專利名稱：空氣深冷分離的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種藉深冷手段分離空氣生產高純氬的方法和設備。更具體地說，本發明涉及一種使用三柱蒸餾系統的方法和設備，其中氬是在一個氬柱中生產出來，該氬柱具有可制備高純氬產物所必需的理論塔板數。
從空氣中分離氬的常規方法是用一個由高壓柱、低壓柱和氬柱組成的三柱蒸餾系統。在該系統中，高壓柱產生富氧液體，低壓柱純化此富氧液體產生富氬的混合蒸氣，氬柱則將富氬混合蒸氣進一步純化，在塔頂獲得粗氬。為了向氬柱提供回流液體，一股粗氬氣流在柱頂冷凝器中受到來自高壓柱的過冷及經膨脹的富氧液體流的冷卻而冷凝。
粗氬含有氧和氮，制備高純氬必須將它們除去。因此，粗氬尚須提高其品位，通常是用催化燃燒的辦法除去氧，隨后吸附除去所形成的水，然后蒸餾以除去氮。
理論上，通常增加氮柱中分離的塔板數來提高氬和氧的分離程度是可能的。然而，至少對于使用盤即板的氬柱，這是不實際的，因為所產生的壓力降會降低粗氬的冷凝溫度，因此增加所需的富氧液體膨脹度，這樣，富氧液體壓力就太低以致不能流入低壓柱。因為粗氬氣是在低壓柱壓力作用下從低壓柱流入氬柱的，所以低壓柱的操作壓力范圍無法降低以適應如此高度膨脹的富氧液體。
在現有技術中，有的三柱蒸餾系統的氬柱設計采用了足夠多的理論塔板數，從而將氧從氬中分離得極其徹底，無需采用催化燃燒來提高氬的品位。U.S.5，019，145中有一個例子，它在低壓力降填料的氬精餾柱中采用了150個理論塔板。使用這種填料就防止了板式柱會發生過大壓力降的問題。
U.S.5，133，790是深冷精餾過程和其設備的一個例子，在此過程中直接降低了氧和氮兩者的濃度生成高純氬的產品，該產品由氬柱直接排出，無需隨后的催化和蒸餾步驟。在此專利中，用一個具有足夠的理論塔板(由規整排列的填料提供)數的低壓柱進行操作，使得氬柱進料中的氮的濃度少于百分之五十。因為進入氬柱的氮已經較少，由氬柱制得的氬，其氮的濃度就較低。為了除去氧，氬柱的規整排列的填料能提供的150塊理論搭板(如U.S.5，019，145所要求的)，從而達到制備高純氬產品所需的氧的分離程度。
以上所述的現有技術專利都是依靠在至少氬柱中采用低壓降的填料以防止過大的壓力降。如下所述，本發明則提供了一種直接從氬柱中制備高純度氬產品的方法和設備，但其可操作性不是靠采用規整排列的填料。事實上，氬柱和低壓柱均可按常規方法采用篩板，低壓降填料或任何其它類型的液氣接觸裝置或它們的任何組合。從下述的討論中，可以很清楚地看出本發明的進一步優點。
本發明提供了一種空氣深冷分離來生產高純氬的方法。在此方法中，將空氣加以壓縮并純化。壓縮和純化之后的空氣在精餾柱中精餾之，在精餾柱內產生柱底的富氧液體和柱頂的富氮蒸氣。在氬柱中將貧氮的氬-氧液體分離成柱底液氧和柱頂高純氬蒸氣。將一股柱頂高純氬蒸氣流從氬柱排出，然后通過間接的熱交換使之冷凝為液態氬，再引入氬柱作為回流。
柱底富氧液體流從精餾柱排出，然后膨脹至一壓力，在該壓力下，此富氧液流的溫度降底到柱頂高純氬氣的冷凝溫度以下。然后此富氧液流通過與氬蒸氣流的冷凝間接熱交換而至少有一部分蒸發。然后，此富氧流其中至少有一部分是蒸發的引入一氮的氣提柱，引入口的濃度可與富氧流的濃度相適應。用一氣提氣體將氮從引入氣提柱的富氧流中氣提出來，從而產生柱底的貧氮的氬-氧液體。此柱底氬-氧液體流從氣提柱排去后，又引入氬柱進行分離。
調節氣提柱在預定的壓力范圍內操作，使富氧流進口的壓力不大于富氧流在膨脹后的壓力。在柱頂的高純氬蒸氣流從氬柱中排去。
