氪和氙的回收方法 |
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| 申请号 | CN200980140742.1 | 申请日 | 2009-06-08 | 公开(公告)号 | CN102216712A | 公开(公告)日 | 2011-10-12 |
| 申请人 | 普莱克斯技术有限公司; | 发明人 | N·M·普罗塞尔; J·B·桑德斯; | ||||
| 摘要 | 一种分离空气的方法，其中 过热 空气流被引入到传质 接触 区域中，该传质接触区域与空气分离单元的高压塔相关联。氪和氙被从引入到传质接触区域的过热空气流冲洗掉，藉此形成氪和氙富集的液体。氪和氙富集的液体在 汽提 塔内被汽提，以产生氪-氙富集的塔底馏出物液体。产生由来自于汽提塔的氪-氙富集塔底馏出物液体构成的氪-氙富集流，用于进一步精炼。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种分离空气的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 氪和氙的回收方法技术领域[0001] 本发明涉及在空气分离单元中分离空气的方法，所述空气分离单元具有高压塔和低压塔，其中将氪和氙从位于高压塔的底部部分内或位于连接到高压塔的底部部分的辅助塔内的传质接触区域中的过热空气流冲洗掉，以产生富含氪和氙的塔底馏出物液体，其在汽提塔内被汽提以产生又进一步富含氪和氙的其它塔底馏出物液体。 背景技术[0002] 空气通过低温精馏被分离为其组成部分。在这种工艺中，空气在主热交换器内被压缩、净化并冷却至适合于其精馏的温度，并接着引入到具有高压塔和低压塔的空气分离单元中以相应产生富含氮和氧的产物，所述高压塔和低压塔分别操作在高压和低压下。此外，空气分离单元还可包括氩塔，以将氩从抽取自低压塔的氩富集流中分离。 [0003] 冷却后的空气被引入到高压塔中，以产生上升蒸气相，其始终富含氮以产生氮富集蒸气塔顶馏出物，其被冷凝以产生氮富集液体流，该氮富集液体流回流到高压塔和低压塔，并藉此开始形成在这种塔中每个内的下降液相。下降液相在其下降时始终富含氧，以产生每个塔中的富含氧的塔底馏出物液体。作为塔底馏出物液体而收集在低压塔内的氧富集液体被再沸，以在这种塔内开始形成上升蒸气相。通过冷凝高压塔的氮富集蒸气塔顶馏出物可实现这种再沸，以产生氮富集的回流流。 [0004] 高压塔的氧富集塔底馏出物液体流（在本领域已知为粗液氧或釜液（kettle liquid））用于将氧富集液体流引入到低压塔中，用于进一步精炼。氮富集蒸气流和在低压塔中未蒸发的残留氧富集液体流可引入到主热交换器中，以有助于冷却进入空气并接着作为产物。氩富集流可以被从低压塔移除并且在氩塔或塔系统进一步精炼，以产生氩富集流。在所有这种塔中，传质接触元件（例如规整填料、散堆填料或塔板）可用于使得液相和蒸气相紧密接触，以实施在这种塔中发生的蒸馏。 [0005] 已知的是，当液相在高压塔中下降时，其将不仅始终富含氧，而且富含氪和氙。由于氪和氙的相对低挥发性，仅在底部若干层级具有明显的氪和氙浓度。为了浓缩氪和氙，还已知的是提供了在粗液氧流被带入的点下方的传质接触区域，以从进气空气冲洗掉氪和氙。例如，在DE 100 00 017 Al中，公开了一种空气分离设施，其中空气在完全冷却之后被引入到高压塔的底部中，该高压塔具有构造在其底部中的这种传质接触区域，以产生富含氪和氙的塔底馏出物液体。然后，这种塔底馏出物液体流被引入到精馏塔内，以产生被再引入到高压塔内的氧富含蒸气塔顶馏出物、和可取走并进一步精炼的粗氪-氙塔底馏出物液体。类似地，在US 2006/0021380中，富含氪和氙的塔底馏出物液体流在构造在高压塔底部中的传质接触区域中产生。然后，该塔底馏出物液体被引入到定位在氩塔顶部上的蒸馏塔内。氩塔的冷凝器使这种蒸馏塔再沸，以产生进一步富含氪和氙的残留液体。然后，残留液体流在汽提塔内被汽提，以产生可被进一步精炼的富含氪-氙的塔底馏出物液体。 发明内容[0008] 空气被引入到空气分离单元中，该空气分离单元包括高压塔和低压塔，空气在空气分离单元中被分离为富含至少氧和氮的成分馏分。该成分馏分流用于辅助空气的冷却。 [0009] 在位于高压塔的底部部分中或连接到高压塔的底部部分的辅助塔中的传质接触区域内从过热空气流的至少一部分中冲洗掉氪和氙，使得产生富含氪和氙的塔底馏出物液体。传质接触区域以在从大约0.04至大约0.15之间的液体-蒸气比操作。富含氪和氙的液体流在汽提塔内被汽提为汽提气，藉此产生氪-氙富集的塔底馏出物液体，其氪和氙的浓度大于在传质接触区域中产生的富含氪和氙液体的氪和氙的浓度。