氮气生产方法及装置制造方法及图纸

从含有氮气和氧气的气体混合物中精馏氮气的方法和装置。富氧塔底液体在第一换热器中部分蒸发以冷凝部分塔顶馏分从而产生回流。此后，相分离部分蒸发的富氧液体。由至少部分液相构成的第二富氧液体流体被用于充分冷却得自所述相分离的全部或部分气体流，从而形成富氮液体流体。至少部分富氮液体流体再引入塔中以提高氮气回收。第二富氧液体流体随后用于冷却塔回流的第二部分。

Method and apparatus for producing nitrogen

Method and apparatus for rectifying nitrogen from a gas mixture containing nitrogen and oxygen. The liquid at the bottom of the oxygen rich tower is partially evaporated in the first heat exchanger to condense the overhead fraction and thereby produce reflux. Thereafter, an oxygen enriched liquid is separated and partially evaporated. A second oxygen rich liquid fluid composed of at least a portion of the liquid phase is used to sufficiently cool all or part of the gas stream from the phase separation so as to form a liquid rich in nitrogen. At least part of the nitrogen enriched liquid fluid is reintroduced into the tower to increase nitrogen recovery. Second oxygen enriched liquid fluid is then applied to the second portion of the cooling tower backflow.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过低温精馏在精馏塔中分离气体混合物以生产氮气产 物的方法和装置，其中蒸发由塔底馏分构成的富氧液体，同时冷凝含有 氮气的塔顶馏分以形成精馏塔回流。更特别的，本专利技术涉及这样一种方 法和装置，其中富氧液体被连续蒸发，以及由富氧液体连续蒸发产生的 富氮蒸气相被冷却并随后再引入塔中以提高氮气回收率。
技术介绍
可以通过低温精馏从包括氮气和氧气的气体混合物，例如空气中分 离氮气。典型的，压縮并净化过的空气流体被冷却至适合其精馏的温 度，随后在精馏塔中精馏产生塔顶富氮蒸气和塔底富氧馏分。通过冷凝 一些富氮蒸气产生塔的回流。该冷凝通过富氮蒸气流体和富氧塔底馏分 流股间接换热完成。部分液体可作为产物。富氧塔底产物的最终蒸发产生废弃流股。该废弃流股和氮气产物流 股通过主换热器以冷却进料的压縮和净化过的空气。通过在主换热器中 部分加热废弃流股、废弃流股通过透平膨胀机以及随后在主换热器中加 热废弃流股，可提供制冷。一般地，用于富氧液体与富氮蒸气换热的冷凝器性能是低效率的。 蒸发的富氧液体流体与冷却的塔顶氮气馏分之间存在过量的温度差。因 而，大部分因为在冷凝器的换热，该方法消了耗额外的压縮功。另外 的，精馏塔塔底附近存在过量的成分梯度。特别地，很少的级内出现快 速的成分变化。这样的急剧的成分变化对应于转变为无效功的大量的热 力学不可逆性。现有技术中，大量努力主要集中于冷凝器操作和塔回 收。US4867773和US4872893详述了类似的方法，涉及单塔氮气精馏方 法，其中至少部分蒸发的富氧塔底馏分被加热、压縮并再循环到塔中。 回流流体以比进料空气低的位置进料。改进的效果使得塔顶冷凝器更有效操作以增加氮气回收。US4883519说明了另一种单塔氮气精馏方法，其中塔顶馏分氮气通 过两个换热器冷凝。该方法中，富氧塔底馏分流体减压至第一压力并部 分蒸发。产生的蒸气再循环至主空气压縮机。剩余的富氧液体进一步减 压并引入第二低压换热器中充分蒸发。至少部分生成的蒸气引入涡轮膨 胀机用于冷凝生产。US4927441公开了另一种单塔氮气方法，其类似于US4883519中所 公开的。在该设置中，富氧塔底馏分减压至第一压力并随后引入分离容 器，其含有包含如填料的传质元件的小的传质部分。该传质塔部分用于 在流体减压和引入第二换热器之前进一步富集流体中的氧气。该装置的 优点在于产生在传质部分产生的塔顶馏分与空气构成非常接近，因此可 通过主空气压縮机再利用，而没有相应的构成混合损失。US5711167公开了一种单塔氮气方法，其中两个塔顶冷凝器用于通 过富氧液体连续蒸发产生精馏塔的回流。在两个塔顶冷凝器之一中进行 的富氧液体第一部分蒸发中，产生的蒸气在制冷压縮机中被压縮并引回 精馏塔底部。在第二冷凝器中进行的富氧液体第二次部分蒸发产生的富 氧废弃物在排放前加热并膨胀。至少部分膨胀的轴功引入制冷压縮。