專利名稱：：低溫空氣分離法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本文中所用的術(shù)語"塔"是指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或區(qū)，其中液相和氣相逆流接觸以進(jìn)行流體混合物的分離，例如通過使氣相和液相在安裝于所述塔內(nèi)的一系列垂直間隔的塔盤或塔板和/或填料元件(如規(guī)整填料或散堆填料)上接觸。蒸餾塔的進(jìn)一步討論參見theChemicalEngineer'sHandbook(化學(xué)工程師手冊)，第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton編輯，McGraw-HillBookCompany(McGraw-Hill圖書公司)，紐約，第13節(jié)，TheContinuousDistillationProcess(連續(xù)蒸餾婦。雙塔包括高壓塔，所述高壓塔上端與低壓塔下端具有熱交換關(guān)系。[0009蒸氣和液體接觸分離法取決于各組分的蒸氣壓差。較高蒸氣壓(或揮發(fā)性較高或低沸點)組分將在氣相中濃縮而較低蒸氣壓(或揮發(fā)性較低或高沸點)組分將在液相中濃縮。部分冷凝為其中蒸氣混合物的冷卻可用于濃縮氣相中的揮發(fā)組分以及液相中的低揮發(fā)性組分的分離法。精餾或連續(xù)蒸餾是結(jié)合了連續(xù)部分汽化和濃縮的分離法，如通過氣相和液相的逆流處理獲得。氣相和液相的逆流處理通常為絕熱的且可包括各相之間的積分(多極)或微分(連續(xù))接觸。利用精餾原理來分離混合物的分離法裝置經(jīng)?？苫Q稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫分離為至少部分在150開氏度(K)以下進(jìn)行的精餾法。本文中所用的術(shù)語"進(jìn)料空氣"是指主要包含氧氣和氮氣的混合物，如環(huán)境空氣。0012本文中所用的術(shù)語塔的"上部，，和"下部"分別是指所述塔中點以上和以下的部分。0013本文中所用的術(shù)語"渦輪膨脹"和"渦輪膨脹機(jī)，，分別是高壓流體流過渦輪以降低其壓力和溫度，以產(chǎn)生冷凍的方法和儀器。在塔102中將空氣分離成富氧和富氮部分。將富氧液體12從所述塔底移走，引入換熱器108,逆著加熱氮蒸氣冷卻，作為過冷液體21出來，并進(jìn)料至塔103中間點，低于流10的進(jìn)料點但高于塔底。氮蒸氣13從中壓塔102頂部離開。將蒸氣流14的一部分作為中壓氮產(chǎn)品移走，并進(jìn)料至主換熱器101的冷端。流14在主換熱器101中逆著冷空氣流升溫并作為熱中壓氮氣流39離開熱端。流13的剩余部分15進(jìn)入冷凝器/再沸器105的冷凝側(cè)。流15在塔104中逆著蒸發(fā)的塔底液體液化。離開冷凝器/再沸器的液氮16分流成兩股流；將流17送入換熱器108,流18作為回流返回塔102。流17逆著加熱氮蒸氣過冷，所得過冷液氮流28在或靠近頂部進(jìn)入低壓塔104。富氮蒸氣流19在塔102頂部下方至少一級的位置被移走并進(jìn)入冷凝器/再沸器106的冷凝側(cè)。流19在塔103中逆著蒸發(fā)的塔底液體被液化并作為液流20返回塔02。流20在流19的回收點或以上的位置進(jìn)入塔102。[0022〗中壓塔103用于進(jìn)一步補(bǔ)充送入低壓塔104的氮回流。氮蒸氣23從中壓塔103的頂部出來并進(jìn)入冷凝器/再沸器107的冷凝側(cè)。流23在塔104中間逆著蒸發(fā)液體液化。離開冷凝器/再沸器107的液氮24分流成兩股流；流25返回塔103頂部，流26進(jìn)料至換熱器108。流26逆著加熱氮蒸氣被過冷，所得過冷液氮流29進(jìn)津+至低壓i荅104頂部或附近。將富氧液體22從塔103底部移走并在冷凝器/再沸器107以上幾級的位置進(jìn)料至低壓蒸餾塔104的中間點。10023低壓蒸餾塔104進(jìn)一步將其進(jìn)料流分離成富氧液體和富氮蒸氣。