CN108351165A - 用于向空气分离设备提供补充制冷的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于向空气分离设备提供补充制冷的系统和方法。闭环补充制冷回路可易于改造或添加到空气分离设备，从而提高所述空气分离设备的液态产物制备能力。通过以下方式控制所述补充制冷回路的补充制冷容量：在所述补充制冷回路中去除或添加制冷剂的一部分以调节入口压力，同时保持压缩机上基本上恒定的体积流量和基本上恒定的压力比。从所述补充制冷回路去除所述制冷剂会降低所述补充制冷回路所赋予的所述制冷，因此在不关停所述补充制冷回路中的所述压缩机和涡轮膨胀器的情况下，提供对液态产物制备进行降负荷的能力。

Description

用于向空气分离设备提供补充制冷的方法和系统
技术领域
本发明涉及有关使用闭环补充制冷回路来制备液态产物的低温空气分离的方法和系统。更具体地，本发明涉及可易于接入到现有空气分离设备的补充制冷回路。
背景技术
通过低温精馏从含氧进料(诸如空气)中分离出氧。为了操作低温精馏设备，必须提供制冷以抵消环境热泄漏、暖端换热损失并允许提取或制备液态产物(包括液态氧、液态氮或液态氩)。虽然通常通过使进料空气流或废物流的一部分膨胀以生成冷流且随后将冷流引入到主换热器或蒸馏塔中来提供低温精馏设备的主要制冷源，但也可通过引入到主换热器中的其他制冷剂流(包括如美国专利8,397,535所述来自闭环补充制冷循环的制冷剂流)来赋予外部制冷。
空气分离设备中使用的现有闭环制冷循环的局限性或缺点之一在于此类补充制冷回路中的离心压缩机和涡轮膨胀器涉及在操作时通常以“接通”或“断开”模式操作的附加资本成本。换句话讲，离心压缩机和涡轮膨胀器要么操作以便产生补充制冷和附加液态产物制备，要么关停而不产生补充制冷或放弃任何附加液态产物制备。离心压缩机和涡轮膨胀器在操作模式和关停模式之间的持续循环会不利地影响补充制冷循环的总体效率和可靠性。
可通过调节压缩机入口导向叶片来实现现有补充制冷回路的较小调节程度。然而，调节时必须小心，若进入压缩机的流量太少或太多，则会使压缩机处于喘振条件或阻塞条件。因此，现有的或现有技术的补充制冷回路一般在固定或近乎固定的操作点处操作。这无法在较宽的操作范围内调制补充制冷水平，因此有效限制了设备操作员精确控制空气分离设备在任何给定时间产生的液态产物的量。
当将此类闭环制冷回路整合到低温空气分离设备和相关联的空气分离循环的设计中时，使用闭环制冷回路会面临另一项挑战。这种整合通常需要改变空气分离设备的主空气压缩机组、主换热器、蒸馏塔和/或基于涡轮膨胀的制冷回路中的一者或多者。另外，对于一些低温空气分离设备而言，需要设计这样的制冷和液化工艺，该工艺避免或延迟与闭环制冷循环相关联的一些先期资本成本，但在液态产物需求改变时允许此类补充制冷易于在构造空气分离设备后的晚些时候添加到低温空气分离设备。
因此需要的是这样的闭环制冷回路，其可易于在晚些时候改造为空气分离设备以解决与闭环制冷回路相关联的先期资本成本和设计挑战。一旦安装，附加闭环制冷回路就应当能够调制在较宽操作范围内产生的补充制冷水平，因此允许对空气分离设备所产生的液态产物的量进行更精确控制。
发明内容
从广义上讲，本发明是借助于闭环补充制冷回路向空气分离设备提供补充制冷的系统和方法，该闭环补充制冷回路可易于在晚些时候改造或添加到空气分离设备，从而提高空气分离设备的液态产物制备能力。通过以下方式控制补充制冷回路的补充制冷容量：在补充制冷回路中去除或添加制冷剂的一部分以调节入口压力，同时保持压缩机上基本上恒定的体积流量和基本上恒定的压力比。从补充制冷回路中去除制冷剂会降低补充制冷回路所赋予的制冷，因此在不关停补充制冷回路中的压缩机和涡轮膨胀器的情况下，提供对液态产物制备进行降负荷的能力。
具体地讲，本发明的特征可在于一种分离空气的方法，该方法包括以下步骤：(i)在空气分离设备中执行低温精馏工艺，该空气分离设备包括主换热器，该主换热器将经压缩且纯化的进料空气流冷却到适用于进料空气流的精馏的温度；以及蒸馏塔系统，该蒸馏塔系统被配置为对经压缩、纯化且冷却的空气进行精馏以产生至少一个液态产物流；(ii)将经压缩且纯化的进料空气流的一部分作为工作流体分流到补充制冷回路；(iii)在补充制冷回路内的压缩机区段中压缩工作流体；(iv)使工作流体在设置在补充制冷回路内的涡轮膨胀器中膨胀以产生经冷却的工作流体；(v)将经冷却的工作流体引导到辅助换热器，并且经由与来自空气分离设备的增压压缩空气流的间接换热，使经冷却的工作流体在辅助换热器中加温；(vi)在已穿过辅助换热器之后，使加温的工作流体再循环到补充制冷回路内的压缩机区段；以及(vii)使离开辅助换热器的经冷却的增压压缩空气流返回到空气分离设备，从而赋予空气分离设备所需的制冷的一部分。
