专利名称：低温间接氧气压缩系统的利记博彩app
技术领域：
本发明一般涉及压缩氧气的生产，更具体地说，涉及由低压氧气生产压缩氧气。
与其它大气气体的压缩费用相比，压缩气态氧来生产压缩氧气非常昂贵。能源的消耗和压缩设备的初始投资费用比较高。这种高成本是由于气态氧的活性所致。氧气压缩机的机械公差比氮气或空气压缩机要宽松得多从而减少在所述机器内的摩擦(导致燃烧)危险。这些较大的公差或间隙导致压缩机效率的显著降低，其数量级为6-10％。这种低效率要求压缩机具有较高的功率。
当通过空气的低温分离来生产氧气时，压缩氧气生产中的高成本问题不是很突出，因为所述氧气可以高压气体的形式直接从塔中得到回收，或可以液体的形式从塔提取出来，加压然后蒸发。然而，当通过非低温的空气分离法如真空变压吸附来生产氧气时，它们并非权宜之计。
本领域的技术人员已经提出通过对氧气压缩机进行小的、渐进的改进来解决这个问题。人们已经取得对离心蒸气机的渐进改进，但收获不大。正压排代机器(positive displacement machine)已用采取代离心蒸气机，尽管它们的初始投资费用较低，但因为能量消耗增加，且维持费用较高，因此这些机器的生命周期的费用较高。总之，这些年来，这些机器的改进只是渐进的，没有实质性的变化。
在非低温氧气装置如真空变压吸附装置的运行中，氧气压缩机的费用在装置的所有投资费用和能耗中占据相当比例。如果能够显著降低压缩氧气的费用，那么可以大大降低非低温氧气生产装置的总费用。
因此，本发明的一个目的是提供用来生产压缩氧气的改进系统。
本发明的另一个目的是提供由低压氧气生产压缩氧气的系统(无需使用氧气压缩机)。
通过阅读本公开后，对于本领域的技术人员而言显而易见的上述及其它目的可通过本发明实现，其一个方面为生产压缩氧气的方法，它包括(A)通过与蒸发的多组分制冷剂流体进行间接热交换冷凝低压氧气，从而生产低压液氧并蒸发多组分制冷剂流体；(B)泵入至少一些低压液氧来生产压缩液氧，并压缩汽化的多组分制冷剂流体从而生成更高压力的多组分制冷剂流体；和(C)通过与冷凝较高压力的多组分制冷剂流体进行间接热交换，使至少一些压缩液氧蒸发，从而生成冷凝的较高压力的多组分制冷剂流体和压缩氧气。
本发明的另一个方面为用来生产压缩氧气的装置，它包括(A)换热器，将氧气加入换热器的装置，液泵，使氧气从换热器进入液泵的装置，以及使液氧从液泵进入换热器的装置；(B)压缩机，使多组分制冷剂流体从换热器进入压缩机的装置，以及使多组分制冷剂流体从压缩机进入换热器的装置；和(C)用来从换热器回收产物压缩氧气的装置。
此处所用术语“塔”是指蒸馏或分馏塔或段，即接触的塔或段，其中液相与汽相逆流接触从而完成流体混合物的分离，例如，通过在安装在所述塔内的一系列垂直排布的塔盘或板和/或填充元件如规整或无规填料，使汽相和液相接触。对蒸馏塔的进一步讨论，参见化学工程师手册，第五版，著者R.H.Perry和C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,New York,第13章，连续蒸馏法。
汽液接触分离法取决于各组分的气压差。蒸气压高的(或更易挥发或低沸点)组分将浓缩在汽相中，而蒸气压低的(或不易挥发或高沸点)组分将浓缩在液相中。部分冷凝是一种分离法，其中冷却蒸汽混合物可以用来浓缩汽相中的挥发性组分以及液相中的难挥发组分。精馏，或连续蒸馏，为结合由汽相与液相逆流处理的依次的部分蒸发和冷凝的分离方法。汽相与液相的逆流接触通常是绝热的，并且可以包括两相间的积分(statewise)或微分(连续)接触。利用精馏的原理来分离混合物的分离过程设备通常可互换地称为精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏为一种精馏法，至少部分在或低于150K的温度下进行。
此处所用术语“间接热交换”是指将两种流体在没有任何物理接触或两种流体相互混合的条件下进行热交换。
此处所用术语“氧气”是指氧浓度至少为30％(摩尔)、优选至少为90％(摩尔)的气体。
