CN101324395B - 空气分离方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气分离方法和装置。在低压热交换器中将压缩空气流冷却到适于其精馏的温度，在高压热交换器中将增压的空气流液化或转化为稠密相流体，以使泵送的液体产物气化。使用引入高压和低压热交换器中的废氮流实现装置内的热平衡。该热交换器经构造使得补充废氮流在高压热交换器中的流动面积小于否则使该补充废氮流在低压和高压热交换器经过相等压降所需的。这使得该高压热交换器可以以降低的高度制造，并因此降低制造成本。

Description

空气分离方法和装置
技术领域
本发明涉及用于通过低温蒸馏将空气分离为富含氮和富含氧的产物的方法和装置，其中在压缩和净化之后，将空气通过与该富含氮和富含氧的产物在热交换器内的间接热交换冷却到适于其蒸馏的温度。更特别地，本发明涉及这种方法和装置，其中将液氧流加压，然后在单独的热交换器中通过与已经在增压压缩机中经过进一步压缩的空气的一部分的间接热交换使其气化。
发明背景
在通过低温蒸馏将空气分离为富含氮和富含氧的产物以及潜在的富含氩的产物是本领域公知的。依照该方法，将空气压缩并净化，然后在热交换器内由包含该富含氮和富含氧的产物的返回流冷却到适于其蒸馏的温度。
空气分离为富含氧和富含氮的产物发生在具有通常由位于低压塔底部的冷凝器-再沸器以传热关系彼此相关操作高压和低压塔的空气分离单元内。在高压塔内将引入的空气精馏以制备粗液氧塔底物和氮塔顶物，用该冷凝器-再沸器将该氮塔顶物冷凝以使高压塔回流。该富含氮的液流还引入低压塔的顶部以使低压塔回流。该粗液氧流液引入低压塔内用于进一步精制，以在低压塔内提供富含氧的液体塔底物，用冷凝器-再沸器使其气化。在低压塔顶部以下去除废氮流，和富含氮的蒸汽塔顶物一起引入热交换器中以冷却引入的空气。
通过对该富含氧的液体塔底物构成的液氧流加压然后在热交换器中用已经在增压压缩机中经过进一步压缩的压缩和净化空气流使其气化来制备高压氧产物是已知的。该增压空气流液化或转化为密相流体，以制备高压氧产物。此外，由高压塔内制备的富含氮的液体构成的氮产物也可以以相同方式加压并气化也是已知的。
如上所述，也可以通过从低压塔中取出富含氩的蒸汽流并在氩塔中使其精馏来分离氩产物。将所得到的液体塔底物返回到低压塔中。通过在引入低压塔之前，在冷凝器中与全部或部分该粗液氧流的间接热交换浓缩富含氩的塔顶物来回流该氩塔。
尽管上述反应和装置可以使用单一的主热交换器用于通过与包含该富含氧和富含氮的产物以及加压泵送的(pumped)氧流进行间接热交换来冷却该引入的空气，但在单一高压热交换器内单独使该加压的氧产物气化也是已知的。这种方法和装置示于Linde Reports onScience and Technology，″The Production of High-Pressure Oxygen″，Springmann(1980)中。在该文章中也描述了使用已经用于过冷却任务之后的废氮流，作为在气化该加压泵送的液氧中所用的高压热交换器的进料，以及作为在低压下操作以将主空气流冷却到适于其精馏的温度的另一热交换器的进料。该热交换器的废氮进料使热平衡目的所必需的。“热平衡”是指该废氮流降低了离开该低压热交换器和高压热交换的流体的热端温度之差，以抑制由该热交换器产生的制冷的热端损失，而且以降低增压空气流和主空气流在高压热交换器和低压热交换器冷端处的温度差。这样，可以优化高压热交换器冷端处的增压空气流和泵送液氧流之间的温度差。降低高压热交换器冷端处的温度差是有利的，因为在该热交换器中的增压空气会液化，因此为了引入至少该低压塔而且可能的高压塔，然后必须膨胀。如果该流体的温度过高，那么在膨胀过程中会从该增压空气中放出蒸汽，以影响用于制备所需产物所需的空气的蒸馏。
铜焊的铝热交换器用于高压和低压热交换器。这种热交换器具有层状结构，其中各流体(例如引入的空气流、富含氮的流体等)通过不同的层，该层以一定方式排列以有效实施流体之间的间接热交换。该层状结构通过一系列用于盐其边缘密封该层的平行的分隔板和周围侧杆引入该热交换器中。提供总管以将该流体加入该层中。在各层中引入翼片排列以提高可用于该热交换的面积。
