专利名称：一种空气分离的方法
技术领域：
本发明涉及空气分离方法，特别是采用冷凝-蒸发方式分离空气的方法。
背景技术：
常规的空气分离方法是将空气液化，利用空气中氧、氮、氩等组分沸点的区别， 用低温精馏塔将空气中沸点较高的氧(标准沸点90. 17K)和沸点较低的氮(标准沸点 77. 35K)及氩(标准沸点87.219K)等进行分离，获得所需纯度的氧、氮、氩等产品。为获取纯氧和提高氧的提取率，一般采用两级精馏。传统的空气分离两级精馏塔 由上、下塔组成，如图1所示，图中a为压力塔(也称下塔)，b为低压塔(也称上塔)，s为 冷凝蒸发器，其工作原理是带一定压力的原料空气经前期处理和预冷后从入口 1输入压 力塔a底部，沿塔内件(塔板或填料)上升，与沿塔内件下流的回流液密切接触，进行热、 质交换，使液相内的低沸点组分(氮)气化进入气相，而气相内的高沸点组分(氧)冷凝 进入液相，因此气体上升过程中氮组分不断富集，到达塔顶时氮纯度已达到要求(一般在 99. 99%以上)，而塔底釜液(富氧液空)中氧含量并不是很高(一般含氧35 40%)。将 压力塔底部的富氧液空从出口 9输出，减压后从入口 6输入低压塔b进行二次精馏。二次 精馏后，低压塔顶部输出氮产品，低压塔底部集积液氧其纯度已达到要求(一般在99. 6% 以上)。过程中，压力塔和低压塔的塔顶回流液通过冷凝蒸发器s提供。冷凝蒸发器设置在 压力塔与低压塔之间(位于低压塔处)，它有一组换热器，其作用是将压力塔顶部的氮气从 出口 2弓丨出冷凝为液氮，此液氮从出口 7输出，其中一部分从入口 8输入压力塔顶部作为压 力塔回流液参与精馏，另一部分减压后从入口 5输入低压塔顶部作为低压塔回流液参与二 次精馏。氮气冷凝是一个放热过程，释放的热量使低压塔底部的液氧气化，所得氧气一部分 作为氧产品从出口 3输出，另一部分作为低压塔下部的上升蒸气参与精馏。由于在相同压 力下氮的沸点低于氧的沸点，故若压力塔和低压塔的操作压力相同，则热量无法从低温的 氮侧传递至高温的氧侧，要实现上述压力塔顶部氮冷凝、低压塔底部氧蒸发的过程，必须提 高氮侧压力，使氮沸点提高而实现冷凝，并且要维持一定的传热温差。设低压塔底部液氧蒸 发平均操作压力为0. 136Mpa (绝对压力)，平均传热温差为0. 8K，则要求压力塔顶部氮的冷 凝压力保持在0. 5Mpa (绝对压力)以上，考虑到空气前期处理设备和管道的阻力，最终原料 空气机的排气压力至少要达到0. 53Mpa (绝对压力)，这是这种空气分离装置的最主要能量 消耗。故传统的上、下塔结构的空气分离装置能耗较大。
发明内容
本发明要解决已有技术采用低温精馏方法分离空气能耗大的问题，为此提供本发 明的一种空气分离的方法，该方法采用并列靠合设置的压力塔和低压塔，能利用两塔介质 间热量自然传递优化精馏过程，达到降低能耗的效果。为解决上述问题，本发明采用的技术方案其特殊之处是采用冷凝蒸发塔作空气分 离，所述冷凝蒸发塔由并列靠合设置的压力塔和低压塔组成，压力塔和低压塔内各焊置有金属翅片；压力塔顶面封闭，压力塔设回流液出口，该回流液出口经管段连有气液分离器，压 力塔于下部设原料空气进口，压力塔于底部设富氧液空贮液腔；低压塔底部封闭，低压塔设回流液进口和膨胀空气进口，低压塔中部设富氧液空 进口，低压塔下部设氧产品出口，低压塔顶部设氮产品出口；压力塔底部贮液腔经管段与低压塔的富氧液空进口通连，所述气液分离器的液相 出口经回流管与低压塔的所述回流液进口通连，所述回流管上设有阀，气液分离器的气相 出口与压力塔通连；低压塔富氧液空进口所连管段上设液空阀；所述空气分离的步骤为—将绝对压力为0.30 0. 