TW201623897A - 用於低溫分離空氣之方法及裝置 - Google Patents

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帝米特 哥勒貝芙
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Abstract

本發明係關於一種方法及裝置，其作用係在具有主空氣壓縮機、主熱交換器(8)及具有高壓塔(10)及低壓塔之蒸餾塔系統的空氣分離設備中低溫分離空氣。

Description

用於低溫分離空氣之方法及裝置
本發明係關於一種根據技術方案1前序之用於低溫分離空氣之方法。此方法係從US 7437890中得知。
根據本發明，「空氣後壓縮機」及渦輪機驅動之後壓縮機串聯連接；該後壓縮機可配置於該空氣後壓縮機之上游或下游。
在本文中，「主空氣壓縮機」理解為其級具有共同驅動(電動機、蒸汽渦輪機或氣體渦輪機)及在共同殼體中配置之多級機器。其可(例如)由其中該級係圍繞傳動箱周圍之齒輪壓縮機形成。此傳動裝置具有分別使用一或二級驅動數個平行小齒輪軸之大齒輪。
「空氣後壓縮機」可由與主空氣壓縮機分離之多級機器形成；或者該主空氣壓縮機及空氣後壓縮機係由其級具有共同驅動及在共同殼體中配置之單一多級機器形成。此機器之第一級隨後形成該主空氣壓縮機，且最後級形成空氣後壓縮機。
用於低溫分離空氣之方法及裝置係(例如)從Hausen/Linde，Tieftemperaturtechnik[Cryogenics]，1985年第二版，第4章(281至377頁)中得知。
本發明之蒸餾塔系統可設計為一塔系統、雙塔系統(例如如經典Linde雙塔系統)、亦或為三或多塔系統。除用於氮氧分離之塔外，其可具有用於獲得高純度產物及/或其他空氣組分(特定而言惰性氣體)之 其他裝置，例如氬氣生產裝置及/或氪氣-氙氣生產裝置。
在該方法中，液體增壓之第一產物流在主熱交換器中蒸發及隨後獲得增壓之氣態產物。此方法亦稱為內壓縮。在超臨界壓力情況下，本身未發生相變；該產物流隨後經「假蒸發」。
與(假-)蒸發產物流相反，傳熱介質於高壓下液化(或，若其於超臨界壓力下，則假液化)。該傳熱介質通常由一部分空氣組成，在此情況下特定言之由進料空氣之第一部分流及第二部分流之第二(及，若適當，第三)部分組成。
內壓縮方法係(例如)從DE 830805、DE 901542(=US 2712738/US 2784572)、DE 952908、DE 1103363(=US 3083544)、DE 1112997(=US 3214925)、DE 1124529、DE 1117616(=US 3280574)、DE 1226616(=US 3216206)、DE 1229561(=US 3222878)、DE 1199293、DE 1187248(=US 3371496)、DE 1235347、DE 1258882(=US 3426543)、DE 1263037(=US 3401531)、DE 1501722(=US 3416323)、DE 1501723(=US 3500651)、DE 253132(=US 4279631)、DE 2646690、EP 93448 B1(=US 4555256)、EP 384483 B1(=US 5036672)、EP 505812 B1(=US 5263328)、EP 716280 B1(=US 5644934)、EP 842385 B1(=US 5953937)、EP 758733 B1(=US 5845517)、EP 895045 B1(=US 6038885)、DE 19803437 A1、EP 949471 B1(=US 6185960 B1)、EP 955509 A1(=US 6196022 B1)、EP 1031804 A1(=US 6314755)、DE 19909744 A1、EP 1067345 A1(=US 6336345)、EP 1074805 A1(=US 6332337)、DE 19954593 A1、EP 1134525 A1(=US 6477860)、DE 10013073 A1、EP 1139046 A1、EP 1146301 A1、EP 1150082 A1、EP 1213552 A1、DE 10115258 A1、EP 1284404 A1(=US 