專利名稱：采用聯合增壓壓縮和多組分制冷壓縮的低溫空氣分離系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
總體而言，本發(fā)明涉及低溫空氣分離，更具體地說，本發(fā)明涉及在低溫空氣分離系統(tǒng)操作中流體的壓縮。
因此，本發(fā)明的目標之一是提供一種具有改進的壓縮布置的低溫空氣分離系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個方面是通過進料空氣的低溫精餾生產至少一種產品的方法，它包括(A)將進料空氣壓縮至基礎負荷的壓力以得到基礎負荷進料空氣，并使至少一些基礎負荷進料空氣流過一個或一個以上增壓壓縮機；(B)將進料空氣從增壓壓縮機送入具有至少一個塔的低溫空氣分離設備；(C)在多組分制冷劑流體壓縮機中壓縮多組分制冷劑流體并膨脹壓縮后的多組分制冷劑流體以產生制冷作用；(D)將由多組分制冷劑流體的膨脹所產生的制冷作用送入低溫空氣分離設備；(E)通過單一齒輪箱為增壓壓縮機和多組分制冷劑流體壓縮機的運轉提供能量；和(F)在低溫空氣分離設備內通過低溫精餾分離進料空氣以生產至少一種產品。
此處所用的術語“制冷作用”指的是從低溫系統(tǒng)(如低溫分離過程)的熱排放至環(huán)境大氣的能力。
此處所用的術語“低溫空氣分離設備”指的是通過低溫精餾對進料空氣進行分餾的設施，包括一個或一個以上的塔及其附屬的管道、閥門和熱交換設備。
此處所用的術語“進料空氣”指的是主要包括氧氣、氮氣和氬氣的混合物，如環(huán)境空氣。
此處所用的術語“膨脹”指的是實施壓力的減少。
此處所用的術語“產品氮”指的是氮的濃度至少為99％(摩爾)的流體。
此處所用的術語“產品氧”指的是氧的濃度至少為70％(摩爾)的流體。
此處所用的術語“產品氬”指的是氬的濃度至少為70％(摩爾)的流體。
此處所用的術語“大氣氣體”指的是以下的一種氮(N2)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、氦(He)和一氧化二氮(N2O)。
此處所用的術語“可變負荷的制冷劑”指的是兩種或兩種以上組分的制冷劑混合物，這些組分的比例使得其液相在混合物的泡點與露點之間經歷一個連續(xù)和升高的溫度變化?；旌衔锏呐蔹c是在給定的壓力下的溫度，其中混合物全部為液相，但加入熱量后將引發(fā)形成與液相平衡的汽相?；旌衔锏穆饵c是在給定的壓力下的溫度，其中混合物全部為汽相，但提取出熱量后將引發(fā)形成與汽相平衡的液相。因此混合物的泡點與露點之間的溫度區(qū)域為液相與汽相平衡共存的區(qū)域。在本發(fā)明的實踐中，可變負荷的制冷劑的泡點與露點之間的溫度差至少為10℃、優(yōu)選至少為20℃、最優(yōu)選至少為50℃。
此處所用的術語“塔”指的是蒸餾或分餾塔或區(qū)，也即接觸塔或區(qū)，其中如通過使汽相與液相在一系列安裝在塔內的垂直放置的塔盤或塔板和/或填充元件如結構填料或無規(guī)填料上進行接觸，使液相與汽相逆流接觸來實施流體混合物的分離。對于蒸餾塔進一步的討論可參見Chemical Engineer’s Handbook，第5版，R.H Perry和C.H.Chilton編，McGraw-Hill Book Company，New York，第13節(jié)，連續(xù)蒸餾法。
