專利名稱：生產(chǎn)高純氧或低純氧用的低溫精餾裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及空氣的低溫精餾，更具體涉及為生產(chǎn)氧用的空氣的低溫精餾。
許多大的氧用戶，如聯(lián)合鋼廠，既需要高純氧，又需要低純氧。由于所需的氧體積大，需用整個(gè)低溫空分工廠來(lái)提供這樣大的氧用戶。典型的是應(yīng)用兩低溫空分裝置，一個(gè)用于生產(chǎn)高純氧，另一個(gè)用于生產(chǎn)低純氧。
高純氧廠和低純氧廠均必須具備后備系統(tǒng)，以便在萬(wàn)一必須關(guān)閉氧裝置時(shí)能給鋼廠繼續(xù)供應(yīng)氧。這種低純氧裝置的后備系統(tǒng)是高純氧裝置，因?yàn)樾枰图冄醯挠猛疽部墒褂酶呒冄醪僮鞫鴽](méi)有任何質(zhì)量損失。但高純氧裝置不能以低純氧裝置為后備，因?yàn)樾枰呒冄醯挠猛静荒苡玫图冄跤行Р僮鳌Ｒ虼?，高純氧裝置用的后備系統(tǒng)是裝充液體高純氧的貯罐，如果需要它就可以蒸發(fā)并加以利用。這種后備系統(tǒng)需要時(shí)操作是昂貴的。如果有一種能在需要時(shí)快速轉(zhuǎn)換并有效生產(chǎn)高純氧的低純氧裝置是非常理想的，這樣這種裝置既能作為高純氧的后備，又能省去昂貴的液氧貯罐的需要。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種低溫空分裝置，它既能有效地生產(chǎn)高純氧或低純氧，又能從生產(chǎn)一種純度的氧快速切換成生產(chǎn)另一種純度的氧。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，當(dāng)他閱讀了本發(fā)明內(nèi)容后當(dāng)會(huì)明白上述目的和其它目的可由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)。這就是一種生產(chǎn)高純氧和低純氧的低溫精餾，它包括(A)包括一種高壓塔和一種低壓塔的雙塔；(B)具有底部再沸器的側(cè)塔；(C)主換熱器，和將進(jìn)料空氣通入主換熱器的進(jìn)料管線；(D)具有入口和出口的輔助壓縮機(jī)，將進(jìn)料空氣從進(jìn)料管線通入輔助壓縮機(jī)入口的裝置和將進(jìn)料空氣從輔助壓縮機(jī)出口通入進(jìn)料管線的裝置；(E)將進(jìn)料管線從主換熱器通入塔底再沸器的裝置，和將進(jìn)料空氣從塔底再沸器通入高壓塔的裝置；
(F)將物流流體從低壓塔通入側(cè)塔的裝置；(G)將產(chǎn)品從側(cè)塔通入主換熱器的裝置；和(H)從主換熱器回收高純氧或低純氧產(chǎn)品的裝置。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“進(jìn)料空氣”是指主要包含氧和氮的混合物，例如環(huán)境空氣。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“塔”是指一蒸餾或分餾塔或區(qū)，即一個(gè)接觸塔或區(qū)，其中液體和蒸氣相例如通過(guò)塔內(nèi)一系列垂直相間的塔板和/或填充元件，如規(guī)則的或自由裝填的填料，進(jìn)行逆流接觸而達(dá)到流體混合物的分離。對(duì)于蒸餾塔的進(jìn)一步討論，請(qǐng)參見(jiàn)“化工手冊(cè)”，第5版，由R.H.Perry和C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,New York，第13節(jié)，“連續(xù)蒸餾過(guò)程”。
術(shù)語(yǔ)“雙塔”用于表示高壓塔的上端與低壓塔的下端具有換熱關(guān)系。雙塔的進(jìn)一步討論見(jiàn)Ruheman“氣體分離”，牛津大學(xué)出版社，1949，第Ⅶ章，“商用空氣分離”。