35Mpa的脱除水分和二氧化碳的原料空气预冷至 95 105K，从压力塔原料空气进口输入压力塔，与此同时，开启所述回流管上所设的阀，调 节该阀的开度，使对应的所述气液分离器内液位保持设定位置；——当压力塔底部富氧液空贮液腔内富氧液空达到设定高度时，开启液空阀，将 压力塔底部的富氧液空引出并减压至0. 13 0. 15Mpa(绝对压力)，通过低压塔的富氧液 空进口输入低压塔，液空阀的开度是使压力塔富氧液空贮液腔内富氧液空保持所述设定位 置；——膨胀空气从膨胀空气进口输入低压塔；——氧产品、氮产品分别从氧产品出口、氮产品出口输出。本发明所述压力塔设回流液出口是指压力塔自上而下于近顶部设零号出口，于精 馏段设一号出口、二号出口、……和N号出口 ；所述低压塔设回流液进口是指低压塔顶部设 零号进口和自上而下设一号进口、二号进口、……和N号进口 ；所述气液分离器的液相出口 经回流管与低压塔的回流液进口通连，是指压力塔的零号出口、一号出口、二号出口、…… 和N号出口所连气液分离器的液相出口经回流管一一对应地与低压塔的零号进口、一号进 口、二号进口、……和N号进口通连；所述回流管上设有阀，是指分别与零号进口、一号进 口、二号进口、……和N号进口所连管段上所设的零号阀、一号阀、二号阀、……和N号阀。所述零号出口、一号出口、二号出口、……和N号出口，以及所述零号进口、一号进 口、二号进口、……和N号进口，中的“……和N”是指按自然序数排列的一组数字，它取决 于压力塔和低压塔的理论塔板数。这些出口、进口的位置，与压力塔、低压塔的理论塔板的 当量高度对应。设计中理论塔板是可计算的，故所述“……和N”以及“出口”、“进口”的位 置是能确定的。低压塔回流液进口的位置设置于与压力塔回流液出口的浓度对应处，就是 说，低压塔回流液进口对应处的物料组分浓度，与该进口对应通连的压力塔回流液出口对 应处的物料组分浓度相当。所述压力塔、低压塔内焊设的金属翅片具有上、下通道并具有大的比表面积，其作 用一是用作精馏填料，加速塔内气、液间热质交换，二是作为压力塔、低压塔间热量传递媒 介。下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是已有技术空气分离精馏塔构造与流程示意图；图2是本发明空气分离用冷凝蒸发塔构造与流程示意图。图中标记为1入口，2出口，3出口，4膨胀空气入口，5入口，6入口，7出口，8入 口，9出口，a压力塔，b低压塔，s冷凝蒸发器；P压力塔，L低压塔，A原料空气进口，B贮液 腔，C氧产品出口，D富氧液空进口，E氮产品出口，F气液分离器，K膨胀空气进口，CO零号 出口，Cl 一号出口，Cn N号出口，RO零号进口，Rl —号进口，Rn N号进口，VO零号阀，Vl — 号阀，Vn N号阀，Vd液空阀。工作中，原料空气进入压力塔P后，作为上升蒸气沿塔内件(金属翅片)上升过程 中通过塔内件向低压塔L传热，上升气体部分冷凝成为压力塔的回流液，而低压塔的回流 液部分蒸发成为其上升蒸气，这样压力塔和低压塔的精馏过程就能持续进行。在气液两相 密切接触过程中，液相中低沸点的氮组分不断蒸发进入气相，同时气相中沸点较高的氧组 分不断冷凝进入液相。