专利名称：分离空气的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于利用高压塔和低压塔将含有氧和氮流例如空气分离的方法 和设备，其中，在两个或多个位置处产生低压塔再沸腾。更具体地，本发明涉及这样的方法， 其中，供给空气的一部分被充分地冷凝以在低压塔的下部产生再沸腾，空气的另一部分，其 在较低压力下供给，在被供给以产生下部再沸腾的所述空气的所述部分产生的再沸腾之上 提供低压塔再沸腾，并且至少两种供给空气流至少部分地在高压塔中被蒸馏。
背景技术：
近来在与产生电力相关的发展中，在煤的气化和氧燃料燃烧中使用氧。通常通过 空气的低温精馏在空气分离设备中产生氧。空气分离设备要求空气被压缩，因此，期望这种 能量消耗尽可能小以最大化可用于设备外部的电力量。低温空气分离设备通常采用高压塔和低压塔。进入空气被压缩且被引入高压塔。 供给空气被精馏以产生富氮上部和粗制液氧塔下部。富氧塔下部液体可以在低压塔中进一 步精炼以产生富氧液体，其相对于冷凝在高压塔中产生的富氮上部被再沸腾。富氮上部的 冷凝产生富氮液体，其用于回流高压塔和低压塔。部分富氮液体可以被当成产品。在给定的高压塔和低压塔之间的这种热关联的情况下，必须使高压塔的操作压力 设置成使得富氧液体能够冷凝高压塔的富氮蒸气。这是说，所消耗的实际功率很大程度上 取决于如何有效地将能量/蒸气流引入到低压塔的较低节段，其中，氮从下降的富氧液体 剥离。在将在氧煤燃烧和气化循环中会使用的低纯度氧的产生过程中，氮剥离节段的性能 是远远不够理想的，导致效率低，并且因此是一个减少空气分离功耗的机会。在传统的双塔单元中，在相对固定的范围内压缩供给空气。高压塔和低压塔热耦 合成使得高压塔上部/氮使低压塔的下部再沸腾。专利号5，551，258的美国专利公开了一 种产生低纯度氧的空气分离方法，其中，有效地分离高压塔的上部和低压塔的基部。在一 个实施例中，空气被压缩成连续高压以产生高压空气流和低压空气流。高压空气流使低压 塔的下部再沸腾，低压塔流使低压塔的氮剥离节段的中间位置再沸腾。因此这两个流被液 化或者至少基本冷凝，并且被引入到高压塔用于精馏。来自高压塔的粗制液氧流被再冷却， 然后相对于冷凝高压塔所需的回流的部分被部分地气化。得到的气化的粗制液氧是相分离 的，并且将液相和气相引入低压塔的连续较高部分而不是氮剥离节段。如可以理解的，低压塔中存在的中间再沸器表示代价，原因在于，低压塔必须做得 比较高以适应再沸器。另外，将粗制液氧直接添加到低压塔的上部分不能增加氮剥离节段 的效率。事实上，额外混合不可逆转是通过这种直接引入导致的。如上所述，本发明提供了一种产生低纯度氧的方法和设备，其与现有技术相比在 制造上成本更便宜并且还提高低压塔的剥离节段的效率。
发明内容
本发明涉及一种从包含氧和氮的原料流产生氧产品的方法。根据所述方法，部分地冷凝原料流的第一部分，冷凝至少部分由原料流的第二部分组成的流。在原料流的第一 部分已经被压缩、原料流的第二部分已经被压缩到比原料流的第一部分被压缩到的压力更 高的压力且原料流的第一部分和原料流的第二部分在主热交换区内冷却之后，第一部分的 部分冷凝和第二部分的基本冷凝发生。所述原料流的第一部分被冷凝且被引入蒸馏塔系统 的高压塔中。在蒸馏塔系统的高压塔和低压塔中精馏通过冷凝至少部分由原料流的第二部 分组成的所述流得到的液体。通过与由在高压塔中产生的富氮塔上部组成的富氮流间接热交换，部分地气化主 要包括高压塔的粗制液氧塔下部的第一粗制液氧流，从而产生含液氮流。所述含液氮流用 作到高压塔和低压塔的回流。在被部分气化之后从第一粗制液氧流分离液相和气相，以形成粗制氧蒸气流和第 二粗制液氧流。以与原料流的第一部分间接热交换的形式，通过至少部分由第二粗制液氧 流组成的含氧流。这实现原料流的第一部分的冷凝并且至少部分气化含氧流。在已经被部 分气化之后，将粗制氧蒸气流和含氧流引入到连续低于低压塔的点。注意到，含氧流的引入 可以作为单个流被引入到低压塔，或者，可替代地，蒸气组分和液体组分可以分离且作为两 个分立的流引入到低压塔。如权利要求和在此使用的，当结合含氧流引入到低压塔时使用 的术语“引入”意味着覆盖了两种可能性。通过与至少部分由原料流的第二部分组成的流间接热交换，至少部分气化低压塔 内产生的富氧液体塔下部，在低压塔的下部产生沸腾。