US5899093详述了一种方法，其中富氧塔底馏分首先被部分减压并 弓I入精馏器型冷凝器。产生于冷凝器中的富氧塔底馏分分离出富氮气 体，并通过在空气压縮机中进行气体压縮来回收分离的富氮气体。更加 富氧的剩余流体进一步减压并用于冷凝来自塔的塔顶馏分氮气的额外部 分。更加富氧的剩余流体进一步减压并用于冷凝来自塔的塔顶馏分氮气 的额外部分。首选部分蒸发获得的氮气馏分再循环至气体压縮机，随后 到塔。US5934106和US5868006公开了一种单塔氮气发生器，其中塔顶馏 分氮气被来自塔系统的两个流体冷凝。第一富氮类空气的液体流体蒸发 并再压縮回塔中。第二富氧塔底馏分流体从塔中提出并也被蒸发。第二 蒸发馏分被加热并随后膨胀。膨胀功提供第一循环流体的制冷压縮需要 的轴功。要讨论的是，本专利技术涉及通过空气或其他含有氧气和氮气的气体在精馏塔中的低温精馏，回收富氮蒸气的方法，其中至少部分由液体塔底 馏分构成的富氧液体流体连续蒸发中产生的富氮液体冷凝物被引入精馏 塔，以在能量效率和成本效率方式增加富氮蒸气的蒸气生成。
技术实现思路
本专利技术提供一种分离包括氮气和氧气的气体混合物以生成氮气产物 的方法。按照该方法，由气体混合物构成的净化过的、压缩并冷却的气 体流体引入精馏塔以生成塔顶富氮蒸气和富氧液体塔底馏分。至少部分 由富氧液体塔底馏分构成的第一富氧液体流体减压并随后在第一换热器 中部分蒸发。蒸气相从由第一富氧液体流体部分蒸发形成的液相脱离。 至少部分由液相构成的第二富氧液体流体减压并随后通过与至少一部分 由蒸气相构成的蒸气相流体在第二换热器中间接换热而部分蒸发。这充 分冷凝气相流体以形成富氮液体流体。由塔顶富氮蒸气构成的塔顶富氮流体的第一部分在第一换热器中冷 凝，塔顶富氮流体的第二部分在第三换热器中冷凝。塔顶富氮流体的第 二部分的冷凝通过与第二富氧流体在其部分蒸发之后间接换热进行，从 而进一步蒸发第二富氧流体。至少部分塔顶富氮流体冷凝之后作为回流 回到精馏塔。至少部分富氮液体流体随后在净化过的、压縮并冷却的流体上方引 入精馏塔。产物氮气流体产生于富氮蒸气部分。第一富氧液体流体可通过与氮气产物流体和由第二富氧液体流体进 一步蒸发之后的蒸气馏分构成的废弃流体进行间接换热而被过冷。由气 体混合物构成的压縮并 净化过的流体可通过与氮气产物流体和富氧流体 过冷之后的废弃流体、以及如果存在的第二部分富氮蒸气流体在其压縮 之前间接换热而冷却。压縮和净化过的流体冷却从而形成至少部分净化 过的、压缩并冷却的流体。在本专利技术的一个具体实施例中，蒸气相流体的第一部分可在第二换 热器中充分冷凝以形成富氮液体流体，并且气相流体的第二部分可被温热(warm)、压縮和冷却并再循环至精馏塔。通过在温热和压縮之后将 蒸气相流体的第二部分与压縮并净化过的流体结合以形成合并的压縮并 净化过的流体来完成冷却和再循环。在该实施例中，合并的压縮并净化过的流体被氮气产物流体、废弃流体和富氮蒸气蒸气流体的第二部分冷 却。同样地，蒸气相流体的第二部分通过与压縮并净化过的流体联合而 冷却并再循环回精馏塔。优选的，废弃流体和氮气产物流体以及如果存在的富氮蒸气流体在 其压縮之前，都与压縮并净化的流体在主换热器内间接换热。废弃流体 可在主换热器中部分温热并随后膨胀做功产生排出流体。排出流体再引 入主换热器并完全温热以制冷低温精馏过程。应注意到此处以及权利要 求中使用的术语部分温热意为废弃流体被温热至介于主换热器热端和 冷端温度之间的温度。此处以及权利要求中使用的术语完全温热意为 完全温热至主换热器热端的温度。富氮液体流体的压力可在充分冷凝之后并在引入精馏塔之前调节。 该调节可通过充分冷凝之后机械泵送富氮液体流体或膨胀富氮液体流体 完成。另 一方面，本专利技术提供一种分离包括氮气和氧气的气体混合物以生 成氮气产物的装置。由本专利技术的这个方面，精馏塔与主换热器连接以精 馏由气体混合物构成的净化过的、压縮并冷却的流体，产生塔顶富氮蒸 气和富氧液体塔底馏分。第一阀门用于减压包括至少部分富氧液体塔底馏分的第一富氧流 体。第一换热器连接于第一阀门以部分蒸发第一富氧液体流体，并且相 分离器连接于第一换热器以从第一富氧流体部分蒸发形成的液相中分离 气相。第二阀门连接于相分离器以减压包括至少部分液相的第二富氧液 体流体，并且第二换热器连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分离包括氮气和氧气的气体混合物以生成氮气产物的方法，所述方法包括：　　　　将净化过的、压缩并冷却的气体流体引入精馏塔以生成塔顶富氮蒸气和富氧液体塔底馏分；　　　　减压包括至少部分富氧液体塔底馏分的第一富氧液体流体，在第一换热器中部分蒸发第一富氧液体流体，从第一富氧液体流体部分蒸发形成的液相中分离蒸气相，减压包括至少部分液相的第二富氧液体流体以及通过在第二换热器中与至少部分由液相构成的液相流体间接换热来部分蒸发第二富氧液体流体，从而充分冷凝至少部分蒸气相流体以形成富氮液体流体；　　　　由塔顶富氮蒸气构成的塔顶富氮流体的第一部分在第一换热器中冷凝，塔顶富氮流体的第二部分在第三换热器中通过与第二富氧流体在其部分蒸发之后间接换热进行冷凝，从而进一步蒸发第二富氧流体，至少部分冷凝的塔顶富氮流体作为回流回到精馏塔；　　　　至少部分富氮液体流体在净化过的、压缩并冷却的液体流体上方引入精馏塔；　　　　由塔顶富氮蒸气的部分生成产物氮气流体。