如可以理解的那样，用于其中通常以450psia输送氧气泵送的液氧服务的高压热交换器需要压力为1100psia的空气以使该氧气气化。设计以操作这种高压的热交换器比设计用于低压任务的更昂贵。例如，在铜焊的铝板翅热交换器的情况下，与在低压下操作的热交换器相比，这种热交换器需要使用降低的横截面积，对传热翅片具有非常有限的选择，需要更厚的设计元件(例如分隔板和侧杆)。所有这些都提高了这种设计用于在高操作压力下(例如在需要气化加压泵送的液氧流的情况下)操作的热交换器的成本。更厚的材料和其它已知的考虑都会提高其它类型的热交换器的成本，例如类似螺旋卷绕的、印刷电路和不锈钢板翅热交换器。
螺旋卷绕的热交换器通常是管状热交换器，其中将铜或铝管卷绕在中心轴周围。该管和轴封闭在压力容器壳中。各管在几个通过压力容器壳连接到集管的管板中的一个中开始和终结。在该热交换器中对于每种流体将有一个出口和出口集管。
如果操作压力较高，这些交换器必须使用较厚的管壁用于承受该压力，这提高了所需金属的量。因此，如果需要在高压下操作，那么螺旋卷绕的热交换器是更昂贵的。扩散粘结的热交换器是由其中化学蚀刻或冲压了流体流动通道的平金属板构成的。
然后通过在低于熔点的温度下将金属表面压在一起，将该板堆叠并扩散粘结在一起，以形成块体。然后将该块体焊接在一起形成完整的热交换器芯。在该芯上焊接集管和喷嘴以将流体引入适当组的通道中。可以提供不高于600bara的设计压力。
在印刷电路热交换器中以具有较厚壁的较小通道为代价达到了较高的设计压力。为了达到相同的压降和传热任务，将需要更多的材料，因此该热交换器也更昂贵。
如本发明的其它优点中所讨论的那样，提供了用于分离空气的方法和装置，其中可以通过降低其尺寸来降低高压热交换器的制造成本。
发明内容
在一个方面，本发明涉及分离空气的方法。依照本发明，制备了第一压缩和净化的空气流和第二压缩和净化的空气流。第二压缩和净化的空气流具有比第一压缩和净化的空气流更高的压力。分别在低压热交换器和高压热交换器中，通过与空气分离单元中产生的返回流的间接热交换，冷却该第一压缩和净化的空气流和该第二压缩和净化的空气流，由此得到主进料空气流和液态或稠密相流体状态的高压空气流。在这一点上，此处和权利要求书中所用的术语“返回流”是指在空气分离单元中通过精馏由空气分离的富含氧气和富含氮气的流体。此外，此处和权利要求书中所用的术语“热交换器”是指单一单元或一系列并联的该单元。
将该主进料空气流引入空气分离单元的高压塔中。使该高压空气流膨胀，并将其至少部分引入空气分离单元的低压塔和高压塔中的至少一个中。该返回流包含由引入高压热交换器并气化的低压塔的液氧塔底物构成的泵送液氧流的至少一部分。此外，返回流还包含由从低压塔移出的废氮流构成的第一和第二补充废氮流。该第一和第二补充废氮流分别引入高压热交换器和低压热交换器中，用于热平衡目的。此处和权利要求书中所述的术语“热平衡目的”是指使进入和离开该低压热交换器热端的流体的温度差和分别由高压热交换器和低压热交换的冷端排除的主进料空气流和高压空气流的温度差最小化。这样，可以优化高压热交换器冷端的增压空气流和泵送液氧流之间的温度差。如上所述，低压热交换器热端的温度差会产生若断的制冷损失，高压热交换器冷端的温度差会导致一旦膨胀，该液态空气就会发展为不需要的高蒸汽馏分，这将会对空气分离单元中进行的所需蒸馏产生扰动。
该高压和低压热交换器经构造使得该第一补充废氮流在高压热交换器经过比第二补充沸点流在低压热交换器中更高的压降。这是通过将第一补充废氮流通过比否则在第一补充废氮流中产生与低压热交换器中的第二补充废氮流相等压降所需的更小的流通横截面积而实现的。
如果例如该高压热交换器由板翅构造制成并对于第一补充废氮流使用较高的流通横截面积，相反则需要较厚的分隔板和侧杆(sidebar)，导致与本发明涉及的热交换器相比制造成本的提高。通过将第一补充废氮流通过较小的横截面积，其流速会提高，导致较高的压降。然而，小的流通横截面积也会降低在高压热交换器内第一补充废氮流的热交换所需的板翅热交换器的层数。由此使用了较少的层，在板翅热交换器中，可以降低高压热交换器的高度，以降低其制造成本。
可以对空气流进行压缩、冷却和净化。在具有用于吸附空气流中较高沸点杂质的吸附剂的净化单元中净化该空气流。该第一压缩和净化的空气流可以由经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第一部分所形成。该第二压缩和净化空气流可以通过对经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第二部分进行再压缩和冷却而形成。使用通过低压热交换器的第一和第二废氮流中的第二部分再生净化单元中的吸附剂。因此，由于第二废氮流是高压的，因此其能够用于这种再生任务。因此，通过使第一补充废氮流在高压热交换器中经过较高的压降没有损失什么。