这实现至少部分由原料流的第二部 分组成的所述流的冷凝。从至少部分气化富氧液体塔下部流产生的残余液体或蒸气形成氧广品流。可以在粗制氧蒸气流的引入点处从低压塔抽取含氧和氮的液体流。可以将含氧和 氮的液体流与第二粗制液氧流合并以形成含氧流。可以在位于低压塔外部的热交换器内部 分气化富氧液体塔下部。在已经被部分气化之后从包含在富氧液体塔下部中的残留液体分 离沸腾蒸气。将沸腾蒸气流引入到低压塔的下部区以产生沸腾且残余液体的流用作氧产品 流。可以在主热交换区内泵送并气化氧产品流。将原料流的第一部分压缩到第一压 力，并且将原料流的第二部分压缩到第二压力，第二压力高于第一压力。原料流的第三部分 还可被压缩到高于第二压力的第三压力并且在泵送之后引入到主热交换区以实现氧产品 流的气化。原料流的第三部分的第一部分在透平膨胀机内部分冷却和膨胀之后从主热交换 区抽取，以产生排出流，该排出流继而被引入到低压塔。原料流的第三部分的第二部分可以 在主热交换区内完全冷却和液化，膨胀到第二压力以允许与原料流的第二部分合并。含液氮流可以被划分为第一部分和第二部分。含液氮流的第一部分回流到低压 塔，含液氮流的第二部分回流到高压塔。包括低压塔的含氮塔上部的氮产品流可以用于再 冷却含液氮流的第二部分、第一粗制液氧塔下部流和通过与其间接热交换在被冷凝之后的 至少部分由原料流的第二部分组成的流。已经被再冷却后的至少部分由原料流的第二部分 组成的流可以被划分为第一子流和第二子流。第一粗制液氧塔下部流、含液氮流的第二部 分和第一子流和第二子流的每一个都被膨胀。然后，第一子流和第二子流分别被引入到高 压塔和低压塔。氮产品流被引入到主热交换区并被完全加热。在任何实施例中，通过在第一压缩器中压缩原料流且纯化高沸点杂质的原料流可将原料流的第一部分和原料流的第二部分分别压缩到第一压力和第二压力。在已经被纯化 之后将原料流划分为原料流的第一部分和原料流的第二部分。在第二压缩器中可压缩原料 流的第二部分。另外，可以在第三压缩器中压缩原料流的第三部分。在其它方面，本发明提供一种从包含氧和氮的原料流产生氧产品的装置。根据本 发明的这个方面，第一压缩器被设置为将原料流的第一部分压缩到第一压力，采用第二压 缩器将原料流的第二部分压缩到第二压力。所述第二压力大于所述第一压力。主热交换区与第一压缩器和第二压缩器流连通，并且被配置为通过与从空气低温 精馏产生的返回流间接热交换来冷却原料流的第一部分和原料流的第二部分。所述返回流 包括由氧产品组成的氧产品流。第一热交换器位于主热交换区与包括高压塔和低压塔的蒸馏塔系统的高压塔之 间。第一热交换器被配置为通过与至少部分从第二粗制液氧流形成的含氧流间接热交换部 分冷凝原料流的第一部分。这至少部分地气化含氧流。所述第一热交换器连接到高压塔以 使原料流的第一部分在所述第一热交换器内被部分冷凝之后引入到高压塔。第二热交换器设置成与主热交换区和蒸馏塔系统的低压塔流连通。第二热交换器 被配置为通过与包括在低压塔中产生的富氧液体塔下部的富氧液体塔下部流间接热交换 冷凝至少部分由原料流的第二部分组成的流。热交换至少部分地气化富氧液体塔下部流。 第二热交换器与高压塔和低压塔流连通，以便在第二热交换器中冷凝之后，将至少部分由 原料流的第二部分组成的流的第一部分和第二部分分别引入到高压塔和低压塔。这将精馏 从基本冷凝得到的液体。第三热交换器连接到高压蒸馏塔且被配置为通过与由在高压塔中产生的富氮塔 上部组成的富氮流间接热交换，部分气化主要包括在高压塔中产生的粗制液氧塔下部的第 一粗制液氧流。这产生含液氮流。第三热交换器还与高压塔和低压塔两者流连通，使得含 液氮流的第一部分回流低压塔并且含液氮流的第二部分回流高压塔。相分离器连接到第三热交换器，以在被部分气化之后从第一粗制液氧流使液相和 气相分离，以形成粗制氧蒸气流和第二粗制液氧流。相分离器和第一热交换器还连接到蒸 馏塔系统的低压塔，使得在已经被部分气化后的粗制氧蒸气流和含氧流被引入到低压塔中 的连续低点。第二热交换器还与低压塔流连通，使得通过富氧液体塔下部流的至少部分气 化在低压塔的下部产生沸腾。第二热交换器还与主热交换区流连通，使得氧产品流从富氧 液体塔下部的至少部分气化产生的残余液体或蒸气形成并被引入到主热交换区。