專利名稱：用于從與空氣分離連接的基于液化天然氣的液化器供應(yīng)氣態(tài)氮的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及公知的用于低溫分離空氣進(jìn)料的方法(下文為“方法”)，其中(a)壓縮空氣進(jìn)料，清除低溫下會(huì)冷凝的雜質(zhì)，例如水和二氧化碳，隨后將其進(jìn)料 到低溫空氣分離單元(下文為“ASU”)，其中低溫空氣分離單元包括主熱交換器和蒸餾塔系 統(tǒng)；(b)通過空氣進(jìn)料與從來自蒸餾塔系統(tǒng)的至少一部分流出物流進(jìn)行間接熱交換， 在主熱交換器內(nèi)將空氣進(jìn)料冷卻(和任選地，至少部分冷凝)；(c)在蒸餾塔系統(tǒng)中將冷卻后的空氣進(jìn)料分離成包括富含氮的物流和富含氧的物 流的流出物流(任選地，各自富含空氣進(jìn)料的殘余成分包括氬、氪、氙的物流)；和(d)蒸餾塔系統(tǒng)包括高壓塔和低壓塔；(e)高壓塔將空氣進(jìn)料分離成包括從高壓塔頂部排出的高壓氮物流和從高壓塔底 部排出的粗液氧物流的流出物流，并且將粗液氧物流引入低壓塔中進(jìn)行進(jìn)一步處理；(f)低壓塔將粗液氧物流分離成包括從低壓塔底部排出的氧產(chǎn)物物流和從低壓塔 頂部排出的低壓氮物流(通常是從低壓塔上部位置排出的廢氮物流)的排出物流；和(g)高壓塔和低壓塔導(dǎo)熱連接，通過使在低壓塔底部(或儲(chǔ)槽)中收集到的富含 氧液體進(jìn)行沸騰，使得至少部分高壓氮在再沸器/冷凝器中冷凝并被用于蒸餾塔系統(tǒng)的回 流。更特別地，本實(shí)用新型涉及上述方法的已知實(shí)施方式，其中，當(dāng)至少部分所需產(chǎn)物 為液體時(shí)，為了提供所需的制冷，通過將來自蒸餾塔系統(tǒng)的氮引入到絕熱液化器單元(下 文為“基于LNG的液化器”)，從液化天然氣(下文為“LNG”)中提取制冷，其中氮?dú)庠谝夯瘑?元內(nèi)液化。如果至少部分所需的液態(tài)產(chǎn)物是液氧，則至少部分液氮回流到蒸餾塔系統(tǒng)(或 任選地，主熱交換器)。否則，液氮作為產(chǎn)物排出。
背景技術(shù)：
在一般的基于LNG的液化器中，氮?dú)獗环旨?jí)壓縮并且在壓縮級(jí)之間通過與LNG間 接熱交換進(jìn)行冷卻。如果在低溫進(jìn)口溫度下進(jìn)行壓縮，LNG也將用于冷卻導(dǎo)入壓縮機(jī)的進(jìn) 料，以及通過間接熱交換的流出料。基于LNG的液化器的例子可以在GB專利申請(qǐng)1376678 和US專利5137558、5139547和5141543中得到，下面作進(jìn)一步討論。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到基于LNG的液化器和更傳統(tǒng)的液化器之間的差異，在 傳統(tǒng)液化器中，需要制備液態(tài)產(chǎn)物的制冷來自氮?dú)饣蚩諝膺M(jìn)料的渦輪膨脹?；贚NG的液化器在最初幾年操作后通常會(huì)尺寸放大以適應(yīng)增加液態(tài)產(chǎn)物需求 的計(jì)劃。對(duì)于液氮而言，這尤其正確，因?yàn)槌鋈魏翁囟ǖ腁SU之外的液氮需求通常比裝置 設(shè)計(jì)的液氧基本負(fù)荷的液氧需求增長更快。然而尺寸放大面臨的一個(gè)問題是增加資本引起 的成本花費(fèi)直到所計(jì)劃的需求增長真正實(shí)現(xiàn)(如果完全)才開始收回。而且，對(duì)于基于LNG 的液化器來說投資花費(fèi)尤其敏感，因?yàn)榕c那些通常設(shè)置在液態(tài)產(chǎn)品消費(fèi)者附近的傳統(tǒng)液化器相反，基于LNG的液化器必須設(shè)置在LNG接收終端的附近并且因此會(huì)招致產(chǎn)品運(yùn)輸成本 代價(jià)。由于空氣組成和所需的液體產(chǎn)物，進(jìn)料到空氣分離單元的空氣通常具有過量的氮 氣。但是，需要在連接例如惰性離線設(shè)備的LNG接收終端處或在其附近的就地氣態(tài)氮，或者 用于與天然氣共混以調(diào)節(jié)沃布值(Wobbenumber)。需要來自集成的基于LNG的液化器的氣 態(tài)氮產(chǎn)物的有效共生產(chǎn)以滿足LNG接收終端和其它管線顧客的需要。為了解決以上問題，本實(shí)用新型為提高基于LNG的液化器容量的系統(tǒng)，包括與包 含在基于LNG的液化器中的輔助壓縮機(jī)分開并且不同的附加壓縮機(jī)。這就使得無論何時(shí)計(jì) 劃需求增長真正實(shí)現(xiàn)時(shí)，附加壓縮機(jī)以及與其相連的熱交換設(shè)備能夠一起購買和安裝。在 這種方式下，否則將在開始時(shí)投資到放大基于LNG的液化器尺寸的增加資本直到真正需要 時(shí)才被開支掉。本實(shí)用新型的另一個(gè)益處是容量的增加主要直接面向增加生產(chǎn)液氮的能 力，如上指出，其在工廠中的需求通常比液氧需求增長更快。