专利名称：用于提供低压和低纯度氧的系统和设备的制作方法
用于提供低压和低纯度氧的系统和设备
背景技术：
在一些典型的工业应用中，通常生产和供应纯度约为99，5%或更高纯 度的高纯氧。这种高纯氧可以在现场生产、通过管道提供给现场、或者是 以液态形式运送到现场并贮存在罐中。对于一些管道应用，管道的工作压 力通常为40巴或更高。然而，有许多应用如燃烧既不需要这种纯度等级， 也不需要这样高的输送压力。
一些应用如玻璃制造、炼钢及用于能源生产的气化可以使用低纯度的 氧。通常，对于玻璃制造或炼钢应用，可接受的氧纯度等级可以低达约 90%。通常，对于气化应用，所需的氧纯度等级可以低达约95%,或甚至 约85%。
为把气态氧压缩到这种高压所需的动力显著地有助于产品氧的生产和 供应成本。这种压缩成本可能占实施从空气中分离氧所需能量的大约50% 以上。随着一些应用发展并且被认为需要比较不纯的低压氧，需要这样的 解决方案，其容许以节省成本的方式把这种产品提供给客户。
本领域技术人员应该了解，目前对上述问题有五种基本的解决方案。
第一种解决方案是利用基于VSA或PSA的系统。真空变压吸附VSA) 法或变压吸附(PSA)法采用非低温技术，所述非低温技术基于通过分子 筛的氮吸附。这类装置生产低纯度的氧，通常氧的纯度在约卯％和约95% 之间。通常，VSA生产约1.03巴的压力下的氧，而PSA生产约2巴和4 巴之间的压力下的氧。这些技术倾向于适中的成本效率，然而，这种技术 的可靠性要求安装价格昂贵的液体备用系统。也可以使用其它的非低温吸 附法，如变温吸附(TSA)法、变温变压吸附(TPSA)法，但它们有类似 的缺点。吸附解决方案在多篇技术论文如US专利5114440， 5679134和 6332915中有描述。
第二种解决方案是利用小型的标准化的预先设计好和模块化的低温空
气分离装置。这些装置生产适度低纯度的氧，氧纯度通常在约95%和约 98.5%之间。这种技术比基于吸附的技术更可靠，然而，通常仍然需要液 体备用系统。这种低温法通常是基本的双塔法，在空气分离工业中使用广泛。
第三种解决方案是从液体生产设备共同生产低纯度和低压力的氧，并 利用现有的储存设施作为备用源。
第四种解决方案是安装提供两种纯度等级的氧的空气分离设备。通常， 如果所有的氧都以低纯度等级取出，则可以把设备的能量需求减少约 10%。例如，如果一半氧以高纯度等级提取出，而另一半氧以较低纯度等 级提取出，则基本的低温空气分离设备实际上更有效，并且如果将传统的 动力用量指定用于高纯度部分，则用于低纯度氧部分的最终动力用量可以 减少约20%。
这种双纯度设置例如对于铁冶金应用来说是有利的。鼓风炉可能要求 较低纯度的氧，而炼钢厂可能需要较高纯度的氧。尽管这种解决方案在理 论上工作良好，但一些实际考虑如客户需求的改变、在不同负栽下的波动 等使得这种解决方案充其量也是勉强够格。
第五种也即最后一种解决方案是利用氧管道。这种解决方案只有在客 户4艮接近现有的管道时才可采用。通常，这些管道在约40巴或更高的压力 下工作。这一解决方案要求采取高附加值、高纯度和高压力的氧，并减小 压力以便提供纯度比客户所要求的高得多的低压氧。这种解决方案的效率 不高，因为是利用高纯度和高压力的氧来满足对低纯度和低压力的需要。 它的初始投资成本低，并且只能用于短期需要而不能用于长期工作。
由于上述原因，在工业领域内需要以经济上有吸引力的价格为客户提 供低纯度和低压力的氧的系统。
发明内容
本发明涉及一般满足下述系统的需求的方法和设备，所述系统提供这 样一种装置，该装置用于向客户提供低压和低纯度的氧，同时使与大型现 场设施有关的安装成本和运行成本最少。本发明提供一种利用来自本地管
道的高纯氧的混合系统，所述高纯氧与来自现场或本地低温蒸馏系统的低 纯度氧混合，由此得到满足客户需要的中间品质的混合物。为了补偿与中 间纯度氧有关的运行和能源成本，同时把高压下的高纯氮输出到本地管道 中，由此对整个系统起有益的作用(一般，在与氧管勤目同的沟道中通常 存在氮管道)。
