TWI687633B - 製氧系統及製氧方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種製氧系統，該製氧系統可以在減少對現有製氮 方法的影響的同時有效地生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者。

一種製氧系統，該製氧系統包括製氮裝置和製氧裝置，該製 氧裝置包括：將冷卻的加壓空氣引入其中的容器(A)；以及精餾塔(C)，該精餾塔包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸發器(B)，該製氧系統包括：第一流動通道，該第一流動通道排出儲存在該容器(A)的底部的液體；第二流動通道，該第二流動通道將通過該第一流動通道排出的液體的一部分引入至該精餾塔(C)的上部部分內；第三流動通道，該第三流動通道從該製氮裝置排出富氧液化空氣的至少一部分、並且將該富氧液化空氣引入至該精餾塔(C)的中間階段內；第四流動通道，該第四流動通道從該第一流動通道分出、並且將該液體的至少一部分引入至該製氮裝置內作為冷源；以及第五流動通道，該第五流動通道從一個位置排出由於由該液化空氣產生的冷凝熱已經在該冷凝器-蒸發器(B)內汽化的氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。

Description

製氧系統及製氧方法
本發明涉及一種製氧系統和一種製氧方法。更確切地說，本發明涉及利用從製氮方法排出的流體有效地生產氧氣和液態氧的製氧系統和製氧方法。
低溫空氣分離設備廣泛被認為是製氧裝置。該低溫空氣分離設備通常被設計為使用多個蒸餾柱來順序地增加分離效率以主要生產氮氣、氧氣、和氬氣作為最終產品。
對於氮氣(如用於半導體方法的氮氣)的需求顯著比對於其他氣體如氧氣的需求更高。因此，使用大量的製氮裝置以便滿足在消耗量與生產量之間的平衡。該製氮裝置主要使用空氣作為原料，並且藉由壓縮-純化方法生產氮氣和液態氮。該製氮裝置當生產氮氣時排出具有高氧濃度的氣體作為廢氣。
在現有製氮裝置的附近甚至在其中僅僅主要需要氮氣的工廠或區域中可能需要氧氣(或者生產氧氣可能是必要的)。在此類情況下，可以使用利用從該製氮裝置排出的廢氣的製氧裝置生產氧氣，或者可以使用利用室溫分離方法或者低溫分離方法(使用空氣作為原料)生產氧氣的製氧裝置生產氧氣。
例如，專利文獻1揭露了一種藉由利用現有製氮裝置生產氧氣之裝置。如圖4中示出的，該專利文獻1中揭露的裝置被配置為從空氣(原料)去除水和二氧化碳，將該空氣引入至氮氣精餾塔10內以藉由冷卻液化該空氣，從該氮氣精餾塔10中收集氮氣(即產物)，使用從該氮氣精餾塔10獲得的富氧液化空氣作為冷源用於氮氣冷凝器14，使用該富氧液化空氣作為熱源用於氧氣精餾塔20的再沸器24，並且使用該富氧液化空氣作為氧氣原料和回流液體用於該氧氣精餾塔20。該專利文獻1中揭露的裝置在保持氮氣收集比的同時生產氧氣。
引用文獻清單 專利文獻
[PTL 1]日本專利號3203181
當在現有製氮裝置的附近生產氧氣時，如果附加地安裝製氧裝置，則成本的增加發生。此外，由於從該製氮裝置和該製氧裝置排出作為副產物生產的氧氣或氮氣，所以廢氣的量和能量損失增加。因此，當在現有製氮裝置的附近生產氧氣時，如在專利文獻1中揭露的，可以提供製氧裝置給製氮裝置。在此情況下，然而，以下問題可能發生。
確切地說，專利文獻1中揭露的方法藉由膨脹閥將在該製氮裝置下的空間中儲存的富氧液化空氣供應給第二精餾塔的精餾段的上部部分。使向上移動的氣體與逆流液體相接觸，使得從該向下移動的液體中釋放低沸點組分(特別是氧氣)。在該第二精餾塔下的空間中儲存所產生的富 氧氣體(即，具有高氧濃度的氣體)。排出儲存在第二精餾塔下的空間中的富氧氣體作為產物氧氣。
然而，包括在該原料空氣中的高沸點組分(例如，甲烷)留在該產物氧氣中。確切地說，專利文獻1中揭露的方法不能夠生產高純度氧氣(即，具有約99.9999%純度的氧氣)。因此，當所希望的是在使用專利文獻1中揭露的方法的同時獲得高純度氧氣時，必要的是藉由利用高溫貴金屬催化反應將高沸點組分(例如，甲烷)轉化為水和二氧化碳，並且使用加壓裝置(使用合成沸石或類似物作為吸附劑)來純化氧氣。因此，必要的是投資於設備，提供熱源用於獲得對於該催化反應所要求的溫度，並且提供電力用於再生在其上吸附雜質的沸石或類似物。
此外，當富氧液化空氣僅僅被用作供應給該製氧裝置的原料時，整體生產效率未必是令人滿意的。確切地說，必要的是進一步考慮整體能量-排出氣平衡等等以便使用組合的該製氮裝置和該製氧裝置有效地生產氮氣和氧氣。
因此，本發明的若干態樣的目的係提供可以在減少對現有製氮方法的影響的同時有效地生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者的製氧系統和製氧方法。
設想本發明以便解決以上問題中的至少一些，並且本發明可以如以下描述的實施(參見以下態樣或應用實例)。