盡管公開了氮?dú)獾膲嚎s，但是，在又一實(shí)施方案中，本文公開了新型的系統(tǒng)，其中 來源于低壓塔頂端的一些氮?dú)馕锪髟谕ㄟ^與氣化LNG熱交換冷卻之前或之后壓縮。例如， 該壓縮的氮?dú)饪梢越?jīng)由管線輸送給顧客。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，作為本實(shí)用新型的備選方案，通過增加一個(gè)稠密流體 膨脹器，能夠提高基于LNG的液化器的容量。然而，以這種方式僅能實(shí)現(xiàn)中等大小的容量增 加。GB專利申請(qǐng)1376678 (下文為“GB’ 678”)教導(dǎo)了 LNG制冷可以怎樣用于液化氮?dú)?br> 物流的非?；镜脑?。LNG首先被泵壓縮到需要的傳送壓力，然后導(dǎo)入熱交換器。溫?zé)岬?氮?dú)庠谒鰺峤粨Q器中冷卻，然后分幾級(jí)壓縮。在每個(gè)壓縮級(jí)后，升溫的氮?dú)夥祷氐綗峤粨Q 器中再冷卻。在最后一級(jí)壓縮后氮被冷卻，然后通過一個(gè)閥門減壓并且產(chǎn)生液體。當(dāng)物流 減壓時(shí)，產(chǎn)生一些蒸氣，將這些蒸氣循環(huán)回適當(dāng)?shù)膲嚎s級(jí)。GB’ 678公開了許多重要的基本原理。首先，LNG不被冷卻到足以液化低壓氮?dú)狻?事實(shí)上，如果LNG在大氣壓力下汽化，其沸點(diǎn)通常會(huì)高于-260° F，并且為了冷凝，需要將氮 氣壓縮到至少15. 5bara。如果LNG汽化壓力上升，那么所需的氮?dú)鈮毫σ矔?huì)計(jì)高。因此， 需要多個(gè)氮?dú)鈮嚎s級(jí)，并且LNG能夠用于提供壓縮機(jī)中間冷卻器和再次冷卻器的冷卻。第 二，因?yàn)長NG溫度與氮?dú)鈽?biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)(約為-320° F)相比相對(duì)較高，所以在液氮減壓時(shí)會(huì)產(chǎn) 生閃蒸氣體。必須回收閃蒸氣體并且進(jìn)行再壓縮。US專利3886758 (下文為“US，758”)公開了一種方法，其中氮?dú)馕锪鞅粔嚎s到約 15bara的壓力，然后通過與汽化的LNG進(jìn)行熱交換進(jìn)行冷卻和冷凝。氮?dú)馕锪鱽碜噪p塔循 環(huán)的低壓塔頂部或來自單塔循環(huán)的唯一塔頂部。一些通過與汽化的LNG進(jìn)行熱交換產(chǎn)生的 冷凝液氮返回到產(chǎn)生氣態(tài)氮的蒸餾塔頂部。通過液氮提供的制冷在蒸餾塔內(nèi)轉(zhuǎn)化以生產(chǎn)作 為液體氧產(chǎn)物。沒有返回蒸餾塔的冷凝液氮部分被引出作為液氮產(chǎn)品儲(chǔ)存。EP 0304355 (下文為“EP，355”)教導(dǎo)了如氮或氬的惰性氣體循環(huán)作為從LNG向 空氣分離裝置傳送制冷的介質(zhì)的應(yīng)用。在該方案中，通過汽化的LNG液化高壓惰性氣體物 流，然后用于冷卻來自空氣分離單元(ASU)的中等壓力物流。冷卻后，ASU物流的一種被冷 卻壓縮、液化并作為制冷劑返回ASU。此處的目的是將與LNG在相同的熱交換器中的物流保 持在比LNG更高的壓力下。這樣做確保LNG不能泄漏入氮?dú)馕锪髦?，即確保甲烷不會(huì)與返回液氮一起輸送到ASU中。發(fā)明者同樣聲明ASU需要的大量制冷劑作為回流液引入精餾塔 中。US 專利 5137558,5139547 和 5141543 (下文分別為 “US，558”、“US，547” 和 “US’ 543”)提供了直到1990年之前的現(xiàn)有技術(shù)的充分綜述。這三篇文獻(xiàn)也教導(dǎo)了當(dāng)時(shí)技 術(shù)領(lǐng)域的狀態(tài)。在所有三篇文獻(xiàn)中，供給到液化器的氮?dú)膺M(jìn)料由來自ASU的低壓和高壓氮 氣物流組成。低壓氮?dú)馕锪鱽碜缘蛪核?；高壓氮?dú)馕锪鱽碜愿邏核?。至于低壓與高壓氮物 流的比例沒有給出說明。從90年代早期以來幾乎沒有新的技術(shù)出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，因?yàn)閺腖NG(LNG接收終端) 中回收制冷的主要應(yīng)用已經(jīng)滿足，并且新的終端普遍沒有建立。最近，人們重新開始關(guān)注新 的LNG接收終端和由此從LNG回收制冷的潛力。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型涉及低溫空氣分離單元，當(dāng)至少部分所需產(chǎn)物是液體時(shí)，利用基于LNG 的液化器提供必須的制冷。本實(shí)用新型是用于提高基于LNG的液化器的容量的系統(tǒng)，其中 在低產(chǎn)量模式下，引入基于LNG的液化器的氮?dú)鈨H由來自蒸餾塔系統(tǒng)的至少一部分高壓氮 組成，而在高產(chǎn)量模式下，將附加壓縮機(jī)用于提高來自蒸餾塔系統(tǒng)的至少部分低壓氮的壓 力，以產(chǎn)生向基于LNG的液化器提供的額外(或替換)進(jìn)料。