快速響應的氬側臂塔的循環方法
2023-09-13 03:13:20 1
專利名稱：快速響應的氬側臂塔的循環方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫空分方法。更具體而言，本發明涉及一種氬/氧分離所用的側臂塔的重新啟動。
從空氣中回收氬的通常方法是利用雙塔餾系統，該系統包括一個高壓塔和一個低壓塔，兩者皆與再沸器/冷凝器熱相聯。通常，側臂精餾塔附裝於低壓塔。氧產品從低壓塔的塔釜導出，至少一股富氮物流從低壓塔頂導出。經低壓塔上升的部分蒸汽從中間位置導出並流入側臂塔。這部分蒸汽相通常含5-20％(摩爾)的氬、痕量氮、及其餘為氧，該蒸汽在側臂塔中精餾以產生基本不含氧的富氬物流。通常這股富氬物流從側臂塔的塔頂導出，其中氧含量為1ppm-3％(摩爾)的氧。
側臂塔中的精餾是使液體回流液徑位於側臂塔頂部的、冷凝器流入側臂塔來實現的。側臂塔勿需包容在一個容器中，但可分成一個以上的容器，每個容器與下一容器串連，其蒸汽及液流以前一塔頂進入下一塔塔釜。第一容器的底部附裝到低壓塔，最後容器的頂部包含上所述的冷凝器。通常，側臂塔的數目決定於對系統總高度的限制需要。塔的數目是基於操作需要和總高的限制。
由於氬和氧的樣發性之間的差別較小，製備高純氬物流需要側臂精餾塔具有大量的理論級數。同樣氬在空氣中的濃度低。典型值低於1％(摩爾)的氬。側臂塔的大尺寸和送入整個裝置的空氣中的氬的小流量兩者使裝置在過程中斷之後緩慢地回到其穩定狀態下的純度和生產速率。在一個典型尺寸的側臂塔的啟動或重新啟動中，通常大約需要30小時才能積累足夠的液氬存留量，之後還需10小時使氬達合適的再分布以達到穩態組分分布。這樣，總共需要40小時以重新啟動側臂塔。在這段時間內不能得到氬產品。
側臂塔中氬的存留量的滯留可用生產小時來表示，當試圖減少側臂塔回到穩態條件所需的時間時，這對於現有技術是很重要的。由於塔頂的氧濃度可在1ppm以下，而塔釜的氧濃度在80％(摩爾)-95％(摩爾)之間，所以當塔積累液體留存量時，其富氬程度比正常供給側臂塔的料流高得多。
德國專利DE 34 36 897和美國專利N0.5,505,051公開了在一個儲器中保持側臂塔的富氬液體留存量的方法。在側臂塔重新啟動之後，通過逐步降低儲器的液位，逐步將富氬存留液返回側臂塔，直到其回到穩態值。
德國專利DE 197 34 482公開了一種實踐方法，不僅節省側臂塔的存留量，而且將其貯存在一個以上的儲器中。按照氬濃度將液體分儲到幾個儲器中，不致使在塔中已得到的氬亞分無效。在側臂塔重新啟動之後，貯存的液體根據易揮發的氬的濃度回流到側臂塔的不同部位。全部液體回流到側臂塔作用回流液，除非塔中存在適當的蒸汽流量，否則該回流液或者積累在集液槽中或者沾汙低壓塔塔釜中的氧產品。這一專利說明在側臂塔中保留氬存留液的重要性以及為減少重新啟動氬側臂塔所需時間而保持穩態濃度分布的重要性。
因此，一方面，本發明是一種在蒸餾系統中用低溫蒸餾分離含氧、氮和氬的混合物的方法，其中該系統包括產生富氮物流、富氧物流和富氬物流的蒸餾塔；帶集液槽並接受來自蒸餾塔的富氬物流的側臂塔。方法的特徵在於，在中斷富氬物流流入側臂塔時，側臂塔中的存留液收集在高於集液槽的部位，並在側臂塔中斷期間和重新啟動期間經側臂塔循環。
另一方面，本發明是一種在蒸餾系統中用低溫蒸餾分離含氧，氮和氬的混合物的方法，其中系統包括產生富氮物流、富氧物流和富氬物流的蒸餾塔和接受來自蒸餾塔的富氬物流的側臂塔。該法的特徵在於，在中斷富氬物流流入側臂塔時，收集和保留中斷期間側臂塔中的存留液，然後在側臂塔重新啟動之前和啟動期間經側臂塔循環該存留液。
