專利名稱：生產(chǎn)氣體氧用深冷空氣分離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深冷空氣分離領(lǐng)域，具體講涉及生產(chǎn)氣體氧產(chǎn)品用深冷空氣分離。
當某具體用途需要大量氣體氧時，利用在深冷精餾設(shè)備中對空氣進行深冷精餾的方法生產(chǎn)氣體氧，并將其從所說設(shè)備直接用管道輸送到使用地點。空氣分離設(shè)備被設(shè)計成在某個穩(wěn)態(tài)條件下以最有效的方式運行。但是，使用地點可能需要數(shù)量波動很大的氣體氧來滿足這種變化狀態(tài)下的要求。
為了適應(yīng)深冷精餾設(shè)備的有效而穩(wěn)態(tài)運行的要求和與之相矛盾的使用地點對氣體氧需要量的很大波動要求，人們在淡季期采用氣體氧貯罐來貯存所生產(chǎn)的氣體氧，而在需求量大的時期可以將氣體氧從氧貯罐放出送到所用地點，用這種方法來減緩深冷空氣分離設(shè)備在運行速率上的波動，從而保持所說設(shè)備處于高運行效率之下。這種系統(tǒng)的一個問題是即使在高壓下貯存氣體氧，以這種方式也僅僅可以貯存有限量的氣體氧而不占用需要很高投資費的氣體氧貯罐用地。
以液體而不是以氣體形態(tài)貯存氧，可以克服備用氧貯存量受限制的缺點。但是，這種方法雖然解決了貯存量有限的缺點，但是卻有其自身的問題。一個問題是當將過量氧從深冷精餾設(shè)備以液態(tài)取出送入貯存罐時，該設(shè)備有很大的制冷損失;另一個問題是維持貯存的氧處于液態(tài)，需要向所說系統(tǒng)中輸入能量，但是在充分絕熱的貯罐中此問題相當次要。還有一個問題是需要額外的能量輸入來汽化液態(tài)氧成氣體氧產(chǎn)品。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種生產(chǎn)氣體氧用改進的深冷精餾系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能更充分地利用液態(tài)氧貯存方法來減輕或緩和深冷精餾設(shè)備運行速率上的波動，同時還能滿足對氣體氧產(chǎn)品用量波動很大的要求。
本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員閱讀本說明書后顯然明白本發(fā)明的上述目的和其它目的，本發(fā)明的內(nèi)容之一是一種深冷精餾原料空氣生產(chǎn)氣體氧的方法，包括(A)將原料空氣通入產(chǎn)品鍋爐中，用所說產(chǎn)品鍋爐中的液態(tài)氧通過間接熱交換冷凝進料空氣;
(B)將冷凝的原料空氣通入深冷精餾設(shè)備中生產(chǎn)液態(tài)氧;
(C)將在深冷精餾設(shè)備中生產(chǎn)的液態(tài)氧送入產(chǎn)品鍋爐中，以便進行原料空氣的冷凝，并從產(chǎn)品鍋爐中回收氣體氧產(chǎn)品;
(D)將在深冷精餾設(shè)備中生產(chǎn)的液態(tài)氧送入液氧貯罐，以生產(chǎn)儲備的液態(tài)氧;
(E)利用從液氧貯罐向產(chǎn)品鍋爐中通入液氧，增大向產(chǎn)品鍋爐輸送液氧的流量，同時相應(yīng)增大原料空氣向產(chǎn)品鍋爐中的流量，以生產(chǎn)過量的冷凝空氣;以及(F)將過量冷凝的原料空氣送入液態(tài)空氣貯罐，以生產(chǎn)儲備的液態(tài)空氣。
本發(fā)明的另一內(nèi)容包括一種生產(chǎn)氣體氧用深冷空氣分離設(shè)備，包括(A)產(chǎn)品鍋爐、向產(chǎn)品鍋爐供給原料空氣的裝置和從產(chǎn)品鍋爐向深冷精餾設(shè)備輸送液體的裝置;
(B)從深冷精餾設(shè)備向產(chǎn)品鍋爐輸送液體的裝置和從產(chǎn)品鍋爐回收氣體產(chǎn)品的裝置;
