CN106415175A - 空气分离系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于在空气分离装置中分离空气的系统和方法。所公开的系统和方法将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，所述旁路系统被配置成选择性地产生压力较高的压缩输出流或压力较低的压缩输出流。所述压力较高的压缩输出流和/或所述压力较低的压缩输出流在主热交换器中通过与来自所述空气分离装置的多股产物流进行间接热传递而进行冷却，然后在所述蒸馏塔系统中进行精馏。第二部分的所述压缩净化空气流在所述主热交换器中部分冷却，并且在涡轮膨胀机中膨胀以产生功率和排出流，所述排出流被导向所述空气分离装置的所述蒸馏塔系统，在该处所述排出流供给由所述压缩空气流在所述涡轮膨胀机中膨胀所产生的附加的制冷。

Description

空气分离系统和方法
技术领域
本发明涉及空气分离方法和设备，其中通过以下过程供给空气分离装置制冷：由压缩净化空气形成压缩空气流，在涡轮膨胀机中使压缩空气流膨胀以产生排出流，然后将排出流引入蒸馏塔系统，而产生一种或多种液体产物。更具体地，本发明涉及这样一种方法和设备，其中所述压缩空气流要么先被增压压缩机进一步压缩后再膨胀，以提高制冷并增加液体产物的产量，要么绕过增压压缩机，以降低制冷并减少液体产物的产量。
背景技术
目前，在采用低温精馏的空气分离装置中将空气分离成包括氮、氧和氩在内的产物。在此类装置中，空气依次被压缩、纯化去除沸点较高的污染物(诸如二氧化碳和水)、冷却至适合将空气蒸馏的温度，然后被引入蒸馏塔系统。
在一个典型的蒸馏塔系统内，空气在高压塔中被分离成塔顶富氮蒸气和塔底原始液态氧(也称为釜液(kettle liquid))。塔底原始液态氧流被引入低压塔，以进一步精制为塔底富氧液体和塔顶富氮蒸气。低压塔在比高压塔低的压力下运行，其通过热交换器(称为冷凝器再沸器)热连接到高压塔。冷凝器再沸器通过使塔顶富氮蒸气流与塔底富氧液体间接热交换而将所述蒸气流冷凝，由此在高压塔和低压塔两者中产生液氮回流，并且在低压塔中通过蒸发在该塔中产生的部分塔底富氧液体而建立滚沸。
在任何类型的空气分离装置中，将可由富氮和富氧液体和蒸气构成的液体和蒸气引入主热交换器，使其在通过主热交换器的过程中与进入的空气进行间接热交换，从而帮助空气冷却，并且从自主热交换器温端取出作为产物。另外，富集了氧、氮或这两者的液体产物可从蒸馏塔系统取出作为液体产物。而且，可泵送从塔取出的液体流的一部分或全部，以产生泵送的或加压的液体，这种液体在主热交换器或分离的热交换器中得到加热，所述分离的热交换器被设计为在高压下运行并产生作为蒸气或超临界流体的富集产物。
因为必须将空气分离装置保持在深冷温度下才能使空气得到蒸馏，所以，必须供给该装置制冷(refrigeration)，以补偿泄漏到装置中的热以及主热交换器或与其联合运行的另一热交换器的温端损失。另外，由于取出液体产物也移出所供给的制冷，所以还必须通过向装置中引入制冷而作出补偿。这一般通过将压缩净化空气引入增压压缩机形成压缩空气流而实现。经过这种进一步压缩的压缩空气流然后被直接引入涡轮膨胀机，或在被部分冷却后再引入涡轮膨胀机，以产生被引入蒸馏塔系统的排出流。就这一点而言，这种排出流可被引入低压塔或高压塔。
在很大程度上，运行空气分离装置时的持续开销是压缩空气时所消耗功率的成本。如上所述，在液体被当作产物的情况下，势必需要进一步压缩，以产生在生成这类液体产物时将需要的制冷。然而，对液体产物的需求和功率成本并非恒定不变。例如，相比白天的功率成本和对液体的需求，夜晚期间的功率成本和对液体的需求往往较低。因此，空气分离装置可被设计成在功率比较便宜时周期性地产生较大份额的液体产物或高压产物。
许多空气分离装置还需要改变所产生的气体产物和液体产物的压力。例子可包括对多条管道供料的空气分离装置，或被专门设计成具有双核心或双冷却箱以产生不同压力的产物的双重空气分离装置。在此类情况下，偶尔需要改变产物搭配组合，这需要切换或重置到高压产物或高压管道，或者从高压产物或高压管道进行切换或重置。还有一种常见的情形是双压或单压空气分离装置，该装置选择性地改变产物构成，在功率比较便宜时产生更多的氩或低压氮来代替高压或中压氧。
用于实现产物压力的这种变化的常规解决方案或技术是调整压缩机导流叶片以降低BAC压力。然而，在降低产物压力时，调整压缩机导流叶片以降低BAC压力的常规解决方案通常只能节省很少的功率，甚至完全不省电，因而不会显著降低成本。如下文将讨论的，本发明提供了空气分离方法和空气分离装置，除其它优点外，其允许绕过增压压缩机，而相比现有技术所预期的，以更高的效率且节省更多的成本来调低或调高加压产物的压力和/或生产率。
发明内容
本发明可被表征为一种在空气分离装置中分离空气的方法，该方法包括：(i)在空气分离装置内分离压缩净化空气，以通过加热富集该压缩净化空气的某一组分的一股或多股加压液体流而产生包含一种或多种加压产物的多股产物流；(ii)改变所述一股或多股加压液体流的流量或所述一股或多股加压液体流的压力，继而改变所述加压产物的生产率或压力；(iii)将一部分压缩净化空气转移到旁路系统，以产生压缩输出流；(iv)在加压液体流的流量或压力增大时，选择性地将所述一部分压缩净化空气引入旁路系统的增压压缩机线路以进一步压缩所述压缩净化空气，从而产生压力较高的压缩输出流，或者在加压流体流的流量或压力降低时，选择性地将所述一部分压缩净化空气引入旁路系统的旁路线路，而产生压力较低的压缩输出流；以及(v)传递所述压缩输出流，使其与所述加压液体流进行间接热交换，而产生一种或多种加压产物。
