[12]發(fā)明專利申請公布說明書

[21]申請?zhí)?00680050272.6

[51]Int.CI.

F25J 3/04 (2006.01)

[43]公開日2009年1月21日[22]申請日2006.10.31[21]申請?zhí)?00680050272.6

[30]優(yōu)先權(quán)

[32]2005.11.09 [33]US [31]11/269,662[86]國際申請PCT/US2006/042421 2006.10.31[87]國際公布WO2007/055965 EN 2007.05.18[85]進入國家階段日期

2008.07.02

[11]公開號CN 101351681A

[74]專利代理機構(gòu)中國專利代理()有限公司

代理人林毅斌 韋欣華

[71]申請人普萊克斯技術(shù)有限公司

地址美國康涅狄格州

[72]發(fā)明人H·R·肖布 T·A·斯凱爾 J·H·法斯

鮑夫 D·H·梅 S·A·斯普里格斯

權(quán)利要求書 1 頁 說明書 8 頁 附圖 3 頁

[]發(fā)明名稱

空氣分離裝置設計方法

[57]摘要

一種設計低溫空氣分離裝置的方法，其中通過如下設計適合某一分類的具體裝置：首先采用該分類的至少一個初步設計子系統(tǒng)(107，108)形成基礎(chǔ)系統(tǒng)(B)，然后通過將針對該具體裝置特別設計的至少一個輔助子系統(tǒng)(A)添加到所述基礎(chǔ)系統(tǒng)(B)來完成該設計。

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權(quán) 利 要 求 書

第1/1頁

1.一種設計低溫空氣分離裝置的方法，所述方法包括： (A)從一套裝置分類中選定裝置分類；

(B)給所選定的裝置分類確定一組初步設計的子系統(tǒng)； (C)通過選擇至少一個初步設計的子系統(tǒng)，形成低溫空氣分離裝置的基礎(chǔ)系統(tǒng)，來開始對所選定裝置分類內(nèi)具體低溫空氣分離裝置進行設計；和

(D)通過給所述基礎(chǔ)系統(tǒng)添加輔助系統(tǒng)來完成所述低溫空氣分離裝置的設計，所述輔助系統(tǒng)包括針對所述低溫空氣分離裝置特別設計的至少一個子系統(tǒng)。

2.權(quán)利要求1的方法，其中所述基礎(chǔ)系統(tǒng)包括空氣預純化系統(tǒng)。 3.權(quán)利要求1的方法，其中所述基礎(chǔ)系統(tǒng)包括主換熱器。 4.權(quán)利要求1的方法，其中所述基礎(chǔ)系統(tǒng)包括低溫蒸餾塔。

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說 明 書

第1/8頁

空氣分離裝置設計方法

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]總地來說，本發(fā)明涉及低溫空氣分離，更具體地講，涉及設計低溫空氣分離裝置。背景技術(shù)

[0002]低溫空氣分離裝置是非常復雜的處理裝置，包括許多不同單元和子系統(tǒng)如蒸餾塔、冷凝器、再沸器、預純化系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、液泵、換熱器、儲罐、過程控制系統(tǒng)、建筑物和其它基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。因此，低溫空氣分離裝置的設計是復雜，因而也是高成本的工作，除了設備和建設費用外，這種設計大大增加了裝置的總成本。這是因為大多數(shù)情況下每個具體低溫空氣分離裝置必須經(jīng)過特別設計。已建立的低溫空氣分離裝置的現(xiàn)有設計很少恰好適用于建立一種新的低溫空氣分離裝置?？蓽p少新低溫空氣分離裝置設計的復雜性、時間和費用的所有方法將非常有用。發(fā)明概述

[0003]一種設計低溫空氣分離裝置的方法，所述方法包括： (A)從一套裝置分類中選定裝置分類；

(B)給所選定的裝置分類確定一組初步設計的子系統(tǒng)； (C)通過選擇至少一個初步設計的子系統(tǒng)，形成低溫空氣分離裝置的基礎(chǔ)系統(tǒng)，來開始所選定裝置分類內(nèi)具體低溫空氣分離裝置的設計；和

(D)通過給所述基礎(chǔ)系統(tǒng)添加輔助系統(tǒng)來完成所述低溫空氣分離裝置的設計，所述輔助系統(tǒng)包括針對所述低溫空氣分離裝置特別設計

