过再生器的盘管侧，通过与所述冷却的供给的空气进行间接热交换，把氮蒸汽的所述第二部分加温；(E)把氮蒸汽已加温的第二部分作为成品氮回收；以及(F)在非冷却周期中让富氧蒸汽通过所述再生器的外壳侧。
这里所使用的术语”供给的空气”指的是主要包含氮和氧的混合物，诸如环境空气或其他过程的废气。
这里所使用的术语”塔”指的是蒸馏或分馏塔或区，亦即接触塔或区，在其中使液体和蒸汽相逆流接触，举个例子，通过塔内按装的一系列垂直分隔的盘子或板和/或诸如结构填充或无规则填充等的填充元件上蒸汽和液相的接触，以实现液体混合物的分离。为了进一步讨论蒸馏塔，参见纽约，McGraw-Hill Book Company出版，R. H.Perry和C.H.Chilton编辑的”The Chemical Engineer’s Handbook”一书，第五版，第13节，连续蒸馏过程。
蒸汽和液体接触分离过程取决于各组份的蒸汽压强差。蒸汽压强高的(或挥发性较高或沸点低的)组份趋向于集中在蒸汽相中，而蒸汽压强低的(或挥发性较低或沸点高的)组份趋向于集中在液相中。部分冷凝是一种分离过程，由此可以利用对蒸汽混合物的冷却来使挥发性组份集中在蒸汽相中，并由此使挥发性低的组份集中在液相中。精馏或连续蒸馏是一种分离过程，它象通过蒸汽和液相逆流处理所得到的那样，把依次发生的部分汽化和冷凝结合起来。蒸汽和液相的逆流接触一般是绝热的，而且可以包括这些相之间的积分(分阶段的)或微分(连续的)接触。利用精馏原理来分离混合物的分离过程装置往往可互换地称为精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是至少部分地在等于或低于150度开尔文(K)温度下进行的精馏进程。
这里所使用的术语”间接热交换”指的是在没有任何物理接触或液体彼此混合的情况下使两股液流进入热交换关系。
这里所使用的术语”顶部冷凝器”指的是从塔蒸汽产生塔下流液体的热交换装置。
这里所使用的术语”上部”和”下部”分别指的是塔高于和低于塔中点的部分。
这里所使用的术语”再生器”指的是具有外壳和一个或多个在其中通过的空心盘管的热交换装置。再生器的盘管侧是盘管内的容积。再生器的外壳侧是外壳以内及盘管以外的容积。
这里所使用的术语”冷却周期”指的是供给的空气通入塔内之前通过再生器的外壳侧的时间周期，而这里所使用的术语”非冷却周期”指的是供给的空气不通过再生器外壳侧的时间周期。
这里所使用的术语”外源低温液体”指的是并非最终从供给的空气衍生的而其温度等于或低于150K的液体。外源低温液体最好在纯度上可与成品氮相比。


图1是本发明低温精馏系统一个最佳实施例的示意图。
图2是表示在几个条件下和再生器恰当清洗的要求下供给空气和废气流之间的温度差的曲线图。
图3是表示本发明典型实施例中顶部冷凝器两端温度差的曲线图。
在本发明的实践中，外源低温液体加入的采用减少了或完全消除了使用涡轮膨胀以产生冷冻作用的必要性，还增大出流的质量流，从而增大出流的总热容量，使冷端温度差减小，并减少或消除再生器中失衡的必要性。
现将参照附图详细地描述本发明。现参照图1，供给的空气一般被压缩到30和200磅/英寸2绝对压强(psia)之间，此后，它一般被冷却，并除去自由水。然后经过压缩的供给的空气流1由切换阀2分送到一对再生器3之中一个的外壳侧30，再生器一般在外壳内含有诸如冰雹(stone)等垫料。在这样的冷却周期中供给的空气通过外壳侧30而被冷却到接近其露点，通过冷凝把剩余的水和大部分二氧化碳从供给的空气中除去。经过冷却的供给的空气从外壳侧30被抽入流31，并通过检查阀4通入吸收剂床5，以去除随着供给的空气从再生器的冷端出来的碳氢化合物和任何剩余的二氧化碳。吸收剂通常是硅胶。然后，清洁的冷空气通入精馏塔6的下部，后者包含如蒸馏盘或垫料等质量交换装置7，并在30到200psia范围的压强下操作。在塔6内供给的空气被低温精馏作用分离成氮蒸汽和富氧液体。
