專利名稱：氮的產(chǎn)生方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮的產(chǎn)生方法和設(shè)備，在這種方法中，使空氣在蒸餾塔中分離為富氮汽體和富氧液體餾分。具體地，本發(fā)明涉及這樣的方法和設(shè)備，其中的富氧液體在塔頂冷凝器中汽化后，被再次壓縮并重新引入塔內(nèi)，同時部分地膨脹作功，將這些功應(yīng)用于再壓縮。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的方法和設(shè)備，其中利用補(bǔ)充的致冷劑流，以增加可用以再壓縮汽化的富氧液體的膨脹功的數(shù)量。
現(xiàn)有技術(shù)中有許多方法和設(shè)備，將空氣在蒸餾塔中蒸餾，產(chǎn)生富氮汽體作為產(chǎn)物。在一種使用單個蒸餾塔的空氣分離方法和設(shè)備中，將空氣過濾、壓縮和純化后，在一主熱交換器中冷卻至適于其精餾的溫度。然后將這空氣引入至單個蒸餾塔內(nèi)分離為富氮汽體和富氧液體餾分。為了使蒸餾塔回流，使用一個塔頂冷凝器，在其中用富氧液體來使富氮汽體冷凝。而汽化的富氧液體被再壓縮并重新引入至蒸餾塔以提高氮的產(chǎn)量。這壓縮操作可在主熱交換器的溫端或冷端的溫度下進(jìn)行?？蓪⒁徊糠制母谎跻后w部分地加熱，然后令其膨脹作功。人們會想到把全部的這種膨脹功用來再壓縮汽化的富氧液體。但是，對于壓縮是在主熱交換器冷端的溫度下進(jìn)行的情形，產(chǎn)生的壓縮熱須在主熱交換器內(nèi)消散。最終結(jié)果將是不會產(chǎn)生凈致冷作用。于是很大一部分膨脹功必須通過一個耗能的制動器將其排出裝置之外。
一般來說，上述的這類裝置，以氣體作為全部產(chǎn)品。為了使產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為液體，氣體產(chǎn)品必須在分開的液化器中液化。這樣的液化不能不增加能耗。同時，如果要得到高純度的氮，液化所涉及的設(shè)備還會污染氮發(fā)生器所產(chǎn)生的高純氮。于是，如果這種液態(tài)氮要用于高純度的用途的話，必須在液化的下游提供對液氮的凈化。
如下文所述，本發(fā)明提供一種氮的產(chǎn)生方法和設(shè)備，其中有更多的膨脹功可應(yīng)用于壓縮，從而更有效地利用能量以提高液態(tài)氮的產(chǎn)量。而且，這種液態(tài)氮的產(chǎn)生無需使用下游的液化器。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)氮的方法，本方法包括將壓縮、純化的進(jìn)料空氣冷卻至適于進(jìn)行精餾的溫度。然后將該壓縮、純化的進(jìn)料空氣引入至蒸餾塔內(nèi)，產(chǎn)生高純度的富氮塔頂產(chǎn)物(本文與權(quán)利要求中的“高純度”指的是氧含量小于100ppb)，以及富氧液體作為塔底產(chǎn)物。至少一部分由富氮的塔頂產(chǎn)物構(gòu)成的富氮?dú)饬鞅焕淠?，而所得冷凝液的一部分被引回至蒸餾塔作為回流。而從所得冷凝液的剩余部分形成氮產(chǎn)品流。將一股循環(huán)氣流壓縮并冷卻至適合于進(jìn)料空氣進(jìn)行精餾的溫度。該循環(huán)氣流被引入至蒸餾塔內(nèi)以提高氮產(chǎn)品的回收率。一股致冷劑流膨脹作功，形成主致冷劑流。在主致冷劑流與壓縮的、純化空氣之間進(jìn)行間接熱交換。膨脹功的一部分被用來壓縮所述循環(huán)氣流。使一股補(bǔ)充致冷劑流汽化然后重新液化。該補(bǔ)充致冷劑流至少部分地通過與至少一部分富氮?dú)饬髦g的間接熱交換而汽化，從而幫助實(shí)現(xiàn)一部分富氮汽流的冷凝。在補(bǔ)充致冷劑流再液化之前，使所述補(bǔ)充致冷劑流與壓縮的純化空氣進(jìn)行間接熱交換，以增加可用以進(jìn)行壓縮的功，使它大于不加入補(bǔ)充致冷作用時所能得到的數(shù)量。這可增強(qiáng)壓縮作用，進(jìn)一步提高氮產(chǎn)物的回收率。
