專利名稱：用于空氣分離的低溫蒸餾方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過低溫蒸餾分離空氣的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知可以通過在空氣分離裝置的熱交換管路中利用與處于低溫的壓縮氣體進行熱交換而汽化加壓液體，從而產(chǎn)生加壓的空氣氣體。從FR-A-2688 052、EP-A-0 644 388、EP-A-1 014 020和專利申請FR 03/01722中可以了解該類型的裝置。
由于必須排出與低溫壓縮相關(guān)的熱補給(heat influx)，所以已知裝置的能量效率不是很好。
另外，在例如US-A-5 475 980的圖7所示的簡圖中，聯(lián)接至冷增壓器的整個渦輪機與結(jié)合在該機器的軸上的能量消耗系統(tǒng)(油壓制動器)相關(guān)聯(lián)，并在工藝上被限制在低功率級(約70kW)。
然而，尤其是當(dāng)能量的價值低或可以低成本獲得該能量時，該類型的方法在經(jīng)濟上是有利的。因此，如果能超越結(jié)合在渦輪機/增壓器組件的軸上的油壓制動器的技術(shù)限制，那將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種供選擇的系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在具有冷增壓器的條件下實施工藝方案，而不需要使用結(jié)合在增壓器渦輪機軸中的能量消耗系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)使得可以設(shè)想將這些方案用于幾乎任何尺寸的空氣分離裝置。
本發(fā)明提供一種用于在設(shè)備中通過低溫蒸餾分離空氣的方法，該設(shè)備包括雙塔或三塔式空氣分離塔和熱交換管路，該空氣分離塔中的在較高壓力下操作的塔在稱為中壓的壓力下操作，在該方法中a)使所有空氣處于比中壓高至少5巴的高壓，并在該高壓下對空氣進行凈化；b)使一部分凈化后的空氣流在熱交換管路中冷卻，然后將其分成兩小部分；c)使各小部分空氣在渦輪機中膨脹；d)兩個渦輪機的入口壓力比中壓高至少5巴；e)兩個渦輪機中的至少一個的輸出壓力基本上等于中壓；f)將在至少其中一個渦輪機中膨脹的空氣的至少一部分輸送至雙塔或三塔中的中壓塔；g)機械聯(lián)接至其中一個渦輪膨脹機的冷增壓器吸入已在熱交換管路中冷卻的空氣，并以高于入口溫度的溫度輸出空氣，這樣壓縮后的流體被重新引入熱交換管路，在該熱交換管路中該流體的至少一部分冷凝(或發(fā)生準(zhǔn)冷凝)；h)來自其中一個塔的至少一種加壓液體在汽化溫度下在熱交換管路中被汽化(或發(fā)生準(zhǔn)汽化)，其特征在于i)未聯(lián)接至冷增壓器的渦輪機設(shè)有選自以下的能量消耗裝置i)機械聯(lián)接的增壓器，該增壓器不同于該冷增壓器，并在其后設(shè)有冷卻器；ii)油壓制動器系統(tǒng)；以及iii)發(fā)電機；以及，可選地j)冷增壓器的入口溫度接近液體汽化(或準(zhǔn)汽化)溫度。
根據(jù)本發(fā)明其它可選的方面-兩個渦輪機的輸入和輸出條件在壓力和溫度方面相似或相同；-輸送至渦輪機的空氣處于高壓(圖2)；
-輸送至渦輪機的空氣處于高于該高壓的壓力，并來自于冷增壓器和/或來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(圖1和圖3)；-所有輸送至渦輪機的空氣都來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器，在冷增壓器中增壓的空氣繼續(xù)在熱交換管路中冷卻，然后被膨脹、液化，并被輸送至雙塔或三塔中的至少一個塔(圖1)；-在冷增壓器中增壓的空氣的一部分被輸送至渦輪機，剩余的部分繼續(xù)在熱交換管路中冷卻，然后被膨脹、液化，并被輸送至雙塔或三塔中的至少一個塔(圖3)；-處于高壓的空氣的至少一部分在冷增壓器中被增壓；-處于高壓的空氣被分成至少兩部分，一部分在冷增壓器中被增壓，另一部分(剩余部分)在構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器中被增