圖1表示本發明一個實施方案的流程圖，其中採用一個收集器，液體從兩個點重新引入塔內。
圖2表示本發明另一實施方案的流程圖，其中採用一個內儲器，液體從兩個點重新引入塔內。
圖3表示本發明又一實施方案的流程圖，其中採用一個外儲器，液體從兩個點重新引入塔內。
圖4表示本發明再一實施方案的流程圖，其中採用兩個分開的內儲器，每一個從單點進塔循環。
圖5表示本發明再一實施方案的流程圖，其中第二側臂塔起儲器的作用，如由液體循環到第一側臂塔；以及圖6表示本發明又一實施方案的流程圖，其中循環發生在第一和第二側臂塔兩個塔內。
本發明提出了用於重新啟動氬側臂塔的有效而易操作的方法，本發明可用於製備含任何含可接受氧濃度的氬，但通常氧含量在ppm量-3％(摩爾)的範圍內。在這個方法中，含氧，氮和氬(通常為空氣)的進料物流經蒸餾，氬在低溫蒸餾系統中回收。該系統包括至少一臺蒸餾塔，該塔產生的富氮物流從塔頂流出，氧產品物料從塔釜流出。該塔還產生含氬的中間物流並將其送入側臂塔。本發明包括在操作中斷時保留側臂塔的富氬存留液，然後在該塔重新啟動之前和啟動期間將其連續送入該側臂塔。
在側臂塔停車期間，可能繼續循環存留液。但這樣會帶來不必要的高額能源費用。相反，最好恰在重新啟動該塔之前開始循環存留液。循環開始以後，循環在整個啟動過程中一直進行。一般說來，當塔重新達到穩態條件時，重新啟動才完成。在側臂塔重新在穩態下操作時，循環才可停止。在啟動過程中，當側臂塔達到穩態條件時，循環可逐漸減小。此外，當側臂塔從停車進展到其正常操作條件時，循環的存留液量逐漸減少。
在一種優選的模式中，富氬存留液應該保留在多個儲器中，以便保持在側臂塔中存在的氬濃度分布。同時在這個模式中，每一份保留的存留液應循環到側臂器的不同區段。循環區段的選擇應是基於液體的氬濃度，要使氬濃度較高的液體加到塔的較高位置上。
現在將參照圖1所示的實施方案詳細敘述本發明。由低溫蒸餾過程供給含氬蒸汽流，以物流102表示。這股含氬物流可含3％(摩爾)-25％(摩爾)的氬(但典型含量為5％(摩爾)-15％(摩爾)的氬)，該物流作為釜料送入側臂塔100。送入側臂塔的含氬物料經蒸餾，以減少上升蒸汽中的氧濃度，並產生塔頂蒸汽105和塔釜液流103。塔釜液流返回到低溫蒸餾過程。來自側臂塔的塔頂蒸汽105至少部分在再沸器/冷凝器104中冷凝，以形成兩相物流，該物流然後經過分離器106，以收集用於側臂塔的回流液物流108以及純化的氬物流107。雖然未在圖1示出，氬產品同樣可以液體形式從側臂塔回收。側臂塔亦可分成一個以上的容器，其間每個容器由蒸汽相和液體物流相互聯結。
根據本發明，過程中斷時使蒸汽流102減少，或者完全停止流動，來自收集器111以上的各塔段的存留液被收集器111收集，並經物流112和泵113以液體循環返回到側臂塔100的一個或多個上部區段中。在這個方案中，循環發生在整個停車期間。圖1表示液體用泵113經物流114和115循環返回到上部區段109和110的情況。上部區段可不像圖1所示的那樣接近，而是可由一個或多個其它塔區段隔開。由於用以支持全部保留液體所需的蒸汽物流102的流量已不復存在(或者不足以支持全部液體)，所以以物流114和115返回塔的液體將從塔的內部構件流下，並重新被收集器111收集。按照這種方式液體可經塔的所需一個區段或幾個區段循環，而與蒸汽物流102或在正常操作期間提供液體通道的再沸器/冷卻器104無關。
