氣體低溫分離的工藝和設備的製作方法
2023-11-04 15:28:47
專利名稱：氣體低溫分離的工藝和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣體的低溫分離，特別是一種用於臨時提供一定備用數量「第一」氣體的工藝和設備，以便在所述第一氣體分離產量下降時，維持這第一氣體從含有該第一氣體和至少一種其他氣體的氣態混合物中低溫分離出來的產量。本發明特別應用於低溫分離空氣以生產氣態氧(「GOX」)。
背景技術：
GOX可以由低溫空氣分離設備(「ASU」)製得，這種ASU可以與一些在某方面使用GOX的後續工藝相結合。例如，GOX可以用於生產合成氣體(「syngas」)，這種合成氣體是一種氫和一氧化碳的混合物，它可以用於製備高分子量的碳氫化合物和/或氧化物。Fischer-Tropsch工藝是一種適當的生產碳氫化合物的工藝。幾個ASU可以並聯生產用於後續工藝的GOX。
一些後續工藝，例如合成氣體的生產、氣化工藝和環氧乙烷的生產，需要有基本恆定的GOX產量，也就是GOX的壓力或流量必須保持在很小的範圍。這些工藝過程通常被稱為「氧-臨界過程」。因此，需要建立備用(backup)系統，以確保在由於任何原因造成GOX的壓力或流量降低的情況下，都能持續的提供GOX。就此而論，GOX產品的壓力或流量會由於ASU的某一元件的突然失靈而降低。例如，主空氣壓縮機、空氣壓縮機增壓器(如果存在的話)、空氣預淨化器、液氧(「LOX」)泵或閥門可能會失靈。
眾所周知，一般採用高壓(「HP」)LOX儲存器來提供備用的GOX。當GOX的壓力或流量低於一定水平時，液態氧從儲存器中釋放出來，在蒸餾器中氣化，在所需的特定壓力下產生備用的GOX。從低壓(「LP」)LOX儲存器中提供備用GOX的方法也是眾所周知的。當GOX的壓力或流量低於一定水平時，LOX從低壓儲存器中被抽出，通過一個或多個備用LOX泵加壓達到所需壓力，然後在蒸餾器中氣化產生備用GOX。
備用系統在收到觸發信號(例如產品供給降低的壓力)啟動。對於HP液體備用系統，觸發信號導致氧氣蒸餾器控制閥門打開。對於低壓液體備用系統，觸發信號將導致一個或每個LOX備用泵開啟達到設計工作點。然而，當蒸餾器運行時，不能立刻達到其設計的蒸餾能力。達到設計能力的時間取決於所安裝的蒸餾器的類型。通常，由於總量及裝置質量的關係，環繞式蒸餾器的反應時間要優於水浴蒸汽噴射式蒸餾器。例如，水浴噴射式蒸餾器必須持續加熱，以備其隨時使用。不幸的是，不可能一開始就推動LOX以設計速度通過加熱的蒸餾器，因為在熱備用條件下，蒸餾器的氧氣壓降會過高。蒸餾器需要時間降溫，以達到LOX在所需速率下的氣化溫度。這一過程需要最高達30秒，而在這段時間內，由於此處GOX壓力及流量的降低會導致氧-臨界工藝受到影響。
眾所周知，ASU的GOX出口接有一個GOX緩衝容器，這樣在備用系統的蒸餾器達到在線滿負荷能力的時間內，可以保證充足的GOX量，以防止出現壓力大幅下降的情況。這樣的緩衝容器可以有與管道內相同的壓力或是被加壓，在此情況下，需要加裝一個閥門，在GOX進入GOX生產線前對高壓的GOX進行降壓處理。應用緩衝器的缺點是基本資金的投入。