壓(圖1)；-來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器的空氣的至少一部分被輸送至冷增壓器(圖2)；-在構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器中被增壓的空氣的至少一部分被輸送至渦輪機(圖1)；-來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器的空氣的一部分與至少一種在熱交換管路中汽化的液體進行熱交換而被冷卻，然后被膨脹、液化，并被輸送至雙塔或三塔中的一個塔；-生成至少一種液態(tài)形式的最終產(chǎn)品；以及-所有旨在用于雙塔或三塔中的塔的氣態(tài)空氣均來自于空氣渦輪膨脹機。
本發(fā)明的另一方面提供一種用于通過低溫蒸餾分離空氣的空氣分離設(shè)備，包括a)雙塔或三塔式空氣分離塔，該空氣分離塔中的在較高壓力下操作的塔在稱為中壓的壓力下操作；b)熱交換管路；c)用于使所有空氣處于比中壓高的高壓的裝置，以及用于在該高壓下對空氣進行凈化的裝置；d)用于將一部分凈化后的空氣流輸送至熱交換管路內(nèi)以冷卻所述流的裝置，以及用于將該冷卻后的空氣分成兩小部分的裝置；e)兩個渦輪機，以及用于將空氣的一小部分輸送至每個渦輪機的裝置；f)用于將在至少其中一個渦輪機中膨脹的空氣的至少一部分輸送至雙塔或三塔的中壓塔的裝置；g)冷增壓器，用于將優(yōu)選在主熱交換管路的中間部位回收的空氣輸送至冷增壓器的裝置，以及用于將在冷增壓器中增壓后的空氣在位于該回收部位上游的中間部位輸送至主熱交換管路內(nèi)的裝置；h)用于為來自其中一個塔的至少一種液體加壓的裝置，用于將至少一種加壓液體輸送至熱交換管路的裝置，以及用于從熱交換管路提取汽化液體的裝置；以及i)冷增壓器聯(lián)接至其中一個渦輪機，其特征在于，未聯(lián)接至冷增壓器的渦輪機聯(lián)接至能量消耗裝置，該能量消耗裝置包括i)機械聯(lián)接的增壓器，該增壓器不同于該冷增壓器，并在其后設(shè)有冷卻器；ii)油壓制動器系統(tǒng)；以及iii)發(fā)電機。
根據(jù)其它可選方面，該設(shè)備包括-用于將空氣從冷增壓器和/或從構(gòu)成能量消耗裝置或形成能量消耗裝置的一部分的增壓器輸送至渦輪機的裝置；以及-用于將待蒸餾的空氣的至少一部分輸送至構(gòu)成能量消耗裝置或形成能量消耗裝置的一部分的增壓器內(nèi)的裝置。
優(yōu)選地，兩個增壓器串聯(lián)或并聯(lián)連接，渦輪機并聯(lián)連接。
優(yōu)選地，第二增壓器的入口溫度高于渦輪機的入口溫度。
將使用一個附加的渦輪機，該附加的渦輪機與第一渦輪機/增壓器組件的渦輪機并行操作，并配備有自己的能量消耗系統(tǒng)。有利地，該系統(tǒng)將是一個其后設(shè)有水冷卻器的增壓器，該水冷卻器安裝在加溫部分內(nèi)。
“在壓力上接近”的表述是指壓力差最多為5巴，優(yōu)選最多為2巴。“在溫度上接近”的表述是指溫度差最多為15℃，優(yōu)選最多為10℃。
增壓器是單級壓縮機。
所提及的所有壓力是指絕對壓力。
術(shù)語“冷凝”包括準(zhǔn)冷凝。術(shù)語“汽化”包括準(zhǔn)汽化。
本發(fā)明與US-A-5 479 980的不同之處在于(后者)在圖4中(可選的渦輪機9)，兩個渦輪機8、32的入口壓力差很大，該壓力差至少為14巴；在圖5中，該壓力差為大約13巴，并且一個渦輪機以低壓輸出，在純氧的情況下這是不利的。


下面將參考附圖對本發(fā)明進行更詳細(xì)的說明，其中圖1、2和3示出根據(jù)本發(fā)明的空氣分離裝置。
具體實施例方式
在圖1中，處于大氣壓力的空氣流在主壓縮機(未示出)中被壓縮至約15巴。然后，可選地可以對該空氣進行冷卻，然后對該空氣進行凈化以去除雜質(zhì)(未示出該操作)。凈化后的空氣被分成兩部分。一部分空氣3被輸送至增壓器5，空氣在該增壓器中被增壓至介于17巴和20巴之間的壓力，然后，通過水冷卻器7對增壓后的空氣進行冷卻，然后將其輸送至空氣分離裝置的主熱交換管路9的熱端。增壓后的空氣11被冷卻至中等溫度，然后離開熱交換管路并被分成兩小部分。一小部分13被輸送至渦輪機17，另一小部分15被輸送至渦輪機19。這兩個渦輪機具有相同的入口溫度和壓力以及相同的輸出溫度和壓力，當(dāng)然這些溫度和壓力也可以彼此接近而不是相同。這兩小部分經(jīng)渦輪機膨脹的氣流被混合在一起，以形成被輸送至塔系統(tǒng)的氣態(tài)空氣流21，這將結(jié)合附圖2進行說明。作為一種變型，渦輪機19可以是在低壓塔的壓力下進行輸送的鼓風(fēng)渦輪機。