本實(shí)用新型的關(guān)鍵是附加壓 縮機(jī)與基于LNG的液化器分開并且不同。這就使得可以一直推遲到真正需要增加產(chǎn)量時(shí)再 購買壓縮機(jī)，這樣就避免了建立基于液體產(chǎn)品需求推測增加的過大的液化器。另外，由于在LNG接收終端處或在其附近的氣態(tài)氮需求提高，公開了系統(tǒng)，其中來 源于低壓塔頂端的一些氮?dú)馕锪髟谕ㄟ^與氣化LNG熱交換冷卻之前或之后壓縮。在一個(gè)實(shí)施方案中，公開了低溫空氣進(jìn)料分離設(shè)備，其包括(a)壓縮機(jī)，其用于 接收空氣進(jìn)料以提供壓縮空氣進(jìn)料；(b)提純單元，其流體地連接至所述壓縮機(jī)以便從 壓縮空氣進(jìn)料除去雜質(zhì)并產(chǎn)生提純的空氣進(jìn)料；(c)低溫空氣分離單元(在下文中稱為 “ASU”)，其流體地連接至所述提純單元，其中所述ASU包括主熱交換器和蒸餾塔系統(tǒng)，所述 主熱交換器流體地連接至所述蒸餾塔系統(tǒng)并適合于接收所述提純的空氣進(jìn)料和至少一部 分來自所述蒸餾塔系統(tǒng)的流出物流，其中所述蒸餾塔系統(tǒng)包括高壓塔和低壓塔，且其中所 述ASU產(chǎn)生液態(tài)氧物流、來自所述低壓塔的低壓氣態(tài)氮物流、和任選來自所述高壓塔的第 一高壓氣態(tài)氮物流和/或液體氬氣物流；(d)第一導(dǎo)管(182)，其流體地連接至所述ASU以 便接收來自所述ASU的低壓氮?dú)馕锪鳎?e)補(bǔ)充壓縮機(jī)，其流體地連接至所述第一導(dǎo)管并適 合于接收來自所述第一導(dǎo)管的低壓氮?dú)馕锪?，且其中所述補(bǔ)充壓縮機(jī)產(chǎn)生第二高壓氣態(tài)氮 物流，(f)液化器單元，其經(jīng)由第二導(dǎo)管流體地連接至所述補(bǔ)充壓縮機(jī)并任選經(jīng)由第三導(dǎo)管 連接至所述ASU，并適合于接收來自所述補(bǔ)充壓縮機(jī)的所述第二高壓氣態(tài)氮物流和任選來 自所述第三導(dǎo)管的所述第一高壓氣態(tài)氮物流，其中所述第二高壓氣態(tài)氮物流或任選所述第 二高壓氣態(tài)氮物流和所述第一高壓氣態(tài)氮物流的合并氣態(tài)氮物流通過使用一個(gè)或多個(gè)輔 助壓縮機(jī)分階段地壓縮該氣態(tài)氮而液化，并在各階段之間通過相對(duì)于液化天然氣物流間接 熱交換而冷卻所述氮?dú)?；?g)氮?dú)飧碑a(chǎn)品生產(chǎn)(co-production)壓縮機(jī)，其流體地連接至 所述第一導(dǎo)管以便接收至少一部分所述低壓氮?dú)馕锪?，其中將所述至少一部分低壓氣態(tài)氮 物流在該副產(chǎn)品生產(chǎn)壓縮機(jī)中壓縮至升高的壓力以產(chǎn)生壓縮的氣態(tài)副產(chǎn)品氮?dú)馕锪鳌0026]在另一實(shí)施方案中，公開了低溫空氣進(jìn)料分離設(shè)備，其包括(a)壓縮機(jī)，其用于 接收空氣進(jìn)料以提供壓縮空氣進(jìn)料；(b)提純單元，其流體地連接至所述壓縮機(jī)以便從 壓縮空氣進(jìn)料除去雜質(zhì)并產(chǎn)生提純的空氣進(jìn)料；(c)低溫空氣分離單元(在下文中稱為 “ASU”)，其流體地連接至所述提純單元，其中所述ASU包括主熱交換器和蒸餾塔系統(tǒng)，所述 主熱交換器流體地連接至所述蒸餾塔系統(tǒng)并適合于接收所述提純的空氣進(jìn)料和至少一部 分來自所述蒸餾塔系統(tǒng)的流出物流，其中所述蒸餾塔系統(tǒng)包括高壓塔和低壓塔，且其中所 述ASU產(chǎn)生液態(tài)氧物流、來自所述低壓塔的低壓氣態(tài)氮物流、和任選來自所述高壓塔的第 一高壓氣態(tài)氮物流和/或液體氬氣物流；(d)第一導(dǎo)管(182)，其流體地連接至所述ASU以 便接收來自所述ASU的低壓氮?dú)馕锪鳎?e)輔助壓縮機(jī)，其流體地連接至所述第一導(dǎo)管并適 合于接收來自所述第一導(dǎo)管的低壓氮?dú)馕锪鳎移渲兴鲚o助壓縮機(jī)產(chǎn)生第二高壓氣態(tài)氮 物流，(f)液化器單元，其經(jīng)由第二導(dǎo)管流體地連接至所述補(bǔ)充壓縮機(jī)并任選經(jīng)由第三導(dǎo)管 連接至所述ASU，并適合于接收來自所述補(bǔ)充壓縮機(jī)的所述第二高壓氣態(tài)氮物流和任選來 自所述第三導(dǎo)管的所述第一高壓氣態(tài)氮物流，其中所述第二高壓氣態(tài)氮物流或任選所述第 二高壓氣態(tài)氮物流和所述第一高壓氣態(tài)氮物流的合并氣態(tài)氮物流通過使用一個(gè)或多個(gè)輔 助壓縮機(jī)分階段地壓縮該氣態(tài)氮而液化，并在各階段之間通過相對(duì)于液化天然氣物流間接 熱交換而冷卻所述氮?dú)?；?g)第四導(dǎo)管，其流體地連接至所述第二導(dǎo)管以便接收至少一 部分所述第二高壓氣態(tài)氮物流以提供壓縮的氣態(tài)副產(chǎn)品氮?dú)馕锪鳌?br>
