生产高纯氧或低纯氧用的低温精馏装置 本发明一般涉及空气的低温精馏，更具体涉及为生产氧用的空气的低温精馏。
许多大的氧用户，如联合钢厂，既需要高纯氧，又需要低纯氧。由于所需的氧体积大，需用整个低温空分工厂来提供这样大的氧用户。典型的是应用两低温空分装置，一个用于生产高纯氧，另一个用于生产低纯氧。
高纯氧厂和低纯氧厂均必须具备后备系统，以便在万一必须关闭氧装置时能给钢厂继续供应氧。这种低纯氧装置的后备系统是高纯氧装置，因为需要低纯氧的用途也可使用高纯氧操作而没有任何质量损失。但高纯氧装置不能以低纯氧装置为后备，因为需要高纯氧的用途不能用低纯氧有效操作。因此，高纯氧装置用的后备系统是装充液体高纯氧的贮罐，如果需要它就可以蒸发并加以利用。这种后备系统需要时操作是昂贵的。如果有一种能在需要时快速转换并有效生产高纯氧的低纯氧装置是非常理想的，这样这种装置既能作为高纯氧的后备，又能省去昂贵的液氧贮罐的需要。
因此本发明的一个目的是提供一种低温空分装置，它既能有效地生产高纯氧或低纯氧，又能从生产一种纯度的氧快速切换成生产另一种纯度的氧。
对于本领域的技术人员而言，当他阅读了本发明内容后当会明白上述目的和其它目的可由本发明实现。这就是一种生产高纯氧和低纯氧的低温精馏，它包括：
(A)包括一种高压塔和一种低压塔的双塔；
(B)具有底部再沸器的侧塔；
(C)主换热器，和将进料空气通入主换热器的进料管线；
(D)具有入口和出口地辅助压缩机，将进料空气从进料管线通入辅助压缩机入口的装置和将进料空气从辅助压缩机出口通入进料管线的装置；
(E)将进料管线从主换热器通入塔底再沸器的装置，和将进料空气从塔底再沸器通入高压塔的装置；
(F)将物流流体从低压塔通入侧塔的装置；
(G)将产品从侧塔通入主换热器的装置；和
(H)从主换热器回收高纯氧或低纯氧产品的装置。
这里所用的术语“进料空气”是指主要包含氧和氮的混合物，例如环境空气。
这里所用的术语“塔”是指一蒸馏或分馏塔或区，即一个接触塔或区，其中液体和蒸气相例如通过塔内一系列垂直相间的塔板和/或填充元件，如规则的或自由装填的填料，进行逆流接触而达到流体混合物的分离。对于蒸馏塔的进一步讨论，请参见“化工手册”，第5版，由R.H.Perry和C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,New York，第13节，“连续蒸馏过程”。
术语“双塔”用于表示高压塔的上端与低压塔的下端具有换热关系。双塔的进一步讨论见Ruheman“气体分离”，牛津大学出版社，1949，第Ⅶ章，“商用空气分离”。
蒸气和液体接触分离过程取决于组分间的蒸气压差。高蒸气压(或更挥发性或低沸)组分倾向于在蒸气相内浓缩，而低蒸气压(或挥发性差或高沸)组分倾向于在液相内浓缩。部分冷凝是这种分离过程，借此蒸气混合物的冷却可用于在气相浓缩挥发性组分，因而在液相浓缩挥发性差的组分。精馏或连续蒸馏是由蒸气相和液相逆流处理而获得的连续部分蒸发和冷凝相结合的分离过程。这些蒸气相和液相的逆流接触一般是绝热的，并可包括积分(函级的)或微分(连续)的相接触。利用精馏原理来分离混合物的分离过程的装置常常可换称为精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是至少部分在低于或等于150°K温度下进行的精馏过程。
这里所用的术语“间换换热”意指两种流体不发生任何互相的物理接触或中间混合的换热关系。
这里所用的术语“上部”和“下部”分别意指一个塔中间点以上和以下的塔的部分。
这里所用的术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”意指用于高压气体经涡轮流动从而降低气体的压力和温度，因而产生冷冻的方法和设备。
这里所用的术语“压缩机”意指增加气体压力的设备。
这里所用的术语“塔底再沸器”意指由塔内液体产生塔顶蒸气的换热设备。
这里所用的术语“高纯氧”意指氧浓度至少为99.6mol％的流体。
这里所用的术语“低纯氧”意指氧浓度低于99.6mol％的流体。
图1是本发明低温精馏装置的一个优选实施方案的流程图。
图2是本发明低温精馏装置的另一个优选实施方案的流程图。
图3是本发明低温精馏装置的又一个优选实施方案的流程图。
本发明将参考附图进行详述。图1中，进料空气100经由基本负载空压机200压缩，一般到达40-70磅/英寸2(绝对压力psia)，得到的加压进料空气经由冷却器202冷却压缩热。然后在物流104中的进料空气流经预净化器204，在其中清除高沸点杂质，如CO2、水蒸气和烃类，以产生预净化空气106，后者在进料管线中流到主换热器214。
当该低温精馏装置用于操作产生低纯氧时，打开阀900并关上阀902，该进料空气经包括管106，阀900和管116的进料管线通入主换热器214。