術語“雙塔”用來指高壓塔的上部與低壓塔的下部具有熱交換關系。關于雙塔的進一步討論可參見Ruheman的“氣體分離”，OxfordUniversity Press，1949年，第VII章，工業(yè)氣體分離。
蒸汽與液體接觸分離法取決于各組分不同的蒸汽壓。高蒸汽壓(或易揮發(fā)或低沸點)的組分將傾向濃縮于汽相，而低蒸汽壓(或不易揮發(fā)或高沸點)組分則傾向濃縮于液相。部分冷凝是可利用冷卻蒸汽混合物來將易揮發(fā)組分濃縮于汽相因而不易揮發(fā)的組分濃縮于液相的分離方法。精餾(或連續(xù)蒸餾)是通過對汽相及液相進行逆流處理獲得連續(xù)部分汽化和部分冷凝的分離方法。汽相與液相的逆流接觸通常是絕熱的，可以包括各相之間的積分(分階段的)接觸或微分(連續(xù)的)接觸。利用精餾的原理分離混合物的分離工藝設備通?？苫Q地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是一種至少部分在不超過150°開爾文(K)的溫度下進行的精餾方法。
此處所用的術語“間接熱交換”指的是各種流體之間在沒有任何物理接觸或相互混合的情況下使兩種流體具有熱交換關系。
此處所用的術語“汽輪膨脹”和“汽輪驟冷器”分別意指高壓氣體流經軸向或徑向汽輪機以降低該氣體的壓力和溫度籍此產生制冷作用的方法與裝置。
此處所用的術語“壓縮機”指的是用于增加氣體壓力的設備。
此處所用的術語“增壓壓縮機”指的是將進料空氣的壓力增加至其壓力大于基礎負荷的壓力的壓縮機。
此處所用的術語“產品鍋爐”指的是熱交換器，其中通過與進料空氣進行間接熱交換將來自低溫空氣分離設備的液體(通常壓力增加)汽化。產品鍋爐可以是獨立應用的單元，也可以與冷卻進料空氣所用的熱交換器結合使用。
此處所用的術語“汽輪增壓壓縮機”指的是通常用來提高氣體(通常為一部分進料空氣)壓力、用來增進過程制冷作用的旋轉葉輪單元的壓縮機。使氣體汽輪膨脹以產生制冷作用。
此處所用的術語“產品鍋爐增壓壓縮機”指的是通常用來提高氣體(通常為一部分進料空氣)壓力、用來汽化液體以提供氣體產品的旋轉葉輪單元的壓縮機。一般對液體實施加壓以便得到壓力增加的汽化氣體。
此處所用的術語“齒輪箱”指的是在能量供應者(即電動馬達、蒸汽渦輪和氣體驟冷器)與能量使用者(即氣體壓縮機、發(fā)電機)之間傳送軸能(shaft energy)的設備。齒輪箱是一個對每個能量單元提供最佳軸速度的各個齒輪和及齒輪相關軸的整體組合。
圖2是可用于本發(fā)明實踐的壓縮系統(tǒng)及其組合成低溫空氣分離系統(tǒng)的一個實施方案的更詳盡的描述。
附圖中對于共同元件的編號都是相同的。
橋機以有效的方式向低溫空氣分離設備提供一定的壓能，使得能夠回收一種或一種以上超過標稱的高壓氣態(tài)產品，同時也能得到超過標稱數量的液體。此外，橋機還使得可以改變設備所設定的這種特制產品(custom product)而不會影響效率。參照圖2我們將詳細描述橋機的布置。
現參照圖2，將基礎負荷壓力的進料空氣53分成汽輪增壓流體流或部分2，和產品鍋爐增壓流體流或部分11。如需要，可將一種或一種以上其他部分的基礎負荷壓力的進料空氣送入低溫空氣分離設備(進行或不進行進一步的壓縮)。如對這種其他部分進行進一步的壓縮，則優(yōu)選通過齒輪箱60為壓縮機輸送能量。汽輪增壓流體通過吸入節(jié)流或入口導流葉片3并作為流4進入汽輪增壓壓縮機55。在汽輪增壓壓縮機55內通常將汽輪增壓流體的壓力壓縮至250-350psia的范圍。冷卻所得汽輪增壓流體5的壓縮熱(例如經冷卻器6)，然后通過閥7以流8進入主換熱器56。如需要，部分或全部汽輪增壓流體2可以流9繞過汽輪增壓器55通過閥57。