WO-A-99/40304(公開於1999年8月12日)包括組合式低溫空氣分離裝置/一體式氣體發生器組合循環發電系統和一種方法，該方法在需求達到峰值時，改變ASU電力消耗以達到最大淨產生功率，同時當發電系統以不同產生功率工作時保持其峰值效率。氧氣產生的速度始終保持在穩定的最佳水平，並且在電力設備的操作條件改變的過程中沒有發生較大波動。從WO-A-99/40304中的
圖1中看出，當處於額定電力需求時，ASU生產的過量液態氧被儲存到低壓蒸餾塔6底部或通過管線13轉移到容器21進行貯存，直到一體式氣體發生器組合循環系統需要較高電力的時候。
US-A-6062044(公開於2000年5月16日)披露了用液態氧儲存罐來儲存過量的液態氧，這些液態氧用於滿足需氧量的增加。
發明內容
本發明的目的之一是，提供一個可選擇的系統，該系統用於提供備用量的第一氣體，這一系統不必使用一個或多個價格昂貴的緩衝容器或者至少此類緩衝容器的體積可以大大減小。在低溫分離系統中總存在有液化的第一氣體存量(inventory)(或儲備)，通常是在蒸餾塔的蓄貯池裡。存量的大小取決於低溫分離系統的容積，但是通常蒸餾系統儲存液態氣體的量大於其本身容積，這樣在主備用系統的蒸餾器達到滿負荷運行的過程中，可以保證滿足第一氣體的需求量。發明人已發明了一種採用這種液態第一氣體資源來生產備用量的第一氣體和維持第一氣體生產水平的方法。
根據本發明提供了一種工藝，用於臨時提供備用量的第一氣體，以便當所述第一氣體的分離產量降低時，維持第一氣體從含有第一氣體或至少一種其它氣體的混合氣體中低溫分離所述第一氣體的產量，所述分離過程包括分離混合物或由此製得的混合物，在至少一個低溫蒸餾系統中生產液化的第一氣體，該系統或每個系統保留部分所述第一氣體作為存量；和在至少一個熱交換器中通過與加工蒸汽進行間接熱交換將另一部分所述液化的第一氣體氣化以生產所述第一氣體；所述工藝過程包括，在所述分離得到的第一氣體產量降低的情況下，從該或至少一個所述低溫蒸餾系統中抽出液化的第一氣體存量，氣化抽出的液化的第一氣體存量來得到所述備用量的所述第一氣體。
存量最初以高速度抽出，以滿足該第一氣體的需求量；優選地，當蒸餾系統運轉起來時，以與第一液化氣體基本相同的速度抽出。然而，當備用階段結束，速度通常將持續下降。
本發明的優點是不再需要昂貴的緩衝容器，或者可以大大的降低設備的體積，從而，本工藝的整個資本支出大大節約。
該工藝過程生產線通常在該或至少一個低溫分離系統停止生產液化的第一氣體時(或失靈)時啟動，但是在其它情況下也可以使用該工藝，例如某一生產線發生洩漏。
將抽出的液化的第一氣體存量進行氣化的至少一部分氣化功能優選由該或至少一個熱交換器的熱存量(即儲備熱)提供。該或每個熱交換器的熱端和冷端之間存在一個溫度梯度。熱交換器金屬中儲存的熱量用於氣化液化的第一氣體存量。很明顯，不希望熱交換器冷卻到其中的過冷第一氣體離開熱交換器的程度。然而，發明人認為熱交換器的金屬中不只儲存有足夠的熱量用以氣化在蒸餾器達到滿負荷運行的時間段內抽出的液化的第一氣體存量。
具體實施例方式
該工藝的一個實施方案涉及一個停止生產液化的第一氣體的低溫蒸餾系統，該工藝過程包括從低溫分離系統中抽出液化的第一氣體存量，氣化抽出的液化第一氣體存量用以生產所述備用量的第一氣體。
