空氣分離方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種空氣分離方法及裝置，其中通過以下方式來將制冷給予(impart)空氣分離裝備(plant):從壓縮和凈化的空氣形成壓縮的制冷(refrigerant)空氣流、使壓縮的制冷空氣流在渦輪膨脹器中膨脹來產生排出流、并且將排出流引入產生一種或多種液體產物的蒸餾塔中。更具體而言，本發明涉及此類方法及裝置，其中壓縮的制冷空氣流由增壓器壓縮機來在膨脹之前進一步壓縮，以增加液體產物的制冷和生產，或旁通過(bypass)增壓器壓縮機來減小液體產物的制冷和生產。
【背景技術】
[0002]空氣在空氣分離裝備中分離，空氣分離裝備采用低溫精餾來將空氣分離成產物，包括氮、氧和氬。在此類裝備中，空氣被壓縮、凈化出較高沸點污染物(如二氧化碳和水)、冷卻至適于空氣的蒸餾的溫度、并且然后引入蒸餾塔系統中。
[0003]在一個典型的蒸餾塔系統中，空氣在較高壓力塔中分離成富氮蒸氣塔頂產物(overhead)和粗液氧塔底產物(bottoms)(也稱為爸液)。粗液氧塔底產物的流引入較低壓力塔中，用于進一步提煉成富氧液體塔底產物和富氮蒸氣塔頂產物。較低壓力塔在低于較高壓力塔的壓力下操作，并且通過已知為冷凝器重沸器的熱交換器來熱地聯結至較高壓力塔上。冷凝器重沸器通過與富氧液體塔底產物的間接熱交換來冷凝富氮蒸氣塔頂產物的的流，以產生用于較高壓力塔和較低壓力塔兩者的液氮逆流(reflux)，并且通過在此塔中產生的富氧液體塔底產物的部分的氣化來在較低壓力塔中產生沸騰(boilup)。
[0004]在任何類型的空氣分離裝備中，可由富氮和富氧的液體和蒸氣構成的液體和蒸氣引入主熱交換器中，并且與進入(incoming)空氣的間接熱交換地穿過，以協助冷卻空氣，并且取得為來自主熱交換器的熱端的產物。另外，富集氧、氮或兩者的液體產物可從蒸餾塔系統作為液體產物取得。另外，從塔除去的所有或一部分液體流可栗送來產生栗送或加壓的液體，栗送或加壓的液體在主熱交換器或在設計成在高壓下操作的分離的熱交換器中加熱，并且產生作為蒸氣或超臨界流體的富集產物。
[0005]由于空氣分離裝備必須保持在低溫溫度下以便允許空氣被蒸餾，故制冷必須給予至裝備，以便補償進入裝備的熱泄漏和來自主熱交換器或與其關聯操作的其它熱交換器的熱端損失。另外，除去液體產物還將除去給予的制冷，這也必須通過將制冷引入裝備中來補償。這通常通過將壓縮和凈化的空氣引入增壓器壓縮機中來形成壓縮的制冷空氣流而完成。壓縮的制冷空氣流在此類進一步壓縮之后然后直接地或在部分地冷卻此類流之后引入渦輪膨脹器中，以產生引入蒸餾塔系統中的排出流。在此方面，此類排出流可引入較低壓力塔或較高壓力塔中。
[0006]在很大程度上，操作空氣分離裝備的進行的花費為在對空氣進行壓縮中消耗的電力的成本。如上文所描述，當液體當作產物提取時，將需要進一步的壓縮來生成在產生此類產物將需要的制冷。然而，對液體產物的需求和電力的成本并非恒定的。例如，相比于白天電力成本和液體需求，在夜晚時間期間，電力的成本和液體需求常將為較少的。結果，空氣分離裝備可設計成在電力為較廉價時循環地產生更多份額的液體產物、儲存此類液體產物、并且然后減少在白天時間期間的液體的生產。
[0007]設計成能夠以高和低的液體生產速率來產生液體產物的空氣分離裝備在本領域中是廣為人知的。一般而言，此類裝備采用旁通過增壓器壓縮機的旁通管線。當期望的是以較低速率來產生液體產物時，閥使否則將引入旁通管線中的增壓器壓縮機中的流定路線(route)。增壓器壓縮機的旁通將減小跨過渦輪膨脹器的壓力比，并且因此，減小能夠給予至空氣分離裝備的制冷的量。
