这是一项有关空气分离方法的发明。具体来说，本发明提出了一种由空气产生氮、氧和（或）氩的方法和设备。这是一种有效的节能方法，其中使用了液化的空气作为高压冷凝塔的换热介质。 标准的低温空气分离方法包含为清除微小颗粒物质而将供气过滤以及随之对其进行压缩以获得分离能量。一般来说，供气量经过冷却的，并且通过吸收剂去除了象二氧化碳和水蒸汽这样的一些杂质。经上述处理后的气流再送去进行低温蒸馏。
低温蒸馏或空气分离包括将高压空气馈送至一个或更多的工作于低温的分离垮。空气的组成成份包括氧、氮、氩及稀有气体可以用蒸馏法在塔内进行分离。
低温分离法包含蒸气与液体的接触，它取决不不同成分的蒸气压力。具有高蒸发压力的成分，即更易挥发或沸点低的成分在气相中有富集趋势;而具有低蒸发压力的成分，即不易挥发或沸点高的成分则在液相中有富集的趋势。
将液态混合物加热，使易挥发成分富集于气相而使不易挥发成分富集于液相，这样的分离过程就是所谓蒸馏。局部冷凝是一种分离方法，它是将混合蒸气冷却，以收集气相的易挥发成分，同时也收集液相的不易挥发成分。
本方法称作精馏法或有时也叫做连续蒸馏法。它由一系列的部分蒸发和冷凝组成，包括液相中蒸气地逆流处理，气相和液相的逆流接触是绝热的，并包括相间的积分或微分接触。
应用蒸馏原理分离混合物的分离法所使用的装置通常称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。
在本说明书和权利要求书中，术语“塔”是指蒸馏或分馏塔（或区），也可以是一个接触塔（或接触区）。为分离流体混合物，液相和气相可以在塔内进行逆流接触。实际情况是，气相和液相的接触可在一系列与轴线垂直配置的塔盘或塔板上进行，这些塔盘或塔板通常是穿孔的，并且成波纹状，它可以使塔在横向加以扩展。在这些塔盘或塔板处可以使用一些填料将塔填充。
“双塔”在本说明书中是指一种高压塔，其上端与连接的低压塔可进行换热。
在本说明书中，术语“标准空气分离方法和设备”是指上述的方法和设备或者其他为人熟知的空气分离方法。
在本说明书和权利要求书中，术语“间接热交换”是指将两种液流进行热交换，但它们本身并不发生任何接触或交混。
传统上，氮、氧和（或）氩历来采用单塔法或双塔法这两种基本方法之一来生产。
就氮来说，单塔法可在大约6～10巴的压力下生产出高质量的气氮和液氮。氮的回收受到塔底平衡的限制。用此方法生产的氮气一般是初始供气中氮含量的50～60%。
用双塔法生产氮大约在1～4巴的压力下，这比单塔法更为有效并且可从初始空气中回收大约90%或更多的氮气。通常塔可以用一个冷凝一再沸器迭置而将两个塔分开。由于该法是在相当低的压力下生产出氮，需要将氮进一步压缩，这样就增加了生产和使用成本。
在现有技术中，双塔法是将空气用低温蒸馏或精馏法分离，从而在高压塔的顶部获得富氮流，而在低部获得富氧流。富氮流送到低压塔的顶部以给该塔提供回流，而底部的富氧流则送至低压塔进一步将其分离。
在低压塔中，送入的气流用低温蒸馏法进一步分离，在底部得到富氧流。顶部气流可作为氮产品回收。当使用双塔时，高压塔和低压塔是通过冷凝一再沸器进行热连接的。因此，在现有的双塔法中，是使高压塔内的富氮流冷凝，而不让低压塔内的气化富氧流冷凝。
对于给定的低压塔压力，馈送到高压塔的空气压力是由气化富氧流的组成、高压塔冷凝器和低压塔再沸器的富氮流的组成所决定。以及在某种程度上也由冷凝的富氮流的组成所决定。富氮流是相当纯的现有的其它分离方法是上述单塔法和双塔法的变体，只是具有一些附加的特点，例如附有塔顶冷凝器或塔底再沸器。