根據本發明的一個態樣，一種製氧系統包括製氮裝置和製氧裝置， 該製氧裝置包括：將冷卻的加壓空氣引入其中的容器(A)；以及精餾塔(C)，該精餾塔包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸發器(B)，該製氧系統包括：第一流動通道，該第一流動通道排出儲存在該容器(A)的底部的液體；第二流動通道，該第二流動通道將通過該第一流動通道排出的液體的一部分引入至該精餾塔(C)的上部部分內；第三流動通道，該第三流動通道從該製氮裝置排出富氧液化空氣的至少一部分、並且將該富氧液化空氣引入至該精餾塔(C)的中間階段內；第四流動通道，該第四流動通道從該第一流動通道分出、並且將該液體的至少一部分引入至該製氮裝置內作為冷源；以及第五流動通道，該第五流動通道從一個位置排出由於由該液化空氣產生的冷凝熱已經在該冷凝器-蒸發器(B)內汽化的氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。
該製氧系統可以在減少對現有製氮方法的影響的同時有效地生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者。
當僅僅使用該製氮裝置時，具有等於或高於約30%的氧濃度的富氧液化空氣可能典型地是多餘的。根據本發明的製氧系統利用該富氧液化空氣作為被供應到該製氧裝置的原料。確切地說，該製氧系統可以藉由將此類原料供應給該製氧裝置生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者作為產物。根據本發明的製氧系統將液化空氣(對於該製氧裝置是多餘的)供應給該製氮裝置作為冷源。這使得可能在抑制該製氮裝置的性能 的減少並且減少能量和排出氣浪費的同時有效地生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者。
根據本發明的製氧系統可進一步包括：液化該汽化的氧氣的氧氣液化器(D)；第六流動通道，該第六流動通道從該第一流動通道分出、並且將該液體的至少一部分引入至該氧氣液化器(D)內作為冷源；氧氣冷凝器(E)，該氧氣冷凝器被提供在該氧氣液化器(D)中、並且通過該第五流動通道接收該汽化的氧氣；以及第七流動通道，該第七流動通道排出在該氧氣冷凝器(E)內產生的液態氧。
根據此配置，可能的是利用該低溫液體的一部分(對於該製氧裝置是多餘的)作為冷源用於液化氧氣。這使得可能減少液化氧氣所需要的能量的量。例如，不必要供應通常用作製冷劑的液態氮或者類似物。
根據本發明的製氧系統可進一步包括：第八流動通道，該第八流動通道從該精餾塔(C)的上部部分排出廢氣；以及第九流動通道，該第九流動通道從該氧氣液化器(D)的上部部分排出已經被汽化的液體。
根據此配置，由於可以通過該第八流動通道將廢氣從該精餾塔(C)排出，可能的是適當地保持該精餾塔(C)內部的壓力。由於可以通過該第九流動通道將由於熱交換已經在該氧氣液化器(D)內被汽化的液體從該系統排出，可能的是適當地保持該氧氣液化器(D)內部的壓力。
根據本發明的製氧系統可進一步包括：該第八流動通道和該第九流動通道合併入其中的第十流動通道；加熱混合氣體的熱交換器(G)，該混合氣體流過該第十流動通道並且包括該廢氣和該已經被汽化的液體；以及第一加壓裝置，通過該第十流動通道將該已經被加熱的混合氣體引入至該第一加壓裝置內。
根據此配置，流過該第十流動通道的混合氣體在該熱交換器(G)內被加熱，並且被引入至該第一加壓裝置內。因此，不必要提供對應於該廢氣和該已經被汽化的液體的每一種的第一加壓裝置。由於該第一加壓裝置可以使用被設計為在室溫下使用的壓縮機或者類似物而不是被設計為在低溫下使用的壓縮機或者類似物來實施，例如，可能的是減少設備成本。
根據本發明的製氧系統可進一步包括：第十一流動通道，該第十一流動通道將已經被該第一加壓裝置加壓的該混合氣體引入至該熱交換器(G)內；以及第十二流動通道，該第十二流動通道將該已經在該熱交換器(G)內被冷卻的混合氣體引入至該容器(A)內。
根據此配置，已經被該第一加壓裝置加壓的混合氣體在該熱交換器(G)內被冷卻，並且被引入至該容器(A)內。這使得可能改進產物氧(即，高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者)的收集比。
根據本發明的製氧系統可進一步包括：第二加壓裝置，通過該第七流動通道將該液態氧引入至該第二加壓裝 置內；第十三流動通道，該第十三流動通道將已經被該第二加壓裝置加壓的該液態氧引入至該熱交換器(G)內；以及第十五流動通道，該第十五流動通道排出已經在該熱交換器(G)內被加熱且汽化的氧氣。
根據此配置，該液態氧被該第二加壓裝置加壓，並且在該熱交換器(G)內被加熱。這使得可能獲得加壓的氧氣。在該熱交換器內加熱並且汽化該加壓的液態氧。然而，根據本發明的製氧系統顯著地降低所產生的液態氧中的烴(例如，甲烷)的濃度。因此，烴(例如，甲烷)不容易在該熱交換器(G)內凝固並且累積，並且可能的是更安全地生產高純度氧氣。
根據本發明的另一個態樣，一種製氧方法利用與製氮裝置組合的製氧裝置，該製氧裝置包括將冷卻的加壓空氣引入其中的容器(A)、以及包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸發器(B)的精餾塔(C)，該製氧方法包括：通過第一流動通道排出儲存在該容器(A)的底部的液體；通過第二流動通道將該排出的液體的一部分引入至該精餾塔(C)的上部部分內；通過第三流動通道從該製氮裝置排出富氧液化空氣的至少一部分至該精餾塔(C)的中間階段內；通過第四流動通道將該液體的至少一部分引入至該製氮裝置內作為冷源；並且 通過第五流動通道從一個位置排出由於由該液化空氣產生的冷凝熱已經在該冷凝器-蒸發器(B)內汽化的氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。
