生产氮的空气分离方法和装置 相关的申请
本申请是申请日为1995年1月19日的美国专利申请号08/374,060的部分继续申请，而后者是申请日为1994年10月25日的美国专利申请号08/329,035的部分继续申请。发明背景
本发明涉及一种用一个蒸馏塔进行低温精馏分离空气的方法，借此生产氮产品。更具体地说，本发明涉及这样的一种方法和设备，即其中产生的作为塔底液的部分富氧液体在蒸馏塔中被蒸发和然后膨胀以提供致冷作用，而另一部分富氧液体在膨胀后被用来冷凝连接于蒸馏塔的塔顶冷凝器中的氮蒸汽。更具体地说，本发明涉及这样的一种方法和设备，即其中部分富氧液体被一部分进入的空气所蒸发并在一定的条件下将另外一股含氧量比空气少的冷凝流从蒸馏塔中取出。将该部分进入的空气和另外的冷凝流液化并作为另外的回流流导入蒸馏塔，以保持氮生产的速率和浓度达到已知技术水平。
在空气分离装置中由氮是空气的低温精馏法产生的。这种车间常常用单一的蒸馏塔，在本技术领域中称为氮发生器。将空气压缩和净化后，将其冷却至适于精馏的温度，通常此温度为空气地露点或接近露点。然后，将此空气导入由塔盘和/或有序或无序的填料形成的接触单元的蒸馏塔中。在此蒸馏塔中，空气的上升相与下降的液相进行接触。这种接触使液相含氧更浓，生成富氧液的塔底液，而上升蒸汽相中的氮变得更浓，生成富氮蒸气塔顶馏出物。
为使该塔回流，设置了一只塔顶冷凝器，一部分氮蒸气在此被冷凝。冷凝物则作为回流返还至蒸馏塔。通常，将由塔底液组成的富氧液流加以取出，膨胀到低温后，将其作为冷却剂导入塔顶冷凝器。产物从塔的顶部区域取出，多半为蒸气。
在任一种类型的空气装置中，热会连续渗入该装置，故在空气进料处和位于装置的温热端的产物之间存在焓差。这类热渗漏要求对空气装置补充冷冻。如果氮产物需维持于柱压，则通常从塔被膜外面补充冷冻。从富氧液体蒸发得到的作功膨胀(所有富氧液体都要在顶部冷凝器中被蒸发)，或者将空从较高压力膨胀降压至柱压力，都是提供冷冻的常用方法。还有一种“液体辅助装置”，其中液氮是从外面的一个源被加入到塔中的，由此提供所需的冷冻。
正如以下所述，本发明涉及一种空气技术，其中的冷冻是在氮产品生产中降低能耗的方法产生的。本发明可更有效地使用能量于空气分离，使过去所用的过量的能量可用于冷冻。发明的简要说明
本发明提供一种生产氮产品的空分方法。根据该方法，空气分离用一蒸馏塔进行低温精馏，产生一种富氧塔底液体和富氮塔顶蒸气冷凝物。设置了一个塔顶冷凝器，以便将至少一部分富氮塔顶蒸气冷凝，而使冷凝物至该蒸馏塔中进行回流。
本发明的一个方面是低温精馏过程包括局部蒸发由富氧的塔底液体组成的富氧液流。然后将富氧液体流分成液相和蒸汽相，并将由液相组成的液相流膨胀以产生液相流和富氮的塔顶蒸气之间的温差，将液相流导入塔顶冷凝器，作为冷却剂液流，使至少部分富氮蒸气的热传至冷却剂液流，从而使至少部分富氮塔顶蒸气冷凝。将由蒸气相组成的蒸气液流进行膨胀同时作功以产生冷却剂液流，后者被用于至少部分地冷却低温精馏过程。从富氮的气塔顶馏出物中取出一部分作为产品流，成为氮产品，其余则用于塔中作回流。