本发明的特征还可在于一种向空气分离设备提供补充制冷的方法，该方法包括以下步骤：(i)将来自空气分离设备的经压缩且纯化的进料空气流的一部分作为工作流体分流到补充制冷回路；(ii)在补充制冷回路内的压缩机区段中压缩工作流体；(iii)使工作流体在设置在补充制冷回路内的涡轮膨胀器中膨胀以产生经冷却的工作流体；(iv)将经冷却的工作流体引导到辅助换热器，并且经由与从空气分离设备分流的增压压缩空气流的间接换热，使经冷却的工作流体在辅助换热器中加温；(v)在已穿过辅助换热器之后，使加温的工作流体再循环到补充制冷回路内的压缩机区段；以及(vi)使离开辅助换热器的经冷却的增压压缩空气流返回到空气分离设备，从而赋予空气分离设备所需的制冷的一部分。
或者，本发明的特征可在于一种补充制冷系统，该补充制冷系统包括：(a)进口导管，该进口导管被配置为联接到空气分离设备并且从空气分离设备接收经压缩且纯化的空气流的一部分，其中经压缩且纯化的空气流的该部分形成工作流体；(b)压缩机区段，该压缩机区段流体地联接到进口导管，并且被配置为压缩工作流体；(c)涡轮膨胀器区段，该涡轮膨胀器区段可操作地联接到压缩机区段，并且被配置为使压缩的工作流体膨胀以生成经冷却的工作流体；(d)辅助换热器，该辅助换热器被配置为联接到空气分离设备以从空气分离设备接收增压压缩空气流，并且将经冷却的增压压缩空气流返回到空气分离设备；(e)该辅助换热器被进一步配置为从涡轮膨胀器区段接收经冷却的工作流体，并且经由与来自空气分离设备的增压压缩空气流的间接换热，使经冷却的工作流体加温，从而赋予空气分离设备所需的制冷的一部分；以及(f)再循环导管，该再循环导管被配置为将加温的工作流体从辅助换热器返回到压缩机区段。
最后，本发明的特征还可在于一种被配置为产生至少一个液态产物流的空气分离设备，该空气分离设备包括：(a)空气进口回路，该空气进口回路被配置为对进料空气流进行压缩和纯化；(b)蒸馏塔系统，该蒸馏塔系统被配置为通过低温精馏工艺对经压缩且纯化的进料空气流进行精馏以产生至少一个液态产物流；(c)主换热器，该主换热器与经压缩且纯化的进料流和蒸馏塔系统可操作地相关联，并且被配置为将经压缩且纯化的进料流冷却到适用于经压缩且纯化的进料空气流的精馏的温度；(d)联接到主换热器的补充制冷回路，该补充制冷回路包括：(d1)进口导管，该进口导管被配置为从空气进口回路接收经压缩且纯化的进料空气流的一部分，其中经压缩且纯化的进料空气流的该部分形成工作流体；(d2)压缩机区段，该压缩机区段流体地联接到进口导管，并且被配置为压缩工作流体；(d3)涡轮膨胀器区段，该涡轮膨胀器区段可操作地联接到压缩机区段，并且被配置为使压缩的工作流体膨胀以生成经冷却的工作流体；(d4)辅助换热器，该辅助换热器被配置为从涡轮膨胀器区段接收经冷却的工作流体，并且经由与来自空气分离设备的增压压缩空气流的间接换热，使经冷却的工作流体加温，从而赋予空气分离设备所需的制冷的一部分；以及(d5)再循环导管，该再循环导管被配置为将加温的工作流体从辅助换热器返回到压缩机区段。
附图说明
虽然本发明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，但相信本发明在结合附图(图1)考虑时将被更好地理解，该附图是根据本发明的与附加补充制冷回路整合在一起的低温空气分离设备的示意性工艺流程图。
具体实施方式
现在转到图1，示出了低温空气分离设备1的简化图示。从广义上讲，低温空气分离设备1包括主进料空气压缩机组2、主或初级换热器3、基于涡轮的制冷回路4以及蒸馏塔系统5。大多数低温空气分离设备还可包括各种增压空气压缩回路6和任选的闭环补充制冷回路7。图1中所描绘的低温空气分离设备1包括附加补充制冷回路7，该附加补充制冷回路与空气分离设备1整合在一起，并且被设计为以优化总体空气分离设备效率和成本的方式允许增加该空气分离设备的液态产物产量并在需要较少液态产物时允许对液态产物制备进行降负荷。
