專利名稱：制備氧的單膨脹器和冷壓縮機法的制作方法
技術領域：
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％。
有幾篇美國專利，教導有效制備純度低于99.5％的氧。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。因此對低壓塔的常規(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中額外氮量。為克服低壓塔下部蒸出物不足，主張改進低壓塔上部用液態(tài)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，其方法是，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。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，增加可用于啟動冷壓縮機的冷凍輸出，以便進一步提高氧輸送壓。
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操作設備的強制力導致過量流體通過膨脹器，和蒸餾系統(tǒng)產品回收率低，且在提高壓力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的工藝流體。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，隨后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，該平衡流體的流速，不能降低到低于某部分給料空氣流速。對于每單位產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制力，就能產生過量冷凍作用。該專利中，復式塔工藝的含氮占優(yōu)勢或含氧占優(yōu)勢的冷流體，是在一個膨脹器中膨脹。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計，是針對高壓塔頂部同低壓塔底部處于熱連接的常規(guī)復式塔工藝提出的。
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。在提高壓力條件下，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，以提供所需要的冷凍作用，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一步冷卻。至少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。這種情況下，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，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。結果，如在早先引用的美國專利No.4,072,0234,966,002和5,385,024，為產生作功能量而流過膨脹器的額外蒸氣需要量減少，且不需要過量的冷凍作用。
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利用這種過量冷凍作用(a)從冷箱制備更多的液態(tài)產品；(b)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。據認為，增加到高壓塔的流量，會使冷箱產品產率更高。
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)包括至少一個蒸餾塔，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。該方法包括如下步驟(a)超過蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量，是由以下三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，然后冷凝至少部分膨脹流體，其方法包括，對下述兩種液體中至少一種進行潛熱交換(ⅰ)氧制品生產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，且其壓力也大于氧制品生產蒸餾塔壓力，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1-6描繪了本發(fā)明不同實施方案的示意圖。在圖1-6中，相同的流體采用同一流體代號。
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)超過蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量，是由以下三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，然后冷凝至少部分膨脹流體，其方法是對下述兩種液體中至少一種進行潛熱交換(ⅰ)氧制品生產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，且其壓力也大于氧制品生產蒸餾塔壓力，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，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LP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，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。高壓富氮流體在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，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，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熱。作為粗LOX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。
現在參照圖1對本發(fā)明進行詳細說明。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。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)的方法是對適當加壓工藝流體進行熱交換，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的部分給料空氣。在LP塔底部的沸騰是通過冷凝管線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，在那至少部分再沸騰，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，在其進入LP塔之前要再冷卻。
操作膨脹器139，以便產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、蒸餾塔和有關的閥門、管道及其它設備都包圍在一個稱作冷箱的絕緣箱體中。既然箱體內部處于低溫狀態(tài)，就存在由周圍向冷箱的熱滲漏。離開冷箱的產品流體(如流體164和172)溫度也比給料空氣流體低。這導致因產品離開冷箱的熱焓損失。為使工廠運行，需要由冷箱提取出等量能量來平衡這兩種損失。通常，這種能量以作功能量方式提取。該發(fā)明中，膨脹器139的輸出功超過為保持冷箱處于冷凍平衡所必須提取的功。這種有意產生的額外功則用于冷壓縮冷箱內工藝流體。這種方法，額外功不離開冷箱且冷凍平衡得以保持。
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，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139產生的額外作功能量(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作為流體120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內經潛熱交換冷凝，產生流體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另一種變化如圖3所示，根據步驟(a)(1)采用作功膨脹。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所提出發(fā)明作出幾種變化。其中某些變化現在要作為另外的實例進行討論。
