專利名稱：制備氧的有效方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用低溫空氣分離法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全氧，其純度低于99.5％，且優(yōu)選低于97％。
有幾篇美國專利，教導有效制備純度低于99.5％氧。兩個例子是美國專利4,704,148和4,936,099。
美國專利No.2,753,698公開了一種用于分餾空氣的方法，其中要分離的總空氣在復式分餾器的高壓塔中預分餾，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。如此制備的粗液態(tài)氧膨脹至中等壓力，并靠氮冷凝熱交換而完全蒸發(fā)。蒸發(fā)的粗氧然后稍微溫熱，對生產動力負載膨脹，并在復式分餾器的低壓塔中用高壓塔內冷凝的氮洗滌，然后進入低壓塔的頂部。低壓塔的底部用來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。因此用于低壓塔的常規(guī)空氣膨脹法要用所提出的CGOX膨脹法代替。實際上，該專利引用了因額外空氣送入高壓塔達到的改進效果(如對低壓塔沒有氣態(tài)空氣要膨脹)，而這導致高壓塔頂部產生的額外氮回流。這說明額外氮回流量等于送入高壓塔空氣外加氮量。為克服低壓塔底部蒸出物不足，主張改進低壓塔上部用液體氮洗滌的效率。
美國專利No.4,410,343，公開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。
美國專利No.4,704,148公開了一種方法，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。
在國際專利申請#PCT/US87/01665(美國專利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，然后將其冷凝的方法是，對高壓塔底部粗LOX或對低壓塔中間高度液體進行熱交換。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NEC不能提供冷凍作用的那些應用，才需要通過膨脹某些空氣來提供補充的冷凍作用。然而，沒有指出采用這種補充冷凍作用來降低能量消耗。這種補充冷凍作用是針對一種流程提出的，其中對流程作了其它改進以降低空氣供給壓。這降低了氮對膨脹器的壓力，并因此降低了從NEC可獲得的冷凍量。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增加可用于啟動冷壓縮機的冷凍輸出，以便進一步提高氧傳輸壓。
在美國專利No.4,936,099中，Woodward等人采用與低純度氧制備有關的CGOX膨脹。這種情況，氣態(tài)氧制品制備方法是，對部分給料空氣進行熱交換，蒸發(fā)低壓塔底部的液態(tài)氧。
某些空氣分離廠，過量的冷凍作用可自然獲得。這通常是因為兩個原因之一，(1)操作設備的強制力導致過量流體通過膨脹器，(2)蒸餾系統(tǒng)產品回收率低，且在提高壓力條件下產生隨后要膨脹的過量廢物。這種情況下，某些專利建議，將過量冷凍作用在低溫溫度下用于壓縮適當?shù)墓に嚵黧w。低溫溫度下這種壓縮方法以后稱為冷壓縮。
由于第一種原因產生過量冷凍作用并采用冷壓縮的一個實例，可以在美國專利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，在主熱交換器的冷卻部件中，同進來給料空氣間接熱交換而部分溫熱，然后在膨脹器中膨脹以提供所需要的冷凍作用。不幸，平衡流體的流速不能低于某部分給料空氣流速。對于每單位產品流量冷凍需求不是那么大的工廠，使平衡流體流量大于某部分給料空氣流量的強制力，就能產生過量冷凍作用。美國專利No.4,072,023提出將這種過量冷凍用于冷壓縮工藝流體。
由于第二種原因產生過量冷凍作用并采用冷壓縮的一些實例，可以在美國專利No.4,966,002和No.5,385,024中找到。這兩個專利，空氣給到單一蒸餾塔底部附近以制備高壓氮。因為單一蒸餾塔在底部不采用再沸騰器，氮的回收率低。在提高壓力下，這產生大量富氧廢流體。一部分這種富氧廢流體部分溫熱并膨脹，以提供所需的冷凍作用，而過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。