压力塔的顶部得到纯度99. 99%以上的纯氮，底部得到氧含量约为 35%的富氧液空。此富氧液空通过液空阀Vd减压后输入低压塔中部，作为原料进行二次精 馏。压力塔除顶部冷凝并经气液分离器F分离获取的液氮减压后送入输入低压塔顶部，作 为低压塔回流液参与二次精馏外，压力塔还于精馏段每隔一理论塔板的当量高度将部分回 流液减压后引至低压塔作为低压塔回流液。本发明压力塔与低压塔并列且相互靠合设置，低压塔底部液氧可利用压力塔底部 富氧空气冷凝释放的热量而蒸发，与传统上、下塔结构的空分精馏塔相比，本发明的冷凝蒸 发塔两侧介质的浓度差减小，由纯氮(氮气)冷凝与纯氧(液氧)蒸发变为富氧(气体)冷 凝与纯氧(液氧)蒸发，这样就可以使冷凝侧(即压力塔)的操作压力下降，达到节能的目 的。设低压塔底部液氧蒸发压力为0. 136Mpa(绝对压力)且两侧(压力塔-低压塔)传热温 差为0. 8K，则可使压力塔底部操作压力降低至0. 32Mpa(绝对压力)左右，在决定原料空气 排气压力时因不必计入压力塔的阻力，故最终能将原料空气的排气压力降到0. 35Mpa(绝 对压力)左右，达到降低能耗的目的。压力塔和低压塔的操作温度取决于其中介质的沸点，而介质的沸点与操作压力和 组分浓度相关，所以只要控制两个塔的操作压力就能控制塔的操作。低压塔的操作压力取 决于氧、氮等气体排出过程的流动阻力，该阻力在设计时已基本确定，操作中变化不大，一 般低压塔的平均操作压力为0. 14Mpa(绝对压力)左右，故低压塔各高度断面的温度随组分 而变化，塔底为该操作压力下氧的沸点，塔顶为氮的沸点，中间为各段组分的沸点，且相对 稳定不必刻意操控。而压力塔的操作温度决定了对低压塔的传热温差，该传热温差决定冷 凝量和蒸发量的大小，即决定冷凝蒸发塔操作的好坏，故压力塔的操作压力是最重要的操 作参数，本发明输入压力塔的原料空气绝对压力为0. 30 0. 35Mpa。本发明不但降低了压力塔的操作压力同时能自动调节压力塔的操作压力，其调节 机理如下当压力塔的操作压力高于所需时，压力塔内介质的沸点会相应提高，如上所述低 压塔的各点的温度是相对稳定的，这样，因压力塔的温度提高将使两塔的传热温差大，其结 果是使压力塔内介质的冷凝量增加，但原料空压机的排量是固定的，就使压力塔的压力下 降，相反，如压力塔的压力过低，则温差减小使介质冷凝量减小，压力塔的操作压力回升，最 终会自动平衡到所需的操作压力，维持两塔间的最小传热温差。
5内件(金属翅片)具有大的比表面积且在塔的全部 高度上均能布置该塔内件，故两塔间的传热面积很大，使两塔间的最小温差可维持在相当 小的水平，甚至可小于0. 3K，这样压力塔的操作压力可进一步降低。压力塔的温度稍高于低压塔，形成传热温差。压力塔内的介质通过塔内件不断向 低压塔侧的介质传递热量，由于两塔内的介质均处于饱和状态，故压力塔内的介质不断发 生冷凝，造成压力塔内回流液过剩，相反，低压塔内的介质受热不断蒸发，造成回流液不足， 为解决这一矛盾，本发明抽取力塔不同浓度位置(所述一号出口、二号出口、……和N号出 口对应处)多余的液体，减压后输入低压塔对应浓度位置处，补充低压塔回流液。本发明所述膨胀空气输入低压塔，该膨胀空气可作为原料空气的一部分进入低压 塔参与精馏，也可以组成一个独立的制冷循环仅为装置提供低温条件的冷量而不参与精 溜。
