TW202300843A - 用於提供加壓富氧氣態空氣產品的方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種製造加壓富氧氣態空氣產品的高氣壓方法。進料空氣量的第一部分量在第一溫度範圍內的溫度上被提供給第一渦輪機單元(5)，利用第一渦輪機單元發生膨脹並被送入高壓塔(11)。進料空氣量的第二部分量在第二溫度範圍內的溫度上被提供給第二渦輪機單元(6)，利用第二渦輪機單元發生膨脹並被送入低壓塔(12)。在16至50巴的條件下提供作為內壓縮產品的加壓富氧空氣產品，其中從第三溫度範圍內的溫度上開始進行蒸發。第三溫度範圍高於第一溫度範圍及第二溫度範圍，這樣來選擇第二溫度範圍，使得第二渦輪機單元(6)的出口處形成液體佔比為5%至15%的兩相混合物，第一溫度範圍內的溫度及第二溫度範圍內的溫度彼此相差不超過10 K，並且在從空氣分離設備(100)提取的所有空氣產品中，低於5%的比例係以未蒸發的形式呈液態從空氣分離設備中被提取。第一渦輪機單元由冷壓縮機(4)制動，第二渦輪機單元由發電機(G)或熱增壓壓縮機制動。空氣分離設備(100)同樣為本發明的主題。

Description

用於提供加壓富氧氣態空氣產品的方法及設備
本發明係有關於如獨立請求項之前言所述的一種提供加壓富氧氣態空氣產品的方法及一種相應的設備。
在空氣分離設備中藉由低溫分離空氣來製造液態或氣態空氣產品，屬於習知技術且例如記載於H.-W. Häring (編輯), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006，特別是第2.2.5節「Cryogenic Rectification」。
術語「空氣產品」在此係指至少部分地藉由對大氣空氣進行低溫分離而提供的流體。本文所理解的空氣產品具有一種或數種包含於大氣空氣中的空氣氣體，其組成有別於大氣空氣。原則上，空氣產品可以氣態、液態或超臨界狀態存在或被提供，並且可從此等聚集態中的一種轉化為另一種。具體來說，藉由在一定壓力上進行加熱，可將液態空氣產品轉化為氣態（「蒸發」）或超臨界狀態（「假蒸發」），這取決於加熱時的壓力低於還是高於臨界壓力。若在下文中提到「蒸發」，亦應包括相應的假蒸發。
空氣分離設備具有精餾塔系統，傳統上，精餾塔系統可例如形成為雙塔系統，特別是經典的Linde雙塔系統，但亦可形成為三塔或多塔系統。除了用於獲取液態及/或氣態的氮及/或氧氣體的精餾塔（即氮氧分離精餾塔）外，還可設置用於獲取其他空氣組分（尤指氪、氙及/或氬等稀有氣體）的精餾塔。其中，術語「精餾」與「蒸餾」以及「塔」與「柱」或者與此相關的複合術語往往作為同義詞使用，在本案中亦如此。
上述精餾塔系統的精餾塔係在不同壓力上運行。已知的雙塔系統擁有所謂的高壓塔（亦稱壓力塔、中壓塔或下塔）及所謂的低壓塔（亦稱上塔）。高壓塔通常在4至7巴，特別是約5.3巴的壓力上運行。低壓塔一般在1至2巴，特別是約1.4巴的壓力上運行。在特定情況下，亦可在兩種精餾塔中使用更高的壓力。本文所給出的壓力係為塔頂處的絕對壓力。
空氣分離可採用所謂的主（空氣）壓縮機/增壓壓縮機(Main Air Compressor/Booster Air Compressor, MAC-BAC)工藝或所謂的高氣壓(High Air Pressure, HAP)工藝。主壓縮機/增壓壓縮機工藝是比較傳統的工藝，高氣壓工藝近年來則越來越多地被用來替代主壓縮機/增壓壓縮機工藝。本發明與高氣壓工藝結合使用，因此，下文中有關這方面的說明普遍適用，亦適用於本發明。由於成本顯著降低——主壓縮機及增壓壓縮機一定程度上整合於一台機器中——且效率基本相當，高氣壓工藝可成為主壓縮機/增壓壓縮機工藝的一個有利替代方案。
主壓縮機/增壓壓縮機工藝的特點在於，供應給整個精餾塔系統的進料空氣量中只有一部分被壓縮到一個壓力，該壓力大大高於高壓塔的運行壓力，亦即，比高壓塔的運行壓力高至少3、4、5、6、7、8、9或10巴。另一部分進料空氣量僅被壓縮到此壓力或與此壓力相差不超過1至2巴之壓力，並在此較低壓力下，特別是在不進一步膨脹的情況下被送入高壓塔。例如，Häring（見上）在圖2.3A中披露了一種主壓縮機/增壓壓縮機工藝。
高氣壓工藝則是將供應給整個精餾塔系統的全部進料空氣量壓縮到一個壓力，該壓力大大高於高壓塔的運行壓力，亦即，比高壓塔的運行壓力高至少3、4、5、6、7、8、9或10巴，例如高14、16、18或20巴。高氣壓工藝例如由EP 2 980 514 A1及EP 2 963 367 A1揭露。