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200680050272.6說 明 書 第2/8頁

的至少一個子系統(tǒng)。

[0004]本文中所用的術(shù)語“初步設計的子系統(tǒng)”是指包括多個工程部件

的配置且其中各工程部件連接到所述子系統(tǒng)的至少一個其它工程部件。

[0005]本文中所用的術(shù)語“工程部件”是指實施作為整個過程一部分的

至少一個處理步驟的完全設計單元，所述整個過程包括熱交換、蒸餾、壓縮和/或純化。工程部件的實例包括進料預處理單元(例如預純化器)、蒸餾塔、再沸器/冷凝器、換熱器、直接接觸冷卻器、冷凍器、液泵、氣體壓縮器、冷卻水塔、流體膨脹機、過程控制單元、儲液容器、發(fā)動機和電氣開關(guān)。

[0006]本文中所用的術(shù)語“完全設計的”是指已經(jīng)完成了設計工作，如

建筑材料說明、處理設備尺寸和選型、主閥尺寸和選型、設備配置和所有永久支撐和負荷的定位、工藝管道尺寸和布線、工藝儀表和控制說明、過程分析儀選型和說明、排氣口和卸壓設備尺寸和說明、排泄閥和主管尺寸和說明、套管尺寸和說明、靜態(tài)和工作重量估計和運輸概要。

[0007]本文中所用的術(shù)語“相連的”是指通過物料傳輸、能量傳輸和/或數(shù)據(jù)傳輸而相關(guān)的。附圖簡述

[0008]圖1是受益于應用本發(fā)明方法的一個低溫空氣分解裝置實施方案的簡化示意圖。

[0009]圖2是可與圖1所示裝置一起使用的初步設計子系統(tǒng)的示意圖。

[0010]圖3是可與圖1所示裝置一起使用的另一初步設計子系統(tǒng)的示意圖。

[0011]附圖中的編號對共同元件而言相同。

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詳述

[0012]本發(fā)明方法中，根據(jù)具體要求如裝置尺寸，即生產(chǎn)能力、產(chǎn)品構(gòu)成(氧氣、氮氣、氬氣和/或干凈干空氣等)、產(chǎn)品種類(氣體和/或液體)、產(chǎn)品規(guī)格(純度和/或壓力)和位置(輔助需求、環(huán)境條件、局部因素等)確定低溫空氣分離裝置分類。所需低溫空氣分離裝置適合一種分類，并通過將針對該分類的至少一個初步設計的子系統(tǒng)與針對該具體低溫空氣分離裝置特別設計的一個或多個子系統(tǒng)組合來進行設計。 [0013]在本發(fā)明實施中，將基礎(chǔ)系統(tǒng)定義成包括至少一個，優(yōu)選兩個或多個初步設計的子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)通常滿足不同相關(guān)需求例如產(chǎn)品種類和純度。將輔助系統(tǒng)定義成包括一個或多個特別設計的子系統(tǒng)以提供完整裝置。例如所述基礎(chǔ)系統(tǒng)可提供空氣壓縮、預純化、熱交換、冷凍供應、低溫蒸餾、冷凝/再沸、液體泵輸、液化、過程控制；而輔助系統(tǒng)可提供產(chǎn)品壓縮、液體儲存、開關(guān)設備和變壓器、冷卻水、發(fā)動機控制、建筑物和其它基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。所有基礎(chǔ)系統(tǒng)可在預定條件下運行，具體應用要求將在容許限度內(nèi)。通常輔助系統(tǒng)將針對與產(chǎn)品規(guī)格或位置因素有關(guān)的具體應用要求。這些可包括產(chǎn)品純度、壓力、輔助需求或冷卻水需求等因素?；A(chǔ)系統(tǒng)的工程工作完成后，其可再用于所有具有類似要求的所有具體應用。

[0014]將參考附圖對本發(fā)明作出更具體的描述和舉例說明。現(xiàn)在參考圖1-3，來自空氣吸濾機的環(huán)境空氣61在主空氣壓縮機102中經(jīng)過壓縮，所述空氣壓縮機102通過發(fā)動機103驅(qū)動。所得空氣流63在冷卻器104中冷卻，冷卻流在去濕系統(tǒng)105中脫除自由水。然后將所得高壓空氣流5進料至預純化系統(tǒng)107，所述預純化系統(tǒng)是連續(xù)運行的兩床變壓吸附(PSA)過程。一個床純化除去流5中空氣所含的水、二氧化碳和大多數(shù)烴，而另一個床被廢氮氣流47再生。再生床的存在物作為廢物流50離開預純化系統(tǒng)107。然后預純化空氣流6進入濾塵器(沒有顯示)以除去所有殘存固體顆粒。無塵預純化空氣流分流成流8和11并分別在壓縮機109和113中壓縮。后冷卻器110和114

