专利名称：生产低纯氧和高纯氧的低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及氧的生产，具体地，涉及将原料空气低温精馏而生产氧。
对于低纯度氧的需求在应用中不断增长，例如玻璃制造，炼钢和能源生产中。低纯度氧的大量生产主要通过在一对塔中对原料空气进行低温精馏，其中原料空气在高压塔的压力下用来重沸低压塔底部的液体，随后被送入高压塔。
低纯度氧的一些用途，例如大型轧钢厂，经常在低纯度氧之外还需要一些高纯度氧。这种双重纯度产品不能有效地靠传统低纯度氧的生产设备来生产。
因此，本发明的目的之一是提供一种低温精馏系统，它可有效并且充分地生产两种低纯和高纯氧。
本发明的另一目的是提供一种精馏塔，它可生产具有两种纯度的产品，即低纯和高纯氧。
上述和其它目的通过本发明即可实现，在阅读完本申请后，这些目的对本领域的技术人员来说是明显的。
其中一方面为一种生产高纯氧和低纯氧的方法，包括(A)冷凝原料空气，并将处理的原料空气送入高压塔；(B)在高压塔内，通过低温精馏将原料空气分离为富氧液体和富氮蒸气；(C)将富氧液体由高压塔送入一低压塔，该塔具有由一纵向隔断分离的一第一产品区和一第二产品区；(D)通过低温精馏在低压塔的第一产品区和第二产品区的每个区中处理富氧液体，在第一产品区生产高纯氧，在第二产品区生产低纯氧；(E)通过所述之冷凝原料空气重沸第一产品区，并通过冷凝来自高压塔的富氮蒸气重沸第二产品区；(F)由第一产品区获取高纯氧，由第二产品区获取低纯氧；本发明的另一方面为生产高纯和低纯氧的设备，包括(A)一个第一塔；
(B)一个第二塔，它具有包括一个由一纵向隔断所分离的第一产品区和一第二产品区的塔部分；(C)一个第一重沸器，它位于第一产品区内，以及一个第二重沸器，它位于第二产品区内；(D)将原料空气送入第一重沸器并由第一重沸器送入该第一塔的装置；(E)将液体由该第一塔的下部送入该第二塔的装置，以及将液体由该第一塔的上部送入第二重沸器的装置；(F)由第一产品区获取高纯氧的装置，以及由第二产品区获取低纯氧的装置。
本发明的再一个方面为一个用于生产第一产品和第二产品的精馏塔，包括(A)一塔区，它具有一个位于塔区内的纵向隔断，该隔断将塔区分为一第一产品区和一第二产品区；(B)一个位于第一产品区内的第一重沸器；(C)一个位于第二产品区内的第二重沸器；(D)将原料空气送入该塔至少部分塔区之上的装置；(E)将第一产品由紧靠第一重沸器的塔区提取出的装置；(F)将第二产品由紧靠第二重沸器的塔区提取出的装置；此外，本发明的另一方面为一种生产高纯和低纯氧的方法，包括(A)冷凝原料空气，并将处理的冷凝原料空气送入高压塔；(B)在高压塔内通过低温精馏将原料空气分离为富氧液体和富氮蒸气；(C)将富氧液体由高压塔送入一低压塔，并在该低压塔内通过低温精馏生产低纯氧；(D)由低压塔内提取含氧液体，并将其送入一辅助塔，在该辅助塔内通过低温精馏生产高纯度氧；(E)通过所述的冷凝原料空气重沸该辅助塔，并通过冷凝来自高压塔的富氮蒸气重沸该低压塔；(F)由该辅助塔的下部获取高纯氧，由该低压塔的下部获取低纯氧。
此处，“原料空气”意为一混合物，主要包括氧和氮，例如为环境空气。
此处，“低纯度氧”意为一种液体，其氧的浓度在50-99摩尔百分数之间。
此处，“高纯度氧”意为一种液体，其氧的浓度高于99摩尔百分数。
此处，“塔”意为一种蒸馏或分馏塔或区，即一接触塔或区，其中液体相和蒸气相逆流接触，以实现液态混合物的分离，例如，通过安装在塔内的一系列垂直分离的槽或盘中或者在构筑的或无规则的填料组件上气相和液相接触。对蒸馏作进一步讨论，请见化学工程师手册，第15版，编者R.H.Perry和C.H.Chilton，McGraw-Hill Book Company，纽约，第13章，连续蒸馏工艺。此处，双塔用于表示一种其上端与一低压塔的下端有热交换的较高压力的塔。对双塔的进一步讨论见Ruheman“气体的分离”，牛津大学出版社，1949，第七章，商用空气分离。
