专利名称：带有制成标准组件的冷却室的低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及进料空气的低温精馏，更具体地涉及进料空气的低温精馏以制备氧气。
在含有一个或多个柱的冷却室中通过将进料空气低温精馏来制备大量的氧气。在进入冷却室之前，首先将进料空气在进料空气准备系统中进行处理，在其中进料空气被压缩、冷却并去除高沸点杂质如水蒸汽、二氧化碳和(或)碳氢化合物，这些杂质将会另外在低温精馏中的低温下凝固。通常进料空气准备系统使用相对标准的设备。但是，每个单独的低温精馏装置的冷却室特别是冷却室的一个柱或数个柱，必须根据用该装置所需制备产物氧气的生产能力而进行特定设计。这种对每个独立的冷却室的单独设计成本高并浪费时间。
因此，本发明的一个目的是提供一个低温精馏系统，该系统是使人们无需对每个这样的低温精馏装置作不同的冷却室设计却拥有不同容量的低温精馏装置。
本领域技术人员在阅读了本公开文本后将能够理解上述和其他目的是通过本发明完成的，其中一个方面是一种对进料空气进行低温精馏来制备氧气的方法，该法包括(A)在进料空气准备系统中处理进料空气，制备预备的进料空气；(B)以多个输入把预备好的进料空气输入到多个冷却室中，所述的每个输入具有相同的流量，并输送到单个冷却室；(C)在每个冷却室中通过低温精馏制备氧气，和(D)把氧气从每个冷却室输送到进料空气准备系统，从进料空气准备系统回收产物氧气。
本发明的另一个方面是一种对进料空气进行低温精馏来制备氧气的装置，包括(A)进料空气准备系统和把进料空气输送到进料空气准备系统的设施；(B)多个冷却室，每个冷却室具有相同的容量，和把进料空气从进料空气准备系统输送到每个冷却室中的设施；
(C)把氧气从每个冷却室输送到进料空气准备系统的设施；和(D)从进料空气准备系统回收产物氧气的设施。
本文使用的术语“产物氧气”是指氧气浓度大于80摩尔百分比，最好大于95摩尔百分比的流体。
本文使用的术语“产物氮气”是指氮气浓度大于95摩尔百分比，最好大99摩尔百分比的流体。
本文使用的术语“产物氩气”是指氩气浓度大于80摩尔百分比，最好大于95摩尔百分比的流体。
本文使用的术语“柱”是指蒸馏或分馏柱或区，即接触柱或接触区，在其中液相和气相逆流接触以实现流体混合物的分离，例如，通过在装在柱内的一些垂直间隔的柱板或柱盘上，和(或)在可以是规整和(或)不规则的填充件上，使气相和液相接触。为了对蒸馏柱的进一步讨论，参见Chemical Engineers’Handbook fifth edition，(R.J.Perry和C.H.Chilton著，McGraw-Hill Book Company，New York，Section 13，The Continuous Distillation Process)。使用的术语双柱是指高压柱，其上端与低压柱的下端有换热关系。对双柱的进一步讨论参见Ruheman“The Separation of Gases”，(Oxford University Press，1949，Chapter VII，Commercial Air Separation)。
气相和液相接触分离方法取决于各组分的蒸汽压差。蒸汽压高(或易挥发或沸点低)的组分易聚于气相，而蒸汽压低(不易挥发或沸点高)的组分易聚于液相。部分冷凝是一种分离方法，按此法气相混合物的冷却可用于将挥发性组分聚于气相，从而将不易挥发组分聚于液相。精馏，或连续蒸馏是将气相和液相的逆流处理获得的连续部分气化和冷凝相结合的分离方法。气相和液相的逆流接触是绝热的，并且可以包括两相之间整体或局部的接触。利用精馏原理分离混合物的分离工艺装置经常可以互换地称为精馏柱，蒸馏柱，或分馏柱。低温精馏是一种至少部分在或低于150开氏温度(K)的温度下进行的精馏方法。
本文使用的术语“间接换热”是指使两种流体进行热交换，而流体相互间无任何物理接触或互混。
本文使用的术语“进料空气”是指主要含有氧气、氮气和氩气的混合物如大气。
本文使用的术语“预备的进料空气”是指这样的进料空气，它的压力高于大气压力、温度低于大气温度、相对不含高沸点杂质，这些杂质在低温精馏过程中会产生另外的冷凝问题。