在美國專利No.5,475,980中，冷壓縮用于改善熱交換器的冷卻效果，以蒸發(fā)壓力大于約15bar的泵送液態(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，將該輔助流體冷壓縮，并再引入熱交換器進一步冷卻。至少一部分進一步冷卻流體在膨脹器中膨脹。當要冷壓縮輔助流體的壓力比高壓塔壓力高得多時，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，在工廠溫熱端提供額外能量，以滿足冷凍和冷壓縮的需要。然而，當輔助流體是從高壓塔引出時，在其冷壓縮和冷卻后全部膨脹。這保證大部分冷壓縮所需能量由膨脹器回收，且用于冷壓縮。結果，為產生作功能量而流過膨脹器的額外蒸氣需要量減少，且如早先引用的美國專利No.4,072,023；4,966,002和5,385,024，不需要過量冷凍作用。
在丹麥專利2854508中，一部分處在高壓塔壓力下空氣給料，利用對冷箱提供冷凍作用的膨脹器作功能量，在溫熱水平上再壓縮。這種再壓縮空氣流體然后部分冷卻，并在同一驅動壓縮機的膨脹器中膨脹。在這種設計中，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。結果，已知部分給料空氣在冷箱中產生更多冷凍作用。該專利提出兩種方法來利用這種過量冷凍作用(ⅰ)從冷箱制備更多的液態(tài)產品；(ⅱ)降低通過壓縮機和膨脹器的流量，并因此增加到高壓塔的流量。據(jù)認為，增加到高壓塔的流量會使冷箱產品產率更高。
本發(fā)明涉及空氣在蒸餾塔系統(tǒng)中低溫蒸餾的方法，該系統(tǒng)包括至少一個蒸餾塔，其中在生產氧制品蒸餾塔底部的沸騰(boil-up)是通過冷凝氮濃度等于或大于給料空氣流氮濃度的一種流體提供的。本發(fā)明方法包括以下步驟(a)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求至少百分之十(10％)的作功能量，是由以下兩個方法中至少一個產生(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，然后冷卻至少部分膨脹流體，其方法包括對下述兩種液體中至少一種進行潛熱交換(ⅰ)生產氧制品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；和(2)冷凝氮含量等于或大于給料空氣氮含量的至少一個第二種工藝流體，方法是對至少部分富氧液態(tài)流體進行潛熱交換，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，作功膨脹至少部分獲得的蒸氣流體；(b)作功膨脹第三種工藝流體，產生額外作功能量，使與步驟(a)一起產生的總功超過低溫廠總的冷凍需要，且如果第三個工藝系統(tǒng)與步驟(a)(1)中第一個工藝系統(tǒng)相同，則至少部分第三種工藝流體在作功膨脹后，沒有被步驟(a)(1)所述兩種液態(tài)流體任何一種所冷凝；和(c)利用超過蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產生的功，冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。


圖1-9描繪本發(fā)明不同實施方案的示意圖。在圖1-9中，相同的流體采用同一流體代號。
圖10(a)-10(c)描繪本發(fā)明為采用多級低壓蒸餾塔而設計的實施方案示意圖。
圖11-12描繪兩個先有技術工藝示意圖。
本發(fā)明提供一種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％的一種產品流體。該方法中，給料空氣用包括至少一個蒸餾塔的蒸餾系統(tǒng)進行蒸餾。在生產氧制品蒸餾塔底部的沸騰是通過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。本發(fā)明包括以下步驟(a)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求至少百分之十(10％)的作功能量，是由以下兩個方法中至少一個產生(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，然后冷卻至少部分膨脹流體，其方法是對下述兩種液體中至少一種進行潛熱交換(ⅰ)生產氧制品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的至少第二種工藝流體，其方法是對至少部分富氧液態(tài)體流進行潛熱交換，富氧液態(tài)體流其氧濃度等于或優(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，作功膨脹至少部分獲得的蒸氣流體；(b)作功膨脹第三種工藝流體，產生額外作功能量，使與步驟(a)一起產生的總功超過低溫廠總的冷凍需要，且如果第三個工藝系統(tǒng)與步驟(a)(1)中第一個工藝系統(tǒng)相同，則至少部分第三種工藝流體在作功膨脹后，沒有被步驟(a)(1)所述兩種液態(tài)流體任何一個所冷凝；和(c)利用超過蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產生的功，冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。
