本發(fā)明涉及用于從空氣或至少一種工藝氣流中回收流體的方法，該空氣或至少一種工藝氣流可以包括空氣或氣體中至少氮和氧(例如，(a)氮和氧，(b)氮、氧和氬，(c)氮、氧、氬和至少一種其它氣體，諸如氖、氙和/或氪)。本發(fā)明還涉及用于從空氣或其它進料氣體中分離出至少氮和/或氧的空氣分離單元、被配置為從至少一種進料氣體中回收至少氮、氧和/或氬的氣體分離設(shè)備、空氣分離設(shè)備、空氣分離系統(tǒng)、以及其制造和使用方法。

背景技術(shù)：

1、空氣分離加工已經(jīng)用于將空氣分離成不同的流體成分流(例如，氮、氧等)。結(jié)合空氣分離加工開發(fā)的系統(tǒng)的實例包括美國專利號4,022,030、4,822,395、國際專利公開號wo2020/169257、wo2020/244801、wo?2021/078405以及美國專利申請公開號2019/0331417、2019/0331418和2019/0331419。

2、通常，制造低溫液體產(chǎn)品的空氣分離方法涉及將氣體進料冷卻到低溫，并且隨后經(jīng)歷低溫加工，用于從進料中分離出不同的流體，并且產(chǎn)品的液化與分離方法集成，或者在分離方法的下游。低溫空氣分離是能量密集型方法，并且產(chǎn)品的液化比成分物質(zhì)的分離消耗相似或更多的電能(power)。由于通過蒸餾可以獲得的分離的穩(wěn)定性和效率，穩(wěn)態(tài)操作通常用于經(jīng)由蒸餾的空氣分離。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、我們已經(jīng)確定，可能需要空氣分離設(shè)備的逐步調(diào)節(jié)(ramping)，以利用周期性電力定價波動或可再生能源(renewable?power?source)的可用時間段。在此類模式下操作使得蒸餾系統(tǒng)不太穩(wěn)定且效率較低，并且增加了設(shè)備的資本成本。我們已經(jīng)確定，可以設(shè)計空氣分離方法以更好地考慮電力定價和需求，以便可以利用電力的低定價時間段以用于降低操作成本，同時仍然支持連續(xù)空氣分離操作。此類設(shè)計還可以允許實施方案能夠適于通過在可再生能源(例如，太陽能或風能)可供使用時(例如，在使用太陽能的白天時間)，允許間歇地使用來自這些可再生能源的可再生電能(renewable?power)來減少與其操作相關(guān)的溫室氣體排放。

2、實施方案可以利用至少一個罐來儲存基本上液化的空氣或其它基本上液化的工藝氣體(例如，至少95體積百分比(體積％)液化，至少90體積％液化，不少于80體積％液化，不少于60體積％液化，在100體積％和80體積％的液體之間，在100體積％和70體積％的液體之間，在100體積％至60體積％的液體之間等)以用于進料到空氣分離單元(asu)，該空氣分離單元(asu)可以包括至少一個用于將液化的進料分離成產(chǎn)品流的塔，該產(chǎn)品流包括至少一種富氮流體(例如，在98體積％的氮和100體積％的氮之間的氮流體等)和/或至少一種富氧流體(例如，在98體積％的氧和100體積％的氧之間的氧流體)。產(chǎn)品流還可以包括富氬流體、富氖流體、富氪流體和/或富氙流體。

3、實施方案可以允許空氣分離和液化中的絕大部分電力消耗(或電能消耗)在低電力成本或低電力需求時間段期間被消耗。這可以提供改善的電網(wǎng)性能，并且還提供顯著的操作成本降低。

4、實施方案還可以通過提供操作上的靈活性允許利用可再生能源電力源(例如，風能或太陽能)，因此當來自可再生能源的電力可供使用時，液化和發(fā)生此類液化可能需要的增加的電力需求是可操作的，并且被操作和提供使得液化加工僅間歇操作(例如，一天中的4-20小時，一天中的6-18小時，一天中的4-18小時，在75％和90％的時間之間，在20％和80％的時間之間，每48小時操作中40小時，每72小時操作中40-65小時，等等)，同時支持連續(xù)空氣分離操作(例如，連續(xù)蒸餾塔操作，其在一天中的整個全部24小時內(nèi)發(fā)生持續(xù)連續(xù)一天或多天或連續(xù)一周或多周等)以提供穩(wěn)定和高效的蒸餾加工，同時還提供顯著減少的溫室氣體排放和較低的操作成本。

