專利名稱：用于產(chǎn)生加壓產(chǎn)物的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過低溫精餾產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的方法和設(shè)備，其中所述產(chǎn)物 物質(zhì)流由泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流形成，所述泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流包括富氧或富氮液體，所述富氧 或富氮液體在與該低溫精餾過程相結(jié)合地使用的主熱交換器內(nèi)被加溫。更具體而言，本發(fā) 明涉及這樣的方法和設(shè)備，其中，所述泵送產(chǎn)物在所述主熱交換器的層內(nèi)加溫，所述層被設(shè) 計以便既使所述泵送液體產(chǎn)物加溫，又使另一物質(zhì)流加溫或冷卻。
背景技術(shù)：
低溫精餾是一種使氧與含氧供給物如空氣分離的技術(shù)。在低溫精餾過程中，如果 供給物并未處于加壓狀態(tài)下，則需要對該供給物進行壓縮，還需對供給物進行凈化以去除 其中的雜質(zhì)，并隨后在主熱交換器中將所述供給物冷卻至適于對其進行精餾的溫度。被冷 卻的供給物隨后被引入蒸餾塔系統(tǒng)內(nèi)，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有高壓塔和低壓塔，其中氮與氧 分開以便產(chǎn)生富氧產(chǎn)物物質(zhì)流和富氮產(chǎn)物物質(zhì)流，所述富氧產(chǎn)物物質(zhì)流和富氮產(chǎn)物物質(zhì)流 在所述主熱交換器內(nèi)加溫以便幫助對進入的供給物進行冷卻。正如本領(lǐng)域眾所周知地，還 可設(shè)置氬塔，所述氬塔接收來自所述低壓塔的富氬物質(zhì)流并使氬與氧分開從而產(chǎn)生含氬產(chǎn) 物。與所述供給物分開的氧可作為液體產(chǎn)物被取出，所述液體產(chǎn)物可產(chǎn)生于低壓塔中 而作為富氧液體塔底產(chǎn)物。此外，液體產(chǎn)物可從用于對塔進行回流處理的富氮液體的一部 分中被取出。正如本技術(shù)領(lǐng)域中已公知地，氧液體產(chǎn)物可被泵送且隨后作為加壓液體產(chǎn)物 而被部分取出，且此外，所述液體產(chǎn)物還在主熱交換器中受到加熱以便產(chǎn)生氧產(chǎn)物，所述氧 產(chǎn)物是蒸氣或者是超臨界流體，這取決于氧在泵送作用下被加壓的程度。相似地，液氮可被 泵送并作為加壓液體、高壓蒸氣或超臨界流體被取出。為了在主熱交換器中對含氧物質(zhì)流 進行加熱，可進一步對供給物的一部分進行壓縮、冷卻和膨脹而使其形成液體。所述液體可 被引入所述高壓塔或低壓塔內(nèi)或者既被引入高壓塔內(nèi)又被引入低壓塔內(nèi)。為了操作低溫精餾設(shè)備，必須供應致冷劑以便抵消環(huán)境熱泄漏、暖端熱交換損失 并且使得可產(chǎn)生出液體產(chǎn)物。致冷劑的供應通常是通過以下方式實現(xiàn)的在渦輪膨脹器內(nèi) 對來自低壓塔的空氣或廢物物質(zhì)流的一部分進行膨脹以便產(chǎn)生冷的排放物質(zhì)流。該冷的排 放物質(zhì)流隨后被引入蒸餾塔或主熱交換器內(nèi)。此外，也可通過被引入主熱交換器內(nèi)的致冷 劑物質(zhì)流施加外部致冷。還可通過閉路的外部致冷循環(huán)產(chǎn)生致冷。主熱交換器通常是由釬焊鋁制的板翅構(gòu)造形成的。在這種熱交換器中，被限定在 分隔板片之間的包含翅片的層形成了用于使熱量在進入的物質(zhì)流與產(chǎn)生于蒸餾塔中的返 回物質(zhì)流之間進行間接熱交換的通路。例如，層被設(shè)置以便在已被泵送的富氧液體物質(zhì)流 與已經(jīng)通過增壓壓縮機進行了升壓的供給物質(zhì)流的一部分之間進行間接熱交換。該主熱交 換器可由多個這種單元形成且可進一步被分成用于對泵送的富氧物質(zhì)流進行加熱的高壓 熱交換器和用于對進入的供給物的剩余部分進行冷卻的低壓熱交換器。在任一種情況下， 這種熱交換器的成本都占了低溫精餾設(shè)備的主要成本，且特定的熱交換器的價格通常取決
6于其體積。在空氣產(chǎn)生膨脹以便提供致冷的情況下，空氣的一部分在被壓縮且被凈化之后， 在增壓壓縮機中被進一步壓縮、在主熱交換器內(nèi)被部分冷卻、且隨后在被聯(lián)接至增壓壓 縮機的渦輪膨脹器中被膨脹。該布置在所屬領(lǐng)域中已公知為渦輪機負荷的增壓壓縮機 (turbine loadedbooster compressor)。在任何情況下，由于空氣部分力口溫而達到介于所 述主熱交換器的暖端溫度與冷端溫度之間的溫度，因此，所述層的一些部分保持打開以便 用于其它熱交換負載中。在泵送液氧設(shè)備中，這些部分可被用于空氣或供給物質(zhì)流的冷卻 部分中，所述空氣或供給物質(zhì)流被供給以使所述泵送的液氧加溫。這自然就降低了主熱交 換器的尺寸和成本，如果層的這些部分并未被使用的話，則就會存在所述尺寸和成本。正如下文將要討論地，本發(fā)明提供了一種通過低溫精餾產(chǎn)生氧產(chǎn)物的方法或者一 種用于實施這種低溫精餾的設(shè)備，目的在于產(chǎn)生高壓氧，其中能夠使主熱交換器的制造方 式比現(xiàn)有技術(shù)中預想的方式更為緊湊，或另一種可選方式是，對于給定尺寸的熱交換器，能 夠使更高體積的流體形成間接熱交換關(guān)系。此外，如果該設(shè)備用于產(chǎn)生液體產(chǎn)物的話，這種 熱交換器可被整合以便接收外部致冷劑物質(zhì)流從而提高液體產(chǎn)物的產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的方法。根據(jù)這種方法， 通過低溫精餾工藝對包含氧和氮的供給物質(zhì)流進行精餾，在所述低溫精餾工藝中使用了 具有板翅構(gòu)造的主熱交換器和與所述主熱交換器操作性地相關(guān)的蒸餾塔系統(tǒng)。從所述蒸 餾塔系統(tǒng)中被抽出的且包括富氧液體或富氮液體的產(chǎn)物物質(zhì)流被泵送以便產(chǎn)生泵送的產(chǎn) 物物質(zhì)流。所述泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流中的至少一部分在所述主熱交換器的層內(nèi)加溫以便 產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流，且另一物質(zhì)流在這種層內(nèi)加溫或被冷卻。所述層在所述主熱交換 器內(nèi)提供了用于對所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分進行加溫的熱傳遞面積(heat transferarea)，所述熱傳遞面積由于在層內(nèi)設(shè)置了用于對另一物質(zhì)流進行加溫或冷卻的 區(qū)域(region)而至少部分地減少了。所述區(qū)域被定位在所述層內(nèi)，以使得所述熱傳遞面積 在所述主熱交換器的位置處減少了，在所述位置處，所述主熱交換器內(nèi)達到的溫度超過了 所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的臨界點溫度或露點溫度。應該注意到盡管權(quán)利要求書涉及一種產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的方法，但本發(fā)明并 不旨在限于低溫精餾工藝或采用這種工藝的設(shè)備，而且在所述設(shè)備中僅產(chǎn)生了單一的加壓 產(chǎn)物物質(zhì)流的這種情況，所述方法可用于產(chǎn)生富氮產(chǎn)物物質(zhì)流或富氧產(chǎn)物物質(zhì)流或同時產(chǎn) 生兩種產(chǎn)物物質(zhì)流。進一步地，說明書和權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語“主熱交換器”包括這 種單元中的一個單元或包括并聯(lián)連接的多個這種單元。本發(fā)明的操作原則在于本發(fā)明消 耗更多熱量，以便當旨在獲得超臨界流體時使泵送的液氧物質(zhì)流加溫而達到其臨界溫度， 或者當需要獲得蒸氣產(chǎn)物時使泵送的液氧物質(zhì)流加溫而達到露點溫度，隨后使這種物質(zhì)流 中的任一種物質(zhì)流加溫而達到所述主熱交換器的暖端溫度。