專利名稱：一種帶有液氧蒸發(fā)器的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般說來涉及低溫精餾，更具體地涉及液氧氣化使給料冷凝的低溫精餾。
氧氣的大規(guī)模商業(yè)化生產是通過對給料氣進行低溫精餾來實現(xiàn)的，通常是采用人們所熟悉的雙塔系統(tǒng)，其中產品氧是由低壓塔中獲取的。有時，可能希望制氧是在超過其從低壓塔出來時的壓力的一個壓力下完成。在這種狀況下，氣態(tài)氧可以被壓縮至所需的壓力。然而，從安全與運行費用方面的考慮，通常希望將作為液體的氧由低壓塔中移出，泵至一較高壓力，然后使加壓后的液氧氣化，從而獲取所需的加壓產品氧氣。
低溫精餾的運行要求致冷。在氧作為液體從塔中取出并在尚未汽化前而進行加壓時要增加必要的致冷，這是因為泵功被加入到該系統(tǒng)中。通過對供給到精餾塔系統(tǒng)的氣流進行渦輪膨脹可以對低溫過程提供致冷。然而為了進行渦輪膨脹而對氣流進行的壓縮將消耗大量的能量。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種低溫精餾系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，液氧從塔式系統(tǒng)中取出用以蒸發(fā)并且通過對給料氣流進行渦輪膨脹來提供過程致冷，該方法較之常規(guī)的氧產品蒸發(fā)器循環(huán)提高了運行效率。
本發(fā)明所提出的上述以及其他目的在讀完本說明書之后將本領域的技術人員有清楚的認識與理解，本發(fā)明的一個方面是提供一種通過低溫精餾制氧的方法，其包括(A)把給料氣壓縮至一第一壓力;
(B)通過將至少55%的被壓縮的給料氣送入與渦輪膨脹機相連連的壓縮機中，進一步壓縮至一第二壓力;
(C)通過將至少一部分經進一步壓縮的給料氣送入所述渦輪膨脹機中進行渦輪膨脹，但要維持至少有一部分給料氣不受所述渦輪膨脹;
(D)將經渦輪膨脹后的給料氣引入一雙塔低溫精餾裝置的高壓塔;
(E)使至少一部分未被渦輪膨脹的給料氣冷凝;
(F)將被冷凝的給料氣送入高壓塔;以及(G)從低溫精餾裝置中引出液氧，通過與所述冷凝的結料氣進行間接換熱而使液氧氣化，以及還原得到氧產品。
本發(fā)明的另一方面是提供一種低溫精餾制氧的設備，其包括(A)一第一級壓縮機、一第二級壓縮機以及一個與第二級壓縮機的渦輪膨脹機;
(B)將給料送入第一級壓縮機以及由第一級壓縮機送至第二級壓縮機的裝置;
(C)包括有一個高壓塔的一雙塔低溫精餾裝置;
(D)將給料由第二級壓縮機送入渦輪膨脹機以及由渦輪膨脹機送入高壓塔的裝置;
(E)一個產品蒸發(fā)器，以及用于將給料送入產品蒸發(fā)器和由產品蒸發(fā)器送至高壓塔的裝置;
(F)用于將流體由低溫精餾裝置送入產品蒸發(fā)器的裝置;以及(G)用于由產品蒸發(fā)器還原出流體產品的裝置。
這里所用的“給料氣”一詞是指一種主要包括氮、氧以及氬的混合物，比如空氣。
這里所用的術語“渦輪膨脹”以及“渦輪膨脹機”分別是指用于高壓氣體流經渦輪機使氣體減壓和降溫而致冷的方法與裝置。
這里所用的“塔”則蒸餾或分餾塔或帶，即一個其中液氣兩相成逆流式接觸以分離一流體混合物的接觸塔或帶，例如通過使氣液兩相在一系列安裝在塔內的豎直地互相間隔開的分餾塔盤或者板上接觸，和/或可在規(guī)則構成的堆砌元件和/或無規(guī)則構成的堆砌元件上接觸。進一步地討論蒸餾塔，可參見《化學工程手冊》第五版，皮瑞(R.H.Perry)和切爾頓(C.H.Chilton)編，由紐約的米克隆一海爾書局出版(Mc Graw-Hill Book Company)，其中的第13節(jié)“連續(xù)蒸餾過程”。術語“雙塔”一詞意味著高壓塔上端與低壓塔下端存在著熱交換關系。雙塔的進一步討論見由牛津大學出版社1949年出版的魯賀曼(Ruheman)的“氣體分離”一書，其中的第7章“商業(yè)化氣體分離”。
