專利名稱：制備氧的單膨脹器和冷壓縮機(jī)法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用低溫空氣分離有效制備氧的幾種方法。特別是，本發(fā)明涉及低溫空氣分離工藝，其中具有吸引力的是制備至少一部分總氧，其純度低于99.5％，且優(yōu)選低于97％。
有幾篇美國(guó)專利，教導(dǎo)有效制備純度低于99.5％的氧。兩個(gè)例子是美國(guó)專利4,704,148和4,936,099。
美國(guó)專利No.2,753,698公開(kāi)了一種用于分餾空氣的方法，其中要分離的總空氣在復(fù)式分餾器的高壓塔中預(yù)分餾，以制備粗(不純)液態(tài)氧(粗LOX)塔底液和氣態(tài)氮塔頂餾出物。如此制備的粗LOX膨脹至中等壓力，并靠氮冷凝熱交換而完全蒸發(fā)。蒸發(fā)的粗氧然后稍微溫?zé)幔瑢?duì)生產(chǎn)動(dòng)力負(fù)載膨脹，并在復(fù)式分餾器的低壓塔中用高壓塔內(nèi)冷凝氮洗滌，然后進(jìn)入低壓塔的頂部。低壓塔的底部用來(lái)自高壓塔的氮再沸騰。提供冷凍作用的這種方法以后就稱作CGOX膨脹法。該專利不使用其它冷凍源。因此對(duì)低壓塔的常規(guī)空氣膨脹法要用所提出的CGOX膨脹法代替。實(shí)際上，該專利引用了因額外空氣送入高壓塔達(dá)到的改進(jìn)效果(如對(duì)低壓塔沒(méi)有氣態(tài)空氣要膨脹)，而這導(dǎo)致高壓塔頂部產(chǎn)生的額外氮回流。這說(shuō)明額外氮回流量等于送入高壓塔空氣中額外氮量。為克服低壓塔下部蒸出物不足，主張改進(jìn)低壓塔上部用液態(tài)氮洗滌的效率。
美國(guó)專利No.4,410,343，公開(kāi)了一種采用低壓和中壓塔制備低純度氧的方法，其中低壓塔的塔底液靠冷凝空氣再沸騰，而獲得的空氣送入中壓和低壓塔兩者。
美國(guó)專利No.4,704,148公開(kāi)了一種方法，利用高壓和低壓蒸餾塔分離空氣，制備低純度氧和廢氮流體。主熱交換器冷端的給料空氣，用于再沸騰低壓蒸餾塔，并蒸發(fā)低純度氧制品。用于塔再沸騰和氧制品蒸發(fā)的熱功，靠冷凝空氣餾分提供。該專利中，空氣給料分成三路子流體。一路子流體全部冷凝，并用于為低壓和高壓蒸餾塔兩者提供回流。第二路子流體部分冷凝，該部分冷凝子流體的氣體部分送入高壓蒸餾塔底部，而液體部分為低壓蒸餾塔提供回流。第三路子流體膨脹以回收冷凍作用，然后作為塔給料送入低壓蒸餾塔。此外，高壓塔冷凝器在低壓塔中用作中間再沸騰器。
在國(guó)際專利申請(qǐng)#PCT/US87/01665(美國(guó)專利No.4,796,431)中，Erickson提出一種從高壓塔引出氮流體的方法，部分膨脹這種氮至中等壓力，然后將其冷凝，其方法是，對(duì)高壓塔底部粗LOX或?qū)Φ蛪核虚g高度液體進(jìn)行熱交換。這種冷凍方法如今就稱為后跟冷凝氮膨脹(NEC)。通常，NEC提供冷箱的全部冷凍需要。Erickson指出只有單獨(dú)NEC不能提供冷凍作用的那些應(yīng)用，才需要通過(guò)膨脹某些空氣來(lái)提供補(bǔ)充的冷凍作用。然而，沒(méi)有指出采用這種補(bǔ)充冷凍作用來(lái)降低能量消耗。這種補(bǔ)充冷凍作用是針對(duì)一種流程提出的，其中對(duì)流程作了其它改進(jìn)以降低空氣供給壓。這降低了氮對(duì)膨脹器的壓力，并因此降低了從NEC可獲得的冷凍量。在該專利中，Erickson也提出采用兩次NEC。高壓塔的氮分成兩路流體，每一路流體部分膨脹到不同壓力，且靠不同的液體冷凝。例如，一路膨脹氮流體靠粗LOX冷凝，而另一路靠低壓塔中間高度液體冷凝。Erickson主張采用第二次NEC，增加可用于啟動(dòng)冷壓縮機(jī)的冷凍輸出，以便進(jìn)一步提高氧輸送壓。
在美國(guó)專利No.4,936,099中，Woodward等人采用與低純度氧制備有關(guān)的CGOX膨脹。這種情況，氣態(tài)氧制品制備方法是，對(duì)部分給料空氣進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)低壓塔底部的液態(tài)氧。
某些空氣分離廠過(guò)量的冷凍作用可自然獲得。這通常是因?yàn)閮蓚€(gè)原因之一操作設(shè)備的強(qiáng)制力導(dǎo)致過(guò)量流體通過(guò)膨脹器，和蒸餾系統(tǒng)產(chǎn)品回收率低，且在提高壓力下產(chǎn)生隨后要膨脹的過(guò)量廢物。這種情況下，某些專利建議，將過(guò)量冷凍作用在低溫溫度下用于壓縮適當(dāng)?shù)墓に嚵黧w。低溫溫度下這種壓縮方法以后就稱為冷壓縮。