該工藝的另一實施方案涉及多個低溫蒸餾系統和一個停止生產液化的第一氣體的低溫蒸餾系統，該工藝過程包括，從已經停止生產液化的第一氣體的低溫蒸餾體系中抽出液化的第一氣體存量，氣化抽出的液化的第一氣體存量用以生產一定備用量的第一氣體。
在另一可選(也是目前優選)的實施方案中涉及多個低溫蒸餾系統和一個停止生產液化的第一氣體的低溫蒸餾系統。工藝過程包括從各個還沒有停止生產液化的第一氣體的低溫蒸餾系統提取液化的第一氣體存量，氣化液化的第一氣體存量用以生產所述備用量的第一氣體。為了彌補失靈的蒸餾系統對第一氣體連續生產造成的影響，可以提高從運行中的蒸餾系統中提取液化的第一氣體的速度。例如，一種實施方案中有兩個並聯的低溫分離系統，其中一個失靈，保持運行狀態的蒸餾系統生產第一氣體的速度就會超過正常生產速度的最高達100％，通常情況下，從產生這一情況到備用系統的蒸餾器達到滿負荷運行所需的時間非常短。一種實施方案中有三個低溫蒸餾系統並聯，其中一個失靈，則每個保持運行狀態的蒸餾系統生產第一氣體的速度就會超過一個蒸餾系統正常生產速度的最高達50％。同樣，速度增加通常僅持續非常短時間，直到備用系統的蒸餾器達到滿負荷運行。
在這個可供選擇的方案中，對於每個蒸餾系統，分離過程還包括壓縮所述混合物來生產壓縮混合物；把所述壓縮混合物或由此得到的混合物分離成至少兩部分；在熱交換器中通過間接熱交換方式冷卻所述壓縮混合物的第一部分，然後把得到的冷卻的第一部分輸入低溫蒸餾系統進行分離；在增壓器中進一步壓縮所述壓縮混合物的第二部分以產生深層壓縮混合物；在該或更多的熱交換器中通過間接熱交換的方式對所述深層壓縮混合物進行冷凝，然後將所得的冷凝的深層壓縮混合物輸入低溫蒸餾系統進行分離。在此實施方案中，增壓器在低於其最大運行速度情況下可以良好的工作。在此情況下，該工藝還包括，當一個低壓蒸餾系統停止生產液化的第一氣體時，可提高通過該或每個仍在運行的低溫蒸餾系統增壓器的第二部分的流量，以使通過該或每個所述運行著的低溫蒸餾系統的該或更多的熱交換器的深層壓縮混合物的流量變大，也就提供了部分氣化作用來分擔氣化抽出的液化的第一氣體存量的職責以提供所述備用量的第一氣體。
更優選是，當該或至少一個低溫蒸餾系統停止產生液化的第一氣體時，該工藝過程會自動啟動。通過這一方法，工藝過程啟動並運行的時間比採用手動啟動的方式可以大大的縮短，當然，眾所周知，該手動啟動方法也在本發明的範圍之內。
在優選實施方案中，已經貯存了備用量的液化的第一氣體，用於在所述第一氣體的分離產量降低的情況下在至少有一個蒸餾器氣化來產生該第一氣體。在此實施方案中，只有當需要該或每個蒸餾器啟動時，該程序才開始運行，充分冷卻以使液化的第一氣體在維持該第一氣體產品的輸出壓力或流量所必須的速度下氣化。
通過採用本發明的另一實施方案，整個備用系統(液體貯存器、泵(如果存在的話)、蒸餾器等等)可以被省略，或在尺寸上大大縮小。通常，如果有若干個ASU，就會有多個後續工藝單元，如果ASU中其中一個發生故障，那麼其中一個後續工藝單元就會關閉。把主要的資金消耗在液體貯存器和蒸餾設備以保證設備從ASU得到氣體的供應是不必要的。然而，其典型的特點是一個後續工藝裝置正確而安全地降低生產量並關閉需要較長的時間，例如10到30分鐘。在這段時間內，雖然處於生產量減少的階段，但是該裝置必須持續從ASU得到氣體供應。