圖Ia是示出有關(guān)本實(shí)用新型的系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；圖Ib是示出與圖Ia相關(guān)的本實(shí)用新型基本原理的示意圖；圖2是與示出本實(shí)用新型基本原理的圖Ib類似的示意圖，但基于LNG的液化器 ⑵和ASU(I)之間的結(jié)構(gòu)稍微不同；圖3a是示出用于圖2流程圖中的基于LNG的液化器的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)情況的 示意圖；圖3b是示出本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖，該圖尤其涉及了附加處理單 元和圖3a的基于LNG的液化器之間的結(jié)合；圖3c是本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施方式的示意圖，該圖尤其涉及了附加處理單元 和圖3a的基于LNG的液化器之間的結(jié)合；圖4是作為操作實(shí)施例基礎(chǔ)的流程圖的示意圖，其包括更詳細(xì)的空氣分離單元；圖5是顯示壓縮來源于低壓塔的氣態(tài)氮的詳細(xì)情況的示意圖；和圖6是顯示在壓縮低壓氮?dú)庵敖?jīng)由與LNG熱交換來冷卻該低壓氮?dú)獾脑敿?xì)情 況。
具體實(shí)施方式
當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，本實(shí)用新型能得到最好地理解。圖Ia是示出有關(guān)本實(shí)用新型的系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖。現(xiàn)參 考圖la，該設(shè)施包括基于LNG的液化器(2)和低溫ASU(l)。在該實(shí)施例中，低溫ASU包括 高壓塔(114)、低壓塔(116)和主交換器(110)?？諝膺M(jìn)料100在102中被壓縮并在104中
7干燥，產(chǎn)生物流108。物流108在主交換器110中被返回的氣體產(chǎn)物流冷卻，產(chǎn)生冷卻的空 氣進(jìn)料112。在雙塔系統(tǒng)中蒸餾物流112生成液氧158、高壓氮?dú)?物流174)和低壓氮?dú)?(物流180)。氮?dú)?74和180在主交換器110中升溫產(chǎn)生物流176和182。物流182最終 排放到大氣中。物流176在基于LNG的液化器(2)中進(jìn)行處理，產(chǎn)生液化氮產(chǎn)物流188和 液氮制冷劑物流186。液氮制冷劑物流186通過閥136和140導(dǎo)入蒸餾塔中。LNG物流194 提供基于LNG的液化器的制冷，其中LNG物流194被汽化并被加熱產(chǎn)生物流198。在圖Ia 中，唯一導(dǎo)入基于LNG的液化器的氮是來自高壓塔114的物流176。圖Ib是示出與圖Ia相關(guān)的本實(shí)用新型基本原理的示意圖?，F(xiàn)參考圖lb，空氣進(jìn) 料100在102中被壓縮并在104中干燥，產(chǎn)生物流108。物流108在主交換器110中被返回 的氣體產(chǎn)物流冷卻，產(chǎn)生冷卻的空氣進(jìn)料112。在雙塔系統(tǒng)中蒸餾物流112以生成液氧158、 高壓氮?dú)?物流174)和低壓氮?dú)?物流180)。氮?dú)?74和180在主交換器110中升溫以 產(chǎn)生物流176和182。利用附加壓縮機(jī)和與之相連的熱交換設(shè)備(在下文中稱作“附加處 理單元”，在圖Ia中作為單元3示出)將物流182轉(zhuǎn)變成物流184，然后和物流176混合，以 形成基于LNG的液化器(2)的進(jìn)料。液化氮產(chǎn)物流188和液氮制冷劑物流186在基于LNG 的液化器中生成。液氮制冷劑物流186通過閥136和140導(dǎo)入蒸餾塔中。與圖Ia相比，引 入基于LNG的液化器中的氮?dú)庠醋鳛閮晒晌锪?82和176離開ASU。如上指出的，在下文中使用的術(shù)語“附加處理單元”是指本實(shí)用新型的附加壓縮機(jī) 和與之相連的熱交換設(shè)備。然而應(yīng)當(dāng)指出的是該術(shù)語并不一定意味著附加壓縮機(jī)和與之相 連的熱交換設(shè)備被容納在單個(gè)物理單元內(nèi)。附加處理單元的確切屬性將結(jié)合圖3b和3c示 出的本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。圖Ib的操作中，與圖Ia所示的類似，當(dāng)液氮產(chǎn)物與液氧產(chǎn)物的比(物流188/物 流158)相對(duì)較低時(shí)(以下稱為“低產(chǎn)量模式”)，優(yōu)選將物流182排出而不引入附加處理單 元(3)。