高氣壓工藝通常與所謂的內壓縮(IV, Internal Compression, IC)結合使用。內壓縮係以下述方式形成至少一種由空氣分離設備提供的氣態加壓空氣產品：從精餾塔系統提取酷冷液態空氣產品，將其壓力提高到產品壓力，並在產品壓力上以加熱方式將其轉化為氣態或超臨界狀態。舉例而言，藉由內壓縮可產生氣態加壓氧(GOX IV，GOX IC)、氣態加壓氮(GAN IV，GAN IC)及/或氣態加壓氬(GAR IV，GAR IC)。內壓縮較之亦可作為一種選擇的外部壓縮具有一系列之優點，例如，Häring（見上）在第2.2.5.2節，「Internal Compression」中有所闡述。
高氣壓工藝可以不同的設計加以使用。通常根據設備的液體容量(Flüssigleistung)（即，根據以液態形式被提供且以液態形式從設備中被提取之空氣產品的量）或根據內壓縮空氣產品與液態產品的比率對此等設計進行分類與區分。若液體容量不是太高，高氣壓工藝便會採用例如下述類型的冷增壓器或冷壓縮機，因為以此方式可將此時過剩的製冷量轉化為更高的空氣壓力，從而達到提高工藝效率之目的。
採用下述類型的所謂Lachmann渦輪機或噴射渦輪機（英文亦稱Upper Column Expander）的高氣壓工藝亦屬于習知技術。在Lachmann渦輪機中膨脹的空氣被送入低壓塔。其中，Lachmann渦輪機可作為渦輪機單元（氣態壓縮空氣藉由該渦輪機單元膨脹到高壓塔中，即所謂的Claude渦輪機，）之外的另一個渦輪機單元被提供。
特別是當需要藉由高氣壓工藝在範圍為16至50巴（絕對壓力）的壓力上主要或僅提供內壓縮氣態氧時，有必要對工藝控制進行改良。本發明之目的在於提高高氣壓工藝的效率與競爭力，特別是針對此類典型的氣體設備。
在此背景下，本發明提出具有相關獨立項之特徵的一種提供一種或數種富氧氣態空氣產品的方法及一種相應的設備。本發明的技術方案為附屬項及以下說明的主題。
首先對本發明的其他原理進行詳細闡釋並對用於描述本發明的術語進行定義。
「進料空氣量」（或簡稱為「進料空氣」）在此係指供應給（「送入」）空氣分離設備的精餾塔系統的全部空氣。如前所述，此進料空氣量在主壓縮機/增壓壓縮機工藝中僅部分被壓縮到一個壓力，其範圍明顯高於高壓塔的運行壓力範圍。而在作為本發明之主題的高氣壓工藝中，全部的進料空氣量均被壓縮到如此之高的壓力範圍內的壓力。關於「明顯」一詞與主壓縮機/增壓壓縮機工藝及高氣壓工藝相關的含義，請參考上述說明。
「酷冷」液體在此係指沸點明顯低於環境溫度的液態介質，例如-50℃或更低，特別是-100℃或更低。酷冷液體的例子有液態空氣、液態氧、液態氮、液態氬或富含上述化合物的液體。
關於空氣分離設備中所使用的裝置或設備，請參考技術文獻，如Häring（見上文），特別是第2.2.5.6節，「Apparatus」。在下文中，為了達到澄清及更清楚地界定之目的，將對相應裝置的某些方面進行詳細說明。
空氣分離設備使用在此被稱為「主空氣壓縮機」的多級渦輪壓縮機來壓縮進料空氣量。渦輪壓縮機的機械結構基本上已為相關領域通常知識者所知。在渦輪壓縮機中，藉由佈置在渦輪葉輪或者直接佈置於軸體上的渦輪葉片對待壓縮介質進行壓縮。其中，渦輪壓縮機形成一個結構單元，但就多級渦輪壓縮機而言，該結構單元可具有數個壓縮機級。其中，一個壓縮機級通常包括一個渦輪葉輪或相應的渦輪葉片配置。所有此等壓縮機級皆可由一個公共軸體驅動。但亦可如下設置：以不同軸體對該等壓縮機級進行分組驅動，其中該等軸體亦可透過傳動裝置彼此連接。
主空氣壓縮機進一步具有以下特點：被送入蒸餾塔系統以用來製造空氣產品的全部空氣量（即全部的進料空氣量）皆由主空氣壓縮機壓縮。相應地亦可設置「增壓壓縮機」，但增壓壓縮機僅是使已在主空氣壓縮機中被壓縮過的進料空氣量的一部分達到更高壓力。增壓壓縮機亦可被設計成渦輪壓縮機。為了壓縮部分空氣量，一般設有亦稱增壓器的其他渦輪壓縮機，但與主空氣壓縮機或增壓壓縮機相比，該等其他渦輪壓縮機通常僅提供較低程度的壓縮，特別是相對於被壓縮過的空氣量而言。高氣壓工藝中亦可存在增壓壓縮機，然而，此增壓壓縮機將從更高的壓力開始對進料空氣量的部分量進行壓縮。
「冷壓縮機」或「冷增壓器」在此係指在一個處於明顯低於空氣分離設備環境溫度的溫度範圍內的溫度上，特別是在低於0℃、-50℃或-100℃且特別是高於-150℃或-200℃的溫度下被供應流體的壓縮機或增壓器。
此外，空氣可在空氣分離設備中的數個位置上膨脹，為此，可使用渦輪膨脹機形式的膨脹機，在此亦稱為「膨脹渦輪」。渦輪膨脹機亦可與渦輪壓縮機耦合並驅動渦輪壓縮機。若一個或數個渦輪壓縮機在外部不提供能量的情況下被驅動，即僅由一個或數個渦輪膨脹機驅動，則此種配置亦適合使用「渦輪增壓器」一詞。在渦輪增壓器中，渦輪膨脹機（膨脹渦輪）與渦輪壓縮機（增壓器）機械耦合，其中該耦合可為同速（例如透過公共軸體）或不同速（例如透過中間傳動裝置）。當本文提到「渦輪機單元」時，具體係指具有至少一個膨脹渦輪之配置。