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，所述主 熱交換器內(nèi)的用于使所述泵送的液氧物質(zhì)流加溫的所述層被設(shè)計以使所述液氧物質(zhì)流的 支流加溫，從而從所述泵送液氧物質(zhì)流的進入時的冷端溫度變?yōu)樗鲋鳠峤粨Q器的暖端溫 度。因此，在這種現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器中，并非所有的由所述層提供的熱傳遞面積都得到了 高效地利用，原因是使支流從所述臨界溫度或露點溫度加溫而達到環(huán)境溫度的熱傳遞功率較低。然而，在本發(fā)明中，一旦超過了臨界溫度或露點溫度，則所述支流被組合而在所述層 內(nèi)留下了用于對另一物質(zhì)流進行加熱或冷卻的區(qū)域。通過這種方式，制成的所述主熱交換 器會比現(xiàn)有技術(shù)中更加緊湊，從而大大節(jié)省這種熱交換器的獲取成本。此外，正如下文將要 討論地那樣，這種布置在產(chǎn)生液體產(chǎn)物時可帶來其它有利的操作。所述主熱交換器的所述層可包括第一組層和第二組層，所述第一組層和所述第二 組層中的每組層都具有第一部段和第二部段。包括所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分 的支流被引入所述第一組層和所述第二組層的所述第一部段內(nèi)。所述支流在所述第一部段 內(nèi)加溫之后，被組合在一起并作為組合的支流被引入所述第一組層的所述第二部段內(nèi)。所 述組合的支流在所述第一組層的所述第二部段內(nèi)進一步加溫且所述加壓產(chǎn)物物質(zhì)流由在 所述第一組層的所述第二部段中進一步加溫之后的所述組合支流構(gòu)成。用于對與所述低溫 精餾工藝相關(guān)聯(lián)的另一物質(zhì)流進行加溫或冷卻的區(qū)域是由所述第二組層的所述第二部段 形成的。至少一種液體產(chǎn)物可由所述蒸餾塔系統(tǒng)產(chǎn)生且另一物質(zhì)流是在所述主熱交換器 內(nèi)被加溫以便提高所述至少一種液體產(chǎn)物的產(chǎn)量的致冷劑物質(zhì)流。在這種實施例中，包括 致冷劑物質(zhì)流的致冷劑支流被引入所述第二組層的所述第二部段內(nèi)且在所述第二部段內(nèi) 被加溫。所述致冷劑物質(zhì)流可在閉路致冷循環(huán)中被產(chǎn)生。這種循環(huán)可包括在所述致冷劑物 質(zhì)流在所述主熱交換器中被加溫之后對所述致冷劑物質(zhì)流進行壓縮、對所述致冷劑物質(zhì)流 進一步壓縮并隨后在渦輪機中使所述致冷劑物質(zhì)流產(chǎn)生膨脹以便形成排放物質(zhì)流，所述排 放物質(zhì)流被弓I入所述第二組層的所述第二部段內(nèi)。從所述蒸餾塔中被抽出的所述產(chǎn)物物質(zhì)流可包括所述富氧液體。所述低溫蒸餾工 藝可包括對所述供給物質(zhì)流進行壓縮和凈化以便產(chǎn)生經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流。所述 經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流被分成第一壓縮物質(zhì)流和第二壓縮物質(zhì)流。所述第一壓縮物 質(zhì)流被進一步壓縮且隨后在所述主熱交換器中被充分冷卻以便形成液體物質(zhì)流。就這一點 而言，說明書和權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語“充分冷卻”指的是冷卻至所述主熱交換器的冷 端溫度。所述液體物質(zhì)流可產(chǎn)生膨脹并被引入高壓塔和低壓塔中的至少一個塔內(nèi)。所述低 壓塔與所述高壓塔操作性地相關(guān)聯(lián)，從而使得在所述高壓塔中作為高壓塔頂餾出物而產(chǎn)生 的富氮蒸氣被冷凝從而形成用于所述高壓塔和所述低壓塔的回流物，以便防止所述低壓塔 的富氧液體塔底產(chǎn)物產(chǎn)生氣化。這使得由所述低壓塔內(nèi)的殘余液體和所述高壓塔中的富氧 高壓塔底液體產(chǎn)物形成了所述富氧液體，所述富氧高壓塔底液體產(chǎn)物在所述低壓塔內(nèi)被進 一步精煉。所述第二壓縮物質(zhì)流被進一步壓縮、在所述主熱交換器內(nèi)被部分冷卻、且在渦輪 膨脹器內(nèi)中產(chǎn)生膨脹以便形成排放物質(zhì)流。就這一點而言，術(shù)語“部分冷卻”意味著冷卻至 介于所述主熱交換器的所述暖端溫度與所述冷端溫度之間的溫度。所述排放物質(zhì)流被引入 所述高壓塔內(nèi)。低壓富氮蒸氣塔頂餾出物質(zhì)流和從所述低壓塔中提取的不純的氮廢物物質(zhì) 流進入所述主熱交換器內(nèi)以便幫助在所述供給物質(zhì)流被壓縮和凈化之后，將所述供給物質(zhì) 流冷卻至適于對其進行精餾的溫度。所述至少一種液體產(chǎn)物由所述泵送液氧物質(zhì)流的剩余 部分或者富氮液體物質(zhì)流中的至少一種形成，所述富氮液體物質(zhì)流由所述富氮蒸氣的一部 分形成，所述富氮蒸氣被冷凝且并未被用作回流物。在另一方面中，本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明 的該方面，提供了一種低溫精餾設(shè)備，所述低溫精餾設(shè)備被構(gòu)造以使氧與包含氧和氮的供
8給物質(zhì)流分離開來。所述低溫精餾設(shè)備包括具有板翅構(gòu)造的主熱交換器、與所述主熱交換 器操作性地相關(guān)的蒸餾塔系統(tǒng)、和泵。所述泵與所述蒸餾塔系統(tǒng)流體連通，從而使得在所述 蒸餾塔系統(tǒng)內(nèi)形成的富氧液體或富氮液體被泵送以便產(chǎn)生泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流。所述主熱交 換器被連接至所述泵且被構(gòu)造以使得所述泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流中的至少一部分在所述主熱 交換器的層內(nèi)加溫以便產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流，且另一物質(zhì)流在這種層內(nèi)加溫或被冷卻。所 述層被構(gòu)造，以使得被設(shè)置在所述主熱交換器內(nèi)的用于對所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少 一部分進行加溫的熱傳遞面積會由于在所述層的所述至少一部分內(nèi)設(shè)置了用于對所述另 一物質(zhì)流進行加溫或冷卻的區(qū)域而至少部分地減少。所述區(qū)域被定位在所述層內(nèi)，以使得 所述熱傳遞面積在所述主熱交換器內(nèi)的位置處減少了，所述位置處的溫度超過了所述泵送 產(chǎn)物物質(zhì)流的臨界溫度或露點溫度。所述層可包括第一組層和第二組層，所述第一組層和所述第二組層中的每組層都 具有第一部段和第二部段。這種層被構(gòu)造以使得由所述泵送產(chǎn)物的所述至少一部分構(gòu)成的 支流在所述第一部段內(nèi)被加溫且在介于所述第一部段之間的連接部位處進行組合并形成 組合的支流。所述第一組層的所述第二部段與所述第一部段流體連通，以使得所述組合的 支流在所述第二部段內(nèi)進一步被加溫并形成所述加壓產(chǎn)物物質(zhì)流。所述區(qū)域是所述第二組 層的所述第二部段。所述低溫精餾設(shè)備可被構(gòu)造以便產(chǎn)生至少一種液體產(chǎn)物，且所述另一物質(zhì)流是在 所述主熱交換器內(nèi)被加溫以便提高所述至少一種液體產(chǎn)物的產(chǎn)量的致冷劑物質(zhì)流。在這 種實施例中，包括所述致冷劑物質(zhì)流的致冷劑支流在所述第二組層的所述第二部段內(nèi)被加