該製氧方法可以在減少對現有製氮方法的影響的同時有效地生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者。
在根據本發明的製氧方法中，該製氧裝置可包括氧氣液化器(D)和氧氣冷凝器(E)，並且該製氧方法可進一步包括：通過第六流動通道將該液體的至少一部分引入至該氧氣液化器(D)內作為冷源；通過該第五流動通道將該汽化的氧氣引入至該氧氣冷凝器(E)內；並且通過第七流動通道排出該氧氣冷凝器(E)內產生的液態氧。
根據此配置，可能的是利用該低溫液體的一部分(對於該製氧裝置是多餘的)作為冷源用於液化氧氣。這使得可能減少液化氧氣所需要的能量的量。例如，不必要供應通常用作製冷劑的液態氮或者類似物。
根據本發明的製氧方法可進一步包括：通過第八流動通道從該精餾塔(C)的上部部分排出廢氣；並且通過第九流動通道從該氧氣液化器(D)的上部部分排出該已經被汽化的液體。
根據此配置，由於可以通過該第八流動通道將廢氣從該精餾塔(C)排出，可能的是適當地保持該精餾塔(C)內部的壓力。由於可以 通過該第九流動通道將由於熱交換已經在該氧氣液化器(D)內被汽化的液體從該系統排出，可能的是適當地保持該氧氣液化器(D)內部的壓力。
在根據本發明的製氧方法中，該製氧裝置可包括熱交換器(G)和第一加壓裝置，並且該製氧方法可進一步包括：在該熱交換器(G)內加熱混合氣體，該混合氣體流過第十流動通道並且包括該廢氣和該已經被汽化的液體，該第十流動通道係該第八流動通道和該第九流動通道合併入其中的流動通道；並且通過該第十流動通道將該已經被加熱的混合氣體引入至該第一加壓裝置內。
根據此配置，流過該第十流動通道的混合氣體通過該熱交換器(G)加熱，並且被引入至該第一加壓裝置內。因此，不必要提供對應於該廢氣和該已經被汽化的液體的每一種的第一加壓裝置。由於該第一加壓裝置可以使用被設計為在室溫下使用的壓縮機或者類似物而不是被設計為在低溫下使用的壓縮機或者類似物來實施，例如，可能的是減少設備成本。
根據本發明的製氧方法可進一步包括：通過第十一流動通道將已經被該第一加壓裝置加壓的該混合氣體引入至該熱交換器(G)內，並且在該熱交換器(G)內冷卻該混合氣體；並且通過第十二流動通道將該已經在該熱交換器(G)內被冷卻的混合氣體引入至該容器(A)內。
根據此配置，已經被該第一加壓裝置加壓的混合氣體在該熱交換器(G)內被冷卻，並且被引入至該容器(A)內。這使得可能改進產 物氧(即，高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者)的收集比。
在根據本發明的製氧方法中，該製氧裝置可包括第二加壓裝置，並且該製氧方法可進一步包括：通過該第七流動通道將該液態氧引入至該第二加壓裝置內；通過第十三流動通道將已經被該第二加壓裝置加壓的該液態氧引入至該熱交換器(G)內；並且通過第十五流動通道排出已經在該熱交換器(G)內被加熱且汽化的氧氣。
根據此配置，該液態氧被該第二加壓裝置加壓，並且在該熱交換器(G)內被加熱。這使得可能獲得加壓的氧氣。在該熱交換器內加熱並且汽化該加壓的液態氧。然而，根據本發明的製氧方法顯著地降低所產生的液態氧中的烴(例如，甲烷)的濃度。因此，烴(例如，甲烷)不容易在該熱交換器(G)內凝固並且累積，並且可能的是更安全地生產高純度氧氣。
本發明的有利的效果
根據本發明的製氧系統和製氧方法利用從該製氮裝置排出的富氧液化空氣作為被供應到該製氧裝置的原料，並且將該液化空氣(對於該製氧裝置是多餘的)供應給該製氮裝置作為冷源。這使得可能在抑制該製氮裝置的性能的減少並且減少能量和排出氣浪費的同時有效地生產高純度氧氣和高純度液態氧中的至少一者。
具體實例的說明
以下參考附圖詳細地描述了本發明之示例性具體實例。注意以下示例性具體實例不過度地限制如在申請專利範圍中陳述的本發明之範圍。還注意所有以下描述的元件不一定要被認為是本發明的必要元件。
根據本發明的製氧系統包括組合的製氮裝置和製氧裝置。該製氧裝置包括容器(A)和精餾塔(C)。該製氧裝置包括第一流動通道、第二流動通道、第三流動通道、第四流動通道、以及第五流動通道。
1. 製氧裝置的概要
圖1係示出該製氧系統的概要的視圖。如圖1中示出的，根據本發明的一個具體實例的製氧系統具有一種配置，其中製氮裝置和製氧裝置至少通過來自該製氮裝置的富氧液化空氣供應通道和來自該製氧裝置的液化空氣供應通道連接。
根據本發明的一個具體實例的製氧系統包括供應加壓空氣 的壓縮機1、將包括在該加壓空氣中的水和二氧化碳去除的空氣純化系統、接收該從其中已經去除水和二氧化碳的空氣並且精餾該接收的空氣以生產氮氣的該製氮裝置、以及接收來自該製氮裝置的富氧液化空氣並且精餾該接收的富氧液化空氣以生產氧氣的該製氧裝置。