本文使用的术语“透平膨胀”和“透平式膨胀机”分别指用于使高压气体流过涡轮而使气体压力降低、温度下降，从而产生制冷作用的方法和装置。
本文使用的术语“冷却室”是指用于将原料气体低温精馏的设备，包括一个或多个柱和它们附带的管系、阀门和热交换设备。
本文使用的术语“相同的流量”指在正负百分之五的范围之内相同。
本文使用的术语“相同的容量”指产物氧气的生产能力在正负百分之五的范围之内相同。
本文使用的“氩气柱”指一种柱，它接收包括氩气的进料，而利用低温精馏制备出氩气浓度高于进料的产物。
唯一的附图
是表示本发明优选实施方案的简化流程图。
在实施本发明时，与单个进料空气准备系统一起使用不只一个冷却室。而且每个冷却室具有相同的容量。由每个冷却室制备氧气的总和达到设备所需要的氧气生产率。产物氮气和/或产物氩气也可以由一个或多个冷却室制备出来。
将参照附图详细地说明本发明。现在参见附图，通常在压缩机2中将进料空气1压缩到50到250磅/英寸2绝对压强(psia)范围内。经压缩的进料空气3经过净化器4被去除高沸点杂质如水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物，该净化器一般是温变或压变吸附净化器。然后将净化的经压缩的进料空气5在主热交换器6中通过与回返流的间接热交换进行冷却。在如图中所示的本发明的实施方案中，进料空气5的一部分7被升压压缩机8进一步压缩，而经进一步压缩的进料空气9和剩余的经压缩的进料空气10被主交换器6冷却，以制备出分别在流11和12中的经压缩、净化、冷却的进料空气，即预备的进料空气。可以看出，图中所示的实施方案中的进料空气准备系统包括压缩机2、净化器4和热交换器6。在图中所示的本实施方案中，进料空气11经涡轮膨胀机13透平式膨胀形成流14，涡轮膨胀机13对随后的低温精馏产生制冷作用。
如图所示的本发明的实施方案采用称作A、B、C的三个冷却室。每个冷却室有相同的容量，例如每天250吨的产物氧气。每个冷却室采用双柱系统，在其中也可以制备产物氮气。冷却室中的两个即冷却室A和冷却室B也采用氩气侧臂柱，在其中制备出产物氩气。每一个冷却室接收一个或多个流的进料空气输入，每个冷却室接收输入时总的输入流量是相同的。冷却室的操作将参照冷却室A作更详细地说明，可以理解的是其他冷却室的操作类似于冷却室A。
现在重新参见附图，进料空气12分成流15、16、17三个流，进料空气14分成流18、19、20三个流。流15和18输入到冷却室A、流16和19输入到冷却室B、流17和20输入到冷却室C。进到每个冷却室A、B、C的输入具有相同的流量，例如1.2×106立方英尺/小时。在如图中所示的本发明的实施方案中，总输入是按引入到每个冷却室的高压柱中被展示的。本领域中的普通技术人员可知每个冷却室的一部分输入可以被引入到低压柱中。
将流15和18中的预备的进料空气输送到高压柱21中，该柱的操作压力通常在50到250磅/英寸2绝对压强(psia)的范围内。在高压柱21中利用低温精馏将进料空气分离成为富氮气体和富氧液体。将富氮气体在流22中输送到主冷凝器23中，在这里通过与低压柱24底部的液体进行间接热交换将其冷凝，从而形成富氮液体25。富氮液体25的一部分26作为回流返回到高压柱21中，富氮液体25的另一部分27作为回流返回到低压柱24中。将富氧液体从高压柱21的下部在流28中进入到氩柱上部的冷凝机29中，在这里通过与富氩气体进行间接热交换使其至少部分被气化，然后将产生的富氧流体象图中所示的那样通过流30从上部的压缩机29输送到低压柱24中。
将包含氧气和氩气的流31从低压柱24输送到氩柱32中，在这里利用低温精馏将其分离成为富氩气体和富氧液体。富氧液体在流33中回到低压柱24中。将富氩气体在流34中输送到上部的冷凝机29中，在这里如上述的那样通过与汽化的富氧液体进行热交换将其冷凝。产生的富氩液体作为回流在流35中返回到氩柱32中。从氩柱32的上部将气体和/或液体的富氩流体回收，作为在流36中的产物氩气。
