用于生产富氧空气的低温回流冷凝器系统 本发明主要涉及用于生产低纯度产物的没有应用塔的空气分离。
富氧空气具有广泛的用途，如在炉子操作和化学氧化处理中的应用。虽然低纯度的氧气可采用带有精馏塔的系统生产，然而这类系统用于生产富氧空气通常是不经济的。可采用带有回流冷凝器的系统生产富氧空气，但要求采用回流冷凝器生产富氧空气比已知的那些系统具有改进的效率。
因此，本发明的一个目标是提供一种用于生产富氧空气的回流冷凝器系统，所述系统的操作比传统的回流冷凝器系统具有改进的效率。
通常人们还需要在生产富氧空气的生产设备中顺便生产低纯度的氮气以致在使用富氧空气的地方应用所述低纯度的氮气以钝化、干燥或形成保护层。
因此，本发明的进一步目标是提供用于生产富氧空气的回流冷凝器系统，所述系统的操作比传统的回流冷凝器系统具有改进的效率并且还可有效地生产低纯度的氮气。
本领域的技术人员通过阅读本公开会理解本发明实现的上述目标和其它目标，本发明的一个方面包括：
生产富氧空气的方法，包括：
(A)将进料空气分成占所述进料空气的25至45％地第一部分和占所述进料空气的55至75％的第二部分；
(B)将所述进料空气的第一部分输送通过第一再生炉，在那里将所述第一部分冷却和净化分离出高沸点的杂质，和将所述进料空气的第二部分输送通过第二再生炉，在那里将所述第二部分冷却和净化分离出高沸点的杂质；
(C)将经过冷却和净化的进料空气的第一和第二部分输送进入并向上输送至具有冷凝旁侧和蒸发旁侧的回流冷凝器的冷凝旁侧上，冷凝一部分所述向上流动的进料空气以形成第一蒸气部分和第一液体部分；
(D)将所述第一液体部分输送进入并向下输送至所述回流冷凝器的蒸发旁侧上，蒸发一部分所述向下流动的第一液体部分以形成第二蒸气部分和第二液体部分；和
(E)蒸发所述第二液体部分并回收所得的蒸发的第二液体部分作为富氧空气产物。
本发明的另一方面为：
生产富氧空气的设备，包括：
(A)至少两个第一再生炉，至少两个第二再生炉，提供进料空气至所述第一再生炉的设备，和提供进料空气至所述第二再生炉的设备；
(B)主热交换器，用于将进料空气从所述第一再生炉输送至所述主热交换器的设备，和用于将进料空气从所述第二再生炉输送至所述主热交换器的设备；
(C)具有蒸发旁侧和冷凝旁侧的回流冷凝器，用于将进料空气从所述主热交换器输送进入所述回流冷凝器的冷凝旁侧的设备，和用于将从所述回流冷凝器的冷凝旁侧出来的流体输送进入所述回流冷凝器的蒸发旁侧的设备；
(D)用于将从所述回流冷凝器的冷凝旁侧出来的流体输送至所述主热交换器和从所述主热交换器出来的流体输送至所述第二再生炉的设备；和
(E)用于将从所述回流冷凝器的蒸发旁侧出来的流体输送至所述主热交换器和从所述主热交换器出来的流体输送至所述第一再生炉的设备，和用于从所述第一再生炉回收富氧空气产物的设备。
如在这里使用的术语“进料空气”是指主要含有氮气和氧气的混合物(如周围空气)。
如在这里使用的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀器”分别是指用于将高压气体流动通过涡轮以降低所述气体的压力和温度的方法和装置。
如在这里使用的术语“间接热交换”是指进行两种流体没有直接接触的或所述流体彼此间没有互相混合的热交换反应。
如在这里使用的术语“再生炉”是指周期性可逆的热交换器，气体以交替方式流过所述热交换器和其中输送的热临时贮存在具有高热容量的填充材料中。
如在这里使用的术语“回流冷凝器”是指热交换装置，该装置具有很多垂直方向的蒸气从其底部流向其顶部的细管或通道(准确地命名为所述回流冷凝器的冷凝旁侧)和很多垂直方向的液体从其顶部流向其底部的细管或通道(准确地命名为所述回流冷凝器的蒸发旁侧)。每一根冷凝管或通道与至少一根蒸发管或通道为热交换关系，这样上升通过所述冷凝管或通道的蒸气通过与往下流过所述蒸发管或通道的液体的间接热交换而被部分冷凝，而所述液体则被部分蒸发。