本发明还可被表征为一种空气分离系统，该系统包括：(a)进气系统，该进气系统包括主空气压缩机、与主空气压缩机连接的净化单元，该进气系统被配置成产生压缩净化空气流；(b)旁路系统，该旁路系统包括增压压缩机线路、一个或多个压缩机、旁路线路，以及多个控制通过增压压缩机线路和旁路线路的流的控制阀，该旁路系统被配置成接收第一部分的压缩净化空气流并将其调节为压缩输出流；(c)与进气系统和旁路系统流动连通的主热交换器，该主热交换器系统被配置成接收所述经调节的压缩输出流、从进气系统接收第二部分的压缩净化空气流，并冷却相应流；(d)蒸馏塔系统，所述蒸馏塔系统包括与主热交换器连接的高压塔和低压塔，并且被配置成精馏冷却的所述压缩输出流，从而产生一系列的产物；(e)涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机与主热交换器流动连通，并且被配置成接收并膨胀冷却的第二部分的压缩净化空气流以产生功率和排出流，其中所述排出流被引入蒸馏塔系统，以供给空气分离装置附加的制冷；以及(f)控制系统，所述控制系统可操作地至少联接到所述旁路系统以控制所述多个控制阀，以选择性地将第一部分的压缩净化空气流引入增压压缩机线路而产生压力较高的压缩输出流；或引入旁路线路而产生压力较低的压缩输出流。旁路系统进一步被配置成在产生压缩输出流期间防止增压压缩机出现喘振状况，以及在产生压力较低的压缩输出流期间在增压压缩机线路内维持吹扫流。
本发明所公开的系统和方法的一些实施例被配置成在从产生压力较低的压缩输出流转变为产生压力较高的压缩输出流的情况下，逐渐将所述部分的压缩空气流从旁路线路转移到增压压缩机线路。类似地，本发明所公开的系统或方法还在从产生压力较高的压缩输出流转变为产生压力较低的压缩输出流的情况下，逐渐将所述部分的压缩空气流从增压压缩机线路转移到旁路线路。
本发明所公开的系统和方法还可在增压压缩机被停用的情况下，使循环流和/或吹扫流在增压压缩机线路内循环流动。所述循环流通常从增压压缩机线路中的压缩机的出口流向增压压缩机线路中的压缩机的入口。所述吹扫流可为净化的低压气体，经由低压气体供应管被供应至增压压缩机线路中的一个或多个压缩机，并且在增压压缩机线路中的所述一个或多个压缩机被停用时经由排放管排放。吹扫流的用途是防止环境空气进入增压压缩机线路中的增压压缩机。
在本发明的一些实施例中，将第二部分的压缩净化空气转移到空气分离装置中的主热交换器的温端。该第二部分的压缩净化空气可被冷却或部分冷却至中间温度(介于主热交换器温端的温度与主热交换器冷端的温度之间)。该冷却的第二部分的压缩净化空气然后在涡轮膨胀机内膨胀，以产生功率和排出流。该冷却的第二部分的压缩净化空气在涡轮膨胀机内膨胀所产生的制冷优选地被供给空气分离装置的蒸馏塔系统，更具体地，被供给高压蒸馏塔和/或低压蒸馏塔。
本发明还可被表征为一种在空气分离装置中产生双重(dual)加压氧产物的方法，该方法包括：(i)将压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生一股或多股压缩输出流；(ii)在空气分离装置的第一蒸馏塔系统内分离所述一股或多股压缩输出流的一部分，以产生多股产物流，包括高压的第一加压液态氧流；(iii)在第一主热交换器内经由与所述一股或多股压缩输出流进行间接热交换来加热第一加压液态氧流，以产生第一加压氧产物流；(iv)在空气分离装置的第二蒸馏塔系统内分离所述一股或多股压缩输出流的一部分，以产生多股产物流，包括中压或低压的第二加压液态氧流；(v)在第二主热交换器内经由与所述一股或多股压缩输出流进行间接热交换来加热第二加压液态氧流，而产生第二加压氧产物流；(vi)改变第一加压液态氧流或第二加压液态氧流的压力或流量，继而分别改变第一加压氧产物流或第二加压氧产物流的压力或流量；(vii)当期望中压或低压的加压氧产物流的产量增加时，降低第一加压液态氧流的压力或流量，继而降低第一加压氧产物流的压力或流量，使其接近或匹配第二加压氧产物流的压力，并且其中选择性地将旁路系统中的一部分压缩净化空气引入旁路线路，以产生压力较低的一股或多股压缩输出流；以及(viii)当期望高压的加压氧产物流的产量增加时，增大第二加压液态氧流的压力或流量，继而增大第二加压氧产物流的压力或流量，使其接近或匹配第一加压氧产物流的压力，并且其中选择性地将旁路系统中的一部分压缩净化空气引入增压压缩机线路，以产生压力较高的一股或多股压缩输出流。
本发明的另一种应用是作为在空气分离装置中产生双重加压氧产物的方法，该方法包括：(i)将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；(ii)在空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，以产生多股产物流，包括至少一股加压液态氧流；(iii)在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述至少一股加压液态氧流，以产生高压的第一加压氧产物流和低压或中压的第二加压氧产物流；以及(iv)改变所述至少一股加压液态氧流的压力或流量，继而改变第一加压氧产物流或第二加压氧产物流的压力或流量。当第一加压氧产物流或第二加压氧产物流的压力或流量增大时，选择性将旁路系统中的一部分压缩净化空气引入增压压缩机线路以进一步压缩所述压缩净化空气，从而产生压力较高的压缩输出流。类似地，当第一加压氧产物流或第二加压氧产物流的压力或流量降低时，选择性将旁路系统中的一部分压缩净化空气引入旁路线路，而产生压力较低的压缩输出流。本发明在双重加压产物型空气分离装置中的此类应用在存在从高压氧产物转变为中压或低压氧产物(反之亦然)的需求时尤其有益。本发明的方法在调整双重加压产物之间的划分或比率是也是有益的。
