CN1068883A - 按照需求变化的模式供给气态氧的空气分离方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于供给气氧以满足一需求量变化的模式 要求的空气分离方法。空气由一双塔低温精馏方法 精馏，在高、低压塔中产生富氮汽和液氧。富氮汽在 一主换热器中被部分地加热，然后通过涡轮膨胀，以 产生设备制冷作用。当需要气态氧时，一股液氧产品 流被泵压至传送压力，而富氮汽转向被充分地加热、 压缩和冷凝，同时汽化产品流，以形成气态氧。被冷 凝的氮再闪蒸到闪蒸罐中。闪蒸汽被加入转向的富 氮汽，形成的流被作为回流送入低压塔中，以可放出 液氧。

Description

本发明涉及一种可按照需求变化的模式的要求供给气态氧的空气分离方法。
许多工业方法对氧的需要是随时间变化的。例如，小轧钢厂在重新处理废钢时使用氧。由于废钢是由这些轧钢机一批批或一炉炉处理的，所以，氧的需求量在处理一批废钢时的高需求量阶段与各批处理之间的低需求量阶段是不同的。为了满足这样的氧需求量要求，现有技术提供了数种空气分离设备，这些设备可按照具有高和低需求量阶段的需求变化的模式而供给气态氧。这样的空气分离设备通常在低需求量阶段贮存液氧，而在高需求量阶段贮存液氮。此外，通过汽化库存的液氧，同时冷凝由该设备制取的气态氮，就可生产出液氮和气态氧产品。
在有一种设备结构中，气态氧产品是直接由一空气分离设备的低压塔供给的，该设备有一通过一冷凝器/再沸器与该低压塔在运行上相关联的高压塔。在这样一种设备结构中，利用在低压塔中液氧的汽化，同时在高压塔中冷凝气态氮而制得气态氧产品。在另一种设备结构中，氮的冷凝和氧的汽化是在一位于空气分离设备之外的换热器中进行的，而不是在该设备的高、低压塔中进行。
这种气态氧产品来自低压塔的空气分离设备的一个实例，报告在“林德科技报告（Linde    Reports    on    Science    and    Technology）”（No.37，1984）中。在这出版物上揭示的该设备通过从低压塔提取汽化的氧，以一额定的生产率提供气态氧。在氧汽化的同时使在高压塔顶部制得的氮冷凝。从高压塔引出高压氮流，接着将它加热、压缩、部分地冷却和通过涡轮膨胀（turboexpanded），以提供设备制冷作用。
在上述设备中，被引出以供给设备制冷作用的高压氮的量受到控制，以调节所供给的气态氧的量，使它或高于额定生产率，或低于额定生产率。在高需求量阶段，从高压塔提取的高压氮的量被减少到低于按额定生产率生产气态氧所需提取的量。其结果，提高了在低压塔底部液氧汽化的程度和在高压塔顶部高压氮冷凝的程度。这样就增加了在高压塔顶部收集到的液氮的量，这些液氮被引出并贮存在一贮罐中。在低需求量阶段中贮存在另一贮罐中的液氧供给低压塔，以补足在低压塔底部的氧。在低需求量阶段，从高压塔引出的高压氮的量增加到超过按额定生产率生产氧时所需提取的量。这样，因为可在高压塔顶部冷凝的高压氮较少，所以增加了在低压塔底部收集到的液氧的量。这些在低压塔收集到的增加的液氧量被引出后贮存起来，在高需求量阶段使用，同时，预先贮存的高压氮作为回流被送至低压塔顶部，以冲洗氧和增加制冷作用。由于受到改变氧生产率的装置的限制，该结构的工艺中，最大氧产量与平均氧产量之比仅为约1.5。
那种氧和氮的汽化和冷凝在外加的换热器和汽化器中进行的空气分离设备的一个实例揭示在美国专利3273349。在该专利中描述的空气分离设备用于以额定生产率供给液氧和废氮。在用氧量低或无用氧要求阶段，液氧贮存在一贮存容器中，而事先在高需求量阶段中制得并贮存起来的液氮返回到该空气分离设备，以用作回流返回给该设备的低压塔。在高需求量阶段，来自贮存容器的液氧被泵压通过一换热器，同时，废氮被加压并逆方向流过该换热器。其结果，液氧汽化而作为产品被送出，被加压的氮冷凝并被贮存起来，以供在低需求量阶段使用。
