专利名称：空气分离的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气分离的方法和装置。
用精馏分离空气已被人们所熟知。精馏一种是使下降液流和上升气流之间发生传质，使上升气流中富含要分离混合物的易挥发组分(氮)，下降液流中富含待分离混合物的不易挥发组分(氧)的方法。
已知的空气分离是在双精馏塔中进行，这种精馏塔包括一个高压精馏塔和一个低压精馏塔，高压塔接收经净化、压缩后的温度适合于用精馏分离的气态空气，低压塔接收来自高压塔用于分离的富氧液态空气流，该塔通过冷凝器-再沸器与高压塔形成热交换关系，其中冷凝器提供用于分离的液氮回流，再沸器提供在低压塔中的氮蒸汽的上升流。
对用于空气分离的制冷作用有一个基本需求。这种需求的至少一部分来自低温双精馏塔的运行。这种制冷需求的至少一部分通常是通过使进入的空气流或部分分离的氮产品膨胀并对外作功而被满足的。
已知通过使部分要分离的空气流冷凝，并将所得的液态空气流引入高压精馏塔的中间传质区，能提高双精馏塔运行的热效率。
减少供至高压塔顶部的液氮回流能导致效率提高。将液态空气流引入低压塔的中间传质区也有相同的好处。
空气的冷凝当然也是导致空气分离方法中热效率降低的一个因素。因此需要将空气的冷凝与该方法统等考虑，使双精馏塔运行增加的效率超过由空气冷凝带入的额外的热效率降低。
本发明提供一种在双精馏塔中分离空气的方法，该精馏塔包括一个高压精馏塔和一个低压精馏塔，高压塔接收经净化压缩后、温度适合于用精馏分离的第一气态空气流，低压塔接收来自高压塔用于分离的富氧液态空气流，此塔通过冷凝器一再沸器与高压塔形成热交换关系，其中冷凝器提供用于分离的液氮回流，再沸器提供在低压塔中的上升的蒸汽流，其特征在于来自高压塔的富氧液态空气流在与第二净化压缩后的气态空气流间接热交换中至少部分被蒸发，上述第二净化压缩后的气态空气流由此被冷凝，所得的蒸汽流被加热，并在透平中膨胀作功，和被引入低压塔，以及所得的冷凝后的空气流引入高压塔的中间传质区。
本发明还提供一种分离空气的装置，该装置具有一个双精馏塔，该塔包括一个高压精馏塔和一个低压精馏塔，高压塔具有用于接收经净化压缩后、温度适合于用精馏分离的气态空气的第一入口，低压塔具有用于接收直接或间接来自高压塔的用于分离的富氧液态空气流的第一入口，该低压塔通过冷凝器一再沸器与高压塔形成热交换关系，其中冷凝器提供用于分离的液氮回流，再沸器提供在低压塔中的上升的蒸汽流，其特征在于该装置还包括一个使与第二净化压缩后的气态空气进行间接热交换的至少部分蒸发富氧液态空气流的蒸发器；一个使空气进入高压塔的中间传质区的第二进口，它与从蒸发器流出的冷凝后空气的一个出口相连通；一个用于加热与第二净化压缩后的气态空气流进行间接热交换而形成的蒸发后的富氧液态空气流的热交换器；和一个用于膨胀加热蒸发后的第二富氧液态空气流并对外作功的透平，该透平具有与低压塔相连通的出口。
用富氧液态空气流冷凝第二净化压缩后的气态空气流有利于提高本发明的空气分离方法和装置的热效率。首先，容易达到蒸发的富氧液态空气和冷凝空气之间的高效热交换。第二，在双精馏塔中所得的冷凝空气流能平衡涡轮膨胀机的低压排气，这样就省去了低压塔中位于涡轮膨胀后空气进口之上的回流段。该平衡的发生是因为将冷凝空气流引入高压塔减少了高压塔所需的液氮回流量，由此增加了低压塔中的回流量和/或产品氮的量。
除在本发明方法中使用的上述透平和/或其它透平出口产生的液态空气外，供给双精馏塔的全部冷凝液态空气最好均与富氧液态空气流进行热交换。
