用一雙塔加一輔助低壓塔生產中純度氧的方法
2023-10-22 15:23:32 1
專利名稱：用一雙塔加一輔助低壓塔生產中純度氧的方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫蒸餾空氣進給的方法。本文所用的術語「空氣進給」一般是指常壓空氣但也包含任何至少含有氧和氮的氣體混合物。
本發明的目標市場是中純度(80至99％，最好為85至95％)的氧，例如用於玻璃生產的氧。雖則適合該市場的低溫蒸餾空氣進給方法在現有技術中已為人所知，由於其他適合該市場的工藝競爭日益增加(最有名的壓力變動吸收工藝)就促成對該低溫蒸餾工藝的改進。因此本發明的一個目的是改進目前低溫蒸餾工藝。特別是本發明的一個目的在於提高現有低溫蒸餾方法的能量效率、可控制性和布局靈活性以適合在爭論中的氧市場。
為爭論中氧市場而設的現有技術循環就是用沸騰液氧(沸騰LOX)的標準雙塔循環，該循環包含一高壓塔，該塔通過一重沸器/冷凝器與一低壓塔實際上是熱連通的。液氧產物是從該低壓塔提取的，被增壓和被沸騰冷凝一部分引入空氣。要是僅僅一部分引入空氣相對於沸騰氧產物被全部冷凝，那時所得液體常被分成兩餾分，還被用作對高壓塔和低壓塔的中間回流。
現用實例作下面討論，要使氧產物壓力約為25psia，那時完全冷凝所需的空氣壓力約為80psia。按最簡單的配置，所有空氣在約80psia單一壓力下進入。該空氣壓力高於完成分離所需的壓力。因此在理論上人們可選擇在兩個壓力下處理空氣；部分相對於沸騰氧產物冷凝的空氣在約80psia下進入，而部分進給至高壓塔的空氣則在67psia下進入。這一動作使產氧的比功率減少。該被膨脹物流(形成冷箱冷凍)例如可產生或是高壓空氣或是低壓空氣。這一具有雙空氣壓力的循環的工作缺陷在於壓縮空氣所需的壓縮比是不平衡的。因而導致1)多級(高費用)和/或低效壓縮(高功率)。例如最初兩級壓縮具有一壓力比為2.1(各級)使其最大流量在67psia壓力下，而且第三級兩端之間的一壓力比為1.2，使高壓空氣至80psia。在該例中，最初兩級兩端之間的壓力比是很大的，而且可能需加一輔助級；最終級反而具有很低比值，而且用市場上可買到的壓氣機工藝是難於達到設計效率的。要是引入空氣流僅有局部相對於沸騰氧產物被冷凝，那時可能使引入空氣壓力減低至73psia。可惜，該壓力還是高於完成理想分離所需的壓力。此外，所產的液體是一劣質中間回流，使該法的氧回收下降。結果是使產氧比功率情況稍好於所有空氣在80psia下被引入而且一餾分空氣被完全冷凝時情況。
美國專利4,702,757由克拉恩柏格(kleinberg)提出並轉讓給氣體和化學產品公司(Air Products and Chemicals，Inc.)使人得知處理雙空氣壓力進給的實驗性循環。該具有沸騰液氧/泵抽液氧的雙重沸器循環的主要特徵包含(i)兩重沸器在低壓塔(底部重沸器是由局部冷凝該低壓空氣進給來驅動的；上部重沸器是由冷凝來自該高壓塔的氮蒸汽來驅動的)；和(ii)兩空氣進給壓力(該低壓進給在該低壓塔底部重沸器中被冷卻，而且局部被冷凝；該高壓進給那時被冷卻分成兩部分；其中一部分被膨脹至低壓塔形成冷凍；另一部分則相對於沸騰液氧被冷凝；該所得液體被分開並用作對高壓塔和低壓塔的中間回流)。對於生產中純度氧來說，克拉恩柏格的雙重沸器、泵抽液氧循環提出相當低的功率來競爭。但該循環由於投資費用高和操作性令人擔心而有缺陷。特別是上部重沸器設在低壓塔內某中間部位上，這從施工觀點來說是昂貴而不方便的。此外，該中間重沸器與底部重沸器有強烈的作用幹擾。特別是兩個重沸器都對空氣壓力有影響。因此有可能使底部重沸器例如替代過多的工作並使空氣壓力高於設計水平。重要的是產氧的「實際」比功率將總是稍大於「理論的」。