此处所用术语“液氧”是指氧浓度至少为30％(摩尔)、优选至少为90％(摩尔)的液体。
此处所用术语“顶部冷凝器”是指一种换热设备，产生来自塔蒸汽的下行液体。
此处所用术语“底部再沸器”是指一种换热设备，产生来自塔液体的上行蒸汽。
此处所用术语“可变负荷致冷剂”是指多组分流体，即两种或更多种组分的混合物，其比例使得这些组分的液相在所述混合物的泡点和露点之间进行连续的并且递增的温度变化。所述混合物的泡点是在一给定压力下的一个温度，其中所述混合物全部处于液相，但加热将引发产生与液相相平衡的蒸汽相。所述混合物的露点是在一定压力下的一个温度，其中所述混合物全部处于汽相，但抽取热量将引发产生与汽相相平衡的液相。因此，所述混合物的泡点和露点之间的温度区是指其中液相与汽相以平衡形式共存的区域。在本发明的实施中，多组分致冷剂流体的泡点和露点之间的温度差为至少10°K，优选为至少20°K，最优选为至少50°K。
此处所用术语“大气气体”是指下面的一种氮(N2)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、氢(H2)和氦(He)。
此处所用术语“碳氟化合物”是指含有至少一个氟原子和至少一个碳原子的化合物。
图1图示本发明的一个尤其优选的实施方案，其中一些液氧在低温精馏塔中被进一步处理从而产生更高纯度的氧。
图2图示本发明的另一个尤其优选的实施方案，其中一些液氧在低温精馏塔中被进一步处理，所述精馏塔通过与多组分致冷剂流体循环相连的热泵循环所驱动。
本发明将参照所述图进行详细描述。参照图1，通常绝对压力为14.7-25英磅1平方英寸(psia)的低压氧气10，进入换热器60的热端。在图1所示的实施方案中，换热器60显示为单个元件。然而应理解为用于本发明实施中的换热器可以包括两个或更多个独立的元件。流体10中的低压氧气通常为来自空气吸附分离系统如真空变压吸附系统的输出产物，并且氧气浓度通常为85-95％(摩尔)，剩余部分主要由氩所组成。低压氧气10还可以为来自低温空气分离装置的低纯氧的输出产物。
首先冷却流体10中的低压氧气，然后在换热器60中通过间接热交换进行冷凝(以下将作详细描述)。得到的低压液氧以流体11的形式从换热器60的冷端排出，并且流体11中的一部分13通过液泵14，其中对其进行加压，通常为100-1000psia，更典型地为100-250psia。如果需要，来自液泵14的所得压缩液氧15中的一部分18可以液氧的形式得到回收，它通常用来贮存。压缩液氧的残余物16进入换热器60的冷端。在换热器60中，通过间接热交换(以下将作更完整的描述)使压缩液氧蒸发，导致压缩氧气的生成，所述氧气以流体17的形式从换热器60的热端得到回收，其回收压力通常为100-1000psia，更具体为100-250psia。
尽管冷凝流体10和蒸汽流体16的热负荷大致相同，但流体10冷凝和流体16沸腾的温度位不同。由于流体10的压力较低，流体10的冷凝温度明显低于流体16的沸腾温度。为了能够冷凝流体10，必须在稍低于流体10的温度下沸腾液流，并且为了能够蒸发流体16，必须在稍高于流体16的温度下冷凝蒸汽流体。这两项功能均由一种流体提供，称为提供在所需温度下沸腾和冷凝流体的多组分致冷剂流体。
使流体30中的较高压力的多组分致冷剂流体进入一定压力的换热器60的热端，其组成使得流体30的露点比流体16中的压缩液氧的泡点高几度。这使得流体16中的压缩液氧通过与流体30中的压缩的多组分致冷剂流体进行的间接热交换进行沸腾或蒸发。得到冷凝的较高压力的多组分致冷剂流体由换热器60的冷端以流体31的形式得到回收，并通过阀32闪蒸为较低压力从而形成主要为液体的流体33。设置流体33的压力，使其泡点稍低于流体10中的低压氧气的露点。这使得流体33中的多组分致冷剂流体在合适的温度下沸腾或蒸发，使得流体10中的低压氧气冷凝形成流体11。得到蒸发的多组分致冷剂流体从换热器60的热端以流体34的形式得到回收，并进入压缩机35，其中使其压力增大至前述要求的压力值。通过冷却器37冷却得到的较高压力的多组分致冷剂流体36的压缩热量，从而形成前述较高压力的多组分致冷剂流体30并重新循环。