[0008]然而，不是所有此類裝備都能夠在高生產率和低生產率之間循環地操作。例如，US5, 901，579公開了一種系統，其中渦輪增壓器可被旁通過，以繼而減小跨過渦輪的壓力比。然而，此專利中所示的布置并不能夠以液體生產將在高液體制成與低液體制成之間循環的方式來操作。此類系統可設置在其中使用增壓器壓縮機的高產生模式中或其中旁通過且不使用增壓器壓縮機的低生產模式中。在此專利中所示的流動回路中，如果增壓器壓縮機被旁通過而沒有關閉裝備，則增壓器壓縮機將立即進入喘振(surge)。如本領域中廣為人知的那樣，喘振是壓縮機內的破壞性振蕩流動狀態，其由超過特定壓縮機速度下的壓力比引起。另外，將不可能使增壓器壓縮機逐漸地離線，因為在此專利中所示的流動回路中，壓縮空氣將反轉其方向并流入預凈化單元中。
[0009]甚至在設計成在液體生產的高速率與低速率之間循環地操作的裝備中，能夠實現的液體生產的范圍的范圍也是非常有限的。對此的一個主要原因與喘振有關。為了避免喘振，在旁通管線自身在線或者離線或進入低壓操作模式時，旁通管線自身利用來首先將壓縮空氣從壓縮機的出口循環至增壓器壓縮機的入口。其問題在于旁通管線中的閥用于此類目的，并且除非增壓器壓縮機與使用旁通的裝備操作相比僅具有有限的壓縮能力，否則至渦輪膨脹器的流動可分裂，導致渦輪膨脹器受損。另外，在此類裝備中常使用的渦輪膨脹器在已知為增壓器負載禍輪的布置中直接地聯接到在普通小齒輪上(on a common pin1n)的壓縮機上。當壓力由增壓器壓縮機增大時，渦輪膨脹器的速度且因此聯接的壓縮機的速度將增大來驅使壓縮機朝向喘振。如可認識到的那樣，這還限制了增壓器壓縮機的壓縮能力，并且因此限制了可應用于渦輪膨脹器的壓力比的變化。結果，在此類布置中，空氣分離裝備可下調(turn down)來減少液體生產的程度是非常有限的。結果，在期望低液體生產率的周期期間的此類裝備的動力節省也是有限的。
[0010]如將論述的那樣，本發明提供了一種分離空氣的方法和空氣分離裝備，其除其它優點外，允許旁通過增壓器來下調液體生產，帶有高于現有技術中構想出的液體下調能力。

【發明內容】

[0011]本發明提供了一種在空氣分離裝備中分離空氣的方法，在空氣分離裝備中，壓縮、凈化和冷卻的空氣在構造成產生至少一種液體產物的空氣分離裝備的蒸餾塔系統中精餾。制冷借助于并未直接地聯接到在普通小齒輪上的空氣分離裝備的單個壓縮機上的渦輪膨脹器的使用來給予到空氣分離裝備中。制冷通過下列方式來給予:在空氣分離裝備內形成壓縮的制冷空氣流、在渦輪膨脹器中膨脹壓縮的制冷空氣流來產生排出流、并且將排出流引入空氣分離裝備的蒸餾塔系統中。通過有選擇地將壓縮的制冷空氣流引入具有增壓器壓縮機的分支流動路徑的增壓器壓縮機分支中來進一步壓縮該壓縮的制冷空氣流且從而獲得跨過渦輪膨脹器的較高的壓力比和較高生產率，或引入旁通過增壓器壓縮機的分叉的流動路徑的旁通分支，從而獲得跨過渦輪膨脹器的較低壓力比和較低生產率，改變至少一種液體產物的產生。