第二净化压缩后气态空气流最好在高于第一净化压缩后气态空气流进入高压塔的压力下冷凝。另外，第二净化压缩后气态空气流也可在基本上等于第一净化压缩后气态空气流进入高压塔的压力下冷凝，富氧液态空气流在与第二净化压缩后气态空气流进行热交换之前被节流。也可以既使富氧液态空气流在与第二净化压缩后气态空气流进行热交换之前被节流，又使第二净化压缩后气态空气流在高于第一净化压缩后的气态空气流进入高压塔的压力下冷凝。在另一选择中，也可将富氧液态空气流泵至比高压塔运行压力高的压力。这样做，能提高由膨胀透平产生的制冷量，在各例中，冷凝空气的压力和蒸发富氧液态空气的压力选择成能保证在蒸发器中保持较好的温-焓工况。
较好的情况是，使仅从高压塔中流出的部分富氧液态空气与第二富氧液态空气流间接热交换，不过该部分全部被蒸发。也可以使从高压塔中流出的所有富氧液态空气均与第二纯化压缩过的空气流热交换，但只有部分富氧液态空气在热交换过程中被蒸发。然后将所得的蒸汽和剩余液体的混合物进行相分离，使气相流入透平机，液相流至低压塔。
特别是如果不需要生产液氮产品时，所述的透平最好是本发明方法和装置中专用的透平。该透平最好用来驱动使第二净化压缩后空气流升压至高于第一净化压缩后空气流的压力的压缩机。
本发明的方法和装置特别适合于较高压力的运行。例如，低压塔通常可以在其顶部压力为2-5bar的范围内运行。
要分离的空气流可以来自压缩空气，该压缩空气是去除了水蒸汽、二氧化碳和烃类(如果需要)的净化后气体，该气体在与空气分离产品的间接热交换中被冷却。
上述精馏塔可以是任何一种蒸馏或分馏塔、一个分馏区或者几个分馏区段，在这里液相和气相逆流接触使流体混合物分离。例如使液相和气相在安装在塔、一个区或几个区内的填料元件上或一系列竖向间隔的罩或板上接触。精馏塔可包括在不同容器中的若干区，这样能避免单塔的高度过高。
本发明的方法和装置有两个主要用途。第一个用途是用于从低压塔中抽取全部以气态形式存在的纯度至少为90％的氧产品时。第二个用途是用于从低压塔中抽取第一氮产品，并且从高压塔中抽取至少一种气态或液态第二氮产品而在低压塔底部产生的氧通常其纯度小于90％时。
下面将详细解释第二个用途。为了生产用于双精馏塔的附加的液氮回流，在低压塔中分离的氮通过与来自低压塔中的不纯液氧流间接热交换被冷凝(在另一个冷凝器中)。
许多工业过程，例如油和气的回收，需要供应高压氮，该压力常常远远超过高压塔的运行压力。从高压塔中抽取氮蒸汽产品减少了提高氮产品至要求的供应压力所需的功。
这样的氮发生器的特点是，对于给定体积、给定纯度和压力的氮产品，随着增加氮的回收，总的功率消耗先降到最小然后再回升。这种现象由两个相反的因素导致。当氮回收率很低时理想的分离功(也称之为功率消耗)最小，废品基本上是空气。当废气中不含氮时，分离功最大。然而，当回收率很低时，工艺效率(实际功率输入/理想功率输入)是很低的，因为设备比它所需的规模大得多，压降和温差较大加大了功率损失。相反，当回收率高时，工艺效率也很高。因此在最佳回收率时，存在最小功率消耗，该过程是通过在较大的设备中可使分离功率的下降正好与功率消耗的上升平衡而达到的。总功率消耗也包括压缩氮产品所消耗的功率。从高压塔中取走部分氮产品减少了用于压缩氮产品的功率消耗，但是也减少了氮的回收率。
另一种措施也能减少氮的回收。例如，液氮产品的生产需要使部分进来的空气冷凝。这样反过来减少了在冷凝器-再沸器中冷凝所得到的蒸汽流。再者，为了保持平衡，需要较大的效率不高的设备。
