低温空气分离方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种包括至少两个塔的空分系统，该系统中，两部分原料空气在两种不同温度下透平膨胀，以产生冷量，原料空气的第三部分与从该空分设备中取出的正蒸发的产品进行热交换而被冷凝，这三部分原料空气全都送入同一塔中，以进行分离。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及低温空气分离领域，更具体地说，涉及从空气分离中生产高压气体产品，也可从该空气分离中获得液体产品。常用于空气分离的工业系统是低温精馏，它是利用高进气压来进行分离的，这种高进气压通常是将原料空气在引入塔系统之前经压缩机压缩而获得的。进行空分时，液体和蒸汽逆流接触通过该塔或几个塔的汽-液接触部件，使易挥发组份从液体变成蒸汽，而不易挥发组份由蒸汽变成液体。蒸汽在塔内上升的过程中，易挥发组份逐渐增多，液体在塔内下降的过程中，不易挥发的组份逐渐增多。通常低温分离是在主塔系统和辅助氩塔中进行的，主塔系统至少包括一个塔，在该塔中原料空气被分离成富氮组分和富氧组分，从主塔系统中流出的原料空气在辅助氩塔中被分离成富氩组分和富氧组分。人们常常希望从空气分离系统中回收到高压气体产品。通常是用压缩机将产品气体压缩到高压，这种系统很有效，但十分昂贵。在某些情况下，还需要生产液体产品，所生产的液体产品可用于长时间需要的情况，以及不使用气体产品的场合。因此，本专利技术的目的是要提供一种改进的低温空气分离系统。本专利技术的另一个目的是要提供一种用于生产高压产品气体而又减少或不需要对产品气体进行压缩的低温空气分离系统。本专利技术还有一个目的是要提供一种用于生产高压气体产品同时还生产液体产品的空气分离系统。本领域的普通专业技术人员阅读了本专利技术所公开的内容后，将能清楚地看到用本专利技术可达到上述目的及其它目的。本专利技术一般包括将不同温度的、压缩过的两部分原料空气进行透平膨胀，以向设备供冷;冷凝另一部分与正蒸发的液体进行热交换的原料空气，以生产气体产品。更具体地说，本专利技术一方面包括利用低温精馏分离空气以生产气体产品的方法，它包括如下步骤(A)透平膨胀经压缩的原料空气的第一部分，冷却经透平膨胀的第一部分气体，将所生成的冷却、透平膨胀过的第一部分空气送入空分设备的第一塔，第一塔的运行压力范围一般为60-100磅/吋2;(B)冷却压缩过的原料空气的第二部分，将已冷却的第二部分在低于步骤(A)中透平膨胀温度的温度下进行透平膨胀，将所生成的经透平膨胀的第二部分空气引入第一塔;(C)至少部分冷凝原料空气的第三部分，将所生成的液体引入第一塔;(D)将流入第一塔的流体分离成富氮和富氧流体，并将此两股流体引入空分设备的第二塔，第二塔的运行压力低于第一塔;(E)将流入第二塔的流体分离成富氮蒸汽和富氧液体;(F)通过与原料空气的第三部分进行间接热交换来蒸发富氧液体，以进行步骤(C)中的冷凝;(G)回收经步骤(F)中热交换而生成的蒸汽，以当作氧气产品。本专利技术另一方面包括利用低温精馏分离空气以生产气体产品的设备，它包括(A)一个空气分离设备，包括一个第一塔、一个第二塔、一个再沸器、将流体从第一塔送到再沸器的装置、及将流体从再沸器送到第二塔的装置;(B)一个第一透平膨胀机、向第一透平膨胀机供给原料空气的装置、将流体从第一透平膨胀机送到热交换器的装置，及将流体从热交换器送到第一塔的装置;(C)一个第二透平膨胀机、冷却原料空气并将冷却过的原料空气送至第二透平膨胀机的装置，以及将流体从第二透平膨胀机送至第一塔的装置;(D)一个冷凝器、向该冷凝器供给原料空气的装置、及将流体从冷凝器送至第一塔的装置;(E)将流体从空分装置送入上述冷凝器的装置，以及(F)从该冷凝器中回收产品气体的装置。此处所使用的术语“塔”指的是一种蒸馏或精馏塔、或蒸馏或精馏区，即一种接触塔或区域，在该塔或区中液相和汽相逆流接触，以实现流体混合物的分离。例如，汽相和液相可以在安装在塔内的一系列垂直相隔的盘或板上接触，或者也可以在填料部件上接触。对于蒸馏塔的进一步讨论可以参见“化学工程手册”(第5版，由R.H.Perry和C.H.Chilton编，McGraw-Hill图书公司出版、纽约)的第13章，即“蒸馏”一章的第13-3页上B.D.Smith等人的文章“连续蒸馏过程”(The Continuous Distillation Process)。术语“双级塔”指的是一种高压塔，其上端与低压塔的下端处于热交换关系。