在气态氧是直接由低压塔提供的，氧需求量可变的设备中存在着结构设计和运行问题，例如，要在需求模式的全部范围内使塔的液力设计，和氧的回收率都达到最优化是非常困难的。最大的运行问题是：难以控制被回收的氧的纯度。还有，回收的氧输出时的压力太低，以致不能实际使用于工业过程中。因此，必须用一氧压机提高氧的压力。要注意的是：在那些利用压送液氧经过一换热器或汽化器的方法供给氧的氧需求量可变的设备中，氧是以一可用的工作压力送出而无需使用氧压机。但是，尽管在这样设计的设备中至少部分节省了设备开支，但由于在汽化氧和在低温箱（cold    box）外冷凝氮时有能量损耗，故增加了运行费用。可以理解的是：两种设计的设备均使用了附加的压缩机、换热器等，这样总之明显增加了设备开支和复杂性。
如将讨论的，本发明提供一方法，该方法能以可用的工作压力、按一需求量可变的模式供给气态氧，并且其氧需用量范围比现有技术的要更大些。本发明的方法是完全一体化的，它比现有技术的氧需求量可变的设备的方法要简单得多。另外，本发明的方法中的塔运行起来很稳定。这样就可避免产生那些在氧直接由低压塔供给的氧需求量可变的设备所有的结构设计和运行问题。
本发明提供一种用于供给气态氧，以满足需求量可变的模式的要求的方法。按照这样的方法，由一双塔低温精馏方法精馏空气。该精馏方法利用在运行上相互关联的高压和低压塔，以分别生产富氮汽和液氧。富氮汽和液氧从高压和低压塔放出。
该放出的富氮汽经部分地加热，然后经发动机膨胀以做功。膨胀后，该放出的富氮汽流被送入低温精馏过程以供设备制冷，这样，在需求量模式的过程中保持了热平衡。
当需要气态氧时，从放出的液氧形成的产品流被用泵加压至传送压力，而不是用氧压机压缩至传送压力。同时，至少有一部分富氮汽从被部分地加热和膨胀的过程转移出来，并被充分地加热、压缩后再被冷凝，同时使产品流汽化，从而形成气态氧。该富氮汽以一足以汽化产品流的流速转移，而产品流以一足够大的流速泵出，以满足需用量要求。
从转向的富氮汽冷凝的液氮被闪蒸（flash），以产生一股含液相和汽相的两相氮流（two    phase    flow    of    nitrogen）。液相和汽相彼此被分离，而将汽相流返回补充到被充分加热前的转向的富氮汽中，以提高气态氧的生产率。如前面提到的，现有技术的氧需求量可变的设备只能生产约为该设备的额定生产率的1.5倍的气态氧。汽相流，实际上是一再循环流（recycle    stream）的补充，可使更多的液氧被汽化，以将气态氧的生产率提高到该设备的氧额定生产率的两倍之多。
在一双塔精馏方法或设备中，液氮作为回流被加入，以将氧推向两个塔的底部。为了从低压塔提取液氧，也必须将回流加入低压塔。在本发明中，由闪蒸所得的液相组成的液氮流被作为这样的回流而送入低压塔。未被送入低压塔的多余液氮以及放出后用来形成产品流的多余液氧被贮存起来。
本发明的一个重要方面是：液氮流以一随着设备制冷量输入的多少而变化的产率加入低压塔，这样，能以基本上恒定的产率生产出液氧。正如会理解的，随着气态氧需求量的降低，增加了富氮汽的通过发动机膨胀（engine    expansion），以致也提高了设备制冷量。由于液氮回流用作对氧的冲洗和制冷源，故必须减少液氮回流量，以保持一基本上恒定的液氧生产率。相反运行情况，就是随着气态氧需求量的增加，加入更多的液氮回流，因为此时来自通过发动机的膨胀的制冷量较少。