2003051504 A1)、EP 1308680 A1(=US 6612129 B2)、DE 10213212 A1、DE 10213211 A1、EP 1357342 A1或DE 10238282 A1、DE 10302389 A1、DE 10334559 A1、DE 10334560 A1、DE 10332863 A1、EP 1544559 A1、EP 1585926 A1、DE 102005029274 A1、EP 1666824 A1、EP 1672301 A1、DE 102005028012 A1、WO 2007033838 A1、WO 2007104449 A1、EP 1845324 A1、DE 102006032731 A1、EP 1892490 A1、DE 102007014643 A1、EP 2015012 A2、EP 2015013 A2、EP 2026024 A1、WO 2009095188 A2或DE 102008016355 A1中得知。
本申請案描述多個製程參數，諸如質量流速或壓力，其在一操作模式下與另一操作模式相比係「更小」或「更大」。在此情況下，這係指藉由調整及/或設置裝置而引起之各別參數之目標變化而不係穩定操作狀態下之自然變化。此等目標變化可藉由直接控制其本身參數或藉由間接控制影響待改變參數之其他參數實現。特定言之，若各種操作模式下之參數平均值間之差異大於2%，特定言之大於5%，特定言之大於10%，則參數分別係「更大」或「更小」。
若為壓力值，在此情況下，自然壓力損失一般不考慮在內。若在相應位置間之壓力差不超過由在管、熱交換器、冷卻器、吸附器等中之壓力損失產生之自然管損失，則此處認為壓力係「相等」。例如，若第一產物流在主熱交換器通道中發生壓力損失，則此處同樣將主熱交換器下游經壓縮之氣體產物之輸出壓力及主熱交換器上游之壓力稱為「第一產物壓力」。相對而言，只要相應壓力差高於自然管損失，則特定方法步驟下游之流之第二壓力與此等步驟上游之第一壓力相比係「更低」或「更高」，亦即，特定言之，分別藉由至少一壓縮機級發生壓力提升或以目標方式藉由至少一節流閥及/或至少一膨脹機器(膨脹渦輪機)發生壓力降低。
該「主熱交換器」之作用係通過蒸餾塔系統之回流以間接熱交換方式使進料空氣冷卻。其可由單個或數個並聯及/或串聯連接之熱 交換器部分(例如一或多個板式熱交換器區塊)形成。
本發明係基於表明一種在序論中提及類型之方法及可使用高度可變液體產物餾份操作之裝置的目標。在該語境中，「液體產物餾份」僅包括以液體形式離開空氣分離設備及例如引入液體槽之流，而不包括經內壓縮之流，雖然該等經內壓縮之流係以液體形式從蒸餾塔系統中移除，但其亦於空氣分離設備內蒸發或假蒸發及隨後以氣態形式從該空氣分離設備排出。
此目標係藉由如技術方案1之突出特徵來實現。
本發明之「第一操作模式」係經組態得到特高液體產量，特定言之最大液體產量(從該空氣分離設備吸出之液體產物總量)。相比之下，「第二操作模式」係經組態得到較少液體產物餾份，其亦可係(例如)零(純氣體操作)。在第二操作模式中，液體產物總量係(例如)0%，或稍高，例如在15%與50%間。(此處及在下文中所有百分比均係指莫耳量，除非另作說明。該莫耳量可以(例如)Nm3/h表示)。
根據本發明之方法使用僅在第二操作模式下操作(及可因此關閉)，及不在第一操作模式操作-或在第一操作模式下以與第二操作模式相比更低負載操作之冷壓縮機。乍一看，在操作期間操作較少渦輪機似乎無法高效得到最大液體產量，因為渦輪機可能主要用來為產物液化製冷。然而，在本發明文中，發現此措施使液體產物量能夠達成尤其高的變化，同時在兩種操作模式下達到滿意效率，因此能量消耗總體相對較低。
在本文中，「冷壓縮機」理解為壓縮裝置，其中用於壓縮之氣體係在遠低於環境溫度之溫度下供應，一般低於250K，較佳地低於200K。
在根據本發明之方法中，該冷壓縮機可由電動機驅動。然而，在眾多情況下，有利地使用渦輪機-冷壓縮機組合，如在技術方案2中 所描述。作為第五空氣流通過驅動該冷壓縮機之第二渦輪機的空氣量在第一操作模式下與在第二操作模式下相比係更少。在極端實例中，在第一操作模式下，該渦輪機-冷壓縮機組合係完全不可操作，使得相應空氣量等於零。
第二渦輪機之入口壓力可約等於第一渦輪機之入口壓力；然而，該等兩個入口壓力較佳地係不同。特定言之，第二渦輪機之入口壓力可低於第一渦輪機之入口壓力，且可(例如)在第一空氣壓力或第二空氣壓力附近。