第一管道可以连接到低压塔，从而在粗制氧蒸气流的引入点处从低压塔抽取含氧 和氮流。第二管道可以连接在所述相分离器和第一热交换器之间且连接到所述第一管道， 从而含氧和氮流与所述第一热交换器上游的第二粗制液氧流合并以形成含氧流。所述相分离器可以是第一相分离器。第二相分离器可以连接到第二热交换器，以 在被部分气化之后从包含在富氧液体塔下部流中的残留液体分离沸腾蒸气。第二相分离器 连接到低压塔的下部区，从而沸腾蒸气流被引入到低压塔的下部区以产生沸腾。第二相分 离器还与主热交换区流连通，以将残余液体的流引入到主热交换区，从而形成氧产品流。泵可以被定位成使氧产品流加压。所述泵连接到主热交换区，从而已经被加压之 后的氧产品流在主热交换区内被气化。第三压缩器可以连接到主热交换区以将原料流的第 三部分压缩到高于第二压力的第三压力，以实现泵送的氧产品流的气化。主热交换区被配置为使得在原料流的第三部分的第一部分在被部分冷却之后从主热交换区流出。膨胀器可 以连接到主热交换区以使原料流的第三部分的第一部分膨胀，从而产生排出流。膨胀器还 连接到低压塔以使所述排出流被引入到低压塔。主热交换区还被配置为使得在主热交换区 内完全冷却和液化原料流的第三部分的第二部分。膨胀设备可以连接到所述主热交换区且 与所述第二热交换器流连通，使得原料流的第三部分的第二部分膨胀到第二压力且与所述 第二热交换器上游的原料流的第二部分合并。再冷却单元可以连接到低压塔的上部、第二热交换器、高压塔和第三热交换器。再 冷却单元被配置为使得包括低压塔的富氮塔上部的氮产品流再冷却含氮液体流的第二部 分、第一粗制液氧塔下部流和在被冷凝后的至少部分由原料流的第二部分组成的流。再冷 却单元还与高压塔和低压塔流连通，使得在已经被再冷却后的至少部分由原料流的第二部 分组成的流被划分为第一子流和第二子流且被引入到高压塔和低压塔。第一膨胀阀和第二 膨胀阀可以位于所述再冷却单元与高压塔和低压塔之间，以使第一子流和第二子流分别膨 胀到高压塔压力和低压塔压力。再冷却单元还连接到主热交换区，从而氮产品流被引入到 主热交换区并被完全加热。纯化单元可以连接到第一压缩器以纯化高沸腾杂质的原料流。第二压缩器可以连 接到所述纯化单元，使得在已经被纯化之后的原料流被划分为在所述第二压缩器中待被压 缩的原料流的第二部分和原料流的第一部分。第三压缩器还连接到所述纯化单元，从而在已经被纯化之后的原料流还被划分为 原料流的第三部分，所述原料流的第三部分在所述第三压缩器中被压缩。
尽管说明书以明确指出申请人认为的其发明的主题的权利要求为结论，但是认为 在结合附图时将更好地理解本发明，附图示出用于实现根据本发明的方法的空气分离设备 的示意图。
具体实施例方式参照图1，示出根据本发明的一种分离空气或者其它包含氧和氮的流以产生氧产 品的设备1。设备1被设计为产生低纯度氧产品，即，氧纯度在大约90%至大约98. 5%之 间的产品。如上所述，通过对供给空气的部分进行冷凝在低压塔中提供再沸腾。其结果是， 该低纯度氧产品的氩浓度比在蒸馏塔单元中存在的更高，其中在蒸馏塔单元中高压塔上部 /氮使低压塔的下部再沸腾。根据示出的实施例，原料流(供给流)10包括氧和氮，例如空气。将第一压缩器12 设置为基本负荷空气压缩器，以将原料流10压缩到大约2. ^3ara至大约3. Obara之间的压 力范围。第一空气压缩器12可以包括多级压缩和/或中间冷却。在压缩之后，原料流10 在后冷却器14中被进一步冷却接近环境温度。其后，原料流10可以在制冷后冷却器16中 进一步冷却，所述制冷后冷却器16可以包括直接接触冷却器或热交换器，它们中的任一个 都可以使用环境和/或冷却水的组合来吸收压缩热量且减少压缩空气的水分含量。得到的压缩且冷却的原料流10可以在预纯化单元18内被纯化，以去除高沸点杂 质，诸如水分、二氧化碳和碳氢化合物。如本领域所公知的，预纯化单元通常包含根据温度和/或变压吸附循环运行的氧化铝和/或分子筛的床，在变压吸附循环中，水分和其他高沸 点杂质被吸附。在一个床运行时，可以使另一个床再生。已经被压缩且纯化的原料流10被划分为第一部分20、第二部分22和第三部分 23。原料流10的第二部分22在第二压缩器M中被压缩，且原料流10的第三部分23在第 三压缩器沈中被压缩。第二压缩器M可以将原料流10的第二部分22压缩到压力在大约 4至大约4. 