在本发明的一个方面，提供了 一种用于提供低压和中间纯度氧的方法。
该方法包括以下步骤
a) 提供低温蒸馏系统，其中所述低温蒸馏系统生成笫一液态氧；
b) 将第一压力氧的压力增加到第一压力；
c) 从管道中提供第二压力下的高纯氧蒸汽流，其中所述第二压力大于 所述第一压力；
d) 使所述高纯氧蒸汽流冷却并至少部分冷凝，并通过减压装置将其压 力减小至接近所述第 一压力；
e) 将所述至少部分冷凝的高纯氧流与所述第一液态氧流合并，以生成 中间纯度的液态氧；
f) 使所述中间纯度的液态氧汽化，由此生成中间纯度的氧蒸汽流；以
及
g )使该中间纯度的氧蒸汽流升温，由此生成热的中间纯度的氧蒸汽流。 在本发明的另一方面，提供了一种用于提供低压和中间纯度氧的设备。 该i殳备包括
a) 低温蒸馏系统，其中所述低温蒸馏系统生成第一液态氧流；
b) 将所述第一液态氧流的压力增加到第一压力的装置；
c) 减压装置，所述减压装置用于将第二压力下的高纯氧流的压力减小 到接近所述第一压力；以及
d) 第一热交换装置，所述第一热交换装置用于使所述第一液态氧流和 一部分所述压力减小的高纯氧流汽化，由此生成中间纯度的氧蒸汽流。
为了进一步理解本发明的性质和目的，参见下面结合附图所作的详细
说明，在附图中，同样的元件用相同或类似的标号表示，其中 -图l是本发明的一个实施例的示意性图示； -图2是本发明的另一个实施例的示意性图示； -图3是本发明的另一个实施例的示意性图示； -图4是本发明的另一个实施例的示意性图示。
具体实施例方式
下面说明本发明的示例性实施例。尽管本发明容许各种不同的修改和 可供选择的形式，但本发明的一些具体实施例已在附图中作为示例示出， 并在本文中详细说明。然而，应该理解，本文对具体实施例的说明并不打 算把本发明限于所公开的特定形式，而是相反，本发明将包括落入如所附 权利要求所限定的本发明精神和范围内的所有修改、等效物和可选方案。
当然，应该理解，在任何这种实际实施例的研究中，必须作出许多具 体实施的决定以便达到研究者的具体目的，例如符合与系统有关及与商业 有关的限制，上述限制随不同的实施方案而改变。另外，应该理解，这种 研究工作可能很复杂且耗时间，但对于受益于本公开的本领域技术人员来 说不过是常规任务。
如本申请中所使用的，所有提及的百分率纯度都是摩尔纯度。
如本申请中所使用的，中间纯度定义为低于约99.5%的纯度等级。可 选地，中间纯度可定义为具有98V。或更低的纯度等级。可选地，中间纯度 可定义为具有95%或更低的纯度等级。可选地，中间纯度可定义为具有约 85%和约99.5%之间的纯度等级。可选地，中间纯度可定义为具有约85% 和约98%之间的纯度等级。可选地，中间纯度可定义为具有约85%和约 95%之间的纯度等级。
如本申请中所使用的，高纯度定义为具有大于约99.5。/。的纯度等级。 可选地，高纯度可定义为具有大于约98%的纯度等级。
如本申请中所使用的，典型的氧或氮管道压力定义为约40巴。可选地， 典型的氧或氮管道压力可以在约40巴和约65巴之间。
如本申请中所使用的，典型的低温蒸馏系统产生压力通常在约3.5巴 和约11巴之间的氮蒸汽流。可选地，氮蒸汽流的压力可在约5巴和约7 巴之间。可选地，氮蒸汽流的压力可在约5.5巴和约6.6巴之间。如本申请中所使用的，典型的低温蒸馏系统产生压力通常在约1.3巴 和约2巴之间的液态氧流。可选地，液态氧流的压力可在约1.4巴和约1.8 巴之间。如本申请中所使用的，低压气态氧定义为具有约2巴和约2.5巴之间 的压力。可选地，低压气态氧定义为具有约2.1巴和2.4巴之间的压力。图1是示出按照本发明的设备100的示例性实施例的示意图。设备100 包括低温蒸馏系统101、减压装置105、第一热交换装置108、增压装置111 和第二热交换装置114。低温蒸馏系统101可以是本领域技术人员已知的能够生产低纯度液态 氧流和高纯氮蒸汽流的任何设计。