專利名稱：通過低溫空氣蒸餾生產(chǎn)加壓空氣的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過低溫空氣蒸餾生產(chǎn)加壓空氣的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
某些(類型1)方法—例如EP-A-0 504 029中所說明的方法—利用單個壓縮機(jī)將空氣壓縮到遠(yuǎn)高于中壓塔壓力的壓力，從而生產(chǎn)高壓(＞15巴)氧。
因?yàn)檫@些方法在不要求產(chǎn)生液體時具有消耗大量能量的缺點(diǎn)，所以這些方法適于投資成本最重要的情況。
US-A-5 475 980中公開了其它(類型2)僅為生產(chǎn)加壓的氣態(tài)氧而利用高氣壓的方法，所述方法的比能較好，從而用于在不產(chǎn)生液體(或產(chǎn)生少量液體)的情況下生產(chǎn)高壓氣態(tài)氧。這些方法使用由機(jī)械地連接到渦輪膨脹機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)(blower)加壓的低溫壓縮空氣。
然而，因?yàn)樵摲椒ㄔ跓峤粨Q器體積方面的成本很高，所以這種能量優(yōu)勢被遠(yuǎn)大于類型1的投資的投資抵消了。這是因?yàn)?，通常大部?60％至80％)的主空氣流在重新被引入主熱交換管路前要進(jìn)行絕熱的低溫壓縮。
最后，這些類型的方法看起來在經(jīng)濟(jì)上是有利的，在低成本或高成本下對方法的選擇可根據(jù)所希望的能量利用來進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
在本文件中，術(shù)語“冷凝”包括準(zhǔn)冷凝(pseudo-condensation)，術(shù)語“汽化”包括準(zhǔn)汽化(pseudo-vaporization)。
如果溫度相差最多為10℃，尤其是最多為5℃，則認(rèn)為溫度近似。
熱交換管路是使塔系統(tǒng)所產(chǎn)生的氣體升溫和/或使用于蒸餾的空氣冷卻的主熱交換器。
本發(fā)明的一個目的是提出一種用作生產(chǎn)處理方案的替代方案，該方案在保持所需熱交換體積小于上述類型2的冷壓縮方案所需的熱交換體積的同時，能夠在類型1的方法的基礎(chǔ)上提高能量性能。
根據(jù)本發(fā)明，只有一部分空氣(在冷端液化的部分)受到低溫壓縮，這將熱交換器體積的增加減少到最小。然而，這可以顯著減小主氣壓，因?yàn)榈蜏卦鰤浩鬏敵龅目諝馊员３肿阋允寡跗膲毫Α?br> 本發(fā)明的一個目的是提供一種在包括雙塔或三塔的塔系統(tǒng)中通過低溫蒸餾分離空氣的方法，在最高壓力下運(yùn)行的塔在所謂的中壓下運(yùn)行，其中a)使所有空氣升至高出中壓至少5至10巴的高壓；b)將該空氣的包括10％至50％的高壓空氣流的部分以接近液體(準(zhǔn))汽化溫度的溫度從熱交換管路回收、通過冷增壓器使其增壓至至少高于所述高壓、然后將其送回?zé)峤粨Q管路，并且使至少一部分在冷端液化、然后在膨脹后將該部分輸送到塔系統(tǒng)的至少一個塔；c)使該至少為高壓的空氣的可能構(gòu)成該高壓空氣剩余部分的另一部分在Claude渦輪機(jī)中膨脹、然后將該部分輸送到中壓塔；d)將至少一個液流從所述塔系統(tǒng)的一個塔回收、對其加壓、并使其在熱交換管路中汽化；以及e)將所述冷增壓器連接到下列驅(qū)動裝置中的一個上i)渦輪膨脹機(jī)，ii)電機(jī)，或iii)渦輪膨脹機(jī)與電機(jī)的組合。