在图1所示的主进料压缩机组2中，将进料空气10在多级中间冷却的主空气压缩机布置12中压缩到可介于约5巴(a)与约15巴(a)之间的压力。该主空气压缩机布置12可为整体齿轮式压缩机或直接驱动压缩机。然后将经压缩的空气进料14在预纯化单元16中纯化以从进料空气中去除高沸点污染物。如本领域所熟知，预纯化单元16通常包含根据变温和/或变压吸附循环操作的氧化铝和/或分子筛的床，在该吸附循环中水分及其他杂质(诸如二氧化碳、水蒸汽和烃类)被吸附。
如下文所详述，经压缩、纯化的进料空气流18在包括高压塔52、低压塔54和任选的氩塔(未示出)的多个蒸馏塔中被分离为富氧馏分、富氮馏分和富氩馏分。然而，在这种蒸馏之前，经压缩、预纯化的进料空气流18被分成多个进料空气流(包括流20,22)，这些进料空气流被冷却到适用于精馏的温度。使经压缩、纯化的进料空气流冷却是经由在主换热器3中与热流(包括来自蒸馏塔系统5的氧流、氮流和/或氩流)的间接换热来完成的。还通常通过设置在基于涡轮的制冷回路4和任何任选的闭环热制冷回路7内的冷和/或热涡轮布置来生成制冷。
在所示实施方案中，经压缩且纯化的进料空气流18被分成第一流20、第二流22和第三流110。然后在增压空气压缩回路6的增压压缩机布置23内进一步压缩第一流20，该增压空气压缩回路优选地包括另一个单级或多级中间冷却的压缩机。与主空气压缩机布置12一样，该第二压缩机布置23可为整体齿轮式压缩机或直接驱动压缩机。该第二压缩机布置23将第一流20进一步压缩到约25巴(a)与约70巴(a)之间的压力以产生经进一步压缩的流24。将经进一步压缩的流24引导或引入到主换热器3中，使其在主换热器3的冷端处冷却和液化以产生第一液态空气流25。然后使液态空气流25在膨胀阀45中部分地膨胀，并且将其分为液态流46和48以便引入到蒸馏塔系统5中。
如图所示，将第二流22引导到基于涡轮的制冷回路4。基于涡轮的制冷回路通常被称为下塔涡轮(LCT)布置或上塔涡轮(UCT)布置，其用于向双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统提供制冷。在图1所示的LCT布置中，将预纯化的压缩进料空气18的一部分在主或初级换热器3中进一步压缩并部分地冷却。具体地讲，流22由涡轮负载增压压缩机26进一步压缩并且还由第二增压压缩机28进一步压缩，达到可在约20巴(a)至约60巴(a)之间的范围内的压力以产生经进一步压缩的流30。还将经进一步压缩的流30引导或引入到主换热器3中，该经进一步压缩的流在其中部分地冷却到约160与约220开尔文之间的范围内的温度以形成部分冷却的流31，随后将该部分冷却的流引入到涡轮膨胀器32中以产生排气流34，将该排气流引入到蒸馏塔系统5的高压塔52中。涡轮膨胀器32优选地直接地或通过适当的齿轮传动装置与增压压缩机26相连。
虽然图1所示的涡轮空气回路被示出为下塔涡轮(LCT)空气回路(其中膨胀的排气流被进给到蒸馏塔系统的高压塔)，但可设想到基于涡轮的制冷回路另选地可为上塔涡轮(UCT)空气回路(其中涡轮排气流被引导到低压塔)。更进一步地，涡轮空气回路可为LCT回路和UCT回路的组合和/或甚至此类已知涡轮空气回路的其他变型，诸如局部下塔涡轮(PLCT)。
将该经进一步压缩、部分冷却的流的全部或一部分分流到涡轮膨胀器，该涡轮膨胀器可操作地联接到压缩机并且驱动该压缩机。然后将膨胀的气流或排气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统的高压塔。通过转移流的膨胀而产生的补充制冷由此被直接施加到高压塔，从而减轻了初级换热器的一些冷却负荷。
类似地，在采用UCT布置(未示出)的替代实施方案中，纯化的压缩进料空气的一部分可在初级换热器中部分地冷却，并且然后将该部分冷却的流的全部或一部分分流到热涡轮膨胀器。然后将来自热涡轮膨胀器的膨胀的气流或排气流引导至双塔或三塔低温空气蒸馏塔系统中的低压塔。因此直接向低压塔赋予由该排气流的膨胀所形成的冷却或补充制冷，从而减轻主换热器的一些冷却负荷。
在由高压塔52和低压塔54组成的蒸馏塔系统5内分离进料空气流的上述组分(即，氧、氮和氩)。应当理解，如果氩是必要产物，则氩塔(未示出)可并入蒸馏塔系统5中。高压塔52通常在约20巴(a)至约60巴(a)之间的范围内操作，而低压塔54通常在约1.1巴(a)至约1.5巴(a)之间的压力下操作。