齊默(Ziemer)的美國專利4,410,343使人得知一方法，該法不需要中間重沸器形成高壓塔的冷凝工作。反而將該交換器置換到高壓塔頂部，在該處氮蒸汽相對於沸騰原始液氧被冷凝。所得原始氣氧接著被送至低壓塔作為一蒸汽進給(代替原始液氧)。使高壓塔冷凝器用原始液氧來工作重要的是低壓塔重沸器工作所需的空氣壓力和高壓塔所需空氣壓力並不是必須相同。實際上，按齊默的專利，該法在最佳工作時低壓重沸器的空氣進給壓力(67psia)將高於高壓塔的空氣壓力(45psia)。齊默的方法涉及直接由低壓塔生產低壓氣氧。要是將其專利技術擴展至一沸騰液氧/泵抽液氧循環將要求有第三個空氣壓力(即80psia相對於沸騰氧冷凝空氣)。齊默方法(擴展至沸騰液氧/泵抽液氧)的主要不足是複雜而且前端壓縮有問題。
帕羅塞(Prosser)的美國專利5,337,570使人得知一種三進給空氣壓力循環。最低壓力空氣進給被轉到高壓塔，中間壓力空氣進給是在低壓塔底部重沸器內被冷凝，而最高壓力進給則是相對於沸騰液氧產物冷凝的。帕羅塞的循環還使用齊默的氮冷凝器/原始液氧汽化器替代克拉恩柏格型循環的上部重沸器。就如用齊默循環那樣，理論功率是有競爭力的，但前端壓縮卻是複雜的。
雷斯邦(Rathbone)的歐洲專利申請94301410使人得知一循環，該循環類似於齊默和帕羅塞的專利技術方案，不過解決的問題是使該法工作僅用兩個進給壓力來替代三個。按雷斯邦循環，一餾分低壓空氣進給被完全冷凝在底部低壓塔重沸器內，而其他餾分則被直接送至高壓塔。該高壓空氣進給被用來沸騰氧產物。還按雷斯邦技術方案，來自該高壓塔貯槽的原始液氧被減壓並被沸騰，以促使該高壓塔的氮蒸汽冷凝。雷斯邦法可減少驅動低壓塔重沸器所需的空氣壓力，此時通過提取來自該低壓塔的中間液(其成分若是蒸汽將與液氧產物相平衡)、在(很可能)一直流重沸器內使其完全汽化、並使用那個蒸汽對低壓塔形成沸騰。雷斯邦法可充分利用該中間液露點/始沸點溫度變化的熱力學有利條件，而該低壓空氣則可匹配溫度分布而使該空氣壓力至一較低水平。理論上雷斯邦方案是很適用於低至中純度氧的。
哈氏(Ha)的美國專利5,231,837使人得知一空氣分離循環，其中高壓塔與低壓塔底部和一中壓塔底部是熱連通的。該中間塔使來自該高壓塔底部的原始液氧形成一冷凝頂液餾分和一底液餾分，這些餾分接著被進給至該低壓塔。
本發明是一低溫蒸餾空氣進給的方法以生產一氧產物，特別是生產一中純度的氧產品(80至99％，最好為85至95％)。該法除了使用慣用高壓塔和低壓塔以外還使用一輔助低壓塔。該輔助低壓塔最好是在主低壓塔同樣的壓力下工作，並通過其底部重沸器/冷凝器與該高壓塔頂部是熱連通的，該輔助低壓塔預處理來自該高壓塔底部的原始液氧。所得塔頂餾出蒸汽物流和底部物流接著被進給至該主低壓塔。最好是在至少局部呈蒸汽狀態時將該底部物流進給至該主低壓塔。
圖1為本發明一般性實施例的示意圖。
圖2為圖1一實施例的示意圖，其中圖1的一般性實施例是與一主熱交換器、一輔助冷卻熱交換器和一冷凍發生膨脹器相結合的。