这种系统可包括流体传送装置如液体泵， 以便提供高于塔压力的液体产品。为举例说明起见，图1中示出传统的双 塔蒸馏系统。减压装置105可以是本领域技术人员已知的任何设计，所述 减压装置105能够把已冷却或液化的高纯氧的压力从典型的管道压力降低 到近似于低温蒸馏系统生产液态氧时的压力。这种减压装置105可以包括 但不限于Joule-Thompson阀和涡轮膨胀机。第一热交换装置108和笫二 热交换装置114可以是本领域技术人员已知的任何设计。增压装置111可在本发明的一个实施例中，提供高纯氧蒸汽流104。该高纯氧蒸汽流 104的压力近似等于氧管道内的典型压力。该高纯氧蒸汽流104被引入第 二热交换装置114，在其中与流112、 124和109交换热量(下文将更充分 地说明)。在第二热交换装置114内的这种传热过程的结果将是冷的高纯 氧流117，所述冷的高纯氧流可至少部分冷凝。如果氧压力超过其临界压 力，则没有相变，并且冷的高纯氧流117将被冷却到比其临界温度更冷的 温度。然后将该冷的高纯氧流117引导到减压装置105，这样得到至少部 分冷凝的高纯氧流106。然后所述至少部分冷凝的高纯氧流106 ^L引入第一热交换装置108, 在其中与第一液态氧流lis合并，所述第一液态氧流118通过流102从低
温蒸馏系统101输出并通过装置120泵压到装置108的压力，由此得到中 间纯度的氧。如果装置120的压力增加低，则可用液压压头来增加流102 的压力。该中间纯度氧将与冷凝空气流110相互作用而汽化。在第一热交 换装置108内的这种传热过程的结果将是中间纯度氧蒸汽流109。该中间 纯度氧蒸汽流109然后被引入第二热交换装置114，在其中通过与其它的 流交换热量而变热，以便生成热的中间纯度的低压气态氧流115，然后可 ,皮送到终端用户。在另一个实施例中，首先将高纯氧流141与第一液态氧流118合并， 由此得到中间纯度氧流。该中间纯度氧流然后被引入第一热交换装置108， 在其中与流110交换热量以便产生中间纯度氧蒸汽流109。将气态原料空气流113用本领域技术人员众所周知的方法和装置进行 预处理，然后引入第二热交换装置114中，在其中与流109、 124和112 交换热量(下文将更充分地说明)。可以通过流128将原料空气流113的 一部分送到压缩机 一 膨胀机130和131的系统，以便为低温装置提供必要 的制冷。作为这种传热的结果，将气态原料空气流126冷却并引入^(氐温蒸 馏系统101中。低温蒸馏系统101生产低纯度液态氧流102和液态氮流150。 使该低纯度液态氧流102的压力增加，然后在第一热交换装置108内部与 所述至少部分冷凝的高纯氧106合并，得到中间纯度氧。该中间纯度氧将 在第一热交换装置108内部与空气流110交换热量。这种传热的结果是中 间纯度氧至少部分汽化成中间纯度氧蒸汽流109。将液态氮流150从蒸馏 系统中提取出来，然后引入增压装置lll，生成高压液态氮流112。该高压 液态氮流112然后被引入第二热交换装置114，在其中与流126和104交 换热量，生成汽化的高压氮流116，然后可被送到终端用户或引入管道。如图1所示，在一个实施例中，气态原料空气流113的一部分或者全 部可以在进入第二热交换装置114之前通过减压装置150。如图1所示，在一个实施例中，可将高纯氧流117的一部分140通过 流140送到低温蒸馏系统101。可将全部高纯氧流117送到塔系统101，在 这种情况下，高纯氧和低纯度氧的混合在蒸馏系统101的一个塔的贮槽中 进行。这种构造会导致稍热的贮槽温度，所述稍热的贮槽温度导致稍高的
