用於生產低純氧和高純氧的低溫精餾系統的製作方法
2023-05-20 18:59:26 4
專利名稱：用於生產低純氧和高純氧的低溫精餾系統的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及進料空氣的低溫精餾，更具體地說涉及進料空氣的低溫精餾以生產低純氧和高純氧。
在諸如玻璃製造、煉鋼和能量生產的應用中對低純氧的需求不斷增加。一般通過進料空氣在一雙塔中的低溫精餾來大量生產低純氧，在雙塔中處於高壓塔壓力的進料空氣被用來再沸低壓塔液本底部殘留物，然後被送入高壓塔內。
一些低純氧的用戶如大型鋼鐵廠除了低純氣態氧外，還常常需求一些高純氧。雖然常規系統已可能生產一些與低純氧一起的高純氧，但它還不能生產大量的與低純氧一起的高純氧。
因此本發明的目的之一是提供一種以高回收率有效生產低純氧和高純氧的低溫精餾系統。
由於有時候需要回收與低純氧和高純氧一起的氫，因此本發明的目的之二是提供除了低純氧和高純氧之外還能生產氫的低溫精餾系統。
此外，有時還需要生產與低純氧和高純氧一起的液態氮，因此本發明的目的之三是提供一除了低純氧和高純氧外還可生產液態氮的低溫精餾系統。
通過本發明實現了上述和其它目的，本領域技術人員在閱讀了本公開後將變得顯而易見。本發明的一方面是生產低純氧和高純氧的方法，它包括(A)通過與高純氧進行間接熱交換而部分冷凝進料空氣以生產液態進料空氣和氣態進料空氣；(B)汽輪膨脹所述氣態進料空氣並將已汽輪膨脹的氣態進料空氣送入中壓塔內；(C)在中壓塔內通過低溫精餾系分離進料空氣以生產富氮流體和富氧流體，並將富氮流體和富氧流體送入低壓塔內；(D)通過低溫精餾在低壓塔內製得富氮流體和富氧流體，並將富氧流體從低壓塔送入一旁塔中；和(E)在所述旁塔內通過低溫精餾，將富氧流體分離成低純氧和高純氧，從旁塔中回收低純氧並從旁塔中回收高純氧。
本發明的另一方面是製備低純氧和高純氧的設備，它包括(A)第一塔、第二塔以及具有再沸器的旁塔；(B)汽輪驟冷器、用於將進料空氣送入旁塔再沸器的裝置以及用於將進料空氣從旁塔再沸器送入汽輪驟冷器的裝置；(C)用於將進料空氣從汽輪驟冷器送入第一塔的裝置，以及用於將來自第一塔的流體送入第二塔的裝置；(D)用於將流體從第二塔送入旁塔的裝置；和(E)用於從旁塔回收高純氧的裝置，以及用於從旁塔中高純氧從旁塔回收的位置上方回收低純氧的裝置。
此處所用的術語「進料空氣」意指主要包含氧、氮和氫的混合物如環境空氣。
此處所用的術語「塔」意指一蒸餾或分餾塔或區，即一接觸塔或接觸區，其中液相和氣相逆流接觸以有效地分離流體混合物，如通過氣相和液相在裝於塔內的一系列垂直放置的塔盤或塔板上和/或在填料單元如結構或無規填料上接觸。對於蒸餾塔的進一步討論，可參見《化學工程師手冊》，第5版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，McGraw-Hill Book Company出版，紐約，第13章，「連續蒸餾法」。
氣-液接觸分離法取決於各組分蒸氣壓的不同。高蒸氣壓(或易揮發或低沸點)組分將易於濃集於氣相中，而低蒸氣壓(或難揮發或高沸點)組分將易於濃集於液相中。部分冷凝是藉可用蒸汽混合物的冷卻以濃集氣相中的揮發組分，因而是在液相中揮發組分較少的分離方法。精餾或連續蒸餾是結合通過氣液相的逆流處理獲得的連續部分蒸發和部分冷凝的分離方法。氣液相的逆流接觸一般是絕熱的，並可包括相之間的積分(分段的)或微分(連續的)接觸。利用精餾的原理來分離混合物的分離方法設備常可互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分在溫度為150K或低於150K下進行的精餾方法。