从汽提塔中抽取包括氪氙富集的塔底馏出物液体的氪氙富集流。 [0010] 现有技术专利中的问题在于，在高压塔的浓缩氪和氙的底部区段中液体-蒸气比十分低。当被赋予低液体-蒸气比的空气以其露点或露点附近的温度进入到这种塔区段中时，更多的氪将处于蒸气状态，且因此不会回收在液体中。在本发明中，由于进入高压塔底部的空气处于过热状态，因此液体-蒸气比可增加，从而导致更多的氪被从蒸气中冲洗掉，并因而存在于富含氪和氙的液体中，这样本发明相比于现有技术允许更高的氪回收。同样，由于这通过简单地引入处于过热状态的空气来实施，所以本发明可得以实施而不会存在过多的能量损失。通过对本发明的其它方面的下述说明，其它优势将显而易见。 [0011] 传质接触区域可位于高压塔的底部区域中，正好位于将粗液氧流从其中移除的点的下方，用于在空气分离单元内的进一步精炼。 [0012] 空气分离单元可设置有氩塔，所述氩塔可操作地关联低压塔，以精馏含氩流，并藉此产生氩富集的塔的塔顶馏出物和从氩富集塔的塔顶馏出物形成的氩富集流。要注意的是，如在本文和权利要求书中所使用的，术语“氩富集流”包括具有任意氩浓度的流。例如，氩富集流可具有足够低的氧和氮浓度，以适合作为产物流。这种氩富集流由一个或多个塔产生，所述塔具有由低压降规整填料提供的足够数量的层级。同样，这种氩富集流可以是已知为粗氩流的中间产物流，以便由下述装置进一步处理，例如由除氧单元进一步处理从而降低氧浓度、以及由氮塔进一步处理以降低氩产物生成中的氮浓度。粗液氧流的至少一部分被减压并且引入，以与氩富集蒸气流间接热交换。结果是，产生氩富集液体流，其至少部分地被引入到氩塔中作为回流，且粗液氧流的该至少一部分被部分地蒸发，以藉此通过部分蒸发形成蒸气馏分流和液体馏分流。蒸气馏分流被引入到低压塔中，液体馏分流被引入到低压塔和高压塔中的一个中。 [0013] 空气可通过与主热交换器中的成分馏分流的间接热交换而冷却。成分馏分流中的一个是包括低压塔的氧富集液体的塔的塔底馏出物的氧富集液体流。该氧富集液体流可被泵送，且该氧富集液体流的至少一部分在被泵送后可在主热交换器中蒸发或伪蒸发，以产生加压氧产物流。空气在被压缩并净化之后被分流为第一分支空气流和第二分支空气流。第一分支空气流的至少一部分被进一步压缩、通过氧富集液体流的该至少一部分的蒸发或伪蒸发而在主热交换器内被完全冷却、并且之后被减压以产生含液空气流。在这点上，在本文和权利要求书中所使用的术语“含液空气流”是指为液体的空气流，或者是指为液体和蒸气的两相流的空气流。含液空气流被全部引入到高压塔中。第二分支空气流在主热交换器中被部分地冷却，以产生过热空气流。液态伪空气流在含液空气流被引入到高压塔的点处或在该点上方被从高压塔移除，并且被引入到低压塔中。液体馏分馏在粗液氧流被抽取的水平处引入到高压塔中，从而不与粗液氧流混合，以增加氪和氙的回收。 [0014] 在本发明的具体实施例中，过热空气流的一部分可被引入到传质接触区域中，过热空气流的其余部分可引入到位于汽提塔的底部的再沸器中，以再沸汽提塔，并藉此形成汽提气。过热空气流的其余部分在经过再沸器并且至少部分地冷凝之后组合液体伪空气流，用于引入到低压塔中。在汽提塔中产生含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物，且含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物流被引入到低压塔中。 [0015] 在本发明的另一实施例中，过热空气流全部可引入到传质接触区域中。含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物在汽提塔中产生，并且含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物流连同过热空气流一起被引入到传质接触区域中。第一分支空气流的第一部分可在产物沸腾器压缩机内进一步被压缩，第一分支空气流的第二部分可在主热交换器内被进一步压缩并完全冷却。第一分支空气流的第二部分被引入到位于汽提塔底部的再沸器中，以再沸汽提塔，以便藉此产生汽提气，第一分支空气流的第二部分在已经传送通过再沸器且至少部分地冷凝后被减压并引入到高压塔中。 [0016] 空气可通过在主热交换器内与成分馏分流的间接热交换而冷却。成分馏分流中的一个是包括低压塔的氧富集液体的塔的塔底馏出物的氧富集液体流。该氧富集液体流被泵送，且该氧富集液体流的至少一部分经泵送之后在主热交换器内被蒸发或伪蒸发，以产生加压氧产物流。