[发明专利]空气分离

说明书

本发明涉及一种空气分离的方法和装置。

用精馏分离空气已被人们所熟知。精馏的方法是在下降液流和上升蒸汽流之间发生传质，使上升蒸汽流中富含要分离混合物的易挥发组分(氮)，下降液流中富含不易挥发的组分(氧)。

已知的空气分离是在双精馏塔中进行，精馏塔包括一个高压精馏塔和一个低压精馏塔，高压塔接收经净化、压缩后的温度适合于用精馏分离的汽化空气，低压塔接收来自高压塔用于分离的富氧液态空气流，它通过冷凝-再沸器与高压塔形成热交换关系，其中冷凝器提供用于分离的液氮回流，再沸器提供在低压精馏塔中的氮蒸汽的上升流动。

双精馏塔可用来在低压塔的底部生产氧馏分，在低压塔的顶部生产氮馏分。氧可以是含小于0.5％体积杂质的纯氧，也可以是含达到50％体积杂质的不纯氧。

对提供给空气分离设备的制冷有一个基本要求。这种要求的至少一部分起因于低温双精馏塔的运行。特别是当没有任何空气分离的产品是以液态形式提取时，这种制冷要求通常是这样满足的：将部分空气的压力提高到高于高压塔顶部运行压力至少2bar，使该空气在膨胀透平中膨胀并对外作功，透平排气进入低压塔。透平通常与增压压缩机相连，该压缩机将空气压力升高到高于高压塔顶部的压力。

空气分离设备通常消耗大量的能源，因此其结构应使得能量消耗最少而又不过分增加费用。为了减少能量消耗，本领域目前的方法是运行具有两个再沸器的低压精馏塔。一个在高温下运行，由被分离的空气流加热，另一个在低温下运行，由在高压塔中分离后的氮流加热。这类工厂的缺点是需要第二个再沸器，增加了基本建设费用。

US-A-5337570提供了另一种空气分离设备的例子。第一冷凝-再沸器用于冷凝在高压塔中分离后的部分顶部的氮。冷凝是通过与高压塔底部富氧液体形成间接热交换而进行的。底部的富氧液体流因此被部分再沸腾。所得的蒸汽和剩余的液体供给低压塔。该设备使用带一个发电机的膨胀透平，其排气进入低压塔。要分离的空气在多级主压缩机中被压缩。供给高压精馏塔的主空气从低压级中取走，该压力低于供给膨胀透平的压力。

本发明的目的是提供一种用精馏分离空气的方法和装置，它们能在合适的能量消耗下运行而不使得设备具有不可接受的高价格，并且不需要有两个再沸器与低压精馏塔相连。

本发明提供了一种用精馏分离空气的方法，包括：将空气压缩至第一压力；不进一步压缩，而使压缩空气的第一流在主热交换器中冷却至适合于用精馏分离的温度，将该第一流引入双精馏塔的高压塔，除了高压塔外，双精馏塔还包括低压塔，在低压塔底部形成浓度为50-98.5摩尔百分数(通常是50-96摩尔百分数)的氧；使压缩空气的第二流膨胀并对外作功，将膨胀后的第二流引入低压塔，从所述的底部组分中取出不纯的氧产品，其中对外作功用于发电，其特征在于，双精馏塔还包括使高压塔与低压塔形成热交换关系的冷凝-再沸器，在将压缩空气的第二流进行膨胀时不对第二流的上游作进一步的压缩。

本发明还提供一种用精馏分离空气的装置，该装置具有双精馏塔，包括一个高压精馏塔和一个低压精馏塔；至少一个空气压缩机，用于将空气压缩至第一压力；一个主热交换器，用于将压缩空气的第一流冷却至适合用精馏分离的温度；用于第一流进入高压塔的进口；一个膨胀透平，用于使压缩空气的第二流膨胀并对外作功，透平具有使压缩空气的第二流进入的进口和与低压塔相连的出口，膨胀透平带动一个发电机；和用于浓度为50-98.5(通常为50-96)摩尔百分数的不纯氧产品从低压塔底部流出的出口，其特征在于，没有另外的压缩装置用来将所述的压缩的所述第一流和第二流空气流的压力提高到高于第一压力，双精馏塔还包括一个使高压塔与低压塔形成热交换关系的冷凝-再沸器。

根据本发明的方法和装置具有很多优点。首先，能使较大比例的膨胀空气对外作功并将其引入低压塔，这使得能在相对高的效率下运行低压塔，同时具有比膨胀空气引入处低的蒸汽传输线。另外，减少了冷凝-再沸器的负荷。低压塔下部的有效直径可以减少，因此可以减少液体-蒸汽接触表面的总面积。冷凝-再沸器的尺寸也可以减少。尽管以这种方式进行的本发明方法和装置的运行可以使主热交换器的冷却流和加热流之间的温差加大，但该缺点早已由低压塔的高效运行所补偿，特别是由于在主热交换器中的大温差允许压降或单位体积的换热面积减少，或者是两个优点均可获得。第三，省去了与膨胀透平相连的普通增压压缩机。第四，本发明的方法和装置能用于产出大量的电力，因此减少了净能量消耗。