5bara之间。第三压缩器沈将原料流10的第三部分23压缩到甚至更高的压 力。第二压缩器M和第三压缩器沈每一个都可以包括多个压缩级并且在压缩机之间具有 中间冷却。原料流10的第一部分20和原料流10的第二部分22和原料流10的第三部分，在 分别通过后冷却器观和38去除压缩热之后，被引入主热交换器32。如可以理解的，可以单 独压缩上述流中的每一个。原料流10的第一部分20在主热交换器32中被冷却到接近饱 和并且在接近其饱和温度排出。然后，该流在热交换器34中部分地冷凝。典型的出口蒸气 组分在大约75%至大约95%之间的范围。然后，得到的被部分地冷凝的流被引入到高压塔 36以用作到所述塔的主要气体供料。如可以理解的，在部分冷凝之后，原料流10的第一部 分20会是相分离的，并且所关心的蒸气和液体组分可以独立地供给高压塔36。注意到，由于原料流10的第一部分20构成供给设备1的主要部分，因此节约了否 则将在压缩中耗费的能量，因为该流不再进行进一步的压缩。此外，由于该流被压缩到的压 力远远低于传统蒸馏塔单元的压力，因此实现了额外的能量节省。已经被进一步压缩之后的原料流10的第三部分优选地在主热交换器32中被部分 地冷却，并且被划分为第一部分38和第二部分40。第二部分40因此被部分地冷却且能够 被引入到透平膨胀机42以产生排出流44，该排出流44被引入到低压塔46。如在此和权利 要求中所使用的，术语“部分地冷却”意思是冷却到主热交换器32的暖端和冷端之间的温 度。应注意到，可以按照多个方式形成制冷。在示出的实施例中，使用上塔空气膨胀。然而， 将讨论的富氮的流76的一部分可以被膨胀用于类似目的。还可以使用其它已知方法。此 外，可以按照多种方式使用膨胀的轴功，例如，增强空气压缩或以驱动可变或固定速度产生 器。得到的功率可以用于其它压缩、泵送或用于其它分发的输出。尽管没有示出，但是可以集成压缩器对和沈。可以将这些压缩级集成为具有组合 马达的单个机器。可替代地，该压缩可以被集成为基负荷压缩器12。可以由相同的马达驱 动所有压缩级。对于非常大的设备应用，有利的是压缩两个分立的流，例如，可以独立于原 料流10的第一部分20来压缩原料流10的第二部分22和原料流10的的第三部分23。在 这种布置中，有利的是采用分立的预纯化单元18。每个压缩链将拥有其自己的冷却和预处 理装置。完全冷却第一部分38。其用于气化将要讨论的泵送液氧流，并因此在示出的实施 例中被液化。第一部分38通过膨胀阀40降低了其上的压力，并且与原料流10的第二部分 22合并以产生合并流48，该合并流48在热交换器50内冷凝。得到的经冷凝的合并流48 接着通过再冷却单元52并被划分成第一部分M和第二部分56。第一部分M在膨胀阀58 内膨胀到与高压塔36的压力相匹配的压力并且被引入到其中间位置。第二部分56通过膨 胀阀60膨胀且被引入低压塔46。高压塔36和低压塔46如此称呼是因为高压塔36比低压塔46以更高的压力运行。两个塔都包含传质接触构件，诸如规整填料、散堆填料或筛板。对于高压塔36，示出规整填 料构件62和64。对于低压塔46，示出规整填料构件66、68、70和72。原料流10的第一部 分20与合并流48的第一部分M —起引入高压塔36在高压塔36内产生了升气相和降液 相。升气相随着其上升在低沸点或更多挥发性成分方面变得更加丰富并且液相在高沸点成 分方面变得更加丰富以产生粗制液氧塔下部74和富氮的塔上部。富氮的塔上部的部分被提取作为富氮流76，该富氮流76在热交换器78内冷凝以 产生含液氮流80。含液氮流80的第一部分82用于回流低压塔46，含液氮流80的第二部 分84用于回流高压塔36。含液氮流80的第一部分82在再冷却单元86中被再冷却，然后 在引入到低压塔46作为回流之前通过膨胀阀88降低压力。包括粗制液氧塔下部74的第一粗制液氧流90在再冷却单元92中被再冷却，然后 通过膨胀阀94减小压力和温度。然后，第一粗制液氧流通过热交换器78以冷凝富氮流76。 这部分地气化第一粗制液氧流90，其蒸气组分在大约70%至90%之间的范围。第一粗制液 氧流90在相分离器96中部分地气化后，液相和气相从第一粗制液氧流90分离。该分离产 生第二粗制液氧流98和粗制氧蒸气流100。粗制氧蒸气流100被引入到低压塔46。