5、在第一方面，提供了一種用于分離包含氧和氮的進料氣體的方法。該方法的實施方案可以包括經(jīng)由液化裝置在預(yù)先選擇的時間段內(nèi)將進料氣體液化，以將該進料氣體基本上液化，從而形成基本上液化的進料，以及在預(yù)先選擇的時間段期間將基本上液化的進料從液化裝置進料到至少一個罐。該至少一個罐可以被連接到分離加工裝置，以將基本上液化的進料從至少一個罐進料到分離加工裝置，從而形成至少第一產(chǎn)品和第二產(chǎn)品。該方法還可以包括將基本上液化的進料從至少一個罐連續(xù)地進料到分離加工裝置持續(xù)包括預(yù)先選擇的時間段和額外的時間的連續(xù)時間段，使分離加工裝置操作以形成至少第一產(chǎn)品和第二產(chǎn)品。

6、如從上文可以理解，基本上液化的進料可以是在100體積％的液體和60體積％的液體之間。例如，基本上液化的進料可以是至少95體積％的液體，至少90體積％的液體，不少于80體積％的液體，不少于60體積％的液體，在100體積％和80體積％的液體之間，在100體積％和70體積％的液體之間，或在100體積％和60體積％的液體之間。例如，在一些實施方式中，基本上液化的進料可以完全是液體，或者可以是在85體積百分比(體積％)的液體和100體積％的液體之間。

7、在第二方面，將基本上液化的進料從至少一個罐進料到分離加工裝置可以在液化裝置在一天或一周期間不操作時以及當液化裝置在該一天或一周內(nèi)在預(yù)先選擇的時間段期間操作以用于將進料氣體液化時發(fā)生。在一些實施方式中，預(yù)先選擇的時間段可以在20小時和2小時之間、在20小時和4小時之間、在20小時和6小時之間、在20小時和8小時之間、在20小時和12小時之間、在20小時和16小時之間、在20小時和18小時之間、在18小時和4小時之間、在18小時和6小時之間、在18小時和8小時之間、在18小時和16小時之間或在18小時和12小時之間。在一些情況下，預(yù)先選擇的時間段可以是每72小時操作中的16小時，可以是每48小時操作中的8-18小時，可以是每72小時操作中的16-24小時，或者可以是一天或一周操作中的另一合適的時間段。在還其它實施方案中，可以選擇該預(yù)先選擇的時間段，以在分離裝置的一個或多個月的連續(xù)操作過程中提供間歇操作。

8、在第三方面，該方法中利用的分離加工裝置可以包括第一塔，該第一塔被連接到至少一個罐的第一罐。該方法還可以包括第一塔接收來自第一罐的基本上液化的進料的第一部分作為被基本上液化的第一進料流，并且在來自第一罐的基本上液化的進料的第二部分經(jīng)由壓縮機組件的至少一個熱交換器被至少部分氣化之后，第一塔接收該第二部分，該壓縮機組件被布置成在對從第一塔輸出的富氮流壓縮之后冷卻該富氮流。該方法還可以包括在來自第一罐的基本上液化的進料的第三部分經(jīng)由冷凝器被至少部分氣化之后第一塔接收該第三部分，該冷凝器被定位成使從第一塔輸出的富氮流的產(chǎn)品部分冷凝。

9、在一些實施方式中，被至少部分氣化的基本上液化的進料的第三部分可以在以下位置處進料到第一塔，該位置低于被至少部分氣化的基本上液化的進料的第二部分進料到第一塔的位置。在其它實施方式中，被至少部分氣化的基本上液化的進料的第三部分可以在與被至少部分氣化的基本上液化的進料的第二部分進料到第一塔的位置相同的位置處進料到第一塔，或者在與被至少部分氣化的基本上液化的進料的第二部分進料到第一塔的位置大致相同的位置處進料到第一塔。

10、在第四方面，該方法還可以包括第一塔接收來自第一罐的基本上液化的進料的第一部分作為被基本上液化的第一進料流。在來自第一罐的基本上液化的進料的第二部分經(jīng)由冷凝器至少部分氣化之后，第一塔也可以接收該第二部分，該冷凝器被定位成將從第一塔輸出的富氮流的產(chǎn)品部分冷凝。第一塔可以是分離裝置的塔，并且第一罐可以是至少一個罐中的第一罐，該第一罐被連接到第一塔，用于將基本上液化的流體進料到第一塔。

11、在一些實施方式中，被至少部分氣化的基本上液化的進料的第二部分可以在以下位置處進料到第一塔，該位置低于基本上液化的進料的第一部分進料到第一塔的位置。在其它實施方式中，被至少部分氣化的基本上液化的進料的第二部分可以在與基本上液化的進料的第一部分進料到第一塔的相同垂直位置、相同位置或大致相同位置的位置處進料到第一塔。