冷卻流8的汽輪增壓流體然后將其送入低溫空氣分離設備。在本發(fā)明附圖所示的實施方案中，將流8分成流20和22。流20通過主換熱器56得到冷卻，而流22通過制冷換熱器156得以冷卻。重新匯合所得冷卻流21和23。在本發(fā)明圖2所示的實施方案中，各種流在汽輪驟冷器58的上流匯合形成流24，其在通過汽輪驟冷器58時被汽輪膨脹，所得汽輪膨脹后的汽輪增壓流體25進入低溫空氣分離設備。在示于

圖1的本發(fā)明實施方案中，各種流在汽輪驟冷器58的下游匯合形成流25進入低溫空氣分離設備。汽輪驟冷器58有與橋機54的齒輪箱60嚙合的軸59，提供驅動橋機所需的至少部分能量。
流11的產品鍋爐增壓流體通過吸入節(jié)流或入口導流葉片12，并以流13進入第一產品鍋爐增壓壓縮機61，在其中進行壓縮。冷卻壓縮流體14的壓縮熱(如通過冷卻器62)，然后以流15進入第二產品鍋爐增壓壓縮機63，在其中得到進一步的壓縮。冷卻壓力范圍通常為200-550psia的所得產品鍋爐增壓流體16的壓縮熱(如通過冷卻器17)，并以流18進入并通過主換熱器56，在其中與回流進行間接熱交換而得以冷卻。如需要，可將流18的一部分19循環(huán)至產品鍋爐增壓壓縮機(如圖2所示)。然后將所得汽輪增壓流體64送至產品鍋爐65，在其中得到冷卻并通常至少部分冷凝，同時起著將高壓液體從低溫空氣分離設備中蒸出的作用。接著將所得產品鍋爐增壓流體66送入低溫空氣分離設備。
通過運轉多組分制冷劑流體回路為低溫空氣分離設備的操作提供至少部分制冷作用。在附圖所示的本發(fā)明實施方案中，將由多組分制冷劑流體回路所產生的制冷作用送入進料空氣并與進料空氣一起進入低溫空氣分離設備。
使流35的多組分制冷劑流體通過多組分制冷劑流體壓縮機157壓縮至通常為100-300psia范圍的壓力得到壓縮后的制冷劑流體31。使壓縮后的制冷劑流體通過后冷卻器158冷卻其壓縮熱，并且可能被部分冷凝。流32的多組分制冷劑流體通過制冷換熱器156，在其中被進一步冷卻并且被至少部分冷凝，也可以被全部冷凝。然后使經過冷卻和壓縮后的多組分制冷劑流體33通過膨脹裝置(如閥159)進行膨脹或節(jié)流。優(yōu)選節(jié)流部分蒸發(fā)多組分制冷劑流體、冷卻流體并產生制冷作用。對于一些有限的情況而言，根據換熱器的工況，壓縮后的流體33在膨脹前可能是低溫冷卻的液體，在初期膨脹時可以仍保持液體形式。其后通過在換熱器中加熱，流體將具有兩相。通過閥的流體的壓力膨脹通過焦耳-湯姆孫效應將提供制冷作用，也即由于壓力以恒定焓進行膨脹而使流體溫度得以降低。但在一些情況下可利用兩相或液體膨脹汽輪進行流體的膨脹，使得流體溫度由于進行膨脹而得以降低。