ilm ο所述低溫精餾設(shè)備還可設(shè)有被連接至所述熱交換器的致冷系統(tǒng)，且所述致冷系統(tǒng) 被構(gòu)造以便產(chǎn)生所述致冷物質(zhì)流并使所述致冷劑物質(zhì)流循環(huán)通過所述第一組層的所述第 二部段。所述致冷系統(tǒng)可包括閉路致冷循環(huán)。進一步地，所述低溫精餾設(shè)備可包括主壓縮 機以便對所述供給物質(zhì)流進行壓縮且所述致冷系統(tǒng)可包含閥，所述閥可運行以便被設(shè)定在 打開位置處且被定位以便在壓縮之后接收所述供給物質(zhì)流的一部分。在這種實施例中，所 述致冷物質(zhì)流由所述供給物質(zhì)流的所述部分形成，所述部分由此用作所述致冷物質(zhì)流的組 成部分。所述致冷系統(tǒng)可具有再循環(huán)壓縮機，所述再循環(huán)壓縮機被連接至所述主熱交換器 且與所述第一組層的所述第二部段流體連通，從而使得所述致冷劑物質(zhì)流在所述主熱交換 器中被加溫之后在所述再循環(huán)壓縮機中被壓縮，增壓壓縮機對所述致冷劑物質(zhì)流進行進一 步壓縮，和被連接在所述增壓壓縮機與所述主熱交換器的所述位置之間的渦輪機，從而使 得排放物質(zhì)流從增壓壓縮機流入所述第一組層的所述第二部段內(nèi)。從所述蒸餾塔中被抽出的所述產(chǎn)物物質(zhì)流可包括所述富氧液體。所述低溫精餾設(shè) 備可包括所述蒸餾塔系統(tǒng)，所述蒸餾塔系統(tǒng)包括與高壓塔操作性地相關(guān)聯(lián)的低壓塔，從而 使得作為高壓塔頂餾出物而產(chǎn)生的富氮蒸氣被冷凝從而形成用于所述高壓塔和所述低壓 塔的回流物，以便防止所述低壓塔的富氧液體塔底產(chǎn)物產(chǎn)生氣化。在這種情況下，所述富氧 液體由所述低壓塔內(nèi)的殘余液體形成，且富氧高壓塔底液體產(chǎn)物在所述低壓塔中被進一步 精煉。主壓縮機被連接至凈化單元以便對所述供給物質(zhì)流進行壓縮和凈化，從而產(chǎn)生經(jīng) 過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流。增壓壓縮機與所述凈化單元流體連通以便對由所述經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流的另一部分形成的第一壓縮物質(zhì)流進行進一步壓縮。所述主熱交換器 與所述增壓壓縮機流體連通且同樣被構(gòu)造以便形成液體物質(zhì)流。膨脹裝置被連接至所述主 熱交換器以使所述液體物質(zhì)流產(chǎn)生膨脹。所述高壓塔和所述低壓塔中的至少一種塔與所述 膨脹裝置流體連通以便接收所述液體物質(zhì)流。另一增壓器裝載的渦輪機單元被連接至所述 主熱交換器，與所述凈化單元流體連通，從而使得由所述經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流的 又一部分形成的第二壓縮物質(zhì)流被進一步壓縮、在所述主熱交換器內(nèi)部分地冷卻、且在渦 輪膨脹器中產(chǎn)生膨脹從而形成排放物質(zhì)流。所述渦輪膨脹器與所述高壓塔流體連通，從而 使得所述排放物質(zhì)流被引入所述高壓塔內(nèi)。所述主熱交換器也與所述低壓塔流體連通且被 構(gòu)造以使得低壓塔頂餾出物質(zhì)流和不純的氮廢物物質(zhì)流從所述低壓塔進入所述主熱交換 器內(nèi)并在所述主熱交換器的所述冷端與所述暖端之間流動，以便幫助在壓縮之后將所述供 給物質(zhì)流冷卻至適于對其進行精餾的溫度。至少一個出口被設(shè)置以便將所述至少一種液體 產(chǎn)物排放出去，所述至少一種液體產(chǎn)物來自所述泵送液氧物質(zhì)流的另一部分和產(chǎn)生于所述 蒸餾塔系統(tǒng)中的富氮液體物質(zhì)流的一部分中的至少一種。


盡管本申請的權(quán)利要求書中清晰地指出了被申請人示作發(fā)明的主題，但應該相 信結(jié)合附圖將能更好地理解本發(fā)明，其中圖1是用于實施本發(fā)明的方法的低溫精餾設(shè)備的示意性工藝流程圖，其中采用了 閉路致冷循環(huán)以便增加液體產(chǎn)量；圖2是圖1所示低溫精餾設(shè)備所使用的熱交換器的側(cè)視圖；圖3是圖2所示熱交換器的剖視圖，圖中示出了被整合在圖2所示熱交換器中的 一種層；圖4是圖2所示熱交換器的剖視圖，圖中示出了被整合在圖2所示熱交換器中的 另一種層，且此外，所述層與圖3所示的層操作性地相關(guān)聯(lián)；圖5是圖4所示層中使用的再分配翅片的放大剖視圖；圖6是圖3所示層中使用的再分配翅片的放大剖視圖；圖7是圖1所示低溫精餾設(shè)備中所使用的主熱交換器的層的另一可選實施例，所 述層用于對泵送的液氧進行加溫，且此外用以對另一物質(zhì)流如致冷劑物質(zhì)流進行加溫或冷 卻；和圖8是圖1所示低溫精餾設(shè)備的另一可選實施例，其中與所述設(shè)備相關(guān)聯(lián)的另一 物質(zhì)流在所述主熱交換器的所述層內(nèi)被冷卻，所述層還用于對所述泵送的液氧物質(zhì)流進行 加溫。
具體實施例方式參見圖1，圖中示出了一種低溫空氣分離設(shè)備1，所述低溫空氣分離設(shè)備與下文討 論的閉路致冷系統(tǒng)2整合在一起，以便提高液體產(chǎn)物的產(chǎn)量。這一整合是在使用熱交換器 3的情況下實現(xiàn)的，所述熱交換器設(shè)有層，所述層使得泵送液氧的支流可達到超過露點或者 超過所述泵送液氧的臨界溫度的溫度且隨后將這些支流組合在一起，以便在層中留下這樣 的區(qū)域，所述區(qū)域可自由地用于對閉路致冷循環(huán)中產(chǎn)生的致冷劑物質(zhì)流進行加溫。然而，應該理解空氣分離設(shè)備1與閉路致冷系統(tǒng)2的整合僅是本發(fā)明的一種應用。對于空氣分離設(shè)備1而言，空氣物質(zhì)流10被引入低溫空氣分離設(shè)備1內(nèi)以使氧 與氮分開?？諝馕镔|(zhì)流10在第一壓縮機12內(nèi)被壓縮達到一定壓力，所述壓力可介于約 5bar(a)與約15bar(a)之間。壓縮機12可以是中冷的一體式齒輪壓縮機，且去除了冷凝 物，圖中并未示出所述冷凝物。應該注意在特定的整合中，所獲得的空氣物質(zhì)流10可以是 處在一定壓力下的，也可以是來自壓縮機或其它一些含氧和氮物質(zhì)流源的排放空氣。在壓縮之后，由此產(chǎn)生的壓縮供給物質(zhì)流14被引入預凈化單元16內(nèi)。預凈化單 元16，正如本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知地那樣，通常包含氧化鋁床和/或分子篩床，所述氧化鋁 床和/或分子篩床根據(jù)溫度和/或變壓吸附循環(huán)而工作，在所述循環(huán)中，濕氣和其它高沸點 雜質(zhì)被吸附。此外，正如本技術(shù)領(lǐng)域中已公知地，這種高沸點雜質(zhì)通常是二氧化碳、水蒸氣 和烴。當一個床處于運行狀態(tài)中時，另一床進行再生。當然，也可使用其它工藝，如直接接 觸水冷、基于致冷的深冷、與深冷水直接接觸和相分離。所產(chǎn)生的經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流18隨后被分成物質(zhì)流20和物質(zhì)流22。通 常情況下，物質(zhì)流20在該壓縮和凈化供給物質(zhì)流18中所占的體積百分比介于約25%與約 35%之間且如圖中所示，剩余物質(zhì)為物質(zhì)流22。物質(zhì)流20隨后在壓縮機23內(nèi)被進一步壓縮，所述壓縮機同樣可包括中冷的一體 式齒輪壓縮機。第二壓縮機23將物質(zhì)流20壓縮達到介于約25bar (a)與約70bar(a)之間 的壓力以便產(chǎn)生第一壓縮物質(zhì)流24。第一壓縮物質(zhì)流24隨后被引入主熱交換器3內(nèi)，在所 述主熱交換器3處，所述第一壓縮物質(zhì)流在主熱交換器3的冷端處被冷卻并液化以便產(chǎn)生 液體物質(zhì)流25。物質(zhì)流22進一步被渦輪機負荷的增壓壓縮機26壓縮且更進一步地被第二增壓壓 縮機28壓縮而達到一定壓力，所述壓力可處于從約20bar (a)至約60bar(a)之間的范圍 內(nèi)，從而產(chǎn)生第二壓縮物質(zhì)流30。第二壓縮物質(zhì)流30隨后被引入主熱交換器3內(nèi)，在所述 主熱交換器中，所述第二壓縮物質(zhì)流被部分冷卻至處在約160開氏溫度與約220開氏溫度 之間的范圍內(nèi)，從而形成部分冷卻的物質(zhì)流31，所述物質(zhì)流隨后被引入渦輪膨脹器32內(nèi)以 便產(chǎn)生排放物質(zhì)流34，所述排放物質(zhì)流被引入空氣分離單元50內(nèi)。應該意識到物質(zhì)流22 的壓縮可在單個壓縮機器中進行。如圖所示，渦輪膨脹器32與第一增壓壓縮機26相聯(lián)，這 種相聯(lián)或者是直接的或者是通過適當齒輪實現(xiàn)的。然而，該渦輪膨脹器也可能被連接至發(fā) 電機以便產(chǎn)生可就地使用或者可被輸送至電網(wǎng)的電力。在主熱交換器3內(nèi)對第一壓縮物質(zhì)流24進行的冷卻導致產(chǎn)生的液體物質(zhì)流25在 膨脹閥45中部分地膨脹且被分成液體物質(zhì)流46和48，從而最終引入空氣分離單元50內(nèi)。 膨脹閥45可被液體膨脹器取代以便產(chǎn)生部分的致冷。供給物質(zhì)流10的上述組分，氧和氮，在空氣分離單元50內(nèi)被分離，所述空氣分離 單元包括壓力更高的塔52和壓力更低的塔54。應該理解如果氬為必要產(chǎn)物的話，則可將 氬塔引入蒸餾塔單元50內(nèi)。壓力更低的塔54通常在約l.lbaHa)至約1.5bar(a)之間的 壓力下運行。壓力更高的塔52和壓力更低的塔54以熱傳遞關(guān)系進行聯(lián)接，從而在冷凝器_重 沸器57內(nèi)對作為物質(zhì)流56而從壓力更高的塔52的頂部提取出來的富氮蒸氣塔頂餾出物 進行冷凝，所述冷凝器-重沸器位于壓力更低的塔54的底部中，而防止富氧液體塔底產(chǎn)物