氮浓度至少达到95摩尔百分数的氮蒸汽，从塔6的上部作为流8被抽出，并被分成第一部分或回流10和第二部分或成品流9。回流10通到顶部冷凝器11，它在其中被冷凝，作为液体回流返回到塔6内。成品流9通入再生器3的盘管侧，并通过埋在再生器垫料内的盘管12。离开再生器3的温的成品(一般比进给的空气温度低5-15°K)从再生器的盘管侧抽出，并作为成品氮32回收，其流量一般为进入的供给空气流量的30至60摩尔百分数，而氮浓度至少为95摩尔百分数(mole％)。
富氧液体从塔6的下部作为釜液13抽出，并加压输送到顶部冷凝器11。所述釜液一般含有30摩尔百分数以上的氧。流13中的釜液最好在通入顶部冷凝器11之前通过热交换器17进行低温冷却。顶部冷凝器11内的沸腾压强显著低于塔6操作时的压强，这样就允许釜液转移。釜液流速由诸如控制阀14等流速限制装置控制。额外的吸收剂可以位于釜液转移线路内或冷凝器内，以便最终清除残余的碳氢化合物和二氧化碳。顶部冷凝器中的富氧液体以冷凝的氮回流为背景而沸腾。顶部冷凝器11在比塔6的低得多的压强下操作。一般说来，顶部冷凝器的压强至少比塔的操作压强低10psi。这把氧流的沸腾温度降低到氮蒸汽在塔压强下冷凝的温度以下。所得的富氧蒸汽15，将被称为废气，通过调节沸腾侧压强因而调节塔压强的控制阀16从顶部冷凝器排出。然后，废气在热交换器或过热器17中进入与上升的釜液的逆流热交换关系。然后废气通过检查阀4进入再生器3的外壳侧的冷端，供给的空气不通过再生器，亦即这是非冷却周期期间。再生器通过切换阀2周期地在供给空气和废气之间切换，使得每一个再生器都经历冷却周期和非冷却周期。废气从系统抽入流33。氮蒸汽通常不论在冷却周期还是非冷却周期都通过再生器。
外源低温液体，在图1举例说明的实施例中是液态氮，氮浓度至少为95摩尔百分数，从外部来源通过管线18加入塔中，以便为系统提供冷冻。调节外源低温液体的流量以维持冷凝器11内的液面，并且该外源低温液体的流量按摩尔计在氮成品流32流量的2至15％范围内。作为另一方案，所需要的外源低温液体的某些或全部都可以加到顶部冷凝器。
再生器的困难之一是，为了进行想要进行的操作，需要在供给的空气和废气之间具有非常小的温度差。当供给的空气通过再生器时，水和二氧化碳冻析在再生器内垫料和盘管外表面上。这些霜必须用送回的冷废气流清除，否则它就会积聚起来，甚至堵塞再生器。废气流的质量流量低于供给的空气。而且它的温度也较低。这两个事实都趋向于减小废气流带走湿气和二氧化碳的能力。
自清洗取决于废气/空气温度差(ΔT)以及废气/空气流量和压强比率之间微妙的平衡。增大废气对空气流量比率会减小回收的成品数量。增大压强比率会增大塔的压强，这又会降低分离效率，并为压缩消耗更多的电力。这样，保证自清洗的最有效途径是保证温度差要小。蒸汽压强随着温度是这样变化的，使得就允许的ΔT而言，自清洗对二氧化碳的要求比水严格。结果，因为水是在再生器的温端被去除的，而二氧化碳是在冷端被去除的，所以，大的温端温度差比大的冷端温度差更被允许。不幸的是，进入设备的高压空气的热容量超过了从在低压下排出的空气衍生的冷流的热容量。这使再生器失衡，使得在温端，而不是在冷端获得小的温度差。为了使再生器自清洗，传统上都采用失衡流通(unbalance passage)，这加大冷流(这既指废气流，又指成品流)对在再生器冷端供给的空气的流量比率而使得冷端温度差变小。尽管这可以用很多方法完成，但是每一种设置都会增大再生器冷端冷流的质量流量与空气质量流量的比率，而且每一种都要求额外增加管道，或许还要增加额外的控制，而且不是在再生器内部增加额外的盘管，就是额外增加吸收剂床来去除在再生器中间层取出的空气的二氧化碳。