【技术特征摘要】
US 2007-3-9 11/7164931. 一种分离包括氮气和氧气的气体混合物以生成氮气产物的方法，所述方法包括将净化过的、压缩并冷却的气体流体引入精馏塔以生成塔顶富氮蒸气和富氧液体塔底馏分；减压包括至少部分富氧液体塔底馏分的第一富氧液体流体，在第一换热器中部分蒸发第一富氧液体流体，从第一富氧液体流体部分蒸发形成的液相中分离蒸气相，减压包括至少部分液相的第二富氧液体流体以及通过在第二换热器中与至少部分由液相构成的液相流体间接换热来部分蒸发第二富氧液体流体，从而充分冷凝至少部分蒸气相流体以形成富氮液体流体；由塔顶富氮蒸气构成的塔顶富氮流体的第一部分在第一换热器中冷凝，塔顶富氮流体的第二部分在第三换热器中通过与第二富氧流体在其部分蒸发之后间接换热进行冷凝，从而进一步蒸发第二富氧流体，至少部分冷凝的塔顶富氮流体作为回流回到精馏塔；至少部分富氮液体流体在净化过的、压缩并冷却的液体流体上方引入精馏塔；由塔顶富氮蒸气的部分生成产物氮气流体。2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括通过与氮气产物流体和包括第二富氧液体流体进一步蒸发之后的蒸 发馏分的废弃流体间接换热，从而过冷第一富氧液体流体；以及通过与氮气产物流体和富氧流体过冷之后的废弃流体间接换热，从 而冷却由气体混合物构成的压縮并净化过的流体，从而压缩并净化过的 流体形成至少部分净化过的、压縮并冷却的流体。3. 如权利要求2所述的方法，其中废弃流体和氮气产物流体与压縮并净化过的流体在主换热器中间接 换热；废弃流体在主换热器中部分温热并随后膨胀做功以产生排出流体；以及排出流体再引入主换热器并完全温热以制冷低温精馏过程。4. 如权利要求1所述的方法，其中富氧液体流体的压力在进入精馏 塔之前调整。5. 如权利要求4所述的方法，其中富氮液体流体的压力通过机械泵 送富氮液体流体调整。6. 如权利要求4所述的方法，其中富氮液体流体的压力通过富氮液 体流体阀门膨胀调整。7. 如权利要求1所述的方法，其中蒸气相流体的第一部分在第二换热器中完全冷却以形成富氮液体流 体；以及气相流体的第二部分被温热、压縮和冷却并再循环回到精馏塔。8. 如权利要求7所述的方法，其中第一富氧液体流体通过与氮气产物流体和废弃流体间接换热而过 冷；以及压縮并净化过的流体在压縮后与蒸气相流体的第二部分结合以形成 结合的、压縮并净化过的流体，并且在压縮之前，结合的压縮并净化过 的流体与与氮气产物流体和在过冷第一富氧液体流体和富氮蒸气流体第 二部分之后的废弃流体，进行间接换热而冷却，从而由结合的压縮并净 化过的流体形成净化过的、压縮并冷却的流体；其中蒸气相流体的第二部分通过与压縮并净化过的流体结合而被冷 却并再循环回到精馏塔。9. 如权利要求8所述的方法，其中废弃流体、氮气产物流体和蒸气相流体的第二部分与压縮并净化过 的流体在主换热器中间接换热；废弃流体在主换热器中部分温热并随后膨胀做功以生成排出流体；以及排出流体再引入主换热器并完全温热以制冷低温精馏过程。10. —种分离包括氮气和氧气的气体混合物以生成氮气产物的装置， 所述装置包括-连接于主换热器的精馏塔，以精馏由气体混合物构成的净化过的、压縮并...

【专利技术属性】
技术研发人员：HE霍沃德，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]