專利名稱：分離空氣的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于利用高壓塔和低壓塔將含有氧和氮流例如空氣分離的方法 和設(shè)備，其中，在兩個(gè)或多個(gè)位置處產(chǎn)生低壓塔再沸騰。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的方法， 其中，供給空氣的一部分被充分地冷凝以在低壓塔的下部產(chǎn)生再沸騰，空氣的另一部分，其 在較低壓力下供給，在被供給以產(chǎn)生下部再沸騰的所述空氣的所述部分產(chǎn)生的再沸騰之上 提供低壓塔再沸騰，并且至少兩種供給空氣流至少部分地在高壓塔中被蒸餾。
背景技術(shù)：
近來(lái)在與產(chǎn)生電力相關(guān)的發(fā)展中，在煤的氣化和氧燃料燃燒中使用氧。通常通過(guò) 空氣的低溫精餾在空氣分離設(shè)備中產(chǎn)生氧。空氣分離設(shè)備要求空氣被壓縮，因此，期望這種 能量消耗盡可能小以最大化可用于設(shè)備外部的電力量。低溫空氣分離設(shè)備通常采用高壓塔和低壓塔。進(jìn)入空氣被壓縮且被引入高壓塔。 供給空氣被精餾以產(chǎn)生富氮上部和粗制液氧塔下部。富氧塔下部液體可以在低壓塔中進(jìn)一 步精煉以產(chǎn)生富氧液體，其相對(duì)于冷凝在高壓塔中產(chǎn)生的富氮上部被再沸騰。富氮上部的 冷凝產(chǎn)生富氮液體，其用于回流高壓塔和低壓塔。部分富氮液體可以被當(dāng)成產(chǎn)品。在給定的高壓塔和低壓塔之間的這種熱關(guān)聯(lián)的情況下，必須使高壓塔的操作壓力 設(shè)置成使得富氧液體能夠冷凝高壓塔的富氮蒸氣。這是說(shuō)，所消耗的實(shí)際功率很大程度上 取決于如何有效地將能量/蒸氣流引入到低壓塔的較低節(jié)段，其中，氮從下降的富氧液體 剝離。在將在氧煤燃燒和氣化循環(huán)中會(huì)使用的低純度氧的產(chǎn)生過(guò)程中，氮?jiǎng)冸x節(jié)段的性能 是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠理想的，導(dǎo)致效率低，并且因此是一個(gè)減少空氣分離功耗的機(jī)會(huì)。在傳統(tǒng)的雙塔單元中，在相對(duì)固定的范圍內(nèi)壓縮供給空氣。高壓塔和低壓塔熱耦 合成使得高壓塔上部/氮使低壓塔的下部再沸騰。專利號(hào)5，551，258的美國(guó)專利公開(kāi)了一 種產(chǎn)生低純度氧的空氣分離方法，其中，有效地分離高壓塔的上部和低壓塔的基部。在一 個(gè)實(shí)施例中，空氣被壓縮成連續(xù)高壓以產(chǎn)生高壓空氣流和低壓空氣流。高壓空氣流使低壓 塔的下部再沸騰，低壓塔流使低壓塔的氮?jiǎng)冸x節(jié)段的中間位置再沸騰。因此這兩個(gè)流被液 化或者至少基本冷凝，并且被引入到高壓塔用于精餾。來(lái)自高壓塔的粗制液氧流被再冷卻， 然后相對(duì)于冷凝高壓塔所需的回流的部分被部分地氣化。得到的氣化的粗制液氧是相分離 的，并且將液相和氣相引入低壓塔的連續(xù)較高部分而不是氮?jiǎng)冸x節(jié)段。如可以理解的，低壓塔中存在的中間再沸器表示代價(jià)，原因在于，低壓塔必須做得 比較高以適應(yīng)再沸器。另外，將粗制液氧直接添加到低壓塔的上部分不能增加氮?jiǎng)冸x節(jié)段 的效率。事實(shí)上，額外混合不可逆轉(zhuǎn)是通過(guò)這種直接引入導(dǎo)致的。如上所述，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生低純度氧的方法和設(shè)備，其與現(xiàn)有技術(shù)相比在 制造上成本更便宜并且還提高低壓塔的剝離節(jié)段的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種從包含氧和氮的原料流產(chǎn)生氧產(chǎn)品的方法。根據(jù)所述方法，部分地冷凝原料流的第一部分，冷凝至少部分由原料流的第二部分組成的流。在原料流的第一 部分已經(jīng)被壓縮、原料流的第二部分已經(jīng)被壓縮到比原料流的第一部分被壓縮到的壓力更 高的壓力且原料流的第一部分和原料流的第二部分在主熱交換區(qū)內(nèi)冷卻之后，第一部分的 部分冷凝和第二部分的基本冷凝發(fā)生。所述原料流的第一部分被冷凝且被引入蒸餾塔系統(tǒng) 的高壓塔中。在蒸餾塔系統(tǒng)的高壓塔和低壓塔中精餾通過(guò)冷凝至少部分由原料流的第二部 分組成的所述流得到的液體。通過(guò)與由在高壓塔中產(chǎn)生的富氮塔上部組成的富氮流間接熱交換，部分地氣化主 要包括高壓塔的粗制液氧塔下部的第一粗制液氧流，從而產(chǎn)生含液氮流。所述含液氮流用 作到高壓塔和低壓塔的回流。在被部分氣化之后從第一粗制液氧流分離液相和氣相，以形成粗制氧蒸氣流和第 二粗制液氧流。以與原料流的第一部分間接熱交換的形式，通過(guò)至少部分由第二粗制液氧 流組成的含氧流。這實(shí)現(xiàn)原料流的第一部分的冷凝并且至少部分氣化含氧流。