CN112524886A - 高纯度氧生产系统 - Google Patents

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CN112524886A CN202010988768.XA CN202010988768A CN112524886A CN 112524886 A CN112524886 A CN 112524886A CN 202010988768 A CN202010988768 A CN 202010988768A CN 112524886 A CN112524886 A CN 112524886A
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广濑献儿
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

[问题]本发明的目的在于提供一种高纯度氧生产系统，该系统能够供应液氮以供应高纯度氧生产装置所需的冷量，而无需使用昂贵的常规液化设备。[技术方案]高纯度氧生产系统包括：空气分离装置，其包括主热交换器、中压塔和低压塔；以及高纯度氧生产装置，其包括氮压缩机、氮热交换器和至少一个(高纯度)氧精馏塔，用作高纯度氧的原料的含氧流被从低压塔供给到高纯度氧生产装置，从中压塔获得的液氮被供给到高纯度氧生产装置，以便补充高纯度氧生产装置操作所需的冷量。

Description

高纯度氧生产系统
技术领域
本发明涉及用于生产高纯度氧的系统。
背景技术
对于用于半导体工业等的不包含诸如烃的高沸点组分的高纯度氧存在需求。为了生产这种高纯度氧，存在如下方法：利用至少一个精馏塔从通过包括中压塔和低压塔的空气分离装置获得的液氧中去除杂质，例如，如专利文献1和2中所述。
在那些通过精馏液氧而获得高纯度氧的方法中，为了保持过程中的热平衡而供应液氮是有效的，通常情况是从氮液化循环直接供应液氮，或使用油轮卡车等从远程设施提供液氮。
专利文献3指出，在用于半导体生产工艺等的高纯度氧的情况下，高纯度氧是通过结合了罐和增压器的加压装置而不是通过机械泵来供给的，以避免诸如铜之类的金属成分污染，该污染将对所述工艺产生不利影响。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]JP 3929799 B2
[专利文献2]JP 6427359 B2
[专利文献3]JP 2018-204825 A
发明内容
[本发明要解决的技术问题]
然而，当由油轮卡车等远程供应用于供应至高纯度氧生产装置的液氮时，这涉及运输成本，因此，更希望在生产高纯度氧的地点生产液氮。在这种情况下，存在已知的方法，例如专利文献2中所述，其中，由空气分离装置获得的氮借助于由压缩机、热交换器和膨胀涡轮产生的液化循环而被液化。该方法可以降低运输液氮的成本，但是需要昂贵的液化设备，而且由于如下操作而消耗大量能量：从空气分离装置获得的低压氮在压缩机中被压缩至高压、并通过膨胀阀或膨胀涡轮进行减压。
此外，在专利文献3的方法中，暂时将加压装置与高纯度氧精馏过程隔离，并且对高纯度氧进行加压并送出，然后对罐内部进行减压并再填充来自高纯度氧精馏过程的高纯度氧液。在减压过程中释放的高纯度氧气在高纯度氧精馏塔中回收，或者优选地通过冷凝器重新液化，但无论哪种情况都需要供应液氮，以便使高纯度氧气重新液化，并且对液氮的需求暂时增加。
当从空气分离装置的中压塔供应液氮时，一段时间内被取得的液氮的量增加在供应到空气分离装置的低压塔的回流液体的相对减少方面导致问题，这对低压塔中的精馏有不利影响。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种高纯度氧生产系统，其能够供应液氮以提供高纯度氧生产装置所需要的冷量，而无需使用昂贵的常规液化设备。
本发明的另一目的在于提供一种高纯度氧生产系统，其通过利用从中压塔获得的液氮的压力接近于高纯度氧生产装置的工作压力这一事实，能够提供液氮而不会产生大的压力损失。
本发明的另一个目的在于提供一种高纯度氧生产系统，其中空气分离装置(空气分离单元；以下称为“ASU”)和高纯度氧生产装置(超纯氧设备)被结合起来，从ASU供应的氧通过高纯度氧生产装置被提纯，并且可以利用从ASU供应的氮来维持高纯度氧生产装置中的冷热平衡。
[解决问题的手段]
根据本发明的高纯度氧生产系统包括：空气分离装置，其包括主热交换器、中压塔和低压塔；以及高纯度氧生产装置，其包括氮压缩机、氮热交换器和至少一个(高纯度)氧精馏塔，