采用本发明的实践，其中把按摩尔计算在氮成品流流量的2至15％范围的流量的外源低温液体加到塔和/或顶部冷凝器，减小或者甚至消除对再生器冷端失衡的要求。
提供下列实施例是为了举例说明本发明并提供对比数据的。这个实施例不是准备作为限制性的。本实施例是考虑类似于图1举例说明的过程配置而提出的。稳态再生器具有50,000 BTU/hr/F(英热单位/小时/华氏度)的UA。100lbmols/hr(磅摩尔/小时)空气流在120°F和100psia下进入再生器温端。废气和成品流在-270°F下进入热交换器冷端。废气流的流量为60lbmols/hr，而压强为16psia。成品流的流量为40lbmols/hr，而压强为98psia。假定成品流是纯氮。废气成分由质量平衡(约63mol％氮)设定。为了进行这项分析，假定废气和成品在同样的温度下从热交换器的温端排出。图2以曲线A表示当不把外源低温液体加入塔时，代表冷回流之和的空气和复合气流之间的温度差随着空气温度变化的关系。以曲线B和C分别表示按摩尔计在外源低温液体的加入流速为成品氮流速的5和10％的情况下的这种关系。可以看出，增大外源低温液体的加入速度，会减小冷端ΔT，并增大温端ΔT。
曲线D和E还分别显示了清除二氧化碳和水所要求的空气/废气温度差，假定废气和空气流完全饱和。利用方程式(1)可以估算这个温度差。(Pi(Ta)Pa-Pi(Ta))Qa=(Pi(Tw)Pw-Pi(Tw))Qw.......(1)]]>式中Pi(T)是组份i在温度T(F)下所施加的蒸汽压强(psia)，P是压强(psia)，Q是流量(lb mol/hr)而T是任意点上的温度(F)。下标a和w分别表示空气和水。方程式是一种近似的关系，用来举例说明自清洁曲线的形式。它代表在再生器的任意一点上饱和废气流可以象空气流一样携带同样多的水和二氧化碳的条件。
从图2可以看出，在不把外源低温液体加入塔的条件下，空气/废气温度差超过清除二氧化碳所要求的值，在有外源低温液体加入塔时系统清除二氧化碳比较容易，而在某个外源低温液体加入速率的最小值下，可以消除使再生器冷端流量失衡的必要性。
既然不需要使用涡轮膨胀机来产生冷冻，也就没有必要维持提高了的废气流压强。这样，顶部冷凝器沸腾侧的压强只要能够驱动废气流通过再生器，并经管道排出就够了。顶部冷凝器沸腾侧的压强越低，沸腾着的混合物的温度就越低。对于固定的冷凝压强，其结果是顶部冷凝器中出现大的温度差。
冷凝器的热负荷可表达如下Q＝UcAcΔT(2)式中Q是传递的热量(BTU/hr)，Uc是冷凝器的总传热系数(BTU/hrft2F)，Ac是冷凝区和沸腾区之间的面积(ft2)，而ΔT是沸腾液和冷凝液之间的温度差(F)。从方程式(2)可以清楚，增大ΔT就减小给定的热负荷下所要求的UcAc。
正如所举例表明的，液体的加入使废气可以在比塔压低得多的压强情况下操作。因为在大部分应用中都要求氮处于压强下，冷凝流和沸腾流之间的压强差至少为10psia，而且可能超过50psia。图3表示在100psia下纯氮冷凝，以及沸腾废气流带有蒸汽成分63mole％氮的情况下冷凝器两端的温度差。
在高的温度差下操作顶部冷凝器的一个额外的优点是，冷凝侧传热系数不强烈依赖温度，而同时沸腾侧系数随着温度差急剧增大。这样，在塔和顶部冷凝器之间大的压强差的操作结果是，总的传系数较大，而ΔT亦较大。结果，冷凝器的面积大大减小。