另一方面，本發(fā)明提供一種氮?dú)獍l(fā)生器。它裝有一個主熱交換裝置，將壓縮的、純化進(jìn)料空氣冷卻至適于進(jìn)行精餾的溫度。一個蒸餾塔連接于主熱交換裝置，將壓縮的、純化進(jìn)料空氣精餾，從而產(chǎn)生高純度的富氮塔頂產(chǎn)物以及富氧液體塔底產(chǎn)物。連接于蒸餾塔裝有一個塔頂冷凝器，用以將由富氮塔頂產(chǎn)物組成的富氮?dú)饬鞯闹辽僖徊糠掷淠?，并將冷凝液的一部分引回至蒸餾塔作為回流，而將冷凝液的剩余部分回收作為產(chǎn)物流。用一個壓縮機(jī)來壓縮循環(huán)氣流，在壓縮機(jī)和蒸餾塔之間插入主熱交換器，使循環(huán)流體冷卻至空氣進(jìn)行精餾的溫度，并引入至蒸餾塔內(nèi)，以提高氮產(chǎn)物的回收率。有一個渦輪膨脹器讓致冷劑流膨脹并作功，形成主致冷劑流。渦輪膨脹器連接于主熱交換器，使主致冷劑流與壓縮的純化空氣間接地進(jìn)行熱交換。有一個裝置將渦輪膨脹器與壓縮機(jī)耦合起來，使所作的功的一部分用以壓縮循環(huán)氣流。有一個補(bǔ)充致冷劑回路，用以循環(huán)在循環(huán)過程中汽化的補(bǔ)充致冷劑流。補(bǔ)充致冷劑回路包括塔頂冷凝器和主熱交換器。塔頂冷凝器的結(jié)構(gòu)是使得至少有一部分補(bǔ)充致冷劑流通過與至少一部分富氮汽流的間接熱交換而被汽化。主熱交換器的結(jié)構(gòu)也使補(bǔ)充致冷劑流與壓縮的純化空氣間接地進(jìn)行熱交換，以增加可用以進(jìn)行壓縮的功，使它大于不加入補(bǔ)充致冷作用時所能得到的數(shù)量。這將增加壓縮，并進(jìn)一步提高氮產(chǎn)物的回收率。補(bǔ)充致冷劑回路也包括處于主熱交換器與塔頂冷凝器之間的液化器，以將被汽化的補(bǔ)充致冷劑流重新液化。
增加了補(bǔ)充致冷劑流，可將更多的膨脹功用來壓縮汽化的富含液氧的流體，以便再引回至蒸餾塔內(nèi)。于是，對于給定供料率的空氣，可產(chǎn)生更多的氮，而且可有更多的氮作為液體從塔頂冷凝器回收。如以下所述，補(bǔ)充致冷劑流可以是氮流，它在主熱交換器內(nèi)將其補(bǔ)充致冷作用給予生產(chǎn)裝置。但是，由于這補(bǔ)充致冷劑流離開主熱交換器時并無很高的壓降，再液化所需的能量要比將汽化的氮流用不結(jié)合在裝置內(nèi)的液化器單獨(dú)液化時所需的少。因此，可比現(xiàn)有技術(shù)節(jié)約能量而產(chǎn)生更多的液態(tài)氮。而且，由于可在本發(fā)明的氮產(chǎn)生器中發(fā)生高純度的氮，而液化器是通過間接熱交換而結(jié)合在裝置中的，對產(chǎn)品不會產(chǎn)生污染；如果液化器是裝在氮發(fā)生器下游用來液化氮產(chǎn)物的，就可能會發(fā)生污染。
說明書后的權(quán)利要求書清楚地指出了申請人認(rèn)為是其發(fā)明的內(nèi)容，但參照附圖將可更好地理解本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明的氮發(fā)生器的示意圖；圖2是裝在圖1所示氮發(fā)生器中的氮液化器的示意圖；參看圖1，圖中顯示了本發(fā)明的氮發(fā)生器1。將空氣過濾去除塵埃微粒后壓縮，然后純化去除二氧化碳和水。隨后，空氣在主熱交換器11內(nèi)冷卻成適合進(jìn)行精餾的溫度下的空氣流10?？諝饬?0被引入至蒸餾塔12，該蒸餾塔的結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生一種富氧液體作為塔底產(chǎn)物以及一種高純度富氮汽體作為塔頂產(chǎn)物。