蒸氣和液體接觸分離過(guò)程取決于組分間的蒸氣壓差。高蒸氣壓(或更揮發(fā)性或低沸)組分傾向于在蒸氣相內(nèi)濃縮，而低蒸氣壓(或揮發(fā)性差或高沸)組分傾向于在液相內(nèi)濃縮。部分冷凝是這種分離過(guò)程，借此蒸氣混合物的冷卻可用于在氣相濃縮揮發(fā)性組分，因而在液相濃縮揮發(fā)性差的組分。精餾或連續(xù)蒸餾是由蒸氣相和液相逆流處理而獲得的連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝相結(jié)合的分離過(guò)程。這些蒸氣相和液相的逆流接觸一般是絕熱的，并可包括積分(函級(jí)的)或微分(連續(xù))的相接觸。利用精餾原理來(lái)分離混合物的分離過(guò)程的裝置常?？蓳Q稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分在低于或等于150°K溫度下進(jìn)行的精餾過(guò)程。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“間換換熱”意指兩種流體不發(fā)生任何互相的物理接觸或中間混合的換熱關(guān)系。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“上部”和“下部”分別意指一個(gè)塔中間點(diǎn)以上和以下的塔的部分。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機(jī)”意指用于高壓氣體經(jīng)渦輪流動(dòng)從而降低氣體的壓力和溫度，因而產(chǎn)生冷凍的方法和設(shè)備。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“壓縮機(jī)”意指增加氣體壓力的設(shè)備。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“塔底再沸器”意指由塔內(nèi)液體產(chǎn)生塔頂蒸氣的換熱設(shè)備。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“高純氧”意指氧濃度至少為99.6mol％的流體。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“低純氧”意指氧濃度低于99.6mol％的流體。


圖1是本發(fā)明低溫精餾裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的流程圖。
圖2是本發(fā)明低溫精餾裝置的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的流程圖。
圖3是本發(fā)明低溫精餾裝置的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的流程圖。
本發(fā)明將參考附圖進(jìn)行詳述。圖1中，進(jìn)料空氣100經(jīng)由基本負(fù)載空壓機(jī)200壓縮，一般到達(dá)40-70磅/英寸2(絕對(duì)壓力psia)，得到的加壓進(jìn)料空氣經(jīng)由冷卻器202冷卻壓縮熱。然后在物流104中的進(jìn)料空氣流經(jīng)預(yù)凈化器204，在其中清除高沸點(diǎn)雜質(zhì)，如CO2、水蒸氣和烴類，以產(chǎn)生預(yù)凈化空氣106，后者在進(jìn)料管線中流到主換熱器214。
當(dāng)該低溫精餾裝置用于操作產(chǎn)生低純氧時(shí)，打開(kāi)閥900并關(guān)上閥902，該進(jìn)料空氣經(jīng)包括管106，閥900和管116的進(jìn)料管線通入主換熱器214。
輔助壓縮機(jī)208與該進(jìn)料管線并行連接。輔助壓縮機(jī)208的入口由導(dǎo)管1 10與閥900上流的進(jìn)料管106相通。208的出口則經(jīng)由管112、閥902、管114、冷卻器212和管118與閥900的下游管116相通。當(dāng)需要生產(chǎn)高純氧時(shí)，關(guān)閉閥900而打開(kāi)閥902，進(jìn)料空氣從管106進(jìn)入管110至輔壓機(jī)208，在208中被壓至70-100psia的壓力。得到的物流112進(jìn)料空氣經(jīng)閥902至物流114入冷卻器212，在其中壓縮熱被冷卻，然后在物流118中返回進(jìn)料管線，再至主換熱器214。