气液接触分离工艺取决于其组份的不同蒸气压力。高蒸气压力(或更易挥发或低沸点)的成份易于在气态凝结，而低蒸气压力(或不易挥发或高沸点)的成份则易于在液态时凝聚。部分冷凝为一种分离工艺，因此，蒸汽混合物的冷却可用于在蒸汽相中聚集挥发性组份，并借此在液相中聚集不易挥发的组份。精馏或连续蒸馏是结合了连续部份蒸发和冷凝的分离工艺，由对蒸气相和液相的逆流处理而实现。蒸气态和液态的逆流接触一般为绝热的，并可包括两相之间整体(分段)或局部(连续)的接触。利用精馏的原理来分离混合物的分离工艺设备经常可互换称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏作为至少部分在150K或150K以下的温度完成操作的一种精馏工艺。
此处，“间接热交换”意为使两种液流进行热交换而没有物理接触或相互之间不进行液体混合。
此处，“重沸器”意为一热交换装置，它从塔内液体中产生上升的塔内蒸气。
此处，“重沸”意为通过与冷却液体和/或冷凝液体进行间接热交换来蒸发塔内液体。
此处，“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀器”分别指方法和设备，该方法和设备使高压气体通过涡轮降低气体的压力和温度，产生致冷作用。
此处，塔或塔区的“上部”和“下部”分别指塔或塔区的一些部位，它们分别高于或低于塔或塔区的中点。
此处，“构筑的填料”意为一种填料，其中各个组件相互之间和对于塔轴具有特定的方向。
此处，“平衡阶段”意为一种蒸气——液体接触的阶段，而且，离开此阶段的蒸气和液体的质量转换平衡，如一个具100％效率的槽或一个其高度等于理论塔板(HETP)的填料组件。
此处，“纵向”意为塔的主轴方向。
此处，“液体与蒸气比率”和“L/V”意为流下塔的液体量与在塔内上升的蒸气量的比率。
图1为一示意图，表示本发明的一较佳实施例。
图2为一示意图，表示本发明的另一较佳实施例。
一般地，本发明包含附加的与产生低纯氧设备的双塔中的低压塔的下部分或提馏段并联的一个附加提馏段。该附加提馏段处理含氧液体并通过高压原料空气重沸。该附加提馏段以较高的液体蒸气比率和/或多于低压塔的提馏段所具有的平衡步骤运行，并由此通过对含氧液体的低温精馏生产高纯度氧。在一较佳实施例中，该附加提馏段位于低压塔内，与低纯氧提馏段分隔开。
本发明将结合附图进一步描述细节。见图1，已被净化除去高沸点杂质，例如水蒸气和二氧化碳并且其压力一般升至60-150磅每平方英寸(psia)范围内的原料空气150被分为第一部分100和第二部分160。第一部分100通入第一重沸器10，如下面将要描述的那样，在该重沸器中通过与底部液体进行间接热交换来使这部分空气至少部分冷凝。这样，冷凝的原料空气102被送入第一或高压塔20，该塔为包括第二或低压塔21的双塔系统的一部分。二级原料空气部分160也被直接送入高压塔20。
高压塔20一般在60-150psia的压力范围内运行。在高压塔内，原料空气通过低温精馏分离成为富氧液体和富氮蒸气。富氧液体，其氧的含量大体在30-55摩尔百分数范围，由高压塔20的下部通过液流103送入低压塔21。
低压塔21的运行压力低于高压塔20，大体在15-35psia压力范围内。低压塔21有一纵向隔断22，划分出包括一第一产品区23和一第二产品区24的塔区。第一重沸器10位于第一产品区23的下部。第二重沸器12位于第二产品区24的下部。富氧液体103送入低压塔21高于至少部分隔断塔区的部分。最好，如图1所示，富氧液体103送入低压塔21高于所有隔断塔区的部分，即在隔断塔区的顶部或高于其上。