在優(yōu)選模式中，只使用步驟(a)(1)和(a)(2)作功膨脹方法中的一個；步驟(a)(2)中第二種工藝流體，往往也與步驟(a)(1)中第一種工藝流體相同。
在大部分優(yōu)選模式中，蒸餾系統(tǒng)包括由高壓(HP)塔和低壓(LP)塔組成的復式塔系統(tǒng)。至少部分給料空氣送入HP塔。氧制品由塔底部產生。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，其方法是對LP塔中間高度液態(tài)流體，或對HP塔底部產生的粗液態(tài)氧(粗LOX)流體進行潛熱交換，并構成LP塔的給料。該方法中，粗LOX流體壓力降到LP塔壓力附近。高壓富氮流體膨脹之前可以部分溫熱。若采用步驟(a)(2)的作功膨脹法，則高壓富氮流體冷凝，其方法是對壓力高于LP塔壓力的至少部分粗LOX流體進行潛熱交換；而至少部分蒸發(fā)粗LOX獲得的蒸氣作功膨脹到LP塔。作功膨脹之前，至少部分蒸發(fā)粗LOX獲得的蒸氣可以部分溫熱。作為蒸發(fā)粗LOX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)。
當采用復式塔系統(tǒng)最優(yōu)選模式時，則步驟(b)中第三種工藝流體可以是任何適合的工藝流體。某些實例包括作功膨脹到HP塔和/或LP塔的部分給料空氣；作功膨脹HP塔引出的富氮產品流體；和作功膨脹LP塔引出的流體。
作功膨脹，它意味著當工藝流體在膨脹器內膨脹時，產生功。這種功可以在油制動器中分散，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。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)在參照圖1對本發(fā)明進行詳細說明。不合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絕對壓力而小于24bar絕對壓力。優(yōu)選壓力范圍是5bar絕對壓力-約10bar絕對壓力。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。主要部分流體102在主熱交換器190中冷卻，然后作為流體106送入較高壓力(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流體最終送入較低壓力(LP)塔198，在那蒸餾產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打到所需壓力，然后對適當加壓工藝流體進行熱交換而蒸發(fā)，以提供氣態(tài)氧制品流體172。圖1中，適當加壓工藝流體是管線118部分給料空氣。在LP塔底部的沸騰是通過冷凝從管線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)，其氧濃度大于給料空氣氧濃度的至少部分粗LOX通過閥門135后，壓力降低到HP塔和LP搭壓力的中間壓力。圖1中，降壓之前，粗LOX在再冷卻器192中再冷卻，其方法是對從LP塔返回的氣態(tài)氮流體進行熱交換。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，在那它至少部分沸騰，其方法是對管線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)進行潛熱交換，以提供第二路高壓液態(tài)氮流體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中部分溫熱，然后在膨脹器139中作功膨脹到LP塔，作為附加給料。粗GOX流體137的部分溫熱是任選的，且類似地，作功膨脹后流體140在其給入LP塔之前可以再冷卻。
根據(jù)本發(fā)明步驟(b)，部分冷卻空氣流體的一部分作為流體104(第三路工藝流體)，從主熱交換器引出并在膨脹器103中作功膨脹，然后送到LP塔。兩個膨脹器103和139產生比工廠冷凍平衡所需更多的功。在低溫空氣分離廠，圖1所示的所有熱交換器、蒸餾塔和有關閥門、管線以及其它設備，都包圍在一個稱作冷箱的絕緣箱內。既然，此箱內部處于低溫狀態(tài)，就存在周圍對冷箱的熱滲漏。離開冷箱的產品流體(如流體164和172)，也處于比給料空氣流體溫度低的狀態(tài)。由于產品離開冷箱，導致熱焓損失。為了使工廠運轉，需要從冷箱提取出等量的能來平衡這兩種損失。通常，這種能量是以作功能量方式提取。本發(fā)明中，兩個膨脹器103和139的輸出功，超過為保持冷箱冷凍平衡所必須提取的功。這種潛在產生的額外功，則用于冷壓縮冷箱內工藝流體。這樣，額外功不離開冷箱，且冷凍平衡得以維持。