當(dāng)在這種模式下操作時(shí)，適當(dāng)?shù)貜母邏核谐槌鋈康獨(dú)庥脕硪夯?。?dāng)液氮產(chǎn)物與 液氧產(chǎn)物的比(物流188/物流158)相對(duì)較高時(shí)(以下作為“高產(chǎn)量模式”)，優(yōu)選使用如 圖Ib所示的操作。在這種情況下，由于需要大量的氮?dú)庥脕硪夯?，因此適當(dāng)?shù)匦枰獜母邏?塔和低壓塔中都抽出氮?dú)庥脕硪夯?。在圖Ib中，增加附加處理單元(3)用于將物流182轉(zhuǎn)化成物流184的狀態(tài)，使得 該物流可以在導(dǎo)入基于LNG的液化器之前與物流176混合。通過這樣，基于LNG的液化器 的設(shè)計(jì)和操作在高和低兩種產(chǎn)量模式下可以相似。事實(shí)上，基于LNG的液化器的設(shè)計(jì)可以 完全相同，而該設(shè)備在低產(chǎn)量模式下以“降低(turn-down)，，方式進(jìn)行簡單操作。圖2是與示出本實(shí)用新型基本原理的圖Ib類似的示意圖，但關(guān)于基于LNG的液化 器⑵和ASU(I)之間的結(jié)構(gòu)稍微不同。特別地，盡管在圖Ib中將液化氮物流186導(dǎo)入蒸餾 塔系統(tǒng)中，但在圖2中液化氮物流186被導(dǎo)入到主熱交換器中?，F(xiàn)參考圖2，空氣進(jìn)料100 在102中被壓縮并在104中干燥，產(chǎn)生物流108。物流108被分成第一部分(208)和第二 部分(230)，物流208在110中被返回的氣體產(chǎn)物流冷卻，生成冷卻的空氣進(jìn)料212。物流 230首先在110中被返回的氣體產(chǎn)物流冷卻，然后液化生成產(chǎn)物流232。液態(tài)空氣物流232 通過閥236和240分開關(guān)導(dǎo)入蒸餾塔中，物流212和232在雙塔系統(tǒng)中蒸餾產(chǎn)生液氧158、 高壓氮?dú)?物流174)和低壓氮?dú)?物流180)。在主交換器110中加熱氮?dú)?74和180，生 成物流176和182。將液氮制冷劑物流186導(dǎo)入到主交換器中，在那里液氮冷凝劑物流186通過與冷凝物流230間接熱交換而汽化，形成蒸氣氮返回物流288。在低產(chǎn)量模式下，物流 182被排出，而在基于LNG的液化器中處理物流288和176，生成液化氮產(chǎn)物流188和液氮 制冷劑物流186。在高產(chǎn)量模式下，物流182在附加處理單元(3)中轉(zhuǎn)變成物流184，然后 與物流176混合?；旌衔锪骷由衔锪?88 —起在基于LNG的液化器中處理，以生成液化氮 產(chǎn)物流188和液氮制冷劑物流186。然而，基于LNG的液化器的真正屬性并不是本實(shí)用新型的中心點(diǎn)，液化器如何與 附加處理單元(3)結(jié)合對(duì)于理解本實(shí)用新型十分重要，因比在圖3a中描述了基于LNG的液 化器(圖2中的單元2)的實(shí)例。圖3b和3c將給出相同的基于LNG的液化器的實(shí)例，其中 包括不同種附加處理單元(3)的實(shí)施方式。參考圖3a，高壓氮蒸氣物流176與蒸氣氮返回物流288混合生成物流330，隨后在 液化器交換器304內(nèi)冷卻形成物流332。在第一輔助壓縮機(jī)(HP冷卻壓縮機(jī)308)內(nèi)壓縮物 流334生成物流336。物流336在液化器交換器304內(nèi)冷卻以制備物流338，然后在第二輔 助壓縮機(jī)(VHP冷卻壓縮機(jī)310)內(nèi)壓縮形成物流346。物流346在液化器交換器304內(nèi)經(jīng) 過冷卻和液化形成物流348。液化物流348在冷卻器312中進(jìn)一步冷卻形成物流350。物流350通過閥314減 壓并導(dǎo)入容器316中，在那里兩相流體被分成蒸氣物流352和液體物流356。液體物流356 被分離成兩股物流物流360和物流186，其中物流186構(gòu)成了導(dǎo)入到低溫ASU的液氮制 冷劑物流。物流360通過閥318減壓并被引入容器320中，在那里兩相流體分成蒸氣物流 362和液氮產(chǎn)物流188。蒸氣物流362和352在冷卻器312中加熱以分別生成物流364和 354。物流364進(jìn)一步在交換器304中加熱，形成從基于LNG的液化器排出的氣態(tài)氮排出物 流 366。用于基于LNG的液化器的制冷由LNG物流194提供，其在液化器交換器304中被 汽化并且熱形成物流198。最嚴(yán)格地說，術(shù)語“汽化”和“冷凝”適用于低于其臨界壓力的物流。通常，物流 346(最高壓力氮?dú)馕锪?和194(LNG提供)都高于臨界壓力。應(yīng)當(dāng)理解，這兩種物流并沒 有真正冷凝或汽化，而它們經(jīng)過了以高度熱容為特征的物態(tài)變化。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將 會(huì)理解具有高度熱量(在超臨界條件下)和具有潛熱(在低于臨界條件下)之間的相似點(diǎn)?，F(xiàn)參考圖3b，在高產(chǎn)量模式操作中，低壓氮?dú)馕锪?82是最終需要被液化的補(bǔ)充 氮源。