制氧装置 本发明涉及一种能得到高压氧气的制造装置。
在以前，通过利用氮气和氧气的沸点差，用空分装置将两者离开而得到氧气。这种典型的空分装置如图3所示，从原料空气吸入管1吸入原料空气，由空气压缩机2对其压缩，经过管道3后由第一和第二热交换器4、5冷却，然后经过管道7，在冷却到接近液化点状态下进入精馏塔8的下部塔8′内。另外，经过上述第一热交换器4的一部分压缩空气通过分流管3a送到膨胀透平11中，在该膨胀透平11内作绝热膨胀，产生必要的冷量，然后以该状态导入上部塔8″中。在上述下部塔8′内对空气进行精馏，富氧液态空气滞留在下部塔8′的底部，气态氮向上方移动，从下部塔8′的顶部通过管道10流出。导出的氮气在第一和第二热交换器5、4中进行热交换，成为接近常温的氮气制品，由管道19导出。从下部塔8顶部流出的氮气的另一部分经过管道17导入上部塔8″的凝冷器16内，在该处被液化成为液体氮，其中一部分由管道13送到上部塔8″的顶部，其余部分由管道18流到下部塔8′内成为回流液。来自下部塔8′底部的富氧液态空气经过带膨胀阀12′的管道12导入上部塔8″中。在上部塔中对液态空气精馏，液体氧气9滞留在底部，富氮排气从塔顶经过管道14导出。该导出的排气经过第二和第一热交换器5、4后放入大气中。液体氧气从上部塔8′的底部经过管道10导出，然后经过第二和第一热交换器5、4气化成为氧气，然后由空气压缩机15压缩，成为高压状态地氧气制品以供需要。
在这种空分装置中，要得到加压的成品气时就必须用压缩机对气态的气体加压。然而，为了对上述气态气体进行加压，就必须消耗能量，使费用增加。
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种能够以低费用高效率制造加压状态氧气的制氧装置
为了完成上述发明目的，在本发明中包括：压缩原料空气的空气压缩装置，将上述压缩空气冷却到超低温的热交换装置、气液化分离上述冷却到超低温的压缩空气并将氮保持气态的精馏塔、将上述精馏塔内的液态氧作为制冷剂导入上述热交换装置内通过热交换使之气化而成为气态氧的液氧取出通路、从上述液态氧取出通路的前端处延伸经过上述热交换装置使上述气体氧升温而形成成品的成品氧气取出通路，在上述液体氧取出通路上设置对流过该取出通路的液体氧加压的加压装置、及在上述成品氧气的取出通路的上述热交换装置上游侧一部分上设计的利用在该通路通过的气体氧气产生冷量的膨胀器。
也就是说，本发明的制氧装置取出存留在精馏塔上部的液态氧，在液态下进行加压，然后送到热交换器，此后导入膨胀透平进行绝热膨胀产生冷量，并将所产生的冷量送到热交交换器中，作为整个装置的冷源。因此，在本发明中，由于对氧在液态下进行加压，就比对氧在气态下加压要省很多能量，(如：一摩尔氧在气态下为22.4升，而液体不超过16克)。另外，在本发明中，如上所述，由于对液态氧进行加压，其经过热交换器时被气化，用该氧气作为膨胀透平等冷热用膨胀器的动力源，因此进入膨胀透平前的氧气的压力加大，能够使绝热膨胀效率大大提高。结果，能够使由膨胀透平等的膨胀器产生冷量的费用大大下降，也使成品氧气的费用大大下降。
以上所述，本发明的制氧装置，取出存留在精馏塔的上部的液态氧，对该液态氧进行加压，制成加压状态下的成品氧气。由以上说明，由于氧是在液态下进行加压，因此比气态下对氧气进行加压所用费用大大下降。而且，在本发明中，上述氧是在液态下进行加压，然后经过热交换器进行气化，可以作为膨胀透平等冷热用膨胀器的动力源。因此，进入膨胀透平前的氧气的压力加大，能够使绝热膨胀效率大大提高，使成品氧气等的制造费用大大降低。而且，本发明的装置可有效地应用在钢铁制造、化工工业、火力发电等广阔领域中。
图1是本发明第一实施例的结构图。
图2是本发明另一实施例的结构图。
图3是已有技术的结构图。
下面结合附图对本发明的实施例进行说明。
图1表示本发明第一实施例的结构图。图中，51是压缩原料空气的空气压缩机，52是排水分离器，53是预冷却器，54是二个一组的吸收塔。在吸收塔54内填充分子筛，用以除去由空气压缩机51压缩的空气中的水、二氧化碳、一氧化碳等不纯气体。55是输送去掉不纯部分后的压缩空气的压缩空气供给管，55a是从压缩空气供给管上分出来的旁路管。56是第一热交换器，由吸收塔54除去了不纯组分后的压缩空气被送到其中。57是第二热交换器，将经过第一热交换器56压缩空气送到其中。经过第一和第二热交换器56、57的压缩空气以气态送入下部塔60中。51a、51b是设在旁路管55a上的空气压缩机，用上游侧的空气压缩机51a对通过压缩空气供给管55的压缩空气的一部分进行压缩，由下游侧的空气压缩机51b对由空气压缩机51a压缩的压缩空气进行进一步的压缩。上游侧的空气压缩机51a由膨胀透平75的动力驱动。55b是第三热交换器，将由空气压缩机51a、51b压缩后又第第一热交换器56冷却过的压缩空气送入其中。经过空气压缩机51a、51b、第一热交换器和第三热交换器56、55b的压缩空气成为液态进入下部塔6O。58是具有上部塔59和下部塔60上的精馏塔。