本发明的另一个方面是低温精馏方法包括将由富氧液体塔底液构成的富氧液体流分成第一和第二部分液流。将第一部液流膨胀，以产生在第一部分液流和富氮的蒸气塔顶馏出物之间的温度差。将第一部分液流作为冷却剂流导入塔顶冷凝器中，使热至少从部分富氮的蒸气传到冷却剂流，由此至少将部分富氮的蒸气塔顶馏出物冷凝。将第二部分液流蒸发，与其被蒸发后再予局部温热。将第二部分液流进行膨胀同时作功以产生冷却剂液，后者被用于至少部分地冷却低温精馏过程。从富氮的蒸气塔顶馏出物中取出一部分作为产品流，成为氮产品，其余则用于塔中作回流。
本发明还提供一种供空气分离用的生产氮产品的装置。根据该装置，附有一过滤空气的过滤器和连接于过滤器的用于压缩空气的压缩机。为了除去空气压缩时产生的热，设有一个后冷却器，并设有一个预净化单元以净化空气。一个主冷凝器空气冷却至适于精馏的温度，而将一个蒸馏塔构造成能将空气精馏成为富氧的液体塔底液和富氮的蒸气塔顶馏出物。一个主冷凝器被连接于蒸馏塔上，将至少部分富氮的蒸气塔顶馏出物冷凝，以供蒸馏塔回流之用。
本发明的又一个方面是，一个蒸发装置连接于该蒸馏塔，用于蒸发由富氧的塔釜液体流组成的富氧液体流，一个分离器连接于蒸发装置，用于分离富氧的液体流成为液相和蒸气相。该相分离器连接于塔顶冷凝器，使热至少从部分富氮的蒸气转移至冷却剂流中，后者是由液相构成的液相流。其结果是使至少一部分富氮的蒸气塔顶馏出物冷凝，使冷却液流蒸发，由此形成蒸发后的冷却液流。在相分离器和塔顶冷凝器之间连接一减压阀，将液相流膨胀，并由此产生冷却液流和在冷却液流和富氮蒸气塔顶馏出物之间的温差。该相分离器也与主热交换器连接，使由蒸气相组成的蒸气相流部分地受热。一膨胀装置与主热交换装置连接，以供膨胀蒸气相流，同时作功以产生冷却液流。主热交换装置是与膨胀装置保持联系的，使冷却剂流能充分地温热主热交换装置。有一个装置用于抽取由富氮蒸气塔顶馏出物组成的剩余部分，成为产品流，这一剩余部分不用于蒸馏塔回流之用，又至热交换装置与产物流抽取装置连接，以使产物流可在主热交换装置中充分地受热。
本发明再有一个方面是，主冷凝器与蒸馏塔相连接，使热从富氮蒸汽至少部分地传送到冷凝剂流，后者是由含富氧的塔底残液组成的第一部分液流。它使最少部分的富氮蒸气塔顶馏出物冷凝，并使冷却剂流蒸发而形成气化的冷却剂流。在蒸馏塔和塔顶冷凝器之间连接一个减压阀，以膨胀第一部分液流并由此产生冷却剂流和在冷却剂流与富氮蒸气塔顶馏出物之间建立温度差。将一个蒸发装置与蒸馏塔连接用于蒸发由富氧的塔底残液组成的第二部分液流。蒸发装置也与主热交换器连接使第二部分液流部分地温热。一个膨胀装置与主热交换装置相连接，以膨胀第二部分部分液流，同时作功以产生一冷却剂流。主热交换装置是与膨胀装置有联系的，使该冷却剂液流能在主热交换装置中充分地温热。有一个装置用于抽取由富氮蒸气塔顶馏出物的剩余部分构成的产品流，这一剩余部分不用于蒸馏塔回流之用。主热交换装置也与产品流抽取装置连接，使产物流在该热交装置中充分地温热。
本发明的作用在于，利用了蒸馏空气以产生氮的过程中所用的超过必要量的驱动力。在本发明中，富氧液体充当冷却剂，用作冷凝到塔中的回流液的冷却剂并用来向装置提供其所需的至少部分冷冻，而与前面所述的典型的冷冻工艺无关。