此處所用的術語「間接熱交換」意指在流體相互之間沒有任何物理接觸或混合的條件下將兩種流體導入熱交換關係。
此處所用的術語「再沸器」意指從塔中液體產生塔中流蒸汽的熱交換裝置。再沸器可位於塔內或塔外。底部再沸器是從塔的底部即從傳質單元下方使液體蒸發的再沸器。
此處所用的術語「汽輪膨脹」和「汽輪驟冷器」分別意指高壓氣流通過一透平機以降低氣體的壓力和溫度藉以產生製冷作用的方法和設備。
此處所用的術語「上部」和「下部」意指分別位於塔中點以上和以下的塔的部分。
此處所用的術語「塔盤」意指一接觸段(它不必是一平衡段)，也意指其它接觸設備如分離能力相當於一個塔盤的填料。
此處所用的術語「平衡段」意指氣-液接觸段，在其中離開該段的蒸汽和液體處於傳質平衡，如具有100％效率的塔盤或相當於一理論塔板(HETP)的填料單元高度。
此處所用的術語「低純氧」意指氧濃度在50-98％(摩爾)範圍內的流體。
此處所用的術語「高壓塔」意指氧濃度大於98％(摩爾)的流體。
此處所用的術語「氬塔」意指處理含氬進料並生產出氬濃度超過進料中氬濃度的產品的塔。
圖1是本發明一個優選實施方案的示意圖。
圖2是本發明另一個優選實施方案的示意圖，其中也可生產液體氮。
圖3是本發明還一個優選實施方案的示意圖，其中也可生產氬。
本發明將參照附圖進行詳細描述。現參照圖1，已清除高沸點雜質如水蒸汽、二氧化碳和碳氫化合物並被壓縮至一般為50-60psia(磅/平方英寸(絕對壓))的進料空氣60與經過主換熱器1的回流進行間接熱交換而被冷卻。所得冷卻進料空氣流61被送入旁塔11的底部再沸器20，在其中通過與包含高純氧的旁塔11底部液體進行間接熱交換而被部分冷凝。在底部再沸器20中由於進料空氣的部分冷凝得到液態進料空氣和剩餘的以兩相流62進入相分離器40的氣態進料空氣。
由塔底再沸器20中進料空氣的部分冷凝所得的氣態進料空氣被汽輪膨脹然後送入第一或中壓塔10的下部。示於圖1的本發明實施方案是一優選實施方案，在其中該氣態進料空氣在汽輪膨脹前至少部分被過熱。現參照圖1，在底部再沸器20中間進料空氣的部分冷凝所得的氣態進料空氣從相分離器40以流63出來。流63的第一部分64通過部分橫過主換熱器1被加熱以形成加熱流65。流63的第二部分66被送經閥67，所得流68與流65匯合形成流69，通過流經汽輪驟冷器30至大約中壓塔10的操作壓力而被汽輪膨脹以產生製冷作用。所得汽輪膨脹進料空氣流70從汽輪驟冷器30中出來被送入中壓塔10的下部。已清除高沸點雜質並壓縮至壓力為120-500psia的第二進料空氣流80通過主換熱器1被冷卻，所得冷卻進料空氣流81也被送入中壓塔10中。
中壓塔10在壓力一般為30-40psia的範圍內並低於雙塔系統中常規高壓的操作壓力下操作。在中壓塔10中通過低溫精餾將進料空氣分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸氣從中壓塔10的上部出來以流92進入低壓塔12的底部再沸器21，在其中通過與低壓塔21底部流體進行間接熱交換而得到冷凝。所得富氮流93被分離成作為回流進入塔10上部的第一部分94以及通過過冷器或熱交換器2而得到低溫冷卻的第二部分95。低溫冷卻流96流經閥97然後以流98作為回流被送入低壓塔12的上部。
在底部再沸器20中的進料空氣的部分冷凝產生的液體進料空氣被送入低壓塔12中。富氧液體從中壓塔10的下部被送入低壓塔12中。示於圖1的本發明實施方案是一優選實施方案，其中這兩種液體匯合在一起並被送入低壓塔中。參照圖1，在底部再沸器20內由進料空氣的部分冷凝所得的液體進料空氣作為流71從相分離器40中導出並流經閥72。富氧液體以流73從中壓塔10的下部導出，與流71匯合形成流74。流74通過流經過冷器3而被低溫冷卻，所得流75流經閥76然後作為流77進入低壓塔12中。已清除高沸點雜質並被壓縮至壓力為50-60psia的第三進料空氣流82通過流經主換熱器1而被冷卻。所得流83通過流經換熱器4而進一步得到冷卻。所得流84流經閥85，然後作為流86進入低壓塔12的上部。