在已經(jīng)被部 分氣化之后，將粗制氧蒸氣流和含氧流引入到連續(xù)低于低壓塔的點(diǎn)。注意到，含氧流的引入 可以作為單個(gè)流被引入到低壓塔，或者，可替代地，蒸氣組分和液體組分可以分離且作為兩 個(gè)分立的流引入到低壓塔。如權(quán)利要求和在此使用的，當(dāng)結(jié)合含氧流引入到低壓塔時(shí)使用 的術(shù)語(yǔ)“引入”意味著覆蓋了兩種可能性。通過(guò)與至少部分由原料流的第二部分組成的流間接熱交換，至少部分氣化低壓塔 內(nèi)產(chǎn)生的富氧液體塔下部，在低壓塔的下部產(chǎn)生沸騰。這實(shí)現(xiàn)至少部分由原料流的第二部 分組成的所述流的冷凝。從至少部分氣化富氧液體塔下部流產(chǎn)生的殘余液體或蒸氣形成氧廣品流?？梢栽诖种蒲跽魵饬鞯囊朦c(diǎn)處從低壓塔抽取含氧和氮的液體流?？梢詫⒑鹾?氮的液體流與第二粗制液氧流合并以形成含氧流?？梢栽谖挥诘蛪核獠康臒峤粨Q器內(nèi)部 分氣化富氧液體塔下部。在已經(jīng)被部分氣化之后從包含在富氧液體塔下部中的殘留液體分 離沸騰蒸氣。將沸騰蒸氣流引入到低壓塔的下部區(qū)以產(chǎn)生沸騰且殘余液體的流用作氧產(chǎn)品 流。可以在主熱交換區(qū)內(nèi)泵送并氣化氧產(chǎn)品流。將原料流的第一部分壓縮到第一壓 力，并且將原料流的第二部分壓縮到第二壓力，第二壓力高于第一壓力。原料流的第三部分 還可被壓縮到高于第二壓力的第三壓力并且在泵送之后引入到主熱交換區(qū)以實(shí)現(xiàn)氧產(chǎn)品 流的氣化。原料流的第三部分的第一部分在透平膨脹機(jī)內(nèi)部分冷卻和膨脹之后從主熱交換 區(qū)抽取，以產(chǎn)生排出流，該排出流繼而被引入到低壓塔。原料流的第三部分的第二部分可以 在主熱交換區(qū)內(nèi)完全冷卻和液化，膨脹到第二壓力以允許與原料流的第二部分合并。含液氮流可以被劃分為第一部分和第二部分。含液氮流的第一部分回流到低壓 塔，含液氮流的第二部分回流到高壓塔。包括低壓塔的含氮塔上部的氮產(chǎn)品流可以用于再 冷卻含液氮流的第二部分、第一粗制液氧塔下部流和通過(guò)與其間接熱交換在被冷凝之后的 至少部分由原料流的第二部分組成的流。已經(jīng)被再冷卻后的至少部分由原料流的第二部分 組成的流可以被劃分為第一子流和第二子流。第一粗制液氧塔下部流、含液氮流的第二部 分和第一子流和第二子流的每一個(gè)都被膨脹。然后，第一子流和第二子流分別被引入到高 壓塔和低壓塔。氮產(chǎn)品流被引入到主熱交換區(qū)并被完全加熱。在任何實(shí)施例中，通過(guò)在第一壓縮器中壓縮原料流且純化高沸點(diǎn)雜質(zhì)的原料流可將原料流的第一部分和原料流的第二部分分別壓縮到第一壓力和第二壓力。在已經(jīng)被純化 之后將原料流劃分為原料流的第一部分和原料流的第二部分。在第二壓縮器中可壓縮原料 流的第二部分。另外，可以在第三壓縮器中壓縮原料流的第三部分。在其它方面，本發(fā)明提供一種從包含氧和氮的原料流產(chǎn)生氧產(chǎn)品的裝置。根據(jù)本 發(fā)明的這個(gè)方面，第一壓縮器被設(shè)置為將原料流的第一部分壓縮到第一壓力，采用第二壓 縮器將原料流的第二部分壓縮到第二壓力。所述第二壓力大于所述第一壓力。主熱交換區(qū)與第一壓縮器和第二壓縮器流連通，并且被配置為通過(guò)與從空氣低溫 精餾產(chǎn)生的返回流間接熱交換來(lái)冷卻原料流的第一部分和原料流的第二部分。所述返回流 包括由氧產(chǎn)品組成的氧產(chǎn)品流。第一熱交換器位于主熱交換區(qū)與包括高壓塔和低壓塔的蒸餾塔系統(tǒng)的高壓塔之 間。第一熱交換器被配置為通過(guò)與至少部分從第二粗制液氧流形成的含氧流間接熱交換部 分冷凝原料流的第一部分。這至少部分地氣化含氧流。所述第一熱交換器連接到高壓塔以 使原料流的第一部分在所述第一熱交換器內(nèi)被部分冷凝之后引入到高壓塔。第二熱交換器設(shè)置成與主熱交換區(qū)和蒸餾塔系統(tǒng)的低壓塔流連通。第二熱交換器 被配置為通過(guò)與包括在低壓塔中產(chǎn)生的富氧液體塔下部的富氧液體塔下部流間接熱交換 冷凝至少部分由原料流的第二部分組成的流。熱交換至少部分地氣化富氧液體塔下部流。 第二熱交換器與高壓塔和低壓塔流連通，以便在第二熱交換器中冷凝之后，將至少部分由 原料流的第二部分組成的流的第一部分和第二部分分別引入到高壓塔和低壓塔。這將精餾 從基本冷凝得到的液體。第三熱交換器連接到高壓蒸餾塔且被配置為通過(guò)與由在高壓塔中產(chǎn)生的富氮塔 上部組成的富氮流間接熱交換，部分氣化主要包括在高壓塔中產(chǎn)生的粗制液氧塔下部的第 一粗制液氧流。這產(chǎn)生含液氮流。第三熱交換器還與高壓塔和低壓塔兩者流連通，使得含 液氮流的第一部分回流低壓塔并且含液氮流的第二部分回流高壓塔。相分離器連接到第三熱交換器，以在被部分氣化之后從第一粗制液氧流使液相和 氣相分離，以形成粗制氧蒸氣流和第二粗制液氧流。相分離器和第一熱交換器還連接到蒸 餾塔系統(tǒng)的低壓塔，使得在已經(jīng)被部分氣化后的粗制氧蒸氣流和含氧流被引入到低壓塔中 的連續(xù)低點(diǎn)。