其中，从低压塔向高纯度氧生产装置供应用作高纯度氧的原料的含氧流，并将从中压塔获得的液氮供应至高纯度氧生产装置以便补充高纯度氧生产装置运行所需的冷量。
通过这种构造，可以在不使用昂贵的常规液化设备的情况下供应液氮以便提供高纯度氧生产装置所需的冷量。此外，从中压塔获得的液氮的压力接近高纯度氧生产装置的工作压力，因此可以在不产生大的压力损失的情况下供应液氮，这是有效的。
空气分离装置(A1)包括：
主热交换器(1)，其用于使原料空气(进料空气)经受热交换；
中压塔(2)，其被引入已经通过主热交换器(1)的原料空气，中压塔(2)具有其中收集第一精馏液体(富氧液体)的中压塔底部(21)、用于对原料空气进行精馏的中压塔精馏部(22)、以及布置在中压塔精馏部(22)的上方的中压塔顶部(23)，以及
低压塔(4)，其布置在中压塔(2)的上方，低压塔(4)具有：低压塔底部(41)，在低压塔底部内部或下方布置有氮冷凝器(3)，该氮冷凝器用于冷凝从中压塔顶部(23)抽取/引出/提取并通过循环管线(L6)引导的气体并在其中收集第二精馏液体(含氧流)；低压塔精馏部(42)，其用于精馏从中压塔底部(21)抽取的第一精馏液体(富氧液体)(通过在热交换器(过冷却器(5))中进行热交换后的第一中间级引入第一精馏液体)；以及低压塔顶部(43)，在氮冷凝器(3)中冷凝的冷凝流(包含冷凝的液氮(浓缩状态)或氮气(浓缩状态)或其混合状态)的至少一部分被引入到低压塔顶部(43)(在所述部分在热交换器(经由管线(L621)在过冷却器(5)中)经受了热交换之后)。
高纯度氧生产装置(A2)可以包括：
第一氧精馏塔(7)，其具有：第一氧精馏塔精馏部(72)，在其中间部分或其下方引入从低压塔底部(41)抽取的第二精馏液体；布置在第一氧精馏塔精馏部(72)下方的第一氧精馏塔底部(71)；和布置在第一精馏塔精馏部(72)上方的第一氧精馏塔顶部(73)；
第一氧蒸发器(8)，其布置在第一氧精馏塔底部(71)的内部或下方，第一氧蒸发器(8)使得从第一氧精馏塔精馏部(72)落下的精馏液体和已被引入的第二精馏液体(含氧流)蒸发；
第一氧冷凝器(9)，其布置在第一氧精馏塔顶部(73)的内部或上方，其中从第一氧精馏塔精馏部(72)的上部抽取的第一氧精馏气体被在第一氧蒸发器(8)中冷凝的第一液氮冷却和液化，并被返回到第一氧精馏塔精馏部(72)；
第二氧精馏塔(10)，其具有第二氧精馏塔底部(101)、布置在第二氧精馏塔底部(101)上方的第二氧精馏塔精馏部(102)、和布置在第二氧精馏塔精馏部(102)上方的第二氧精馏塔顶部(103)；
第二氧蒸发器(11)，其布置在第二氧精馏塔底部(101)的内部或下方，第二氧蒸发器(11)使得从第二氧精馏塔精馏部(102)落下的精馏液体蒸发；
第二氧冷凝器(12)，其布置在第二氧精馏塔顶部(103)的内部或上方，其中第二氧冷凝器(12)借助于发送到第二氧冷凝器(12)的第二液氮冷却并液化从第二氧精馏塔精馏部(102)的上部抽取的第二氧精馏气体，并使冷却和液化后的气体返回到第二氧精馏塔精馏部(102)；
氮热交换器(13)，从第二氧精馏塔顶部(103)中第二氧冷凝器(12)上方的空间(1031)抽取的富氮气体被引入氮热交换器(13)中；
氮压缩机(14)，其用于压缩从氮热交换器(13)抽取的富氮气体；
管线(L12)，其用于将在氮压缩机(14)中压缩的压缩富氮气体再循环到氮热交换器(13)，并将富氮气体引入第一氧精馏塔底部(71)中第一氧蒸发器(8)下方的空间(711)；以及
分支管线(L121)，其从管线(L12)分支，并将富氮气体引入第二氧精馏塔底部(101)中第二氧蒸发器(11)下方的空间(1011)。
在氮冷凝器(3)中冷凝的冷凝流(包括冷凝液氮(浓缩状态)或氮气(浓缩状态)，或其混合状态)中的至少一部分可以被引入空间(1011)中。
可以经由管线L13从第二氧精馏塔底部(101)或第二氧蒸发器(11)抽取高纯度氧(UPO)。
此外，高纯度氧生产装置(A2)可以包括：
高纯度氧罐(15)，其用于存储从液体中提取的高纯度氧(UPO)；
加压器(或无泵蒸发器)(16)，其用于蒸发一部分高纯度液氧并对所述高纯度液氧加压；和
用于存储液氮的液氮缓冲器(17)。
液氮缓冲器(17)对应于第二氧精馏塔底部(101)中的空间(1011)，但是可以布置在管线L62上。
与高纯度氧生产装置侧的流体交换优选地由阀控制，使得由加压器提供的加压操作分批进行。
在液氮缓冲器(17)中存储有液氮，该液氮用于提供液化和回收在高纯度氧罐(15)减压时所产生的高纯度氧气所需的冷量。