將根據本發明的一個具體實例的製氧系統組態為使得將來自該製氮裝置的廢氣引入至熱交換裝置(在該附圖中未示出)內、返回至室溫、並且然後返回至該空氣純化系統中。該製氮裝置與該製氧裝置藉由來自該製氮裝置的富氧液化空氣的流動以及該液化空氣的流動熱連接。該製氧裝置以與從該製氮裝置供應至該製氧裝置的富氧液化空氣的量幾乎相同量將液化空氣供應給該製氮裝置。
包括在根據本發明的一個具體實例的製氧系統中的製氧裝置包括進一步壓縮通過該空氣純化系統供應的該空氣的一部分的壓縮機2、以及壓縮從該製氧裝置排出的再循環空氣的壓縮機3。將該被壓縮機2壓縮的加壓空氣以及該被壓縮機3壓縮的再循環空氣引入至該製氧裝置內、引入至冷凝器-蒸發器(在該附圖中未示出)內、並且經受間接熱交換以生產液化空氣，該液化空氣以液體的形式儲存在該冷凝器-蒸發器的底部。將過量的液化空氣供應給該製氮裝置和氧氣液化器(在該附圖中未示出)作為冷源。將從該製氧裝置排出的廢氣的一部分與從該製氮裝置排出的廢氣結合，並且用於通過廢氣排放使該空氣純化系統再生。
因此將根據本發明的一個具體實例的製氧系統組態為使得原料和副產物可以按照互補的方式用於該製氮裝置和該製氧裝置。
2. 製氧裝置的細節
圖2示出了製氧系統1000作為根據本發明的一個具體實例的製氧系統的更特定的實例。圖2示出了製氧裝置的實例，該製氧裝置可以用於根據本發明的一個具體實例的製氧系統。如圖2中示出的，將該製氧系統1000配置為使得將從製氮裝置(F)供應的富氧液化空氣(即，氧氣原料)通過第三流動通道32引入至該精餾塔(C)的中間階段內。在此使用的術語“富氧液化空氣”指的是藉由液化具有比原料空氣(空氣)的氧濃度更高的氧濃度的空氣(富氧空氣)獲得的液化空氣。例如，在此使用的術語“富氧液化空氣”指的是具有等於或高於30%的氧濃度的液化空氣。
該製氧系統1000包括該精餾塔(C)。在該精餾塔(C)的下部部分中提供冷凝器-蒸發器(B)。在該精餾塔(C)的底部提供容器(A)，並且該容器(A)的頂部部分通過該冷凝器-蒸發器(B)與該精餾塔(C)熱連接。
將藉由壓縮機200加壓的加壓空氣以及藉由再循環壓縮機300(第一加壓裝置)加壓的加壓再循環空氣中的至少一者引入至該容器(A)內。該加壓空氣在通過膨脹閥(H)經由自由膨脹減壓下被冷卻之後通過第十四流動通道21被引入至該容器(A)內。該加壓空氣和該加壓再循環空氣在藉由熱交換器(G)藉由與逆流液體間接熱交換被冷卻到大約液化溫度的溫度之後被引入至該容器(A)內。通過第十二流動通道31將該加壓再循環空氣引入至該容器(A)內。
將該加壓空氣和該加壓再循環空氣引入至該容器(A)內、並且然後引入至該冷凝器-蒸發器(B)內。該冷凝器-蒸發器(B)藉由利用該加壓空氣和該加壓再循環空氣汽化儲存在該精餾塔(C)的底部的液態氧。確切地說， 液化該加壓空氣的一部分和該加壓再循環空氣的一部分以生產液化空氣，該液化空氣以液體的形式儲存在該容器(A)的底部。
將儲存在該容器(A)的底部的液體(液化空氣)通過與該容器(A)的下部部分連接的第一流動通道22排出，並且將該排出的液體的至少一部分通過第二流動通道24供應給該精餾塔(C)的上部部分。將儲存在該容器(A)的底部的液體(液化空氣)的一部分(以與從該製氮裝置供應至該製氧裝置的該富氧液化空氣的量相同的量)通過第四流動通道23引入至該製氮裝置內作為冷源，並且將儲存在該容器(A)的底部的液體(液化空氣)的至少一部分通過第六流動通道25供應給氧氣液化器(D)作為冷源。
被供應到該精餾塔(C)的上部部分的回流液體(液化空氣)以及來自該製氮裝置的被引入至該精餾塔(C)的中間階段內的富氧液化空氣向下流過該精餾塔(C)，並且與從該精餾塔(C)的底部向上移動的蒸汽接觸。該回流液體(液化空氣)以及該富氧液化空氣因此被精餾以在該精餾塔(C)的底部生產液態氧。
在此情況下，通過第五流動通道33從一個位置排出具有等於或低於25ppm的甲烷濃度的氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。從該精餾塔(C)的底部去除防止濃縮的液體(concentration-preventing liquid)(例如，烴)(在該等附圖中未示出)。通過第八流動通道27從該精餾塔(C)的頂部排出具有與空氣的組成類似的組成的廢氣。
該製氧系統1000包括該氧氣液化器(D)。將該從一個位置 排出的氧氣通過該第五流動通道33引入至該氧氣液化器(D)內部提供的氧氣冷凝器(E)內，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。
將儲存該容器(A)中的液化空氣通過該第六流動通道25引入至該氧氣液化器(D)內，並且使其經受與該氧氣的間接熱交換。因此液化該氧氣，並且通過第七流動通道34排出所產生的液態氧。該液態氧具有高純度，並且具有等於或低於25ppm的甲烷濃度。
在該氧氣液化器(D)內經受熱交換的該液化空氣由於由該氧氣產生的冷凝熱汽化，並且通過第九流動通道26從該氧氣液化器(D)的頂部被去除(作為廢氣)。
該製氧系統1000包括該熱交換器(G)。將從該精餾塔(C)的頂部排出的(去除的)廢氣以及從該氧氣液化器(D)的頂部排出的(去除的)廢氣結合以形成再循環空氣流，將該再循環空氣流引入至該熱交換器(G)內。
