采用温膨胀器和冷膨胀器的空气分离法制造技术

本发明专利技术涉及空气在蒸馏塔系统中低温蒸馏的方法，蒸馏塔系统包括至少一个在较高压力条件下操作的蒸馏塔，和一个在较低压力条件下操作的蒸馏塔，其中给料空气冷却并送到较高压力塔，其中在生产氧制品较低压力塔底部的沸腾是通过冷凝氮浓度等于或大于给料空气流体氮浓度的一种流体提供的，且其中采用至少两个膨胀器对蒸馏塔系统提供冷冻作用，其中第一个膨胀器是在进口温度接近室温或大于室温条件下操作，和第二个膨胀器是在进口温度低于室温条件下操作，其中两个膨胀器至少一个采用特定步骤，以达到能量更有效率及费用更节省的目的。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用低温空气分离有效制备氧的几种方法。特别是，本专利技术涉及低温空气分离工艺，其中具有吸引力的是制备至少一部分总氧，其纯度低于99.5％，且优选低于97％。有几篇美国专利，教导有效制备纯度低于99.5％的氧。两个例子是美国专利4,704,148和4,936,099。美国专利No.2,753,698公开了一种用于分馏空气的方法，其中要分离的总空气在复式分馏器的高压塔中预分馏，以制备粗(不纯)液态氧(粗LOX)塔底液和气态氮塔顶馏出物。如此制备的粗LOX膨胀至中等压力，并靠氮冷凝热交换而完全蒸发。蒸发的粗氧然后稍微温热，对生产动力负载膨胀，并在复式分馏器的低压塔中用高压塔内冷凝氮洗涤，然后进入低压塔的顶部。低压塔的底部用来自高压塔的氮再沸腾。提供冷冻作用的这种方法以后就称作CGOX膨胀法。该专利不使用其它冷冻源。因此，对低压塔的常规空气膨胀法要用所提出的CGOX膨胀法代替。实际上，该专利引用了因额外空气送入高压塔达到的改进效果(如对低压塔没有气态空气要膨胀)，而这导致高压塔顶部产生的额外氮回流。这说明额外氮回流量等于送入高压塔空气中额外氮量。为克服低压塔下部蒸出物不足，主张改进低压塔上部用液态氮洗涤的效率。美国专利No.4,410,343，公开了一种采用低压和中压塔制备低纯度氧的方法，其中低压塔的塔底液靠冷凝空气再沸腾，而获得的空气送入中压和低压塔两者。美国专利No.4,704,148公开了一种方法，利用高压和低压蒸馏塔分离空气，制备低纯度氧和废氮流体。主热交换器冷端的给料空气，用于再沸腾低压蒸馏塔，并蒸发低纯度氧制品。用于塔再沸腾和氧制品蒸发的热功，靠冷凝空气馏分提供。该专利中，空气给料分成三路子流体。一路子流体全部冷凝，并用于为低压和高压蒸馏塔两者提供回流。第二路子流体部分冷凝，该部分冷凝子流体的气体部分送入高压蒸馏塔底部，而液体部分为低压蒸馏塔提供回流。第三路子流体膨胀以回收冷冻作用，然后作为塔给料送入低压蒸馏塔。此外，高压塔冷凝器在低压塔中用作中间再沸腾器。在国际专利申请#TCT/US87/01665(美国专利No.4,796,431)中，Erickson提出一种从高压塔引出氮流体的方法，部分膨胀这种氮至中等压力，然后将其冷凝，其方法是对高压塔底部粗LOX，或对低压塔中间高度液体进行热交换。这种冷冻方法如今就称为后跟冷凝氮膨胀(NEC)。通常，NEC提供冷箱的全部冷冻需要。Erickson指出只有单独NEC不能提供冷冻作用的那些应用，才需要通过膨胀某些空气来提供补充的冷冻作用。然而，没有指出采用这种补充冷冻作用来降低能量消耗。这种补充冷冻作用是针对一种流程提出的，其中对流程作了其它改进以降低空气供给压。这降低了氮对膨胀器的压力，并因此降低了从NEC可获得的冷冻量。