用于生产氮的双塔低温精馏系统的制作方法

专利名称：用于生产氮的双塔低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及空气的低温精馏，更具体地说，涉及以空气为原料生产氮气的低温精馏。本发明用于在高压下生产高纯氮和任选附加生产低纯度氧特别有效。
背景技术：
在许多工业应用中希望在高压下使用高纯氮。例如，在玻璃制造工艺或铝或钢的熔炼中，都使用高纯氮作熔融物料的惰性气氛。众所周知通过低温精馏空气可生产高纯氮，但这种已知系统一般对来自低温精馏塔的高纯氮需要加压以便生产高压产品。这种加压总是把如颗粒物质掺到氮产品中。单塔系统从该塔能直接生产高压氮但必须在高的单元分离功率条件下。此外，在前述许多工业用途中还需要使用低纯度氧。例如，在上文提到的玻璃制造工艺、钢加热和铝熔融的操作中，在含氧的燃料中使用低纯度氧为的是给炉内装料的加热和熔融提供热量。
由此，本发明的目的在于提供能在高压下有效生产高纯氮的低温精馏系统。
本发明另外的目的在于提供能在高压下有效生产高纯氮和任选生产低纯度氧的低温精馏系统。
发明概述本技术领域的技术人员依据阅读本说明书将会明了上述和其它目的，通过本发明可以实现，本发明的一个方面是一种生产氮的方法包括(A)使原料空气通入第一塔并在第一塔内通过低温精馏分离原料空气成为富氧塔底液体和富氮塔顶蒸汽；(B)使来自第一塔的富氧塔底液体通入第二塔并在第二塔内通过低温精馏生产富氧塔底液体和富氮塔顶蒸汽；(C)蒸发至少一些富氧塔底液体以便生产富氧蒸汽；(D)通过与来自第二塔底部上方的流体间接热交换来冷凝富氮塔顶蒸汽；(E)涡轮膨胀部分富氧蒸汽；和(F)回收作为产品氮的富氮塔顶蒸汽。
本发明另一方面是生产氮的设备，包括(A)第一塔和用于使原料空气通入第一塔的装置；(B)具有塔底再沸器和中间热交换器的第二塔；(C)用于使来自第一塔下部流体通入第二塔的装置；(D)用于使来自第一塔上部的流体流过中间热交换器的装置；(E)涡轮膨胀机和用于使来自第二塔下部的流体流过涡轮膨胀机的装置；和(F)用于回收来自第二塔上部作为产品氮流体的装置。
本文中所使用的术语“塔盘”意指接触段，但它并非一定是平衡段，并且还可能指其它的接触设备，如具有相当于一个塔盘分离能力的填料。
本文中所使用的术语“平衡段”意指蒸汽-液体接触段，借此离开该段时蒸汽和液体处于传质平衡状态，例如具有100％效率的塔盘或相当于一个理论塔板高度(HETP)的填料元件。
本文中使用的术语“原料空气”意指含有主要是氧和氮的混合物，如环境空气。
本文中使用的术语“低纯度氧”意指具有氧浓度在从50到98.5摩尔百分比范围内的流体。
本文中使用的术语“高纯氮”意指氮浓度大于98.5摩尔百分比的流体。
本文中使用的术语“塔”意指蒸馏或分馏塔或区，即，接触塔或区，其中液体相和蒸汽相逆流接触以便进行流体混合物的分离，例如，通过蒸汽和液相在一系列安装在塔内垂直间隔放置的塔盘或塔板上和/或有序或无规填充的填料元件上接触。为了进一步讨论蒸馏塔，参见化学工程师手册，第5版，编辑R.H.佩里和C.H奇尔顿，麦格劳-希尔图书公司，纽约，13节，连续蒸馏法(The chemical Engineer’s Handbook,fifth edition,edited by R.H.Perry and C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,NewYork,Section 13,The Continuous Distillation Process)。所用术语“双塔”指其上端与一低压塔下端有热交换关系的高压塔。双塔的进一步讨论登载在鲁曼的“气体的分离”中，牛津大学出版，1949，第Ⅶ章，工业气体分离(Ruheman“The Separation of Gases”,oxford University Press,1949,chapter Ⅶ,Commercial Air Separation)。
蒸汽和液体接触分离工艺取决于各成分蒸汽压的差别。高蒸汽压(或易挥发的或低沸点的)成分倾向于在蒸汽相中浓缩，而低蒸汽压(或不易挥发或高沸点)成分倾向于在液相中浓缩。部分冷凝是一种把蒸汽混合物的冷却用于一种或多种挥发性成分于蒸汽相中浓缩而因此使一种或多种不易挥发的成分于液相中浓缩的分离方法。精馏法，或连续蒸馏法，是通过蒸汽和液相逆流处理所获得的连续部分蒸发和冷凝相结合的分离方法。蒸汽相和液相的逆流接触一般是纯热的并且可包含相间的积分(分段)或微分(连续)接触。利用分离混合物的精馏原理的分离工艺装置经常可互换地称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏至少是部分在或低于150开尔文温度(k)下进行的精馏方法。