圖1中，為了蒸發(fā)來自泵171的泵打液態(tài)氧，給料空氣流體100的一部分，即流體110在一個任選增壓器113中再增壓，并靠冷水(圖中未標出)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115冷壓縮。冷壓縮機的輸入能量是膨脹器103和139產生的額外作功能量(即冷凍不需要的能量)。然后，冷壓縮過的流體116再送回主熱交換器，其冷卻方法是對泵打液態(tài)氧流體進行熱交換。一部分冷卻的液態(tài)空氣流體118送入HP塔，而另一部分(流體122)，在再冷卻器192內再冷卻一些之后送入LP塔。
幾種已知的改進可以應用到圖1的流程實例中。例如，HP塔所有粗LOX流體130可以全送到LP塔，而一點也不送到再沸騰器/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內其余的處理，類似于早先解釋過的134流體。在另一個改進中，再沸騰器/冷凝器193和194分別冷凝的兩路高壓氮流體152和154，可以不從HP塔的同一點產生。各自可以從HP塔不同高度獲得，并在其再沸騰器(193和194)內冷凝后，各自送到蒸餾系統(tǒng)適當位置。例如，流體154可以從高壓塔頂部下面位置引出，在再沸騰器/冷凝器194內冷凝后，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施方案。這里，再冷卻的粗LOX流體134，通過閥門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內第二部分高壓氮流體(如今是步驟(a)(1)第一路工藝流體)，在主熱交換器內部分溫熱(任選)，然后在膨脹器139內作功膨脹，以提供較低壓力氮流體240。該流體240在再沸騰器/冷凝器194內經潛熱交換而冷凝，提供流體242，再冷卻一些后送入LP塔。來自再沸騰器/冷凝器194的蒸發(fā)流體137和液態(tài)流體142送入LP塔適當位置。若需要，管線242內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內冷凝，和另一路在再沸騰器/冷凝器194內冷凝，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根據(jù)步驟(a)(1)采用作功膨脹的另一種變化，如圖3所示，在這種設計中，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LP塔中間高度液體進行潛熱交換。冷凝的氮流體342以類似圖2的方式進行處理。圖3的其它操作特點也與圖2相同。
可以對圖1-3所提發(fā)明作出幾種變化。其中某些變化現(xiàn)在要作為另外的實例進行討論。
由兩個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表明，冷壓縮的部分給料空氣流體，靠泵打LOX流體冷凝，但直接冷壓縮氣態(tài)氧流體是可能的。這種氣態(tài)氧流可以直接從LP塔底部引出，或由泵171泵打的LOX已經靠適當工藝流體蒸發(fā)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)氧的蒸發(fā)方法，不靠冷壓縮過的空氣流體而靠冷壓縮過的HP塔氮流體進行潛熱交換外，圖4所有特點與圖1相同。雖然用于冷壓縮的富氮流體可以從HP塔任何適當位置引出，但圖4表明它作為流體480從HP塔頂部引出。該流體480在主熱交換器內部分溫熱(任選)，在484內冷壓縮，靠蒸發(fā)來自泵171液態(tài)氧進行潛熱交換而冷凝。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溫熱到溫度接近室溫，并用輔助壓縮機增壓，然后在主熱交換器內部分冷卻并送到冷壓縮機484。冷壓縮富氮流體，然后靠來自泵171的至少部分液態(tài)氧將其冷凝的優(yōu)點是，它為蒸餾塔系統(tǒng)提供更多的氮回流，并且這改善了氮制品的回收率和純度。例如，盡管圖4沒表示出來，人們可以從圖4副產比相應圖1壓力更高的氮制品。
應當強調，冷壓縮的目的不限于升高氧壓力。它可以用于冷壓縮本發(fā)明步驟(c)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在主熱交換器內可以不靠再冷卻而冷凝，但可以再溫熱以提供加壓氮制品流體。另一個實例如圖5所示。該實例與圖3實例之間的差別在于，HP塔196頂部所有高壓氮流體都從管線554引出。該流體在主熱交換器內(流體556)部分溫熱，并分成兩路流體538和551。流體538要以處理圖3流體238類似方式再處理，同時流體551根據(jù)本發(fā)明步驟(c)進行冷壓縮。冷壓縮流體552不靠來自泵171的泵打液態(tài)氧冷凝，而靠LP塔底部再沸騰器/冷凝器593內液體進行潛熱交換而冷凝。這在LP塔底部提供所需沸騰。管線542和553內冷凝的液態(tài)氮流體作為回流送到HP塔和LP塔。若一部分較低壓力液態(tài)氮流體542要送到HP塔，則泵543就是有幫助的。另一個變化，用于冷壓縮的高壓氮流體551，可以從流體554立即引出。類似地，管線552內冷壓縮氮流體可以部分地冷卻，其方法是對任何適合的工藝流體進行熱交換，然后在再沸騰器/冷凝器593內冷凝。這些實例清楚說明，本發(fā)明可以用于冷壓縮任何適合的工藝流體。此外，538和551不必具有相同組分，即各自可以從HP塔不同位置引出。
