一種帶有預淨化器的給料氣冷卻器的低溫精餾系統的製作方法

2023-06-25 17:23:46

專利名稱：一種帶有預淨化器的給料氣冷卻器的低溫精餾系統的製作方法
技術領域：
本發明一般說來涉及低溫精餾，特別涉及到對進入低溫精餾系統的給料氣的處理。
經受低溫精餾處理的給料氣首先必須去除高沸點雜質，因為這些雜質在低溫下會凍結，從而給分離工作帶來額外的負擔。
例如，在對給料氣進行低溫分離時，給料氣中的高沸點雜質，例如水蒸汽，二氧化碳以及碳氫化合物，在通過像一分子篩吸附單元這樣的預淨化器時被去除掉。
如果給料氣在預淨化前被冷卻，將使給料氣的預淨化進行得會更為有效。對給料氣的冷卻會使水凝給出來，這會減少由預淨化器吸收的水量。這將降低所需吸收劑的用量，並降低使吸收劑再生的能耗。
一般地，在預淨化過程之前對給料氣進行冷卻是使用機械式冷卻器或其它耗能設備來完成的，以便冷卻或致冷給料氣。由於整個給料氣均須進行冷卻，這就會顯著地增加低溫精餾的成本。
因此，本發明的目的即在於提供一種低溫精餾系統，其中以一種比現有低溫精餾系統更有效的方式來完成對給料氣的冷卻。
本發明的上述和其它目的對於本領域技術人員來說可通過閱讀本說明書將會變得十分清楚。本發明的一個方面是
提供一種實施低溫業餾的方法，其包括(A)冷卻給料氣並隨後對冷卻後的給料氣進行預淨化；(B)將經過預淨化處理的給料氣輸送到低溫精餾裝置中，並在低溫精餾裝置中將該預淨化的給料氣分離成富氮流體和富氧流體；(C)從低溫精餾裝置中排出富氮流體，並將所排出的富氮流體與給料氣進行間接熱交換，從而在進行預淨化之前冷卻給料氣；以及(D)對至少一部分被排出的富氮流體進行渦輪膨脹，並使經渦輪膨脹的富氮流體與給料氣進行間接熱交換，從而在預淨化之前冷卻給料氣。
本發明的另一個方面是提供一種實施低溫精餾的設備，其包括(A)一個預淨化器的給料氣冷卻器，一個預淨化器，以及用於使給料氣通過預淨化器的給料氣冷卻器並從該冷卻器輸送到預淨化器的裝置；(B)一個低溫精餾裝置，以及用於將給料氣從預淨化器輸送到低溫精餾裝置的裝置；(C)用於將流體從低溫精餾裝置中排出的裝置，以及用於輸送所排出的流體通過所述淨化器的給料氣冷卻器的裝置；以及(D)一個渦輪膨脹機，用於輸送至少一部分所排出的流體通過渦輪膨脹機的裝置，以及用於從渦輪膨脹機將流體輸送通過所述預淨化器給料氣冷卻器的裝置。
在這裡所用的術語「塔(column)」是指蒸餾塔、分餾塔或帶、即指一個接觸塔或帶，在那裡液相和氣相以逆流方式相互接觸以完成流體混合物的分離，例如，依靠氣相與液相在氣-液相接觸元件上的接觸，這些接觸元件比如是一系列安裝在塔內的在豎直方向上彼此有間隔的塔盤和板和/或有規則的堆砌元件和/或無規則的堆砌元件。對於更深入地討論蒸餾塔，請看《化學工程師手冊》第五版，皮瑞(R.H.Perry)和切爾頓(C.H.Chilton)編輯，由紐約的米克隆-海爾(McGraw-Hill)公司出版發行，參見其中13-3頁的第十三節「蒸餾」部分，由史密斯(B.D.Smith)，等寫的「連續蒸餾工藝」部分。
在這裡所用的術語「精餾」或連續蒸餾是指一種分離過程，在這種過程中，通過對氣相和液相進行逆流處理，因此會出現連續的部分氣化和凝結的過程。低溫精餾是指至少一部分在低溫如處於或低於150°K(開耳芬)進行的精餾過程。一套低溫精餾裝置包含一個或多個塔。