第二熱交換器還與低壓塔流連通，使得通過(guò)富氧液體塔下部流的至少部分氣 化在低壓塔的下部產(chǎn)生沸騰。第二熱交換器還與主熱交換區(qū)流連通，使得氧產(chǎn)品流從富氧 液體塔下部的至少部分氣化產(chǎn)生的殘余液體或蒸氣形成并被引入到主熱交換區(qū)。第一管道可以連接到低壓塔，從而在粗制氧蒸氣流的引入點(diǎn)處從低壓塔抽取含氧 和氮流。第二管道可以連接在所述相分離器和第一熱交換器之間且連接到所述第一管道， 從而含氧和氮流與所述第一熱交換器上游的第二粗制液氧流合并以形成含氧流。所述相分離器可以是第一相分離器。第二相分離器可以連接到第二熱交換器，以 在被部分氣化之后從包含在富氧液體塔下部流中的殘留液體分離沸騰蒸氣。第二相分離器 連接到低壓塔的下部區(qū)，從而沸騰蒸氣流被引入到低壓塔的下部區(qū)以產(chǎn)生沸騰。第二相分 離器還與主熱交換區(qū)流連通，以將殘余液體的流引入到主熱交換區(qū)，從而形成氧產(chǎn)品流。泵可以被定位成使氧產(chǎn)品流加壓。所述泵連接到主熱交換區(qū)，從而已經(jīng)被加壓之 后的氧產(chǎn)品流在主熱交換區(qū)內(nèi)被氣化。第三壓縮器可以連接到主熱交換區(qū)以將原料流的第 三部分壓縮到高于第二壓力的第三壓力，以實(shí)現(xiàn)泵送的氧產(chǎn)品流的氣化。主熱交換區(qū)被配置為使得在原料流的第三部分的第一部分在被部分冷卻之后從主熱交換區(qū)流出。膨脹器可 以連接到主熱交換區(qū)以使原料流的第三部分的第一部分膨脹，從而產(chǎn)生排出流。膨脹器還 連接到低壓塔以使所述排出流被引入到低壓塔。主熱交換區(qū)還被配置為使得在主熱交換區(qū) 內(nèi)完全冷卻和液化原料流的第三部分的第二部分。膨脹設(shè)備可以連接到所述主熱交換區(qū)且 與所述第二熱交換器流連通，使得原料流的第三部分的第二部分膨脹到第二壓力且與所述 第二熱交換器上游的原料流的第二部分合并。再冷卻單元可以連接到低壓塔的上部、第二熱交換器、高壓塔和第三熱交換器。再 冷卻單元被配置為使得包括低壓塔的富氮塔上部的氮產(chǎn)品流再冷卻含氮液體流的第二部 分、第一粗制液氧塔下部流和在被冷凝后的至少部分由原料流的第二部分組成的流。再冷 卻單元還與高壓塔和低壓塔流連通，使得在已經(jīng)被再冷卻后的至少部分由原料流的第二部 分組成的流被劃分為第一子流和第二子流且被引入到高壓塔和低壓塔。第一膨脹閥和第二 膨脹閥可以位于所述再冷卻單元與高壓塔和低壓塔之間，以使第一子流和第二子流分別膨 脹到高壓塔壓力和低壓塔壓力。再冷卻單元還連接到主熱交換區(qū)，從而氮產(chǎn)品流被引入到 主熱交換區(qū)并被完全加熱。純化單元可以連接到第一壓縮器以純化高沸騰雜質(zhì)的原料流。第二壓縮器可以連 接到所述純化單元，使得在已經(jīng)被純化之后的原料流被劃分為在所述第二壓縮器中待被壓 縮的原料流的第二部分和原料流的第一部分。第三壓縮器還連接到所述純化單元，從而在已經(jīng)被純化之后的原料流還被劃分為 原料流的第三部分，所述原料流的第三部分在所述第三壓縮器中被壓縮。


盡管說(shuō)明書(shū)以明確指出申請(qǐng)人認(rèn)為的其發(fā)明的主題的權(quán)利要求為結(jié)論，但是認(rèn)為 在結(jié)合附圖時(shí)將更好地理解本發(fā)明，附圖示出用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的空氣分離設(shè)備 的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，示出根據(jù)本發(fā)明的一種分離空氣或者其它包含氧和氮的流以產(chǎn)生氧產(chǎn) 品的設(shè)備1。設(shè)備1被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生低純度氧產(chǎn)品，即，氧純度在大約90%至大約98. 5%之 間的產(chǎn)品。如上所述，通過(guò)對(duì)供給空氣的部分進(jìn)行冷凝在低壓塔中提供再沸騰。其結(jié)果是， 該低純度氧產(chǎn)品的氬濃度比在蒸餾塔單元中存在的更高，其中在蒸餾塔單元中高壓塔上部 /氮使低壓塔的下部再沸騰。根據(jù)示出的實(shí)施例，原料流(供給流)10包括氧和氮，例如空氣。將第一壓縮器12 設(shè)置為基本負(fù)荷空氣壓縮器，以將原料流10壓縮到大約2. ^3ara至大約3. Obara之間的壓 力范圍。第一空氣壓縮器12可以包括多級(jí)壓縮和/或中間冷卻。在壓縮之后，原料流10 在后冷卻器14中被進(jìn)一步冷卻接近環(huán)境溫度。其后，原料流10可以在制冷后冷卻器16中 進(jìn)一步冷卻，所述制冷后冷卻器16可以包括直接接觸冷卻器或熱交換器，它們中的任一個(gè) 都可以使用環(huán)境和/或冷卻水的組合來(lái)吸收壓縮熱量且減少壓縮空氣的水分含量。