現(xiàn)有技術(shù)

通過(guò)空氣分離設(shè)備中的空氣的低溫分離來(lái)生產(chǎn)液態(tài)或氣態(tài)的空氣產(chǎn)物是已知的，并描述于專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)中，例如在H.-W.(主編)的，Industrial Gases Processing,Wiley-VCH 2006中，特別是第2.2.5節(jié)“Cryogenic Rectification”中?？諝夥蛛x設(shè)備具有蒸餾塔系統(tǒng)，其可以被設(shè)計(jì)為例如雙塔系統(tǒng)，特別是傳統(tǒng)的林德(Linde)雙塔系統(tǒng)，但也可以被設(shè)計(jì)為三塔或多塔系統(tǒng)。除了用于產(chǎn)生液態(tài)和/或氣態(tài)的氮和/或氧(例如液氧、LOX、氣態(tài)氧、GOX、液氮、LIN和/或氣態(tài)氮，GAN)的蒸餾塔，即用于氮氧分離的蒸餾塔之外，也可以提供用于生產(chǎn)其他空氣組分的蒸餾塔，特別是惰性氣體氪、氙和/或氬。

所述蒸餾塔系統(tǒng)在其各自的蒸餾塔中以不同的操作壓力操作。已知的雙塔系統(tǒng)具有，例如，所謂的高壓塔(有時(shí)也僅稱(chēng)為壓力塔)和所謂的低壓塔。所述高壓塔的操作壓力為，例如，4.3-6.9巴，優(yōu)選約5.0巴。所述低壓塔的操作壓力為，例如，1.3-1.7巴，優(yōu)選約1.5巴。此處和下文中所述的壓力是絕對(duì)壓力。

在空氣分離中，可以使用所謂的高空氣壓力法(HAP法)。在HAP方法中，所有供給到空氣分離設(shè)備的空氣或者所有以相應(yīng)方法使用的空氣(稱(chēng)為進(jìn)料空氣)都在主空氣壓縮機(jī)中被壓縮至顯著高于所述蒸餾塔系統(tǒng)的最高操作壓力的壓力，因此，通常顯著高于高壓塔的操作壓力。該壓力差為至少2或4巴，優(yōu)選在6-16巴之間。例如，所述壓力至少是所述高壓塔的操作壓力的兩倍。HAP方法是已知的，例如從EP 2 466 236 A1、EP 2 458 311 A1和US 5 329 776 A可知。

在HAP方法中，由于更強(qiáng)的壓縮，可以減小空氣純化所需的容器和管道尺寸。此外，壓縮空氣的絕對(duì)含水量下降。根據(jù)存在的邊界條件，可以省去用于空氣純化的制冷設(shè)備。

在HAP方法中，在主空氣壓縮機(jī)中壓縮的空氣量可以進(jìn)一步與過(guò)程空氣量脫鉤(entkoppelt)。在這種情況下，只有一部分被壓縮到所述壓力的進(jìn)料空氣被用作所謂過(guò)程空氣(prozessluft)，即被用于實(shí)際精餾并被供給到所述高壓塔中。另一部分被膨脹以制冷，其中冷量可獨(dú)立于過(guò)程空氣設(shè)定。然而，不是所有的HAP方法都提供這種脫鉤。

另外，已知一些方法，在其中進(jìn)料空氣在主空氣壓縮機(jī)中僅被壓縮到所述蒸餾塔系統(tǒng)的最高操作壓力，因此通常僅被壓縮到高壓塔的操作壓力或略高于該壓力。因此，一些進(jìn)料空氣在冷卻后可以在沒(méi)有進(jìn)一步膨脹的情況下進(jìn)料到蒸餾塔系統(tǒng)中。只有，例如，用于額外制冷或用于加熱液體流(見(jiàn)下文)所需的一部分被進(jìn)一步在一個(gè)或多個(gè)再壓縮機(jī)中壓縮。具有主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)的這種方法也稱(chēng)為主空氣壓縮機(jī)/增壓空氣壓縮機(jī)方法(MAC/BAC方法)。因此，在MAC/BAC方法中，沒(méi)有壓縮全部進(jìn)料空氣，而是僅一部分被壓縮至顯著高于蒸餾塔系統(tǒng)的最高操作壓力的壓力。