系统压力，然而，在贮槽中所产生的更大量的蒸汽稍孩i有利于蒸镏。图2与图1类似，但蒸馏系统101不是传统的双塔系统，而是三塔系 统。高纯氧206和低纯度氧218的混合物通过与氮蒸汽流203交换热量而 汽化成中间纯度的氧蒸汽流209，所述氮蒸汽流203源自蒸馏系统201的 塔。这种设置可以使高纯氮203的流量达到最大。 一部分冷凝的氮流210 可以供给到增压装置211并在交换器214中汽化，以便产生汽化的高压氮 流216。当然，该供给到增压装置211的液态氮也可以如所希望的那样从 低温蒸馏系统201提取出来。图2也是示出按照本发明的设备200的示例性实施例的示意图。设备 200包括低温蒸馏系统201、第一减压装置205、第二减压装置233、第一 热交换装置208、增压装置211和第二热交换装置214。低温蒸馏系统201可以是本领域技术人员已知的能够生产低纯度液态 氧流和高纯氮蒸汽流的任何设计。减压装置205可以是本领域技术人员已 知的任何设计，所述减压装置205能够把已冷却或液化的高纯氧的压力从 典型的管道压力降低到近似于液态氧可与高压塔中冷凝空气或冷凝氮蒸汽 相互作用而汽化时的压力。对三塔来说，液态氧可以汽化的压力高于双塔 的相应压力。这种减压装置205包括但不限于Joule-Thompson阀和涡轮 膨胀机。第一热交换装置208和第二热交换装置214可以是本领域技术人 员已知的任何设计。增压装置211可以是本领域技术人员已知的能够增加 低温液体的工作压力的任何设计.在本发明的一个实施例中，提供高纯氧蒸汽流204。该高纯氧蒸汽流 204的压力近似等于氧管道内的典型压力。该高纯氧蒸汽流204被引入第 二热交换装置214，在其中与其它流交换热量。在第二热交换装置214内 的这种传热过程的结果将是冷的高纯氧流217，如果该冷的高纯氧流217 的压力高于其临界压力，则该冷的高纯氧流217可至少部分冷凝或者处于 低于其临界温度的温度下。可将该冷的高纯氧流217的一部分或者全部引 导到第二减压装置233，第二减压装置233的出口压力近似等于低温蒸馏 系统201中低压塔的压力。然后可将冷的低压纯氧流240引入低温蒸馏系 统201的塔255中。可将冷的高纯氧流217引导到第一减压装置205，这 导致生成至少部分冷凝的高纯氧流206。所述至少部分冷凝的高纯氧流206然后被引入第一热交换装置208， 在其中与低纯度液态氧流218合并，由此得到中间纯度氧。该中间纯度氧 将与流203交换热量，这将在后面说明。在第一热交换装置208内的这种 传热过程的结果将是中间纯度氧蒸汽流209。然后该中间纯度氧蒸汽流209 被引入第二热交换装置214中。这种传热的结果是，冷的中间纯度氧蒸汽 流209将4皮加热并变为热的中间纯度的低压气态氧流215，然后可^^送到 终端用户。在另一个实施例中，首先将至少部分冷凝的高纯氧流206与低纯度液 态氧流218合并，由此得到中间纯度氧流。该中间纯度氧流然后被引入第 一热交换装置208，在其中与流203交换热量，这将在后面说明。在第一 热交换装置208内的这种传热过程的结果将是中间纯度氧蒸汽流209。将气态原料空气流213用本领域技术人员众所周知的方法和装置进行 预处理，然后引入第二热交换装置214中，在其中与流212、 209和224 交换热量。可以通过流228将原料空气流213的一部分送到压缩机-膨胀 机230和231的系统，以便为低温装置提供必要的制冷。作为这种传热的 结果，将气态原料空气流227冷却并引入低温蒸馏系统201中。将经过冷却的原料空气流送到低温蒸馏系统201的高压塔253的底部， 在该处原料空气流分离成富含氧的底部馏分222和富含氮的顶部馏分260。 富含氧的底部馏分222的一部分然后进入中压塔254。富含氧的底部馏分 222的一部分也可进入低压塔255。在高压塔253的顶部作为高纯氮蒸汽流 203取出富含氮的部分。在高压塔253顶部的氮气在冷凝器中通过与中压 塔254的底部液体进行热交换而冷凝。富含氮的顶部馏分260作为回流供 给低压塔。可选地在中压塔254的顶部提取富含氮的液体并作为另一进料 流送到低压塔255。如果该富含氮的液体的纯度与流260相当，则它也可 用作回流。从低压塔255中取出不纯的氮流224,在第二热交换装置214 中加热，并作为废料225从系统中排出。从上面的说明可知，低温蒸馏系 统201生产低纯度的液态氧流202和高纯度的氮蒸汽流203。在一个实施例中，将一部分气态原料空气流228送到压缩装置230，