根據(jù)其它可選的方面—使高壓空氣的至少一部分在進(jìn)入主熱交換管路前在熱增壓器中增壓，然后在熱交換管路中冷卻；—使所有待蒸餾的空氣在熱增壓器中增壓至高于所述高壓的壓力；—將來自熱增壓器的空氣的一部分以該熱增壓器的出口壓力輸送到Claude渦輪機(jī)；—使來自熱增壓器的空氣的一部分在熱交換管路中冷卻，使其膨脹并液化，然后將其輸送到塔系統(tǒng)的至少一個塔；—將來自熱增壓器的所有空氣僅輸送到Claude渦輪機(jī)，或輸送到Claude渦輪機(jī)和冷增壓器；—將熱增壓器連接到Claude渦輪機(jī)；—所有用于蒸餾的氣態(tài)空氣來自該渦輪機(jī)，并可選地來自另一空氣渦輪膨脹機(jī)；—使在冷增壓器中增壓的所有空氣在熱交換管路中冷卻，使其膨脹并液化，然后將其輸送到塔系統(tǒng)的至少一個塔；—使來自塔系統(tǒng)的塔的富氮?dú)饬髟跓峤粨Q管路中略微升溫、在構(gòu)成驅(qū)動裝置(或形成驅(qū)動裝置的一部分)的渦輪膨脹機(jī)中膨脹、然后在熱交換管路中升溫；—使空氣流在構(gòu)成驅(qū)動裝置(或形成驅(qū)動裝置的一部分)的渦輪膨脹機(jī)中膨脹，將膨脹后的空氣輸送到塔系統(tǒng)的塔尤其是輸送到低壓塔；—所汽化的來自塔的液體與空氣相比是富氧的；—冷增壓器的入口溫度接近并優(yōu)選基本上等于從塔回收并在加壓后引入熱交換管路的液體的汽化溫度；—Claude渦輪機(jī)的入口溫度低于冷增壓器的入口溫度；—構(gòu)成驅(qū)動裝置或形成驅(qū)動裝置的一部分的渦輪機(jī)的入口溫度高于冷增壓器的入口溫度；以及—將所有升至至少高出所述中壓5至10巴的高壓的空氣在該高壓下凈化。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種低溫蒸餾空氣分離設(shè)備，該設(shè)備包括a)熱交換管路；b)雙塔或三塔式空氣分離塔，所述分離塔的在最高壓力下運(yùn)行的塔在中壓下運(yùn)行；c)Claude渦輪機(jī)；
d)連接到Claude渦輪機(jī)的熱增壓器；e)冷增壓器；f)用于驅(qū)動冷增壓器的裝置，包括渦輪機(jī)、電機(jī)或渦輪機(jī)與電機(jī)的組合；g)將所有用于蒸餾的壓縮空氣輸送到熱增壓器的裝置，以及將增壓后的空氣輸送到熱交換管路的裝置；h)用于將優(yōu)選構(gòu)成壓縮空氣的10％至50％的已增壓空氣的第一部分回收至熱交換管路的中間高度處并用于將該部分空氣輸送到冷增壓器的裝置，用于將來自冷增壓器的空氣送回到熱交換管路的裝置，以及用于從熱交換管路的冷端輸出來自冷增壓器的空氣以使該空氣膨脹并繼續(xù)輸送該空氣的裝置；i)用于將已增壓空氣的第二部分回收至熱交換管路的中間高度處并用于將該部分空氣輸送至Claude渦輪機(jī)的裝置；以及j)用于從雙塔或三塔將待汽化的液體輸送至熱交換管路的裝置。
構(gòu)成驅(qū)動裝置或形成驅(qū)動裝置的一部分的渦輪機(jī)可以是空氣渦輪膨脹機(jī)，尤其是鼓風(fēng)渦輪機(jī)(blowing turbine)或氮渦輪膨脹機(jī)。


下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，其中圖1至4均示出一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離裝置。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，在一壓縮機(jī)(未示出)中將空氣壓縮至約15巴的壓力，然后進(jìn)行凈化以除去雜質(zhì)(未示出)。凈化后的空氣在增壓器5中增壓至約18巴。增壓后的空氣通過與制冷劑例如水進(jìn)行熱交換而冷卻，并被輸送到熱交換管路9的熱端。使所有空氣都冷卻至熱交換管路的中間溫度，然后將空氣分成兩部分。將空氣的包括10％至50％的高壓氣流的第一部分11輸送到增壓器23的低溫入口。然后，將增壓后的空氣在未在增壓器出口處被冷卻的情況下以約31巴的壓力輸送到熱交換管路，接著尤其通過與準(zhǔn)汽化的液態(tài)氧25的泵送流進(jìn)行熱交換而使所述空氣冷卻并液化。將空氣的包括50％至90％的高壓空氣的剩余部分13冷卻至低于增壓器23入口溫度的溫度、使其在Claude渦輪機(jī)17中膨脹、然后將其輸送到中壓塔，從而構(gòu)成了輸送到雙塔的唯一氣態(tài)空氣流。