進一步還可以說，本發明提供了一種用于制備高純氬的空氣分離設備。在這樣的設備中，有一個壓縮空氣的裝置和一個與壓縮裝置相連用來純化空氣的裝置。純化裝置又連接著一個冷卻裝置，用以冷卻空氣至適合精餾的溫度。
蒸餾柱系統包括一個精餾柱，一個氬柱和一個氮的氣提柱。精餾柱與冷卻裝置連接，它將空氣液體精餾成柱底富氧液體和柱頂富氮蒸氣。氬柱則將貧氮的氬-氧液體分離成柱底液體氧和柱頂高純氬蒸氣。一膨脹閥與精餾柱連接，用來使柱底富氧流膨脹到一壓力，在該壓力下，富氧流的溫度降低到低柱頂高純氬蒸氣的冷凝溫度以下。一個柱頂冷凝器與氬柱及膨脹閥相連接。此柱頂冷凝器是使柱頂高純氬蒸氣流與富氧流熱交換而冷凝，富氧流因此有部分進行了蒸發，而冷凝的氬液流則回到氬作為回流。氮氣提柱則是用一種氣提氣體將氮從富氧液體中氣提出來，從而在柱底生成貧氮的氬-氧液體。
氮氣提柱與柱頂冷凝器連接，使得富氧流在至少部分蒸發后能以具有可與富氧流相容的進口濃度流入氣提柱。氣提柱與氬柱之間有一連接裝置，使氬-氧液體流入氬柱。有一調節裝置與氮氣提柱連接，以調節氣提柱的操作壓力范圍，使富氧液體的進口壓力不大于膨脹后的富氧流的壓力。有一個裝置連接于氬柱，它是用于形成由柱頂高純氬蒸氣組成的產品流(此產品可以是來自氬柱柱頂冷凝器的液體或直接來自氬柱的蒸氣)。
如上所述，本發明中的柱子可以使用填料、篩板、或任何其它液-氣物質傳遞的裝置(可根據設計者的需要而選用)，這是因為本發明的方法得以運行并不依賴于采用規整排列的填料。本發明卻是使用一種按現有技術不會與氬柱相連的氮氣提柱來代替低壓柱。在現有技術中，氬柱操作壓力范圍必須低于低壓柱的富氬流的排放壓力。因為在本發明中，氬柱的進料是液體，因此可將氮氣提柱的操作壓力范圍設置在氬柱進料口的壓力或低于此壓力，因為為了將液體料喂入氬柱，可以用泵或者更簡單地將氮氣提柱設置在足夠高于氬柱的進料口位置而來提供進料的壓頭。應該注意的是，為了升高蒸氣的壓力，要將蒸氣壓縮。但對于含有氧的蒸氣如富氧蒸氣并不進行壓縮，這是因為這類壓縮機的費用較大以及其使用有危險性之故。
因為可以調節氮氣提柱的操作壓力范圍使之低于氬柱的壓力范圍，因此氬柱就可以具有足夠多的理論塔板數來促進其進料的氧分離而無需使用規整排列的填料。而且，因為氮氣是從氮氣提柱中的富氧液體中氣提出來，所以由它所獲得的氬柱的液體進料中氮的濃度非常低。因此，很高純度的氬產品可直接從氬柱獲得。
應該指出的是，此處及在下面權項中所講的術語“柱”指的是一種柱子，其中上升的蒸氣流通過傳統的物質傳遞元件如盤、板、填料(隨機填充的或規整排列的)。任何上述的組合或任何其它的液氣物質裝置與下降的液體流密切接觸能進行熱量傳遞和物質傳遞。而且，在此處和下面權項中所述的高純氬產品所含的氧少于的1000ppm(體積)，所含的氮少于約1000ppm(體積)。在下面將要討論和表明，本發明的方法是可以制備出氧、氮雜質濃度更低的高純氬產品。在此處和權項中所述的“貧氮”是指氮的濃度(體積)少于約30ppm。
雖然權項中的說明清楚地指出了專利申請人認為是實質性的內容，但是可以認為，與所附的圖結合起來敘述，就可更好地理解本發明，這唯一的一張圖示意地表示了本發明的空氣深冷分離的設備和過程。
在圖中，空氣被壓縮機10壓縮，然后用純化器12純化，除去空氣中的二氧化碳、水氣和烴類。純化器12可以是輪流工作的氧化鋁或沸石分子篩的兩個床，當一個床在使用時，另一個床則在再生。在壓縮機的后面有一個后冷卻器14，用于除去壓縮的熱量。后冷卻器14可使用水或氫-氯-氟-碳作為冷卻劑用來從壓縮的空氣流中除去熱量。此后，通過一個采用板和翅狀結構的主熱交換器16將壓縮空氣冷卻至適于精餾的溫度，按常規是要冷卻到其露點附近。這個主熱交換器具有用數字18、20、22和24分別表示的第一、第二、第三和第四通道。空氣通過通道18后，引入精餾柱26的底部。在精餾柱26中，在其頂部(用數字27表示)產生富氮蒸氣，在其底部(用數字28表示)產生柱底富氧液體。柱頂富氮蒸氣在冷凝后，其一部分以回流形式再次引入精餾柱26的頂部27，并還形成一股流32。
