[发明专利]低温分离方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种方法和设备，其中将包括氮气和氧气的混合物经低温精馏分离成富氮及富氧馏分，并且通过将由该富氮或富氧产物馏分之一构成的一个或多个液体流泵送并加热，而生成一个或多个加压的产物流。更具体而言，本发明涉及这样一种采用组装的(banked)换热器布置的方法和设备，其中，换热流在用以加热一个或多个泵送液体流的高压换热器中被部分冷却，然后在低压换热器中被进一步冷却，以缩小高压换热器内的热端温差，并由此减少与低温精馏有关的所需供入的制冷量。

背景技术

含氮气和氧气的混合物，最常见的是空气，可经低温精馏分离成富氮和富氧的馏分以及空气中所发现的其他组分的馏分，例如氩气。在低温精馏中，将该混合物压缩，然后纯化，以去除高沸杂质(如二氧化碳)、水蒸气以及碳氢化合物。然后将所得的压缩并纯化的流冷却至适于蒸馏的温度。蒸馏生成空气的富氮和富氧馏分以及潜在的其他馏分，其可以为液体和气体产物形式。存在不同的蒸馏塔布置以用于此目的。例如，蒸馏塔可以由高压塔和低压塔构成，高压塔和低压塔由换热器热连接以蒸发低压塔的富氧液体塔底(column bottom)并冷凝高压塔的富氮蒸气塔顶(column overhead)。

对于存在对大量气态高压氧气的需求的情形，例如在气化时，氧气通常通过泵运富氧液体流以加压、然后通过与增压流的间接换热而加热该液体来生产，该增压流通常是待蒸馏空气的一部分。在以上讨论的塔布置中，富氧液体流由高压塔的富氧液体塔底组成。作为换热的结果，增压空气将被液化并在已经降至适于引入所述塔的压力后引入高压塔、低压塔或者在所述塔之间分割。除了氧气，高压氮气也会是期望的产物，尤其是在气化应用中。这种高压氮气可以通过泵运冷凝的富氮蒸气流并通过与增压流的换热而加热所得液体来生产。

应当指出，泵运流的加热可以在组装的换热器布置中进行，该组装的换热器布置具有用于加热泵运液体的高压换热器以及用于冷却至少部分空气的低压换热器，该低压换热器具有比高压换热器更低的最大容许工作压力。在这点上，尽管如前所述增压流通常由空气构成，但也可以采用其他流体。例如，在美国专利US 4,345,925中，流体(如氩气)被压缩，然后作为在高压换热器中发生的间接换热的结果而被液化。然后所得液体提供与蒸馏塔相关的各种换热功能。尤其是，使流体在低压换热器中蒸发并过热，然后在将其引入高压换热器之前再次压缩。由此，流体在换热回路中循环，该换热回路涉及对加压富氧液体的加热。

空气在其中充当增压流体的低温精馏设施的例子可在公开号为2008/0307828的美国专利申请中见到。在这篇申请中，空气被压缩和纯化。将所得经压缩和纯化的空气的一部分在低压换热器中冷却，然后导入高压塔作为主空气流。高压塔与低压塔经冷凝器再沸器热连接。该冷凝器再沸器针对蒸发低压塔中形成的富氧液体塔底而冷凝高压塔的富氮蒸汽塔顶。可将由低压塔的富氧液体塔底构成的富氧液体流的一部分泵运以形成泵运的液态氧流，并且也可将冷凝的富氮蒸汽的一部分泵运以形成泵运的液态氮流。然后将泵运的液态氧流和泵运的液态氮流在高压换热器中通过与增压流的间接换热而加热，该增压流通过在增压压缩机中压缩经压缩和纯化的空气的另一部分而形成。将增压流液化、膨胀并引入高压和低压塔。将由低压塔中产生的废氮流构成的热平衡流引入低压换热器和高压换热器以抑制这些换热器的制冷的热端损失，并且也缩小增压流与主空气流在这些换热器冷端的温差。

在任何低温精馏设施中，必须因以下原因而供入制冷：换热器中的热端损失、向设施内的热量泄漏以及生产液体。高压换热器中，被冷却的增压流与被加热的一个或多个蒸发液体流之间的热端温差的大小代表了这类制冷损失。为了克服这类制冷损失，必须将更多的制冷引入该设施。在上述公开的专利申请中，这种制冷可通过以下方式产生：将经压缩和纯化的空气的又一部分引入增压压缩机，在高压换热器或低压换热器中将该空气部分冷却，然后将该部分冷却的流引入涡轮膨胀机以在排出流(exhaust stream)中生成制冷，其可被引入高压塔或低压塔。设施所需的制冷程度越高，在相关联的增压压缩机中膨胀的能量将越高。由此，总能量消耗是低温精馏设施的生产成本中一个重要考虑因素，因而期望将设施能量需求最小化。如将要述及的，除了其他优点之外，本发明提供一种方法以及用于实施该方法的低温精馏设施，其中高压换热器中形成的热端温差被缩小以减少制冷需求，并由此降低与该设施运行相关的成本。

发明内容