在典型的空氣分離設備中，為了製冷及液化物料流，在不同位置上存在相應的膨脹渦輪。此等膨脹渦輪特別是前述的Claude渦輪機及Lachmann渦輪機，且視情況為所謂的Joule-Thomson渦輪機。關於相應渦輪機的功能與用途，請參考技術文獻，例如F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification, CRC Press, 2006,特別是第2.4節，「Contemporary Liquefaction Cycles」，第2.6節，「Theoretical Analysis of the Claude Cycle」以及第3.8.1節，「The Lachmann Principle」。
「節制流(Drosselstrom)」或「Joule-Thomson流」係指在空氣分離設備的主熱交換器中至少絕大部分地被加壓液化，而後特別是透過節流閥特別是被送入高壓塔的空氣量。亦可使用Joule-Thomson渦輪機來代替節流閥。
在本案的用語習慣中，液態、氣態或超臨界狀態的流體可能富或貧一種或數種組分，其中「富」可代表至少為75%、90%、95%、99%、99.5%、99.9%或99.99%的莫耳含量、重量含量或體積含量，「貧」可代表最高為25%、10%、5%、1%、0.1%或0.01%的莫耳含量、重量含量或體積含量。術語「主要」可等同於「富」的定義，但特別是指大於90%之含量。舉例而言，若本文提到「氮」或「氧」，則可指純氣體，但亦可指富氮或富氧的氣體。
下文將以一定的壓力範圍及溫度範圍內的壓力及溫度來表徵壓力與溫度。此係為了表明，實現本發明理念時無需使用精確的壓力值及溫度值來說明壓力與溫度。但此等壓力與溫度通常在平均值周圍±1%、5%或10%之相應範圍內波動。其中，不同的壓力範圍及溫度範圍可構成不相交範圍或交疊範圍。舉例而言，所提供的壓力範圍尤其包含不可避免或可預見的壓力損失，例如由於管線阻力或類似原因而產生的壓力損失。壓力範圍亦如此。本文以巴為單位提供的壓力或壓力範圍界限係指絕對壓力，另有指明者除外。 本發明的優點
如前所述，通常根據所謂的液體容量或根據內壓縮產品與液態產品的比率來對習知的高氣壓工藝進行分類與區分。其中，液體容量係指呈液態地從設備或相應工藝中輸出的空氣產品（即不發生蒸發或假蒸發的空氣產品）的量。亦即，此類產品不能被用於藉由相應的蒸發來冷卻設備或工藝的進料流。因此，若少量空氣產品呈液態地從設備或相應工藝中輸出，卻發生了蒸發或假蒸發，則一定程度上存在過剩的冷。
因此，當液體容量較低時，例如可使用所謂的冷增壓器，以便藉由將此過剩的冷轉化為更高的空氣壓力來提高工藝效率。經冷增壓器所輸入的熱量部分「消滅」了過剩的冷，但反過來，冷增壓器又壓縮了一部分進料空氣，從而能例如相應地減小主空氣壓縮機的功率。如前所述，冷增壓器的進氣溫度低於環境溫度，因此，在為了簡化而假設存在理想氣體行為的情況下，將會降低功率消耗。
本發明應用於一種如前所述在不產生（可觀的）液體的情況下製造氣態氧的高氣壓工藝，其中除了以Claude渦輪機之方式使空氣膨脹到高壓塔中的第一渦輪機單元外，還提供噴射渦輪機（Lachmann渦輪機）作為第二渦輪機單元。
具體來說，本發明用以達成上述目的的解決方案為：以明顯低於習知工藝的進氣溫度向Lachmann渦輪機供應空氣。這使得Lachmann渦輪機的渦輪機出口處發生劇烈的預液化。相應地，在主熱交換器中有待作為一個或數個節制流被液化的空氣量明顯減少，其結果為效率顯著提高。在主熱交換器的下部區域，即在空氣流發生冷凝的地方，需要傳遞的熱量因此而變少，冷壓縮機的功率減小。
在此背景下，本發明總體上提出一種使用空氣分離設備來製造加壓富氧氣態空氣產品的方法，該空氣分離設備具有精餾塔系統以及主熱交換器、第一渦輪機單元及第二渦輪機單元，精餾塔系統包括高壓塔及低壓塔。
高壓塔在4至7巴，特別是約5.3巴的第一壓力範圍內運行，低壓塔在1至2巴，特別是約1.4巴的第二壓力範圍內運行，並且供應給整個精餾塔系統的進料空氣量的至少一個佔優勢部分，特別是高氣壓工藝中通常的全部進料空氣量，被壓縮到第三壓力範圍內的壓力，該第三壓力範圍比第一壓力範圍高3巴以上。對於可能的其他壓力差，請再次參考上文中關於高氣壓工藝的闡述。