富氧液体逆着上升的蒸汽向下流并行穿过第一产品区23和第二产品区24，并在此过程中该富氧液体由低温精馏分别分离为高纯氧和低纯氧。第一产品区在高液气比率和/或以比第二产品区更多数量的平衡步骤下运行，从而使高纯氧产品的生产成为可能。最好，在第一产品区23和第二产品区24内的塔内部部件，即质量传递部件，包括有构筑的填料。
高纯氧液体汇集在第一产品区23的底部，并被上述至少部分冷凝的原料空气100重沸，以在第一产品区23内部产生升腾的蒸气。高纯氧产品重新以液态和/或气态从紧靠第一重沸器10的第一产品区23获取。在图1所示的实施例中，高纯氧从第一产品区23中以液体流112的形式取出并获得。
低纯氧液体汇集在第二产品区24底部，并被来自高压塔20的上部的冷凝富氮蒸气109重沸，并在第二产品区24内形成升腾的蒸气。低纯氧产品可以液态和/或气态从紧靠第二重沸器12的第二产品区24获得。如图1所示的实施例中，低纯氧以液体流113的形式从第二产品区24中取出并获得。已冷凝的富氮液体以液体流25的形式从第二重沸器12抽取。液体流25的第一部分110作为回流被送入高压塔20，而液体流25的第二部分111作为回流被送入第二个塔21。含氮液体流26从第二个塔21的上部抽取，并可获得作为氮产品。
图2表示了本发明的另一个实施例，其中用于生产高纯氧的附加的并行提馏段位于一个分离的辅助塔中。现见图2，已净化除去高沸点杂质例如水蒸气、二氧化碳并其压力已升到大体在60-150psia范围内的原料空气170被分为第一部分30和第二部分180。第一部分30被送入辅助塔重沸器31中，其中如下面将更详细地描述的那样，通过与底部液体进行间接热交换，这部分空气至少部分被冷凝。这样，已冷凝的原料空气32送入第一或高压塔33，该塔为包括第二或低压塔34的双塔系统的一部分。第二原料空气部分180直接被送入高压塔33。
高压塔33一般在60-150psia压力范围内运行。在高压塔33中原料空气由低温精馏分离成富氧液体和富氮蒸气。富氧液体，其氧的含量一般在30-55摩尔百分数之间，从高压塔33的下部以液体流35的形式被送入低压塔34，该塔在低于高压塔33的压力下运行，一般压力在15-35psia范围内。富氮蒸气由高压塔33的上部以液体流36的形式被送入低压塔重沸器37，其中通过与低压塔底部的液体的间接热交换来冷凝该蒸气。这样，富氮液体38分为作为回流被送入高压塔33的第一部分39，和作为回流被送入低压塔34的第二部分40。此外送入塔34的是附加原料空气流120，它被涡轮膨胀以产生致冷作用。
在低压塔34内，原料由低温精馏分离为低纯氧和富氮蒸气。低纯氧以液态汇集于低压塔34的底部，并被冷凝的富氮蒸气36重沸。低纯氧产品以液态和/或气态的形式从低压塔34的下部获取。如图2所示之实施例，低纯氧以液体流41从塔34中抽取并获得。富氮蒸气由塔34的上部以液体流42的形式抽取，并可获取作为氮产品。从塔34中塔顶以下的部分抽取废流，以达控制产品纯度的目的。
一含氧液体流121，其氧含量一般在50-95摩尔百分数之间，由低压塔34中抽取，并送入第三或辅助塔44的上部。并且在塔44中通过低温精馏分离为高纯氧和剩余蒸气。辅助塔44一般在17-35psia压力范围内运行。辅助塔44在较高的液体蒸气比率和/或以具有比低压塔34中液体流121的抽取点之下的部分更多的平衡步骤运行。高纯氧液体汇集在辅助塔34的底部，被上述至少部分冷凝的原料空气30重沸。高纯氧产品以液态和/或气态由辅助塔44中获取。如图2所示之实施例，高纯氧从辅助塔44中以液体流45的形式抽取并获得。剩余蒸气从辅助塔44上部抽取，并以液体流122的形式送入低压塔34。
