专利名称：具有电晕放电进料空气预处理的低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及低温精馏，更具体地涉及用于低温精馏的进料空气预处理。
操作低温空气分离装置要求进料空气进入精馏塔之前除去其高沸点杂质，如水、二氧化碳和烃。水和二氧化碳在与空气分离有关的低温下冻洁。而烃若潜在积累于沸腾氧池中，则能构成安全危害。
为了从低温空气分离装置的进料空气流中除去高沸点的杂质，优选使用吸附净化器。有两种类型的净化器可以使用变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)。正如名称的含义，TSA主要取决于热量驱动吸附的杂质脱离吸附剂，而PSA则利用吸附床内在绝对压力上的差值去使杂质解吸。以断续方式运转TSA和PSA时，进料空气流经清洁的吸附床后，该床就负载上杂质，这种杂质在解吸段被除去。一般说来，使用两个或两个以上的吸附床，至少有一个床处于吸附态而至少有一个床处于解吸态。
尽管这种吸附净化器在去除低温空气分离装置进料空气流中的二氧化碳和水蒸汽是极好的，但是去除进料空气流中的烃一般不完全有效。这就需要采取另外的手段，如使用冷端凝胶捕集器和/或塔液排流口，以保证阻止烃在低温空气分离装置的一个塔或多个塔内的富氧液体中的积累。非常希望的是其有能改进从低温空气分离装置的进料空气流中去除烃的效率的系统。
由此，本发明的目的在于提供一种能更有效地去除低温空气分离装置进料空气流中烃的系统，该系统使用适于装置进料空气预净化的吸附剂净化手段。
由本发明完成的上述和其它目的，对所属领域的一般技术人员来说根据阅读本发明书会明了的，其一个方面是用于低温精馏的进料空气的处理方法，包括(A)使含烃的进料空气通过电场，使进料空气中的氧离子化而产生离子化氧，和使离子化氧与烃在进料空气内反应产生二氧化碳和水蒸汽；(B)进料空气中的二氧化碳和水蒸汽吸附在吸附剂上产生预净化的进料空气；(C)使预净化的进料空气流入低温空气分离装置和使预净化的进料空气通过低温精馏分离产生产品氧和产品氮中的至少一种；和(D)从低温空气分离装置中回收产品氧和产品氮中的至少一种。
本发明另一方面是用于处理进料空气的设备，包括(A)电晕放电反应器和用于使含烃的进料空气流入该电晕放电反应器的装置；(B)吸附预净化器和用于使来自电晕放电反应器的进料空气流入吸附预净化器的装置；(C)低温空气分离装置和用于使来自吸附预净化器的进料空气流入低温空气分离装置的装置；和(D)用于从低温空气分离装置中回收产品氧和产品氮中至少一种装置。
当用于本发明中时，术语“进料空气”指的是主要含氧和氮的混合物，如环境空气。
当用于本发明中时，术语“塔”指的是蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或区，其中液相和汽相逆流接触以进行流体混合物的分离，例如，通过汽相和液相在一系列安装在塔内竖直，有间距的盘或板上和/或填充元件如结构的或无规则的填料上接触。为了进一步讨论蒸馏塔，可参考由R.H.佩里和C.H.奇尔顿编辑的化学工程师手册，第五版，纽约麦格劳一希尔图书公司出版，第13节，连续蒸馏工艺(See theChemical Engineer′s Handbook fifth edition，edited by R.H.Perry and C.H.Chilton，McGraw-Hill Book Company，New YorkSection 13，The Continuous Distillation Process)。