以不超过高压柱21的压力，通常在16-80磅/英寸2绝对压强(psia)的范围内的压力下使低压柱运行。在低压柱24中利用低温精馏将进入柱中的不同原料分离成为富氮流体和富氧流体。从低压柱24的上部抽取出富氮流体作为气流37，输送通过主热交换器6将其变暖，作为产物氮气38回收。从低压柱24的下部抽取出气体和/或液体的富氧流体。若抽取出的是液体，可以在作为高压产物氧气回收之前，在分离产物蒸发器中或在主换热器6中将富氧液体用泵成高压并使其汽化。在图中所示的实施方案中，从低压柱24中抽取出富氧流体作为气体流39，输送通过主交换器6使其变暖，回收产物氧气40。
除了因为冷却室C没有使用氩气柱所以富氧液体直接从高压柱输送到低压柱中之外，冷却室B和C的操作与冷却室A相似。因此对冷却室B和C的操作不作详细说明。冷却室B和C除了制备氧气以外还制备氮气。在如图所示的实施方案中，富氮气体从每个冷却室B和C分别在流41和42中被输送到流37，在作为产物氮气38回收之前，作为一个流通过主热交换器6。类似的，富氧气体从每个冷却室B和C分别在流43和44中被输送到流39，在作为产物氧气40回收之前，作为一个流通过主热交换器6。可以理解的是，可以将产物流分别从每个冷却室输送过主热交换器，并可以将其分别回收。
在实施本发明时，被制成标准组件的冷却室的设计容量可以在每天50到1500吨产物氧气的范围内，进料空气输入到每个被制成标准组件的冷却室的设计流量可以在0.24到7.2×106立方英尺/小时的范围内。本发明的系统可以达到每天6000吨产物氧气的总计生产能力。在本发明的实施方案中，被制成标准组件的冷却室的优选标准生产能力是每天250到400吨产物氧气。每天250吨产物氧气的被制成标准组件的冷却室适用于采用原尺寸钎焊式铝热交换芯片的主交换器6来处理预备的进料空气，并且冷却室与选用的热交换器匹配良好，从而提供了成本有效的工厂设备。同样的，每天400吨产物氧气的被制成标准组件的冷却室与来自两个原尺寸钎焊式铝热交换器芯片的预备的进料空气匹配良好，并且该冷却室是最大的车间生产的运输单元，由此避免了与现场制作相联系的附加成本。本技术领域中的普通技术人员对设计制成标准组件的冷却室的技术是熟悉的，从而使其能够控制规定的进料空气流量并按照规定的产氧吨数来生产氧气。
现在由于实施本发明，其中多个类似尺寸的冷却室组件是与进料空气系统平行地一起运行，通过加减标准尺寸的冷却室标准组件数，可以有效制作出容量可在较宽范围内变化的低温精馏装置，而无需高成本的单独作大批设计，这样可以显著降低建造低温精馏装置的时间和成本。虽然参照一具体实施方案已对本发明作出详细地说明，但本领域技术人员可知在权利要求的精神和范围内，本发明存在其他的实施方案。例如，可以额外使用一个或多个冷却室，它的容量不同于已被限定的多个相同容量的冷却室，用它来从进料空气准备系统接收额外的预备进料空气并制备额外的产物如产物氧气。
权利要求
1.对进料空气进行低温精馏以制备氧气的方法，该方法包括(A)在进料空气准备系统中处理进料空气，从而制备预备的进料空气；(B)以多个输入把预备好的进料空气输送到多个冷却室中，所述的每个输入具有相同的流量，并输送到单个的冷却室；(C)在每个冷却室中通过低温精馏制备氧气，和(D)把氧气从每个冷却室输送到进料空气准备系统，从进料空气准备系统回收产物氧气。
2.权利要求1的方法，它进一步包括从至少其中一个冷却室中制备和回收产物氮气。
3.权利要求1的方法，它进一步包括从至少其中一个冷却室中制备和回收产物氩气。
4.对进料空气进行低温精馏以制备氧气的装置，它包括(A)进料空气准备系统和用于把进料空气输送到进料空气准备系统的设施；(B)多个冷却室，每个冷却室具有相同的容量，和把进料空气从进料空气准备系统输送到每个冷却室中的设施；(C)把氧气从每个冷却室输送到进料空气准备系统的设施；和(D)从进料空气准备系统回收产物氧气的设施。
5.权利要求4的装置，每个冷却室包括一个双柱。
6.权利要求4的装置，至少其中一个冷却室包括一个氩气柱。
全文摘要
一种用于制备氧气的低温精馏系统,它具有进料空气准备系统和多个类似尺寸的并与进料空气准备系统平行地一起运行的冷却室组件。
文档编号F25J3/04GK1241708SQ9910762
公开日2000年1月19日 申请日期1999年4月30日 优先权日1999年4月30日
发明者K·K·王, D·P·博纳奎斯特, J·F·比林汉, M·D·蒙蒂思, N·M·普罗瑟 申请人:普拉塞尔技术有限公司