[发明专利]低温空气分离法

说明书

技术领域

总地来说，本发明涉及低温空气分离，更具体地讲，涉及低温 空气分离来制备氧产品。

背景技术

通过蒸馏分离空气成其各种组分在低温下进行并需要一定量 的冷冻。这种冷冻通常使加工气体通过涡轮膨胀获得。设计空气分离 法时，通常将膨胀产生的冷冻量保持在最低，因为所有形式的冷冻都 不利于这种方法，或者降低分离效率或需要比装置蒸馏塔最低需要更 多的压缩能。用于装置的冷冻效率通过进、出装置的流之间的温度差 反映。这种温度差称为总热端温差(aggregate warm end temperature difference，WEDT)。当WEDT为极端最低值时，0开尔文的WEDT表示 仅产生了驱动空气分离所需冷冻。

在液氧泵送低温空气分离装置中，将产品氧作为液体从低压 蒸馏塔的底部移走，在此将其泵送到较高压力，在主换热器或产品 蒸发器中逆着冷凝空气流沸腾，使所得蒸气在主换热器中过热形成 气态氧产品。如果液氧被泵送到其最终输送压力，则将气态氧产物 直接送到最终用户，否则需要进一步压缩。氧逆着冷凝空气沸腾引 起内部窄点温差(internal pinch temperature difference)。换句话说，其 在主换热器(，primary heat exchanger，PHX)中引起冷却流和加热流之 间的最低总温差。PHX内部窄点的大小取决于可用换热器表面积。 PHX越大，窄点越靠近。通常在液氧泵送空气分离装置中，PHX窄 点温差(“DT”)为约1-2K。

在冷凝空气流进入PHX之前必须将其压缩到比输送至装置的 主空气进料压力更高的压力。这种压缩通常采用单独的增压空气压缩 机进行。冷凝空气流的压力通常高于沸腾氧气流的压力。这样，当要 求高压氧作为产品时，增压空气压缩机消耗大量能量。因为增加能量 消耗，需要使用较少总能量的改进冷冻空气分离法。本发明目标是通 过降低冷凝空气流的压缩需求来减少总能量消耗。

发明概述

一种将进料空气低温分离的方法，其中进料空气在主换热器中 冷却，通过在至少一个塔中低温精馏分离来制备富氧液体和富氮蒸 气，将富氧液体压力提高并将该加压的富氧液体与至少部分进料空气 进行间接热交换蒸发来制备产品氧，改进之处包括产生超过进行低温 精馏所需的足够过量冷冻，使得所述方法的总热端温差超过主换热器 的最低内部温差至少2K。

本文中所用的术语“总热端温差”是指进入主换热器的流与离开 主换热器的流的总温度之差。

本文中所用的术语：“主换热器的最低内部温差”是指主换热器 内加热流和冷却流的总温度之间的最小差异。

本文中所用的术语“塔”是指蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或区， 其中液相和气相逆流接触以进行流体混合物的分离，例如通过使气相 和液相在安装于所述塔内的一系列垂直间隔的塔盘或塔板和/或填料 元件(如规整填料或散堆填料)上接触。蒸馏塔的进一步讨论参见the Chemical Engineer’s Handbook(化学工程师手册)，第五版，R.H.Perry 和C.H.Chilton编辑，McGraw-Hill Book Company(McGraw-Hill图书 公司)，纽约，第13节，The Continuous Distillation Process(连续蒸馏法)。双塔包括高压塔，所述高压塔上端与低压塔下端具有热交换关系。

蒸气和液体接触分离法取决于各组分的蒸气压差。较高蒸气压 (或挥发性较高或低沸点)组分将在气相中浓缩而较低蒸气压(或挥发 性较低或高沸点)组分将在液相中浓缩。部分冷凝为其中蒸气混合物的 冷却可用于浓缩气相中的挥发组分以及液相中的低挥发性组分的分 离法。精馏或连续蒸馏是结合了连续部分汽化和浓缩的分离法，如通 过气相和液相的逆流处理获得。气相和液相的逆流处理通常为绝热的 且可包括各相之间的积分(多极)或微分(连续)接触。利用精馏原理来分 离混合物的分离法装置经常可互换称为精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低 温分离为至少部分在150开氏度(K)以下进行的精馏法。

本文中所用的术语“间接热交换”是指引起两种流体热交换而没 有任何物理接触或流体互相混合。

本文中所用的术语“进料空气”是指主要包含氧气和氮气的混合 物，如环境空气。