氣液接觸分離過程取決于各組分的蒸氣壓力的不同。高蒸氣壓(或易揮發(fā)，或低沸點)的組分傾向于在氣組中集聚，而低蒸氣壓(或難揮，或高沸點)的組分卻傾向于在液相中集聚。部分冷凝是分離過程，從而，冷卻氣態(tài)混合物可以用來將易揮發(fā)的組分集聚在氣相中，而將難揮發(fā)的組分集聚在液相中。精餾，或連續(xù)蒸餾，是通過將氣液兩相逆流布置而使連續(xù)的部分蒸發(fā)與冷凝結合起來的分離過程。氣液兩相的逆流接觸是絕熱的，并且可能包括相間的整體或局部的接觸。運用精餾原理分離混合物的分離裝置常常被交替命名為精餾塔，蒸餾塔，或者分餾塔。低溫精餾是一個至少要部分地處于或低于150度開耳芬(Kelvin)進行的精餾過程。
這里所用的術語“間接換熱”一詞是指兩股流體相到間在沒有任何實際接觸或摻混的條件下進行的熱交換。
這里所用的術語“氬塔”一詞則指對含有氬氣的給料進行處理并得到超過在原給料中的濃度的氬氣的塔，而且在它的上部可以包括一個換熱器或高位冷凝器。這里所用的術語“液氧”是指含氧量至少達到95%摩爾百分比濃度的液體。
這里所用的術語“耦合連接”一詞則是指機械上的連接以使得設備之間可直接傳遞功而無需任何中間齒輪。耦連可通過單根的轉動軸實現(xiàn)兩設備之間的連接。
現(xiàn)配合有關附圖及具體實施例詳細描述本發(fā)明方法及裝置的其他目的，特點與結構，其中

圖1是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的示意圖，其中只有一部分被壓縮的給料由與渦輪膨脹機耦合相連的壓縮機進一步壓縮;和圖2是本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的示意圖，其中全部被壓縮的給料由與渦輪膨脹機耦合相連的壓縮機進一步壓縮。
本發(fā)明采用一個與一渦輪膨脹機耦合相連的壓縮機，并把經壓縮機壓縮的流體輸送給渦輪膨脹機進行膨脹，從而產生致冷效應，以便把流體引入到低溫精餾裝置中。流經渦輪膨脹機的流體通過設備的渦輪膨脹機與壓縮機之間耦合連接來驅動壓縮機，從而無需使用發(fā)電機來收集由渦輪膨脹所產生的能量，并提高壓縮機的運行效率。部分未經渦輪膨脹的給料被冷凝以使液氧蒸發(fā)。因此，冷凝的給料與剩余的給料脫離連接使得該流體單獨壓縮至產品蒸發(fā)器所要求的壓力范圍，從而使產品氧的壓力指標可以不受裝置冷卻要求限制。
本發(fā)明將參照附圖加以詳細描述?，F(xiàn)在參見圖1所示，給料即如給料氣100，其經過第一級或基礎載荷壓縮機1被壓縮至一第一壓力，該第一壓力通常在70至150磅/英寸2(psia)絕對壓力的范圍之內。被壓縮的給料氣通過冷卻器29冷卻，以帶走壓縮熱量，并在經過吸收器2時把諸如二氧化碳和水蒸汽一類的高沸點雜質清除掉。然后給料氣被分成一第一部分101和第二部分102。第一部分101包括至少55%，且最好是65%至80%的被壓縮的給料空氣。經過與渦輪膨脹機7相連的第二極壓縮機5，第一部分給料氣101被進一步壓縮至一超過第一壓力且通常為80至170磅/英寸2(psia)絕對壓力的第二壓力。被進一步壓縮的給料空氣103經過冷卻器30時將壓縮熱量帶走，然后經過主換熱器8與返回氣流進行間接換熱而被冷卻。所得到的冷卻氣流104被送到渦輪膨脹機7。冷卻氣流104一小部分105通過流經換熱器9與返回氣流進行間接換熱而被液化。所得到的液化流106被送到雙塔低溫精餾裝置中的高壓塔11，該精餾裝置亦包括低壓塔14。