在該熱交換器(G)中，將該再循環空氣流加熱至大約室溫的溫度(由於逆流流體)。將該再循環空氣流通過第十流動通道28排出，並且藉由該再循環壓縮機300(第一加壓裝置)加壓。然後將該再循環空氣流通過第十一流動通道30引入至該熱交換器(G)內，並且加熱至大約液化溫度的溫度(由於逆流流體)。注意視情況將該再循環空氣流的一部分通過管29排出到該系統的外部。
將由該氧氣液化器(D)產生的高純度液態氧通過該第七流動通道34排出，藉由低溫泵350(第二加壓裝置)加壓，並且通過第十三 流動通道35引入至該熱交換器(G)內。將該高純度液態氧加熱至室溫(由於逆流流體)，並且通過第十五流動通道36作為氧氣(高純度產物)排出。當所希望的是從該製氧系統1000作為液態氧(高純度產物)排出氧氣時，該第七流動通道34可以在該氧氣液化器(D)與該低溫泵350(第二加壓裝置)之間分出以移出液態氧。可以將該移出的液態氧轉移至儲存裝置如槽中。
將該製氧系統1000配置為使得將該已經被冷卻的加壓空氣供應給該容器(A)。該容器(A)的頂部部分和該精餾塔(C)通過該冷凝器-蒸發器(B)熱連接，並且將該加壓空氣的一部分引入至該冷凝器-蒸發器(B)內，並且經受與儲存在該精餾塔(C)的底部的液態氧的間接熱交換。將所產生的液化空氣從該冷凝器-蒸發器(B)排出，並且以液體的形式儲存在該容器(A)的底部。
通過被提供給該容器(A)的下部部分的該第一流動通道22排出該液化空氣，並且將通過從該第一流動通道22分出的第二流動通道25排出的該液體的一部分引入至該精餾塔(C)的上部部分作為回流液體。
將該富氧液化空氣(即，副產物)(即，對於該製氮裝置的低濃度組分)的至少一部分從該製氮裝置排出，並且通過該第三流動通道32供應(作為高純度氧氣原料)給該精餾塔(C)(製氧裝置)的中間階段。通過從該第一流動通道22分出的該第四流動通道23將該液體(具有比該富氧液化空氣的氮含量更高的氮含量)的至少一部分供應給該製氮裝置作為冷源。因此，可能的是減少對藉由該製氮裝置實施的製氮方法的影響，並且將用作用於高純度氧氣的原料的該富氧液化空氣從該製氮裝置供應給該 製氧裝置。因此，將根據本發明的一個具體實例的製氧系統1000配置為使得該原料、該副產物、能量等可以按照互補的方式用於該製氮方法和該製氧方法。
將根據本發明的一個具體實例的製氧系統1000配置為使得通過該第五流動通道33從一個位置排出通過與該加壓空氣熱交換由該冷凝器-蒸發器(B)產生的該氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。使高沸點組分(例如，甲烷)與從該精餾塔(C)的上部部分向下流動的富氧液化空氣接觸以生產具有非常低烴(例如，甲烷)濃度的氧氣(產物)。根據本發明的一個具體實例的製氧系統1000還使得可能調節每種組分的氣體-液體狀態或溫度和/或壓力以便對於該製氮裝置的運行以及該製氧裝置的運行是適當的。
根據本發明的一個具體實例的製氧系統1000因此是藉由與現有製氮裝置的組合形成的，該組合高度有效地起作用。
注意在使用該製氧系統1000產生的高純度氧氣中的甲烷濃度被計算為係25ppm或更少。確切地說，可以使用該製氧系統1000生產在半導體工業等的領域中所要求的高純度氧氣。
3. 製氮裝置的細節
參考圖3以下描述了包括在該製氧系統1000中的製氮裝置的細節。圖2示出了製氮裝置的實例，該製氮裝置可以用於根據本發明的一個具體實例的製氧系統。例如，該製氮裝置生產17,000Nm3/hr(8.8Bar A)的量的高純度氮氣。例如，結合該製氮裝置提供的該製氧裝置生產500Nm3/hr(9.6Bar A)的量的高純度氧氣。注意與關於每個步驟使用的每種氣體和每種液體相 關的以下描述的特定值(例如，溫度、壓力、以及量(流量))僅僅是實例。根據本發明的製氧系統和製氧方法不限於以下描述的特定值。
例如，將原料空氣(約29,164Nm3/hr)使用過濾器(在該等附圖中未示出)除塵，並且使用供應裝置198加壓到約9.2Bar A。空氣純化系統199從該加壓空氣中去除雜質如水和二氧化碳。藉由分支點(T)將該加壓空氣的一部分(約704Nm3/hr)引入至空氣壓縮裝置200內，並且通過管1將該加壓空氣的剩餘部分(約28,910Nm3/hr)引入至熱交換器40內。
將該加壓空氣在該熱交換器40內藉由與逆流液體的間接熱交換冷卻至約-165℃，並且通過管2供應到該製氮裝置(F)的中壓精餾塔100的下部部分。
被供應到該中壓精餾塔100的該加壓空氣在該中壓精餾塔100內向上移動，並且與向下流動並且包括液態氮作為主要組分的回流液體接觸。因此，將包括在該氣相中的氧氣溶解於該回流液體中，並且將包括在該回流液體中的氮氣汽化並且釋放至該氣相內。其結果係，氮氣在該中壓精餾塔100的上部部分中累積，並且富氧液化空氣在該中壓精餾塔100的下部部分中累積。通過管3將該約-168℃下的富氧液化空氣從該中壓精餾塔100的下部部分以約25,056Nm3/hr的流量排出，並且供應到包括第一冷凝器-蒸發器50的第一冷凝器-蒸發器段101。
將已經在該中壓精餾塔100的上部部分中累積的該氮氣供應到該第一冷凝器-蒸發器50作為熱源。將該氮氣(壓力：約8.96Bar A，流量：約13,200Nm3/hr)引入至該第一冷凝器-蒸發器50內，並且汽化儲存在該第一冷凝器-蒸發器段101中的該富氧液化空氣以在該第一冷凝器-蒸發 器段101內形成廢氣。將該氮氣液化以生產液態氮(約13,200Nm3/hr)，該液態氮被引入至該中壓精餾塔100的上部部分內、並且從該中壓精餾塔100的上部部分向下流動作為回流液體。