通过这种构造，可以以高纯度氧生产过程所需的液氮和使得高纯度氧罐减压时释放的高纯度氧再液化所需的液氮的加权平均流率从中压塔(2)中抽取液氮，并且液氮缓冲器(17)可以应对液氮的需求的波动，从而可以在减压期间回收高纯度氧，同时消除了对空气分离装置(A1)中的整流的不利影响。
此外，高纯度氧生产装置(A2)可以包括：
管线(L62)，其用于从空气分离装置(A1)的中压塔(2)向液氮缓冲器(17)供给液氮；
液氮流量计(300)，其设置在管线(L62)上并用于测量液氮的流率；以及
控制阀(301)，其用于将液氮流量计(300)所测量的量控制为预定量或预定范围。
当高纯度氧生产装置(A2)中对液氮的需求存在波动时，控制阀(301)被控制为提供恒定液氮流。
此外，高纯度氧生产装置(A2)可以包括：
用于测量在第二氧精馏塔底部(101)的空间(1011)中存储的液氮缓冲器(17)中的量的流量计或高度液位计(液面计LS1)，以及
高纯度氧生产装置(A2)可以设置有第一控制阀(301)，其用于将由流量计或高度液位计(液面计LS1)测量的量控制为预定量或预定范围。
当在高纯度氧生产装置(A2)中对液氮的需求存在波动时，以提供恒定液氮流的方式控制第一控制阀(301)。
可以通过利用由流量计或高度液位计(LS1)测量的结果和由液氮流量计(300)测量的结果中的一个或两个来控制第一控制阀(301)，使得当高纯度氧生产装置(A2)中对液氮的需求出现波动时，可以提供恒定的液氮。
通过这种构造，即使在空气分离装置(A1)或高纯度氧生产装置(A2)中有负载波动的情况下，也可以稳定地向高纯度氧生产装置供应液氮。
此外，高纯度氧生产装置(A2)可以包括：
用于测量第二氧冷凝器(12)中的液氮量的流量计或高度液位计(液面计LS2)；以及
第二控制阀(304)，其设置在管线L11中，并且将由流量计或高度液位计(液面计LS2)测量的量控制在预定量或预定范围内。
当第二氧冷凝器(12)中对液氮的需求有波动时，控制第二控制阀(304)以便满足液氮需求不足。
此外，在高纯度氧生产系统中，
可以将在高纯度氧罐(15)中加压的高纯度氧液体(通过管线L142)引入空气分离装置(A1)中的主热交换器(1)并使其蒸发，并作为高纯度氧气提取。
可以在管线L142中设置用于临时存储加压的高纯度氧液体的缓冲器(401)。
通过这种构造，可以回收当高纯度氧液体蒸发时释放的冷量，从而提高了热效率。这里，高纯度氧液体特别地在空气分离装置(A1)的主热交换器(1)中而不是在高纯度氧生产装置(A2)的热交换器中蒸发的原因是可以通过利用作为热源的工艺空气的显热来蒸发高纯度氧液体。如果在高纯度氧生产装置(A2)的热交换器中蒸发高纯度氧液体，则高纯度氧生产装置(A2)中的氮循环气体将用作热源，但不仅需要显热还需要潜热，并且氮循环气体的至少一部分将被液化。液化的氮循环气体不会作为再沸源参与高纯度氧精馏过程，从而构成过程损失。
此外，在高纯度氧生产系统中，
在高纯度氧生产装置(A2)的氮循环中可以设置氮膨胀管线(L50)，以便向高纯度氧生产装置(A2)供应冷量。
氮膨胀管线(L50)可以构成循环路径，该循环路径从管线L12中的氮热交换器(13)的中间分支并引出，在氮热交换器(13)和第二氧精馏塔顶部(103)中的空间(1031)之间与管线L12汇合，该管线L12在氮压缩机(14)之后被引入到氮热交换器(13)。
诸如阀或涡轮的氮膨胀机构(18)也可以设置在氮膨胀管线(L50)上。
通过这种构造，当高纯度氧生产装置中的冷量不足时，可以通过氮循环补充冷量。
附图说明
图1示出了根据实施例1的模式的高纯度氧生产系统。
图2示出了根据实施例2的模式的高纯度氧生产系统。
图3示出了根据实施例3的模式的高纯度氧生产系统。
图4示出了根据实施例4的模式的高纯度氧生产系统。
图5示出了根据实施例5的模式的高纯度氧生产系统。
具体实施方式
下面将描述本发明的实施方式的数种模式。下面描述的实施例的模式示出了本发明的示例。本发明绝不受以下实施例的模式限制，并且还包括在不改变本发明的要点的范围内实现的多种变形模式。应指出，以下描述的构成要素并非全部对本发明必不可少。
实施例1的模式
将借助于图1描述根据实施例1的模式的高纯度氧生产系统。
根据本发明的高纯度氧生产系统包括：空气分离装置A1，和包含两个(高纯度)氧精馏塔的高纯度氧生产装置A2。空气分离装置A1包括：主热交换器1，中压塔2，氮冷凝器3，低压塔4，过冷却器5，以及膨胀涡轮6。高纯度氧生产装置A2包括：第一氧精馏塔7，第一氧蒸发器8，第一氧冷凝器9，第二氧精馏塔10，第二氧蒸发器11，第二氧冷凝器12，氮热交换器13，以及氮压缩机14。
将首先描述空气分离装置A1。
原料空气(进料空气)经由原料空气引入管线L1通过主热交换器1，并且被供应到中压塔2的中压塔底部21。