在空氣分離中，可以使用所謂的內(nèi)部壓縮。在內(nèi)部壓縮中，將液體流從蒸餾塔系統(tǒng)中取出并且至少部分地使液體狀態(tài)達(dá)到壓力。將處于液體狀態(tài)達(dá)到壓力的所述流在空氣分離設(shè)備的主熱交換器中與熱載體逆流加熱并揮發(fā)，或者在存在相應(yīng)壓力的情況下，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)。所述液體流可以具體是液體氧，但也可以是氮或氬。因此，內(nèi)部壓縮用于生產(chǎn)相應(yīng)的氣態(tài)加壓產(chǎn)品。內(nèi)部壓縮法的優(yōu)點(diǎn)特別是，相應(yīng)的流體不需要以氣態(tài)形式在空氣分離設(shè)備之外被壓縮，其通常是非常復(fù)雜和/或需要相當(dāng)多安全措施的。此外，在開(kāi)頭所引用的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)中也描述了內(nèi)部壓縮。

在下文中，集合術(shù)語(yǔ)“反液化(Entflüssigung)”被用于從液態(tài)到超臨界或氣態(tài)的轉(zhuǎn)化。從超臨界或氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)化被稱(chēng)為“液化”，其產(chǎn)物是清楚定義的液體。

熱載體相對(duì)于待反液化的流逆流液化。此時(shí)，熱載體通常由進(jìn)料到所述空氣分離設(shè)備的一部分空氣形成。為了能夠有效地加熱和反液化在液態(tài)下達(dá)到壓力的流，由于熱力學(xué)環(huán)境，所述熱載體必須具有比在液態(tài)下達(dá)到壓力的流更高的壓力。因此，必須提供相應(yīng)高度壓縮的流。所述流也稱(chēng)為“節(jié)流閥流”，因?yàn)槠渫ǔ＝柚谂蛎涢y(“節(jié)流閥”)膨脹，在此至少部分地被反液化并進(jìn)料到所用的蒸餾塔系統(tǒng)中。

通過(guò)HAP方法生產(chǎn)內(nèi)部壓縮的氣態(tài)氧相對(duì)便宜，特別是由于省去了用于提供相應(yīng)高度壓縮的流的再壓縮機(jī)，并在不同的實(shí)施方案中都可實(shí)現(xiàn)。然而，在某些情況下，MAC/BAC方法在能量上更為有利，這特別是由于使用了超臨界壓力下液態(tài)節(jié)流閥流被進(jìn)料到其上、并在亞臨界壓力下進(jìn)一步以液態(tài)抽出的渦輪機(jī)(而不是傳統(tǒng)的膨脹閥)。在本申請(qǐng)的上下文中，這種渦輪機(jī)被稱(chēng)為稠密液體膨脹器或稠密流體膨脹器(DLE)。該稠密流體膨脹器的能量?jī)?yōu)點(diǎn)同樣描述于開(kāi)頭所引用的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)中，例如第2.2.5.6節(jié)“Apparatus”，第48和49頁(yè)。

本發(fā)明的目的是將與HAP方法相關(guān)的低資本成本與常規(guī)MAC/BAC方法的效率優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在這種背景下，本發(fā)明提出了一種在空氣分離設(shè)備中低溫分離進(jìn)料空氣的方法，以及具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的相應(yīng)空氣分離設(shè)備。優(yōu)選實(shí)施方案分別是從屬權(quán)利要求和下述說(shuō)明的主題。

在解釋本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)之前，先解釋其基本原理和所用的表述。

“膨脹渦輪機(jī)”或“膨脹機(jī)”，其可以經(jīng)由共用軸與其他的膨脹渦輪機(jī)或諸如油制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)或壓縮機(jī)的能量轉(zhuǎn)換器耦合，被裝配以用于膨脹氣態(tài)或至少是部分液態(tài)的流。具體而言，膨脹渦輪機(jī)可以被設(shè)計(jì)作為渦輪膨脹機(jī)用于本發(fā)明中。然而，如果壓縮機(jī)由一個(gè)或多個(gè)膨脹渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，但沒(méi)有例如通過(guò)電動(dòng)機(jī)外部供應(yīng)的能量，則使用表述“渦輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)”或“渦輪增壓器”。

