CN106595221A - 制氧系统和制氧方法 - Google Patents

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Abstract

一种制氧系统，该制氧系统包括制氮装置和制氧装置。该制氧系统可以在减少对现有制氮方法的影响的同时有效地生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种。

Description

制氧系统和制氧方法
[技术领域]
本发明涉及一种制氧系统和一种制氧方法。更确切地说，本发明涉及利用从制氮方法排出的流体有效地生产氧气和液态氧的制氧系统和制氧方法。
[背景技术]
低温空气分离设备广泛被认为是制氧装置。该低温空气分离设备通常被设计为使用多个蒸馏柱来顺序地增加分离效率以主要生产氮气、氧气、和氩气作为最终产品。
对于氮气(如用于半导体方法的氮气)的需求显著比对于其他气体如氧气的需求更高。因此，使用大量的制氮装置以便满足在消耗量与生产量之间的平衡。该制氮装置主要使用空气作为原料，并且通过压缩-纯化方法生产氮气和液态氮。该制氮装置当生产氮气时排出具有高氧浓度的气体作为废气。
在现有制氮装置的附近甚至在其中仅仅主要需要氮气的工厂或区域中可能需要氧气(或者生产氧气可能是必要的)。在此类情况下，可以使用利用从该制氮装置排出的废气的制氧装置生产氧气，或者可以使用利用室温分离方法或者低温分离方法(使用空气作为原料)生产氧气的制氧装置生产氧气。
例如，专利文献1披露了一种通过利用现有制氮装置生产氧气的装置。如图4中示出的，该专利文献1中披露的装置被配置为从空气(原料)去除水和二氧化碳，将该空气引入至氮气精馏塔10内以通过冷却液化该空气，从该氮气精馏塔10中收集氮气(即产物)，使用从该氮气精馏塔10获得的富氧液化空气作为冷源用于氮气冷凝器14，使用该富氧液化空气作为热源用于氧气精馏塔20的再沸器24，并且使用该富氧液化空气作为氧气原料和回流液体用于该氧气精馏塔20。该专利文献1中披露的装置在保持氮气收集比的同时生产氧气。
[发明概述]
[技术问题]
当在现有制氮装置的附近生产氧气时，如果附加地安装制氧装置，则成本的增加发生。此外，由于从该制氮装置和该制氧装置排出作为副产物生产的氧气或氮气，所以废气的量和能量损失增加。因此，当在现有制氮装置的附近生产氧气时，如在专利文献1中披露的，可以提供制氧装置给制氮装置。在此情况下，然而，以下问题可能发生。
确切地说，专利文献1中披露的方法通过膨胀阀将在该制氮装置下的空间中储存的富氧液化空气供应给第二精馏塔的精馏段的上部部分。使向上移动的气体与逆流液体相接触，使得从该向下移动的液体中释放低沸点组分(特别是氧气)。在该第二精馏塔下的空间中储存所产生的富氧气体(即，具有高氧浓度的气体)。排出储存在第二精馏塔下的空间中的富氧气体作为产物氧气。
然而，包括在该原料空气中的高沸点组分(例如，甲烷)留在该产物氧气中。确切地说，专利文献1中披露的方法不能够生产高纯度氧气(即，具有约99.9999％纯度的氧气)。因此，当所希望的是在使用专利文献1中披露的方法的同时获得高纯度氧气时，必要的是通过利用高温贵金属催化反应将高沸点组分(例如，甲烷)转化为水和二氧化碳，并且使用加压装置(使用合成沸石或类似物作为吸附剂)来纯化氧气。因此，必要的是投资于设备，提供热源用于获得对于该催化反应所要求的温度，并且提供电力用于再生在其上吸附杂质的沸石或类似物。
此外，当富氧液化空气仅仅被用作供应给该制氧装置的原料时，整体生产效率未必是令人满意的。确切地说，必要的是进一步考虑整体能量-排出气平衡等等以便使用组合的该制氮装置和该制氧装置有效地生产氮气和氧气。
因此，本发明的若干方面的目的是提供可以在减少对现有制氮方法的影响的同时有效地生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种的制氧系统和制氧方法。
[问题的解决方案]
设想本发明以便解决以上问题中的至少一些，并且本发明可以如以下描述的实施(参见以下方面或应用实例)。
根据本发明的一个方面，一种制氧系统包括制氮装置和制氧装置，
该制氧装置包括：
将冷却的加压空气引入其中的容器(A)；以及
精馏塔(C)，该精馏塔包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸发器(B)，
该制氧系统包括：
第一流动通道，该第一流动通道排出储存在该容器(A)的底部的液体；
第二流动通道，该第二流动通道将通过该第一流动通道排出的液体的一部分引入至该精馏塔(C)的上部部分内；
第三流动通道，该第三流动通道从该制氮装置排出富氧液化空气的至少一部分、并且将该富氧液化空气引入至该精馏塔(C)的中间阶段内；
第四流动通道，该第四流动通道从该第一流动通道分出、并且将该液体的至少一部分引入至该制氮装置内作为冷源；以及
第五流动通道，该第五流动通道从一个位置排出由于由该液化空气产生的冷凝热已经在该冷凝器-蒸发器(B)内汽化的氧气，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。