由富氮汽體產(chǎn)生富氮?dú)饬?4。富氮?dú)饬?4的一部分16在塔頂冷凝器18中冷凝，產(chǎn)生冷凝的液流20。該冷凝液流的一部分22再被引回至蒸餾塔12。另一部分(在圖中所示的實(shí)施例中是冷凝液流20的剩余部分)作為液體產(chǎn)物流23被引出，這產(chǎn)物流在送去貯藏前最好先在輔助冷卻單元24中冷卻，然后再用膨脹閥26進(jìn)行閥膨脹。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會想到，圖示實(shí)施例的一種可能的變化方式是產(chǎn)物流包括富氮?dú)饬?4的另一部分。
富氧液流28在輔助冷卻單元30中冷卻，然后通過膨脹閥32膨脹至足夠低的溫度，以便將上述富氮?dú)饬?4的一部分16冷凝。富氧液流28在膨脹后被引入到塔頂冷凝器18內(nèi)，產(chǎn)生汽化的富氧液流34。
汽化的富氧液流的一部分36在循環(huán)壓縮器38內(nèi)被重新壓縮，然后在主熱交換器11的11B區(qū)內(nèi)冷卻至蒸餾塔12的溫度。此時經(jīng)壓縮的、汽化的富氧液流被再引入至蒸餾塔12中。汽化的富氧液流34的剩余部分40被加溫至一中間溫度，該溫度高于進(jìn)行空氣精餾的溫度。這也發(fā)生在主熱交換器11的11B區(qū)內(nèi)。該富氧液流的剩余部分40形成一股致冷劑流，它在渦輪膨脹器42中膨脹，產(chǎn)生主致冷劑流44。渦輪膨脹器42耦合于壓縮機(jī)38。膨脹功的一部分通過消耗能量的制動器46或可能是一個發(fā)電機(jī)消耗掉，膨脹功的其余部分則用來為壓縮機(jī)38供給功率。主致冷劑流44在輔助冷卻單元30中加溫，然后再在主熱交換器11中完全加溫，在該處作為廢料排出裝置之外。
應(yīng)注意本發(fā)明的實(shí)施方式中，可以在塔底以上的某個部分引出一股液流，然后，在其使用于蒸餾過程而汽化之后，將它重新壓縮，冷卻并再引入至蒸餾塔內(nèi)。此外，本發(fā)明并不限于其中有由汽化的塔底液體形成的致冷劑流的氮發(fā)生裝置。
由下文將要說明的氮液化單元(圖中標(biāo)為NLU)提供一股補(bǔ)充致冷劑流48。補(bǔ)充致冷劑流48的一部分50在塔頂冷凝器18內(nèi)汽化，然后在輔助冷卻單元30中進(jìn)一步加溫。隨后它被引入至主熱交換器11中，在其中被充分加溫，然后送回至氮液化單元中。本發(fā)明的另一種可能的實(shí)施方式是補(bǔ)充致冷劑流在塔頂冷凝器18內(nèi)部分汽化，然后在主熱交換器11內(nèi)完全汽化。
這樣就給氮產(chǎn)生器1提供了補(bǔ)充致冷作用。輸入的補(bǔ)充致冷劑流的剩余部分51在閥52內(nèi)進(jìn)行閥膨脹，然后在相分離器54內(nèi)進(jìn)行相分離，產(chǎn)生液流56。液流56對液體產(chǎn)物流23進(jìn)行輔助冷卻。由補(bǔ)充致冷劑分離出來的汽相構(gòu)成的汽流58與流56合并起來，作為流59返回至氮液化單元。
參看圖2，圖中顯示了本發(fā)明的氮液化單元2。補(bǔ)充致冷劑流48的一部分50與循環(huán)流60和氣流59合并起來，氣流59先按下文所述方式加溫。所得到的合并起來的氣流在壓縮單元62中被再壓縮，形成壓縮的氣流64。壓縮熱用后冷卻器66使之從壓縮氣流64中排出。然后將壓縮氣流64引入第一輔助壓縮機(jī)68，而壓縮熱用第一后冷卻器70使之排出。再把壓縮氣流64引入第二輔助壓縮機(jī)72，壓縮熱通過第二后冷卻器74排出壓縮氣流64之外。此后，壓縮氣流64的主要部分在熱交換器76內(nèi)冷卻，并通過閥77進(jìn)行閥膨脹至液化，產(chǎn)生補(bǔ)充致冷劑流48。