得到的壓縮且冷卻的原料流10可以在預(yù)純化單元18內(nèi)被純化，以去除高沸點(diǎn)雜 質(zhì)，諸如水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔铩Ｈ绫绢I(lǐng)域所公知的，預(yù)純化單元通常包含根據(jù)溫度和/或變壓吸附循環(huán)運(yùn)行的氧化鋁和/或分子篩的床，在變壓吸附循環(huán)中，水分和其他高沸 點(diǎn)雜質(zhì)被吸附。在一個(gè)床運(yùn)行時(shí)，可以使另一個(gè)床再生。已經(jīng)被壓縮且純化的原料流10被劃分為第一部分20、第二部分22和第三部分 23。原料流10的第二部分22在第二壓縮器M中被壓縮，且原料流10的第三部分23在第 三壓縮器沈中被壓縮。第二壓縮器M可以將原料流10的第二部分22壓縮到壓力在大約 4至大約4. 5bara之間。第三壓縮器沈?qū)⒃狭?0的第三部分23壓縮到甚至更高的壓 力。第二壓縮器M和第三壓縮器沈每一個(gè)都可以包括多個(gè)壓縮級(jí)并且在壓縮機(jī)之間具有 中間冷卻。原料流10的第一部分20和原料流10的第二部分22和原料流10的第三部分，在 分別通過(guò)后冷卻器觀和38去除壓縮熱之后，被引入主熱交換器32。如可以理解的，可以單 獨(dú)壓縮上述流中的每一個(gè)。原料流10的第一部分20在主熱交換器32中被冷卻到接近飽 和并且在接近其飽和溫度排出。然后，該流在熱交換器34中部分地冷凝。典型的出口蒸氣 組分在大約75%至大約95%之間的范圍。然后，得到的被部分地冷凝的流被引入到高壓塔 36以用作到所述塔的主要?dú)怏w供料。如可以理解的，在部分冷凝之后，原料流10的第一部 分20會(huì)是相分離的，并且所關(guān)心的蒸氣和液體組分可以獨(dú)立地供給高壓塔36。注意到，由于原料流10的第一部分20構(gòu)成供給設(shè)備1的主要部分，因此節(jié)約了否 則將在壓縮中耗費(fèi)的能量，因?yàn)樵摿鞑辉龠M(jìn)行進(jìn)一步的壓縮。此外，由于該流被壓縮到的壓 力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)蒸餾塔單元的壓力，因此實(shí)現(xiàn)了額外的能量節(jié)省。已經(jīng)被進(jìn)一步壓縮之后的原料流10的第三部分優(yōu)選地在主熱交換器32中被部分 地冷卻，并且被劃分為第一部分38和第二部分40。第二部分40因此被部分地冷卻且能夠 被引入到透平膨脹機(jī)42以產(chǎn)生排出流44，該排出流44被引入到低壓塔46。如在此和權(quán)利 要求中所使用的，術(shù)語(yǔ)“部分地冷卻”意思是冷卻到主熱交換器32的暖端和冷端之間的溫 度。應(yīng)注意到，可以按照多個(gè)方式形成制冷。在示出的實(shí)施例中，使用上塔空氣膨脹。然而， 將討論的富氮的流76的一部分可以被膨脹用于類似目的。還可以使用其它已知方法。此 外，可以按照多種方式使用膨脹的軸功，例如，增強(qiáng)空氣壓縮或以驅(qū)動(dòng)可變或固定速度產(chǎn)生 器。得到的功率可以用于其它壓縮、泵送或用于其它分發(fā)的輸出。盡管沒(méi)有示出，但是可以集成壓縮器對(duì)和沈?？梢詫⑦@些壓縮級(jí)集成為具有組合 馬達(dá)的單個(gè)機(jī)器?？商娲兀搲嚎s可以被集成為基負(fù)荷壓縮器12。可以由相同的馬達(dá)驅(qū) 動(dòng)所有壓縮級(jí)。對(duì)于非常大的設(shè)備應(yīng)用，有利的是壓縮兩個(gè)分立的流，例如，可以獨(dú)立于原 料流10的第一部分20來(lái)壓縮原料流10的第二部分22和原料流10的的第三部分23。在 這種布置中，有利的是采用分立的預(yù)純化單元18。每個(gè)壓縮鏈將擁有其自己的冷卻和預(yù)處 理裝置。完全冷卻第一部分38。其用于氣化將要討論的泵送液氧流，并因此在示出的實(shí)施 例中被液化。第一部分38通過(guò)膨脹閥40降低了其上的壓力，并且與原料流10的第二部分 22合并以產(chǎn)生合并流48，該合并流48在熱交換器50內(nèi)冷凝。得到的經(jīng)冷凝的合并流48 接著通過(guò)再冷卻單元52并被劃分成第一部分M和第二部分56。第一部分M在膨脹閥58 內(nèi)膨脹到與高壓塔36的壓力相匹配的壓力并且被引入到其中間位置。第二部分56通過(guò)膨 脹閥60膨脹且被引入低壓塔46。高壓塔36和低壓塔46如此稱呼是因?yàn)楦邏核?6比低壓塔46以更高的壓力運(yùn)行。兩個(gè)塔都包含傳質(zhì)接觸構(gòu)件，諸如規(guī)整填料、散堆填料或篩板。對(duì)于高壓塔36，示出規(guī)整填 料構(gòu)件62和64。對(duì)于低壓塔46，示出規(guī)整填料構(gòu)件66、68、70和72。原料流10的第一部 分20與合并流48的第一部分M —起引入高壓塔36在高壓塔36內(nèi)產(chǎn)生了升氣相和降液 相。升氣相隨著其上升在低沸點(diǎn)或更多揮發(fā)性成分方面變得更加豐富并且液相在高沸點(diǎn)成 分方面變得更加豐富以產(chǎn)生粗制液氧塔下部74和富氮的塔上部。富氮的塔上部的部分被提取作為富氮流76，該富氮流76在熱交換器78內(nèi)冷凝以 產(chǎn)生含液氮流80。含液氮流80的第一部分82用于回流低壓塔46，含液氮流80的第二部 分84用于回流高壓塔36。