该制氧系统可以在减少对现有制氮方法的影响的同时有效地生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种。
当仅仅使用该制氮装置时，具有等于或高于约30％的氧浓度的富氧液化空气可能典型地是多余的。根据本发明的制氧系统利用该富氧液化空气作为被供应到该制氧装置的原料。确切地说，该制氧系统可以通过将此类原料供应给该制氧装置生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种作为产物。根据本发明的制氧系统将液化空气(对于该制氧装置是多余的)供应给该制氮装置作为冷源。这使得可能在抑制该制氮装置的性能的减少并且减少能量和排出气浪费的同时有效地生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种。
根据本发明的制氧系统可进一步包括：
液化该汽化的氧气的氧气液化器(D)；
第六流动通道，该第六流动通道从该第一流动通道分出、并且将该液体的至少一部分引入至该氧气液化器(D)内作为冷源；
氧气冷凝器(E)，该氧气冷凝器被提供在该氧气液化器(D)中、并且通过该第五流动通道接收该汽化的氧气；以及
第七流动通道，该第七流动通道排出在该氧气冷凝器(E)内产生的液态氧。
根据此配置，可能的是利用该低温液体的一部分(对于该制氧装置是多余的)作为冷源用于液化氧气。这使得可能减少液化氧气所需要的能量的量。例如，不必要供应通常用作制冷剂的液态氮或者类似物。
根据本发明的制氧系统可进一步包括：
第八流动通道，该第八流动通道从该精馏塔(C)的上部部分排出废气；以及
第九流动通道，该第九流动通道从该氧气液化器(D)的上部部分排出已经被汽化的液体。
根据此配置，由于可以通过该第八流动通道将废气从该精馏塔(C)排出，可能的是适当地保持该精馏塔(C)内部的压力。由于可以通过该第九流动通道将由于热交换已经在该氧气液化器(D)内被汽化的液体从该系统排出，可能的是适当地保持该氧气液化器(D)内部的压力。
根据本发明的制氧系统可进一步包括：
该第八流动通道和该第九流动通道合并入其中的第十流动通道；
加热混合气体的热交换器(G)，该混合气体流过该第十流动通道并且包括该废气和该已经被汽化的液体；以及
第一加压器件，通过该第十流动通道将该已经被加热的混合气体引入至该第一加压器件内。
根据此配置，流过该第十流动通道的混合气体在该热交换器(G)内被加热，并且被引入至该第一加压器件内。因此，不必要提供对应于该废气和该已经被汽化的液体的每一种的第一加压器件。由于该第一加压器件可以使用被设计为在室温下使用的压缩机或者类似物而不是被设计为在低温下使用的压缩机或者类似物来实施，例如，可能的是减少设备成本。
根据本发明的制氧系统可进一步包括：
第十一流动通道，该第十一流动通道将已经被该第一加压器件加压的该混合气体引入至该热交换器(G)内；以及
第十二流动通道，该第十二流动通道将该已经在该热交换器(G)内被冷却的混合气体引入至该容器(A)内。
根据此配置，已经被该第一加压器件加压的混合气体在该热交换器(G)内被冷却，并且被引入至该容器(A)内。这使得可能改进产物氧(即，高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种)的收集比。
根据本发明的制氧系统可进一步包括：
第二加压器件，通过该第七流动通道将该液态氧引入至该第二加压器件内；
第十三流动通道，该第十三流动通道将已经被该第二加压器件加压的该液态氧引入至该热交换器(G)内；以及
第十五流动通道，该第十五流动通道排出已经在该热交换器(G)内被加热且汽化的氧气。
根据此配置，该液态氧被该第二加压器件加压，并且在该热交换器(G)内被加热。这使得可能获得加压的氧气。在该热交换器内加热并且汽化该加压的液态氧。然而，根据本发明的制氧系统显著地降低所产生的液态氧中的烃(例如，甲烷)的浓度。因此，烃(例如，甲烷)不容易在该热交换器(G)内凝固并且累积，并且可能的是更安全地生产高纯度氧气。
根据本发明的另一个方面，一种制氧方法利用与制氮装置组合的制氧装置，该制氧装置包括将冷却的加压空气引入其中的容器(A)、以及包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸发器(B)的精馏塔(C)，该制氧方法包括：
通过第一流动通道排出储存在该容器(A)的底部的液体；
通过第二流动通道将该排出的液体的一部分引入至该精馏塔(C)的上部部分内；
通过第三流动通道从该制氮装置排出富氧液化空气的至少一部分至该精馏塔(C)的中间阶段内；
通过第四流动通道将该液体的至少一部分引入至该制氮装置内作为冷源；并且
通过第五流动通道从一个位置排出由于由该液化空气产生的冷凝热已经在该冷凝器-蒸发器(B)内汽化的氧气，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。
