專利名稱：帶有再沸器壓縮機(jī)的雙純氧發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是在只需少量高純氧時可從同一空氣分離設(shè)備中高效而經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出兩種不同純度的氧。本發(fā)明還提供了一種在只需生產(chǎn)主要為低純氧的設(shè)備上生產(chǎn)少量粗氬產(chǎn)品的方法。上述目的與以COREX鋼生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)的新型地面煉鋼廠(new grass-roots steel mills)的需求一致。
以往，就從同一設(shè)備中生產(chǎn)兩種不同純度的氧而言有兩種常用的可供選擇的方案。一種方案是建兩套獨(dú)立的低溫裝置，每一套裝置用于一種純度。這種方案使投資增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另一種方案是使整個設(shè)備都用于高純產(chǎn)品，此方案需要一臺排氣壓力與高純氧壓力一樣的主空氣壓縮機(jī)。用于大部分空氣只需升至與所生產(chǎn)的低純氧壓力相同的較低壓力，因此，此方案的能源利用率不高。
用于生產(chǎn)低純氧的一些有效設(shè)備在文獻(xiàn)中已經(jīng)公開。美國專利US-A-4702757號；US-A-4704148號和US-A-4936099號都描述了一些采用多個再沸器、冷凝器的有效工藝循環(huán)。但是，這些循環(huán)中沒有一種循環(huán)包括生產(chǎn)純度高于95％的氧產(chǎn)品的一部分的副產(chǎn)品。
美國專利5515833描述了一種循環(huán)，在該循環(huán)中用來自壓縮擴(kuò)展裝置的部分已膨脹的氣體使雙再沸器低壓(“LP”)塔的底部再沸器再沸騰。在該循環(huán)中，為了生產(chǎn)兩種產(chǎn)品采用了一種組合式雙塔。將送入流程的全部空氣壓縮到所具有的壓力足以使膨脹機(jī)排出的氣體能使低壓塔的下部再沸器中的高純氧再蒸發(fā)的程度。將來自高壓(“HP”)塔頂部的高壓氮流送至位于低純氧抽取位置上方的中部再沸器。該流程不能獲得非常高的氧回收率，尤其不能獲得氮，因?yàn)樵诘蛪核南虏吭俜衅髦行枰淠罅靠諝庖员闫玫礁呒兒偷图儦鈶B(tài)氧產(chǎn)品，而且用于蒸餾的所有蒸汽流均在低純氧上方抽取。需在低壓的下部再沸器中冷凝的大量空氣減少了液氮回流量并對氧回收率產(chǎn)生不良影響。此外，相對于純氧來說，大部分空氣需要在較高壓力下被冷凝，這就增大了能耗，從而浪費(fèi)了壓縮能。這種流程迫使低壓塔的尺寸適用于全部空氣輸入，從而給制造和運(yùn)輸帶來困難。
美國專利5515833號還公開了一種在兩種氧產(chǎn)品抽取位置之間與主塔相連的氬側(cè)臂塔。這個輸入位置要求從側(cè)臂塔輸入中除去氮。但是它設(shè)置了一個輸入氬濃度非常低(氬含量低于4％)的流體的側(cè)臂塔。與側(cè)臂塔輸入流含氬范圍在9％-14％相比，這種蒸餾要困難得多。由于輸入側(cè)臂塔的氬的濃度低，對于給定氧回收率而言，氬的回收率很低。
顯然，為了高效且操作方便地生產(chǎn)高純氧和低純氧，需要更有效的循環(huán)。
本發(fā)明涉及含氮和氧的物流的低溫蒸餾以用于有效地生產(chǎn)至少兩種純度等級的氧。第一種產(chǎn)品是含氧量低于97％(但通常含氧量高于80％)的低純氧流，第二種產(chǎn)品是含氧量高于97％、最好含氧量高于99.5％的高純氧產(chǎn)品流。按照本發(fā)明，通過采用生產(chǎn)低純氧的高效的工藝流程并對該流程進(jìn)行改進(jìn)可獲得高效率。該高效工藝流程包括至少一個蒸餾塔，在該塔中對原料流進(jìn)行蒸餾，以便從底部生產(chǎn)出低純氧，從預(yù)部生產(chǎn)出富氮流，該塔的底部有一個再沸器，在該再沸器中為使蒸餾塔沸騰使適當(dāng)?shù)墓I(yè)生產(chǎn)液流冷凝。按照本發(fā)明，或者從第一塔的底部(在底部再沸器的位置上)或者從低純氧抽取位置和送入側(cè)支路塔頂部的位置的上方的一些分離級之處抽取氧濃度等于上述輸入流的氧濃度的液體流。借助于適當(dāng)?shù)墓I(yè)生產(chǎn)流體使側(cè)支路塔的底部沸騰，并從該側(cè)支路塔的底部抽取高純氧產(chǎn)品。將來自側(cè)支路塔頂部的蒸汽回流到第一塔，最好在抽取液體輸入流的相同分離高級的位置上回流。
當(dāng)需要?dú)甯碑a(chǎn)品時，可在產(chǎn)生高純氧的側(cè)支路塔的適當(dāng)位置上連接一個氬側(cè)臂塔，即，將從側(cè)支路塔的中部位置輸入的蒸汽送至氬側(cè)臂塔，以便從氬側(cè)臂塔的頂部生產(chǎn)氬。同時從該塔的底部抽取液流回流到側(cè)支路塔。
本方法的優(yōu)點(diǎn)是可使在高純氧的高溫下蒸發(fā)保持最小。在產(chǎn)生低純氧的位置上所提供的熱量很多。這可以大大節(jié)省能量。