將廢氣(氧氣濃度：約28%，溫度：約-172℃，壓力：約5.46Bar A，流量：約13,149Nm3/hr)通過管9從該第一冷凝器-蒸發器段101的上部部分排出，並且引入至加壓器80內。將該廢氣藉由該加壓器80加壓至約9.11Bar A，通過管10引入至該熱交換器40內，並且藉由與逆流流體的間接熱交換冷卻至約-165℃。將該廢氣通過管11引入至該中壓精餾塔100的下部部分內。由於該冷卻的廢氣中的氧氣濃度高於該加壓空氣中的氧氣濃度，較佳的是在低於該管2與該中壓精餾塔100連接的位置的位置處將該管11與該中壓精餾塔100連接。
將儲存在該第一冷凝器-蒸發器段101中的該富氧液化空氣的一部分從該第一冷凝器-蒸發器段101排出，冷卻至約-172℃(同時減壓至約4.3Bar A)，並且通過管4以約12,817Nm3/hr的流量引入至第二冷凝器-蒸發器段102內。
將已經在該中壓精餾塔100的上部部分中累積的該氮氣供應到該第二冷凝器-蒸發器60作為熱源。例如，將該氮氣(壓力：約8.96Bar A，流量：約15,100Nm3/hr)引入至該第二冷凝器-蒸發器60內，並且汽化儲存在該第二冷凝器-蒸發器段102中的該富氧液化空氣以在該第二冷凝器-蒸發器段102內形成富氧廢氣。液化該氮氣以生產液態氮，該液態氮從該中壓精餾塔100的上部部分向下流動作為回流液體。
將該富氧廢氣(溫度：約-172.3℃，壓力：約4.3Bar A，流 量：約11,907Nm3/hr)通過管5從該第二冷凝器-蒸發器段102的上部部分排出，並且引入至該熱交換器40內。該富氧廢氣藉由與逆流流體的間接熱交換被加熱至約-143℃。將該富氧廢氣通過管6引入至膨脹渦輪機70內，並且藉由絕熱膨脹減壓至約1.24Bar A(同時冷卻至約-178℃)。
將該富氧廢氣通過管7再次引入至該熱交換器40內，藉由與逆流流體的間接熱交換加熱至約52℃，通過管8引入至該空氣純化系統199內，並且用於使該空氣純化系統199再生。
將該氮氣(壓力：約9.0Bar A，流量：約17,000Nm3/hr)通過管12從該中壓精餾塔100的上部部分排出，引入至該熱交換器40內，藉由與逆流流體的間接熱交換加熱至約52℃，並且通過管13排出作為該產物氮氣。
將該富氧液化空氣(壓力：約4.3Bar A，溫度：約-172℃，流量：約910Nm3/hr)從該第二冷凝器-蒸發器段102排出，並且通過管(第三流動通道32)引入至該製氧裝置的精餾塔(C)的中間階段內作為原料。
儲存在該第二冷凝器-蒸發器段102中的液體包括處於高濃度的烴(例如，甲烷)。如果僅僅運行該製氮裝置，將該富氧液化空氣(壓力：約4.3Bar A，溫度：約-172℃，流量：約60Nm3/hr)從該第二冷凝器-蒸發器段102排放到外部。根據本發明的一個具體實例的製氧系統1000可以利用如果僅僅運行該製氮裝置被排放到外部的富氧液化空氣(流量：約60Nm3/hr)生產氧氣。還可能的是生產氮氣而不從該系統釋放冷源。
4. 使用製氧系統的氧氣的生產
以下詳細地描述了利用該製氧系統1000的製氧方法。
將由空氣供應裝置(空氣壓縮機198和空氣純化系統199)加壓的空氣(原料)的一部分(約704Nm3/hr)通過該分支點(T)和管20引入至空氣壓縮裝置200內。將該空氣藉由該空氣壓縮裝置200加壓至約23Bar A，引入至該熱交換器(G)內，並且經受與逆流流體的間接熱交換。該加壓空氣因此被冷卻至約-163℃，並且使其通過閥(H)經受自由膨脹至約9.363Bar A。將該被冷卻至約-168℃的加壓空氣通過管(第十四流動通道21)引入至該容器(A)內。
將從該再循環空氣壓縮機300(第一加壓裝置)排出的該再循環空氣(壓力：約9.4Bar A，流量：約2,718Nm3/hr)通過第十一流動通道30引入至該熱交換器(G)內，並且藉由與逆流流體的間接熱交換冷卻至約-163℃。通過管(第十二流動通道31)將該冷卻的再循環空氣引入至該容器(A)內。
將該富氧液化空氣(壓力：約4.3Bar A，溫度：約-172℃，流量：約910Nm3/hr)從該第二冷凝器-蒸發器段102排出，並且通過管(第三流動通道32)引入至該製氧裝置的精餾塔(C)的中間階段內。
該精餾塔(C)的底部和該容器(A)的頂部部分通過該冷凝器-蒸發器(B)熱連接，並且使該容器(A)的頂部部分中存在的氣體和該精餾塔(C)的底部存在的液態氧經受熱交換。更確切地說，供應該加壓空氣(約704Nm3/hr)和該再循環空氣(約2,718Nm3/hr)作為熱源用於該冷凝器-蒸發器(B)。該加壓空氣和該再循環空氣被用於汽化該冷凝器-蒸發器(B)的底部存在的液體(液態氧)。液化該加壓空氣和該再循環空氣以生產高壓液化空氣(約3,422Nm3/hr)。
將該高壓液化空氣(約3,422Nm3/hr)通過管(第一流動通道22)從該容器(A)的下部部分排出，通過管(第二流動通道24)供應到該精餾塔(C)的上部部分作為回流液體(約986Nm3/hr)，或者通過管(第四流動通道23)引入至該製氮裝置的第一冷凝器-蒸發器段101內作為冷源(對應於從該製氮裝置供應給該製氧裝置的富氧液化空氣)(約910Nm3/hr)，或者通過管(第六流動通道25)供應給該氧氣液化器(D)作為冷源(約1,526Nm3/hr)。