本發明對其中一諸如圖1實施例的一般性實施例來說作了最清楚的說明。現參閱圖1，本發明是一低溫蒸餾空氣進給的方法以生產一使用蒸餾塔系統的氧產物[70]，該系統包含一高壓塔[D1]、一主低壓塔[D3]和一輔助低壓塔[D2]。圖1的方法包含(a)將至少一部分該空氣進給[10]進給至該高壓塔的底部；(b)將一富氮塔頂餾出物[20]從該高壓塔頂部除去，將其至少第一個部分在第一個重沸器/冷凝器[R/C1]內冷凝，該重沸器/冷凝器則設在該輔助低壓塔的底部，將所述冷凝第一部分再分成第一個部分[22]和第二個部分[24]，將該第一部分作為回流進給至該高壓塔的一上部位置，將該第二部分經第一個閥[V1]減壓，並將該第二部分作為回流進給至該主低壓塔的一上部位置；(c)將一原始液氧流[30]從該高壓塔底部除去，將其至少第一個部分經第二個閥[v2]減壓，並將所述部分作為摻雜回流進給至該輔助低壓塔的頂部；(d)將一原始氮塔頂餾出物[40]從該輔助低壓塔除去，並將其直接作為一蒸汽進給至該主低壓塔內一中間部位；(e)將一富氧流[50]從該輔助低壓塔內一下部位置除去，該富氧流作為一蒸汽和/或液體，並將其進給至該主低壓塔內一中間部位，該部位是在步序(d)中該原始氮塔頂餾出物的中間進給部位下方；(f)將一富氮塔頂餾出物[60]從該主低壓塔頂部除去；和(g)將該氧產物[70]作為一蒸汽和/或液體從該主低壓塔內一下部位置除去。
本發明的一重要特徵是該輔助低壓塔，該塔一般僅包含三至六級，並通過其底部重沸器/冷凝器與該高壓塔頂部是熱連通的。該輔助塔根據提出的方案可使該法控制較好而且布局靈活性較大，在實際上可使該主低壓塔和該高壓塔隔離。該輔助塔可在相當於高壓塔和主低壓塔之間的任何壓力下工作，雖則出乎意外地得知最佳壓力是和該主低壓塔壓力相同的，加上該塔和該主低壓塔之間的預期壓力降。
該輔助低壓塔的功能是將該原始液氧[30]轉換成對該主低壓塔的兩進給[40和50]，從而使該主低壓塔的工作加強並增加氧回收。這兩進給較多的是該富氧流[50]，最好是將該物流在其至少局部呈蒸汽狀態時從該輔助低壓塔中除去，接著進給至該主低壓塔。只要該重沸器/冷凝器[R/C1]的工作是適宜的，最好儘量使該物流是富氧的，上述重沸器/冷凝器連通該高壓塔和該輔助低壓塔。這時，一方面可通過該主低壓塔減少所需的沸騰，將其轉換成有較高的氧回收。同樣，要是可將該主低壓塔底部沸騰減少，接著使該塔內被冷凝的空氣減少，而由該高壓塔所形成的蒸汽則可增加，因而可生產更多的氮回。該第二動作由於該主低壓塔的塔頂餾出物損耗減少而有助於提高氧回收。
圖2是本發明第二個實施例的一示意圖，其中圖1的一般性實施例已與一空氣分離循環的其他特徵相結合，該循環包含一主熱交換器[HX1]、一輔助熱交換器[HX2]和一膨脹器[E1]。圖2等同於圖1(共用物流和裝置使用相同的標號)，除了下列情況以外(1)將該氧產物[70]作為一液體除去，泵抽至一高壓[在泵P1內]，其後汽化並在該主熱交換器內加熱。
(2)在至少一部分該空氣進給[10]進給至該高壓塔底部以前，將該空氣進給壓縮[在第一個壓氣機C1內]，清除在低溫下要結冰的一些雜質[在一清除系統CS1內，該系統一般包含吸附層]，在該主熱交換器內冷卻至一接近其露點的溫度，並在第二個重沸器/冷凝器[R/C2]內被局部冷凝，上述重沸器/冷凝器設在該主低壓塔的底部位置。
(3)在該主熱交換器內冷卻該壓縮而乾淨的空氣進給以前，該法還包含將一空氣回流物流[12]從該空氣進給中除去，進一步壓縮該空氣回流物流[在第二個壓氣機C2內]，在該主熱交換器內冷卻並接著冷凝該空氣回流物流，將該空氣回流物流分成第一個部分[14]和第二個部分[16]，經第三個閥[V3]對該第一部分減壓，並將其作為回流進給至該高壓塔，並經第四個閥[V4]對該第二部分減壓，再將其作為回流進給至該主低壓塔內一上部中間部位。
