CN105659043A - 空气分离方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于分离空气的方法及设备，其中富氧液流泵送，且然后通过与第一增压空气流和第二增压空气流间接热交换来在换热器内加热来产生氧产物。第一增压空气流在换热器的中间温度下冷压缩，在较热温度下再引入换热器中，且然后完全冷却和液化。第二增压空气流在部分冷却之后膨胀来产生排气流，排气流继而又引入低压塔中产生富氧液体。第二增压空气流部分冷却至不大于中间温度的温度，在中间温度下，冷压缩发生，以便第一增压空气流和第二增压空气流两者能够参与富氧流的加热。

Description

空气分离方法及设备
技术领域
本发明涉及一种用于分离空气的方法及设备，其中由蒸馏塔布置产生的富氧液流通过泵送加压，且然后汽化来产生氧产物作为蒸汽。更具体而言，本发明涉及此类方法及设备，其中富氧液流经由与在中间温度下经历冷压缩的空气流和部分冷却且在涡轮膨胀器中膨胀的另一空气流间接热交换来加热，另一空气流排入蒸馏塔布置的低压塔中以便给予制冷。
背景技术
空气通过空气的低温精馏分离来产生富氧、富氮和富氩产物。此类低温精馏通过压缩空气、净化高沸点污染物如水蒸气和二氧化碳的空气，且然后将空气冷却至适于将空气蒸馏成其组成部分的温度来进行。
此类蒸馏可在高压塔中进行，高压塔由冷凝器重沸器热联结到低压塔上。在此蒸馏塔系统中，高压塔中产生的粗液氧塔底残留物(也称为釜液)在低压塔中进一步精化来产生富氧液体塔底残留物。低压塔的塔底残留物在低压塔中部分地汽化，相对地由冷凝器重沸器冷凝高压塔中产生的富氮蒸汽。富氮蒸汽的冷凝通常将产生液氮回流以用于高压塔和低压塔两者。从低压塔除去的富氧液体和蒸汽产物可通过与到来的压缩且净化的空气间接热交换来加热，以产生氧产物。
在期望氧作为高压产物的情况下，富氮液体可泵送，且然后在用于冷却到来空气的主换热系统内汽化。在期望氮作为高压产物的情况下，泵送还可用于加压液氮流。压缩和净化的空气的一部分可在增压器压缩机中压缩，且引入主换热器中来进行与泵送的液氧和可能的泵送的液氮液体的间接热交换。空气压缩的程度取决于高压产物所需的压力。通常，空气压缩至超临界压力，且然后在通过间接热交换冷却之后液化，使压力下降且引入蒸馏塔系统中。
还已知在由增压器压缩机压缩之后，在冷压缩机中进一步压缩空气，冷压缩机连接到换热器上，该换热器用于空气与加压流之间的间接热交换。冷压缩机连接到换热器上，以便接收换热器的热端与冷端之间的中间温度下的压缩空气，或换言之，在空气部分冷却之后。在冷压缩机中的压缩引起的冷压缩空气流再引回换热器中，且然后通过与加压的一股或多股流间接热交换来进一步冷却。由于最大热交换任务出现在换热器中加压氧汽化或伪汽化的地方，故特别有利的是从此汽化或伪汽化发生的换热器除去部分冷却的压缩空气，且然后在换热器的较热位置处加入冷压缩流。其效果在于使换热器内的复合加热和冷却曲线更接近，其中两条曲线之间的温差减小。温差这样最小化特别有利，因为在空气压缩中将消耗较少电能。
在任何空气分离设备中，将存在进入冷箱的热泄漏，冷箱用于收纳蒸馏塔和在低温下操作的其它设备。此外，还存在用于冷却空气的换热器的热端处的损失。此损失通过使制冷生成和引入空气分离设备来补偿。制冷通过膨胀空气或其它过程流体、将所得的冷排气引入蒸馏塔系统且通过诸如热压缩或产生电能的手段从设备除去膨胀功来而生成。已知的是，使空气从高压塔的操作压力膨胀至低压塔的操作压力，且然后将所得的排气引入低压塔中。这通常将导致氧回收减少，不然的话氧回收在当排气引入高压塔中时获得。然而，为了使空气膨胀到高压塔中，空气将必须由增压器压缩机压缩到较高压力，增压器压缩机将消耗能量。因此，通过使空气在涡轮膨胀器中膨胀至低压塔中的压力且然后将所得的排气引入低压塔而生成制冷的优点在于实现了进行的电能成本的进一步节省。
U.S.5,475,980中示出了使用冷压缩的过程和空气分离设备的实例。在该设备中，用于汽化泵送的氧流的压缩空气的一部分从主换热器取得，在冷压缩机中压缩，且然后在换热器中进一步冷却来产生液体，其引入高压塔中。在冷却的一部分期间，冷压缩流还膨胀成两相流，以生成附加的液体和蒸汽。膨胀器联接到冷压缩机上且驱动冷压缩机。所得的液体引入高压塔中，且蒸汽在换热器中加热，且随后在涡轮膨胀器中膨胀来生成排气流，排气流引入低压塔中来将制冷给予设备。如可认识到的那样，到来的空气必须充分压缩来不仅加热泵送的氧流，而且通过空气的膨胀来对冷压缩机供能。到来的压缩空气也必须充分地压缩来加热蒸汽，蒸汽将在换热器中加热且随后膨胀。冷压缩和加热蒸汽流两者涉及的压缩要求带来了不断的功率成本，其在该专利中所示的循环中花费。尽管总体上在此设备中花费的不断的功率成本很有可能少于没有冷压缩的其它情况下所花费的，但仍存在复杂管路、换热器布局和添加膨胀器来驱动冷压缩机所涉及的设备成本的增加。美国专利申请序列第2009/0064714号中示出了类似复杂性的设备。在此专利申请中，冷压缩机由膨胀器驱动，膨胀器用于生成引入低压塔中的一部分排气流。将注意的是，此膨胀不会将任何制冷给予空气分离设备，其中膨胀功在压缩空气中花费，且加回设备中，而非从设备除去来生成制冷。因此，需要附加压缩机和膨胀器布置来生成设备的制冷，且因此另一空气流压缩，部分冷却至高于从主换热器取得的待冷压缩的流所处的温度的温度，且然后在联接到压缩机上的涡轮膨胀器中膨胀。排气然后与来自用于驱动冷压缩机的涡轮膨胀器的排气组合。