有利情況係，在第二操作模式下，僅有相對小部分進料空氣壓縮為第三、較高空氣壓力，如在技術方案3中所描述。此外，第三空氣壓力與在第一操作模式下相比可以更低。
較佳地，將第三空氣流於第二空氣壓力引入第一渦輪機。
在特佳實施例中，該第三空氣流在第一渦輪機中膨脹至等於高壓塔之操作壓力(加上管損失)之出口壓力。
第二渦輪機之出口壓力亦可等於高壓塔之操作壓力(加上管損失)或可亦低於其，例如於低壓塔之操作壓力(加上管損失)，參見技術方案5及6。隨後將第三部分流(例如)引入低壓塔。
此外，該經膨脹之部分流可部分或全部引入高壓塔，如在技術方案8及9中闡明。
基本上，該空氣後壓縮機可藉由一或多個獨立於主空氣壓縮機之壓縮機級形成。然而，根據本發明之一特殊構造，該空氣後壓縮機藉由第二組級結合之組合機器之第二組級形成，其第一組級形成主空氣壓縮機。該主空氣壓縮機一般由二或多個級形成，該空氣後壓縮機由一或二個級形成，例如由組合機器之最後級組成。
較佳地，在第二操作模式中，引導至主熱交換器冷端(cold end)之第四空氣流之量與在第一操作模式下相比係更少。
此外，該設備可具有僅在第二操作模式下操作(技術方案11)、或在第一操作模式下以低於第一模式下之通量操作之第三渦輪機。
此渦輪機較佳地驅動以串聯方式連接至第二組空氣壓縮機級及第一渦輪機驅動之後壓縮機的第三後壓縮機，其中順序係不重要。在第二操作模式下，該第二後壓縮機可藉由旁路管線繞過。
如在技術方案13中所闡明，在該方法中，可能產生超過一種內壓縮產物，及亦超過兩種內壓縮產物。各種內壓縮產物之化學組成(例如氧/氮亦或各種純度之氧或氮)或壓力、或二者可有所不同。
本發明進一步關於呈根據技術方案15之裝置形式之空氣分離設備。根據本發明之裝置可補充有對應附屬方法請求項特徵之裝置特徵。
「用於在第一與第二操作模式間轉換之構件」係複雜的調整及控制裝置，藉由協作，其容許在兩種操作模式間至少部分自動轉換，且係(例如)經適當程控之操作控制系統。
下文參照圖式中示意地表示之例示性實施例更詳細闡明本發明-及本發明之進一步細節，其中：圖1顯示根據本發明之具有兩個渦輪機之系統之第一例示性實施例，圖1A及1B顯示圖1之兩種變化形式，圖2顯示具有三個渦輪機之第二例示性實施例，圖2A及2B顯示圖2之兩種變化形式，圖3顯示第三例示性實施例，其中渦輪機-冷壓縮機組合亦在第一操作模式下流通，及圖3A及3B顯示圖3之兩種變化形式。
下文首先參照第一操作模式闡明本發明之第一例示性實施例，在此情況下，其經組態得到最大液體產量。在本文中，空氣僅流過在 圖1中以粗體表示之管線；在第一操作模式下，余留空氣管線不流通。大氣空氣1(空氣)藉由第一組3a主空氣壓縮機3a通過過濾器2吸入，並經壓縮至較佳10bar至14bar(例如11.7bar)之第一空氣壓力。在具體實例中，該主空氣壓縮機具有四個壓縮機級。在主空氣壓縮機3a下游，該經壓縮之全部空氣4於第一空氣壓力下在預冷卻裝置5中及隨後在純化裝置6中處理。將經純化之全部空氣7分為第一空氣流100與第二空氣流200。
該第一空氣流100在主熱交換器8中從熱至冷端進行冷卻，及在該語境中經(假-)液化，及隨後在節流閥101中膨脹至大約下文闡明之高壓塔操作壓力，其較佳係5bar至7bar，例如6bar。經膨脹之第一空氣流102通過管線9饋至具有高壓塔10、經設計為冷凝器-蒸發器之主冷凝器11、及低壓塔12之蒸餾塔系統。
第二空氣流200在空氣後壓縮機3b(在此情況下由組合機器3a/3b之末端級3b形成)及第一渦輪機驅動之後壓縮機202c中經後壓縮至第二空氣壓力，該第二空氣壓力較佳為20bar至25bar，例如21.8bar。將經後壓縮之第二空氣流204分為第一及第二部分，第三空氣流210及第四空氣流220。
將第三空氣流210饋至主熱交換器8之熱端，及於第一中溫再次移除。第三空氣流於此中溫及第二空氣壓力下饋至第一渦輪機202t，在其中其經膨脹，作功，至高壓塔10之操作壓力，該操作壓力係5bar至7bar，例如6bar。第一渦輪機202t經機械耦合至第一後壓縮機202c。將經膨脹以作功之第三空氣流211引入分離器(相分離器)212中，其中由此移除少量液體餾份。其隨後以純氣體形式流經管線213及13，至高壓塔10之貯槽。渦輪機入口壓力在此情況下等於第二空氣壓力。
亦將第四空氣流220引導至主熱交換器8之熱端，但是流經後者 至冷端及由此冷卻及(假-)液化。其隨後在節流閥中膨脹及通過管線222及9到達高壓塔10中。