富氧液體流34從精餾柱26的底部排出，再在常規結構、(最好也是板和翅片型)的低溫冷卻器39中深度冷卻。然后此富氧液體流分成第一支流和第二支流36和38。先且敘述第二支液38，此第二支流38在與其濃度相容的入口處哺喂入氮氣提柱42。應該注意的是第二支流可先膨脹至一較低的壓力或如圖所示直接地閃蒸進入氮氣提柱42。雖然未在圖中表示，若氮氣提柱是用一種填料柱的話，就需采用一閃蒸分離器，然后令氣體和液體都進入氣提柱。在氣提柱42中，富氧液體就被一氣提氣體以后將會描述)氣提出來，在氣提柱42的底部44產生貧氮的氬-氧液體。高純的氮氣則在氣提柱42的頂部(數字46表示)形成。
再將柱底氬-氧液體以液流48的形式喂入氬柱50。被引入氬柱50的此氬-氧液體，就部分地蒸發并且進行了分離，這樣液體氧就收集于氬柱50的底部(用數字52表示)，高純的氬則聚集于氬柱50的頂部(用數字54表示)。蒸發的氬-氧然后以氬-氧蒸氣流56的形式引入氮氣提柱52的底部44作為氣提氣體。用一冷凝再沸器58使在柱底52收集的液體氧與氮氣的冷凝進行熱交換而變為蒸氣。氧的蒸發引發了上升蒸氣流的形成。該蒸氣流的含氧量逐步地減小，直至在氬柱50的頂部54變成高純的柱頂氬蒸氣。
將柱頂氬蒸氣冷凝并作為回流重新引入氬柱50的頂部54以引發下降液體流的形成，此液體流在氬柱50中下降時，其氬的含量就變得越來越少。氬蒸氣的冷凝是使用柱頂冷凝器59，它也是采用常規的結構，與氬柱50連接，氬蒸氣流60從氬柱排出后，在柱頂冷凝器中冷凝，然后冷凝的氬液體流62作為回流重新返回氬柱50。
在柱頂冷凝器中的這個冷凝作用是通過與第一支流36的熱交換發生的，第一支流36在進入柱頂冷凝器59之前，通過一膨脹閥膨脹到一個壓力，在該壓力下富氧液體第一支流的溫度與柱頂氬蒸氣流60的冷凝溫度相同，或低于該溫度。第一支流36在柱頂冷凝器59中與氬蒸氣的冷凝進行熱交換而蒸發，然后引入氮氣提柱42的合適位置，在該位置氧、氮和氬的濃度與進入的第一支流36的濃度相容。應該理解，根據方法的要求不同，這第一支流36可以是從精餾柱26中排出的唯一富氧流，并且在本發明一種可能用的過程中，這第一支流36可以只是部分蒸發的。
為了讓第一和第二支流36和38能流入氮氣提柱42，這個柱的這兩個支流進口(數字64和66表示)處的壓力必須不大于第一和第二支流36和48在其進入之前的壓力。控制氮氣提柱42壓力范圍的一個較佳的方法是調節用作氣提氣體的氬-氧蒸氣流56在進入氣提柱42的底部44時的壓力。通過壓力調節閥68實現這個壓力調節，該閥可調節氬-氧蒸氣流56的壓力，因而也就調節了氣提42的操作壓力范圍。
在本發明大多數可能的實施例中，氮氣提柱42的操作壓力范圍實際上低于氬柱50。此處應該指出，氮氣提柱42壓力范圍較低指的是氮氣提柱42中的最高壓力低于氬柱50中的最高壓力。應指出的另一點是，在這些可能的實施例中，氬柱50的操作壓力范圍通常比精餾柱26低，這里講的壓力范圍較低與氮氣提柱42和氬柱50的比較在意義上是相同的。根據本發明，為了讓氬-氧液體流48進入氬柱50，要對氬-氧液體流增加壓頭。較佳的簡單方法是提高氮氣提柱42的位置，由重力提供所需的壓頭。也可以泵送氬-氧流48來為它進入氬柱50增加壓頭。