就最寬范圍而言，本發(fā)明提供一種在蒸餾系統(tǒng)中對已壓縮的原料空氣流進(jìn)行低溫蒸餾的工業(yè)生產(chǎn)液流程，上述蒸餾系統(tǒng)包括一個生產(chǎn)低純氧(低于97％)產(chǎn)品流和富氮流的低純塔，上述塔具有一個底部再沸器，在該再沸器中適當(dāng)?shù)牡谝还I(yè)生產(chǎn)液流被冷凝，以使該塔沸騰，其特征在于從蒸餾系統(tǒng)中抽取氧濃度至少等于送入低純塔的流體的氧濃度的富氧流，并使之在高純塔中精餾以提供高純氧產(chǎn)品流(高于97％)，上述高純塔的塔底餾出物再沸器的熱量由適當(dāng)?shù)牡诙晒に囈毫鞯睦淠饔锰峁┑?。上述第二工業(yè)生產(chǎn)流流的壓力高于第一工業(yè)生產(chǎn)液流的壓力。
通常，上述低純氧產(chǎn)品流含有80％以上的氧，最好含氧量至少為90％。上述高純氧產(chǎn)品流最好至少含99.5％的氧。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，上述蒸餾系統(tǒng)包括一個高壓塔和低壓塔，以及(a)將上述經(jīng)壓縮的原料空氣的至少一部分送入高壓塔，在該塔中，原料空氣被精餾成高壓氮塔頂餾出物和高壓粗液氧塔底餾出物；(b)將上述高壓粗液氧塔底餾出物的至少一部分送入低壓塔，在該塔中，高壓粗液氧塔底餾出物被精餾成低壓氮塔頂餾出物和低壓液氧塔底餾出物；(c)使上述高壓氮塔頂餾出物的至少一部分冷凝，并將已冷凝的高壓氮塔頂餾出物的至少一部分作為回流返送到高壓塔；(d)通過底部再沸器使低壓液氧塔底餾出物的至少一部分沸騰，在該再沸器中使適當(dāng)?shù)牡谝还I(yè)生產(chǎn)液流冷凝；(e)從低壓塔中抽取低純氧產(chǎn)品流；(f)從蒸餾系統(tǒng)中抽取氧濃度至少等于高壓粗液氧塔底餾出物的氧濃度的富氧流，并將其送入高純塔中，在該塔中，上述富氧流被精餾成貧氧頂部餾出物蒸汽和高純液氧塔底餾出物；(g)借助于被壓縮到高于使低壓塔蒸發(fā)的第一工藝流的壓力的適當(dāng)?shù)牡诙に嚵鞯睦淠锿ㄟ^底部再沸器使高純液氧塔底餾出物的至少一部分蒸發(fā)；(h)從高純塔中抽取高純氧產(chǎn)品流。
送入高純塔中底部再蒸發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品液流是進(jìn)一步壓縮的已壓縮原料空氣的一部分。可將這種經(jīng)壓縮的原料空氣部分的至少一部分送入高壓塔和/或低壓塔。
此外，送入高純塔的底部再蒸發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)液流可以是進(jìn)一步被壓縮的高壓氮頂部餾出物的至少一部分。
可以從低壓塔、通常從低壓塔塔釜抽取富氧流，最好在與抽取上述富氧流基本相同的位置上將上述貧氧頂部餾出物蒸汽返回到低壓塔。
此外，可以從高壓塔中抽取富氧流，其適合作為高壓粗液氧塔底餾出物的一部分?？梢詮牡蛪核槿≌羝?，上述抽取位置低于將高壓粗液氧塔底餾出物送入低壓塔的位置，并在低于富氧流被送入高純塔的位置上將上述蒸汽流送入高純塔。
提供低壓塔底部沸騰的工業(yè)生產(chǎn)液流可以是高壓氮頂部餾出物或已壓縮的原料空氣的至少一部分。在上述工業(yè)生產(chǎn)液流是已壓縮的輸入空氣的一部分時，可將所生成的已冷凝的原料流的至少一部分送至高壓塔和/或低壓塔。如果使低壓塔再沸騰的高壓氮頂部餾出物未被冷凝，可以使上述頂部餾出物在低壓塔的中間位置被冷凝。
如上所述，可以在一個氬塔中將從高純塔中部位置抽取的富氬蒸汽流分離，以便生產(chǎn)氬產(chǎn)品流和被送回至高純塔的液態(tài)貧氬流。
當(dāng)高壓氮頂部餾出物在低壓塔的中部位置被冷凝時，可從低壓塔的中間位置上方的位置上抽取適當(dāng)?shù)母谎趿?，并使從高純塔中部位置抽取的富氬蒸汽液在氬塔中分離，以便產(chǎn)生氬產(chǎn)品流和被送回到高純塔的液態(tài)貧氬流。
可通過蒸發(fā)高壓粗液氧塔底餾出物的一部分使來自氬塔的氬頂部餾出物冷凝，并將已蒸發(fā)的高壓粗液氧塔底餾出物送至低壓塔和/或高純塔。
可將經(jīng)壓縮的空氣輸入的一部分送至低壓塔，或者將上述已壓縮的空氣輸入的一部分進(jìn)一步壓縮到高于送至高壓塔的主壓縮空氣輸入部分的壓縮，并將進(jìn)一步壓縮的輸入空氣部分的至少一部分送至高壓塔和/或送至低壓塔。
可將已冷凝的高壓氮頂部餾出物的至少一部分作為回流送至低壓塔。也可將全部已冷凝的高壓氮頂部餾出物作為回流送至高壓塔，并與從高壓塔抽出的一股支流一同返回到低壓塔?？蓪⑸鲜龈坏Я鞯囊徊糠炙椭粮呒兯?。
如果沒有使全部高壓氮頂部餾出物冷凝，則可將剩余部分作為產(chǎn)品回收。
為了至少部分地蒸發(fā)上述已壓縮空氣輸入部分，可通過低純氧產(chǎn)品流與送入高壓塔的經(jīng)壓縮的空氣輸入流的部分對流而使低純氧產(chǎn)品流蒸發(fā)。