在圖1中表示之空氣分離設備亦具有耦合至冷壓縮機14c之第二渦輪機14t；在例示性實施例中，此機器係不可在第一操作模式下操作。
在蒸餾塔系統中，高壓塔之貯槽液體15在逆流過冷器16中冷卻，及通過管線17饋至將於後文闡明之氬氣部分500。因此，其於低壓塔壓力下部分以液體形式(管線18)及部分以氣體形式(管線19)往回流出，及於適宜點引入低壓塔12。(若無氬氣部分存在，則該過冷之貯槽液體立即膨脹至低壓塔壓力及引入低壓塔)。
通過管線9引導至高壓塔10之至少部分液體空氣再次通過管線20移除，亦在逆流過冷器16中冷卻及通過閥21及管線22饋至低壓塔12。
將高壓塔10之氣態塔頂餾出物氮氣23之第一部分24引入主冷凝器11之液化空間，其中其實質上完全液化。如此獲得之液態氮25之第一部分26排入高壓塔10以用於再循環。第二部分27在逆流過冷器16中冷卻及通過閥28及管線29饋至低壓塔12頂部。在第一操作模式下，其中部分通過管線30再次移除，及獲得液態氮產物(LIN)，及從空氣分離設備中吸出。
從低壓塔頂部(其中主要壓力係1.2bar至1.6bar，例如1.3bar)移除氣態低壓氮氣31，在逆流過冷器16及主熱交換器8中加熱，及通過管線32作為氣態低壓產物(GAN)吸出。獲自低壓塔之氣態不純氮氣33亦在逆流過冷器16及主熱交換器8中加熱。該熱的不純氮氣34可通過管線35排至大氣(ATM)或可通過管線36在純化裝置6中用作再生氣體。
液態氧通過管線37從低壓塔12之貯槽(具體言之從主冷凝器11之蒸發空間)吸出。根據具體情況，第一部分38在逆流過冷器16中過冷 卻及通過管線39獲得液態氧產物(LOX)及從空氣分離設備中吸出。第二部分40形成「第一產物流」，在泵41中提升至第一產物壓力，例如31bar，於此高壓下在主熱交換器16中蒸發或假-蒸發，及加熱至接近環境溫度。熱的高壓氧氣42作為富含氧氣之第一經壓縮之氣體產物(GOX IC)釋放。
其他內壓縮產物可由主冷凝器11之液態氮25之第三部分43中獲得。此在泵44中以液體形式作為「第二產物流」提升至第二產物壓力，例如12bar。於此第二產物壓力下，其在主熱交換器8中蒸發及加熱至接近環境溫度。該熱的高壓氮氣45隨後於第二產物壓力下作為富含氮氣之經壓縮之氣體產物(GAN IC)釋放。
若需要氬氣產物，該空氣分離設備亦具有氬氣部分500，其功能如在EP 2447563 A1中所描述，及產生呈純液體氬氣(LAR)形式之其他液體產物，其通過管線501吸出。
在此例示性實施例中，在第一操作模式下從該空氣分離設備中吸出之「第一總量之液體產物」由流30(LIN)、39(LOX)及501(LAR)之組成。
在第二操作模式下，該設備通過降低之「第二總量之液體產物」操作。一般而言，管線30及39中之至少一者，較佳地二者之流量降低。氬氣部分之操作較佳地保持恆定，使得LAR量亦維持相等。內壓縮產物42、45之量及壓力亦維持恆定。
空氣總量降低，使得主空氣壓縮機3a/3b之第一級3a使用較少能量。此外，第二部分流204之量及壓力大幅度降低，使得主空氣壓縮機3a/3b之末端級3b亦在較低負載下。管線220(因此缺乏內壓縮)中之空氣之量係由第二空氣流204之第三部分230在冷壓縮機14c中提升至第三、甚至更高壓力(例如45bar)及於此非常高壓力下流經主熱交換器至冷端之事實彌補。該冷的經假-液化之第三部分232在節流閥233 中膨脹至高壓塔壓力，及通過管線234及9饋至高壓塔10。
冷壓縮機14c係由第二膨脹渦輪機14t驅動，其中經壓縮之全部空氣流7之第三部分流301(作為「第五空氣流」)經膨脹，從第一空氣壓力膨脹至高壓塔10之操作壓力，以作功。
在具體數值實例中，下表顯示第一及第二操作模式間之比較，其中在此情況下，第二操作模式經組態為純氣體操作(不包括氬氣)。
圖1A與圖1不同之處在於至第二渦輪機14t之第五空氣流301不於第一空氣壓力下而是於空氣後壓縮機3b下游之第二空氣壓力下。額外電源400將其從空氣後壓縮機3b出口饋至主熱交換器之熱端，及進一步通過管線301饋至渦輪機入口。
在圖1B中，渦輪機14t處一般具有更高的入口壓力，因為第五空氣流401/301係於熱後壓縮機202下游之第三空氣壓力下。