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除去所得空氣流中的壓縮熱。壓縮機109和113、渦輪117和發(fā)動機116可配置成單一部件或作為其中一個或多個的組合。如果渦輪117產(chǎn)生的功不足以驅(qū)動壓縮機109和113時，發(fā)電機116可提供附加能量。同樣，如果渦輪117產(chǎn)生比壓縮機109和113所需更多的功，發(fā)動機116將超額動力從系統(tǒng)除去。

[0015]主換熱器115中，流15逆著沸騰氧產(chǎn)品和加熱氮氣冷凝，從這里其作為過冷液體空氣流17離開主換熱器115的冷端。流17分流成流19和20。將流19在底部幾級以上位置進料至中壓塔118，而流20進料至低壓塔121中部。流10在主換熱器115中冷卻并在中間點離開主換熱器115。然后將冷卻的空氣流16進料至膨脹渦輪117，所述膨脹渦輪提供所述裝置所需的冷凍。然后將渦輪排出空氣流18進料至中壓塔118的底部。在塔118中通過低溫精餾將空氣分離成富氧和富氮部分。將富氧液體21從塔底除去并輸送到換熱器120，在此其逆著加熱氮氣冷卻并作為過冷液體26離開所述換熱器。過冷富氧液流26分流成流27和33。將流27在流20進料點以下但塔底以上直接進料至低壓塔121。將流33進料至冷凝器/再沸器122的沸騰側(cè)，其在此部分蒸發(fā)。富氧蒸氣和液流29和30離開冷凝器/再沸器122并進料至低壓塔121的中間點，低于流27進入該塔的位置。

[0016]富氮蒸氣22離開中壓塔118的頂部并進入冷凝器/再沸器119的冷凝側(cè)。流22在塔121中逆著蒸發(fā)塔底液液化。離開冷凝器/再沸器119的液氮23分流成兩股流；流24作為回流返回塔118并將流25輸送至換熱器120。流25逆著加熱氮氣過冷。過冷液氮流31分流成兩股流；流32在頂部或頂部附近進入低壓塔121并將流28輸送到液氮儲存容器127。

[0017]低壓蒸餾塔121進一步將其進料流分離成富氧和富氮部分。將富氧液流34從塔121底部移走，在此其分流成兩股流；將流35進料至液氧儲存容器125并將流36進料至低溫氧泵124且提高到一定壓力，使其在主換熱器115中沸騰。將高壓液流37進料至主換熱器115

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的冷端，在此其逆著冷凝高壓空氣流15受熱并沸騰。熱的高壓氧蒸氣產(chǎn)品48離開主換熱器115的熱端。

[0018]將蒸氣流38從低壓塔121的中間點移走并進料至氬氣塔123的底部。液流39離開氬氣塔123的底部并在流38的回收位置返回低壓塔121。將富氬液流40從氬氣塔123的頂部移走并進料至液氬儲存容器126。同樣，富氬蒸氣流41離開氬氣塔123的頂部并進料至冷凝器/再沸器122的冷凝側(cè)。富氬液流42離開冷凝器/再沸器122并作為回流返回氬氣塔123的頂部。

[0019]將兩股富氮流從低壓塔121的頂部排出。產(chǎn)品富氮蒸氣44離開低壓塔121的頂部，進料至換熱器120，逆著冷卻流受熱并作為過熱氮蒸氣產(chǎn)品流46離開。將廢富氮蒸氣43在頂部以下幾級從低壓塔121移走，進料至換熱器120，逆著冷卻流受熱并作為過熱氮蒸氣廢流45離開。將過熱氮氣流45和46都進料至主換熱器115的冷端，在此它們逆著冷卻空氣流受熱并從主換熱器115離開分別形成廢物流47和產(chǎn)品流49。

[0020]如上所述，將熱的富氮廢物流47進料至預純化容器107，以使一個PSA床再生。如果希望氮產(chǎn)品具有較高壓力，在壓縮機134(通過發(fā)動機135驅(qū)動)壓縮以形成氮產(chǎn)品53。如果氧氣在其最終輸送壓力以下沸騰，則將其在氧壓縮機129(通過發(fā)動機130驅(qū)動)中壓縮以形成氧產(chǎn)品51。

[0021]在本發(fā)明一個實施方案中，所述基礎(chǔ)系統(tǒng)包括兩套預造和完全設計部件(子系統(tǒng))107和108。第一子系統(tǒng)107(圖2)包括處理流5和生產(chǎn)流6所需的所有設備。不考慮任何產(chǎn)品構(gòu)成變化或進一步空氣壓縮要求，所述裝置這部分的設計對于具有類似空氣生產(chǎn)量需求的每個具體應用是通用的。該子系統(tǒng)包括處理設備、相連閥、管道、分析儀、電氣連接和除去空氣中污染物所需的其它基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