被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第一部分量在第三壓力範圍內的壓力或高於第三壓力範圍的第四壓力範圍內的壓力上以及在第一溫度範圍內的溫度上被提供給第一渦輪機單元，利用第一渦輪機單元膨脹到第一壓力範圍內的壓力，並被送入高壓塔。如下文所述，為了在第一溫度範圍內的溫度上提供第一部分量，特別是以下文所說明的方式使用空氣分離設備的主熱交換器，並且在必要時，以下文所說明的方式使用相應的增壓單元來獲得第四壓力範圍上的壓力。在本發明範圍內，第一渦輪機單元尤其是如前文所述的典型的Claude渦輪機，或者第一渦輪機單元包括如前文所述的典型的Claude渦輪機。
被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第二部分量在第三壓力範圍內的壓力或高於第三壓力範圍的第五壓力範圍內的壓力上以及在第二溫度範圍內的溫度上被提供給第二渦輪機單元，利用第二渦輪機單元膨脹到第二壓力範圍內的壓力，並被送入低壓塔。如下文所述，為了在第二溫度範圍內的溫度上提供第二部分量，特別是以下文所說明的方式使用空氣分離設備的主熱交換器，並且在必要時，以下文所說明的方式使用相應的增壓單元來獲得第五壓力範圍上的壓力。在本發明範圍內，第二渦輪機單元尤其是如前文所述的典型的Lachmann渦輪機，或者第二渦輪機單元包括如前文所述的典型的Lachmann渦輪機。
本發明包括：為了提供氣態加壓富氧空氣產品，從精餾塔系統提取富氧液體，該富氧液體在呈液態被加熱到第三溫度範圍內之溫度的同時呈液態達到16至50巴或25至50巴，特別是40至50巴，例如約為43巴之第六壓力範圍內的壓力，被送入主熱交換器，在主熱交換器中在第三溫度範圍內的溫度上蒸發並被排出空氣分離設備。亦即，該加壓富氧空氣產品作為內壓縮產品被提供。
根據本發明，第三溫度範圍，即使得富氧液體加壓後呈液態在主熱交換器中蒸發的溫度所在之溫度範圍，既高於第一溫度範圍，亦高於第二溫度範圍。
在本發明範圍內，這樣來選擇第二溫度範圍，使得第二渦輪機單元的出口處形成液體佔比為5%至15%，特別是8%至13%的兩相混合物，其中此等百分比特別用於表示液體組分相對於整個兩相混合物之物質量(Stoffmenge)的物質量分率(Stoffmengenanteil)。
此外，在本發明範圍內，第一溫度範圍內的溫度及第二溫度範圍內的溫度彼此相差不超過10 K。
根據本發明，該空氣分離設備的運行方式為：在從空氣分離設備提取的所有空氣產品中，低於5%，特別是低於2%的比例係以未蒸發的形式呈液態從空氣分離設備中被提取。術語「空氣產品」不僅包括基本純淨的產品如氧氣或氮氣，亦包括不純淨的流（所謂的廢氣），關於該術語請參考上文中的說明。就基本純淨的產品而言，該比例低於10%，特別是低於5%或低於2%。「基本純淨的」產品特別是包括氮氣、氧氣及氬氣，或富含上述組分的流體。
藉由將本發明所提出的措施相互組合，特別是可實現前文已提到的優點。請參閱前述說明。
具體來說，第一及第二溫度範圍分別為110 K至140K，特別是120 K至135K。
第三溫度範圍特別是比第一溫度範圍及第二溫度範圍高10 K以上，最多高40 K。
在根據本發明的方法中，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第一部分量有利地在第四壓力範圍內的壓力上被提供，且同時利用增壓單元達到第四壓力範圍內的壓力。
此時所使用的增壓單元特別是可被用來驅動第一渦輪機單元。
在本發明的一個技術方案中，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第一部分量在利用增壓單元達到第四壓力範圍內的壓力之前，可在第一冷卻步驟中在主熱交換器中被冷卻，並且，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第一部分量在利用增壓單元達到第四壓力範圍內的壓力之後，可在第二冷卻步驟中在主熱交換器中被冷卻，其中第二冷卻步驟包括冷卻到第一溫度範圍內的前述溫度。
被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第三部分量特別是可與被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第一部分量一起經受第一冷卻步驟，並利用增壓單元達到第四壓力範圍內的壓力，其中，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力且接著被進一步壓縮到第四壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第三部分量在第四壓力範圍內的壓力上在主熱交換器中液化，而後膨脹並被送入高壓塔。其中，第一部分量特別是在與第一溫度範圍內的溫度相對應的提取點處從主熱交換器中被提取，而第三部分量則穿過主熱交換器，直至到達冷端。第三部分量以此方式形成節制流。