可以将经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第三部分进一步压缩，然后在低压热交换器中部分冷却。然后，可以将其在涡轮膨胀机中涡轮膨胀以产生制冷流，因此用于该方法的制冷。该制冷流可以引入低压塔中。可替代地，可以将经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第三部分进一步压缩和冷却，然后在高压热交换器中部分冷却。然后，可以将其在涡轮膨胀机中涡轮膨胀以产生制冷流，然后引入低压塔中。
在本发明的任意实施方式中，可以将由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流，通过与废氮流和由低压塔的塔顶物构成的富含氮的蒸汽流之间进行间接热交换，进行过冷却。将至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流膨胀，并引入低压塔中。该富含氮的蒸汽流作为返回流的一种引入该低压热交换器中。在低压热交换器产生制冷的情况下，可以在低压热交换器对由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流进行过冷却。将至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流膨胀，并引入低压塔中。该富含氮的蒸汽流作为返回流的一种引入低压热交换器中。在这种实施方式中，该富含氮的液流可以是第一富含氮的液流，由高压塔的液化氮塔顶物构成的第二富含氮的液流可以泵送并在高压热交换器中气化。
在另一方面，本发明提供了空气分离装置。依照本发明的该方面，可以提供主空气压缩机、第一后冷却器和净化单元用于压缩、冷却和净化空气流。这样就由经过压缩、冷却、净化之后的空气流的第一部分产生了第一压缩和净化空气流。以与该净化单元流体连接方式提供的增压压缩机可以进一步压缩该经过压缩、冷却、净化之后的空气流的第二部分，第二后冷却器可以与该增压压缩机相连接，以冷却该空气流的第二部分。这样就形成了具有比第二压缩和净化空气流更高的压力的第二压缩和净化空气流。提供了高压热交换器和低压热交换器。该高压热交换器与该第二后冷却器相连接。该低压热交换器与该净化单元流体连接。高压热交换器和低压热交换器中的各个都具有铜焊的铝结构。
该高压热交换器和该低压热交换器可以构造以分别通过与空气分离单元中产生的返回流进行间接热交换，以冷却该第一压缩和净化空气流和第二压缩和净化的空气流，由此制备主进料空气流和液态或稠密相流体状态的高压空气流。该空气分离单元包含与低压热交换器相连的用于接收该主进料空气流的高压塔，和通过膨胀装置与高压热交换器相连的用于接收至少不根该高压空气流的低压塔。
可以提供泵用于为由该低压塔的液氧塔底物构成的液氧流加压。该泵与高压热交换器相连，使得将该经过泵送的液氧流引入高压热交换器中并气化。该高压热交换器和低压热交换器也分别与低压塔流体连接用于接收第一和第二补充废氮流。第一和第二补充废氮流是由是由从低压塔取出的废氮流形成的，用于热平衡目的。该高压热交换器经构造使得促在于该高压热交换器的第一补充废氮流的流通横截面积比否则在第一补充废氮流中产生与低压热交换器中的第二补充废氮流相等压降所需的更小。再次，如上所述，这使得该高压热交换器可以以较廉价的方式制造。
该净化单元可以具有用于吸附空气流中较高沸点杂质的吸附剂。该净化单元与低压热交换器相连用以接收通过低压热交换器之后的该第一和第二废氮流中的第二用于再生该吸附剂。
也可以提供另一增压压缩机与净化单元流体连接，用于进一步该空气流的第三部分，第三后冷却器与该另一增压压缩机相连。该低压热交换器与该另一增压压缩机相连，经构造以使经过进一步压缩之后的该第三部分的空气流部分冷却。该涡轮膨胀机连接在低压热交换器和低压塔之间，用于使该第三部分的空气流涡轮膨胀。这样形成了引入低压塔的制冷流。可替代地，可以将高压热交换器与该第三后冷却器相连，其可以经构造以使经过进一步压缩之后的该第三部分的空气流部分冷却。然后可以将该涡轮膨胀机连接在低压热交换器和低压塔之间，用于使该第三部分的空气流涡轮膨胀，由此形成引入低压塔的制冷流。