含液氮流80的第一部分82在再冷卻單元86中被再冷卻，然后 在引入到低壓塔46作為回流之前通過(guò)膨脹閥88降低壓力。包括粗制液氧塔下部74的第一粗制液氧流90在再冷卻單元92中被再冷卻，然后 通過(guò)膨脹閥94減小壓力和溫度。然后，第一粗制液氧流通過(guò)熱交換器78以冷凝富氮流76。 這部分地氣化第一粗制液氧流90，其蒸氣組分在大約70%至90%之間的范圍。第一粗制液 氧流90在相分離器96中部分地氣化后，液相和氣相從第一粗制液氧流90分離。該分離產(chǎn) 生第二粗制液氧流98和粗制氧蒸氣流100。粗制氧蒸氣流100被引入到低壓塔46。含氧和氮的液體流102可以在引入粗制氧蒸氣流100處或引入粗制氧蒸氣流100 附近在液體收集點(diǎn)從低壓塔46被取出，然后與第二粗制液氧流98合并以產(chǎn)生含氧流104。 盡管沒(méi)有具體示出，但是第一管道將從低壓塔的液體收集點(diǎn)引導(dǎo)，并且與從相分離器96引 導(dǎo)的第二管道合并。機(jī)械泵(未示出)可用于此目的(如果冷箱布局指示其需要)。然而， 這是可選的，并且含氧流104可以全部由第二粗制液氧流98構(gòu)成。含氧流140被引入到熱交換器34以部分地冷凝原料流10的第一部分20，從而引 起含氧流104的部分氣化。在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以完全氣化熱交換流104。在部分氣化 的任意情況下，可以進(jìn)行至少約50%的熱交換流104的氣化。然而，優(yōu)選地是，大約70%至 大約90%之間的氣化。隨后，含氧流140在粗制氧蒸氣流100的引入點(diǎn)之下被引入到低壓 塔72，以在低壓塔46內(nèi)從降液相剝離氮。借助于通過(guò)在熱交換器50內(nèi)與合并流48進(jìn)行間接熱交換部分地氣化富氧液體塔 下部流106而在低壓塔46內(nèi)產(chǎn)生沸騰。在相分離器108內(nèi)沸騰的蒸氣從富氧液體塔下部 流106內(nèi)包含的殘留液體脫離，以產(chǎn)生殘留液體110和沸騰蒸氣流112，該沸騰蒸氣流112 被再引入低壓塔46的下部區(qū)域。然而，應(yīng)理解，在本發(fā)明的可行實(shí)施例中，富氧液體塔下部 流106可以被完全氣化。殘留液體流114在泵116內(nèi)被抽出然后在主熱交換器32內(nèi)被完 全氣化以產(chǎn)生氧產(chǎn)品流118。另一可行性是從氣化的氧產(chǎn)生產(chǎn)品流。應(yīng)注意到，泵送的液氧的氣化是可選的。當(dāng)需要適當(dāng)壓力下的氧時(shí)，在隔離的產(chǎn)品 鍋爐容器內(nèi)或集成到主熱交換器32的指定交換器通路內(nèi)，通過(guò)泵送殘留液體流114產(chǎn)生的 泵送的液氧可以被加熱和氣化。對(duì)此，權(quán)利要求和在此使用的術(shù)語(yǔ)“主熱交換區(qū)”包含隔離 的產(chǎn)品鍋爐容器、如示出的單個(gè)主熱交換器32，其中，其暖端和冷端可以是單獨(dú)的單元。在 優(yōu)選的實(shí)施例中，熱交換器34、50和78中的全部以“一次通過(guò)”方式運(yùn)行。具體地，沸騰流 體行進(jìn)通過(guò)交換器僅一次。然后，至少蒸氣組分被引導(dǎo)到塔系統(tǒng)(與再循環(huán)鍋爐/熱虹吸管 相對(duì))。在釬焊鋁熱交換器的設(shè)計(jì)中，本領(lǐng)域已知的是，將熱交換器組合成單個(gè)包。例如，在 熱交換器78和50的集成或者可替代地在熱交換器34和50的集成中可以采用這種方法。 另外，主題交換器可以與相關(guān)聯(lián)的相分離器96或108合并。
可替代地，可以采用降膜(即，降流式)蒸發(fā)器來(lái)減少各個(gè)熱交換器34、50和78 上的相應(yīng)溫度差。降流式蒸發(fā)器的使用特別用于熱交換器78。由于氮在基本恒定的壓力和 溫度冷凝，因此交換器溫差獨(dú)立于流向(在這種服務(wù)中，對(duì)于采用降流式交換器不存在熱 力學(xué)損失)。在降流式蒸發(fā)器的情況下，優(yōu)選的流路徑/方向可能是并流-富氧流體在與冷 凝流流動(dòng)的方向相同的方向沸騰。應(yīng)該注意，降流式蒸發(fā)器可以選擇地采用小的再循環(huán)泵， 用于維持熱交換面的充分濕潤(rùn)。對(duì)于各種熱交換器34、50和78的設(shè)計(jì)和操作，存在各種選擇。例如，熱交換器34 可以可替代地采用從恰位于粗制氧蒸氣流100的引入點(diǎn)之上的液體收集器獲取的液體流。 這種液體流可在熱交換器78之前或之后與流第二粗制液氧流98結(jié)合。從控制冷凝器操作 和維持交換器78內(nèi)的固定蒸發(fā)水平的角度，這種方法是有利的。對(duì)此，大體地?zé)峤粨Q器78 的出口蒸氣組分將在大約70%至90%之間的范圍。然后，包括來(lái)自低壓塔46的含氮塔上部的氮產(chǎn)品流120依次通過(guò)熱交換單元86、 熱交換單元92和熱交換單元52，以分別再冷卻含氮液體流的第二部分82、第一粗制液氧塔 下部流90和合并流48。