本发明的又一种应用是作为在空气分离装置中产生加压氧产物流的方法，该方法包括：(i)将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；(ii)在空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，以产生多股产物流，包括一股或多股加压液态氧流，任选地包括氮产物流或氩产物流；(iii)在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述一股或多股加压液态氧流，而产生加压氧产物流；(iv)当氮产物流或氩产物流的产量增加时，降低所述一股或多股加压液态氧流的压力或流量，继而降低加压氧产物流的压力或流量，并且其中当氮产物流或氩产物流的产量增加时，选择性地将旁路系统中的一部分压缩净化空气引入旁路线路，而产生压力较低的压缩输出流；以及(v)当氮产物流或氩产物流的产量降低时，增大所述一股或多股加压液态氧流的压力或流量，继而增大加压氧产物流的压力或流量，并且其中当氮产物流或氩产物流的产量降低时，选择性地将旁路系统中的一部分压缩净化空气引入增压压缩线路，而产生压力较高的压缩输出流。本发明此类应用于存在在单加压产物装置或双重加压产物装置中需要增大氩回收率或氮回收率的运行设置时尤其有益。在双重加压产物装置中，为了增大氩回收率或氮回收率而减少或调低氧加压产物的产量，可引起高压氧产物流转变为中压流，或可引起高压氧产物流转变为低压氧产物流。
本发明还有一种应用是作为提升空气分离装置中的加压氧产物的生产的方法，该方法包括：(i)将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；(ii)在空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，以产生多股产物流，包括加压液态氧流；(iii)在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述加压液态氧流，而产生加压氧产物流；(iv)改变加压液态氧流的压力或流量，继而改变所述加压氧产物流的压力或流量；以及(v)通过下述方式提升空气分离装置中的加压氧产物的产量：将旁路系统中的一部分压缩净化空气转移到增压压缩回路中，以产生压力较高的压缩输出流，由此增大加压液态氧流的压力或流量，继而增大加压氧产物流的压力或流量，从而产生高压加压氧产物流；或者将旁路系统中的一部分压缩净化空气转移到旁路线路中，以产生压力较低的压缩输出流，由此降低加压液态氧流的压力或流量，继而降低加压氧产物流的压力或流量，从而产生低压加压氧产物流。
最后，本发明还有一种应用是作为调整空气分离装置中两种或更多种加压氧产物的产量的划分的方法，该方法包括：(i)将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；(ii)在空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，以产生多股产物流，包括两股或更多股加压液态氧流；(iii)在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述加压液态氧流，而产生高压的第一加压氧产物流和低压或中压的第二加压氧产物流；(iv)改变至少一股加压液态氧流的压力或流量，继而改变第一加压氧产物流或第二加压氧产物流的压力或流量；以及(v)通过下述方式调整第一加压氧产物流产量与第二加压氧产物流产量之间的划分：当第一加压氧产物流的流量增大时，将旁路系统中的一部分压缩净化空气转移到增压压缩机线路中，从而产生压力较高的压缩输出流，而当第一加压氧产物流的流量降低时，将旁路系统中的一部分压缩净化空气转移到旁路线路中，从而产生压力较低的压缩输出流。
附图说明
虽然本说明书的结论是申请人视为其发明内容且清楚地指出发明主题的权利要求书，但相信本发明及其优势在结合附图考虑时将被更好地理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的空气分离装置的示意图；
图2是根据本发明的一个替代实施例的空气分离装置的示意图。
在附图中，各图示出的完全相同或几乎相同的部件由类似的附图标记表示。
具体实施方式
参照图1和图2，其中示出了根据本发明的空气分离装置1的实施例。如下文将讨论的，空气分离装置1被设计为通过下述方式精馏空气：首先在进气系统5中压缩并净化进料空气流10，然后在主热交换器2内冷却所得的压缩净化空气，接下来在蒸馏塔系统3内蒸馏该压缩净化空气，分别产生液态氧产物流130和液态氮产物流114，以及加压氧产物流136、气态氮产物流122和气态废氮流126。尽管未示出，但本发明还可与被设计为额外产生也可作为液体获得的氩产物或氧和氮的其他产物构成的空气分离装置结合使用。空气分离装置1还可设置有旁路系统4，以产生高压或低压的压缩输出流，这些压缩输出流用于间接地加热来自蒸馏塔系统的一股或多股加压液体流，并产生一股或多股加压产物流。空气分离装置1还被配置成响应于通过旁路系统4的流改变加压液体流的流量和/或压力，继而改变加压产物的生产率和/或压力。
更具体地，进料空气流10被具有入口导流叶片13的主空气压缩机12压缩，以产生压缩空气流14。压缩空气流14然后被引入预净化单元16，以得到压缩净化空气流18。如本领域已知的那样，预净化单元16被设计为从空气中去除沸点较高的杂质，诸如水蒸气、二氧化碳和烃类。这种预净化单元16可包含以异相循环运行的吸附床，所述异相循环是变温吸附循环、变压吸附循环或这两种循环的组合。
如图1和图2所见，压缩净化空气流18被引入增压压缩机20，然后被分成第一压缩空气流22和第二压缩空气流24。第一压缩空气流在旁路系统4的增压压缩机26中被进一步压缩成压缩流28，而第二压缩空气流24可任选地在增压压缩机30中被进一步压缩而形成进一步压缩的空气流32，用于将在下文讨论的目的。