在壓縮氣流64在熱交換器76內(nèi)部分地冷卻之后，從該氣流64中分出一附屬氣流78。附屬氣流78在連接于第二輔助壓縮機(jī)72的第一渦輪膨脹器80之內(nèi)膨脹。在分出附屬氣流78之后，壓縮氣流64進(jìn)一步冷卻，再由它分出附屬氣流84。附屬氣流84在第二渦輪膨脹器86內(nèi)膨脹，該膨脹器在低于第一渦輪膨脹器80的溫度運(yùn)行。第二渦輪膨脹器86連接于第一輔助壓縮機(jī)68。所得的膨脹后的氣流88然后在熱交換器76內(nèi)部分地加溫，并與膨脹后的氣流82合并成為循環(huán)流60。循環(huán)流60在與進(jìn)入液化單元2的補(bǔ)充致冷劑流48的一部分50合并之前先在主熱交換器76內(nèi)充分加溫。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，雖然上面參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明作了說明，但可在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下作出各種變化、增加和刪減。
權(quán)利要求
1.一種制備氮的方法，該方法包括將經(jīng)壓縮的純化進(jìn)料空氣冷卻至適合精餾的溫度；將所述經(jīng)壓縮的純化進(jìn)料空氣引入蒸餾塔，產(chǎn)生高純度的富氮塔頂產(chǎn)物與富氧液體塔底產(chǎn)物；使由上述富氮塔頂產(chǎn)物構(gòu)成的富氮?dú)饬鞯闹辽僖徊糠掷淠⑺美淠旱囊徊糠忠胫了龅恼麴s塔作為回流；從所得冷凝液的剩余部分形成氮產(chǎn)物流；壓縮一股循環(huán)流，使該循環(huán)流冷卻至所述溫度，并將其引入至所述蒸餾塔以提高所述氮產(chǎn)物的回收率；使致冷劑流膨脹作功，形成主致冷劑流，并使該主致冷劑流與所述經(jīng)壓縮的純化空氣和所述循環(huán)流進(jìn)行間接熱交換；將一定數(shù)量的上述膨脹功用于所述對循環(huán)氣流的壓縮；使補(bǔ)充致冷劑流汽化然后重新液化；所述補(bǔ)充致冷劑流通過與所述富氮流的至少一部分進(jìn)行間接熱交換而至少部分地汽化，從而幫助實(shí)現(xiàn)所述一部分富氮?dú)饬鞯睦淠?；以及在所述補(bǔ)充致冷劑流重新液化之前，使該補(bǔ)充致冷劑流與所述經(jīng)壓縮的純化空氣和循環(huán)流進(jìn)行間接熱交換，以增加可用以進(jìn)行所述壓縮的所述膨脹功的數(shù)量，使其大于不加入補(bǔ)充致冷作用時所能獲得的數(shù)量，從而進(jìn)一步提高所述氮產(chǎn)物的回收率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于由所述蒸餾塔中引出一股所述富氧液體流，進(jìn)行閥膨脹，并與所述富氮?dú)饬鬟M(jìn)行間接熱交換，以幫助使該富氮?dú)饬鞯闹辽僖徊糠掷淠瑥亩纬梢还善母谎趿?；所述循環(huán)氣流是由所述汽化的富氧流的一部分形成的；以及所述致冷劑流是由所述汽化的富氧液流的剩余部分形成的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征還在于所述補(bǔ)充致冷劑流通過與所述富氮塔頂產(chǎn)物的間接熱交換而完全汽化。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征還在于所述補(bǔ)充致冷劑流是通過在兩個溫度水平下壓縮該補(bǔ)充致冷劑流和使該補(bǔ)充致冷劑流膨脹而液化的。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征還在于所述氮產(chǎn)物包含所述冷凝液的一部分，并且分為兩股產(chǎn)物流；其中一股產(chǎn)物流通過與所述經(jīng)壓縮的純化空氣進(jìn)行間接熱交換而汽化；另一股產(chǎn)物流通過與由所述補(bǔ)充致冷劑流的一部分所組成的附屬流的間接熱交換而被部分冷卻；以及所述附屬流在液化之前先與所述補(bǔ)充致冷劑流的剩余部分合并起來。