其后氮產(chǎn)品流120在主熱交換器32內(nèi)充分加熱以產(chǎn)生暖氮產(chǎn)品流 122。應(yīng)注意到，在促進(jìn)預(yù)純化單元16內(nèi)的吸附床的再生中可以使用氮產(chǎn)品流120的一部 分，通常是15%。為了進(jìn)一步減少所述處理的功耗，可以將低壓塔46的壓力進(jìn)一步減小到接近環(huán) 境。為了在用于吸附床的再生而被部分使用的氮產(chǎn)品流120的部分內(nèi)產(chǎn)生充足的壓力，可 以采用再生風(fēng)機(jī)來(lái)提升這部分的壓力，大約3psi。隨著塔壓力減小，各個(gè)K值增加從而促進(jìn) 空氣分離。在這種情況下，可以將空氣的增加部分引導(dǎo)到熱交換器34，其中，發(fā)生部分冷凝 從而進(jìn)一步降低循環(huán)功耗。在許多情況下，將需要更高純度的氮。在這種情況下，可以將禮帽式裝置 (top-hat)(額外塔級(jí))合并到高壓塔36和/或低壓塔46中以產(chǎn)生包含小于IOppm氧的高 純度氮。可以獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明必要的改變來(lái)引入這種調(diào)整。為了示出主題發(fā)明的操作，在下面的表中示出了所示實(shí)施例的過(guò)程模擬。該過(guò)程 模擬包括由第二粗制液氧流98和含氧和氮的液體流102形成的含氧流104。應(yīng)注意到，已 將各個(gè)流標(biāo)準(zhǔn)化到總冷箱空氣流，即原料流10。
權(quán)利要求
1.一種從包含氧和氮的原料流產(chǎn)生氧產(chǎn)品的方法，所述方法包括在將所述原料流的第一部分壓縮、將所述原料流的第二部分壓縮到比所述原料流的所 述第一部分被壓縮到的壓力更高的壓力、并且將所述原料流的所述第一部分和所述原料流 的所述第二部分在主熱交換區(qū)內(nèi)冷卻之后，部分地冷凝所述原料流的所述第一部分并且冷 凝至少部分由所述原料流的所述第二部分組成的流；將所述原料流的所述第一部分引入到蒸餾塔系統(tǒng)的高壓塔中； 在所述蒸餾塔系統(tǒng)的所述高壓塔和低壓塔中精餾通過(guò)冷凝由第二原料流的至少部分 組成的所述流得到的液體；通過(guò)與由在所述高壓塔中產(chǎn)生的富氮塔上部組成的富氮流間接熱交換，部分地氣化主 要包括在所述高壓塔中產(chǎn)生的粗制液氧塔下部的第一粗制液氧流，從而產(chǎn)生用作到所述高 壓塔和所述低壓塔的回流的含液氮流；在已經(jīng)被部分地氣化之后從所述第一粗制液氧流使液相和氣相分離，以形成粗制氧蒸 氣流和第二粗制液氧流；以與所述原料流的所述第一部分間接熱交換的形式，通過(guò)至少部分由所述第二粗制液 氧流組成的含氧流，從而實(shí)現(xiàn)所述原料流的所述第一部分的部分冷凝并且至少部分地氣化 所述含氧流；在已經(jīng)被部分地氣化之后，將所述粗制氧蒸氣流和所述含氧流引入到所述低壓塔中的 連續(xù)低點(diǎn)；通過(guò)與至少部分由所述原料流的所述第二部分組成的所述流間接熱交換，至少部分氣 化在所述低壓塔內(nèi)產(chǎn)生的富氧液體塔下部，在所述低壓塔的下部產(chǎn)生沸騰，從而實(shí)現(xiàn)其基 本冷凝；以及從至少部分氣化所述富氧液體塔下部流產(chǎn)生的殘余液體或蒸氣形成氧產(chǎn)品流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述粗制氧蒸氣流的引入點(diǎn)處從所述低壓塔抽取含氧和氮的液體流；以及 將所述含氧和氮的液體流與所述第二粗制液氧流合并以形成所述含氧流。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在位于所述低壓塔外部的熱交換器內(nèi)部分地氣化所述富氧液體塔下部； 在已經(jīng)被部分地氣化之后從包含在所述富氧液體塔下部中的殘留液體分離沸騰蒸氣；將沸騰蒸氣流引入到所述低壓塔的下部區(qū)以產(chǎn)生沸騰；以及 從殘余液體的流形成所述氧產(chǎn)品流。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 所述氧產(chǎn)品流在所述主熱交換區(qū)內(nèi)泵送并氣化；將所述原料流的所述第一部分壓縮到第一壓力，并且所述原料流的所述第二部分壓縮 到第二壓力，所述第二壓力高于所述第一壓力；所述原料流的所述第三部分還被壓縮到比所述第二壓力更高的第三壓力，并且在泵送 之后引入到所述主熱交換區(qū)以實(shí)現(xiàn)所述氧產(chǎn)品流的氣化；所述原料流的所述第三部分的第一部分在透平膨脹機(jī)內(nèi)部分冷卻和膨脹之后從所述 主熱交換區(qū)抽取，以產(chǎn)生排出流，所述排出流繼而被引入到所述低壓塔；所述原料流的所述第三部分的第二部分在所述主熱交換區(qū)內(nèi)充分冷卻和液化，膨脹到 所述第二壓力并且與所述原料流的所述第二部分合并。