圖1-5中，使LP塔部分給料空氣膨脹，以滿足本發(fā)明步驟(b)的需要。正如早先所述，可以膨脹任何適合的工藝流體來滿足本發(fā)明該步驟的需要。某些實例包括作功膨脹去HP塔的空氣，和作功膨脹來自LP塔或HP塔的流體。圖6表示HP塔富氮流體作功膨脹的一個實例。除了去掉流體104和105的管線之外，圖6與圖1類似。代之，一部分高壓氮蒸氣從HP塔頂部經管線604引出。根據(jù)本發(fā)明步驟(b)，該流體如今是第三路工藝流體。流體604高壓氮在主熱交換器內部分溫熱，然后在膨脹器603內作功膨脹。作功膨脹后的流體605在主熱交換器內溫熱，經管線606提供較低壓力氮流體。氮流體606壓力可以等于或大于流體164中氮壓力。
圖1-6的實例說明，本發(fā)明的步驟(a),(b),(c)中所有第一或第二工藝流體、第三工藝流體和冷壓縮流體都不由同一工藝流體產生。這些流體至少兩個具有不同組成。雖然如今可以容易地做出不同工藝流體的這種設計，但圖7表示的一個實例是，本發(fā)明所有三個步驟所有流體，都是從HP塔頂部引出。HP塔頂部一部分高壓氮是經管線754引出。該流體然后分成兩路流體704和780，且兩者在主熱交換器內溫熱到其各自適合的溫度。流體780部分溫熱后，再分成兩路流體738和782。流體738提供本發(fā)明步驟(a)(1)的第一種工藝流體，并按與圖3流體238類似的方式處理。流體704提供本發(fā)明步驟(b)的第三種工藝流體，并按與圖6流體604類似的方式處理。流體782提供本發(fā)明步驟(c)用于冷壓縮所需的工藝流體，并按與圖4流體482類似的方式處理。注意，圖7中來自膨脹器703的作功膨脹氮流體705，不是按本發(fā)明步驟(a)(1)提出的方式，靠進出LP塔的任何富氧液體而冷凝。
迄今，所有實例流程顯示出至少兩個再沸騰器/冷凝器。然而，應該強調，本發(fā)明并不排除在LP塔采用比圖1-7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)段產生更多的蒸氣。任何適合的工藝流體都可以在這些附加的再沸騰器/冷凝器中或部分或全部冷凝。例如圖8表示的一個實例，是將圖5的工藝修改成在LP塔內包含另一個再沸騰器/冷凝器。雖然再沸騰器/冷凝器893和894類似于再沸騰器/冷凝器593和597，但再沸騰器/冷凝器895是附加的再沸騰器/冷凝器。如今部分溫熱高壓氮流體856(類似于流體556)分成三路流體。管線857的附加流體在附加再沸騰器/冷凝器895中靠LP塔液態(tài)流體冷凝，并作為回流送到高壓塔。流體838和851的進一步處理與圖5中流體538和551相同。圖8也正是一個在LP塔采用多個再沸騰器/冷凝器的實例。采用本發(fā)明從已知技術很容易引出許多這種實例。例如，人們可以考慮在底部再沸騰器/冷凝器893內，部分或全部冷凝部分給料空氣的可能性。也可以考慮從HP塔中間高度引出的蒸氣流體在位于LP塔的再沸騰器/冷凝器中冷凝的可能性。這種情況下，當部分冷凝含有大量氧的或者空氣流體或者HP塔引出的流體時，則未冷凝的蒸氣部分就可以提供步驟(a)(1)的第一種工藝流體，或步驟(a)(2)的第二種工藝流體。
本發(fā)明按步驟(a)(1)指出方法提取功的那些工藝設計中，作功膨脹后所有第一種工藝流體，可以不靠如步驟(a)(1)指出的潛熱交換法冷凝。部分這種流體可以作為產品流體回收，或用于工藝設計的其它目的。例如圖2-3、5、7-8所示工藝設計中，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。離開膨脹器139的部分流體可以在主熱交換器中再溫熱，并作為中等壓力氮制品從任何一個這些工藝流程中回收。
