专利名称：通过汽化低温液体而提供备用加压气体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过汽化低温液体来提供备用加压气体的方法和设备，尤其是当工业设备(例如空气分离装置)仅可以保证部分的产品供应，或者甚至根本无法供应(例如在跳闸、由于电费限制而降低负荷等情况下)时，用来向用户提供气体产品(氮气、氧气、氩气)的方法和设备。本发明也适用于储存其它低温液体，例如氢、氦和一氧化碳。
背景技术：
部分氧化反应器需要提供压力值稳定在标称值的±1％的高压(25巴以及更高)氧气。因此无论供应氧气的空气分离装置处于何种操作模式，尤其是在空气分离装置停机的情况下，该供应氧气的空气分离装置都必须满足该限制。在这种情况下，一种包括液态氧储存罐、低温泵和蒸汽加热的汽化器的系统可以确保气流的输送。
在EP-A-0452177中说明了一种备用汽化器，其中，来自储存罐的液态氮通过与周围空气热交换而在辅助汽化器中汽化。
EP-A-0628778公开了一种低温液体储存罐，其中，液体被抽出后在在汽化器中汽化，然后被输送给用户。
EP-A-0756144公开了一种低温液体储存罐，该储存罐中的液体被抽出后在汽化器中汽化，然后被输送给用户。
由W.J.Scharle所著的发表于Bulletin Y-143，National FertilizerDivision Center，Tennessee Valley Authority，Muscle Shoals，Alabama的“Large Oxygen Plant Economics and Reliability”以及由W.J.Scharle与K.Wilson所著的发表于Journal of Engineering for Industry，November1981，Vol.103，pp 409-417的“Oxygen Facilities for Synthetic FuelProjects”中描述了一种备用氧气生产系统，该系统包括·含有一定量液体产品的储存罐；·多个泵(这里，由于可靠性原因而使用两个泵)，所述泵抽取储存罐中的液体以将其压缩至通常输送给用户的压力(管路内压力)；和·交换器，其功能是使加压液体汽化。
气体离开该设备时通常接近环境温度，并被输送给用户。根据现场可用的能源及其成本，该交换器可使用例如空气、蒸汽或天然气使加压液体汽化。
这些备用设备的一个主要特征是其启动时间。由于启动时间决定着对用户的气体供应的质量和连续性，所以其非常重要。生产设备跳闸后的启动时间过长可能导致管路中的压降太大，并且可能在用户使用过程中产生故障。
在上述文章中所述的氧气生产系统中，设有气态氧缓冲罐，以便在使泵运转所需时间(根据W.J.Scharle的上述文章，大约为15至20分钟)内提供加压产品。
通常地，如果使汽化泵永久地保持在低温温度，则备用系统稳定地达到其100％的负载量所需的时间大约为5分钟，其中泵启动需要1-2分钟，汽化交换器进入运行状态需要2-3分钟。对各构件进行合理选择(泵与储存罐之间及泵与交换器之间的短管)可将该时间缩短至3分钟。在某些情况下，对于管路内容许压力波动的限制而言，3分钟的时间仍然太长-在这种情况下，如上所述，一种解决方案是在交换器的下游安装气体缓冲罐，将该气体缓冲罐加压至例如200巴且使其尺寸可在1至3分钟的时间内提供所需的产品，该时间是由泵和汽化器组成的系统达到其正常运行状态所需的时间。这种解决方案的缺点是安装高压罐、氧气膨胀站和氧气压缩系统的价格高。该氧气压缩系统设有活塞式压缩机，或者更一般地设有另一备用汽化装置，该备用汽化装置具有高压活塞泵和大容积/高压空气汽化U形管(vaporization hairpin)以及用于填充缓冲罐的泵等。
备用汽化装置需要一定的时间进行启动。启动低温泵(其保持低温)需要大约1分钟，同样汽化U形管也不能立即进入稳态运行。
在使备用汽化装置进入工作状态的过程中，用户管网中的压力会按一曲线下降，该曲线的斜率取决于管网系统中水的体积和所消耗的流。因此如果用户管网的长度小于1公里，则可能很快(小于5秒钟)达到低压界限(-1％)。
因此需要一种在泵启动期间向用户提供必要的流的氧气供应系统。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种提供加压气体的方法，其中a)通过在分离装置中分离气体混合物而在高生产压力下生产作为最终产品的加压气体；b)将待加压的液体储存在储存罐中；c)将液体从储存罐中取出并通过泵加压，使至少部分加压液体在汽化器中汽化，以便产生与待生产的加压气体具有基本相同或较其高的纯度的备用加压气体；和d)使液体在近似垂直的、可能位于低温蒸馏装置的冷箱内的导管中流动，该导管长度的至少一部分位于高于汽化器的位置，其特征在于，在泵启动前和/或启动期间，将液体从该导管输送至汽化器，该液体在该汽化器中汽化，以提供与待生产的加压气体具有基本相同或较其高的纯度的备用加压气体。