第二塔或低壓塔12在低於中壓塔10的壓力一般在18-22psia的範圍內下操作。在低壓塔12內各種進入該塔的進料通過低溫精餾被分離成富氮流體和富氧流體。富氧流體作為流100從低壓塔12的上部導出，通過流經熱交換器2、3、4和1而得到加熱，並以流102從系統中除去，流102可作為氮濃度等於或大於99％(摩爾)的產品氮氣全部或部分回收。富氧流體以液流91從低壓塔12的下部導出，並被送入旁塔11的上部。
旁塔11在壓力一般為18-22psia下操作。在旁塔11內通過低溫精餾將富氧流體分離成低純氧和高純氧。頂部蒸汽流90從旁塔11的上部被送入低壓塔12的下部。
低純氧和高純氧中的一個或兩個可作為用於回收的液體或蒸汽從旁塔11中導出。高純氧以液體的形式聚集在旁塔11的底部，一些這種液體被蒸發以進行上述底部再沸器20中進料空氣的部分冷凝。在示於圖1的本發明的實施方案中，高純氧以液體形式從旁塔11流106中被導出，且流106的一部分107作為產品流體高純氧回收。流106的另一部分108經液體泵34被泵至較高壓力，所得加壓流109通過主換熱器1得到蒸發並以流110作為加壓高純氧得到回收。
低純氧在高純氧從旁塔11中導出的位置上方15-25個平衡段的位置從旁塔11中導出。在示於圖1的本發明實施方案中，低純氧作為液體以流103從旁塔11中導出，並通過液體泵35泵至較高壓力。加壓流104經至換熱器1得到蒸發並以流105作為產品加壓低純氧回收。
通過本發明的實施，除了能回收低純氧外，還可回收大量的純氧。一般而言通過本發明的實施，以氣態和/或液體形式回收的高純氧的量將是以氣態和/或液體形式回收的低純氧的量的0.5-1.0倍。
通過從塔11的底部上方的位置導出低純氧將能產生大量的高純氧。和塔內從置於其底部的再沸器20上升的蒸氣量(V)相比，該氧的導出減少了沿那個位置下行的液體量(L)。對於自塔11底部取出的液體氧流106所能達到的純度受限於塔11內流103被導出的位置下方的L～比，該比值越大，則流106越不純。憑藉流103的導出，由於L/V比值的減少，從塔11底部的高純氧的生產因此而變得便利。此外，通過去除作為進料空氣組分之一的進入該處理的氬也能生產出高純氧。氬易聚集在塔11內下行液體中。正常情況下氬在液體的聚集使況高純氧的生產變得困難。但由於流103含有大部分進料空氣中進入所述設備的氬，在塔中流103導出位置的下方氬的聚集被降低。
圖2說明本發明的另一實施方案，其中也可生產液氮及大量的液體高純氧。圖2中的普通單元的標號相應於圖1中的那些普通單元的標號，這些普通單元將不再詳細討論。
現參照圖2，已清除高沸點雜質的所有進料空氣被壓縮至一般在80-1000psia範圍內的高壓。進料空氣流45被送入主換熱器1內並且在部分橫過主換熱器1後分120被導出。剩餘部分46完全通過主換熱器1，並被分成如前述示於圖1中實施方案般處理的流82和83。部分120被送至汽輪驟冷器32，在其中被汽輪膨脹至類似於示於圖1實施方案的進料空氣流60的壓力。已汽輪膨脹的流121從汽輪驟冷器導出，返回到主換熱器1內，從中以如前述般處理的流61的形式出現。富氮液流96的一部分112流經閥113並作為氮濃度等於或大於95％(摩爾)的液氮產品的回收。
圖3說明了本發明的又一實施方案，其中附加生產氬產品。圖3中對於普通單元的數字相應於圖1中的數字，並將不再詳細討論。