當一部分給料空氣作功膨脹時，可以利用從冷箱提取的作功能量將給料空氣在接近室溫條件下預壓縮，然后將其送往主熱交換器。例如，除了流體901是從管線102的部分給料空氣引出外，圖9顯示圖1工藝設計。該引出流體在壓縮機993內增壓，然后，用冷水冷卻(圖中未標出)并在主熱交換器內再冷卻，以提供流體904。該流體904以處理圖1流體104類似方式進一步處理。為驅動壓縮機993所需的作功能量來自冷箱中膨脹器。圖9表明，壓縮機993只由膨脹器103驅動。采用這種系統(tǒng)的優(yōu)點是，它可能從膨脹器提取更多的過量功，并因此可獲取更多的作功能量用于冷壓縮。管線901部分給料空氣流體增壓的一個替代方法是，可以首先在冷箱中溫熱要作功膨脹的其它工藝流體，在壓縮機如993中增加它們的壓力，在適當?shù)臒峤粨Q器中部分冷卻它們，然后將它們送到適當?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。下面舉例列出一些變換方法·本發(fā)明步驟(a)和(b)兩個膨脹器提取的全部功，可以用于冷箱之外，而本發(fā)明步驟(c)的冷壓縮機可以由電動機驅動。為此，或一個或兩個膨脹器可以是發(fā)電機，負載用以發(fā)電，或者是用溫熱壓縮機負載用以壓縮室溫或高于室溫的工藝流體。
·從一個膨脹器提取的全部功可以在冷箱之外回收，從第二個膨脹器提取的全部功則可以用于冷壓縮。這種情況，第二個膨脹器可以通過一個共同的軸與冷壓縮機直接連結，以便將膨脹流體的功直接傳遞給冷壓縮流體。例如圖1，膨脹器139可以直接與冷壓縮機115連結，于是冷壓縮機115只由膨脹器139驅動。這種情況，從膨脹器103提取的功提供冷箱的全部冷凍作用。若適合的膨脹器是103，而不是膨脹器139，可以直接與冷壓縮機115連結，那么膨脹器139就將提供工廠所需的冷凍作用。
·可以將兩個膨脹器與冷壓縮機直接連結。這種情況，兩個膨脹器會給出冷壓縮所需的至少一部分功。而且，至少一個膨脹器要在冷箱之外負載，以提供冷箱所需的冷凍作用。
·冷壓縮機與一個膨脹器直接連結，并用盡從該膨脹器提取的全部功。第二個膨脹器在冷箱之外負載，以便從該膨脹器提取的全部功在冷箱外面消耗掉?，F(xiàn)在考慮，從第二膨脹器提取的功超過冷箱冷凍需求的情況。這種情況，從第二膨脹器提取的過量功，可以經電動機幫助傳遞給冷壓縮機。
應當看到，對于實施該技術的那些實例，包含多個再沸騰器的單個蒸餾塔，可以分解成各有一個再沸騰器的多個塔。將一個多再沸騰器塔分解成多段的理由，通常是節(jié)省投資費用。如何利用多段低壓塔完成本發(fā)明的一個實例如圖10所示。圖10(a)是圖3所示工藝的簡化表示，為清楚起見，省略了幾處工藝管線和單元操作。圖10(a)表示的低壓塔，包含中間再沸騰器上部的三個蒸餾區(qū)，和下部的一個蒸餾區(qū)。圖10(b)中，中間再沸騰器下部蒸餾區(qū)和底部再沸騰器，已再裝成一個分立塔。由于高差必須添加一臺輸送泵。圖10(b)所示設計的優(yōu)點是，設備的高度較低了。圖10(c)中，上部包括再沸騰器的一段已再裝成一個分立塔。圖10(c)所示設計使設備高度最低。對大的蒸餾塔，降低設備高度是有利的，且得到節(jié)省的費用往往抵銷與添加輸送泵有關的投資款。
最后，當除了氧濃度低于99.5％低純度氧之外，還存在副產品時，可以采用本發(fā)明指出的方法。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。完成這個任務的一個方法是，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，然后靠對適當工藝流體熱交換而蒸發(fā)。類似地，在提高壓力下可以副產高純度氮制品流體。完成該任務的一個方法就是，從一個適當?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，然后靠對適當工藝流體熱交換使其蒸發(fā)。
本發(fā)明的價值在于它使能量消耗大大較低。將其與下列某些已知先有技術工藝進行比較，這一點就會得到證明。
·第一個先有技術工藝如圖11所示。這是一個常規(guī)復式塔工藝，帶有一個對LP塔的空氣膨脹器?？諝馀蛎浧鞯淖鞴δ芰孔鳛殡娔芑厥铡Ｈサ衾鋲嚎s機115、膨脹器139和再沸騰器/冷凝器394及其有關管線，圖11的工藝可以容易地從圖3工藝導出。
·第二個先有技術工藝是根據(jù)Erickson的PST/US87/011665(美國對等專利4,796,431)導出。為此，從圖2工藝去掉冷壓縮機115。也去掉空氣膨脹器103。因此，只留下一個膨脹器139提供工廠所需全部冷凍作用。根據(jù)Erickson的指導，膨脹器139的排料，在再沸騰器/冷凝器194內靠降壓的部分粗LOX流體136冷凝。冷凝的氮流體242作為回流送到LP塔，而再沸騰器/冷凝器194的沸騰側流體137和142也送到LP塔。
·第三個先有技術工藝也是由Erickson的PST/US87/011665(美國對等專利4,796,431)導出，且如圖12所示。該圖中，所有冷凍作用由HP塔頂部高壓氮的作功膨脹提供。因此，不采用如圖2膨脹器103那樣的任何空氣膨脹器。然而，HP塔高壓氮流體1254分成兩路流體1238和1255，且每一路按照圖2和3各自所述方法作功膨脹。于是，流體1238作功膨脹并進行如圖2流體238的類似處理，而流體1255作功膨脹并進行如圖3流體238的類似處理。從兩個膨脹器提取的過量功，以圖2和3所示方式用在冷壓縮機115中。