关于双级塔的进一步讨论发表在Ruheman的“气体分离(The Separation ofGases)”一书(牛津大学出版，1949年)的第7章“工业空气分离(Commerical Air Separation)”中。术语“氩塔”指的是一种塔，在该塔中通过往上流的蒸汽与向下流的液体逆向流动，使上流的蒸汽中氩的含量逐渐增多，氩气产品从该塔中抽出。术语“间接热交换”的含义是两种流体进行热交换时没有任何直接接触，或者流体之间互不掺混。术语“汽-液接触部件”是指在两相逆流流动期间，在液汽接触界面处任何有助于传质或有助于组分分离的塔内部件。术语“塔盘”指的是一种大体上是平坦的板，板上有孔、液体入口和出口，液体能流过板，而蒸汽通过孔上升，以便两相之间进行传质。术语“填料”的含义是指用作塔内部件的任何具有予定结构、尺寸和形状的实体或空心体，它们为液体提供了表面积，从而能在两相逆流流动期间，在液-汽接触界面处进行传质。术语“无规填料”意指各个填料互相之间或相对于塔轴线来说无特定取向的填料。术语“结构定形填料(structured packing)”指的是各个填料彼此之间、以及相对于塔轴线而言具有特定取向的填料。术语“理论段”的含义是指在某段中向上流动的蒸汽和向下流动的液体之间为理想接触，使离开的流体保持在平衡状态。术语“透平膨胀”意指让高压气流通过一个透平机而降低该气体的压力和温度，从而产生冷量。一般常采用负载装置，如发电机、功率计或压缩机之类来回收能量。术语“冷凝器”是指一种靠间接热交换的方式冷凝蒸汽的热交换器。术语“再沸器”意指一种靠间接热交换的方式蒸发液体的热交换器。再沸器一般用在精馏塔的底部，以向汽-液接触部件提供蒸汽流。术语“空气分离设备”指的是一种利用低温精馏的方法分离空气的设备，它包括至少一个塔和附属连接装置，如泵、管路、阀和热交换器等。附图说明图1是本专利技术的低温空气分离系统的一个最佳实施例的流程简化示意图;图2是空气冷凝压力与氧沸腾压力的关系曲线图。下面将参照附图详细描述本专利技术。参见图1，原料空气100通常被压缩到绝对压力为90到500磅/吋2(psia)的范围内，然后与流过热交换器101的逆向回流进行间接热交换而被冷却。经压缩的原料空气的第一部分200在完全流过热交换器101之前中途从热交换器101中抽出，并被送入第一透平膨胀机201中，在该膨胀机中，气流通常被膨胀到压力为60-100磅/吋2。通常，第一部分200包含原料空气100的10%-30%。所生成的经透平膨胀的第一部分204经热交换器202间接热交换而被冷却，所生成的经冷却、透平膨胀后的第一部分作为气流206送入第一塔105中。经压缩的原料空气的第二部分103完全流过热交换101而被冷却，然后流入第二透平膨胀机102中进行膨胀至压力范围一般为60-100磅/吋2。所生成的经透平膨胀的空气104被送入第一塔105中，第一塔的运行压力通常为60-100磅/吋2。第二部分103常含原料空气100的40%-60%。在图1所示的最佳实施例中，经透平膨胀的第一和第二部分汇合在一起作为单股气流206流入塔105中。透平膨本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用低温精馏分离空气以生产气体产品方法，它包括：（Ａ）透平膨胀经冷却、压缩的原料空气的第一部分，对透平膨胀过的第一部分进行冷却，将所生成的冷却、透平膨胀过的第一部分送入空分设备的第一塔，第一塔的运行压力范围一般为６０－１００磅／时↑［２ ＃惠（Ｂ）冷却压缩过的原料空气的第二部分，将已冷却的第二部分在低于步骤（Ａ）中透平膨胀温度的温度下进行透平膨胀，将所生成的经透平膨胀的第二部分引入第一塔；（Ｃ）至少部分冷凝原料空气的第三部分，将所生成的液体引入第一塔；（Ｄ）将流 入第一塔的流体分离成富氮和富氧流体，并将此两股流体引入空分设备的第二塔，第二塔的运行压力低于第一塔的运行压力；（Ｅ）将上述流入第二塔的流体分离成富氮蒸汽和富氧液体；（Ｆ）通过与原料空气的第三部分间接热交换来蒸发富氧液体，以进行步骤（ Ｂ）中的冷凝；（Ｇ）回收经步骤（Ｆ）中热交换而生成的蒸汽，以当作氧气产品。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JR德雷，DR帕斯尼克，
申请(专利权)人：联合碳化工业气体技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]