在本发明的任意实施方式中，过冷却器可以与高压塔和低压塔相连，用于通过与废氮流和由低压塔的塔顶物构成的富含氮的蒸汽流进行间接热交换，对由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流进行过冷却。该低压塔也与该过冷却器相连用于接收至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流。位于低压塔和过冷却器之间的膨胀阀将该至少部分粗液氧流和该至少部分该富含氮的液流膨胀。该低压热交换器与该过冷却器相连用于接收该富含氮的蒸汽流作为返回流的一种。
可替代地，该低压热交换器可以与高压塔相连，经构造用于对由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流进行过冷却。在这种情况下，低压塔与低压热交换器相连，使得部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流引入低压塔中。
富含氮的液流可以是第一富含氮的液流。可以将泵连接在高压塔和高压热交换器之间，用于为由高压塔的液化氮塔顶物构成的第二富含氮的液流加压。该第二富含氮的液流在高压热交换器中气化。
附图简述
尽管该说明书以清楚指出申请人将其作为其发明的主题的权利要求而结束，但我们认为在与以下附图相结合时，本发明将得到更好的理解，其中：
图1是使用并实施依照本发明的方法的装置的工艺流程示意图；
图2是图1中所示装置经过在依照本发明的低压热交换器中引入过冷却单元的改进的可替代实施方式的局部示意图；
图3是图1中所示装置也引入图2中的替代而且用于制备高压氮产物的可替代实施方式的局部示意图；
图4是描述提供制冷的可替代装置的图1中所示装置的可替代实施方式的局部示意图；
图2、3和4中在图中未示出的部分与图1中所示相同。
发明详述
参照图1，示出了依照本发明的装置1。
空气流10在主空气压缩机12中压缩。在用第一后冷却器14去除压缩热之后，在净化单元16中净化空气流10。净化单元16如本领域技术人员公知的那样可以包含吸附剂床，例如氧化铝或碳分子筛型吸附剂，用于吸附空气和由此的空气流10中包含的较高沸点的杂质。例如这种较高沸点的杂质如公知的那样包括在装置1预期的较低精馏温度下会凝结和聚集的水蒸气和二氧化碳。此外，也可以吸附可以收集在富含氧的液体中由此呈现安全风险的烃。由经过压缩、冷却和净化之后的空气流10的第一部分产生第一压缩和净化空气流18。增压压缩机20与净化单元16流体连接，用于压缩经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第二部分，提供第二后冷却器22与增压压缩机20连接，用于从该第二部分的空气流10中去除压缩热。这形成了具有比第一压缩和净化空气流18更高的压力的第二压缩和净化空气流24。
应当注意主空气压缩机10和增压压缩机20示为单一单元。然而，如本领域已知的那样，两个或多个压缩机可以并联安装以构成主空气压缩机10或增压压缩机20。这种压缩机可以具有相同的尺寸，然而，可以使用其中容量分开(split)的不相等的尺寸，例如70/30或60/40的分开。
高压热交换器26与第二后冷却器24相连，低压热交换器28与净化单元16流体相连，用于接收第一压缩和净化空气流18。高压热交换器26和低压热交换器28都优选具有铜焊的铝结构，且由侧杆分离的用于为待加热和冷却的流体提供流动通道的分隔片层构成。如本领域所公知的那样，各流动通道具有翅片，用于提高在所述热交换器内传热的表面积。在这一点上，该高压热交换器26经构造以冷却该第二压缩和净化的空气流24以制备高压空气流30，低压热交换器28经构造以冷却第一压缩和净化的空气流以制备主进料空气流32。高压空气流30是液态和稠密相状态的。如可以理解的那样，可以使用其他类型的热交换器，例如螺旋卷绕的、印刷电路的和不锈钢板-翅热交换器。而且，尽管该高压热交换器26和低压热交换器28中各个都示为单一单元，但在实践中，各自可以由相互并联连接的几个热交换器构成。
该低压热交换器将具有比高压热交换器26更大的流通横截面积且较大的总体积。通常该高压热交换器26的平均密度将高于低压热交换器26，其中密度是空重量除以体积所得。通常的密度为约1000kg/m3。高压热交换器的通常工作压力为约1200psig及更高。