实际上，并不需要将用于产生氮气的双塔空气分离设备设计成功率消耗最小或氮回收最高。一般宁可用功率消耗和氮回收关系的曲线的特定区域来反映优选的运行范围。实际的最佳值取决于外部的经济环境。本发明的方法和装置能使最佳运行范围朝着减少功率消耗而不降低氮回收率的方向或者说是增加氮回收而不增加功率消耗的方向或两个方向上转化。
因此本发明的方法和装置能使保持较高氮回收率工况的总空气分离过程有效地运行(也就是说较低的功率消耗、在高低压分馏塔中有合适数目的理论分馏塔盘)，反之，不具本发明特点的传统工艺却只能低效运行。具体地说，本发明的方法和装置允许低压塔在超过3.5bar的绝对压力下运行的同时从超过8.5bar绝对压力的高压塔中取出蒸汽状态的氮产品。在典型的例子中，在恒定的空气压缩功率下，总氮产品的57％可以从高压塔中取出，氮回收率约90％，而在可相比的常规双塔工艺中，在高压塔处于上述压力下只能生产出总氮产量的48％。因为从高压塔中抽取的氮的比率越大，当在高于高压塔的压力下生产氮产品时总的功率消耗就会减少。从高压塔中抽取增加份额的氮产品并不是缓解低功率消耗的唯一方法。根据本发明还可以有其它的例子来保持这种份额的稳定，通过增加氮回收率来减少功率消耗。本发明的装置和方法还可以使得在定的氮回收率和功率消耗的情况下，液氮产品比已知的工艺以较高的速率储存。
下面将参照附图通过实施例对本发明的方法和装置加以描述。其中
图1至图4均为空气分离设备的示意流程图。
附图不按比例。
附图中相同的部件标以相同的标号。
参照图1，空气流在主空气压缩机2中被压缩，在与主空气压缩机2相连的后冷却器4中将所得的压缩空气中的压缩热抽走。这样冷却后的空气流在吸附单元6中被净化。净化包括从空气流中去除较高沸点的不纯物，特别是水蒸气和二氧化碳，否则的话，它们会在设备的低温部分冻结。单元6可通过变压吸附或变温吸附进行有效纯化。单元6还可包括一层或多层催化剂用于去除一氧化碳和氢杂质。这样的去除一氧化碳和氢杂质已在EP-A-438282中描述。吸附式净化单元的结构和运行已被人们所知，此处不进一步叙述。
在净化单元6下游，空气被分为第一和第二净化压缩后空气流。第一净化压缩后空气流从主热交换器的热端10至冷端12通过该主热交换器8，在这里空气被冷却至适合精馏分离的温度并以气体状态离开主热交换器8的冷端12。
压缩后的气态第一空气流在双精馏塔14中被分离，该塔包括高压塔16、低压塔18和冷凝器一再沸器20，其中冷凝通道(未示出)与高压塔16的上部连通，使冷凝氮在此被分离，重沸通道(未示出)与低压塔18的下部相连。
第一气态压缩空气流进入高压塔16下部区域的底部。高压塔16包括限定液体-蒸汽接触表面的部件(未示出)，使塔中上升的蒸汽和下降的液氮具有完全的传质关系，这里的液氮是通过在冷凝器-再沸器20中的氮蒸汽的冷凝形成的。传质的结果使氮从第一压缩后气态空气流中分离出去。
第二净化压缩后空气流在增压压缩机22中进一步压缩。在后冷却器24中将进一步压缩后的第二空气流中的压缩热去除。使这样冷却后的第二净化压缩后空气流从主热交换器8热端10流向冷端12而被进一步冷却。在冷端12和主热交换器8的下游，第二净化压缩后空气流进入冷凝热交换器26(它也起蒸发器的作用)，在这里被冷凝。得到的第一冷凝液流经过第一节流阀28并被引入高压塔16的中间传质区。第二冷凝液流经过另一个节流阀30并被引入低压塔的中间传质区。
富氧液流从高压塔16的底部经出口32引出。该流被分成两个支流，第一支流流经热交换器34，在此被过冷。该过冷的富氧液态空气支流流经节流阀36并在低于来自热交换器26的第二冷凝液流入的地方被引入低压蒸馏塔18的中间传热区。