1158產(chǎn)生沸騰。富氧液體塔底產(chǎn)物58的沸騰導致在壓力更低的臺54內(nèi)開始形成上升的蒸氣 相。這種冷凝產(chǎn)生了液體含氮物質(zhì)流60，所述液體含氮物質(zhì)流被分成物質(zhì)流62和64，所述 物質(zhì)流62和64分別對壓力更高的塔52和壓力更低的塔54進行回流，以便導致在這種塔 中開始形成下降的液相。排放物質(zhì)流34與液體物質(zhì)流46 —起被引入壓力更高的塔52內(nèi)，以便通過在質(zhì)量 傳遞接觸元件66和68內(nèi)使這種混合物的上升的蒸氣相與下降的液相接觸的方式進行精 餾，所述下降的液相是在回流物質(zhì)流62的作用下開始產(chǎn)生的。這使得產(chǎn)生了粗制的液氧塔 底產(chǎn)物70，所述產(chǎn)物也被稱作釜液(kettle liquid)，且產(chǎn)生了前述富氮塔頂餾出物。粗制 液氧塔底產(chǎn)物70的物質(zhì)流72在膨脹閥74產(chǎn)生膨脹而達到壓力更低的塔54的壓力且被引 入這種塔內(nèi)以便進一步精煉。第二液體物質(zhì)流48流過膨脹閥76、膨脹至壓力更低的塔54 的壓力且隨后被引入壓力更低的塔54內(nèi)。壓力更低的塔54設(shè)有質(zhì)量傳遞接觸元件78、80、82和84，所述質(zhì)量傳遞接觸元件 可以是托盤、規(guī)整填料或散堆填料、或者本技術(shù)領(lǐng)域中的其它已公知元件。如前所述，這種 分離產(chǎn)生了富氧液體塔底產(chǎn)物58和富氮蒸氣塔頂餾出物，所述富氮蒸氣塔頂餾出物作為 氮產(chǎn)物物質(zhì)流86被提取出來。此外，廢物物質(zhì)流88也被提取出來以便控制氮產(chǎn)物物質(zhì)流 86的純度。氮產(chǎn)物物質(zhì)流86和廢物物質(zhì)流88流過過冷卻單元90。過冷卻單元90對回流 物質(zhì)流64進行過冷卻?；亓魑镔|(zhì)流64的一部分作為物質(zhì)流92而可選地可被提取作為液 體產(chǎn)物且剩余部分93可在通過膨脹閥94降低壓力之后被引入壓力更低的塔54內(nèi)。在流過過冷卻單元90之后，氮產(chǎn)物物質(zhì)流86和廢物物質(zhì)流88在主熱交換器3內(nèi) 被充分加溫以便產(chǎn)生加溫的氮產(chǎn)物物質(zhì)流95和加溫的廢物物質(zhì)流96。加溫的廢物物質(zhì)流 96可用于在預凈化單元16內(nèi)對吸附劑進行再生。此外，富氧液體物質(zhì)流98從壓力更低的 塔54的底部被提取出來，所述富氧液體物質(zhì)流包括富氧液體塔底產(chǎn)物58。富氧液體物質(zhì) 流98可被泵99泵送以便形成泵送產(chǎn)物物質(zhì)流，如泵送液氧物質(zhì)流100所示。泵送液氧物 質(zhì)流100的一部分可選地可作為液氧產(chǎn)物物質(zhì)流102被取出。剩余部分104可在主熱交換 器3內(nèi)被充分加溫并產(chǎn)生氣化以便在壓力下產(chǎn)生以氧產(chǎn)物物質(zhì)流106的形式存在的加壓產(chǎn) 物物質(zhì)流，所述產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的方式將在下文進行討論。應該注意到盡管如圖所示的第一空氣分離設(shè)備1具有壓力更高的塔和壓力更低 的塔，且這兩種塔通過設(shè)置冷凝器_重沸器57的方式以熱傳遞關(guān)系相連，但也可能使用其 它類型的設(shè)備。例如，本發(fā)明可使用低純氧設(shè)備。在這種設(shè)備中，壓力更高的塔和壓力更低 的塔并不是以如圖1所示的潛在熱傳遞關(guān)系相連的。相反地，壓力更低的塔的最底層重沸 通常是由壓縮空氣物質(zhì)流的冷凝或部分冷凝提供的，所述壓縮空氣物質(zhì)流隨后被供給進入 壓力更高的塔內(nèi)。正如上文所述，空氣分離設(shè)備1能夠以物質(zhì)流92和液氧產(chǎn)物物質(zhì)流102的方式產(chǎn) 生液體產(chǎn)物，即富氮液體。為了提高這種產(chǎn)物的產(chǎn)量，本發(fā)明用致冷系統(tǒng)提供了附加的致 冷，所述致冷系統(tǒng)被示作閉路致冷系統(tǒng)2，所述閉路致冷系統(tǒng)使用空氣作為致冷劑。就這一 點而言，本發(fā)明通過打開閥112的方式而將經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流18的一部分作為 物質(zhì)流110而用作閉路致冷系統(tǒng)2的裝填料。在已經(jīng)進行了裝填之后，閥112返回閉合位 置。再循環(huán)物質(zhì)流114a在再循環(huán)壓縮機116中被壓縮且隨后被供給至增壓壓縮機118和 渦輪膨脹器112，所述再循環(huán)物質(zhì)流處于約4bar(a)與約llbar(a)之間的壓力下且已經(jīng)在主熱交換器3中進行了加溫，所述渦輪膨脹器優(yōu)選被示作聯(lián)接至增壓壓縮機118。在后冷 卻器120內(nèi)去除了壓縮熱量之后，所產(chǎn)生的壓縮致冷劑物質(zhì)流122在介于約35bar(a)與 75bar(a)之間的壓力下被供給至渦輪膨脹器112，從而產(chǎn)生包括冷的致冷劑物質(zhì)流114b的 排放物質(zhì)流，所述排放物質(zhì)流在略高于再循環(huán)物質(zhì)流114a的壓力下被供給進入主熱交換 器3內(nèi)。應該可以意識到通常情況下可通過控制壓縮機116的功率輸入的方式控制向主 熱交換器3供應的致冷程度。更具體而言，壓縮機116和118可使用入口導向葉片以便在 較寬的運行范圍內(nèi)都保持壓縮效率。另一種可選方式是，當需要更多液體產(chǎn)物時，閉路致冷 系統(tǒng)2可被打開，且當不需要這種提高的產(chǎn)量時，閉路致冷系統(tǒng)可被關(guān)閉。盡管圖1中并未 示出，但在需要提高氣態(tài)氧所占份數(shù)(減少液體氧產(chǎn)量)的情況下，可設(shè)置附加的閥和導管 以使得在主熱交換器3內(nèi)使用的用于對冷的致冷劑物質(zhì)流114b進行加溫的層的區(qū)域在另 一可選方式中可用于對氣態(tài)氧進行加溫或者在第二壓縮物質(zhì)流22在壓縮機28中進行了壓 縮之后對所述第二壓縮物質(zhì)流進行冷卻。應該注意到也可在主熱交換器3內(nèi)引入其它致冷劑物質(zhì)流來代替閉路致冷劑循 環(huán)3，如液體低溫物質(zhì)流，如來自位于罩殼中的貯存設(shè)施的液氮。另一種可能性是將所有氮 產(chǎn)物物質(zhì)流95或其中一部分用作致冷劑。如果需要獲得處于壓力下的氮產(chǎn)物，則可使用氮 壓縮機來代替再循環(huán)壓縮機116且致冷循環(huán)將不會是閉合循環(huán)。又一種可能性是將再循環(huán) 壓縮機116和增壓壓縮機118與增壓壓縮機28和增壓壓縮機23整合在一起。此外，致冷 循環(huán)能夠產(chǎn)生低溫致冷劑，例如，可能使用已公知的混合氣體致冷循環(huán)，所述混合氣體致冷 循環(huán)使用的是可與氧相容的致冷劑。在將氮用作工作流體的情況下，可使用商用的溫度更 低的致冷劑如氨或R134a來代替后冷卻器120，所述后冷卻器在空氣的情況下將使用水。此 外，壓縮的致冷劑物質(zhì)流112可在渦輪膨脹器112中進行膨脹之前在主熱交換器3內(nèi)被進 一步冷卻。