含氧和氮的液体流102可以在引入粗制氧蒸气流100处或引入粗制氧蒸气流100 附近在液体收集点从低压塔46被取出，然后与第二粗制液氧流98合并以产生含氧流104。 尽管没有具体示出，但是第一管道将从低压塔的液体收集点引导，并且与从相分离器96引 导的第二管道合并。机械泵(未示出)可用于此目的(如果冷箱布局指示其需要)。然而， 这是可选的，并且含氧流104可以全部由第二粗制液氧流98构成。含氧流140被引入到热交换器34以部分地冷凝原料流10的第一部分20，从而引 起含氧流104的部分气化。在本发明的实施例中，可以完全气化热交换流104。在部分气化 的任意情况下，可以进行至少约50%的热交换流104的气化。然而，优选地是，大约70%至 大约90%之间的气化。随后，含氧流140在粗制氧蒸气流100的引入点之下被引入到低压 塔72，以在低压塔46内从降液相剥离氮。借助于通过在热交换器50内与合并流48进行间接热交换部分地气化富氧液体塔 下部流106而在低压塔46内产生沸腾。在相分离器108内沸腾的蒸气从富氧液体塔下部 流106内包含的残留液体脱离，以产生残留液体110和沸腾蒸气流112，该沸腾蒸气流112 被再引入低压塔46的下部区域。然而，应理解，在本发明的可行实施例中，富氧液体塔下部 流106可以被完全气化。残留液体流114在泵116内被抽出然后在主热交换器32内被完 全气化以产生氧产品流118。另一可行性是从气化的氧产生产品流。应注意到，泵送的液氧的气化是可选的。当需要适当压力下的氧时，在隔离的产品 锅炉容器内或集成到主热交换器32的指定交换器通路内，通过泵送残留液体流114产生的 泵送的液氧可以被加热和气化。对此，权利要求和在此使用的术语“主热交换区”包含隔离 的产品锅炉容器、如示出的单个主热交换器32，其中，其暖端和冷端可以是单独的单元。在 优选的实施例中，热交换器34、50和78中的全部以“一次通过”方式运行。具体地，沸腾流 体行进通过交换器仅一次。然后，至少蒸气组分被引导到塔系统(与再循环锅炉/热虹吸管 相对)。在钎焊铝热交换器的设计中，本领域已知的是，将热交换器组合成单个包。例如，在 热交换器78和50的集成或者可替代地在热交换器34和50的集成中可以采用这种方法。 另外，主题交换器可以与相关联的相分离器96或108合并。
可替代地，可以采用降膜(即，降流式)蒸发器来减少各个热交换器34、50和78 上的相应温度差。降流式蒸发器的使用特别用于热交换器78。由于氮在基本恒定的压力和 温度冷凝，因此交换器温差独立于流向(在这种服务中，对于采用降流式交换器不存在热 力学损失)。在降流式蒸发器的情况下，优选的流路径/方向可能是并流-富氧流体在与冷 凝流流动的方向相同的方向沸腾。应该注意，降流式蒸发器可以选择地采用小的再循环泵， 用于维持热交换面的充分湿润。对于各种热交换器34、50和78的设计和操作，存在各种选择。例如，热交换器34 可以可替代地采用从恰位于粗制氧蒸气流100的引入点之上的液体收集器获取的液体流。 这种液体流可在热交换器78之前或之后与流第二粗制液氧流98结合。从控制冷凝器操作 和维持交换器78内的固定蒸发水平的角度，这种方法是有利的。对此，大体地热交换器78 的出口蒸气组分将在大约70%至90%之间的范围。然后，包括来自低压塔46的含氮塔上部的氮产品流120依次通过热交换单元86、 热交换单元92和热交换单元52，以分别再冷却含氮液体流的第二部分82、第一粗制液氧塔 下部流90和合并流48。其后氮产品流120在主热交换器32内充分加热以产生暖氮产品流 122。应注意到，在促进预纯化单元16内的吸附床的再生中可以使用氮产品流120的一部 分，通常是15%。为了进一步减少所述处理的功耗，可以将低压塔46的压力进一步减小到接近环 境。为了在用于吸附床的再生而被部分使用的氮产品流120的部分内产生充足的压力，可 以采用再生风机来提升这部分的压力，大约3psi。随着塔压力减小，各个K值增加从而促进 空气分离。在这种情况下，可以将空气的增加部分引导到热交换器34，其中，发生部分冷凝 从而进一步降低循环功耗。在许多情况下，将需要更高纯度的氮。在这种情况下，可以将礼帽式装置 (top-hat)(额外塔级)合并到高压塔36和/或低压塔46中以产生包含小于IOppm氧的高 纯度氮。可以独立于实现本发明必要的改变来引入这种调整。为了示出主题发明的操作，在下面的表中示出了所示实施例的过程模拟。该过程 模拟包括由第二粗制液氧流98和含氧和氮的液体流102形成的含氧流104。应注意到，已 将各个流标准化到总冷箱空气流，即原料流10。