將由柱頂高純氬蒸氣組成的氬產品流以液體流70的形式從柱頂冷凝器59排出。在這里以及在權項中“由高純氬蒸氣組成的產品流”指的是產品可以是氬的冷凝液或直接從氬柱50頂端排出的蒸氣或這兩者的組合。也可獲得由從氬柱50排出的氧蒸氣組成的氧氣產品流72，它通過主熱交換器16的通道24以便冷卻進入的空氣。這樣獲得的高純氧的純度約99.5%，甚至更高。要理解的是，在根據本發明的方法生產高純氬產品的同時，也可以生產純度較低的氧。產品氮氣流74從氮氣提柱42的頂部46排出，而且廢棄氮氣流76也從氣提柱42頂部46以下的一個位置排出。氣流74和76通過低溫冷卻器39，與富氧液體流34和富氮氣流32進行間接的熱交換將它們冷卻。然后，氣流74和76通過主熱交換器16的通道20和22，再作為產品流和廢氣流流出空氣分離設備。
為了維持圖示的空氣分離過程和設備的熱量平衡，一個經部分冷卻的輔助空氣流78(稱為“部分冷卻”是因為這個氣流是從主熱量交換器16的冷端和熱端之間引出的)通入一個渦輪膨脹機80。渦輪膨脹機80的排出氣體則引入氮氣提柱42的合適位置。可以理解的是，該排出氣體可以僅部分地引入氮氣提柱42。
如前所述，在圖中所示的任一個柱子可以采用板或填料或兩者的組合。在所說明的實施例中，精餾柱26采用板，氮氣提柱42和氬柱50則采用填料。無論所使用的物質傳送元件是哪一種，所示的設備都可以生產氧和氬的產品。應該注意的是，在本發明的空氣分離過程和設備中，渦輪膨脹機80的排出氣體可以返回主熱交換器16產生深冷作用，而降低進入空氣的焓。還應注意的是，規整排列的填料具有一個明顯的優點，即其產生的壓力降板要低，從而操作費用也較低。
下列兩個實施例(以“實施例1”和“實施例2”表示)是設備運行的計算機模擬結果，顯示了在氮氣提柱42和氬柱50中使用規整排列的填料或篩板的功效情況。在實施例1中，精餾柱使用了40個板，操作時其效率約為100%，壓力降約為0.04磅每平方英吋/板;氮氣提柱42和氬柱50都是使用規整排列的填料(如Sulzer Brothers Limited of Winter，Switzerland制造的700Y)。在實施例2中，精餾柱使用了50個板，操作時其效率也約為100%，壓力降約為0.04磅平方英吋/板，氮氣提柱42和氬柱50也是使用板的。這些板操作時的效率為約70%，壓力降為0.04磅每平方英寸/板。
實施例1流量、溫度、壓力和組成表流流量溫度壓力 %N2%Ar %O2千摩爾/ 開氏溫度 巴小時72主熱交換 105 92.98 13.5 0 0.27 99.73器16之前70 4 89.09 1.23 0.1ppm 99.9992 8.3ppm48 241.5 92.4 1.342 5ppb 7.9 92.156閥68前 132.5 92.4 1.342 5.5ppb 11.2 88.856閥68后 132.5 92.4 1.335 5.5ppb 11.2 88.832(深度冷卻 208.4 81 5.25 99.97 0.03 1ppm后)74氣提柱 42 260.5 79.5 1.3 99.985 0.015 0.3ppm的頂部34(深度冷卻 241.6 96 5.36 59.26 1.71 39.03后)38 99.5 96 5.36 59.26 1.71 39.03