圖2與圖1之不同之處在於，其他渦輪機-壓縮機組合50t/50c僅在第一操作模式下流通。第三渦輪機50t隨後驅動第三渦輪機驅動之後壓縮機50c。在第三渦輪機中，由第二空氣流204之第四部分401形成之第七空氣流401經膨脹以作功。第三渦輪機50t通過與第一渦輪機202t之相同入口及出口壓力操作。將經膨脹之第七空氣流402引入分離機212中。在第一操作模式下，後壓縮機50c運行及在管線204中產生「第三空氣壓力」。在該例示性實施例中，兩個後壓縮機202c及50c 形成該「後壓縮系統」。
在第二操作模式下，第七空氣流降低至零，及第二空氣流通過旁路管線51流過第二後壓縮機50c。在此操作模式下，後壓縮機202c在管線51及204中產生「第三空氣壓力」。在第二操作模式下，該第三空氣壓力與第一操作模式相比更低。
在全部例示性實施例中，後置冷卻器201或203位於各個壓縮機級下游，以用於移除壓縮熱。
在圖2之實施例中，相對於圖1之其他不同之處在於，第一渦輪機202t處(亦如於第三50t處)之渦輪機入口壓力與第二空氣壓力相比更低，因為該渦輪機空氣(第三亦及第七空氣流)在第一渦輪機驅動之後壓縮機202c上游分叉(branched off)(管線210x)。此降低之渦輪機入口壓力(其容許提升第二空氣壓力等級)亦可以類似方式用於圖1中。
當然，在圖1及2中，第一操作模式與純氣體操作間之中間形式(其中LOX及/或LIN之產量降幅大於零)亦有可能；此等形式亦視為「第二操作模式」，在申請專利範圍的含義內。然而，在此等例示性實施例中，渦輪機-冷壓縮機組合在第一操作模式下關閉。其僅在第二操作模式下開始操作。
圖2A與圖2之不同之處在於，至第二渦輪機14t之第五空氣流301不於第一空氣壓力下，而是於空氣後壓縮機3b下游之第二空氣壓力下。額外電源400將其從空氣後壓縮機3b之出口饋至主熱交換器之熱端，及進一步通過管線301饋至渦輪機入口。
在圖2B中，省略第二渦輪機14t。冷壓縮機14c係由電動機驅動。
在圖3之例示性實施例中，該渦輪機-冷壓縮機組合亦未在最大液體操作(即第一操作模式)下關閉。圖3亦與圖1不同，不同之處為以下方法特徵：
-第四空氣流210a/220從第一後壓縮機202c上游分叉，及用作相 對低壓力之節流流。
-同樣地，用於第二渦輪機14t之空氣230a/230(第二空氣流之第三部分)從第一後壓縮機202c上游分叉。
此處，由兩個渦輪機驅動之後壓縮機202c及14c產生之增壓由此原則上用於增加用作特別高壓力節流流之第六空氣流之壓力。第一渦輪機202t於與第二渦輪機14t相比更高之入口壓力下操作。
隨著液體產量在從第一操作情況轉換至第二操作情況時降低，第二渦輪機14t上之負載增加，且第一渦輪機202上之負載降低。
儘管在圖3中有所表示，但節流流210a及渦輪機流230a亦可僅在渦輪機驅動之熱後壓縮機202之後分叉，如在圖1中所表示。
在本發明之全部變化形式中，亦可形成第二渦輪機14t，使得其不注入高壓塔10而是注入低壓塔12；藉助相應地提升壓力比，冷壓縮機可獲得更多能量。
圖3A與圖3之不同之處在於，至第二渦輪機14t之第五空氣流301未於第一空氣壓力下，而是於熱後壓縮機202c下游之第三空氣壓力下。其通過額外管線301a饋至主熱交換器之熱端，及進一步通過管線301饋至渦輪機入口。
在圖3B中，省略第二渦輪機14t。冷壓縮機14c由電動機驅動。
本發明之效應可進一步藉由連接冷壓縮機14c下游之可關閉之第二冷壓縮機增加。此修改可用於全部例示性實施例中，例如用在圖3及圖3B之彼等實施例中。在第二操作模式下，在往回饋至主熱交換器之前，獲自第一冷壓縮機14c之流通過第二冷壓縮機饋送。第二冷壓縮機使用電動機驅動。在第一操作模式下，第二冷壓縮機關閉，及獲自第一冷壓縮機14c之流通過旁路管線流過第二冷壓縮機。
1‧‧‧大氣空氣
2‧‧‧過濾器
3a‧‧‧主空氣壓縮機
3b‧‧‧空氣後壓縮機
4‧‧‧經壓縮之全部空氣
5‧‧‧預冷卻裝置
6‧‧‧純化裝置
7‧‧‧經純化之全部空氣
8‧‧‧主熱交換器
9‧‧‧管線/引入
10‧‧‧高壓塔
11‧‧‧主冷凝器
12‧‧‧低壓塔
13‧‧‧管線
14c‧‧‧冷壓縮機
14t‧‧‧第二渦輪機
15‧‧‧貯槽液體
16‧‧‧逆流過冷器
17‧‧‧管線
18‧‧‧管線
19‧‧‧管線
20‧‧‧管線
21‧‧‧閥
22‧‧‧管線
23‧‧‧氮氣
24‧‧‧氮氣之第一部分
25‧‧‧液態氮
26‧‧‧液態氮之第一部分
27‧‧‧液態氮之第二部分
28‧‧‧閥
29‧‧‧管線