本发明一个特别有利的实施例是在外壳顶部冷凝器内采用盘管。废液在外壳内沸腾，而盘旋管浸泡在所述液体内。来自塔上部的氮在管内部冷凝。
现在，通过采用本发明，人们可以利用再生器通过低温精馏生产氮，尤其是在诸如20,000 cfh-NTP或更小的较低产量下，而不必对再生器冷端进行失衡。
尽管本发明是参照一个最佳实施例详细地描述的，但是，本专业的技术人员都会意识到，在权利要求书的精神和范围内，本发明还可以有其他实施例。
权利要求
1.一种利用具有外壳侧和盘管侧的再生器，通过对供给的空气进行低温精馏来生产氮的方法，其特征在于所述方法包括(A)在冷却周期中令供给的空气通过再生器的外壳侧来冷却供给的空气，并将已冷却的供给的空气引入一个塔；(B)把外源低温液体通入所述塔，并在所述塔内通过低温精馏把供给的空气分离成氮蒸汽和富氧液体；(C)用与富氧液体间接热交换的方法使氮蒸汽的第一部分冷凝，产生富氧蒸汽；(D)让氮蒸汽的第二部分通过再生器的盘管侧，通过与所述冷却的供给空气间接热交换，给氮蒸汽的所述第二部分加温；(E)把已加温氮蒸汽的第二部分作为成品氮回收；以及(F)在非冷却周期中让富氧蒸汽通过所述再生器的外壳侧。
2.权利要求1的方法，其特征在于所述外源低温液体以按摩尔计的成品氮流量的2至15％的范围内的流量进入所述塔。
3.权利要求1的方法，其特征在于所述外源低温液体在塔上部进入所述塔。
4.权利要求1的方法，其特征在于所述塔在30至200psia范围的压强下操作，在与氮蒸汽的第一部分进行间接热交换过程中，富氧液体处于至少比所述塔的操作压强低10psi的压强下。
5.一种通过对供给的空气进行低温精馏来生产氮的装置，其特征在于包括(A)具有外壳侧和盘管侧的再生器；(B)具有顶部冷凝器的塔；(C)把供给的空气送入所述再生器外壳侧的装置；把供给的空气从再生器的外壳侧送入塔的装置；以及用来把外源低温液体送入塔和顶部冷凝器中至少一个的装置；(D)把蒸汽从塔送入顶部冷凝器用的装置和把液体从塔送入顶部冷凝器用的装置；(E)把蒸汽从塔的上部送入再生器盘管侧用的装置和把蒸汽作为成品氮从再生器盘管侧回收用的装置；以及(F)把蒸汽从顶部冷凝器送入再生器外壳侧用的装置。
6.权利要求5的装置，其特征在于所述令外源低温液体通过用的装置与所述塔连通。
7.权利要求5的装置，其特征在于所述令外源低温液体通过用的装置在所述塔上部与所述塔连通。
8.一种利用具有外壳侧和盘管侧的再生器，通过对供给的空气进行低温精馏来生产氮的方法，其特征在于所述方法包括(A)在冷却周期中令供给的空气通过再生器的外壳侧来冷却供给的空气，并把已冷却的供给的空气引入具有顶部冷凝器的塔；(B)在所述塔内通过低温精馏把供给的空气分离成氮蒸汽和富氧液体；(C)把外源低温液体送入顶部冷凝器，并通过与富氧液体间接热交换使氮蒸汽的第一部分冷凝产生富氧蒸汽；(D)通过使氮蒸汽的第二部分流过再生器的盘管侧，利用与所述冷却的供给的空气的间接热交换，把氮蒸汽的所述第二部分加温；(E)把氮蒸汽已加温的第二部分作为成品氮回收；以及(F)在非冷却周期中让富氧蒸汽通过所述再生器的外壳侧。
全文摘要
一种用来尤其是在低的生产流量下生产氮的低温精馏系统,其中进入的供给空气被再生器冷却,而不必使冷端失衡,以及其中把外源低温液体加入精馏塔。
文档编号F25J3/00GK1194363SQ9810541
公开日1998年9月30日 申请日期1998年2月24日 优先权日1997年3月27日
发明者J·F·比宁哈姆, 小·T·J·贝尔曼 申请人:普拉塞尔技术有限公司