被冷卻的進一步被壓縮的氣流104通過流經渦輪膨脹機7被膨脹，由于渦輪膨脹而產生制冷效應，并驅動壓縮機5。經渦輪澎脹的氣流107被引入到運行壓力通常為65至100磅/英寸2(psia)絕對壓力的高壓塔11中。
未經過渦輪膨脹機7第二部分給料氣流102，最好通過流經壓縮機3被壓縮至一第三壓力。通常，第三壓力將有別于第二壓力，處于100至1，400磅/英寸2(psia)絕對壓力的范圍內。所得到的氣流108通過流經主換熱器8被冷卻，并送至產品蒸發(fā)器4中，在其中與蒸發(fā)的液氧進行間接換熱而被冷凝，這一點稍后將敘述。被冷凝的給料氣109通過流經換熱器10與液氧進行間接換熱而被過度冷卻，且最好在氣流107進入塔11的位置上方進入塔。通常，這一入口位置至少是在氣流107的引入口上方兩個平衡級。如果愿意，氣流109可以與氣流106匯合，而此匯合氣流110，如圖1所示，可以如上所述被引入塔11中。
在塔11內，給料經低溫精餾被分離成富氮的上部蒸氣與富氧的下部液體。圖1所述的實施例還包括一第三塔，在這種情況下第三塔是作為生產粗制氬的氬塔。富氮的上部氣體111被通入正對再蒸發(fā)塔14底部的主冷凝器15而被冷凝。所得到的冷凝液112以液流113作為回流進入塔11，且通過換熱器20和閥21以液流13作為回流進入塔14。富氧的液體以流12由塔11流經換熱器16，在其中與返回流進行間接換熱而使其過度冷卻，并經閥19進入氬塔18的上位冷凝器17。在上位冷凝器17中，富氧的液體部分蒸發(fā)，而所得到的蒸氣與液體(圖1中為方便示為一股流114)被通入塔14中。
塔14在低于塔11的壓力的一個壓力下運行，并通常為16至30磅/英寸2(psia)絕對壓力。在塔14中，送入塔14的流體經低溫精餾被分離成富氮的蒸氣和富氧的液體，即，液氧。富氮的蒸氣沿管22由塔14取出，通過流經換熱器20、16，9和8被加熱，如果愿意，被還原為含氮量摩爾百分比至少為98%的產品氮115。為了控制產品的純度，一廢氣流24從氣流管22被引出的位置的下方某處由塔14中取出，通過換熱器20，16，9和8，而作為氣流116排出系統(tǒng)。
含氬流體沿管25由塔14流入氬塔18，并經在氬塔18中的溫精餾被分離成富氬的蒸氣和富氧的液體。富氧的液體經管27返回到塔14。富氬的蒸氣沿管117進入一上冷凝器17，在其中經與富氧的流體進行間接換熱而部分冷凝。所得到的富氬的流體被送入相分離器118，由相分離器118流出的液體119作為回流進入塔18。由相分離器118流出的蒸氣26被還原成含氬量至少90%摩爾百分比的產品粗制氬。
液氧經管23由塔14中取出，且最好流經液壓泵28泵至一較高壓力。然后，氧經過換熱器10被加熱，再送至產品蒸發(fā)器4中，在那里通過冷凝的給料氣進行間接換熱而被氣化。所得到的氣化氧120流經主換熱器8而被加熱，并被還原成產品氧氣121，其含氧量至少的95%摩爾百分比。產品氧氣的壓力將在塔14的取出點壓力與大約200磅/英寸2(psia)絕對壓力之間變化，這種變化取決于是否以及如何使用液泵28。如果愿意，部分液氧可以經管122由產品蒸發(fā)器4中還原出來。
圖2示出本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，其中所有被壓縮至第一壓力的給料氣被進一步壓縮至第二壓力。圖2中有關相同元件的標號與圖1的標號相對應，而且這些相同的元件將不再詳述。