(4)一冷凍發生膨脹器是因為要在該主熱交換器內冷卻該空氣回流物流[12]而設的，將一空氣膨脹流[18]除去，在一膨脹器[E1]內膨脹，並在其後進給至該主低壓塔內一中間部位，該部位是在該原始氮塔頂餾出物[40]和富氧流[50]的中間進給部位之間。可選用的是該膨脹物流可與該空氣進給合併，或是在該空氣進給在重沸器/冷凝器R/C2內局部冷凝以前，或是在該空氣進給導至該高壓塔底部以前。
(5)來自該主低壓塔[60]的富氮塔頂餾出物，也被認為是廢氮，在該主熱交換器內被加熱。一部分該熱廢氮可用來更新該前端清除系統[CS1]內所裝有的一些吸附層。
(6)在加熱該主熱交換器內的廢氮[60]以前，將該廢氮在一輔助熱交換器[HX2]中加熱，此時相對於(i)按步序(b)來自該高壓塔的該第二部分[24]冷凝富氮塔頂餾出物，在其被減壓作為回流進給至該主低壓塔內一上部位置以前；和(ii)在所述物流分成兩部分14和16並將其作為回流分別進給至高壓塔和主低壓塔以前的該冷凝空氣回流物流。可選用的是可在兩部分14和16分開後完成該熱交換，由此可使兩部分14和16在該輔助熱交換器內被輔助冷卻至不同程度。
(7)來自該高壓塔頂部的富氮塔頂餾出物的第二個部分[21]在該主熱交換器內被加熱，並作為一產物流被除去。
注意圖2中從該高壓塔頂部被除去的全部富氮塔頂餾出物[20]相對於來自該輔助低壓塔底部的汽化富氧液被冷卻，除了對第二個部分[21]作為就加上面[7]所指出的一產物流可任意除去的情況以外。這是不同於哈氏的美國專利5,231,837以前所討論的，在該處一部分來自該高壓塔頂部的塔頂餾出物也是在該主低壓塔底部內被冷凝的。(按哈氏專利，該高壓塔頂部與哈氏的中壓塔底部和哈氏的低壓塔底部是熱連通的)。因此圖2可使該進給空氣壓力是較低的，而此時也就可以節能。
圖2實施例的計算機模擬顯示本發明特別適用於生產中純度(85至95％)的氧產物並且是在中等壓力(20至30psia)下進行的。下面的表1概列以一100摩爾物質平衡為條件這樣一種模擬。應當指出該氧產物[70]是在該主低壓塔底部生產的其壓力為19.5psia，該產物將在泵P1內被泵抽至適中壓力，同時計及到該主熱交換器兩端預期的壓力降。
表1物流號 壓力流量 組分(psia) (摩爾/100) N2 Ar O210 48.148.7 78.12 0.9320.9512 51.051.3 78.12 0.9320.9518 78.522.7 78.12 0.9320.9524 47.524.0 96.93 0.352.7230 48.133.7 64.73 1.3433.9340 20.011.7 85.32 0.8113.8750 20.022.0 53.72 1.6344.6570 19.521.6 6.593.0090.4160 18.378.4 97.83 0.361.8121 0.0有經驗的專業人員將懂得對圖2的實施例可以有許多變型和/或變更。例如(1)在冷凍發生膨脹器配置方面可以有許多選用方案。例如待膨脹的空氣可在某一部位由空氣進給10中產生，該部位相當於該主熱交換器內冷卻該物流的部位。或是可將該待膨脹空氣引入作為一「第三空氣」迴路，該迴路利用一空氣壓縮擴展器，由此使該待膨脹空氣正好在空氣進給10被壓縮和清理後從空氣進給10中分離出。在分離後，該待膨脹空氣在一壓氣機內被進一步壓縮、在該主熱交換器內被冷卻並在一膨脹器內被膨脹，其中所述膨脹器和所述壓氣機被連接成一壓縮擴展器。或是使該法的冷凍通過配置一膨脹器來形成，由此至少有一部分來自該高壓塔頂部的富氮塔頂餾出物[21]在該主熱交換器內被加熱，在一膨脹器內被膨脹並在該主熱交換器內被再熱。