空气在被压缩和净化之后被分流为第一分支空气流和第二分支空气流。第一分支空气流被进一步压缩、通过氧富集液体流的该至少一部分的蒸发或伪蒸发在主热交换器内被完全冷却、以及被减压，以形成含液空气流。在该实施例中，含液空气流被分流为第一分支含液空气流和第二分支含液空气流。第一分支含液空气流被引入到高压塔中，第二分支含液空气流被进一步减压并且引入到低压塔中。 [0017] 第二分支空气流在主热交换器中被部分地冷却，以产生过热空气流。液体馏分流被引入到低压塔中，过热空气流的一部分被引入到传质接触区域中，过热空气流的其余部分被引入到位于汽提塔底部处的再沸器中，以使汽提塔再沸，以便藉此产生汽提气。过热空气流的其余部分在已经传送通过再沸器后连同第二分支含液空气流一起被引入到低压塔中。在汽提塔中产生含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物，且含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物的流被引入到低压塔中。 [0018] 在另一实施例中，过热空气流全部被引入到传质接触区域中。含氮和氧的蒸气流在含液空气流的引入点处或在高于该点处被从高压塔中移除，并且引入到位于汽提塔底部处的再沸器中，以使汽提塔再沸。含氮和氧的蒸气流在已经传送通过再沸器之后被引入到高压塔中。 [0019] 空气可通过在主热交换器内与成分馏分流的间接热交换而冷却。成分馏分流中的一个是包括低压塔的氧富集液体的塔的塔底馏出物的氧富集液体流。该氧富集液体流被泵送，且该氧富集液体流的至少一部分在已经被泵送后在主热交换器中被蒸发或伪蒸发，以产生加压氧产物流。空气在压缩和净化之后被分流为第一分支空气流和第二分支空气流。第一分支空气流被进一步压缩、通过氧富集液体流的该至少一部分的蒸发或伪蒸发在主热交换器内完全冷却、以及被减压，以便形成含液空气流。含液空气流被全部引入到高压塔中，第二分支空气流在主热交换器中被部分地冷却，以产生过热空气流。液体伪空气流在含液空气流被引入到高压塔中的点处或高于该点处被从高压塔移除，并且引入到低压塔中。 [0020] 粗液氧流被分流为至少第一分支粗液氧流和第二分支粗液氧流。在这种实施例中，传质接触区域位于连接到高压塔的底部部分的辅助塔中。第二分支粗液氧流连同沿过热空气流的部分相反方向的液体馏分流一起被引入到辅助塔中，以从其中冲洗掉氪和氙，且塔顶馏出物的蒸气流从辅助塔返回至高压塔。辅助塔连接到汽提塔，使得富含氪和氙的液体流被引入到汽提塔中。汽提塔与低压塔流体连通，使得在汽提塔中产生的含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物的流连同蒸气馏分流一起被引入到低压塔中。 [0021] 在另一实施例中，空气通过在主热交换器内与成分馏分流的间接热交换而冷却。成分馏分流的一个是包括低压塔的氧富集液体的塔的塔底馏出物的氧富集液体流。该氧富集液体流被泵送，且该氧富集液体流的至少一部分在已经被泵送后在主热交换器内被蒸发或伪蒸发，以产生加压氧产物流。空气在已经被压缩并净化之后被分流为第一分支空气流和第二分支空气流。第一分支空气流被进一步压缩、通过氧富集液体流的该至少一部分的蒸发或伪蒸发在主热交换器内完全冷却、以及被减压，以便形成含液空气流。第二分支空气流在主热交换器内被部分地冷却，以产生过热空气流。含液空气流被分流为第一含液空气流和第二含液空气流。第一含液空气流被引入到高压塔中，第二含液空气流被引入到低压塔中。 [0022] 粗液氧流被引入到中间压力塔中，以产生含氮的塔的塔顶馏出物和含氧的塔的塔底馏出物。包括含氧液体的塔的塔底馏出物的含氧液体的塔的塔底馏出物的流被引入到低压塔中。中间压力塔通过从高压塔移除的部分含氮流再沸，并且通过冷凝在中间再沸器中包括含氮的塔的塔顶馏出物的含氮塔顶馏出物流而回流。汽提塔通过含氮流的其余部分而再沸。含氮流的一部分和含氮流的其余部分被用来向高压塔提供回流，含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物在汽提塔中产生，含氮和氧的蒸气的塔顶馏出物的流被引入到低压塔中。 [0023] 此外，传质接触区域位于高压塔的底部部分中、正好在粗液氧流从其中移除的点下方。氮富集蒸气流从低压塔的顶部被抽取，且构成其它成分馏分流。氮富集蒸气流被引入到主热交换器中。氮富集蒸气流的第一部分在主热交换器内被完全暖热，且氮富集蒸气流的其余部分被部分地暖热并且被从主热交换器中抽取。该其余部分在已经从主热交换器中被抽取之后被引入到涡轮膨胀机中，以产生排气流，且排气流被再引入到主热交换器中并且完全暖热以产生制冷。