12、在第五方面，第一產(chǎn)品可以是具有在100體積百分比(體積％)的氮和98體積％的氮之間的氮含量的富氮液體。此外，第二產(chǎn)品可以是具有在100體積％的氧和98體積％的氧之間的氧含量的富氧液體。當然，其它實施方式可以具有可能適合于特定的一組設(shè)計標準的其它氮濃度和氧濃度的第一產(chǎn)品和第二產(chǎn)品。

13、在第六方面，至少一個罐可以被連接到分離加工裝置，以將基本上液化的進料進料到分離加工裝置，從而形成第一產(chǎn)品、第二產(chǎn)品和第三產(chǎn)品。第三產(chǎn)品可以是具有在100體積％的氬和80體積％的氬之間的氬含量的富氬流體。當然，其它實施方式使用具有可能適合于特定的一組設(shè)計標準的不同氬濃度的第三產(chǎn)品。

14、在第七方面，分離加工裝置可以包括氬富集塔。該方法的實施方案還可以包括從分離加工裝置的第一塔輸出氬富集流，用于進料到氬富集塔。

15、在第八方面，液化裝置和至少一個罐可以相對于分離加工裝置被設(shè)定尺寸，使得在預(yù)先選擇的時間段內(nèi)進料到至少一個罐的基本上液化的進料的進料速率，與基本上液化的進料從至少一個罐進料到分離加工裝置以用于分離加工裝置的連續(xù)操作的進料速率的比率在6:5和15:2之間。在其它實施方式中，可以利用不同的比率。本文討論了此類比率的實例。

16、在第九方面，第一方面的方法的實施方案可以在第二、第三、第五、第六、第七和/或第八方面的任何合適的組合中使用。

17、在第十方面，第一方面的方法的實施方案可以在第二、第四、第五、第六、第七和/或第八方面的任何合適的組合中使用。

18、在第十一方面，第一方面的方法的實施方案可以與本文討論的裝置或方法的其它示例性特征結(jié)合使用。

19、在第十二方面，提供了一種空氣分離裝置，該空氣分離裝置可以包括液化裝置，其被定位成在預(yù)先選擇的時間段內(nèi)將進料氣體液化，以將進料氣體基本上液化，從而形成基本上液化的進料。該裝置還可以包括第一罐，其被連接到液化裝置，以在預(yù)先選擇的時間段期間接收來自液化裝置的基本上液化的進料；以及分離加工裝置，其被連接到第一罐，以在包括預(yù)先選擇的時間段和額外的時間的連續(xù)時間段內(nèi)連續(xù)接收來自第一罐的基本上液化的進料，使分離加工裝置在整個連續(xù)時間段內(nèi)可連續(xù)操作以形成至少第一產(chǎn)品和第二產(chǎn)品。

20、如上文所討論的，應(yīng)當理解，基本上液化的進料可以是作為至少60體積％的液體的進料。例如，基本上液化的進料可以是在100體積％的液體和60體積％的液體之間。作為另一實例，基本上液化的進料可以是至少95體積％的液體，至少90體積％的液體，不少于80體積％的液體，不少于60體積％的液體，在100體積％和80體積％的液體之間，在100體積％和70體積％的液體之間，或在100體積％和60體積％的液體之間。例如，在一些實施方式中，基本上液化的進料可以完全是液體，或者可以是在85體積百分比(體積％)的液體和100體積％的液體之間。

21、在第十三方面，空氣分離裝置可以包括其它元件。例如，該裝置可以包括進料泵，其被連接在第一罐和分離加工裝置之間。也可以利用導(dǎo)管、熱交換器、容器、膨脹器、壓縮機、閥和其它元件。

22、在第十四方面，分離加工裝置可以包括第一塔，其被連接到第一罐。第一塔可以被定位成接收來自第一罐的基本上液化的進料的第一部分作為被基本上液化的第一進料流。在一些實施方案中，該裝置還可以包括壓縮機，其被連接到第一塔以接收來自第一塔的富氮流；和至少一個換熱器，其被連接到壓縮機以接收來自壓縮機的經(jīng)壓縮的富氮流。熱交換器也可以被連接到第一罐，以接收來自第一罐的基本上液化的進料的第二部分，以將基本上液化的進料的第二部分氣化并將經(jīng)壓縮的富氮流冷卻。熱交換器也可以被連接到第一塔，以將基本上液化的進料的經(jīng)氣化的第二部分作為第二進料流進料到第一塔。在一些實施方式中，冷凝器可以被定位成接收從壓縮機輸出的經(jīng)壓縮的富氮流的產(chǎn)品部分和來自第一罐的基本上液化的進料的第三部分，以將基本上液化的進料的第三部分氣化并將經(jīng)壓縮的富氮流的產(chǎn)品部分冷凝。冷凝器也可以被連接到第一塔，以將基本上液化的進料的經(jīng)氣化的第三部分作為第三進料流進料到第一塔。