本发明给出的方法可用于氮、氧和氩的节能生产。
从本质上来说，本发明在于使用了气化和液化空气作为高低压塔之间的加热和冷却介质，以前用的是氮。
本发明将对氮进行详尽的说明，但也同样适用于氧和氩的生产。对于熟悉专业工艺的人来说，将会很清楚地知道如何优化温度、压力及其他工作条件以使作为主要产品的氧和（或）氩的产出最佳。
使用空气作为加热和冷却介质的特殊优点是冷凝空气比冷凝富氮流所需的能量要少。因为主要的能量消耗是在各种气体的压缩上，而在给定温度下，冷凝空气所要求的低压产生的消耗比冷凝氮时要少。
例如，氮冷凝时所需压力为7巴，温度为-180℃，而冷凝空气仅为6巴，温度为-178℃，这样温度差2℃，压力差1巴，本发明将能量消耗降低了。
在现有的技术中，氮被用于高低压塔之间的加热和冷却介质。必须压缩供气使其达到氮所要求的高压，因此主要的节能在于降低压缩供气的要求。
本发明提供的方法有可能生产高纯度的氮，可达到初始供气所含氮量的90%以上，可以在3巴至5巴的压力范围内进行生产，无论是高压氮还是低压氮均可生产。也可分别或同时生产，而且比现有的生产方法节能。
按照本发明的方法，进气要进行处理，经过分子筛、氧化铝、硅胶等去除潮气及杂质（例如二氧化碳，甲烷等），然后进行压缩并送入热交换器同输出产品进行热交换。
按照一个实施方案，进气分成两组，一组馈送至高压塔的底部，另一组馈送至位于低压塔底部的冷凝-再沸器。将进气分成相等组份可得到良如的效果，当然使用其他比例也是可以的。
按照另一实施方案，进气分成三组，其中两组馈至上述的高压塔和处于低压塔底部的冷凝-再沸器。第三组则受到膨胀以提供工厂的冷却，然后引入低压塔进行低温分离。
第一组进气在高压塔中用低温蒸馏法分离成一次气化富氮馏份和一次液化富氧馏份。液化富氧馏份自高压塔的底部取出并送至低压塔。送至低压塔底部的冷凝一再沸器的第二组进气通过同低压塔底部的液化富氧进行热交换加以冷凝。此时，液化富氧得到蒸发，在冷凝一再沸器中产生的冷凝液化空气送至高压塔的顶部冷凝器，在此通过同高压塔中产生的一次气化富氮馏份进行间接热交换而气化，这样就使氮得到冷凝。
按照一个实施方案，高压塔内的部分冷凝的富氮馏份被分离并送入低压塔以提供额外的回流。与此同时，第二组进气同在高压塔顶部冷凝器内的氮进行间接热交换而液化，然后被引入低压塔进行低温分离。
在低压塔内，第二组进气随同部分来自高压塔的一次富氧馏份被分离为二次富氮流和二次富氧流。
按照另一个实施方案，部分二次富氮流可作为高压氮产品取出，而剩下部分用来为低压塔提供回流。
按照另一个实施方案，部分高压氮产品可以受到膨胀，以提供工厂的冷却并加入低压氮产品流中去。
下降至低压塔底部的二次富氧流通过同受到冷凝的第二组进气进行间接热交换接触而气化。按另一个实施方案，二次富氧馏份也可包含一个三次供气馏份，它是在引入低压塔中之前已经过膨胀的。
部分二次富氧流馈送至低压塔的顶部冷凝器，在那里通过同上升的冷凝氮进行热交换接触而受到气化。这样，气化的二次富氧流可作为废物而从顶部冷凝器中取出，并在再冷凝和热交换器中进行加热。该热交换同处理的气流和进气进行间接热交换。
如有需要，废氧可以受到膨胀以提供工厂的冷却。或者，这种大约有70%纯度的废氧可以在无需高纯度氧的场合作为多产品使用。