由于第一種原因產(chǎn)生過(guò)量冷凍作用并采用冷壓縮的一個(gè)實(shí)例，可以在美國(guó)專利No.4,072,023中找到。該專利將可逆熱交換劑用于從給料空氣除去水和二氧化碳。這樣一種可逆熱交換劑的成功操作，要求采用平衡流體。平衡流體通常由蒸餾塔系統(tǒng)引出，隨后在主熱交換器的冷卻部件中，同進(jìn)來(lái)給料空氣間接熱交換而部分溫?zé)?，然后在膨脹器中膨脹以提供所需要的冷凍作用。不幸，該平衡流體的流速，不能降低到低于某部分給料空氣流速。對(duì)于每單位產(chǎn)品流量冷凍需求不是那么大的大型工廠，使平衡流體流量大于某部分給料空氣流量的強(qiáng)制力，就能產(chǎn)生過(guò)量冷凍作用。該專利中，復(fù)式塔工藝的含氮占優(yōu)勢(shì)或含氧占優(yōu)勢(shì)的冷流體，是在一個(gè)膨脹器中膨脹。該膨脹器的某些作功能量，用于壓縮其溫度處于復(fù)式蒸餾塔和主熱交換器冷端之間溫度的工藝流體。該專利的這種冷壓縮設(shè)計(jì)，是針對(duì)高壓塔頂部同低壓塔底部處于熱連接的常規(guī)復(fù)式塔工藝提出的。
由于第二種原因產(chǎn)生過(guò)量冷凍作用，并采用冷壓縮的一些實(shí)例可以在美國(guó)專利No.4,966,002和No.5,385,024中找到。這兩個(gè)專利，空氣給到單一蒸餾塔底部附近以制備高壓氮。因?yàn)閱我徽麴s塔在底部不采用再沸騰器，氮的回收率低。在提高壓力條件下，這產(chǎn)生大量富氧廢流體。一部分這種富氧廢流體部分溫?zé)岵⑴蛎?，以提供所需要的冷凍作用，而過(guò)量冷凍作用用于冷壓縮該廢流體的另一部分。冷壓縮的廢流體返回蒸餾塔。
在美國(guó)專利No.5,475,980中，冷壓縮用于改善在熱交換器中的冷卻效果，用于蒸發(fā)壓力大于約15bar的泵打液態(tài)氧。為此，從熱交換器中間位置取出中等溫度輔助流體。然后，該輔助流體冷壓縮并再引入熱交換器進(jìn)一步冷卻。至少部分進(jìn)一步冷卻流體在膨脹器中膨脹。當(dāng)要冷壓縮輔助流體的壓力比高壓塔壓力高得多時(shí)，其中僅僅一部分在冷壓縮和部分冷卻后膨脹到高壓塔。這種情況下，在工廠溫?zé)岫颂峁╊~外能量，以滿足冷凍和冷壓縮的需要。然而，當(dāng)輔助流體是從高壓塔引出時(shí)，則在其冷壓縮和冷卻后全部膨脹。這就保證大部分冷壓縮所需能量由膨脹器回收，且用于冷壓縮。結(jié)果，如在早先引用的美國(guó)專利No.4,072,0234,966,002和5,385,024，為產(chǎn)生作功能量而流過(guò)膨脹器的額外蒸氣需要量減少，且不需要過(guò)量的冷凍作用。
在丹麥專利2854508中，一部分處在高壓塔壓力下的空氣給料，利用對(duì)冷箱提供冷凍作用的膨脹器作功能量，在溫?zé)崴缴显賶嚎s。這種再壓縮空氣流體然后部分冷卻，并在同一驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的膨脹器中膨脹。在這種設(shè)計(jì)中，要再壓縮然后膨脹用于冷凍的部分給料空氣流體是相同的。結(jié)果，已知部分給料空氣在冷箱中產(chǎn)生更多冷凍作用。該專利提出兩種方法利用這種過(guò)量冷凍作用(a)從冷箱制備更多的液態(tài)產(chǎn)品；(b)降低通過(guò)壓縮機(jī)和膨脹器的流量，并因此增加到高壓塔的流量。據(jù)認(rèn)為，增加到高壓塔的流量，會(huì)使冷箱產(chǎn)品產(chǎn)率更高。
用于空氣在蒸餾塔系統(tǒng)中低溫蒸餾的一種方法中，蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個(gè)蒸餾塔，其中在氧制品生產(chǎn)蒸餾塔底部的沸騰是通過(guò)冷凝氮濃度等于或大于給料空氣流體氮濃度的一種流體提供的。該方法包括如下步驟(a)超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量，是由以下三個(gè)方法中至少一個(gè)產(chǎn)生(1)作功膨脹氮含量等于或大于給料空氣氮含量的第一種工藝流體，然后冷凝至少部分膨脹流體，其方法包括，對(duì)下述兩種液體中至少一種進(jìn)行潛熱交換(ⅰ)氧制品生產(chǎn)蒸餾塔的中間高度的一種液體和(ⅱ)該蒸餾塔液體給料之一，其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度；(2)冷凝氮含量等于或大于給料空氣氮含量的至少第二種工藝流體，其方法包括，對(duì)至少一部分富氧液態(tài)流體進(jìn)行潛熱交換，富氧液態(tài)流體其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度，且其壓力也大于氧制品生產(chǎn)蒸餾塔壓力，在至少一部分富氧液體因潛熱交換蒸發(fā)成蒸氣餾分后，作功膨脹至少一部分獲得的蒸氣流體；和(3)作功膨脹一部分給料空氣；(b)利用超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產(chǎn)生的功，冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。


圖1-6描繪了本發(fā)明不同實(shí)施方案的示意圖。在圖1-6中，相同的流體采用同一流體代號(hào)。