空气分离单元34提供具有高压塔36，其通过冷凝器-再沸器以热交换器的方式与低压塔38结合操作。非必要地，如图所示，空气分离单元34也包含氩塔42，其与低压塔38相连用于制备氩产物。然而我们理解氩塔42是非必要的，本发明可应用于仅由高压塔36和低压塔38构成的空气分离单元。我们理解高压塔36、低压塔38和氩塔42中的各个都包含无规则和规整的液-汽传质单元，例如筛板和填料。这种本领域公知的元件提高了各用于精馏目的的塔中待分离的混合物的液相和汽相的液-汽接触。
通过使用液体涡流膨胀器44将高压空气流30膨胀到适于将其引入高压塔36的压力。可替代地，可以使用膨胀阀。在经过膨胀之后，将高压空气流30分为第一补充膨胀流46和第二补充膨胀流48。我们理解通常第一和第二补充膨胀流46和48是两相流体。用膨胀阀50将第二补充膨胀流48膨胀到适于将其引入低压塔38中的压力。因此，将第一和第二补充膨胀流46和48分别引入高压和低压塔36和38的中间位置，在该位置将与塔中分离的混合物的组成相一致。然而，我们理解本发明的实施方式是可行的，其中高压空气流30引入高压塔36和低压塔38。
空气在高压塔36中的精馏提供了粗液氧塔底物和富含氮的蒸汽塔顶物。在冷凝器-再沸器40中用通过在低压塔中发生的精馏制备的富含氧的塔底物的气化来冷凝富含氮的蒸汽塔顶流体52。在这一点上，这种精馏在低压塔38内还制备了富含氮的蒸汽塔顶物。所得到的冷凝制造了富含氮的液流54。富含氮的液流54的第一部分56返回到高压塔36中作为回流。第二部分58在过冷却单元60中过冷却，在膨胀阀62中膨胀到适于将其引入低压塔38中的压力，然后将其作为回流引入低压塔38中。粗液氧流64也在过冷却单元60中过冷却，膨胀阀64中膨胀，其第一部分63引入低压塔38中。如图所示，该富含氮的液流在经过冷却之后的第二部分68可以取作产物流。而且，粗液氧流64的第二部分70在膨胀阀72中膨胀，然后在壳体76内包含的氩冷凝器74中部分气化。粗液氧流64的第二部分70的液相和汽相馏分分别以参考编号74和76表示，分别再引入低压塔38中。
在低压塔38内的适合位置，取出富含氩的流体78，在氩塔42中精馏以制备富含氩的蒸汽流80，在氩冷凝器74中冷凝，以制备富含氩的液流82。富含氩的流体82的第一部分84可以取作氩产物流，其第二部分86可以返回到氩塔42中作为回流。
可以从低压塔38的顶部取出氮蒸汽产物流88，可以从低压塔38的顶部之下取出废氮流90，以保持氮产物流88的纯度。然后在过冷却单元60中将氮产物流88和粗氮流90部分加热，用于使液氧流64和富含氮的液流58过冷却。此外，由低压塔38的富含氧的液体塔底物构成的液氧流92可以从其中取出。该液氧流92的第一部分94可以由泵96加压以制备泵送的液氧流98，该液氧流92的第二部分100可以非必要地取作产物。泵送的液氧流98、氮产物流88和以讨论的方式的粗废氮流90构成了空气分离单元34的返回流，用于冷却引入高压热交换器26和低压热交换器28的空气。在高压热交换器中将泵送液氧流98气化以制备高压氧产物流102。将经过在过冷却单元60中的部分加热的氮产物流88引入低压热交换器28中，然后非必要地用压缩机104压缩以制备氮蒸汽产物流106。
在用过冷却单元60部分加热之后，废氮流90分为第一补充废氮流108和第二补充废氮流110。将第一部分废氮流108和第二补充废氮流110分别引入高压和低压热交换器26和28，用于如例如如上所述的热平衡目的。有利地，在穿过低压热交换器28之后将第二补充废氮流110分为第一和第二部分112和114。部分112可以用于以本领域已知的方式再生净化单元16中的吸附剂，第二补充废氮流108完全加热并作为废氮流116释放。如上所述，为了使在其热端的低压热交换器28内的返回流和空气流(即第二补充废氮流110、产物氮流88和引入的第一压缩和净化空气流18)之间的温度差最小化，需要热平衡以减小低压热交换器28热端的制冷损失。低压空气流32和高压空气流30将具有相同的温度，使得泵送液体氧流98和高压空气流30之间的温度差最优化。如果高压空气流30的温度过高，一旦其在液体涡流膨胀器40和膨胀阀中膨胀，就会释放过多的蒸汽，且将无法制备所需的馏分。
如上所述，高压热交换器26和低压热交换器28优选具有铜焊的铝设计。高压热交换器26在高压环境中提供，将需要较厚的分隔板和侧杆和较高的制造成本。为了降低制造成本但仍执行热平衡功能，第一补充废氮流108的流通横截面积的尺寸使得与完全加热的第二补充废氮流110的第一和第二部分112和114相比，第一补充废氮流108经过更高的压降，因此加热的废氮流116的压力更低。该流通横截面积经选择使得第一补充废氮流108在高压热交换器26中的压降比否则在低压热交换器28中产生第二补充废氮流110的压降所需的更高。假定完全加热的第二补充废氮流110的第一部分112没有经过大的压降，那么其可以用于再生预净化单元16中的吸附剂。