[0022]第二子系統(tǒng)108(圖3，低溫處理單元)包括空氣分離裝置冷段如冷箱中的內(nèi)容。同樣，所述裝置這部分的設計對于具有類似產(chǎn)品需求

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200680050272.6說 明 書 第6/8頁

的應用是通用的。該預造和完全設計子系統(tǒng)中的設備包括蒸餾塔118、121和123、冷凝器/再沸器119和122、換熱器115和120、用于將這些設備連接在一起的所有相連閥和管道、分析儀和所有必須的電氣連接。

[0023]任何裝置分類中，完善所述裝置所需但不包含于基礎(chǔ)系統(tǒng)中的那些子系統(tǒng)屬于輔助系統(tǒng)。由于產(chǎn)品構(gòu)成、純度、輸送壓力和位置問題的不同，各輔助系統(tǒng)是定制設計的，而不是以無效方式運行所述裝置。例如，一個裝置可能由于其位置偏遠而需要更多的液體儲備，因此優(yōu)選定制設計儲存容器125、126和127以超標準設計所述容器來符合所有液造并將其包括于基礎(chǔ)系統(tǒng)中。同樣，將定制設計各應用的主膨脹渦輪117以滿足各具體應用的制液需求的不同。如另一實施例，如果一種應用需要以另一應用壓力的兩倍來輸送氧產(chǎn)品，則將定制設計各裝置的壓縮機113和130和泵124。另一變化中，如果液體空氣流17具有對于某特別應用足夠高的壓力，那么有利的是采用液體渦輪(沒有顯示)來在將液體進料至所述兩個塔之前對其產(chǎn)生額外的制冷。因此，所述液體渦輪將為該不同應用輔助設備的一部分。 [0024]表1示例了圖1中所示空氣分離處理裝置分類的4個不同裝置。該表僅列出了通過實施本發(fā)明來形成完整裝置所需的某些子系統(tǒng)。第1列中列出的圓括號中的數(shù)字對應圖1中的編號。就裝置子系統(tǒng)和/或工藝變量而言該表是不詳盡的，因為本發(fā)明存在許多應用方式。將裝置子系統(tǒng)分類成屬于基礎(chǔ)系統(tǒng)(B)或?qū)儆谳o助系統(tǒng)(A)。根據(jù)定義，對于屬于給定分類的每個裝置，屬于基礎(chǔ)系統(tǒng)(B)的所有子系統(tǒng)必須相同。此外，根據(jù)定義，根據(jù)給定分類設定的每個裝置必須包括屬于基礎(chǔ)系統(tǒng)(B)的每個子系統(tǒng)。因此，表1說明所有4個裝置中的預純化子系統(tǒng)(107)和低溫處理子系統(tǒng)(108)屬于基礎(chǔ)系統(tǒng)。任何裝置中的輔助系統(tǒng)將不同于屬于同一分類中的任何其它裝置中輔助系統(tǒng)。然而，根據(jù)定義屬于輔助系統(tǒng)(A)的任何子系統(tǒng)可與用于屬于給定分類的一個或多個其它裝置中的子系統(tǒng)具有相同設計或不同設計。此外，根據(jù)定義

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200680050272.6說 明 書 第7/8頁

屬于輔助系統(tǒng)(A)部分的任何子系統(tǒng)不必包含于屬于給定分類的每個裝置的設計中。例如，考慮裝置1作為給定分類中的基礎(chǔ)或?qū)Ρ妊b置，如果裝置2的產(chǎn)品氮的輸送壓力等于或低于離開低溫處理子系統(tǒng)(108)的產(chǎn)品氮的輸送壓力，那么裝置2的輔助系統(tǒng)不必包含產(chǎn)品氮壓縮子系統(tǒng)，因此這為空缺。同樣，裝置3中，產(chǎn)品氧壓縮系統(tǒng)不需要，因此這為空缺。裝置4中，需要更多的液氮產(chǎn)量，因此輔助系統(tǒng)包含氮液化子系統(tǒng)，所述氮液化子系統(tǒng)在裝置1中是不需要的。因此，根據(jù)本發(fā)明，將裝置子系統(tǒng)分類成屬于基礎(chǔ)系統(tǒng)或輔助系統(tǒng)，并通過僅定制設計輔助系統(tǒng)降低工程成本。 表1

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200680050272.6說 明 書 第8/8頁

[0025]此外，本發(fā)明可用于采用基本不同于圖1-3中所示的方法或分類的低溫空氣分離裝置。

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200680050272.6

說 明 書 附 圖

第1/3頁

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200680050272.6圖2

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說 明 書 附 圖 第2/3頁

200680050272.6說 明 書 附 圖 第3/3頁

圖3

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