权利要求
1.一种从包含氧和氮的原料流产生氧产品的方法，所述方法包括在将所述原料流的第一部分压缩、将所述原料流的第二部分压缩到比所述原料流的所 述第一部分被压缩到的压力更高的压力、并且将所述原料流的所述第一部分和所述原料流 的所述第二部分在主热交换区内冷却之后，部分地冷凝所述原料流的所述第一部分并且冷 凝至少部分由所述原料流的所述第二部分组成的流；将所述原料流的所述第一部分引入到蒸馏塔系统的高压塔中； 在所述蒸馏塔系统的所述高压塔和低压塔中精馏通过冷凝由第二原料流的至少部分 组成的所述流得到的液体；通过与由在所述高压塔中产生的富氮塔上部组成的富氮流间接热交换，部分地气化主 要包括在所述高压塔中产生的粗制液氧塔下部的第一粗制液氧流，从而产生用作到所述高 压塔和所述低压塔的回流的含液氮流；在已经被部分地气化之后从所述第一粗制液氧流使液相和气相分离，以形成粗制氧蒸 气流和第二粗制液氧流；以与所述原料流的所述第一部分间接热交换的形式，通过至少部分由所述第二粗制液 氧流组成的含氧流，从而实现所述原料流的所述第一部分的部分冷凝并且至少部分地气化 所述含氧流；在已经被部分地气化之后，将所述粗制氧蒸气流和所述含氧流引入到所述低压塔中的 连续低点；通过与至少部分由所述原料流的所述第二部分组成的所述流间接热交换，至少部分气 化在所述低压塔内产生的富氧液体塔下部，在所述低压塔的下部产生沸腾，从而实现其基 本冷凝；以及从至少部分气化所述富氧液体塔下部流产生的残余液体或蒸气形成氧产品流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述粗制氧蒸气流的引入点处从所述低压塔抽取含氧和氮的液体流；以及 将所述含氧和氮的液体流与所述第二粗制液氧流合并以形成所述含氧流。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在位于所述低压塔外部的热交换器内部分地气化所述富氧液体塔下部； 在已经被部分地气化之后从包含在所述富氧液体塔下部中的残留液体分离沸腾蒸气；将沸腾蒸气流引入到所述低压塔的下部区以产生沸腾；以及 从残余液体的流形成所述氧产品流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于 所述氧产品流在所述主热交换区内泵送并气化；将所述原料流的所述第一部分压缩到第一压力，并且所述原料流的所述第二部分压缩 到第二压力，所述第二压力高于所述第一压力；所述原料流的所述第三部分还被压缩到比所述第二压力更高的第三压力，并且在泵送 之后引入到所述主热交换区以实现所述氧产品流的气化；所述原料流的所述第三部分的第一部分在透平膨胀机内部分冷却和膨胀之后从所述 主热交换区抽取，以产生排出流，所述排出流继而被引入到所述低压塔；所述原料流的所述第三部分的第二部分在所述主热交换区内充分冷却和液化，膨胀到 所述第二压力并且与所述原料流的所述第二部分合并。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于在位于所述低压塔外部的热交换器内部分地气化所述富氧液体塔下部； 在已经被部分地气化之后从包含在所述富氧液体塔下部内的残留液体分离沸腾蒸气；将沸腾蒸气流引入到所述低压塔的下部区以产生沸腾；以及 所述残留液体的流用作所述氧产品流。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于 将所述含液氮流划分为第一部分和第二部分；所述含液氮流的所述第一部分回流到所述低压塔，所述含液氮流的所述第二部分回流 到所述高压塔；包括所述低压塔的含氮塔上部的氮产品流再冷却所述含液氮流的所述第二部分、所述 第一粗制液氧塔下部流和通过与其间接热交换在被冷凝之后的至少部分由所述原料流的 所述第二部分组成的所述流；已经被再冷却后的至少部分由所述原料流的所述第二部分组成的所述流被划分为第一子流和第二子流；所述第一粗制液氧塔下部流、所述含液氮流的所述第二部分和所述第一子流和所述第 二子流中每一个都被膨胀；所述第一子流和所述第二子流分别被引入到所述高压塔和所述低压塔；以及 所述氮产品流被引入到所述主热交换区并被完全加热。