值得注意的是，根据本发明的实施例，增压压缩机可具有各种布置方式。例如，不存在增压压缩机20的实施例是可行的。在这种情况下，旁路系统4内的增压压缩机26进一步压缩所述压缩净化空气流的第一部分以产生压缩流28，而第二增压压缩机30进一步压缩所述压缩净化空气流18的第二部分以产生进一步压缩的空气流，但该进一步压缩的空气流的压力比进一步压缩的空气流32低。
本发明实施例的另一种可能形式或变型是保留增压压缩机20，但将增压压缩机30移除。在这种情况下，整股压缩净化空气流18将在增压压缩机20中得到进一步压缩。这种进一步压缩的空气流的第一部分将被转移到旁路系统4，随后仍在增压压缩机26中被进一步压缩成压缩流28。这种进一步压缩的空气流的第二部分将包含进一步压缩的空气流32。
在又一个实施例中，将不存在增压压缩机26，因此，压缩净化空气流18将在增压压缩机20中得到压缩，随后其第一部分将被转移到旁路系统4，而其第二部分将在增压压缩机30中被压缩成进一步压缩的空气流32。
压缩空气流28随后被引入具有旁路分支38和增压压缩机分支40的旁路系统4的分支流动路径。增压压缩机分支40被进一步表征为具有一个或多个增压压缩机级42、43，以及循环回路44、排放线路57和低压气体供应线路55。所述分支流动路径排放由压缩空气流28组成的压缩输出流46，该压缩输出流的压力取决于压缩空气流28是被引入旁路分支38还是增压压缩机分支40。
在压缩流28被引入增压压缩机分支40的情况下，其被增压压缩机级42、43进一步压缩，从而允许产生压力较高的压缩输出流46。与之相比，在压缩流28被引入旁路分支38的情况下，其绕过了增压压缩机级42、43，因此，压缩输出流46的压力较低，约等于进入的压缩流28的压力。旁路分支38通常包括较少的管路和阀，这转化为较小的压力降或压力损失。在增压压缩机分支40内，循环回路44允许不取决于压缩空气流28在旁路分支38与增压压缩机分支40之间以何种方式重定向，都可在增压压缩机级42、43两端维持一定的压力比，由此防止增压压缩机级42、43出现喘振运行状况。
按照下文将更详细讨论的方式，压缩空气流28在增压压缩机分支40和旁路分支38之间的转移受到分别位于增压压缩机分支40和旁路分支38内的第一流动控制阀48和第二流动控制阀50的有源控制，还受到位于旁路分支38中的止回阀54的无源控制。循环回路44中的第三控制阀56有源地控制循环回路44内的循环流的流动。一旦压力超过预设值，排放线路57中的阀58便可操作地清除来自循环回路44的流。设置在低压气体供应线路中的阀62根据需要(尤其是在增压压缩机级42、43被停用期间)控制低压气体流引入增压压缩机级42、43。
压缩输出流46然后在主热交换器2内被充分冷却，并冷凝产生液态空气流68，而从来自图示实施例中的旁路系统4的压缩输出流46提取的热则优选地用于加热被泵送以产生加压液体产物流136的富氧液体流128的一部分。液态空气流68借助膨胀阀76被膨胀为高压塔的压力，并被分成第一子液态空气流78和第二子液态空气流80。第二子液态空气流80被引入高压蒸馏塔70，而第一子液态空气流78被阀76进一步膨胀并引入低压蒸馏塔72。
在图示实施例中，第二压缩空气流24在增压压缩机30中被进一步压缩，以形成进一步压缩的空气流32。进一步压缩的空气流32被部分冷却至中间温度(介于主热交换器2的温端与冷端的温度之间)以产生部分冷却流63，该部分冷却流被引入任选的涡轮膨胀机64从而产生排出流66。排出流66被引入高压蒸馏塔70，以供给由膨胀产生的制冷。由涡轮膨胀机64产生的膨胀功在因联接到发电机67而产生功率的过程中被耗散掉。涡轮膨胀机64两端的压力比以及由此产生的制冷都将取决于进一步压缩的空气流32的压力。排出流可被导向高压塔70或低压塔72，具体取决于排出流的压力。图1描绘的是排出流66被引入高压塔70，而图2描绘的是排出流66被引入低压塔72。
如本领域的技术人员可理解的那样，尽管进一步压缩的空气流32在主热交换器2内得到部分冷却，但在本发明的可行的替代实施例中，进一步压缩的空气流32可绕过主热交换器2而被直接引入涡轮膨胀机64，在这种情况下，涡轮膨胀机64将是温膨胀机，并且可提供另外的涡轮膨胀机以供给基本制冷负载，以将该实施例的空气分离装置维持在热平衡状态。
主热交换器2可具有钎焊的铝构造，并且尽管被示出为单个单元，但其可以是一系列并联运行的此类单元。另外，联组工作的(banked)构造也是可行的，其中，高压流(诸如来自旁路段的压缩输出流46、进一步压缩的空气流32和泵送的液态氧流134)在独立的高压单元内经历间接热交换。
蒸馏塔系统3具有高压塔70和低压塔72，其中高压塔和低压塔通过冷凝器再沸器74以传热关系热连接，并且低压塔的工作压力低于高压塔70。排出流66被引入高压塔70；液态空气流则借助膨胀阀76被膨胀为高压塔的压力，并被分成第一子液态空气流78和第二子液态空气流80。第一子液态空气流被引入高压塔70，而第二子液态空气流80在膨胀阀82中被膨胀为低压塔72的压力后被引入低压塔72。
高压塔70设置有质量传递接触元件84和86(诸如规整填料或托盘，或规整填料和托盘的组合)，以便接触借助第一子液态空气流78和排出流66被引入高压塔70的空气的下行液相与上行蒸气相。这种接触的结果是，下行液相在下降的过程中将会富集越来越多的氧，而上行蒸气相在上升的过程中将会富集越来越多的氮，从而产生塔顶富氮蒸气88和塔底原始液态氧90(也称为釜液)。原始液态氧流92从高压塔70离开后，在膨胀阀94中膨胀为低压塔72的压力，然后被引入低压塔72进行进一步精制。可先过冷处理原始液态氧流92，再将其引入低压塔。