上述方法所用的设备也可提供。整套设备包括：用来压缩外部进气的空气压缩装置，为去除来自压缩机空气中的二氧化碳和水蒸汽而采用的提纯装置，使来自提纯装置中的压缩空气冷却至低温的热交换装置。一个装有顶塔或顶部蒸发一冷凝器的一次蒸馏塔-它用于将来自热交换器的部分进气进行低温分离。
一个二次蒸馏塔，它备有一个顶部塔式冷凝器及一个底部塔式再沸器，它可以将经二次蒸馏塔的底部塔式再沸器及一次蒸馏塔的顶部塔式冷凝器循环后的冷却压缩进气（至少有一部分）以及来自一次蒸馏塔的液化富氧（至少有一部分），通过分馏将其分离成一个二次富氧馏份和一个二次富氮馏份。
为提取二次蒸馏塔底部的液氧而提供了若干装置，它可将液氧导入二次蒸馏塔顶部冷凝器以提供同二次蒸馏塔内上升蒸汽进行的间接热交换。
提供了一些膨胀装置，它可以将引入二次蒸馏塔之前的压缩空气进行膨胀，同样也可用于取自二次蒸馏塔顶部冷凝器的氧的膨胀和（或）为提供冷却的氮产品的膨胀。
图1表示本发明方法和设备的流程示意图，所生产的产品是低压氮。
图2表示类似于图1的流程示意图，只是空气的膨胀取代了废气的膨胀。
图3表示本发明的方法和设备的流程示意因，所生产的产品是高压氮和低压氮。
图4表示类似于图3的流程示意图，其中部分高压氮膨胀为低压氮。
参看流程图1，无杂质的压缩进气由管道20引入热交换器30。空气引入热交换器30的压力最好取大约5～20巴的范围，此时通过同排出的废气和产品流进行间接热交换，空气被冷却到低温。
下一步，空气分成两组，最好分成相等的两组，当然其他比例也可以，进气的第一组经管线22和62送入高压塔32，剩余的第二组经管线22和60送入低压塔34的再沸器58。
在高压塔32，压力最好大约取5～20巴。
第一组供气送入塔32的下部，低于底部蒸馏盘，如图中36。供气在这里分为一次富氮蒸气，它上升到塔32的顶部，和吴一部分-一次液化富氧，它降至塔32的底部。
至少要将一部分一次液化富氮从高压塔的底部58取出，其中大约含35～40%的氧，这同现有技术差不多是一样的比例。
一次液化富氧经管线54从高压塔32的底部取出后再通过再冷器46，同氮产品（经管线48来自低压塔34的上部）和废气（经管线52来自低压塔34的顶部冷凝-蒸发器70）进行间接热交换进一步降温。
冷却的一次液化富氧自再冷器64引出，再经阀门76膨胀后进入低压塔34，于底盘之上。
第二组供气进入低压塔34底部的冷凝-再沸器58，同低压塔34底部的液化富氧进行热交换而冷凝。这就引起第二组供气冷凝和液化富氧蒸发。
冷凝的第二组供气离开低压塔34的冷凝-再沸器58，经管线82进入再冷器46。液化的空气经管线84从再冷器出来，经阀门44膨胀进入高压塔32的冷凝-再沸器。如需要，冷凝的部分第二组供气可经管线90，通过阀门92膨胀后送入低压塔34以控制高低压塔间的空气平衡。
一次气化富氮上升至高压塔32的顶部而进入冷凝-再沸器40。在那里，氮蒸气同从低压塔34的冷凝-再沸器58经阀门444进入的第二组冷凝空气进行间接热交换接触。这就引起液化的空气蒸发和氮蒸气冷凝。如图3和图4所示，部分或全部冷凝的氮馏份回送至高压塔32以提供所需的回流。
所有同第二组冷凝进气进行间接热交换而没有冷凝的氮蒸气都可作为高压氮回收，如图3所示，通过管线67从高压塔32的上部取出。
若高压氮流很小或不需要，部分冷凝的氮可送至低压塔34作为附加回流，这部分冷凝氮经管线68取自高压塔32的上部，如图1和图3所示。冷凝氮然后通过再冷器66，在那里同排出的氮产品和废气进行间接热交换接触。从再冷器66，冷凝的氮经阀门78膨胀后由管线68送入低压塔34。