该制氧方法可以在减少对现有制氮方法的影响的同时有效地生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种。
在根据本发明的制氧方法中，
该制氧装置可包括氧气液化器(D)和氧气冷凝器(E)，并且
该制氧方法可进一步包括：
通过第六流动通道将该液体的至少一部分引入至该氧气液化器(D)内作为冷源；
通过该第五流动通道将该汽化的氧气引入至该氧气冷凝器(E)内；并且
通过第七流动通道排出该氧气冷凝器(E)内产生的液态氧。
根据此配置，可能的是利用该低温液体的一部分(对于该制氧装置是多余的)作为冷源用于液化氧气。这使得可能减少液化氧气所需要的能量的量。例如，不必要供应通常用作制冷剂的液态氮或者类似物。
根据本发明的制氧方法可进一步包括：
通过第八流动通道从该精馏塔(C)的上部部分排出废气；并且
通过第九流动通道从该氧气液化器(D)的上部部分排出该已经被汽化的液体。
根据此配置，由于可以通过该第八流动通道将废气从该精馏塔(C)排出，可能的是适当地保持该精馏塔(C)内部的压力。由于可以通过该第九流动通道将由于热交换已经在该氧气液化器(D)内被汽化的液体从该系统排出，可能的是适当地保持该氧气液化器(D)内部的压力。
在根据本发明的制氧方法中，
该制氧装置可包括热交换器(G)和第一加压器件，并且
该制氧方法可进一步包括：
在该热交换器(G)内加热混合气体，该混合气体流过第十流动通道并且包括该废气和该已经被汽化的液体，该第十流动通道是该第八流动通道和该第九流动通道合并入其中的流动通道；并且
通过该第十流动通道将该已经被加热的混合气体引入至该第一加压器件内。
根据此配置，流过该第十流动通道的混合气体通过该热交换器(G)加热，并且被引入至该第一加压器件内。因此，不必要提供对应于该废气和该已经被汽化的液体的每一种的第一加压器件。由于该第一加压器件可以使用被设计为在室温下使用的压缩机或者类似物而不是被设计为在低温下使用的压缩机或者类似物来实施，例如，可能的是减少设备成本。
根据本发明的制氧方法可进一步包括：
通过第十一流动通道将已经被该第一加压器件加压的该混合气体引入至该热交换器(G)内，并且在该热交换器(G)内冷却该混合气体；并且
通过第十二流动通道将该已经在该热交换器(G)内被冷却的混合气体引入至该容器(A)内。
根据此配置，已经被该第一加压器件加压的混合气体在该热交换器(G)内被冷却，并且被引入至该容器(A)内。这使得可能改进产物氧(即，高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种)的收集比。
在根据本发明的制氧方法中，
该制氧装置可包括第二加压器件，并且
该制氧方法可进一步包括：
通过该第七流动通道将该液态氧引入至该第二加压器件内；
通过第十三流动通道将已经被该第二加压器件加压的该液态氧引入至该热交换器(G)内；并且
通过第十五流动通道排出已经在该热交换器(G)内被加热且汽化的氧气。
根据此配置，该液态氧被该第二加压器件加压，并且在该热交换器(G)内被加热。这使得可能获得加压的氧气。在该热交换器内加热并且汽化该加压的液态氧。然而，根据本发明的制氧方法显著地降低所产生的液态氧中的烃(例如，甲烷)的浓度。因此，烃(例如，甲烷)不容易在该热交换器(G)内凝固并且累积，并且可能的是更安全地生产高纯度氧气。
[本发明的有利的效果]
根据本发明的制氧系统和制氧方法利用从该制氮装置排出的富氧液化空气作为被供应到该制氧装置的原料，并且将该液化空气(对于该制氧装置是多余的)供应给该制氮装置作为冷源。这使得可能在抑制该制氮装置的性能的减少并且减少能量和排出气浪费的同时有效地生产高纯度氧气和高纯度液态氧中的至少一种。
[附图简要说明]
[图1]图1是示出根据本发明的该制氮装置与该制氧装置之间的关系的概要的示意图。
[图2]图2是示出根据本发明的制氧装置的供应装置的第一配置实例的示意图。
[图3]图3是示出根据本发明的制氮装置的具体实例并且示出该第一配置实例的细节的示意图。
[图4]图4是示出结合已知制氮装置提供的制氧装置的配置实例的示意图。
[实施方式的说明]
以下参考附图详细地描述了本发明的示例性实施例。注意以下示例性实施例不过度地限制如在权利要求书中陈述的本发明的范围。还注意所有以下描述的元件应该未必被认为是本发明的必要元件。
根据本发明的制氧系统包括组合的制氮装置和制氧装置。该制氧装置包括容器(A)和精馏塔(C)。该制氧装置包括第一流动通道、第二流动通道、第三流动通道、第四流动通道、以及第五流动通道。
1.制氧装置的概要
图1是示出该制氧系统的概要的视图。如图1中示出的，根据本发明的一个实施例的制氧系统具有一种配置，其中制氮装置和制氧装置至少通过来自该制氮装置的富氧液化空气供应通道和来自该制氧装置的液化空气供应通道连接。
根据本发明的一个实施例的制氧系统包括供应加压空气的压缩机1、将包括在该加压空气中的水和二氧化碳去除的空气纯化系统、接收该从其中已经去除水和二氧化碳的空气并且精馏该接收的空气以生产氮气的该制氮装置、以及接收来自该制氮装置的富氧液化空气并且精馏该接收的富氧液化空气以生产氧气的该制氧装置。