得到热的压缩的原料空气流234。压缩装置230可以是本领域技术人员已 知的能够把经过预处理的原料空气压缩到低温蒸馏系统中的任何设计。这 种压缩装置230可以包括但不限于压缩机。该热的压缩的原料空气流234 然后被引入第二热交换装置214中，在其中与流209、212和224交换热量。 作为这种传热的结果，将热的压缩的原料空气流234冷却成冷的压缩的原 料空气流235。然后将冷的压缩的原料空气流235送到膨胀装置231，由此 生成冷的原料空气流229。膨胀装置231可以是本领域技术人员已知的能 够将经过压缩的原料空气膨胀到低温蒸馏系统中的任何设计。这种膨胀装 置231可以包括但不限于涡轮膨敝K。然后将该冷的原料空气流229引入 低温蒸馏系统201的低压塔255中。也可将该冷的原料空气流供给到中压 塔254。将低纯度的液态氧流202在第一热交换装置208内部与所述至少部分 冷凝的高纯氧206合并，由此生成中间纯度的氧。该中间纯度的氧将与较 热的高纯氮蒸汽流203交换热量。这种传热的结果是热的高纯氮蒸汽流203 将冷凝成高纯液态氮流210，而中间纯度氧将至少部分汽化成中间纯度氧 蒸汽流209。然后将高纯液态氮流至少部分地引入增压装置211中，由此 生成热的高压液态氮流212。注意到下迷情况是有用的，即也可以从蒸馏 系统201的高压塔253或任何塔中提取出高纯液态氮流并送到增压装置 211。该高压液态氮流212然后被引入第二热交换装置214中，在其中与流 226、 204和234交换热量，由此生成汽化的高压氮流216，然后可^f皮送到 终端用户或引入管道。高纯氧通常用管道提供，但它也可从其它源得到，如从罐中抽出的汽 化液体。当用汽化的液体供给氮管道时需要高纯液氮，然而，也可使用不纯的 液态氮流，然后加压、汽化和加热，以生成加压的气态氮流，所述加压的 气态氮流可在热的温度下膨胀，或者注入用于功率回收的燃气轮机(未示 出)。图3是示出按照本发明的设备300的示例性实施例的示意图。设备300 包括低温蒸馏系统301、减压装置305、第一热交换装置308、增压装置311 和第二热交换装置314。低温蒸馏系统301可以是本领域技术人员已知的能够生产低纯度液态 氧流和高纯氮蒸汽流的任何设计。这种系统可包括流体传送装置如液体泵， 以便提供高于塔压力的液体产品。为举例说明起见，图3中示出传统的双 塔蒸馏系统。减压装置305可以是本领域技术人员已知的任何设计，所述 减压装置305能够将经过冷却或液化的高纯氧的压力从典型的管道压力降 低到近似于低温蒸馏系统生产液态氧时的压力。这种减压装置305可以包 括但不限于Joule-Thompson阀和涡轮膨 。第一热交换装置308和第 二热交换装置314可以是本领域技术人员已知的任何设计。增压装置311 可以是本领域技术人员已知的能够增加低温液体的工作压力的任何设计。在本发明的一个实施例中，提供高纯氧蒸汽流304。该高纯氧蒸汽流 304的压力近似等于氧管道内的典型压力。该高纯氧蒸汽流304被引入第 二热交换装置314中，在其中与流312、 324和309交换热量(下文将更充 分地说明)。在第二热交换装置314内的这种传热过程的结果将是冷的高 纯氧流317，所述冷的高纯氧流317可至少部分冷凝。如果氧压力超过其 临界压力，则没有相变，并且冷的高纯氧流317将被冷却到比其临界温度 更冷的温度。然后将冷的高纯氧流317引导到减压装置305，这样得到至 少部分冷凝的高纯氧流306。然后将所述至少部分冷凝的高纯氧流306与第一液态氧流318合并， 所述第 一液态氧流318通过流302从低温蒸馏系统301输出并通过装置320 泵压到装置308的压力，由此得到中间纯度的氧307。该中间纯度的氧流 307然后被引入第一热交换装置308中，在其中将与冷凝空气流310相互 作用而汽化。在第一热交换装置308内的这种传热过程的结果将是中间纯 度氧蒸汽流309。该中间纯度氧蒸汽流309然后被引入第二热交换装置314， 在其中通过与其它的流交换热量而变热，以便生成热的中间纯度的^f氐压气 态氧流315，然后可被送到终端用户。在另一个实施例中，首先将高纯氧流341与第一液态氧流318合并， 由此得到中间纯度氧流，该中间纯度氧流然后被引入第一热交换装置308 中，在其中与流310交换热量以便产生中间纯度氧蒸汽流309,