由于并非所有的富氧液体都被用于回流冷凝作用，故塔顶冷凝器产生的回流供应量可能不足。为了补偿回流量的这一欠缺，至少可用液体空气和最好同时用液体空气和氧含量小于空气的其它回流液。提供中间性回流补充。于是，本发明的更进一步的一个方面包括了一种方法，其中，通过间接地进行热交换用部分待分离的空气，最好用从蒸馏塔取出的含氧量小于空气的另一蒸气流，使富氧液流或其一部分被部分或全部蒸发掉，借此使部分待分离的空气以及如果存在的话，其它蒸气流都液化。部分待分离的空气以及最好是取自塔的其它的液化蒸气流然后作为中间回流被导入蒸馏塔中，以使产品流的生产保持在一定的水平上，该水平应是将全部富氧液体流用于冷凝至少部分的富氮的蒸气塔顶馏出物时所达到的水平，在富氧液流部分蒸发之前或在部分富氧液体完全蒸发之前，将富氧液膨胀以产生温差，以供与部分空气和最好与，如果存在的话，从蒸馏塔取出的蒸气流，进行间接热交换。附图说明
尽管本发明的说明书用权利要求书为总结清楚地指出本发明者之为发明的主题内容，但若将下列附图联系起来，则对本发明相信将会有更好的理解。在这些附图中：
图1为说明根据本发明的方法和设备进行操作的空分装置的示意图；以及
图2为图1的另一具体实施方案。为了避免不必要的重复，在图2与图1中，有同样功能的组件和流采用图1中数字的序号。详细说明
参考图1，所示的是一个单塔式氮发生器10，进入的空气流12通过过滤器14过滤除去尘粒以及类似物。过滤后的空气流12用压缩机16压缩，然后用常规的后冷却器18除去压缩热。水、二氧化碳和空气中的痕量重组分如烃，通过连接于后冷却器18的预净化单元20加以除去。预净化单元20可以包括若干吸附剂床，操作时有相位差，以便再生。
然后将已经过滤和净化的空气流导入主换热器22。待分离的空气进入主换热器22，然后被充分地冷却至其适于精馏的温度。用在此处和在权利要求书中所用的术语“充分地冷却”。其意义是指冷至可进行精馏的温度。用在此处和权利要求书中的术语充分地温热”的意义是指温热至主换热器22的温热端的温度。术语“部分地温热”的意义是指温热至精馏温度之上，但在主换热器22的温热端的温度之下的温度。
空气流22在主热交换器22中充分地冷却后，分别将其分成第一和第二副流24和26。为达到此目的，将由管的丁字形段、集管等形成的接头连在主热交换器上。第一副流24构成待分离的空气的主要部分并被导入单塔式蒸馏塔30中，该塔具有液—汽接触单元32，34和36，它们可以是塔盘和/或有条理的填料，无序的填料等。蒸馏塔30将进入的空气精馏成富氧的塔底残液(它集中于蒸馏塔30的底部区域38内)和富氮蒸气的塔顶馏出物(它集中在蒸馏塔30的顶部区域40)。塔顶冷凝器42连接于蒸馏塔30上以冷凝至少部分收集在蒸馏柱30的顶部区域40中的富氮蒸气塔顶馏出物。从蒸馏塔30的顶部区域40抽取氮蒸气流44的一部分并将它导入塔顶冷凝器42。氮蒸气流44有一部分被冷却剂流46冷凝，后者转而蒸发，产生蒸发的冷凝剂蒸气流47。冷凝后，氮蒸气流44被返回，作为回流48，进入蒸馏塔30的顶部区域40。从蒸馏柱30的底部区域38抽出由富氧的塔底液构成的富氧液流50。然后，富氧液流50最好随后在过冷单元52中过冷，以使在接下来的阀膨胀时蒸气形成减至最少。然后，富氧液体流50在通过减压阀55(将在以下详细说明)之后部分地在蒸发器54中蒸发。然后导入相分离器56，将富氧液流50分离成为液相和蒸气相。
从相分离器56抽出液相构成的液相流58，然后通过减压阀60充分降低液相流58的温度，它能作为塔顶冷凝器42的冷却剂。这样，通过减压阀60后的液相流58转变为冷却剂46(以上已对它进行过叙述)。