36蒸發后 142.1 87.03 1.35 59.26 1.71 39.0376氮氣提柱 130.5 79.55 1.303 99.7 0.3 19ppm42的頂部10壓縮前 500 298 1 78.113 0.931 20.95610壓縮后 500 293 5.8 78.113 0.931 20.95678膨脹后 50 100.84 1.35 78.113 0.931 20.95674通過熱交 260.5 97.51 1.2 99.985 0.015 0.3ppm換器38后74通過主熱 260.5 291.37 1.1 99.985 0.015 0.3ppm交換器16后76通過熱交 130.5 97.51 1.2 99.7 0.3 19ppm換器38后76通過主熱 130.5 291.37 1.1 99.7 0.3 19ppm交換器16后72通過主熱 104.54 291.37 1.25 0 0.27 99.73交換器16后在上述的實施例中，氮氣提柱42具有約60個理論塔板。氣流76在第6個理論塔板排出，先通過熱交換器39，再通過主熱交換器16。氣流76可以作為廢氣排出，或用于純化器12的再生。氣流74在第1個理論塔板排出，先通過熱交換器39，再通過主熱交換器16。氣流74可以作為廢氣排出，或作為產品取出，或分流為這兩種形式。富氧液體流34(在深度冷卻之后)分成液流36和38。液流38在氮氣提柱42的第26個理論塔板處閃蒸進入該柱子。液流36通過閥64膨脹后，在氬柱冷凝器59中蒸發。蒸發后的氣流36在氮氣提柱的第30個理論塔板處進入該柱子。氬柱約有220個塔板，其中195個是起精餾作用的，25個是起氣提作用的。氬-氧流48從氮氣提柱42的底部排出，進入氬柱50的第195個理論塔板。氣流56從氬柱50中排出，經閥68降低壓力，然后喂入氮氣提柱42的底部。氬產品的生產流量為4千摩爾/小時，其氮的濃度為0.1ppm，氧的濃度為8.3ppm，其余均為氬。
流流量溫度壓力 %N2%Ar %O2千摩爾/ 開氏溫度 巴小時72主熱交換 105.5 97.6 2.08 0 0.5 99.5器16之前70 3.3 88.4 1.15 0.3ppm 99.999 9.3ppm48 222.15 94 1.56 10ppb 7.6 92.456閥68前 113.35 96 1.88 12ppb 11.6 88.456閥68后 113.35 94 1.56 12ppb 11.6 88.432(深度冷卻 197.7 81 7.34 99.94 0.06 1ppm后)74氣提柱 42 261.5 79.5 1.3 99.97 0.03 1.3ppm的頂部34(深度冷卻 252.3 101 7.45 61.01 1.62 37.37后)38 99.5 101 7.45 61.01 1.62 37.3736蒸發后 142.1 87.35 1.43 61.01 1.62 37.3776氮氣提柱 130 79.73 1.32 99.35 0.62 270ppm42的頂部10壓縮前 500 298 1 78.113 0.931 20.95610壓縮后 500 293 7.9 78.113 0.931 20.95678膨脹后 50 123.9 1.43 78.113 0.931 20.95674通過熱交 261.5 101.4 1.2 99.97 0.03 1.3ppm換器38后74通過主熱 261.5 289.6 1.1 99.97 0.03 1.3ppm交換器16后76通過熱交 130 101.4 1.2 99.35 0.62 270ppm換器38后76通過主熱 130 289.6 1.1 99.35 0.62 270ppm交換器16后