“壓縮機(jī)”是被裝配以用于將至少一種氣流從所述流被進(jìn)料到壓縮機(jī)的至少一個(gè)起始?jí)毫嚎s到將所述流從壓縮機(jī)中取出的至少一個(gè)最終壓力的裝置。壓縮機(jī)形成結(jié)構(gòu)單元，然而，其可以包括呈活塞、螺桿和/或葉輪或渦輪機(jī)裝置(即軸向或徑向壓縮機(jī)級(jí))形式的多個(gè)“壓縮機(jī)級(jí)”。這也特別適用于空氣分離設(shè)備的“主(空氣)壓縮機(jī)”，其特征在于，所述主(空氣)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)料到所述空氣分離設(shè)備中空氣量的全部或主要部分，即全部進(jìn)料空氣流?！霸賶嚎s機(jī)”，在MAC/BAC方法中，在主空氣壓縮機(jī)中被壓縮的一定量空氣在該再壓縮機(jī)中被帶到更高的壓力，其通常同樣也被設(shè)計(jì)為多級(jí)。具體而言，相應(yīng)的壓縮機(jī)級(jí)通過(guò)共用驅(qū)動(dòng)器如通過(guò)共用的軸驅(qū)動(dòng)。

通常，在MAC/BAC方法中，使用通過(guò)外部供應(yīng)的能量驅(qū)動(dòng)的再壓縮機(jī)，但是在HAP方法中，沒(méi)有這樣的再壓縮機(jī)。然而，渦輪增壓機(jī)通常存在于兩種情況下，特別是為了能夠合理地使用在用于制冷的膨脹中所釋放的軸輸出(shaft output)。

“熱交換器”用于在至少兩個(gè)流之間以例如相互對(duì)流的方式進(jìn)行間接熱傳遞，如溫?zé)岬膲嚎s空氣流和一個(gè)或多個(gè)冷流，或低溫液態(tài)空氣產(chǎn)物和一個(gè)或多個(gè)溫?zé)崃鳌峤粨Q器可以由單個(gè)熱交換器區(qū)段或并聯(lián)和/或串聯(lián)連接的多個(gè)熱交換器區(qū)段形成，例如，一個(gè)或多個(gè)板式熱交換器塊。熱交換器，例如還有用于空氣分離設(shè)備中的“主熱交換器”，其特征在于，在其處分別要冷卻或加熱的流的主要部分被分別冷卻或加熱，其具有被設(shè)計(jì)為彼此分開(kāi)并具有熱交換表面的流體通道(fluid channel)的“通道”。

為了表征壓力和溫度，本申請(qǐng)使用“壓力水平”和“溫度水平”的表述，其旨在表述的是，為了實(shí)施本發(fā)明的概念，相應(yīng)設(shè)備中的相應(yīng)壓力和溫度不需要使用精確的壓力或溫度。然而，該壓力和溫度通常在一定的范圍內(nèi)變化，例如，平均值的±1％、5％、10％、20％或甚至50％。在這種情況下，相應(yīng)的壓力水平和溫度水平可以在不相交的范圍內(nèi)或在彼此重疊的范圍內(nèi)。具體而言，壓力水平包括例如不可避免的或預(yù)期的壓降，例如由于冷卻效應(yīng)，這也相應(yīng)地適用于溫度水平。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)本發(fā)明的方法使用具有主空氣壓縮機(jī)、主熱交換器和蒸餾塔系統(tǒng)的空氣分離設(shè)備，所述蒸餾塔系統(tǒng)具有在第一壓力水平下操作的低壓塔和在第二壓力水平下操作的高壓塔。所述壓力水平和所用的其他壓力水平在下文中詳細(xì)說(shuō)明。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，包括進(jìn)料到所述空氣分離設(shè)備處的所有進(jìn)料空氣的進(jìn)料空氣流在所述主空氣壓縮機(jī)中被壓縮到第三壓力水平，其高于所述第二壓力水平至少2巴，特別是至少4巴。所述第三壓力水平也可以是例如所述第二壓力水平的兩倍。因此，實(shí)施了HAP方法。

在壓縮的進(jìn)料空氣流中，第一部分在所述主熱交換器中至少被冷卻一次，并在第一膨脹渦輪機(jī)中從第三壓力水平開(kāi)始膨脹。這里和下文中的“至少冷卻一次”是指在膨脹之前和/或之后的相應(yīng)的流至少通過(guò)所述主熱交換器的一個(gè)區(qū)段進(jìn)行至少一次。

類(lèi)似地處理第二部分，即在所述主熱交換器中同樣冷卻至少一次，并且在第二膨脹渦輪機(jī)中從第三壓力水平開(kāi)始膨脹。所述第二部分是所謂的渦輪機(jī)流，其膨脹進(jìn)行以在相應(yīng)的設(shè)備中提供額外的制冷，并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制。

第三部分被進(jìn)一步壓縮到第四壓力水平，然后同樣在所述主熱交換器中被冷卻至少一次，并從所述第四壓力水平開(kāi)始膨脹。所述第三部分是所謂的節(jié)流閥流，其如上所述，特別是允許內(nèi)部壓縮。