然后使具有制冷作用的多組分兩相制冷劑流體流34通過制冷換熱器156，在其中進行加熱并全部汽化，由此通過間接熱交換來冷卻流32，同時在換熱器156中將制冷作用傳遞至進料空氣流22，通過這樣來將由多組分制冷劑流體制冷回路所產生的制冷作用送入低溫精餾設備以便持續(xù)分離過程。然后將所得加熱后的多組分制冷劑流體(蒸汽流35)循環(huán)至多組分制冷劑流體壓縮機157，然后又開始新的制冷循環(huán)。在多組分制冷劑流體制冷循環(huán)中由于高壓混合物在冷凝，低壓混合物在沸騰，也即冷凝熱煮沸了低壓液體。在每一個溫度水平中，汽化與冷凝的凈差提供了制冷作用。對于一個給定制冷劑組分的組合而言，可得到的每一個溫度水平下的制冷作用取決于混合物組成、流速和壓力水平。
多組分制冷劑流體含有兩種或兩種以上的組分以便在每一個溫度下提供所需的制冷作用。對于具體的應用方法而言各種制冷劑組分的選擇將取決于制冷負荷與溫度的關系。根據其標準沸點、潛熱、可燃性、毒性和臭氧耗盡潛力來選擇各種適宜的組分。
可用于本發(fā)明實踐中的多組分制冷劑流體的一個優(yōu)選實施方案包括選自碳氟化合物、氫氟烴(hydrofluorocarbons)和氟代醚中的至少兩種組分。
可用于本發(fā)明實踐中的多組分制冷劑流體的另一個優(yōu)選實施方案包括選自碳氟化合物、氫氟烴和氟代醚中的至少一種組分以及至少一種大氣氣體。
可用于本發(fā)明實踐中的多組分制冷劑流體的另一個優(yōu)選實施方案包括選自碳氟化合物、氫氟烴和氟代醚中的至少兩種組分以及至少兩種大氣氣體。
可用于本發(fā)明實踐中的多組分制冷劑流體的另一個優(yōu)選實施方案包括至少一種氟代醚和至少一種選自碳氟化合物、氫氟烴、氟代醚和大氣氣體的組分。
在一個優(yōu)選實施方案中多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物組成。在另一個優(yōu)選實施方案中多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物和氫氟烴組成。在另一個優(yōu)選實施方案中多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物和大氣氣體組成。在另一個優(yōu)選實施方案中多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物、氫氟烴和氟代醚組成。在另一個優(yōu)選實施方案中多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物、氟代醚和大氣氣體組成。
可用于本發(fā)明實踐中的多組分制冷劑流體可含有其他組分，如氫氯氟烴和/或烴。優(yōu)選多組分制冷劑流體不含氫氯氟烴。在本發(fā)明另一個優(yōu)選實施方案中多組分制冷劑流體不含烴。最優(yōu)選多組分制冷劑流體既不含氫氯氟烴也不含烴。最優(yōu)選多組分制冷劑流體為無毒的、不燃的和非臭氧耗盡的，并且最優(yōu)選多組分制冷劑流體的每一種組分為碳氟化合物、氫氟烴、氟代醚或大氣氣體。最優(yōu)選多組分制冷劑流體是一種可變負荷的制冷劑。
橋機由通過軸68向齒輪箱60提供動力的馬達/發(fā)電機或其他原動機驅動。根據橋機上所有單元之間的凈能平衡，馬達/發(fā)電機可以獲取動力。通過合適的軸將所有的汽輪增壓壓縮機、所有的產品鍋爐增壓壓縮機和多組分制冷劑流體壓縮機傳動偶合至該單一的齒輪箱以便傳遞力或動力。