根据其它可选的特征-该导管的高度使其流体静压力足以克服与汽化相关的压头损失；-使液体在该导管中以比所使用的备用气体的压力高的压力流动，该液体通过流体静压力并可选地通过泵在汽化器的上游被加压；-使液体在管路中以等于或低于所使用的备用气体的压力的压力流动；-该导管至少部分地由储存罐供给；和
-该导管至少部分地由冷箱内低温分离装置的塔供给，在正常操作中，分离装置通过将取自该空气分离装置的液体汽化而经由主管供应具有与备用气体相同特征的成品气体，向该导管的一端输送一个液流，而从该导管的另一端抽取另一个液流并将其送回空气分离装置。
根据优选的操作方式i)在正常操作中，由分离装置提供成品气体；ii)在分离装置停止或运行变慢的情况下，通过在汽化器中汽化液体来提供备用气体；vi)在正常操作中，使液流在导管中持续地流动；vii)在泵启动前和/或启动中，使液流在重力作用下从该导管的下端流入汽化器；和viii)在泵启动前和/或启动中，将被加压至等于或高于待生产的加压气体的压力的气流输送至该导管的上端。
根据其它可选的方面-使从所述装置中抽取的液体加压，将该加压液体的一部分送入所述装置的(热)交换管路中以构成成品气体，而将该加压液体的另一部分输送入该垂直导管中；和-所述导管至少部分地由低温储存罐(所述储存罐)供给，将一部分液流送至该导管的一端，而将另一部分液流从该导管的另一端抽出、泵送并送回储存罐。
本发明的另一个目的是提供一种提供加压空气的设备，包括i)用于分离气体混合物的分离装置；ii)连接到分离装置上的加压气体供应管路；iii)液体储存罐；iv)汽化器；v)近似垂直的导管；vi)将储存罐连接到汽化器的装置；vii)将导管连接到汽化器的装置；和
viii)用于从汽化器中抽取汽化的液体以形成备用加压气体的装置，其特征在于，该设备包括位于储存罐下游并位于汽化器上游的加压装置，以及位于汽化器上游的用于使导管中的液体加压的辅助装置。
根据本发明的其它方面-该辅助装置由连接到该导管上端的加压气体供应管路、该导管的高度以及可选的泵形成；-该导管位于低温蒸馏装置的冷箱中或者结合在储存罐中；-该导管位于低温蒸馏装置的冷箱中，所述设备包括其中该垂直导管为低温蒸馏装置的管路的低温蒸馏装置，还包括将该导管的上端和下端连接至蒸馏装置的塔的装置；-(该设备)包括将来自所述蒸馏装置的塔的液体的第一部分提供给交换管线而将该液体的第二部分提供给所述导管的装置，所述第一部分液体在该交换管路中汽化以形成主管中的成品气体；-该用于将来自所述蒸馏装置的塔的液体的第一部分提供给交换管路而将该液体的第二部分提供给所述导管的装置由泵形成，所述第一部分液体在该交换管路中汽化以形成主管中的成品气体；和-该垂直导管的上端经由加压气体输送管路连接到加压气体供应管路。
下面将结合图1至6对本发明进行更详细地描述，图1至6示出根据本发明的方法的低温分离装置和备用气体供应装置操作的原理。
具体实施例方式
图1示出一包括双塔的空气分离装置，其中，中压塔3经由冷凝器4与低压塔热连接。该装置供应有经过压缩、净化和冷却的空气，冷却过程在交换管路中(未示出)进行。该装置还设有蒸馏所需的制冷源，其可包括至少一个Claude涡轮机、一鼓风涡轮机或一氮涡轮机。简单起见，未示出用于将富液和贫液从中压塔输送至低压塔的常用管路。从低压塔的顶部回收废氮(未示出)，并在交换管路7中使其升温。交换管路7、双塔3、5、涡轮机、富液和贫液收集管路以及近似垂直的导管13都容纳在一隔热的冷箱33中。
该空气分离装置设计用于提供加压气态氧流31。如果该氧流中断-例如装置停止，或者是氧流不充足，就必须通过汽化储存在储存罐9中的液态氧来产生备用气体29。该液态氧以低压储存，由应急泵11加压并在汽化器27中与蒸汽流相遇而汽化。
空气分离装置产生液态氧流15，该氧流由泵12加压至压力P1并被分成两部分。第一氧流17流过打开的阀V5、在交换管路7中汽化、然后流过打开的阀V6。该氧流构成输送至用户的空气分离装置的产品31。阀V5用于调节泵12的输出，阀V5中的压头损失略大于第二液态氧流19经由阀V1流入其中的垂直导管13的液力高度(hydraulic height)。
安装在冷箱中的垂直导管13在该冷箱33的整个高度H上延伸，以便充分高于汽化器27。垂直导管13的直径设定成使得其可储存能为用户提供一分钟的高压氧气的足够体积的高压低温流体。找到能抗非常高的压力的大直径低温管非常容易。当然，只要该导管能容纳所需量的液体以便在泵11启动期间提供备用气体，该导管可比冷箱中最高构件的高度(例如，低压塔或氩塔的顶部)短或略长。