具体实施例方式实施例一采用图二所示的冷凝蒸发塔作空气分离，该冷凝蒸发塔由并列靠合设置的压力塔 1和低压塔2组成，压力塔和低压塔内各焊置有金属翅片；压力塔1顶面封闭，压力塔设回流液出口，即压力塔自上而下于近顶部设零号出 口⑶，于精馏段设一号出口 Cl、二号出口、……和N号出口 Cn ；该回流液出口经管段连有 气液分离器F，压力塔于下部设原料空气进口 A，压力塔于底部设富氧液空贮液腔B ；低压塔底部封闭，低压塔设回流液进口，即低压塔顶部设零号进口 RO和自上而下 设一号进口 R1、二号进口、……和N号进口 Rn，低压塔并设膨胀空气进口 K，低压塔中部设 富氧液空进口 D，低压塔下部设氧产品出口 C，低压塔顶部设氮产品出口 E ；压力塔底部贮液腔B经管段与低压塔的富氧液空进口 D通连，所述气液分离器F 的液相出口经回流管与低压塔的所述回流液进口通连，即压力塔的零号出口、一号出口、二 号出口、……和N号出口所连气液分离器的液相出口经回流管一一对应地与低压塔的零号 进口、一号进口、二号进口、……和N号进口通连；所述回流管上设有阀，即分别与零号进 口、一号进口、二号进口、……和N号进口所连回流管上所设的零号阀V0、一号阀VI、二号 阀、……和N号阀Vn ；气液分离器的气相出口与压力塔通连；低压塔富氧液空进口所连管段上设液空阀Vd ；所述空气分离的步骤为—将绝对压力为0.30Mpa的脱除水分、二氧化碳等杂质的原料空气预冷至95K， 从压力塔原料空气进口 A输入压力塔1，与此同时，开启所述回流管上所设的阀，调节该阀 的开度，使对应的所述气液分离器F内液位保持设定位置；—当压力塔底部富氧液空贮液腔B内富氧液空达到设定高度时，开启液空阀 Vd，将压力塔底部的富氧液空引出并减压至0. 13Mpa(绝对压力)，通过低压塔的富氧液空 进口 D输入低压塔，液空阀Vd的开度是使压力塔富氧液空贮液腔内富氧液空保持所述设定 位置；——膨胀空气从膨胀空气进口 K输入低压塔；——氧产品、氮产品分别从氧产品出口 C、氮产品出口 E输出。
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实施例二本例是将绝对压力为0. 32Mpa的脱除水分、二氧化碳等杂质的原料空气预冷至 100K，从压力塔原料空气进口 A输入压力塔1，与此同时，开启所述回流管上所设的阀，调节 该阀的开度，使对应的所述气液分离器F内液位保持设定位置；当压力塔底部富氧液空贮 液腔B内富氧液空达到设定高度时，开启液空阀Vd，将压力塔底部的富氧液空引出并减压 至0. 14Mpa (绝对压力)，通过低压塔的富氧液空进口 D输入低压塔，液空阀Vd的开度是使 压力塔富氧液空贮液腔内富氧液空保持所述设定位置。其他与上例的相同。实施例三本例是将绝对压力为0. 35Mpa的脱除水分、二氧化碳等杂质的原料空气预冷至 105K，从压力塔原料空气进口 A输入压力塔1，与此同时，开启所述回流管上所设的阀，调节 该阀的开度，使对应的所述气液分离器F内液位保持设定位置；当压力塔底部富氧液空贮 液腔B内富氧液空达到设定高度时，开启液空阀Vd，将压力塔底部的富氧液空引出并减压 至0. 15Mpa (绝对压力)，通过低压塔的富氧液空进口 D输入低压塔，液空阀Vd的开度是使 压力塔富氧液空贮液腔内富氧液空保持所述设定位置。其他与例一的相同。
权利要求