然后將所述第一部分和/或第二部分和/或第三部分的空氣在第一和/或第二壓力水平下進(jìn)料到所述蒸餾塔系統(tǒng)中。通常，在這種情況下，所述第一部分中的所有空氣都以第二壓力水平進(jìn)料到所述高壓塔中。所述第二部分的所有空氣或部分空氣可以以第一壓力水平進(jìn)料到所述低壓塔中和/或以第二壓力水平進(jìn)料到所述高壓塔中。這同樣適用于所述的第三部分。

本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)：與MAC/BAC方法的能量效率相關(guān)的HAP方法的組合不僅在建造成本方面，而且在空氣分離設(shè)備的操作成本方面是特別有利的。如所解釋的，特別是稠密流體膨脹器的使用從能量角度(即在操作成本方面)來(lái)講是特別有利的，而使用HAP方法允許低的建造成本。然而，稠密流體膨脹器的使用在常規(guī)HAP方法中不是有利的，因?yàn)橛沙砻芰黧w膨脹器所實(shí)現(xiàn)的能量節(jié)省伴隨著在稠密流體膨脹器處發(fā)生的壓力差。在相對(duì)低的進(jìn)入壓力和因此相對(duì)低的壓力差下，該使用總體上不太有利。此外，通過(guò)MAC/BAC方法的增高的壓力而改善的Q、T-曲線(xiàn)通常不能通過(guò)HAP方法實(shí)現(xiàn)。

在HAP方法中，所述主空氣壓縮機(jī)的最終壓力(這里為“第三壓力水平”)不僅取決于內(nèi)部壓縮壓力，即通過(guò)內(nèi)部壓縮所要提供的氣態(tài)空氣產(chǎn)物的壓力，而且取決于所要獲得的液態(tài)空氣產(chǎn)物的量。前者的依賴(lài)性來(lái)自于基本上由所述壓力設(shè)定的相應(yīng)流的蒸發(fā)容量，后者來(lái)自于通過(guò)液態(tài)空氣產(chǎn)物的抽出而“取出”的冷量，其必須通過(guò)其他流的膨脹來(lái)補(bǔ)償。

由于進(jìn)料空氣流的空氣量，即由主空氣壓縮機(jī)壓縮的所有進(jìn)料空氣的空氣量由所產(chǎn)生的空氣產(chǎn)物的量來(lái)確定，因此通過(guò)改變所述主空氣壓縮機(jī)的最終壓力可以?xún)H可供給所述設(shè)備或多或少的能量。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制(所用管的類(lèi)型)，這通常限制在約23巴。

在這些邊界條件下，在常規(guī)HAP方法中，不能提供令人滿(mǎn)意的壓力以允許使用液體渦輪機(jī)從而表現(xiàn)出有利的方面。如所提到的，如果因此可以實(shí)現(xiàn)足夠的壓力差，那么液體渦輪機(jī)的使用僅在技術(shù)上是有利的。

因此，本發(fā)明提出在再壓縮機(jī)、第一渦輪增壓器和第二渦輪增壓器中連續(xù)地將所述第三部分進(jìn)一步壓縮到第四壓力水平。因此，代替通常由兩個(gè)渦輪增壓器實(shí)施的通常最多兩個(gè)壓縮步驟，使用了至少三個(gè)壓縮步驟，其中兩個(gè)通過(guò)各渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)，而一個(gè)通過(guò)再壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)。由此，可以實(shí)現(xiàn)明顯更高的第四壓力水平。此時(shí)，至少所述第一渦輪增壓器在暖機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，即不以冷的壓縮機(jī)運(yùn)行。這使得本方法的操作在能量方面特別有利。在本發(fā)明中，所述再壓縮機(jī)被設(shè)計(jì)為單級(jí)、雙級(jí)或多級(jí)壓縮機(jī)。

如所解釋的，盡管在MAC/BAC方法中使用常規(guī)的再壓縮機(jī)，這些再壓縮機(jī)通過(guò)外部供應(yīng)的能量驅(qū)動(dòng)，但其沒(méi)有被用于HAP方法中，本發(fā)明正是提出了這一點(diǎn)。在本發(fā)明文中所用的再壓縮機(jī)是由外部能量驅(qū)動(dòng)的，因此其不是通過(guò)或至少不僅僅是通過(guò)在空氣分離設(shè)備本身中先前壓縮的流體的膨脹而驅(qū)動(dòng)的。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明提供的利用外部能量驅(qū)動(dòng)再壓縮機(jī)的不同可能性，可以參考下文的解釋。

