CN103109145A - 用于压缩和冷却空气的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在空气低温分离设备的上游压缩和冷却空气的方法，其中不具有直接换热机构，在压缩机（3）中压缩湿空气，在具有间接换热的第一交换器（13）中冷却在压缩机中压缩的空气，从在第一交换器中进行的冷却的上游和/或下游的空气回收水（11，19），将在第一交换器中冷却的空气输送至净化单元（45），以便产生净化掉二氧化碳和/或水的空气，将经净化的空气输送到低温分离设备，从该低温分离设备回收至少一种气体，使所回收的水与来自该设备的气体混合，所产生的混合物的温度高于该混合物中的水的凝固点，并且在所述第一交换器中重新加热与气体混合的水。

Description

用于压缩和冷却空气的方法和装置
本发明涉及一种用于通过间接换热来压缩和冷却空气的方法和装置。
在低温分离装置中，经压缩的空气在进入净化缸前必须被尽可能多地冷却，以便减小其体积。已提出了简化冷却系统。
利用从冷箱产生的气态产品（优选所有气态产品）来在热交换器中冷却湿空气。在所提出的系统中的冷却空气期间被冷凝的水以及从气体的压缩产生的水的一部分被喷射到从冷箱产生的气体中。
此系统使得可以免去与冷却器问题相关的干燥器或制冷单元，以及可选的水/氮塔。
所述热交换器可被集成在用于使空气在蒸馏前被冷却到低温的主交换管路中。
在空气被压缩并在压缩机的最终冷却器（其可由空气/水塔的第一级代替）中被冷却之后，可具有：
●带有产生冷水的水/氮塔的预冷却系统、制冷单元、空气/水塔或空气/水热交换器；
●干燥器和/或直接空气制冷单元；
●无任何物：然后是称为热净化单元的净化单元，其由于待阻挡的水量而具有大尺寸，尤其是在夏季。如果希望将缸置于海运集装箱中，则这种大尺寸可能不方便。
根据本发明的一个主题，提供了一种用于在低温空气分离设备的上游压缩和冷却空气的方法，其中：
○在压缩机中压缩湿空气；
○通过间接换热在第一热交换器中冷却在所述压缩机中压缩的空气；
○在未借助直接换热的冷却步骤冷却所述第一热交换器上游的空气的情况下，在所述第一热交换器中进行的冷却的上游和/或下游回收所述空气中包含的水；
○将在所述第一交换器中冷却的空气输送到净化单元，以便产生被净化掉二氧化碳和/或水的空气；
○将经净化的空气输送到所述低温分离设备；
○回收源自所述低温分离设备的至少一种、可选地经加热的气体；
○将在步骤iii）中回收的水与源自所述设备的气体混合，所产生的混合物的温度高于所述混合物中的水的凝固点，例如，如果所述混合物的压力接近大气压力，则高于0℃；
○在所述第一热交换器中加热与所述气体混合的水；以及
○如果在所述第一热交换器上游回收所述空气中包含的水，则通过间接换热在水回收上游的预冷器中冷却所述空气。
根据其它可选方面：
-步骤i）的压缩是等温的；
-所述第一热交换器中的与所述气体混合的水在所述第一热交换器上游和/或在所述第一热交换器的中间点处与气体混合；
-在所述第一热交换器中进行的冷却的下游和所述净化单元的上游回收所述空气中包含的水；
-与所述气体混合的水的量为：在所述第一热交换器的与气体混合的水的输入点处和/或在所述第一热交换器中进行所述混合的中间点处，气体和水的混合物在水饱和点以上；
-在所述第一热交换器上游回收所述空气中包含的水并且在预冷器中通过间接换热冷却所述空气；
-将所述气体仅与通过所述空气中包含的水的冷凝所产生的水混合；
-与所述水混合的所述气体是氮气或氧气；
-在所述第一热交换器中加热未与水混合的至少一种其它气体；
-与所述水混合的所述气体是氮气并且在所述第一热交换器中加热氧流和/或另一氮流。
根据本发明的另一主题，提供了一种空气分离方法，所述方法包括如前述权利要求中任一项所述的用于压缩和冷却空气的方法，其中，在第二热交换器中冷却所述经净化的空气并且将其输送至所述低温分离设备的一个塔；从所述设备提取至少一种产品并在所述第二热交换器中然后在所述第一热交换器中加热所述至少一种产品；以及从所述设备提取至少一种产品，在所述第二热交换器中加热、可选地蒸发所述至少一种产品然后在所述第一热交换器中加热、可选地蒸发呈气体形式的该至少一种产品。
根据本发明的另一主题，提供了一种装置，所述装置用于压缩和冷却用于低温分离设备的空气，所述装置包括：压缩机；利用间接换热的第一热交换器；净化单元；一个或两个分离器，所述压缩机连接到所述第一热交换器且所述第一热交换器连接到所述净化单元，所述装置不包括通过在所述第一热交换器上游通过直接换热来冷却空气的机构，所述净化单元适合于向所述设备输送经净化的空气，所述分离器
i）在适合于通过间接换热来冷却所述空气的预冷器下游，连接在所述压缩机与所述第一热交换器之间；和/或