中压塔2包括：在其中收集第一精馏液体(富氧液体)的中压塔底部21、用于精馏原料空气的中压塔精馏部22、以及布置在中压塔精馏部22上方的中压塔顶部23。
低压塔4布置在中压塔2上方。
低压塔4包括：在其中收集含氧流的低压塔底部41、布置在低压塔底部41上方的低压塔精馏部42、以及布置在低压塔精馏部42上方的低压塔顶部43。
低压塔底部41在内部设置有氮冷凝器3，其用于冷凝从中压塔顶部23抽取并且通过循环管线L6引导的气体。
低压塔精馏部42通过将从中压塔底部21抽取的第一精馏液体(富氧液体)在过冷却器5中进行热交换之后引入第一中间级，对第一精馏液体进行精馏。
在氮冷凝器3中冷凝的冷凝流(包含冷凝液氮(浓缩状态)或氮气(浓缩状态)，或其混合状态)中的至少一部分经由管线L621在该部分已经在过冷却器5中经历了热交换之后被引入低压塔顶部43。
管线L2是用于将从中压塔底部21抽取的第一精馏液体(富氧液体)在过冷却器5中进行热交换之后引入低压塔精馏部42的中间级的管线。
管线L3是用于将从低压塔底部41的上部区域抽取的富氧气体供给到主热交换器1的管线。
管线L5是用于将从低压塔顶部43抽取的富氮气体在过冷却器5中进行热交换后供给到主热交换器1的管线。
管线L4是用于将从低压塔精馏部42的中间级(位于第一中间级上方的第二中间级)抽取的废气引入主热交换器1、在废气已经被从主热交换器1的中间部分抽取之后在膨胀涡轮6中使用所述废气、然后再次将废气进给到主热交换器1中的管线。
从氮冷凝器3引出的循环管线L6分支成返回中压塔顶部23的第一分支管线L61和通到高纯度氧生产装置A2的第二氧精馏塔10的第二分支管线L62。第三分支管线L621从第二分支管线L62分支，并且将至少一部分冷凝流在过冷却器5中进行热交换之后引入低压塔顶部43。
接下来将描述高纯度氧生产装置A2。
第一氧精馏塔7包括：第一氧精馏塔精馏部72，从低压塔底部41抽取的第二精馏液体在其中部或其下方被引入到第一氧精馏塔精馏部72；布置在第一氧精馏塔精馏部72下方的第一氧精馏塔底部71；以及布置在第一精馏塔精馏部72上方的第一氧精馏塔顶部73。
从低压塔底部41抽取的第二精馏液体(含氧流)经由管线L7被引入在第一氧蒸发器8上方的第一氧精馏塔底部71。
从第一氧精馏塔底部71抽取的第一氧精馏液体(富氧液体)经由管线L8被引入第一氧精馏塔顶部73。
第一氧蒸发器8布置在第一氧精馏塔底部71的内部或下方。第一氧蒸发器8使得从第一氧精馏塔精馏部72落下的精馏液体以及已经被引入的第二精馏液体(含氧流)蒸发。
第一氧冷凝器9布置在第一氧精馏塔顶部73的内部或上方。第一氧冷凝器9利用经由管线L8从第一氧蒸发器8抽取的第一液氮冷却并液化从第一氧精馏塔精馏部72的上部抽取的第一氧精馏气体，并且将冷却和液化的气体返回至第一氧精馏塔精馏部72。
第二氧精馏塔10包括：第二氧精馏塔底部101，布置在第二氧精馏塔底部101上方的第二氧精馏塔精馏部102，以及布置在第二氧精馏塔精馏部102上方的第二氧精馏塔顶部103。
在氮冷凝器3中冷凝的冷凝流(包括冷凝液氮(浓缩状态)或氮气(浓缩状态)，或其混合状态)中的至少一部分经由第二分支管线L62被引入第二氧蒸发器11下方的空间(1011)中的第二氧精馏塔底部101。
第二氧精馏塔精馏部102具有中间级，从第一氧精馏塔精馏部72的上部部分抽取的第一氧精馏气体经由管线L73被引入该中间级。
第二氧蒸发器11被布置在第二氧精馏塔底部101的内部或下方。第二氧蒸发器11使得从第二氧精馏塔精馏部102落下的精馏液体蒸发。
第二氧冷凝器12被布置在第二氧精馏塔顶部103的内部或上方。第二氧冷凝器12利用经由管线L11从第二氧精馏塔底部101抽取的第二液氮冷却和液化从第二氧精馏塔精馏部102的上部部分抽取的第二氧精馏气体，并且使冷却和液化后的气体返回到第二氧精馏塔精馏部102。
氮热交换器13经由管线L12在其中引入从第二氧精馏塔顶部103中的第二氧冷凝器12上方的空间1031抽取的富氮气体，并且在其中进行热交换。
氮压缩机14压缩从氮热交换器13抽取的富氮气体。
另外，管线L12是这样的管线，通过该管线，使得在氮压缩机14中被压缩的压缩富氮气体再次通过氮热交换器(13)，并被引入第一氧精馏塔底部71中的第一氧蒸发器8下方的空间711中。
分支管线L121是从管线L12分支并且将富氮气体引入第二氧精馏塔底部101中的第二氧蒸发器11下方的空间1011的管线。
管线L7是通过其从低压塔底部41抽取第二精馏液体(含氧流)的管线。诸如闸阀、流率调节阀、或者压力调节阀等的阀V1被设置在管线L7中。
