专利名称：用来生产低纯度氧的单塔低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及低温精馏，更具体地涉及低纯度氧的生产。
低温精馏空气来生产氧和氮是已经发展得很成熟的工业方法。典型的情况是进料空气在双塔系统中得到分离，其中来自高压塔的氮架(nitrogen shelf)即顶部蒸气被用来再沸低压塔中的氧底部液体。
在诸如玻璃制造、钢铁制造和能源生产的应用中对低纯度氧的需求不断增加。比常规通过双塔操作生产在低压塔的汽提段较少的蒸气蒸出以及在低压塔的精馏段较少的液体回流对于低纯度氧〔即氧的纯度不大于97％(摩尔)〕的生产而言是必需的。
因此，低纯度氧一般通过低温精馏系统来大量生产，其中处于高压塔的压力的进料空气被用来再沸低出塔的底部液体，然后进入高压塔。使用空气代替氮来蒸发低压塔底部减少了空气进料的压力需求，同时通过将适量的空气送进低压塔再沸器或通过部分冷凝大疗分总进料空气可以产生在低压塔的汽提段中所需的蒸出量。
虽然常规的空气蒸煮低温精馏可用来有效地生产低纯度氧，但其生产回流以供给低压塔顶部的能力是有限的。这是由于部分进料空气的冷凝减少了高压塔中用以产生氮回流的蒸气所致。因为产生回流的能力降低，氧的回收随之降低，故消耗更多能量。而且，双塔系统具有高的与之相关的基本投资。
因此，本发明的一个目标是提供生产低纯度氧的低温精馏系统，它与常规系统相比可在降低的动力需求下动作并且基本投资降低。
本领域的技术人员在阅读本发明的内容后，本发明的上述及其它目标将显而易见。目标的一方面是一种通过进料空气的低温精馏生产低纯度氧的方法，包括(A)部分冷凝大部分进料空气以产生第一液体空气部分和第一蒸汽空气部分；(B)通过与塔中的液体间接热交换汽轮骤冷第一蒸气空气部分和部分冷凝已汽轮骤冷的第一蒸气空气部分以产生第二液体空气部分和第二蒸气空气部分；(C)通过与在上述塔中的液体进行间接热交换至少部分冷凝第二蒸气空气部分，其中步骤(C)的热交换用来产生第三液体空气部分；(D)将第一液体空气部分送入塔中，将第二液体空气部分送入上述第一液体空气被送入的塔中，将第三液体空气部分送入上述第二液体空气部分被送入的塔中；(E)通过精馏将送入和所述塔中的液体分离为富氮液体和富氧液体；和(F)将富氧液体作为产物低纯度氧回收。
本发明的另一方面是生产低纯度氧的设备，包括(A)具有底部再沸器的塔以及将进料空气送入该底部再沸器的装置；(B)汽轮骤冷器，以及将来自底部再沸器的蒸气送入汽轮骤冷器的装置；(C)在塔中的第一热交换器，以及将来自汽轮骤冷器的蒸气送入该第一热交换器的装置；(D)在该塔中第一热交换器上方的第二热交换器，以及将来自第一热交换器的蒸送入第二热交换器的装置；(E)将来自底部再沸器的液体送入该塔的装置，将来自第一热交换器的液体送入上述底部再沸器液体被送入的塔中的装置，和将来自第二热交换器的液体送入上述来自第一热交换器的液体被送入的塔中的装置；和(F)将来自塔的产物低纯度氧回收的装置。
本发明的又一个方面是(A)部分冷凝进料空气的大部分，产生第一液体空气部分和第蒸气空气部分；(B)通过与塔中的液体进行间接热交换汽轮骤冷第一蒸气空气部分和至少部分冷凝已被汽轮骤冷的第一蒸气空气部分以产生第二液体空气部分；(C)将第一液体空气部分送入塔中，并将第二液体空气部分送入上述第一液体空气部分被送入的塔中；(D)通过低温精馏将上述送入塔中的液体分离成富氮液体和富氧液体；和(E)回收富氧液体作为产物低纯度氧。
本发明的再一方面是生产低纯度氧的设备，包括(A)具有底部再沸器的塔，以及将进料空气送入该底部再沸器的装置；(B)汽轮骤冷器，以及将来自底部再沸器的蒸气送入所述汽轮骤冷器的装置；(C)位于所述塔中的热交换器，以及将来自汽轮骤冷器的蒸气送入该热交换器的装置；(D)将来自底部再器的液体送入所述塔的装置，以及将来自所述热交换器的液体送入上述将来自该底部再沸器的液体被送入的塔中的装置；和(E)回收来自所述塔的产物低纯度氧的装置。
此处所用的术语“底部再沸器”是指从塔底液体产生塔上流蒸气的热交换装置。该底部再沸器可以位于塔中，也可以在塔外。
此处所用的术语“低纯度氧”是指具有不大于97％(摩尔)氧浓度的液体。
此处所用的术语“进料空气”是指主要包含氮和氧的混合物如大气。
此处所用的术语“汽轮骤冷”和“汽轮骤冷器”分别是将高压气流通过透平机以降低所述气体压力和温度因而产生制冷作用的方法和设备。
此处所用的术语“塔”是指分馏塔或区的蒸馏，即接触塔或的区的蒸馏，其中液相和气相逆流接触例如通过在安装在塔内的一系列垂直放置的塔盘或塔板和/或填料单元(可以是结构填料和/或无规填料单元)上的气相和液相接触以实现液体混合物的分离，蒸馏塔的进一步讨论请参见Chemical Engineer's Handbook，第5版，R.H.Perry和C.H.Chilton编，McGraw-Hill Book Company，New York，Section13，The Continuous Distillation Process.