如上所述和如本领域中所公知的那样，板-翅热交换器具有层状结构，其中各流体(例如引入的空气流、富含氮的流体等)通过以足以有效进行流体间的间接热交换的形状排列的单独层。在该热交换器中，该层状结构是由一系列的平行分隔板和用于沿其边缘密封该层的周围侧杆制成的。提供总管用于将流体引入该层中。翅片的设置提供在各层中，提高可用于热交换的面积。在该优选实施方式中，通过操作其中层的数量，降低了高压热交换器26的流通横截面积。因此，高压热交换器26具有比否则在第一补充废氮流108和第二补充废氮流110中的压降相等的条件下其将具有的更低的高度。但是，由于大大改进了热交换效率，通过高压热交换器26的流体108的较高速度能够完成所需的传热。类似地，对于螺旋卷绕热交换器，对于第一补充废氮流，提高的速度将导致用较少量的管子完成所需的传热。因此整个单元将更小，且需要更少的材料。
印刷电路型热交换器与板-翅热交换器的相同点在于其由多个层构成。第一补充废氮流的较高速度对相同的传热将导致较高的压降，但是以较少的层和因此较脸颊的热交换器为代价的。
如本领域中所公知的那样，为了克服热端热交换损失，必须将任意低温精馏装置制冷。在空气分离单元1中，压缩和净化空气流10在经过压缩、冷却和净化之后的第三部分118然后进一步在增压压缩机120中压缩，然后在第三后冷却器122中冷却。在低压热交换器28中部分冷却之后，所得到的部分冷却的流体124可以引入涡轮膨胀器126中，制备制冷流体128作为排气。将制冷流体128引入低压塔38中。
参照图2，示出了图1中所述的高压热交换器28的可替代实施方式的高压热交换器28’。在高压热交换器28’中，所得到的方法和装置与关于空气分离单元1所描述的那些相同。然而，假定由于除去过冷却单元60导致冷端温度较低，那么在高压热交换器28’的中间位置取出主空气流32。
参照图3，如图1中所示且如图2中所改进的空气分离装置的可替代实施方式用于通过以下方式制备高压氮产物流：在泵130中对该富含氮的液流的第一部分68’pumping然后在具有为此目的的通道的高压热交换器26’中对该泵送的氮流气化以制备高压氮蒸汽流132。如我们可以理解的那样，图3中的空气分离塔在所有其他方面将与图2中所示的空气分离装置相同。而且，可以如图1和2中所示的方式取出产物氮流68。
参照图4，可以将经过压缩、冷却和净化之后的空气流10的第三部分136在增压压缩机138中压缩，在第三后冷却器140中冷却以取出压缩热，然后在具有为此目的的通道的高压热交换器26’中部分冷却。所得到的部分冷却的流体142可以在涡轮膨胀器144中膨胀，以从其排气中制得制冷流146。可以将制冷流146引入低压塔38中。在所有其他方面，图4中所示得实施方式可以与图1中所示的相同。以下表格总结了依照本发明用图3中所示装置进行的方法的计算实施例。
  流体号   流速   温度，K   压力，psia   组成   蒸汽％
  ＊10   5036   285.9   87.6   空气   100
  18   2875   285.9   87.6   空气   100
  24   1623   308.2   1600   空气   100
  32   2875   102.1   84.2   空气   100
  30   1623   99.1   1597   空气   0
  46   454   96.7   83.7   空气   0
  ＊＊48   1169   81.5   19.1   空气   15.8
  124   538   183.8   161.0   空气   100
  128   538   108.9   19.5   空气   100
  68   21.7   80.8   80.9   99.9995％N2+Ar   0
  84   34.2   88.5   16.8   99.9997％Ar   0
  100   29.4   93.7   20.9   99.6％O2   0
 102   1000   304.1   1266   99.6％O2   100