(C)液氧貯罐、從深冷精餾設(shè)備向液氧貯罐輸送液體的裝置和從液氧貯罐向產(chǎn)品鍋爐輸送液體的裝置;
(D)液體空氣貯罐、從產(chǎn)品鍋爐向液體空氣貯罐輸送液體的裝置和從液體空氣貯罐向深冷精餾設(shè)備輸送液體的裝置。
本文中使用的術(shù)語“產(chǎn)品鍋爐”，是指其中利用間接熱交換使液氧沸騰，同時使空氣蒸汽冷凝的一種熱交換器。
本文中使用的術(shù)語“柱”，是指蒸餾或精餾柱或區(qū)，即其中液相或汽相對流接觸實現(xiàn)流體混合物分離的接觸柱或區(qū)，例如以裝在所說柱中的一系列垂直相間的塔板或塔盤上，和/或在可以為有序和/或隨機填充料的填充元件上使汽相和液相接觸方式接觸。有關(guān)蒸餾柱的詳細討論，參見<化學(xué)工程題手冊>(第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，McGraw-Hill圖書公司，紐約)第13冊中，由B.D.Smith等人撰寫的“蒸餾”部分3-13頁上的“連續(xù)蒸餾過程”。使用術(shù)語“雙柱”是指按熱交換關(guān)系較高壓力柱的上端，與較低壓力柱的下端相連;有關(guān)雙柱的詳細介紹參見Ruheman著<氣體的分離>(牛津大學(xué)出版社，1949年)第Ⅶ章“空氣的工業(yè)分離”。
蒸汽和液體的接觸分離過程，取決于諸成分的蒸餾壓差。高蒸氣壓(或易揮發(fā)或低沸點)成分易于在氣相中富集，而低蒸氣壓(或難揮發(fā)或高沸點)成分易于在液相中富集。蒸餾是能夠采用加熱液體混合物在氣相中富集易揮發(fā)成分、在液相中富集難揮發(fā)成分的分離過程。部分冷凝是能夠利用冷卻蒸汽混合物在氣相中富集揮發(fā)性成分在液相中富集難揮發(fā)成分的分離過程。精餾或連續(xù)蒸餾，是將通過對流處理氣相和液相而產(chǎn)生的連續(xù)部分汽化和冷凝結(jié)合起來的分離過程。氣相和液相的對流接觸是絕熱的，而且可以包括相之間的整體接觸或微分接觸。利用精餾分離混合物原理的分離過程設(shè)備，常?？梢愿姆Q作精餾柱、蒸餾柱或分餾柱。深冷精餾，是一種至少部分在低溫下，例如在等于或低于125°K溫度下進行的精餾過程。
本申請使用的術(shù)語“間接熱交換”，指使兩種液流熱交換而無液流間的互相物理接觸或混合。
本申請使用的術(shù)語“氬柱”是指一種包含柱和頂冷凝器的系統(tǒng)，它處理含氬原料氣并且生產(chǎn)氬濃度高于原料氣中的產(chǎn)品。
唯一的附圖
是本發(fā)明深冷精餾系統(tǒng)中一種優(yōu)選方案的示意圖，其中深冷精餾設(shè)備包括一個雙柱及與之結(jié)合的氬柱。
本發(fā)明一般包括采用產(chǎn)品鍋爐來從液氧有效地產(chǎn)生氣體氧，同時在產(chǎn)品鍋爐和深冷精餾設(shè)備間使用液體空氣貯罐來同時減少從深冷精餾設(shè)備放出液氧引起的致冷損失和減緩操作速率波動的影響。
以下參照附圖詳細說明本發(fā)明。參看附圖，將除去CO2和水蒸汽等低沸點雜質(zhì)后的原料空氣100通入熱交換器101，用回流液間接熱交換法冷卻之。部分原料空氣113用部分通過熱交換器112的方法冷凝后，作為物流720的一部分被通入深冷空氣分離設(shè)備之中;另一部分原料空氣120被熱交換器122中的氬產(chǎn)品冷凝后，被通入深冷精餾設(shè)備的柱中。第三部分原料空氣103經(jīng)過汽輪驟冷器102被驟冷產(chǎn)生致冷作用，并將生成的汽輪驟冷物流104像其它兩部分原料空氣那樣通入空氣分離設(shè)備的柱105之中。