表1表示根据如图1所示实施方案的本发明的一个示意性实施例，但没有使用下游的低温精馏塔。也就是说，将流体11全部通过液泵，除了如表1所述的流体外，没有其它流体经过换热器60。表1中流体数对应图1，并且所述组成以摩尔百分数计。
表1
由于需要流体34的压力大于大气压，对多组分致冷剂流体各组分的选择在决定这种流体的泡点时显得重要。一旦选定所述各种组分，可以随后设定流体30的压力，使得这种流体的露点稍高于流体16的泡点。设定多组分致冷剂流体的流速，使得冷凝和沸腾流体的热负荷满足氧气流体的沸腾和冷凝的需要。
优选地用于本发明实施的多组分致冷剂流体为可变负荷致冷剂，它含有至少一种大气气体和至少一种碳氟化合物。最优选地多组分致冷剂流体含有至少两种大气气体和/或至少两种碳氟化合物。最优选地，多组分致冷剂流体含有氮和氩和至少一种具有至少3个碳原子的碳氟化合物。最优选地，所述多组分致冷剂流体含有20-80％(摩尔)的氩和10-70％(摩尔)的氮。最优选地，所述多组分致冷剂流体含有不大于15％(摩尔)的碳氟化合物。
表2-10列出用于本发明实施中的多组分致冷剂流体的一些尤其优选的实施方案。所述各组分的浓度范围以摩尔百分数计。
表2组分 浓度范围C5F121-15C4F100-10C3F81-15C2F60-10CF40-10O20-20Ar 20-80N210-70表3组分 浓度范围C3H3F51-15C2H2F40-10C3F81-15CHF30-10CF40-10O20-20Ar 20-80N210-70表4组分 浓度范围C3H3F51-15C2H2F40-10C2HF51-15CHF30-10O20-20Ar 20-80N210-70
表5组分 浓度范围C2HCl2F31-15C2HClF40-10C2HF51-15CHF30-10O20-20Ar 20-80N210-70表6组分浓度范围C2HCl2F31-15C2HClF40-10C3F81-15C2F60-10CF40-10O20-20Ar20-80N210-70表7组分 浓度范围C2HCl2F31-15C2HClF40-10C3F81-15CHF31-10CF40-10O20-20Ar 20-80N210-70
表8组分 浓度范围CHF2-O-C2HF51-15CF3-O-C3F31-10CF3-O-CF30-10O20-20Ar 20-80N210-70表9组分浓度范围CHF2-O-C2HF51-15C2HF51-10CF3-O-CF30-10O20-20Ar20-80N210-70表10组分浓度范围CHF2-O-C2HF51-15C4F100-10C2HF51-15CHF30-10CF41-10O20-20Ar20-80N210-70如上所述，图1说明了本发明的一个尤其优选的实施方案。由于本发明的一个基础涉及氧气的液化，这种液氧的一部分可以方便地在低温精馏塔中进行处理从而生成高纯度氧气，即氧气浓度超过提供到本系统的低压氧气的流体。
现在再参照图1，将液氧流体11的一部分12通过低温精馏塔61，所述塔的操作压力通常为14.7-25psia。在塔61中，提供到该塔的液氧在所述塔61内通过低温精馏分离成为高纯度氧和废物流体。废物流体的一部分在顶部冷凝器63中冷凝从而形成塔回流物。所述废物流体的另一部分以蒸汽流体50的形式从塔61的上部得到回收，通过换热器60进行加热，并以流体51的形式从所述系统排出。高纯度氧的一部分在底部再沸器62中沸腾从而形成塔的上行蒸汽。所述高纯度氧的另一部分从塔61的较低部位以流体20的形式得到回收，并在液泵21中泵成较高压力从而形成高压流体22。如果需要，流体22的一部分25可以高纯度液氧的形式得到回收。通过换热器60使剩余的高压高纯度液氧23蒸发并以高纯度氧气的形式得到回收。通常所述高纯度氧气流体中的氧气浓度为至少99.5％(摩尔)。