高压塔52和低压塔54以热传递关系相连，使得从高压塔52的顶部提取为流56的富氮蒸汽塔顶在位于低压塔54的基部的冷凝器-再沸器57中冷凝，而不是使富氧液体塔底58沸腾。富氧液体塔底58的沸腾开始是在低压塔54内形成上升蒸汽相。该冷凝产生含氮液态流60，该含氮液态流被分为流62和64，它们分别使高压塔52和低压塔54回流，从而开始在此类塔中形成下降液相。
通过以下方式将排气流34与液态流46一起引入到高压塔52中以便精馏：在多个传质接触元件(被示出为接触元件66和68)内，使这种混合物的上升蒸汽相与由回流流62引发的下降液相接触。这产生了粗液态氧塔底70(也称为釜液体)和富氮塔顶。使粗液态氧塔底70的流72在膨胀阀74中膨胀到处于或接近低压塔54的压力，并且将其引入到低压塔中以便进一步精馏。使第二液态流48穿过膨胀阀76，膨胀到处于或接近低压塔54的压力，然后将其引入到低压塔54中。
低压塔54还设置有多个传质接触元件(被示出为接触元件78、80、82和84)，它们可为塔盘或规整填料或散堆填料或低温空气分离领域中的其他已知元件。如前所述，该分离产生了富氧液体58和富氮蒸汽塔顶，该富氮蒸汽塔顶被提取为氮产物流86。另外，还提取了废物流88以控制氮产物流86的纯度。氮产物流86和废物流88均穿过被设计为使回流流64过冷的过冷单元90。回流流64的一部分可任选地被看作液态产物流92，并且其余部分(被示出为流93)可在穿过膨胀阀94之后被引入到低压塔54中。
在穿过过冷单元90之后，将氮产物流86和废物流88在主换热器3内充分加温以产生加温的氮产物流95和加温的废物流96。虽然未示出，但加温的废物流96可用于再生预纯化单元16内的吸附剂。另外，从低压塔54的底部附近的富氧液体塔底58提取富氧液态流98。可由泵99泵送富氧液态流98以形成经泵送的产物流，如经泵送的液态氧流100所示。经泵送的液态氧流100的一部分可任选地被直接看作液态氧产物流102，且剩余部分(即，流104)被引导到主换热器3，使其在此加温和汽化以产生加压氧产物流106。虽然仅示出了一个此类流104，但可存在被进给到主换热器3中的多个此类流。可将经泵送的液态氧流100加压到高于或低于临界压力，使得氧产物流106在从主换热器3排放时将为超临界流体。或者，经泵送的液态氧流100的加压可较低以产生蒸汽形式的氧产物流106。
主换热器3优选地为钎焊铝制板翅式换热器。此类换热器是有利的，因为它们具有紧凑设计、高传热速率，而且它们能够处理多个流。它们被制造为完全钎焊和焊接的压力容器。钎焊操作涉及堆叠波纹状翅片、分离片材和端杆以形成芯基体。将基体置于真空钎焊炉中，在此将基体在清洁真空环境中加热并保持在钎焊温度下。对于小型设备而言，具有单个芯的换热器可能已足够。对于较高流量而言，换热器可由必须并联或串联连接的若干芯构造而成。
补充制冷回路
如上所指出，空气分离设备1能够产生液态产物，即，富氮液态流92和液态氧产物流102。为了增加此类液态产物的产量，由补充制冷回路7提供附加制冷。在本系统中，优选地在初始设备构造之后向低温空气分离设备1添加补充制冷回路7。因此，补充制冷回路7的设计被定制用于这种后期附加或改造应用，并且最大程度减少了低温空气分离设备1的接入点。
在所示实施方案中，低温空气分离设备1与补充制冷回路7之间存在三个关键接入点。第一接入点100优选地出现于主空气压缩机组2的下游，其中经压缩且纯化的进料空气流的一部分作为第三流110分流。该经分流的第三流110为补充制冷回路7提供制冷剂的基本体积。第二接入点200位于增压空气压缩回路6或基于涡轮的制冷回路4内，并且被配置为将主换热器上游的经进一步压缩的流30的一部分作为流156分流到补充制冷回路7中的辅助换热器180，使其在此被制冷剂流152冷却。然后将经冷却的流158在主换热器3下游的第三接入点300处返回到基于涡轮的制冷回路4。有利地，所选择的接入点避免改变主换热器3和蒸馏塔系统。
闭环补充制冷回路7使用可压缩的工作流体或制冷剂(诸如空气)，其在多级压缩区段115中压缩。优选地，将闭环补充制冷回路7内的工作流体或制冷剂流114在第一压缩机116中压缩，然后进给到与涡轮膨胀器124联接的第二增压压缩机118。之后可使用后冷却器120来冷却压缩的工作流体或制冷剂流122，以在涡轮膨胀器124中膨胀之前去除压缩热。优选地，后冷却器120借助于与空气分离设备相关联的冷冻水或其他制冷源来将压缩的工作流体流122冷却到环境或冷冻温度。这种后冷却一般改善了循环效率并且防止因高温引起的涡轮膨胀器124的损坏。