按照本實(shí)用新型，增加了附加處理單元(3)用來將低壓氮物流182轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏旱?流184。物流182與溫?zé)?、低壓氮?dú)馀懦鑫锪?66結(jié)合形成物流370。物流370在預(yù)冷卻熱 交換器322中冷卻，以產(chǎn)生冷卻的氮物流372。物流372與從基于LNG的液化器中排出的低 溫、低壓氮?dú)馀懦鑫锪?86混合形成物流374。物流374在附加壓縮機(jī)(LP壓縮機(jī)306)中 壓縮冷卻形成物流184，然后與高壓液化器進(jìn)料物流288和176混合形成物流330。用于冷 卻物流370的制冷由LNG物流394提供，其在預(yù)冷卻熱交換機(jī)322內(nèi)汽化和/或被加熱形 成物流396。除了一些例外，圖3b中的基于LNG的液化器(2)的操作與圖3a中所述的非常相 似。與圖3a —樣，物流330在液化器交換器304中冷卻形成物流332，在HP冷卻壓縮機(jī) 308中壓縮物流334以形成物流336。物流336在液化器交換器304中冷卻生成物流338， 在VHP冷卻壓縮機(jī)310中壓縮形成物流346。物流346在液化器交換器304中經(jīng)過冷卻和
9液化，制成物流348。與圖3a —樣，液化物流348在冷卻器312中進(jìn)一步冷卻生成物流350。物流350 通過閥314降壓并被導(dǎo)入容器316內(nèi)，在那里兩相流體分成蒸氣物流352和液體物流356。 液體物流356被分離成兩股物流物流360和物流186，其中物流186構(gòu)成了導(dǎo)入到低溫ASU 的液氮制冷劑物流。物流360通過閥318減壓并被引入容器320中，在那里兩相流體分成 蒸氣物流362和液氮產(chǎn)物流188。蒸氣物流362和352在冷卻器312中加熱以分別生成物 流 364 和 354。圖3b與圖3a不同之處在于因?yàn)楦郊訅嚎s機(jī)(LP冷卻壓縮機(jī)306)的存在，低壓氮 物流364不需要加熱和排出。有兩種能用于將物流364和物流182合并的方法。在熱動(dòng)力 學(xué)更佳的優(yōu)選情況下，閥380關(guān)閉而閥382打開。在這種情況下，物流364流過閥382變成 從基于LNG的液化器排出的氮?dú)馀懦鑫锪?86，其然后與冷氮?dú)膺M(jìn)料物流372共混。在熱動(dòng) 力學(xué)較差的優(yōu)選情況下，閥380打開而閥382關(guān)閉。在這種情況下，物流364流過閥380變 成物流384，在熱交換器304內(nèi)加熱變成從基于LNG的液化器排出的氮?dú)馀懦鑫锪?66，然 后與熱氮?dú)膺M(jìn)料物流182共混。如果冷卻閥380和382在設(shè)計(jì)點(diǎn)上與液化器相結(jié)合，則選 擇熱動(dòng)力學(xué)更佳的優(yōu)選選項(xiàng)(閥380關(guān)閉)；如果引入附加處理單元(3)作為改進(jìn)，則選擇 熱動(dòng)力學(xué)較差的優(yōu)選選項(xiàng)(閥382關(guān)閉)。在后一種情況下，可以沒有閥380和382，并且 管線382也可以不存在。最后在圖3b中，與圖3a —樣，用于基于LNG的液化器的制冷由LNG物流194提供， 其在液化器交換器304中汽化和/或加熱形成物流198。與上面指出的一樣，在預(yù)冷卻熱交換器322中用于冷卻低壓氮?dú)獾闹评涫峭ㄟ^汽 化和/或加熱LNG物流394來實(shí)現(xiàn)的。作為各選方案，也可以從液化器熱交換器304的低 溫或中間區(qū)域抽出低溫氮物流，在交換器322中加熱該物流，然后在交換器304重冷卻該物 流。這樣能夠消除如圖3b中的物流394所示將LNG輸送到預(yù)冷卻熱交換器322中的需要。 任何合適的物流都可以用作冷卻氮?dú)庠?，例如物?32、338或348?，F(xiàn)參考圖3c，可以使用更簡單的附加處理單元。再一次的，在高產(chǎn)量模式操作下， 低壓氮?dú)馕锪?82是最終需要液化的補(bǔ)充氮源。根據(jù)本實(shí)用新型，增加了附加處理單元(3) 用以將低壓氮?dú)馕锪?82轉(zhuǎn)化為高壓氮?dú)馕锪?84。物流182與從基于LNG的液化器中排 出的溫?zé)帷⒌蛪旱獨(dú)馀懦鑫锪?66結(jié)合，生成物流370。物流370在附加壓縮機(jī)(升溫LP壓 縮機(jī)324)中壓縮，然后在再次冷卻器熱交換器326 ( —般使用冷卻水或乙二醇作為冷卻介 質(zhì))中冷卻，形成物流184。物流184隨后與高壓液化器進(jìn)料物流288和176混合，生成物 流330?；贚NG的液化器的操作與圖3a中圖示的相似，其區(qū)別在于物流366不被排出。如在前指出的，圖3b和3c中描述為單元(3)的附加處理單元不必指代單一物理 單元。例如，附加壓縮機(jī)可以包含在具有其它壓縮機(jī)的腔室內(nèi)，而附加熱交換器可以包含在 具有其它熱交換器的腔室內(nèi)。還應(yīng)當(dāng)指出，在圖3c的本實(shí)用新型的實(shí)施方式中，附加壓縮 機(jī)和熱交換器在高于環(huán)境溫度下操作，在圖3b的實(shí)施方式中設(shè)備在低于環(huán)境溫度下操作， 因此必須隔離。