將占原料空氣100流量10-50%的部分原料空氣106送入產(chǎn)品鍋爐107中，在其中至少部分原料空氣被沸騰的液氧所間接熱交換冷凝。如果形成的原料空氣201中除液體外還包含蒸汽，則可以將物流201通入相分離器108中分成氣體和液體。氣體111用部分通過熱交換器112的方法冷凝后通入柱105中作為物流720的一部分。液體或被冷凝下的原料空氣109在熱交換器110中被液體氧間接熱交換所進一步冷卻，并將形成的物流699與物流720合并通入柱105之中。
柱105是雙柱深冷空氣分離設(shè)備的較高壓力的柱，通常在60-90磅/平方英寸絕壓(psia)壓力下運行。在柱105中，進入其中的原料被深冷精餾分離成富氮的氣體和富氧的液體。從柱105放出的物流117中的富氧液體，用部分通過熱交換器的方法加以進一步冷卻，然后通入氬柱132的頂冷凝器131中，在其中被冷凝的粗氬蒸氣所部分汽化。將從頂冷凝器131放出的氣體和殘留的液體分別作為物流202和203送入柱130之中。將來自柱105的富氮氣體作為物流204送入主冷凝器205中，在其中被再沸柱130底處的間接熱交換所冷凝。將形成的富氮液體206至少分成兩股物流118和207，將物流207返送入柱105中回流，而將物流118用部分通過熱交換器112的方式冷卻后送入柱130中。
將來自柱130的物流134(主要含氧和氬)送入氬柱132中，在其中用深冷精餾法分離成粗氬氣體和富氧液體，后者作為物流133被返送入柱130之中。粗氬氣體中氬濃度一般至少達95%，在頂冷凝中用富氧液體按上述方式冷凝。將形成的液體粗氬中一部分208返送到柱132中回流，同時將另一部分粗氬121通入熱交換器122中按上述方式汽化，并加以回收作為粗氬209。
柱130是雙柱空氣分離設(shè)備的較低壓力柱，其操作壓力比柱105低，一般處于17-30psia范圍內(nèi)。送入柱130中的各種原料在該柱中被深冷精餾分離成富氮液體和富氧液體。富氮氣體從柱130中以物流114放出后，通過熱交換器112和110使之溫熱，然后可以回收作為氣體氮產(chǎn)品流210。此氮產(chǎn)品氣的純度一般至少為99.99%。必要時可以從柱130中放出富氮液流119作為液氮產(chǎn)品。為了保證產(chǎn)品純度，在低于作柱130中放出物流114的位置下方某處，從柱130中放出廢氣流115，而使之通過熱交換器112和101溫熱后以物流211的形式從系統(tǒng)中排出。
富氧液體氧純度一般至少為99.5%，將其從柱130中以物流212放出，必要時使之通過泵140加壓到較高壓力。如果深冷精餾系統(tǒng)不含氬柱，則富氧液體可能有較低的最低氧純度，例如90或95%。然后使被加壓的液體氧流213作為物流141通過熱交換器110，接著送入產(chǎn)品鍋爐之中，使之在其中汽化以便進行原料空氣的上述冷凝。形成的氧流143經(jīng)過熱交換器101溫熱后，回收作為氧體氧產(chǎn)品流620。當直接將產(chǎn)品氣體氧送到使用地點時，回收所說的氣體氧包括將氣流620直接送到使用地點，例如煉鋼廠。
在氣體氧產(chǎn)品的需求量小于液體氧的生產(chǎn)速率期間內(nèi)，并不降低深冷空氣分離設(shè)備的運行速度，可以在該設(shè)計的速度下使該設(shè)備繼續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品并且可以將過量的液態(tài)氧通過物流116送入液氧貯罐650中用于產(chǎn)生備用的液氧。當氣體氧產(chǎn)品的需求量超過液氧的生產(chǎn)速率時，可以利用閥門600將貯罐650中的備用液體氧送入物流141中，用這種方法增加液氧向產(chǎn)品鍋爐流動的流量。為了平衡產(chǎn)品鍋爐107中的熱交換，隨著液氧流量的增加相應(yīng)增大輸入產(chǎn)品鍋爐107中的原料空氣流量，結(jié)果導(dǎo)致生產(chǎn)出過量冷凝空氣。