美国专利第5,901,576号公开了一种比上文所述专利更简单的布置。在该专利中，示出了空气分离设备，其中冷压缩连同至低压塔的部分空气的膨胀、结合制冷生成使用。将待膨胀的空气首先在由涡轮膨胀器驱动的增压器压缩机中压缩。空气然后在主换热器中部分冷却，且然后在涡轮膨胀器中膨胀。所得的排气流引入低压塔中。冷压缩流从主换热器、在部分冷却的空气流引入涡轮膨胀器中的位置下方取得。在冷压缩之后，冷压缩流引入主换热器的区段中，其在更低温度下操作。如可认识到的那样，由于冷压缩流朝换热器的冷端冷却，故此流在此地方有效加热换热器。该加热导致能量花费，且在消耗电能中增加了不断的操作成本。
尽管与冷压缩结合使用涡轮膨胀器是结合到设计成产生高压氧产物的设备中的有吸引力的构造，但是由于空气部分膨胀到低压塔中，而非所有空气引入高压塔中，故氧回收将受损。冷压缩机加剧了问题，因为其将压缩热加到设备的冷区段中，这必须通过提高的制冷要求且因此至涡轮膨胀器和低压塔的增加流动来补偿。上文所述的现有技术并未以简单方式完全解决此问题。
如所述，除其它优点外，本发明提供了一种用于分离空气和利用冷压缩和膨胀器产生压力下的氧产物的方法及设备，膨胀器生成制冷且排气到低压塔中，这以实现能量消耗与氧回收之间的较好平衡的方式执行。
发明内容
本发明提供了一种分离空气的方法，其中压缩和净化的空气在低温精馏过程中分离，使得富氧液体塔底残留物在低压塔中产生，低压塔由冷凝器重沸器以热传递关系联结到高压塔上。泵送富氧液流来产生泵送的氧流，且泵送的氧流的至少一部分在主换热系统中加热来产生氧产物流。通过进一步压缩该压缩和净化的空气流的一部分以产生第一增压空气流和第二增压空气流来在主换热系统内加热泵送的氧流的至少一部分。第一增压空气流和第二增压空气流在主换热系统内部分地冷却。第一增压空气流在部分冷却之后在中间温度下冷压缩，以产生冷压缩空气流，其在比中间温度热的温度下引入主换热系统中，且此后完全冷却来产生液态空气流。在部分冷却之后，第二增压空气流在涡轮膨胀器中膨胀，以产生排气流，其引入低压塔中来将制冷给予低压精馏过程。液态空气流膨胀且至少引入低压塔或高压塔中的一者中。
第一增压空气流冷压缩所处的中间温度大致等于富氧液流的汽化或伪汽化温度。第二增压空气流部分冷却至不大于中间温度的温度，使得第一增压空气流和第二增压空气流两者有助于在高于中间温度的换热系统内的温度下加热富氧液流。将注意的是，如本文和权利要求中使用的用语"伪汽化温度"意思是加压至超临界压力的液体变为超临界流体所处的温度。
本发明通过使用第二增压空气流来协助加热泵送的液氧流，固然允许了比现有技术中更低的能量消耗和更高的氧回收。如上文所述，冷压缩和排气到低压塔中的膨胀器的使用从压缩空气中消耗的电能和运行成本的观点来看固然有效。冷压缩的缺陷在于，能量由冷压缩机加入设备，其必须由增大的制冷需求来补偿。然而，此增大的制冷需求需要附加空气发送至排气到低压塔中的涡轮膨胀器。这导致了较少空气引入高压塔中和氧回收减少。使用第二增压空气流协助加热空气将导致对由较热温度下的第一增压空气流供应的加热的需求减少。对于第一增压空气流，这继而又导致比在其它情况下需要的更低的流速和更低的压力。第二增压空气流的压力升高减小了提供设备所需制冷和补偿冷压缩的第二增压空气流的流速。因此，将在其它情况下在压缩第一增压空气流中消耗的电能减少，至涡轮膨胀器的空气流也减少，且因此，氧回收增大，以获得能量消耗与氧回收之间的较好平衡。此外，如所述，这在未使用冗余压缩机和膨胀器布置的情况下实现。
将注意的是，如本文和权利要求中使用的用语"部分冷却"意思是冷却至主换热器的热端温度与冷端温度之间的温度。用语"完全冷却"意思是冷却至主换热器的冷端温度。用语"中间温度"大体上意思是主换热器的热端温度与冷端温度之间的温度。作为优选，中间温度在比富氧流的汽化或伪汽化温度低3.0K和高10.0K之间的范围中。
根据本发明的方法可通过在将液体空气流引入低压塔或高压塔中的至少一者之前使液体空气流在液体膨胀器内膨胀来将附加制冷给予低温精馏过程，从能量消耗的观点来进一步优化。此外，由待精馏的空气的一部分构成的第一压缩空气流可在主换热系统中冷却，且引入高压塔中。第一增压空气流可通过在第一增压器压缩机中压缩由压缩和净化的空气的另一部分构成的第二压缩空气流来形成。第二增压空气流可通过在第二增压器压缩机中压缩由压缩和净化的空气的又一部分构成的第三压缩空气流来形成，且第二增压器压缩机联接到涡轮膨胀器上且由涡轮膨胀器驱动。
氧回收可通过以下增加：从低压塔除去含氩和氧的流且将此流引入氩塔中分离氩和氧且因此产生含氧液体作为塔底残留物和富氩蒸汽塔顶馏出物。由含氧液体构成的含氧流可引入低压塔中来增加氧回收。
冷压缩机可由电动机独立地驱动。这还将减少能量消耗，因为空气在冷的时候将比热空气更密，且因此需要比在较热温度下所需的更少的能量来压缩空气。电能要求的这种减少以提供单独电动机为代价达到。然而，该成本低于提供单独涡轮机来运行冷压缩机的成本。此外，如果涡轮机改为联接到冷压缩机上，则将第二增压器压缩机联接到涡轮机上的优点失去。在此方面，如本文和权利要求中使用的用语"独立地驱动"意思是除利用由设备内的过程流的膨胀直接生成的膨胀功外的手段驱动。因此，冷压缩机驱动将通过电机或汽轮机或其它外部手段。在任何实施例中，电动机可为由变速驱动器控制的变速电动机。这允许了电动机且因此冷压缩机的速度在低温精馏过程的降载操作期间减小，在氧产物流的生产也减少的时候。如本文和权利要求中使用的用语"降载操作"意思是空气分离设备的任何操作，其中进入设备的压缩和净化的空气的空气流速减小，继而又减少了由设备产生的产物(例如，氧)的生产。
由高压塔中产生的塔顶馏出物构成的富氮蒸汽流在冷凝器重沸器内冷凝，以产生液氮回流，且液氮回流的至少一部分引入高压塔中作为回流。具有小于富氮蒸汽的氮浓度的富氮液流可从高压塔取得，过冷，阀膨胀，且然后引入低压塔中作为回流。发现将回流供应至低压塔的此富氮液流的使用也增加了氧回收。
