[发明专利]从空气中产生氮的方法和装置

说明书

本发明针对通过压缩废氮产品并使压缩后的废氮重新循环到蒸馏塔中从而以较高的回收率分离空气以产生气体氮和任选地产生液体氮的低温超大气方法和装置。

已知的分离空气以产生氮的方法已为例如在Ruhemann等的美国专利3，203，193及小Keith的美国专利3，217，502所揭示。这些方法中提出的单蒸馏塔是在比产品输送压力稍高的压力下运行的。在蒸馏塔的槽池处引入空气。从蒸馏塔抽出的富氧液态空气在与一部分顶部的氮产品进行间接热交换而自蒸馏。此外通过使汽化的富氧空气（又称“废氮”）膨胀而提供设备的致冷。这类方法可从馈入空气回收约35-40摩尔（mole）百分数的氮产品。

Patel等的美国专利4，400，188中揭示了应用热泵来分离氮。然而此方法只有用于大量生产氮（例如1500万-2亿标准立方英寸/天（SCFD）即625，000-8，000，000标准立方英尺/小时（SCFH））才具有规模经济效益。该方法采用对顶部蒸气再压缩以提高分离能力，这需要复杂而造价很高的设备;因而在小于约15，000，000SCFD（625，000SCFH）的范围中进行回收是很不经济的。

常规的使废氮在涡轮膨胀器中进行膨胀而致冷的单蒸馏塔装置一般将馈入空气进行过滤并将其压缩到压力比氮输送压力高。通过吸收装置如分子筛使空气纯化以去掉其二氧化碳和湿气含量，然后将其冷却到接近其露点温度。或者，在可逆式（reversing）热交换器中去掉二氧化碳和冷凝的湿气，其中空气和废气流通道可以换接以允许沉淀的杂质蒸发而排放到大气中的废气流中。

将冷却后的空气流馈入蒸馏塔中，在蒸馏塔中，空气流分离为在底部的富氧的液体和在顶部的基本上很纯的氮气流。一部分纯氮气体加热到环境温度并作为产品放出。将剩余部分送到冷凝器以提供塔的回流。将从冷凝器出来的汽化的富氧液体（典型地称为“废氮”）在热交换器中进行加热，然后在涡轮膨胀器中膨胀以使设备冷却。

这类系统的特点在于只能从馈入空气回收约35-40摩尔百分数的氮产品。所以如果从馈入空气中回收氮的摩尔百分数显著增大，则将是在本专业中的一个显著的进步。

本发明提供的方法和装置是通过压缩废氮组成物流并重新注入蒸馏塔以便从空气中以高产量（得率）回收氮。从而能以比常规单蒸馏塔小得多的功率产生纯氮产品。又，涡轮膨胀器的至少一部分功输出可以驱动对再循环的废氮进行压缩的压缩机。而且也可以将液体氮作为产品回收。

本发明包含从气态的馈入空气中回收氮的方法和装置。在热交换器中使压缩的空气相对于氮产品流和废氮流而冷却，这些流体被加热且任选地例如在可逆式热交换器中进行处理以除去杂质。或，可以在将空气送到非可逆式热交换器前使用分子筛以去掉杂质。

将得到的冷却空气进行蒸馏，以便在顶层产生基本上很纯的气体氮，且在底部产生富氧的液体。一部分顶层氮气体和基本上所有的富氧底部产品都送到冷凝器，从而形成液体氮（至少一部分液体氮作为回流返回到蒸馏装置）及称为“废氮”的富氧气体。

根据本发明的一个方面，至少一部分废氮不经涡轮膨胀器进行膨胀，而是加热到环境温度然后进行压缩。然后再冷却此经压缩的气体并使其再循环到蒸馏塔内。回收的是基本上很纯的氮气，回收量高达馈入空气的约70摩尔百分数。

根据本发明的另一方面，一部分从冷凝器得到的废氮不经涡轮膨胀器进行膨胀，而是送到冷压缩机，且不是首先加热到环境温度。又，可将一部分从涡轮膨胀器输出的功供给冷压缩机。

另一方案是通过用全部从涡轮膨胀器输出的功来使冷压缩机运转从而可以得到更高的氮产品输出。在此情况下，从外界源（如为蒸馏塔提供附加的液体氮）向系统供冷。

下面的附图（其中类似的参考号指类似的部件）对本发明的实施例进行说明，但不意味着以此对权利要求所包含的本发明的范围进行限制。

图1是本发明的一实施例的示意图，该实施例中使用多个热交换器和一个可逆式热交换器，其中整个废氮流被加热，且对一部分加热后的产品进行压缩并使其返回到蒸馏塔;

图2是少用了一个热交换器的加热压缩循环的另一实施例的示意图。

图3是使用非可逆式的热交换器和用分子筛使空气纯化的加热压缩循环的另一实施例的示意图;

图4是利用对废氮再循环流进行冷压缩的本发明的另一实施例的示意图，其中利用从膨胀器输出的至少一部分功使冷再循环压缩机运行;及

图5是利用以从涡轮膨胀器来的全部轴功对废氮再循环流进行冷压缩的本发明的另一实施例的示意图，其中由外部源供冷。