構(gòu)成空氣的剩余部分的處于15巴的另一部分空氣2在熱交換管路中被冷卻至高于渦輪機17、19的入口溫度的中等溫度，然后在第二增壓器23中被壓縮至約30巴，并在較高溫度被再次引入熱交換管路9，以繼續(xù)被冷卻。
這樣，處于30巴的空氣37在熱交換管路中液化而液態(tài)氧25在熱交換管路中汽化，該液體的汽化溫度接近第二增壓器23的入口溫度。液化后的空氣離開熱交換管路并被輸送至塔系統(tǒng)。
廢氮流27在熱交換管路9中被加溫。
第一增壓器5聯(lián)接至渦輪機中的一個，17或19，第二增壓器23聯(lián)接至渦輪機中的另一個，19或17。
空氣分離裝置的塔系統(tǒng)由熱聯(lián)接至低壓塔200的中壓塔100形成。
中壓塔在5.5巴的壓力下操作，但其可以在更高的壓力下操作。
來自兩個渦輪機17、19的氣態(tài)空氣21是輸送至中壓塔100的底部內(nèi)的氣流。
液化后的空氣37在閥39中膨脹并被分成兩部分，一部分被輸送至中壓塔100，另一部分被輸送至低壓塔200。
在經(jīng)過閥內(nèi)膨脹步驟和過冷后，富液51、下層貧液53和上層貧液55被從中壓塔100輸送至低壓塔200。
液態(tài)氧57和液態(tài)氮59作為最終產(chǎn)品從雙塔中回收。
液態(tài)氧由泵500加壓，并作為加壓液體25被輸送到熱交換管路9內(nèi)。其它加壓的或未加壓的液體可以在該熱交換管路中汽化。
可選地，從中壓塔回收氣態(tài)氮，并且也在熱交換管路9中進行冷卻。
在已用于使回流液體過冷后，氮33被從低壓塔的頂部回收并在熱交換管路中被加溫。
在已用于使回流液體過冷后，廢氮27被從低壓塔的下層回收，并在熱交換管路中被加溫。
可選地，該塔可以通過處理從低壓塔200回收的流而生產(chǎn)氬。
作為圖1的一種變型，只有一部分在第一增壓器中增壓的空氣被輸送至渦輪機17、19。剩下的空氣41在熱交換管路的出口處被液化。然后，該液體在閥43中膨脹并與在閥39中膨脹的液體30混合。該圖的其它部分與圖1的其它部分相同。
在圖2中，處于大氣壓力的空氣流在主壓縮機1中被壓縮至15巴。然后，可選地對該空氣進行冷卻和凈化，以去除雜質(zhì)并使其冷卻。將經(jīng)過凈化的空氣的第一部分在第一增壓器5中增壓至約17巴的壓力，然后通過水冷卻器7冷卻。
離開冷卻器7后，空氣11在第二增壓器23中增壓至約30巴，然后冷卻至接近液態(tài)氧汽化溫度的熱交換管路9的中等溫度。然后，處于30巴的空氣在較高溫度被重新引入熱交換管路9，并通過穿過該熱交換管路而冷卻，并且液化?？諝?3分成兩路，然后被膨脹和輸送至兩個塔100、200。
處于15巴的第二部分空氣2在熱交換管路中被冷卻至低于增壓器23的入口溫度的溫度，然后離開熱交換管路并被分成兩部分。該空氣的每個部分在渦輪機17、19中膨脹，然后輸送至中壓塔100。
熱增壓器5聯(lián)接至渦輪機17，冷增壓器23聯(lián)接至渦輪機19。
在圖2中，供給兩個渦輪機17和19的空氣不是來自熱增壓器，而是處于高壓的空氣。冷增壓器23對來自熱增壓器5的所有空氣進行增壓，然后該空氣被液化。因此，渦輪機的入口壓力低于圖1中的渦輪機的入口壓力。圖2的其它部分與圖1相同。
在圖3中，略去了熱增壓器5。所有的空氣1以高于中壓5至10巴的單一壓力被輸送至熱交換管路。該空氣在中等溫度下被從熱交換管路回收，并且所有的空氣在低于環(huán)境溫度的溫度下在冷增壓器23中被增壓至18巴的壓力。接著，增壓后的空氣被分成兩部分。一部分33繼續(xù)冷卻直到到達熱交換管路的冷端，然后被液化和膨脹，以便輸送至塔系統(tǒng)100、200的至少一個塔內(nèi)。
空氣的剩余部分以低于冷增壓器入口溫度的中等溫度離開熱交換管路，然后被分成兩部分并被輸送至兩個渦輪機17、19，兩個渦輪機的入口和出口處于相同或相似的溫度和壓力條件。在渦輪機17、19中膨脹后的空氣匯合成的氣流被輸送至中壓塔，并構(gòu)成進入雙塔的唯一氣態(tài)空氣。