将气态原料空气流313用本领域寺支术人员众所周知的方法和装置进行 预处理，然后引入第二热交换装置314中，在其中与流309、 324和312 交换热量(下文将更充分地说明)。可以通过流328将原料空气流313的 一部分送到压缩机-膨胀机330和331的系统，以便为低温装置提供必要 的制冷。作为这种传热的结果，将气态原料空气流326冷却并引入低温蒸 馏系统301中。低温蒸馏系统301生产低纯度液态氧流302和液态氮流350。 使该低纯度液态氧流302的压力增加，然后在第一热交换装置308内部与 所述至少部分冷凝的高纯氧306合并，得到中间纯度氧。该中间纯度氧将 在第一热交换装置308内部与空气流310交换热量。这种传热的结果是中 间纯度氧至少部分汽化成中间纯度氧蒸汽流309。将液态氮流350从蒸馏 系统提取出来，然后引入增压装置311，得到高压液态氮流312。该高压液 态氮流312然后被引入第二热交换装置314中，在其中与流326和304交 换热量，得到汽化的高压氮流316,然后可被送到终端用户或引入管道。如图3所示，在一个实施例中，可将高纯氧流317的一部分340通过 流340送到低温蒸馏系统301。可将全部高纯氧流317送到塔系统301，在 这种情况下，高纯氧和低纯度氧的混合在蒸馏系统301的一个塔的贮槽中 进行。这种构造会导致稍热的贮槽温度，所述稍热的贮槽温度导致稍高的 系统压力，然而，在贮槽中所产生的更大量的蒸汽稍微有利于蒸馏。图4是示出按照本发明的设备400的示例性实施例的示意图。设备400 包括低温蒸馏系统401、减压装置405、第一热交换装置408、增压装置411 和第二热交换装置414。低温蒸馏系统401可以是本领域技术人员已知的能够生产低纯度液态 氧流和高纯氮蒸汽流的任何设计。这种系统可包括流体传送装置如液体泵， 以便提供高于塔压力的液体产品。为举例说明起见，图4中示出传统的双 塔蒸馏系统。减压装置405可以是本领域技术人员已知的任何设计，所述 减压装置405能够将已冷却或液化的高纯氧的压力从典型的管道压力降低 到近似于低温蒸馏系统生产液态氧时的压力。这种减压装置405可以包括 但不限于Joule-Thompson阀和涡轮膨jWL。第一热交换装置408和第二 热交换装置414可以是本领域技术人员已知的任何i殳计。增压装置411可 以是本领域技术人员已知的能够增加低温液体的工作压力的任何设计。
在本发明的一个实施例中，提供高纯氧蒸汽流404。该高纯氧蒸汽流 404的压力近似等于氧管道内的典型压力。该高纯氧蒸汽流404被引入第 二热交换装置414中，在其中与流412、 424和409交换热量(下文将更充 分地说明)。在第二热交换装置414内的这种传热过程的结果将是冷的高 纯氧流417，所述冷的高纯氧流可至少部分冷凝。如果氧压力超过其临界 压力，则没有相变，并且该冷的高纯氧流417将被冷却到比其临界温度更 冷的温度。然后将冷的高纯氧流417引导到减压装置405，这样得到至少 部分冷凝的高纯氧流440。
然后将所述至少部分冷凝的高纯氧流440引入低温蒸馏系统401中。 通过流402从低温蒸馏系统401输出第一液态氧流418,并通过装置420 将其泵压到装置408的压力。该第一液态氧流418然后被引入第一热交换 装置408中，在其中将与冷凝空气流410相互作用而汽化。在第一热交换 装置408内的这种传热过程的结果将是氧蒸汽流409。该氧蒸汽流409然 后被引入第二热交换装置414中，在其中通过与其它的流交换热量而变热， 以便生成热的低压气态氧流415，然后可被送到终端用户。