本發(fā)明提出用于制備低純度氧的更有效低溫工藝。低純度氧定義為氧濃度低于99.5％且優(yōu)選低于97％的一種產(chǎn)品流體。該方法中，給料空氣用包括至少一個(gè)蒸餾塔的蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行蒸餾。在生產(chǎn)氧制品蒸餾塔底部的沸騰是通過(guò)冷凝氮濃度等于或大于給料空氣流體中氮濃度的一種流體提供的。本發(fā)明包括以下步驟(a)超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量，是由以下三個(gè)方法中至少一個(gè)產(chǎn)生(1)作功膨脹氮含量等于或大于給料空氣氮含量的第一種工藝流體，然后冷凝至少部分膨脹流體，其方法是對(duì)下述兩種液體中至少一種進(jìn)行潛熱交換(ⅰ)氧制品生產(chǎn)蒸餾塔的中間高度的一種液體；(ⅱ)該蒸餾塔液體給料之一，其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度；(2)冷凝氮含量等于或大于給料空氣氮含量的至少第二種工藝流體，其方法包括，對(duì)至少一部分富氧液態(tài)流體進(jìn)行潛熱交換，富氧液態(tài)流體其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度，且其壓力也大于氧制品生產(chǎn)蒸餾塔壓力，在至少一部分富氧液體因潛熱交換蒸發(fā)成蒸氣餾分后，作功膨脹至少一部分獲得的蒸氣流體；和(3)作功膨脹部分給料空氣；(b)利用超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產(chǎn)生的功，冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。
在優(yōu)選模式中，步驟(a)(3)部分給料空氣流體，在膨脹之前冷卻到溫度低于室溫但高于蒸餾塔溫度。而且，通常(但不總是)作功膨脹的空氣流體將直接送到蒸餾系統(tǒng)。
在大多數(shù)優(yōu)選模式中，蒸餾系統(tǒng)包括由高壓(HP)塔和低壓(LP)塔組成的復(fù)式塔系統(tǒng)。至少部分給料空氣送入HP塔。氧制品由LP塔底部產(chǎn)生。步驟(a)(1)中第一種工藝流體或步驟(a)(2)中第二種工藝流體，通常是從HP塔引出的高壓富氮蒸氣流體。若采用步驟(a)(1)作功膨脹法，則高壓富氮蒸氣流體膨脹，且隨后冷凝，方法是對(duì)LP塔中間高度液態(tài)流體，或?qū)P塔底部產(chǎn)生的粗液態(tài)氧(粗LOX)流體進(jìn)行潛熱交換，并構(gòu)成LP塔的給料。該方法中，粗LOX流體壓力降到LP塔壓力附近。高壓富氮流體在膨脹之前可以部分溫?zé)帷Ｈ舨捎貌襟E(a)(2)的作功膨脹法，則高壓富氮流體冷凝，方法是對(duì)壓力高于LP塔壓力的至少部分粗LOX流體進(jìn)行潛熱交換，且粗LOX至少部分蒸發(fā)獲得的蒸氣作功膨脹到LP塔。作功膨脹之前，粗LOX至少部分蒸發(fā)獲得的蒸氣可以部分溫?zé)帷Ｗ鳛榇諰OX蒸發(fā)的一種替代方法，氧濃度大于空氣的富氧液體可以從LP塔引出，并用泵打到大于LP塔壓力的所需壓力，然后至少部分蒸發(fā)。若采用步驟(a)(3)的作功膨脹法，則作功膨脹的空氣流體可以直接送到或HP塔，或更優(yōu)選LP塔。
作功膨脹，它意味著當(dāng)工藝流體在膨脹器內(nèi)膨脹時(shí)，產(chǎn)生功。這種功可以在油制動(dòng)器中分散，或用于發(fā)電，或用于直接壓縮另一種工藝流體。
其它制品也可以同低純度氧一起生產(chǎn)。這包括高純度氧(純度等于或大于99.5％)、氮、氬、氪和氙。如需要，也可副產(chǎn)某些液態(tài)制品，如液態(tài)氮、液態(tài)氧和液態(tài)氬。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。不含較重組分如水和二氧化碳的壓縮給料空氣流體表示為流體100。該壓縮空氣流體的壓力通常大于3.5bar絕對(duì)壓力而小于24bar絕對(duì)壓力。優(yōu)選壓力范圍是5bar絕對(duì)壓力-約10bar絕對(duì)壓力。較高給料空氣壓力，有助于減小用于除去水和二氧化碳的分子篩床尺寸。給料空氣流體分成兩路流體102和110。流體102在主熱交換器190中冷卻，然后作為流體106送入高壓(HP)塔196的底部。高壓塔給料蒸餾成頂部的高壓氮蒸氣流體150，和底部的粗液態(tài)氧(粗LOX)流體130。粗LOX流體最終送入低壓(LP)塔198，在那蒸餾產(chǎn)生頂部的較低壓力氮蒸氣流體160，和底部的液態(tài)氧制品流體170。另外，氧制品也可以作為蒸氣從LP塔底部引出。液態(tài)氧制品流體170用泵171打到需要的壓力，然后蒸發(fā)的方法是對(duì)適當(dāng)加壓工藝流體進(jìn)行熱交換，以提供氣態(tài)氧制品流體172。圖1中，適當(dāng)加壓工藝流體是管線118的部分給料空氣。在LP塔底部的沸騰是通過(guò)冷凝管線150到管線152的第一部分高壓氮流體提供的，從而提供第一路高壓液態(tài)氮流體153。