在根據本發明的方法中，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第二部分量特別是可在第五壓力範圍內的壓力上被提供，且同時利用其他增壓單元達到第四壓力範圍內的壓力。在此情況下，該其他增壓單元特別是可驅動第二渦輪機單元，即實施為「自增壓」。
若不需要使被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第二部分量達到第五壓力範圍內的壓力，則第二渦輪機單元特別是可採用習知的油制動或發電機制動設計。
在所有情況下，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第四部分量皆可與被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第二部分量一起在主熱交換器中冷卻，其中第二部分量可在與第二溫度範圍內的溫度相對應的位置處從主熱交換器中排出，第四部分量卻可進一步冷卻與液化。其中，可從主熱交換器的冷側提取第四部分量，並將其作為其他節制流送入高壓塔。
在根據本發明的方法中，第二渦輪機單元的出口處所形成的兩相混合物有利地被送入合適的相分離器中進行相分離，隨後被分相（即以氣體流及液體流的形式）送入低壓塔。
而在本發明的另一個技術方案中，第二渦輪機單元的出口處所形成的兩相混合物以兩相形式被送入低壓塔。藉由選擇合適的兩相管線，可放棄對泵的使用，因為液滴由於相對較高的流速而被夾帶。
本發明進一步係關於一種用於提供加壓富氧氣態空氣產品的空氣分離設備。關於本發明所提出的空氣分離設備的特徵，明確地提請參閱相應的獨立請求項。相應的空氣分離設備受益於前文中所闡述的關於根據本發明的方法及其較佳技術方案之優點，因此，明確地提請參閱該等優點。具體而言，此種空氣分離設備適於實施根據上述技術方案之一的方法，並且具有為此而設計的手段。
下面將參照對本發明的較佳技術方案進行圖示的所附圖式詳細地闡述本發明。
圖1示出根據本發明的較佳實施方式的空氣分離設備，以100標示。空氣分離設備100具有精餾塔系統10，該精餾塔系統具有以習知方式連接的高壓塔11及低壓塔12。
所示類型的空氣分離設備在其他地方有諸多記載，例如在Häring案（見上）中，特別是第2.2.5節，「Cryogenic Rectification」。因此關於結構及操作方式的詳細說明，請參考相關技術文獻。採用本發明的空氣分離設備可以多種方式進行設計。
在此處所圖示的技術方案中，高壓塔11在第一壓力範圍內運行，低壓塔12在第二壓力範圍內運行，而供應給整個精餾塔系統10的進料空氣量的至少一個佔優勢部分，在此以壓縮空氣流a的形式，被壓縮到第三壓力範圍內的壓力，該第三壓力範圍明顯高於第一壓力範圍。
在圖1所示的空氣分離設備100中，進料空氣被主空氣壓縮機1吸入，壓縮到第三壓力範圍內的壓力，在同樣未單獨標號的直接接觸式冷卻器中冷卻，並且在預提純單元2中特別是被去除水及二氧化碳。
隨後，以此方式作為上述壓縮空氣流a被提供的進料空氣在第三壓力範圍內的壓力上被分成兩個分流b及c，該等兩個分流皆在熱側被送入主熱交換器3並在該主熱交換器中冷卻。藉由在中間溫度水平上於主熱交換器3冷側進行提取，分別形成進一步的分流，該等分流構成壓縮空氣流a的進料空氣的在此被稱為「第一」至「第四」部分量之部分量，並且以a1至a4標示。
其中，在此處所圖示的技術方案中，壓縮空氣流a的被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的總進料空氣量的第一部分量，在高於第三壓力範圍的第四壓力範圍內的壓力及第一溫度範圍內的溫度上，以分流a1的形式被提供給第一渦輪機單元5，利用第一渦輪機單元5膨脹到第一壓力範圍內的壓力，並被送入高壓塔11。
其中，第一部分量（即分流a1）作為分流b的一部分利用增壓單元4達到第四壓力範圍內的壓力，其中增壓單元4由第一渦輪機單元5驅動。第一部分量（即分流a1）在利用增壓單元4達到第四壓力範圍內的壓力之前，在第一冷卻步驟中在主熱交換器3中被冷卻，並且第一部分量（即物料流a1）在利用增壓單元4達到第四壓力範圍內的壓力之後，在第二冷卻步驟中在主熱交換器3中被冷卻。第二冷卻步驟包括冷卻到上述第一溫度範圍內的溫度。