可以分別從低壓塔和高壓塔由取低純氧產(chǎn)品液體流和高純氧產(chǎn)品流液體，為了生產(chǎn)一定壓力的氧產(chǎn)品，在上述氧產(chǎn)品與主壓縮空氣流進(jìn)行熱交換之前用泵使之增壓。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)低純氧和高純氧產(chǎn)品的設(shè)備，該設(shè)備按權(quán)利要求1的工藝通過低溫蒸餾經(jīng)壓縮的空氣輸入流生產(chǎn)出上述產(chǎn)品，該設(shè)備包括(i)一個用于對已壓縮的空氣原料進(jìn)行精餾的蒸餾系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括一個生產(chǎn)低純(低于97％)氧產(chǎn)品流和富氮流的低純塔；(ii)一個在上述低塔內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵饕允沟图兯序v的底部再沸器；
(iii)將上述第一工藝流送入上述再沸器的裝置；(iv)用于從該設(shè)備中抽取低純氧產(chǎn)品流的裝置；其特征在于該設(shè)備還包括(v)一個用于精餾含氧濃度至少等于為提供高純(高于97％)氧產(chǎn)品流的輸入流的含氧濃度的富氧流的高純塔；(vi)從蒸餾系統(tǒng)中抽取富氧流和將其送至高純塔的裝置；(vii)一個在上述高純塔中用于冷凝適當(dāng)?shù)牡诙に嚵饕允垢呒兯序v的底部再沸器；(viii)在高于提供給低純塔再沸器的第二工藝流的壓力下將第二工藝流送入高純塔再沸器的裝置；以及(ix)從該設(shè)備中抽取高純氧產(chǎn)品流的裝置。
在設(shè)備方面的一個優(yōu)選實(shí)施例中，該蒸餾系統(tǒng)包括(1)一個用于將已壓縮空氣流的至少一部分精餾成高壓氮頂部餾出物和高壓粗液氧塔底餾出物的高壓塔；(2)一個將上述高壓粗液氧塔底餾出物精餾成低壓氮頂部餾出物和低壓液氧塔底餾出物的低壓塔；(3)將上述高壓粗液氧底部餾出物的至少一部分送入低壓塔的裝置；(4)用于冷凝上述高壓氮頂部餾出物的至少一部分及將已冷凝的高壓氮頂部餾出物的至少一部分作為回流返回到高壓塔的裝置；(5)一個在低壓塔內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵饕允沟蛪核序v的底部再沸器；(6)將上述第一工藝流送入上述再沸器的裝置；(7)從該設(shè)備中抽取低純氧產(chǎn)品流的裝置；(8)一個用于將富氧流精餾成貧氧頂部餾出物蒸汽和高純液氧塔底餾出物的高純塔；(9)從上述蒸餾系統(tǒng)中抽取富氧流及將其送入高純塔的裝置；(10)一個在高純塔內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡诙に嚵饕允垢呒兯序v的底部再沸器；(11)在高于提供給低壓塔再沸器的第二工藝流的壓力下將第二工藝流送入高純塔再沸器的裝置；以及
(12)從該設(shè)備抽取高純氧產(chǎn)品流的裝置。
下面結(jié)合本發(fā)明現(xiàn)有的優(yōu)選實(shí)施例的附圖僅用舉例的方法對本發(fā)明進(jìn)行描述，其中

圖1示出了本發(fā)明的第一個實(shí)例(基本實(shí)施例)；圖2示出了本發(fā)明的第二實(shí)例，該實(shí)施例中采用了一個用于低純氧產(chǎn)品的液氧(LOX)汽化蒸發(fā)器；圖3示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例，該實(shí)施例中為了生產(chǎn)高壓氧和氮產(chǎn)品采用了幾臺液體泵；圖4示出了本發(fā)明的第四實(shí)施例，該實(shí)施例是圖2實(shí)施例的簡化情況，其中省去了上述液氧汽化蒸發(fā)器；圖5示出了本發(fā)明的第五實(shí)施例，該實(shí)施例是圖2實(shí)施例的改型，其中加了一個粗氬側(cè)臂塔(Sidearm column)；圖6示出了本發(fā)明的第六實(shí)施例，該實(shí)施例是圖3實(shí)施例的改型，例中加入了一個粗氬側(cè)臂塔并有與低壓(LP)塔分開的側(cè)支路塔(Sideleg Column)；圖7示出了本發(fā)明的第七實(shí)施例，該實(shí)施例是圖6實(shí)施例的改型，其中低壓塔既與側(cè)臂塔相連又與側(cè)支路塔相連。
在所有的附圖中，相同或等效的部件用相同的標(biāo)號表示。
下面結(jié)合圖1對本發(fā)明的基于內(nèi)容進(jìn)行描述。簡而言之，采用了包括一個高壓(HP)塔(15)、一個低壓塔(25)和一個側(cè)支路塔(23)的系統(tǒng)，從低壓塔(25)的底部可獲得低純氧產(chǎn)品(95％的氣態(tài)氧)。從側(cè)支路塔(23)的底部可獲得高純氧產(chǎn)品(99.5％的氣態(tài)氧)，在上述側(cè)支路塔中，使來自低壓塔(25)底部的液流(35)蒸餾，并借助于已升壓的原料空氣(10)的一部分(21)使液流汽化。將從側(cè)支路塔(23)的頂部流出的蒸汽(37)送回到低壓塔(25)的底部。