图5是示出按照本发明的设备500的示例性实施例的示意图。设备500 包括低温蒸馏系统501、减压装置501、增压装置511和热交换装置514。
低温蒸馏系统501可以是本领域技术人员已知的能够生产低纯度液态 氧流和高纯氮蒸汽流的任何设计。这种系统可包括液体传送装置如液体泵， 以便提供高于塔压力的液体产品。为举例说明起见，图5中示出传统的双 塔蒸馏系统。减压装置505可以是本领域技术人员已知的任何设计，所述 减压装置505能够把已冷却或液化的高纯氧的压力从典型的管道压力降低 到近似于低温蒸馏系统生产液态氧时的压力。这种减压装置505可以包括 但不限于Joule-Thompson阀和涡轮膨胀机。热交换装置514可以是本领 域技术人员已知的任何设计.增压装置511可以是本领域技术人员已知的 能够增加低温液体的工作压力的任何设计。
在本发明的一个实施例中，提供高纯氧蒸汽流504。该高纯氧蒸汽流 504的压力近似等于氧管道内的典型压力。该高纯氧蒸汽流504被引入热
交换装置514中，在其中与流512、 524、 517和509交换热量(下文将更 充分地说明)。在热交换装置514内的这种传热过程的结果将是冷的高纯 氧流517，所述冷的高纯氧流517可至少部分冷凝。如果氧压力超过其临 界压力，则没有相变，并且冷的高纯氧流517将被冷却到比其临界温度更 冷的温度。然后将该冷的高纯氧流517引导到减压装置505，这样得到至 少部分冷凝的高纯氧流506。将所述至少部分冷凝的高纯氧流506与第一液态氧流518合并，所述 第一液态氧流518通过流502从^f氐温蒸馏系统501中输出并通过装置520 泵压到约2巴和约2.5巴之间(可选地，约2.1巴和约2.4巴之间)的压力， 由此得到中间纯度的氧509。中间纯度氧流509然后被引入热交换装置514 中，在其中通过与其它的流交换热量而汽化，以便生成热的中间纯度的低 压气态氧流515，然后可被送到终端用户。将气态原料空气流513用本领域技术人员众所周知的方法和装置进行 预处理，然后引入热交换装置514中，在其中与流509、 524和512交换热 量(下文将更充分地说明)。可通过流528将原料空气流513的一部分送 到压缩机 一 膨敝机530和531的系统，以便为低温装置提供必要的制冷。 作为这种传热的结果，将气态原料空气流526冷却并引入低温蒸馏系统501 中。低温蒸馏系统501生产低纯度液态氧流502和液态氮流550。 ^f吏该低 纯度液态氧流502的压力增加，然后与所述至少部分冷凝的高纯氧506合 并，得到中间纯度氧。将液态氮流550从蒸馏系统中提取出来，然后引入 增压装置511，得到高压液态氮流512。该高压液态氮流512然后被引入热 交换装置514中，在其中与流526和504交换热量，得到汽化的高压氮流 516,然后可被送到终端用户或引入管道。如图5所示，在一个实施例中，可将高纯氧流517的一部分540通过 流540送到低温蒸馏系统501。可将全部高纯氧流517送到塔系统501,在 这种情况下，高纯氧和低纯度氧的混合在蒸馏系统501的一个塔的贮槽中 进行。这种构造会导致稍热的贮槽温度，所述稍热的贮槽温度导致稍高的 系统压力，然而，在贮槽中所产生的更大量的蒸汽稍微有利于蒸馏。
权利要求
1.用于提供低压和低纯度氧的方法，包括a)提供低温蒸馏系统，其中所述低温蒸馏系统生成第一液态氧流和液态氮流；b)提供第二氧蒸汽流，其中所述第二氧蒸汽流的纯度高于所述第一液态氧流；c)冷却所述第二氧蒸汽流并减小其压力，由此使所述第二氧蒸汽流至少部分地冷凝；d)将所述至少部分冷凝的第二氧流与所述第一液态氧流合并，以生成中间纯度的液态氧；e)使所述中间纯度的液态氧在第一间接热交换装置中汽化，由此生成中间纯度的氧蒸汽流；f)通过增压装置增加所述液态氮流的压力，由此生成高压液态氮流；以及g)在第二热交换装置中，在冷却到所述低温蒸馏系统的气态原料空气、所述冷却第二氧蒸汽流、所述高压液态氮流和所述加热中间纯度的氧蒸汽流之间交换热量，由此生成热的中间纯度的氧蒸汽流和汽化的高压氮流。