利用废气膨胀来压缩生产气流的升压空气分离法制造技术

本发明专利技术涉及升压空气分离低温工艺过程，其中原料空气经压缩、除去水分和二氧化碳、并经主换热器冷却到低温，被送入至少具有两（２）个蒸馏塔的蒸馏塔系统中，分离为富氮制品、富氧制品和废气流，其特征在于，至少一部分废气流被（等熵）膨胀作功，此功至少可为在高于主换热器冷端的温度下压缩除废气流以外的过程气流提供所需的一部分功。被压缩的另外的过程气流可以是原料空气、富氧制品或富氮制品中的至少一部分。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
在工业中，例如在碳质化合物气化应用的工业中，升压低温空气分离装置已广为人知。在升压装置中，压力最低的蒸馏塔仍在比环境压力高的压力下运转。其结果是，所有的气体产物都是在升高的压力下离开蒸馏系统的。除氮、氧、氩以外，空气分离装置的普通产物之一就是用来再生前端吸附床的废气流。废气流系产自以最低压力(仍高于环境压力)运转的蒸馏塔。由于废气流最终是要排入大气的，因而它的压力不需要比大气压力高出很多。本专利技术的目的是要提供出利用废气中所含的多余压力能的有效方法。有人曾对单塔装置或单产品装置从废气中回收多余的压能作过尝试。单塔空气分离装置的回收率很低，因而它们产生的废气量较大。另外，在设计用来例如在氮气发生器中只回收一种空气组分的单塔或多塔装置中，所产生的废气量也是较大的。利用废气中所含的多余压能的显而易见的方式是将废气流在涡轮机中膨胀而产生外功。这一过程还可提供出低温装置运转所需的冷量。带有废气膨胀机(expander)的单塔或多塔氮气发生器的例子在某些专利和其它出版物中已有描述，如美国专利4,439,220、4,448,595、4,453,957、4,927,441以及5,098,457。在这些专利中没有说明，由废气膨胀机所作的外功是否已被用某种方式回收。在废气膨胀机中所产生的外功可以热的形式耗散于环境中。这样做太无效益，但当膨胀机功率很小以及当功率回收的利益抵不上回收系统如发电机的基本投资时，还得这样做。在此情况下，膨胀机的唯一目的是为工厂提供所需的冷却。利用发电机虽比耗散功率效益好些，但它并没有提供出最大可能的效益，一方面是因为在发电机中存在着热力学损失，另一方面，这一方法也没能实现把该功率加载到过程压缩机(压膨机)(compander)上去的潜在协合热力效益。废气膨胀机所产生的功率至少可部分地用来在压膨机中压缩另一种过程气流。这一方法适用于美国专利4,966,002和5,385,024中所描述的单塔氮气发生器。在这些循环中，一部分富氧废气流被膨胀用来压缩另一部分再循环返回蒸馏系统的同样的废气流。由于压缩是在低温下进行的，从而绝对压缩功率并不高，但所需的额外冷量却大大增加了。因此，废气膨胀机所产生的外功率只是在联带的压膨机中部分地被回收，而很大部分的这一功率却耗散掉了。生产氮气和氧气的、由两个或两个以上蒸馏塔组成的循环通常具有很高的回收率，而废气流是比较小的。如果是在低温下膨胀的，则从系统的冷侧所取出的功率只是给工厂提供了所需的冷量(具体结果还取决于压力比)。由于膨胀机温度低以及废气流量小，通常单靠这一功率是不足以用来在实践中压缩任何别的过程气流的。如果过程气流是在低温下被压缩，即冷压缩，该循环所需的增大了的冷量，是不能单靠废气膨胀机来满足的。在热压缩的情况下，冷量需求并不增大，但冷膨胀的功率绝对值换算到工厂热端时往往是不太大的。这或许就是为什么回收废气膨胀机功率来压缩过程气流这一概念，迄今未能在多塔系统中得到广泛应用的理由。但在美国专利4,072,023和欧洲专利EP-0,384,483中已描述了两个例外。在EP-0,384,483中，一部分废气流被膨胀来产生所需要的冷量。同时，该膨胀功在压膨压缩机(compander compressor)中被用来热压缩同一废气流的另一部分。由于膨胀功率如上所述是不大的，因此在压膨机之外还不得不使用外加的压缩机。Springmann的美国专利4,072,023描述了一种空气分离工艺，它由反向换热器和双塔系统组成。在空气分离中已有人把反向换热器用来净化原料气流以除去高沸点组分(如水蒸气和二氧化碳)，它是借助于在换热器流道中冻结这些组分来实现的。Springmann专程地讲明，要利用多余的冷量来冷压缩适当的过程气流，这种过程气流应是其温度不比主换热器冷侧温度高的气流。众所周知，升压循环中的废气流可被加热到很高的温度，并可被膨胀来产生电功率。热气膨胀的缺点是整个热膨胀和功率发生系统的投资费太高。空气分离装置的规模现不断加大，而大装置的废气流率(以及全部的其它流率)的绝对值也很高。因此，废气流和其它过程气流的压力能完全能够给工厂提供出比需要更多的冷量。这一多余的冷量可被用来液化空气分离产品(美国专利5,165,245)或被用来减小主换热器的尺寸(美国专利5,146,756)。本专利技术涉及升压空气分离的低温工艺过程，其中原料空气是经压缩过、经处理除去水分和二氧化碳、并经在具有冷端和热端的主换热器中冷却到低温的空气，它被送入至少具有两(2)个蒸馏塔的蒸馏塔系统中，用来分离为至少三种产物，即富氮制品、富氧制品和废气流，该工艺过程的特征在于，至少有一部分所说的废气流被(等熵)膨胀作功，而膨胀所作的功至少可为在高于主换热器冷端的温度下压缩除废气流以外的一种过程气流提供其所需的一部分功。被压缩的另外的过程气流可以是至少一部分原料空气、至少一部分富氧制品和至少一部分富氮制品。本专利技术特别适合于这样的工艺过程配置，即蒸馏塔系统具有两(2)个热整体的塔一个高压塔和一个低压塔；其中被冷却并处理过的原料空气进入高压塔，并被分离为富氮塔顶蒸气和粗制液氧，其中，一部分富氮塔顶蒸气借助于与低压塔底部的富氧液体的热交换而冷凝，从而使低压塔沸腾，并产生出第一冷凝氮流；其中，至少有一部分冷凝氮流作为回流液返回到高压塔；同时发生下列两(2)组步骤中的一组步骤(a)一部分富氮蒸气或是从高压塔的塔顶或是塔顶以下某个位置被抽出，等熵膨胀，并在从高压塔底部抽出的至少一部分粗制液氧的作用下被冷凝，从而产生出第二冷凝氮流和粗制氧蒸气流；至少有一部分第二冷凝氮流、粗制液氧和粗制氧蒸气流被送入低压塔的适当位置，以使分离为富氧的塔底蒸气和低压的富氮塔顶蒸气；或者是(b)一部分富氮蒸气或是从高压塔的塔顶或是塔顶以下某个位置被抽出，并在至少一部分从高压塔塔底抽出的粗制液氧的作用下被冷凝，从而形成第二冷凝氮流和粗制氧蒸气流；其中，粗制氧蒸气流被等熵膨胀；其中，至少有一部分第二冷凝氮流、粗制液氧和已膨胀的粗制氧蒸气流被送入低压塔的适当位置，以使分离为富氧的塔底和低压的富氮塔顶蒸气。附图说明图1～8为本专利技术几个实施方案的简图。本专利技术为一种升压空气分离低温工艺过程，其中原料空气是经压缩过、清除过水和二氧化碳、并在具有冷端和热端的主换热器中冷却至低温的空气，并被送入包括有两(2)个或两个以上蒸馏塔的蒸馏塔系统中，并被分离为至少三种产物，即富氮制品、富氧制品和废气流，同时，至少有一部分这种废气流被从高压膨胀，而该膨胀所得的能量可为在高于主换热器冷端的温度下，压缩除该废气流以外的任何过程气流提供其所需功的至少一部分功。在以下的讨论中，术语“热”意指环境温度或高于环境温度，术语“低温”意指主换热器冷端的温度。本专利技术的想法在图1中显示得很清晰。空气分离装置的蒸馏塔系统101由至少两个蒸馏塔组成。废气流103从蒸馏塔系统出来后在膨胀机105中被膨胀。所产生的膨胀功107在压膨压缩机109中被用来压缩过程气流111。替代的办法是还可给压缩机109提供额外的能量，例如使用辅助电动机，但图中没有画出。在图中未示出的是为该工厂提供必需冷量可能使用的装置。冷量可由废气膨胀机105来提供。它可借助于往环境中耗散一部分膨胀功或将此功转换为电能来实现。更优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种升压空气分离低温工艺过程，其中原料空气是经压缩过、经处理除去水分和二氧化碳、并经在具有冷端和热端的主换热器中冷却到低温的空气，并被送入蒸馏塔系统中，该系统至少具有两（２）个蒸馏塔，它被用来分离为至少三种产物，即富氮制品、富氧制品和废气流，该工艺过程的特征在于，至少有一部分废气流被膨胀，而膨胀所作的功至少可在高于主换热器冷端的温度下，为压缩除废气流以外的一种过程气流提供其所需的一部分功。