該進(jìn)料空氣由經(jīng)主換熱器214由間接換熱被返回物流冷卻，然后從主換熱器214通入物流122至側(cè)塔221的塔底再沸器220，在其中由間接換熱被再沸側(cè)塔的塔底液體至少部分冷凝。得到的進(jìn)料空氣從塔底再沸器220然后經(jīng)物流或管128，進(jìn)入高壓塔222的下部。在圖1中本發(fā)明的該實(shí)施方案中，部分進(jìn)料空氣在部分地移過(guò)主換熱器214后被引出，并進(jìn)入物流124至渦輪膨脹機(jī)216，在其中經(jīng)渦輪膨脹產(chǎn)生冷凍。經(jīng)渦輪膨脹的進(jìn)料空氣從渦輪膨脹機(jī)216進(jìn)入物流126再至低壓塔226。
高壓塔222操作的壓力一般為38-98psia。在高壓塔222中，進(jìn)料空氣被低溫精餾分離為富氮蒸氣和富氧液體。富氧液體從高壓塔222的下部以物流158排出，經(jīng)由預(yù)冷器230預(yù)冷，然后物流160經(jīng)閥904至物流161，進(jìn)入低壓塔226。從高壓塔222上部來(lái)的物流130中的富氮蒸氣進(jìn)入主冷凝器224，在其中由與再沸器226塔底液體的間接換熱而被冷凝。得到的富氮液體從主冷凝器224排出至物流132中。物流132中的一部分返回高壓塔222作為回流物流134。物流132的另一部分為136，由流經(jīng)預(yù)冷器228被預(yù)冷，得到的預(yù)冷物流138經(jīng)閥906為物流139，進(jìn)入低壓塔226上部作為回流。
在低壓塔226中，各種物料由低溫精餾分離為更富氮的蒸氣和更富氧的流體。該更富氮蒸氣從低壓塔226的上部排出物流140，經(jīng)流過(guò)預(yù)冷器228和230和主換熱器被加溫，最后在物流146中排出系統(tǒng)。如需要，部分或全部物流146可作為產(chǎn)品氮回收。
更富氧流體作為液流148從低壓塔226的下部進(jìn)入一般操作在15-25psia的側(cè)塔221的上部，然后相對(duì)于由側(cè)塔底部液體再沸產(chǎn)生的向上蒸氣，向下通過(guò)側(cè)塔，形成氧產(chǎn)品和殘余蒸氣，其中側(cè)塔底部液體的再沸是依靠冷凝塔底再沸器220中進(jìn)料空氣而實(shí)現(xiàn)。殘余蒸氣物流150從側(cè)塔221通入低壓塔226。可以是高純氧或低純氧的氧產(chǎn)品，這取決于輔助壓縮機(jī)208是否在線工作，從側(cè)塔221的下部通入主換熱器214，在此它被加溫并接著被回收。在圖1所示的實(shí)施方案中，產(chǎn)品氧作為氣體在底部再沸器220的高度之上，從側(cè)塔221排出，進(jìn)入物流152，流經(jīng)主換熱器214時(shí)被加溫并在物流154中被回收。
圖2和圖3說(shuō)明本發(fā)明的其它實(shí)施方案。對(duì)于共同的部件在附圖中的編號(hào)是相應(yīng)的，對(duì)這些共同部件的詳細(xì)描述也不再重復(fù)。
參見(jiàn)圖2，連接主換熱器214和底部再沸器220的導(dǎo)管122中的一部分進(jìn)料空氣旁通至底部再沸器220。管166與管122相連，管122中的一部分進(jìn)料空氣流經(jīng)管166和閥908，然后經(jīng)管180進(jìn)入高壓塔222。增強(qiáng)壓縮機(jī)242用于給系統(tǒng)提供另外的能量。物流170中的一部分進(jìn)料空氣流入增強(qiáng)壓縮機(jī)242，被壓縮至一般100至1000psia的壓力。得到的進(jìn)料空氣物流172通入冷卻器244，冷卻除去壓縮熱，從244流出的物流經(jīng)管174流入主換熱器214，而被冷卻。部分通過(guò)主換熱器214的物流400通入渦輪膨脹機(jī)216，被膨脹，然后在物流401中進(jìn)入低壓塔226。另一部分進(jìn)料空氣流174全部通過(guò)主換熱器214，并被再次冷卻，最好冷凝。得到的進(jìn)料空氣流176從主換熱器214流入高壓塔222。在圖2所示的實(shí)施方案中，管176經(jīng)閥912與管180相通，用以共同進(jìn)入高壓塔222。
在圖2所示的實(shí)施方案中，產(chǎn)品氧以液體從側(cè)塔取出。在該實(shí)施方案中，用于將產(chǎn)品氧從側(cè)塔通入主換熱器214的導(dǎo)管152裝置包括液體泵240，它使進(jìn)入主換熱器214的產(chǎn)品氧的壓力提高。流經(jīng)主換熱器214的產(chǎn)品氧由于受增強(qiáng)壓縮機(jī)242操作提供的能量所揮發(fā)。提高了壓力的產(chǎn)品氧從主換熱器214以物流以154回收。
