專利名稱：低溫間接氧氣壓縮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及壓縮氧氣的生產(chǎn)，更具體地說，涉及由低壓氧氣生產(chǎn)壓縮氧氣。
與其它大氣氣體的壓縮費(fèi)用相比，壓縮氣態(tài)氧來生產(chǎn)壓縮氧氣非常昂貴。能源的消耗和壓縮設(shè)備的初始投資費(fèi)用比較高。這種高成本是由于氣態(tài)氧的活性所致。氧氣壓縮機(jī)的機(jī)械公差比氮?dú)饣蚩諝鈮嚎s機(jī)要寬松得多從而減少在所述機(jī)器內(nèi)的摩擦(導(dǎo)致燃燒)危險(xiǎn)。這些較大的公差或間隙導(dǎo)致壓縮機(jī)效率的顯著降低，其數(shù)量級為6-10％。這種低效率要求壓縮機(jī)具有較高的功率。
當(dāng)通過空氣的低溫分離來生產(chǎn)氧氣時(shí)，壓縮氧氣生產(chǎn)中的高成本問題不是很突出，因?yàn)樗鲅鯕饪梢愿邏簹怏w的形式直接從塔中得到回收，或可以液體的形式從塔提取出來，加壓然后蒸發(fā)。然而，當(dāng)通過非低溫的空氣分離法如真空變壓吸附來生產(chǎn)氧氣時(shí)，它們并非權(quán)宜之計(jì)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員已經(jīng)提出通過對氧氣壓縮機(jī)進(jìn)行小的、漸進(jìn)的改進(jìn)來解決這個(gè)問題。人們已經(jīng)取得對離心蒸氣機(jī)的漸進(jìn)改進(jìn)，但收獲不大。正壓排代機(jī)器(positive displacement machine)已用采取代離心蒸氣機(jī)，盡管它們的初始投資費(fèi)用較低，但因?yàn)槟芰肯脑黾?，且維持費(fèi)用較高，因此這些機(jī)器的生命周期的費(fèi)用較高?？傊?，這些年來，這些機(jī)器的改進(jìn)只是漸進(jìn)的，沒有實(shí)質(zhì)性的變化。
在非低溫氧氣裝置如真空變壓吸附裝置的運(yùn)行中，氧氣壓縮機(jī)的費(fèi)用在裝置的所有投資費(fèi)用和能耗中占據(jù)相當(dāng)比例。如果能夠顯著降低壓縮氧氣的費(fèi)用，那么可以大大降低非低溫氧氣生產(chǎn)裝置的總費(fèi)用。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用來生產(chǎn)壓縮氧氣的改進(jìn)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供由低壓氧氣生產(chǎn)壓縮氧氣的系統(tǒng)(無需使用氧氣壓縮機(jī))。
通過閱讀本公開后，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的上述及其它目的可通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，其一個(gè)方面為生產(chǎn)壓縮氧氣的方法，它包括(A)通過與蒸發(fā)的多組分制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換冷凝低壓氧氣，從而生產(chǎn)低壓液氧并蒸發(fā)多組分制冷劑流體；(B)泵入至少一些低壓液氧來生產(chǎn)壓縮液氧，并壓縮汽化的多組分制冷劑流體從而生成更高壓力的多組分制冷劑流體；和(C)通過與冷凝較高壓力的多組分制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換，使至少一些壓縮液氧蒸發(fā)，從而生成冷凝的較高壓力的多組分制冷劑流體和壓縮氧氣。
本發(fā)明的另一個(gè)方面為用來生產(chǎn)壓縮氧氣的裝置，它包括(A)換熱器，將氧氣加入換熱器的裝置，液泵，使氧氣從換熱器進(jìn)入液泵的裝置，以及使液氧從液泵進(jìn)入換熱器的裝置；(B)壓縮機(jī)，使多組分制冷劑流體從換熱器進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置，以及使多組分制冷劑流體從壓縮機(jī)進(jìn)入換熱器的裝置；和(C)用來從換熱器回收產(chǎn)物壓縮氧氣的裝置。