在本发明的任何实施例中，第一分支空气流或其可应用的部分可在液体膨胀机中被减压。附图说明 [0024] 虽然说明书以权利要求书加以总结，并且权利要求书特别指出了申请人认为是其发明的主题，但是所确信的是，结合附图将更好地理解本发明，在附图中：图1是设计成实施根据本发明方法的空气分离设施的工艺流程图的示意性图示； 图2是图1中所图示的空气分离设施的替代性实施例； 图3是图1中所图示的空气分离设施的替代性实施例； 图4是设计成实施根据本发明方法的空气分离设施的另一实施例的工艺流程图的示意性图示； 图5是设计成实施根据本发明方法的空气分离设施的另一实施例的工艺流程图的示意性图示，所述空气分离设施结合位于辅助塔中的分离的传质接触区域；以及图6是设计成实施根据本发明方法的空气分离设施的另一实施例的工艺流程图的示意性图示。 具体实施方式[0025] 参照图1，图示了用于实施根据本发明方法的空气分离设施1。 [0026] 空气流10在压缩机12中被压缩，以产生具有在大约75 psia至大约95 psia之间的压力的压缩空气流14。在移除后冷却器16内的压缩热量之后，压缩空气流14被引入到预净化单元16，以产生被压缩且净化的空气流18。在本领域中公知的预净化单元16通常包括氧化铝床和/或分子筛，其根据温度和/或压力变动吸收循环来操作，其中水分和其它较高沸点的杂质被吸收。如本领域已知的，这种较高沸点的杂质通常是二氧化碳、水蒸汽和烃。当一个床在操作时，其它床被再生。可使用其它工艺，例如直接接触水冷、基于冷却的制冷、直接接触冷却水、和相分离。 [0027] 于是，被压缩并净化的空气流18被分流为第一分支空气流20、第二分支空气流22和第三分支空气流24。第一分支空气流20可具有在被压缩并净化的空气流18的流率的大约24%至大约35%之间的流率，第一分支空气流20被传给增压器或产物沸腾器压缩机26，并且在后冷却器28中移除压缩热量之后被引入到主热交换器30中，以蒸发或伪蒸发将要讨论的泵送液态氧流126。在将第一分支空气流20传送通过主热交换器30之后，产生完全冷却的空气流32。要注意的是，结合泵送液态流并且在本文和权利要求书中所使用的短语“蒸发或伪蒸发”意指：泵送流在泵送时可高于或低于超临界压力，使得在高于超临界压力时，密相液体被转换为密相蒸气，且在低于超临界压力时，泵送液体经历从液体至蒸气的状态变化。第三分支空气流24优选地具有在被压缩并净化的空气流18的从大约5%至大约20%的流率，并且被传送到增压器压缩机34，并且被压缩到在大约100 psia至大约180 psia之间的压力。在后冷却器36内移除压缩热量之后，第三分支空气流24在主热交换器18中被部分地冷却并且引入到涡轮膨胀机38中，该涡轮膨胀机可耦接到增压器压缩机34以产生用于施加制冷的排气流40。第二分支空气流22在主热交换器30内部分地冷却以产生过热空气流42。 [0028] 如要进一步注意的，在本文和权利要求书中所使用的术语“完全冷却”是指：冷却至在主热交换器30的冷端处的温度。术语“完全暖热”是指：暖热至主热交换器30的暖端处的温度。术语“部分地冷却”是指：冷却至主热交换器30的暖端和冷端之间的温度。最后，术语“部分地暖热”是指：暖热至在主热交换器30的冷端和暖端温度中间的温度。 [0029] 要注意的是，虽然在图1的实施例以及本文所示的其它实施例中主热交换器30示出为单一单元，但是旨在这种主热交换器30可由分离部件形成。例如，分离的热交换器可被提供，以通过与第一分支空气流20的间接热交换来蒸发或伪蒸发泵送液态氧流。在另一方面，过冷热交换器68可组合主热交换器30，使得形成单个热交换装置。同样，主热交换器30可在其暖端和冷端分开。最后，虽然本发明不局限于用于主热交换器30或其部件的具体构造类型，但是应当理解的是，其可结合煤粉铝板翅式构造（braised aluminum plate-fin construction）。 [0030] 以上述方式压缩并冷却的空气然后在空气分离单元44中精馏，该空气分离单元44具有高压塔46、低压塔48和氩塔50，以产生氧、氮和氩产物。每个前述的塔都具有传质接触元件，以在相关塔内使得上升蒸气相接触下降液相。这种传质接触元件可以是规整填料、散堆填料或塔板或者这些元件的组合。由此，在高压塔46和低压塔48中，上升蒸气相在其上升时始终富含氮，下降液相始终富含氧。在高压塔46中，这种下降液相在其下降时也始终富含氪和氙。由于氪和氙的相对低挥发性，所以仅底部若干层级具有明显的氪和氙浓度。在高和低压塔46中，氮富集蒸气的塔顶馏出物形成在每个塔的顶部，在低压塔48中，形成氧富集液态塔塔底馏出物。