气液接触分离法取决于各组分蒸气压的差异。高蒸气压(或易挥发或低沸点)组分趋于浓缩于气相而低蒸气压(或难挥发或高沸点)组分趋于浓缩于液相。
部分冷凝是一种通过使用蒸气混合物的冷却来将易挥发组分浓于气相而难挥发组分则浓缩于液相的分离方法。精馏或连续蒸馏是一种通过气液相送流处理而综合获及连续蒸发和冷凝交果的分离方法。气液相的逆流接触是绝热的，而且可以包括在相与相之间的积分或微分接触。利用精馏的原理来分离混合物的分分离法装置常可互换地称为精馏塔、蒸发塔或分馏塔。低温精馏是在至少室温的一半或低于150°K运作的精馏方法。
此处所用的术语“间接热交换”是指使两种液流进入液体间没有物理接触或混合的热交换关系。
此处所用的术语“塔板”是指没必要为平衡段的接触段，还可以指其它接触设备如分离能力相当于一块塔板的填料。
此处所用的术语“平衡段”是指气-液接触段，其中离开该段的气体和液体达到传质平衡，如一块塔板有100％的效率或一填料单元高度相当于一块理论塔板(HETP)。
此处所用的术语“位于塔内”，当相对于热交换而言时意指功能上相当于位于塔内，即位于塔内或与塔相连的位置，液体从塔出来送入该热交换装置。该液体可以全部或部分蒸发，产物气体或气-液混合物被送返塔中。优选液体部分被蒸发，而且产物气-液混合物与从器取出的液体相同的位置被送回到塔中。
图1是本发明单塔低温精馏系统的一个特别优选实施方案的示意流程图。
图2是本发明单塔低温精馏的另一优选实施方案的示意流程图。
图3是在本发明的实践中具有代表性的优选热交换装置，其中塔内的所述热交换在塔体外进行。
本发明是具有一个或多个中间再沸器的单塔系统。蒸发塔中下流液体的再沸器即热交换器以阶段性的方式冷凝进料空气，为塔提供附加的蒸出和回流，从而增强产物氧的回收。中间热交换利用在塔的汽提段中获得的过量推动力，因此大大减少了塔中存在的热力学不可外翻性。相对部分再沸塔中液体，通过部分冷凝塔中中间热交换中的低压进料空气流，塔的该段操作线更接近平衡线，因而减少了系统对能量的需求。在一特别优选的实施方案中，部分冷凝的低压进料空气的相分离为在塔中的第二个热交换器以较高的位置加入提供了条件。在该第二中间热交换中，来自第一中间热交换吕的分离蒸气相对部分再沸塔中液体最好全部被冷凝。这股离开该中间热交换器的液体不与在蒸发一边进入的液体混合。在中间热交换的每一阶段产生的液体被送到塔中的适宜高度，因此补充正常的有效回流。
我们将参照附图较详细地描述本发明。现参照图1，进料空气110通过基底负荷压缩机31被压缩至绝对压力一般在30-100psia(磅/平方英寸(绝对压))的范围，所得进料空气流60通过净化器50除去诸如水蒸汽和二氧化碳的高沸杂质。所得进料空气流61被分为主要部分62和次要部分63。含有1 5-40％进料空气的次要部分63通过增压压缩机32增压至50-1200psia的范围，通过与主热交换器1回流进行间接热交换将所得流64冷凝，优选部分冷凝。所得流81通过部分横过热交换器112进一步被冷却，然后通过阀83进入塔11。在图1所示的实施方案中，流81与来自第一中间热交换器(后面将做更详细的描述)的液体混合形成进入塔11的混合流80。
含有60-85％进料空气110的主进料空气部分62通过与主热交换器1回流逆向进行间接热交换而得到冷却。冷却的主进料空气部分65被送入底却部再沸器20，在此处通过与沸腾的塔11底部液体进行间接热交换得到部分冷凝。所得两个流71被送至相分离器40，被分离成第一液体空气部分72(其氧的浓度大于流65)。
第一蒸气空气部分73被送至汽轮骤冷器30，在此处被汽轮冷凝至压力在20-50psia的范围，所得汽轮骤冷后的流76通过位于塔11内的第一中间热交换器21在底部再沸器20上方的1-10个平衡级。优选第一蒸气空气部分73在汽轮骤冷器30中汽轮骤冷之前是过热的。在第一中间热交换器21中已被汽轮骤冷的第一蒸气空气部分76通过与沿塔11流下蒸发着的、优选部分蒸发的液体朝廷间接热交换而得到部分冷凝，因而为塔11产生上流蒸气并得到作为两相流77从第一中间热交换器21进入相分离器41的第二液体空气部分和第二蒸气空气部分。