本發(fā)明通過(guò)所述壓縮允許以明顯更高的第四壓力水平提供所述第三部分(節(jié)流閥流)，這使得稠密流體膨脹器的使用在能量上是有意義的。因此，根據(jù)本發(fā)明提供了用于第三部分膨脹的相應(yīng)稠密流體膨脹器，將所述第三部分以液態(tài)形式和第四(超臨界)壓力水平下進(jìn)料到所述膨脹器。

所述第三部分(節(jié)流閥流)可在不同的溫度水平下被進(jìn)料到所述第二渦輪增壓器，特別根據(jù)液態(tài)空氣產(chǎn)物的量或在相應(yīng)空氣分離設(shè)備中所要獲得的和從該空氣分離設(shè)備所要排出的液態(tài)空氣產(chǎn)物的量。

為了提供相對(duì)大量的一種或多種液態(tài)空氣產(chǎn)物，已經(jīng)證明特別有利的是在0-50℃的溫度水平下將所述第三部分進(jìn)料至第一渦輪增壓器中，并在-40℃至50℃的溫度水平下進(jìn)料到第二渦輪增壓器中。此外，第二渦輪增壓器因此不是典型的冷壓縮機(jī)，即不是“冷”渦輪增壓器。雖然所述第三部分(節(jié)流閥流)被進(jìn)料到其中，任選顯著低于環(huán)境溫度，但所述第二渦輪增壓器的下游的溫度高于環(huán)境溫度。

如果相對(duì)大量的空氣產(chǎn)物以液體狀態(tài)從相應(yīng)的空氣分離設(shè)備中被排出，則“冷”渦輪增壓器不太有利，因?yàn)槭褂玫氖翘峁┧鲆簯B(tài)空氣產(chǎn)物的總可用冷量。然而，冷渦輪增壓器不可避免地向所述系統(tǒng)中貢獻(xiàn)熱量，因?yàn)閬?lái)自壓縮流的壓縮熱通常不能在后冷卻器中被除去，而只能在主熱交換器中被除去，其與相應(yīng)的熱輸入有關(guān)。在相對(duì)高的進(jìn)入溫度下操作的渦輪增壓器(在該溫度下，所述壓縮流具有比例如現(xiàn)有冷卻水顯著更高的溫度)允許在常規(guī)后冷卻器中有效地移除熱量。通過(guò)去除第二渦輪增壓器下游的壓縮熱，其中的壓縮基本上是熱中性的，因?yàn)檫@里的壓縮功由后冷卻器補(bǔ)償。

總的來(lái)說(shuō)，使用在所述較高的進(jìn)入溫度下操作的第二渦輪增壓器因此允許排出液態(tài)空氣產(chǎn)物形式的相對(duì)大量的3-10mol％的進(jìn)料空氣流，所述液態(tài)空氣產(chǎn)物為例如液氧(LOX)、液氮(LIN)和/或液氬(LAR)。

對(duì)于相反旨在主要或僅提供氣態(tài)空氣產(chǎn)物(但是其也可以例如通過(guò)內(nèi)部壓縮方法從液體中間產(chǎn)品獲得)的空氣分離設(shè)備，相比之下，在0-50℃的溫度水平下將所述第三部分進(jìn)料至所述第一渦輪增壓器并在-140℃至-20℃的溫度水平下將其進(jìn)料至所述第二渦輪增壓器是有利的。此時(shí)，第二渦輪增壓器是典型的冷壓縮機(jī)，即“冷”渦輪增壓器。在環(huán)境溫度以下將所述第三部分(節(jié)流閥流)進(jìn)料至其中，第二渦輪增壓器的下游的溫度額外地(顯著地)低于環(huán)境溫度。在第二渦輪增壓器中被壓縮的第三部分的溫度可以是，例如，在第二渦輪增壓器的直接下游為-90℃至20℃。

冷渦輪增壓器向系統(tǒng)中引入熱量，因?yàn)閴嚎s熱不會(huì)被冷卻水操作的后冷卻器中的壓縮流帶走，而只是在主熱交換器本身中被消除，與相應(yīng)的熱輸入相關(guān)聯(lián)。冷渦輪增壓器，通過(guò)在此情況下需要的所述熱輸入，使得內(nèi)部壓縮產(chǎn)物可以有特別好的加熱和反液化，適用于產(chǎn)生大量相應(yīng)氣態(tài)加壓產(chǎn)品和相對(duì)少量的液態(tài)空氣產(chǎn)物的空氣分離設(shè)備。