涡轮膨胀器124被配置为使压缩的工作流体流122膨胀以生成经冷却的工作流体流152。然后使经冷却的工作流体流152在辅助换热器180中加温，以便赋予空气分离设备1所需的产生氮液态产物流92和氧液态产物流102所需的制冷的一部分。在已穿过辅助换热器180之后，使加温的工作流体流154再循环回到压缩机区段115。如上所指出，涡轮膨胀器124优选地直接地或通过适当的齿轮传动装置与增压压缩机118相连。
虽然未示出，但涡轮膨胀器可连接或可操作地联接到发生器。此类发生器负载涡轮膨胀器布置即使在非常高或低的负荷下，也允许涡轮膨胀器的速度保持恒定。该布置在一些应用中是期望的，因为涡轮膨胀器的速度在整个操作包络线中的理想效率下将保持大体恒定，并且涡轮膨胀器的控制方法(如下文更详细讨论)将进一步简化。在此类布置中，可借助于高速发生器将发生器负荷连接到涡轮膨胀器。或者，可借助于连接到内部或外部齿轮箱的高速联轴器并采用从齿轮箱到发生器的低速联轴器，将发生器负荷连接到涡轮膨胀器。
补充制冷回路的操作控制
一旦安装，就应当控制补充制冷回路的操作和控制以避免压缩机和涡轮膨胀器在需要附加液态产物的操作模式或“接通”模式与不需要补充制冷时的关停或“断开”模式之间的循环。这些循环不利地影响补充制冷循环的总体效率和可靠性。相反，在需要较少液态产物时，补充制冷回路应能够降负荷以便提供较少补充制冷，但不会完全关停。
通过修改所示补充制冷回路的操作和控制，与循环的常规补充制冷回路相比，可改善补充制冷回路和系统的总体性能。具体地讲，已发现只要压力比和体积流量保持大体恒定，通常用于此类补充制冷系统中的压缩机和涡轮膨胀器就可保持在非常大的压力范围内非常稳定的效率和操作速度。如果能够保持补充制冷系统的压缩机和涡轮膨胀器中的压力比和体积流量处于基本上恒定的水平，则所生成的功率会与绝对压力成比例，因此与系统入口处的质量流成比例。
如上所讨论，工作流体或制冷剂流114的源优选地为经压缩且纯化的进料空气流18的一部分，其作为进料流110分流到压缩机116上游的补充制冷回路7。可经由可操作地设置在补充制冷回路7的压缩机116上游的一个或多个入口阀112和142来添加工作流体或制冷剂，所述一个或多个入口阀根据需要打开和闭合以保持流过压缩机116,118和涡轮膨胀器124的工作流体的基本上恒定的体积流量以及压缩机区段115上的基本上恒定的压力比。可控制地操作入口阀112和142以设定压缩机116的入口压力和因此涡轮膨胀器124的出口压力。入口阀112优选地为这两个入口阀中的较大阀，并且用于对补充制冷回路进行进料或加压或者在需要入口压力的快速变化时打开，而入口阀142提供对补充制冷回路7中的压力的持续调节。这样，增大补充制冷回路7中的入口压力可增加设备所提供的功率，因此增加向辅助换热器180赋予并返回到低温空气分离设备1的制冷，从而实现了更高的液体制备速率。相反，减小补充制冷回路7中的压力将减少功率并降低向辅助换热器180(和后续的低温空气分离设备)赋予的制冷，从而降低液体制备速率。
另外，可借助于经由压缩机116上游的阀143提供的制冷剂的低压补给供应源来向补充制冷回路7添加工作流体，以保持补充制冷回路7中的最小压力。一般来讲，如果未能保持补充制冷回路7中的最小压力(如在典型关停操作期间可发生)，则阀143将打开。
补充制冷回路7还包括设置在涡轮膨胀器124上游的排放系统140，该排放系统包括阀144和排放口145。排放系统140被配置为在压力高于所需或目标压力时去除补充制冷回路7中的工作流体或制冷剂的一部分，以便保持基本上恒定的体积流量和基本上恒定的压力比。辅助排放口布置(包括阀146,147和排放口148)任选地设置在涡轮膨胀器124的下游和辅助换热器180的上游，其通常在启动期间打开。