主换热系统可包括也具有低压换热器的成组换热器布置的高压换热器。第一压缩空气流在低压换热器中完全冷却，且引入高压塔中，且第一增压空气流在高压换热器中部分冷却，且在中间温度下排放。在压缩中间温度下的第一增压空气流之后，冷压缩机可使冷压缩空气流在较热温度下回到高压换热器。在高压换热器内部分冷却之后，第二增压空气流可引入连接到高压换热器上的涡轮膨胀器，以形成引入低压塔中的排气流。泵送的液氧流的至少一部分在高压换热器中加热。至少部分由低压塔中的低压富氮蒸汽构成的第一和第二富氮蒸汽流分别引入低压和高压换热器中，且其中流速选择成完全冷却第一压缩的空气流，且平衡低压和高压换热器的冷端温度。
由粗液氧塔底残留物构成的粗液氧流从高压塔取得，过冷，阀膨胀，在氩塔的氩冷凝器中部分地汽化，以产生液相和汽相流。液相和汽相流引入低压塔中来进一步精化粗液氧塔底残留物，且至少部分地由富氮蒸汽构成的废氮流分成第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流。第一富氮蒸汽流在至少一个过冷换热器中部分地加热，过冷换热器用于使粗液氧流和富氮液流过冷。由压缩和净化的空气构成的压缩的主进料空气流可分成第一压缩空气流、第二压缩空气流和第三压缩空气流。
本发明还提供了一种用于分离空气的设备。在此设备中，低压塔由冷凝器重沸器热联结至高压塔，且构造成通过压缩和净化的空气的低温精馏来产生富氧液体来作为低压塔的富氧液体塔底残留物。泵连接到低压塔上，以泵送由富氧液体塔底残留物构成的富氧液流，且因此产生泵送的液氧流。提供了由压缩和净化的空气的部分形成第一增压空气流和第二增压空气流的器件。主换热系统连接到泵上，且构造成加热泵送的液氧的至少一部分，且因此通过与第一增压空气流、第二增压空气流和冷压缩流间接热交换来形成富氧产物。
主换热系统与蒸馏塔系统流动连通，以便液体空气流引入低压塔或高压塔中的至少一者中。主换热系统具有：第一中间出口，其定位成排放处于大致等于富氧液流的汽化或伪汽化温度的中间温度下的第一增压空气流，入口，其将冷压缩空气流在比中间温度热的温度下引入主换热系统中，以及第二中间出口，其定位成排放在不大于中间温度的温度下的第二增压空气流，以便第一增压空气流和第二增压空气流两者由此有助于在高于中间温度的换热系统内的温度下加热富氧液流。冷压缩机连接在第一中间出口与入口之间，以压缩第一增压空气流，且因此形成冷压缩流。涡轮膨胀器连接在第二中间出口与低压塔之间，以使第二增压空气流膨胀，且因此形成排气流，其引入低压塔中来将制冷给予设备，且提供了用于膨胀液体空气流的器件。
第一中间出口优选定位成以便中间温度在比汽化或伪汽化温度低3.0K和高10.0K之间的范围中。另外，液体空气膨胀器件可包括液体膨胀器，其定位在主换热系统与蒸馏塔系统之间，以在将液体空气流引入蒸馏塔系统中之前膨胀液体空气流，且因此生成附加的制冷。
主换热系统还可构造成完全冷却由待精馏的空气的一部分构成的第一压缩空气流，且连接到高压塔上，以便第一压缩空气流引入高压塔中。用于形成第一增压空气流和第二增压空气流的器件可包括第一增压器压缩机和第二增压器压缩机。第一增压器压缩机连接到主换热器件上，以压缩由待精馏的空气的另一部分构成的第二压缩空气流，从而形成第一增压空气流。第二增压器压缩机连接到主换热器件上，以压缩由待精馏的空气的又一部分构成的第三压缩空气流，从而形成第二增压空气流。第二增压压缩机联接到涡轮膨胀器上且由涡轮膨胀器驱动。
氩塔可连接到低压塔上，以从低压塔接收含氩和氧的流，且因此分离氩和氧且产生含氧液体作为塔底残留物和富氩蒸汽塔顶馏出物。氩塔连接到低压塔上，以便由含氧液体构成的含氧流引入低压塔中来增加氧回收。
作为优选，冷压缩机可连接到电动机上，以独立地驱动冷压缩机。此外，电动机可为变速电动机。在此情况下，变速驱动器连接到电动机上，以控制电动机且因此冷压缩机的速度，以允许冷压缩机的速度在氧产物流的生产减少时的设备降载操作期间减小。
冷凝器重沸器可连接到高压塔上，以便由高压塔中产生的塔顶馏出物构成的富氮蒸汽流在冷凝器重沸器内冷凝，以产生液氮回流，且液氮回流的至少一部分引入高压塔中作为回流。高压塔也可连接到低压塔上，以便具有低于富氮蒸汽的氮浓度的富氮液流从高压塔取得且然后引入低压塔中作为回流。过冷换热器定位在高压塔与低压塔之间，且构造成以便富氮液流在引入低压塔之前过冷，且膨胀阀定位在过冷换热器与低压塔之间，以便富氮液流在该富氮液流引入低压塔中之前压力减小至低压塔的压力。
换热系统可为具有高压换热器和低压换热器的成组换热器布置。在此情况下，低压换热器连接到高压塔上，以完全冷却第一压缩空气流，且在完全冷却之后将第一压缩空气流引入高压塔中。高压换热器连接到第一增压器压缩机和第二增压器压缩机以及泵上，且具有第一中间出口、第二中间出口和中间入口。高压换热器和低压换热器与低压塔流动连通，以接收至少部分由低压塔中产生的低压富氮蒸汽构成的第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流，且完全加热第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流。提供了用于控制第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流的流速使得低压换热器和高压换热器的冷端温度平衡的器件。