低压塔72还设置有质量传递接触元件96、98、100和102，用于再次接触下行液相与蒸气相，从而产生塔底富氧液体104和塔顶富氮蒸气106。冷凝器再沸器74通过与由高压塔70的塔顶富氮蒸气88组成的富氮蒸气流105进行间接热交换，来部分地蒸发塔底富氧液体104。这种蒸发在低压塔72内引发上行蒸气相形成，并将富氮蒸气冷凝以生成富氮液体流106。富氮液体流106被分成第一子富氮液体流108和第二子富氮液体流110。第一子富氮液体流108被引入高压塔70的顶部作为回流物，用于引发下行液相形成。在高压运行模式期间，第二子富氮液体流110的一部分被转移成第三子液氮流，并被泵150加压形成泵送的液氮流153。所述泵送的液氮流153经由阀152被导向至主热交换器2，在其中被充分升温，以产生加压的氮产物流162。第二子富氮液体流110的未转移部分然后在过冷热交换器112中得到过冷处理，并任选地被分成液氮产物流114和液氮回流流116，该液氮回流流在阀118中膨胀为相容的压力后被引入低压塔72的顶部，用于引发下行液相形成。
由塔顶富氮蒸气106组成的富氮蒸气流120从低压塔72的顶部被抽出，在过冷热交换器112中部分加温，然后在主热交换器中充分加温以产生氮产物流122。另外，可以低于富氮蒸气流120被抽出水平的水平从低压塔72去除废氮流124，使所述废氮流在过冷热交换器112中部分加温，然后在主热交换器2中充分加温以形成加温的废氮流126。在过冷热交换器112中对此类流的加温提供过冷处理第二子富氮蒸气流110所必需的间接热交换。在主热交换器2中进一步加温此类流有助于冷却进入的空气。加温的废氮流126可用于使预净化单元16的吸附床内的吸附剂再生。
由残余塔底富氧液体104组成的富氧液体流128可从低压塔72被去除，然后分成液态氧产物流130，并且剩余的流被泵132加压以产生泵送液态氧流134。所述泵送液态氧流134被分流成两股子液态氧流，其在高压运行模式期间在主热交换器2中被充分加温以产生加压氧产物流136和164。用于此种加热的热交换由高压压缩输出流46提供。然而，在低压运行模式期间，布置在主热交换器2上游并且与泵送液态氧流134相关的阀154、156中的一者或两者经调整以减少穿过其中的流量。
如上所述，将阀系统并入旁路系统4以控制旁路系统4内分支和线路内的流动。虽然可以设想手动控制是可行的，但优选的是使用控制器(未示出)来进行自动控制。控制器可以是可从多种来源获得的可编程逻辑控制器，或者作为另外一种选择，可并入空气分离装置1的装置控制系统。控制系统通常由用户输入激活以将装置设定成生产模式，在所述生产模式下产物构成在规定的速率和压力下产生。控制系统优选地被设计成控制阀操作，以使得增压压缩机分支40和旁路分支38之间的压缩空气流28的转移是逐渐进行的，并且独立控制循环回路44内的循环流以防止增压压缩机42进入喘振状态。此外，控制系统管理排放线路57内的流，将气体从旁路系统4和低压气体供应线路55排出，以向增压压缩机子系统45供应低压净化吹扫气体源。
在高压稳态运行模式下，一部分净化压缩空气流被导向增压压缩机子系统45，在图1和图2中示意性地描绘。如其中可见，增压压缩机子系统45一般包括增压压缩机42、任选的增压压缩机43、任选的中间冷却器(未示出)和相关的阀。在高压稳态运行模式下，阀48完全打开而阀50关闭，由此引导第一压缩空气流22流动通过旁路系统4的增压压缩机分支40。止回阀61和阀60也打开，而止回阀54关闭，以确保压力较高的压缩输出流46被引导通过主热交换器2，该压力较高的压缩输出流在该主热交换器中液化为液态空气流68，随后在膨胀阀76中膨胀，并分成两股子液态空气流78和80，所述两股子液态空气流被分别导向高压蒸馏塔70和低压蒸馏塔72。
在这种高压稳态模式下，阀29被配置成防止增压压缩机26出现喘振状况，而阀56被配置成防止压缩机级42、43出现喘振状况。并且，低压气体供应线路中的阀62和排放线路中的阀58通常关闭，因为未设想在这种稳态运行中添加或清除气体。当然，在需要降低压力或清除气体的情况下，控制单元将根据需要激活阀62和/或阀58。
在低压稳态运行模式下，一部分净化压缩空气流被导向以旁路增压压缩机子系统45的大部分。在低压稳态运行模式期间，阀48关闭而阀50打开，由此引导第一压缩空气流22流动仅通过增压压缩机26，然后经过旁路系统4的旁路分支38。止回阀61和阀60也关闭以确保压力较低的压缩输出流46被引导通过主热交换器2，该压力较低的压缩输出流在该主热交换器内液化为液态空气流68，随后在膨胀阀76中膨胀，并分成两股子液态空气流78和80。液态空气流78被导向高压蒸馏塔70，而液态空气流80在阀82中被进一步膨胀并被导向低压蒸馏塔72。
在这种低压稳态模式下，阀29再次被配置成防止增压压缩机26出现喘振状况，而低压气体供应线路中的阀G62、循环管中的阀56和排放线路中的阀58通常打开以保持压缩机级42、43旋转，同时也防止压缩机级42、43中出现真空状态或喘振状况。
当空气分离装置从低压运行模式向高压运行模式切换或转变时，控制系统采取行动以改变旁路系统4中的流并且控制所选的进入主热交换器2的流。控制旁路系统4涉及逐渐打开流动控制阀48同时逐渐关闭旁路分支38内的控制阀50，以逐渐使压缩空气流28从旁路分支38转向增压压缩机分支40。优选地，在低压运行模式期间被引导通过增压压缩机42的低压净化空气的任何吹扫流都应该被中断。为了结束或中断吹扫流，将排放管中的阀58设定至关闭位置，并且低压气体供应管中的止回阀(未示出)在于增压压缩机分支40内实现的增加的压力下关闭。然后，将低压气体供应管中的阀62设定至关闭位置，使得通过压缩机级42、43的任何流源于净化压缩的进入空气流。
当增压压缩机分支40内的压力超过旁路分支38内的压力时，止回阀54关闭以防止在增压压缩机分支40中逆流，而同时止回阀61和阀60打开。此时，流动控制阀50可优选地设定在关闭位置，并且循环回路44中的阀56将随着通过压缩机级42、43的流量增加而开始关闭。控制阀56尽可能地移至关闭，同时防止压缩机级42、43发生喘振。入口导流叶片27的定位控制压缩机级42、43上的排放压力。