72通過主熱 105.5 289.6 1.976 0 0.5 99.5交換器16后在上述的實施例2中，氮氣提柱42具有約65個理論塔板。氣流76在第6個理論塔板排出，先通過熱交換器39，再通過主熱交換器16。氣流76可以作為廢氣排出，或用于純化器12的再生。氣流74在第1個理論塔板排出，先通過熱交換器39，再通過主熱交換器16。氣流74可以作為廢氣排出，或作為產品取出，或分流為這兩種形式。富氧液體流34(深度冷卻之后)分成液流36和38。液流38在氮氣提柱42的第26個理論塔板處閃蒸進入該柱子。液流36通過閥64膨脹后，在氬柱冷凝器59中蒸發。蒸發后的氣流36在氮氣提柱的第30個理論塔板處進入該柱子。氬柱50約有220個塔板，其中185個是精餾的，而35個是氣提的。氬-氧流48從氮氣提柱42的底部排出，進入氬柱50的第185個理論塔板。氣流56從氮氣提柱42的底部。氬產品的生產流量為3.3千摩爾/小時，含氮量為0.3ppm，含氧量為9.3ppm，其余為氬。
雖然結合了較佳的實施例對本發明在上面進行了描述，但是本技術領域的人員仍可對本發明進行各種添加、改變和省略，只要不偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種生產高純氬的空氣深冷分離方法，其特征在于包括下列過程將空氣壓縮和純化；將壓縮和純化后的空氣冷卻至一合適的精餾溫度；在精餾柱中精餾此空氣，從而在精餾柱中產生柱底富氧液體和柱頂富氮蒸氣，在氬柱中對貧氮的氬-氧液體進行分離過程，生成柱底液體氧和柱頂高純氬蒸氣；從氬柱中排出由柱頂高純氬蒸氣組成的氬蒸氣流，用間接熱交換使之冷凝，然后再重新引入氬柱作為回流；從精餾柱中排出由柱底富氧液體組成的富氧流，令其膨脹至一壓力，在該壓力下富氧液體的溫度不高于柱頂高純氬蒸氣的冷凝溫度，然后通過與氬蒸氣流的冷凝進行間接熱交換，其本身至少部分地蒸發，然后再被引入氮氣提柱，該柱進入口位置處的濃度與富氧流的濃度相容；用一氣提氣體將氮氣從被引入氮氣提柱中的富氧流中氣提出來，從而在柱底產生貧氮的氬-氧液體；將由柱底氬-氧液體組成的氬-氧液體流從氮氣提柱中排出，引入氬柱進行分離與部分蒸發，從而產生氣提氣體；將氣體氣體從氬柱中排去，引入氮氣提柱；通過調節氣提氣體進入氮氣提柱時的壓力以調節氮氣提柱在一預定的壓力范圍操作，從而使富氧流的進口壓力不大于膨脹后的富氧流的壓力，使得富氧流能流入氮氣提柱，并且使氬柱的操作壓力范圍高于氮氣提柱的預定壓力范圍，從而使氣提氣體能在兩者之間的壓力差的作用下流入氮氣提柱；升高氬-氧流的壓頭使它能流入氬柱；將由柱頂氬蒸氣組成的產品流從氬柱排出。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于精餾柱的柱頂富氮蒸氣與氬柱的柱底液體氧的蒸發進行熱交換，其本身冷凝成液體氮，此液體氮的一部分返回精餾柱作為液氮回流，并且還形成一個回流而被引入氮氣提柱。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于將產品氮氣流和廢棄氮氣流從氮氣提柱排去;將產品氧氣流從氬柱除去;通過與產品氮氣流和廢棄氮氣流進行間接熱交換來冷卻回流和富氧流，而兩個氮氣流則溫度有所提高;產品氧氣流、產品氮氣流和廢棄氮氣流在進行了上述的與回流和富氧流的間接熱交換之后，又使其溫度有充分地提高。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于將空氣作為一股空氣流先行冷卻，然后為了保持過程的熱量平衡，當這股空氣流部分地冷卻之后，從它引出一支輔助空氣流，令這輔助空氣流膨脹作功，然后將輔助空氣流的全部或一部分引入氮氣提柱。