氩冷凝器可连接到氩塔上来冷凝用于氩塔的氩回流。氩冷凝器连接到高压塔上，且还构造成以便由高压塔的粗液氧塔底残留物构成的粗液氧流在氩冷凝器中部分地汽化，相对地冷凝至氩塔的氩回流。过冷换热器也连接到氩冷凝器上，且还构造成以便粗液氧流在氩回流冷凝器中部分地汽化之前过冷。附加的膨胀阀定位在过冷换热器与氩回流冷凝器之间，以使粗液氧流膨胀。过冷换热器继而又连接到低压塔上，以便至少部分由作为低压塔的塔顶馏出物产生的低压富氮蒸汽构成的废氮流分成第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流，且第一富氮蒸汽流在过冷换热器中部分地加热。氩冷凝器还连接到低压塔上，以便由通过粗液氧流的部分汽化产生的液相和汽相构成的液相流和汽相流引入低压塔中，以便进一步精化粗液氧塔底残留物。低压换热器、第一增压器压缩机和第二增压器压缩机连接成以便由压缩和净化的空气构成的压缩的主进料空气流分成第一压缩空气流、第二压缩空气流和第三压缩空气流。
附图说明
尽管说明书以清楚指出申请人认作是其发明的主题的权利要求作为结束，但相信本发明将在结合附图时更好理解，在附图中：
图1为设计成执行根据本发明的方法的空气分离设备的简图；
图2为设计成执行根据本发明的方法的空气分离设备的备选实施例的简图；以及
图3为可结合到图2中所示的空气分离设备的实施例中的改型的示意性片段图。
具体实施方式
参看图1，示出了空气分离设备1，其设计成产生压力下的氧产物流98。在空气分离设备1中，压缩和净化的空气流10分成第一压缩流12、第二压缩流14和第三压缩流16。尽管未示出，但压缩和净化的空气流10可源自主空气压缩机，其将空气压缩至4.5到7.0bar（绝压值）之间的压力，且然后借助于吸附床系统净化高沸点污染物，吸附床系统具有已知的吸附床，其在异相循环(通常变温循环)中操作。此高沸点污染物是将在低温下凝固或浓缩的那些；例如，二氧化碳、水蒸汽和烃。空气分离设备1将为此设备或类似设备的被包围着(enclave)的一部分；且因此，压缩和净化的空气流10将集中生成。作为备选，空气分离设备可为单个设备，其连接到由主空气压缩机给送的吸附床系统上。
压缩空气在主换热系统中冷却，在所示实施例中，主换热系统为成组布置，其具有高压换热器18和低压换热器20。这些换热器设计成使得高压换热器18设计成利用比低压换热器20中进行的间接热交换中使用的那些压力更高的流进行间接热交换。然而，本发明不限于此成组布置，其还可适用于并联操作的一系列换热器，其中待加热和冷却的所有流以间接热交换通过。如本领域中将公知那样，成组或非成组布置的任何此类热交换系统都可使用硬钎焊铝板翅片构造的换热器。高压换热器可为螺旋卷绕类型的换热器。
在冷却之后，压缩的空气在蒸馏塔系统中精馏，蒸馏塔系统具有由冷凝器重沸器78热联结的高压蒸馏塔22和低压蒸馏塔24。仅出于图示目的，高压换热器可设计成在通常在38.0到120.0bar（绝压值）之间的压力下操作。低压换热器24可设计成在4.5到7.0bar（绝压值）之间的压力下操作。蒸馏塔系统设计成产生富氧液流90，其在泵92中泵送来产生泵送的液氧流96之后在高压换热器18中汽化。本领域的技术人员将想到的是，泵送的液氧流96的一部分可在压力下发送至储存器。
第一压缩流12冷却至适用于其在低压换热器20内精馏的温度，且引入高压塔22的底部中。第一压缩流12优选构成压缩和净化的空气流10的百分之50到65，且第二压缩流14优选构成压缩和净化的空气流10的百分之27.0到35.0。
第二压缩流14在第一增压器压缩机26中压缩，以产生第一增压空气流28。将理解的是，第一增压器压缩机26为多级单元，其具有中间冷却器，以除去各级压缩之间的压缩热。作为优选，在从后冷却器30内的末级除去压缩热之后，第一增压空气流28在高压换热器18中通过与泵送的氧流96的间接热交换来部分冷却。这里，第一增压空气流28从高压换热器18，从位于高压换热器18的中间位置的第一中间出口32排放，且在冷压缩机34中进一步压缩来产生冷压缩空气流36。冷压缩机34由电机35独立地驱动。由于压缩热，故冷压缩空气流36经由入口37且在高于第一增压空气流28温度（当经由第一中间出口32排放时）的温度下再引入回高压换热器18中。冷压缩空气流36然后经由与泵送的氧流96间接热交换来在高压换热器内进一步冷却，以产生液体空气流38。所得的液体空气流38然后在膨胀阀50中膨胀，且引入高压塔22中作为支流52，且引入低压塔中作为支流54，其首先通过膨胀阀56膨胀至低压塔24的低压塔压力。将理解的是，取决于期望的产物状态，液体空气将单独引入低压塔24或高压塔22中。
将注意到的是，液体空气流38通常如图所示分布成以便一部分穿过低压塔24，且其它部分穿过高压塔22。此分布由优化确定，以便使能量消耗最小化。穿过低压塔24的流动提供的优点在于，其减轻了在其它情况下可由于其提供的附加回流发生的组分缺乏(compositionalpinch)。然而，使该流动改为穿过高压塔22，附加的氮回流将由高压塔生成，尽管是以低速。因此，低压塔24与高压塔22之间的液体空气流38的最佳分布给出了直接进入低压塔24的附加液体空气回流和来自高压塔22的附加氮回流的最佳平衡。液体空气的最佳平衡可变成所有液体空气直接穿过低压塔24的程度，但这不常见。这可在产物需求使得较少氮回流可用于低压塔或至低压塔的膨胀器流较高时发生。当合成液体空气流从高压塔22取得且然后穿过至低压塔24而替代使液体空气直接穿过低压塔24时，全部液体空气流穿过高压塔22的其它极限将最常发生。本领域中已知的该备选构造可在液体空气流在其它情况下未令人满意地过冷来直接穿过低压塔24时是优选的。在此情况下，从高压塔22取得大致空气组成的合成液体空气流减少了给送至低压塔24时的闪蒸。