此處所用術(shù)語“塔”是指蒸餾或分餾塔或段，即接觸的塔或段，其中液相與汽相逆流接觸從而完成流體混合物的分離，例如，通過在安裝在所述塔內(nèi)的一系列垂直排布的塔盤或板和/或填充元件如規(guī)整或無規(guī)填料，使汽相和液相接觸。對蒸餾塔的進(jìn)一步討論，參見化學(xué)工程師手冊，第五版，著者R.H.Perry和C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,New York,第13章，連續(xù)蒸餾法。
汽液接觸分離法取決于各組分的氣壓差。蒸氣壓高的(或更易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組分將濃縮在汽相中，而蒸氣壓低的(或不易揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分將濃縮在液相中。部分冷凝是一種分離法，其中冷卻蒸汽混合物可以用來濃縮汽相中的揮發(fā)性組分以及液相中的難揮發(fā)組分。精餾，或連續(xù)蒸餾，為結(jié)合由汽相與液相逆流處理的依次的部分蒸發(fā)和冷凝的分離方法。汽相與液相的逆流接觸通常是絕熱的，并且可以包括兩相間的積分(statewise)或微分(連續(xù))接觸。利用精餾的原理來分離混合物的分離過程設(shè)備通常可互換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾為一種精餾法，至少部分在或低于150K的溫度下進(jìn)行。
此處所用術(shù)語“間接熱交換”是指將兩種流體在沒有任何物理接觸或兩種流體相互混合的條件下進(jìn)行熱交換。
此處所用術(shù)語“氧氣”是指氧濃度至少為30％(摩爾)、優(yōu)選至少為90％(摩爾)的氣體。
此處所用術(shù)語“液氧”是指氧濃度至少為30％(摩爾)、優(yōu)選至少為90％(摩爾)的液體。
此處所用術(shù)語“頂部冷凝器”是指一種換熱設(shè)備，產(chǎn)生來自塔蒸汽的下行液體。
此處所用術(shù)語“底部再沸器”是指一種換熱設(shè)備，產(chǎn)生來自塔液體的上行蒸汽。
此處所用術(shù)語“可變負(fù)荷致冷劑”是指多組分流體，即兩種或更多種組分的混合物，其比例使得這些組分的液相在所述混合物的泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間進(jìn)行連續(xù)的并且遞增的溫度變化。所述混合物的泡點(diǎn)是在一給定壓力下的一個(gè)溫度，其中所述混合物全部處于液相，但加熱將引發(fā)產(chǎn)生與液相相平衡的蒸汽相。所述混合物的露點(diǎn)是在一定壓力下的一個(gè)溫度，其中所述混合物全部處于汽相，但抽取熱量將引發(fā)產(chǎn)生與汽相相平衡的液相。因此，所述混合物的泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間的溫度區(qū)是指其中液相與汽相以平衡形式共存的區(qū)域。在本發(fā)明的實(shí)施中，多組分致冷劑流體的泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間的溫度差為至少10°K，優(yōu)選為至少20°K，最優(yōu)選為至少50°K。
此處所用術(shù)語“大氣氣體”是指下面的一種氮(N2)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、氫(H2)和氦(He)。
此處所用術(shù)語“碳氟化合物”是指含有至少一個(gè)氟原子和至少一個(gè)碳原子的化合物。


圖1圖示本發(fā)明的一個(gè)尤其優(yōu)選的實(shí)施方案，其中一些液氧在低溫精餾塔中被進(jìn)一步處理從而產(chǎn)生更高純度的氧。
圖2圖示本發(fā)明的另一個(gè)尤其優(yōu)選的實(shí)施方案，其中一些液氧在低溫精餾塔中被進(jìn)一步處理，所述精餾塔通過與多組分致冷劑流體循環(huán)相連的熱泵循環(huán)所驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明將參照所述圖進(jìn)行詳細(xì)描述。參照圖1，通常絕對壓力為14.7-25英磅1平方英寸(psia)的低壓氧氣10，進(jìn)入換熱器60的熱端。在圖1所示的實(shí)施方案中，換熱器60顯示為單個(gè)元件。然而應(yīng)理解為用于本發(fā)明實(shí)施中的換熱器可以包括兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立的元件。流體10中的低壓氧氣通常為來自空氣吸附分離系統(tǒng)如真空變壓吸附系統(tǒng)的輸出產(chǎn)物，并且氧氣濃度通常為85-95％(摩爾)，剩余部分主要由氬所組成。低壓氧氣10還可以為來自低溫空氣分離裝置的低純氧的輸出產(chǎn)物。