比起那些从低压塔取出气态氧产品的现有技术中的诸方法，本发明方法的稳定运行能使塔的设计和液氧生产最佳化。此外，由于液氧生产量是恒定的，比起这样的现有技术方法，它更易保持产品纯度。
从上述可指出：能使用该设备的主换热器实现液氧与氮之间的热传递，以产生气态氧产品和用作回流的液氮。另外，单股富氮气流用于三个目的，即汽化液氧、用作回流和用于设备制冷。该富氮气流的多用途本身就可能制出比现有技术方案更简单而开支更省的设备，这是因为它不需使用附加的压缩机和膨胀器。另外，由于氧是从低压塔之外部输出的，所以，可将液氧经过主换热器泵出，而不需用一氧压机压缩气态氧产品，就可比较经济地升高氧压力。
尽管本说明书以具体指出了申请人的发明的主题的权利要求书为结尾，相信通过下面结合附图的描述将对本发明有更好的理解，其中所述的唯一附图是按照本发明的空气分离设备的示意图。
附图表示了一按照本发明的空气分离设备。该设备具体用于生产纯度为约95.0%的气态氧产品。由该空气分离设备生产的氧按照一需求量可变的模式供给，该模式有一持续约32.0分钟的高需求量阶段，在该阶段供给的产品氧的量为279.77moles/hr，其温度为约18.9℃，压力为约11.74kg/cm2。供氧速度大致为该设备的额定氧生产率的1.87倍。需求量循环也有一交替的低需求量阶段，它在高需求量阶段之后约28.0分钟，其间不供给气态氧。
请注意，在下面讨论中：所有的压力均为绝对压力，“mole”是指“千克分子（Kilogram    moles）”。另外，尽管讨论集中于在该空气分离设备之各组件之间流通的各股流，而标注各股流的诸参考号也用来注明各组件之间导通各股流用的连接管道。
运行时，一股呈环境温度和压力（约22.2℃和约1.02kg/cm2）和流速为约689.30moles/hr的空气流10，在一压缩机12中被压缩至约5.88kg/cm2。该空气流10最好是流过一后冷却器14，经过该冷却器空气被冷却降回至约22.2℃。该空气流10然后流经一净化器16，以从气流10中除去二氧化碳和水蒸汽。净化器16是由分子筛，或氧化铝和分子筛（未混合）二元介质，或单独由氧化铝组成。在通过该净化器16后，压力下降了约0.246kg/cm2的该空气流10接着在一主换热器18中进一步被冷却至一适合其精馏的温度。此后，该空气流10进入一具有相互连接的高压塔22和低压塔24的空气分离设备20中。塔22有约21个塔盘，而塔24有约39个塔盘。高、低压塔22和24通过一冷凝器/再沸器26彼此在运行上相关连。
主换热器18有一分支的第一通路18a，该通路有一主通段18b和一支通段18c。出于后面要讨论的目的，来自高压塔22的富氮汽在主通段18b中得以充分加热，而在支通段18c中被部分地加热。设在主换热器18中的第二通路18d用于在富氮汽通过第一通路18a的主通段18b之后，冷凝被充分加热和压缩的富氮汽。实现此的办法是：汽化流过主换热器18的第三通路18e的液氧。主换热器18的第四和第五通路18f和18g分别与高压塔22和低压塔24相连，以将空气冷却到适合其精馏的温度，同时充分加热来自低压塔24的低压氮。
在高压塔22中，挥发性较强的氮上升，而挥发性差些的氧从一塔盘降到下一塔盘并收集在高压塔22之底部，以形成一温度为约-173.95℃、压力为约5.52kg/cm2的富氧液28。从高压塔提取的富氧液28的液流30通过一阀门32被节流，紧接着它从离塔顶约29个塔盘之处进入低压塔24，以作进一步分离。