實(shí)施例提供一操作實(shí)施例用于表明與本實(shí)用新型相關(guān)的可能的操作條件，并且用來闡明操作模式間的區(qū)別和共同點(diǎn)。將給出三種實(shí)例例1對(duì)應(yīng)于沒有附加處理單元(3)時(shí)的低 產(chǎn)量模式操作，而例2和3對(duì)應(yīng)于具有附加處理單元(3)時(shí)的高產(chǎn)量模式。在該實(shí)施例中， 例1通過圖3a的基于LNG的液化器(2)來描述；例2和3通過圖3b的基于LNG的液化器 (2)和附加處理單元(3)來描述。對(duì)例2和3，參考圖3b，閥380關(guān)閉而閥382打開。圖4 中更詳細(xì)的示出了低溫ASU，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。參考圖4，大氣100在主空氣壓縮機(jī)102中被壓縮，在吸附床104中凈化以除去如 二氧化碳和水的雜質(zhì)，然后被分成兩部分物流230和物流208。物流208在主熱交換器 110中冷卻變成物流212，將蒸氣空氣進(jìn)料導(dǎo)入高壓塔114中。物流230被冷卻到接近物流 212的溫度，然后至少部分冷凝形成物流232，最后通過閥236和240減壓并被導(dǎo)入到高壓 塔114和低壓塔116內(nèi)。高壓塔生成從塔頂排出的富含氮的蒸氣物流462，以及從塔底排出 的富含氧的物流450。物流462分成物流174和物流464。物流174在主熱交換器內(nèi)加熱， 然后作為物流176通過基于LNG的液化器(2)。物流464在再沸器-冷凝器418內(nèi)冷凝形 成物流466，一部分物流466作為回流(物流468)返回到高壓塔中；剩余物流470最后作 為塔頂進(jìn)料通過閥472導(dǎo)入到低壓塔中。富含氧的物流450通過閥452進(jìn)入氬氣塔的再沸 器_冷凝器484中，至少部分氣化形成物流456，其被導(dǎo)入低壓塔中。在低壓塔底部生成氧，其作為液體物流158取出，而在塔的頂部生成富含氮物流 180。富含氮物流180在主熱交換器110中加熱形成物流182。廢棄物流可以從低壓塔中 排出，作為物流490，并在主交換器中加熱并且最終作為物流492排出。低壓塔底部的沸騰 由再沸器_冷凝器418提供。蒸氣物流從低壓塔中排出作為物流478，并被引入到氬塔482 中。氬產(chǎn)物從該塔的頂部排出作為液體物流486。底部液體物流480返回到低壓塔中。氬 塔的回流由與汽化源自高壓塔的作為物流450的富含氧物流進(jìn)行的間接熱交換提供。液氮制冷劑物流186被導(dǎo)入到主交換器中，在那里通過與冷凝物流230進(jìn)行間接 熱交換汽化形成蒸汽氮返回物流288。在低產(chǎn)量操作模式(例1)下，物流182從ASU排到大氣中(作為物流486)，物流 366從基于LNG的液化器中排到大氣中，而物流184和386的流量為零。在高產(chǎn)量模式下 (例2和3)，物流182 (作為物流488)和386被傳送到附加處理單元，而物流366的流量為 零。特別是對(duì)于例2和3的實(shí)施例，物流176(來自高壓塔)的流量也為零。也就是說，在 例2和3中，來自高壓塔的全部高壓氮462在再沸器/冷凝器[418]中冷凝并用作蒸餾塔系 統(tǒng)的回流，使得在高產(chǎn)量模式下，在增壓氮和高壓氮之間，只有增壓氮被引入到基于LNG的 液化器。盡管以上方案不是強(qiáng)制性的，但是在高產(chǎn)量模式下這是典型的方案。例2和3的 區(qū)別是在例3中液氮的產(chǎn)量更高。例1-3意在說明如何可以增加液態(tài)產(chǎn)品。一些平衡點(diǎn)可以如注解1-5中提示的從 表中得到，其中注解1-5解釋下注解1 液氧產(chǎn)量從例1到例2增加了 33 % ；液氧產(chǎn)量在例2和3中相同。注解2 液氮產(chǎn)量從例1到例2增加了 60 % ；而液氮產(chǎn)量從例1到3增加了 140 %。注解3 在例1中高壓氮物流的流量充分滿足液氮產(chǎn)量需求，但是在例2和3中其為零。注解4 即使在例1中液氧產(chǎn)量明顯較少，但在三種實(shí)例中流向ASU的空氣物流大 致相同。這是一個(gè)重要的特征。當(dāng)選擇從ASU以高壓氮生產(chǎn)氮時(shí)，氧的回收就會(huì)減少。因此，對(duì)于全部三種實(shí)例，本實(shí)用新型的使用使得可以使用相同的空氣壓縮機(jī)和相同的低溫 ASU。注解5 例1是在沒有LP壓縮機(jī)的情況下操作的(不需要附加處理單元(3))。