一种带有预净化器的给料气冷却器的 低温精馏系统 本发明一般说来涉及低温精馏，特别涉及到对进入低温精馏系统的给料气的处理。
经受低温精馏处理的给料气首先必须去除高沸点杂质，因为这些杂质在低温下会冻结，从而给分离工作带来额外的负担。
例如，在对给料气进行低温分离时，给料气中的高沸点杂质，例如水蒸汽，二氧化碳以及碳氢化合物，在通过像一分子筛吸附单元这样的预净化器时被去除掉。
如果给料气在预净化前被冷却，将使给料气的预净化进行得会更为有效。对给料气的冷却会使水凝给出来，这会减少由预净化器吸收的水量。这将降低所需吸收剂的用量，并降低使吸收剂再生的能耗。
一般地，在预净化过程之前对给料气进行冷却是使用机械式冷却器或其它耗能设备来完成的，以便冷却或致冷给料气。由于整个给料气均须进行冷却，这就会显著地增加低温精馏的成本。
因此，本发明的目的即在于提供一种低温精馏系统，其中以一种比现有低温精馏系统更有效的方式来完成对给料气的冷却。
本发明的上述和其它目的对于本领域技术人员来说可通过阅读本说明书将会变得十分清楚。本发明的一个方面是：
提供一种实施低温业馏的方法，其包括：
(A)冷却给料气并随后对冷却后的给料气进行预净化；
(B)将经过预净化处理地给料气输送到低温精馏装置中，并在低温精馏装置中将该预净化的给料气分离成富氮流体和富氧流体；
(C)从低温精馏装置中排出富氮流体，并将所排出的富氮流体与给料气进行间接热交换，从而在进行预净化之前冷却给料气；以及
(D)对至少一部分被排出的富氮流体进行涡轮膨胀，并使经涡轮膨胀的富氮流体与给料气进行间接热交换，从而在预净化之前冷却给料气。
本发明的另一个方面是：
提供一种实施低温精馏的设备，其包括：
(A)一个预净化器的给料气冷却器，一个预净化器，以及用于使给料气通过预净化器的给料气冷却器并从该冷却器输送到预净化器的装置；
(B)一个低温精馏装置，以及用于将给料气从预净化器输送到低温精馏装置的装置；
(C)用于将流体从低温精馏装置中排出的装置，以及用于输送所排出的流体通过所述净化器的给料气冷却器的装置；以及
(D)一个涡轮膨胀机，用于输送至少一部分所排出的流体通过涡轮膨胀机的装置，以及用于从涡轮膨胀机将流体输送通过所述预净化器给料气冷却器的装置。
在这里所用的术语“塔(column)”是指蒸馏塔、分馏塔或带、即指一个接触塔或带，在那里液相和气相以逆流方式相互接触以完成流体混合物的分离，例如，依靠气相与液相在气-液相接触元件上的接触，这些接触元件比如是一系列安装在塔内的在竖直方向上彼此有间隔的塔盘和板和/或有规则的堆砌元件和/或无规则的堆砌元件。对于更深入地讨论蒸馏塔，请看《化学工程师手册》第五版，皮瑞(R.H.Perry)和切尔顿(C.H.Chilton)编辑，由纽约的米克隆-海尔(McGraw-Hill)公司出版发行，参见其中13-3页的第十三节“蒸馏”部分，由史密斯(B.D.Smith)，等写的“连续蒸馏工艺”部分。
在这里所用的术语“精馏”或连续蒸馏是指一种分离过程，在这种过程中，通过对气相和液相进行逆流处理，因此会出现连续的部分气化和凝结的过程。低温精馏是指至少一部分在低温如处于或低于150°K(开耳芬)进行的精馏过程。一套低温精馏装置包含一个或多个塔。
在这里所用的术语“间接热交换”是指两股流体相互之间没有任何物理上的接触或混合的热交换关系。
在这里所用的术语“给料空气”是指包含氮和氧的混合物，例如空气。
在这里所用的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀热”分别指高压气流经过涡轮机降低气体的压力和温度以产生冷冻效应的过程和设备。
在这里所用的术语“预净化”和“预净化器器分别指从给料气流中至少去除某些高沸点组分的过程和设备。
在这里所用的术语“高沸点杂质”是指给料气中某些在低温精馏条件下会凝固的组分。
在这里所用的术语“富氮”是指氮的浓度超过给料气中氮的浓度。
在这里所用的术语“富氧”是指氧的浓度超过给料气中氧的浓度。
现通过具体实施例并配合有关附图详细描述本发明的其他目的、结构、方法及特点。其中，
图1是本发明的低温精馏系统的一个优选实施例的简化示意说明图；和
图2是本发明的低温精馏系统的另一个优选实施例的简化示意说明图。
本发明包括从低温精馏装置中产生被过度压缩的流体以及对此过压流体进行涡轮膨胀，以得到相对较强的致冷效果。这里致冷效果被用来在预净化器的上游冷却给料气体，从而有效地回收被过度压缩的流体的能量，并节省了需另外供能的冷却器或致冷机。
参照附图和有关给料气低温精馏的内容，将对本发明作详细描述。
现在参照图1，给料气50通过流经压缩机2被压缩至大约100到450磅/英寸2的绝对压力。经压缩后的给料气通过流经后置冷却器3而被冷却，以除去压缩的热量。这样得到的给料气100接着通过流经预净化器的给料气冷却器或换热器4被冷却，一般被降低到华氏33°F到60°F范围的一温度。在冷却器4中对给料气的冷却是为了将给料气中的一些水蒸汽冷凝成水，以降低随后的预净化过程的负担。随即，通过流经预净化器5，从冷却后的给料气101中去掉高沸点杂质，这比如水蒸汽，二氧化碳，和/或某些碳水化合物。预净化器的吸附剂床层包含有合成沸石或合成沸石与铝矾土的混合物。后者通常更可取。给料气中的杂物在通过吸附这一步后被去除。一般用氮气作为被加热的再生气体，以从床层中把所吸收的杂物脱附掉。