将根据本发明的一个实施例的制氧系统配置为使得将来自该制氮装置的废气引入至热交换器件(在该附图中未示出)内、返回至室温、并且然后返回至该空气纯化系统中。该制氮装置与该制氧装置通过来自该制氮装置的富氧液化空气的流动以及该液化空气的流动热连接。该制氧装置以与从该制氮装置供应至该制氧装置的富氧液化空气的量几乎相同量将液化空气供应给该制氮装置。
包括在根据本发明的一个实施例的制氧系统中的制氧装置包括进一步压缩通过该空气纯化系统供应的该空气的一部分的压缩机2、以及压缩从该制氧装置排出的再循环空气的压缩机3。将该被压缩机2压缩的加压空气以及该被压缩机3压缩的再循环空气引入至该制氧装置内、引入至冷凝器-蒸发器(在该附图中未示出)内、并且经受间接热交换以生产液化空气，该液化空气以液体的形式储存在该冷凝器-蒸发器的底部。将过量的液化空气供应给该制氮装置和氧气液化器(在该附图中未示出)作为冷源。将从该制氧装置排出的废气的一部分与从该制氮装置排出的废气结合，并且用于通过废气排放使该空气纯化系统再生。
因此将根据本发明的一个实施例的制氧系统配置为使得原料和副产物可以按照互补的方式用于该制氮装置和该制氧装置。
2.制氧装置的细节
图2示出了制氧系统1000作为根据本发明的一个实施例的制氧系统的更具体的实例。图2示出了制氧装置的实例，该制氧装置可以用于根据本发明的一个实施例的制氧系统。如图2中示出的，将该制氧系统1000配置为使得将从制氮装置(F)供应的富氧液化空气(即，氧气原料)通过第三流动通道32引入至该精馏塔(C)的中间阶段内。在此使用的术语“富氧液化空气”指的是通过液化具有比原料空气(空气)的氧浓度更高的氧浓度的空气(富氧空气)获得的液化空气。例如，在此使用的术语“富氧液化空气”指的是具有等于或高于30％的氧浓度的液化空气。
该制氧系统1000包括该精馏塔(C)。在该精馏塔(C)的下部部分中提供冷凝器-蒸发器(B)。在该精馏塔(C)的底部提供容器(A)，并且该容器(A)的顶部部分通过该冷凝器-蒸发器(B)与该精馏塔(C)热连接。
将通过压缩机200加压的加压空气以及通过再循环压缩机300(第一加压器件)加压的加压再循环空气中的至少一种引入至该容器(A)内。该加压空气在通过膨胀阀(H)经由自由膨胀减压下被冷却之后通过第十四流动通道21被引入至该容器(A)内。该加压空气和该加压再循环空气在通过热交换器(G)通过与逆流液体间接热交换被冷却到大约液化温度的温度之后被引入至该容器(A)内。通过第十二流动通道31将该加压再循环空气引入至该容器(A)内。
将该加压空气和该加压再循环空气引入至该容器(A)内、并且然后引入至该冷凝器-蒸发器(B)内。该冷凝器-蒸发器(B)通过利用该加压空气和该加压再循环空气汽化储存在该精馏塔(C)的底部的液态氧。确切地说，液化该加压空气的一部分和该加压再循环空气的一部分以生产液化空气，该液化空气以液体的形式储存在该容器(A)的底部。
将储存在该容器(A)的底部的液体(液化空气)通过与该容器(A)的下部部分连接的第一流动通道22排出，并且将该排出的液体的至少一部分通过第二流动通道24供应给该精馏塔(C)的上部部分。将储存在该容器(A)的底部的液体(液化空气)的一部分(以与从该制氮装置供应至该制氧装置的该富氧液化空气的量相同的量)通过第四流动通道23引入至该制氮装置内作为冷源，并且将储存在该容器(A)的底部的液体(液化空气)的至少一部分通过第六流动通道25供应给氧气液化器(D)作为冷源。
被供应到该精馏塔(C)的上部部分的回流液体(液化空气)以及来自该制氮装置的被引入至该精馏塔(C)的中间阶段内的富氧液化空气向下流过该精馏塔(C)，并且与从该精馏塔(C)的底部向上移动的蒸汽接触。该回流液体(液化空气)以及该富氧液化空气因此被精馏以在该精馏塔(C)的底部生产液态氧。
在此情况下，通过第五流动通道33从一个位置排出具有等于或低于25ppm的甲烷浓度的氧气，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。从该精馏塔(C)的底部去除防止浓缩的液体(concentration-preventing liquid)(例如，烃)(在这些附图中未示出)。通过第八流动通道27从该精馏塔(C)的顶部排出具有与空气的组成类似的组成的废气。
该制氧系统1000包括该氧气液化器(D)。将该从一个位置排出的氧气通过该第五流动通道33引入至该氧气液化器(D)内部提供的氧气冷凝器(E)内，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。
将储存该容器(A)中的液化空气通过该第六流动通道25引入至该氧气液化器(D)内，并且使其经受与该氧气的间接热交换。因此液化该氧气，并且通过第七流动通道34排出所产生的液态氧。该液态氧具有高纯度，并且具有等于或低于25ppm的甲烷浓度。
在该氧气液化器(D)内经受热交换的该液化空气由于由该氧气产生的冷凝热汽化，并且通过第九流动通道26从该氧气液化器(D)的顶部被去除(作为废气)。