更詳細(xì)地說，從前端純化系統(tǒng)(1)流出的清潔、干燥的壓縮空氣(10)被分成三股流(11，12，13)。第一股原料空氣流(11)被直接送至主熱交換器(14)，在該熱交換器中，原料空氣被冷卻至接近露點(diǎn)溫度，然后作為氣流(11′)被送至高壓塔(15)。第二股原料空氣流(12)經(jīng)壓縮擴(kuò)展裝置(17)的壓縮機(jī)端(16)流至主熱交換器(14)，從該熱交換器中作為支流(18)抽出，并經(jīng)壓縮擴(kuò)展裝置(17)的膨脹器端(19)流到低壓塔(25)。壓縮擴(kuò)展裝置(17)向上述循環(huán)提供冷量。第三股原料空氣流(13)經(jīng)低壓空氣升壓壓縮機(jī)(20)流入主熱交換器(14)，在該熱交換器，此股氣流被冷卻到接近其露點(diǎn)溫度。生成的冷卻流(21)被送至高純塔或側(cè)支路塔(23)底部的再沸騰器(22)，以使該股流在上述支路塔中再沸騰。從上述再沸騰器(22)流出的液化空氣(24)被送至高壓塔(15)。
此外，可使部分或全部液化空氣(24)過冷并送至低壓塔(25)，而不送至高壓塔(15)。
高壓塔(15)提供和以產(chǎn)生在高壓塔底部的富氧液流(粗液氧)(26)的空氣初始餾份和在高壓塔頂部的高壓氮?dú)饬?27)。上述粗液氧流(26)的含氧量通常大于30％，更經(jīng)常的是大于35％。此股流(26)在過冷卻器(29)中與來自低壓塔(25)頂部的低壓氮?dú)饬?28)逆向流動而被過冷，然后減壓并被送至低壓塔(25)的中部。加熱后的低壓氮?dú)饬?28′〕在被排至大氣(廢氣)或作為副產(chǎn)品流回收之前在主熱交換器(14)中被進(jìn)一步加熱。
從高壓塔(15)頂部流出的高壓氮?dú)?27)至少大部分流(30)被送至低壓塔(25)底部的再沸器(31)。從再沸器(31)流出的已冷凝的氮流被分成兩股分流(32，33)，一股分流(32)用作高壓塔(15)的回流，另一股分流(33)在過冷卻器(29)中被冷卻，然后用作低壓塔(25)的回流。
從高壓塔(15)頂部抽取的氣態(tài)氮流(27)的部分流(34)在主熱交換器(14)中被加熱，以便產(chǎn)作為產(chǎn)品氣(GAN)被回收。如果不需要產(chǎn)品氮，可將抽出的全部高壓氮流(27)送至再沸器(31)。但是，若需要大量產(chǎn)品氮，通常從低壓塔(25)中抽取更有效。
如果需要純度非常高的氮產(chǎn)品(含氧量級為ppm)，用不純的液氮作為低壓塔(25)的回流更有效。在這種情況中，可將從再沸器(31)流出的全部已冷凝的氮流送至高壓塔(15)的頂部，并從高壓塔(15)頂部下方的不同高度處抽取分流(圖中未示出)，在送至低壓塔(25)之前經(jīng)過冷卻器(29)冷卻后作為低壓塔(25)的回流。
從低壓塔(25)的塔釜抽出低純液氧流(35)送入側(cè)支路塔(23)的頂部。上述低純液氧被蒸餾，并與被送入再沸器(22)中已冷卻的第三股原料空氣流(21)逆向流動而再沸騰。高純氧氣流(36)從側(cè)支路塔(23)的塔釜上方流出，并被送至主熱交換器(14)，從該熱交換器中作為產(chǎn)品氣[99.5％的氣態(tài)氧(GOX)]被回收。從側(cè)支路塔(23)流出的貧氧塔頂餾出物蒸汽流(37)正好在低壓塔塔釜上方被回送至低壓塔(25)。由于送入側(cè)支路塔(23)的液體(35)從低壓塔(25)中抽出的位置在粗液氧流(26′)的下方，液體(35)中的氧濃度大于粗液氧流(26′)中的氧濃度。
從低壓塔(25)底部抽出的低純氧產(chǎn)品流(38)流入主熱交換器(14)中，從該熱交換器中作為產(chǎn)品(95％的氣態(tài)氧)被回收。
在圖1中，設(shè)有一臺用以壓縮第三股原料空氣流(13)的單獨(dú)的升壓器(20)，上述第三股原料空氣流(13)常在側(cè)支路塔(23)的底部的熱交換器(22)中再沸騰。然而，上述第三股原料空氣流(13)也可以在壓縮擴(kuò)展裝置(17)的壓縮機(jī)端(16)升壓。
圖2的實(shí)施例與圖1實(shí)施例的不同之處在于從低壓塔(25)中抽取低純氧流(38)作為液流，并在液氧汽化蒸發(fā)器210中與第一股已冷卻的原料空氣流(11)的一部分(215)逆向流動而再沸騰；再沸器(31)重新置于低壓塔(25)的中部；以及流入已冷卻的原料空氣流(212)的另一再沸器(211)位于低壓塔(25)的下部。下面僅對兩個系統(tǒng)的不同之處進(jìn)行描述。
抽取已冷卻的第一股原料空氣流(11′)的主要部分作為分流(212)并送至位于低壓塔(25)中的底部再沸器(211)。將從上述再沸器(211)流出的已冷凝的空氣(213)送入高壓塔(15)的中部。
已冷卻的第一股原料空氣流(11′)的剩余部分(較多部分)(215)與來自低壓塔(25)的低純液氧產(chǎn)品(38)在液氧汽化蒸發(fā)器(210)中進(jìn)行上熱交換而被部分冷凝。再將所生成的兩相原料空氣流(214)送至高壓塔(15)的底部。
如果需要，可以使已冷凝的空氣(213)在上述兩相空氣流(214)進(jìn)入高壓塔(15)的相同地方流入高壓塔而不在高壓塔中部進(jìn)入該塔。這種安排使結(jié)構(gòu)簡單，但效率比送入中點(diǎn)的情況差一些。
可使從空氣輸入再沸器(22，211)流出的部分或全部液空在過冷卻器(29)中冷卻，并送入低壓塔(25)而不送入高壓塔(15)。