來自中壓塔100的富氮?dú)饬?1在熱交換管路中升溫、以高于Claude渦輪機(jī)17的入口溫度的溫度離開熱交換管路、然后被輸送到渦輪膨脹機(jī)119?；咎幱诘蛪翰⑶覝囟然緸闊峤粨Q管路的冷端溫度的已膨脹氮被重新引入熱交換管路，在熱交換管路中所述氮被加熱或與從低壓塔回收的富氮?dú)怏w33結(jié)合，所形成的氮?dú)饬?9在通過整個熱交換管路時溫度升高。
氮渦輪膨脹機(jī)119連接到冷增壓器23，Claude渦輪機(jī)17連接至熱增壓器5。
渦輪膨脹機(jī)119不是本發(fā)明的必要構(gòu)件，而用于冷增壓器23的驅(qū)動器可由電機(jī)替代。同樣，渦輪膨脹機(jī)119可由空氣渦輪膨脹機(jī)替代。
圖1和所有圖的塔系統(tǒng)都是常規(guī)氣體分離裝置，所述裝置由通過低壓塔200的槽式再沸器(sump reboiler)熱連接到該低壓塔200上的中壓塔100形成，該再沸器通過中壓氮流升溫。當(dāng)然，也可以設(shè)想其它類型的再沸器。
中壓塔100在5.5巴的壓力下運(yùn)行，但它也可以在更高的壓力下運(yùn)行。
來自渦輪機(jī)17的氣態(tài)空氣35被輸送到中壓塔100的底部。
液化空氣37在閥39中膨脹并被分成兩部分，一部分被輸送到中壓塔100，剩余的部分被輸送到低壓塔200。
在閥內(nèi)膨脹和過冷步驟后，富液51、下層貧液53和上層貧液55被從中壓塔100送入低壓塔200。
可將富氧液57和富氮液59作為最終產(chǎn)品從雙塔中回收。
富氧液由泵500加壓，然后作為加壓液25被輸送到熱交換管路9。作為替代方案地或者附加地，可使其它加壓的或未加壓的液體—例如其它處于不同壓力的液氧流、液氮和液氬在熱交換管路9中汽化。
在已被用來使回流液51、53、55過冷后，廢氮27被從低壓塔的頂部回收并在熱交換管路9中升溫。
或者，該塔可以通過處理從低壓塔200回收的氣流而生產(chǎn)氬。
如虛線所示，作為變型，可以通過與汽化的氧進(jìn)行熱交換來使高壓空氣的未在增壓器23中增壓的部分41在熱交換管路中液化，使該部分在閥43中膨脹至中壓，然后與液化空氣37混合?？梢岳斫?，如果空氣在離開增壓器5時處于超臨界壓力，則其只有在閥39、43中膨脹后才會液化。
圖2與圖1的不同之處在于，不從中壓塔100的頂部回收氣態(tài)中壓氮。中壓氮渦輪機(jī)119被鼓風(fēng)渦輪機(jī)119A替換。來自Claude渦輪機(jī)17的空氣的一部分61被輸送到鼓風(fēng)渦輪機(jī)，而在渦輪機(jī)119A中膨脹的空氣被輸送到低壓塔200。
熱增壓器5還是連接在Claude渦輪機(jī)上，而冷增壓器23連接在鼓風(fēng)渦輪機(jī)上。
圖2中的液-氣膨脹閥也不一樣，因?yàn)橐毫鲀H在分成用于中壓塔和低壓塔的液流后才膨脹。
與圖1中一樣，可以通過與氧進(jìn)行熱交換而使高壓空氣的一部分冷卻，從而使兩個空氣流在熱交換管路中液化，以使熱平衡得到優(yōu)化。
這種方法更適于生產(chǎn)低純度的氧。
圖3與圖1和圖2類似，但其除Claude渦輪機(jī)之外不包括渦輪機(jī)。冷增壓器23連接到馬達(dá)61，熱增壓器5連接到Claude渦輪機(jī)。
在圖4中，只將處于約15巴的壓縮空氣的一部分3輸送到熱增壓器5。該部分構(gòu)成高壓空氣的約90％至50％。然后使該空氣冷卻并將其輸送到熱交換管路9的熱端。所有來自熱增壓器的空氣都被回收至熱交換管路9的中間高度處，然后被輸送到Claude渦輪機(jī)17。一部分已膨脹空氣35被直接輸送到中壓塔100，而剩余的膨脹空氣被輸送到鼓風(fēng)渦輪機(jī)119A，然后輸送到低壓塔200。