在這裡所用的術語「間接熱交換」是指兩股流體相互之間沒有任何物理上的接觸或混合的熱交換關係。
在這裡所用的術語「給料空氣」是指包含氮和氧的混合物，例如空氣。
在這裡所用的術語「渦輪膨脹」和「渦輪膨脹熱」分別指高壓氣流經過渦輪機降低氣體的壓力和溫度以產生冷凍效應的過程和設備。
在這裡所用的術語「預淨化」和「預淨化器器分別指從給料氣流中至少去除某些高沸點組分的過程和設備。
在這裡所用的術語「高沸點雜質」是指給料氣中某些在低溫精餾條件下會凝固的組分。
在這裡所用的術語「富氮」是指氮的濃度超過給料氣中氮的濃度。
在這裡所用的術語「富氧」是指氧的濃度超過給料氣中氧的濃度。
現通過具體實施例並配合有關附圖詳細描述本發明的其他目的、結構、方法及特點。其中，

圖1是本發明的低溫精餾系統的一個優選實施例的簡化示意說明圖；和圖2是本發明的低溫精餾系統的另一個優選實施例的簡化示意說明圖。
本發明包括從低溫精餾裝置中產生被過度壓縮的流體以及對此過壓流體進行渦輪膨脹，以得到相對較強的致冷效果。這裡致冷效果被用來在預淨化器的上遊冷卻給料氣體，從而有效地回收被過度壓縮的流體的能量，並節省了需另外供能的冷卻器或致冷機。
參照附圖和有關給料氣低溫精餾的內容，將對本發明作詳細描述。
現在參照圖1，給料氣50通過流經壓縮機2被壓縮至大約100到450磅/英寸2的絕對壓力。經壓縮後的給料氣通過流經後置冷卻器3而被冷卻，以除去壓縮的熱量。這樣得到的給料氣100接著通過流經預淨化器的給料氣冷卻器或換熱器4被冷卻，一般被降低到華氏33°F到60°F範圍的一溫度。在冷卻器4中對給料氣的冷卻是為了將給料氣中的一些水蒸汽冷凝成水，以降低隨後的預淨化過程的負擔。隨即，通過流經預淨化器5，從冷卻後的給料氣101中去掉高沸點雜質，這比如水蒸汽，二氧化碳，和/或某些碳水化合物。預淨化器的吸附劑床層包含有合成沸石或合成沸石與鋁礬土的混合物。後者通常更可取。給料氣中的雜物在通過吸附這一步後被去除。一般用氮氣作為被加熱的再生氣體，以從床層中把所吸收的雜物脫附掉。
預淨化後的給料氣102所含有的高沸點雜質遠少於氣流101，氣流101從預淨化器5被送到主換熱器6中。在這裡其與返回氣流進行間接換熱而被冷卻，然後從主換熱器6出來後作為氣流103進入低溫精餾裝置7，這個裝置7在圖1中示意性地畫成一個方框。本發明實際上可以採低溫精餾裝置的例子，包括有單塔裝置，雙塔裝置，以及帶有一座氬側臂塔的雙塔裝置。低溫精餾領域內的技術人員對這些術語及其含義是非常熟悉的。
在低溫精餾裝置7中，給料氣體由低溫精餾分離成富氮流體和富氧流體。富氧流體作為流60從低溫精餾裝置7中排出，經過主換熱器6和預淨化器的給料氣冷卻器4在那裡被加熱，而其中給料氣與之進行間接熱交換，結果其被冷卻；然後，富氧流體離開該系統，如果需要，亦可作為流62回收。第一部分富氮流體可以作為流90從低溫精餾裝置7中排出，通過主換熱器6和預淨化器的給料氣冷卻器4，在那裡通過同給料氣進行間接熱交換而被加熱，結果給料氣被冷卻；然後這一部分富氮流體離開該系統，如果需要，可作為流體92回收。