富氧液态空气的第二支流流经热交换器26，在此处由于同冷凝的第二净化压缩后空气流间接热交换而被蒸发。蒸发后的第二富氧液态空气支流通过从主热交换器8冷端12流向其中间区而被再次加热。该流从热交换器8的中间区引出，在透平38中膨胀并向外作功。如果需要，透平38可以与增压压缩机22连接并驱动该压缩机。膨胀后的气态第二富氧液态空气支流在低于第一过冷的富氧液态空气支流引入之处通过进口40被引入低压塔18的中间传质区。
在低压塔18中，空气被分离成顶部的氮气馏分和底部的不纯的液态氧馏分。冷凝器-再沸器20的再沸器在塔18中提供蒸汽所必需的向上流动。塔18的液氮回流从两处提供。第一处是再沸器-冷凝器20的冷凝通道。冷凝后的液氮流通过高压塔16的顶部区被取走，通过热交换器34被过冷，流经节流阀41并被引入低压塔18的顶部区域。第二处是另一个冷凝器42。在低压塔18中分离出来的一部分氮蒸汽组分在该另一冷凝器42中被冷凝，得到的冷凝液作为回流回到塔18的顶部。对冷凝器42是这样提供冷却的从低压塔18的底部抽出不纯的液态氧，使其通过节流阀44。在该另一冷凝器42中同冷凝氮的热交换使得不纯的液态氧流蒸发。所得的蒸汽通过出口45流出冷凝器42，并通过流经热交换器34和主热交换器8被加热。所得的加热后的不纯氧蒸汽从主热交换器8的热端10作为废气被排入大气。
第一氮产品流以蒸汽形式通过出口46从低压塔18的顶部流出，接下来经过热交换器34，通过流经主热交换器8冷端12至热端10被加热至接近大气温度。第二氮产品也是以蒸汽形态从高压塔16的顶部经出口48排出，通过流经主热交换器8的冷端12至热端10而被加热至接近大气温度。
在图中所示的空气分离设备运行的典型例子中，高压塔16顶部的工作压力约9.5bar、低压塔18顶部的工作压力约4.2bar。增压压缩机22将第二净化压缩后空气流的压力从约9.8bar提高到约11.5bar。上述另一冷凝器42在约1.4bar的压力下运行。富氧液态空气流通过出口32从高压塔16的底部流出时，通常氧的克分子系数为0.35。不纯的液态氧从低压塔的底部流出时，氧的克分子系数是0.73。
在这个例子中，总氮产品的57％从高压塔16中取出，氮的回收率是90％。与常规的双塔空气分离工艺相比，后者在氮回收率是90％时，仅能从高压塔中得到总氮产品的48％。
图2所示的设备与图1所示的相似，区别在于，膨胀透平22和与其相连的后冷却器24被省略(其过程是第二净化压缩后的气态空气流在基本上等于第一净化压缩后的气态空气流进入高压塔16时的压力下被冷凝)，并且被蒸发的富氧液态空气流通过热交换器26上游的节流阀202而减压。
图3所示的设备与图1所示的基本相似。不同的是，所有通过出口32从高压塔16流出的富氧液态空气都流经热交换器26。富氧液态空气在热交换器26中被部分蒸发。所得的部分蒸发后流体流进相分离器302，在这里液相与气相分离。气相从相分离器302中流出，经过主热交换器至膨胀透平38。液相在热交换器34中被过冷，然后经过节流阀36朝上进入低压塔18。
尽管图1至图3所示的设备生产氮和不纯氧产品，然而后者的不纯物量超过10％，图4所示的设备生产的氧产品其不纯物量小于1％。该氧产品以蒸汽形态通过出口402从低压塔中流出，通过从主热交换器8冷端12至热端10的流动而被加热至接近大气温度。尽管图4所示设备的许多方面与图1所示的相同，然而后者的冷凝器-再沸器20的热负荷较大。因此没有蒸发的氮产品从高压塔16中流出。另外，图4的设备省去了冷凝器42，在其中被再沸腾的液体改在冷凝器-再沸器20中再沸腾。