控制所选产物流向主热交换器与控制旁路系统4同时实现。具体地讲，控制产物流向主热交换器2仅通过进一步打开阀152、154、156和升高流162、164、136上的压力及由此所得产物压力来实现。任选地，如果需要，泵132和泵150可被加速。
反之，当空气分离装置从高压运行模式向低压运行模式切换或转变时，控制系统采取行动以改变旁路系统4中的流并且改变进入主热交换器2的流。具体地讲，主热交换器2的控制是通过调整阀154和阀156中的任一者或两者以减少液态氧产生来实现的。任选地，可使泵132减慢以同时节能和降低液态氧压力。调整阀152以降低液氮压力，并且还可减慢泵150以进一步减少空气分离装置内的能量使用。
旁路系统4的控制是在从高压运行模式向低压运行模式转变过程中通过卸载增压压缩机子系统45，尤其是压缩机部分42和43来实现的。为了以安全可靠的方式实现这种卸载，压缩空气流28逐渐地从旁路系统4的增压压缩机分支40转向旁路分支38。为达到此目的，控制阀50逐渐打开以逐渐增加压缩空气流28进入旁路分支38的流量。同时，流动控制阀48逐渐关闭以逐渐减少增压压缩机分支44内压缩空气流28的流量。同时，阀56打开至预设值或位置以防止压缩机级42、43的喘振。一旦旁路分支38中的压力超过增压压缩机分支40中的压力，则止回阀54打开，控制阀48关闭，并且增压压缩机级42、43停用。如本说明书和权利要求中所用的术语“停用”涵盖其中增压压缩机级42、43被关闭或设定在低压运行模式下的运行。在低压运行模式下，功率减小并且压缩机在非常低的入口压力和降低的流量下运行。除了循环流通过循环管44外，低压运行模式将需要适当调整入口导流叶片27。
此时，吹扫空气流53经由低压气体供应管55被引入增压压缩机级42、43，以防止未处理的空气进入旁路系统4。环境空气进入增压压缩机级42、43的问题在于环境空气未脱除沸点较高的污染物；而且在没有此类净化的情况下，沸点较高的污染物可进入主热交换器2或蒸馏塔3并凝固，从而造成安全隐患。吹扫空气流53优选地由净化空气构成并可得自来自运行的压缩机的渗出流(bleed stream)，所述运行的压缩机还用于向空气分离装置供应仪表空气。就这一点而言，如本领域已知的，增压压缩机级42、43可设置有围绕压缩机叶轮外部的迷宫式密封，以防止高压空气从此区域逸出。此类构造通过平衡压缩机入口处的压缩机力和作用在叶轮背侧的力来获得作用于压缩机叶轮上的力的平衡。通过从压缩机入口向此类叶轮内部区域提供空气，叶轮背侧上的力由高压压缩空气由迷宫式密封向外、作用于叶轮外部环形区域以及由迷宫式密封向内、作用于叶轮背侧的内部圆形区域而产生。假设增压压缩机级42、43在停用时以低压模式运行，那么增压压缩机42入口处的压力将低，通常约5psia。当第一流动控制阀48被设定在完全关闭位置时，由于该低压和仪表空气稍高的压力，止回阀打开。此时，阀62被设定在打开位置。然后，排放线路57中的阀58也被控制为打开位置以降低回路内的压力。当回路中的压力到达预设低值时，阀58关闭。吹扫空气流仅从迷宫式密封逃逸至压缩机的内部并通过蜗壳到压缩机的出口，以防止环境空气进入增压压缩机级42、43。代替这种运行，也可以是吹扫空气流仅从压缩机的出口逃逸并通过阀58和排气口59排放。
尽管已通过多种方式对本发明进行了表征，并且关于优选的实施例对其进行了描述，但是如本领域的技术人员将想到的，在不脱离所附权利要求书规定的本发明的精神和范围的情况下，可对其进行多种添加、改变和修改。

Claims (22)

1.一种在空气分离装置中分离空气的方法，包括：
在所述空气分离装置内分离压缩净化空气，以通过加热富集所述压缩净化空气的某一组分的一股或多股加压液体流而产生包含一种或多种加压产物的多股产物流；
改变所述一股或多股加压液体流的流量或所述一股或多股加压液体流的压力，继而改变所述加压产物的生产率或压力；
将一部分所述压缩净化空气转移到旁路系统，以产生压缩输出流；
在所述加压液体流的流量或压力增大时，选择性地将所述部分压缩净化空气引入所述旁路系统的增压压缩机线路以进一步压缩所述压缩净化空气，从而产生压力较高的所述压缩输出流；或者在所述加压流体流的流量或压力降低时，选择性地将所述部分压缩净化空气引入所述旁路系统的旁路线路，从而产生压力较低的所述压缩输出流；以及
传递所述压缩输出流，使其与所述一股或多股加压液体流进行间接热交换以加热所述加压液体流，从而产生所述一种或多种加压产物。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：在从产生压力较低的所述压缩输出流转变为产生压力较高的所述压缩输出流时，逐渐将来自所述旁路线路的所述压缩净化空气转移到所述增压压缩机线路。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：在从产生压力较高的所述压缩输出流转变为产生压力较低的所述压缩输出流时，逐渐将来自所述增压压缩机线路的所述压缩净化空气转移到所述旁路线路。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括如下步骤：使循环流在循环回路内从所述增压压缩机线路中的压缩机的出口向所述增压压缩机线路中压缩机的入口循环流动，直到所述增压压缩机线路中的所述压缩机的所述出口处的压力超过所述旁路线路中的压力，届时所述增压压缩机线路中的一个或多个所述压缩机停用。
5.根据权利要求4所述的方法，其中低压气体的吹扫流经由低压气体供应管被供应至所述增压压缩机线路中的一个或多个所述压缩机，并且在所述增压压缩机线路中的所述一个或多个所述压缩机停用时经由排放管而排放。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述吹扫流是低压空气的净化流，并且供应所述吹扫流以防止环境空气进入所述增压压缩机。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：将第二部分的所述压缩净化空气转移到所述空气分离装置中的主热交换器的温端，以及冷却所述第二部分的所述压缩净化空气。
