空气分离 本发明涉及一种空气分离的方法和设备，尤其涉及生产普纯的一次氧产品和其氩杂质含量低于百万分之一百的二次高纯氧产品，总杂质含量可低于百万分之一。
从空气中分离氧的一种传统方法包括：
去除水蒸汽和二氧化碳杂质来净化空气；将净化空气冷却至适当温度以便用低温精馏法分离；将冷却空气送入一双级精馏塔内精馏，此塔包含高压精馏塔和低压精馏塔。通常，高压精馏塔的顶部与低压精馏塔的底部进行热交换使高压精馏塔分离的氮冷凝，并使低压精馏塔分离的液氧再沸腾。通常低压塔有一用以分离氧气中的氩的底部，因而可以生产低于3％氩含量体积的氧。实际上，要生产不多于0.1％氩含量(体积)的氧产品并无多大困难。 但如果需要更高纯度氧产品时，就需要使用一个或更多的辅助精馏或分馏塔来去除从低压精馏塔抽出的含氧蒸汽中的杂质。不仅需要去除比氧更易挥发的氩类杂质，还需要去除低于氧挥发性的甲烷类杂质。美国专利5049173的方法是从低压塔内氧密度为1％-35％(体积)范围的区域提取原料流，在一副塔内从该原料流中去除氩及其它低挥发性杂质。通过从塔内氧密度为1％至35％区域提取的原料流，使类似甲烷的相对低挥发性杂质浓度最低。因而就可能从副塔获得杂质总量低于百万分之一的液氧产品。此方式不利的一点是，副塔内从理论上来讲需设置许多层，在一实例中使用了64层。另一不利点是，从一般实例看，高纯度氧的最高产量只限于氧产品总量的19％。而还有一个不利之处在于，当需要低压塔除了从高压精馏塔抽取地至少已部分蒸发的馏分外，如果还要分离液空原料流，则供给副塔的原料流含氧量少，因而使高纯度氧产品所占总比例降低。
美国专利4560397公开的方法用以生产单一高纯度氧产品，产品含氩10PPM，含氪1.3PPM，含甲烷8PPM。它使用一个主高压精馏塔和一个辅助低精馏塔。富氧原料流从主塔内底盘以上的几个盘内提取，这就确保了此原料流所含挥发性比氧低的杂质的密度要比从主塔底层抽取的原料流含量低。此富氧原料流到达去除氩杂质的辅助塔塔顶。气化高纯度氧流从辅助塔内至少高于底部一个理论盘处抽出。辅助塔设有由主塔分离的氮加热的再沸腾器。这样该氮气被冷凝并返回到主塔，为该塔提供回流。但是，为了为主塔提供足够的回流，需提供一额外设备冷凝氮气。这样就需提供第二冷凝器。该第二冷凝器被从主塔底部抽取的富氧液流冷却。因此产生的富氧蒸汽经与进入的空气间接热交换后被加热，并在一透平机内膨涨，为流程提供致冷，之后又与进入的空气间接热交换后被加热至环境温度。结果，由于相当一部分进入的氧在被重新加热的原料流中从流程中大量丢失，所以大大降低了能够获得的最大高纯度氧的生产能力。
本发明的目的在于提供一种方法和设备以便从空气中分离出氩杂质含量低于3.5％的一次氧产品以及氩杂质含量低于百万分之一百体积的二次氧产品。为获得二次氧产品所必需的低氩含量，此方法和设备不需对高压精馏塔和低压精馏塔附加其它塔。但是，如果需要，可使用另一精馏塔来生产总杂质含量低于百万分之一(体积)的二次氧产品。