第三压缩流16用于将制冷给予空气分离设备1。如本领域中已知那样，制冷加入是保持设备出于热平衡所需的，其由诸如以下的因素引起：经由收纳设备的冷箱热泄漏到设备中，换热系统中的热端损失，以及液体产物的除去。此外，制冷也必须引入来补偿冷压缩机34的冷压缩。出于此目的，第二压缩流在第二增压器压缩机40中进一步压缩，以产生第二增压空气流42。在可选的后冷却器43中冷却之后，第二增压空气流42在高压换热器18中部分冷却，从其第二出口44除去，且然后引入涡轮膨胀器45中。涡轮膨胀器45借助于共同的轴46联接到增压器压缩机40上。其优点在于，第二压缩空气流14在不进一步花费能量的情况下产生。膨胀功通过轴46获得来驱动增压器压缩机40。结果，排气流48从涡轮膨胀器45排出，且没有其它电能输入空气分离设备1。制冷通过将排气流48引入低压塔24中来给予。
如上文直接所述的涡轮加载增压器布置的使用的优点在于，其产生了穿过涡轮膨胀器45的高膨胀比，而没有附加电能输入。然而，存在其它可能性。在此方面，作为用于形成第一增压空气流28和第二增压空气流42的另一手段，由第一增压器压缩机26压缩的部分空气可在中压下取得，且然后在后冷却之后，可引入高压换热器18中来部分冷却。还将注意的是，电机35用于对冷压缩机34供能是优选的，其中冷致密气体的压缩可在很低总体能量花费的情况下实现。同时如现有技术中那样，膨胀器可用于对冷压缩机34供能，这可由于附加膨胀器的成本和膨胀功使膨胀器的入口压力增压的更有益使用而不是优选的。
在高压塔22内，上升的汽相在空气的挥发性较大的成分中变得甚至更富集，主要是氮，且下降的液相在空气的挥发性较小的成分中变得甚至更富集，主要是氧。上升汽相和下降液相通过传质接触元件58和60与彼此紧密接触，传质接触元件58和60可由规整填料、托盘或散堆填料构成。这导致粗液氧塔底残留物(也称为釜液)在高压塔22的底部中产生，且富氮蒸汽塔顶馏出物在高压塔22的顶部中产生。粗液氧流62然后通过优选首先在过冷换热器64中过冷且然后借助于膨胀阀66膨胀至低压塔24的低压塔压力来在低压塔中进一步精馏。上升汽相与下降液相之间的接触在低压塔24内借助于传质接触元件68,70,72和74实现，以产生低压塔24底部中的富氧液体76和此塔顶部中的富氮蒸汽。
高压塔22和低压塔24借助于冷凝器重沸器78热联结。在高压塔22中产生的富氮蒸汽的流80在冷凝器重沸器78中冷凝，以产生富氮液流82，其继而又引入高压塔22中作为回流，从而开始形成下降的液相。氮回流84可由部分富氮液流82形成，且引入低压塔24中作为回流，从而开始在此塔内形成下降液相。富氮液流82中的其余部分继而又引入高压塔22中作为回流，从而开始在此塔内形成下降液相。作为优选，氮回流84在过冷换热器86中过冷且在膨胀阀88中阀膨胀至与其引入低压塔24相容的压力。富氧液流90由低压塔24中产生的富氧液体76构成。此液流然后由泵92泵送来产生泵送的液氧流96，其在高压换热器18中经由与第一增压空气流28和冷压缩流36间接热交换来汽化，以产生加压的氧产物流98("GOX")。富氧液体76的一部分在一定程度上可作为液氧产物流100取得；且此流将在储存之前在阀102中阀膨胀。
氮流104从低压塔的顶部除去，且分成含氮支流106和108。含氮支流106在高压换热器18内加热来产生第一氮流110("WN2")。含氮支流108在过冷换热器86和84中相继加热，且然后在低压换热器20内完全加热来产生第二废氮流112("WN2")。这些废氮流用于平衡高压换热器18和低压换热器20的冷端温度，以便在给定换热器18和20的可用区域内，进料流的有效冷却和返回流的加热最大化。这是常规的，且此平衡的控制通过由诸如适当选择管路和阀的手段来控制含氮支流106和108的流速来进行。
如上文所述，泵送的液氧流96通过与第一增压空气流28和第二增压空气流42的间接热交换加热。在此方面，第一增压空气流28从其从高压换热器18除去的第一出口32处于中间温度，该中间温度将大致等于泵送的液氧流96汽化或伪汽化所处的温度，这是在泵送的液氧流96加压至超临界压力的情况下。在此背景下，用语"大致"意思是比汽化或伪汽化温度低5.0K到高大致15.0K之间，且优选在低3.0K到高10.0K之间的范围中。所得的冷压缩流36引入入口37，入口37处于与压缩热引起的温度升高一致的温度，其将比第一出口32的中间温度热。第二增压空气流42从其从高压换热器18除去的第二出口44处于以便第二增压空气流42冷却至不大于第一出口32处实现的中间温度的温度。作为优选，第二出口44处的温度处于或不大于比第一出口32处的中间温度低30.0K。这允许了第一增压空气流28和第二增压空气流42两者都加热泵送的液氧流98。当这与冷压缩联接时，第一增压器压缩机26的压力和流动将能够减小，继而减少由空气分离设备消耗的总体能量。如可认识到的那样，本发明优于现有技术的最大利益将在氧产物为蒸汽而非超临界流体的情况下获得。在此情况下，在氧的一定压力范围内，有可能在第一增压器压缩机26中压缩空气至亚临界压力，且在冷压缩机35中压缩至超临界压力。甚至在需要第一增压器压缩机26将空气压缩至超临界压力的情况下，此压力将小于未实施本发明的其它情况下所需的压力。
参看图2，示出了空气分离设备2，其具有与图1中所示的空气分离设备1许多相同构件。为了避免不必要的重复，具有与图1中的那些相同的描述的空气分离设备2的构件将具有相同参考标号，且将不会在下文中进一步描述。