用于本文中的术语“间接热交换”意指使两种流体达到热交换而无流体的任何物理接触或相互混合。
用于本文中的术语“再沸器”意指能从塔液体产生塔向上流动蒸汽的热交换装置。
用于本文中的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”分别指用于高压气体流经涡轮机以降低气体的压力和温度由此产生致冷作用的方法和设备。
用于本文中的术语“上部”和“下部”分别指塔的中点以上和以下塔的那些部分。
用于本文中的涉及塔装置时的术语“塔底”意指塔传质内件，即塔盘或填料以下塔的部分。
用于本文中的术语“塔底再沸器”意指使来自塔底液体沸腾的再沸器。
用于本文中的术语“中间热交换器”意指使来自塔底上部液体沸腾的再沸器。
附图的简要说明

图1是本发明最佳实施方案的示意图。
图2是本发明另一最佳实施方案的示意图，其中高纯氮在能提高液体生产能力的循环回路中加压。
图3是本发明另一最佳实施方案的示意图，其中还能生产低纯度氧。
附图中的编号对于通用元件是相同的。
详细说明参照附图对本发明详细地进行说明。
现参见图1，已清除高沸点杂质如水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物，并且通常在每平方英寸为60-200磅(psia)绝对压力下的原料空气60，正如在下文将要详细进行说明的，流过第一热交换器1时借助于返回的流体间接热交换而得到冷却。所得到的冷却过的原料空气61，流过能起到使塔11底部液体再沸作用的塔11的底部再沸器20而至少部分冷凝。所得到的原料空气流62从底部再沸器20通入通常在55-195psia范围的压力下操作的第一塔10。
在第一塔10内，通过低温精馏使原料空气分离成为富氧塔底液体和富氮塔顶蒸汽。从第一塔10的下部以液体63的形式取出富氧塔底液体通过流经热交换器2过冷，得到的液流64经过阀65作为液流66流入第二塔11，该塔具有塔底再沸器20和中间热交器或再沸器21并且在低于第一塔10的压力下，一般在25-70psia的范围内进行操作。液流66在中间热交换器21上面1-20平衡级处进入第二塔11。
富氮塔顶蒸汽作为气流67从第一塔10上部移出再流经中间热交换器21，其中富氮塔顶蒸汽通过与来自第二塔11塔底再沸器20上面的流体间接热交换被冷凝。中间热交换器21位于塔底再沸器20上方至少一个平衡级，一般为5-20个平衡级处。
所得到的富氮液体作为液流68从中间热交换器21移出并且其部分69作为回流液流入第一塔10的上部。如需要，可使附加液氮91流过阀92并作为液流93进入第一塔10的上部起附加回流液作用。富氮液体68的另一部分70由于流经热交换器3过冷。使所得到的液流71流过阀76再作为液流77进入第二塔11的上部。如需要，液流71的一部分72流经阀73后作为产品高纯氮液体74回收。
在第二塔11内，各种进料都通过低温精馏被分离成为富氧塔底液体和富氮塔顶蒸汽。至少部分富氧塔底液体通过前述与流过塔底再沸器20的原料空气间接热交换蒸发产生富氧蒸汽。使部分富氧蒸汽作为向上流的蒸汽向上流过第二塔11。另处一部分富氧蒸汽，通常氧浓度范围为60-95摩尔％，作为流体78从第二塔11的下部取出再通过部分经过第一热交换器1加热。使所得的富氧蒸汽流79再通过流经涡轮膨胀机30涡轮膨胀，使所得到的涡轮膨胀过的富氧气流80流经在其中受热的第一热交换机1，这样可通过间接热交换冷却原料空气流60。从第一热交换器1取出的受热富氧蒸汽流81流出系统。一些气流81或其全部作为产品低压低纯度氧回收。
富氮塔顶蒸汽作为气流82从第二塔11的上部取出并通过热交换器2和3加热。所得到的气流83通过流经第一热交换器1加热，一般再于23-68psia的压力下作为产品高纯氮84回收。
图2说明本发明的另一实施方案，该方案可用于要求高水平液体生产能力上。图2中说明的实施方案与图1说明的实施方案共通的那些方面不再详细进行讨论。
现参见图2，通过流经氮产品压缩机31对高纯氮产品流84至少一部分进行压缩，压力一般达到70-250psia。所得到的流体85被分成两部分，一部分86作为产品高纯高压氮回收，另一部分87流入与涡轮膨胀机33直接联接的压缩机32。流体87流经压缩机32压缩至压力通常在85-300psia的范围内并且通过流经冷却器14使所得到的具有压缩热流体88变冷，作为流体89流入第一热交换器1。流体89的第一部分90在部分移出第一热交换器1后取出并借助于流过涡轮膨胀机33涡轮膨胀。使所得到的涡轮膨胀过的流体94与流体83合并形成流入第一热交换器1冷端的流体95，然后作为产品流84流入氮产品压缩机31。流体89的第二部分91完全移出在其中被加热的第一热交换器1。其后，它流过阀15再作为流体16进入第一塔10的上部，起到附加回流液的作用。