汽相和液相接触分离过程取决于各成分蒸汽压的差。高蒸汽压(或更易挥发或低沸点的成分倾向于在汽相中浓集，而低蒸汽压1或不易挥发或高沸点)的成分倾向于在液相中浓集。部分冷凝是一种分离过程，它把蒸汽混合物的冷却用于一种或多种挥发性成分浓集于汽相中，由此减少液相中的一种或多种挥发性成分。精馏，或连续蒸馏，也是一种分离过程，它把汽相和液相逆流处理时所获得的部分蒸发和冷凝依次结合起来。通常汽液相的逆流接触是绝热的且可以包括相间的积分(分段)或微分(连续)接触。利用精馏原理分离混合物的分离工艺装置经常被互换称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是一种至少部分在或低于150℃开氏(K)温度下完成的精馏工艺。
当用于本发明中时，术语“间接热交换”意指使两股流体呈热交换关系但无任何物理接触或流体彼此的混合。
当用于本发明中时，术语“低温空气分离装置”意指一塔或多塔，其中流体如进料空气靠低温精馏在塔中以及相互结合的管道、阀、热交换器等被分离。
当用于本发明时，术语“烃”意指任何含氢和碳的化合物，它们作为低温空气分离装置进料空气中的杂质存在。所述烃的实例包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔和丁烷。
当用于本发明中时，术语“产品氧”意指氧浓度大于80摩尔％，优选大于95摩尔％的流体。
当用于本发明中时，术语“产品氮”意指氮浓度大于95摩尔％，优选大于99摩尔％的流体。
当用于本发明中时，术语“电晕放电反应器”意指能产生电场的设备，电子在该电场中被加速而获得足够裂解氧-氧双键的动能以形成离子化氧。
当用于本发明中时，术语“离子化氧”意指具有电荷的氧分子和/或具有电荷的氧原子。
图1是本发明一种方案简化综合示意图。
图2是实施本发明时所用直接电晕放电反应器一种实施方案的简化示意图。
图3是实施本发明时所用间接电晕放电反应器一种实施方案的简化示意图。
图4是实施本发明时使用的填料床电晕放电反应器的截面图。
图5是实施本发明时所用毫微秒脉冲电晕放电反应器的一种实施方案简化图。
图6是实施本发明时所用介电屏蔽电晕放电反应器的一种实施方案简化图。
将参照附图对本发明作详细地说明。现参照图1，除含氧和氮、氩、二氧化碳、水蒸汽外，还含有痕迹量的稀有气体以及烃的进料空气流1，流入空气吸滤器室100，进料空气中载带的尘埃和颗粒物在该室被除去。无尘埃的进料空气2再经压缩，一般压缩到每平方英寸100-150磅的绝对压力(psia)。在图1说明的本发明实施方案中，无尘埃进料空气通过多段压缩机系统，尤其是三段系统压缩。现回原处看图1，进料空气流2在第一压缩机段105压缩，所生成的压缩进料空气流3通过与流经中间冷却器106的冷却流体间接热交换而冷却压缩热。所生成的进料空气流13再经过第二压缩机段107进一步压缩，生成的压缩进料空气14通过与流经中间冷却器108的冷却流体间接热交换使其压缩热冷却。生成的进料空气流15再通过第三压缩机段109压缩至预定的压力，产生压缩进料空气流4。
图1说明本发明的优选实施方案，其中电晕放电反应器放在最终压缩段的后面，而在从最终压缩段排出的进料空气的后冷却器的前面。电晕放电反应器可放在吸附预净化器的上游包括起始进料空气压缩段上游的任何一点，或者使用多段进料空气压缩时放在压缩段之间。
再使进料空气4，至少其部分流经电晕放电反应器120。正如下文将更充分予以说明的，进料空气中的氧被离子化和与烃反应产生二氧化碳和水蒸汽。不含或几乎不含烃，但含二氧化碳和水蒸汽较电晕放电反应器上游的进料空气早已存在的浓度高得多的生成进料空气5，流经中间冷却器110且在其中被冷却，该进料空气作为进料空气流6从中间冷却器排出。