將從高壓塔頂部流出的至少大部分高壓氮?dú)?27)送入再沸器(31)，與圖1的系統(tǒng)相比，該再沸器重新安置在低壓塔(25)的中部。
將從低壓塔(25)塔釜抽出的、通過靜壓頭使壓力略有增加的低純液氧流(38)送入液氧汽化蒸發(fā)器(210)。借助于已冷卻的第一股空氣流(215)使氧流(38)沸騰，然后使之在主熱交換器(14)中加熱，以便作為產(chǎn)品(95％的氣態(tài)氧)回收。上述液氧汽化蒸發(fā)器(210)提高了低純氧蒸汽的壓力，從而降低了壓縮功。
圖3的實(shí)施例與圖2不同之處在于通過壓縮機(jī)310提供第二股原料空氣流(12)的壓力，將從壓縮擴(kuò)展裝置(17)的膨脹機(jī)端(19)的排出流(311)送入高壓塔(15)，而不送入低壓塔(25)；向低壓塔(25)和/或高壓塔(15)提供附加空氣流(312/313，312/314)；抽取已冷凝的高壓氮流(315)作為最終氣態(tài)產(chǎn)品(GAN)而不送入的低壓塔(25)；省去了液氧汽化蒸發(fā)器；從側(cè)支路塔(23)抽取高純氧產(chǎn)品流(36)作為液體；用液體泵(316，317，318)泵出低純氧流(38)、高純氧流(38)和氮產(chǎn)品流(33)，以便生產(chǎn)出具有壓力的氧產(chǎn)品和氮產(chǎn)品；用從高壓塔(15)中出的側(cè)流(319)作為低壓塔(25)的回流。下面只對兩個系統(tǒng)的不同之處進(jìn)行描述。
將抽取分流(212)后剩余的已冷卻的第二股原料空氣流(11′)的一部分(215)直接送入高壓塔(15)的底部。
在高壓增壓空氣壓縮機(jī)(310)中壓縮第二股原料空氣流(12)，并使之分成兩路分流(312，320)。主要含有壓縮空氣的大股分流(312)流入主熱交換器(14)，使之在該熱交換器中冷凝，用以蒸發(fā)液體產(chǎn)品。如圖3所示，可將液態(tài)空氣(314)的一部分送入高壓塔(15)，其它部分(313)在過冷卻器(29)中冷卻并送入低壓塔(25)。當(dāng)然，也可將全部液空送入高壓塔(15)或低壓塔(25)。
使從增壓壓縮機(jī)(310)流出的小股空氣分流(320)流入壓縮擴(kuò)展裝置(17)的壓縮機(jī)端(16)，再在主熱交換器(14)中部分冷卻之后將其送入壓縮擴(kuò)展裝置(17)的膨脹機(jī)端(19)，以便產(chǎn)生設(shè)備所需的冷量。上述膨脹機(jī)輸出流(311)與已冷卻的第一股原料空氣流部分(215)混合，再送入高壓塔(15)的底部。也可以從升壓壓縮機(jī)(310)的中間級抽出壓縮擴(kuò)展裝置輸入，而不象圖3所示那樣從增壓壓縮機(jī)的排出流中抽出。
最好只使第二股原料空氣分流(320)簡單地膨脹而不使其壓縮、膨脹。在這種情況中可省去壓縮擴(kuò)展裝置(17)，并將部分已冷卻的分流(320)從主熱交換器(14)送至取代壓縮擴(kuò)展裝置(17)的膨脹機(jī)端(19)的膨脹機(jī)中。
用一臺共用的增壓壓縮機(jī)代替兩臺增壓壓縮機(jī)(20，310)也是有利的。在這種情況下，可以從共用的增壓壓縮機(jī)中或從共用的增壓壓縮機(jī)輸出的產(chǎn)品中抽取側(cè)支路塔(23)再沸騰所需的已壓縮的第三股空氣流(13)作為支流。
可從高壓塔(15)頂部以下的不同高度處抽取不純回流的支流(319)，使之在過冷卻器(29)中冷卻并送入低壓塔(25)的頂部(流319′)。
從高壓塔(15)的頂部抽取的高壓氮流(27)在中間再沸器(31)中被冷凝，并將已冷凝的高壓氮流分為回流(32)和產(chǎn)品流(33)。產(chǎn)品流(33)在主熱交換器(14)中蒸發(fā)之前由液體泵(318)泵出，以便作為氣態(tài)氮產(chǎn)品(GAN)回收。
從低壓塔(25)塔釜抽取的低純液氧流(38)在經(jīng)主熱交換器(14)蒸發(fā)之前也可由液體泵(316)泵出，以便作為低純氣態(tài)氧產(chǎn)品(95％GOX)回收。
與此類似，從側(cè)支路塔(23)流出的高液氧流(36)在經(jīng)主熱交換器(14)蒸發(fā)之前可由液體泵(317)泵出，以便作為高純氣態(tài)氧產(chǎn)品(99.5％GOX)回收。
在圖3的實(shí)施例中，經(jīng)過液體泵和在主熱交換器(14)中蒸發(fā)的產(chǎn)品(產(chǎn)品氣，95％的氣態(tài)氧，99.5％的氣態(tài)氧)不一定全部回收?？梢允垢魉械囊簯B(tài)產(chǎn)品和氣態(tài)產(chǎn)品任意混合。
圖4所示實(shí)施例是圖2實(shí)施例的簡化形式，在該實(shí)施例中省去了液氧汽化蒸發(fā)器(210)，并將已冷卻的第一股原料空氣流(11′)的(大)部分(215)直接送入高壓塔(15)的底部。從低壓塔(25)塔釜抽出的低純氧產(chǎn)品流(438)為氣體而不是液體。
圖5所示實(shí)施例與圖2實(shí)施例的不同之處在于從側(cè)支路塔(23)送入和回流的位置在中間再沸器(31)的上方的低壓塔(25)的位置處，并增加了一個氬側(cè)臂塔(510)。下面僅對兩個系統(tǒng)的不同之處進(jìn)行描述。