該進一步的預冷可以是除了冷卻器120以外的冷卻或者用來代替后冷卻器120。 另一種可選方式是，后過冷器120可被整合在主熱交換器3內(nèi)。從圖中可以清楚地看到，泵送液氧物質(zhì)流100的剩余部分104被分成第一支流 104a和第二支流104b。盡管圖中僅示出了兩條這種第一支流104a和第二支流104b，但也 可提供一系列這種物質(zhì)流并將其供給進入主熱交換器3的層內(nèi)。泵送液氧物質(zhì)流100可被 加壓至高于或低于臨界壓力，從而使得氧產(chǎn)物物質(zhì)流106在從熱交換器3中被排放出來時 將成為超臨界流體。另一種可選方式是，可降低泵送液氧物質(zhì)流的加壓程度以便產(chǎn)生蒸氣 形式的氧產(chǎn)物物質(zhì)流106。對于超臨界流體而言，將達到這樣的溫度點，在該溫度點下，泵 送液氧物質(zhì)流100的剩余部分104將獲得臨界溫度。對于蒸氣而言，在熱交換器3內(nèi)將達 到這樣的點，在該溫度點下，剩余部分104將達到其露點。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該意識到 在提高泵送液氧物質(zhì)流100的剩余部分104的溫度而使其達到臨界溫度或露點溫度的過程 中必須添加的熱量要大于對這種物質(zhì)流進一步加溫而使其達到主熱交換器3的暖端處的 環(huán)境溫度或大約達到該環(huán)境溫度所需的熱量。因此，當?shù)谝恢Я?04a和第二支流104b超 過進行超臨界加壓時的臨界溫度或者進行并未達到臨界壓力的加壓時的露點溫度時，這種 物質(zhì)流從這種溫度被加溫而達到主熱交換器3的暖端溫度時所需的熱傳遞面積要少于在 第一種情況下獲得這種溫度所需的熱傳遞面積。因此，由所述層提供的旨在對泵送液氧進 行加溫的總的熱傳遞面積可減少，所述層的區(qū)域可被釋放出來以便實現(xiàn)其它目的，即，在這種層的剩余區(qū)域內(nèi)對冷的致冷劑物質(zhì)流114b進行加溫。結(jié)果是，在所述層內(nèi)被加溫的冷的 致冷劑物質(zhì)流114b內(nèi)，空氣分離設(shè)備1得到了附加的致冷從而提高了液體產(chǎn)物的產(chǎn)量。然 而，與此同時，主熱交換器又無需設(shè)置更多的層來容納冷的致冷劑物質(zhì)流114b從而導致被 放大，相應地，制造這種由于具有附加層而被放大的主熱交換器帶來的成本也被降低了。參見圖2，熱交換器3具有釬焊鋁板翅型構(gòu)造。這種熱交換器的有利之處在于具有 緊湊設(shè)計、較高的熱傳遞速率且能夠?qū)Χ鄺l物質(zhì)流進行處理。所述熱交換器被制成全釬焊 和焊接的壓力容器。釬焊操作涉及將波狀翅片、分隔板片和端部桿疊置起來以便形成芯體 基體。所述基體被置于真空釬焊爐中，基體在所述爐內(nèi)被加熱且在清潔真空環(huán)境中被保持 在釬焊溫度下。對于小型設(shè)備而言，包括單個芯體的熱交換器可能就足夠了。而對于更高 流量的情況而言，熱交換器可由多個芯體構(gòu)成，所述芯體必須被并聯(lián)或串聯(lián)連接。主熱交換器3以本技術(shù)領(lǐng)域中已公知的方式被分成多個層以便在流動于相鄰層 之間的物質(zhì)流之間實施間接熱交換。要被加熱或冷卻的物質(zhì)流通過一系列集管箱120、122、 124、126、128、130、132、134、136、140、142和144被引入主熱交換器3的層內(nèi)且從所述層中 被提取出來。所有上述集管箱都具有半圓柱形構(gòu)型。盡管這種集管箱120至144延伸達主 熱交換器3的總長度，但僅有用以接收和排放特定物質(zhì)流的層才會通過入口和出口管口與 那些與這種物質(zhì)流相關(guān)聯(lián)的集管箱進行流體連通。對于所有其它層而言，都用側(cè)桿將它們 與流體密封隔離開來了。所述層在一定比率和次序或圖案下被疊置，從而在熱物質(zhì)流與冷 物質(zhì)流之間提供安全且高效的熱傳遞。如圖所示，第一壓縮物質(zhì)流24進入集管箱120，從該位置處開始，這種物質(zhì)流被進 一步分配進入位于主熱交換器3內(nèi)的一組層內(nèi)，在所述層處，物質(zhì)流被液化從而產(chǎn)生被收 集在集管箱122內(nèi)的液體物質(zhì)流，從而使得液體物質(zhì)流25能夠從該處被排放出來。相似地， 第二壓縮物質(zhì)流30被引入集管箱124內(nèi)，且在流過了僅延伸達主熱交換器3高度的一部分 的層之后，所述物質(zhì)流被收集并作為部分冷卻的物質(zhì)流31從集管箱126中被排放出來，所 述部分冷卻的物質(zhì)流被引入渦輪膨脹器32內(nèi)。氮產(chǎn)物物質(zhì)流86和廢物物質(zhì)流88被引入 集管132和128內(nèi)、被分配進入位于主熱交換器3內(nèi)且與這種物質(zhì)流相關(guān)的層內(nèi)、且作為產(chǎn) 物氮物質(zhì)流95和暖的廢物物質(zhì)流96而分別從集管箱134和130中被排出，所述集管箱134 和130位于主熱交換器3的頂部處。此外，參見圖3和圖4，圖中分別示出了層150和152。這些層在主熱交換器3內(nèi)形 成了這樣的層，所述層涉及對泵送液氧物質(zhì)流100的剩余部分104進行加溫以及對冷的致 冷劑物質(zhì)路114b進行加溫從而產(chǎn)生再循環(huán)物質(zhì)流114a。這兩個層在其底部部分處都與集 管箱128形成流體連通，所述集管箱接收泵送液氧物質(zhì)流100的剩余部分104。集管箱128 將這種物質(zhì)流作為支流104a和104b分配到層150和152上。應該意識到在主熱交換器 3中可設(shè)置多個層150和152，且因而，支流104a和104b表示將被引入這種層內(nèi)的支流。首先轉(zhuǎn)到層150，所述層被限定在側(cè)桿154和156、端桿158和160與分隔板片162 之間。層150的罩殼將由主熱交換器3內(nèi)的下一層的分隔板片完成。翅片164位于層150 內(nèi)以便促進支流104a的熱傳遞，同時提高層150的結(jié)構(gòu)完整性。支流104a進入層150且 通過已公知的分配翅片網(wǎng)絡168被重新引導進入層150的第一部段內(nèi)。流沿向上方向朝向 再分配翅片170前進。應該注意到位于再分配翅片170的相對側(cè)上的翅片164的設(shè)計將 具有不同構(gòu)型以便實現(xiàn)最高效的熱傳遞。
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支流104b進入被限定在側(cè)桿172和174、端桿176和178與分隔板片180之間的 層152內(nèi)。層150的罩殼將由主熱交換器3內(nèi)的下一層的分隔板片完成。翅片182位于層 152內(nèi)以便促進支流104b的熱傳遞，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)方面的目的。支流104b進入層152且通過 已公知的分配翅片網(wǎng)絡186被重新引導進入層150的第一部段內(nèi)。流沿向上方向朝向再分 配翅片170前進。同樣地，應該注意到位于再分配翅片188的相對側(cè)上的翅片182的設(shè)計 將具有不同構(gòu)型以便實現(xiàn)最高效的熱傳遞。參見圖5，再分配翅片188包括再分配翅片190 和192，所述再分配翅片通過板194被分開以便實現(xiàn)下文將更詳細地討論的目的。支流104b 的流體在再分配翅片190的作用下朝向再分配集管箱196偏斜，同樣如圖2所示，所述再分 配集管箱同樣與一個或多個層150的第一部段和再分配翅片170流體連通。如圖6所示， 支流104b流入再分配集管箱196內(nèi)且隨后流入一個或多個層150的再分配翅片170內(nèi)，在 所述再分配翅片中，所述支流與支流104a組合在一起以便形成組合的支流104c，所述組合 的支流被引入一個或多個層150的第二部段內(nèi)且隨后被引至層150的再分配翅片198。再 分配翅片198將組合的支流104c引入集管箱140內(nèi)，同樣如圖2所示，在所述集管箱處，組 合的支流104c重新組合成從熱交換器3中被排出的氧產(chǎn)物物質(zhì)流106。因此，支流104a和104b分別在一個或多個層150的第一部段內(nèi)和層152的第一 部段內(nèi)被加溫，所述層150的第一部段被限定在再分配翅片168與170之間，所述層152的 第一部段被限定在再分配翅片186與188之間，且隨后在該一個或多個層150的第二部段 內(nèi)被充分加溫，所述層150的第二部段被限定在再分配翅片170與198之間，或換句話說， 氧物質(zhì)流在該一個或多個層150的這種部段中變得過熱。