该制氧系统1000包括该热交换器(G)。将从该精馏塔(C)的顶部排出的(去除的)废气以及从该氧气液化器(D)的顶部排出的(去除的)废气结合以形成再循环空气流，将该再循环空气流引入至该热交换器(G)内。
在该热交换器(G)中，将该再循环空气流加热至大约室温的温度(由于逆流流体)。将该再循环空气流通过第十流动通道28排出，并且通过该再循环压缩机300(第一加压器件)加压。然后将该再循环空气流通过第十一流动通道30引入至该热交换器(G)内，并且加热至大约液化温度的温度(由于逆流流体)。注意任选地将该再循环空气流的一部分通过管29排出到该系统的外部。
将由该氧气液化器(D)产生的高纯度液态氧通过该第七流动通道34排出，通过低温泵350(第二加压器件)加压，并且通过第十三流动通道35引入至该热交换器(G)内。将该高纯度液态氧加热至室温(由于逆流流体)，并且通过第十五流动通道36作为氧气(高纯度产物)排出。当所希望的是从该制氧系统1000作为液态氧(高纯度产物)排出氧气时，该第七流动通道34可以在该氧气液化器(D)与该低温泵350(第二加压器件)之间分出以移出液态氧。可以将该移出的液态氧转移至储存器件如槽中。
将该制氧系统1000配置为使得将该已经被冷却的加压空气供应给该容器(A)。该容器(A)的顶部部分和该精馏塔(C)通过该冷凝器-蒸发器(B)热连接，并且将该加压空气的一部分引入至该冷凝器-蒸发器(B)内，并且经受与储存在该精馏塔(C)的底部的液态氧的间接热交换。将所产生的液化空气从该冷凝器-蒸发器(B)排出，并且以液体的形式储存在该容器(A)的底部。
通过被提供给该容器(A)的下部部分的该第一流动通道22排出该液化空气，并且将通过从该第一流动通道22分出的第二流动通道25排出的该液体的一部分引入至该精馏塔(C)的上部部分作为回流液体。
将该富氧液化空气(即，副产物)(即，对于该制氮装置的低浓度组分)的至少一部分从该制氮装置排出，并且通过该第三流动通道32供应(作为高纯度氧气原料)给该精馏塔(C)(制氧装置)的中间阶段。通过从该第一流动通道22分出的该第四流动通道23将该液体(具有比该富氧液化空气的氮含量更高的氮含量)的至少一部分供应给该制氮装置作为冷源。因此，可能的是减少对通过该制氮装置实施的制氮方法的影响，并且将用作用于高纯度氧气的原料的该富氧液化空气从该制氮装置供应给该制氧装置。因此，将根据本发明的一个实施例的制氧系统1000配置为使得该原料、该副产物、能量等可以按照互补的方式用于该制氮方法和该制氧方法。
将根据本发明的一个实施例的制氧系统1000配置为使得通过该第五流动通道33从一个位置排出通过与该加压空气热交换由该冷凝器-蒸发器(B)产生的该氧气，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。使高沸点组分(例如，甲烷)与从该精馏塔(C)的上部部分向下流动的富氧液化空气接触以生产具有非常低烃(例如，甲烷)浓度的氧气(产物)。根据本发明的一个实施例的制氧系统1000还使得可能调节每种组分的气体-液体状态或温度和/或压力以便对于该制氮装置的运行以及该制氧装置的运行是适当的。
根据本发明的一个实施例的制氧系统1000因此是通过与现有制氮装置的组合形成的，该组合高度有效地起作用。
注意在使用该制氧系统1000产生的高纯度氧气中的甲烷浓度被计算为是25ppm或更少。确切地说，可以使用该制氧系统1000生产在半导体工业等的领域中所要求的高纯度氧气。
3.制氮装置的细节
参考图3以下描述了包括在该制氧系统1000中的制氮装置的细节。图2示出了制氮装置的实例，该制氮装置可以用于根据本发明的一个实施例的制氧系统。例如，该制氮装置生产17,000Nm3/hr(8.8Bar A)的量的高纯度氮气。例如，结合该制氮装置提供的该制氧装置生产500Nm3/hr(9.6Bar A)的量的高纯度氧气。注意与关于每个步骤使用的每种气体和每种液体相关的以下描述的特定值(例如，温度、压力、以及量(流量))仅仅是实例。根据本发明的制氧系统和制氧方法不限于以下描述的特定值。
例如，将原料空气(约29,164Nm3/hr)使用过滤器(在这些附图中未示出)除尘，并且使用供应器件198加压到约9.2Bar A。空气纯化系统199从该加压空气中去除杂质如水和二氧化碳。通过分支点(T)将该加压空气的一部分(约704Nm3/hr)引入至空气压缩器件200内，并且通过管1将该加压空气的剩余部分(约28,910Nm3/hr)引入至热交换器40内。
将该加压空气在该热交换器40内通过与逆流液体的间接热交换冷却至约-165℃，并且通过管2供应到该制氮装置(F)的中压精馏塔100的下部部分。
被供应到该中压精馏塔100的该加压空气在该中压精馏塔100内向上移动，并且与向下流动并且包括液态氮作为主要组分的回流液体接触。因此，将包括在该气相中的氧气溶解于该回流液体中，并且将包括在该回流液体中的氮气汽化并且释放至该气相内。其结果是，氮气在该中压精馏塔100的上部部分中累积，并且富氧液化空气在该中压精馏塔100的下部部分中累积。通过管3将该约-168℃下的富氧液化空气从该中压精馏塔100的下部部分以约25,056Nm3/hr的流量排出，并且供应到包括第一冷凝器-蒸发器50的第一冷凝器-蒸发器段101。
