制氧装置和方法与流程

本发明涉及用于在经由一个或多个电解槽获得氢气的生产过程中回收氧的方法和系统。

背景技术：

1、电解槽可以经由电解从水中产生氢。可以从以下专利了解产生氢气的电解槽的实例：美国专利号5,512,145和9,328,426以及美国专利申请公开号2022/0283567、欧洲专利公开号ep4001462、德国专利公开号de102019008985a1、国际公开号wo 2017/084589和2021/160235、中国专利公开号cn114214637a、cn113562701a、cn101407921a以及中国实用新型专利号cn203923390u和cn210512327u。

技术实现思路

1、我们确定，可以从电解输出流中回收氧以提供双重利益：减少总体工艺废物，同时，除了氢之外，还提供可以从电解处理中输出的至少一种氧产物流。例如，至少一个电解槽可以产生氢气流以及可以包含氧和水的第二流。此类第二流还可能包含一些氢。例如，可以将来自电解处理的第二流从氢气流中分离出来，并且随后用于下游处理，而不是仅排放该第二流的气体或者以其他方式将该气体作为废物流进行处理。在一些构造中，我们已经开发的实施方案可以允许从电解过程中回收氧，该电解过程可以提供改进的能量使用(例如，改进热或热传递的利用)和/或工艺灵活性，以及除了来自使用一个或多个电解槽的基于电解的方法的氢产物之外，还提供氧产物输出。

2、在一些实施方案中，来自液化(例如，至少一个液化器)的闪蒸蒸气损失和/或再生热回收可以用于提供改进效率的操作并且减少废物。可以提供实施方案，使得液化器上游的处理可以提供改进的热联合，这导致用于回收从电解中产生的氧(该氧可以从一个或多个电解槽输出)的过程的不那么浪费。

3、在第一方面，制氧装置可以包括：反应器，该反应器被定位成接收包含氧和水的进料，以使该进料脱氢并且输出脱氢进料；以及冷却器，该冷却器被定位成接收从该反应器输出的该脱氢进料，以将该脱氢进料冷却至预选温度范围内的温度。吸附系统可以被定位成在从该冷却器输出已冷却脱氢进料之后接收该已冷却脱氢进料的至少一部分，以从该脱氢进料中除去水分和/或杂质，以输出包含至少90体积百分数(vol％)氧的氧气流。

4、在第二方面，该装置的实施方案还可包括：压缩机系统，该压缩机系统被定位在反应器上游，以在将进料供给至该反应器之前将该进料压缩至预选反应器进料压力；以及/或反应器进料加热系统，该反应器进料加热系统被定位成在将该进料供给至该反应器之前将该进料加热至预选反应器进料温度范围内的温度，并且接收从该反应器输出的脱氢流作为用于加热该进料的加热介质。一些具体实施可以仅使用压缩机系统，而其他具体实施可以仅使用反应器进料加热系统。另一些具体实施可以使用压缩机系统和反应器进料加热系统两者。

5、在第三方面，该装置可以包括：液化单元，该液化单元具有至少一个液化器，该液化器被定位成接收从吸附系统输出的氧气流的至少一部分，以使该氧气流液化；以及分离器，该分离器被定位成接收来自该液化单元的液化氧以输出液态氧流和氧气流。进料预冷却器还可以被定位在压缩机系统和/或反应器进料加热系统上游。该进料预冷却器可以被定位成在将进料供给至该压缩机系统和/或反应器进料加热系统之前冷却该进料。该进料预冷却器还可以被定位成接收从该分离器输出的该氧气流的至少一部分作为冷却该进料的冷却介质。

6、在第四方面，该装置可以包括：液化单元，该液化单元具有至少一个液化器，该液化器被定位成接收从吸附系统输出的氧气流的至少一部分，以使该氧气流液化；以及分离器，该分离器被定位成接收来自该液化单元的液化氧以输出液态氧流和氧气流。该氧气流可以是可输出的，以将该氧气流的至少一部分供给至冷却器，作为用于冷却脱氢进料的冷却介质。该冷却器可以被定位成输出该冷却介质作为已升温冷却介质，以向吸附系统供给，作为用于使该吸附系统的至少一个吸附器的吸附材料再生的再生气体。