積累和循環的液體是收集器111以上的塔內部構件中的液體，這些液體否則將沿塔流下。相對於蒸汽流動以支持液體所必須的典型的塔的內部構件包括塔板、填料和分配器裝置。通常蒸餾塔板或結構性填料包括在側臂塔和蒸餾塔兩者中的塔內部構件。收集器111可位於塔頂或塔釜以及任一其它的中間位置。當塔重新啟動並且蒸汽物流102的流量增加以致需要一些塔液時，則在循環區段中的液體通道的百分比下降。這可容許某些液體沿塔向下流動並提供洗脫上升汽流所必需的正常液體。當蒸汽物流102重新完全回復到其正常流量時，勿需再循環液體，並且收集器111和泵113解除工作。
圖1所述的本發明的實施方案與現有的方法相比，一個優點在於存留液的收集和循環容許重新建立氬濃度分布，而與蒸汽物流102無關。這一優點以容許在任何側臂進料蒸氣冷凝之前用保留的高度富集氬的存留液充滿塔的內部構件本身證明了。側臂塔進料中氬濃度低，因此在塔的上部的冷凝將沾汙其後加入的存留液。通過不容許存在的蒸汽冷凝，可在添加留存液時，保持側臂塔的液體濃度分布。較快地重新建立濃度分布容許塔較快地重新啟動。與蒸汽物流102和再沸器/冷卻器104無關地操作側臂塔區段內的液體流量對瞬態負荷變化期間(例如增加或減少進料或生產速率)的塔操作同樣具有好處。
圖2表示本發明的另一實施方案。對於示於圖2的過程，當過程中斷引起蒸汽物流102減少或者完全停止流動時，來自儲器211以上的多個塔段的存留液被收集和保留在側臂塔內部的儲器211之內。這點與圖1所示的實施方案不同，後者在整個中斷和停留期間塔的存留液未被保留(而是不斷循環)。這裡，留存液可將留在儲器211內，直到它循環返回到側臂塔100的一個或多個上部區段。如上所述，循環入兩個區段是通過物流112到泵113，然後以物流114和115進入塔的上部區段。
圖2所示的實施方案具有一特殊的優點。由於液體保存在塔內，勿需額外設置用於從儲器211蒸發的管道，因為它已經構成側臂塔100的正常結構的一部分。本方案的另一優點在於儲器211也可在正常操作期間用來監測塔液位，如將它設計為側臂塔的集液槽，在這種情況下，構成儲器211及其伴隨的監測設備的基本投資將大幅度減小，因為側臂塔的集液槽可用來貯存存留液，直至它按上述方式進行循環。
圖3表示本發明又一實施方案，並作為圖2的替代過程。在過程中斷時，在收集裝置以上的塔段的存留液作為物流311收集並保留在側臂塔100外的儲器312中。由於儲器312處於塔外，從儲器312的頂部由於液體蒸出而產生蒸汽物流313必須被除去並送入塔100。側臂塔存留液可保留在儲器312中，直到它經泵113作為物流114和/或115循環返回到側臂塔100的一個或多個上部區段。圖3的方案的特殊優點在於，它可容易用最低的基建投資改造現存的側臂塔。
圖4表示本發明的又一實施方案。對於圖4所示的過程，在過程中斷時，來自側臂塔100的液收集並保留在儲器411和421中。當然可採用任意數量的儲器。此外，這些儲器可置於側臂塔內，亦可置於塔外。在側臂塔100重新啟動時，每個儲器的液體分別循環返回側臂塔的一個或幾個不同的上部的塔區段。圖4實施方案的優點在於，多個儲器容許分別貯存和循環不同氬濃度的留存液。這容許在使先前花費的分離功的損失最小的情況下重建側臂塔100的氬濃度分布。這種類型的實施方案特別適用於側臂塔分成兩個或更多的容器且每個容器均有集液槽的情況。在這種情況下，每個集液槽可構成內部儲器411和421，因而大幅度降低總基建投資。每個儲器的存留液然後可循環區回到相應的重新啟動前收集存留液的容器的頂部。圖5正好是這樣一個實施方案。