将已经在该中压精馏塔100的上部部分中累积的该氮气供应到该第一冷凝器-蒸发器50作为热源。将该氮气(压力：约8.96Bar A，流量：约13,200Nm3/hr)引入至该第一冷凝器-蒸发器50内，并且汽化储存在该第一冷凝器-蒸发器段101中的该富氧液化空气以在该第一冷凝器-蒸发器段101内形成废气。将该氮气液化以生产液态氮(约13,200Nm3/hr)，该液态氮被引入至该中压精馏塔100的上部部分内、并且从该中压精馏塔100的上部部分向下流动作为回流液体。
将废气(氧气浓度：约28％，温度：约-172℃，压力：约5.46Bar A，流量：约13,149Nm3/hr)通过管9从该第一冷凝器-蒸发器段101的上部部分排出，并且引入至加压器80内。将该废气通过该加压器80加压至约9.11Bar A，通过管10引入至该热交换器40内，并且通过与逆流流体的间接热交换冷却至约-165℃。将该废气通过管11引入至该中压精馏塔100的下部部分内。由于该冷却的废气中的氧气浓度高于该加压空气中的氧气浓度，优选的是在低于该管2与该中压精馏塔100连接的位置的位置处将该管11与该中压精馏塔100连接。
将储存在该第一冷凝器-蒸发器段101中的该富氧液化空气的一部分从该第一冷凝器-蒸发器段101排出，冷却至约-172℃(同时减压至约4.3Bar A)，并且通过管4以约12,817Nm3/hr的流量引入至第二冷凝器-蒸发器段102内。
将已经在该中压精馏塔100的上部部分中累积的该氮气供应到该第二冷凝器-蒸发器60作为热源。例如，将该氮气(压力：约8.96Bar A，流量：约15,100Nm3/hr)引入至该第二冷凝器-蒸发器60内，并且汽化储存在该第二冷凝器-蒸发器段102中的该富氧液化空气以在该第二冷凝器-蒸发器段102内形成富氧废气。液化该氮气以生产液态氮，该液态氮从该中压精馏塔100的上部部分向下流动作为回流液体。
将该富氧废气(温度：约-172.3℃，压力：约4.3Bar A，流量：约11,907Nm3/hr)通过管5从该第二冷凝器-蒸发器段102的上部部分排出，并且引入至该热交换器40内。该富氧废气通过与逆流流体的间接热交换被加热至约-143℃。将该富氧废气通过管6引入至膨胀涡轮机70内，并且通过绝热膨胀减压至约1.24Bar A(同时冷却至约-178℃)。
将该富氧废气通过管7再次引入至该热交换器40内，通过与逆流流体的间接热交换加热至约52℃，通过管8引入至该空气纯化系统199内，并且用于使该空气纯化系统199再生。
将该氮气(压力：约9.0Bar A，流量：约17,000Nm3/hr)通过管12从该中压精馏塔100的上部部分排出，引入至该热交换器40内，通过与逆流流体的间接热交换加热至约52℃，并且通过管13排出作为该产物氮气。
将该富氧液化空气(压力：约4.3Bar A，温度：约-172℃，流量：约910Nm3/hr)从该第二冷凝器-蒸发器段102排出，并且通过管(第三流动通道32)引入至该制氧装置的精馏塔(C)的中间阶段内作为原料。
储存在该第二冷凝器-蒸发器段102中的液体包括处于高浓度的烃(例如，甲烷)。如果仅仅运行该制氮装置，将该富氧液化空气(压力：约4.3Bar A，温度：约-172℃，流量：约60Nm3/hr)从该第二冷凝器-蒸发器段102排放到外部。根据本发明的一个实施例的制氧系统1000可以利用如果仅仅运行该制氮装置被排放到外部的富氧液化空气(流量：约60Nm3/hr)生产氧气。还可能的是生产氮气而不从该系统释放冷源。
4.使用制氧系统的氧气的生产
以下详细地描述了利用该制氧系统1000的制氧方法。
将由空气供应器件(空气压缩机198和空气纯化系统199)加压的空气(原料)的一部分(约704Nm3/hr)通过该分支点(T)和管20引入至空气压缩器件200内。将该空气通过该空气压缩器件200加压至约23Bar A，引入至该热交换器(G)内，并且经受与逆流流体的间接热交换。该加压空气因此被冷却至约-163℃，并且使其通过阀(H)经受自由膨胀至约9.363Bar A。将该被冷却至约-168℃的加压空气通过管(第十四流动通道21)引入至该容器(A)内。
将从该再循环空气压缩机300(第一加压器件)排出的该再循环空气(压力：约9.4Bar A，流量：约2,718Nm3/hr)通过第十一流动通道30引入至该热交换器(G)内，并且通过与逆流流体的间接热交换冷却至约-163℃。通过管(第十二流动通道31)将该冷却的再循环空气引入至该容器(A)内。
将该富氧液化空气(压力：约4.3Bar A，温度：约-172℃，流量：约910Nm3/hr)从该第二冷凝器-蒸发器段102排出，并且通过管(第三流动通道32)引入至该制氧装置的精馏塔(C)的中间阶段内。
该精馏塔(C)的底部和该容器(A)的顶部部分通过该冷凝器-蒸发器(B)热连接，并且使该容器(A)的顶部部分中存在的气体和该精馏塔(C)的底部存在的液态氧经受热交换。更确切地说，供应该加压空气(约704Nm3/hr)和该再循环空气(约2,718Nm3/hr)作为热源用于该冷凝器-蒸发器(B)。该加压空气和该再循环空气被用于汽化该冷凝器-蒸发器(B)的底部存在的液体(液态氧)。液化该加压空气和该再循环空气以生产高压液化空气(约3,422Nm3/hr)。
