[发明专利]制备氮的装置和方法

说明书

本发明涉及从单塔氮发生器中制备氮的装置和方法。本发明特别地涉及通过废气膨胀加入制冷作用的装置和方法。本发明尤其涉及那些通过附加的空气膨胀产生液体产品的装置和方法。

现在已有许多在称为单塔氮发生器的单塔中产生氮的方法和装置。在这些方法中，压缩空气然后纯化以除去二氧化碳、湿气和可能危险的烃类。然后将该经压缩并纯化的空气在一个主热交换器内冷却至适于对它进行精馏的温度，该温度通常是空气在特定的压缩压力时的露点或者接近该露点温度。然后将空气导入至蒸馏塔以产生富氮的塔顶产品和富氧的液态塔底产品。冷凝该塔顶产品并返回至塔内用于回流。然后可以把塔顶产品的其余部分作为气态氮产品，该气态氮在主热交换器中被充分地加热，从而有助于冷却进料空气。也可以将不太纯净的氮作为废料流通过该主热交换器。这种废料流可以用于再生提纯器。

在任何的空气分离设计中，动力消耗是很重要的设计依据。在U.S.4,966,002中，使含有液态塔底产物的废料流进行阀膨胀，随后在塔顶冷凝器中被用作冷却剂。将废料流分成两部分。将废料流的一部分进行部分加热，然后膨胀；而将废料流的其它部分再压缩，并返回至塔中。该压缩既可以发生在主热交换器的热端温度，也可以发生在主热交换器的冷端温度。通过从塔中除去氮含量比塔底产物高的液态流，可实现效率的增加。然后将这样的液流也进行阀膨胀，并导入至塔顶冷凝器用作第二冷却剂以协助冷凝塔顶产物用作回流。将废料流部分地加热，膨胀作功，随后从该主热交换器中排出。将用作第二冷却剂的液流在用作冷却剂后再压缩，冷却返回至它的露点温度并且再导入至塔内。

在如上所述的装置中，从塔直接提供足够的制冷以产生液体是困难的。这是因为多于压缩循环流所需要的膨胀功必须作为热从过程中排出。所以在另一专利中，将氮的液化装置与该过程结合以产生液体。这种结合的缺点在于增加了提供氮的液化装置的费用。

如下所述，本发明提供了一种从单塔氮发生器产生液态氮产品的方法，该方法远比提供一个单独的氮的液化装置来得简单和更加有效。

本发明提供了一种从空气中分离出氮的装置。根据本发明，安装了一个蒸馏塔用以蒸馏空气产生富含氮的塔顶产物和富含氧的液态塔底产物。塔顶冷凝器连接于蒸馏塔以接收包含塔顶产物的塔顶流和包含塔底液体产物的冷却剂流。该塔顶冷凝器可用以液化塔顶产物流从而产生用以回流蒸馏塔的回流物流和液体产物。主热交换器提供有若干通道，这些通道的结构可将经过压缩和纯化的空气流的第一部分冷却至适合于它精馏的温度，并且将经过压缩和纯化的空气流的第二部分进行部分冷却。主热交换器连接于蒸馏塔以使经过压缩和纯化的空气流的第一部分导入其中。第一和第二膨胀装置连接于主热交换器，以便使部分加温的物流和经过压缩和纯化的空气流的第二部分分别进行膨胀。至少产生一种致冷剂流作为第一和第二膨胀装置的产物。所安装的主热交换器通道也充分加热所述的至少一种致冷剂流，从而使液体产物流产生。

本发明的另一方面涉及一种装置和方法，其中空气在蒸馏塔中精馏，由之产生富含氮的塔顶产物和富含氧的液态塔底产物。将包含塔顶产物的塔顶产物流液化。从而产生用以回流蒸馏塔的回流物流，同时产生液体产物流。经过压缩和纯化的空气流的第一部分被冷却至适合于它精馏的温度。通过使部分加温的物流和经过压缩和纯化的空气流的第二部分膨胀作功，产生至少一种冷却剂流。使经过压缩和纯化的空气流的第一和第二部分与所述的至少一种冷却剂流间接交换热量，从而产生液体产物流。

在本发明中，通过一个附加的膨胀装置使部分空气流膨胀，产生附加的制冷作用。然后将这部分膨胀的空气流逆流引入至通入主热交换器的空气中。所述的部分加温的物流可以是一股废气流，它包含由液体塔底产物汽化而产生的、在蒸馏塔的塔顶冷凝器中用作冷却剂的部分或全部废气。然后将加温和膨胀后的空气从设备中排出。较好的是将空气和废氮气充分加温并从设备中排出。正是这增加的制冷作用使得有可能产生液体产物。容易理解，加入一个膨胀装置比加入一个氮气液化器以完成同样的目的要简单得多。

应当注意，本说明书和权利要求书中所用的术语“部分加温”是指加温至主热交换器的冷端和热端之间的温度。而“充分加温”是指加温至主热交换器的热端的温度。“部分冷却”是指冷却至主热交换器的冷端和热端之间的温度。

本说明书和后附的权利要求书清楚地指出了申请人认为是其发明的内容，结合附图当可更好地理解这些内容，其中：

图1是实施本发明方法的一种装置的示意图；

图2是图1所述装置的另一种实施方案的部分示意图；

图3是图1所述装置的再一种实施方案的部分示意图。