110   2293   79.8   18.5   98.6％N2   100
＊＊＊110   2293   286.9   16.5   98.6％N2   100
108   416   79.8   18.5   98.6％N2   100
116   416   304.1   15.5   98.6％N2   100
＊＊＊＊88   1000   286.9   16.2   99.9995％N2+Ar   100
132   241   304.1   175   99.9995％N2+Ar   100
＊10：在经过在主空气压缩机12压缩和在净化单元16中净化的空气流10。
＊＊48：在通过阀50之后的第二补充膨胀流48。
＊＊＊110：在通过低压热交换器28之后的第二补充废氮流110。
＊＊＊＊88：在通过低压热交换器28之后的氮蒸汽产物流。
尽管已经参照优选实施方式对本发明进行了描述，但如本领域技术人员将想到的那样，在不脱离后附权利要求提出的本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种改变和添加和删减。

Claims (14)

1.分离空气的方法，包括：
提供第一压缩和净化空气流，和具有比该第一压缩和净化空气流更高压力的第二压缩和净化空气流；
在低压热交换器和高压热交换器中，通过与空气分离单元中产生的返回流的间接热交换，分别冷却该第一压缩和净化空气流和第二压缩和净化空气流，由此得到主进料空气流和液态或稠密相流体状态的高压空气流；将该主进料空气流引入空气分离单元的高压塔中，使该高压空气流膨胀并将至少部分该高压空气流引入空气分离单元的低压塔和高压塔中的至少一个中；
该返回流包含引入高压热交换器并气化的至少部分由低压塔的液氧塔底物构成的泵送液氧流，和分别为了热平衡目的引入高压热交换器和低压热交换器的由低压塔排出的第一和第二补充废氮流；和
通过将第一补充废氮流通过比在第一补充废氮流中产生与低压热交换器中的第二补充废氮流相等压降所需流通横截面积的更小的流通横截面积，该高压和低压热交换器经构造使得该第一补充废氮流在该高压热交换器中经过的压降比第二补充废氮流在该低压热交换器中的更高。
2.权利要求1的方法，其中：
将空气流压缩、冷却和净化，在具有用于吸附空气流中较高沸点杂质的吸附剂的净化单元中净化该空气流；
由经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第一部分，形成第一压缩和净化的空气流；
通过对经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第二部分进行进一步压缩和冷却，形成第二压缩和净化空气流；和
用通过低压热交换器的第二补充废氮流再生该净化单元中的吸附剂。
3.权利要求2的方法，其中：
对经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第三部分进行进一步压缩和冷却，并在低压热交换器中部分冷却，然后在涡轮膨胀器中涡轮膨胀，以产生制冷流；和
将该制冷流引入低压塔中。
4.权利要求2的方法，其中：
对经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第三部分进行进一步压缩和冷却，并在高压热交换器中部分冷却，然后在涡轮膨胀器中涡轮膨胀，以产生制冷流；和
将该制冷流引入低压塔中。
5.权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4的方法，其中：
通过与废氮流和由低压塔的塔顶物构成的富含氮的蒸汽流的间接热交换，对由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流过冷却；
将至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流膨胀并引入低压塔中；和
将该富含氮的蒸汽流作为返回流的一种引入低压热交换器中。
6.权利要求3的方法，其中：
在低压热交换器中，对由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流过冷却；
将至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流膨胀并引入低压塔中；和
将由低压塔的塔顶物构成的富含氮的蒸汽流作为返回流的一种引入低压热交换器中。