根據(jù)本發(fā)明步驟(a)(2)，氧濃度大于給料空氣濃度的至少部分粗LOX流體通過(guò)閥門135后，壓力降低到HP塔和LP塔壓力的中間壓力。圖1中，降壓之前，粗LOX在再冷卻器192中再冷卻，其方法是對(duì)LP塔返回的氣態(tài)氮流體進(jìn)行熱交換。這種再冷卻是任選的。降低壓力的粗LOX流體136送到再沸騰器/冷凝器194，在那至少部分再沸騰，其方法是對(duì)管線150到管線154第二部分高壓氮流體(本發(fā)明(a)(2)的第二路工藝流體)進(jìn)行潛熱交換，以提供第二路高壓液態(tài)氮流156。第一和第二路高壓液態(tài)氮流體，為HP塔和LP塔提供了所需的回流。管線137中蒸發(fā)了的部分降壓粗LOX流體(以后稱為粗GOX流體)，在主熱交換器190中部分溫?zé)?，然后在膨脹?39中作功膨脹到LP塔，作為附加給料。粗GOX流體137的部分溫?zé)崾侨芜x的，且類似地，作功膨脹后流體140，在其進(jìn)入LP塔之前要再冷卻。
操作膨脹器139，以便產(chǎn)生比工廠冷凍平衡所需要更多的功。在低溫空氣分離廠，圖1所示所有熱交換器、蒸餾塔和有關(guān)的閥門、管道及其它設(shè)備都包圍在一個(gè)稱作冷箱的絕緣箱體中。既然箱體內(nèi)部處于低溫狀態(tài)，就存在由周圍向冷箱的熱滲漏。離開(kāi)冷箱的產(chǎn)品流體(如流體164和172)溫度也比給料空氣流體低。這導(dǎo)致因產(chǎn)品離開(kāi)冷箱的熱焓損失。為使工廠運(yùn)行，需要由冷箱提取出等量能量來(lái)平衡這兩種損失。通常，這種能量以作功能量方式提取。該發(fā)明中，膨脹器139的輸出功超過(guò)為保持冷箱處于冷凍平衡所必須提取的功。這種有意產(chǎn)生的額外功則用于冷壓縮冷箱內(nèi)工藝流體。這種方法，額外功不離開(kāi)冷箱且冷凍平衡得以保持。
圖1中，為了蒸發(fā)來(lái)自泵171的泵打液態(tài)氧，給料空氣流體100的一部分，流體110在一個(gè)任選增壓器113中再增壓，并靠冷水(圖中未標(biāo)出)冷卻，然后在主熱交換器190中部分冷卻。這種部分冷卻的空氣流體114然后由冷壓縮機(jī)115冷壓縮。冷壓縮機(jī)的輸入能量是膨脹器139產(chǎn)生的額外作功能量(即冷凍不需要的能量)。然后，冷壓縮的流體116再送回主熱交換器，在那它冷卻的方法是，對(duì)泵打液態(tài)氧流體進(jìn)行熱交換。一部分冷卻的液態(tài)空氣流體118作為流體120送入HP塔，而另一部分(流體122)在再冷卻器192內(nèi)，再冷卻一些之后送入LP塔。
幾種已知的改進(jìn)可以應(yīng)用到圖1的流程實(shí)例中。例如，HP塔所有粗LOX流體130可以全送到LP塔，而一點(diǎn)也不送到再沸騰器/冷凝器194。代替這種作法，從LP塔中間高度引出液體，用泵將其增壓至HP塔和LP塔之間壓力，并送到再沸騰器/冷凝器194。在再沸騰器/冷凝器194內(nèi)其余的處理，類似于早先解釋過(guò)的134流體。在另一個(gè)改進(jìn)中，再沸騰器/冷凝器193和194冷凝的兩路高壓氮流體152和154，分別可以不從HP塔的同一點(diǎn)產(chǎn)生。各自可以從HP塔不同高度獲得，并在其再沸騰器(193和194)內(nèi)冷凝后，各自送到蒸餾系統(tǒng)適當(dāng)位置。例如，流體154可以從高壓塔頂部下面引出，在再沸騰器/冷凝器194內(nèi)冷凝后，一部分可以返回到HP塔中間位置，而另一部分送到LP塔。
圖2表示，工藝流體按照步驟(a)(1)作功膨脹的另一種實(shí)施方案。這里，再冷卻的粗LOX流體134，通過(guò)閥門135后使其壓力降低到非常接近LP塔的壓力，然后送入再沸騰器/冷凝器194。管線154的第二部分高壓氮流體(如今是步驟(a)(1)第一路工藝流體)在主熱交換器內(nèi)部分溫?zé)?任選)，然后在膨脹器139內(nèi)作功膨脹，以提供較低壓力氮流體240。該流體240在再沸騰器/冷凝器194內(nèi)經(jīng)潛熱交換冷凝，產(chǎn)生流體242，再冷卻一些后送入LP塔。來(lái)自再沸騰器/冷凝器194的蒸發(fā)流體137和液態(tài)流體142送入LP塔適當(dāng)位置。若需要，管線242內(nèi)一部分冷凝氮流體可以用泵打到HP塔。兩路氮流體，一路在再沸騰器/冷凝器193內(nèi)冷凝，和另一路在再沸騰器/冷凝器194內(nèi)冷凝，再次可以從HP塔不同高度引出，并因此具有不同的組分。
圖2另一種變化如圖3所示，根據(jù)步驟(a)(1)采用作功膨脹。在這種設(shè)計(jì)中，去掉了再沸騰器/冷凝器194,HP塔底部所有粗LOX流體不做任何蒸發(fā)送到LP塔。代替再沸騰器/冷凝器194，是在LP塔中間高度采用中間再沸騰器394。如今，來(lái)自膨脹器139的作功膨脹氮流體240，在再沸騰器/冷凝器394中冷凝，其方法是對(duì)LP塔中間高度液體進(jìn)行潛熱交換。冷凝的氮流體342以類似圖2的方式進(jìn)行處理。圖3的其它操作特點(diǎn)也與圖2相同。