現(xiàn)參見圖2所示，經由第一級壓縮機1壓縮至第一壓力的全部給料氣150經第二級壓縮機5被進一步壓縮至第二壓力。所得到的被進一步壓縮的給料氣流151通過吸收器2把高沸雜質去除掉，而所得到的氣流152被分成兩部分153及154。第一部分153包含大約65%至80%的給料氣流，在作為氣流155進入渦輪膨脹機7之前流過主換熱器8而被冷卻。氣流155的一部分105如圖1所述的實施例那樣被液化。未流經渦輪膨脹機7的給料氣流154，最好通過流經第三級壓縮機3被壓縮至第三壓力，流過主換熱器8被冷卻，并被送入產品蒸發(fā)器4中，在其中蒸發(fā)的液氧進行間接換熱而被冷凝。圖2中的實施例的其它部分與圖1實質上是相同的。
下面的例子是為了說明的目的而并不準備作為限制。此實例提出采用圖1所述本發(fā)明的實施例所作的計算機模擬并以空氣作為給料。其中標號與圖1的標號相對應。在大氣環(huán)境溫度和壓力下的空氣經第一級壓縮機1被壓縮至一第一壓力115磅/英寸2(psia)絕對壓力。然后，空氣在冷卻器29中被冷卻至至229開耳芬(Kelvin)經過吸收器2的提純與除水，空氣溫度為289開耳芬(Kelvin)。一部分相當于24%的空氣102經第三級壓縮機3被壓縮至一第三壓力346磅/英寸2(psia)絕對壓力。在管101中剩余的76%的空氣在第二級壓縮機5中被壓縮至一第二壓力127磅/英寸2(psia)絕對壓力。然后，氣流103在冷卻器30中被冷卻至290開耳芬(Kelvin)的溫度，并在換熱器8中與冷的返回氣流換熱而進一步冷卻至111開耳芬(Kelvin)。3.5%的一小部分空氣氣流105在換熱器9中被液化。其余部分經渦輪膨脹機7被渦輪膨脹至78磅/英寸2(psia)絕對壓力并被引入到高壓塔11的底部。壓縮機5與渦輪膨脹機7在機械上互相連接，提供壓縮功。
離開壓縮機3后，氣流108在主換熱器8中被冷卻至158開耳芬(Kelvin)，然后在產品蒸發(fā)器4中與150磅/英寸2(psia)絕對壓力的壓力下蒸發(fā)的液氧換熱而凝結。3.0%的液氧被取出作為液體產品122。然后，氣流109在換熱器10中與熱的液氧換熱而被過度冷卻，然后與氣流106匯合，并從中間位置引入高壓塔。
高壓塔11在78磅/英寸2(psia)絕對壓力的壓力下運行。塔14頂部壓力為15.2磅/英寸2(psia)絕對壓力液氧流23的純度為99.6%氧克分子濃度。氮產品氣流22含氮量為99.98%摩爾百分比且其流速則為空氣氣流速度的20%。產品氬氣流26含氬量為98.5%摩爾百分比。
液氧流23在引入換熱器10之前經液壓泵25泵至150磅/英寸2(psia)絕對壓力，然后引入產品蒸發(fā)器4中。
上述例子介紹了一種非常優(yōu)越的渦輪膨脹機-壓縮機組合，因為渦輪膨脹機和增壓壓縮機在同一速度且無齒輪傳動的情況下運行，二者都可實現(xiàn)高效率。
對于這些工作條件，多采用徑向式的渦輪膨脹機和壓縮機。對于這些機械來說，設計程序只是為達到最佳效率而選擇運行速度。最佳速度取決于運行中特定的壓力比和流速。常采用無量綱參數(shù)ns，或比速度。該參數(shù)與以RPM為單位的轉速成比例。當ns值約為0.5時一徑向式渦輪機的效率最佳。類似地，ns約為0.95時，徑向式壓縮機達到最佳效率。在上述例子中，對于渦輪機與壓縮機來說，5，800RPM的速度使得渦輪機與壓縮機的ns值分別為0.48和0.92。這兩個值將給出二者的最大效率。因此通過適當選擇被壓縮的氣流而無需傳動齒輪即可使渦輪機與壓縮機均達到很高的效率。