在图2中，附加的制冷可通过使用液体膨胀器120来给予，液体膨胀器120连接到发电机或油制动系统上，这大体上由参考标号122示为来消散膨胀功。该添加的制冷将补偿由冷压缩机34加入的膨胀功，且因此允许甚至更少的空气流至涡轮膨胀器45且因此至低压塔24。结果，氧回收将增大。通常最有效的是，减小流28压力，而不改变流36压力，所以冷压缩机34生成高压力比。效率这样提高将依循液体膨胀器120的获得成本。氧产物的进一步增加可通过除氩塔124获得。含氩和氧的流126从低压塔取得，且引入除氩塔124来精馏。精馏产生了含氧塔底残留物，其作为贫氩的含氧流128返回低压塔24来增加氧回收。因此，将理解的是，除氩塔124简单设计成将氩与氧分离且不产生氩产物。然而，如果期望液体或蒸汽的氩产物，则可出于此目的使用适当分级的氩塔。不同于空气分离设备1，在过冷换热器64中过冷和在阀66中阀膨胀之后，粗液氧流在氩冷凝器130中部分地汽化，以生成除氩塔124的回流。部分汽化产生了粗液氧的汽相和液相，其分别通过汽相流132和液相流134引入低压塔24中。作为优选，由氩塔124中产生的富氩蒸汽塔顶馏出物构成的富氩蒸汽流136在氩冷凝器130中冷凝，以产生液体氩流138，其进入分离容器140中来产生氩回流142和富氩蒸汽流144，富氩蒸汽流144引入废氮流中来产生废氮流104'，其具有略低于图1中所示的氮流104的氮纯度。废氮流104'类似地分成含废氮的支流106'和108'，以用于平衡高压换热器20和低压换热器18的冷端温度。含废氮的支流106'和108'从高压换热器18和低压换热器20取得作为废氮流110'和112'("WN2")。
如图所示，液氮流148可从由冷凝器重沸器78产生的液氮除去，且分成第一液氮支流150和第二液氮支流152。第一液氮支流150可由泵154加压来产生泵送的液氮流156。泵送的液氮流156继而又可细分成第一部分158和第二部分158。第一部分158可在高压换热器18中完全加热来产生高压气态氮产物162("HPGN2")。第二部分160可在阀164中膨胀，且然后在高压换热器18中完全加热来产生低压气态氮产物流166("LPGN2")。第二液氮支流152可在过冷换热器86'中过冷，过冷换热器86'与过冷换热器86差别在于提供了用于此目的的热交换通路。所得的过冷流可在膨胀阀168中膨胀，且然后作为液氮产物170("LN2")取得。
这里需指出的是不纯氮回流84'从高压塔22取得，在过冷换热器86'中过冷，且然后作为回流引入低压塔24中。特别优选使用不纯氮回流84'，因为其也增加了氧产物的回收。来自高压塔22的不纯氮回流84'的流速大于由部分富氮液流82形成的流的流速。流84的低取得位置(point)允许从高压塔22的较大回收率，而不有损在液氮产物170中达到的氮纯度。回流的较大流速改善了与低压塔24的分离，且因此提高了氧回收。不纯氮回流84'的取得位置选择成使得其组成不会使从低压塔24取得的废氮蒸汽流104'的组成明显降级(degrade)，但其流在该极限内最大化。如可认识到的那样，不纯氮回流84'可结合图1中所示的空气分离设备1使用，其中液氮产物的取得方式类似于参照空气分离设备2所述。
将理解的是，空气分离设备1和空气分离设备2设计成主要供应气体。因此，可从此设备除去的液体量将有限。例如，此液体产物除去的流速将为气态氧产物流98的除去的大致百分之五。还将注意到的是，发现氮产物的泵送通常效率低于将氮作为蒸汽取得和在主换热系统或在所示实施例的情况中在高压换热器18中加热之后压缩其。然而，可能期望通过将氮泵送至其所需的输送压力来消除氮压缩机。在此情况下，高压空气提供了用于加热氧和氮两者的能量。将本发明应用于使用除氧之外的氮的液体泵送的系统的利益相对不受影响。该利益主要由于用于在处于和高于氧沸腾或伪沸腾的温度下加热氮的换热系统中的改善的温度廓线(temperatureprofile)而发生。在其泵送时，氮通常流动不大于氧的百分之五十。当泵送的氮相对低压时，其沸腾的情况下的平温度廓线通常产生用于此沸腾的换热器的冷端附近的夹点。然而，由于这在低于氧沸腾的温度下发生，故其对空气分离单元效率的影响对于本发明和现有技术设计两者相似。当泵送的氮压力很高时，其对本发明的复合冷却曲线的影响相比于对现有技术的也很小。这是因为氮在大致490（绝对压力）磅/平方英寸(34bar(绝压值))和126K下变为超临界的。高于此，其不再产生温度廓线中的平段，且其存在变得在换热器温度廓线中实际上不可识别。因此，氮的泵送将实际上不影响本发明，且如申请中的权利要求中提出的本发明不旨在排除此选择。
参看图3，示出了空气分离设备2的改型，其中冷压缩机34在变速下操作，以提高空气分离设备2降载的能力。如将变得清楚的是，相同改型可结合到空气分离设备1中。空气分离设备降载在电能处于峰值需求且因此最昂贵的时间期间是期望的。在空气分离设备的降载操作期间，将产生较少产物，且空气压缩中的较低电能消耗将实现。然而，离心压缩机降载大体上很低效，低于大致75%的产能，其中压缩机的能量消耗实际上是固定的。该75%的水平对应于喘振控制线达到的程度，且压缩机必须然后在再循环中操作来避免喘振。在此操作模式中，在压缩之后，部分空气再循环回压缩机的入口。对于冷压缩机，此操作中的额外能量在主换热器中被拒绝，这与冷却水用于热压缩机相反。因此，需要更大涡轮制冷来使其平衡。这意味着除冷压缩机再循环流之外，涡轮流必须保持在设备低于75%的产能时的相同水平下。实际上，再循环对于冷压缩机不实际，且操作将保持在75%的产能下，即使其不需要。取决于设备设计，在主空气压缩机和可能的增压器压缩机的操作中发生的能量损失可使得以冷压缩的此降载操作不是很有吸引力(如果并非不实际的话)。将提到的是，涡轮通常将具有比冷压缩机更大的在降载模式中操作的流动范围和能力。然而，由于压缩机降载能力的局限性，不可使用整个操作范围。