ii）连接在所述第一热交换器与所述净化单元之间，
（所述装置包括）用于将源自所述设备的气体传输至所述第一热交换器的至少一第一管路，用于将水从所述分离器传输至所述第一管路和/或所述热交换器以便使水与所述气体混合的至少一第二管路。
可选地，所述装置包括：
-将所述第一热交换器与所述分离器连接的泵；
-用于将在所述第一热交换器中加热的干燥气体输送到所述净化单元的管路；
-用于将来自所述设备的至少一种其它气体输送到所述第一热交换器以便在其中对其进行加热的管路。
根据本发明的另一主题，提供了一种设备，所述设备用于通过蒸馏低温分离空气，其包括如权利要求11至14中任一项所述的装置、具有至少一个塔的系统、第二热交换器、用于将空气从所述第二热交换器输送至所述系统的塔的管路以及用于将蒸馏产品传输至所述第二热交换器的管路。
本发明虽以氮发生器为例进行描述，但可扩展至其它类型的发生器。
将空气1输送至压缩机3。压缩机3可为等温压缩机，但该示例示出了绝热压缩机。被压缩至5bar至9bar绝对压力并处于320℃下的空气通过间接换热在压缩机冷却器6中冷却至27℃，然后在第一分离器7中分离冷凝水，该第一分离器7可集成在压缩机的冷却器中。将冷凝水11输送至缓冲容器25。使空气9通过与从冷箱33产生的所有气态流体37、39、41相互作用而在利用间接换热的第一热交换器13、例如板翅式热交换器中冷却。所述气态流体在第一热交换器13中被加热至21℃。将在第二分离器15中冷凝的水19输送至缓冲容器25。这样冷却至10℃的空气17然后进入塔顶净化单元45。
将气体产品37、43输送至逆流热交换器。
在该示例的情况下，流37是纯气态氮且流43是源自示意性地示出的用于产生氮的单塔47的塔顶冷凝器的充分蒸发的液体。易于理解，在具有双塔的应用的情况下，流37可为气态氧或气态氮且流43将为较纯的气态氮。
将处于10℃和大气压力（装置下游的压降除外）下的残余流体43分为两部分39、41：一部分41保持干燥，在于加热器42中加热之后用于净化单元45的再生，另一部分39将通过喷射从冷凝物产生的水29、31而被润湿和冷却。气体39中包含的所有水均源自第一热交换器（13）的上游或下游的空气中的水的冷凝。
可完全在热交换器之前（流29）或者部分在热交换器之前（流29）执行水的喷射直到气体饱和，然后沿热交换器可选地使用若干喷射点进行喷射（流31）。该喷射可以可选地利用泵23或者直接利用经加压的冷凝物来执行。缓冲容器25可以是可选的。
可以例如通过集成在另一装置中而免去分离器7或分离器15。
以至多在离开热交换器13时饱和的方式喷射的水的量将被限制为避免将水滴输送到大气中。该量可作为热交换器的操作参数的函数通过计算评估。
所选择的在净化之前在热交换器13的出口处的空气17的温度为：使得在热交换器流体入口处的水饱和（或过饱和）的流体的温度保持为正，以避免结冰并因此堵塞的风险。
所使用的水源自在冷凝物11、19中回收的环境空气（湿气）。不需要对这些冷凝物进行特别处理。不需要一直有水从外部进入系统，而只是在很干燥的时期才需要。也可设想储存雨水，该雨水在于很干燥的时期被喷射到系统中之前仅进行过滤。
第一空气冷却式交换器13可集成在冷箱的主交换管路35（第二热交换器）中，在主交换管路35中，源自净化单元45的经净化的空气17在蒸馏塔的上游被冷却并且残余氮43被加热。然后在集成的热交换器（13和35）的中间位置处提取压缩空气，然后在压缩空气返回交换管路之前将其输送至净化单元，并且沿热交换器的顶部将水注入待被饱和的流体中。可根据常规技术来执行液体的引导，以便将液体注入通常例如用于两相引导的板式热交换器中的气体中。
在集成两个热交换器13、35的情况下，可设想一种热交换器，其对应于热交换器13的一部分从冷箱的壁伸出，而该热交换器的其余部分位于冷箱内部。
注意到，在根据本发明的方法中，不存在通过昂贵和庞大的直接热交换器进行冷却。同样，注意到，与水混合的气体未被用于水冷却塔中，而是仅给送空气中包含的水被回收。

Claims (16)

1.一种用于在低温空气分离设备的上游压缩和冷却空气的方法，其中：
i）在压缩机（3）中压缩湿空气；
ii）在利用间接换热的第一热交换器（13）中冷却在所述压缩机中压缩的空气；
iii）在未借助直接换热的冷却步骤冷却所述第一热交换器上游的空气的情况下，在所述第一热交换器中进行的冷却的上游和/或下游回收所述空气中包含的水（11，19）；
iv）将在所述第一热交换器中冷却的空气输送到净化单元（45），以便产生被净化掉二氧化碳和/或水的空气；
v）将所述经净化的空气输送到所述低温分离设备；
vi）回收源自所述低温分离设备的至少一种、可选地经加热的气体；