處于約15巴的空氣的剩余部分2(從而占總的高壓氣流的10％至50％)在熱交換管路9中冷卻至高于Claude渦輪機(jī)17的入口溫度的中等溫度，然后在冷增壓器23中增壓。然后該空氣在熱交換管路9中液化。與圖2中一樣，熱增壓器5連接到Claude渦輪機(jī)，冷增壓器23連接到鼓風(fēng)渦輪機(jī)119A。
權(quán)利要求
1.在包括雙塔或三塔的塔系統(tǒng)(100，200)中通過低溫蒸餾分離空氣的方法，在最高壓力下運(yùn)行的塔在所謂的中壓下運(yùn)行，其中a)使所有空氣升至高出中壓至少5至10巴的高壓；b)將該空氣的包括10％至50％的高壓空氣流的部分(11)以接近液體(準(zhǔn))汽化溫度的溫度從熱交換管路(9)回收、通過冷增壓器(23)使其增壓至至少高于所述高壓、然后將其送回?zé)峤粨Q管路，并且使至少一部分在熱交換管路的冷端液化、然后在膨脹后將該部分輸送到塔系統(tǒng)的至少一個塔；c)使該至少為高壓的空氣的可能構(gòu)成該高壓空氣剩余部分的另一部分(13)在Claude渦輪機(jī)(17)中膨脹，然后將該部分輸送到中壓塔；d)將至少一個液流(25)從所述塔系統(tǒng)的一個塔(200)回收、對其加壓、并使其在熱交換管路中汽化；以及e)將所述冷增壓器連接到下列驅(qū)動裝置中的一個上i)渦輪膨脹機(jī)(119，119A)，ii)電機(jī)(61)，或iii)渦輪膨脹機(jī)與電機(jī)的組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使所述高壓空氣的至少一部分(3)在進(jìn)入主熱交換管路前在熱增壓器(5)中增壓，然后在熱交換管路(9)中冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，使所有待蒸餾的空氣在熱增壓器(5)中增壓至高于所述高壓的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，將來自熱增壓器(5)的空氣的一部分(13)以該熱增壓器的出口壓力輸送到Claude渦輪機(jī)(17)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使來自熱增壓器(5)的空氣的一部分(41)在熱交換管路中冷卻，使其膨脹并液化，然后將其輸送到塔系統(tǒng)的至少一個塔。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將來自熱增壓器(5)的所有空氣僅輸送到Claude渦輪機(jī)(17)，或輸送到Claude渦輪機(jī)和冷增壓器(23)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將熱增壓器(5)連接到Claude渦輪機(jī)(17)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所有用于蒸餾的氣態(tài)空氣來自所述Claude渦輪機(jī)(17)，并可選地來自另一空氣渦輪膨脹機(jī)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使在冷增壓器(5)中增壓的所有空氣在熱交換管路中冷卻，使其膨脹并液化，然后將其輸送到塔系統(tǒng)(100，200)的至少一個塔。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使來自塔系統(tǒng)的塔(100)的富氮?dú)饬?31)在熱交換管路(9)中略微升溫，在構(gòu)成驅(qū)動裝置或形成驅(qū)動裝置的一部分的渦輪膨脹機(jī)(119)中膨脹，然后在熱交換管路中升溫。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使空氣流(61)在構(gòu)成驅(qū)動裝置或形成驅(qū)動裝置的一部分的渦輪膨脹機(jī)(119A)中膨脹，將膨脹后的空氣輸送到塔系統(tǒng)的塔尤其是輸送到低壓塔(200)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所汽化的來自塔的液體(25)與空氣相比是富氧的。