在這段時間內，未失靈的ASU內壓縮LOX流量的增加，遠遠高於由靜水頭增加或泵送所產生的最大的穩定狀態流量。額外的壓縮Lox流量將造成ASU內液體的存量水平降低。額外的流量連同未失靈的ASU中的剩餘部分將利用主熱交換器金屬中儲存的熱量在ASU的主熱交換器中進行氣化。儘管，在氧氣產品以非常低的溫度離開ASU之前，這樣的狀態僅持續相當短的時間，該狀態所需持續的短暫時間也就是退出和關閉後續程序所用的時間。因此，在關閉的時間段內建議由未失靈的ASU來提供至少一部分備用量的氣體。
作為選擇，可以降低一個或多個後續裝置的生產能力，然而，實現降低生產能力的過程需要10到30分鐘時間，在這段時間內，總需氧量會超過運行ASU的最大連續生產能力。
該工藝已經應用於特定的空氣低溫分離，其中空氣是氣體混合物，第一氣體是氬、氮，或者特別是氧氣。然而，本發明也應用於其它混合氣體的低溫分離，在該分離過程中，液體產品在冷凍箱中分離，然後在冷凍箱中氣化並以氣態產品的形式排出。該分離工藝的例子包括分離一氧化碳和甲烷的混合物；在氮氣抑制裝置中從甲烷中分離氮氣，在該分離工藝過程中，富含甲烷的原料流在主熱交換器中依靠冷凝的(未升壓)原料流進行氣化，然後在一個氫/一氧化碳(「HYCO」)設備中從一氧化碳中分離氮氣，在該設備中有一個分離塔，用於從一氧化碳中分離氮氣，結果是CO以液態產出，並在主熱交換器中氣化。
下面是參考本發明目前優選方案的附圖，作為例子進行說明。在圖中，圖1是對本發明優選方案中用於從兩個並聯的ASU中生產用於合成氣體生產的GOX的概括性示意描繪。
參考圖1，GOX從兩個ASU2和4中產生。由第一個ASU2產生的GOX流6與來自第二個ASU4的GOX流8會合，會合後所形成的GOX流10被分成兩部分12和14，第一部分12供給第一個合成氣體生產裝置16，第二部分14供給第二個合成氣體生產裝置18。
如果氣流10中GOX流的壓力或流量降低，可提供一套備用系統用以生產備用GOX。通過氣化貯存在LOX貯存容器20中的LOX產生備用的GOX。如果需要，LOX可作為氣流22從貯存容器中抽出，抽運到泵24中以產生抽運LOX流26。抽運的LOX流26供給射流式水浴蒸餾器28，該設備的蒸汽由蒸汽流30供應，新氣化的GOX流32以氣流36通過壓力控制閥34供給GOX流10。然而，如果LOX儲存器20在適宜的高壓下運行，則泵24就不需要了。
備用系統通過控制系統實現在線啟動。通常狀況下，流量控制器46和48監控由ASU2和4產生的氧氣量，並傳送控制信號42和44來調節進入ASU2和4的空氣流量，以滿足客戶需氧量。
當客戶需氧量下降到低於ASU2和4的最小生產能力時，流量控制器60和62傳送控制信號62和64來打開GOX排放閥66和68，然後將多餘的GOX經過出口消音器70和72排入大氣中。
壓力傳感器50和52分別監控氣流6和8中GOX的壓力。如果GOX產品流6和8中的某個流的壓力降低，控制信號54和56就會被傳送到ASU2和4來提高從蒸餾系統中抽出的LOX的壓力。如果通過使用裝置2和4中的LOX泵實現了壓力的提高的話，則控制信號54和56就會調整泵的輸出量。如果通過ASU2和4提高LOX的靜水頭來實現提高壓力的話，則控制信號54和56就會調節由蒸餾系統輸出的LOX管線上的控制閥門。