30‧‧‧管線/液體產物
31‧‧‧氣態低壓氮氣
32‧‧‧管線/冷的經假液化之第三部分
33‧‧‧氣態不純氮氣
34‧‧‧熱的不純氮氣/引入
35‧‧‧管線
36‧‧‧管線
37‧‧‧管線/第一產物流/氧氣
38‧‧‧液態氧之第一部分
39‧‧‧管線/液體產物
40‧‧‧液態氧之第二部分
41‧‧‧泵/第一高產物壓力
42‧‧‧熱的高壓氧氣/內壓縮產物/氮氣
43‧‧‧液態氮之第三部分/第一產物流
44‧‧‧泵/第一高產物壓力
45‧‧‧熱的高壓氮氣/熱的第一產物流/內壓縮產物
50c‧‧‧第三渦輪機驅動之後壓縮機/第二後壓縮機
50t‧‧‧第三渦輪機
51‧‧‧旁路管線
100‧‧‧第一空氣流
101‧‧‧節流閥/膨脹
102‧‧‧經膨脹之第一空氣流/引入
200‧‧‧第二空氣流
201‧‧‧後置冷卻器
202‧‧‧後壓縮機/第一渦輪機
202c‧‧‧第一渦輪機驅動之後壓縮機/第一後壓縮機
202t‧‧‧第一渦輪機
203‧‧‧後置冷卻器
204‧‧‧第二空氣流/經後壓縮之第二空氣流/管線
210‧‧‧第三空氣流
210a‧‧‧第四空氣流/節流流
210x‧‧‧管線
211‧‧‧第三空氣流/引入
212‧‧‧分離器(相分離器)
213‧‧‧管線/引入
220‧‧‧第四空氣流/管線
221‧‧‧膨脹
222‧‧‧管線/引入
230‧‧‧第二空氣流之第三部分/第六空氣流
230a‧‧‧渦輪機流
231‧‧‧經進一步壓縮之第六空氣流
232‧‧‧冷的經假液化之第三部分
233‧‧‧節流閥/膨脹
234‧‧‧管線/引入
301‧‧‧經壓縮之全部空氣流之第三部分/管線/第五空氣流
301a‧‧‧額外管線
302‧‧‧第五空氣流
400‧‧‧額外電源
401‧‧‧第七空氣流/第五空氣流
402‧‧‧經膨脹之第七空氣流
500‧‧‧氬氣部分
501‧‧‧管線
圖1顯示根據本發明之具有兩個渦輪機之系統之第一例示性實施 例，圖1A及1B顯示圖1之兩種變化形式，圖2顯示具有三個渦輪機之第二例示性實施例，圖2A及2B顯示圖2之兩種變化形式，圖3顯示第三例示性實施例，其中渦輪機-冷壓縮機組合亦在第一操作模式下流通，及圖3A及3B顯示圖3之兩種變化形式。
1‧‧‧大氣空氣
2‧‧‧過濾器
3a‧‧‧主空氣壓縮機
3b‧‧‧空氣後壓縮機
4‧‧‧經壓縮之全部空氣
5‧‧‧預冷卻裝置
6‧‧‧純化裝置
7‧‧‧經純化之全部空氣
8‧‧‧主熱交換器
9‧‧‧管線/引入
10‧‧‧高壓塔
11‧‧‧主冷凝器
12‧‧‧低壓塔
13‧‧‧管線
14c‧‧‧冷壓縮機
14t‧‧‧第二渦輪機
15‧‧‧貯槽液體
16‧‧‧逆流過冷器
17‧‧‧管線
18‧‧‧管線
19‧‧‧管線
20‧‧‧管線
22‧‧‧管線
23‧‧‧氮氣
24‧‧‧氮氣之第一部分
25‧‧‧液態氮
26‧‧‧液態氮之第一部分
27‧‧‧液態氮之第二部分
28‧‧‧閥
29‧‧‧管線
30‧‧‧管線/液體產物
31‧‧‧氣態低壓氮氣
32‧‧‧管線/冷的經假液化之第三部分
33‧‧‧氣態不純氮氣
34‧‧‧熱的不純氮氣/引入
35‧‧‧管線
36‧‧‧管線
37‧‧‧管線/第一產物流/氧氣
38‧‧‧液態氧之第一部分
39‧‧‧管線/液體產物
40‧‧‧液態氧之第二部分
41‧‧‧泵/第一高產物壓力
42‧‧‧熱的高壓氧氣/內壓縮產物/氮氣
43‧‧‧液態氮之第三部分/第一產物流
44‧‧‧泵/第一高產物壓力
45‧‧‧熱的高壓氮氣/熱的第一產物流/內壓縮產物
100‧‧‧第一空氣流
101‧‧‧節流閥/膨脹
102‧‧‧經膨脹之第一空氣流/引入
200‧‧‧第二空氣流
201‧‧‧後置冷卻器
202c‧‧‧第一渦輪機驅動之後壓縮機/第一後壓縮機
202t‧‧‧第一渦輪機
203‧‧‧後置冷卻器
204‧‧‧第二空氣流/經後壓縮之第二空氣流/管線
210‧‧‧第三空氣流
211‧‧‧第三空氣流/引入
212‧‧‧分離器(相分離器)
213‧‧‧管線/引入
220‧‧‧第四空氣流/管線
221‧‧‧膨脹
222‧‧‧管線/引入
230‧‧‧第二空氣流之第三部分/第六空氣流
231‧‧‧經進一步壓縮之第六空氣流
232‧‧‧冷的經假液化之第三部分
233‧‧‧節流閥/膨脹
234‧‧‧管線/引入
301‧‧‧經壓縮之全部空氣流之第三部分/管線/第五空氣流
302‧‧‧第五空氣流
500‧‧‧氬氣部分
501‧‧‧管線

Claims (15)