预净化后的给料气102所含有的高沸点杂质远少于气流101，气流101从预净化器5被送到主换热器6中。在这里其与返回气流进行间接换热而被冷却，然后从主换热器6出来后作为气流103进入低温精馏装置7，这个装置7在图1中示意性地画成一个方框。本发明实际上可以采低温精馏装置的例子，包括有单塔装置，双塔装置，以及带有一座氩侧臂塔的双塔装置。低温精馏领域内的技术人员对这些术语及其含义是非常熟悉的。
在低温精馏装置7中，给料气体由低温精馏分离成富氮流体和富氧流体。富氧流体作为流60从低温精馏装置7中排出，经过主换热器6和预净化器的给料气冷却器4在那里被加热，而其中给料气与之进行间接热交换，结果其被冷却；然后，富氧流体离开该系统，如果需要，亦可作为流62回收。第一部分富氮流体可以作为流90从低温精馏装置7中排出，通过主换热器6和预净化器的给料气冷却器4，在那里通过同给料气进行间接热交换而被加热，结果给料气被冷却；然后这一部分富氮流体离开该系统，如果需要，可作为流体92回收。
第二部分富氮流体作为流70从低温精馏装置7中排出，通过主换热器6和预净化器的给料气冷却器4，在那里通过同给料气进行间接热交换而被加热，结果给料气被冷却。在图1说明的实施例中，所得到的流72被分为两部分，第一部分73占有流72的0％到90％的份额，而第二部分74占有流72的5％到100％的份额。流73离开系统，如果需要，可以回收。一般来说，流70将处于30到110磅/英寸2(psia)范围内的一个压力，流73的压力实质上为同样的压力减去管线中的标称压降。
如果有必要，流74可以通过加热器8加热，以使换热器处于效率较高的温度范围。流74通常占从低温精馏装置排出的富氮流体总量(即流70和流90之和)的5％到100％。随后，由加热器8出来的流75被送到涡轮膨胀机9，以对被压缩的富氮流体进行涡轮膨胀，从而回收能量并产生致冷作用。能量的回收可通过带动发电机发电或驱动过程压缩机来实现。经过涡轮膨胀的流76，一般处于范围在15到25磅/英寸2(psia)范围内的一个压力，被送到主换热器6以冷却给料气，接着，通过预净化器的给料气冷却器4，在那里以间接换热方式在给料气进入预净化器5之前对其冷却。所得到的低压富氮流78随后离开该系统，如果需要，亦可回收。
图2说明了本发明的另一个实施例，其中经涡轮膨胀的流76不经过主换热器6。图2中的标号同图1中的标号相对应。图2所示的实施例更适合用于进行涡轮膨胀的富氮流体量增加的情况。在本实施例中，富氮流体被涡轮膨胀至其温度达到离开主换热器6的被压缩的流的温度水平。
在本发明的另一个实施例中，准备用于涡轮膨胀的富氮流体可以分成两部分。一部分流可以被涡轮膨胀至如图1所示适于主预热器6冷端的温度水平；而另一部分流可以通过另一台涡轮膨胀机被涡轮膨胀至如图2所示适于预净化器的给料气冷却器4冷端的温度水平。
一般情况下，在本发明的实际应用中，在同给料气进行间接换热而于预净化过程之前冷却给料气的经涡轮膨胀的流体的流率占通入低温精馏装置的被预净化的给料气流率的4％到80％。
图1和图2示出了本发明的两个优选实施例，其中，离开低温精馏装置7的所有或大多数主要流体不仅通过主换热器6，也通过预净化器的给料气冷却器4。在这引起实施例中，换热器6和4可以认为是一个两步式主换热器，而预净化器则在这个主换热器的两大部件之间运转。
下面的例子只是为了说明的目的，而并非对本发明进行限制。对于如图1所示的本发明实施例的一个工况进行了计算机模拟，在该工况下，86％的预净化后的给料气流被用来生成被压缩的分离的产品，其余14％的预净化后的给料气流同于进行涡轮膨胀。其结果列于表1中。表1中的数码对应于图1中的数码。在表1中，气流成分按氧的百分比浓度给出。每股流的剩余的组分主要是氮。
表1
摩尔流率 压力 温度 浓度(气)流(占102的百分比)(磅/英寸2)(华氏度，°F)(氧的百分比)100 100.4 219 86 20.9101 100.4 218 40 20.9102 100.0 217 45 21.0103 100.0 216.5 -20 21.060 21.2 74.0 -27.8 95.090 0.3 212 -27.8 0.170 78.5 72.6 -27.8 1.072 78.5 71.6 77.5 1.073 64.6 71.6 77.5 1.074 13.9 71.6 77.5 1.075 13.9 71.0 167.3 1.076 13.9 17.7 -27.8 1.078 13.9 16.7 77.5 1.092 0.3 211 77.5 0.162 21.2 73.0 77.5 95.0
现在，由于本发明的应用，可以由低温精馏装置有效地汇集能量对给料气进行处理，使给料气可以被有效地预净化，而省去一台另外配置的耗能的机械式给料气冷却器或致冷机。虽然本发明的内容已参照一些优选实施例进行了详细说明，但是对本领域的技术人员将会认识到在权利要求的精神实质和范围之内还可有本发明的其它改进的实施例，这些改进都将包含在本发明的所述范围之内。