通過精餾來分離空氣的方法和裝置的製作方法

2023-04-29 20:15:41

專利名稱：通過精餾來分離空氣的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過精餾來分離空氣的方法，其中對空氣進行壓縮、預淨化、冷卻並在兩級精餾的壓力級中分離成一種富氮餾份和一種富氧的液體，將這兩種餾份至少部分地送往精餾的中壓級，分離成氧和氮，在此，至少採出一種氣態的氮餾份，加熱並使其至少部分地作功澎脹。另外，本發明的主題還是一種實施該方法的裝置。
美國專利說明書US2，666，303已經公開了一種這樣的方法。這裡，來自中壓級的氮為工藝製冷而減壓澎脹。這比中壓級在高於大氣壓力下操作時用壓力級氮驅動冷循環要經濟。然而，該已知方法的缺點是，中壓級氣態氮餾份已減壓的部分不能再用於需要高壓的用途。
本發明的目的在於改進本說明書開頭所述類型的方法和裝置的經濟性，特別是要以特別有利的方式提供過程製冷，且並不限制氣態氮餾份的繼續應用。
該目的可由下述措施來實現加熱並重新壓縮至少一部分作功澎脹後的氮，其中將至少一部分減壓澎脹後所得的功用於壓縮。
特別有利的是，在高壓下操作的空氣分離裝置中進行再壓縮的同時應用作功澎脹。這是由於澎脹透平入口處的壓力還相當高，因而可以達到較高的效率。這對於與發電裝置聯合且共同使用煤或重油的氣化來驅動的空氣分離裝置來說，尤為適宜。
從工藝之外輸入能量作為壓縮功率的一部分，這證明是有利的。由此可使減壓後的氮氣部分重新恢復其原有的壓力(減壓前的壓力)或上升到更高的壓力，如果需要將它以相應的參數繼續使用的話。例如，在空氣分離設備與氣化煤發電裝置的聯合設備中，可將再壓縮的氮氣送入通常處於高壓下的燃燒室。
因此，尤為有利的是按本發明進一步的特徵使氣態氮餾份減壓的部分壓縮到基本上與氣態氮餾份分開時相等的壓力，並接著又重新送入氣態氮餾份未減壓的部分中。
藉助於這種工藝方式，按照本發明製冷時，還可以提供處於中壓級(一般較高)壓力下的總的氣態氮餾份，該餾份可在例如一個煤氣化發電裝置的燃燒室繼續使用。
尤其在整個空氣分離和特別是中壓級必須在較高壓力下運行的那些應用中，所達到的產品純度往往是不能令人滿意的。得到的氮氣是這樣，氧氣產品則純度更差。
由於這種原因，按照本發明的另一方面，從中壓級頂部採出另一氮餾份，將之加熱，壓縮，接著再冷卻並導入壓力級，在一定的情況下是有益的。將(純)氮餾份至少部分地送入一個所稱的強化循環中。經由強化循環而進入壓力級的氮，通過與中壓級的釜液間接換熱而冷凝，將其以液態採出並作為輔助回流供給中壓級。由此，在不影響壓力級傳質的條件下提高了中壓級的物質交換，因而產物流具有較高的純度。
本發明還涉及一種實施上述方法的裝置。該裝置包括一個主換熱器，該換熱器內有空氣和氮氣通道，還具有一個由壓力塔和中壓塔組成的雙級精餾塔，其特徵是有一根管道由主換熱器的中間區域引出，使氮氣通道與澎脹透平入口連通，並由另一根管道使澎脹透平出口與一臺壓縮機的入口連通，並作為通道穿過主換熱器。此外，壓縮機的出口還可以與主換熱器的氮通道的出口連通。
下面藉助於附圖
所示本發明方法的一種實施方式進一步解釋本發明及其它細節。
經壓縮並預淨化過的空氣經管1導入，在主換熱器17中與產物流間接換熱而冷卻，然後進入兩級精餾塔2的壓力級3。壓力級3(操作壓力6至20巴，優選8至17巴)與中壓級4(操作壓力1.5至10巴，優選2.0至8.0巴)經一個共有的冷凝/蒸發器13呈換熱連接。引入的空氣在壓力級3預分離成氮和富氧餾份。富氧餾份經管6以液體狀態採出，在換熱器32中過冷後節流噴入中壓級4。壓力級3頂部的氮經管5同樣以液體狀態採出，在換熱器32中過冷後部分地由管8作為液體產物排出。來自壓力級3的另一部分的氮由管9以回流形式送入中壓級4。
作為中壓級4的產物，採出液體氧(管14)、氣態純氮(管15)和不純的氮(管16)，並在主換熱器17中對其加熱，氮氣流則另外還在換熱器32中輔助加熱。