现在根据本发明，从一个低温空气分离装置中可有效地生产高纯氧和低纯氧。虽然本发明已结合两个较佳实施例作了详细描述，本领域技术人员可认识到，在本发明权利要求的精神和范围内还可有本发明的其它实施例。例如，隔断的塔可有一个以上的隔断，被隔断的区域还可包含两个以上的产品区，每区均有其自己的重沸器。以这种方法可生产三个或更多的不同纯度水平的氧产品。
权利要求
1.一种用以生产高纯氧和低纯氧的方法，包括(A)冷凝原料空气，并将冷凝的原料空气送入高压塔内；(B)在高压塔内，通过低温精馏将原料空气分离成为富氧液体和富氮蒸气；(C)将富氧液体从此高压塔中送入一低压塔，该低压塔具有由一纵向隔断所分隔的一个第一产品区和一个第二产品区；(D)在低压塔的第一产品区和第二产品区内，通过低温精馏处理富氧液体，并在第一产品区内生产高纯氧，在第二产品区内生产低纯氧；(E)通过所述冷凝原料空气重沸第一产品区，并通过来自高压塔的冷凝富氮蒸气重沸第二产品区；(F)由第一产品区获取高纯氧，并由第二产品区获取低纯氧。
2.如权利要求1所述方法，其中第一产品区内的液体和蒸气的比率高于第二产品区内的液体与蒸气的比率。
3.生产高纯氧和低纯氧的设备，包括(A)一个第一塔；(B)一个第二塔，它具有一塔区，该塔区包括由一纵向隔断分隔的一个第一产品区和一个第二产品区；(C)一个位于第一产品区内的第一重沸器，一个位于第二产品区内的第二重沸器；(D)将原料空气送入第一重沸器并由第一重沸器送入第一塔的装置；(E)将液体由第一塔的下部送入第二塔的装置，和将液体由第一塔的上部送入第二重沸器的装置；以及(F)由第一产品区获取高纯氧的装置，和由第二产品区获取低纯氧的装置。
4.如权利要求3的设备，其中第一产品区具有比第二产品区更多的平衡步骤。
5.一个用于生产第一产品和第二产品的精馏塔，包括(A)一塔区，在该塔区内具有一纵向分隔将该塔区分隔成为一个第一产品区和一个第二产品区的隔板；(B)一个位于第一产品区内的第一重沸器；(C)一个位于第二产品区内的第二重沸器；(D)用于将原料在至少部分塔区之上的位置送入塔内的装置；(E)从紧靠第一重沸器的塔区抽取第一产品的装置；(F)从紧靠第二重沸器的塔区抽取第二产品的装置。
6.如权利要求5的精馏塔，其中第一产品区具有比第二产品区更多的平衡步骤。
7.如权利要求5的精馏塔，其中所述的塔区具有包括构筑的填料的质量转换组件。
8.如权利要求5的精馏塔，它进一步包括至少一个在塔区内纵向地分隔的附加隔板，该分隔板将塔区划分出至少一个具有一重沸器的附加产品区和从每个所述的附加产品区中抽取产品的装置。
9.一种生产高纯氧和低纯氧的方法，包括(A)冷凝原料空气，并将处理的已冷凝的原料空气送入高压塔内；(B)在高压塔内，通过低温精馏将原料空气分离成富氧液体和富氮蒸气；(C)将富氧液体从高压塔送入一低压塔，并在该低压塔内通过低温精馏生产低纯氧；(D)由低压塔内抽取含氧液体，并将其送入一辅助塔，在辅助塔内通过低温精馏生产高纯氧；(E)通过所述的冷凝原料空气重沸辅助塔，并通过来自高压塔的冷凝富氮蒸气重沸低压塔；(F)由辅助塔的下部获取高纯氧，并由低压塔的下部获取低纯氧。
10.如权利要求9的方法，其中辅助塔内的液体和蒸气的比率高于低压塔内的抽取含氧液体那一点之下的液体和蒸气的比率。
全文摘要
一种低温精馏系统,它通过一个附加的与一双塔的低压塔的下部并联的精馏区来生产高纯氧和低纯氧。
文档编号F25J3/04GK1174322SQ9711127
公开日1998年2月25日 申请日期1997年5月5日 优先权日1996年8月5日
发明者J·F·比林汉, M·J·洛基特, D·P·邦纳奎斯特 申请人:普拉塞尔技术有限公司