含氮浓度高于流76的第二蒸气部分84，从相分离器41出来进入位于塔11内上方(一般在第一中间热交换器21上方的约1-25个平衡级之处)的第二中间热交换器22。在第二中间热交换器22中，第一蒸气空气部分84至少部分优选全部被与流下塔11的蒸发着的优选部分蒸发着液体进行的间接热交换所冷凝，因而为塔11产生附加的上升蒸气并得到第三液体空气部分。
第一液体空气部分72通过阀74从相分离器40出来在第二中间热交换器22处或其上方(一般上至10个平衡级之处)进入塔11。含氧浓度高于流76的第二液体空气部分78从相分离器41导出，相对流101被部分横过热交换器112低温冷却而形成过冷流79，并在第一液体空气部分72被送进塔11之处的上方(一般在1-15个平衡级的上方)进入塔11。如前所述，在图1所示的实施方案中，流79与流81汇合形成上述被送入塔11的混合流80。
第三液体空气部分作为流85从第二中间热交换器22中流出，被相对流101部分横过热交换器112低温冷却，并通过阀87在第二液体空气部分被送入塔11之处的上方(一般在1-15个平衡级的上方)进入塔11。
塔11在压力为15-35psia的范围内运作。在塔11中各种进料被低温精馏分解成富氮液和富氧液。富氮液作为蒸气流101从塔11中导出，通过热交换器112和1加热，然后作为可全部或部分回收作氮产物〔含氮浓度在90-98％(摩尔)的范围内〕的氮流103离开系统。
富氧液作为低纯度氧产物从塔11回收。该低纯度氧产物可作为蒸气、加压蒸气和/或液体回收。例如，富氧液可作为蒸气从塔11中底部再沸器20上方之处导出并作为产物低纯度氧气回收。图1示意低纯度氧作为加压低纯度氧气回收的一个实施方案。再参照图1，富氧液作为液流94从塔11中导出。如需要，流94的部分95可以通过阀96作为产物低纯度液氧97回收。残留液体流98(可包含全部或部分流95)通过液体泵34加压至20-200psia，所得加压流99通过与上述冷的进料空气进行间接热交换而被主热交换器1蒸发。所得流100作为加压低纯度氧气产物被回收。
图2示出了本发明使用中间热交换器的另一实施方案。图2中普通单元的编号对应于图1。这些普通单元不再详细描述。
现参照图2。已汽轮骤冷的第一蒸气空气部分76被送入位于塔11上方(一般在底部再沸器20上方的级1-20个平衡级之处)的中间热交换器2。在中间热交换器2中第一蒸气空气部分76至少部分、优选全部通过与流下塔11蒸发着的、优选部分蒸发着的液体进行间接热交换而被冷凝。第一液体空气部分72从相分离器40出来，通过阀74在中间热交换器2的上方(一般在1-15个平衡级的上方)进入塔11。第二液体空气部分3从中间热交换器2出来，部分通过热交换器112相对流101而被冷凝，并通过阀4在第一液体空气部分72被送进塔11之处的上方(一般在1-15个平衡级的上方)进入塔11。
虽然图1和2显示的与热交换器21和2相关的热交换在塔体的内部进行，但这只是用来简化本发明方法的说明。可以预料在许多情况下一个或多个这样的热交换器将安置在塔体的外面，即功能上相当于在塔内。图3以概括的方式示意了这种功能上相当于在塔内的热交换器的一种装置。
现参照图3，塔200内下流液体被收集并作为流204从塔中导出。液体的收集和导出装置对蒸馏设备设计的技术人员来说是熟知的。液体流204被导入到热交换器201(以可是黄铜铝质的热交换器)中。当液体204横过热交换器201时，至少部分被与液体202(至少部分冷凝)进行的间接热交换所蒸发。液体202代表进入热交换器的蒸气流，例如图1的流76或流84。流202和204以逆流的方式在热交换器201内流动。部分蒸发的液体205从热交换器201出来返回塔200中。优选该部分蒸发热交换器201出来返回塔200中。