圖5表示含氬蒸汽物流它作為物流102由低液蒸餾過程提供。這股含氬物流102可含3％(摩爾)-25％(摩爾)的氬，但典型物流含5％(摩爾)-15％(摩爾)的氬，這股物流送入第一側臂塔500作塔釜進料。進入側臂塔的含氬進料經蒸餾以減少上升蒸汽中的氧含量，並產生塔頂蒸汽503和塔釜液流502。塔釜液流用泵501經物流103傳送到低溫蒸餾過程，塔頂蒸汽503送入第二側臂塔504作塔釜進料。這股含氬進料再經蒸餾，以減少上升蒸汽中的氧含量，並產生塔頂蒸汽物流105和塔釜液體物流505。
塔釜液體物流505用泵506經物流507返送到第一側臂塔500作塔頂液體進料。來自第二側臂塔504的蒸汽物流105至少部分在再沸器/冷凝器104中冷凝，以生成兩相物流，然後再經分離器106，以物流108收集作為第二側臂塔504的回流液，以及收集純氬物流509。物流509進入氬純化塔510以作為進料物流。
進料物流509在塔510中被精餾和洗滌，產生塔釜物流512和塔頂物流511，前者為純化的氬，後者含較濃的氮雜質。進料物流513通常是純化的氧物流，作再沸器514的負載。同時氬產品可從第二個側臂塔頂部作為分離器106的液體流出，這點未示於圖5。
根據本發明，在過程中斷時，來自第二側臂塔504的存留液收集到塔的集液槽中。在側臂塔500和504重新啟動時，在第二側臂塔504集液槽中所含的液體經物流508循環返回到第二側臂塔504的集液槽上面的位置。該液體的一部分亦可循環返回到第一側臂塔500。
圖6表示本發明又一實施方案，當過程中斷使蒸汽流102減少或者流動完全停止時，來自第一側臂塔500的存留液保留在塔500的集液槽中，來自第二側臂塔504的存留液保留在塔504的集液槽中。在側臂塔500和504重新啟動時，保留在第一側臂塔500集液槽中的液體循環返回到第一側臂塔500的集液槽上面的位置。同時保留在第二側臂塔504集液槽中的液體經物流508循環返回到第一側臂塔504的集液槽上面的位置。
本發明的方法再用下列實施例說明。重新啟動氬側臂塔的操作按幾個不同的情景進行動力學模擬。模擬確定塔在全回流情況下重新啟動之後在氬側臂塔頂總產上次得到氧雜質為1ppm的時間。重新達到氬產品的全生產流量的時間要更長些。下表列出了與基準例相比的改進百分率的結果
這些模擬實施例為1.基準例-在中斷時不保留任何側臂存留液，在重新啟動時不添加或不循環存留液。
2.現有技術(汽級80)-按德國專利34 36 897，保留從頂部80理論級的存留液，在重新啟動時作為蒸汽流添加到塔段的底部。
3.現有技術(液級1)-按德國專利34 36 897和美國專利No.5,505,051保留從頂部80理論級的存留液，在重新啟動時作為液流添加到塔段的頂部。
4.圖2的發明-保留從頂部80理論級的存留液，在重新啟動之前通過該塔段循環該液體。
5.圖4的發明-分別保留從頂部80理論級和從底部120理論級的存留液，在重新啟動前通過該兩塔段分別循環該液體。
例1是常規氬側臂塔重新啟動程序的對比模擬，其中不保留存留液，這種情況下，重新啟動時無任何物流可用。
例2和例3代表現有技術，其中保留部分塔板的留存液，然後在重新啟動時回添到該部分塔板。保留的存留液以恆定速度返回。留存液或者蒸發並添加到該塔段的底部或者以液體形式返回到頂部。