在氩塔50中，氧从氩中分离，且因此在该塔中的下降液相变得始终富含氧，上升蒸气相变得始终富含氩。 [0031] 更具体地，完全冷却的空气流32被引入到液体膨胀机33中，以产生含液空气流52，该含液空气流52被引入到高压塔46的中间位置。过热空气流42的一部分54被引入到高压塔46的基部，排气流40被引入到低压塔48中。过热空气流42的其余部分56被引入到位于汽提塔60内的再沸器58中，以形成完全冷凝或部分冷凝的流62。 [0032] 要注意的是，优选的是增压器压缩机34和涡轮机38的布置，因为这减少了产生给定量的制冷所需的空气量。通过液体膨胀机33使液体膨胀也产生制冷。然而，存在其它制冷可能性，例如废气和氮的膨胀。又一可能性是从具有与空气类似成分的高压塔中移除某一个流，从而在主热交换器中完全暖热该流，并接着在增压器压缩机34中压缩该气流用于制冷目的。这种可能实施例的优势是提供了更多的过热空气至传质接触区域，并且继而从这种过热空气冲洗掉更多的氪和氙。在另一极端，可能用阀来代替液体膨胀机33，这是因为在本发明的这种可能实施例中制冷产物将会丢失。 [0033] 在高压塔46的底部部分处，在粗液氧流64被抽取的点的下方提供附加的塔区段，以限定传质接触区域。该部分包含在从大约2个至10个实际塔板之间、优选地在从大约3至大约8个塔板之间、或者其在填料中等同的任何地方。如将要讨论的，可由要讨论的附加辅助塔146来提供附加塔区段。然而在本实施例中，在这种区段处的高压塔46内的下降液相从上升蒸气相冲洗掉氪和氙，该上升蒸气相通过引入过热空气流42的一部分54而在高压塔46内开始。如上所述，引入过热状态的主空气允许该传质接触区域操作在较高液体-蒸气比（该较高液体-蒸气比可以另外通过较冷空气的供给来有效地获得）以增加氪和氙产物。在这点上，优选地，过热空气流42的温度高于在过热空气流42的压力处空气的露点温度至少大约5 K。如将要讨论的，空气分离设施1的其它特征有助于进一步增加氪-氙回收。 [0034] 要注意的是，控制液体-蒸气比是通过被引入到该传质接触区域中的液体量来实现的。该液体量通过控制粗液氧流64的流率来控制。在这点上，优选地，该传质接触区域操作在从大约0.04至大约0.15之间任何数值的液体-蒸气比。在低于大约0.04的液体-蒸气比时，将不存在冲洗掉氪的足够液体。在另一极端情况中，在高于大约0.15时，被确信不存在任何附加益处。由于高压塔46的底部部分形成传质接触区域，所以蒸气相在其接触下降液相之后继续在高压塔内上升。然而，氪和氙的该冲洗产生了在高压塔底部处的富含氪和氙的液体。 [0035] 富含氪和氙的液体流65通过膨胀阀66减压并且被引入到汽提塔60的顶部，以被再沸器58所产生的沸腾蒸气汽提为汽提气。这在汽提塔60中产生了氪-氙富集的塔底馏出物液体，其具有比在高压塔46底部处在传质接触区域中产生的富含氪和氙的液体更高的氪和氙浓度。包括氪-氙富集的塔底馏出物液体的氪-氙富集流67可被抽取并且进一步处理以产生氪和氙产物。在此要注意的是，液相的向下流量必须被控制，以便不仅控制液体-蒸气比，还防止了烃、氮氧化物和二氧化碳的不安全浓度被收集在氪-氙富集流67中。 [0036] 如上所述，粗液氧流64被从高压塔46中抽取。该流在过冷单元68内被过冷。粗液氧流64的第一部分69在过冷之后在阀70中被阀膨胀，并且被引入到低压塔48中用于进一步精炼。粗液氧流64的第二部分72在膨胀阀74中膨胀，并接着引入到热交换器76的外壳或沸腾侧中，以冷凝或部分地冷凝由氩塔50的氩富集蒸气的塔顶馏出物形成的氩富集流78。该冷凝部分地蒸发粗液氧流64的第二部分72，以形成蒸气馏分流79和液体馏分流80。蒸气馏分流被引入到低压塔48中，液体馏分流被泵82泵送并且在与萃取粗液氧流相同的水平处引入到高压塔中。液体馏分流80通常将被引入到低压塔48中。然而，出现在热交换器76中的部分蒸发起作用，以浓缩液体馏分流80中已经经过粗液氧气流64的大部分氪和氙。藉此，液体馏分流80的再引入趋于增加氪和氙的回收。此外，抽取这种液体馏分流80防止了不安全污物的积累。另一值得关注的点是，当热交换器76位于足够高度以允许液体馏分流80产生足够压头（head）以进入高压塔46时，可能省除泵82。此外，粗液氧流64的第一部分69有助于增强氩回收。然而如将被理解的，粗液氧气流64的第一部分69还包含氪和氙，并且连同阀70被省除，以便在牺牲氩回收的情况下增加对这些元素的回收。 [0037] 氩富集流78的冷凝产生了氩液体和蒸气流84，其被引入到相分离器86以产生作为蒸气的氩放泄流88和到达氩塔50的氩回流流90。