[发明专利]用于通过低温蒸馏分离空气的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过低温蒸馏分离空气的方法/工艺和设备。

背景技术

在不久的将来可以建造大型的气体或煤气化站点。所有气化工艺需要大量高压氧气。

空气分离单元（ASU）的设备尺寸在近四十年来稳步增长，且该趋势没有停止迹象。随着设备尺寸变得越来越大，液体储备问题对于持续数小时以上的设备中断变得不切实际或不可能。

当前技术将允许设备尺寸高达每天7000公吨氧。目前，最大基准设备尺寸介于每天4000到5000公吨之间。

例如，在不久的将来，煤气化可能需要高达50000T/D的非常大的氧气消耗量。气液转化（GTL）设备是具有在20000-40000T/D的范围内的高氧气需求量的另一个示例。在这种大型设施中，显然需要改进的和合理的氧生产理念。

本发明提供了一种用于建造需要多个大型制氧设备群组（train）的大型设施的新方法。这种新方案中还结合了一种用于成本划算的生产储备的新概念。

发明内容

本发明涵盖了用于大型空气分离设施的低温工艺的三个主要方面：

1.制氧设备的工艺选择：本发明的目的是提供一种能够氧产量很高的空气分离工艺。所选的工艺的另一个特征是其有效地接纳更高的空气流量以增加氧产量的能力。

2.用于多个群组的经济储备：本发明的该方面的目的是提供一种用于通过增加空气流量或加速（增强，boosting）而对设备生产进行储备的新方法。

为了达到很高的产量，需要一种用于空气分离设备的不同工艺方案。传统的双塔工艺在约6bar（巴）的低供料空气压力下操作，从而在制氧设备的低温部分前需要用于前端清洗以除去水分和CO2的大型吸附容器。

在大部分情况下，塔顶的氮流量决定塔尺寸或设备尺寸。瓶颈不仅出现在低压塔的顶部，而且出现在高压塔的顶部。因此，为了大幅增加产量输出，所选的工艺必须减少所有塔顶部的蒸气流量。

可以通过经由使一些供料空气膨胀至低压塔中产生设备制冷而减少高压塔的顶部流量。必须限制膨胀空气流，否则蒸馏效率将降低，因为膨胀空气流减少了低压塔的再沸和回流。

可以通过从高压塔顶部萃取氮使得较少的氮到达低压塔从而减少低压塔的顶部蒸气流量来使低压塔的顶部流量最小化。同样，由于蒸馏效率方面的考虑，必须限制氮气萃取流量。

就使膨胀空气流量或高压氮萃取最大化而言，双塔方案并非非常适合。实际上，对于约95-97%（摩尔百分比）的氧纯度，总供料空气的大约25-30%可膨胀至低压塔。在这种大量膨胀的空气的情况下，难以从高压塔有效地萃取氮。显然，空气膨胀可以减少高压塔的顶部蒸气流量，但不会减少低压塔的顶部流量，因为膨胀的空气中包含的氮必须在低压塔的顶部离开。如果没有膨胀的空气，则可以在高压塔的顶部将高达20-25%的总空气流量作为氮气除去。由于氧气流量代表供料空气的20%，所以这意味着代表总供料空气流量的约55-60%的流量必须在低压塔的顶部离开。如果从高压塔除去更多氮气，则蒸馏效率将受影响，导致氧气回收损失，并且需要更高的空气流量来生产给定量的氧气。因此，这种氮移除技术可以提高低压塔的顶部流量，但对高压塔的顶部流量不起作用。

根据本发明，提供了一种用于使用至少包括高压塔（“HP塔”）和低压塔（“LP塔”）的多塔蒸馏系统低温分离空气的方法，所述方法包括：将经冷却的供料空气供给到高压塔，以分离成高压富氮塔顶蒸气和粗制（crude）液氧；将包含氮气和氧气的至少一股低压塔供料流供给到低压塔以分离成富氮塔顶蒸气和液氧；使来自或来源于高压塔的液体流回流到低压塔；将膨胀空气供给到辅助分离塔以分离成辅助塔富氮塔顶蒸气和富氧液体并将富氮塔顶蒸气作为产品流除去；将来自辅助塔的底部液体供给到低压塔的中间位置；以及使来自或来源于HP塔的富氮液体流回流到辅助塔。

根据可选特征：

-确定辅助塔中的蒸气流速，以使得低压塔上部区段的直径不大于多蒸馏塔系统的任何其它区段的直径。

-辅助分离塔中的蒸气流速大于LP塔上部区段中的蒸气流速的约50%。

-没有来自低压塔的液氧被送至混合塔。

-该方法包括中压塔，该中压塔从高压塔接收粗制液氧并产生供给低压塔的包含氮和氧的所述至少一股低压塔供料流。

-从低压塔提取液氧并使其在主热交换器中气化。

-从低压塔提取的液氧的量增加，送至辅助塔的膨胀空气的量增加x%，送至高压塔的气态空气的量增加y%，y小于x且辅助塔的操作压力增大。

-y大致为零。