可以對(duì)圖1-3所提出發(fā)明作出幾種變化。其中某些變化現(xiàn)在要作為另外的實(shí)例進(jìn)行討論。
由膨脹器提取的額外作功能量，可以用于冷壓縮任何適宜的工藝流體。雖然圖1-3表示部分給料空氣流體冷壓縮后，靠泵打的LOX流體冷凝，但也可以直接冷壓縮氣態(tài)氧流體。這種氣態(tài)氧流體可以直接從LP塔底部引出，或在泵171泵打LOX已經(jīng)靠適當(dāng)工藝流體蒸發(fā)了之后獲得。也可以冷壓縮富氮流體。這種用于冷壓縮的富氮蒸氣流體，可以取自如LP塔或HP塔那樣的任何來(lái)源。圖4表示這種富氮蒸氣流體由HP塔引出的一種變化。除了泵171泵打液態(tài)氧蒸發(fā)方法是，不對(duì)冷壓縮空氣流體，而對(duì)HP塔的冷壓縮氮流體進(jìn)行潛熱交換外，圖4所有特點(diǎn)與圖1相同。雖然用于冷壓縮的富氮流體可以從HP塔任何適當(dāng)位置引出，但圖4表示它作為流體480要從HP塔頂部引出。該流體480在主熱交換器內(nèi)部分溫?zé)?任選)，在484內(nèi)冷壓縮，然后冷凝，其方法是靠蒸發(fā)來(lái)自泵171的液態(tài)氧進(jìn)行潛熱交換。然后，該冷凝流體487送到蒸餾塔系統(tǒng)。若需要，圖4中富氮流體480，可以首先在主熱交換器內(nèi)溫?zé)岬綔囟冉咏覝兀⒂幂o助壓縮機(jī)增壓，然后在主熱交換器內(nèi)部分冷卻并送到冷壓縮機(jī)484。冷壓縮富氮流體，然后靠來(lái)自泵171的至少部分液態(tài)氧將其冷凝的優(yōu)點(diǎn)是，它為蒸餾塔系統(tǒng)提供更多的氮回流，這改善了氮制品的回收率和純度。例如，盡管圖4沒(méi)表示出來(lái)，人們可以從圖4副產(chǎn)比相應(yīng)圖1壓力更高的氮制品。
應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，冷壓縮的目的不限于升高氧壓力。常?？梢岳鋲嚎s本發(fā)明步驟(b)中任何適合的工藝流體。例如圖4中，或部分或全部冷壓縮氮流體486可以不靠再冷卻而冷凝，但可以在主熱交換器內(nèi)再溫?zé)嵋蕴峁┘訅旱破妨黧w。另一個(gè)實(shí)例如圖5所示。該實(shí)例與圖3實(shí)例之間存在兩個(gè)差別。第一個(gè)差別是，HP塔196頂部所有高壓氮流體都經(jīng)管線554引出。該流體分成兩路流體540和551。流體540要以處理圖3流體240類似方式再處理，而流體551根據(jù)本發(fā)明步驟(b)進(jìn)行冷壓縮。冷壓縮流體552冷凝方法，不是靠泵171的泵打液態(tài)氧，而是對(duì)LP塔底部再沸騰器/冷凝器593內(nèi)液體進(jìn)行潛熱交換。這在LP塔底部提供所需的沸騰。管線542和553內(nèi)冷凝的液態(tài)氮流體作為回流送到HP塔和LP塔。在再沸騰器/冷凝器593內(nèi)冷凝之前，管線552內(nèi)冷壓縮氮流體可以部分冷卻，方法是對(duì)任何適宜的工藝流體進(jìn)行熱交換。這些實(shí)例清楚說(shuō)明，本發(fā)明可以用于冷壓縮任何適宜的工藝流體。此外，540和551不必具有相同組分，即可以從HP塔不同位置引出。
圖5和圖3工藝之間的第二個(gè)差別是，靠其產(chǎn)生冷凍的方法。如今根據(jù)步驟(a)(3)，部分給料空氣流體作功膨脹，提供所需的冷凍作用和用于冷壓縮的能量。為此，管線2的部分給料空氣流體在主熱交換器內(nèi)部分冷卻后，部分經(jīng)管線504引出。管線504的這部分在膨脹器503內(nèi)膨脹，并送到LP塔(流體505)。
迄今，所有實(shí)例流程顯示出至少兩個(gè)再沸騰器/冷凝器。然而，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明并不排除在LP塔采用比圖1-5所示更多的附加再沸騰器/冷凝器。若需要，可以在LP塔底部區(qū)段采用更多的再沸騰器/冷凝器，以便在該區(qū)段再分配蒸氣的形成。任何適宜的工藝流體都可以在這些額外的再沸騰器/冷凝器中或部分或全部冷凝。利用本發(fā)明，很容易從已知技術(shù)引出許多這種實(shí)例。例如，人們可以考慮在LP塔底部再沸騰器/冷凝器中，部分或完全冷凝部分給料空氣的可能性。也可以考慮在位于LP塔內(nèi)再沸騰器/冷凝器中，冷凝HP塔中間高度引出的蒸氣流體的可能性。這種情況，當(dāng)或者空氣流體或者HP塔引出的含有大量氧的流體部分冷凝時(shí)，未冷凝的蒸氣部分可以提供步驟(a)(1)的第一種工藝流體，或步驟(a)(2)的第二種工藝流體。
按步驟(a)(1)所指方法提取功的所有本發(fā)明工藝設(shè)計(jì)中，作功膨脹后所有第一種工藝流體，可以不用如步驟(a)(1)指出的潛熱交換法冷凝。部分這種流體可以作為產(chǎn)品流體回收，或用于工藝設(shè)計(jì)的某些其它目的。例如圖2-3所示工藝設(shè)計(jì)中，高壓塔的至少部分高壓氮流體，是根據(jù)本發(fā)明步驟(a)(1)在膨脹器139中作功膨脹。離開(kāi)膨脹器139的部分流體可以在主熱交換器中再溫?zé)?，并作為中等壓力氮制品從任一個(gè)這些工藝流程回收。