流84的蒸气含量小，通常小于总流量的大约1%。氩产物流91从氩塔50的顶部或顶部附近被移除。放泄流88被移除，以在氩塔50被设计用于产生氩产物流而不是粗氩流时防止氮侵入到氩产物流91中，用于进一步的处理。氩塔50接收含氩和氧的蒸气流92，用于将氧从氩分离。富含氧的液体流94从氩塔50返回至低压塔48。取决于分离级的数量和所使用的传质接触元件的类型（例如，低压降规整填料），可能获得实质上完全的氧分离，使得氩产物流91可用作产物而不需要进一步处理。通常，氩塔50可分流为两个塔，用于这种目的。然而，可能实施较少的分离，使得氩产物流91是将要在除氧单元和氮分离塔中进一步处理的粗氩流，除氧单元催化地消除氧，氮分离塔则分离在粗氩产物中的任何氮。 [0038] 除了粗氧流64之外，供给到低压塔48中的其它流包括在汽提塔60中产生的塔的塔顶馏出物形成的含氧和氮的流96。在这点上，汽提塔60应当操作在稍微高于高压塔46压力的压力下，以允许含氧和氮的流96流动到低压塔48。此外，液体伪空气流98（如此称谓是因为其具有类似于空气的构成）被阀膨胀并且连同从过热空气流42的第二部分56形成的流62一起被引入到低压塔98中，所述流62为此目的在膨胀阀102中被阀膨胀。引入液体伪空气流98有助于保持氩和氧的回收，否则通过将所有液态空气供给到高压塔46会减少氩和氧的回收。在这点上，在本文和权利要求书中所使用的术语“液体伪空气流”是指包含至少大约17%氧和至少大约78氮的流。 [0039] 高压塔46和低压塔48通过冷凝器再沸器104以热传递关系联接到一起。冷凝器再沸器104可以是单程向下流动类型。其还可以是常规热虹吸管或具有泵送再循环的向下流动类型。在高压塔46作为塔的塔顶馏出物产生的氮富集蒸气的流106被引入到冷凝器再沸器104中并且冷凝，以便对抗蒸发氧富集液体，该氧富集液体被作为塔的塔底馏出物而收集在低压塔48中。得到的液态氮流被分流成第一和第二液态氮回流流108、110，其用于在高压塔46和低压塔48中回流。在这点上，第二液态氮回流流110在过冷单元68中过冷，并且其一部分作为液态流112在膨胀阀114中阀膨胀并引入到低压塔48中，且可任选地，作为液态氮流116的其余部分可作为产物而获取。此外，虽然未示意出，但是高压氮产物可取自氮富集蒸气流106或液态氮回流流108。 [0040] 包括低压塔48的塔顶馏出物的氮产物流可在过冷单元68中部分地暖热，以有助于连同被移除的废气流120一起处于其过冷运行中，以控制氮产物流118中的纯度。然后，这两种流都在主热交换器30内完全暖热，以有助于冷却进入的空气流。要注意的是，废气流120可按照本领域已知的方式在再生预净化单元18中使用。 [0041] 在低压塔48内在由冷凝器再沸器104蒸发氧富集的塔的塔底馏出物后剩余的残留氧富集液体可作为氧产物流122被移除，以及可任选地作为加压液态氧产物流128被移除，其中氧产物流122由泵124泵送以产生泵送氧流126。泵送氧流126在主热交换器30中蒸发或伪蒸发，以对抗第一供给空气流20中的液化，藉此在压力下产生氧产物流130。 [0042] 参照图2，图示了不同于图1中实施例的空气分离设施2，不同之处在于汽提塔60在高压塔46的额定压力下操作，而不是如图1中所示在低压塔48的额定压力下操作。所有过热空气流42连同含氮和氧的流132被引入到高压塔中，含氮和氧的流132被作为汽提塔60内的塔的塔顶馏出物而产生。在这点上，由于流132内的压降，所以汽提塔60可在比高压塔46稍微更高的压力下操作。可省除阀66，因为不再需要这种阀。然而，由于汽提塔60的更高操作压力，供给到再沸器中的流必须处于更高的压力。在这点上，通过从增压器压缩机26在大约160 psia至大约250 psia之间压力的中间压缩级移除第一分支空气流20的一部分132，产生用于汽提塔60的再沸。在从后冷却器132中移除第一分支空气流20的一部分132的压缩热量之后，该流在主热交换器30’中完全冷却并且将流引入到再沸器58中，所述主热交换器30’具有为此目的的通道。完全冷凝或部分地冷凝的得到流136通过膨胀阀138减少压力，并且在与含液空气流52的相同位置处，或与含液空气流52一起被引入到高压塔46中。替代地，流136可通过液态伪空气流98供给到低压塔48。如可以理解的，图2图示的实施例消除了在图1中氪氙回收引起的氩回收损失。然而，高压供给空气需求增加了运行膨胀，且在增压器压缩机26和主热交换器30’的设计中需要附加的复杂性。 [0043] 虽然未图示，但替代增压器压缩机26的修改，以提供从汽提塔60内用于再沸目的增压器压缩机26的中间压缩级的第一分支空气流20的一部分132，以及替代主热交换器30的修改，可能为此目的而冷却过热空气流42的冷压缩部分。然后，得到的冷压缩流可用于这种再沸器的运行。虽然冷压缩需要比图2所示的暖热端压缩更少的功率，但是冷压缩机的能量必须通过需要在涡轮膨胀机38中产生的附加制冷需求来平衡。关于冷压缩，可将其它工艺流（例如，富含氮的流）用在汽提塔60内的再沸运行。 [0044] 参照图3，其图示了作为图1的简化版本的空气分离设施3，其不包括被往回送到高压塔中的液态馏分流80。相反，在常规方式中，来自于热交换器26的液态馏分流140被引入到低压塔48中。由于液态馏分流80未返回至高压塔46，因此不存在动机将所有含液空气流52供给到这种塔中。相反，含液空气流被分流为两个流52a和52b，它们被常规地供给到高压塔46和低压塔48。 [0045] 参照图4，使用空气分离设施4，其中通过从高压塔46的中间位置移除蒸气流142并且将其引入到再沸器58来使汽提塔60再沸。该位置被选择成，使得蒸气流142将具有这样的成分，该成分将使得跨再沸器58的温差最小化。所得到的完全冷凝或部分冷凝的流144在供给点被往回再引入到高压塔56中。这增加了在蒸气流142从高压塔46移除的点下方在高压塔46中的蒸气和液体运输量。结果是，高压塔4更为有效，且产物氩和氧的回收得到改善。如果规整填料被用作传质接触元件，那么蒸气流142可被移除且流144返回至高压塔中用于供给含液空气流52的相同位置。为了将流144供给回到高压塔46中，其必须具有足够的压头，该压头由泵产生或再沸器58的物理位置产生。另一可能性是使得流 144的压力下降并且供给与液态伪空气流98相同的流。 [0046] 虽然未图示，但是可能使用氮富集的蒸气流106的一部分取代蒸气流142用于使汽提塔再沸的目的。所得到的流可组合氮回流流110。在对于空气分离设施4的这种修改可导致增加氩和氧回收时，可能不允许使用冷凝器再沸器104的向下流动类型的热交换器。 [0047] 参照图5，其图示了空气分离设施5，其中用于冲洗进入的过热空气流的传质接触区域被放置在辅助塔146内。其目的在于允许图1中的方法作为对于现有空气分离设施的改进来实施。在该实施例中，粗液氧流64被分流为第一部分148和第二部分150。粗液氧流的第一部分148被引入到过冷单元168中。粗液氧流64的第二部分150和液态馏分流80被引入到冲洗塔146中。可提供泵152和153以在需要时产生足够的液体压头，从而将前述流引入到冲洗塔146中。过热空气流42的一部分154被引入到冲洗塔146中，使得在冲洗塔146中产生上升相。如图1所示，过热空气流142的其余部分56用于使汽提塔再沸。 然而与图1不同，含氮和氧的流96与来自与氩塔50相关的热交换器76的蒸气馏分流79组合，以便引入到低压塔48中。冲洗塔76连接到高压塔的底部区域，使得作为流158的上升相从冲洗塔146传送到高压塔46中并且在其中上升。如图1所示，所得到的富含氪和氙的液态流65被引入到汽提塔60中。 [0048] 参照图6，其示出了空气分离设施6，其采用设计成以高压和高速率产生低纯度氧和氮的低纯度氧循环。空气分离设施6采用了可操作在大约200 psia的压力下的高压塔46；可操作在大约135 psia的压力下的中间压力塔47；以及可操作在大约65 psia的压力下的低压塔48’。 [0049] 这种循环的优势从为此目的被操作的双塔系统的上下文中能够最佳地被理解。在这种双塔循环中，在低压塔48的基部具有过量的分离能力，但是在低压塔的顶部该分离能力将减少。在空气分离设施6中，这通过减少在低压塔48基部处的传质驱动力并且增加在低压塔48顶部处的传质驱动力来补救。这通过使用中间压力塔47以萃取附加的氮来完成，因为液态氮是针对低压塔48’回流。另外，低压塔48’在中间水平被再沸。在低压塔48’内的最低冷凝器再沸器（即，冷凝器再沸器104）之间将存在减少的再沸，藉此减少在不需要低纯度氧产物的低压塔48’的这种区段中的传质驱动力。增加的来自于中间压力塔47的氮回流则增加了在低压塔48’的顶部区段中的传质驱动力，且因此消除了成分减少。这使得更多的高压氮产物以将要讨论的方式从高压塔46中抽取。如本领域技术人员能够理解的，空气分离设施6的能力十分适合于包括集成气化组合循环的应用，其中气化器和供给至气体涡轮的氮需要低纯度氧从而产生功率。 [0050] 在该特定循环中，第一供给空气流20和第二供给空气流22在主热交换器160中冷却。不存在第三供给空气流，这是因为这种设施的制冷需求的主要部分通过膨胀氮产物流118的一部分来提供。