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在位于所述低壓塔外部的熱交換器內(nèi)部分地氣化所述富氧液體塔下部； 在已經(jīng)被部分地氣化之后從包含在所述富氧液體塔下部?jī)?nèi)的殘留液體分離沸騰蒸氣；將沸騰蒸氣流引入到所述低壓塔的下部區(qū)以產(chǎn)生沸騰；以及 所述殘留液體的流用作所述氧產(chǎn)品流。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于 將所述含液氮流劃分為第一部分和第二部分；所述含液氮流的所述第一部分回流到所述低壓塔，所述含液氮流的所述第二部分回流 到所述高壓塔；包括所述低壓塔的含氮塔上部的氮產(chǎn)品流再冷卻所述含液氮流的所述第二部分、所述 第一粗制液氧塔下部流和通過(guò)與其間接熱交換在被冷凝之后的至少部分由所述原料流的 所述第二部分組成的所述流；已經(jīng)被再冷卻后的至少部分由所述原料流的所述第二部分組成的所述流被劃分為第一子流和第二子流；所述第一粗制液氧塔下部流、所述含液氮流的所述第二部分和所述第一子流和所述第 二子流中每一個(gè)都被膨脹；所述第一子流和所述第二子流分別被引入到所述高壓塔和所述低壓塔；以及 所述氮產(chǎn)品流被引入到所述主熱交換區(qū)并被完全加熱。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過(guò)下述方式將所述原料流的所述第一部 分和所述原料流的所述第二部分分別壓縮到所述第一壓力和所述第二壓力在第一壓縮器中壓縮所述原料流并且純化高沸點(diǎn)雜質(zhì)的所述原料流； 在純化之后將所述原料流劃分為所述原料流的所述第一部分和所述原料流的所述第 二部分；以及在第二壓縮器中壓縮所述原料流的所述第二部分。
8.如權(quán)力要求4所述的方法，其特征在于，通過(guò)下述方式分別將所述原料流的所述第 一部分、所述原料流的所述第二部分和所述原料流的所述第三部分壓縮到所述第一壓力、 所述第二壓力和所述第三壓力在第一壓縮器中壓縮所述原料流且純化高沸點(diǎn)雜質(zhì)的所述原料流； 在被純化之后將所述原料流劃分為所述原料流的所述第一部分、所述原料流的所述第 二部分和所述原料流的所述第三部分；在第二壓縮器中壓縮所述原料流的所述第二部分；以及 在第三壓縮器中壓縮所述原料流的所述第三部分。
9.一種從包含氧和氮的原料流產(chǎn)生氧產(chǎn)品的裝置，所述裝置包括第一壓縮器，以將所述原料流的第一部分壓縮到第一壓力；和第二壓縮器，以將所述原 料流的第二部分壓縮到第二壓力，所述第二壓力大于所述第一壓力；與所述第一壓縮器和所述第二壓縮器流連通的主熱交換區(qū)，被配置為通過(guò)與從空氣低溫精餾產(chǎn)生且包括由所述氧產(chǎn)品組成的氧產(chǎn)品流的返回流間接熱交換來(lái)冷卻所述原料流 的所述第一部分和所述原料流的所述第二部分；第一熱交換器，其位于所述主熱交換區(qū)與包括高壓塔和低壓塔的蒸餾塔系統(tǒng)的所述高 壓塔之間，所述第一熱交換器被配置為通過(guò)與至少部分從第二粗制液氧流形成的含氧流間 接熱交換部分地冷凝所述原料流的所述第一部分，從而至少部分地氣化所述含氧流，所述 第一熱交換器連接到所述高壓塔以使所述原料流的所述第一部分在所述第一熱交換器內(nèi) 被部分地冷凝之后引入到所述高壓塔；第二熱交換器，其與所述主熱交換區(qū)和所述蒸餾塔系統(tǒng)的所述低壓塔流連通，并且被 配置為通過(guò)與包括在所述低壓塔中產(chǎn)生的富氧液體塔下部的富氧液體塔下部流間接熱交 換，冷凝至少部分由所述原料流的所述第二部分組成的流，從而至少部分地氣化所述富氧 液體塔下部流；所述第二熱交換器與所述高壓塔和所述低壓塔流連通，以便在所述第二熱交換器中 冷凝之后，將至少部分由所述原料流的所述第二部分組成的所述流的第一部分和第二部分 分別引入到所述高壓塔和所述低壓塔，從而精餾從其基本冷凝得到的液體；第三熱交換器，其連接到高壓蒸餾塔且被配置為通過(guò)與在所述高壓塔中產(chǎn)生的富氮 塔上部組成的富氮流間接熱交換，部分地氣化主要包括在所述高壓塔中產(chǎn)生的粗制液氧塔 下部的第一粗制液氧流，從而產(chǎn)生含液氮流；所述第三熱交換器還與所述高壓塔和所述低壓塔兩者流連通，使得所述低壓塔通過(guò) 所述含液氮流的第一部分回流，所述高壓塔通過(guò)所述含液氮流的第二部分回流；相分離器，其連接到所述第三熱交換器，以在被部分氣化之后從所述第一粗制液氧流 使液相和氣相分離，以形成粗制氧蒸氣流和所述第二粗制液氧流；所述相分離器和所述第一熱交換器還連接到所述蒸餾塔系統(tǒng)的所述低壓塔，使得在 已經(jīng)被部分氣化后的所述含氧流和所述粗制氧蒸氣流被引入到所述低壓塔中的連續(xù)低點(diǎn)； 以及所述第二熱交換器還與所述低壓塔流連通，使得通過(guò)富氧液體塔下部流的所述至少 部分氣化在所述低壓塔的下部產(chǎn)生沸騰，并且所述第二熱交換器與所述主熱交換區(qū)流連 通，使得所述氧產(chǎn)品流從由所述富氧液體塔下部的所述至少部分氣化所產(chǎn)生的殘余液體 或蒸氣形成并被弓I入到所述主熱交換區(qū)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于第一管道，其連接到所述低壓塔，使得在所述粗制氧蒸氣流的引入點(diǎn)處從所述低壓塔 抽取含氧和氮流；以及第二管道，其連接在所述相分離器和所述第一熱交換器之間且連接到所述第一管道， 使得所述含氧和氮流與所述第一熱交換器上游的所述第二粗制液氧流合并以形成所述含氧流。