圖5中，從低壓的中部、中間再沸器(31)的上方抽取送入側(cè)支路塔(23)的原料流(35)而不是象圖2中那樣從低壓塔(25)的塔釜抽出。此外，也可從中間再沸器(31)下方、低壓塔(25)塔釜上方抽取送至側(cè)支路塔(23)的原料流(35)。最好將從側(cè)支路塔(23)的頂部的蒸汽流(37)在低壓塔(25)的上述同一位置送回到低壓塔。從塔(23)的底部抽取或者為氣體(如圖2)或者為液體(如圖3)的高純氧產(chǎn)品流(36)。
從側(cè)支路塔(23)中部、上述塔蒸汽中含氮量低的位置上抽取富氬蒸汽流(511)。在上述富氬蒸汽流(511)中氮濃度通常低于1％，優(yōu)選低于0.5％，最好低于100ppm。富氬流(511)在粗氬塔或側(cè)臂塔(510)中進(jìn)一步蒸餾。該塔所產(chǎn)生的產(chǎn)品大部分為氫，可以含4％或低于1ppm的氧，氧含量的多少取決于塔中的級數(shù)。如果需要，可用任一種合適的純化器將支流(511)進(jìn)一步純化。從側(cè)臂塔(510)底部抽取貧氬液流(512)送回到側(cè)支路塔(23)的中部，最好在抽取蒸汽支流(511)的相同位置處送回到側(cè)支路塔中部。借助于在再沸器(514)中使過冷的粗液氧流(crude LOX)的一部分(513)沸騰，可使側(cè)臂塔(510)頂部的氬冷凝。將汽化的粗液氧流(粗氣態(tài)氧，515)在合適的位置處送入低壓塔(25)。從側(cè)臂塔(510)頂部回收部分氬流作為氬產(chǎn)品流。上述氬產(chǎn)品流最好是再沸器(514)中已冷凝流的一部分(520)。
圖6所示的實(shí)施例與圖3實(shí)施例的不同之處在于側(cè)支路塔(23)與低壓塔(25)斷開，并附加一座氬側(cè)臂塔(510)。下面僅對兩個系統(tǒng)的不同之處進(jìn)行描述。
在圖6中，將過冷的富氮不純回流(319)的一部分(610)送至側(cè)支路塔(23)的頂部，而不是從低壓塔(25)中抽取，并將送入低壓塔(25)的粗液氧流回路(26)的過冷流的一部分(611)送至側(cè)支路塔(23)的中部。
從側(cè)支路塔(23)流出的蒸汽流(612)是貧氧廢氣，將其與從低壓塔(25)頂部流出的貧氧廢氣(28)混合。
從側(cè)支路塔(23)底部抽取或者為液體(如圖3所示)或者為氣體(如圖2所示)的高純氧產(chǎn)品(36)。
從側(cè)支路塔(23)中部、塔蒸汽中含氮量低的位置上抽取富氬蒸汽流(511)。在上述富氬蒸汽流(511)中氮濃度通常低于1％，優(yōu)選低于0.5％，最好低于100ppm。上述富氬流(511)在側(cè)臂塔(510)中進(jìn)一步蒸餾。該塔所產(chǎn)生的產(chǎn)品大部分為氬，含氧量呆為4％或低于1ppm，含氧量的多少取決于塔中的級數(shù)。如果需要，可用任一種合適的純化器將上述支流(511)進(jìn)一步純化?？蓪碜詡?cè)臂塔(510)底部的貧氬液流(512)送回到側(cè)支路塔(23)的中部，最好在抽的上述蒸汽流(511)的相同位置處送回到側(cè)支路塔中部。借助于在再沸器(514)中使過冷的粗液氧流的一部分(513)沸騰，可使側(cè)臂塔(510)頂部的氬冷凝。將汽化的粗液氧流(粗氣態(tài)氧，613)在合適的位置處送入側(cè)支路塔(23)?；厥諒脑俜衅?514)流出的冷凝的氬流的一部分(520)作為氬產(chǎn)品流。
在圖6所示流程的一些其它變型中，可以從送至低壓塔(25)的粗液氧流(26)下方的一級中抽出蒸汽流，并在低于汽化的粗液氧(613)的輸入處的位置將上述蒸汽流送入側(cè)支路塔(23)。
圖7所示實(shí)施例與圖6實(shí)施例的不同之處在于將來自側(cè)臂塔(510)頂部的已汽化的粗液氧流(713)送至低壓塔(25)，并在低于上述送入低壓塔之處的位置上從低壓塔(25)抽出蒸汽流(711)送至側(cè)支路塔(23)。
在上述所有實(shí)施例中，都可以用氮而不用空氣使側(cè)支路塔再沸騰。例如，不用第三股原料空氣流(13)，而使氮產(chǎn)品流(GAN)在低壓升壓器壓縮機(jī)(20)中被壓縮。使上述經(jīng)壓縮的氮產(chǎn)品流在主熱交換器(14)中冷卻到低溫后，將其送入側(cè)支路塔(23)的再沸騰器(22)中。可將所生成的冷凝氮送入高壓塔(15)的任一合適位置上。
在所有的實(shí)施例中，從初始端(1)輸入的空氣壓力只需和待汽化的低純氧的壓力一樣高。該壓力與雙再沸器循環(huán)的低壓一致。只需將產(chǎn)生側(cè)支路氧的那部分空氣壓縮到汽化高純氧所需的壓力。與將全部空氣用于產(chǎn)生高純氧的一些循環(huán)和美國專利5515833號所公開的循環(huán)相比，本發(fā)明的循環(huán)減小了壓縮功。
本發(fā)明的這種新循環(huán)還可減小低壓塔(25)的尺寸。如果象圖6所示那樣將側(cè)支路塔(23)斷開，由于不必對全部空氣流進(jìn)行純化，低壓塔(25)的總體直徑可以更小。由于大的主塔(15，25)不再生產(chǎn)高純氧，本發(fā)明還可減少需要很大的直徑的那些級的數(shù)目。