齒輪箱60含有傳遞與橋機的所有個別壓縮機、驟冷器和電動馬達相關的軸能所需的所有互連的齒輪。通常橋機包括主齒輪99，也即與主原動機(如電動馬達67)相連的軸。另外的次齒輪(或小齒輪)100、101、102用來使個別或成對單元與主齒輪相連。此外，在主齒輪與小齒輪之間可以使用其他中間齒輪(未標出)以改變各個所附單元的齒輪比或轉速。齒輪直徑與齒輪齒的幾何關系使得連接齒輪的轉速與其齒輪直徑成反比關系。
本發(fā)明共用齒輪箱的主要優(yōu)點是其對每一個連接的驟冷器或壓縮機提供最佳轉速的能力。例如，通過使用共用齒輪箱，驟冷器不再局限于在與連接相同軸的壓縮機相同的速度下運轉。此外，使用單一齒輪箱能夠不受驟冷器與壓縮機能量需求的限制。因此可以將所有壓縮機和驟冷器的階段都設計成其最佳的速度、壓力比和流量以滿足工藝彈性和汽輪機的設計標準。同時單一齒輪箱最大限度地減少了機械損失(即軸承和齒輪的摩擦)并降低安裝成本。整體和緊湊的裝置減少了管道損失，并可以在車間安裝而不用在現場安裝。
任何適宜的低溫空氣分離設備都可以用于本發(fā)明的實踐中。圖1示意了一種這樣的設備69，它包括具有高壓塔70和低壓塔71的雙塔。該設備也具有氬側臂塔(sidearm column)72。
現參照圖1，汽輪增壓流體25和產品鍋爐增壓流體66各自進入通常在75-300psia、優(yōu)選在75-150psia的壓力范圍內操作的高壓塔70。在高壓塔70內流體通過進行低溫精餾分離成富含氧的液體和富含氮的蒸汽。富含氧的液體以流73從塔70的底部經閥74進入低壓塔71。富含氮的蒸汽則以流75從塔70的頂部進入主冷凝器76，在其中通過與沸騰塔71底部液體進行間接熱交換而得以冷凝。所得富含氮的液體77分成作為回流返回塔70的流78和經過熱器80并進入塔71的流79。富含氮的液體79的一部分81作為產品液氮進行回收。
低壓塔71在低于高壓塔70的壓力下運轉，通常其壓力為15-20psia。各種進料在低壓塔內通過低溫精餾分離成富含氮的流體和富含氧的流體。富含氮的流體以蒸汽流82從塔71的頂部導出，通過過熱器80和主換熱器56而得以加熱，并作為氣態(tài)氮產品以流83加以回收。如需要，可在回收前使流83通過產品壓縮機180進行壓縮提高其壓力。為了控制產品的純度，在塔71低于流82導出點的位置導出廢物流84，經過熱器80和主換熱器56而得到加熱，并以流85從系統(tǒng)中除去。
將富含氧流體以液體流86從塔71的底部導出并經液體泵87泵至高壓以得到高壓的富含氧液體88。將富含氧液體88的一部分89作為產品液氧進行回收。將剩余的富含氧液體90送入產品鍋爐65，在其中通過與產品鍋爐增壓流體進行間接熱交換而得以汽化得到高壓氣態(tài)氧91。該高壓氣態(tài)氧91通過主換熱器56而得到加熱并以流92作為高壓氣態(tài)氧產品進行回收。如需要，可在回收前使流92通過產品壓縮機181進行壓縮提高其壓力。
將主要包括氧和氬的流93從低壓塔71送入氬側臂塔72，在其中通過低溫精餾將其分離成富含氬的流體和富含氧的流體。使富含氧的流體以流94返回低壓塔71。將富含氬的流體作為產品氬95(可以是液態(tài)和/或氣態(tài)形式)進行回收。