在正常的操作中，该导管中流有(经由阀V1)来自泵装置的泵12的压力为P1的高压液体的小部分流。然后(通过阀V2)使所述液体膨胀并经由上行管路23将其输送至低压塔的底部，以使所述液体连续地循环。为了确保导管13完全充满新鲜的低压液体，该循环是必须的。
主管17、31中的气体压力Pm低于垂直导管13的上端压力P1，其差值基本上等于交换管路7中的压头损失。明显地，如果该导管在冷箱的整个高度上延伸，则该垂直导管下端的压力P2高于压力P1且等于P1+pgH。
在图1的情况下，所述循环从垂直导管13的顶部向下进行，但该循环也可以从该导管的底部向上进行。
如图2所示，当空气分离装置停机时，关闭阀V1和V2，并通过打开安装在管路21上的阀V3而使垂直导管13的上端压力等于主管17、31的压力，所述管路21将垂直导管13的上端连接至用户主管的管路17、31。通过打开安装在管路25上的流量控制阀V4使导管13中的液体在重力作用下流动，并最终流入汽化器27，所述管路25将垂直导管的下端连接至汽化器27的入口。
图3示出空气分离装置包括为用户提供高压氧的氧气压缩机37的情况-其余与前面相同，但导管13和管路19、23中的液体通过活塞泵35进行循环。
但如图4所示，该泵并不是必需的，垂直导管13可以在低于输送至用户的高压氧气的压力的压力下运行。在这种情况下，可有利地在垂直导管13的出口和汽化器27的入口之间加装一泵51。否则，液体可能仅通过经由阀V3输送气体而被加压。
图5示出仍容纳在空气分离装置的冷箱中的垂直导管不是必须由该空气分离装置进行供给的。在本示例中，在设备的正常运行下，泵12运转而泵11停机，液态氧在储存罐9和垂直导管13之间经由活塞泵41和阀V2循环，活塞泵41供应导管13的上端，阀V2使液体经由管路37返回储存罐9。
在空气分离装置停机的情况下，打开阀V3和V4、关闭阀V1和V2，从而使容纳在导管13中的新鲜液体经由管路25流至汽化器27，以便通过运行泵11来提供备用气体产品。
图6示出垂直导管未集成在空气分离装置中而是在冷箱外侧集成到储存罐9上的情况。放置在壁间的空间中的导管有效地隔热并且可以非常高，因为储存罐有时高达30米。导管的顶部经由阀V1接收储存罐中的液体，并且该导管被充满从而形成液柱。在泵11启动前或启动期间，可选地在泵送步骤之后，打开阀V4从而将液体引入汽化器27中。在这种情况下，上行管路与冷箱33是完全分开的。如果冷箱比储存罐短或者当分离装置没有冷箱时，本实施例是有利的。
已结合双塔式空气分离塔对本发明进行了描述，但容易理解，本发明可用于包括许多理论塔盘的单塔、三塔，或者包括氩塔的塔系统。
该分离装置可通过低温蒸馏、通过渗透、通过吸附或者任何其它已知的方法分离空气。
权利要求
1.一种提供加压气体的方法，其中a)通过在分离装置(3，5)中分离气体混合物而在高生产压力下生产作为最终产品的加压气体；b)将待加压的液体储存在储存罐(9)中；c)将液体从储存罐中取出并通过泵(11)加压，使至少部分加压液体在汽化器(27)中汽化，以便产生与待生产的加压气体具有基本相同或较其高的纯度的备用加压气体(29)；和d)使液体在可能位于分离装置的冷箱(33)内的近似垂直的导管(13)中流动，该导管长度的至少一部分处于高于汽化器的位置，其特征在于，在泵(11)启动前或启动期间，将液体从该导管输送至汽化器，该液体在该汽化器中汽化，以提供与待生产的加压气体(31)具有基本相同或较其高的纯度的备用加压气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导管的高度(H)使得其流体静压力足以克服与汽化相关的压头损失。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使液体在所述导管(13)中以比所使用的备用气体(29)的压力高的压力流动，该液体通过流体静压力并可选地通过泵(51)在所述汽化器的上游被加压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使液体在管路中以等于或低于所使用的备用气体的压力的压力流动。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述导管(13)至少部分地由所述储存罐(9)供给。