[发明专利]利用一体化芯体的低温空分系统

说明书

本发明总的涉及一种一体化热交换芯体，该芯体包括不同层次的传热和传质区段，以便在低温空分系统中提高热力学效率和降低基建费用。

在该专业领域中已知低温空分系统将气体混合物分离成重组分和轻组分，典型的分别为氧和氮。分离过程在多个装置中进行，进入的混合冷气流在以传质方法如精馏、提馏、回流冷凝(分馏)和再沸等分离成混合气体的不同组分之前与其它物流进行热交换(直接或间接)。一旦分离，不同组分的物流应通过热交换组件重新加热至环境温度。各加热，冷却和分离工序通常在不同的设备中进行，每个设备均会增加制造费用。

在该专业领域内通常希望在增加其效率和/或降低系统的基建费用方面来改进空气装置。已经提出了组合传统的分离设备以便提供一体化装置的不同空分系统。具体而言，加热或冷却物流的不同热交换器和分离物流中重组分和轻组分的分离装置可部分组合在单一的热交换芯体中，以减少空分装置所需设备的数量。

但是，已知系统中还没有一个能提供一种适宜的设计将一系列热交换功能与分离系统完全一体化，使热交换和质量交换同时进行。

本发明涉及一种带有独特一体化设计的空分系统，该系统提供一种单一铜焊的单一芯体，该芯体可组合分离网络与主热交换功能。

本发明提供增大芯体尺寸的机会，因为可增加物流和完成操作的数量。由于芯体尺寸，这就可改善经济。物流的适当分配可使热交换面积的利用最优化。利用两相流动的适当速度同样能防止例如液泛等问题。

一般说来，本发明涉及一种利用同时提供传热和传质的一体化芯体的空分系统。一体化芯体优选铝制的铜焊散热片式芯体。一体化芯体可包括多个通道，通道的排列能有效地组合一系列不同层次的热交换(诸如原料空气物流冷却至低温，工艺物流的过冷/过热和液态物流的煮沸)，以及不同类型的传质(诸如精馏和提馏)。

在一体化芯体的优选设计中，一组进口通道(虽然对于芯体的每个不同操作或物流只需一个通道)。接收进来的原料空气物流，并用其它通道的出口物流冷却进来的原料空气物流。包含至少一个用于接收原料空气物流通道的精馏区段对空气物流提供传质，以形成富集重组分(典型的为氧)的第一液态物流和富集轻组分(典型的为氮)的第一气态物流。第一组进口通道与出口通道呈热交换关系，前者接收第一气态物流，并从一体化芯体中排出第一气态物流，同时使其升温。

设置分离区段，该区段至少包括一个与精馏区段的通道有热交换关系的通道。分离区段接收第一液态物流并将第一液态物流分离为第二液态物流和第二气态物流。分离区段宜为提馏柱，该柱通过(利用逆流)提馏第一液态物流提供传质。但是，在其它实施方案中，亦可应用其它分离系统。具体而言，分离区段可将第一液态物流煮沸，将它分离为液相和气相。

一体化芯体亦可包括另一组与入口通道呈热交换的出口通道。另外一些出口通道接收第二气态物流，并在加温之后将其从一体化芯体排出。一组汽化通道宜与入口通道有热交换关系，它接收并蒸发第二液态物流，然后将汽化的第二液态物从一体化芯体排出。

典型的一体化芯体的设计，使入口和出口通道设置在芯体的同一端。在这类设计中，原料空气物流按向上的流动方向进入入口通道，而排出工艺物流的通道的方位是按向下的流动方向排出其物流。在这种配置中，分离区段置于一体化芯体的另一端，位于接收和排出空气物流的开口之上。带分离系统的一端一般是一体化芯体的冷端。但是，这种设计亦可反过来，使空气物流可从一体化芯体的顶端接收和卸出，而分离区段则置于一体化芯体的底端。

在本发明的另一实施方案中，可用双柱分离装置与一体化芯体连接，以便提供附加分离。在这样的机构中，一体化芯体可作修改，使其可从/或可向双柱分离机构的高压柱和低压柱接收物料和排出物料。双柱分离装置可以类似于常规双柱系统操作，两柱之间相互有流动连通。在本发明中，双柱系统的所有原料物流可由一体化芯体提供。与它相似，一体化芯体可从双柱系统接收废物和产品物流以便进一步加工。

图1表示本发明的第一个实施方案的一体化热交换芯体，它包括一个装在一体化芯体中的回流冷凝器，具有冷凝侧和煮沸侧的分离；

图2表示一与图1所示相类似的一体化芯体，但其方位相反；

图3表示一类似于图2的一体化芯体，但带有过热区段；

图4表示一类似于图3的一体化芯体，但带有输送重组分液体的泵站；

图5表示本发明另一实施方案的一体化芯体，其中回流冷凝器装在一体化芯体中，但无煮沸侧分离；

图6表示类似于图5的一体化芯体，但其方位相反；