进料空气流6流经吸附预净化器125，该净化器通常包含两个或更多个吸附剂颗粒床，进料空气流经一个床，而另一个床按本领域一般技术人员通晓的方法再生。实施本发明时，用于吸附预净化器的吸附剂包括氧化铝和分子筛，如13X和NaY型吸附剂。吸附预净化器125既可以是变压型的也可以是变温型的。
在吸附预净化器125中来自进料空气的二氧化碳和水蒸汽被吸附在吸附剂颗粒上，产生预净化的进料空气7，它流入优选含至少两个塔的低温空气分离装置130。在低温空气分离装置130内，预净化的进料空气通过低温精馏分离成为产品氧和产品氮中至少一种。在图1说明的本发明实施方案中，产生产品氧并以流体9所示回收，还产生产品氮并以流体8所示回收。如果装置130能包含氩塔时，则在装置130中还能产生氩产品。
图2说明一种实施本发明时使用的直接电晕放电反应器一种简化的实施方案，如用于图1所说明的本发明实施方案中的反应器120。现参看图2，进料空气250流经入口管200并进入直接电晕放电反应器230的分布区205。分布区205的使用能保证进料空气平稳地进入反应的全部区域或电晕放电反应器230的处理区210。在反应区210的里面进料中的被离子化并且离子化氧与烃反应形成二氧化碳和水。进料空气再流入反应器230的收集区215，并且从这里作为管道220中的进料空气流255流出电晕放电反应器230，为的是象图1所述进行进一步的处理。
通常，电晕放电反应器通过产生高压电场工作，电场把能量给予通过分子作用的分子上。这种增强的能量改变了这些分子的化学相互作用。结果产生游离的电子、离子和其它反应性特强的物质，对比未经电场作用它们的相互作用更不受拘束。电场可按电磁场的状况描述，即通过在两电极之间施加电压产生电场，其中电极间的区域内带电粒子相吸或相斥。在本发明的实施过程中，电场的作用是产生原子化氧和离子化氧，而且还能产生用来离子化烃的游离电子。原子氧和离子氧的反应性较分子氧强而且由于电性的相吸，所以更易与离子化烃接触。这样使进料空气中较稀的烃易于与氧反应以致于消除了烃并在它们的位置上形成二氧化碳和水。
图3说明本发明实施时所用间接电晕放电反应器的一种简化的实施方案，如用于图1说明的本发明实施方案的反应器120。现参照图3，进料空气的一部分390流经入口管305后进入间接电晕放电反应器320的处理区310，进料空气的氧在其中离子化而产生活化流395。在管315的里面装有逆流阻止装置313以防止经管315流入区315。活化流395再与进料空气另外一部分350在间接电晕放电反应器320的混合管区300中混合，且离子化氧与烃反应形成二氧化碳和水蒸汽。进料空气作为管道354中的流体352流出间接电晕放电反应器320，为的是如图1所述进一步处理。如有必要，除了或替代流体390，流体352的一部分370可以经管道330循环用来作为电晕放电反应器的进料。
图4说明实施本发明时使用的填料床直接电晕放电反应器，如用于图1中说明的本发明实施方案的反应器120。现参照图4，进料空气400进入电晕放电反应器425的处理区450。处理区450装满介电球如氧化铝球440，介电球用金属网电极460固定就位。绝缘体430把电极与形成处理区450的管隔开。该管也可上绝缘的或化学非反应性的衬里435，衬里可以是例如将氟隆或瓷制品。高压交流电源420供应电极两端10-100千伏正弦交流电压以在处理区450的里面形成电场。当进料空气流过区450时，氧被离子化并在填料440的空隙中与烃反应产生二氧化碳和水蒸汽，所生成的处理过的进料空气405流出填料床电晕放电反应器425，为的是如图1所述进行进一步的处理。