當(dāng)一部分給料空氣根據(jù)步驟(a)(3)作功膨脹時(shí)，可以利用從冷箱提取的作功能量，將空氣在接近室溫條件下預(yù)壓縮，然后將其送往主熱交換器。例如圖6中，流體601從管線102的部分給料空氣引出；引出流體在壓縮機(jī)693內(nèi)增壓，然后用水冷卻(圖中未標(biāo)出)并在主熱交換器內(nèi)再冷卻，以提供流體604。該流體604以處理圖5流體504類似方式進(jìn)一步處理。為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)693所需至少部分作功能量，來(lái)自冷箱中膨脹器。圖6表明，壓縮機(jī)693只靠膨脹器603驅(qū)動(dòng)。與圖5中系統(tǒng)比較，采用這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，它有可能從膨脹器提取更多的過(guò)量功，并因此可獲取更多的作功能量用于冷壓縮。管線601部分給料空氣流體增壓的一個(gè)可能替代方法是，首先溫?zé)嵋诶湎渲凶鞴ε蛎浀牧硪还に嚵黧w，在壓縮機(jī)如693中增加它的壓力，在適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器中部分將其冷卻，然后將其送到適當(dāng)?shù)呐蛎浧鳌?br> 有幾種方法將額外作功能量傳遞給冷壓縮機(jī)。為便于說(shuō)明，下面列出一些變換方法從膨脹器提取的全部功，可以在冷箱之外使用，而本發(fā)明步驟(b)的冷壓縮機(jī)可以由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為此，膨脹器可以是發(fā)電機(jī)，負(fù)載用以發(fā)電，或者是用溫?zé)釅嚎s機(jī)負(fù)載的，用以壓縮室溫或高于室溫的工藝流體。
可以直接將膨脹器與冷壓縮機(jī)連結(jié)。這種情況，膨脹器會(huì)提供冷壓縮所需的至少一部分功。膨脹器也要在冷箱之外負(fù)載，以提供冷箱所需的冷凍作用。
最終，當(dāng)除了氧含量低于99.5％低純度氧之外，還存在副產(chǎn)品時(shí)，可以采用本發(fā)明所提出的方法。例如，高純度氧(氧含量99.5％或更高)可以從該蒸餾系統(tǒng)副產(chǎn)。完成這個(gè)任務(wù)的一個(gè)方法是，從LP塔在其底部上方位置引出低純度氧，而從LP塔底部引出高純度氧。若高純度氧流體以液態(tài)形式引出，則可以用泵再增壓，然后靠對(duì)適當(dāng)工藝流體熱交換而蒸發(fā)。類似地，在提高壓力條件下可以副產(chǎn)高純度氮制品流體。完成該任務(wù)的一個(gè)方法就是，從一個(gè)適當(dāng)?shù)脑俜序v器/冷凝器取一部分冷凝液態(tài)氮流體，并用泵將其打到所要求的壓力，然后靠對(duì)適當(dāng)工藝流體熱交換使其蒸發(fā)。
本發(fā)明的價(jià)值在于它使能量消耗大大降低。比較圖2中有和沒(méi)有冷壓縮機(jī)115的工藝，就能證明這一點(diǎn)。
對(duì)在200磅/平方英寸絕對(duì)壓力條件下生產(chǎn)95％氧制品作出了計(jì)算。對(duì)所有流程，主給料空氣壓縮機(jī)最后一級(jí)的排放壓為約5.3bar絕對(duì)壓力。LP塔頂部壓力為約1.25bar絕對(duì)壓力。計(jì)算了凈動(dòng)力消耗，其方法是計(jì)算主給料空氣壓縮機(jī)、增壓器空氣壓縮機(jī)113為蒸發(fā)泵打液態(tài)氧消耗的動(dòng)力，和由膨脹器產(chǎn)生電功所供獻(xiàn)的動(dòng)力。圖2工藝與同樣但無(wú)冷壓縮機(jī)115的工藝相比，其相對(duì)動(dòng)力消耗為0.988。本發(fā)明的優(yōu)越性能如今就很清楚了。
盡管本文參照某些特殊實(shí)施方案進(jìn)行描述，但并不意味著本發(fā)明限于已做出的詳細(xì)說(shuō)明。更確切的說(shuō)，詳細(xì)說(shuō)明可做出的各種改進(jìn)都在權(quán)利要求等同的范圍內(nèi)，且沒(méi)離開(kāi)本發(fā)明的思想。
權(quán)利要求