一种空气分离的方法，其特征是采用冷凝蒸发塔作空气分离，所述冷凝蒸发塔由并列靠合设置的压力塔(1)和低压塔(2)组成，压力塔和低压塔内各焊置有金属翅片；压力塔(1)顶面封闭，压力塔设回流液出口，该回流液出口经管段连有气液分离器(F)，压力塔于下部设原料空气进口(A)，压力塔于底部设富氧液空贮液腔(B)；低压塔底部封闭，低压塔设回流液进口和膨胀空气进口(K)，低压塔中部设富氧液空进口(D)，低压塔下部设氧产品出口(C)，低压塔顶部设氮产品出口(E)；压力塔底部贮液腔(B)经管段与低压塔的富氧液空进口(D)通连，所述气液分离器(F)的液相出口经回流管与低压塔的所述回流液进口通连，所述回流管上设有阀，气液分离器的气相出口与压力塔通连；低压塔富氧液空进口所连管段上设液空阀(Vd)；所述空气分离的步骤为——将绝对压力为0.30～0.35Mpa的脱除水分和二氧化碳的原料空气预冷至95～105K，从压力塔原料空气进口(A)输入压力塔(1)，与此同时，开启所述回流管上所设的阀，调节该阀的开度，使对应的所述气液分离器(F)内液位保持设定位置；——当压力塔底部富氧液空贮液腔(B)内富氧液空达到设定高度时，开启液空阀(Vd)，将压力塔底部的富氧液空引出并减压至0.13～0.15Mpa(绝对压力)，通过低压塔的富氧液空进口(D)输入低压塔，液空阀(Vd)的开度是使压力塔富氧液空贮液腔内富氧液空保持所述设定位置；——膨胀空气从膨胀空气进口(K)输入低压塔；——氧产品、氮产品分别从氧产品出口(C)、氮产品出口(E)输出。
2.如权利要求1所述的一种空气分离的方法，其特征是所述压力塔设回流液出口是指 压力塔自上而下于近顶部设零号出口(CO)，于精馏段设一号出口(Cl)、二号出口、……和 N号出口(Cn)；所述低压塔设回流液进口是指低压塔顶部设零号进口(RO)和自上而下设一 号进口(R1)、二号进口、……和N号进口(Rn)；所述气液分离器(F)的液相出口经回流管 与低压塔的回流液进口通连，是指压力塔的零号出口、一号出口、二号出口、……和N号出 口所连气液分离器的液相出口经回流管一一对应地与低压塔的零号进口、一号进口、二号 进口、……和N号进口通连；所述回流管上设有阀，是指分别与零号进口、一号进口、二号进 口、……和N号进口所连回流管上所设的零号阀(VO)、一号阀(VI)、二号阀、……和N号 阀(Vn)。
全文摘要
节省能耗的一种空气分离的方法，采用冷凝蒸发塔，冷凝蒸发塔由并列靠合设置的压力塔和低压塔组成，压力塔和低压塔内各焊置有金属翅片；将绝对压力为0.30～0.35MPa的脱除水分和二氧化碳的原料空气预冷至95～105K，从压力塔原料空气进口输入压力塔，与此同时，开启所述回流管上所设的阀，调节该阀的开度，使对应的所述气液分离器内液位保持设定位置；当压力塔底部富氧液空贮液腔内富氧液空达到设定高度时，开启液空阀，将压力塔底部的富氧液空引出并减压至0.13～0.15MPa(绝对压力)，通过低压塔的富氧液空进口输入低压塔，液空阀的开度是使压力塔富氧液空贮液腔内富氧液空保持所述设定位置；氧产品、氮产品分别从氧产品出口、氮产品出口输出。本发明适合作空气分离。
文档编号F25J3/04GK101929789SQ20101017080
公开日2010年12月29日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者李大仁 申请人:李大仁