由于被限定在再分配翅片188與 202之間的一個或多個層152的第二部段并未用于涉及支流104b的熱交換。因此這種層存 在用于使致冷劑物質(zhì)流114b進行熱交換的區(qū)域，所述致冷劑物質(zhì)流在板194的另一側(cè)處被 引入集管管道142內(nèi)且隨后被引導至再分配翅片192，以便將層152和翅片182內(nèi)的流體引 導至再分配翅片202，在所述再分配翅片中，現(xiàn)在被加溫的一條或多條致冷劑支流114c被 排放進入集管管道144內(nèi)以便形成再循環(huán)物質(zhì)流114a。應該注意到致冷劑物質(zhì)流114b的 進入溫度可能高于再分配翅片188分配氧時所處的溫度。在這種情況下，將使用獨立的再 分配翅片以便將支流104b排放至再分配集管196且用于致冷劑物質(zhì)流114b的進入。事實 上，如果使用機械深冷器將致冷劑供應至主熱交換器3的話，則這種情況可能是需要的。在 任一種情況下，被設(shè)置用于冷的致冷劑物質(zhì)流114b的主熱交換器3的總剖面積優(yōu)選介于總 的可用面積的約5%與約10%之間。一個或多個層152的再分配翅片188、一個或多個層150的再分配翅片170和再分 配集管196被設(shè)置在主熱交換器3的這樣的位置處，在臨界壓力下，支流104a和104b在所 述位置處的溫度超過了臨界溫度約3開氏溫度，或者在低于臨界壓力的壓力下，所述支流 在所述位置處的溫度超過了露點溫度約5開氏溫度。這種位置可通過所屬領(lǐng)域技術(shù)人員眾 所周知的模擬技術(shù)找到。應該注意到由于組合的支流104c在層150的組合支流104c內(nèi) 進一步加溫，因此這種溫度低于主熱交換器3的暖端溫度，或換句話說再分配翅片198處的 溫度。應該注意到這些層的設(shè)計之所以要使得在支流104a與104b的組合之前超過臨界 溫度或露點溫度，原因在于要確保存在足夠的熱交換面積以便在組合的支流104c進一步 被加溫之前形成超臨界流體或者使氧完全氣化。這種溫度超過的程度將當然會減少這種層 中的可用于對另一物質(zhì)流進行加溫或冷卻，例如用于對冷的致冷劑物質(zhì)流114b進行加溫，的剩余區(qū)域。上面給出的超過臨界溫度或露點溫度的優(yōu)選溫度因此代表了設(shè)計主熱交換器 3時的安全系數(shù)，同時考慮到如下事實空氣供給物會由于溫度和壓力而產(chǎn)生變化，因此主 熱交換器3在再分配翅片198處的溫度也會產(chǎn)生變化。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員同樣已公知的是 由于物質(zhì)流在層150和152中都會加溫，因此這種層將被設(shè)置在與冷卻物質(zhì)流中使用的層 相鄰的位置處，在低溫精餾設(shè)備1中，冷卻物質(zhì)流中使用的層為用于冷卻第一壓縮物質(zhì)流 24的層。在主熱交換器1中，涉及到冷卻第一壓縮物質(zhì)流24的層預想會延伸達該主熱交換 器的整個長度。然而，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解也可能使用在第一壓縮物質(zhì)流24的冷 卻過程中對第二壓縮物質(zhì)流30進行部分冷卻的過程中使用的層的未使用區(qū)域。層150和152被設(shè)計以便減少被設(shè)置的用于對泵送液氧物質(zhì)流100的部分104進 一步加溫的熱傳遞面積，所述進一步加溫是在達到臨界溫度或露點溫度之后進行的，從而 在這種層中留出用以對冷卻的致冷劑物質(zhì)流14b進行加熱的區(qū)域。如上所述，這是通過將 支流104a與104b組合在一起且隨后僅使用層150的第二部段對組合的支流104c進行加 溫的方式實現(xiàn)的。圖7示出了另一種可能性，其中泵送液氧物質(zhì)流100的部分104并未被 分開，且因此支流并不被組合成組合支流。在這種實施例中，使用了層153，所述層被限定在 側(cè)桿204和206、端桿208和210與分隔板片212之間。泵送液氧物質(zhì)流100的部分104被 引入集管箱136'內(nèi)以便產(chǎn)生支流，所述支流被再分配翅片214引入包含翅片216的層153 的第一部段內(nèi)。支流隨后通過再分配翅片218流入包含翅片217的第二部段內(nèi)。這種第二 部段被限定在再分配翅片218、隔開桿(dividing bar) 220與另一組再分配翅片222之間。 支流隨后通過設(shè)置再分配翅片222的方式流出這種第二部段并收集在集管箱140'內(nèi)，從 而使得氧產(chǎn)物物質(zhì)流106可從所述集管箱中被排放出來。再分配翅片218將位于這樣的位 置處，所述位置處的支流溫度超過了上述臨界溫度或露點溫度。隔開桿由此減少了層153 提供的熱傳遞面積，所述熱傳遞面積無需用于將物質(zhì)流104進一步加熱至高于臨界溫度或 高于露點溫度。此外，其限定出層153的另一區(qū)域或第三部段以便對致冷劑物質(zhì)流114b進 行加溫。致冷劑物質(zhì)流114b進入集管箱142'且其致冷劑支流通過再分配翅片226被引導 至翅片224。這種支流隨后在這種層中通過再分配翅片228被引至集管箱144'，從而收集 并排放再循環(huán)物質(zhì)流114b。作為層153的另一種可選方式，可構(gòu)建出這樣的層，其中代替使用隔開桿，如隔開 桿220，而沿長度方向隔開層的方式地，層的深度可被板分成子層。一個子層將形成用以對 致冷劑物質(zhì)流114b進行加溫或者用以對其它物質(zhì)流進行冷卻或加溫的區(qū)域，且另一子層 將用以在形成氧產(chǎn)物物質(zhì)流106的過程中使氧變?yōu)檫^熱狀態(tài)。第一子層將通過半高度隔開 桿與第二子層隔離開來。對于所述子層而言，將通過疊置在氧再分配翅片上的半高度再分 配翅片和半高度分配器翅片將泵送液氧的部分104的支流單獨地供應給這些子層，從而將 致冷劑支流分配進入子層內(nèi)。由于被隔開的層將構(gòu)成彼此相鄰的兩個加溫層。因此確保在 分隔層的兩側(cè)上都存在冷卻物質(zhì)流是重要的，從而避免出現(xiàn)這樣的狀況，其中三個冷層彼 此相鄰地形成疊置圖案。顯然，如果出現(xiàn)這種情況，則中間加溫層將僅能夠通過另一加溫層 將熱量傳遞至冷卻層，且這是低效的，并會引入溫度梯度，這種溫度梯度將導致產(chǎn)生過度熱 應力。疊置在彼此上的再分配翅片將被設(shè)置以便將這種支流從所述層泄放至其相應的集管 箱。
盡管在上文中，本發(fā)明被用于對致冷劑物質(zhì)流114b進行加溫，但本發(fā)明還有其它 可能的應用方式。例如，參見圖7，圖中示出了沒有輔助致冷循環(huán)的空氣分離設(shè)備1的另一 可選實施例。在這種實施例中，第二壓縮物質(zhì)流30可被分成壓縮物質(zhì)流30a和30b。壓縮 物質(zhì)流30b可被引入與對致冷劑物質(zhì)流114b進行加溫相關(guān)的相同的層內(nèi)，并通過被引入集 管管道144內(nèi)而在這種層內(nèi)被冷卻并且在部分冷卻之后從集管管道142中被抽出。所產(chǎn)生 的部分冷卻的壓縮物質(zhì)流30c將在部分加溫之后與壓縮物質(zhì)流30a組合在一起，且作為組 合物質(zhì)流30d的物質(zhì)流將被引入渦輪膨脹器32內(nèi)。正如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解地，主 熱交換器3的設(shè)計將在層的排序方面略微產(chǎn)生變化。即，層152將必須位于與至少一個加 溫物質(zhì)流相鄰的位置處。正如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解地，本發(fā)明所使用的層還可用于對需要處在高壓 下的氮產(chǎn)物進行加熱，在被設(shè)計用于這種目的的低溫精餾設(shè)備中，富氮液體物質(zhì)流可被泵 送至所需壓力，所述富氮物質(zhì)流例如為單獨的物質(zhì)流92或者與富氧液體物質(zhì)流98結(jié)合在 一起，所述富氧液體物質(zhì)流如上所述被泵送且隨后在主熱交換器3中進行氣化。如果這兩 種物質(zhì)流都需要在一定壓力下，則主熱交換器3可產(chǎn)生變型以便包括用于兩條這種物質(zhì)流 的層，例如上面描述的層。盡管上面已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了討論，但正如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員易 于理解地在所附權(quán)利要求書中，可在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明做出 多種變化和省略。