本發(fā)明將液態(tài)空氣貯罐和產(chǎn)品鍋爐結(jié)合起來。通過采用產(chǎn)品鍋爐汽化液態(tài)氧，就不必將大量熱能供入系統(tǒng)之中。由汽化液態(tài)氧產(chǎn)生的致冷作用被返送到深冷精餾設(shè)備中。按本發(fā)明產(chǎn)生過量液態(tài)空氣的情況下，將過量冷凝的原料空氣經(jīng)物流700送入液態(tài)空氣貯罐750之中，以便生產(chǎn)備用液態(tài)空氣;當需要保持深冷精餾設(shè)備的設(shè)計操作速率時，將備用的液態(tài)空氣經(jīng)由物流710和720送入柱105之中。雖然附圖中說明的貯罐650和750是單個貯罐，但是應(yīng)當想到這兩種貯罐之一或二者都可以是貯罐組。
本發(fā)明的一個重要內(nèi)容是液態(tài)空氣貯罐750。用管路將過度冷卻的液態(tài)空氣流699送入液態(tài)空氣貯罐750和柱105之中。調(diào)節(jié)物流700和710的流量，來維持向柱105送入所需的液態(tài)空氣720的用量。在穩(wěn)態(tài)下，液氧的附加流量600和液態(tài)空氣700向貯罐750的流量應(yīng)當是零。氣態(tài)氧需要量增加時，增加物流100、106、143、600和700的流量來滿足要求，同時其它設(shè)備的流量可以基本上維持不變。當氣體氧需要量減少后，將物流100、106和143的流量減小到稍低于其穩(wěn)態(tài)值的數(shù)值下，并且將物流600和700減少到零。向產(chǎn)品鍋爐107中輸入的空氣流106減小時，將降低從熱交換器110中放出的液態(tài)空氣流710流量。首先從貯罐750放出液態(tài)空氣流710以維持向柱105流入恒定量液態(tài)空氣720。增加流入貯罐650的液氧流116流量以維持恒定的柱條件。
氧流143的壓力，取決于空氣流106的壓力和流量、產(chǎn)品鍋爐107的設(shè)計和物流141的壓力?？梢允褂靡后w泵和/或?qū)Ｓ霉迊韺⑽锪?41的壓力提高到所需的水平。液氧產(chǎn)品可以直接送入貯罐650，或從產(chǎn)品鍋爐107中放出，經(jīng)熱交換器112過度冷卻之后由管道送到外部貯罐之中。
控制氣體氧物流143壓力的能力，是本發(fā)明的關(guān)鍵性優(yōu)點，尤其是使用產(chǎn)品氧壓縮機時更是如此。通過在產(chǎn)品鍋爐中汽化液態(tài)氧同時使高壓原料空氣冷凝的方式生產(chǎn)高壓氧氣。通常的空氣分離設(shè)備生產(chǎn)氧產(chǎn)品氣體的壓力，由柱操作壓力決定。為了提高產(chǎn)品氣壓力，必須在效率顯著損失的條件下提高整個柱系統(tǒng)的壓力。本發(fā)明能夠使額外的空氣壓縮機作業(yè)轉(zhuǎn)變成驟冷器102中的致冷作用，無需提高柱系統(tǒng)中的壓力。這樣一來，提高了柱系統(tǒng)中的凈液體生產(chǎn)量和消除了其中的物理限制，例如柱130中的壓力額定值。
液體氧貯罐750由于可以在無需強化柱操作的條件下通過從貯罐650額外送料來提高氣體氧產(chǎn)品的產(chǎn)量而進一步改善所說的過程。由于在氣體氧的瞬時產(chǎn)量、平均產(chǎn)量和致冷作用之間不再互相聯(lián)系而擴大了所說系統(tǒng)的操作范圍。液態(tài)空氣貯存可以使諸參數(shù)的以獨立地控制。液態(tài)空氣貯罐還更容易減少氧產(chǎn)品的排放，因為在有過量氧分子存在下可以獲得一種現(xiàn)成的致冷源。而具有貯罐的普通系統(tǒng)在貯罐裝滿時會要求排放掉過量的氧分子。
在高需求量期間為了提高設(shè)備的能力，優(yōu)選提高氧產(chǎn)品壓縮機的進料壓力，而不采用從貯罐中汽化液體增壓法。在低需求量期間，可以減小氧壓縮機的吸氣壓力來盡可能地減小能耗。在普通的空氣分離設(shè)備中，用減壓閥來降低氧產(chǎn)品物流的壓力。本發(fā)明的效率更高，因為它可以使物流100中的原料空氣壓力得到降低作為所需的氧壓力降。原料空氣壓力的下降低減小了能耗。