7、在第五方面，该装置可以包括：液化单元，该液化单元具有至少一个液化器，该液化器被定位成接收从吸附系统输出的氧气流的至少一部分，以使该氧气流液化；以及分离器，该分离器被定位成接收来自该液化单元的液化氧以输出液态氧流和氧气流。该氧气流是可输出的，以将该氧气流的至少一部分向吸附系统供给，作为用于使该吸附系统的至少一个吸附器的吸附材料再生的再生气体。

8、在一些实施方案中，再生气体换热器可以被定位成邻近吸附系统，以接收来自分离器的再生气体，以在将该再生气体供给至该吸附系统的至少一个吸附器之前，将该再生气体加热至预选再生气体温度范围内的温度，以使该吸附系统的该至少一个吸附器的吸附材料再生。

9、在第六方面，反应器可以是可连接至吸附系统的，使得从该反应器输出的脱氢进料的一部分可供给至该吸附系统作为再生气体。处理设备可以被定位在该反应器与该吸附系统之间，以处理从该反应器输出的脱氢进料的一部分，以形成用于供给至该吸附系统的再生气体。在一些实施方案中，处理设备可以是相分离器，该相分离器输出包含从脱氢进料中分离的杂质的液态流以形成再生气体。

10、在第七方面，该装置可以包括再生气体换热器，该再生气体换热器被定位成将再生气体加热至预选再生气体温度范围内的温度，以将该再生气体供给至吸附系统。反应器是可连接至该再生气体换热器的，使得从该反应器输出的脱氢进料的一部分可供给至该再生气体换热器，作为用于加热该再生气体的加热介质。该再生气体换热器是可连接至该冷却器的，以将该加热介质供给至该冷却器，或者将该加热介质与从该反应器输出的脱氢进料流合并以供给至该冷却器。

11、在第八方面，该装置可以包括：再生气体换热器，该再生气体换热器被定位成将再生气体加热至预选再生气体温度范围内的温度，以将该再生气体供给至吸附系统；以及水分除去单元，该水分除去单元被定位在吸附系统与该再生气体换热器之间。该水分除去单元可以被构造成接收从该吸附系统输出的该再生气体，以从该再生气体中除去水分，并且随后将该再生气体供给至该再生气体热交换器，以加热至预选再生气体温度范围内的温度，以便在闭环布置中供给回该吸附系统。在一些实施方案中，水分除去单元可以包括或可以是脱水器、冷凝器或吸附器。

12、在第九方面，该装置可以包括相分离器，该相分离器被定位在冷却器与吸附系统之间，以在将已冷却脱氢进料供给至该吸附系统之前，将水作为液态废物流从该已冷却脱氢进料中除去。

13、在第十方面，该装置可以包括相分离器，该相分离器被定位在冷却器与吸附系统之间，以在将已冷却脱氢进料的第一部分供给至该吸附系统之前，将水作为液态废物流从该已冷却脱氢进料中除去。再生气体换热器可以被定位在该相分离器与该吸附系统之间。该相分离器可以是可连接至该吸附系统和该再生气体换热器的，使得已冷却脱氢进料的第二部分可供给至该再生气体换热器以加热至预选再生气体温度，用于供给至该吸附系统作为再生气体。

14、在第十一方面，根据第一方面的装置可以包括来自第二方面、第三方面、第四方面、第五方面、第六方面、第七方面、第八方面、第九方面和/或第十方面的一个或多个特征。因此，应当了解，该装置中可以包括各种其他元件以提供我们的装置的其他实施方案。

15、在第十二方面，用于从从至少一个电解槽输出的进料中制氧的方法可以包括：将从至少一个电解槽输出的进料供给至反应器以形成脱氢进料，该进料包含氧和水；并且从该反应器输出该脱氢进料。该方法还可以包括：将从该反应器输出的该脱氢进料的至少一部分传送至冷却器，以将该脱氢进料冷却至预选温度范围内的温度，并用于形成已冷却脱氢进料；并且将该已冷却脱氢进料向吸附系统供给，以从该已冷却脱氢进料中除去水分和/或杂质，以输出包含至少90体积百分数(vol％)氧的氧气流。