依照本发明提供的方法可从空气中分离出氩杂质含量低于3.5％体积的一次氧产品，和氩杂质含量低于百万分之一百相对纯净的二次氧产品(如需要，还可低于百万分之一的氩杂质)。此方法包括：对高压精馏塔内的空气流进行分馏，从而生成底部富氧液体馏分以及顶部汽化氮馏分；将底部馏份送入低压精馏塔进行分离；与低压精馏塔内分离的液氧馏分进行间接交换来冷凝汽化氮流，从而至少使部分液氧馏分沸腾并产生向上通过低压精馏塔的蒸流；利用至少部分如此形成的冷凝物做为高压精馏塔内的回流；从高压精馏塔提供液体流至低压塔做为回流；其中一次氧产品从低压精馏塔的中间区域提取，低压塔有一填料区以接收来自所述中间区域的液体，在这里，所接收的液体中的氩杂质被去除；二次氧产品从该区底部提取；构成冷凝的所有冷量均由液氧馏分提供。
本发明还提供用于从空气中分离氩杂质含量低于3.5％(体积)的一次氧和氩杂质含量低于百万分之一百(体积)的相对纯净的二次氧产品的设备。它包括：用于对空气流进行分馏使其生成顶部汽化氮馏分和底部富氧液体馏分的高压精馏塔：用于分离底部馏分流体的低压精馏塔；冷凝——再煮沸器，用于以与低压精馏塔分离的液氧馏分间接热交换方式冷凝汽化氮流，使其安装成在运行中让蒸汽上升流过低精馏塔并为高压精馏塔提供回流；使回流进入高压精馏塔的入口，此入口直接或间接与低压精馏塔连通；引出来自低压精馏塔中间区域的一次氧产品的第一出口装在低压精馏塔内的用以接收来自所述中间区的液体的填料区，它可去除向下流动液体中的氩杂质；二次氧产品的第二出口，它与填料区底部相连；冷凝——再沸腾器，该冷凝一再沸腾器有一个其入口端与单一热流源连通的冷凝通道，所述单一源是低压精馏塔底部一区域。
如果需要生产进一步降低“重”杂质浓度、总杂质含量一般低于百万分之100(甚至百万分之一)的二次氧产品，可使二次产品流入辅助精馏塔。在这里比氧挥发性的杂质，尤其是甲烷被分离。如需要辅助塔可配冷凝器，该冷凝器可由任何合适的流体冷却，比如可用高压精馏塔低部富氧液达此目的。
二次产品流可以液态或气态形式从低压精馏塔提取。如果是液态提取，辅助塔(如使用)配有再沸腾器。
含有比氧挥发性低的杂质的液流从低压精馏塔和辅助塔之一选择。
如需要，除一次和二次氧产品外，还可从空气中分离出氩产品。为此第二辅助塔可接收来自低压精馏塔的含氩氧流体，使第二副塔配置成在那里分离氩产品。
这里使用的术语“精馏塔”意指蒸馏或分馏塔、区或区域。在那里，液相和汽相被反向接触以使混合液体分离或净化。比如，使汽相和液相在填料部件或一系列垂直间隔的层或板上接触进行分离，这些部件或层或板均装在塔、区、区域内。一个精馏塔可以包含多个独立容器的多个区以避免过高的单一容器。比如：人们知道在一氩精馏塔内使用相当于200块理论板的填料高度，如果所有这一填料都容纳在单一容器内，该容器可能有50多米高。因此很明显，为避免使用单一的高容器，制造两个分开的容器的氩精馏塔比较理想。根据本发明的方法和设备可使二次氧产品被分离杂质总含量不高于10亿分之一百体积。如需要，高纯度氧产品所占比例比用美国专利5049173方法更高。另外，根据本发明的方法及设备不像美专利5049173所用方法和设备那样因增加氧气生产或液体产品需求增加引起氧回收损失。这是因为本发明方法和设备的副塔内用于一给定进气流的蒸汽/液体负荷要比美国专利5049173的方法和设备的小。另外的优点是，通过副精馏塔的蒸汽流小于美国专利5049173的方法和设备的相应塔蒸汽流的一半。塔内使用的理论塔板数的三分之一。但是因需要除氩填料区，所以低压精馏塔的高度增加了。
我们将参照附图用实施例来说明本发明的方法和设备，附图是组成空分装置的各精馏塔分布框架流程图。
此图不成比例。