表 權(quán)利要求低溫空氣進(jìn)料分離設(shè)備，特征在于其包括(a)壓縮機(jī)，其用于接收空氣進(jìn)料以提供壓縮空氣進(jìn)料；(b)提純單元，其流體地連接至所述壓縮機(jī)以便從壓縮空氣進(jìn)料除去雜質(zhì)并產(chǎn)生提純的空氣進(jìn)料；(c)低溫空氣分離單元(在下文中稱為“ASU”)，其流體地連接至所述提純單元，其中所述ASU包括主熱交換器和蒸餾塔系統(tǒng)，所述主熱交換器流體地連接至所述蒸餾塔系統(tǒng)并適合于接收所述提純的空氣進(jìn)料和至少一部分來自所述蒸餾塔系統(tǒng)的流出物流，其中所述蒸餾塔系統(tǒng)包括高壓塔和低壓塔，且其中所述ASU產(chǎn)生液態(tài)氧物流、來自所述低壓塔的低壓氣態(tài)氮物流、和任選來自所述高壓塔的第一高壓氣態(tài)氮物流和/或液體氬氣物流；(d)第一導(dǎo)管(182)，其流體地連接至所述ASU以便接收來自所述ASU的低壓氮?dú)馕锪鳎?e)補(bǔ)充壓縮機(jī)，其流體地連接至所述第一導(dǎo)管并適合于接收來自所述第一導(dǎo)管的低壓氮?dú)馕锪鳎移渲兴鲚o助壓縮機(jī)產(chǎn)生第二高壓氣態(tài)氮物流，(f)液化器單元，其經(jīng)由第二導(dǎo)管流體地連接至所述補(bǔ)充壓縮機(jī)并任選經(jīng)由第三導(dǎo)管連接至所述ASU，并適合于接收來自所述補(bǔ)充壓縮機(jī)的所述第二高壓氣態(tài)氮物流和任選來自所述第三導(dǎo)管的所述第一高壓氣態(tài)氮物流，其中所述第二高壓氣態(tài)氮物流或任選所述第二高壓氣態(tài)氮物流和所述第一高壓氣態(tài)氮物流的合并氣態(tài)氮物流通過使用一個(gè)或多個(gè)輔助壓縮機(jī)分階段地壓縮該氣態(tài)氮而液化，并在各階段之間通過相對(duì)于液化天然氣物流間接熱交換而冷卻所述氮?dú)?；?g)氮?dú)飧碑a(chǎn)品生產(chǎn)壓縮機(jī)，其流體地連接至所述第一導(dǎo)管以便接收至少一部分所述低壓氮?dú)馕锪?，其中將所述至少一部分低壓氣態(tài)氮物流在該副產(chǎn)品生產(chǎn)壓縮機(jī)中壓縮至升高的壓力以產(chǎn)生壓縮的氣態(tài)副產(chǎn)品氮?dú)馕锪鳌?br> 2.低溫空氣進(jìn)料分離設(shè)備，特征在于其包括(a)壓縮機(jī)，其用于接收空氣進(jìn)料以提供壓縮空氣進(jìn)料；(b)提純單元，其流體地連接至所述壓縮機(jī)以便從壓縮空氣進(jìn)料除去雜質(zhì)并產(chǎn)生提純 的空氣進(jìn)料；(c)低溫空氣分離單元(在下文中稱為“ASU”)，其流體地連接至所述提純單元，其中所 述ASU包括主熱交換器和蒸餾塔系統(tǒng)，所述主熱交換器流體地連接至所述蒸餾塔系統(tǒng)并適 合于接收所述提純的空氣進(jìn)料和至少一部分來自所述蒸餾塔系統(tǒng)的流出物流，其中所述蒸 餾塔系統(tǒng)包括高壓塔和低壓塔，且其中所述ASU產(chǎn)生液態(tài)氧物流、來自所述低壓塔的低壓 氣態(tài)氮物流、和任選來自所述高壓塔的第一高壓氣態(tài)氮物流和/或液體氬氣物流；(d)第一導(dǎo)管(182)，其流體地連接至所述ASU以便接收來自所述ASU的低壓氮?dú)馕锪鳎?e)補(bǔ)充壓縮機(jī)，其流體地連接至所述第一導(dǎo)管并適合于接收來自所述第一導(dǎo)管的低 壓氮?dú)馕锪?，且其中所述輔助壓縮機(jī)產(chǎn)生第二高壓氣態(tài)氮物流，(f)液化器單元，其經(jīng)由第二導(dǎo)管流體地連接至所述補(bǔ)充壓縮機(jī)并任選經(jīng)由第三導(dǎo)管 連接至所述ASU，并適合于接收來自所述補(bǔ)充壓縮機(jī)的所述第二高壓氣態(tài)氮物流和任選來 自所述第三導(dǎo)管的所述第一高壓氣態(tài)氮物流，其中所述第二高壓氣態(tài)氮物流或任選所述第 二高壓氣態(tài)氮物流和所述第一高壓氣態(tài)氮物流的合并氣態(tài)氮物流通過使用一個(gè)或多個(gè)輔助壓縮機(jī)分階段地壓縮該氣態(tài)氮而液化，并在各階段之間通過相對(duì)于液化天然氣物流間接 熱交換而冷卻所述氮?dú)?；?g)第四導(dǎo)管，其流體地連接至所述第二導(dǎo)管以便接收至少一部分所述第二高壓氣態(tài) 氮物流以提供壓縮的氣態(tài)副產(chǎn)品氮?dú)馕锪鳌?br> 專利摘要本實(shí)用新型提出了用于從與空氣分離連接的基于液化天然氣的液化器供應(yīng)氣態(tài)氮的系統(tǒng)，其中在低產(chǎn)量模式下，引入到基于LNG的液化器的氮僅由來自蒸餾塔系統(tǒng)的至少一部分高壓氮組成，而在高產(chǎn)量模式下，使用一附加壓縮機(jī)將至少部分來自蒸餾塔系統(tǒng)的低壓氮升壓，以產(chǎn)生引入基于LNG的液化器的附加進(jìn)料(或替代進(jìn)料)或氣態(tài)氮副產(chǎn)品。
文檔編號(hào)F25J3/04GK201772697SQ201020243660
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者D·M·赫倫, W·E·卡爾森 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司