与此同时，经管线56从高压塔32顶部的冷凝-再沸器出来的气化空气，通过管线64进入低压塔34而被分离，这和经管线54进入的第一次液化富氧的情形差不多。
取自塔32的底部的一次液化富氧和经过管线56取自高压塔32顶部的冷凝-再沸器的气化空气，在塔34内进一步分离成二次气化富氮馏份和二次富氧馏份。
二次气化富氮馏份上升至低压塔34的顶部，而二次富氧馏份下降至低压塔34的底部。
部分低压塔34底部的二次液化富氧馏份经管线74并通过一个一次再冷器46取出，在那里二次液化富氧进一步通过同经管线48从低压塔34上部取出的氮气和经管线52从低压塔34顶部冷凝器送出的废气流进行间接热交换而冷却。
二次液化富氧经过管线74连至二次再冷器66同经管线68从高压塔32顶部送出的氮气和经管线52从顶部冷凝器70的废氧流进行间接热交换而进一步冷却。
所得到的冷却的二次液化富氧通过管线74经阀门72膨胀后引入低压塔34顶部的顶部冷凝器70进一步将二次富氧流冷却。
大部分二次富氮流作为氮产品通过管线48自低压塔34的上部而回收。氮气流在输出系统之前经再冷器66和46以及热交换器30进行加热。
在低压塔34中二次富氮流的剩余部分同低压塔34的顶部蒸发一再冷器70内的二次液化富氧进行热交换而冷凝。此时液化富氧被蒸发，氮的冷凝为低压塔34提供了回流，气化的富氧液经管线52从顶部蒸发一冷凝器70输出，接着通过再冷器66、46和热交换器30进行加热。
在热交换器30内加热后，废氧流通过滑轮膨胀器78，气流在此膨胀以提供工厂的冷却。
由此可知，上述方法利用了空气作为高低压塔间的冷却和加热介质。而在现有技术中，通常是用富氮流来将热量传至低压塔的底部。注意：对于某一给定的氮气回收方法，即在有相同的富氧流成分情况下，冷凝富氮流比冷凝空气所需能量更多。这就是说，对于某一给定的氮气回收方法，使用空气作为热交换介质时，高压塔可以在此惯用的现有方法更低的压力下工作，因此，按照本发明的方法，对于相同的高压塔压力，低压塔可在更高的压力下工作。
表1列出了图1所示的上述生产氮的本发明方法的预期性能。
表1
供气总流量 管线20 15462Nm3/n
供气压 管线20 10.2巴绝对值
氮产品流量 管线48 10514Nm3/n
氮压 管线18 5.5巴绝对值
氮纯度 18vpm02
废气（富氧）流量 管线52 4948Nm3/n
废气压 管线16 1.3巴绝对值
压缩空气 管线22 -160℃
塔32 10.2巴abs
塔32 顶部 -170℃
塔32 底部 -160℃
液化富氧 管线38 -165.6℃
冷凝第二组供气馏份 管线82 -167.5℃
冷凝第二组供气馏份 管线84 -171℃
来自冷凝/再沸器40经
气化的第二组供气 管线56 -172.6℃
塔32的输出氮 管线68 -170.6℃
塔66输出的冷凝氮 管线68 -174.4℃
塔34 5.5巴abs
来自塔34的液化富氧 管线74 -168.8℃
来自冷凝器66的液化富氧 管线74 -174.4℃
膨胀后的液化富氧 阀门72 -179℃
塔34输出的氮产品 管线48 177.6℃
塔34输出的氮产品 管线48 5巴abs
来自冷凝器70的废氧流 管线52 -178.9℃
当采用图3或图4的方案时，供气压力为21巴，高压塔32的压力约为20巴，低压塔34的压力约为14巴。
上述发明方法和设备的各种改进方案对于熟知该领域的人来说是一目了然的，只要不违反下面权利要求书中对本发明所指定的范围和精神，这些改进方案都可以使用。