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已經靠適當工藝流體蒸發(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，不對冷壓縮空氣流體，而對HP塔的冷壓縮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在主熱交換器內部分溫熱(任選)，在484內冷壓縮，然后冷凝，其方法是靠蒸發(fā)來自泵171的液態(tài)氧進行潛熱交換。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，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。常常可以冷壓縮本發(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實例之間存在兩個差別。第一個差別是，HP塔196頂部所有高壓氮流體都經管線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根據本發(fā)明步驟(b)進行冷壓縮。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LP塔底部再沸騰器/冷凝器593內液體進行潛熱交換。這在LP塔底部提供所需的沸騰。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。在再沸騰器/冷凝器593內冷凝之前，管線552內冷壓縮氮流體可以部分冷卻，方法是對任何適宜的工藝流體進行熱交換。這些實例清楚說明，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工藝之間的第二個差別是，靠其產生冷凍的方法。如今根據步驟(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部分冷卻后，部分經管線504引出。管線504的這部分在膨脹器503內膨脹，并送到LP塔(流體505)。
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1-5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，很容易從已知技術引出許多這種實例。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，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)明工藝設計中，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品流體回收，或用于工藝設計的某些其它目的。例如圖2-3所示工藝設計中，高壓塔的至少部分高壓氮流體，是根據本發(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一個這些工藝流程回收。
當一部分給料空氣根據步驟(a)(3)作功膨脹時，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693內增壓，然后用水冷卻(圖中未標出)并在主熱交換器內再冷卻，以提供流體604。該流體604以處理圖5流體504類似方式進一步處理。為驅動壓縮機693所需至少部分作功能量，來自冷箱中膨脹器。圖6表明，壓縮機693只靠膨脹器603驅動。與圖5中系統(tǒng)比較，采用這種系統(tǒng)的優(yōu)點是，它有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601部分給料空氣流體增壓的一個可能替代方法是，首先溫熱要在冷箱中作功膨脹的另一工藝流體，在壓縮機如693中增加它的壓力，在適當的熱交換器中部分將其冷卻，然后將其送到適當的膨脹器。
有幾種方法將額外作功能量傳遞給冷壓縮機。為便于說明，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)的冷壓縮機可以由電動機驅動。為此，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連結。這種情況，膨脹器會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載，以提供冷箱所需的冷凍作用。
最終，當除了氧含量低于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。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，在提高壓力條件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，從一個適當的再沸騰器/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降低。比較圖2中有和沒有冷壓縮機115的工藝，就能證明這一點。
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。對所有流程，主給料空氣壓縮機最后一級的排放壓為約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，其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，和由膨脹器產生電功所供獻的動力。圖2工藝與同樣但無冷壓縮機115的工藝相比，其相對動力消耗為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。更確切的說，詳細說明可做出的各種改進都在權利要求等同的范圍內，且沒離開本發(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，其改進之處包括如下步驟(a)超過蒸餾塔系統(tǒng)全部冷凍需求的作功能量，是由以下三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，然后冷凝至少部分膨脹流體，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；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．根據權利要求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冷凝至少部分給料空氣獲得的蒸氣。
6．根據權利要求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)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．根據權利要求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．根據權利要求2的方法，其中第二種工藝流體冷凝之前已經作功膨脹。
16．根據權利要求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)前用泵打。
17．根據權利要求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)較高壓力塔引出的至少部分富氧液體。
18．根據權利要求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)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．根據權利要求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．根據權利要求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．根據權利要求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．根據權利要求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，對沸騰氧進行間接熱交換。
26．根據權利要求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，也要溫熱壓縮。
27．根據權利要求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．根據權利要求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，對沸騰氧進行間接熱交換。
29．根據權利要求27的方法，其中用于步驟(b)的較高壓力塔蒸氣，冷壓縮之后要溫熱到室溫，然后再壓縮。
30．根據權利要求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，而至少部分上述溫熱壓縮的較高壓力塔蒸氣，冷卻然后至少部分冷凝的方法是，對沸騰氧進行間接熱交換。
31．根據權利要求27的方法，其中用于步驟(b)的較高壓力塔蒸氣，溫熱到室溫然后壓縮，且至少部分隨后冷卻然后冷壓縮。
32．根據權利要求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，對沸騰氧進行間接熱交換。
33．根據權利要求27的方法，其中用于步驟(b)的至少部分較高壓力塔蒸氣，構成富氮制品。
34．根據權利要求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主再沸騰器/冷凝器中至少部分冷凝。
35．根據權利要求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，并構成富氮制品。
36．根據權利要求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，并構成氧制品。
37．根據權利要求1的方法，其中步驟(a)采用的膨脹器，同步驟(b)采用的冷壓縮機直接連結。
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。包括:(a)超過蒸餾塔系統(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生;和/或(3)作功膨脹一部分給料空氣產生;和(b)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。
文檔編號F25J3/04GK1233740SQ9910134
公開日1999年11月3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