[发明专利]空气分离方法和装置

说明书

 

发明领域

本发明涉及一种用于分离空气的方法和装置，其中通过在主蒸馏塔中对经压缩和纯化的空气进行精馏而生产氮产品，并且通过在辅助蒸馏塔内对在主蒸馏塔中所形成的粗液氧进行汽提而生产氧产品，由此生产作为联产品(co-products)的氧产品和氮产品。

发明背景

通常，通过在经常采用单蒸馏塔的低温空气分离设备中从空气中分离出氮，而以高纯度获得氮。在这种设备中，将空气压缩然后去除较高沸点杂质以产生经压缩和纯化的空气流。然后在主换热器内部将经压缩和纯化的空气流冷却到适合于其低温精馏的温度，然后将其导入在约3 巴或更高压力下操作的单个蒸馏塔。对在蒸馏塔内部的空气进行精馏，以产生富氮蒸气塔顶馏出物和被称为粗液氧或釜液的富氧液体塔底物。在膨胀阀中将富氧液体减压，然后将其导入热交换器以使富氮蒸气塔顶馏出物流冷凝，由此产生在蒸馏塔中回流的液氮。被部分蒸发的富氧液体可以用于形成用于设备的制冷，或者可替换地通过将液氮添加到主塔或者使流进入主换热器可以向设备提供制冷。

通常，不从这种单塔氮设备中回收氧。然而，也存在从这种设备中回收氧的兴趣。例如，浮法玻璃生产通常需要流量比为大约2:1的氮和低纯度氧。在玻璃窑炉中利用氧来提高回收率并且通常需要在90和95%之间的低纯度和在10和20 psig之间的压力的氧。虽然可以利用单独的真空变压吸附设备或者通过使输送的现场液体蒸发来提供这种氧，但增加的费用是不合理的。应当指出的是，可以利用典型的具有高压塔和低压塔的双塔空气分离设备以可操作地与热传递关系相关的方式来生产氧和氮。然而，由于产品压缩的要求和较高的初期资金成本(例如生产浮法玻璃)，因而这种设备是不经济的。对用于输出氮和氧产品的小单塔氮设备的增加的修改可以经济地满足工艺的要求，例如浮法玻璃生产，其中需要在压力下和适度的流量下(例如小于100标准立方英尺/小时(kcfh)的氮)提供氮和氧产品。

在现有技术中，存在已被修改而联产氮和氧产品的单塔氮设备的实例。例如，在US 4,783,210中，在用于使在蒸馏塔中所产生的富氮蒸气塔顶馏出物的流冷凝的热交换器中，使粗液氧塔底物流部分蒸发。所形成的富氮液体用于在蒸馏塔中回流。然后，将通过粗液氧部分气化而产生的所得液相的流在二级或辅助蒸馏塔中进行汽提以产生富含氧的塔底物，该塔底无可以被当作氧产品。用另一个富氮蒸气流使辅助蒸馏塔再沸腾，该富氮蒸气流在再沸腾中冷凝并且可以被当作液氮产品并且也用于在蒸馏塔中回流。

US 5,074,898中公开了一种单塔制氮装置，辅助蒸馏塔生产氧产品。在此专利中，在辅助蒸馏塔中对在主蒸馏塔中所产生的粗液氧流进行汽提。利用在主蒸馏塔中产生的富氮蒸气塔顶馏出物的流使辅助蒸馏塔再沸腾。由此使富氮蒸气冷凝从而形成在主蒸馏塔中的回流。辅助蒸馏塔中产生的剩余液体连同部分的经冷凝氮蒸气可以被当作液体产品。

在上述两个专利中，将塔底物用于使氮冷凝，必须在低于氮的压力下完成氮冷凝。结果，氧产品也处于低压状态。此外，因为部分的塔底物被当作产品，所以将存在较少的用于使氮冷凝的塔底液。因此，氮产量受到限制。正如将要在下文中论述的，本发明提供一种用于生产氮和氧联产品的方法和装置，除了其它优点，该方法和装置允许在升高的压力下生产氧产品。在本发明的另一方面，辅助塔底物经过分段蒸发从而能够以低于于现有技术中所采用工艺的能耗获得更大的氧分数。

发明内容

本发明提供一种将空气分离以生产氧和氮联产物的方法。根据这种方法，在主蒸馏塔内部将经压缩和纯化的包含空气的流进行冷却和精馏，以产生富氮蒸气塔顶馏出物和粗液氧。通过至少部分地将由粗液氧所组成的粗液氧流减压，在辅助蒸馏塔内部用上升的汽提气对粗液氧流进行汽提，并且通过与由富氮蒸气塔顶馏出物所组成的富氮蒸气流进行间接热交换而使富氧液体部分蒸发，而在辅助蒸馏塔内部产生富氧液体和含有不小于5.0体积%的氧的辅助塔顶馏出物。结果，由此产生液氮流、汽提气和剩余的富氧液体。用至少部分的液氮流在主蒸馏塔中回流。本文中和权利要求使用的词组“至少部分地”表示可以在辅助蒸馏塔内部作进一步处理以产生富氧液体和辅助塔顶馏出物。如下文中所述，虽然辅助塔可以仅仅用于对粗液氧流进行汽提，但它也可以用于对由上述汽提所产生的含氮和氧的蒸气进行精馏以提高氧回收。