相分离器56也与主热交换器22相连接，使由蒸气相构成的蒸汽相流62在主热交换器22中部分温热。已被部分地温热的蒸气相流62在在连接于主热交换器22的汽轮膨胀机64或其它膨胀机中膨胀。膨胀的蒸气相流62的膨胀产生一冷却剂流66。
在图示的具体例子中，冷却剂流66也在过冷单元52内温热，正如蒸发的冷却剂流47和产品流68一样。正如图示那样，蒸发的冷却剂流47在通过经过冷单元52后，在主热交换器22中充分地温热，形成废氮流，以WN1表示部分温热的蒸发的冷却剂流47可被馈入预净化单元20，达到床的再生目的。主热交换器22与汽轮膨胀机64连接的，可使冷却剂流66在主热交换器22中最终充分地温热，并作为以WN2表示的废流放出。形成了一个产物流68，它由集中在蒸馏塔30的顶部区域40的氮蒸气塔顶馏出物组成。产物流68含的氮蒸气塔顶头馏出物的一个剩余部分，它未被用作回流而回至蒸馏塔30。在过冷单元52中部分温热后，产物流68在主热交换器22中充分地温热，并作为产物流而出料，表示为PN相对于以上提到的各个流的部分温热，如前所述，富氧液体流50得到过冷。
在单塔式氮发生器10中，富氧液体流50在蒸发器54中部分地被蒸发，因此仅仅部分富氧液体流50被用作塔顶冷凝器42的冷却剂。其结果是，在单塔式氮发生器10中，通过塔顶馏出物的冷凝所提供的回流要比已知技术中的氮发生器所提供的少。如果不加入其它回流本发明所计议的一种操作，本发明的氮发生器就会比已有技术有较低的生产率和/或生产出较低低度的氮。然而，本发明也计议了一种操作上的具体实施方案，此中，通过在特别需要加入额外的液体回流的蒸馏塔30的较低部位引入中间回流，对这种缩减的回流作一种有效的调整。
该中间回流使单塔式氮发生器10具有类似的已知技术的装置设计所应达到的相同的产品的产率和纯度。为此目的，在蒸发器54中将第二辅助流26液化。为了在已被过冷后的富氧液流50和第二辅助流26之间建立温度差，因此装有减压阀55，进行减压，并由此降低富氧液流50的温度。富氧液体流50的这一降压使其压力低于蒸馏塔30的压力，但结果使富氧液流50仍有足够的压力，使由它产生的蒸气流62能起冷冻作用。蒸馏塔压力较低时，例如，低于8巴时，导入蒸馏塔30的额外回流是通过将从蒸馏塔30上的与第二辅助流26几乎相同点抽出的蒸气流72经液化而形成的，经液化后，它被导入蒸馏考30中。然后将蒸气流72在蒸发器54中液化，作为额外回流在导入液化后的第二副助流26的上方一点处加以导入。显然，减压阀55同时也起到在富氧液体流50和蒸气流72之间建立温差的作用。
设备10的各种可能的变体包括在高压下操作的蒸馏塔30。在此情况下，膨胀机也可以与冷却剂流40连接。这将增加装置的总的冷冻量，因而产生的液体数量也就增加。另外，这种汽轮膨胀机也可被用于驱动一个循环压缩机来循环的冷却剂流46中所含的部分富氧液体，使其回到蒸馏塔30，这样也能增加产量。还可充分意识到富氧液体流50的部分蒸发并不一定要局限于所图示的具体方案，其中部分蒸发是通过一部分进入的空气的液化而完成的。例如，在一适当的低压塔的操作中，并不具有液体空气和确切成分的来自塔一个流，可被用来代替液化空气。