23、在第十五方面，分離裝置可以包括壓縮機，其被連接到第一塔，以接收來自第一塔的富氮流；和冷凝器，其被定位成接收從壓縮機輸出的經(jīng)壓縮的富氮流的產(chǎn)品部分和來自第一罐的基本上液化的進料的第二部分，以將基本上液化的進料的第二部分氣化并將經(jīng)壓縮的富氮流的產(chǎn)品部分冷凝。冷凝器也可以被連接到第一塔，以將基本上液化的進料的經(jīng)氣化的第二部分作為第二進料流進料到第一塔。

24、在第十六方面，第一產(chǎn)品可以是具有在100體積百分比(體積％)的氮和98體積％的氮之間的氮含量的富氮液體，并且第二產(chǎn)品可以是具有在100體積％的氧和98體積％的氧之間的氧含量的富氧液體。此外，在利用該方面的一些實施方案中，基本上液化的進料可以完全是液體，或者可以是在80體積百分比(體積％)的液體和100體積％的液體之間。

25、在第十七方面，液化裝置和第一罐可以相對于分離加工裝置被設(shè)定尺寸，使得在預(yù)先選擇的時間段內(nèi)可從液化裝置輸出的用于進料到第一罐的基本上液化的進料的進料速率，與基本上液化的進料從第一罐進料到分離加工裝置以用于分離加工裝置的連續(xù)操作的進料速率的比率在6:5和15:2之間。如上所述，其它實現(xiàn)方式可以利用不同的比率。本文討論了此類比率的實例。

26、在第十八方面，第十二方面的實施方案可以利用第十三、第十四、第十六和/或第十七方面中的一個或多個方面?；蛘撸谑矫娴膶嵤┓桨缚梢岳玫谑?、第十五、第十六和/或第十七方面中的一個或多個方面。

27、在第十九方面，空氣分離裝置的實施方案可以被配置為利用本文討論的用于分離進料氣體的方法的實施方案以及其它實施方案。

28、在第二十方面，一種用于分離包含氧和氮的進料氣體的方法可以包括將進料氣體液化，以將進料氣體基本上液化，從而形成基本上液化的進料，以及將基本上液化的進料從液化裝置進料到至少一個罐，該至少一個罐被連接到分離加工裝置，以將基本上液化的進料從至少一個罐進料到分離加工裝置，用于分離基本上液化的進料。

29、如上文所討論的，應(yīng)當理解，基本上液化的進料可以是作為至少60體積％的液體的進料。例如，基本上液化的進料可以是在100體積％的液體和60體積％的液體之間。作為另一實例，基本上液化的進料可以是至少95體積％的液體，至少90體積％的液體，不少于80體積％的液體，不少于60體積％的液體，在100體積％和80體積％的液體之間，在100體積％和70體積％的液體之間，或在100體積％和60體積％的液體之間。例如，在一些實施方式中，基本上液化的進料可以完全是液體，或者可以是在85體積百分比(體積％)的液體和100體積％的液體之間。

30、在該方法的一些實施方案中，第一產(chǎn)品可以包含液態(tài)氧或液態(tài)氮。在其它實施方案中，分離加工裝置可以操作以形成至少第一產(chǎn)品和第二產(chǎn)品。第一產(chǎn)品可以包含液態(tài)氮，并且第二產(chǎn)品可以包含液態(tài)氧。

31、在第二十一方面，第二十方面的方法的實施方案還可以包括將基本上液化的進料從至少一個罐進料到分離加工裝置，使分離加工裝置操作以形成至少第一產(chǎn)品。

32、在一些實施方案中，將進料氣體液化，以將進料氣體基本上液化，從而形成基本上液化的進料可以進行持續(xù)預(yù)先選擇的時間段，并且將基本上液化的進料從液化裝置進料到至少一個罐可以在預(yù)先選擇的時間段期間發(fā)生。將基本上液化的進料從至少一個罐進料到分離加工裝置可以連續(xù)發(fā)生持續(xù)包括預(yù)先選擇的時間段和額外的時間的連續(xù)時間段，使分離加工裝置操作以形成至少第一產(chǎn)品。

33、在第二十二方面，預(yù)先選擇的時間段可以在2小時和20小時之間，并且連續(xù)時間段可以為至少24小時。其它實施方案可以利用其它預(yù)先選擇的時間段和連續(xù)時間段。