当在高压塔的顶部收集的挥发性较强的氮，为了后面要讨论的目的，作为上述的富氮气从高压塔22被引出作为气流34时，上述气流34的流速在整个需求量模式中是基本恒定的，约303.91moles/hr.，温度为约-177.97℃。这种富氮气也作为一气流36被提取，该气流36流入冷凝器/再沸器26中，在此，该气流36遇到在低压塔24底部收集的液氧而被冷凝。该冷凝的氮的一股支流38作为回流返回到高压塔之顶部，而该冷凝氮的另一支流40流经过冷器42。在过冷器42中被进一步冷却后，该支流40通过一流量控制阀44被节流，再作为回流送入低压塔24之顶部。流量控制阀44也控制进入低压塔和高压塔的回流，以在高压塔中保持氮纯度。
未经汽化的、收集在低压塔24底部的液氧作为一液流46从低压塔24底部被提取出，以存放在氧罐48中。氧罐48在其顶部通过一管道50连接于低压塔24，使该氧罐48中的汽压力大致等于低压塔24之压力。
从低压塔24顶部放出一股低压氮流52（在主换热器18里已提起过），其温度为约-193.20℃，压力为约1.375kg/cm2。该氮流52流经过冷器42，在此，该氮流被加温而冷却了液流40和56。此后，该氮流52进入主换热器18的第五通路18g，以冷却流经主换热器18的第四通路18f而输入的空气流10。然后，该氮流52作为废氮从该设备中排掉。
回流也从一容量约为6000立升的闪蒸罐54供给于低压塔24。这股回流是为从低压塔24中提取液氧所必需的。在高需求量阶段中，积聚在闪蒸罐54中的过量的液氮作为液流56被提取，这股液流56进一步在过冷器42中得以冷却，并使低压氮流52升温。在这样的进一步冷却后，液流56流经一流量控制阀门58并送入低压塔24之顶部。如下面要更详细地讨论的，流量控制阀门58用于计测供给低压塔24的回流量，从而在低压塔24中以一基本上恒定的生产率生产出液氧。
下面是对高需求量阶段设备运行的讨论。在高需求量阶段，即当有对气态氧的需求时，利用一泵62从氧罐48将液氧产品流60泵出，经过主换热器18的第三通路18e输出。该产品流60的流速足以满足需求量。
在图示的实施方式和实例中，液氧流46以约148.17moles/hr.的流速流入氧罐48中。液氧产品流60利用泵62从液氧贮罐48，以约279.77moles/hr.的流速和约11.90kg/cm2的输送压力，经过主换热器18的第三通路18e压出。与此同时，闪蒸汽流64送入气流34中，然后该混合后的气流34沿着主换热器18的第一通路18a的主通段18b、一增压压缩机70，还最好经过一后冷却器72，然后沿着主换热器18的第二通路18d流动。该气流34在主换热器18中被充分升温至约18.9℃。压力为约5.32kg/cm2的该气流34然后在增压压缩机70中被加压至约30.45kg/cm2，又被后冷却器72冷却，又在主换热器18的第二通路18d中冷凝，并将同时通过主换热器18的第三通路18e的产品流60汽化。在通过主换热器18后，产品流60加热至约18.9℃，并产生一微小的压力降而降至压力为约11.70kg/cm2。具有这样大压力的氧无需用泵或压缩机加压传送等手段而可直接供给于炼钢炉。
在附图中用流34a表示的、从流34冷凝的液氮被闪蒸到闪蒸罐54中，以生产氮流56，该氮流56（如已讨论过的）被用作低压塔24的回流。冷凝后，氮流34a的温度为约-158.6℃，压力为约30.10kg/cm2。该流34a通过一阀门68被节流至一足够低的压力，以在被冷凝的氮流34中产生两相。阀门68还靠其形成的背压用来控制冷凝。两相的液相和汽相在闪蒸罐54中被分离开，以产生一含有待作为回流送入低压塔24中的液氮的液相和一含有用于形成闪蒸汽流64的闪蒸汽的汽相。闪蒸汽流64离开闪蒸罐54时的温度为约-177.7℃，压力为约5.62kg/cm2，后通过一节流阀74被节流至富氮气流34的压力，该压力实际上是高压塔22的压力。要指出的是：节流阀74用于控制闪蒸量和对闪蒸罐54加压，使氮流56在无需用泵情况下流至低压塔24。