在美国专利No.4,936,099中，Woodward等人采用与制备低纯度氧有关的CGOX膨胀。这种情况，气态氧制品制备方法是，对部分给料空气进行热交换，蒸发低压塔底部的液态氧。在丹麦专利28 54 508中，一部分在高压塔压力下的空气给料，利用对冷箱提供冷冻作用的膨胀器作功能量，在温热水平上再压缩。这种再压缩空气流然后部分冷却，并在同一驱动压缩机的膨胀器中膨胀。在这种设计中，要再压缩然后膨胀用于冷冻的部分给料空气流是相同的。结果，已知部分给料空气在冷箱中产生更多冷冻作用。该专利提出两种方法利用这种过量冷冻作用(ⅰ)从冷箱制备更多的液态产品；(ⅱ)降低通过压缩机和膨胀器的流量，并因此增加到高压塔的流量。据认为，增加到高压塔的流量，会使冷箱产品产率更高。美国专利No.5,309,721中，复式塔工艺的低压塔，是在比大气压高得多的压力下操作。从低压塔顶部获得的氮流体分成两路流体，每一路流体是在不同温度水平下操作的不同膨胀器中膨胀。美国专利No.5,146,756也提出采用两个膨胀器，在冷却蒸馏给料空气流体的主热交换器内，在冷却和温热流体之间造成大的温差。这么做是为了减少主热交换器芯的数目。然而，为了操作两个膨胀器，低压塔是在大于2.5bar压力下运行，且离开低压塔顶部的部分氮在一个膨胀器内膨胀。部分给料空气在第二个膨胀器内膨胀到低压塔。美国专利No.4,543,115提出一种复式塔工艺，通过压缩产生两种不同压力给料空气流体，并送到冷箱用于分离。较低压力空气流体送到低压蒸馏塔，而较高压力空气流体送到高压塔。复式塔工艺生产低纯度氧和氮制品。美国专利No.4,964,901，也提出将两种压力空气给料用于冷箱分离。较低压力空气流体压力约为1.5-1.8bar，并从主空气压缩机级间引出。其余空气再压缩到较高压力并送到高压塔。较低压力空气送到低压塔。这种工艺的问题是，要采用一个单独的吸附剂床，以从较低压力空气流体中除去杂质如水和二氧化碳。由于较低的压力，大量水存在于较低压力空气流体中，这不仅增加吸附剂床尺寸，也增加这些床再生所需能量。这使方法变得昂贵。本专利技术涉及空气在蒸馏塔系统中低温蒸馏的方法，蒸馏塔系统包括至少一个在较高压力条件下操作的蒸馏塔，和一个在较低压力条件下操作的蒸馏塔，其中给料空气冷却并送到较高压力塔，其中在氧制品生产蒸馏塔底部的沸腾是通过冷凝其氮浓度等于或大于给料空气流体氮浓度的一种流体提供的，且其中采用至少两个膨胀器对蒸馏塔系统提供冷冻作用，其中第一个膨胀器是在进口温度接近室温或大于室温条件下操作，和第二个膨胀器是在进口温度低于室温条件下操作，其特征在于，两个膨胀器的至少一个采用如下至少一个步骤(a)作功膨胀部分给料空气；(b)作功膨胀氮含量等于或大于给料空气氮含量的一种工艺流体，然后冷凝至少部分该膨胀流体，方法是对以下两种液体至少一种进行潜热交换(ⅰ)较低压力塔的中间高度的一种液体和(ⅱ)低压塔液体给料之一，其氧浓度为至少给料空气氧浓度；(c)冷凝氮含量等于或大于给料空气氮含量的至少一种工艺流体，方法是通过潜热交换，蒸发至少部分富氧液态流体，富氧液态流体其氧浓度为至少给料空气氧浓度，且其压力大于较低压力塔压力，作功膨胀至少一部分获得的蒸气流体；和(d)作功膨胀来自较高压力塔的，氮含量等于或大于给料空气氮含量的一种工艺流体，并引出该膨胀流体作为气态产品流体。附图说明图1-5描绘了本专利技术不同实施方案的示意图。在图1-5中，相同的流体使用同一流体代号。图6描绘了本专利技术回收低级热有用设计的示意图。图7和8描绘了两种先有技术工艺示意图。