使用补充制冷回路控制器(未示出)来添加或去除工作流体，可以大体控制向辅助换热器180和低温空气分离设备提供补充制冷的程度。控制器优选地为可操作地连接到本地PID控制器(未示出)的主PLC型控制单元，这些本地PID控制器控制排放系统阀144和入口阀112,142，以调节或控制补充制冷回路7中的工作流体的去除或添加，同时保持流过补充制冷回路的压缩机和涡轮膨胀器区段的工作流体的基本上恒定的体积流量以及在压缩机区段上的基本上恒定的压力比。或者，补充制冷回路控制器可为手动控制器或基于操作员的控制器。调节排放系统阀144和/或入口阀112,142的设定点会改变补充制冷回路7的入口压力，并且如上所指出，会出现以下任一种情况：(i)增加补充制冷，从而提高空气分离设备1中的液态产物制备速率；或(ii)减少补充制冷，从而降低空气分离设备1中的液态产物制备速率。
另外，补充制冷回路控制器或其他合适的控制装置可被配置为也控制对压缩机116和/或压缩机118上的入口导向叶片117以及涡轮膨胀器124中的涡轮喷嘴布置125进行的调节。控制对涡轮喷嘴125的调节以在较宽压力变化内保持基本上恒定的体积流量。还调节涡轮喷嘴125以保持涡轮膨胀器124内的压力比大体恒定。对压缩机116,118一者或两者上的压缩机入口导向叶片117的调节有助于保持压缩机上的基本上恒定的压力比，并且更具体地讲，作出必要调节以校正诸如工作流体的可压缩性、入口温度的变化和与涡轮喷嘴125的不匹配之类的影响。
操作具有所公开的补充制冷回路的空气分离设备的优选方法包括以下步骤：(i)在空气分离设备中执行低温精馏工艺以产生液态氮和/或液态氧；(ii)将经压缩且纯化的进料空气流的一部分分流到补充制冷回路作为制冷剂或工作流体；(iii)通过压缩如上所述补充制冷回路中的制冷剂或工作流体并随后使之膨胀(从而冷却)来产生空气分离设备所需的制冷的一部分；(iv)经由与从低温空气分离设备的增压空气压缩回路或基于涡轮的制冷回路分流的经进一步压缩的空气流的间接换热，使经膨胀且冷却的制冷剂或工作流体在辅助换热器中加温；(v)将经冷却、进一步压缩的空气流从辅助换热器返回到低温空气分离设备的基于涡轮的制冷回路；(vi)使加温的工作流体往回穿过补充制冷回路再循环到补充制冷回路的压缩区段；以及(vii)向补充制冷回路去除或添加工作流体以调节补充制冷回路中的入口压力，同时保持补充制冷回路中基本上恒定的工作流体体积流量和基本上恒定的压力比。
调节补充制冷回路中的压缩机中的入口导向叶片和/或补充制冷回路中的涡轮膨胀器中的涡轮喷嘴，分别优化了压力比和恒定体积流量。添加制冷剂或工作流体的附加质量流最终允许增加补充制冷，从而允许提高空气分离设备中的液态产物制备速率。相反，去除制冷剂或工作流体一般会减少补充制冷，从而降低低温空气分离设备中的液态产物制备速率。
虽然已通过参照优选实施方案讨论了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书描述的本发明的精神和范围的情况下，可对其进行多种改变和省略。

Claims (20)

1.一种分离空气的方法，包括以下步骤：
在空气分离设备中执行低温精馏工艺，所述空气分离设备包括主换热器，所述主换热器用于将经压缩且纯化的进料空气流冷却到适用于所述进料空气流的所述精馏的温度；以及蒸馏塔系统，所述蒸馏塔系统被配置为对所述经压缩、纯化且冷却的空气进行精馏以产生至少一个液态产物流；
将所述经压缩且纯化的进料空气流的一部分作为工作流体分流到补充制冷回路；
在所述补充制冷回路内的压缩机区段中压缩所述工作流体；
使所述工作流体在设置在所述补充制冷回路内的涡轮膨胀器中膨胀以产生经冷却的工作流体；
将所述经冷却的工作流体引导到辅助换热器，并且经由与来自所述空气分离设备的增压压缩空气流的间接换热，使所述经冷却的工作流体在所述辅助换热器中加温；
在已穿过所述辅助换热器之后，使所述加温的工作流体再循环到所述补充制冷回路内的所述压缩机区段；以及
使离开所述辅助换热器的所述经冷却的增压压缩空气流返回到所述空气分离设备，以赋予所述空气分离设备所需的所述制冷的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将离开所述辅助换热器的所述经冷却的增压压缩流引入到第二涡轮膨胀器中以产生排气流，随后将所述排气流引导到所述蒸馏塔系统的高压塔。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