8.根据权利要求7所述的方法，其中冷却所述第二部分压缩净化空气的步骤还包括将所述第二部分压缩净化空气部分地冷却至中间温度，所述中间温度介于所述主热交换器的温端的温度与所述主热交换器的冷端的温度之间。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括如下步骤：在涡轮膨胀机中使所述冷却的第二部分的所述压缩净化空气膨胀以产生功率和排出流；以及将由所述冷却的第二部分的所述压缩净化空气在所述涡轮膨胀机中膨胀所产生的制冷供给至所述空气分离装置的蒸馏塔系统。
10.根据权利要求9所述的方法，其中供给由所述冷却的第二部分的所述压缩净化空气膨胀所产生的制冷的步骤还包括将所述制冷供给至所述空气分离装置的高压塔。
11.根据权利要求9所述的方法，其中供给由所述冷却的第二部分的所述压缩净化空气膨胀所产生的制冷的步骤还包括将所述制冷供给至所述空气分离装置的低压塔。
12.根据权利要求1所述的方法，其中压力较高的所述压缩输出流和压力较低的所述压缩输出流被连接至所述主热交换器的温端。
13.一种空气分离系统，包括：
进气系统，所述进气系统包括主空气压缩机、与所述主空气压缩机连接的净化单元，所述进气系统被配置成产生压缩净化空气流；
旁路系统，所述旁路系统与所述进气系统流动连通，并被配置成接收第一部分的所述压缩净化空气流并将所述第一部分的所述压缩净化空气流调节为压缩输出流；所述旁路系统包括增压压缩机线路、一个或多个压缩机、旁路线路和多个控制阀，所述控制阀用于控制通过所述增压压缩机线路和所述旁路线路的流；
与所述进气系统和所述旁路系统流动连通的主热交换器，所述主热交换器系统被配置成接收所述经调节的压缩输出流，并从所述进气系统接收第二部分的所述压缩净化空气流，并且冷却相应流；
蒸馏塔系统，所述蒸馏塔系统包括与所述主热交换器连接的高压塔和低压塔，并且被配置成精馏冷却的所述压缩输出流，从而产生一系列产物；
涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机与所述主热交换器流动连通，并且被配置成接收冷却的所述第二部分的所述压缩净化空气流并使其膨胀以产生功率和排出流，所述涡轮膨胀机还连接至所述蒸馏塔系统，使得所述排出流被引入所述蒸馏塔系统，以向所述空气分离装置供给制冷；
控制系统，所述控制系统可操作地至少联接到所述旁路系统以控制所述多个控制阀，以选择性地将所述第一部分的所述压缩净化空气流引入所述增压压缩机线路，从而产生压力较高的压缩输出流；或引入所述旁路线路以产生压力较低的压缩输出流，其中所述旁路系统进一步被配置成在产生所述压力较高的压缩输出流期间防止所述压缩机出现喘振状况，以及在产生所述压力较低的压缩输出流期间在所述增压压缩机线路内维持吹扫流。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述多个控制阀还包括与所述旁路线路操作地相关的第一控制阀和与所述增压压缩机线路操作地相关的第二控制阀，并且其中所述控制系统被配置成在从产生所述压力较低的压缩输出流转变为产生所述压力较高的压缩输出流时，控制所述第一控制阀和所述第二控制阀，以逐渐将所述第一部分的所述压缩净化空气流从所述旁路线路转移到所述增压压缩机线路。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述多个控制阀还包括与所述旁路线路操作地相关的第一控制阀和与所述增压压缩机线路操作地相关的第二控制阀，并且其中所述控制系统被配置成在从产生所述压力较高的压缩输出流转变为产生所述压力较低的压缩输出流时，控制所述第一控制阀和所述第二控制阀，以逐渐将所述第一部分的所述压缩净化空气流从所述旁路线路转移到所述增压压缩机线路。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述多个控制阀还包括与所述循环回路操作地相关的循环控制阀，并且其中所述控制系统被配置成控制所述循环控制阀以使在循环回路内从所述增压压缩机线路中的所述一个或多个压缩机的出口流向所述一个或多个压缩机的入口的循环流循环流动。
17.根据权利要求13所述的系统，其中所述多个控制阀还包括与所述低压气体供应线路操作地相关的吹扫控制阀，并且其中所述控制系统被配置成控制所述吹扫控制阀以在所述增压压缩机线路中的所述一个或多个所述压缩机停用时，经由所述低压气体供应管向所述增压压缩机线路中的一个或多个所述压缩机供应净化低压气体的吹扫流。
18.一种在空气分离装置中产生双重加压氧产物的方法，包括：
将压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生一股或多股压缩输出流；
在所述空气分离装置的第一蒸馏塔系统内分离所述一股或多股压缩输出流的一部分，从而产生多股产物流，包括高压的第一加压液态氧流；
在第一主热交换器内经由与所述一股或多股压缩输出流进行间接热交换来加热所述第一加压液态氧流，从而产生第一加压氧产物流；
在所述空气分离装置的第二蒸馏塔系统内分离所述一股或多股压缩输出流的一部分，从而产生多股产物流，包括中压或低压的第二加压液态氧流；
在第二主热交换器内经由与所述一股或多股压缩输出流进行间接热交换来加热所述第二加压液态氧流，从而产生第二加压氧产物流；
改变所述第一加压液态氧流或所述第二加压液态氧流的压力或流量，继而分别改变所述第一加压氧产物流或所述第二加压氧产物流的压力或流量；