冷增壓器23聯(lián)接至渦輪機19，渦輪機17聯(lián)接至發(fā)電機61，該發(fā)電機可由油壓制動器替代。
權(quán)利要求
1.一種用于在設(shè)備中通過低溫蒸餾分離空氣的方法，該設(shè)備包括雙塔或三塔式空氣分離塔(100，200)和熱交換管路(9)，該空氣分離塔中的在較高壓力下操作的塔(100)在稱為中壓的壓力下操作，在該方法中a)使所有空氣處于比中壓高至少5巴的高壓，并在該高壓下對空氣進行凈化；b)使一部分凈化后的空氣流在熱交換管路中冷卻，然后將該空氣流分成兩小部分；c)使各小部分空氣流在渦輪機(17，19)中膨脹；d)兩個渦輪機的入口壓力比中壓高至少5巴；e)兩個渦輪機中至少一個的輸出壓力基本上等于中壓；f)將在至少其中一個渦輪機中膨脹的空氣的至少一部分輸送至雙塔或三塔的中壓塔；g)機械聯(lián)接至其中一個渦輪膨脹機的冷增壓器(23)吸入已在熱交換管路中被冷卻的空氣，并以高于入口溫度的溫度輸出空氣，這樣壓縮后的流體被重新引入熱交換管路，在該熱交換管路中該流體的至少一部分冷凝(或發(fā)生準(zhǔn)冷凝)；h)來自其中一個塔的至少一種加壓液體在汽化溫度下在熱交換管路中被汽化(或發(fā)生準(zhǔn)汽化)，其特征在于i)未聯(lián)接至冷增壓器的渦輪機(17)設(shè)有選自以下的能量消耗裝置I)機械聯(lián)接的不同于該冷增壓器的增壓器(5)，并在其后具有冷卻器；II)油壓制動器系統(tǒng)；以及III)發(fā)電機(61)；以及，可選地j)冷增壓器(23)的入口溫度接近液體汽化(或準(zhǔn)汽化)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，兩個渦輪機(17，19)的輸入和輸出條件在壓力和溫度方面相似或相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，輸送至渦輪機(17，19)的空氣(2)處于高壓(圖2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，輸送至渦輪機的空氣(13，15)處于高于該高壓的壓力，并且來自于冷增壓器(23)和/或來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(5)(圖1和圖3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所有輸送至渦輪機(17，19)的空氣來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(5)，在冷增壓器(23)中增壓的空氣繼續(xù)在熱交換管路中被冷卻，然后被膨脹、液化，并被輸送至雙塔或三塔中的至少一個塔(100，200)(圖1)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在冷增壓器(23)中增壓的空氣的一部分(13，15)被輸送至渦輪機(17，19)，剩余的部分(33)繼續(xù)在熱交換管路中被冷卻，然后被膨脹、液化，并被輸送至雙塔或三塔中的至少一個塔(圖3)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，處于高壓的空氣的至少一部分在冷增壓器(23)中被增壓。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，處于高壓的空氣被分成至少兩部分，一部分在冷增壓器(23)中被增壓，另一部分(剩余部分)在構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(5)中被增壓(圖1)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(5)的空氣的至少一部分被輸送至冷增壓器(23)(圖2)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(5)中被增壓的空氣的至少一部分被輸送至渦輪機(17，19)(圖1)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，來自于構(gòu)成消耗裝置或形成消耗裝置的一部分的增壓器(5)的空氣的至少一部分與至少一種在熱交換管路中汽化的液體進行熱交換而被冷卻，然后被膨脹、液化，并被輸送至雙塔或三塔中的一個塔。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，生成至少一種液態(tài)形式的最終產(chǎn)品(57，59)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所有旨在用于雙塔或三塔中的塔的氣態(tài)空氣(21)來自于空氣渦輪膨脹機。