还应指出的是：在高需求量阶段，富氧液流30的流速为约375.62moles/hr，而低压氮流52的流速为约396.95moles/hr.。两股回流氮流，即氮流40和56的流速分别为约9.77moles/hr.和159.73moles/hr.。这两股回流氮流通过过冷却器42后被冷却到约-191.3℃，而同时氮流52则升温至-182.2℃。氮流52通过主换热器18后又被加温至约18.9℃。
下面讨论在低需求量阶段的设备运行。在低需求量阶段，氮流34沿着另一由主换热器18的第一通路18a分出的支通段18c流动而被部分地加热，然后又在涡轮膨胀器76中膨胀作功。经膨胀形成的氮流78然后补充回到本过程中，以供设备制冷。
在主换热器18中，氮流34被部分地加热至约-158.3℃，然后接着在涡轮膨胀机76中膨胀，其压力从5.41kg/cm2降到约1.33kg/cm2，而温度降至约-191.3℃。经膨胀形成的氮流78与流速为442.10moles/hr.的低压氮流52相合并。合成流然后经过主换热器18的第五通路18g以约700.65moles/hr.的流速送出。离开主换热器18后，该合成流被加热至约17.5℃。
在空气流10进入高压塔22前，制冷量的补充降低了该空气流10的焓（enthalpy）。与此相关，在低需求量阶段该空气流10的温度为约-173.9℃，其含液体量为约7.02%。在高需求量阶段，该空气流的温度也为约-173.9℃。另外，流速基本上与在高需求量阶段的流速相等（150.84moles/hr.）的液氧从低压塔24作为氧流46被取出。为了保持热平衡同时保持液氧生产率基本上恒定，另设置了阀门58，以将氮流56的流速减至约162.18moles/hr.。由于高压塔22中的冷凝器负荷（condenser    duty）稍大，支流40的流速增至约56.70moles/hr.。
在氮流40和56送入低压塔24之前，它们先在过冷却器42中冷却至约-191.4℃。也应指出的是：在这一段时间中，富氧流30以一为约374.05moles/hr.的流速流动。
通过启动和关闭涡轮膨胀器76和增压压缩机70，可使氮流34从一个通路转向另一通路。例如，在高需求量阶段，关闭涡轮膨胀器76而启动增压压缩机70。这样，使来自汽流34的富氮汽改变了它的为设备提供制冷的作用，亦即从流向涡轮膨胀器76转而流入主换热器18的第一通路18a的主通段18b。而在低需求量阶段，运行情况则相反。
上述仅仅表示按照本发明的设备运行的许多可能的方式中的一个方式，指出这一点是重要的。例如，涡轮膨胀器76可设置得按照需求量大小来改变转向的流速而不是开一关操作，因为需求在一特定的需求模式中可能是从不中断的。在这一需求量模式中，随着气态氧需求量的增加，涡轮膨胀器76可以一习用的方式进行控制或调节，以稳定地减小富氮汽在其内的流速，从而使任意数量（从少量至全部）的富氮汽被充分地加热、压缩和冷凝。与此同时，流氮回流的流速将随着加入本过程中的制冷量的减小而增大。当气态氧需求量减少时，涡轮膨胀器76则可进行调节，以稳定地增加富氮汽在其内的流速，使可被充分地加热、压缩和冷凝的富氮汽数量逐渐减少。随之而来的是：液氮回流的流速将随着加入本方法中的制冷量的增大而减小。
简言之，尽管如上述的，本发明的开-关运行是一重要的可能的运行方式，但这并不是按照本发明的设备运行的唯一方式。
虽然详细地表示和描述了本发明的一较佳实施例，而只要不离开本发明的精神和范围，可作些删改、变化和增加，对此，熟悉本技术领域的人员是容易理解和接受的。

Claims (9)

1、一种供给气态氧，以满足一需求量可变的模式(variable de-mand pattern)的要求的方法，包括：