辅助压缩机208与该进料管线并行连接。辅助压缩机208的入口由导管1 10与阀900上流的进料管106相通。208的出口则经由管112、阀902、管114、冷却器212和管118与阀900的下游管116相通。当需要生产高纯氧时，关闭阀900而打开阀902，进料空气从管106进入管110至辅压机208，在208中被压至70-100psia的压力。得到的物流112进料空气经阀902至物流114入冷却器212，在其中压缩热被冷却，然后在物流118中返回进料管线，再至主换热器214。
该进料空气由经主换热器214由间接换热被返回物流冷却，然后从主换热器214通入物流122至侧塔221的塔底再沸器220，在其中由间接换热被再沸侧塔的塔底液体至少部分冷凝。得到的进料空气从塔底再沸器220然后经物流或管128，进入高压塔222的下部。在图1中本发明的该实施方案中，部分进料空气在部分地移过主换热器214后被引出，并进入物流124至涡轮膨胀机216，在其中经涡轮膨胀产生冷冻。经涡轮膨胀的进料空气从涡轮膨胀机216进入物流126再至低压塔226。
高压塔222操作的压力一般为38-98psia。在高压塔222中，进料空气被低温精馏分离为富氮蒸气和富氧液体。富氧液体从高压塔222的下部以物流158排出，经由预冷器230预冷，然后物流160经阀904至物流161，进入低压塔226。从高压塔222上部来的物流130中的富氮蒸气进入主冷凝器224，在其中由与再沸器226塔底液体的间接换热而被冷凝。得到的富氮液体从主冷凝器224排出至物流132中。物流132中的一部分返回高压塔222作为回流物流134。物流132的另一部分为136，由流经预冷器228被预冷，得到的预冷物流138经阀906为物流139，进入低压塔226上部作为回流。
在低压塔226中，各种物料由低温精馏分离为更富氮的蒸气和更富氧的流体。该更富氮蒸气从低压塔226的上部排出物流140，经流过预冷器228和230和主换热器被加温，最后在物流146中排出系统。如需要，部分或全部物流146可作为产品氮回收。
更富氧流体作为液流148从低压塔226的下部进入一般操作在15-25psia的侧塔221的上部，然后相对于由侧塔底部液体再沸产生的向上蒸气，向下通过侧塔，形成氧产品和残余蒸气，其中侧塔底部液体的再沸是依靠冷凝塔底再沸器220中进料空气而实现。残余蒸气物流150从侧塔221通入低压塔226。可以是高纯氧或低纯氧的氧产品，这取决于辅助压缩机208是否在线工作，从侧塔221的下部通入主换热器214，在此它被加温并接着被回收。在图1所示的实施方案中，产品氧作为气体在底部再沸器220的高度之上，从侧塔221排出，进入物流152，流经主换热器214时被加温并在物流154中被回收。
图2和图3说明本发明的其它实施方案。对于共同的部件在附图中的编号是相应的，对这些共同部件的详细描述也不再重复。
参见图2，连接主换热器214和底部再沸器220的导管122中的一部分进料空气旁通至底部再沸器220。管166与管122相连，管122中的一部分进料空气流经管166和阀908，然后经管180进入高压塔222。增强压缩机242用于给系统提供另外的能量。物流170中的一部分进料空气流入增强压缩机242，被压缩至一般100至1000psia的压力。得到的进料空气物流172通入冷却器244，冷却除去压缩热，从244流出的物流经管174流入主换热器214，而被冷却。部分通过主换热器214的物流400通入涡轮膨胀机216，被膨胀，然后在物流401中进入低压塔226。另一部分进料空气流174全部通过主换热器214，并被再次冷却，最好冷凝。得到的进料空气流176从主换热器214流入高压塔222。在图2所示的实施方案中，管176经阀912与管180相通，用以共同进入高压塔222。
在图2所示的实施方案中，产品氧以液体从侧塔取出。在该实施方案中，用于将产品氧从侧塔通入主换热器214的导管152装置包括液体泵240，它使进入主换热器214的产品氧的压力提高。流经主换热器214的产品氧由于受增强压缩机242操作提供的能量所挥发。提高了压力的产品氧从主换热器214以物流以154回收。
在图3所示的实施方案中，物流400中的进料空气经加入涡轮膨胀机216流出以物流402进入高压塔222。物流130中的一部分富氮蒸气流入物流137，经阀920和管141进入管122，形成合并物流145，它通入底部再沸器220以提供侧塔221的增强再沸腾。管129与管128相连，起到将一部分从底部再沸器220流出的流体，经阀916流入低压塔226的作用，而另一部分从塔底再沸器220流出的流体，经阀914流入高压塔222。在低纯度操作期间，阀916、920和908通常关闭，而阀914和910则打开。在高纯度操作期间，阀916、920和908打开，而阀914和910则通常关闭。
现在，通过使用本发明，人们可有效生产出高纯氧或低纯氧，并能根据需要容易地从生产一种产品快速转换为生产另一种产品。虽然本发明已参考一些优选实施方案进行描述，但本领域中的那些技术人员将明白，在本发明的精神和权利要求的范围内，还有其它实施方案。