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过下述方式将所述原料流的所述第一部 分和所述原料流的所述第二部分分别压缩到所述第一压力和所述第二压力在第一压缩器中压缩所述原料流并且纯化高沸点杂质的所述原料流； 在纯化之后将所述原料流划分为所述原料流的所述第一部分和所述原料流的所述第 二部分；以及在第二压缩器中压缩所述原料流的所述第二部分。
8.如权力要求4所述的方法，其特征在于，通过下述方式分别将所述原料流的所述第 一部分、所述原料流的所述第二部分和所述原料流的所述第三部分压缩到所述第一压力、 所述第二压力和所述第三压力在第一压缩器中压缩所述原料流且纯化高沸点杂质的所述原料流； 在被纯化之后将所述原料流划分为所述原料流的所述第一部分、所述原料流的所述第 二部分和所述原料流的所述第三部分；在第二压缩器中压缩所述原料流的所述第二部分；以及 在第三压缩器中压缩所述原料流的所述第三部分。
9.一种从包含氧和氮的原料流产生氧产品的装置，所述装置包括第一压缩器，以将所述原料流的第一部分压缩到第一压力；和第二压缩器，以将所述原 料流的第二部分压缩到第二压力，所述第二压力大于所述第一压力；与所述第一压缩器和所述第二压缩器流连通的主热交换区，被配置为通过与从空气低温精馏产生且包括由所述氧产品组成的氧产品流的返回流间接热交换来冷却所述原料流 的所述第一部分和所述原料流的所述第二部分；第一热交换器，其位于所述主热交换区与包括高压塔和低压塔的蒸馏塔系统的所述高 压塔之间，所述第一热交换器被配置为通过与至少部分从第二粗制液氧流形成的含氧流间 接热交换部分地冷凝所述原料流的所述第一部分，从而至少部分地气化所述含氧流，所述 第一热交换器连接到所述高压塔以使所述原料流的所述第一部分在所述第一热交换器内 被部分地冷凝之后引入到所述高压塔；第二热交换器，其与所述主热交换区和所述蒸馏塔系统的所述低压塔流连通，并且被 配置为通过与包括在所述低压塔中产生的富氧液体塔下部的富氧液体塔下部流间接热交 换，冷凝至少部分由所述原料流的所述第二部分组成的流，从而至少部分地气化所述富氧 液体塔下部流；所述第二热交换器与所述高压塔和所述低压塔流连通，以便在所述第二热交换器中 冷凝之后，将至少部分由所述原料流的所述第二部分组成的所述流的第一部分和第二部分 分别引入到所述高压塔和所述低压塔，从而精馏从其基本冷凝得到的液体；第三热交换器，其连接到高压蒸馏塔且被配置为通过与在所述高压塔中产生的富氮 塔上部组成的富氮流间接热交换，部分地气化主要包括在所述高压塔中产生的粗制液氧塔 下部的第一粗制液氧流，从而产生含液氮流；所述第三热交换器还与所述高压塔和所述低压塔两者流连通，使得所述低压塔通过 所述含液氮流的第一部分回流，所述高压塔通过所述含液氮流的第二部分回流；相分离器，其连接到所述第三热交换器，以在被部分气化之后从所述第一粗制液氧流 使液相和气相分离，以形成粗制氧蒸气流和所述第二粗制液氧流；所述相分离器和所述第一热交换器还连接到所述蒸馏塔系统的所述低压塔，使得在 已经被部分气化后的所述含氧流和所述粗制氧蒸气流被引入到所述低压塔中的连续低点； 以及所述第二热交换器还与所述低压塔流连通，使得通过富氧液体塔下部流的所述至少 部分气化在所述低压塔的下部产生沸腾，并且所述第二热交换器与所述主热交换区流连 通，使得所述氧产品流从由所述富氧液体塔下部的所述至少部分气化所产生的残余液体 或蒸气形成并被弓I入到所述主热交换区。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于第一管道，其连接到所述低压塔，使得在所述粗制氧蒸气流的引入点处从所述低压塔 抽取含氧和氮流；以及第二管道，其连接在所述相分离器和所述第一热交换器之间且连接到所述第一管道， 使得所述含氧和氮流与所述第一热交换器上游的所述第二粗制液氧流合并以形成所述含氧流。