通过一双塔低温精馏方法精馏空气，以分别产生富氮汽和液氧，该精馏方法使用在运行上相关联的高压塔和低压塔；
从高压塔和低压塔放出富氮汽和液氧；
部分地加热和通过发动机膨胀该放出的富氮汽，以使其作功，在通过发动机膨胀后将该放出的富氮汽送入该低温精馏过程以提供制冷作用，使在需求模式(demand pattern)过程中保持热平衡；
当具有对气态氧的需求时，将一由放出的液氧形成的产品流泵压至一传送压力；将至少一部分放出的富氮汽从被部分地加热和膨胀的过程转移(divert)出来；以及，充分加热、压缩和接着冷凝该被转向的富氮汽，同时，汽化产品流，从而形成气态氧；富氮汽以一足以汽化产品流的流速转向，而产品流则以一足够的流速被泵压，以满足需求；
闪蒸从转向的富氮汽冷凝的液氮，以产生一含有液相和汽相的两相氮流(two phase flow of nitrogen)，并将液相和汽相彼此分开；
将一股由汽相组成的汽相流加到被转向的富氮汽中，以提高气态氧的生产率；以及，将一股由液相组成的液氮流作为回流加到低压塔中，以使从低压塔中放出液氧；以及
将未送入高压塔中的过量的液相和未用于形成产品流的过量的放出的液氧贮存起来。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
液氮流以一随着设备制冷量（refrigeration）引入的多少而变化的流速加入低压塔中，使在低压塔中以一基本上恒定的产率形成液氧;以及
富氮汽和液氧从高压塔和低压塔以基本恒定的流速放出。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
低温精馏方法还采用了一冷却步骤，以将空气冷却到一适于其精馏的温度;
产品流被引入到该冷却步骤中;以及
在该冷却步骤中富氮汽被部分地加热;而也在该冷却步骤中被转向的富氮汽被充分地加热，并且，在被充分地加热和压缩后，在该冷却步骤中被冷凝，同时汽化产品流。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
低温精馏方法还采用一冷却步骤，以将空气冷却到一适于在该精馏步骤中进行其精馏的温度;以及
膨胀后的富氮汽流被加入冷却步骤，通过降低待精馏的空气的焓，而在低温精馏过程引入设备制冷作用。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：
液氮闪蒸到一闪蒸罐中，以将液相和汽相彼此分离开。
6、如权利要求2所述的方法，其特征在于：
低温精馏方法还采用一冷却步骤，以将空气冷却到一适于其精馏的温度;
产品流被引入到该冷却步骤中;以及
在该冷却步骤中富氮汽被部分地加热;而也在该冷却步骤中被转向的富氮汽被充分地加热，并且，在被充分地加热和压缩后，在该冷却步骤中被冷凝，同时汽化产品流。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于：
膨胀后的富氮汽流被加入冷却步骤，通过降低待精馏的空气的焓，而在低温精馏过程引入设备制冷作用。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：
液氮被闪蒸到一闪蒸罐中，以产生一含液相和汽相的氮。
9、如权利要求7所述的方法，其特征在于：
低压塔产生低压氮汽;
从低压塔提取一股由低压氮汽组成的废流;
该废流被送入冷却步骤，以冷却空气;以及
在膨胀后的富氮汽流送入冷却步骤之前将该汽流与废流合并，以在低温精馏过程引入制冷作用。
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