在進入壓力級3之前，管1中一部分空氣(管21)在換熱器20中與來自中壓級4塔釜的氧14換熱而冷凝。來自中壓級4塔釜的液氧14為此由泵19加壓到高壓，並在冷凝器20中進行熱交換時部分地汽化。部分冷凝的空氣22在高於第一進料口(管1)的位置進入壓力級3。氧的汽化部分由管23排出並加熱(17)。另一部分氧由管42作為液體產物流排出。
按照本發明，使管16中的一部分不純的氮在約110至210K、優選135至185K的中等溫度下，經管30由主換熱器17引出，並在澎脹透平31中作功澎脹到2.6至1.4巴、優選約2.0巴的壓力。減壓澎脹後的氮經管32重新送到主換熱器17的冷端並加熱至環境溫度。從而將減壓澎脹時所制的冷傳遞給管1中待分離的空氣。
為了能夠使澎脹的氮和未澎脹的部分(管39)一起抽去，分兩級33、36再次將其壓縮，以此各自相繼地將壓縮熱除去(冷卻器35、37)。第二壓縮級36與澎脹透平31相耦合，以便回收膨脹時所作的功，用於工藝中。為了使該氣體重新恢復其(在管30及29中的)初始壓力，還需要另一壓縮級33，該壓縮級由外部引入的能量驅動。然而，通過本發明的工藝方式，該附加消耗的能量將非常有效地轉化成工藝冷量。
如果需要壓力高於中壓級4的純氮，可在加熱後將其壓縮。這一般在多個壓縮級40、41中實現。此時，通常在每級40、41之後，要用水冷卻器(圖中未示出)將壓縮熱導出。
在這種情況下，特別有利的是採用強化循環來提高中壓級的傳質和產物純度。為此，圖中虛線表示的管線是必要的。經管42從管15中分出至少一部分調整到壓力塔(在該實施例中位於壓縮級40和41之間)壓力水平的純氮，在主換熱器17中加熱，繼而經管42送入壓力級3。
附加的氮在中壓級4的頂部冷凝，同時液體在其塔釜汽化。它還可以液體形式附帶經管5採出，並以回流形式送入中壓塔。然後也由管15採出數量相應提高的氮，將之加熱(32，17)並在壓縮級40壓縮，這樣，強化循環通路就閉合了，換熱器32和17的平衡也實現了。
權利要求
1.通過精餾來分離空氣的方法，其中將空氣1壓縮、預淨化、冷卻17並在兩級精餾塔2的壓力級3預分離成一種富氮餾份5和一種富氧液體6，該兩種餾份5、6至少部分地進入精餾過程2的中壓級4，並分離成氧和氮，其中至少引出一種氣態的氮餾份16，加熱17並至少部分地30作功澎脹31，其特徵在於，加熱17並重新壓縮33、36至少一部分作功澎脹31過的氮32，其中將澎脹31時所得功的至少一部分用於壓縮36。
2.權利要求1所述的方法，其特徵是，壓縮33的一部分功率由工藝之外輸入的能量供給。
3.權利要求1或2所述的方法，其特徵是，將氣態氮餾份澎脹後的部分32壓縮33、36到一種與氣態氮餾份16分開時30、39的壓力基本相等的壓力。
4.權利要求3所述的方法，其特徵是，將氣態氮餾份澎脹並重新壓縮的部分38重新引入氣態氮餾份未減壓澎脹的部分39。
5.權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵是，由中壓級4頂部抽出另一種氮餾份15，將之加熱32、17，壓縮40，接著再次冷卻17並引入42壓力級3。
6.實施權利要求1至5中任一項所述方法的裝置，該裝置中有一個主換熱器17，其內有空氣1和氮16、39的通道，有一個由壓力塔3和中壓塔4組成的雙級精餾塔2，其特徵在於，管30由主換熱器17的中間區域引出並與氮通道16和澎脹透平31的入口相連接，另一根管32將澎脹透平31出口與壓縮機33、36入口連通，並作為通道穿過主換熱器17。
7.權利要求6所述的裝置，其特徵是，壓縮機33、36的出口與主換熱器17氮通道39的出口連通。
全文摘要
本發明描述了通過精餾來分離空氣的一種方法和一種裝置。將由該工藝抽出的氮16加熱到一種中等溫度，部分地從主換熱器17中導出30並作功膨脹31。膨脹的氣體32在主換熱器17中將其冷量傳給分離空氣1，然後重新壓縮33、36。
文檔編號F25J3/04GK1045173SQ9010033
公開日1990年9月5日 申請日期1990年1月23日 優先權日1989年2月23日
發明者迪特裡希·羅特曼 申請人:琳德股份公司