總之，使用在所述低進(jìn)入溫度下操作的第二渦輪增壓器因此允許抽取相對(duì)少量的至多3mol％的液態(tài)空氣產(chǎn)物形式的進(jìn)料空氣流，所述液態(tài)空氣產(chǎn)物為例如液氧(LOX)、液氮(LIN)和/或液氬(LAR)。

本發(fā)明有利地設(shè)想在每種情況下由所述膨脹渦輪機(jī)中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)所述渦輪增壓器，例如通過(guò)第二膨脹渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)第一渦輪增壓器和通過(guò)第一膨脹渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)第二渦輪增壓器。

相反，額外用于壓縮第三部分(節(jié)流閥流)的再壓縮機(jī)使用外部能量驅(qū)動(dòng)，即不通過(guò)分別膨脹所述進(jìn)料空氣流的空氣部分的指定膨脹渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。例如，利用高壓流體和/或電和/或與所述主空氣壓縮機(jī)的壓縮機(jī)級(jí)一起驅(qū)動(dòng)所述再壓縮機(jī)可以是有利的。在后一種情況下，所述主空氣壓縮機(jī)的至少一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)和所述再壓縮機(jī)的至少一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)被指定，例如，共用軸。此外，可以同時(shí)使用多個(gè)相應(yīng)的措施。

特別有利的是，在第二渦輪增壓器中進(jìn)一步壓縮之前和之后，在主熱交換器中冷卻所述第三部分。此時(shí)，在適當(dāng)?shù)臏囟人较聦⑺龅谌糠謴闹鳠峤粨Q器中取出或進(jìn)料到其中。如所解釋的，此外，當(dāng)所述第二渦輪增壓器在所提及的較高溫度下運(yùn)行時(shí)，可以在第二渦輪增壓器的下游和在向主熱交換器重新進(jìn)料的上游提供額外的后冷卻。相反，如果所述第二渦輪增壓器在所提及的較低溫度下運(yùn)行，則如所解釋的那樣，不屬于這種情況。

此時(shí)，在所述主熱交換器中的冷卻在第二渦輪增壓器中的再壓縮之后發(fā)生，所述冷卻由取決于第二渦輪增壓器的入口和出口溫度以及可能的后冷卻溫度的溫度水平，如10℃-50℃或-90℃至20℃，冷卻至-140℃至-180℃的溫度水平開(kāi)始。

如果所述第一部分在第一膨脹渦輪機(jī)中膨脹之前在主熱交換器中被冷卻到0至-150℃的溫度水平，也是有利的。有利地，所述第一部分在第一膨脹渦輪機(jī)中膨脹之后在主熱交換器中被冷卻至-130℃至-180℃的溫度水平。換言之，所述第一部分在第一膨脹渦輪機(jī)中膨脹之后因此再次被引導(dǎo)通過(guò)主熱交換器。

所述第二部分在第二膨脹渦輪機(jī)中膨脹之前在所述主熱交換器中冷卻至-50℃至-150℃的溫度水平是有利的。

在本發(fā)明中，有利的是，當(dāng)?shù)诙u輪增壓器在較高溫度下操作時(shí)，所述第一壓力水平為1-2巴和/或第二壓力水平為5-6巴和/或第三壓力水平為8-23巴和/或第四壓力水平為50-70巴絕對(duì)壓力。如果第二渦輪增壓器在所提及的較低溫度下運(yùn)行，則有利的是，所述第一壓力水平為1-2巴，和/或第二壓力水平為5-6巴，和/或第三壓力水平為8-23巴，和/或第四壓力水平為50-70巴絕對(duì)壓力。此時(shí)，所述第三壓力水平在每次使用常規(guī)HAP主空氣壓縮機(jī)時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)，所述第四壓力水平，特別是使用所述再壓縮機(jī)所實(shí)現(xiàn)的第四壓力水平允許使用稠密流體膨脹器。此時(shí)，所述第四壓力水平處于超臨界壓力。

根據(jù)本發(fā)明的方法特別允許至少一種液態(tài)空氣產(chǎn)物從所述蒸餾塔系統(tǒng)中被取出，在液態(tài)下加壓，在主熱交換器中使其蒸發(fā)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為超臨界狀態(tài)(“反液化”)，并將其作為至少一種來(lái)自所述空氣分離設(shè)備的內(nèi)部壓縮產(chǎn)物排出，即，如反復(fù)提及的，用于內(nèi)部壓縮方法。