[0012]壓縮的制冷空氣流通過以下方式引入增壓器壓縮機分支中:將壓縮的制冷空氣流從旁通分支逐漸地轉移至增壓器壓縮機分支、激活(activate)增壓器壓縮機且循環在分支的流動路徑的再循環分支內從壓縮機的出口流至壓縮機的入口的再循環流，直到增壓器壓縮機的出口處的增壓器壓縮機分支壓力超過旁通分支內的旁通壓力，在此旁通分支內的再循環流和壓縮的制冷空氣流兩者的流動停滯(suspended)。壓縮的制冷空氣流通過以下方式引入旁通分支中:將壓縮的制冷空氣流從增壓器壓縮機分支逐漸地轉移至旁通分支，同時在再循環分支中循環再循環流，直到旁通壓力超過增壓器壓縮機分支壓力，在此增壓器壓縮機停用(deactivate)，并且增壓器壓縮機分支內的再循環流和壓縮的制冷空氣流兩者的流動均停滯。應當注意的是，當在本文和權利要求書中使用時，用語“激活”和“停用”包含操作，其中增壓器壓縮機開啟或關閉以及增壓器壓縮機在增壓器壓縮機停用時的低壓模式和增壓器壓縮機激活時的高壓模式兩者中操作的模式。
[0013]由于渦輪膨脹器并未直接地聯接到在普通小齒輪上的空氣分離裝備的單個壓縮機上，或換言之，并非增壓器加載的渦輪，故本發明中消除了在其它情況下限制在液體產物的生產中的空氣分離裝備的下調能力的現有技術的一個問題。增大跨過渦輪膨脹器的壓力比將不會增加壓縮機的速度來朝喘振驅動壓縮機。然而，本發明的確包含US5，901，579中所示的布置，其中膨脹的功在大齒輪中消散，大齒輪也驅動壓縮機，并且繼而又由電動馬達驅動。在此類布置中，渦輪膨脹器和壓縮機的速度為恒定的，并且將不會由于改變跨過渦輪膨脹器的壓力比而改變。取而代之的是，在恒定速度下且在跨過渦輪膨脹器的較高壓力比下，更多膨脹功將消散到大齒輪中，以減小由驅動布置的電動馬達消耗的功率。然而，其中渦輪膨脹器的速度改變的布置由本發明構想出。例如，渦輪膨脹器可聯接到將膨脹功消散成電力的發電機或將膨脹功消散成熱的油制動器上。另外，快速改變至渦輪膨脹器的流動的其它問題被消除，因為制冷空氣流從增壓器壓縮機分支逐漸地轉移到旁通分支中，此處期望的是低液體生產率，并且在期望高液體生產率時，還從旁通分支逐漸地轉移至增壓器壓縮機分支中。在裝備操作中的此類變化期間從壓縮機的出口到入口的再循環流的獨立再循環允許此類逐漸轉移，而同時防止了增壓器壓縮機朝喘振驅動。結構，相比于現有技術，在本發明中可實現大得多的下調范圍，并且因此實現較大程度的功率節省。
[0014]壓縮的制冷空氣流可在冷卻空氣中使用的主熱交換器中部分地冷卻。在此情況下，分叉的流動路徑連接到主熱交換器的熱端上。在此方面，當在本文和權利要求書中使用時，用語“部分地冷卻”意思是冷卻到主熱交換器的熱端與冷卻之間的溫度。進一步地，增壓器壓縮機停用，由凈化空氣構成的清洗(purge)空氣流可穿過增壓器壓縮機來防止環境空氣進入增壓器壓縮機。
[0015]液體流可從蒸餾塔系統除去，并且分成第一支(subsidiary)液體流和第二支液體流。在此類情況下，至少一種液體產物包括第一支液體流，并且第二支液體流在主熱交換器內加熱來形成加熱產物流。在至少一種液體產物的生產的減少期間，供應至空氣分離裝備的空氣的空氣流動速率減小來保持加熱產物流的產物流動速率恒定。在本發明的特定實施例中，蒸餾塔系統可包括較高壓力塔和在低于較高壓力塔的壓力下操作的較低壓力塔，較低壓力塔構造成進一步提煉在較高壓力塔中產生的粗液氧塔底產物并且以傳熱關系連接到較高壓力塔上。較高壓力塔與較低壓力塔之間的此傳熱連接通過與較低壓力塔中產生的富氧液體間接熱交換來冷凝在較高壓力塔中產生的富氮蒸氣塔頂產物來實現，從而提供液氮逆流至較高壓力塔和較低壓力塔。在此類情況下，液體流為由較低壓力塔中產生的富氧液體塔底產物構成的富氧液體流。富氧液體流分成第一支液體流和第二支液體流。第二支液體流可栗送來產生加壓液體產物流，并且在主熱交換器內加熱來產生加熱產物流。另一壓縮空氣流在空氣分離裝備內形成，其在主熱交換器中通過與加壓液體產物流間接熱交換來液化，從而產生液體空氣流，并且液體空氣流的至少一部分在壓力上降低并至少引入較低壓力塔中。
[0016]在此類特定實施例中