第二部分富氮流體作為流70從低溫精餾裝置7中排出，通過主換熱器6和預淨化器的給料氣冷卻器4，在那裡通過同給料氣進行間接熱交換而被加熱，結果給料氣被冷卻。在圖1說明的實施例中，所得到的流72被分為兩部分，第一部分73佔有流72的0％到90％的份額，而第二部分74佔有流72的5％到100％的份額。流73離開系統，如果需要，可以回收。一般來說，流70將處於30到110磅/英寸2(psia)範圍內的一個壓力，流73的壓力實質上為同樣的壓力減去管線中的標稱壓降。
如果有必要，流74可以通過加熱器8加熱，以使換熱器處於效率較高的溫度範圍。流74通常佔從低溫精餾裝置排出的富氮流體總量(即流70和流90之和)的5％到100％。隨後，由加熱器8出來的流75被送到渦輪膨脹機9，以對被壓縮的富氮流體進行渦輪膨脹，從而回收能量並產生致冷作用。能量的回收可通過帶動發電機發電或驅動過程壓縮機來實現。經過渦輪膨脹的流76，一般處於範圍在15到25磅/英寸2(psia)範圍內的一個壓力，被送到主換熱器6以冷卻給料氣，接著，通過預淨化器的給料氣冷卻器4，在那裡以間接換熱方式在給料氣進入預淨化器5之前對其冷卻。所得到的低壓富氮流78隨後離開該系統，如果需要，亦可回收。
圖2說明了本發明的另一個實施例，其中經渦輪膨脹的流76不經過主換熱器6。圖2中的標號同圖1中的標號相對應。圖2所示的實施例更適合用於進行渦輪膨脹的富氮流體量增加的情況。在本實施例中，富氮流體被渦輪膨脹至其溫度達到離開主換熱器6的被壓縮的流的溫度水平。
在本發明的另一個實施例中，準備用於渦輪膨脹的富氮流體可以分成兩部分。一部分流可以被渦輪膨脹至如圖1所示適於主預熱器6冷端的溫度水平；而另一部分流可以通過另一臺渦輪膨脹機被渦輪膨脹至如圖2所示適於預淨化器的給料氣冷卻器4冷端的溫度水平。
一般情況下，在本發明的實際應用中，在同給料氣進行間接換熱而於預淨化過程之前冷卻給料氣的經渦輪膨脹的流體的流率佔通入低溫精餾裝置的被預淨化的給料氣流率的4％到80％。
圖1和圖2示出了本發明的兩個優選實施例，其中，離開低溫精餾裝置7的所有或大多數主要流體不僅通過主換熱器6，也通過預淨化器的給料氣冷卻器4。在這引起實施例中，換熱器6和4可以認為是一個兩步式主換熱器，而預淨化器則在這個主換熱器的兩大部件之間運轉。
下面的例子只是為了說明的目的，而並非對本發明進行限制。對於如圖1所示的本發明實施例的一個工況進行了計算機模擬，在該工況下，86％的預淨化後的給料氣流被用來生成被壓縮的分離的產品，其餘14％的預淨化後的給料氣流同於進行渦輪膨脹。其結果列於表1中。表1中的數碼對應於圖1中的數碼。在表1中，氣流成分按氧的百分比濃度給出。每股流的剩餘的組分主要是氮。
表1摩爾流率 壓力 溫度濃度(氣)流(佔102的百分比)(磅/英寸2)(華氏度，°F)(氧的百分比)100 100.4 219 86 20.9101 100.4 218 40 20.9102 100.0 217 45 21.0103 100.0 216.5 -20 21.06021.2 74.0 -27.8 95.090 0.3 212-27.80.17078.5 72.6 -27.81.07278.5 71.6 77.51.07364.6 71.6 77.51.07413.9 71.6 77.51.07513.9 71.0 167.31.07613.9 17.7 -27.81.07813.9 16.7 77.51.092 0.3 211 77.50.16221.2 73.0 77.5 95.0現在，由於本發明的應用，可以由低溫精餾裝置有效地匯集能量對給料氣進行處理，使給料氣可以被有效地預淨化，而省去一臺另外配置的耗能的機械式給料氣冷卻器或致冷機。雖然本發明的內容已參照一些優選實施例進行了詳細說明，但是對本領域的技術人員將會認識到在權利要求的精神實質和範圍之內還可有本發明的其它改進的實施例，這些改進都將包含在本發明的所述範圍之內。