·除了冷壓縮機115之外，保留圖1所有東西，由圖1導出用于比較的第四個工藝。由此，膨脹器139和103兩者產生的功用于發(fā)電。在冷箱內不做任何流體的冷壓縮。
對在200磅/平方英寸絕對壓力條件下生產95％氧制品作出了計算。所有流程，主給料空氣壓縮機最后一級的排料壓力為約5.3bar絕對壓力。LP塔頂部壓力為約1.25bar絕對壓力。計算了凈動力消耗，方法是計算主給料空氣壓縮機、增壓器空氣壓縮機113為蒸發(fā)泵打液態(tài)氧消耗的動力，和任何膨脹器產生電力所供獻的動力。幾個流程圖的相對動力消耗列表如下
這些計算清楚表明，本發(fā)明工藝比情況1-3所采用的任何先有技術工藝都優(yōu)越得多。當比較情況4和5時，由于冷壓縮作用而得到的巨大好處變得明顯。這是因為這兩種情況之間，除了情況4沒采用冷壓縮而情況5采用冷壓縮之外，其流程所有特點都一樣。圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一種流程，特別與情況3(圖12)的先有技術工藝比較時表現(xiàn)出明顯的改進。如今，本發(fā)明的優(yōu)越性能十分清楚了。
盡管本文參照某些特殊實施方案進行描述，但并不意味著本發(fā)明限于已做出的詳細說明。更確切地說，詳細說明可做出的各種改進都在本權利要求書的等同范圍之內，且沒有離開本發(fā)明的思想。
權利要求
1．一種空氣在蒸餾塔系統(tǒng)內低溫蒸餾的方法，蒸餾塔系統(tǒng)包括至少一個蒸餾塔，其中在生產氧制品蒸餾塔底部的沸騰是通過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，其改進之處包括步驟(a)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求至少10％的作功能量，是由以下兩個方法中至少一個產生(1)作功膨脹氮含量等于或大于給料空氣的第一種工藝流體，然后冷凝至少部分膨脹流體，方法是對下述兩種液體中至少一種進行潛熱交換(ⅰ)生產氧制品蒸餾塔中間高度的一種液體；(ⅱ)該蒸餾塔給料液體之一，其氧濃度等于或優(yōu)選大于給料空氣氧濃度；和(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，方法是對至少一部分富氧液態(tài)流體進行潛熱交換，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氧制品蒸餾塔壓力，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；(b)作功膨脹第三種工藝流體，產生額外作功能量，使與步驟(a)一起產生的總功超過低溫廠總的冷凍需求，且如果第三個工藝系統(tǒng)與步驟(a)(1)中第一個工藝系統(tǒng)相同，則至少部分第三種工藝流體在作功膨脹后，沒有被步驟(a)(1)所述兩種液態(tài)流體任何一種所冷凝；和(c)利用超過蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產生的功，冷壓縮溫度低于室溫的工藝流體。
2．根據(jù)權利要求1的方法，其中采用至少一個包括較高壓力塔和較低壓力塔的復式塔系統(tǒng)。
3．根據(jù)權利要求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)權利要求2的方法，其中步驟(a)(1)中第一種工藝流體是，從至少部分給料空氣部分冷凝獲得的蒸氣。
6．根據(jù)權利要求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)來自較低壓力塔中間位置的液體。
7．根據(jù)權利要求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)，由至少部分給料空氣至少部分冷凝獲得的至少部分富氧液體。
9．根據(jù)權利要求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)給出產品。
11．根據(jù)權利要求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)權利要求2的方法，其中步驟(a)(2)第二種工藝流體是，由至少部分給料空氣部分冷凝獲得的蒸氣，且該蒸氣壓力低于較高壓力塔壓力。
15．根據(jù)權利要求2的方法，其中第二種工藝流體冷凝之前已急劇膨脹。
16．根據(jù)權利要求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)來自較低壓力塔中間位置的液體，且該液體蒸發(fā)之前用泵打。
17．根據(jù)權利要求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)從較高壓力塔引出的至少部分富氧液體。