图1代表本发明的一个优选的实施方案的流程图，其中应用进料空气的涡轮膨胀以提供必需的低温。
图2代表本发明的另一个优选的实施方案的流程图，其中应用废料流体的涡轮膨胀以提供必需的低温。
通过参照附图将对本发明进行非常详细的描述。现在参照图1，通常将进料空气60输送通过压缩机30压缩至45至70磅/平方英寸(绝对压力，psia)的压力。将得到的压缩进料空气61输送通过后冷却器1冷却压缩产生的热，并将所得的进料空气62分成占进料空气62的25至45％，优选30至40％的第一部分64和占进料空气62的55至75％，优选60至70％的第二部分。将第一进料空气部分64输送通过至少两个第一再生炉(在图1说明的本发明的实施方案中为再生炉2和3)的其中一个，和将第二进料空气部分63输送通过至少两个第二再生炉(在图1说明的本发明的实施方案中为再生炉4和5)的其中一个。为了本发明的讨论，可设想所述进料空气被输送通过再生炉2和4而返回流被输送通过再生炉3和5，同时应明白这种流动是周期性变换的，即所述进料空气通过再生炉3和5输送而返回流通过再生炉2和4输送。
继续参照图1，首先将第一进料空气部分64在管道65中输送通过阀66和管道67和68至第一再生炉2。在上述的交替操作方式中，将第一进料空气部分64在管道73中输送通过阀74和管道75和76至第一再生炉3。在所述第一再生炉中将所述第一进料空气部分冷却并净化分离出高沸点的杂质如二氧化碳和水蒸汽，这些杂质在所述第一再生炉的内部冷凝并滤出。随后将经过冷却、净化的进料空气第一部分95输送通过管道96，阀108和管道107形成进料空气流109。在交替操作方式中，经过冷却、净化的进料空气第一部分100将被输送通过管道104，阀105和管道106形成进料空气流109。
将第二进料空气部分63在管道21中输送通过阀81和管道82和84至第二再生炉4。在交替操作方式中，将第二进料空气部分63在管道86中输送通过阀87和管道88和93至第二再生炉5。在所述第二再生炉中将所述第二进料空气部分冷却并净化分离出高沸点的杂质如二氧化碳和水蒸汽，这些杂质在所述第二再生炉的内部冷凝并滤出。随后将经过冷却、净化的进料空气第二部分110输送通过管道111，阀118和管道119形成进料空气流123。在交替操作方式中，经过冷却、净化的进料空气第二部分115将被输送通过管道120，阀121和管道122形成进料空气流123。
将第一进料空气部分109和第二进料空气部分123输送通过(至少部分输送通过)主热交换器6并随后将全部进料空气输送进入回流冷凝器7中(该设备具有冷凝旁侧和蒸发旁侧，在图1中以冷凝旁侧22和蒸发旁侧23代表性的方式说明)。在图1说明的本发明的优选的实施方案中，将第一进料空气部分109和第二进料空气部分123合并形成进料空气流124。将进料空气流124的一部分125输送通过主热交换器6，在其中通过与返回流的间接热交换冷却并部分冷凝，从主热交换器6出来为流128，输送通过阀129形成流130。通过将进料空气流124的另一部分126输送通过涡轮膨胀器31以产生制冷作用。将所得具有制冷作用的进料空气流127与流130合并形成包括所述进料空气的第一和第二部分的流131并将其输送进入回流冷凝器7的冷凝旁侧。