例如4和例5代表本發明的方法。例4保留的存留液與例2和例3的相同。例4與例3相比其重新啟動時間減少14％，因為通過液體循環重新恢復了氬濃度分布。例5保留側臂塔兩個塔段的存留液，並分別循環到相應在的塔段。例5和基準例相比，重新啟動時間縮短了63.6％。從這些例子值得指出，保留和循環側臂塔存留液可以顯著減少氬側臂塔重新啟動所需的時間。
雖然本文的敘述參照某些具體實施方案，但本發明不應受所述細節的限制。反之，在權利要求的範圍和等效範圍內，在不偏離本發明的實質下可對細節作不同的修正。
權利要求
1.一種在蒸餾系統中用低溫蒸餾分離含有氧、氮和氬的混合物的方法，其中該系統包括產生富氮物流、富氧物料和富氬物流的蒸餾塔；帶集液槽並接受來自該蒸餾塔的富氬物流的側臂塔，該方法的特徵在於，在中斷該富氬物流流入該側臂塔期間該側臂塔中的存留液收集在高於集液槽的部位，並在該側臂塔中斷期間和重新啟動期間通過該側臂塔循環該存留液。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，該循環的存留液在該收集點以上的一個位部重新進入該側臂塔。
3.權利要求1的方法，其特徵在於，該循環的存留液在該收集點以上的一個以上的部位重新進入該側臂塔。
4.權利要求1的方法，其中該含有氧、氮和氬的混合物為空氣。
5.權利要求1的方法，其中該蒸餾塔和側臂塔之一或兩者有結構性填料內部構件。
6.權利要求1的方法，其中該蒸餾塔和側臂之一或兩者具有蒸餾塔板內部構件。
7.一種在蒸餾系統中用低溫蒸餾分離含有氧、氮和氬的混合物的方法，其中該系統包括產生富氮物流、富氧物流和富氬物流的蒸餾塔，和接受來自該蒸餾塔的富氬物流的側臂塔，該方法的特徵在於，在中斷富氬物流流入該側臂塔期間，收集和保留中斷期間側臂塔中的存留液，然後在該側臂塔重新啟動之前和啟動期間經該側臂塔循環該存留液。
8.權利要求7的方法，其中該含有氧、氮和氬的混合物為空氣。
9.權利要求7的方法，其特徵在於，該存留液在循環開始之前保留在位於該側臂塔內的儲器內。
10.權利要求7的方法，其特徵在於，該存留液在循環開始之前保留在位於該側臂塔外的儲器內。
11.權利要求7的方法，其特徵在於，該循環包括被保留的存留液進入該側臂塔的一個部位。
12.權利要求7的方法，其特徵在於，該循環包括被保留的存留液進入該側臂塔內的一個以上的部位。
13.權利要求7的方法，其特徵在於，該存留液被保留在一個以上的儲器中，其中每個儲器按照氬濃度保留存留液。
14.權利要求13的方法，其特徵在於，保留在一個以上的儲器中的每一存留液分別循環到側臂塔的不同部位。
15.權利要求7的方法，其中該蒸餾塔和該側臂塔之一或兩者具有結構性填料內部構件。
16.權利要求7的方法，其中該蒸餾塔和該側臂塔之一或兩者具有蒸餾塔板內部構件。
17.權利要求9的方法，其中該側臂塔有一艙位於該側臂塔的底部的集液槽，其中位於該側臂塔內的該儲器即是集液槽。
全文摘要
一種在蒸餾系統中用低溫蒸餾分離含有氧、氮和氬的混合物的方法,其中該系統包括產生富氮物流、富氧物料和富氬物流的蒸餾塔;帶集液槽並接受來自該蒸餾塔的富氬物流的側臂塔。在中斷該富氬物流流入該側臂塔期間該側臂塔中的存留液收集在高於集液槽的部位,並在該側臂塔中斷期間和重新啟動期間通過該側臂塔循環該存留液。
文檔編號F25J3/04GK1264026SQ00101920
公開日2000年8月23日 申請日期2000年1月28日 優先權日1999年1月29日
發明者O·J·史密斯, D·M·埃斯皮 申請人:氣體產品與化學公司