至少一種內(nèi)部壓縮產(chǎn)物可以在6-100巴的壓力下從所述空氣分離設(shè)備中移除。根據(jù)本發(fā)明的方法，由于上述的額外熱輸入，當(dāng)?shù)诙u輪增壓器在所述較低壓力下操作時(shí)，而特別適用于在相對(duì)高的壓力即在至少30巴下提供內(nèi)部壓縮產(chǎn)物。

關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備的特征，可以參考相應(yīng)的裝置權(quán)利要求。這種空氣分離設(shè)備特別包括使得其能夠執(zhí)行上述方法的所有構(gòu)件。因此，明確地參考上面已經(jīng)解釋的特征和優(yōu)點(diǎn)。

下文中將參考顯示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。

附圖說(shuō)明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空氣分離設(shè)備的示意性設(shè)備圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空氣分離設(shè)備的示意性設(shè)備圖。

附圖的詳細(xì)說(shuō)明

在圖1中，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施方案的空氣分離設(shè)備，總體上用100表示。進(jìn)料空氣流a形式的進(jìn)料空氣(AIR)被進(jìn)料到空氣分離設(shè)備100中，通過(guò)過(guò)濾器1預(yù)純化，然后被進(jìn)料到主空氣壓縮機(jī)2中。所述主空氣壓縮機(jī)2以高度示意性的形式示出。所述主空氣壓縮機(jī)2通常具有多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)，其可以由一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)共用的軸驅(qū)動(dòng)。

在所述主空氣壓縮機(jī)2的下游，在其中被壓縮的進(jìn)料空氣流a，其在這種情況下是在空氣分離設(shè)備100中所處理的全部進(jìn)料空氣，被進(jìn)料到未示出的純化設(shè)備3中，在其中，例如，與殘余的水分和二氧化碳分離。被壓縮的(和純化的)進(jìn)料空氣流b以例如15巴-23巴的壓力水平存在于純化設(shè)備3的下游，所述壓力在本申請(qǐng)的中表示為第三壓力水平。在所示實(shí)例中的第三壓力水平明顯高于如開(kāi)頭所解釋的空氣分離設(shè)備的典型高壓塔的操作壓力。因此它是一種HAP方法。

所述進(jìn)料空氣流b被連續(xù)分成流c、d和e。在本申請(qǐng)的文中的流c被稱(chēng)為進(jìn)料空氣流b的第一部分，流d被稱(chēng)為進(jìn)料空氣流b的第二部分，流e被稱(chēng)為進(jìn)料空氣流b的第三部分。

流c和d在主熱交換器4的暖側(cè)彼此分開(kāi)地進(jìn)料到空氣分離設(shè)備100中，并且在不同的中間溫度水平下再次從所述主熱交換器中被排出。所述流c在從主熱交換器4中抽出之后在本申請(qǐng)文中被稱(chēng)為第一膨脹渦輪機(jī)的膨脹渦輪機(jī)5中膨脹至壓力水平，例如，5-6巴，該壓力在本申請(qǐng)的文中被指定為第二壓力水平，并再次被引導(dǎo)通過(guò)主熱交換器4的一個(gè)區(qū)段。所述流d在從主熱交換器4中抽出之后在本申請(qǐng)文中被稱(chēng)為第二膨脹渦輪機(jī)的膨脹渦輪機(jī)6中同樣膨脹至第二壓力水平。

流e是所謂的節(jié)流閥流，其特別允許所述的內(nèi)部壓縮。為此，流e首先在再壓縮機(jī)7中被再壓縮，然后在兩個(gè)渦輪增壓器中再次壓縮，每個(gè)渦輪增壓器都由第一膨脹渦輪機(jī)5和第二膨脹渦輪機(jī)6(未單獨(dú)示出)驅(qū)動(dòng)。由第二膨脹渦輪機(jī)6驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器在此被稱(chēng)為第一渦輪增壓器，而相反由第一膨脹渦輪機(jī)5驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器被稱(chēng)為第二渦輪增壓器。原則上，所述渦輪增壓器對(duì)膨脹渦輪機(jī)5、6的分配也可以反過(guò)來(lái)。所述再壓縮進(jìn)行至例如50巴-70巴的壓力水平，其在本申請(qǐng)的文中被指定為第四壓力水平。在再壓縮機(jī)7的下游和渦輪增壓器的上游，流e的壓力水平為例如26巴-36巴。再壓縮機(jī)7由外部能量驅(qū)動(dòng)，也就是說(shuō)不由進(jìn)料空氣流b的壓縮空氣部分的膨脹驅(qū)動(dòng)。