6.一種氮發(fā)生器，它包括主熱交換器，其結(jié)構(gòu)是使經(jīng)壓縮的純化進(jìn)料空氣冷卻至適合于精餾的溫度；連接于上述主熱交換器的蒸餾塔，用以精餾所述經(jīng)壓縮的純化進(jìn)料空氣，產(chǎn)生高純度富氮塔頂產(chǎn)物和富氧液體塔底產(chǎn)物；連接于上述蒸餾塔的塔頂冷凝器，用以冷凝由所述富氮塔頂產(chǎn)物構(gòu)成的富氮?dú)饬鞯闹辽僖徊糠?，并將所得冷凝液的一部分引回至蒸餾塔內(nèi)作為回流，而將所得冷凝液的剩余部分作為產(chǎn)物流排出裝置之外；一個壓縮機(jī)，用以壓縮循環(huán)氣流；所述主熱交換器置于所述壓縮機(jī)與所述蒸餾塔之間，使所述循環(huán)流冷卻至所述溫度，并引入至蒸餾塔中，以提高所述氮產(chǎn)物的回收率；一個渦輪膨脹器，用以使致冷劑流膨脹并作功，形成主致冷劑流；所述渦輪膨脹器連接于所述主熱交換器，使主致冷劑流與經(jīng)壓縮的純化空氣進(jìn)行間接熱交換；將所述渦輪膨脹器與所述壓縮機(jī)相互耦合的裝置，使一定數(shù)量的所述膨脹功用于進(jìn)行所述循環(huán)氣流的壓縮；以及一補(bǔ)充致冷劑回路，用以環(huán)流在環(huán)流過程中汽化的補(bǔ)充致冷劑流，所述補(bǔ)充致冷劑回路包括，所述塔頂冷凝器，該塔頂冷凝器的結(jié)構(gòu)是使得所述補(bǔ)充致冷劑流通過與所述富氮?dú)饬鞯闹辽僖徊糠值拈g接熱交換而至少部分地汽化，所述主熱交換器，該主熱交換器的結(jié)構(gòu)也是使得補(bǔ)充致冷劑流與所述經(jīng)壓縮的純化空氣進(jìn)行間接熱交換，從而增加可用于所述壓縮的所述膨脹功的數(shù)量，使它大于不加入補(bǔ)充致冷作用時所能獲得的數(shù)量，從而進(jìn)一步提高所述氮產(chǎn)物的回收率，和一個液化器，它置于所述主熱交換器與所述塔頂冷凝器之間，用以使所述補(bǔ)充致冷劑流在汽化之后重新液化。
7.如權(quán)利要求6所述的氮發(fā)生器，其特征在于它還包括所述塔頂冷凝器，其結(jié)構(gòu)也可使所述富氧液流發(fā)生間接熱交換；一個膨脹閥，置于所述塔頂冷凝器與所述蒸餾塔之間，用以使所述富氧液流進(jìn)行閥膨脹，從而形成汽化的富氧流；所述壓縮機(jī)和渦輪膨脹器連接于所述塔頂冷凝器，使所述循環(huán)氣流包含所述汽化的富氧液流的一部分，而所述致冷劑流包含該汽化的富氧液流的其余部分。
8.如權(quán)利要求6所述的氮發(fā)生器，其特征還在于補(bǔ)充致冷劑流液化器包括具有在兩個不同溫度水平運(yùn)行的兩個渦輪膨脹器的一個氮液化器。
全文摘要
一種在單塔氮發(fā)生器中通過分離空氣而產(chǎn)生氮的方法和裝置。通過作為塔底產(chǎn)物的富氧液流的汽化而使富氮汽體冷凝形成回流。汽化的富氧流在循環(huán)壓縮機(jī)中被部分地重新壓縮、冷卻并再引回至蒸餾塔，以提高氮的產(chǎn)率。汽化的富氧流也部分地膨脹并作功。膨脹功被用于進(jìn)行壓縮。用一個氮液化單元產(chǎn)生的補(bǔ)充致冷劑流可使氮以液體形式回收，并增加可用于壓縮的膨脹功的數(shù)量。
文檔編號F25J3/04GK1163386SQ96123269
公開日1997年10月29日 申請日期1996年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月18日
發(fā)明者J·P·瑙莫維茲 申請人:波克股份有限公司