由于從側(cè)支路塔(23)的中點(diǎn)抽出流(511)送入側(cè)臂塔(510)，該股流是富氬流(通常含氬6-22％，最好含9-15％)。與一開始就需要送入極貧的氬流(通常含氬量小于4％)的美國專利5515833號所公開的循環(huán)相比，本發(fā)明不僅簡化和縮短了側(cè)臂塔，而且氬的回收率也高得多。
權(quán)利要求
1.一種在蒸餾系統(tǒng)(15，25)中低溫蒸餾已壓縮的原料空氣流(10)的工藝，上述系統(tǒng)包括一個生產(chǎn)低純(低于97％)氧產(chǎn)品流(38)和富氮流(28)的低純塔(25)，該塔(25)有一個下部再沸器(31；211)，適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵?30，212)在該再沸器中被冷凝以使此塔(25)沸騰，其特征在于從蒸餾系統(tǒng)(15，25)中抽取氧濃度至少等于送入低純塔(25)中的物流(26’)的氧濃度的富氧流(35；611)，并使之在高純塔(23)中精餾，以提供高純(高于97％)氧產(chǎn)品流(36)，上述高純塔的底部餾出物再沸器的熱量由適當(dāng)?shù)牡诙晒に嚵?21)的冷凝物提供的，上述第二工藝流(21)的壓力高于上述第一工藝流(30，212)。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，上述蒸餾系統(tǒng)包括一個高壓塔(15)和一個低壓塔(25)，其特征在于(a)將上述經(jīng)壓縮的原料空氣(10)的至少一部分(11)送入高壓塔(15)，在該塔中原料空氣(11)被精餾成高壓氮塔頂餾出物(27)和高壓粗液氧塔底餾出物(26)；(b)將上述高壓粗液氧塔底餾出物(26)的至少一部分送至低壓塔(25)，在該塔中，高壓粗液氧塔底餾出物(26)被精餾成低壓氮塔頂餾出物(28)和低壓液氧塔底餾出物；(c)使上述高壓氮塔頂餾出物(27)的至少一部分(30)冷凝(31)，并將已冷凝的高壓氮塔頂餾出物的至少一部分(32)作為回流返送到高壓塔(15)；(d)通過底部再沸器(31；211)使低壓液氧底部餾出物的至少一部分沸騰，在該再沸器中適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵?30；212)被冷凝；(e)從低壓塔(25)中抽取低純氧產(chǎn)品流(38)；(f)從蒸餾系統(tǒng)(15，25)中抽取氧濃度至少等于高壓粗液氧底部餾出物(26)的氧濃度的富氧流(26；35)，并將其送入高純塔(23)中，在該塔中，上述富氧流被精餾成貧氧頂部餾出物蒸汽(37)和高純液氧底部餾出物；(g)借助于被壓縮到高于使低壓塔(15)蒸發(fā)的第一工藝流(30，212)的壓力的適當(dāng)?shù)牡诙に嚵?21)的冷凝物通過下部再沸器(22)使高純液氧底部餾出物的至少一部分蒸發(fā)；(h)從高純塔(23)中抽取高純氧產(chǎn)品流(36)。
3.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中送入高純塔(23)下部再沸器(22)的工藝流是進(jìn)一步被壓縮(20)的已壓縮的原料空氣(10)的至少一部分。
4.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中送入高純塔(23)下部再沸器(22)的工藝流是進(jìn)一步被壓縮(20)的高壓氮頂部餾出物(27)的至少一部分。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的工藝，其中從低壓塔(25)中抽取富氧流(35)。
6.如權(quán)利要求5所述的工藝，其中在與抽取上述富氧流(35)基本相同的位置上將上述貧氧頂部餾出物蒸汽(37)返回到低壓塔(25)。
7.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的工藝，其中從上述低壓塔(25)的塔釜抽取富氧流(35)。
8.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的工藝，其中上述富氧流(611)是高壓粗液氧底部餾出物(26)的一部分。
9.如權(quán)利要求8所述的工藝，其中在抽取位置低于將高壓粗液氧底部餾出物(26)送入低壓塔的位置上從低壓塔(25)抽取蒸汽流(711)，并在低于將富氧流(611)送入高純塔的位置上將上述蒸汽流送入高純塔(23)。
10.如權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)所述的工藝，其中送入低壓塔底部再沸器(211)的工藝流是已壓縮的原料空氣(10)的一部分，上述高壓氮頂部餾出物(27)的至少一部分(30)的冷凝物是在低壓塔(25)的中間位置的再沸器(31)中。
11.如權(quán)利要求10所述的工藝，其中在中部再沸器(31)上方的位置上從低壓塔(25)中抽取富氧流(35)，從高純塔(23)的中間位置抽取的富氬蒸汽流(511)在氬塔(510)中被分離以生產(chǎn)氬產(chǎn)品流和返送到高純塔(23)的液態(tài)貧氬流(512)。