如图所示，两股进料空气流180和182分别由两个主空气压缩机184和186压缩。主空气压缩机184和186中的各个均可为多级设施，其具有级之间的级间冷却，这提供了共同的后冷却器188来除去压缩热。所得的压缩空气给送至预净化单元188("PPU")，其结合吸附剂床来除去较高沸点的污染物，如，二氧化碳和水蒸汽。吸附剂床在异相循环中操作，通常是变温吸附循环或变压吸附循环或两个循环的组合。结果为压缩和净化的空气流10。压缩机184和186优选设有入口导叶192和194，以允许流独立地减少至各个压缩机。此外，增压器空气压缩机26也可设有导叶196。两个压缩机184和186的使用允许了小于百分之50的降载操作。如果需要较少降载操作，则此压缩机中的一个可使用，且在任何情况下，降载可通过单独使用入口导叶192,194和196来实现。变速电动机35'用于驱动冷压缩机34，且变速直接驱动电动机35'的速度由变频驱动器198("VFD")控制。电动机35'可为永磁电动机或高速感应电动机。变速驱动器198允许电动机35'的速度且因此压缩机34的速度受控制。冷压缩机34的较宽速度范围的实现继而又将允许较宽降载范围。
当结合图3中所示的特征的空气分离设备2降载时，主空气压缩机184和186和增压器空气压缩机26的导叶192,194和196逐步地关闭。这减小了来自空气压缩机的流动。尽管未示出，但冷压缩机34可类似地结合此导叶。然而，在所示实施例中，电机35'的速度单独调整，以减小冷压缩机34的速度。同时，图2中所示的富氧液流90和100的气态氧产物流例如借助于控制阀(未示出)减小。最后，随着压缩机184,186和26降载，它们将达到其流通能力的下端。这由喘振极限设置。低于该水平，将发生喘振操作。为了将此避免，增压器空气压缩机26将具有再循环管线200和控制阀202，其可开启来使冷却的排放流返回增压器空气压缩机26的进料端。这防止了喘振操作，以便机器不会受损，但在此产能和更低下的操作不再减小能量。对于主压缩机184和186，至大气的排出口204和206通过开启控制阀208和210来使用，以保护压缩机免于喘振操作，这又不会随产能减小能量。如上文指出那样，在降载操作在低于75%的产能或可能处于或低于50%的产能下实行时，两个压缩机184和186中的一者可关闭。然而，由于冷压缩机34借助于速度减小降载，故不存在主换热器18中必须被拒绝的额外的能量，且因此不存在冷压缩机34的降载必须满足的所得制冷要求。因此，压缩和净化的空气流10的流动减少将由于空气分离设备2的降载操作而与制冷要求降低一致地减小由涡轮膨胀器45给予的流动和制冷。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将想到的是，可制作出许多改变、添加和省略，而不脱离如所附权利要求中提出的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种分离空气的方法，包括：
在低温精馏过程中分离压缩和净化的空气，使得富氧液体塔底残留物在低压塔中产生，所述低压塔通过冷凝器重沸器以热传递关系联结到高压塔上，泵送富氧液流来产生泵送的氧流，且至少一部分所述泵送的氧流在主换热系统中加热来产生氧产物流；
通过进一步压缩所述压缩和净化的空气流的一部分以分别产生第一增压空气流和第二增压空气流来在所述主换热系统内加热所述泵送的氧流的至少一部分；
在所述主换热系统内部分冷却所述第一增压空气流和所述第二增压空气流；
在部分冷却之后，在中间温度下冷压缩所述第一增压空气流来产生冷压缩的空气流；
在比中间温度热的温度下将所述冷压缩的空气流引入所述主换热系统中，且完全冷却所述冷压缩的空气流来产生液体空气流；
在部分冷却之后，使所述第二增压空气流在涡轮膨胀器中膨胀，以产生排气流，且将所述排气流引入所述低压塔中来将制冷给予所述低温精馏过程中；以及
使所述液体空气流膨胀且将所述液体空气流引入所述低压塔或所述高压塔中的至少一者中；
其中所述中间温度大致等于所述富氧液流的汽化或伪汽化温度，且所述第二增压空气流部分冷却至不大于所述中间温度的温度，使得所述第一增压空气流和所述第二增压空气流两者有助于在高于所述中间温度的所述换热系统内的温度下加热所述富氧液流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间温度在比所述汽化或伪汽化温度低3.0K到高10.0K之间的范围中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体空气流在所述液体空气流引入所述低压塔或所述高压塔中的至少一者中之前在液体膨胀器中膨胀，以将附加制冷给予所述低温精馏过程。
4.根据权利要1所述的方法，其特征在于：
由所述压缩和净化的空气的一部分构成的第一压缩空气流在所述主换热系统中冷却且引入所述高压塔中；
所述第一增压空气流通过在所述第一增压器压缩机中压缩由所述压缩和净化的空气的另一部分构成的第二压缩空气流来形成；
所述第二增压空气流通过在所述第二增压器压缩机中压缩由所述压缩和净化的空气的又一部分构成的第三压缩空气流来形成；以及
所述第二增压器压缩机联接到涡轮膨胀器上且由涡轮膨胀器驱动。
5.根据权利要求1或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述冷压缩机由变速电动机外部驱动，所述变速电动机由变速驱动器控制，且当所述氧产物流的产生减少时，所述电动机且因此所述冷压缩机的速度在所述低温精馏过程的降载操作期间减小。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，含氩和氧的流从所述低压塔除去，且引入氩塔中来分离所述氩和所述氧，且因此产生含氧液体作为塔底残留物，以及富氩蒸汽塔顶馏出物；以及由所述含氧液体构成的含氧流引入所述低压塔中来增加所述氧回收。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由所述高压塔中产生的塔顶馏出物构成的富氮蒸汽流在所述冷凝器重沸器内冷凝来产生液氮回流；所述液氮回流的至少一部分引入所述高压塔中作为回流；且具有小于富氮蒸汽的氮浓度的富氮液流从所述高压塔取得，过冷，阀膨胀且然后引入所述低压塔中作为回流。