参照图2，它说明了另一种单塔式氮发生器10的具体实施方案。在氮发生器10中，富氧流50在过冷单元52中经过过冷后被分为第一和第二部分流50a和50b。第一部分流50a在第一减压阀60中膨胀，形成冷却剂流46。第二部分流50b被减压阀55膨胀后在蒸发器54中完全地蒸发。该完全地蒸发后的流，以参考序号63表示，然后在主热交换器22中被部分地温热并在汽轮膨胀器64中被膨胀。实施例1
下面是根据本发明的单塔式氮发生器10(在图1中有说明)的一种可能的操作的用图表示和计算的实施例。在这一实施中，假定塔30采用压降较低的结构填料，并具有10块理论塔板。第二部分流26经液化后被加到蒸馏塔的倒数约第6块理论考板处。液流72在倒数第6块理论塔板处取出，并在冷凝后，返回到蒸馏塔30的倒数约第16块理论塔板处。
应予指出，在这一例子中“L”表示液体状况，“V”表示蒸气状况。顶产物纯度，氮回收作为空气进料的一部分和加入和取出点对于用于完成计算的基准的物理性质是敏感的。预净化单元的操作的固有的损失额已被包括在流12中。本领域的技术人员应可充分意识到，过冷器52对蒸馏塔的槽30而言应处于低位。
这样，在已知技术的制造气态氮产物的一种设计中，其数量、从空气回收的部分、纯度和压力都相同，其中由汽轮膨胀器通过将空气膨胀至蒸馏塔中的制冷，通常流12须压缩至约3.94巴，而在本发明中，空气仅压缩至约3.45巴。实施例2
下面是根据本发明的单塔式氮发生器10(在图2中有说明)的一种可能的操作的用图表示和计算的实施例。在这一实施例中，假定塔30用低压降的结构填料并具有约100块理论塔板。第二部分流26经液化后被加至蒸馏塔的倒数约第6块理论塔板处。流72从蒸馏塔的倒数约第6块理论塔板处取出且于冷凝后在蒸馏塔30的倒数约第16块理论塔板处返回。
实施例1的表
流No. 流速 Nm3/hr 液体蒸气的情况温度 K 压力巴 (a)氧含量％或 ppm 12 13,400 v 305 1.01 20.96 24 11,739 V 93.0 3.17 20.96 26 1,454 V 93.0 3.17 20.96 47 3.901 V 87.6 1.21 53.32 50 6,670 L 92.6 3.17 41.92 58 3,901 L 90.1 2.27 53.32 62 2,768 V 90.1 2.27 25.85 66 2,768 V 83.0 1.09 25.85 68 6,670 V 88.3 3.10 2ppm 72 1,454 V 90.6 3.17 9.33
实施例2的表
流 No. 流速 Nm3/hr 液体蒸 汽的情况 温度 K 压力巴 (a)氧含量％或 ppm 12 13,400 v 305 1.01 20.96 24 11,259 V 92.6 3.10 20.96 26 2,080 V 92.6 3.10 20.96 47 3.889 V 86.3 1.21 41.92 50 6,669 L 92.4 3.10 41.92 50a 3,889 L 87.0 3.03 41.92 63 2.780 V 92.1 2.18 41.92 66 2.780 V 85.2 1.06 41.92 68 6,670 V 88.0 3.03 4.8ppm 72 1,008 V 90.3 3.09 9.06
参照较佳的具体实施例，本发明已作了详细说明，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可作大量的变化、补充和删减。