被壓縮的氣流的選擇很重要。簡單地將渦輪膨脹機在一根傳動軸上與任何的增壓壓縮機連接不是有效的。這種組合僅當給料氣的大部分或全部被用作進一步壓縮時才產生有效的匹配。其優(yōu)點在于使少量給料氣氣流與產品蒸發(fā)器脫離連接使得這部分氣流被壓縮時與產品蒸發(fā)器的壓力無關。這樣就允許氧產品壓力范圍不受任何裝置冷卻要求的限制。
還有這種配置對由其產生的渦輪機制冷量有設計上的靈活性。如果所要求的裝置制冷量增加，比如為生產液體產品，渦輪機的功將增加，這樣便提高了增壓壓縮機的可用能量及所得到的供給渦輪機的空氣的壓力。隨著裝置制冷要求的變化，軸功的平衡與相應給氣壓力水平均自我補償。
盡管本發(fā)明參照著一些優(yōu)選實施例已經作了詳細描述，但本領域技術人員應認識到任何改變都包含在權利要求的精神實質和范圍中以及本發(fā)明的其它實施例中。
權利要求
1.一種用于低溫精餾制氧的方法，其特征在于，其包括(A)把給料氣壓縮至一第一壓力；(B)通過使其流經與渦輪膨脹機相連的壓縮機而將至少55%的被壓縮的給料氣進一步壓縮至一第二壓力；(C)通過使其流經所述渦輪膨脹機而讓至少一部分被進一步壓縮的給料氣進行渦輪膨脹，但要維持至少有一部分給料氣不受所述渦輪膨脹；(D)將經渦輪膨脹后的給料氣引入一雙塔低溫精餾裝置的高壓塔中；(E)使至少一部分未經渦輪膨脹的給料氣凝結；(F)將冷凝的給料引入高壓塔中；以及(G)由低溫精餾裝置中取出液氧，通過與所述冷凝的給料氣進行間接換熱使液氧氣化，并還原得到氧氣產品。
2.如權利要求1所述的方法，其中所有被壓縮的給料氣通過使其流經渦輪膨脹機相連的壓縮機而被進一步壓縮至一第二壓力。
3.如權利要求1所述的方法，其中，其還包括將給料氣在與氣化的液氧進行間接換熱而凝結之前而壓縮至一第三壓力。
4.如權利要求1所述的方法，其中液氧在由低溫精餾裝置取出之后而在被氣化之前被泵至一高壓。
5.如權利要求1所述的方法，其中，其還包括從雙塔低溫精餾裝置中還原出富氮的流體。
6.如權利要求1所述的方法，其中，其還包括將含氬流體由雙塔低溫精餾裝置送入氬塔，并由氬塔還原出富氬的流體。
7.一種用于低溫精餾制氧的設備，其中，其包括(A)一第一級壓縮機、一第二級壓縮機以及與第二級壓縮機相連的一渦輪膨脹機;(B)用于給料送入第一級壓縮機以及從第一級壓縮機送入第二級壓縮機的裝置;(C)包括一座高壓塔的雙塔低溫精餾裝置;(D)用于將給料由第二級壓縮機送入渦輪膨脹機以及由渦輪膨脹機送入高壓塔的裝置;(E)一個產品蒸發(fā)器，用于將給料送入該產品蒸發(fā)器以及由該產品蒸發(fā)器送入高壓塔的裝置;(F)用于將流體由低溫精餾裝置送入產品蒸發(fā)器的裝置;以及(G)用于從產品蒸發(fā)器還原出流體產品的裝置。
8.如權利要求7所述的設備，其中，其還包括在將給料送入產品蒸發(fā)器之前用于壓縮給料的一第三級壓縮機。
9.如權利要求7所述的設備，其中將流體由低溫精餾裝置送入產品蒸發(fā)器的裝置包括一個液壓泵。
10.如權利要求7所述的設備，其中，其還包括一個第三塔，用于將流體由低溫精餾裝置送入第三塔的裝置以及用于由第三塔還原出流體的裝置。
全文摘要
一種低溫精餾系統(tǒng)，其中，被壓縮的給料通過流經與渦輪膨脹機相連的壓縮機被進一步壓縮，并經過渦輪膨脹機進行渦輪膨脹以驅動壓縮機，一部分未經過渦輪膨脹的給料在產品蒸發(fā)器中與液氧發(fā)生作用而凝結。
文檔編號F25J3/04GK1098194SQ94105750
公開日1995年2月1日 申請日期1994年5月12日 優(yōu)先權日1993年5月13日
發(fā)明者M·J·羅伯特斯, R·A·貝東米, D·P·邦納奎斯特 申請人:普拉塞爾技術有限公司