管线L8是用于供给从第一氧精馏塔底部71的空间711抽取的第一液氮(第一液氮缓冲液)以用作第一氧冷凝器9中的冷量的管线。
管线L73是用于在第二氧精馏塔精馏部102的中间级引入从第一氧精馏塔精馏部72的上部部分抽取的第一氧精馏气体的管线。
管线L9是用于将从第一氧精馏塔顶部73中的第一氧冷凝器9上方的空间731抽取的气体引入第二氧精馏塔底部101中的第二氧蒸发器11下方的空间1011中的管线。
管线L11是用于供给从第二氧精馏塔底部101中的空间1011抽取的第二液氮(第二液氮缓冲器17)以在第二氧冷凝器12中用作冷量的管线。
管线L13是用于从第二氧精馏塔底部(101)或第二氧蒸发器(11)提取高纯度氧(UPO)的管线。
可以在上述管线中设置阀(闸阀，流率调节阀，压力调节阀等)。
实施例2的模式
将参照图2对根据实施例2的模式的高纯度氧生产系统进行说明。与根据实施例1的模式的图1不同的构成要素将被描述，并且相同的构成要素的描述将被省略或简化。
高纯度氧生产装置A2包括：用于存储从液体中提取的高纯度氧(UPO)的高纯度氧罐15；用于蒸发一部分高纯度液氧并对所述高纯度液氧加压的加压器16；以及用于存储液氮的液氮缓冲器17。液氮缓冲器17对应于第二氧精馏塔底部101下方的空间1011。
高纯度氧罐15通过管线L13在其中引入了从第二氧精馏塔底部101或第二氧蒸发器11取得的高纯度氧(UPO)。
加压器(或无泵蒸发器)16经由管线L141从高纯度氧罐15的下部或底部抽取高纯度氧(UPO)，蒸发高纯度液氧的至少一部分，并且对高纯度液氧进行加压。
管线L13连接至高纯度氧罐15的上部，并设有阀V2(闸阀、流率调节阀或压力调节阀等)。
管线L141从连接至高纯度氧罐15的下部或底部的管线L14分支，并设有阀V5(闸阀、流率调节阀或压力调节阀等)。管线L141是用于将高纯度液氧的至少一部分引入到加压器(16)和高纯度氧罐(15)的管线。
管线L142是从管线L14分支并且用于提取高纯度液氧的管线。
管线L1411是从管线L141分支并且用于将加压的高纯度液氧引入第二氧精馏塔精馏部102的中间部分的管线。
管线L1411和管线L142设置有阀(V3，V4)(闸阀、流率调节阀、压力调节阀等)。
在该系统中，按以下方式控制阀的操作。
(1)当通过管线L13将高纯度氧(UPO)引入高纯度氧罐15时，阀V4，V5关闭并且阀V2，V3打开。
(2)当在加压器16中加压的高纯度液氧经由管线L141返回至高纯度氧罐15时，阀V2，V3，V4关闭并且阀V5打开。
(3)当在加压器16中加压的高纯度液氧通过管线L1411被引入第二氧精馏塔精馏部102的中间部分时，阀V2，V4，V5关闭并且阀V3打开。根据该构造，不能通过压力差填充该罐，不排出产品，并且不发生加压。
(4)当通过管线L142提取高纯度液氧时，阀V2，V3关闭，阀V4，V5打开。因为产品的排出会引起减压，该减压与罐中内容物的减少量成比例，所以有必要通过阀V5继续加压。
实施例3的模式
将参照图3对根据实施例3的模式的高纯度氧生产系统进行说明。与实施例1和2(图1和图2)的模式不同的构成要素将被描述，并且相同的构成要素的描述将被省略或简化。
高纯度氧生产装置A2包括：用于从空气分离装置A1的中压塔2向液氮缓冲器17供给液氮的管线L62；设置在管线L62上并且测量液氮流率的液氮流量计300；以及用于将液氮流量计300所测量的量控制为预定量或预定范围的控制阀301。
此外，高纯度氧生产装置A2包括用于测量存储在第二氧精馏塔底部101中的空间1011中的液氮缓冲器17中的液氮量的流量计或高度液位计LS1。
通过利用由流量计或高度液位计LS1测量的结果和由液氮流量计300测量的结果中的一者或两者来控制第一控制阀301，以使得当高纯度氧生产装置A2中对液氮的需求出现波动时可以提供恒定的液氮。
通过这种构造，即使在空气分离装置A1或高纯度氧生产装置A2中存在负载波动的情况下，也可以稳定地向高纯度氧生产装置供应液氮。
此外，高纯度氧生产装置A2包括：用于测量第二氧冷凝器12中的液氮量的流量计或高度液位计LS2；以及设置在管线L11中并且将由流量计或高度液位计LS2测得的量控制为预定量或预定范围的第二控制阀304。结果，当在第二氧冷凝器12中对液氮的需求有波动时，以满足液氮需求不足的方式控制第二控制阀304。
实施例4的模式
将参照图4对根据实施例4的模式的高纯度氧生产系统进行说明。与实施例1、2和3(图1、2和3)的模式不同的构成要素将被描述，并且相同的构成要素的描述将被省略或简化。
在高纯度氧气生产系统中，在高纯度氧罐15中加压的高纯度氧液体经管线L142被引入空气分离装置A1中的主热交换器1并且蒸发，并且作为高纯度氧气被提取。