18．根據(jù)權利要求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)，由至少部分給料空氣至少部分冷凝獲得的至少部分富氧液體。
19．根據(jù)權利要求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)給出產品。
21．根據(jù)權利要求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)權利要求2的方法，其中第三種工藝流體是，部分給料空氣。
23．根據(jù)權利要求2的方法，其中第三種工藝流體是，至少部分給料空氣部分冷凝后留下的蒸氣。
24．根據(jù)權利要求2的方法，其中第三種工藝流體最終送到或較低壓力塔，或較高壓力塔，或兩者。
25．根據(jù)權利要求2的方法，其中第三種工藝流體是，從較高壓力塔引出的蒸氣。
26．根據(jù)權利要求25的方法，其中從較高壓力塔引出的蒸氣要溫熱，膨脹后由冷箱排放。
27．根據(jù)權利要求25的方法，其中從較高壓力塔引出的蒸氣，膨脹后作為蒸氣給料最終送到較低壓力塔。
28．根據(jù)權利要求2的方法，其中從較高壓力塔引出的蒸氣，溫熱到接近室溫，并在冷箱外部壓縮，然后在膨脹之前冷卻并再引入冷箱。
29．根據(jù)權利要求2的方法，其中第三種工藝流體是，從較低壓力塔引出的蒸氣，且該蒸氣要溫熱，并在膨脹之后從冷箱排放。
30．根據(jù)權利要求2的方法，其中第三種工藝流體是，從較低壓力塔引出的蒸氣，且將該蒸氣溫熱到室溫并在冷箱外部壓縮，然后在膨脹之前冷卻并再引入冷箱。
31．根據(jù)權利要求2的方法，其中在步驟(c)要壓縮的工藝流體是，至少部分給料空氣。
32．根據(jù)權利要求31的方法，其中氧制品作為液體，從較低壓力塔引出且最終沸騰，而用于步驟(c)的給料空氣冷壓縮后，至少部分冷凝的方法是，對沸騰氧進行間接熱交換。
33．根據(jù)權利要求32的方法，用于步驟(c)的給料空氣，在冷卻及隨后的冷壓縮之前，也要溫熱壓縮。
34．根據(jù)權利要求2的方法，其中在步驟(c)要壓縮的工藝流體是，從較高壓力塔引出的蒸氣。
35．根據(jù)權利要求34的方法，其中氧制品作為液體，從較低壓力塔引出且最終沸騰，而用于步驟(c)的至少部分較高壓力塔蒸氣，在冷壓縮后至少部分冷凝的方法是，對沸騰氧進行間接熱交換。
36．根據(jù)權利要求34的方法，其中用于步驟(c)的較高壓力塔蒸氣，在冷壓縮之后溫熱到室溫，然后再壓縮。
37．根據(jù)權利要求36的方法，其中氧制品作為液體，從較低壓力塔引出且最終沸騰，而至少部分溫熱壓縮的較高壓力塔蒸氣冷卻后，至少部分冷凝的方法是，對沸騰氧進行間接熱交換。
38．根據(jù)權利要求34的方法，其中用于步驟(c)的較高壓力塔蒸氣，要溫熱到室溫然后壓縮，且至少部分隨后冷卻然后冷壓縮。
39．根據(jù)權利要求38的方法，其中氧制品作為液體，從較低壓力塔引出且最終沸騰，而冷壓縮的較高壓力塔蒸氣至少部分冷凝的方法是，對沸騰氧進行間接熱交換。
40．根據(jù)權利要求34的方法，其中用于步驟(c)的至少部分壓力較高塔蒸氣，構成富氮制品。
41．根據(jù)權利要求34的方法，其中用于步驟(c)的壓力較高塔蒸氣，冷壓縮之后，在位于較低壓力塔內的主沸騰器一冷凝器內至少部分冷凝。
42．根據(jù)權利要求2的方法，其中在步驟(c)要壓縮的工藝流體是，從較低壓力塔頂部引出的蒸氣，并構成富氮制品。
43．根據(jù)權利要求2的方法，其中在步驟(c)要壓縮的工藝流體是，較低壓力塔底部引出的蒸氣，并構成氧制品。
44．根據(jù)權利要求1的方法，其中步驟(a)采用的膨脹器，與步驟(c)采用的冷壓縮機直接連結。
全文摘要
本發(fā)明涉及空氣在蒸餾塔系統(tǒng)中低溫蒸餾的方法,其中在氧制品生產蒸餾塔底部的沸騰是通過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)蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求至少10%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生,和/或(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生;(b)作功膨脹第三工藝流體,產生額外作功能量;和(c)利用超過蒸餾塔系統(tǒng)冷凍需要所產生的功,冷壓縮溫度低于室溫工藝流體。
文檔編號F25J3/04GK1232165SQ99101340
公開日1999年10月20日 申請日期1999年1月21日 優(yōu)先權日1998年1月22日
發(fā)明者R·阿格拉沃, D·M·赫倫, 張燕屏 申請人:氣體產品與化學公司