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一液态氧流与 至少部分冷凝的第二氧流合并之前使所述第一液态氧流的压力增加。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少部分冷凝的第 二氧流和所述第一液态氧流在引入所述第一间接热交换装置之前合并。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间纯度的液态氧 通过使原料空气的一部分冷凝而汽化。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间纯度的液态氧 通过使低温蒸馏系统的富氮气体冷凝而汽化。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，将一部分冷凝的富氮气 体用作高纯液氮。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，使一部分冷凝的富氮气 体返回到低温蒸馏系统。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将一部分所述至少部分 冷凝的第二氧流送到低温蒸馏系统。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温蒸馏系统还包 括高压塔和低压塔。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温蒸悔系统还包 括高压塔、中压塔和^H塔。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使来自液体罐的液 态氧汽化提供所迷第二氧蒸汽流。
12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述汽化的高压氮流 送到管道。
13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述汽化的高压氮流 在膨胀机中膨胀以便产生电力。
14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述汽化的高压氮流 注入燃气轮机以用于功率回收。
15. 用于提供低压和低纯度氧的设备，包括a) 低温蒸馏系统，其中所述低温蒸馏系统生成第一液态氧流和液态氮流；b) 减压装置，所述减压装置用于减小第二氧流的压力，由此生成至 少部分冷凝的第二氧流；c) 第一热交换装置，所述笫一热交换装置使所述至少部分冷凝的第 二氧流和所述第一液态氧汽化，由此生成中间纯度的氧蒸汽流；d) 增压装置，所述增压装置用于增加所述液态氮流的至少一部分的 压力，由此生成高压液态氮流；以及e) 第二热交换装置，所述第二热交换装置用于在到所述低温蒸馏系 统的原料空气流、所述第二氧蒸汽流和所述中间纯度的氧蒸汽流之间交换 热量，由此生成热的中间纯度的氧蒸汽流。
全文摘要
一种利用来自本地管道的高纯氧的混合系统，所述高纯氧与来自现场或本地低温蒸馏系统的低纯度氧混和，由此得到满足客户需要的中间品质的混和物。为了补偿与这种利润相当低的中间纯度氧有关的运行和能源成本，同时把高压下的高纯氮输出到本地管道中，由此对整个系统起有益的作用。
文档编号F25J3/04GK101105360SQ20071013607
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月16日 优先权日2006年7月14日
发明者B·哈, J-R·布吕热罗勒 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司