如图所示，几乎处于饱和温度的增压净化汽态空气流通过入口4进入一高压精馏塔2。入口4位于塔2内所有分馏塔盘或液——汽接触装置6的位置之下。空气流以众所周知的压缩方式生成，该压缩流通过吸附其水蒸汽和二氧化碳杂质而被净化，净化的气流须与来自塔设备的回流进行间接热交换而被冷却，后面要对此塔进行描述。
高压精馏塔2有第二入口8，其位置高于塔2中某些液—一汽接触装置的高度但低于另一些此类装置的高度。液态空气流通过将取自与通过入口4进入塔2的空气流相同气源的净化空气液化而成。空气可用众所周知的方式被液化。
该空气在高压精馏塔2中被分离成氮蒸汽馏分和富氧液空馏分。通常，高压精馏塔2顶部的压力在4-6巴范围内。
蒸汽氮从高压精馏塔2的顶部流入冷凝——再沸腾器10中被冷凝。冷凝物的一部分做为回流返回高压精馏塔2。另一部分流过焦耳——汤姆逊阀或节流阀12，并经低压精馏塔14顶部区域的入口16流进该塔14。这样，就为低压精馏塔14提供了液氮回流。富氧液流通过出口18从高压精馏塔2抽出，将富氧液分流。一部分通过焦耳——汤姆逊阀或节流阀20，并经入口22被引入低压精馏塔14，入口22位于低压精馏塔14的上部。一填料区24或其它液——汽接触装置从比入口22略高上部位向上延伸至接近于低压精馏塔14顶部处。另一部分富氧液空流过焦耳——汤姆逊阀或节流阀26进入含有另一冷凝——再沸腾器30的容器28。通常富氧液空在冷凝——再沸腾器中完全沸腾。
所产生的蒸汽通过低于入口22的入口32流入低压精馏塔14。有一中间区域的填料区域其它液——汽接触装置34从比入口32略高位置延伸至入口22略下位置。
低压精馏塔14还有另一中间区域的填料区或其它液——汽接触装置36，它从入口32稍下位处延伸到出口38略高位置处，出口用于从塔14中引出氧含量一般为99.5％(体积)的汽化氧产品。低压精馏塔14有一填料底部40，它从比入口38略下位置处延至比再煮沸——冷凝器10顶部略高(装在低压精馏塔14的贮存槽内)的位置。
从低压精馏塔14另伸出三个出口。用于氮蒸汽的出口42位于低压精馏塔14的顶部；用于从冷凝——再沸腾器10流出的再沸腾液氧第二出口44；第三出口46从低压精馏塔14的贮存槽伸出，通过它可从流程中排出净化流。
通常低压精馏塔14最大工作压力在1至1.5巴范围内(在顶部)。通过入口22和32引入塔14的富氧空气在这里被分离。氮流通过出口42从塔14顶部抽走。如需要，此氮气流可用于在一个或多个热交换器(未示出)中对来自高压精馏塔2的液氮和富氧液空气流过冷。此过冷在液流通过各自节流阀的前段实施。主要的含量为99.5％(体积)的氧产品通过出口38从低压精馏塔14中提取。主要氧产品含氩量低于0.5％(体积)。
低压精馏塔14的填料区40可有效去除来自塔14下行液体中的氩及其它较氧气更易挥发的杂质。通常设计的填料区40有20到30个理论塔板数。因此从填料区40底部流出的液体的氩杂质含量低于百万分之一(体积)，通常低于10亿分之5(体积)。绝大部分液体在再沸腾——冷凝器中被再沸腾，从而在那里提供了冷凝液氮需要的冷却。所产生的氧蒸汽流的氩含量低于百万分之一(体积)，通常低于10亿分之10(体积)，氧蒸汽流经出口44流出低压精馏塔14。
经出口44的氧流量与流经出口38的氧流量相比通常要相对小些。不过如需要，通过出口38、44提取的多达40％氧产品总量可经出口44流出。在以蒸汽态从出口38提取氧的情况下，填料区40可保持相对高的回流比，从而易于去除液体中的氩杂质。如果主要氧产品以液态形式从低压精馏塔14中提取，就需要大量增加填料区40的塔板数或减少流经出口44氧产品所占分额。