本专利技术提出用于制备低纯度氧，能量更有效和费用更节省的低温工艺。低纯度氧定义为氧浓度低于99.5％且优选低于97％的一种产品流体。该方法中，给料空气用包括至少两个蒸馏塔的蒸馏系统进行蒸馏。一个蒸馏塔在较高压力下操作(HP塔)，而另一个塔在较低压力下操作(LP塔)。在LP蒸馏塔底部的沸腾是通过冷凝氮浓度等于或大于给料空气流体氮浓度的一种流体提供的。本专利技术在该工艺中采用至少两个膨胀器，其中第一个膨胀器在进口温度接近室温或大于室温的条件下操作，而第二个膨胀器在进口温度低于室温的条件下操作。本专利技术中，两个膨胀器的至少一个采用如下至少一个步骤(a)作功膨胀部分给料空气；(b)作功膨胀氮含量等于或大于给料空气氮含量的一种工艺流体，然后冷凝至少部分该膨胀流体，其方法是对以下两种液体至少一种进行潜热交换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气在蒸馏塔系统内低温蒸馏的方法，蒸馏塔系统包括至少一个在较高压力条件下操作的蒸馏塔，和一个在较低压力条件下操作的蒸馏塔，其中给料空气冷却并送到较高压力塔，其中在生产氧制品蒸馏塔底部的沸腾是通过冷凝氮浓度等于或大于给料空气流体氮浓度的一种流体提供的，且其中采用至少两个膨胀器对蒸馏塔系统提供冷冻作用，其中第一个膨胀器是在进口温度接近室温或大于室温条件下操作，和第二个膨胀器是在进口温度低于室温条件下操作，其特点在于两个膨胀器至少一个采用至少一个以下步骤：（ａ）作功膨胀部分 给料空气；（ｂ）作功膨胀氮含量等于或大于给料空气氮含量的一种工艺流体，且冷凝至少部分该膨胀流体，其方法包括对以下两种液体至少一种进行潜热交换：（ｉ）较低压力塔的中间高度的一种液体和（ｉｉ）低压塔液体给料之一，其氧浓度为至少给料空气氧浓度 ；（ｃ）冷凝氮含量等于或大于给料空气氮含量的至少一种工艺流体，其方法包括，通过潜热交换蒸发至少部分富氧液态流体，富氧液态流体其氧浓度为至少给料空气氧浓度，且其压力大于较低压力塔压力，作功膨胀至少部分获得的蒸气流体；和（ｄ）作功膨胀来 自较高压力塔的一种工艺流体，其氮含量等于或大于给料空气氮含量，并引出该膨胀流体作为气态产品流体。...

【技术特征摘要】
US 1998-1-22 09/0109581．一种空气在蒸馏塔系统内低温蒸馏的方法，蒸馏塔系统包括至少一个在较高压力条件下操作的蒸馏塔，和一个在较低压力条件下操作的蒸馏塔，其中给料空气冷却并送到较高压力塔，其中在生产氧制品蒸馏塔底部的沸腾是通过冷凝氮浓度等于或大于给料空气流体氮浓度的一种流体提供的，且其中采用至少两个膨胀器对蒸馏塔系统提供冷冻作用，其中第一个膨胀器是在进口温度接近室温或大于室温条件下操作，和第二个膨胀器是在进口温度低于室温条件下操作，其特点在于两个膨胀器至少一个采用至少一个以下步骤(a)作功膨胀部分给料空气；(b)作功膨胀氮含量等于或大于给料空气氮含量的一种工艺流体，且冷凝至少部分该膨胀流体，其方法包括对以下两种液体至少一种进行潜热交换(ⅰ)较低压力塔的中间高度的一种液体和(ⅱ)低压塔液体给料之一，其氧浓度为至少给料空气氧浓度；(c)冷凝氮含量等于或大于给料空气氮含量的至少一种工艺流体，其方法包括，通过潜热交换蒸发至少部分富氧液态流体，富氧液态流体其氧浓度为至少给料空气氧浓度，且其压...

【专利技术属性】
技术研发人员：R阿格拉沃，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]