現參照圖3，主要包含氧和氬的流117從旁塔11中低純氧流體以流103從旁塔導出的位置下方處導出。氬塔進料流117被送入氬塔13，在其中通過低溫冷卻流117被分成富氬流體和富氧流體。富氧流體以流116從氬塔13下部導出被送回旁塔11中。富氬流體作為氬濃度一般為95-100％(摩爾)的產品氬從氬塔13的上部回收。在示於圖3的本發明實施方案中，產品氬作為液體形式回收。再參照圖3，富氬蒸汽以流112從氬塔13的上部導出，並進入冷凝器或再沸器22而在其中得到冷凝。所得冷凝富氬液體以流113從冷凝器22中導出並被分成作為回流進入氬塔13的第一部分114和作為產品氬回收的第二部分115。冷凝器22通過來自低壓塔12的流體來驅動。液流110從低壓塔12再沸器21上方4-10個平衡段的位置導出，並送入冷凝器22，其中通過與正在冷凝的富氬蒸氣進行間接熱交換器而被蒸發。所得蒸汽以流111返回低壓塔12中。在冷凝器22中進行的熱交換可互換地在低壓塔12內置於大約在流11被導出的位置處的再沸器中進行。富氬蒸汽可互換地通過與中壓塔出來的富氧流體進行間接熱交換而得到冷凝。
雖然本發明已參照特定實施方案做了詳述，但本領域技術人員將會理解到在權利要求書的精神和範疇內還有本發明的其它實施方案。
權利要求
1.生產低純氧和高純氧的方法，包括(A)通過與高純氧進行間接熱交換而部分冷凝進料空氣以生產液態進料空氣和氣態進料空氣；(B)汽輪膨脹所述氣態進料空氣並將已汽輪膨脹的氣態進料空氣送入中壓塔內；(C)在中壓塔內通過低溫精餾分離進料空氣以生產富氮流體和富氧流體，並將富氮流體和富氧流體送入低壓塔內；(D)通過低溫精餾在低壓塔內製得富氮流體和富氧流體，並將富氧流體從低壓塔送入一旁塔中；和(E)在所述旁塔內通過低溫精餾，將富氧流體分離成低純氧和高純氧，從旁塔中回收低純氧並從旁塔中回收高純氧。
2.權利要求1的方法，其中在所述部分冷凝前將進料空氣汽輪膨脹。
3.權利要求2的方法，其中將富氮流體的一部分作為產品氮回收。
4.權利要求1的方法，還包括將含氬流體從旁塔送入氬塔，在氬塔內通過低溫精餾生產富氬流體，並從氬塔回收富氬流體作為產品氬。
5.權利要求4的方法，其中通過與來自低壓塔中壓塔中至少一個塔的流體進行間接熱交換而將來自氬塔上部的蒸汽冷凝。
6.權利要求1的方法，還包括將通過與高純氧進行間接熱交換而部分冷凝進料空氣而產生的液體進料空氣被送入低壓塔中。
7.生產低純氧和高純氧的設備，包括(A)第一塔、第二塔以及具有再沸器的旁塔；(B)汽輪驟冷器、用於將進料空氣送入旁塔再沸器的裝置以及用於將進料空氣從旁塔再沸器送入汽輪驟冷器的裝置；(C)用於將進料空氣從汽輪驟冷器送入第一塔的裝置，以及用於將流體從第一塔送入第二塔的裝置；(D)用於將流體從第二塔送入旁塔的裝置；和(E)用於從旁塔回收高純氧的裝置，以及用於從旁塔中高純氧從旁塔回收的位置上方回收低純氧的裝置。
8.權利要求7的設備，其中用於將進料空氣送入旁塔再沸器的裝置包括汽輪驟冷器。
9.權利要求7的設備，還包括一氬塔、用於將流體從旁塔送入該氬塔的裝置以及用於從該氬塔的上部回收氬產品的裝置。
10.權利要求9的設備，還包括與氬塔上部以及從第二塔底部上方4-10個平衡段與第二塔處於流體連通的熱交換器。
全文摘要
使用具有底部再沸器的旁塔、具有高的高純氧和低純氧回收率的低溫精餾系統,在其中進料空氣被部分冷凝,部分冷凝後在進行精餾前,殘留的進料空氣蒸汽被汽輪膨脹。
文檔編號F25J3/04GK1184925SQ9711734
公開日1998年6月17日 申請日期1997年8月8日 優先權日1996年12月12日
發明者D·P·波拿奎斯特, N·J·萊恩希 申請人:普拉塞爾技術有限公司