1．一種空氣在蒸餾塔系統(tǒng)內(nèi)低溫蒸餾的方法，蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個(gè)蒸餾塔，其中在生產(chǎn)氧制品蒸餾塔底部的沸騰是通過(guò)冷凝氮濃度等于或大于給料空氣流體氮濃度的一種流體提供的，其改進(jìn)之處包括如下步驟(a)超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量，是由以下三個(gè)方法中至少一個(gè)產(chǎn)生(1)作功膨脹氮含量等于或大于給料空氣氮含量的第一種工藝流體，然后冷凝至少部分膨脹流體，其方法是對(duì)下述兩種液體中至少一種進(jìn)行潛熱交換(ⅰ)生產(chǎn)氧制品蒸餾塔的中間高度的一種液體；和(ⅱ)該蒸餾塔液體給料之一，其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度；(2)冷卻氮含量等于或大于給料空氣氮含量的至少第二種工藝流體，方法包括，對(duì)至少部分富氧液態(tài)流體進(jìn)行潛熱交換，富氧液態(tài)流體其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度，且其壓力也大于生產(chǎn)氧制品蒸餾塔壓力，在至少部分富氧液體因潛熱交換蒸發(fā)成蒸氣餾分后，作功膨脹至少一部分獲得的蒸氣流體；和(3)作功膨脹一部分給料空氣；(b)利用超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產(chǎn)生的功，冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中蒸餾塔系統(tǒng)包括較高壓力塔和較低壓力塔。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(1)中第一種工藝流體是從較高壓力塔引出的蒸氣流體。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(1)中第一種工藝流體是部分給料空氣。
5．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(1)中第一種工藝流體是部分冷凝至少部分給料空氣獲得的蒸氣。
6．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中冷凝第一種工藝流體的方法是，至少部分蒸發(fā)來(lái)自較低壓力塔中間位置的液體。
7．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中冷凝第一種工藝流體的方法是，至少部分蒸發(fā)從較高壓力塔引出的至少部分富氧液體。
8．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中冷凝第一種工藝流體的方法是，至少部分蒸發(fā)至少部分富氧液體，至少部分富氧液體是由至少部分冷凝至少部分給料空氣獲得。
9．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中至少部分第一種工藝流體冷凝后用泵送到較高壓力塔。
10．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中至少部分第一種工藝流體用泵送入熱交換器并蒸發(fā)給出產(chǎn)品。
11．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中全部第一種工藝流體冷凝后作為給料送入較低壓力塔。
12．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(2)第二種工藝流體是從較高壓力塔引出的蒸氣。
13．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(2)第二種工藝流體是壓力低于較高壓力塔的部分給料空氣。
14．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(2)第二種工藝流體是由部分冷凝至少部分給料空氣獲得的蒸氣，且該蒸氣壓力低于較高壓力塔壓力。
15．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中第二種工藝流體冷凝之前已經(jīng)作功膨脹。
16．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中冷凝第二種工藝流體的方法是，至少部分蒸發(fā)來(lái)自較低壓力塔中間位置的液體，且該液體蒸發(fā)前用泵打。
17．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中冷凝第二種工藝流體的方法是，至少部分蒸發(fā)較高壓力塔引出的至少部分富氧液體。
18．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中冷凝第二種工藝流體的方法是，至少部分蒸發(fā)至少部分富氧液體，至少部分富氧液是由至少部分冷凝至少部分給料空氣獲得。
19．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中至少部分第二種工藝流體，如必要，冷凝后用泵送到較高壓力塔。
20．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中至少部分第二種工藝流體用泵送入熱交換器并蒸發(fā)給出產(chǎn)品。
21．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中全部第二種工藝流體冷凝后作為給料送到較低壓力塔。