在此處所圖示的技術方案中，壓縮空氣流a的被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第二部分量則作為分流c的一部分，在第三壓力範圍內的壓力及第二溫度範圍內的溫度上，以分流a2的形式被提供給第二渦輪機單元6，利用第二渦輪機單元6膨脹到第二壓力範圍內的壓力，而後被送入低壓塔12，在此處所圖示的技術方案中，第二渦輪機單元與發電機G耦接。
其中，這樣來選擇第二溫度範圍，使得第二渦輪機單元6的出口處形成包含有前文一再提到之液體組分的兩相混合物。在此處所圖示的技術方案中，形成於第二渦輪機單元6的出口處的兩相混合物被送入相分離器7中進行相分離，然後以液體流a2l及氣體流a2g的形式被分相送入低壓塔12。
壓縮空氣流a的被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第三部分量以上述分流a3的形式與第一部分量（即分流a1）一起，且因此作為分流b的一部分，經受第一冷卻步驟，並且同樣利用增壓單元4達到第四壓力範圍內的壓力，其中第三部分量（即分流a3）卻在第四壓力範圍內的壓力上在主熱交換器3中液化，膨脹並被送入高壓塔11。
壓縮空氣流a的被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第四部分量以上述分流a4的形式與第二部分量（即分流a2）一起，且因此作為分流c的一部分，被送入主熱交換器3，但不在第二溫度範圍內的溫度上從主熱交換器中被提取，而是同樣在主熱交換器中液化，然後膨脹並被送入高壓塔11。
其中，作為節制流的分流a3及a4在此處所圖示的技術方案中合併為總流k，而後被送入高壓塔11。
為了提供氣態加壓富氧空氣產品，從精餾塔系統10，更確切地說，從低壓塔11的底層提取物料流l形式的富氧液體，該富氧液體在呈液態被加熱到第三溫度範圍內之溫度的同時藉由內壓縮泵8達到第六壓力範圍內的壓力，在第三溫度範圍內的溫度上在主熱交換器3中蒸發並被排出空氣分離設備100。
關於特別是亦可包括過冷式逆流熱交換器9的空氣分離設備100之部件的進一步連接，請參考所引用的技術文獻。特別是，僅一小部分空氣產品以未蒸發的形式呈液態從空氣分離設備100中被提取，例如以液氧流m的形式。
根據圖2的空氣分離設備200與根據圖1的空氣分離設備100的區別主要在於未設相分離器7，其中兩相流a2以兩相形式被送入低壓塔12。
根據圖3的空氣分離設備300與根據圖1及圖2之空氣分離設備100及200的區別主要在於以兩個餾分或者說分流l1及l2的形式提供加壓富氧空氣產品，該等兩個分流由分流l形成並且在主熱交換器3中以不同壓力蒸發。
根據圖4的空氣分離設備400與根據圖1至圖4之空氣分離設備100至300的主要區別在於，被壓縮到第三壓力範圍內之壓力的進料空氣量的第二部分量a2（及第四部分量a4）係在第五壓力範圍內的壓力上被提供，同時利用其他增壓單元41達到第五壓力範圍內的壓力，該其他增壓單元特別是由渦輪機6驅動（即「自增壓」）。其他增壓單元41由用於空氣的熱增壓壓縮機形成，即由入口溫度高於273 K的增壓壓縮機形成。
根據圖5的空氣分離設備500與根據圖1至圖4之空氣分離設備100至400的主要區別在於使用了習知類型的、例如EP 3 067 649 A1中所描述的排氬塔51。從排氬塔51中抽出氬富集氣態流s，並在主熱交換器3中加熱之。排氬塔51由低壓塔12供料，底層液體（未單獨標號）在耗盡氬之後返回低壓塔12。來自高壓塔11的底層液體被用來冷卻排氬塔51的頂部冷凝器，在部分蒸發後被送入低壓塔12。
「排氬塔」在此係指用於氬氧分離的分離塔，該分離塔不用來獲取純氬產品，而是用於從有待在壓力塔及低壓塔中分離的空氣中排出氬。該分離塔的連接僅略微有別於經典粗氬塔的連接，但該分離塔所包含的理論塔板明顯更少，即少於40塊，特別是在35與15塊之間。與粗氬塔一樣，排氬塔的底層區域與低壓塔的中間位置連接，並且排氬塔由頂部冷凝器冷卻，在該頂部冷凝器的蒸發側，來自高壓塔的膨脹底層液體被引入；排氬塔不具有底層蒸發器。
圖6及圖7示出根據本發明的一個技術方案的空氣分離設備（例如根據圖1至圖5的空氣分離設備100至500）之主熱交換器3的溫焓圖，其中豎軸繪示的是以K為單位的溫度，橫軸則是與之對應的、以kW為單位的焓和(Enthalpiesumme)，並且根據圖7的圖係為根據圖6的圖的放大圖。其中，溫度點Ta1及Ta2分別對應於分流a1及a2的提取溫度水平。
當然，根據圖1至圖5的空氣分離設備亦可經調整而適於獲取作為空氣分離副產品的低壓氮產品(LPGAN)。這可藉由在低壓塔12中適當使用相應的分離工段來實現。