权利要求
1．一种在双精馏塔中分离空气的方法，该精馏塔包括个高压精馏塔和一个低压精馏塔，高压塔接收第一净化压缩后、温度适合于用精馏分离的气态空气流，低压塔接收来自高压塔的用于分离的富氧液态空气流，该塔通过冷凝器一再沸器与高压塔形成热交换关系，其中冷凝器提供分离的液氮回流，再沸器提供在低压塔中上升的蒸汽流，其特征在于来自高压塔的富氧液态空气流在与第二净化压缩后的气态空气流的间接热交换中至少部分被蒸发，第二净化压缩后的气态空气流由此被冷凝，所得的蒸汽流被加热，在透平中膨胀作功，并被引入低压塔，以及将所得的冷凝后空气流引入高压塔的中间传质区。
2．如权利要求1所述的方法，其中第二净化压缩后气态空气流在高于第一净化压缩后的气态空气流进入高压塔的压力下被冷凝。
3．如权利要求1所述的方法，其中第二净化压缩后气态空气流在基本上等于第一净化压缩后气态空气流进入高压塔的压力下被冷凝，富氧液态空气流在与第二净化压缩后气态空气流进行热交换之前被节流。
4．如前述任一权利要求所述的方法，其中只有从高压塔中流出的部分富氧液态空气与第二富氧液态空气流间接热交换，但该部分全部被蒸发。
5．如权利要求1-3之一所述的方法，其中从高压塔中流出的所有富氧液态空气均与第二富氧液态空气流间接热交换，但只有部分富氧液态空气在热交换过程中被蒸发。
6．如权利要求5所述的方法，其中使所得的蒸汽和剩余液体的混合物进行相分离，使气相流入透平，液相流至低压塔。
7．如前述任一权利要求所述的方法，其中所述的透平是专用透平。
8．如前述任一权利要求所述的方法，其中低压塔运行的压力范围在顶部为3.5-6bar。
9．如前述任一权利要求所述的方法，其中第一氮产品从低压塔中流出，至少一种气态或液态的第二氮产品从高压塔中流出，从低压塔底部产出的氧其纯度小于90％。
10．一种分离空气的装置，该装置具有双精馏塔，此塔包括一个高压精馏塔和一个低压精馏塔，高压塔具有用于接收第一净化压缩后、温度适合于用精馏分离的气态空气的第一入口，低压塔具有用于接收直接或间接来自高压塔中分离的富氧液态空气流的第一入口，该低压塔通过冷凝器一再沸器与高压塔形成热交换关系，其中冷凝器提供分离的液氮回流，再沸器提供在低压塔中上升的蒸汽流，其特征在于该装置还包括一个使与第二净化压缩后的气态空气进行间接热交换的至少部分蒸发富氧液态空气流的蒸发器；一个使空气进入高压塔中间传质区的第二入口，它与蒸发器的冷凝空气出口相连通；一个用于加热与第二净化压缩后的气态空气流进行间接热交换而形成的蒸发后的富氧液态空气流的热交换器；和个用于膨胀加热蒸发后的第二富氧液态空气流并对外作功的透平，该透平具有与低压塔相连通的出口。
11．如权利要求10所述的装置，其中上述透平与增压压缩机相连，用于提高第二净化压缩后的气态空气流的压力。
全文摘要
第一压缩净化后空气流在主热交换器8中被冷却,并被引入双精馏塔14的高压塔16的底部进行分离。至少部分富氧液态空气流在另一热交换器26中蒸发,再在主热交换器8中被加热,在膨胀透平38中膨胀,然后通过进口40引入双精馏塔14的低压塔18中,通过与第二压缩净化后空气流进行间接热交换,使富氧液态空气流的部分被蒸发,第二空气流因此被冷凝。将所得的冷凝流引入高压塔16的中间区。
文档编号F25J3/02GK1229908SQ9910575
公开日1999年9月29日 申请日期1999年3月24日 优先权日1998年3月24日
发明者P·希金博特姆 申请人:英国氧气集团有限公司