雖然本發(fā)明已按照優(yōu)選實施方案進行了詳細描述，但本領域的技術人員將會意識到在各項權利要求的精神和范疇內仍存在其他的實施方案。例如，除了附圖中所示的那些實施方案外可以使用任何有效的方式以便為齒輪箱的運轉提供動力，或者替代這些實施方案。其中一種這樣的提供動力的方式是驅動偶合至齒輪系統(tǒng)的軸的流驅動汽輪。如需要，如用于熱泵回路那樣，可以使用通過齒輪箱60輸送的能量提供動力的壓縮機進行循環(huán)流體的壓縮。無須使用汽輪增壓器和汽輪驟冷器，并且基本上所有運轉低溫空氣分離設備所需的制冷作用可來自多組分制冷劑流體回路?；A負荷空氣壓縮機和/或一個或一個以上產品壓縮機也可以驅動偶合至橋機的單一齒輪箱。
權利要求
1.通過進料空氣的低溫精餾生產至少一種產品的裝置，它包括(A)具有至少一個塔的低溫空氣分離設備；(B)基礎負荷空氣壓縮機，和將進料空氣送至基礎負荷空氣壓縮機的裝置；(C)至少一個增壓壓縮機，和將進料空氣從基礎負荷空氣壓縮機送至所述增壓壓縮機的裝置，以及將進料空氣從增壓壓縮機送至低溫空氣分離設備的裝置；(D)包括多組分制冷劑流體壓縮機和膨脹設備的多組分制冷劑流體回路，和將由多組分制冷劑流體回路所產生的制冷作用送至低溫空氣分離設備的裝置；(E)齒輪箱，將增壓壓縮機驅動偶合至齒輪箱的裝置，和將多組分制冷劑流體壓縮機驅動偶合至齒輪箱的裝置；和(F)從低溫空氣分離設備中回收至少一種產品的裝置。
2.權利要求1的裝置，還包括制冷換熱器，將進料空氣送入制冷換熱器和從制冷換熱器送至低溫空氣分離設備的裝置，其中用于將由多組分制冷劑流體回路所產生的制冷作用送至低溫空氣分離設備的裝置包括制冷換熱器。
3.權利要求1的裝置，還包括汽輪驟冷器和用于將汽輪驟冷器驅動偶合至齒輪箱的裝置。
4.通過進料空氣的低溫精餾生產至少一種產品的方法，它包括(A)將進料空氣壓縮至基礎負荷的壓力以得到基礎負荷進料空氣，并使至少一些基礎負荷進料空氣流過一個或一個以上增壓壓縮機；(B)將進料空氣從增壓壓縮機送入具有至少一個塔的低溫空氣分離設備；(C)在多組分制冷劑流體壓縮機中壓縮多組分制冷劑流體并膨脹壓縮后的多組分制冷劑流體以產生制冷作用；(D)將由多組分制冷劑流體的膨脹所產生的制冷作用送入低溫空氣分離設備；(E)通過單一齒輪箱為增壓壓縮機和多組分制冷劑流體壓縮機的運轉提供能量；和(F)在低溫空氣分離設備內通過低溫精餾分離進料空氣以生產至少一種產品。
5.權利要求4的方法，其中將由多組分流體的膨脹所產生的制冷作用通過間接熱交換送入進料空氣流并與進料空氣流一起進入低溫空氣分離設備。
6.權利要求4的方法，其中壓縮后的多組分制冷劑流體的膨脹得到兩相的多組分制冷劑流體。
7.權利要求4的方法，其中多組分制冷劑流體包括選自碳氟化合物、氫氟烴(hydrofluorocarbons)和氟代醚中的至少兩種組分。
8.權利要求4的方法，其中多組分制冷劑流體包括選自碳氟化合物、氫氟烴和氟代醚中的至少一種組分以及至少一種大氣氣體。
9.權利要求4的方法，其中多組分制冷劑流體是一種可變負荷的多組分制冷劑流體。
10.權利要求4的方法，其中通過多組分制冷劑流體的膨脹所產生的制冷作用只用來持續(xù)低溫精餾的制冷作用。
全文摘要
一種低溫空氣分離系統(tǒng),其中通過具有一個或一個以上增壓壓縮機和多組分制冷劑流體回路的多組分制冷劑流體壓縮機的橋機提供壓能,橋機的所有壓縮機均由單一齒輪箱所提供的動力來驅動。
文檔編號F25J3/04GK1343864SQ0113297
公開日2002年4月10日 申請日期2001年9月7日 優(yōu)先權日2000年9月8日
發(fā)明者K·W·馬霍尼, D·P·博納奎斯特 申請人:普萊克斯技術有限公司