在部分地暖热氮产物流118之后，氮产物流被分流为第一氮产物流118’和中间温度氮流162。中间温度氮流162在涡轮膨胀机164中膨胀，以产生在主热交换器160内被完全暖热的排气流，以产生第二氮产物流118’’，其压力比第一氮产物流118’的压力更低。 [0051] 还由液态膨胀机33供应制冷。在这点上，源自液态膨胀机的含液空气流52被分流为第一、第二和第三分支含液空气流166、168和170，其分别被引入到高压塔46、中间压力塔47和低压塔48’中。膨胀阀174和176将第二和第三分支含液空气流168、170的压力减少至用于将其引入到中间压力塔47和低压塔48’中的合适压力。 [0052] 粗液氧流64传送通过过冷单元68，由阀70阀膨胀到中间压力塔47的压力并且引入到中间压力塔47中。从高压塔46抽取的含氮蒸气流174的一部分176被引入到位于中间压力塔47的基部处的再沸器178中，含氮蒸气流174的其余部分180传送到位于汽提塔60中的再沸器58中，其在汽提塔60中至少部分地冷凝，藉此使这种塔再沸。所得到的流 182和184组合成组合流186，其被引入到高压塔46中以提供用于这种塔的附加回流。要注意的是，可能需要泵，以允许流182组合冷凝流184。含氮流188被从中间压力塔47的顶部抽取，并且在中间再沸器190中冷凝。如所示的，中间再沸器190可位于低压塔48’内或者可定位在这种塔之外，其中所述流从低压塔48’传送到这种外部中间再沸器。所得到的液态氮流191被分流为第一和第二分支液态氮流192和194。第一分支液态氮流192用于回流中间压力塔，第二分支液态氮流194在所有第二液态氮回流流110已经过冷并且分别在膨胀阀196和197中阀膨胀之后组合所有第二液态氮回流流110，以回流低压塔48’。如上所述，中间再沸器190被定位成减少低于其水平的再沸，和从第二分支液态氮流194得到的增加氮回流，所有第二液态氮回流流110增加了在低压塔48’的顶部区段中的传质驱动力以消除成分的减少。通过氮分离从中间压力塔47内的粗液氧流64产生的得到的含氧流 198在阀199中被阀膨胀并且引入到低压塔48’中，以供应从粗液氧流64得到的氧并且用于进一步精炼。 [0053] 作为汽提塔60的塔的塔顶馏出物的蒸气产生的含氮和氧的流200被引入到低压塔48’中。氮富集蒸气流106被分流为第一氮富集蒸气流201和第二氮富集蒸气流202。第一氮富集蒸气流201被引入到冷凝器再沸器104中，而第二氮富集蒸气流202在主热交换器160内被完全暖热以产生高压氮产物流204，其可以高速率被抽吸，用于向气体涡轮供应氮。 [0054] 如在图1图示的实施例中的，在高压塔46的底部部分处，在粗液氧流64被抽取的点下方提供附加的塔区段，以限定与空气分离设施1相同方式设计的传质接触区域。在这种区段处在高压塔46内的下降液相冲洗来自于上升蒸气相的氪和氙，该上升蒸气相在高压塔46内通过将按照与图1相同程度地过热的所有过热空气流42引入到传质接触区域的质量中来开始。再次优选地，该传质接触区域操作在处于从大约0.04至大约0.15之间任何数值的液体-蒸气比。由于高压塔46的底部部分形成传质接触区域，所以蒸气相在其接触下降液相之后继续在高压塔内上升。在该实施例中，大部分粗液氧在编号为64的流中被抽取。然而，存在足够的液体以获得上述的液体-蒸气比。再次，富含氪和氙的液体流65通过膨胀阀66减压并且被引入到汽提塔60的顶部，以被再沸器58所产生的沸腾蒸气汽提为汽提气。如上所述，含氮蒸气流174的其余部分180为此目的传送到再沸器58。这产生了在汽提塔60内的氪-氙富集塔底馏出物液体，其比在高压塔46的底部处的传质接触区域中所产生的富含氪和氙的液体具有更高的氪和氙浓度。包括氪-氙富集塔底馏出物液体的氪-氙富集流67可被抽取并且进一步进行生产，以产生氪和氙的产物。下述表格是示意出可在图1所示的空气流分离设施1中预期的流概述的计算示例。 [0055] 表注意： 1：在该表中流14的状况是在传送过预净化器18之后 2：在该表中流69的状况是在传送通过阀70之后 3：在该表中流120的状况是在传送通过过冷单元68之前 4：在该表中流118的状况是在进入过冷单元68之前 5：在该表中流65的状况是在传送通过阀66之后 虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可作出在这种实施例中的各种变化、增加和省除而不偏离由所附权利要求书阐述的本发明的精神和范围。 |
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