14.一種用于通過低溫蒸餾分離空氣的空氣分離設(shè)備，包括a)雙塔或三塔式空氣分離塔(100，200)，該空氣分離塔中的在較高壓力下操作的塔(100)在稱為中壓的壓力下操作；b)熱交換管路(9)；c)使所有空氣處于高于中壓的高壓的裝置，以及用于在該高壓下對空氣進行凈化的裝置；d)用于將一部分凈化后的空氣流輸送至熱交換管路內(nèi)以冷卻所述流的裝置，以及將冷卻后的空氣分成兩小部分的裝置；e)兩個渦輪機(17，19)，以及將空氣的一小部分輸送至每個渦輪機的裝置；f)用于將在至少其中一個渦輪機中膨脹的空氣的至少一部分輸送至雙塔或三塔的中壓塔的裝置；g)冷增壓器(23)，用于將優(yōu)選在主熱交換管路的中間部位回收的空氣輸送至冷增壓器的裝置，以及用于將在冷增壓器中增壓后的空氣在該回收部位上游的中間部位輸送至熱交換管路內(nèi)的裝置；h)用于為來自其中一個塔的至少一種液體加壓的裝置(500)，用于將至少一種加壓液體輸送至熱交換管路內(nèi)的裝置，以及用于從熱交換管路提取汽化的液體的裝置；以及i)冷增壓器聯(lián)接至其中一個渦輪機(19)，其特征在于，未聯(lián)接至冷增壓器的渦輪機(17)聯(lián)接至能量消耗裝置，該能量消耗裝置包括I)機械聯(lián)接的增壓器(5)，該增壓器不同于該冷增壓器，并且其后具有冷卻器；II)油壓制動器系統(tǒng)；以及III)發(fā)電機(61)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括用于將空氣從冷增壓器(23)和/或從構(gòu)成能量消耗裝置或形成能量消耗裝置的一部分的增壓器(5)輸送至渦輪機的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括用于將待蒸餾的空氣的至少一部分輸送至構(gòu)成能量消耗裝置或形成能量消耗裝置的一部分的增壓器(5)的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，兩個增壓器(5，23)串聯(lián)或并聯(lián)連接，渦輪機(17，19)并聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于空氣分離的低溫蒸餾方法。根據(jù)本發(fā)明，使所有空氣處于高壓并在高壓下被凈化，所述高壓高于中壓至少5巴。一部分凈化后的空氣流在熱交換管路(9)中冷卻，然后被分成兩小部分。各小部分在渦輪機(17，19)中膨脹，兩個渦輪機的入口壓力高于中壓至少5巴。此外，兩個渦輪機中的至少一個的輸出壓力基本上等于中壓。在至少一個渦輪機中膨脹的空氣的至少一部分被輸送至雙塔或三塔的中壓塔(100)。然后，機械連接至其中一個渦輪膨脹機(19)的冷增壓器(23)吸入在主熱交換管路中冷卻的空氣，并以高于入口溫度的溫度排出所述空氣。這樣被壓縮的流體被再次引入主熱交換管路，在其中至少一部分該流體(33，37)冷凝。另外，來自其中一個塔(200)的至少一種加壓液體(25)在熱交換管路中在汽化溫度被汽化。此外，未連接至冷增壓器(23)的渦輪機(17)設(shè)有選自以下的能量消耗裝置i)不同于該冷增壓器的增壓器(5)，其被機械聯(lián)接并在后面設(shè)有冷卻器，ii)油閥系統(tǒng)，iii)發(fā)電機(61)。
文檔編號F25J3/04GK1784580SQ200480012084
公開日2006年6月7日 申請日期2004年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月5日
發(fā)明者P·勒博, O·德卡耶 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