(2)在該原始液氧[30]經閥V2減壓並將其進給至該輔助低壓塔以前，可將該物流在該輔助熱交換器[HX2]內輔助冷卻。
(3)要是適當，可使一部分該原始液氧[30]減壓並直接進給至該主低壓塔。此時選擇將至少局部呈蒸汽狀態的該氧產物流[70]除去，這樣做可能是有利的。
(4)為了增加熱力效率，人們可以設想用膨脹器來替代一個或一些閥V1、V2、V3和V4，從而達成大幅度減壓是在等熵情況下而不是在等焓下。但這種效率提高是在增加投資費用和操作複雜性前提下才能達到。
(5)不是將所有空氣進給[10]如圖2所示那樣轉至重沸器/冷凝器R/C2，只有一部分空氣進給可經熱交換而被全部冷凝。該空氣的剩餘部分可繞過R/C2直接送至該高壓塔的底部。
(6)壓縮後空氣回流物流[12]可通過相對於來自泵P1的氧產物流[70]的熱交換在另一熱交換器(不是在該主熱交換器HX1)內被冷卻和冷凝。在該情況下可能也有利於在該另一熱交換器內加熱一部分該廢氮物流[60]。
(7)在圖2中該冷凝空氣回流物流是在該主低壓塔和該高壓塔(物流14和16)之間分開的。另一方面，可將所有冷凝空氣流只進給至兩蒸餾塔中的其中一個。
(8)雖然氧產物壓力的預定範圍是25至30psia，可以理解的是對氧產物壓力並沒有限制。氧產物壓力的選擇決定在其壓縮後該空氣回流物流[12]的壓力。要是該氧壓力是所希望的在很低的壓力下(少於或等於該主低壓塔壓力，一般為20psia)，則也有可能從該主低壓塔作為一蒸汽抽出該氧產物[70]。
(9)在兩個圖中示有來自該第一重沸器/冷凝器R/C1的冷凝富氮塔頂餾出物被分至兩物流(22和24)。可選用的是可將所有該冷凝富氮塔頂餾出物用作對該高壓塔D1的回流。在該情況下，要是希望有一主低壓塔的回流，則可從該高壓塔在該塔頂部下方少許級部位提取一液體。當一部分富氮塔頂餾出物[21]是作為一高純度產物所要求的，則這樣做是特別有用的。
(10)可以理解的是該廢物流[60]按其特有的性質可以是一有用的產物。
有經驗的專業人員將進一步懂得本發明有許多其他實施例，這些均在下面權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種低溫蒸餾空氣進給生產一氧產物的方法，該法使用一蒸餾塔系統，該系統包含一高壓塔、一主低壓塔和一輔助低壓塔，所述方法包含(a)將至少一部分該空氣進給進給至該高壓塔的底部；(b)從該高壓塔頂部除去一富氮塔頂餾出物，冷凝至少第一個部分該餾出物在第一個重沸器/冷凝器內，該重沸器/冷凝器設在該輔助低壓塔底部，並將至少第一個部分該冷凝第一部分作為回流進給至該高壓塔內一上部位置；(c)將一原始液氧流從該高壓塔底部除去，對至少第一個部分物流減壓，並將所述部分作為摻雜回流進給至該輔助低壓塔的頂部；(d)將一原始氮塔頂餾出物從該輔助低壓塔頂部除去，並將其直接作為一蒸汽進給至該主低壓塔內一中間部位；(e)將一富氧流作為一蒸汽和/或液體從該輔助低壓塔內一下部位置除去，並將其進給至該主低壓塔內一中間部位，該部位則在步序(d)的該原始氮塔頂餾出物中間進給部位下方；(f)將一富氮塔頂餾出物作為廢氮從該主低壓塔頂部除去；和(g)將該氧產物作為一蒸汽和/或液體從該主低壓塔的一下部位置除去。