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于 所述相分離器是第一相分離器；第二相分離器，連接到所述第二熱交換器，以在被部分氣化之后從包含在所述富氧液 體塔下部流中的所述殘留液體中分離沸騰蒸氣；所述第二相分離器連接到所述低壓塔的下部區(qū)，使得沸騰蒸氣流被引入到所述低壓塔的所述下部區(qū)以產(chǎn)生沸騰；以及所述第二相分離器還與所述主熱交換區(qū)流連通，以將所述殘余液體的流引入到所述主 熱交換區(qū)，從而形成所述氧產(chǎn)品流。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于泵，被定位成使所述氧產(chǎn)品流加壓，所述泵連接到所述主熱交換區(qū)，使得在被加壓之后 所述氧產(chǎn)品流在所述主熱交換區(qū)內(nèi)被氣化；第三壓縮器，其連接到所述主熱交換區(qū)以將所述原料流的所述第三部分壓縮到高于第 二壓力的第三壓力，以實(shí)現(xiàn)泵送后的所述氧產(chǎn)品流的氣化；所述主熱交換區(qū)被配置為使得在所述原料流的所述第三部分的第一部分在被部分冷 卻之后從所述主熱交換區(qū)流出；膨脹器，連接到所述主熱交換區(qū)以使所述原料流的所述第三部分的所述第一部分膨 脹，從而產(chǎn)生排出流，所述膨脹器還連接到所述低壓塔以使所述排出流被引入到所述低壓 塔；所述主熱交換區(qū)還被配置為使得在所述主熱交換區(qū)內(nèi)完全冷卻和液化所述原料流的 所述第三部分的第二部分；以及膨脹設(shè)備，連接到所述主熱交換區(qū)且與所述第二熱交換器流連通，使得所述原料流的 所述第三部分的所述第二部分膨脹到所述第二壓力并且與所述第二熱交換器上游的所述 原料流的所述第二部分合并。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于 所述相分離器是第一相分離器；第二相分離器，連接到所述第二熱交換器，以在被部分氣化之后從包含在所述富氧液 體塔下部中的所述殘留液體分離沸騰蒸氣；所述第二相分離器連接到所述低壓塔的所述下部區(qū)，使得沸騰蒸氣流被引入到所述低 壓塔的所述下部區(qū)以產(chǎn)生沸騰；以及所述第二相分離器還與所述主熱交換區(qū)流連通，以將所述殘余液體的流引入到所述主 熱交換區(qū)，從而形成所述氧產(chǎn)品流。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于再冷卻單元，連接到所述低壓塔的上部、所述第二熱交換器、所述高壓塔和所述第三熱 交換器，并且被配置為使得包括所述低壓塔的含氮塔上部的氮產(chǎn)品流再冷卻所述含氮液體 流的所述第二部分、所述第一粗制液氧塔下部流和在被冷凝后的至少部分由所述原料流的 所述第二部分組成的所述流；所述再冷卻單元還與所述高壓塔和所述低壓塔流連通，使得在被再冷卻后的至少部分 由所述原料流的所述第二部分組成的所述流被劃分為第一子流和第二子流且被引入到所 述高壓塔和所述低壓塔；第一膨脹閥和第二膨脹閥，位于所述再冷卻單元與所述高壓塔和所述低壓塔之間，以 使所述第一子流和所述第二子流分別膨脹到高壓塔壓力和低壓塔壓力；以及所述再冷卻單元還連接到所述主熱交換區(qū)，使得所述氮產(chǎn)品流被引入到所述主熱交換 區(qū)并被完全加熱。
15.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于純化單元，連接到所述第一壓縮器以純化高沸點(diǎn)雜質(zhì)的所述原料流；以及 所述第二壓縮器連接到所述純化單元，使得在被純化之后的所述原料流被劃分為所述 原料流的所述第一部分和所述原料流的所述第二部分，所述原料流的第二部分在所述第二 壓縮器中被壓縮。
16.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述第三壓縮器還連接到所述純化單元， 使得在被純化之后的所述原料流還被劃分為所述原料流的所述第三部分，并且所述原料流 的所述第三部分在所述第三壓縮器中被壓縮。
全文摘要
一種在高壓塔和低壓塔中分離含氧和氮的原料流例如空氣的方法和裝置。粗制液氧流在高壓塔中冷凝氮蒸氣用于回流且使得粗制液氧流的部分氣化從而產(chǎn)生其蒸氣組分和液體組分。液體組分冷凝原料流的低壓部分且使得液體組分被至少部分氣化。粗制液氧流的蒸氣組分和被至少部分氣化后的液體組分引入到低壓塔。相對(duì)于冷凝原料流的高壓部分，通過(guò)部分氣化富氧液體塔下部在低壓塔的下部區(qū)內(nèi)產(chǎn)生沸騰，然后將蒸氣或殘留液體用作氧產(chǎn)品。
文檔編號(hào)F25J3/04GK102047057SQ200980116234
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者H·E·霍沃德, K·F·拉森, R·J·吉布 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司