优选该部分蒸发的液体用以下的方式返回塔中蒸气部分206能够与塔中从液体204先前被导出的位置下方上升的蒸气209相混合。当两相流被导入到塔内的中间位置时，完成此项任务的装置常用于蒸馏塔的设计中。流205的液体部分207从蒸气部分释放出来，并最好分布给那些传质单元如紧贴在液体204先前被导出位置下方的填料或塔盘。所述从蒸气中释放液体和将液体进行分布的装量常用于蒸馏塔的设计中。对于液204而言虽然从功能方面的角度看，最好使用所有的塔中下流液体，但一些设计情况下得到指令只能使况用部分下流液体来达到这个目标。如上所述，流202通过在热交换器201的热交换而至少部分得到冷凝。流203中所得流体返回塔中。流203对应于例如图1的流77或流85。
虽然前面已参照特定的优选实施方案详细描述了本发明，但本领域的技术人员将全理解权利要求的精神和范畴中本发明的其它实施方案。
权利要求
1.一种通过低温精馏进料空气来生产低纯度氧的方法，包括(A)部分冷凝进料空气的主要部分以产生第一液体空气部分和第一蒸气空气部分；(B)汽轮骤冷该第一蒸气空气部分并通过与塔中的液体进行间接热交换而部分冷凝已汽轮骤冷的第一蒸气空气部分以产生第二液体空气部分和第二蒸气空气部分；(C)通过与上述塔中的液体进行间接热交换而至少部分冷凝第二蒸气空气部分，其中步骤(C)的热交换用来产生第三液体空气部分；(D)将第一次体空气部分送入塔中，将第二液体空气部分送入上述第一液体空气被送入的塔中，将第三液体空气部分送入上述第二液体空气被送入的塔中；(E)通过低温精馏将送入所述塔中的液体分离成富氮液和富氧液；和(F)将富氧液作为产物低纯度氧回收。
2.权利要求1的方法，其中产物低纯度氧作为气体被回收。
3.权利要求1的方法，其中产物低纯度氧作为液体被回收。
4.权利要求2的方法，其中在回收前，富氧液作为液体从塔中导出，泵到较高的压力并通过与进料空气朝廷间接热交换而得到蒸发。
5.权利要求1的方法，还包含将富氮液体作为产物氮回收。
6.权利要求1的方法，还包含将进料空气的主要部分加压，通过与富氧液体进行间接热交换而至少部分冷凝已加压的主要部分，然后将所得的进料空气送入塔中。
7.生产低纯度氧的设备，包括(A)具有底部再沸器的塔以及将进料空气送入该底部再沸器的装置；(B)汽轮骤冷器以及将来自底部再沸器的蒸气送入该汽轮骤冷器的装置；(C)在塔中的第一热交换器，以及将来自汽轮骤冷器的蒸气送入该第一热交换器的装置；(D)在该塔中第一热交换器上方的第二热交换器，以及将来自第一热交换器的蒸气送入第二热交换器的装置；(E)将来自底部再沸器的液体送入该塔的装置，将来自第一热交换器的液体送入上述塔的装置，其中来自底部再沸器的液体被送入该塔中，和将来自第二热交换器的液体送入上述塔的装置，其中来自第一热交换器的液体被送入该塔中；和(F)将来自塔的产物低纯度氧回收的装置。
8.权利要求7的设备，其中回收产物低纯度氧的装置包括液体泵。
9.权利要求7的设备，还包括将来自塔的产物氮回收的装置。
10.通过低温精馏进料空气生产低纯度氧的方法，包括(A)部分冷凝进料空气的主要部分以产生第一液体空气部分和第一蒸气空气部分；(B)汽轮骤冷第一蒸气空气部分并通过与塔中液体进行间接热交换而至少部分冷凝已汽轮骤冷的第一蒸气空气部分以产生第二液体空气部分；(C)将第一液体空气部分送入塔中，并将第二液体空气部分送入上述第一液体空气部分被送入的塔中；(D)通过低温精馏将上述送入塔中的液体分离成富氮液和富氧液；和(E)将富氧液作为产物低纯度氧回收。
全文摘要
本发明涉及生产低纯度氧的单塔低温精馏系统，其中进料空气的主要部分在塔内再沸器中部分冷凝，所得蒸气经汽轮骤冷然后连续地在一个或多个塔内垂直定向段上冷凝，以增加塔的上升蒸气和回流液体的产生量。
文档编号F25J3/04GK1162101SQ97102508
公开日1997年10月15日 申请日期1997年1月30日 优先权日1996年3月19日
发明者D·P·邦纳奎斯特 申请人:普拉塞尔技术有限公司