【技术特征摘要】
US 1998-1-22 09/0120931.一种升压空气分离低温工艺过程，其中原料空气是经压缩过、经处理除去水分和二氧化碳、并经在具有冷端和热端的主换热器中冷却到低温的空气，并被送入蒸馏塔系统中，该系统至少具有两(2)个蒸馏塔，它被用来分离为至少三种产物，即富氮制品、富氧制品和废气流，该工艺过程的特征在于，至少有一部分废气流被膨胀，而膨胀所作的功至少可在高于主换热器冷端的温度下，为压缩除废气流以外的一种过程气流提供其所需的一部分功。2.权利要求1的工艺过程，其中被膨胀功所压缩的过程气流是原料空气的至少一部分。3.权利要求1的工艺过程，其中被膨胀功所压缩的过程气流是富氧制品的至少一部分。4.权利要求1的工艺过程，其中被膨胀功所压缩的过程气流是富氮制品的至少一部分。5.权利要求1的工艺过程，其中蒸馏塔系统具有两(2)个热整体的塔一个高压塔和一个低压塔；其中被冷却并处理过的原料空气进入高压塔并被分离为富氮塔顶蒸气和粗制液氧，其中，一部分富氮塔顶蒸气借助于与低压塔塔底的富氧液体的热交换而冷凝，从而使低压塔沸腾，并产生出第一冷凝氮流；其中，至少有一部分冷凝氮流作为回流液被返回到高压塔；...

【专利技术属性】
技术研发人员：ZT菲德科斯基，DM赫伦，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]