1:主空氣壓縮機 2:預提純單元 3:主熱交換器 4:增壓單元 5:第一渦輪機單元 6:第二渦輪機單元 7:相分離器 8:內壓縮泵 9:過冷式逆流熱交換器 10:精餾塔系統 11:高壓塔 12:低壓塔 41:增壓單元 51:排氬塔 100:空氣分離設備 200:空氣分離設備 300:空氣分離設備 400:空氣分離設備 500:空氣分離設備 a:壓縮空氣流 a1至a4:分流 a2g:氣體流 a2l:液體流 b:分流 c:分流 G:發電機 l、l1及l2:分流 k:總流 m:液氧流
［圖1］至［圖5］為根據本發明的較佳實施方式的空氣分離設備。 ［圖6］及［圖7］為溫焓圖。
1:主空氣壓縮機
2:預提純單元
4:增壓單元
5:第一渦輪機單元
6:第二渦輪機單元
7:相分離器
8:內壓縮泵
9:過冷式逆流熱交換器
10:精餾塔系統
11:高壓塔
12:低壓塔
100:空氣分離設備
a:壓縮空氣流
a1至a4:分流
a2g:氣體流
a2l:液體流
b:分流
c:分流
G:發電機
l、l1及l2:分流
k:總流
m:液氧流

Claims (12)

  1. 一種使用空氣分離設備(100)來製造加壓富氧氣態空氣產品的方法，該空氣分離設備具有精餾塔系統(10)以及主熱交換器(3)、第一渦輪機單元(4)及第二渦輪機單元(4)，該精餾塔系統包括高壓塔(11)及低壓塔(12)，其中， –   該高壓塔(11)在4至7巴的第一壓力範圍內運行，該低壓塔(12)在1至2巴的第二壓力範圍內運行，並且供應給整個該精餾塔系統(10)的進料空氣量的至少一個佔優勢部分被壓縮到第三壓力範圍內的壓力，該第三壓力範圍比該第一壓力範圍高3巴以上， –   被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的第一部分量在該第三壓力範圍內的該壓力或高於該第三壓力範圍的第四壓力範圍內的壓力上以及在第一溫度範圍內的溫度上被提供給該第一渦輪機單元(5)，利用該第一渦輪機單元(5)膨脹到該第一壓力範圍內的壓力，並被送入該高壓塔(11)， –   被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的第二部分量在該第三壓力範圍內的該壓力或高於該第三壓力範圍的第五壓力範圍內的壓力上以及在第二溫度範圍內的溫度上被提供給該第二渦輪機單元(6)，利用該第二渦輪機單元(6)膨脹到該第二壓力範圍內的壓力，並被送入該低壓塔(12)， –   為了提供該氣態加壓富氧空氣產品，從該精餾塔系統(10)提取富氧液體，該富氧液體呈液態達到16至50巴之第六壓力範圍內的壓力，被送入該主熱交換器(3)，在該主熱交換器中在第三溫度範圍內的溫度上蒸發並被排出該空氣分離設備(100)，其中， –   這樣來選擇該第二溫度範圍，使得該第二渦輪機單元(6)的出口處形成液體佔比為5%至15%的兩相混合物，並且 –   在從該空氣分離設備(100)提取的所有空氣產品中，低於5%的比例係以未蒸發的形式呈液態從該空氣分離設備(100)中被提取， 其特徵在於， –   該第三溫度範圍高於該第一溫度範圍及該第二溫度範圍， –   該第一溫度範圍內的該溫度及該第二溫度範圍內的該溫度彼此相差不超過10 K， -    被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第一部分量係在該第四壓力範圍內的該壓力上被提供，且同時利用增壓單元(4)達到該第四壓力範圍內的該壓力， -    使用該第一渦輪機單元(5)來驅動該增壓單元(4)，並且 -    該第二渦輪機單元(6)與發電機(G)耦接或者與用於空氣的熱增壓壓縮機(41)耦接。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一溫度範圍及該第二溫度範圍為110 K至140K。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中該第三溫度範圍比該第二溫度範圍高10 K以上。
  4. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中該增壓單元(4)由冷壓縮機形成。
  5. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第一部分量在利用該增壓單元(4)達到該第四壓力範圍內的該壓力之前，在第一冷卻步驟中在該主熱交換器(3)中被冷卻，並且，被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第一部分量在利用該增壓單元(4)達到該第四壓力範圍內的該壓力之後，在第二冷卻步驟中在該主熱交換器(3)中被冷卻，其中該第二冷卻步驟包括冷卻到該第一溫度範圍內的該溫度。