1權(quán)利要求
一種產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的方法，所述方法包括通過低溫精餾工藝對包含氧和氮的供給物質(zhì)流進行精餾，在所述低溫精餾工藝中使用了具有板翅構(gòu)造的主熱交換器和與所述主熱交換器操作性地相關(guān)的蒸餾塔系統(tǒng)；對從所述蒸餾塔系統(tǒng)中被抽出的且包括富氧液體或富氮液體的產(chǎn)物物質(zhì)流進行泵送以便產(chǎn)生泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流；在所述主熱交換器的層內(nèi)對所述泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流中的至少一部分進行加溫以便產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流，且在所述層內(nèi)對另一物質(zhì)流進行加溫或冷卻；以及所述層在所述主熱交換器內(nèi)提供了用于對所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分進行加溫的熱傳遞面積，所述熱傳遞面積由于在層內(nèi)設(shè)置了用于對另一物質(zhì)流進行加溫或冷卻的區(qū)域而至少部分地減少了，所述區(qū)域被定位在所述層內(nèi)，以使得所述熱傳遞面積在所述主熱交換器的位置處減少了，在所述位置處，所述主熱交換器內(nèi)達到的溫度超過了所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的臨界點溫度或露點溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述主熱交換器的所述層包括第一組層和第二組層，所述第一組層和所述第二組層中 的每組層都具有第一部段和第二部段；包括所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分的支流被引入所述第一組層和所述第二 組層的所述第一部段內(nèi)；所述支流在所述第一部段內(nèi)加溫之后，被組合在一起并作為組合的支流被引入所述第 一組層的所述第二部段內(nèi)；所述組合的支流在所述第一組層的所述第二部段內(nèi)進一步加溫； 所述加壓產(chǎn)物物質(zhì)流由在所述第一組層的所述第二部段中進一步加溫之后的所述組 合支流構(gòu)成；所述區(qū)域是由所述第二組層的所述第二部段形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 至少一種液體產(chǎn)物由所述蒸餾塔系統(tǒng)產(chǎn)生；且所述另一物質(zhì)流是在所述主熱交換器內(nèi)被加溫以便提高所述至少一種液體產(chǎn)物的產(chǎn) 量的致冷劑物質(zhì)流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述主熱交換器的所述層包括第一組層和第二組層，所述第一組層和所述第二組層中 的每組層都具有第一部段和第二部段；包括所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分的支流被引入所述第一組層和所述第二 組層的所述第一部段內(nèi)；所述支流在所述第一部段內(nèi)加溫之后，被組合在一起并作為組合的支流被引入所述第 一組層的所述第二部段內(nèi)；所述組合的支流在所述第一組層的所述第二部段內(nèi)進一步加溫； 所述加壓產(chǎn)物物質(zhì)流由在所述第一組層的所述第二部段中進一步加溫之后的所述組 合支流構(gòu)成；所述區(qū)域是由所述第二組層的所述第二部段形成的；且包括所述致冷劑物質(zhì)流的致冷劑支流被引入所述第二組層的所述第二部段內(nèi)且在所述第二部段內(nèi)被加溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述致冷劑物質(zhì)流在閉路致冷循環(huán)中被產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述致冷循環(huán)包括在所述致冷劑物質(zhì)流在所述主 熱交換器中被加溫之后對所述致冷劑物質(zhì)流進行壓縮、對所述致冷劑物質(zhì)流進一步壓縮并 隨后在渦輪機中使所述致冷劑物質(zhì)流產(chǎn)生膨脹以便形成排放物質(zhì)流，所述排放物質(zhì)流被引 入所述第二組層的所述第二部段內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中從所述蒸餾塔系統(tǒng)中被抽出的所述產(chǎn)物物質(zhì)流包括所述富氧液體；且 所述低溫蒸餾工藝包括對所述供給物質(zhì)流進行壓縮和凈化以便產(chǎn)生經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流； 將所述經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流分成第一壓縮物質(zhì)流和第二壓縮物質(zhì)流； 對所述第一壓縮物質(zhì)流進一步壓縮、在所述主熱交換器中對所述第一壓縮物質(zhì)流進行 充分冷卻以便形成液體物質(zhì)流、使所述液體物質(zhì)流產(chǎn)生膨脹并將所述液體物質(zhì)流引入高壓 塔和低壓塔中的至少一個塔內(nèi)；所述低壓塔與所述高壓塔操作性地相關(guān)聯(lián)，從而使得在所述高壓塔中作為高壓塔頂餾 出物而產(chǎn)生的富氮蒸氣被冷凝從而形成用于所述高壓塔和所述低壓塔的回流物，以便防止 所述低壓塔的富氧液體塔底產(chǎn)物產(chǎn)生氣化，由此使得由所述低壓塔內(nèi)的殘余液體和所述高 壓塔中的富氧高壓塔底液體產(chǎn)物形成了所述富氧液體，所述富氧高壓塔底液體產(chǎn)物在所述 低壓塔內(nèi)被進一步精煉；對所述第二壓縮物質(zhì)流進一步壓縮、在所述主熱交換器內(nèi)對所述第二壓縮物質(zhì)流進行 部分地冷卻、使所述第二壓縮物質(zhì)流在已經(jīng)部分地冷卻之后在渦輪膨脹器內(nèi)中產(chǎn)生膨脹以 便形成排放物質(zhì)流、并且將所述排放物質(zhì)流弓I入所述高壓塔內(nèi)；使低壓富氮蒸氣塔頂餾出物質(zhì)流和從所述低壓塔中提取的不純的氮廢物物質(zhì)流進入 所述主熱交換器內(nèi)以便幫助在所述供給物質(zhì)流被壓縮和凈化之后，將所述供給物質(zhì)流冷卻 至適于對其進行精餾的溫度；以及使所述至少一種液體產(chǎn)物由所述泵送液氧物質(zhì)流的剩余部分或者富氮液體物質(zhì)流中 的至少一種形成，所述富氮液體物質(zhì)流由所述富氮蒸氣的一部分形成，所述富氮蒸氣被冷 凝且并未被用作回流物。