下部塔60对由第一和第二热交换器56、57冷却到超低温的并由压缩空气供给管55输送的压缩空气进一步冷却，使其中一部分液化，成为液态空气61存留在底部，气态的氮存留在上部。另外，经旁路管55a送入的液态压缩空气存留在下部塔60的底部。在上部塔59的底部内设了一个凝缩器62，存留在下部塔60上部的氮气的一部分通过回液管63送凝缩器62内。由于上部塔59内的压力低于下部塔内压力，下部塔60的底部存留的液态空气(氮气50-70％，氧气30-50％)61被送到带膨胀阀65的管66中，并在过冷器71中进行过冷，由膨胀阀65减压后供给到上部塔59中，将上部塔内的温度冷却到液体氮的沸点以下。通过冷却，将送入到冷凝器62中氮液化。液化的氮通过第二回液管64作为回流液导入下部塔60的上部，这样经液态氮贮槽67在下部塔内向下流，与从下部塔底部上升的压缩空气对流接触，使其中的一部分被冷却而液化。在该过程中，压缩空气中的高沸点成分氧气被液化存留在下部塔60的底部，低费点成分的氮气存留在下部塔的上部。64a是气液分离器。68是将存留在下部塔60的顶部的氮气作为成品氮气取出的取出管，超低温的氮气导入第三和第一热交换器55、56中与送入其中的压缩空气进行热交换而成为常温，作为成品氧气送出。另一方面，从下部塔60的底部经过管66送入上部塔59中的液态空气，在上部塔内受到精馏作用，因此其中的高沸点成分氧被液化成为液态氧存留在上部塔59的底部。80是在该制氧装置起动时向上部塔59内供给液态氧的管路。该管路80从图中未示出的液态氧贮存库中延伸出来。在该库中贮存着其它装置生产的并由油罐车运输来的液态氧以在该装置生产液态氧时使用。81是液氧供给控制阀，根据液面计82的液面，当运转中如果冷却平衡量出现冷却量不足时，打开阀门将极冷的液态氧供给到精馏塔中保护其平衡，含氧的低沸点成分气体从上部塔59的顶部通过管70作为排气导出，作为过冷器71的冷源作用后，经过第二和第一热交换器57、56后向大气排放。存留在上部塔59底部的液氧71通过液氧导出管72导出，通过液态氧加压泵73加压后，在加压状态下导入第三热交换器55b中气化，成为成品氧气。这些气体导入氧气取出管74中。在氧气导出管74上设有膨胀透平75，成品氧气作为膨胀透平75的动力源产生冷量，然后以该状态进入第二和第一热交换器57、56，在此与原料空气进行热交换放出冷量，其自身成为常温，从成品氧气取出管74的前端作为成品气取出。特别是，由于成品氧气作为动力源，因此上述膨胀透平75要由与氧气不发生反应的材料构成，如铜合金(黄铜等)、镍合金(Ni-Cr-Fe)、不锈钢(SUS316L)、铝合金(Al-Zn)，以防止爆炸等的事故发生。另外，由于使用上述氧气加压泵73，防止了已有技术中的问题(氧气压缩机15作一次点火时，由于氧气的激发反应等引起的安全问题，要特别注意地采取安全措施)，使安全性大幅度提高。
该装置制造下面的成品氧气。也就是说，用空气压缩机51压缩原料空气，通过除水分离器52、前冷却器53，吸收塔54除去该压缩空气中不纯组分，经过第一和第二热交换热56、57，冷却到超低温的气态被送入精馏塔58的下部塔60中。同时，经过上述吸收塔54的压缩空气的一部分导入旁路管55a，经过空气压缩机51a、51b、第一和第三热交换器56、55b，成为超低温的液体状态，被送入下部塔60内。在下部塔60中，上述送入的压缩空气与从液态氮67贮槽溢流的液态氮接触，使空气冷却，一部分液化，作为液态空气存留在下部塔60的底部。在该过程中，由于氮和氧沸点的差，压缩空气中的高沸点成分的氧先被液化，而氮气仍存在于气体中。残存氮气的气体从氮气取出管68取出，经过第三和第一热交换器55b、56进行热交换，使其升温至常温作为成品氮气送出。另一方面，存留在下部塔60的顶部的一部分氮气，经过第一回流管63导入设在上部塔59中的凝缩器62中，存留在上部塔59的底部的液态氧作用下而被冷却液化，经过第二回液用管64作为回流液67导到下部塔60。贮存在下部塔60底部的液态空气经过管66、经冷却器71a、膨胀阀65以绝热膨胀状态送入上述上部塔59中并进行精馏。因此，高沸点成分的氧液化而存留底部，含氮的低沸点成分气体作为排气在上部塔59的顶部经过管70被送出。被送出的气体，经过冷却器71a、第二和第一热交换器57、56，升温至接近常温的状态排放到大气中。存留在上部塔59底部的液态氧71，经过管72在液态下由泵73对液态氧进行加压，在该状态下导入第三热交换器55b，在其中经过热交换成为气体，作为成品氧气导入取出管74中。因此，在设在该成品取出管74上的膨胀透平75的作用下被导入的氧气产生绝热膨胀装置整体所必要的冷量，又经过在第三和第一热交换器中与原料空气进行热交换，其自身成为常温下的氧气，从成品氧气取出管74的前端取出。
图2表示本发明的一个实施例的装置、在该装置中的液态氧的加压泵容纳在密封壳73c内，将液态氧导入该壳73c内由加压泵72导出。因此，设置了返回管23b，该管将在上述壳73c的上部所生成的气体氧返回到上部塔59中。此外，其余部分与图1的装置相同。由以上构成，防止了液态氧加压泵吸入氧气气泡而产生空转的现象。23a是驱动液态氧加压泵73的驱动马达。