将该高压液化空气(约3,422Nm3/hr)通过管(第一流动通道22)从该容器(A)的下部部分排出，通过管(第二流动通道24)供应到该精馏塔(C)的上部部分作为回流液体(约986Nm3/hr)，或者通过管(第四流动通道23)引入至该制氮装置的第一冷凝器-蒸发器段101内作为冷源(对应于从该制氮装置供应给该制氧装置的富氧液化空气)(约910Nm3/hr)，或者通过管(第六流动通道25)供应给该氧气液化器(D)作为冷源(约1,526Nm3/hr)。
通过该管(第二流动通道24)供应的该回流液体以及通过该管(第三流动通道32)引入的该富氧液化空气向下流过该精馏塔(C)，并且与从该精馏塔(C)的底部向上移动的蒸汽接触(即，精馏)以在该精馏塔(C)的底部生产液态氧。通过管(第五流动通道33)从一个位置从该精馏塔(C)排出该氧气(压力：约3.1Bar A，甲烷浓度：25ppm或更少，流量：约500Nm3/hr)，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内，并且从该精馏塔(C)的底部去除该防止浓缩的液体(例如，烃)(约60Nm3/hr)(在这些附图中未示出)。通过管(第八流动通道27)从该精馏塔(C)的顶部排出该再循环空气(压力：约3.1Bar A，温度：约-179.4℃，流量：约2,076Nm3/hr)。
将该氧气(约500Nm3/hr)引入至该氧气液化器(D)中提供的该氧气冷凝器(E)内，并且经受与该液化空气的间接热交换以生产高纯度的液态氧(压力：约3.1Bar A，流量：约500Nm3/hr)，该液态氧通过管(第七流动通道34)排出。通过管(第九流动通道26)从该氧气液化器(D)的顶部排出该废气(空气)(压力：约5.7Bar A，流量：约787Nm3/hr)。
将通过与该精馏塔(C)的顶部连接的管(第八流动通道27)排出的该再循环空气与通过与该氧气液化器(D)的顶部连接的管(第九流动通道26)排出的该废气结合以形成低温再循环空气流(压力：约3.1Bar A，温度：约-175℃，流量：约2,863Nm3/hr)。将该低温再循环空气在该热交换器(G)内由于该逆流加压空气和该压缩的再循环空气加热至室温，通过管(第十流动通道28)从该热交换器(G)排出，通过管(废气排放管线29)排出到该系统的外部(约145Nm3/hr)，并且如以上描述的压缩且冷却。
将所产生的高纯度液态氧(约500Nm3/hr)通过管(第七流动通道34)排出，例如使用低温泵350(第二加压器件)加压至5.0至9.8Bar A，通过管(第十三流动通道35)引入至该热交换器(G)内，通过与逆流流体的间接热交换加热至室温，并且通过管(第十五流动通道36)排出作为产物氧气。
当所希望的是储存该液态氧时，在使用该第二加压器件350对该高纯度的液态氧施加压力之前，可以将该高纯度液态氧的一部分转移至储存器件(例如，槽)中。
因此将根据本发明的一个实施例的制氧系统1000配置为使得该制氧装置可以与现有制氮装置结合以便高度有效地与该现有制氮装置一起起作用。
注意基于以上值在使用该制氧系统1000产生的高纯度氧气中的甲烷浓度被计算为是25ppm或更少。确切地说，可以使用该制氧系统1000生产在半导体工业等的领域中所要求的高纯度氧气。
本发明不限于以上实施例。在不背离本发明范围的情况下可以做出各种修改和变化。例如，本发明包括多种其他配置，这些其他配置与关于以上实施例所描述的配置实质上是相同(例如，具有相同的功能、方法、以及结果的配置，或者具有相同的目的和结果的配置)。本发明还包括一种配置，其中关于以上实施例所描述的非本质部分(元件)被另一个部分(元件)替代。本发明还包括具有与关于以上实施例所描述的配置的作用相同作用的配置，或者能够实现与关于以上实施例所描述的配置的目的相同目的的配置。本发明进一步包括一种配置，其中向这些关于以上实施例所描述的配置增加已知技术。
[参考符号目录]
21 第十四流动通道
22 第一流动通道
23 第四流动通道
24 第二流动通道
25 第六流动通道
26 第九流动通道
27 第八流动通道
28 第十流动通道
29 废气排放管线
30 第十一流动通道
31 第十二流动通道
32 第三流动通道
33 第五流动通道
34 第七流动通道
35 第十三流动通道
198 空气压缩机
199 空气纯化系统
200 空气压缩机
300 再循环空气压缩机(第一加压器件)
350 低温泵(第二加压器件)
A 容器
B 冷凝器-蒸发器
C 精馏塔
D 氧气液化器
E 氧气冷凝器
F 制氮装置
G 热交换器
H 膨胀阀

Claims (12)

1.一种制氧系统，包括制氮装置和制氧装置，
该制氧装置包括：
将冷却的加压空气引入其中的容器(A)；以及
精馏塔(C)，该精馏塔包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸发器(B)，