当期望中压或低压的所述加压氧产物流的产量增加时，降低所述第一加压液态氧流的压力或流量，继而降低所述第一加压氧产物流的压力或流量，使其接近或匹配所述第二加压氧产物流的压力，并且其中选择性地将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气引入旁路线路，以产生压力较低的所述一股或多股压缩输出流；
当期望高压的所述加压氧产物流的产量增加时，增大所述第二加压液态氧流的压力或流量，继而增大所述第二加压氧产物流的压力或流量，使其接近或匹配所述第一加压氧产物流的压力，并且其中选择性地将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气引入增压压缩机线路，以产生压力较高的一股或多股压缩输出流。
19.一种在空气分离装置中产生双重加压氧产物的方法，包括：
将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；
在所述空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，从而产生多股产物流，包括至少一股加压液态氧流；
在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述至少一股加压液态氧流，以产生高压的第一加压氧产物流和低压或中压的第二加压氧产物流；以及
改变所述至少一股加压液态氧流的压力或流量，继而改变所述第一加压氧产物流或所述第二加压氧产物流的压力或流量；
其中当所述第一加压氧产物流或所述第二加压氧产物流的压力或流量增加时，选择性地将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气引入增压压缩机线路以进一步压缩所述压缩净化空气，从而产生压力较高的所述压缩输出流；并且
其中当所述第一加压氧产物流或所述第二加压氧产物流的压力或流量降低时，选择性地将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气引入旁路线路，从而产生压力较低的所述压缩输出流。
20.一种在空气分离装置中产生加压氧产物流的方法，包括：
将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；
在所述空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，以产生多股产物流，包括一股或多股加压液态氧流，且任选地包括氮产物流或氩产物流；
在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述一股或多股加压液态氧流，从而产生加压氧产物流；以及
当所述氮产物流或所述氩产物流的产量增加时，降低所述一股或多股加压液态氧流的压力或流量，继而降低所述加压氧产物流的压力或流量，并且其中当所述氮产物流或所述氩产物流的产量增加时，选择性地将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气引入旁路线路，从而产生压力较低的所述压缩输出流；
当所述氮产物流或所述氩产物流的产量降低时，增大所述一股或多股加压液态氧流的压力或流量，继而增大所述加压氧产物流的压力或流量，并且其中当所述氮产物流或所述氩产物流的产量降低时，选择性地将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气引入增压压缩线路，从而产生压力较高的所述压缩输出流。
21.一种提升空气分离装置中的加压氧产物的生产的方法，包括：
将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；
在所述空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，从而产生多股产物流，包括加压液态氧流；
在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述加压液态氧流，从而产生加压氧产物流；
改变所述加压液态氧流的压力或流量，继而改变所述加压氧产物流的压力或流量；以及
通过下述方式提升空气分离装置中的加压氧产物的产量：将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气转移到增压压缩线路中，以产生压力较高的所述压缩输出流，由此增大所述加压液态氧流的压力或流量，继而增大所述加压氧产物流的压力或流量，从而产生压力较高的加压氧产物流；或者
将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气转移到旁路线路中，以产生压力较低的所述压缩输出流，由此降低所述加压液态氧流的压力或流量，继而降低所述加压氧产物流的压力或流量，从而产生压力较低的所述加压氧产物流。
22.一种调整空气分离装置中两种或更多种加压氧产物的产量的划分的方法，包括：
将一部分压缩净化空气流转移到旁路系统，以产生压缩输出流；
在所述空气分离装置的蒸馏塔系统内分离所述压缩输出流，以产生多股产物流，包括两股或更多股加压液态氧流；
在主热交换器内经由与所述压缩输出流进行间接热交换来加热所述加压液态氧流，从而产生高压的第一加压氧产物流和低压或中压的第二加压氧产物流；
改变至少一股所述加压液态氧流的压力或流量，继而改变所述第一加压氧产物流或所述第二加压氧产物流的压力或流量；以及
通过下述方式调整所述第一加压氧产物流和所述第二加压氧产物流之间的产量划分：当所述第一加压氧产物流的流量增加时，将所述旁路系统中的一部分所述压缩净化空气转移到增压压缩机线路中，从而产生压力较高的所述压缩输出流，而当所述第一加压氧产物流的流量降低时，使所述旁路系统中的一部分压缩净化空气转移到旁路线路，从而产生压力较低的所述压缩输出流。
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