將富氧液流30從塔104的下部移走，送到低溫氧氣泵112并提高到稍微超過最終氧氣輸送壓力。高壓液流32進(jìn)料至主換熱器101的冷端，在此使之升溫并逆著冷凝高壓進(jìn)料空氣流沸騰。熱的高壓氧蒸氣產(chǎn)品42離開主換熱器101的熱端。富氮蒸氣31從低壓塔104的上部出來，進(jìn)料至換熱器108，逆著冷卻液體升溫并作為過熱氮蒸氣流33離開。0024流33進(jìn)入主換熱器101的冷端，在此它逆著冷卻空氣流部分升溫并分流成兩股流。將完成氮產(chǎn)品所不需的那部分流從主換熱器101中間點移走，該流34進(jìn)料至廢氣渦輪113并膨脹到較低壓力。廢氣渦輪113與液體渦輪111一起用于產(chǎn)生低溫空氣分離裝置的冷凍。低壓氮氣流35離開廢氣渦輪113,進(jìn)料至主換熱器101并作為熱的低壓廢氮氣36離開熱端。流37作為熱的低壓產(chǎn)物氮離開換熱器101的熱端并進(jìn)料至氮氣壓縮機(jī)114的第一級并在那些級的級間冷卻器115中冷卻。使冷卻的壓縮氮氣流38與相同壓力的氮氣流39混合以形成流40。將氮氣流40進(jìn)料至氮氣壓縮機(jī)116的剩余級并在那些級的級間冷卻器117中冷卻。所得高壓氮氣流經(jīng)過冷卻(未顯示后冷卻器)以形成輸送到最終用戶的產(chǎn)品氮氣流41。0025就此給定實施例而言，所需的氧氣輸送壓力為1115磅/平方英寸(絕對值)(psia)而所需的氮氣輸送壓力為335psia。理想地，高壓空氣流5將提高至少2300psia，以提供在1115psia以上沸騰的氧氣。然而，銅焊鋁換熱器(BAHX)能承受的壓力有限。這種情況下，我們根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和BAHX的壓力限制將流5限定到1215psia。稍微高的壓力對于BAHX是可能，但可能不經(jīng)濟(jì)?？赡苄枰┻x技術(shù)如螺旋形換熱器用來處理2300psia的氣流壓力。然而，這非常昂貴。0026〗在常規(guī)示范的情況下，當(dāng)將塔上部壓力提高到剛好足以使所有廢氮氣的膨脹提供了所需的主換熱器熱端溫差時，功率最低化。如果將壓力提高到超過如此，廢氣膨脹機(jī)會提供超過所需的冷凍。當(dāng)按照常規(guī)示范采用廢氣膨脹時，塔102的壓力僅為約95psia,塔104的壓力為約25psia。由于主換熱器中氧的高沸騰壓和冷凝高壓空氣流的允許壓力上限，裝置進(jìn)料的絕大部分必須進(jìn)入增壓壓縮機(jī)109。在本實施例中，流5的流速為流1流速的大約35%。這才羊高的流速加上高的排氣壓力意味著增壓壓縮4幾109消耗了所述裝置總能量消耗的大部分。這種情況下，超過25%的裝置能量消耗來自增壓壓縮機(jī)109。圖2顯示了壓力最低化使得廢氮膨脹機(jī)冷凍產(chǎn)生3.0K的主換熱器溫差(WEDT)的系統(tǒng)的主換熱器的冷卻曲線。2.0K的內(nèi)部窄點(PHX窄點DT)是由于超臨界(1115psia)氧氣逆著冷卻超臨界空氣(1215psia)升溫。大量高壓空氣流在主換熱器冷端提供了過量冷凍，如冷端的大溫差所證實。WEDT和PHX窄點DT之差為1.OK。00281通過提高整個裝置壓力將本發(fā)明用于這種循環(huán)中。當(dāng)將塔102的壓力從95psia提高到180psia和將塔104的壓力從25psia提高到"psia時，通過廢氣膨脹渦輪產(chǎn)生過量冷凍，因為不必作為產(chǎn)品的所有氮氣都仍然通過廢氣膨脹機(jī)。結(jié)果，PHX相當(dāng)寬的冷卻曲線如圖3中所示。WEDT與PHX窄點DT之差現(xiàn)在超過7K。結(jié)果是，就相同主換熱器101而言，需要少許多的來自增壓空氣壓縮機(jī)109的高壓空氣5以適當(dāng)?shù)厥顾懈邏貉醴序v。通過該過量冷凍，流5的流速為進(jìn)料流1的35%-25%而被增壓壓縮機(jī)109消耗的裝置能量的分?jǐn)?shù)為約25%-12.5%。