去除所述涡轮膨胀器上游的所述补充制冷回路中的所述工作流体的一部分，从而减少由所述补充制冷回路赋予的所述制冷以及所述至少一个液态产物流的所述产量，或者向所述压缩机区段上游的所述补充制冷回路添加工作流体，从而增加由所述补充制冷回路赋予的所述制冷以及所述至少一个液态产物流的所述产量；
其中执行所述工作流体从所述补充制冷回路的所述去除或者所述工作流体向所述补充制冷回路的所述添加，使得与所述至少一个液态产物流的所需产量相称地调节所述补充制冷回路内的所述入口压力，同时所述工作流体在基本上恒定的体积流量下循环并且所述压缩机区段上的所述压力比保持基本上恒定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中去除所述涡轮膨胀器区段上游的所述补充制冷回路中的所述工作流体的一部分的步骤还包括排放所述工作流体的一部分以保持所述补充制冷回路中的所述工作流体处于或低于规定的最大压力。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：排放所述补充制冷回路的所述涡轮膨胀器区段下游的所述工作流体的一部分以保持所述补充制冷回路中的所述工作流体处于或低于规定的最大压力并且保持引导到所述主换热器的所述经冷却的工作流体处于或低于规定的最大温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中向所述压缩机区段上游的所述补充制冷回路添加工作流体的步骤还包括向所述补充制冷回路添加补给工作流体流以保持所述压缩机区段的所述入口压力处于或高于规定的最小压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中从所述经压缩且纯化的空气供应所述补充制冷回路中的所述工作流体，并且向所述压缩机区段上游的所述补充制冷回路添加工作流体的步骤还包括调制所述工作流体进料向所述补充制冷回路的所述供应以调节所述压缩机区段的所述入口压力。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：调节所述压缩机区段中的压缩机导向叶片以保持所述压缩机区段上的所述基本上恒定的压力比。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：调节所述涡轮膨胀器区段中的涡轮喷嘴以保持所述补充制冷回路中的基本上恒定的体积流量。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：通过以下方式可操作地控制所述空气分离设备所需的补充制冷量以产生所述至少一个液态产物流：经由控制器来控制工作流体的所述去除、工作流体的所述添加、压缩机导向叶片的所述调节以及涡轮喷嘴的所述调节以保持所述压缩机区段上的基本上恒定的压力比以及所述补充制冷回路中的基本上恒定的体积流量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述低温精馏工艺的步骤还包括以下步骤：
对空气进料流进行压缩和纯化以产生所述经压缩且纯化的进料空气流；
将所述经压缩且纯化的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；
对所述第一压缩空气流和所述第二压缩空气流进行进一步压缩、冷却和膨胀以分别形成第一进口液态流和第二进口流，并且将所述第一进口液态流和第二进口流引入到所述蒸馏塔系统；
在所述蒸馏塔系统中将所述进口流分馏成其组成部分以产生多个产物和废物流，包括所述至少一个液态产物流；并且
其中所述第三压缩空气流是分流到所述补充制冷回路的所述工作流体。
12.一种向空气分离设备提供补充制冷的方法，包括以下步骤：
将经压缩且纯化的进料空气流的一部分作为工作流体从所述空气分离设备分流到补充制冷回路；
在所述补充制冷回路内的压缩机区段中压缩所述工作流体；
使所述工作流体在设置在所述补充制冷回路内的涡轮膨胀器中膨胀以产生经冷却的工作流体；
将所述经冷却的工作流体引导到辅助换热器，并且经由与从所述空气分离设备分流的增压压缩空气流的间接换热，使所述经冷却的工作流体在所述辅助换热器中加温；
在已穿过所述辅助换热器之后，使所述加温的工作流体再循环到所述补充制冷回路内的所述压缩机区段；以及
使离开所述辅助换热器的所述经冷却的增压压缩空气流返回到所述空气分离设备，以赋予所述空气分离设备所需的所述制冷的一部分。
13.一种补充制冷系统，包括：