22．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(3)已作功膨脹的部分給料空氣最終送到較低壓力塔。
23．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)(3)已作功膨脹的部分給料空氣最終送到較高壓力塔。
24．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(b)要壓縮的工藝流體是至少部分給料空氣。
25．根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中氧制品作為液體，從較低壓力塔引出并最終沸騰，而用于步驟(b)的上述給料空氣，在其冷壓縮之后至少部分冷凝的方法是，對(duì)沸騰氧進(jìn)行間接熱交換。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中用于步驟(b)的給料空氣，在冷卻及隨后冷壓縮之前，也要溫?zé)釅嚎s。
27．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在步驟(b)要冷壓縮的工藝流體是從較高壓力塔引出的蒸氣。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中氧制品為液體，從較低壓力塔引出并最終沸騰，而用于步驟(b)的至少部分上述較高壓力塔蒸氣，在其冷壓縮之后至少部分冷凝的方法是，對(duì)沸騰氧進(jìn)行間接熱交換。
29．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中用于步驟(b)的較高壓力塔蒸氣，冷壓縮之后要溫?zé)岬绞覝?，然后再壓縮。
30．根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中氧制品作為液體，從較低壓力塔引出并最終沸騰，而至少部分上述溫?zé)釅嚎s的較高壓力塔蒸氣，冷卻然后至少部分冷凝的方法是，對(duì)沸騰氧進(jìn)行間接熱交換。
31．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中用于步驟(b)的較高壓力塔蒸氣，溫?zé)岬绞覝厝缓髩嚎s，且至少部分隨后冷卻然后冷壓縮。
32．根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中氧制品作為液體，從壓力較低塔引出且最終沸騰，而上述冷壓縮的較高壓力塔蒸氣至少部分冷凝的方法是，對(duì)沸騰氧進(jìn)行間接熱交換。
33．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中用于步驟(b)的至少部分較高壓力塔蒸氣，構(gòu)成富氮制品。
34．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中用于步驟(b)較高壓力塔蒸氣，在冷壓縮后，在位于較低壓力塔內(nèi)主再沸騰器/冷凝器中至少部分冷凝。
35．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在步驟(a)(2)要壓縮的工藝流體是，從較低壓力塔頂部引出的蒸氣，并構(gòu)成富氮制品。
36．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在步驟(b)要壓縮的工藝流體是從較低壓力塔底部引出的蒸氣，并構(gòu)成氧制品。
37．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)采用的膨脹器，同步驟(b)采用的冷壓縮機(jī)直接連結(jié)。
全文摘要
用于空氣在蒸餾塔系統(tǒng)中低溫蒸餾的一種方法,其中在生產(chǎn)氧制品蒸餾塔底部的沸騰是通過(guò)冷凝氮濃度等于或大于給料空氣流體氮濃度的一種流體提供的。包括:(a)超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量,是由(1)作功膨脹氮含量等于或大于給料空氣氮含量的第一工藝流體,然后冷凝至少部分膨脹流體產(chǎn)生;(2)冷凝氮含量等于或大于給料空氣氮含量的至少第二工藝流體產(chǎn)生;和/或(3)作功膨脹一部分給料空氣產(chǎn)生;和(b)利用超過(guò)蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產(chǎn)生的功,冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1233740SQ9910134
公開(kāi)日1999年11月3日 申請(qǐng)日期1999年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
發(fā)明者R·阿格拉沃, D·M·赫倫, 張燕屏 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司