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述导管(13)至少部分地由冷箱(33)中低温分离装置的塔(5)供给，在正常操作中，分离装置通过将取自该空气分离装置的液体汽化而经由主管供应具有与备用气体(29)相同特征的成品气体(31)，向所述导管的一端输送一个液流，而从所述导管的另一端抽取另一个液流(23)并将其送回空气分离装置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于i)在正常操作中，由分离装置提供成品气体(31)；ii)在分离装置停止或运行变慢的情况下，通过在所述汽化器(27)中汽化液体来提供备用气体；vi)在正常操作中，使液流在所述导管(13)中持续地流动；vii)在泵启动前和/或启动期间，使液流在重力作用下从所述导管(13)的下端流入所述汽化器；和viii)在泵启动前和/或启动期间，将被加压至等于或高于待生产的加压气体的压力的气流(21)输送至所述导管的上端。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，使从所述装置中抽取的液体加压，将该加压液体的一部分送入所述装置的交换管路(7)中以构成成品气体，而将该加压液体的另一部分送入所述垂直导管(13)中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述导管至少部分地由低温储存罐(储存罐9)供给，将一部分液流(39)送至所述导管的一端，而将另一部分液流(37)从所述导管的另一端抽出、泵送并送回所述储存罐。
10.一种提供加压气体的设备，包括i)用于分离气体混合物的分离装置(3，5)；ii)连接到分离装置上的加压气体供应管路(31)；iii)液体储存罐(9)；iv)汽化器(27)；v)近似垂直的导管(13)；vi)将储存罐连接到汽化器的装置；vii)将导管连接到汽化器的装置；和viii)用于从汽化器中抽取汽化的液体以形成备用加压气体的装置，其特征在于，该设备包括位于储存罐下游并位于汽化器上游的加压装置(11)，以及位于汽化器上游并用于使导管中的液体加压的辅助装置(H，21，51)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述辅助装置由所述导管的高度(H)、可选地由连接到所述导管上端的加压气体供应管路(21)以及可选的泵(51)形成。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述导管位于低温蒸馏装置的冷箱(33)内或者结合在所述储存罐(9)中。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述导管位于低温蒸馏装置的冷箱(33)内，该设备包括其中所述垂直导管(13)为低温蒸馏装置的管路的低温蒸馏装置，还包括将所述导管的上端和下端连接至蒸馏装置的塔的装置(15，19，23)。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，该设备包括用于将来自所述装置的塔的液体的第一部分提供给交换管路而将该液体的第二部分提供给所述导管的装置(15，19，12)，所述第一部分液体在该交换管路中汽化以形成主管中的成品气体。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述用于将来自所述装置的塔的液体的第一部分提供给交换管路而将该液体的第二部分提供给所述导管的装置由泵(12)形成，所述第一部分液体在该交换管路中汽化以形成主管中的成品气体。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的设备，其特征在于，所述垂直导管(13)的上端经由加压气体输送管路(21)连接到加压气体供应管路(17)。
全文摘要
在一种提供加压气体的方法中，通过在分离装置(3，5)中分离气体混合物而生产作为最终产品的处于高生产压力的加压气体；待加压的液体储存在储存罐(9)中；将储存的液体放出，并通过泵(11)使该液体加压；在汽化器(27)中汽化至少部分加压液体，以产生基本上与待生产的加压气体具有相同的或较其高的压力的备用加压气体(29)；液体在基本垂直的导管(13)中循环，该导管可选地位于分离装置的冷箱(33)中，该导管的至少部分长度位于高于汽化器的位置；在泵(11)启动前和/或启动后，将液体从导管中输送至汽化器，并在汽化器中汽化该液体，以提供与所生产的加压气体(31)具有相同的纯度或较其高的纯度的备用加压气体。
文档编号F17C9/02GK1795359SQ200480014511
公开日2006年6月28日 申请日期2004年5月14日 优先权日2003年5月28日
发明者J-M·佩龙 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司