首先冷卻流體10中的低壓氧氣，然后在換熱器60中通過間接熱交換進(jìn)行冷凝(以下將作詳細(xì)描述)。得到的低壓液氧以流體11的形式從換熱器60的冷端排出，并且流體11中的一部分13通過液泵14，其中對其進(jìn)行加壓，通常為100-1000psia，更典型地為100-250psia。如果需要，來自液泵14的所得壓縮液氧15中的一部分18可以液氧的形式得到回收，它通常用來貯存。壓縮液氧的殘余物16進(jìn)入換熱器60的冷端。在換熱器60中，通過間接熱交換(以下將作更完整的描述)使壓縮液氧蒸發(fā)，導(dǎo)致壓縮氧氣的生成，所述氧氣以流體17的形式從換熱器60的熱端得到回收，其回收壓力通常為100-1000psia，更具體為100-250psia。
盡管冷凝流體10和蒸汽流體16的熱負(fù)荷大致相同，但流體10冷凝和流體16沸騰的溫度位不同。由于流體10的壓力較低，流體10的冷凝溫度明顯低于流體16的沸騰溫度。為了能夠冷凝流體10，必須在稍低于流體10的溫度下沸騰液流，并且為了能夠蒸發(fā)流體16，必須在稍高于流體16的溫度下冷凝蒸汽流體。這兩項(xiàng)功能均由一種流體提供，稱為提供在所需溫度下沸騰和冷凝流體的多組分致冷劑流體。
使流體30中的較高壓力的多組分致冷劑流體進(jìn)入一定壓力的換熱器60的熱端，其組成使得流體30的露點(diǎn)比流體16中的壓縮液氧的泡點(diǎn)高幾度。這使得流體16中的壓縮液氧通過與流體30中的壓縮的多組分致冷劑流體進(jìn)行的間接熱交換進(jìn)行沸騰或蒸發(fā)。得到冷凝的較高壓力的多組分致冷劑流體由換熱器60的冷端以流體31的形式得到回收，并通過閥32閃蒸為較低壓力從而形成主要為液體的流體33。設(shè)置流體33的壓力，使其泡點(diǎn)稍低于流體10中的低壓氧氣的露點(diǎn)。這使得流體33中的多組分致冷劑流體在合適的溫度下沸騰或蒸發(fā)，使得流體10中的低壓氧氣冷凝形成流體11。得到蒸發(fā)的多組分致冷劑流體從換熱器60的熱端以流體34的形式得到回收，并進(jìn)入壓縮機(jī)35，其中使其壓力增大至前述要求的壓力值。通過冷卻器37冷卻得到的較高壓力的多組分致冷劑流體36的壓縮熱量，從而形成前述較高壓力的多組分致冷劑流體30并重新循環(huán)。
表1表示根據(jù)如圖1所示實(shí)施方案的本發(fā)明的一個(gè)示意性實(shí)施例，但沒有使用下游的低溫精餾塔。也就是說，將流體11全部通過液泵，除了如表1所述的流體外，沒有其它流體經(jīng)過換熱器60。表1中流體數(shù)對應(yīng)圖1，并且所述組成以摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)。
表1
由于需要流體34的壓力大于大氣壓，對多組分致冷劑流體各組分的選擇在決定這種流體的泡點(diǎn)時(shí)顯得重要。一旦選定所述各種組分，可以隨后設(shè)定流體30的壓力，使得這種流體的露點(diǎn)稍高于流體16的泡點(diǎn)。設(shè)定多組分致冷劑流體的流速，使得冷凝和沸騰流體的熱負(fù)荷滿足氧氣流體的沸騰和冷凝的需要。
優(yōu)選地用于本發(fā)明實(shí)施的多組分致冷劑流體為可變負(fù)荷致冷劑，它含有至少一種大氣氣體和至少一種碳氟化合物。最優(yōu)選地多組分致冷劑流體含有至少兩種大氣氣體和/或至少兩種碳氟化合物。最優(yōu)選地，多組分致冷劑流體含有氮和氬和至少一種具有至少3個(gè)碳原子的碳氟化合物。最優(yōu)選地，所述多組分致冷劑流體含有20-80％(摩爾)的氬和10-70％(摩爾)的氮。最優(yōu)選地，所述多組分致冷劑流體含有不大于15％(摩爾)的碳氟化合物。
表2-10列出用于本發(fā)明實(shí)施中的多組分致冷劑流體的一些尤其優(yōu)選的實(shí)施方案。所述各組分的濃度范圍以摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)。