毫微秒电晕放电反应器具有一个或一个以上明显的曲面电极，如尖端电极或金属丝电极，并且在工作期间通过直流电源毫微秒级脉冲给反应器以动力，脉冲是通过专用电路产生的。图5以简化形式说明一种这样的反应器。现参照图5，图上显示平面电极601和一个简单的尖端电极602。如有必要，可以使用一个以上的简单尖端电极。反应器是由直流毫微秒脉冲源620给予动力。加料空气650流经管道603，该管道不构成电极601的一部分。电晕充满尖端电极602的尖端和平面电极601间大致的锥形区。单或多尖端电极与平面电极间的距离一般在毫米级。生成处理过的进料空气655流出毫微秒脉冲电晕放电反应器625，为的是如图1所述进行进一步的处理。
介电屏蔽电晕放电反应器具有至少一个涂上一层高性能绝缘材料的电极并且当使用填料床反应器时由交流电供应动力。
图6以简化形式说明一个这样的介电屏蔽反应器。现参照图6，图中显示两种电极701和702，由高压交流电源740充电。电极之一接地。一层高性能绝缘材料720衬在至少一个电极上；衬层可能比电极厚。在图6说明的实施方案中，反应器是圆筒状的，外圆筒状电极702加衬，内金属丝电极701也加衬。进料空气750流经反应器后在金属丝701和管702之间出现电晕，从而引起进料空气中的烃反应形成二氧化碳和水蒸汽。有许多如图6说明的管，粘合在一起可形成反应器束。生成处理的进料空气755流出介电屏蔽的电晕放电反应器725，为的是象参照图1描述进一步处理。
在实施本发明的过程中可以使用的绝缘材料当中，可以举出硼硅酸盐玻璃、石英、氧化铝、氧化铝基催化剂、钡钛氧化物、铅钛氧化物和锶钛氧化物。在用于实施本发明的电极材料中，可以举出不锈钢、钨、铝、铜和镍铬合金。
尽管本发明已参照某些优选实施方案详细予以说明，但所属技术领域的一般技术人员会认识到在权利要求书的精神和范围内仍然存在着本发明的其它实施方案。
权利要求
1.一种处理用于低温精馏进料空气的方法，包括(A)含烃的进料空气流经电场，使进料空气的氧离子化而产生离子化氧，使进料空气内离子化氧与烃仅应产生二氧化碳和水蒸汽；(B)进料空气中的二氧化碳和水蒸汽吸附在吸附剂上产生预净化的进料空气；(C)预净化的进料空气流入低温空气分离装置，并且预净化进料空气通过低温精馏分离产生产品氧和产品氮中的至少一种；和(D)从低温空气分离装置中回收产品氧和产品氮中的至少一种。
2.权利要求1所述的方法，其中电场建立在离子化氧和烃发生反应的同一区段。
3.权利要求1所述的方法，氧通过流经电场在第一区段被离子化，离子化氧流入第二区段，在此与烃发生反应。
4.权利要求1所述的方法，其中电场建立在含颗粒材料的容积内，颗粒材料间留有空隙，与离子化氧与烃在空隙内发生反应。
5.权利要求1所述的方法，其中电场是通过平面电极和至少一个尖端电极间的一系列直流脉冲建立的。
6.用于处理进料空气的设备，包括(A)电晕放电反应器和用于使含烃进料空气流入该电晕放电反应器的装置；(B)吸附预净化器和用于使来自电晕放电反应器的进料空气流入吸附预净化器的装置；(C)低温空气分离装置和用于使来自吸附预净化器的进料空气流入低温空气分离装置的装置；和(D)用于从低温空气分离装置回收产品氧和产品氮中至少一种的装置。
7.权利要求6所述的设备，其中电晕放电反应器包含充满颗粒物的容积，该颗粒物至少部分通过电极固定就位，并且其中高压交流电源为电极提供交流电。
8.权利要求6所述的设备，其中电晕放电反应器含有两个隔开的电极，其中至少一个衬有绝缘材料。
全文摘要
包括预处理供低温空气分离装置用的进料空气系统,其中进料空气流经电场,氧被离子化,离子化氧在吸附预净化器的上游与烃反应,接着进料空气通过低温精馏进行分离。
文档编号B01D53/32GK1248481SQ9911856
公开日2000年3月29日 申请日期1999年9月9日 优先权日1998年9月10日
发明者N·R·克里宾, D·P·博纳奎斯特, A·B·斯特瓦特, G·W·亨兹勒 申请人:普拉塞尔技术有限公司