该制氧系统包括：
第一流动通道，该第一流动通道排出储存在该容器(A)的底部的液体；
第二流动通道，该第二流动通道将通过该第一流动通道排出的液体的一部分引入至该精馏塔(C)的上部部分内；
第三流动通道，该第三流动通道从该制氮装置排出富氧液化空气的至少一部分、并且将该富氧液化空气引入至该精馏塔(C)的中间阶段内；
第四流动通道，该第四流动通道从该第一流动通道分出、并且将该液体的至少一部分引入至该制氮装置内作为冷源；以及
第五流动通道，该第五流动通道从一个位置排出由于由该液化空气产生的冷凝热已经在该冷凝器-蒸发器(B)内汽化的氧气，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。
2.如权利要求1所述的制氧系统，进一步包括：
液化该汽化的氧气的氧气液化器(D)；
第六流动通道，该第六流动通道从该第一流动通道分出、并且将该液体的至少一部分引入至该氧气液化器(D)内作为冷源；
氧气冷凝器(E)，该氧气冷凝器被提供在该氧气液化器(D)中、并且通过该第五流动通道接收该汽化的氧气；以及
第七流动通道，该第七流动通道排出在该氧气冷凝器(E)内产生的液态氧。
3.如权利要求2所述的制氧系统，进一步包括：
第八流动通道，该第八流动通道从该精馏塔(C)的上部部分排出废气；以及
第九流动通道，该第九流动通道从该氧气液化器(D)的上部部分排出该已经被汽化的液体。
4.如权利要求3所述的制氧系统，进一步包括：
该第八流动通道和该第九流动通道合并入其中的第十流动通道；
加热混合气体的热交换器(G)，该混合气体流过该第十流动通道并且包括该废气和该已经被汽化的液体；以及
第一加压器件，通过该第十流动通道将该已经被加热的混合气体引入至该第一加压器件内。
5.如权利要求4所述的制氧系统，进一步包括：
第十一流动通道，该第十一流动通道将已经被该第一加压器件加压的该混合气体引入至该热交换器(G)内；以及
第十二流动通道，该第十二流动通道将该已经在该热交换器(G)内被冷却的混合气体引入至该容器(A)内。
6.如权利要求4或5所述的制氧系统，进一步包括：
第二加压器件，通过该第七流动通道将该液态氧引入至该第二加压器件内；
第十三流动通道，该第十三流动通道将已经被该第二加压器件加压的该液态氧引入至该热交换器(G)内；以及
第十五流动通道，该第十五流动通道排出已经在该热交换器(G)内被加热且汽化的氧气。
7.一种制氧方法，该制氧方法利用与制氮装置组合的制氧装置，该制氧装置包括将冷却的加压空气引入其中的容器(A)、以及包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸发器(B)的精馏塔(C)，该制氧方法包括：
通过第一流动通道排出储存在该容器(A)的底部的液体；
通过第二流动通道将该排出的液体的一部分引入至该精馏塔(C)的上部部分内；
通过第三流动通道从该制氮装置排出富氧液化空气的至少一部分至该精馏塔(C)的中间阶段内；
通过第四流动通道将该液体的至少一部分引入至该制氮装置内作为冷源；并且
通过第五流动通道从一个位置排出由于由该液化空气产生的冷凝热已经在该冷凝器-蒸发器(B)内汽化的氧气，在该位置处从该精馏塔(C)的底部的理论塔板数是在5至10的范围内。
8.如权利要求7所述的制氧方法，
其中该制氧装置包括氧气液化器(D)和氧气冷凝器(E)，
该制氧方法进一步包括：
通过第六流动通道将该液体的至少一部分引入至该氧气液化器(D)内作为冷源；
通过该第五流动通道将该汽化的氧气引入至该氧气冷凝器(E)内；并且
通过第七流动通道排出该氧气冷凝器(E)内产生的液态氧。
9.如权利要求8所述的制氧方法，进一步包括：
通过第八流动通道从该精馏塔(C)的上部部分排出废气；并且
通过第九流动通道从该氧气液化器(D)的上部部分排出该已经被汽化的液体。
10.如权利要求9所述的制氧方法，
其中该制氧装置进一步包括热交换器(G)和第一加压器件，
该制氧方法进一步包括：
在该热交换器(G)内加热混合气体，该混合气体流过第十流动通道并且包括该废气和该已经被汽化的液体，该第十流动通道是该第八流动通道和该第九流动通道合并入其中的流动通道；并且
通过该第十流动通道将该已经被加热的混合气体引入至该第一加压器件内。
11.如权利要求10所述的制氧方法，进一步包括：
通过第十一流动通道将已经被该第一加压器件加压的该混合气体引入至该热交换器(G)内，并且在该热交换器(G)内冷却该混合气体；并且
通过第十二流动通道将该已经在该热交换器(G)内被冷却的混合气体引入至该容器(A)内。
12.如权利要求10或11所述的制氧方法，
其中该制氧装置包括第二加压器件，
该制氧方法进一步包括：
通过该第七流动通道将该液态氧引入至该第二加压器件内；
通过第十三流动通道将已经被该第二加压器件加压的该液态氧引入至该热交换器(G)内；并且
通过第十五流动通道排出已经在该热交换器(G)内被加热且汽化的氧气。
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