通過該管(第二流動通道24)供應的該回流液體以及通過該管(第三流動通道32)引入的該富氧液化空氣向下流過該精餾塔(C)，並且與從該精餾塔(C)的底部向上移動的蒸汽接觸(即，精餾)以在該精餾塔(C)的底部生產液態氧。通過管(第五流動通道33)從一個位置從該精餾塔(C)排出該氧氣(壓力：約3.1Bar A，甲烷濃度：25ppm或更少，流量：約500Nm3/hr)，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內，並且從該精餾塔(C)的底部去除該防止濃縮的液體(例如，烴)(約60Nm3/hr)(在該等附圖中未示出)。通過管(第八流動通道27)從該精餾塔(C)的頂部排出該再循環空氣(壓力：約3.1Bar A，溫度：約-179.4℃，流量：約2,076Nm3/hr)。
將該氧氣(約500Nm3/hr)引入至該氧氣液化器(D)中提供的該氧氣冷凝器(E)內，並且經受與該液化空氣的間接熱交換以生產高純度的液態氧(壓力：約3.1Bar A，流量：約500Nm3/hr)，該液態氧通過管(第七流動通道34)排出。通過管(第九流動通道26)從該氧氣液化器(D)的頂部排出該廢氣(空氣)(壓力：約5.7Bar A，流量：約787Nm3/hr)。
將通過與該精餾塔(C)的頂部連接的管(第八流動通道27)排出的該再循環空氣與通過與該氧氣液化器(D)的頂部連接的管(第九流動通道26)排出的該廢氣結合以形成低溫再循環空氣流(壓力：約3.1Bar A，溫度：約-175℃，流量：約2,863Nm3/hr)。將該低溫再循環空氣在該熱交換器(G)內由於該逆流加壓空氣和該壓縮的再循環空氣加熱至室溫，通過管(第十流動通道28)從該熱交換器(G)排出，通過管(廢氣排放管線29)排出到該系統的外部(約145Nm3/hr)，並且如以上描述的壓縮且冷卻。
將所產生的高純度液態氧(約500Nm3/hr)通過管(第七流動通道34)排出，例如使用低溫泵350(第二加壓裝置)加壓至5.0至9.8Bar A，通過管(第十三流動通道35)引入至該熱交換器(G)內，通過與逆流流體的間接熱交換加熱至室溫，並且通過管(第十五流動通道36)排出作為產物氧氣。
當所希望的是儲存該液態氧時，在使用該第二加壓裝置350對該高純度的液態氧施加壓力之前，可以將該高純度液態氧的一部分轉移至儲存裝置(例如，槽)中。
因此將根據本發明的一個具體實例的製氧系統1000配置為使得該製氧裝置可以與現有製氮裝置結合以便高度有效地與該現有製氮裝置一起起作用。
注意基於以上值在使用該製氧系統1000產生的高純度氧氣中的甲烷濃度被計算為是25ppm或更少。確切地說，可以使用該製氧系統1000生產在半導體工業等的領域中所要求的高純度氧氣。
本發明不限於以上具體實例。在不背離本發明範圍的情況下 可以做出各種修改和變化。例如，本發明包括多種其他配置，該等其他配置與關於以上具體實例所描述的配置實質上是相同(例如，具有相同的功能、方法、以及結果的配置，或者具有相同的目的和結果的配置)。本發明還包括一種配置，其中關於以上具體實例所描述的非本質部分(元件)被另一個部分(元件)替代。本發明還包括具有與關於以上具體實例所描述的配置的作用相同作用的配置，或者能夠實現與關於以上具體實例所描述的配置的目的相同目的的配置。本發明進一步包括一種配置，其中向該等關於以上具體實例所描述的配置增加已知技術。
1:壓縮機
2:壓縮機
3:壓縮機
21:第十四流動通道
22:第一流動通道
23:第四流動通道
24:第二流動通道
25:第六流動通道
26:第九流動通道
27:第八流動通道
28:第十流動通道
29:廢氣排放管線
30:第十一流動通道
31:第十二流動通道
32:第三流動通道
33:第五流動通道
34:第七流動通道
35:第十三流動通道
198:空氣壓縮機
199:空氣純化系統
200:空氣壓縮機
300:再循環空氣壓縮機(第一加壓裝置)
350:低溫泵(第二加壓裝置)
1000:製氧系統
A:容器
B:冷凝器-蒸發器
C:精餾塔
D:氧氣液化器
E:氧氣冷凝器
F:製氮裝置
G:熱交換器
H:膨脹閥
[圖1]圖1係示出根據本發明的製氮裝置與製氧裝置之間的關係之概要示意圖。
[圖2]圖2係示出根據本發明的製氧裝置的供應裝置的第一配置實例之示意圖。
[圖3]圖3係示出根據本發明的製氮裝置之特定實例並且示出該第一配置實例的細節之示意圖。
[圖4]圖4係示出結合已知製氮裝置提供的製氧裝置的配置實例之示意圖。
1‧‧‧壓縮機
2‧‧‧壓縮機
3‧‧‧壓縮機
1000‧‧‧製氧系統

Claims (12)