34、第二十三方面，提供了一種空氣分離裝置。該裝置可以包括液化裝置，其被定位成將進料氣體液化，以將進料氣體基本上液化，從而形成基本上液化的進料；和第一罐，其被連接到液化裝置以從液化裝置接收基本上液化的進料。第一罐也可連接到分離加工裝置，以將基本上液化的進料從第一罐進料到分離加工裝置，從而形成至少第一產(chǎn)品。

35、一些實施方案可以包括分離加工裝置。在此類實施方案中，分離加工裝置可以被配置為經(jīng)由分離基本上液化的進料來形成第一產(chǎn)品和至少一種第二產(chǎn)品。

36、液化裝置可以包括液化器。液化器可以被連接到第一罐，以將基本上液化的進料進料到第一罐。

37、在第二十四方面，第二十三方面的實施方案可以包括其它元件。例如，實施方案可以包括進料泵，該進料泵可連接在第一罐和分離加工裝置之間。分離加工裝置可以包括第一塔，該第一塔被連接到第一罐。第一塔可以被定位成接收來自第一罐的基本上液化的進料的第一部分作為被基本上液化的第一進料流。壓縮機可以被連接到第一塔以接收來自第一塔的富氮流，并且還可以存在至少一個熱交換器，其被連接到壓縮機以接收來自壓縮機的經(jīng)壓縮的富氮流。熱交換器也可以被連接到第一罐，以接收來自第一罐的基本上液化的進料的第二部分，以將基本上液化的進料的第二部分氣化并將經(jīng)壓縮的富氮流冷卻。熱交換器也可以被連接到第一塔，以將基本上液化的進料的經(jīng)氣化的第二部分作為第二進料流進料到第一塔。

38、在第二十五方面，液化裝置和第一罐可以相對于分離加工裝置被設(shè)定尺寸，使得在預(yù)先選擇的時間段內(nèi)可從液化裝置輸出的用于進料到第一罐的基本上液化的進料的進料速率，與基本上液化的進料從第一罐進料到分離加工裝置以用于分離加工裝置的連續(xù)操作的進料速率的比率在6:5和15:2之間，或者是另一合適的比率。

39、在第二十六方面，第二十三方面的裝置的實施方案可以包括如本文討論的其它元件。實施方案還可以被配置為實現(xiàn)如本文討論的用于分離空氣或包括氧和氮的工藝氣體的方法的至少一個實施方案。

40、還應(yīng)當理解，方法和/或系統(tǒng)的實施方案可以使用一系列導(dǎo)管用于不同單元的互連，使得不同的流可以在不同的單元之間輸送。此類導(dǎo)管可以包括管道、閥和其它導(dǎo)管元件。系統(tǒng)還可以利用自動化過程控制系統(tǒng)。此類系統(tǒng)可以包括傳感器、檢測器和至少一個控制器，以監(jiān)測系統(tǒng)的操作和/或提供系統(tǒng)的自動控制或至少部分自動控制。各種不同的傳感器(例如，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位控制器等)可以被連接到不同的導(dǎo)管或系統(tǒng)元件，并且可通信地連接到至少一個控制器，以便于系統(tǒng)的自動控制或半自動控制或系統(tǒng)的加工。

41、還應(yīng)當理解，可以用于上文討論的實施方案的不同的流體流可以包括蒸氣、液體，或蒸氣和液體的組合。包括蒸氣的流體流可以包括蒸氣或氣體。

42、其它元件也可以包括在系統(tǒng)的各實施方案中，可以提供該系統(tǒng)的各實施方案以利用我們的方法的實施方案。例如，一個或多個預(yù)處理單元、熱交換器、膨脹器、吸附器、泵、壓縮機、風扇、容器或其它單元也可以用于系統(tǒng)的實施方案中。應(yīng)當理解，系統(tǒng)或裝置的實施方案可以被構(gòu)造和配置為利用該方法的至少一個實施方案。

43、隨著以下對其某些示例性實施方案的描述的進行，我們的用于從空氣中回收至少一種流體(例如，氮、氧和/或氬等)的方法、被配置為從至少一種進料氣體中回收氮、氧和/或氬的氣體分離設(shè)備、空氣分離設(shè)備、空氣分離系統(tǒng)、利用多個塔來回收氮和/或氧流體以及任選地其它流體(例如，氬、氪、氖、氙等)的系統(tǒng)、利用此類系統(tǒng)或方法的設(shè)備、以及其制造和使用方法的其它細節(jié)、目的和優(yōu)點將變得明顯可懂。