12.如包括權(quán)利要求2所限定的蒸餾系統(tǒng)的權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的工藝，其中將全部冷凝的高壓氮頂部餾出物(27)作為回流送入(30)高壓塔，用從高壓塔(15)中抽取的側(cè)流(319)返送到低壓塔(25)中。
13.如權(quán)利要求12所述的工藝，其中將富氮分流(319)的一部分(610)送入高純塔(23)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝用低溫蒸餾已壓縮的空氣原料流(10)生產(chǎn)低純氧和高純氧產(chǎn)品的設(shè)備，該設(shè)備包括(i)一個用于對已壓縮的空氣原料(10)進(jìn)行精餾的蒸餾系統(tǒng)(15，25)，此系統(tǒng)包括一個生產(chǎn)低純(低于97％)氧產(chǎn)品流(38)和富氮流(28)的低純塔(25)；(ii)一個為使低純塔(25)沸騰設(shè)置在上述低純塔(25)內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵鞯南虏吭俜衅?31；211)；(iii)將上述第一工藝流送入上述再沸器的裝置(27，30；11，212)；(iv)用于從該設(shè)備中的抽取低純氧產(chǎn)品流的裝置(38)，其特征在于該設(shè)備還包括(v)一個用于精餾含氧濃度至少等于為提供高純(高于97％)氧產(chǎn)品流送入低純塔(25)的物流(26’)的含氧濃度的富氧流的高純塔(23)；(vi)從蒸餾系統(tǒng)(15，25)中抽取富氧流和將其送至高純塔(23)的裝置(35；26；611)；(vii)一個設(shè)置在上述高純塔(23)內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡诙に嚵饕允垢呒兯?23)沸騰的底部再沸器(22)；(viii)在高于提供給低純塔再沸器(31；211)的上述第一工藝流的壓力下將第二工藝流送入高純塔再沸器(22)的裝置(20，21)；以及(ix)從該設(shè)備中抽取高純氧產(chǎn)品流的裝置(36)。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中上述蒸餾系統(tǒng)包括(1)一個用于將已壓縮的空氣流(10)的一部分精餾成高壓氮頂部餾出物和高壓粗液氧塔底餾出物的高壓塔(15)；(2)一個將上述高壓粗液氧底部餾出物精餾成低壓氮頂部餾出物和低壓液氧底部餾出物的低壓塔(25)；(3)將上述高壓粗液氧底部餾出物的至少一部分送入低壓塔(25)的裝置(26，29)；(4)用于冷凝上述高壓氮頂部餾出物的至少一部分及將已冷凝的高壓氮頂部餾出物的至少一部分作為回流返回到高壓塔(15)的裝置(27，31，32)；(5)一個在低壓塔(25)內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵饕允沟蛪核?25)沸騰的底部再沸器(31；211)；(6)將上述第一工藝流送入上述再沸器(31，211)的裝置(27，30；11，212)；(7)從該設(shè)備中抽取低純氧產(chǎn)品流(38)的裝置；(8)一個用于將富氧流精餾成貧氧頂部餾出物蒸汽(37)和高純液氧塔底餾出物的高純塔(23)；(9)從上述蒸餾系統(tǒng)(15，25)抽取富氧流及將其送入高純塔(23)的裝置(26；35)；(10)一個設(shè)置在上述高純塔(23)內(nèi)用于冷凝適當(dāng)?shù)牡诙に嚵饕允垢呒兯?23)沸騰的底部再沸器(22)；(11)在高于提供給低壓塔再沸器(31；211)的第一工藝流的壓力下將第二工藝流送入高純塔再沸器(22)的裝置(20，21)；(12)從該設(shè)備抽取高純氧產(chǎn)品流的裝置(36)。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，包括完成如權(quán)利要求3至13中任一項(xiàng)所述的一個單獨(dú)的工藝所需的部件。
全文摘要
用低溫蒸餾已壓縮的原料空氣流(10)生產(chǎn)低純和高純氧產(chǎn)品，在該方法中，用傳統(tǒng)的低純塔(25)提供低純(低于97％)氧產(chǎn)品(38)，通過在高純塔(23)中精餾來自蒸餾系統(tǒng)(15，25)的富氧流(35)提供高純(高于97％)氧產(chǎn)品(36)。借助于冷凝適當(dāng)?shù)牡谝还に嚵?30)使低純塔(25)沸騰，借助于在高于第一工藝流(30)的壓力下使第二工藝流(21)冷凝，使高純塔沸騰。上述富氧流(35)的氧濃度至少等于送入低壓塔(25)的物流(26’)的氧濃度。
文檔編號F25J3/04GK1167246SQ9711050
公開日1997年12月10日 申請日期1997年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月1日
發(fā)明者J·A·霍普金斯, R·阿格雷沃爾, 徐建國 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司