vii）将在步骤iii）中回收的水与源自所述设备的气体混合，所产生的混合物的温度高于所述混合物中的水的凝固点，例如，如果所述混合物的压力接近大气压力，则所产生的混合物的温度高于0℃；
viii）在所述第一热交换器中加热与所述气体混合的水；以及
ix）如果在所述第一热交换器的上游回收所述空气中包含的水，则在位于通过间接换热进行的水回收的上游的预冷器（6）中冷却所述空气。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤i）中的所述压缩是等温的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一热交换器中的与所述气体混合的水（29，31）在所述第一热交换器（13）的上游和/或在所述第一热交换器的中间点处与气体混合。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一热交换器（13）中进行的冷却的下游和所述净化单元（45）的上游回收所述空气中包含的水。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与所述气体混合的水的量为：在所述第一热交换器（13）的与气体混合的水的输入点处和/或在所述第一热交换器的进行所述混合的中间点处，气体和水的混合物高于水饱和点。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一热交换器的上游回收所述空气中包含的水，并且在预冷器（6）中通过间接换热冷却所述空气。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体仅与通过所述空气中包含的水的冷凝所产生的水混合。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与水混合的气体为氮气或氧气。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一热交换器（13）中加热未与水混合的至少一种其它气体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，与水混合的气体是氮气，并且在所述第一热交换器中加热氧流和/或另一氮流。
11.一种空气分离方法，所述方法包括如前述权利要求中任一项所述的用于压缩和冷却空气的方法，其中，在第二热交换器（35）中冷却所述经净化的空气并且将所述经净化的空气输送至所述低温分离设备的塔（47）；从所述设备提取至少一种产品并在所述第二热交换器中然后在所述第一热交换器中加热所述至少一种产品；以及从所述设备提取至少一种产品，在所述第二热交换器中加热、可选地蒸发所述至少一种产品然后在所述第一热交换器（13）中加热呈气体形式的该至少一种产品。
12.一种压缩和冷却用于低温分离设备的空气的装置，所述装置包括：压缩机（3）；利用间接换热的第一热交换器（13）；净化单元（45）；一个或两个分离器（7，15），所述压缩机连接到所述第一热交换器且所述第一热交换器连接到所述净化单元，所述装置不包括通过在所述第一热交换器上游的直接换热来冷却空气的机构，所述净化单元适合于向所述设备输送经净化的空气，所述分离器
i）在适合于通过间接换热而冷却空气的预冷器（6）下游，连接在所述压缩机与所述第一热交换器之间；和/或
ii）连接在所述第一热交换器与所述净化单元之间，
所述装置还包括用于将源自所述设备的气体传输至所述第一热交换器的至少一第一管路，用于将水从所述分离器传输至所述第一管路和/或所述热交换器以便使水与所述气体混合的至少一第二管路。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置包括连接所述第一热交换器与所述分离器的泵（23）。
14.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于将在所述第一热交换器（13）中加热的干燥气体输送到所述净化单元（45）的管路。
15.如权利要求11、12或13所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于将至少一种其它气体（37，41）从所述设备输送至所述第一热交换器以便在所述第一热交换中对其进行加热的管路。
16.一种用于通过蒸馏而低温分离空气的设备，包括如权利要求11至14中任一项所述的装置、具有至少一个塔（47）的系统、第二热交换器（35）、用于将空气从所述第二热交换器输送至所述系统的塔的管路以及用于将蒸馏产品传输至所述第二热交换器的管路。
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