低温精馏塔61由含有顶部冷凝器63和底部再沸器62的、使用循环热泵流体的热泵循环驱动，所述热泵流体可以为纯组分如氮或可以为多组分致冷剂流体如上面所述的用于氧气压缩循环的流体。压缩流体48通过换热器60冷却压缩热量从而生成流体41。设定流体40的压力，使流体40的露点温度稍高于塔61底部液体的泡点温度。这使得流体41在再沸器62中冷凝同时提供所述塔沸腾所需的热负荷。冷凝的流体42随后通过节流阀43减压从而形成流体44，设定流体44的压力使流体44的泡点稍低于塔61顶部馏出物的露点。随后蒸汽流45在换热器60中被加热并将得到的流体46加入压缩机47使其压力达到流体40的所需值。
图2说明本发明的另一个特别优选的实施方案，它与图1所示的实施方案相似，只是用于生产压缩氧气的多组分致冷剂流体还用作热泵流体来驱动低温精馏塔。对于相同元件，图2的数字与图1的数字相同，并且不再对这些普通元件进行详细描述。
现在参照图2，在换热器30中，多组分致冷剂流体30多数被冷凝，并且得到的流体31通过底部再沸器62，其中流体31中未冷凝的部分被冷凝，从而提供用于塔61沸腾所需的热负荷。流体52中得到的多组分液态流体通过阀53节流，并随后以流体54的形式进入顶部冷凝器63，其中流体54的一部分被蒸发从而提供塔61产生回流所需的热负荷。在流体55中，得到的主要为液态、低压多组分流体随后进入换热器60，其中它被蒸发使低压氧气冷凝。在流体34中，得到的蒸发的多组分致冷剂流体进入压缩机35并如上所述进行处理。
通过使用本发明，可以有效并且高效地由低压氧气来生产压缩氧气，而不需要对氧气进行压缩。尽管参照某些尤其优选的实施方案对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员应认识到，在所述权利要求的精神实质和范围内，本发明还有其它的实施方案。
权利要求
1．生产压缩氧气的方法，包含(A)通过与蒸发的多组分制冷剂流体进行间接热交换冷凝低压氧气，从而生产低压液氧并蒸发多组分制冷剂流体；(B)泵入至少一些低压液氧来生产压缩液氧，并压缩汽化的多组分制冷剂流体从而生成更高压力的多组分制冷剂流体；和(C)通过与冷凝较高压力的多组分制冷剂流体进行间接热交换，使至少一些压缩液氧蒸发，从而生成冷凝的较高压力的多组分制冷剂流体和压缩氧气。
2．权利要求1的方法，进一步包括将液氧的一部分加入低温精馏塔，在低温精馏塔中通过低温精馏生产高纯氧，并从所述低温精馏塔的较低部位回收高纯氧。
3．权利要求2的方法，其中通过与热泵流体进行间接热交换，由冷凝塔蒸汽来提供低温精馏塔的回流液，并且通过与所述热泵流体进行间接热交换，由蒸发塔液体来提供低温精馏塔的上行蒸汽。
4．权利要求3的方法，其中热泵流体为所述的多组分致冷剂流体。
5．权利要求1的方法，其中多组分致冷剂流体为可变负荷致冷剂并且包含氮和氩。
6．生产压缩氧气的装置，包括(A)换热器，将氧气加入换热器的装置，液泵，使氧气从换热器进入液泵的装置，以及使液氧从液泵进入换热器的装置；(B)压缩机，使多组分制冷剂流体从换热器进入压缩机的装置，以及使多组分制冷剂流体从压缩机进入换热器的装置；和(C)用来从换热器回收产物压缩氧气的装置。
7．权利要求6的装置，进一步包括低温精馏塔、使液氧从换热器进入低温精馏塔的装置，以及从低温精馏塔的较低部位回收产物的装置。
8．权利要求7的装置，其中低温精馏塔包括顶部冷凝器和底部再沸器，并进一步包括含有使热泵流体从换热器进入底部再沸器、从底部再沸器进入顶部冷凝器和从顶部冷凝器返回换热器的装置的热泵循环。
9．权利要求8的装置，其中热泵循环输送流体，其装置使多组分致冷剂从换热器进入压缩机并从压缩机进入换热器。
10．权利要求6的装置，其中换热器为单个元件。
全文摘要
无需使用氧气压缩机由低压氧气生产压缩氧气的系统,其中低压氧气通过与多组分致冷剂流体进行间接热量交换得以冷凝,通过液泵,随后与相同的多组分致冷剂流体逆流进行蒸发。
文档编号F25J3/08GK1302993SQ0013377
公开日2001年7月11日 申请日期2000年10月27日 优先权日1999年10月29日
发明者K·W·马霍尼, D·P·波纳奎斯特, W·J·奥尔谢夫斯基 申请人:普拉塞尔技术有限公司