流经出口44的近乎无氩的氧流通过处于辅助精馏塔48底部的入口50进入该塔48。辅助精馏塔48只含有一个填料区52或其它液—一汽接触装置。辅助塔48可有效吸收来自无氩氧蒸汽中较氧气不易挥发的那些杂质。这些杂质中主要的杂质是甲烷。另外，氩和氙通常做为不易挥发杂质存在。一般辅助塔顶部压力在1至1.5巴范围内。在此压力范围内，填料区52通常设计有10至20个理论塔板数。不易挥发的杂质已被吸收的处于塔顶的蒸汽的杂质含量低于百万分之一(体积)，还可远低于10亿分之10(体积)。实际上，辅助塔顶部蒸汽的杂质总量低于10亿分之10体积。此蒸汽流流经冷凝—一再沸腾器30，在那里被冷凝。一部分冷凝物被从出口54提取做为超高纯度液态氧产品。余下的部分做为回流返回辅助塔。通过，流经入口50去辅助塔48的无氩氧气流约是流出出口54做为超高纯液态氧产品的1.5倍。具有包括甲烷在内的不易挥发杂质量增加了的液态氧通过导管56从辅助精馏塔48底部返回低压精馏塔14的贮存槽。通过出口46从低压精馏塔14抽出的净化气流可有效地排除流程中的不易挥发杂质。如需要，净化气流可与主要氧产品流混合，也可从自辅助精馏塔48返回低压精馏塔14的液态氧中获得净化。
参照附图说明的这种方法和设备可做各种改动。如果只要求从低压精馏塔经出口44提取的氧产品不含氩，辅助精馏塔48可省掉。在此情况下，来自高压精馏塔2底部的全部富氧液化气流以液态形式进入低压精馏塔14(除非要生产氩产品，那样的话，流体的一部分可用来冷凝氩产品)。另一种做法虽不推荐但也可行，即：不用辅助塔48，而是用先催化氧化接着以吸附所生成的二氧化碳的方法从无氩氧流中去掉甲烷杂质。另一种改动是在从低压精馏塔14通往辅助精馏塔48的导管中使用节流阀。另一改动是不用富氧液空而用液体来冷却冷凝——再沸腾器30。
另一改动是从低压精馏塔14中提取近乎无氩的液态氧。如采用此法，辅助精馏塔48可以在相同于、高于或低于低压精馏塔14的压力下工作。如果需要较高工作压力，可用一只泵或液体泵来输送液体。当需要较低工作压力时，可在进入辅助精馏塔48之前对液体节流。如果辅助精馏塔48确实接收了液体进料，在塔48的底部装有再沸腾器，可产生去塔顶所需的蒸汽流。另外，如果液体进料用于辅助精馏塔48，直接从塔48底部取净化流很方便，不必从低压精馏塔14的贮存槽提取。辅助精馏塔底部的再沸腾器30可用冷却冷凝器30流体或不同的流体加热。
除上述任何一种改动外，可按常规使用低压精馏塔14问生产氩产品的一个或多个精馏塔提供富氩进料。除高压塔2供给的富氧液化气之外，该低压精馏塔和/或用于分离液空(通常取自与从入口8供入高压精馏塔2的气源相同的气源)，也可分离含氧和氮的液体，该液体的氧含量低于从高压精馏塔2中间部位提取的富氧液空的氧含量。
除上述任何一项改动外，另一填料区或其它液——汽接触装置可被置于低压精馏塔14内的冷凝——再沸腾器10顶部与从塔14提取无氩氧的位置之间。通常，这种追加的区仅设计一或两层理论板数，但它在减少无氩氧中甲烷及其它不易挥发的(重)杂质含量方面却很有效。如果不愿用辅助精馏塔，这种改动特别有用。
塔中使用的填料可为任一种填料，与筛板相比，每一理论板的压降相对低一些。