表2組分 濃度范圍C5F121-15C4F100-10C3F81-15C2F60-10CF40-10O20-20Ar 20-80N210-70表3組分 濃度范圍C3H3F51-15C2H2F40-10C3F81-15CHF30-10CF40-10O20-20Ar 20-80N210-70表4組分 濃度范圍C3H3F51-15C2H2F40-10C2HF51-15CHF30-10O20-20Ar 20-80N210-70
表5組分 濃度范圍C2HCl2F31-15C2HClF40-10C2HF51-15CHF30-10O20-20Ar 20-80N210-70表6組分濃度范圍C2HCl2F31-15C2HClF40-10C3F81-15C2F60-10CF40-10O20-20Ar20-80N210-70表7組分 濃度范圍C2HCl2F31-15C2HClF40-10C3F81-15CHF31-10CF40-10O20-20Ar 20-80N210-70
表8組分 濃度范圍CHF2-O-C2HF51-15CF3-O-C3F31-10CF3-O-CF30-10O20-20Ar 20-80N210-70表9組分濃度范圍CHF2-O-C2HF51-15C2HF51-10CF3-O-CF30-10O20-20Ar20-80N210-70表10組分濃度范圍CHF2-O-C2HF51-15C4F100-10C2HF51-15CHF30-10CF41-10O20-20Ar20-80N210-70如上所述，圖1說明了本發(fā)明的一個(gè)尤其優(yōu)選的實(shí)施方案。由于本發(fā)明的一個(gè)基礎(chǔ)涉及氧氣的液化，這種液氧的一部分可以方便地在低溫精餾塔中進(jìn)行處理從而生成高純度氧氣，即氧氣濃度超過提供到本系統(tǒng)的低壓氧氣的流體。
現(xiàn)在再參照圖1，將液氧流體11的一部分12通過低溫精餾塔61，所述塔的操作壓力通常為14.7-25psia。在塔61中，提供到該塔的液氧在所述塔61內(nèi)通過低溫精餾分離成為高純度氧和廢物流體。廢物流體的一部分在頂部冷凝器63中冷凝從而形成塔回流物。所述廢物流體的另一部分以蒸汽流體50的形式從塔61的上部得到回收，通過換熱器60進(jìn)行加熱，并以流體51的形式從所述系統(tǒng)排出。高純度氧的一部分在底部再沸器62中沸騰從而形成塔的上行蒸汽。所述高純度氧的另一部分從塔61的較低部位以流體20的形式得到回收，并在液泵21中泵成較高壓力從而形成高壓流體22。如果需要，流體22的一部分25可以高純度液氧的形式得到回收。通過換熱器60使剩余的高壓高純度液氧23蒸發(fā)并以高純度氧氣的形式得到回收。通常所述高純度氧氣流體中的氧氣濃度為至少99.5％(摩爾)。
低溫精餾塔61由含有頂部冷凝器63和底部再沸器62的、使用循環(huán)熱泵流體的熱泵循環(huán)驅(qū)動(dòng)，所述熱泵流體可以為純組分如氮或可以為多組分致冷劑流體如上面所述的用于氧氣壓縮循環(huán)的流體。壓縮流體48通過換熱器60冷卻壓縮熱量從而生成流體41。設(shè)定流體40的壓力，使流體40的露點(diǎn)溫度稍高于塔61底部液體的泡點(diǎn)溫度。這使得流體41在再沸器62中冷凝同時(shí)提供所述塔沸騰所需的熱負(fù)荷。冷凝的流體42隨后通過節(jié)流閥43減壓從而形成流體44，設(shè)定流體44的壓力使流體44的泡點(diǎn)稍低于塔61頂部餾出物的露點(diǎn)。隨后蒸汽流45在換熱器60中被加熱并將得到的流體46加入壓縮機(jī)47使其壓力達(dá)到流體40的所需值。
圖2說明本發(fā)明的另一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案，它與圖1所示的實(shí)施方案相似，只是用于生產(chǎn)壓縮氧氣的多組分致冷劑流體還用作熱泵流體來驅(qū)動(dòng)低溫精餾塔。對于相同元件，圖2的數(shù)字與圖1的數(shù)字相同，并且不再對這些普通元件進(jìn)行詳細(xì)描述。
現(xiàn)在參照圖2，在換熱器30中，多組分致冷劑流體30多數(shù)被冷凝，并且得到的流體31通過底部再沸器62，其中流體31中未冷凝的部分被冷凝，從而提供用于塔61沸騰所需的熱負(fù)荷。流體52中得到的多組分液態(tài)流體通過閥53節(jié)流，并隨后以流體54的形式進(jìn)入頂部冷凝器63，其中流體54的一部分被蒸發(fā)從而提供塔61產(chǎn)生回流所需的熱負(fù)荷。在流體55中，得到的主要為液態(tài)、低壓多組分流體隨后進(jìn)入換熱器60，其中它被蒸發(fā)使低壓氧氣冷凝。在流體34中，得到的蒸發(fā)的多組分致冷劑流體進(jìn)入壓縮機(jī)35并如上所述進(jìn)行處理。