将进料空气流131的液体部分输送至冷凝旁侧22的底部，而蒸气部分在冷凝旁侧22中向上输送并通过与在回流冷凝器7的蒸发旁侧23的往下流的液体的间接热交换逐渐地部分冷凝形成第一蒸气部分和第一液体部分。将所述第一液体部分输送至冷凝旁侧22的底部，在那里与存在的液体合并并在流132中输送通过阀133和管道134进入回流冷凝器7的冷凝旁侧23，在那里形成前述的往下流液体。
将第一蒸气部分从回流冷凝器7的冷凝旁侧22移出在流24中并输送通过管道136、阀137和管道138和139至并通过主热交换器6，在那里通过与所述进行冷却的进料空气间接热交换加热。
将所得的流140输送通过阀117和管道116和115至第二再生炉5中，在其中所述流用于吸收滤出的低沸点杂质和用于冷却所述第二再生炉以使其准备在交替方式中接收进料空气。所得的含杂质蒸气从第二再生炉5出来在管道93中并在管道89中输送通过阀90和管道91和92而输送出系统。在交替操作方式中，流140将在管道114中输送通过阀113和管道112和110进入第二再生炉4，出来后作为含杂质的蒸气在管道84中并随后在管道83中输送通过阀85和管道94和92而输送出系统。
在图1中说明的实施方案为优选的实施方案，其中将所述第一蒸气部分的一部分作为低纯度氮气产物回收。现在参照回图1，将所述第一蒸气部分的一部分在流144中输送通过主热交换器6，在其中通过与进料空气的间接热交换加热，将从那里出来的流145输送通过所述第二再生炉中的内盘螺管。在图1说明的本发明的实施方案中，将流145的一部分146输送通过第二再生炉4，出来后形成流147，与流145中输送通过第二再生炉5的剩余部分结合形成流148，将其回收作为具有氮气浓度为95至99.9％(摩尔)的低纯度氮气流体产物回收。
在流134中输送进入回流冷凝器7的蒸发旁侧23的液体在蒸发旁侧23中往下流动并部分蒸发以实现前述的冷凝旁侧22的部分冷凝作用，导致形成第二蒸气部分和第二液体部分。如在图1中说明，将所述第二蒸气部分从蒸发旁侧23移出在流135中并优选与流138合并形成流139，如前述作进一步处理。
将第二液体部分从回流冷凝器7的蒸发旁侧23中移出在流141中并输送通过主热交换器6，在那里通过与进料空气的间接热交换蒸发。将所得的蒸气流142在管道103中输送通过阀102和管道101和100至第一再生炉3，在那里吸收前面滤出的低沸点杂质，出来后在管道76中。从那里将其输送通过管道77，阀78和管道79至管道72并作为含有氧气浓度为35至65％(摩尔)的流体的富氧空气产物回收。如果需要，可将部分或全部流72与空气结合生产具有比在流72中的流体的氧气浓度稍低的富氧空气产物。在交替操作方式中，将流142在管道99中输送通过阀98和管道97和95进入第一再生炉2，在那里吸收低沸点杂质和从那里出来后在管道68中并在管道69中输送通过阀70和管道71成为流72作为产物回收。
图2说明本发明的另一个实施方案，其中用于所述进料空气的低温处理的制冷作用是通过废料流的涡轮膨胀产生。在图2中的共同元件的编号与图1中的那些相同，这里不再对这些共同元件进行详细描述。现在参照图2，将进料空气流124的全部输送通过主热交换器6，在那里通过与返回流的间接热交换将其冷却和部分冷凝。将所得的进料空气流128输送进入回流冷凝器7的冷凝旁侧22中。通过将第一蒸气部分136输送通过主热交换器6加热，将出来后的流25经输送通过涡轮膨胀器26的涡轮膨胀产生制冷作用。将所得的经过涡轮膨胀的具有制冷作用的流27与流135合并形成流28。将流28输送通过主热交换器6，在那里加热由此将制冷作用转移用于所述进料空气的处理。随后将所得的第一蒸气流140结合前述图1说明的本发明的实施方案的方法处理。
虽然已经参照某些优选的实施方案对本发明进行了详细的描述，本领域中的技术人员会认识到在权利要求书的宗旨和范围内还存在其它的实施方案。