8.一種用于產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的設(shè)備，所述設(shè)備包括低溫精餾設(shè)備，所述低溫精餾設(shè)備被構(gòu)造以便對包含氧和氮的供給物質(zhì)流進行精餾； 所述低溫精餾設(shè)備包括具有板翅構(gòu)造的主熱交換器、與所述主熱交換器操作性地相關(guān) 的蒸餾塔系統(tǒng)、和泵；所述泵與所述蒸餾塔系統(tǒng)流體連通，從而使得在所述蒸餾塔系統(tǒng)內(nèi)形成的富氧液體或 富氮液體被泵送以便產(chǎn)生泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流；所述主熱交換器被連接至所述泵且被構(gòu)造以使得所述泵送的產(chǎn)物物質(zhì)流中的至少一 部分在所述主熱交換器的層內(nèi)加溫以便產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流，且另一物質(zhì)流在所述層內(nèi)加 溫或被冷卻；且所述層被構(gòu)造，以使得被設(shè)置在所述主熱交換器內(nèi)的用于對所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所 述至少一部分進行加溫的熱傳遞面積會由于在所述層的所述至少一部分內(nèi)設(shè)置了用于對所述另一物質(zhì)流進行加溫或冷卻的區(qū)域而至少部分地減少，所述區(qū)域被定位在所述層內(nèi)， 以使得所述熱傳遞面積在所述主熱交換器內(nèi)的位置處減少了，所述位置處的溫度超過了所 述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的臨界溫度或露點溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述層包括第一組層和第二組層，所述第一組層和所述第二組層中的每組層都具有第 一部段和第二部段；所述層被構(gòu)造以使得由所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分構(gòu)成的支流在所述第 一部段內(nèi)被加溫且在介于所述第一部段之間的連接部位處進行組合并形成組合的支流；所述第一組層的所述第二部段與所述第一部段流體連通，以使得所述組合的支流在所 述第二部段內(nèi)進一步被加溫并形成所述加壓產(chǎn)物物質(zhì)流；且所述區(qū)域是所述第二組層的所述第二部段。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述低溫精餾設(shè)備被構(gòu)造以便產(chǎn)生至少一種液體產(chǎn)物；且所述另一物質(zhì)流是在所述主熱交換器內(nèi)被加溫以便提高所述至少一種液體產(chǎn)物的產(chǎn) 量的致冷劑物質(zhì)流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述層包括第一組層和第二組層，所述第一組層和所述第二組層中的每組層都具有第 一部段和第二部段；所述層被構(gòu)造以使得由所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的所述至少一部分構(gòu)成的支流在所述第 一部段內(nèi)被加溫且在介于所述第一部段之間的連接部位處進行組合并由此形成組合的支 流；所述第一組層的所述第二部段與所述第一部段流體連通，以使得所述組合的支流在所 述第一組層的所述第二部段內(nèi)進一步被加溫并形成所述加壓產(chǎn)物物質(zhì)流；且所述區(qū)域是所述第二組層的所述第二部段；且包括所述致冷劑物質(zhì)流的致冷劑支流在所述第二組層的所述第二部段內(nèi)被加溫。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述低溫精餾設(shè)備還具有被連接至所述主熱交 換器的致冷系統(tǒng)，且所述致冷系統(tǒng)被構(gòu)造以便產(chǎn)生所述致冷物質(zhì)流并使所述致冷劑物質(zhì)流 循環(huán)通過所述第二組層的所述第二部段。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述致冷系統(tǒng)是閉路致冷循環(huán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述低溫精餾設(shè)備包括主壓縮機以便對所述供 給物質(zhì)流進行壓縮且所述致冷系統(tǒng)包含閥，所述閥可運行以便被設(shè)定在打開位置處且被定 位以便在壓縮之后接收所述供給物質(zhì)流的一部分，并由此由所述供給物質(zhì)流的所述部分形 成所述致冷物質(zhì)流，以便用作所述致冷物質(zhì)流的組成部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述致冷系統(tǒng)具有再循環(huán)壓縮機，所述再循環(huán) 壓縮機被連接至所述主熱交換器且與所述第一組層的所述第二部段流體連通，從而使得所 述致冷劑物質(zhì)流在所述主熱交換器中被加溫之后在所述再循環(huán)壓縮機中被壓縮，所述致冷 系統(tǒng)包括用以對所述致冷劑物質(zhì)流進行進一步壓縮的增壓壓縮機，且所述致冷系統(tǒng)包括被 連接在所述增壓壓縮機與所述主熱交換器的所述位置之間的渦輪機，從而使得排放物質(zhì)流 從所述渦輪機流入所述第一組層的所述第二部段中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中從所述蒸餾系統(tǒng)塔中被抽出的所述產(chǎn)物物質(zhì)流包括所述富氧液體；且 所述低溫精餾設(shè)備包括所述蒸餾塔系統(tǒng)，所述蒸餾塔系統(tǒng)包括與高壓塔操作性地相關(guān)聯(lián)的低壓塔，從而使得 作為高壓塔頂餾出物而產(chǎn)生的富氮蒸氣被冷凝從而形成用于所述高壓塔和所述低壓塔的 回流物，以便防止所述低壓塔的富氧液體塔底產(chǎn)物產(chǎn)生氣化，由此由所述低壓塔內(nèi)的殘余 液體形成所述富氧液體，且富氧高壓塔底液體產(chǎn)物在所述低壓塔中被進一步精煉；主壓縮機，所述主壓縮機被連接至凈化單元以便對所述供給物質(zhì)流進行壓縮和凈化， 從而產(chǎn)生經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流；增壓壓縮機，所述增壓壓縮機與所述凈化單元流體連通以便對由所述經(jīng)過壓縮和凈化 的供給物質(zhì)流的另一部分形成的第一壓縮物質(zhì)流進行進一步壓縮；所述主熱交換器與所述增壓壓縮機流體連通且同樣被構(gòu)造以便形成液體物質(zhì)流，膨脹 裝置被連接至所述主熱交換器以使所述液體物質(zhì)流產(chǎn)生膨脹，且所述高壓塔和所述低壓塔 中的至少一種塔與所述膨脹裝置流體連通以便接收所述液體物質(zhì)流；被連接至所述主熱交換器的另一增壓器裝載的渦輪機單元與所述凈化單元流體連通， 從而使得由所述經(jīng)過壓縮和凈化的供給物質(zhì)流的又一部分形成的第二壓縮物質(zhì)流被進一 步壓縮、在所述主熱交換器內(nèi)部分地冷卻、且在渦輪膨脹器中產(chǎn)生膨脹從而形成排放物質(zhì) 流，且所述渦輪膨脹器與所述高壓塔流體連通，從而使得所述排放物質(zhì)流被引入所述高壓 塔內(nèi)；所述主熱交換器也與所述低壓塔流體連通且被構(gòu)造以使得低壓塔頂餾出物質(zhì)流和不 純的氮廢物物質(zhì)流從所述低壓塔進入所述主熱交換器內(nèi)并在所述主熱交換器的所述冷端 與所述暖端之間流動，以便幫助在壓縮之后將所述供給物質(zhì)流冷卻至適于對其進行精餾的 溫度；和至少一個出口，所述出口用于將所述至少一種液體產(chǎn)物排放出去，所述至少一種液體 產(chǎn)物來自所述泵送液氧物質(zhì)流的另一部分和產(chǎn)生于所述蒸餾塔系統(tǒng)中的富氮液體物質(zhì)流 的一部分中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過低溫精餾產(chǎn)生加壓產(chǎn)物物質(zhì)流的方法和設(shè)備。在所述低溫精餾過程中使用的主熱交換器對包括富氧或富氮液體的泵送產(chǎn)物物質(zhì)流進行加溫，并由此產(chǎn)生加壓的產(chǎn)物物質(zhì)流。所述主熱交換器的層被設(shè)計，以使得在所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流的溫度超過這種物質(zhì)流的臨界溫度或露點溫度的位置處，被設(shè)置在所述主熱交換器內(nèi)的用于對所述泵送產(chǎn)物物質(zhì)流進行加溫的熱傳遞面積出現(xiàn)了減少。熱傳遞面積的這種減少使得在所述層中留出了能夠?qū)εc所述低溫精餾相結(jié)合地使用的另一物質(zhì)流進行加熱或冷卻的區(qū)域。這樣的其它物質(zhì)流可以是使得可引入附加的致冷以便提高液體產(chǎn)物產(chǎn)量的致冷劑物質(zhì)流。
文檔編號F25J3/04GK101922848SQ20101020261
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者D·R·帕斯尼克, H·E·霍沃德, R·J·吉布, T·A·斯凱爾 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司