將本發(fā)明應(yīng)用于這種循環(huán)的另一益處是產(chǎn)生的渦輪能量明顯提高，這通過廢氣膨脹渦輪113實現(xiàn)。此外，因為將整個裝置的壓力提高以產(chǎn)生過量冷凍，氮氣產(chǎn)物流37和39在較高壓力下離開所述裝置，從而氮氣壓縮機(jī)的能量要求下降。盡管主進(jìn)料空氣壓縮機(jī)需要較高能量，本發(fā)明實踐提供了超過常規(guī)實踐的優(yōu)勢。這顯示于表l中，該表顯示了常規(guī)實踐(A)和采用本發(fā)明實踐(B)的圖1中所示循環(huán)的歸一化能量消耗。表1中的數(shù)字編號與圖1相同。所述實施例用于il明和對比而非限定，氧產(chǎn)品流42以1115psia離開所述裝置，氮產(chǎn)物流41被壓縮到335psia。此外，本發(fā)明實踐能有效地生產(chǎn)適量的液體產(chǎn)品。一部分過糞渦輪冷凍可用于制備液體產(chǎn)物且相關(guān)裝置的能量會非常低。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>0031當(dāng)氧產(chǎn)物的壓力為至少250psia時，本發(fā)明實踐的益處將特別有益。通常通過本發(fā)明實踐，氧產(chǎn)品的壓力將為200-1500psia。[0032盡管已參考某些實施方案和低溫空氣分離循環(huán)對本發(fā)明進(jìn)行描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到在權(quán)利要求書精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明存在其它實施方案和其它低溫空氣分離。權(quán)利要求1.一種將進(jìn)料空氣低溫分離的方法，其中進(jìn)料空氣在主換熱器中冷卻，通過在至少一個塔中低溫精餾分離而產(chǎn)生富氧液體和富氮蒸氣，將富氧液體壓力提高，通過與至少部分進(jìn)料空氣進(jìn)行間接熱交換使所述加壓的富氧液體蒸發(fā)，產(chǎn)生產(chǎn)品氧，改進(jìn)之處包括產(chǎn)生超過進(jìn)行低溫精餾所需的足夠過量冷凍，使得所述方法的總熱端溫差超過主換熱器的最低內(nèi)部溫差至少2K。2.權(quán)利要求l的方法，其中至少部分冷凍通過富氮蒸氣的渦輪膨脹產(chǎn)生。3.權(quán)利要求l的方法，其中至少部分冷凍通過進(jìn)料空氣的渦輪膨脹產(chǎn)生。4.權(quán)利要求3的方法，其中所述進(jìn)行渦輪膨脹的進(jìn)料空氣為液化的進(jìn)料空氣。5.權(quán)利要求l的方法，其中所述總熱端溫差超過所述最低內(nèi)部溫差至少3K。6.權(quán)利要求l的方法，其中所述總熱端溫差超過所述最^f氐內(nèi)部溫差至少4K。7.權(quán)利要求l的方法，其中所述氧產(chǎn)品的壓力為至少200psia。8.權(quán)利要求1的方法，其中所述富氧液體在所述主換熱器中蒸發(fā)。9.權(quán)利要求l的方法，其中所述富氧液體在與主換熱器分離的產(chǎn)物再沸器中蒸發(fā)。10.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括回收富氮蒸氣作為產(chǎn)品氮。全文摘要一種將低溫空氣分離的方法，其中液氧(30)經(jīng)過增壓(112)并逆著冷凝進(jìn)料空氣(5)蒸發(fā)以產(chǎn)生氧氣產(chǎn)品(42)，其中產(chǎn)生過量裝置冷凍，使得所述方法的總熱端溫差超過所述主換熱器(101)的最低內(nèi)部溫差至少2K。文檔編號F25J3/04GK101351680SQ200680050267公開日2009年1月21日申請日期2006年10月31日優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日發(fā)明者N·M·普羅塞爾,P·J·蘭金申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司