權利要求
1.一種用於實施低溫精餾的方法，其包括(A)冷卻給料氣，然後對冷卻了的給料氣進行預淨化；(B)將預淨化後的給料氣輸送到低溫精餾裝置中，並在低溫精餾裝置中將預淨化後的給料氣分離成富氮流體和富氧流體；(C)從低溫精餾裝置中排出富氮流體，並將排出的富氮流體與給料氣進行間接熱交換，從而在預淨化過程之前冷卻給料氣；以及(D)對至少一部分被排出的富氮流體進行渦輪膨脹，並使經渦輪膨脹的富氮流體同給料氣進行間接熱交換，從而在預淨化過程之前冷卻給料氣。
2.如權利要求1所述的方法，其還包括從低溫精餾裝置中排出富氧流體，並使排出的富氧流體同給料氣進行間接熱交換，從而在預淨化過程之前冷卻給料氣。
3.如權利要求1所述的方法，其中在同給料氣進行間接熱交換，而於預淨化之前冷卻給料氣的經渦輪膨脹的流體流率佔輸入低溫精餾裝置中的經預淨化的給料氣的流率的4％到80％。
4.如權利要求1所述的方法，其還包括從渦輪膨脹過程中回收能量。
5.如權利要求1所述的方法，其還包括在預淨化之後對給料氣進行冷卻，並使經過渦輪膨脹的富氮流體與給料氣進行間接熱交換，用以冷卻預淨化之後的給料氣，在此之後，使經過渦輪膨脹的富氮流體與給料氣進行間接熱交換，以用以冷卻預淨化之前的給料氣。
6.如權利要求1所述的方法，其還包括在預淨化之後冷卻給料氣，對另一部分排出的富氮流體進行渦輪膨脹，並使所述另一部分經渦輪膨脹的富氮流體同給料氣進行間接熱交換以冷卻預淨化後的給料氣。
7.一種用於實現低溫精餾的設備，其包括(A)一個預淨化器給料氣冷卻器，一個預淨化器，以及用於使給料氣通過預淨化器的給料氣冷卻器和從冷卻器輸送到預淨化器的裝置；(B)一個低溫精餾裝置，以及用於將給料氣體從預淨化器輸入到低溫精餾裝置的裝置；(C)用於將流體從低溫精餾裝置中排出的裝置，以及用於將所排出的流體輸送通過所述預淨化器的給料氣冷卻器的裝置；以及(D)一個渦輪膨脹機，用於輸送至少一部分所排出的流體通過渦輪膨脹機的裝置；以及用於從渦輪膨脹機輸送流體通過所述預淨化器的給料氣冷卻器的裝置。
8.如權利要求7所述的設備，其還包括一個主換熱器，其特徵在於，用於將給料氣從預淨化器輸入到低漸精餾裝置的裝置包括該主換熱器。
9.如權利要求8所述的設備，其中，用於將流體從渦輪膨脹機輸送通過預淨化器的給料氣冷卻器的裝置穿過該主換熱器。
10.如權利要求8所述的設備，其還包括一第二臺渦輪膨脹機，以及用於將所排出的流體通過該第二臺渦輪膨脹機，並由此第二臺渦輪膨脹機通過主換熱器的裝置。
全文摘要
一種低溫精餾系統，其中對低溫精餾裝置中生成的被過度壓縮的流體進行渦輪膨脹，並用來在給料氣通過預淨化器用以去除給料氣中至少某些高沸點雜質之前，將給料氣冷卻。
文檔編號F25J3/04GK1118709SQ9410584
公開日1996年3月20日 申請日期1994年5月9日 優先權日1993年5月10日
發明者小·R·R·奧爾森 申請人:普拉塞爾技術有限公司