  6. 如請求項5所述之方法，其中被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第三部分量與被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第一部分量一起經受該第一冷卻步驟，並利用該增壓單元(4)達到該第四壓力範圍內的該壓力，其中，被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第三部分量在該第四壓力範圍內的該壓力上在該主熱交換器中液化，而後膨脹並被送入該高壓塔(11)。
  7. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第二部分量係在該第五壓力範圍內的該壓力上被提供，且同時利用其他增壓單元(41)達到該第五壓力範圍內的該壓力。
  8. 如前述請求項中任一項所述之方法，其中該第二渦輪機單元(6)的出口處所形成的該兩相混合物接受相分離處理，隨後被分相送入該低壓塔(12)。
  9. 如請求項1至7中任一項所述之方法，其中該第二渦輪機單元(6)的出口處所形成的該兩相混合物以兩相形式被送入該低壓塔(12)。
  10. 一種空氣分離設備(100)，適於製造加壓富氧氣態空氣產品，並且具有精餾塔系統(10)以及主熱交換器(3)、第一渦輪機單元(4)及第二渦輪機單元(4)，該精餾塔系統包括高壓塔(11)及低壓塔(12)，其中該空氣分離設備(100)適於 –   在4至7巴的第一壓力範圍內運行該高壓塔(11)，在1至2巴的第二壓力範圍內運行該低壓塔(12)，並且將供應給整個該精餾塔系統(10)的進料空氣量的至少一個佔優勢部分壓縮到第三壓力範圍內的壓力，該第三壓力範圍比該第一壓力範圍高3巴以上， –   在該第三壓力範圍內的該壓力或高於該第三壓力範圍的第四壓力範圍內的壓力上以及在第一溫度範圍內的溫度上將被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的第一部分量提供給該第一渦輪機單元(5)，利用該第一渦輪機單元(5)使其膨脹到該第一壓力範圍內的壓力，並將其送入該高壓塔(111)， –   在該第三壓力範圍內的該壓力或高於該第三壓力範圍的第五壓力範圍內的壓力上以及在第二溫度範圍內的溫度上將被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的第二部分量提供給該第二渦輪機單元(6)，利用該第二渦輪機單元(6)使其膨脹到該第二壓力範圍內的壓力，並將其送入該低壓塔(12)， –   為了提供該氣態加壓富氧空氣產品，從該精餾塔系統(10)提取富氧液體，在將該富氧液體加熱到第三溫度範圍內之溫度的同時使其呈液態達到16至50巴之第六壓力範圍內的壓力，使其在該第三溫度範圍內的該溫度上在該主熱交換器(3)中蒸發並將其排出該空氣分離設備(100)，以及 –   在從該空氣分離設備(100)提取的所有空氣產品中，低於5%的比例係以未蒸發的形式呈液態從該空氣分離設備(100)中被提取，其中， -    這樣來選擇該第二溫度範圍，使得該第二渦輪機單元(6)的出口處形成液體佔比為5%至15%的兩相混合物， 其特徵在於， –   該空氣分離設備(100)藉由在適當位置處從該主熱交換器(3)中進行提取，而適於使該第三溫度範圍高於該第一溫度範圍及該第二溫度範圍， –   該第一溫度範圍內的該溫度及該第二溫度範圍內的該溫度彼此相差不超過10 K，並且 -    該空氣分離設備(100)適於 -    被壓縮到該第三壓力範圍內之該壓力的該進料空氣量的該第一部分量係在該第四壓力範圍內的該壓力上被提供，且同時利用增壓單元(4)達到該第四壓力範圍內的該壓力， -    使用該第一渦輪機單元(5)來驅動該增壓單元(4)，並且 -    該第二渦輪機單元(6)與發電機(G)耦接或者與用於空氣的熱增壓壓縮機(41)耦接。
  11. 如請求項10所述之空氣分離設備(100)，其中該增壓單元(4)由冷壓縮機形成。
  12. 如請求項10或11所述之空氣分離設備(100)，適於實施如請求項1至10中任一項所述之方法。
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