本發(fā)明的另一種有益應(yīng)用的情況是能量成本逐日有很大差別的場合。此時，可以用空氣提供產(chǎn)品鍋爐107中的氣體驅(qū)動力，并把液化的全部空氣送入貯罐750之中。在能量成本高的時期，送入產(chǎn)品鍋爐107中的氧原料142可以全部或大部分來自貯罐650。而當能量成本低的時期，可以增大空氣流量，并把蒸餾柱投入運行。來自貯罐750的液態(tài)空氣可以作為分子和致冷作用源供給柱130。在低能量成本時期的氧總產(chǎn)量，會顯著地高于平均需要量。當蒸餾柱105和130未運行時，就會在物流116中產(chǎn)生足夠量液氧產(chǎn)品供給熱交換器107。
雖然本發(fā)明是參照某個優(yōu)選方案加以詳細說明的，但是本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員會想到在權(quán)利要求的實質(zhì)和范圍內(nèi)有本發(fā)明的其它一些方案。
權(quán)利要求
1.一種深冷精餾原料空氣生產(chǎn)氣體氧的方法，包括(A)將原料空氣通入產(chǎn)品鍋爐中，用所說產(chǎn)品鍋爐中的液態(tài)氧通過間接熱交換冷凝進料空氣；(B)將冷凝的原料空氣通入深冷精餾設(shè)備中生產(chǎn)液態(tài)氧；(C)將在深冷精餾設(shè)備中生產(chǎn)的液態(tài)氧送入產(chǎn)品鍋爐中，以便進行原料空氣的冷凝，并從產(chǎn)品鍋爐中回收氣體氧產(chǎn)品；(D)將在深冷精餾設(shè)備中生產(chǎn)的液態(tài)氧送入液氧貯罐，以生產(chǎn)儲備的液態(tài)氧；(E)利用從液氧貯罐向產(chǎn)品鍋爐中通入液氧，增大向產(chǎn)品鍋爐輸送液氧的流量，同時相應(yīng)增大原料空氣向產(chǎn)品鍋爐中的流量，以生產(chǎn)過量的冷凝空氣；以及(F)將過量冷凝的原料空氣送入液態(tài)空氣貯罐，以生產(chǎn)儲備的液態(tài)空氣。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括將來自深冷精餾設(shè)備中的含氬流體送入氬柱，并從所說的氬柱回收氬濃度至少為95%的氬流體。
3.一種生產(chǎn)氣體氧用深冷空氣分離的設(shè)備，包括(A)產(chǎn)品鍋爐、向產(chǎn)品鍋爐供給原料空氣的裝置和從產(chǎn)品鍋爐向深冷精餾設(shè)備輸送液體的裝置;(B)從深冷精餾設(shè)備向產(chǎn)品鍋爐輸送液體的裝置和從產(chǎn)品鍋爐回收氣體產(chǎn)品的裝置;(C)液氧貯罐、從深冷精餾設(shè)備向液氧貯罐輸送液體的裝置和從液氧貯罐向產(chǎn)品鍋爐輸送液體的裝置;(D)液體空氣貯罐、從產(chǎn)品鍋爐向液體空氣貯罐輸送液體的裝置和從液體空氣貯罐向深冷精餾設(shè)備輸送液體的裝置。
4.權(quán)利要求3的深冷空氣分離設(shè)備，還包括氬柱、將來自深冷精餾設(shè)備的流體送入氬柱的裝置和從所說氬柱回收流體的裝置。
全文摘要
一種采用結(jié)合有液態(tài)空氣源的產(chǎn)品鍋爐的深冷空氣分離系統(tǒng)，借以使液態(tài)氧有效地汽化產(chǎn)生氣態(tài)氧，同時使所說的深冷空氣分離設(shè)備在穩(wěn)態(tài)下運行而不招致明顯的致冷作用損失。
文檔編號F25J3/04GK1075796SQ93101820
公開日1993年9月1日 申請日期1992年2月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月21日
發(fā)明者J·P·德雷 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司