  1. 一種用於在具有主空氣壓縮機、主熱交換器(8)及具有高壓塔(10)及低壓塔之蒸餾塔系統的空氣分離設備中低溫分離空氣之方法，其中使全部進料空氣(1)在主空氣壓縮機(3a)中壓縮至與該高壓塔之操作壓力相比高出至少3bar之第一空氣壓力，以形成經壓縮之全部空氣流(4、7)，使該經壓縮之全部空氣流之第一部分(作為第一空氣流(100))於該第一空氣壓力下在該主熱交換器(8)中冷卻及液化或假液化，隨後膨脹(101)及引入(102、9)該蒸餾塔系統中，使該經壓縮之全部空氣流之第二部分(作為第二空氣流(200))在空氣後壓縮機(3b)中後壓縮至高於該第一空氣壓力之第二空氣壓力，及該第二空氣流之至少第一部分在後壓縮系統中進一步壓縮至高於該第二空氣壓力之第三空氣壓力，其中該後壓縮系統具有至少一個第一渦輪機驅動之後壓縮機(202c)，於第一渦輪機入口壓力下將該第二空氣流之第一部分流(作為第三空氣流(210))引入第一渦輪機(202t)，在其中其經膨脹，作功，及隨後引入(211、213、22)該蒸餾塔系統中，其中該第一渦輪機入口壓力係高於該第一空氣壓力但不超過該第三空氣壓力，及該第一渦輪機(202t)驅動該第一渦輪機驅動之後壓縮機(202c)，該第二空氣流之第二部分流(作為第四空氣流(220))於高於該第一空氣壓力但不超過該第三空氣壓力之壓力下在主熱交換器(8)中冷卻及液化或假液化，隨後膨脹(221)及引入(222)該蒸餾塔系統中， 在該蒸餾塔系統中至少偶爾獲得至少一種液體產物(30；39；LAR)及從該空氣分離設備中吸出，以液體形式從該蒸餾塔系統中吸出第一產物流(37；43)，呈液體狀態提升至第一高產物壓力(41；44)，在該主熱交換器(8)中蒸發或假蒸發及加熱，及經加熱之第一產物流(42；45)作為第一經壓縮之氣體產物從該空氣分離設備中吸出，其特徵在於至少偶爾地使該第二空氣流之第三部分流(作為第六空氣流(230))在該主熱交換器(8)中冷卻至第一中溫，在冷壓縮機(14c)中進一步壓縮至高於該第三空氣壓力之第四空氣壓力，及使於該第四空氣壓力下經進一步壓縮之第六空氣流(231)在該主熱交換器(8)中冷卻及液化或假液化，隨後膨脹(233)及引入(234、9)該蒸餾塔系統中，在第一操作模式下，從該空氣分離設備中吸出第一總量之液體產物(30；39；LAR)，在第二操作模式下，從該空氣分離設備中吸出低於該第一總量之第二總量之液體產物(30；39；LAR)，及其中在該第一操作模式下，作為第六空氣流(230)引導通過該冷壓縮機(14c)之空氣之量係低於在該第二操作模式下之量。
  2. 如請求項1之方法，其中至少偶爾地於該第一空氣壓力下將該經壓縮全部空氣流之第三部分(作為第五空氣流(301))引入第二渦輪機(14t)中，在其中其經膨脹、作功， 該第二渦輪機(14t)驅動由該冷壓縮機(14c)形成之第二渦輪機驅動之後壓縮機，將經膨脹、作功之該第五空氣流(302)引入(13)該蒸餾塔系統中，及其中在該第一操作模式下，作為第五空氣流(14t)引導通過該第二渦輪機之空氣之量係低於在該第二操作模式下之量。
  3. 如請求項2之方法，其中在該第一操作模式下該經壓縮全部空氣流之第一量之空氣形成該第一空氣流(100)，及該經壓縮全部空氣流之第二量之空氣形成該第二空氣流(200)及在該第二操作模式下該經壓縮全部空氣流之第三量之空氣(其高於該第一量之空氣)形成該第一空氣流(100)，及該經壓縮全部空氣流之第四量之空氣(其小於該第二量之空氣)形成該第二空氣流(200)。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該第三空氣流(210)係於該第三空氣壓力下引入該第一渦輪機(202t)中。
  5. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該第四空氣流(220)在該第一渦輪機(202t)中膨脹至等於該高壓塔(10)之操作壓力的出口壓力。
  6. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該第五空氣流(301)在該第二渦輪機(14t)中膨脹至等於該高壓塔(10)之操作壓力的出口壓力。
  7. 如請求項1至3中任一項之方法，其中在該第二操作模式下，該 第五空氣流(301)在該第二渦輪機(14t)中膨脹至等於該低壓塔(12)之操作壓力的出口壓力。