进口导管，所述进口导管被配置为联接到空气分离设备并且从所述空气分离设备接收经压缩且纯化的空气流的一部分，其中所述经压缩且纯化的空气流的所述部分形成工作流体；
压缩机区段，所述压缩机区段流体地联接到所述进口导管，并且被配置为压缩所述工作流体；
涡轮膨胀器区段，所述涡轮膨胀器区段可操作地联接到所述压缩机区段，并且被配置为使所述压缩的工作流体膨胀以生成经冷却的工作流体；
辅助换热器，所述辅助换热器被配置为联接到所述空气分离设备以从所述空气分离设备接收增压压缩空气流，并且将经冷却的增压压缩空气流返回到所述空气分离设备；
所述辅助换热器被进一步配置为从所述涡轮膨胀器区段接收所述经冷却的工作流体，并且经由与来自所述空气分离设备的所述增压压缩空气流的间接换热，使所述经冷却的工作流体加温，以赋予所述空气分离设备所需的所述制冷的一部分；和
再循环导管，所述再循环导管被配置为将所述加温的工作流体从所述辅助换热器返回到所述压缩机区段。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括：
分流导管，所述分流导管联接到所述辅助换热器，并且被配置为从所述空气分离设备分流所述增压压缩空气流的一部分以在所述辅助换热器中由所述经冷却的工作流体冷却；和
回流导管，所述回流导管联接到所述辅助换热器，并且被配置为将所述经冷却的增压压缩空气流返回到所述空气分离设备。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括：
一个或多个控制阀，所述一个或多个控制阀设置在所述进口导管、所述分流导管、所述再循环导管、所述压缩机区段或所述涡轮膨胀器区段中；和
控制器，所述控制器可操作地联接到所述一个或多个控制阀，并且被配置为调节流过所述进口导管、所述分流导管、所述再循环导管、所述压缩机区段或所述涡轮膨胀器区段的流量。
16.根据权利要求13所述的系统，还包括后冷却器，所述后冷却器设置在所述压缩机区段内或所述压缩机区段的下游，并且被配置为冷却所述压缩的工作流体。
17.根据权利要求13所述的系统，还包括热排放区段，所述热排放区段被配置为将再循环回到所述压缩机区段的所述加温的工作流体的一部分排放。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括工作流体补给源，所述工作流体补给源联接到所述再循环导管或进口导管，并且被配置为在所述压缩机区段的上游供应补充工作流体。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括：
一个或多个控制阀，所述一个或多个控制阀设置在热排放区段中和/或与所述补给源操作性关联；和
控制器，所述控制器可操作地联接到所述一个或多个控制阀，并且被配置为调节流过所述热排放区段或来自所述补给源的流量。
20.一种被配置为产生至少一个液态产物流的空气分离设备，所述空气分离设备包括：
空气进口回路，所述空气进口回路被配置为对进料空气流进行压缩和纯化；
蒸馏塔系统，所述蒸馏塔系统被配置为通过低温精馏工艺对所述经压缩且纯化的进料空气流进行精馏以产生至少一个液态产物流；
主换热器，所述主换热器与所述经压缩且纯化的进料流和所述蒸馏塔系统可操作地相关联，并且被配置为将所述经压缩且纯化的进料流冷却到适用于所述经压缩且纯化的进料空气流的所述精馏的温度；
补充制冷回路，所述补充制冷回路联接到所述主换热器，所述补充制冷回路包括：进口导管，所述进口导管被配置为从所述空气进口回路接收经压缩且纯化的进料空气流的一部分，其中所述经压缩且纯化的进料空气流的所述部分形成工作流体；压缩机区段，所述压缩机区段流体地联接到所述进口导管，并且被配置为压缩所述工作流体；涡轮膨胀器区段，所述涡轮膨胀器区段可操作地联接到所述压缩机区段，并且被配置为使所述压缩的工作流体膨胀以生成经冷却的工作流体；辅助换热器，所述辅助换热器被配置为从所述涡轮膨胀器区段接收所述经冷却的工作流体，并且经由与来自所述空气分离设备的增压压缩空气流的间接换热，使所述经冷却的工作流体加温，以赋予所述空气分离设备所需的所述制冷的一部分；和再循环导管，所述再循环导管被配置为将所述加温的工作流体从所述辅助换热器返回到所述压缩机区段。
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