5.一種空氣深冷分離的設備，其特征在于它包括用于壓縮空氣的壓縮裝置;與壓縮裝置相連接用于純化空氣的純化裝置;與純化裝置相連用于冷卻空氣至一適合精餾的溫度的冷卻裝置;和一個蒸餾柱系統，包括一個連接于冷卻裝置的精餾柱，它是用來對空氣進行精餾，從而在其中產生柱底富氧液體和柱頂富氮蒸氣;一個氬柱，用來將貧氮的氬-氧液體分離成柱底液氧和柱頂高純氬蒸氣;一個與精餾柱相連的膨脹閥，用來將由柱底富氧液體組成的富氧流膨脹到一壓力，在該壓力下富氧流的溫度下降至不高于柱頂高純氬蒸氣的冷凝溫度;一種與氬柱和膨脹閥相連的柱頂冷凝器，用來使由柱頂高純氬蒸氣組成的氬氣流通過與富氧流進行間接熱交換而冷凝結果令富氧流至少部分地蒸發為蒸氣，而冷凝成的液氬流返回進氬柱作為回流;一個氮氣提柱，在其此柱中用一種氣提氣體將氮從富氧流中氣提出來，從而產生貧氮的氬-氧液體作為柱底殘液，此氮氣提柱與柱頂冷凝器相連，在此冷凝器中富氧流至少部分地蒸發，然后在一個入口流入氮氣提柱，柱的流入口處的濃度與富氧流相容;將氮氣提柱與氬柱連接的裝置，使得氬-氧液體流能流入氬柱并且部分地蒸發產生氣提氣體;與氮氣提柱相連的氬柱，使得氣提氣體從氬柱流入氮氣提柱;在氬柱和氮氣提柱之間的一個減壓閥，用來降低進入氮氣提柱的氣提氣體的壓力，從而調節氮氣提柱的操作壓力范圍，使得氣提柱的富氧流進口處的壓力不大于膨脹后的富氧流的壓力，從而使富氧流能流入氮氣提柱，并且氬柱的操作壓力范圍高于氮氣提柱的壓力范圍，從而使氣提氣體能在二個柱之間的壓力差的作用下流入氮氣提柱;與氬柱相連的裝置，用于由柱頂高純氬蒸氣形成產品流。
6.如權利要求5所述的設備，其特征在于氮氣提柱和氬柱的連接裝置包括一根將氬-氧流從氮氣提柱引入氬柱的管道和一個將氮氣提柱提升到相對于氬柱足夠高位置的架子，后者是為了使氬-氧流有足夠的壓頭能流入氬柱。
7.如權利要求5或6所述的設備，其特征在于精餾柱和氬柱之間藉一個冷凝再沸器相連，構成熱交換關系，該冷凝再沸器使精餾柱的柱頂富氧蒸氣冷凝成液體氮，而同時使氬柱的柱底液體氧蒸發;該設備還包括一個將冷凝再沸器連接于氮氣提柱的管道，使液氮流引入氮氣提柱作為回流。
8.如權利要求7所述的設備，其特征在于此設備還包括連接于氮氣提柱和精餾柱的低溫冷卻裝置，用于使液氮流與富氧流冷卻，同時使產品氮氣流和廢棄氮氣流溫熱起來;該冷卻裝置包括一個主熱交換器，它包括4個通道第一通道連接純化裝置和精餾柱，空氣在進入精餾柱前先通過此第一通道進行冷卻;第二通道與氬柱連通，使得高純的產品氧氣流因空氣的冷卻而溫熱起來;第三和第四通道則是與低溫冷卻裝置連通，使得產品氮氣流和廢棄氮氣流在變得溫熱之后，因空氣的冷卻而充分地溫熱起來。
9.如權利要求8所述的設備，其特征在于還包括一個連接于氮氣提柱和主熱交換器的第一通道之間的渦輪膨脹機，用于使部分冷卻的空氣流在渦輪膨脹機中膨脹，然后，引入氮氣提柱以維持設備的熱量平衡。
全文摘要
一種空氣深冷分離的方法和設備，其中空氣在冷卻、壓縮和純化后精餾制成富氧液體。分離貧氮的氬-氧液體流，形成液氧流和氬蒸汽流。冷凝氬蒸汽以向氬柱提供回流。富氧液體流膨脹至一壓力，通過與氬蒸汽的冷凝進行熱交換而蒸發。富氧液體經蒸發后引入氮氣提柱，用氣提氣體將氮從中氣提出來，產生氬-氧液體，它再被引入氬柱。在預定壓力范圍內調節氮氣提柱，使氧進入氮氣提柱的進口處壓力不大于膨脹后的富氧液體壓力。氬氣從氬柱的頂部排出。
文檔編號F25J3/04GK1095155SQ9311274
公開日1994年11月16日 申請日期1993年12月16日 優先權日1993年12月16日
發明者保羅·A·斯威尼, 拉馬羌德蘭·克里西那姆爾茲 申請人:波克股份有限公司