8.根据权利要7所述的方法，其特征在于：
所述主换热系统包括也具有低压换热器的成组换热器布置的高压换热器；
所述第一压缩空气流在低压换热器中完全冷却且引入所述高压塔中；
所述第一增压空气流在所述高压换热器中部分冷却，且在所述中间温度下排放；
在压缩所述中间温度下的所述第一增压空气流之后，所述冷压缩机使所述冷压缩的空气流在较热温度下回到所述高压换热器；
所述第二增压空气流在所述高压换热器内部分冷却，引入连接到所述高压换热器上的所述涡轮膨胀器，以形成排气流，且所述排气流引入所述低压塔中；
所述泵送的液氧流的至少一部分在所述高压换热器中加热；以及
至少部分由所述低压塔中产生的低压富氮蒸汽构成的第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流分别引入所述低压换热器和高压换热器中，且其中流速选择成完全冷却所述第一压缩空气流，且平衡所述低压换热器和高压换热器的冷端温度。
9.根据权利要8所述的方法，其特征在于：
由所述高压塔的粗液氧塔底残留物构成的粗液氧流从高压塔取得，过冷，阀膨胀，在所述氩塔的氩冷凝器中部分地汽化，以产生液相流和汽相流；
所述液相流和所述汽相流引入所述低压塔中来进一步精化所述粗液氧塔底残留物；以及
至少部分地由所述富氮蒸汽构成的废氮流分成所述第一富氮蒸汽流和第二富氮蒸汽流，且所述第一富氮蒸汽流在至少一个过冷换热器中部分地加热，所述过冷换热器用于使所述粗液氧流和所述富氮液流过冷。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，由所述压缩和净化的空气构成的压缩的主进料空气流分成所述第一压缩空气流、所述第二压缩空气流和所述第三压缩空气流。
11.一种用于分离空气的设备，包括：
低压塔，其由冷凝器重沸器热联结至高压塔，且构造成通过压缩和净化的空气的低温精馏来产生富氧液体来作为所述低压塔的富氧液体塔底残留物；
泵，其连接到所述低压塔上，以泵送由所述富氧液体塔底残留物构成的富氧液流，以产生泵送的液氧流；
第一增压器压缩机，其构造成由部分所述压缩和净化的空气形成第一增压空气流；
第二增压器压缩机，其构造成由部分所述压缩和净化的空气形成第二增压空气流；
主换热系统，其连接到所述泵上，且构造成加热所述泵送的液氧流的至少一部分，且因此通过与所述第一增压空气流、所述第二增压空气流和冷压缩流间接热交换来形成富氧产物；
所述主换热系统与所述蒸馏塔系统流动连通，以便所述液体空气流引入所述低压塔或高压塔中的至少一者中，且具有：第一中间出口，其定位成在中间温度下排放所述第一增压空气流，所述中间温度大致等于所述富氧液流的汽化或伪汽化温度；入口，其将所述冷压缩空气流在比所述中间温度热的温度下引入所述主换热系统中；以及第二中间出口，其定位成排放在不大于所述中间温度的温度下的所述第二增压空气流，以便所述第一增压空气流和所述第二增压空气流两者由此有助于在高于中间温度的所述换热系统内的温度下加热富氧液流；
冷压缩机，其连接在所述第一中间出口与所述入口之间，以压缩所述第一增压空气流，且因此形成所述冷压缩流；
涡轮膨胀器，其连接在所述第二中间出口与所述低压塔之间，以使所述第二增压空气流膨胀，且因此形成排气流，所述排气流引入所述低压塔中来将制冷给予所述设备；以及
液体膨胀器，其定位在所述主换热系统与所述蒸馏塔系统之间，以在将所述液体空气流引入所述蒸馏塔系统中之前膨胀所述液体空气流，且因此生成附加的制冷。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述第一中间出口定位成以便中间温度在比所述汽化或伪汽化温度低3.0K和高10.0K之间的范围中。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，
所述主换热系统还构造成完全冷却由待精馏的所述空气的一部分构成的第一压缩空气流；
所述主换热系统连接到所述高压塔上，以便所述第一压缩空气流引入所述高压塔中；
所述第一增压器压缩机连接到所述主换热系统上，以压缩由所述待精馏的空气的另一部分构成的第二压缩空气流，从而形成所述第一增压空气流；
所述第二增压器压缩机连接到所述主换热系统上，以压缩由所述待精馏的空气的又一部分构成的第三压缩空气流，从而形成第二增压空气流；以及
所述第二增压器压缩机联接到涡轮膨胀器上且由涡轮膨胀器驱动。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，氩塔连接到所述低压塔上，以从所述低压塔接收含氩和氧的流，且因此分离所述氩和所述氧，且产生含氧液体作为塔底残留物和富氩蒸汽塔顶馏出物；以及所述氩塔连接到所述低压塔上，以便由所述含氧液体构成的含氧流引入所述低压塔中来增加所述氧回收。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述冷压缩机连接到变速电动机上，且变速驱动器连接到所述电动机上，以控制所述电动机且因此所述冷压缩机的速度，以允许当氧产物流的生产减少时，所述冷压缩机的速度在设备降载操作期间减小。
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