2.按權利要求1所述的方法，其中該富氮塔頂餾出物是從該高壓塔頂部除去的，其全部相對於來自該輔助低壓塔底部的汽化富氧液被冷凝，除了作為一產物流可任意除去的第二個部分以外。
3.按權利要求1所述的方法，其中該富氧流是從該輔助低壓塔在步序(e)中被除去的，該富氧流是在呈至少部分蒸汽狀態時被除去。
4.按權利要求1所述的方法，其中該輔助低壓塔是在相同於該主低壓塔的壓力下工作的，此時還加上該輔助低壓塔和該主低壓塔之間所預料的壓力降。
5.按權利要求1所述的方法，其中該氧產物是在中純度(85至95％)下生產的。
6.按權利要求1所述的方法，其中該氧產物是從該主低壓塔底部在步序(g)中被除去的，該氧產物是作為一液體被除去的，並且接著在一熱交換器內被汽化和加熱。
7.按權利要求6所述的方法，其中該氧產物在汽化前被泵抽至一高壓。
8.按權利要求1所述的方法，其中來自該高壓塔頂部的第二個部分該冷凝富氮塔餾出物在步序(b)被減壓，並作為回流進給至該主低壓塔的一上部位置。
9.按權利要求1所述的方法，其中在步序(a)將該空氣進給進給至該高壓塔底部前，至少一部分該空氣進給被至少局部冷凝在該主低壓塔底部的第二個重沸器/冷凝器內。
10.按權利要求9所述的方法，其中在該第二重沸器/冷凝器內局部冷凝該空氣進給以前，該空氣進給被壓縮，清除在低溫下要結冰的一些雜質，並在一主熱交換器內被冷卻至一接近其露點的溫度。
11.按權利要求10所述的方法，其中在該主熱交換器內冷卻該壓縮而乾淨的空氣進給以前，該法還包含將一空氣回流物流從該空氣進給中分離，進一步壓縮該空氣回流物流，冷卻並接著冷凝在一外熱交換器內的該空氣回流物流，將該空氣回流物流分成第一個部分和第二個部分，經第三個閥對該第一部分減壓，並將其作為回流進給至該高壓塔，並經第四個閥對該第二部分減壓，還將其作為回流進給至該主低壓塔內一上部中間位置。
12.按權利要求11所述的方法，該外熱交換器是該主熱交換器。
13.按權利要求12所述的方法，其中在該主熱交換器內冷卻該空氣回流物流時，分離出一空氣膨脹流並在一膨脹器內被膨脹產生一膨脹空氣流。
14.按權利要求13所述的方法，其中該膨脹空氣流被進給至該主低壓塔的一中間部位，該部位是在步序(d)中該原始氮塔頂餾出物和步序(e)中該富氧流的中間進給部位之間。
15.按權利要求14所述的方法，其中該在步序(f)中被分離的廢氮是在該主熱交換器內加熱的。
16.按權利要求15所述的方法，其中在該主熱交換器內對該廢氮加熱前，所述廢氮是在一輔助熱交換器被加熱的，此時相對於(i)在步序(b)中來自該高壓塔的該第二部分冷凝富氮塔頂餾出物，在其被減壓作為回流進給至該主低壓塔內一上部位置以前；和(ii)在所述物流分成所述第一部分和所述第二部分並將所述兩部分作為回流分別進給至該高壓塔和主低壓塔以前的該冷凝空氣回流物流。
全文摘要
一種方法顯示低溫蒸餾空氣進給生產一氧產物,特別是生產一種中純度氧產物(80至99%,最好是85至95%)。該法除了使用慣用高壓塔和低壓塔以外還有一輔助低壓塔。該輔助低壓塔最好是在相同於該主低壓塔的壓力下工作,並通過其底部重沸器/冷凝器與該高壓塔頂部是熱連通的,該塔預處理來自該高壓塔底部的該原始液氧。所得塔頂餾出物蒸汽流和底部物流接著被進給至該主低壓塔。最好是在該底部物流呈至少局部蒸汽狀態時將其進給至該主低壓塔。
文檔編號F25J3/04GK1174321SQ97117199
公開日1998年2月25日 申請日期1997年8月5日 優先權日1996年8月6日
發明者R·阿拉瓦爾, Z·T·菲科維斯基, D·M·何羅恩 申請人:氣體產品與化學公司