  1. 一種製氧系統，包括製氮裝置和製氧裝置，該製氧裝置包括：將冷卻的加壓空氣引入其中的容器(A)；以及精餾塔(C)，該精餾塔包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸發器(B)，該製氧系統包括：第一流動通道，該第一流動通道排出儲存在該容器(A)的底部的液體；第二流動通道，該第二流動通道將通過該第一流動通道排出的液體的一部分引入至該精餾塔(C)的上部部分內；第三流動通道，該第三流動通道從該製氮裝置排出富氧液化空氣的至少一部分、並且將該富氧液化空氣引入至該精餾塔(C)的中間階段內；第四流動通道，該第四流動通道從該第一流動通道分出、並且將該液體的至少一部分引入至該製氮裝置內作為冷源；以及第五流動通道，該第五流動通道從一個位置排出由於由該液化空氣產生的冷凝熱已經在該冷凝器-蒸發器(B)內汽化的氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製氧系統，進一步包括：液化該汽化的氧氣的氧氣液化器(D)；第六流動通道，該第六流動通道從該第一流動通道分出、並且將該 液體的至少一部分引入至該氧氣液化器(D)內作為冷源；氧氣冷凝器(E)，該氧氣冷凝器被提供在該氧氣液化器(D)中、並且通過該第五流動通道接收該汽化的氧氣；以及第七流動通道，該第七流動通道排出在該氧氣冷凝器(E)內產生的液態氧。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之製氧系統，進一步包括：第八流動通道，該第八流動通道從該精餾塔(C)的上部部分排出廢氣；以及第九流動通道，該第九流動通道從該氧氣液化器(D)的上部部分排出該已經被汽化的液體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之製氧系統，進一步包括：該第八流動通道和該第九流動通道合併入其中的第十流動通道；加熱混合氣體的熱交換器(G)，該混合氣體流過該第十流動通道並且包括該廢氣和該已經被汽化的液體；以及第一加壓裝置，通過該第十流動通道將該已經被加熱的混合氣體引入至該第一加壓裝置內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製氧系統，進一步包括：第十一流動通道，該第十一流動通道將已經被該第一加壓裝置加壓的該混合氣體引入至該熱交換器(G)內；以及第十二流動通道，該第十二流動通道將該已經在該熱交換器(G)內被冷卻的混合氣體引入至該容器(A)內。
  6. 如申請專利範圍第4或5項所述之製氧系統，進一步包括： 第二加壓裝置，通過該第七流動通道將該液態氧引入至該第二加壓裝置內；第十三流動通道，該第十三流動通道將已經被該第二加壓裝置加壓的該液態氧引入至該熱交換器(G)內；以及第十五流動通道，該第十五流動通道排出已經在該熱交換器(G)內被加熱且汽化的氧氣。
  7. 一種製氧方法，該製氧方法利用與製氮裝置組合的製氧裝置，該製氧裝置包括將冷卻的加壓空氣引入其中的容器(A)、以及包括在其下部部分中提供的冷凝器-蒸發器(B)的精餾塔(C)，該製氧方法包括：通過第一流動通道排出儲存在該容器(A)的底部的液體；通過第二流動通道將該排出的液體的一部分引入至該精餾塔(C)的上部部分內；通過第三流動通道從該製氮裝置排出富氧液化空氣的至少一部分至該精餾塔(C)的中間階段內；通過第四流動通道將該液體的至少一部分引入至該製氮裝置內作為冷源；並且通過第五流動通道從一個位置排出由於由該液化空氣產生的冷凝熱已經在該冷凝器-蒸發器(B)內汽化的氧氣，在該位置處從該精餾塔(C)的底部的理論塔板數係在5至10的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之製氧方法，其中該製氧裝置包括氧氣液化器(D)和氧氣冷凝器(E)，該製氧方法進一步包括： 通過第六流動通道將該液體的至少一部分引入至該氧氣液化器(D)內作為冷源；通過該第五流動通道將該汽化的氧氣引入至該氧氣冷凝器(E)內；並且通過第七流動通道排出該氧氣冷凝器(E)內產生的液態氧。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之製氧方法，進一步包括：通過第八流動通道從該精餾塔(C)的上部部分排出廢氣；並且通過第九流動通道從該氧氣液化器(D)的上部部分排出該已經被汽化的液體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之製氧方法，其中該製氧裝置進一步包括熱交換器(G)和第一加壓裝置，該製氧方法進一步包括：在該熱交換器(G)內加熱混合氣體，該混合氣體流過第十流動通道並且包括該廢氣和該已經被汽化的液體，該第十流動通道係該第八流動通道和該第九流動通道合併入其中的流動通道；並且通過該第十流動通道將該已經被加熱的混合氣體引入至該第一加壓裝置內。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製氧方法，進一步包括：通過第十一流動通道將已經被該第一加壓裝置加壓的該混合氣體引入至該熱交換器(G)內，並且在該熱交換器(G)內冷卻該混合氣體；並且通過第十二流動通道將該已經在該熱交換器(G)內被冷卻的混合 氣體引入至該容器(A)內。
  12. 如申請專利範圍第10或11項所述之製氧方法，其中該製氧裝置包括第二加壓裝置，該製氧方法進一步包括：通過該第七流動通道將該液態氧引入至該第二加壓裝置內；通過第十三流動通道將已經被該第二加壓裝置加壓的該液態氧引入至該熱交換器(G)內；並且通過第十五流動通道排出已經在該熱交換器(G)內被加熱且汽化的氧氣。
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