制取氧和氮的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低温空气分离系统，该系统将加压后的原料空气至少部分冷凝，以蒸发高压液氮和高压液氧，从而能在减少或不需要对产品进行压缩的条件下制取高压氮气的高压氧气。（*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，涉及生产氧和氮的低温空气分离。利用低温分离空气来制取氧和氮是一种已完善的工业方法。液体和蒸汽以逆流接触的方式流过一个塔或几个塔，氧和氮之间蒸汽压不同，使得氮富集于蒸汽中，而氧富集于液体中。由于存在蒸汽压差，分离塔中压力越低，就越容易使氧和氮分离。因此，通常是在压力较低的情况下最后分离产品氧和产品氮，所用压力常常只比大气压力高几磅/吋2。人们常常希望得到高压产品氧和高压产品氮。在这种情况下，常用压缩机将产品压缩到所需要的压力。而产品压缩机压缩时的能源消耗及成本都是很昂贵的。因此，本专利技术的一个目的是要提供一种改进的制取氧和氮的低温系统。本专利技术的另一目的是要提供一种改进的制取氧和氮的低温系统，该系统能制取高压氧和高压氮，而又减少或不需要对产品气体进行压缩。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，用本专利技术可完成上述任务和其它任务。本专利技术一方面包括一种制取氧和氮的低温空气分离方法，它包括(A)向高压塔供给原料空气，在高压塔内将原料空气分离成富氮蒸汽和富氧液体;(B)使富氧液体从高压塔流入低压塔;(C)冷凝富氮蒸汽以生产富氮液体，并将富氮液体送入低压塔;(D)将流入低压塔的流体分离成富氮蒸汽和富氧液体;(E)使富氧液体与原料空气进行间接热交换，以生产氧气产品;(F)使富氮液体与原料空气进行间接热交换，以生产氮气产品。本专利技术另一方面包括用于制取氧和氮的低温空气分离设备，它包括(A)热交换装置;(B)从热交换装置到第一塔之间的管道装置;(C)从第一塔到第二塔之间的管道装置;(D)从第一塔到冷凝器/再沸器之间的管道装置;(E)使流体从第二塔流到上述热交换装置的装置;(F)使流体从冷凝器/再沸器流到上述热交换装置的装置。在本说明书及权利要求书中所使用的术语“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，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 DistillationProcess)”。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 of Gases)”一书(牛津大学出版，1949年)的第7章“工业空气分离(Commerical Air Separation)”中。蒸汽和液体接触分离过程取决于各组分的蒸汽压之差。蒸汽压大(或易挥发或低沸点)的组分容易富集于蒸汽相中，而蒸汽压小(或难挥发或高沸点)的组分容易富集于液相中。蒸馏是一种分离过程，它通过加热液体混合物使易挥发组分浓集于蒸汽相中，而使难挥发组份浓集于液相中。分凝是另一种分离过程，它通过冷却蒸汽混合物使易挥发组分浓集于蒸汽相中，而使难挥发组分浓集于液相中。精馏或连续蒸馏是通过逆流处理蒸汽相和液相，将逐次部分蒸发和部分冷凝结合起来的分离过程。蒸汽相和液相的逆流接触是绝热的，它可以包括不同相之间全部接触或局部接触。利用精馏原理分离混合物的分离工艺设备常常可互换地称之为“精馏塔”、“蒸馏塔”或“分馏塔”。本说明书和权利要求书中所使用的术语“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，或者流体之间相互不掺混。此处所用的术语“填料”指的是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。此处所用的术语“冷凝器/再沸器”是指一种热交换装置，在该装置中，通过与正蒸发的塔底流体进行间接热交换来使蒸汽冷凝，并为该塔提供了上升的蒸汽流。此处所用的术语“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。此处所用的术语“透平膨胀”指的是让高压气体通过一个透平机而降低气体的压力和温度，从而产生冷量。常采用负载装置，例如发电机、功率计或压缩机之类来回收能量。附图说明图1是本专利技术的方法和装置的优选实施例的示意图;图2是本专利技术的方法和装置的另一优选实施例的示意图;图3是本专利技术的方法和装置的再一个优选实施例的示意图。下面将参照附图详细描述本专利技术的方法和装置。参见图1，干净的、冷的、压缩过的原料空气1在热交换器30中与逆向回流进行间接热交换而被冷却，为了生产高压气体产品，原料空气的压力应足以使液体蒸发，这些将在下文中作更全面的描述。通常，原料空气的绝对压力范围为90-500磅/吋2(psia)。原料空气被分成两部分，第一部分4可占原料气的5%-40%，它流经热交换装置31，该装置是一台双产品侧冷凝器。在热交换装置31中，空气部分4至少部分被冷凝，也可以全部被冷凝。然后，空气部分4经管道装置流入热交换器或过冷却器32中，并在其中过冷却。再流经阀33，最后作为流体6流入第一塔或高压塔34中，该塔是空分设备中双级塔系统的高压塔。高压塔34的运行压力范围一般为60-100磅/吋2。原料空气的第二部分5可以占原料气的50%-90%，它经透平膨胀机35而被膨胀，以便为低温分离提供冷量。膨胀后的空气部分36流入高压塔34中。原料空气的第三部分3可通过热交换器37与低压氮进行热交换而被冷却，再流经阀38，作为流体6的一部分进入高压塔34中。另外，若原料气部分4流经双产品侧冷凝器31时只部分被冷凝，未冷凝部分可以代替部分3或者加入部分3中，在热交换器37中进行热交换。在高压塔34中，通过低温精馏，原料气被分离成富氧液体和富氮蒸汽。富氧液体9由管道装置送至热交换器66中，在该热交换器中，与低压氮气进行间接热交换而被冷却，然后进入第二塔或低压塔39中，该塔的运行压力低于高压塔34的运行压力，其范围一般为15-30磅/吋2。富氮蒸汽40从高压塔34经管道装置流入冷凝器/再沸器41中，与塔39的底部沉积物进行间接热交换而被冷凝。冷凝器/再沸器41虽然可设在塔的外部，但最好位于低压塔内部。所生成的富氮液体42流出冷凝器/再沸器41，其一部分43作为回流返回到高压塔34中。富氮液体8从高压塔34流出，经过热交换器66进入低压塔39。另一种方法是也可以将液体42的一部分作为回流送至低压塔39中，以代替从高压塔34流出的流体8。在低压塔39内，通过低温精馏，将送入塔内的流体分离成富氮蒸汽和富氧液体。富氮蒸汽10从低压塔39中流出，此低压氮顺次流过热交换器66、37和30而复热，并可作为低压氮气产品11被回收。富氧液体用于冷凝流体40中的富氮蒸汽，因而为低压塔39提供了上升的蒸汽流。一部分富氧液体13从低压塔39中流出，进入双产品侧冷凝器31。在图1所示的优选的实施例中，为了制取高压氧气产品，将富氧液体增压，使其在双产品侧冷凝器中在较高压力下蒸发。再参见图1，富氧液体13经阀4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制取氧和氮的空气分离方法，包括：（Ａ）向高压塔提供原料空气，在高压塔内将原料空气分离成富氮蒸汽和富氧液体；（Ｂ）将富氧液体从高压塔送至低压塔；（Ｃ）冷凝富氮蒸汽，以生产富氮液体，将富氮液体送至低压塔；（Ｄ）将流入低压塔中 的流体分离成富氮蒸汽和富氧液体；（Ｅ）使富氧液体与原料空气进行间接热交换，以制取氧气产品；（Ｆ）使富氮液体与原料空气进行间接热交换以制取氮气产品。

【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，
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]