可以在管线L142中设置用于临时存储加压的高纯度氧液体的缓冲器401。
实施例5的模式
将参照图5对根据实施例5的模式的高纯度氧生产系统进行说明。与实施例1、2和3(图1、2和3)的模式不同的构成要素将被描述，并且相同的构成要素的描述将被省略或简化。
在高纯度氧生产系统中，在高纯度氧生产装置A2的氮循环中设置有氮膨胀管线L50，以便向高纯度氧生产装置A2供应冷量。氮膨胀管线L50构成循环路径，该循环路径从在氮压缩机14之后引入到氮热交换器13中的管线L12中的氮热交换器13的中部分支并引出，在氮热交换器13和第二氧精馏塔顶部103中的空间1031之间与管线L12汇合。氮膨胀机构18(例如阀或涡轮)进一步设置在氮膨胀管线L50上。
示例性实施例
将更具体地描述根据上述实施例1(图1)的模式的系统。
原料空气以9.4barA的压力，20℃的温度和1000Nm3/h的流率被供应到空气分离装置A1的主热交换器1的热端，并且在被冷却之后，原料空气被供应到中压塔2的底部。中压塔2在9.3barA下运行，液氮以418Nm3/h从中压塔的塔顶部23被回收。富氧液体以582Nm3/h从中压塔的塔底部21被回收。在中压塔2的上部区域设置有氮冷凝器3，中压塔顶部23中的氮气使用从低压塔4的底部41供给的液氮作为制冷剂被冷凝，液氮被返回到中压塔顶部23。
1.0Nm3/h的液氮被供应到高纯度氧生产装置A2，并且剩余的液氮作为回流液体被供应到低压塔顶部43。载氧液体被供应给低压塔中间部分42。低压塔4在2.8barA下操作，并且7.8Nm3/h的液氮被从低压塔底部41回收并供应至高纯度氧生产装置A2。
第一氧精馏塔7旨在用于从氧中去除高沸点组分，液氧被供应到第一精馏塔7的中间部分或底部71，已去除了高沸点组分的液氧被从塔顶部73以7.5Nm3/h回收。浓缩了高沸点组分的液氧被从底部71以0.3Nm3/h排出。第一氧精馏塔7在2.1barA下运行。借助于设置在第一氧精馏塔7的下部区域中的第一氧蒸发器8供应用于在第一氧精馏塔内对液氧进行精馏的蒸气流，已通过氮压缩机14压缩并在氮热交换器13中冷却的压力为7.8barA并且温度为-173℃的氮气以32Nm3/h被供应作为加热介质，并且被液化。
借助于设置在第一氧精馏塔的上部区域中的第一氧冷凝器9供应用于在第一氧精馏塔内精馏液氧所需的回流液，从第一氧蒸发器8抽取的18.4Nm3/h的液氮在其中作为制冷剂被供给，并被蒸发。从第一氧蒸发器8抽取的13.6Nm3/h的液氮作为制冷剂被供应到第一氧冷凝器9。
第二氧精馏塔10旨在用于从氧中除去低沸点组分，液氧被供应到第二氧精馏塔10的中间部分(102)，包含低沸点组分的氧气从塔顶部103以0.3Nm3/h被排放，已去除了高沸点组分的高纯度液氧从底部101以7.2Nm3/h被回收。第二氧精馏塔10在1.3barA下运行。借助于设置在第二氧精馏塔10的下部区域中的第二氧蒸发器11来供给用于在第一氧精馏塔内精馏液氧所需的蒸气流，并且利用氮压缩机14压缩并在氮热交换器13中冷却的氮气和在第一氧冷凝器9中蒸发的氮气的混合流以5.3barA的压力、-177℃的温度、以及59Nm3/h的流率被供应作为加热介质，并且被液化。
借助于设置在第二氧精馏塔的上部区域中的第二氧冷凝器12供应用于在第二氧精馏塔内对液氧进行精馏所需的回流液，并且液氮作为制冷剂从第一氧蒸发器8以13.6Nm3/h被供应，从第二氧蒸发器11以59Nm3/h被供应，以及从空气分离装置A1的中压塔2以1.0Nm3/h被供应。
在第二氧冷凝器12中蒸发的氮气在已经在氮热交换器13中从该氮气中释放出冷量之后在氮气压缩机14中被压缩。
将更具体地描述根据上述实施例2(图2)的模式的系统。
在1.3barA的压力下将产生的高纯度氧液体供给到高纯度氧罐15。这里，为了以12.5barA供给高纯度氧，例如，高纯度氧罐15被填充液体，此后通过隔离阀将罐15和高纯度氧生产装置A2隔离，高纯度氧液体的一部分通过加压器16被蒸发，罐15的液相部分和气相部分连接到该加压器16，从而将罐15加压至12.5barA。从加压罐15供应高纯度氧液体，此后对罐15进行减压，以使其中的压力变得低于第二氧精馏塔10中的压力，以便重新填充罐15。应注意的是，减压可以通过将罐内的气体释放到第二氧精馏塔10中的方法来进行，或者通过安装在罐15内或在外部与其连接的冷凝器来进行，但是在本例中，使用将气体释放到第二氧精馏塔10的方法。
当如实施例1的第一模式中的示例中那样获得7.2Nm3/h的高纯度氧液体并且将该液体一次加压720分钟并送出时，作为一个示例可以设想以下循环：向罐15填充520分钟，加压20分钟，将液体排出60分钟，然后对罐减压120分钟。