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于 所述相分离器是第一相分离器；第二相分离器，连接到所述第二热交换器，以在被部分气化之后从包含在所述富氧液 体塔下部流中的所述残留液体中分离沸腾蒸气；所述第二相分离器连接到所述低压塔的下部区，使得沸腾蒸气流被引入到所述低压塔的所述下部区以产生沸腾；以及所述第二相分离器还与所述主热交换区流连通，以将所述残余液体的流引入到所述主 热交换区，从而形成所述氧产品流。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于泵，被定位成使所述氧产品流加压，所述泵连接到所述主热交换区，使得在被加压之后 所述氧产品流在所述主热交换区内被气化；第三压缩器，其连接到所述主热交换区以将所述原料流的所述第三部分压缩到高于第 二压力的第三压力，以实现泵送后的所述氧产品流的气化；所述主热交换区被配置为使得在所述原料流的所述第三部分的第一部分在被部分冷 却之后从所述主热交换区流出；膨胀器，连接到所述主热交换区以使所述原料流的所述第三部分的所述第一部分膨 胀，从而产生排出流，所述膨胀器还连接到所述低压塔以使所述排出流被引入到所述低压 塔；所述主热交换区还被配置为使得在所述主热交换区内完全冷却和液化所述原料流的 所述第三部分的第二部分；以及膨胀设备，连接到所述主热交换区且与所述第二热交换器流连通，使得所述原料流的 所述第三部分的所述第二部分膨胀到所述第二压力并且与所述第二热交换器上游的所述 原料流的所述第二部分合并。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于 所述相分离器是第一相分离器；第二相分离器，连接到所述第二热交换器，以在被部分气化之后从包含在所述富氧液 体塔下部中的所述残留液体分离沸腾蒸气；所述第二相分离器连接到所述低压塔的所述下部区，使得沸腾蒸气流被引入到所述低 压塔的所述下部区以产生沸腾；以及所述第二相分离器还与所述主热交换区流连通，以将所述残余液体的流引入到所述主 热交换区，从而形成所述氧产品流。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于再冷却单元，连接到所述低压塔的上部、所述第二热交换器、所述高压塔和所述第三热 交换器，并且被配置为使得包括所述低压塔的含氮塔上部的氮产品流再冷却所述含氮液体 流的所述第二部分、所述第一粗制液氧塔下部流和在被冷凝后的至少部分由所述原料流的 所述第二部分组成的所述流；所述再冷却单元还与所述高压塔和所述低压塔流连通，使得在被再冷却后的至少部分 由所述原料流的所述第二部分组成的所述流被划分为第一子流和第二子流且被引入到所 述高压塔和所述低压塔；第一膨胀阀和第二膨胀阀，位于所述再冷却单元与所述高压塔和所述低压塔之间，以 使所述第一子流和所述第二子流分别膨胀到高压塔压力和低压塔压力；以及所述再冷却单元还连接到所述主热交换区，使得所述氮产品流被引入到所述主热交换 区并被完全加热。
15.如权利要求9所述的装置，其特征在于纯化单元，连接到所述第一压缩器以纯化高沸点杂质的所述原料流；以及 所述第二压缩器连接到所述纯化单元，使得在被纯化之后的所述原料流被划分为所述 原料流的所述第一部分和所述原料流的所述第二部分，所述原料流的第二部分在所述第二 压缩器中被压缩。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于所述第三压缩器还连接到所述纯化单元， 使得在被纯化之后的所述原料流还被划分为所述原料流的所述第三部分，并且所述原料流 的所述第三部分在所述第三压缩器中被压缩。
全文摘要
一种在高压塔和低压塔中分离含氧和氮的原料流例如空气的方法和装置。粗制液氧流在高压塔中冷凝氮蒸气用于回流且使得粗制液氧流的部分气化从而产生其蒸气组分和液体组分。液体组分冷凝原料流的低压部分且使得液体组分被至少部分气化。粗制液氧流的蒸气组分和被至少部分气化后的液体组分引入到低压塔。相对于冷凝原料流的高压部分，通过部分气化富氧液体塔下部在低压塔的下部区内产生沸腾，然后将蒸气或残留液体用作氧产品。
文档编号F25J3/04GK102047057SQ200980116234
公开日2011年5月4日 申请日期2009年4月8日 优先权日2008年5月7日
发明者H·E·霍沃德, K·F·拉森, R·J·吉布 申请人:普莱克斯技术有限公司