在兩個(gè)渦輪增壓器中的再壓縮步驟之后，流e在每種情況下都在未單獨(dú)示出的渦輪增壓器的后冷卻器中被冷卻回到對(duì)應(yīng)于大約冷卻水溫度的溫度。根據(jù)需要，利用主熱交換器4進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻。因此，在第四壓力水平下，流e再次通過(guò)后冷卻器，然后通過(guò)主熱交換器4，并隨后在稠密流體膨脹器8中膨脹。所述第四壓力水平顯著高于氮的臨界壓力，并高于氧的臨界壓力。

在主熱交換器4和稠密流體膨脹器8的上游冷卻之后，流e為處在超臨界壓力下的液態(tài)。稠密流體膨脹器8與例如發(fā)電機(jī)或油制動(dòng)器(未指定)相聯(lián)接。所述流e在膨脹之后處在第二壓力水平下。此外，它是液體，但是處于亞臨界壓力下。

蒸餾塔系統(tǒng)10以高度簡(jiǎn)化的形式示出。其包括至少一個(gè)在1-2巴的壓力水平(這里被指定為第一壓力水平)下操作的低壓塔11和在雙塔系統(tǒng)的第二壓力水平下操作的高壓塔12，其中低壓塔11和高壓塔12經(jīng)由主冷凝器13進(jìn)行熱交換連接。為了清楚起見(jiàn)，沒(méi)有具體描繪為低壓塔11和高壓塔12進(jìn)料以及連接主冷凝器13的管道、閥、泵、和其他的熱交換器等。

在所示的實(shí)施例中，流c、d和e被進(jìn)料到高壓塔12中。然而，也可以提出，例如，在適當(dāng)膨脹之后將流d和/或流e進(jìn)料到低壓塔11中和/或不將所述部分進(jìn)料到蒸餾塔系統(tǒng)中。

在所示的實(shí)施例中，流f、g和h可以從蒸餾塔系統(tǒng)10中取出。如反復(fù)說(shuō)明的，配備空氣分離設(shè)備100以實(shí)施內(nèi)部壓縮方法。在所示的實(shí)施例中，所述流f和g(其可以是液體、富氧的流f和液體、富氮的流g)因此通過(guò)泵9在液體狀態(tài)下被加壓并在主熱交換器4中汽化，或者根據(jù)壓力從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)。所述流f和g的流體可以作為內(nèi)部壓縮氧(GOX-IC)或內(nèi)部壓縮氮(GAN-IC)從空氣分離設(shè)備100中被取出。所述流h示出了從一個(gè)或多個(gè)蒸餾塔系統(tǒng)10中取出的處于第一壓力水平的氣態(tài)的流。

在圖2中，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的典型優(yōu)選實(shí)施方案的空氣分離設(shè)備，總體上用200表示。與圖1所示的空氣分離設(shè)備100中相同或相似的設(shè)備部件和流具有相同的索引標(biāo)記，不再重復(fù)解釋。

進(jìn)料空氣流b此處也在純化設(shè)備3的下游處于第三壓力水平，然而在此為，例如，9-17巴。流e(節(jié)流閥流)被壓縮的第四壓力水平在此為，例如，30-80巴。而流e，即使在這里在第一渦輪增壓器中的再壓縮步驟之后，在未被單獨(dú)示出的后冷卻器中被冷卻回至相應(yīng)于冷卻水的溫度，在第二渦輪增壓器下游僅通過(guò)主熱交換器4實(shí)施冷卻，而不是通過(guò)如圖1的空氣分離設(shè)備100中的后冷卻器。由于第二渦輪增壓器作為“冷”渦輪增壓器操作，因此，所述第二渦輪增壓器下游的流e處于顯著低于環(huán)境溫度的相應(yīng)的低溫度水平。

在所示的空氣分離設(shè)備100的實(shí)例中，再壓縮機(jī)7與主空氣壓縮機(jī)2的一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)一起驅(qū)動(dòng)，并使用壓力流體，例如在膨脹渦輪機(jī)(單獨(dú)標(biāo)記的)中膨脹的加壓蒸汽。如所提及的，適用的是根據(jù)圖1的空氣分離設(shè)備100，其中第二渦輪增壓器作為“暖”渦輪增壓器操作，特別是用于提供相對(duì)大量的液態(tài)空氣產(chǎn)物(未示出)，或者相反，適用的是根據(jù)圖2的空氣分離設(shè)備200，其中第二渦輪增壓器作為“冷”渦輪增壓器操作，特別是用于提供高壓氣態(tài)內(nèi)部壓縮產(chǎn)物。