在该循环中，减压期间以2.2Nm3/h释放高纯度氧气，并且为了使气体液化，需要2.9Nm3/h的液氮。当添加高纯度氧生产装置A2操作始终需要的1.0Nm3/h的液氮时，液氮总需求达到3.9Nm3/h，因此如果从中压塔2直接供应液氮，被供应到低压塔顶部43的液氮量暂时减少2.9Nm3/h，这对低压塔4中的精馏产生不利影响。
因此，在本发明中，从中压塔2抽取其量为上述循环中的液氮需求的加权平均量的液氮，并使用液氮缓冲器17来缓冲液体的供应量。在此示例中，从中压塔2抽取的液氮量为：(1.0Nm3/h×720分钟+2.9Nm3/h×120分钟)÷720分钟＝1.5Nm3/h。
在实施例2的模式中，液氮缓冲器17布置在第二氧蒸发器11的下部部分中，但并不限定于此，其等同地可以是位于空气分离装置A1和高纯度氧生产装置A2之间(例如，在管线L62中)的缓冲容器。
本发明描述了一种方法，该方法通过稳定的过程控制生产从空气分离装置获得的液氧，而无需使用昂贵的氮液化设备。
在空气分离装置的成本中，上述液化设备占设备成本的约20％，因此本发明能够极大地节省成本。此外，就能效而言，根据本发明的用于供给从中压塔获得的氮的方法也非常高效，以至于与诸如现有技术文献中描述的方法(其中从空气分离装置获得的低压氮被压缩和液化)相比，当在空气分离装置中氮从中压减压至低压时没有压力损失，因此可实现与氮压缩有关的每1Nm3 0.05kWh的节能。在空气分离装置中从大气中分离氮并在液化器中液化氮每1Nm3需要约1kW，因此能效提高了约5％。
优度/优势评估
将通过与比较示例1相比来描述与实施例1-5的模式对应的示例性实施例1-5的优度。
比较示例1:专利文献2(JP 6427359 B2)
示例性实施例1:实施例1的模式(图1)
示例性实施例2:实施例2的模式(图2)
示例性实施例3:实施例3的模式(图3)
示例性实施例4:实施例4的模式(图4)
示例性实施例5:实施例5的模式(图5)
将比较示例性实施例1和比较示例1。在比较示例1中，通过液化设备来生产供给至高纯度生产装置的液氮，而在示例性实施例1中，空气分离装置的中压塔作为供给源，从而能够实现简单的设备结构，并且抑制氮回路中的压力损失。
在示例性实施例2中，与示例性实施例1相比，添加了高纯度罐和加压器，然后添加了用于缓冲液氮供应的液氮缓冲器。
液氮被存储在液氮缓冲液中，而从中压塔中抽取恒定的液氮，液氮以提供在罐减压期间所需的过冷的方式被从缓冲器供应到第二氧冷凝器。这是因为在减压期间释放的高纯度氧气被供应到第二精馏塔，并在第二氧冷凝器中基本上被再液化。
在示例性实施例3中，与示例性实施例2相比，在用于从空气分离装置向高纯度氧生产装置供应液氮的管线上设置有适于流率的控制阀和流量计。另外，设置有用于第二氧冷凝器的制冷剂侧液面计、以及用于在监控液位的同时控制液氮供应量的控制阀。通过这种方式，可以控制该阀，以使得响应于当在罐减压期间释放的氧重新液化时第二氧冷凝器中增加的热负荷来升高制冷剂侧液面的液位。来自设置在液氮缓冲器17中的液面计的信号被输入到控制阀，由此能够进行选择器控制，以在缓冲器中的液位上升时对控制阀进行节流。
在示例性实施例4中，与示例性实施例3相比，可以在空气分离装置的主热交换器中回收高纯度氧液体的冷量。
在示例性实施例5中，与示例性实施例4相比，在高纯度氧生产装置中的氮循环中，一管线从氮压缩机排出管线上的氮热交换器的冷端侧引出至氮压缩机的进气管线上的氮热交换器冷端侧，并且在该管线上设有膨胀设备(阀或涡轮)。这构成了用于向高纯度氧生产装置供冷的构造的示例。例如，当从中压塔供应的液氮不足时，可以补充冷量。
实施例的不同模式
尽管没有明确描述，但是压力调节设备和流率控制设备等也可以设置在每条管线中，以调节压力或调节流率。
符号索引
1…主热交换器
2…中压塔
3…氮冷凝器
4…低压塔
5…过冷却器
6…膨胀涡轮
7…第一氧精馏塔
8…第一氧蒸发器
9…第一氧冷凝器
10…第二氧精馏塔
11…第二氧蒸发器
12…第二氧冷凝器
13…氮热交换器
14…氮压缩机

Claims (7)

1.一种高纯度氧生产系统，包括：
空气分离装置，其包括主热交换器、中压塔和低压塔；以及
高纯度氧生产装置，其包括氮压缩机、氮热交换器和至少一个(高纯度)氧精馏塔，
其中，从低压塔向高纯度氧生产装置供应用作高纯度氧的原料的含氧流，并且从中压塔获得的液氮被供应到高纯度氧生产装置，以补充高纯度氧生产装置运行所需的冷量。
2.根据权利要求1所述的高纯度氧生产系统，其中所述空气分离装置(A1)包括：