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述冷增壓器(23)的入口溫度接近并優(yōu)選基本上等于從塔回收并在加壓后引入熱交換管路的液體(25)的汽化溫度。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述Claude渦輪機(jī)(17)的入口溫度低于所述冷增壓器(23)的入口溫度。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，構(gòu)成驅(qū)動裝置或形成驅(qū)動裝置的一部分的渦輪機(jī)(17)的入口溫度高于冷增壓器(23)的入口溫度。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所有升至至少高出所述中壓5至10巴的高壓的空氣在該高壓下凈化。
17.低溫蒸餾空氣分離設(shè)備，該設(shè)備包括a)熱交換管路(9)；b)雙塔或三塔式空氣分離塔(100，200)，該分離塔的在最高壓力下運(yùn)行的塔在中壓下運(yùn)行；c)Claude渦輪機(jī)(17)；d)連接到Claude渦輪機(jī)的熱增壓器(5)；e)冷增壓器(23)；f)用于驅(qū)動冷增壓器的裝置，包括渦輪機(jī)(119，119A)、電機(jī)(61)或渦輪機(jī)與電機(jī)的組合；g)將所有用于蒸餾的壓縮空氣輸送到熱增壓器的裝置，以及將增壓后的空氣輸送到熱交換管路的裝置；h)用于將優(yōu)選構(gòu)成壓縮空氣的10％至50％的已增壓空氣的第一部分回收至熱交換管路的中間高度處并用于將該部分空氣輸送到冷增壓器的裝置，用于將來自冷增壓器的空氣送回到熱交換管路的裝置，以及用于從熱交換管路的冷端輸出來自冷增壓器的空氣以使該空氣膨脹并繼續(xù)輸送該空氣的裝置；i)用于將已增壓空氣的第二部分回收至熱交換管路的中間高度處并用于將該部分空氣輸送至Claude渦輪機(jī)的裝置；以及j)用于從雙塔或三塔將待汽化的液體輸送至熱交換管路的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，構(gòu)成驅(qū)動裝置或形成驅(qū)動裝置的一部分的渦輪機(jī)是空氣渦輪膨脹機(jī)，尤其是鼓風(fēng)渦輪機(jī)(119A)或氮渦輪膨脹機(jī)(119)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過低溫蒸餾分離空氣的方法，其中，使所有空氣升至高出中壓至少5至10巴的高壓；使該空氣的包括10％至50％的高壓空氣流的部分(11)在冷增壓器(23)中增壓，然后將其送入熱交換器；使至少一部分(37)在熱交換器的冷端液化，然后將該部分送入塔系統(tǒng)的至少一個塔(100)；使該至少為高壓的空氣的另一部分(13)至少部分在Claude渦輪機(jī)(17)中膨脹，然后將該部分送入中壓塔(100)；將至少一個液流(25)從所述塔系統(tǒng)的一個塔(200)回收、對其加壓(50)、并使其在熱交換管路(9)中汽化；將冷增壓器(23)連接到下列驅(qū)動裝置中的一個上i)渦輪膨脹機(jī)(119，119A)，ii)電機(jī)(61)，或iii)渦輪膨脹機(jī)與電機(jī)的組合。
文檔編號F25J3/04GK1784579SQ200480012082
公開日2006年6月7日 申請日期2004年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月5日
發(fā)明者P·勒博, O·德卡耶, F·茹達(dá)斯 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司