通過使用本發(fā)明，可以有效并且高效地由低壓氧氣來生產(chǎn)壓縮氧氣，而不需要對氧氣進(jìn)行壓縮。盡管參照某些尤其優(yōu)選的實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，在所述權(quán)利要求的精神實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)，本發(fā)明還有其它的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1．生產(chǎn)壓縮氧氣的方法，包含(A)通過與蒸發(fā)的多組分制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換冷凝低壓氧氣，從而生產(chǎn)低壓液氧并蒸發(fā)多組分制冷劑流體；(B)泵入至少一些低壓液氧來生產(chǎn)壓縮液氧，并壓縮汽化的多組分制冷劑流體從而生成更高壓力的多組分制冷劑流體；和(C)通過與冷凝較高壓力的多組分制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換，使至少一些壓縮液氧蒸發(fā)，從而生成冷凝的較高壓力的多組分制冷劑流體和壓縮氧氣。
2．權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括將液氧的一部分加入低溫精餾塔，在低溫精餾塔中通過低溫精餾生產(chǎn)高純氧，并從所述低溫精餾塔的較低部位回收高純氧。
3．權(quán)利要求2的方法，其中通過與熱泵流體進(jìn)行間接熱交換，由冷凝塔蒸汽來提供低溫精餾塔的回流液，并且通過與所述熱泵流體進(jìn)行間接熱交換，由蒸發(fā)塔液體來提供低溫精餾塔的上行蒸汽。
4．權(quán)利要求3的方法，其中熱泵流體為所述的多組分致冷劑流體。
5．權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑流體為可變負(fù)荷致冷劑并且包含氮和氬。
6．生產(chǎn)壓縮氧氣的裝置，包括(A)換熱器，將氧氣加入換熱器的裝置，液泵，使氧氣從換熱器進(jìn)入液泵的裝置，以及使液氧從液泵進(jìn)入換熱器的裝置；(B)壓縮機(jī)，使多組分制冷劑流體從換熱器進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置，以及使多組分制冷劑流體從壓縮機(jī)進(jìn)入換熱器的裝置；和(C)用來從換熱器回收產(chǎn)物壓縮氧氣的裝置。
7．權(quán)利要求6的裝置，進(jìn)一步包括低溫精餾塔、使液氧從換熱器進(jìn)入低溫精餾塔的裝置，以及從低溫精餾塔的較低部位回收產(chǎn)物的裝置。
8．權(quán)利要求7的裝置，其中低溫精餾塔包括頂部冷凝器和底部再沸器，并進(jìn)一步包括含有使熱泵流體從換熱器進(jìn)入底部再沸器、從底部再沸器進(jìn)入頂部冷凝器和從頂部冷凝器返回?fù)Q熱器的裝置的熱泵循環(huán)。
9．權(quán)利要求8的裝置，其中熱泵循環(huán)輸送流體，其裝置使多組分致冷劑從換熱器進(jìn)入壓縮機(jī)并從壓縮機(jī)進(jìn)入換熱器。
10．權(quán)利要求6的裝置，其中換熱器為單個(gè)元件。
全文摘要
無需使用氧氣壓縮機(jī)由低壓氧氣生產(chǎn)壓縮氧氣的系統(tǒng),其中低壓氧氣通過與多組分致冷劑流體進(jìn)行間接熱量交換得以冷凝,通過液泵,隨后與相同的多組分致冷劑流體逆流進(jìn)行蒸發(fā)。
文檔編號F25J3/08GK1302993SQ0013377
公開日2001年7月11日 申請日期2000年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月29日
發(fā)明者K·W·馬霍尼, D·P·波納奎斯特, W·J·奧爾謝夫斯基 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司