壓力控制器74監控氣流10中GOX壓力。如果氣流10中GOX的壓力下降，控制信號76和78就會被傳送至控制閥80和82以調節氣流10中GOX流量。壓力控制器84也是用來監控氣流10中GOX的壓力的。壓力控制器84的壓力控制點低於控制器74的控制點。如果壓力低於控制器84的控制點，控制信號86就會被傳送至閥門34從而使閥門打開以允許儲存的Lox的來自蒸餾器28中的Gox進入氣流10中，並維持氣流10中GOX的壓力。
流量控制器88和90分別用來監控氣流12和14中GOX的流量。如果GOX的流量與控制器88和90的設置點不同，則控制信號92和94被傳送到流量控制閥門96和98從而相應調節GOX的流量。流量控制器88和90設置的控制點由產生合成氣體的設備16和18的控制系統決定。如果某個合成氣體生成裝置失靈，失靈信號100和102就會被傳送到ASU2和4以啟動ASU中其中一個的關閉程序。
如果ASU2和4中的一個失靈並停止產生LOX，失靈信號38和40就會被傳送到備用系統。這個失靈信號會立刻啟動備用泵24達到其設計的運行狀態，同時還會在撤消閥門對壓力控制器84的控制之前打開備用控制閥門34到預定的位置。
如果ASU2和4中的一個失靈並停止生產GOX，一種實施方案是失靈信號(未畫出)被傳送至處在運行狀態中的ASU中的附屬LOX泵(未畫出)，該泵通常保持著低溫。附屬泵開始泵送蒸餾系統(未畫出)中的LOX存量來提高通過熱交換器(未畫出)的LOX的流量，從而提高ASU生產的GOX的產量至少直到備用系統的蒸餾器28達到在線滿負荷運轉。另一種實施方案是失靈信號(未畫出)將會被傳送至處在運行狀態中的ASU的加大的Lox泵，以便從蒸餾系統中泵送更多的Lox存量通過熱交換器以生產更多的GOX，同樣至少要到備用系統的蒸餾器28達到在線滿負荷運轉。
雖然，已經特別參考從空氣分離過程中生產氧氣的工藝過程對本工藝進行了討論，但應理解像先前所認為那樣，該工藝可應用於採用低溫分離工藝生產任何氣體。
權利要求
1.一種用於臨時提供備用量第一氣體的方法，該方法在分離而得所述第一氣體的產量減少的情況下用來保持從含有第一氣體和至少一種其它氣體的氣體混合物中低溫分離而得第一氣體產量，所述分離包括分離混合物或由此製得的混合物，在至少一個低溫蒸餾系統中生產液化的第一氣體，該或每個系統保留部分所述液化的第一氣體作為存量；和在至少一個熱交換器中通過與加工蒸汽進行間接熱交換將另一部分所述液化的第一氣體進行氣化以生產所述第一氣體；所述工藝包括，在所述第一氣體的分離產量降低的情況下，從該或至少一個所述低溫蒸餾系統中抽出液化的第一氣體存量，並氣化抽出的液化的第一氣體存量以生產所述備用量的第一氣體。
2.根據權利要求1的方法，其中當該或至少一個低溫分離系統停止生產液化的第一氣體時該工藝啟動。
3.根據權利要求1或權利要求2的方法，其中用於氣化所述抽出的液化的第一氣體存量的至少一部分氣化作用是通過該或至少一個熱交換器所儲存的熱量來提供的。
4.根據權利要求1到權利要求3中任一項的方法，其中有一個低溫蒸餾系統，並且所述系統停止生產液化的第一氣體，所述工藝包括從所述低溫蒸餾系統中抽出液化的第一氣體存量，並氣化抽出的液化的第一氣體存量來生產所述備用量的第一氣體。