16、我们的装置的实施方案可以被构造成利用我们的方法的实施方案。还应当了解，我们的方法的实施方案可以包括其他步骤或特征。

17、例如，在第十三方面，该方法可以包括：在将进料供给至反应器之前，将该进料压缩至预选反应器进料压力；并且/或者在将进料供给至该反应器之前，将该进料加热至预选反应器进料温度内的温度，其中利用从该反应器输出的脱氢进料的至少一部分来将该进料加热至该预选反应器进料温度内的该温度。

18、该方法的实施方案还可以包括：在从吸附系统输出氧气流之后，使该氧气流的至少一部分液化以形成液化氧流体。可以将该液化氧流体供给至分离器以形成液态氧产物和氧气流。该氧气流可以是可用作工艺气体流的。

19、该方法的实施方案还可以包括以下各项中的至少一项：(i)在将进料供给至反应器之前，将工艺气体流的至少一部分供给至预进料冷却器，作为用于预冷却该进料的冷却介质，并且随后在该冷却介质经由该进料的预冷却而升温之后，将供给至该预进料冷却器的该冷却介质向吸附系统传送作为再生气体；(ii)将工艺气体流的至少一部分供给至冷却器，作为用于冷却脱氢进料的冷却介质，并且随后在该冷却介质经由该脱氢进料的冷却而升温之后，将供给至该冷却器的该冷却介质向吸附系统传送作为再生气体；(iii)将工艺气体流的至少一部分向吸附系统供给作为再生气体，用于传送穿过至少一个离线吸附器，以使该至少一个离线吸附器的吸附材料再生；以及(iv)将工艺气体流的至少一部分供给至再生气体换热器以加热至预选再生气体温度范围内的温度，以将工艺气体的一部分传送至吸附系统作为再生气体，用于传送穿过至少一个离线吸附器以使该至少一个离线吸附器的吸附材料再生。

20、在第十四方面，该方法可以包括：使从反应器输出的脱氢进料分流，从而将该脱氢进料的第一部分供给至冷却器，并且将该脱氢进料的第二部分供给至吸附系统作为再生气体。

21、在第十五方面，该方法可以包括：使从反应器输出的脱氢进料分流，从而将该脱氢进料的第一部分供给至冷却器，并且将该脱氢进料的第二部分供给至再生气体换热器，作为用于加热待供给至吸附系统的再生气体的加热介质，并且随后在该加热介质用于加热该再生气体之后，将该加热介质从该再生气体换热器供给至该冷却器。

22、在第十六方面，该方法可以包括：使从反应器输出的脱氢进料分流，从而将该脱氢进料的第一部分供给至冷却器，并且将该脱氢进料的第二部分供给至处理设备，用于形成用于供给至吸附系统的再生气体，并且从该处理设备输出该再生气体，以将该再生气体供给至该吸附系统。

23、在第十七方面，该方法可以包括：吸附系统从该吸附系统的至少一个离线吸附器输出再生气体；并且水分除去单元接收从该吸附系统输出的该再生气体，以从该再生气体中除去水分和/或杂质，以净化该再生气体。可以将从该水分除去单元输出的净化再生气体供给至该吸附系统。

24、在第十八方面，根据第十二方面的方法可以包括来自第十三方面、第十四方面、第十五方面、第十六方面和/或第十七方面的一个或多个特征。因此，应当了解，该方法中可以包括各种其他元件以提供我们的方法的其他实施方案。

25、应当了解，该方法和装置的实施方案可以利用各种导管布置和过程控制元件。实施方案可以利用传感器(例如，压力传感器、温度传感器、流量传感器、浓度传感器等)、控制器、阀、管路和其他过程控制元件。一些实施方案可以利用例如自动化过程控制系统和/或分布式控制系统(dcs)。可以利用各种不同的导管布置和过程控制系统来满足一组特定的设计标准。

26、我们的制氧方法、制氧装置、制氧系统及其制造和使用方法的其他细节、目的和优点，将随着下文对某些示例性实施方案的描述而变得显而易见。