图3说明本发明另外一个实施方案，其中在高压下还生产低纯度氧。图3所说明的实施方案与图1所说明实施方案共通的那些方面不再进行详细的讨论。
现参见图3，原料空气流61仅仅一部分100流经塔底再沸器20。剩余部分40直接流入第一塔10。从塔底再沸器20得到的原料空气流101流经热交换器3过冷。所得到的流体102流经阀门103再作为流体104进入第二塔11。来自第一塔10的富氧塔底液体流经热交换器4过冷然后在与中间热交换器21相同高度处流入第二塔11。富氮液流70进入第二塔11之前先通过热交换器2过冷。部分富氧塔底液体作为液体73从第二塔11放出，再作为产品低纯度氧液体回收。为了在回收前加热，流入第一热交换器1之前先通过流经热交换器2、3和4加热富氮蒸汽流82。
第一蒸汽流41，通常具有的氧浓度范围在1-15摩尔％，从第二塔11的上部引出然后经热交换器2、3和4加热以便形成流体98。第二富氧蒸汽流43，具有的氧浓度超过第一蒸汽流41并且一般在60-96摩尔％范围内，从第二塔11的下部取出。使流体43的一部分44流过阀45再作为流体46与流体98合并形成流体99，它部分移过能作为流体79排出的第一热交换器1，流体79如上所述进一步被加工处理。流体43的另一部分96通过流经第一热交换器1加热再于23-68psia范围的压力下作为产品低纯度氧97回收。
就生产高纯高压氮而无须产品加压而言，对比常规单塔系统可能需要的单位分离功率本发明低得多。例如，采用图1所说明的实施方案，在单位分离功率为2.8kwh/1000CF(每千立方英尺氮千瓦小时)就能生产含有不到2ppm氧的35psia的氮。采用图3所说明的实施方案时，单位分离功率只不过是3.3kwh/1000CF，还能回收纯度为90摩尔％的副产氧。比较起来，对于用在生产高压氮而产品不压缩的典型单塔低温空分的工厂来说，单位分离功率约为5.4kwh/1000CF。
通过本发明的使用可在高压下有效生产产品无需压缩的高纯氮并且还可任选生产低纯度氧，对比使用常规系统效率高得多。尽管参照某些最佳实施方案对本发明已作详细的说明，但本领域的技术人员将会认识到在权利要求书的精神和领域内还存在着另外一些本发明的实施方案。
权利要求
1．生产氮的方法，包括(A)使原料空气通入第一塔并在第一塔内借助于低温精馏使原料空气分离成为富氧塔底液体和富氮塔顶蒸汽；(B)使来自第一塔的富氧塔底液体通入第二塔和在第二塔内借助于低温精馏生产富氧塔底液体和富氮塔顶蒸汽；(C)为生产富氧蒸汽蒸发至少一些富氧塔底液体；(D)通过与来自第二塔塔底上方的流体间接热交换冷凝富氮塔顶蒸汽；(E)涡轮膨胀部分富氧蒸汽；和(F)回收作为产品氮的富氮塔顶蒸汽。
2．权利要求1所述的方法，其中富氧塔底液体通过与其后流入第一塔的原料空气的间接热交换而被蒸发。
3．权利要求1所述的方法，其中富氧塔底液体通过与其后流入第二塔的原料空气的间接热交换而被蒸发。
4．权利要求1所述的方法，还包括使部分富氮蒸汽加压，冷凝加压过的部分并使冷凝加压过的部分流入第一塔。
5．权利要求1所述的方法，还包括回收一些作为产品低纯度氧的富氧塔底液体和富氧蒸汽中至少一种。
6．生产氮用的设备，包括(A)第一塔和使原料空气通入第一塔的装置；(B)具有塔底再沸器和中间热交换器的第二塔；(C)用于使来自第一塔下部的流体流入第二塔的装置；(D)用于使来自第一塔上部的流体流经中间热交换器的装置；(E)涡轮膨胀机和用于使来自第二塔下部的流体流过涡轮膨胀机的装置；和(F)用于使来自第二塔上部的流体作为产品氮回收的装置。
7．权利要求6所述的设备，还包括用于使原料空气流入塔底再沸器的装置和用于使来自塔底再沸器的原料空气流入第一塔和第二塔中至少一个的装置。
8．权利要求6所述的设备，还包括氮产品压缩机、用于使来自第二塔上部的流体流入氮产品压缩机的装置和用于使来自氮产品压缩机的流体流入第一塔的装置。
9．权利要求6所述的设备，还包括用于回收来自第二塔下部流体的装置。
10．权利要求6所述的设备，还包括用于使来自第二塔上部的流体流入涡轮膨胀机的装置。
全文摘要
用于在高压下生产高纯氮的双塔低温精馏系统,其中在第二塔的中间热交换器中处理来自第一塔的塔顶蒸汽和涡轮膨胀来自第二塔的富氧蒸汽以便产生供分离用的致冷作用。
文档编号F25J3/04GK1210250SQ9811877
公开日1999年3月10日 申请日期1998年8月27日 优先权日1997年8月29日
发明者D·P·波纳奎斯特 申请人:普拉塞尔技术有限公司