7.权利要求6的方法，其中：
该富含氮的液流是第一富含氮的液流；和
对由高压塔的液化氮塔顶物构成的第二富含氮的液流泵送并在高压热交换器中气化。
8.空气分离装置，包括：
用于压缩、冷却和净化空气流由此从经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第一部分制备第一压缩和净化空气流的主空气压缩机、第一后冷却器和净化单元；
与该净化单元流体连接用于进一步压缩该经过压缩、冷却和净化之后的空气流的第二部分的增压压缩机，和与该增压压缩机相连接用于冷却该空气流的第二部分由此制备具有比第一压缩和净化空气流更高压力的第二压缩和净化空气流的第二后冷却器；
分别与第二后冷却器相连和与净化单元流体连接的高压热交换器和低压热交换器；
该低压热交换器和高压热交换器经构造用于通过与空气分离单元中产生的返回流的间接热交换，分别冷却该第一压缩和净化空气流和第二压缩和净化空气流，由此得到主进料空气流和液态或稠密相流体状态的高压空气流；
该空气分离单元包含与低压热交换器相连接的用于接收主进料空气流的高压塔，和通过膨胀装置与高压热交换器相连接用于接收至少部分该高压空气流的低压塔；
用于为由低压塔的液氧塔底物构成的液氧流加压的泵，该泵与高压热交换器相连，使得将泵送之后的液氧流引入到高压热交换器中并气化；
该高压热交换器和低压热交换器也与低压塔相连，用于分别接收由低压塔排出的废氮流形成的第一和第二补充废氮流，用于热平衡目的；和
该高压热交换器经构造使得在该高压热交换器内存在用于第一补充废氮流的比在第一补充废氮流中产生与低压热交换器中的第二补充废氮流相等压降所需流通横截面积的更小的流通横截面积。
9.权利要求8的空气分离装置，其中：
该净化单元具有用于吸附空气流中较高沸点杂质的吸附剂；和
该净化单元与该低压热交换器相连，用于接收通过低压热交换器的第二补充废氮流，用于再生该吸附剂。
10.权利要求9的空气分离装置，其中：
另一增压压缩机也与净化单元流体连接，用于对该空气流的第三部分进一步压缩，第三后冷却器与该另一增压压缩机相连接；
该低压热交换器与该另一增压压缩机相连接，经构造用于对经过进一步压缩的空气流的第三部分进行部分冷却；和
在低压热交换器和低压塔之间连接涡轮膨胀器，用于对该空气流的第三部分进行涡轮膨胀，由此形成制冷流，并将该制冷流引入低压塔中。
11.权利要求9的空气分离装置，其中：
另一增压压缩机也与净化单元流体连接，用于对该空气流的第三部分进一步压缩，第三后冷却器与该另一增压压缩机相连接；
该高压热交换器与该另一增压压缩机相连接，经构造用于对经过进一步压缩的空气流的第三部分进行部分冷却；和
在高压热交换器和低压塔之间连接涡轮膨胀器，用于对该空气流的第三部分进行涡轮膨胀，由此形成制冷流，并将该制冷流引入低压塔中。
12.权利要求8或权利要求9或权利要求10或权利要求11的空气分离装置，其中：
过冷却器与该高压塔和低压塔相连，用于通过与废氮流和由低压塔的塔顶物构成的富含氮的蒸汽流的间接热交换，对由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流过冷却；
该低压塔也与该过冷却器相连接，用于接收至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流；
在该低压塔和该过冷却器之间设置膨胀阀，用于使该至少部分粗液氧流和该至少部分富含氮的液流膨胀；和
低压热交换器与该过冷却器相连，用于接收该富含氮的蒸汽流作为返回流的一种。
13.权利要求10的空气分离装置，其中：
低压热交换器与高压塔相连，经构造用于冷却由高压塔的液体塔底物构成的粗液氧流和由高压塔的液化氮塔顶物构成的富含氮的液流；
该低压塔与该低压热交换器相连，使得将至少部分该粗液氧流和至少部分该富含氮的液流引入低压塔中；
在该低压塔和该低压热交换器之间设置膨胀阀，用于使该至少部分粗液氧流和该至少部分富含氮的液流膨胀；和
低压热交换器与该低压塔相连，使得将该富含氮的蒸汽流作为返回流的一种引入低压热交换器中。
14.权利要求13的空气分离装置，其中：
该富含氮的液流是第一富含氮的液流；和
在该高压塔和该高压热交换器之间设置泵，用于对由高压塔的液化氮塔顶物构成的第二富含氮的液流加压，并使该第二富含氮的液流在高压热交换器中气化。
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