5.根據權利要求1到權利要求3中任一項的方法，其中有多個的低溫蒸餾系統並且其中一個所述低溫蒸餾系統停止產生液化的第一氣體，所述工藝包括從已經停止生產液化的第一氣體的低溫蒸餾系統中抽出液化的第一氣體儲量，並氣化抽出的液化的第一氣體存量來產生所述備用量的第一氣體。
6.根據權利要求1到權利要求3中任一項的方法，其中有多個的低溫蒸餾系統並且其中一個所述低溫蒸餾系統停止產生液化的第一氣體，所述工藝包括從並未停止生產液化的第一氣體的該或每個低溫蒸餾系統中抽出液化的第一氣體存量，並氣化抽出的液化的第一氣體存量來產生所述備用量的第一氣體。
7.根據權利要求6的方法，其中對於每個低溫蒸餾系統，所述分離還包括壓縮所述混合物以生產壓縮混合物；把所述壓縮混合物或由此製得的混合物至少分成兩部分；在熱交換器中通過間接熱交換的方式冷卻第一部分，然後把冷卻後的第一部分供給低溫分離系統進行分離；將第二部分壓縮混合物在增壓器中壓縮以產生深層壓縮混合物；在該或更多的熱交換器中通過間接熱交換的方式冷卻和凝聚所述深層壓縮混合物，然後把得到的冷卻和凝聚的深層壓縮混合物供給低溫蒸餾系統進行分離，所述工藝還包括，當所述的低溫蒸餾系統中的一個停止生產液化的第一氣體時，增加通過每個保持工作狀態的低溫蒸餾系統中的增壓器的第二部分的流量，結果是增加了通過每一運行著的低溫蒸餾器系統的所述或另外的熱交換器的深層壓縮混合物的流量，提供了氣化所述抽出的液化的第一氣體存量來提供所述備用量的第一氣體所需的一部分氣化作用。
8.根據權利要求1到權利要求7中任一項的方法，其中當該或至少一個低溫分離系統停止生產液化的第一氣體時，工藝自動啟動。
9.根據權利要求1到權利要求8中任一項的方法，其中儲存液化的第一氣體，用於在所述第一氣體的分離產量下降時在至少一個蒸餾器中氣化生產備用量的第一氣體，所述工藝只有在需要該或每個蒸餾器在線運轉時才開始運行。
10.根據權利要求1到權利要求8任何一項的方法，其中第一氣體在多個低溫蒸餾系統中產生，然後供給多個後續工藝設備，所述工藝只有在當一個蒸餾設備停止產生液化的第一氣體從而需要關閉一個後續工藝設備時才開始運行。
11.根據權利要求1到權利要求10中任一項的方法，其中氣態混合物是空氣，第一氣體是氧氣、氮氣或氬氣中的一種。
12.根據權利要求11的方法，其中氣態混合物是空氣，第一氣體是氧氣。
13.一種參考附圖大體上如文中所述的工藝。
全文摘要
臨時提供備用量「第一」氣體，以便當所述第一氣體的分離產量降低時，維持從包含第一氣體和至少一種其它氣體的氣態混合物中低溫分離該第一氣體的產量。分離包括分離混合物或由此製得的混合物，在至少一個低溫蒸餾系統中生產液化的第一氣體，該或每個系統保存一部分所述液化的第一氣體作為存量，然後在至少一個熱交換器中通過與加工蒸汽進行間接熱交換將另一部分所述液化的第一氣體氣化以生產所述第一氣體。如果所述第一氣體的分離產量下降，液化的第一氣體存量被從該或多個所述低溫蒸餾系統中抽出，然後氣化以產生所述備用量的第一氣體。本發明特別應用於從空氣中分離氣態氧(「GOX」)的生產。
文檔編號F25J3/04GK1493835SQ03158099
公開日2004年5月5日 申請日期2003年8月19日 優先權日2002年8月20日
發明者D·P·奧康納, D P 奧康納, R·J·安德魯, 安德魯, C·蘇吉特 申請人:氣體產品與化學公司