在圖3所示的實(shí)施方案中，物流400中的進(jìn)料空氣經(jīng)加入渦輪膨脹機(jī)216流出以物流402進(jìn)入高壓塔222。物流130中的一部分富氮蒸氣流入物流137，經(jīng)閥920和管141進(jìn)入管122，形成合并物流145，它通入底部再沸器220以提供側(cè)塔221的增強(qiáng)再沸騰。管129與管128相連，起到將一部分從底部再沸器220流出的流體，經(jīng)閥916流入低壓塔226的作用，而另一部分從塔底再沸器220流出的流體，經(jīng)閥914流入高壓塔222。在低純度操作期間，閥916、920和908通常關(guān)閉，而閥914和910則打開(kāi)。在高純度操作期間，閥916、920和908打開(kāi)，而閥914和910則通常關(guān)閉。
現(xiàn)在，通過(guò)使用本發(fā)明，人們可有效生產(chǎn)出高純氧或低純氧，并能根據(jù)需要容易地從生產(chǎn)一種產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)另一種產(chǎn)品。雖然本發(fā)明已參考一些優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員將明白，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的范圍內(nèi)，還有其它實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1．一種生產(chǎn)高純氧和低純氧的低溫精餾裝置，包括(A)包括一種高壓塔和一種低壓塔的雙塔；(B)具有底部再沸器的側(cè)塔；(C)主換熱器，和將進(jìn)料空氣通入主換熱器的進(jìn)料管線；(D)具有入口和出口的輔助壓縮機(jī)，將進(jìn)料空氣從進(jìn)料管線通入輔助壓縮機(jī)入口的裝置和將進(jìn)料空氣從輔助壓縮機(jī)出口通入進(jìn)料管線的裝置；(E)將進(jìn)料管線從主換熱器通入塔底再沸器的裝置，和將進(jìn)料空氣從塔底再沸器通入高壓塔的裝置；(F)將物流流體從低壓塔通入側(cè)塔的裝置；(G)將產(chǎn)品從側(cè)塔通入主換熱器的裝置；和(H)從主換熱器回收高純氧或低純氧產(chǎn)品的裝置。
2．權(quán)利要求1的裝置，還包括一渦輪膨脹機(jī)、將進(jìn)料空氣通入渦輪膨脹機(jī)的裝置，和將進(jìn)料空氣從渦輪膨脹機(jī)通入高壓塔和低壓塔至少之一的裝置。
3．權(quán)利要求1的裝置，還包括將進(jìn)料空氣從主換熱器通入塔底再沸器的導(dǎo)管裝置和也與高壓塔連接的導(dǎo)管裝置。
4．權(quán)利要求1的裝置，還包括將進(jìn)料空氣從底部再沸器通入高壓塔的導(dǎo)管裝置和也與低壓塔連接的導(dǎo)管裝置。
5．權(quán)利要求1的裝置，還包括增強(qiáng)壓縮機(jī)、將進(jìn)料空氣通入增強(qiáng)壓縮機(jī)的裝置，和將進(jìn)料空氣從增強(qiáng)壓縮機(jī)通入高壓塔的裝置。
6．權(quán)利要求5的裝置，還包括一渦輪膨脹機(jī)、將進(jìn)料空氣從增壓壓縮機(jī)通入渦輪膨脹機(jī)的裝置，和將進(jìn)料空氣從渦輪膨脹機(jī)通入低壓塔的裝置。
7．權(quán)利要求5的裝置，還包括一渦輪膨脹機(jī)、將進(jìn)料空氣從增強(qiáng)壓縮機(jī)通入渦輪膨脹機(jī)的裝置，和將進(jìn)料空氣從渦輪膨脹機(jī)通入高壓塔的裝置。
8．權(quán)利要求1的裝置，還包括將物流流體從高壓塔上部通入塔底再沸器的裝置。
全文摘要
一種包括雙塔和塔底再沸器的側(cè)塔的低溫精餾裝置,其中進(jìn)料空氣由塔底再沸器進(jìn)入雙塔,一輔助壓縮機(jī)則與進(jìn)料空氣管線平行連接。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1231417SQ99103619
公開(kāi)日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1999年3月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月6日
發(fā)明者R·F·德?tīng)杻?nèi)維奇, R·F·帕哈德, M·M·沙 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司