主热交换器(1)，其用于使原料空气经受热交换；
中压塔(2)，已通过主热交换器(1)的原料空气被引入中压塔(2)，中压塔(2)具有在其中收集第一精馏液体的中压塔底部(21)、用于精馏原料空气的中压塔精馏部(22)、和布置在中压塔精馏部(22)上方的中压塔顶部(23)；以及
低压塔(4)，其布置在中压塔(2)上方，低压塔(4)具有：低压塔底部(41)，在低压塔底部(41)的内部或下方布置有用于冷凝从中压塔顶部(23)抽取并且通过循环管线(L6)传送的气体的氮冷凝器(3)，并且在低压塔底部(41)中收集第二精馏液体(含氧流)；用于精馏从中压塔底部(21)抽取的第一精馏液体(富氧液体)的低压塔精馏部(42)；和低压塔顶部(43)，在氮冷凝器(3)中冷凝的冷凝流的至少一部分被引入低压塔顶部。
3.根据权利要求1或2所述的高纯度氧生产系统,其中高纯度氧生产装置(A2)包括：
第一氧精馏塔(7)，其具有：第一氧精馏塔精馏部(72)，从低压塔底部(41)抽取的第二精馏液体在第一氧精馏塔精馏部(72)的中间部分或其下方被引入第一氧精馏塔精馏部(72)；布置在第一氧精馏塔精馏部(72)下方的第一氧精馏塔底部(71)；以及布置在第一精馏塔精馏部(72)上方的第一氧精馏塔顶部(73)；
第一氧蒸发器(8)，其布置在第一氧精馏塔底部(71)的内部或者下方，第一氧蒸发器(8)使得从第一氧精馏塔精馏部(72)落下的精馏液体和已经被引入的第二精馏液体(含氧流)蒸发；
第一氧冷凝器(9)，其布置在第一氧精馏塔顶部(73)的内部或上方,其中从第一氧精馏塔精馏部(72)的上部部分抽取的第一氧精馏气体通过在第一氧蒸发器(8)中冷凝的第一液氮被冷却和液化，并且返回到第一氧精馏塔精馏部(72)；
第二氧精馏塔(10)，其具有第二氧精馏塔底部(101)、布置在第二氧精馏塔底部(101)上方的第二氧精馏塔精馏部(102)、以及布置在第二氧精馏塔精馏部(102)上方的第二氧精馏塔顶部(103)；
第二氧蒸发器(11)，其布置在第二氧精馏塔底部(101)的内部或下方，第二氧蒸发器(11)使得从第二氧精馏塔精馏部(102)落下的精馏液体蒸发；
第二氧冷凝器(12)，其布置在第二氧精馏塔顶部(103)的内部或上方，其中第二氧冷凝器(12)借助于发送至第二氧冷凝器(12)的第二液氮冷却并液化从第二氧精馏塔精馏部(102)的上部部分抽取的第二氧精馏气体，并且将被冷却和液化的气体返回到第二氧精馏塔精馏部(102)；
氮热交换器(13)，从第二氧精馏塔顶部(103)中的第二氧冷凝器(12)上方的空间(1031)抽取的富氮气体被引入所述氮热交换器(13)；
氮压缩机(14)，其用于压缩从氮热交换器(13)抽取的富氮气体；
管线(L12)，其用于将在氮压缩机(14)中压缩的压缩富氮气体再循环至氮热交换器(13)，并且将富氮气体引至第一氧精馏塔底部(71)中的第一氧蒸发器(8)下方的空间(711)；以及
分支管线(L121)，其从管线(L12)分支，并且将富氮气体引至第二氧精馏塔底部(101)中的第二氧蒸发器(11)下方的空间(1011)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高纯度氧生产系统，其中高纯度氧生产装置(A2)包括：
高纯度氧罐(15)，其用于存储从液体中提取的高纯度氧；
加压器(16)，其用于蒸发高纯度液氧的一部分并对高纯度液氧加压；以及
液氮缓冲器(17)，其用于存储液氮。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的高纯度氧生产系统,其中高纯度氧生产装置(A2)包括：
用于从空气分离装置(A1)的中压塔(2)向液氮缓冲器(17)供给液氮的管线(L62)；
液氮流量计(300)，其设置在管线(L62)上并且测量液氮的流率；以及
控制阀(301)，其用于将液氮流量计(300)所测得的量控制为预定量或预定范围。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的高纯度氧生产系统，其中在高纯度氧罐(15)中加压的高纯度氧液体(通过管线L142)被引入空气分离装置(A1)中的主热交换器(1)并且蒸发，然后被提取作为高纯度氧气。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的高纯度氧生产系统,其中在高纯度氧生产装置(A2)的氮循环中设置有氮膨胀管线(L50)，以便向高纯度氧生产装置(A2)提供冷量。
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