  8. 如請求項1至3中任一項之方法，其中在兩種操作模式下，分別將以下空氣流中至少一者之至少一部分引入該空氣流膨脹下游之高壓塔(10)中：第一空氣流(102)，第三空氣流(211)，第四空氣流(220)。
  9. 如請求項1至3中任一項之方法，其中將該經膨脹之第五空氣流(302)之至少一部分引入(13)該高壓塔(10)中。
  10. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該主空氣壓縮機(3a)及該空氣後壓縮機(3b)係由具有共同驅動之組合機器形成。
  11. 如請求項1至3中任一項之方法，其中在該第二操作模式下，該第四空氣流(220)包括與在該第一操作模式下相比更少之量。
  12. 如請求項1至3中任一項之方法，其中在該第二操作模式下，該第二空氣流之第四部分流(作為第七空氣流(401))在第三渦輪機(50t)中膨脹、作功及隨後引入該蒸餾塔系統中。
  13. 如請求項12之方法，其中在該第一操作模式下，該第三渦輪機(50t)驅動第三渦輪機驅動之後壓縮機(50c)，其係該後壓縮系統之一部分。
  14. 如請求項1至3中任一項之方法，其中以液體形式從該蒸餾塔系統中吸出第二產物流，以液體狀態提升至第二高產物壓力，在該主熱交換器中蒸發或假蒸發及加熱，及將該經加熱之第二產物流作為第二經壓縮之氣體產物從該空氣分離設備中吸出， 其中特定言之該第一產物流係由獲自該低壓塔之下部區域之氧氣(37)組成及/或該第二產物流係由獲自該高壓塔之上部區域或該高壓塔之頂部冷凝器之氮氣(43)組成。
  15. 一種用於低溫分離空氣之空氣分離設備，其具有主熱交換器(8)，具有高壓塔(10)及低壓塔之蒸餾塔系統，用於將全部進料空氣(1)壓縮至與該高壓塔操作壓力相比高出至少3bar之第一空氣壓力，以形成經壓縮之全部空氣流(4、7)之主空氣壓縮機(3a)，用於在該主熱交換器(8)中於該第一空氣壓力下使該經壓縮之全部空氣流之第一部分(作為第一空氣流(100))冷卻之構件，用於使該經冷卻之第一空氣流膨脹(101)及將此空氣流引入(102、9)該蒸餾塔系統中之構件，用於將該經壓縮之全部空氣流之第二部分(作為第二空氣流(200))後壓縮至第二空氣壓力之空氣後壓縮機(3b)，用於將該第二部分流之至少第一部分進一步壓縮至高於該第二空氣壓力之第三空氣壓力的後壓縮系統，其中該後壓縮系統具有至少一個第一渦輪機驅動之後壓縮機(202c)。用於使該第二空氣流之第一部分流(作為第三空氣流(210))從高於該第一空氣壓力但不超過該第三空氣壓力之第一渦輪機入口壓力作功膨脹之第一渦輪機(202t)，其中該第一渦輪機(202t)係耦合至該第一渦輪機驅動之後壓縮機(202c)，用於在高於該第一空氣壓力但不超過該第三空氣壓力之壓力下在該主熱交換器(8)中冷卻該第二空氣流之第二部分流(作為第 四空氣流(220))之構件，用於使該經冷卻之第四空氣流膨脹(221)及將此空氣流引入(222)該蒸餾塔系統中之構件，用於在該蒸餾塔系統中獲得至少一種液體產物(30；39；LAR)之構件及用於將其從該空氣分離設備中吸出之構件，用於以液體形式從該蒸餾塔系統中吸出第一產物流(37；43)、在液體狀態增壓至第一高產物壓力(41；44)、在該主熱交換器(8)中加熱之構件，及具有用於從該空氣分離設備中吸出經加熱之第一產物流(42；45)(作為第一經壓縮之氣體產物)之構件，其特徵在於用於在該主熱交換器(8)中使該第二空氣流之第三部分流(作為第六空氣流(230))冷卻至第一中溫之構件，用於進一步將該第六空氣流壓縮至高於該第三空氣壓力之第四空氣壓力之冷壓縮機(14c)，用於在該主熱交換器(8)中於該第四空氣壓力下使該經進一步壓縮之第六空氣流冷卻之構件，用於使該經冷卻之第六空氣流膨脹(233)及將此空氣流引入(234、9)該蒸餾塔系統中之構件，及具有用於在第一及第二操作模式間轉換之構件，其中在第一操作模式下，從該空氣分離設備中吸出第一總量之液體產物(30；39；LAR)，在第二操作模式下，從該空氣分離設備中吸出小於該第一總量之第二總量之液體產物(30；39；LAR)，及在該第一操作模式下，作為第六空氣流(230)引導通過該冷壓縮機(14c)之空氣之量係小於在該第二操作模式中之量。
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