空气分离方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空气分离方法及装置，其中通过以下方式来将制冷给予(impart)空气分离装备(plant):从压缩和净化的空气形成压缩的制冷(refrigerant)空气流、使压缩的制冷空气流在涡轮膨胀器中膨胀来产生排出流、并且将排出流引入产生一种或多种液体产物的蒸馏塔中。更具体而言，本发明涉及此类方法及装置，其中压缩的制冷空气流由增压器压缩机来在膨胀之前进一步压缩，以增加液体产物的制冷和生产，或旁通过(bypass)增压器压缩机来减小液体产物的制冷和生产。
【背景技术】
[0002]空气在空气分离装备中分离，空气分离装备采用低温精馏来将空气分离成产物，包括氮、氧和氩。在此类装备中，空气被压缩、净化出较高沸点污染物(如二氧化碳和水)、冷却至适于空气的蒸馏的温度、并且然后引入蒸馏塔系统中。
[0003]在一个典型的蒸馏塔系统中，空气在较高压力塔中分离成富氮蒸气塔顶产物(overhead)和粗液氧塔底产物(bottoms)(也称为爸液)。粗液氧塔底产物的流引入较低压力塔中，用于进一步提炼成富氧液体塔底产物和富氮蒸气塔顶产物。较低压力塔在低于较高压力塔的压力下操作，并且通过已知为冷凝器重沸器的热交换器来热地联结至较高压力塔上。冷凝器重沸器通过与富氧液体塔底产物的间接热交换来冷凝富氮蒸气塔顶产物的的流，以产生用于较高压力塔和较低压力塔两者的液氮逆流(reflux)，并且通过在此塔中产生的富氧液体塔底产物的部分的气化来在较低压力塔中产生沸腾(boilup)。
[0004]在任何类型的空气分离装备中，可由富氮和富氧的液体和蒸气构成的液体和蒸气引入主热交换器中，并且与进入(incoming)空气的间接热交换地穿过，以协助冷却空气，并且取得为来自主热交换器的热端的产物。另外，富集氧、氮或两者的液体产物可从蒸馏塔系统作为液体产物取得。另外，从塔除去的所有或一部分液体流可栗送来产生栗送或加压的液体，栗送或加压的液体在主热交换器或在设计成在高压下操作的分离的热交换器中加热，并且产生作为蒸气或超临界流体的富集产物。
[0005]由于空气分离装备必须保持在低温温度下以便允许空气被蒸馏，故制冷必须给予至装备，以便补偿进入装备的热泄漏和来自主热交换器或与其关联操作的其它热交换器的热端损失。另外，除去液体产物还将除去给予的制冷，这也必须通过将制冷引入装备中来补偿。这通常通过将压缩和净化的空气引入增压器压缩机中来形成压缩的制冷空气流而完成。压缩的制冷空气流在此类进一步压缩之后然后直接地或在部分地冷却此类流之后引入涡轮膨胀器中，以产生引入蒸馏塔系统中的排出流。在此方面，此类排出流可引入较低压力塔或较高压力塔中。
[0006]在很大程度上，操作空气分离装备的进行的花费为在对空气进行压缩中消耗的电力的成本。如上文所描述，当液体当作产物提取时，将需要进一步的压缩来生成在产生此类产物将需要的制冷。然而，对液体产物的需求和电力的成本并非恒定的。例如，相比于白天电力成本和液体需求，在夜晚时间期间，电力的成本和液体需求常将为较少的。结果，空气分离装备可设计成在电力为较廉价时循环地产生更多份额的液体产物、储存此类液体产物、并且然后减少在白天时间期间的液体的生产。
[0007]设计成能够以高和低的液体生产速率来产生液体产物的空气分离装备在本领域中是广为人知的。一般而言，此类装备采用旁通过增压器压缩机的旁通管线。当期望的是以较低速率来产生液体产物时，阀使否则将引入旁通管线中的增压器压缩机中的流定路线(route)。增压器压缩机的旁通将减小跨过涡轮膨胀器的压力比，并且因此，减小能够给予至空气分离装备的制冷的量。
[0008]然而，不是所有此类装备都能够在高生产率和低生产率之间循环地操作。例如，US5, 901，579公开了一种系统，其中涡轮增压器可被旁通过，以继而减小跨过涡轮的压力比。然而，此专利中所示的布置并不能够以液体生产将在高液体制成与低液体制成之间循环的方式来操作。此类系统可设置在其中使用增压器压缩机的高产生模式中或其中旁通过且不使用增压器压缩机的低生产模式中。在此专利中所示的流动回路中，如果增压器压缩机被旁通过而没有关闭装备，则增压器压缩机将立即进入喘振(surge)。如本领域中广为人知的那样，喘振是压缩机内的破坏性振荡流动状态，其由超过特定压缩机速度下的压力比引起。另外，将不可能使增压器压缩机逐渐地离线，因为在此专利中所示的流动回路中，压缩空气将反转其方向并流入预净化单元中。
[0009]甚至在设计成在液体生产的高速率与低速率之间循环地操作的装备中，能够实现的液体生产的范围的范围也是非常有限的。对此的一个主要原因与喘振有关。为了避免喘振，在旁通管线自身在线或者离线或进入低压操作模式时，旁通管线自身利用来首先将压缩空气从压缩机的出口循环至增压器压缩机的入口。其问题在于旁通管线中的阀用于此类目的，并且除非增压器压缩机与使用旁通的装备操作相比仅具有有限的压缩能力，否则至涡轮膨胀器的流动可分裂，导致涡轮膨胀器受损。另外，在此类装备中常使用的涡轮膨胀器在已知为增压器负载祸轮的布置中直接地联接到在普通小齿轮上(on a common pin1n)的压缩机上。当压力由增压器压缩机增大时，涡轮膨胀器的速度且因此联接的压缩机的速度将增大来驱使压缩机朝向喘振。如可认识到的那样，这还限制了增压器压缩机的压缩能力，并且因此限制了可应用于涡轮膨胀器的压力比的变化。结果，在此类布置中，空气分离装备可下调(turn down)来减少液体生产的程度是非常有限的。结果，在期望低液体生产率的周期期间的此类装备的动力节省也是有限的。
[0010]如将论述的那样，本发明提供了一种分离空气的方法和空气分离装备，其除其它优点外，允许旁通过增压器来下调液体生产，带有高于现有技术中构想出的液体下调能力。
【发明内容】
[0011]本发明提供了一种在空气分离装备中分离空气的方法，在空气分离装备中，压缩、净化和冷却的空气在构造成产生至少一种液体产物的空气分离装备的蒸馏塔系统中精馏。制冷借助于并未直接地联接到在普通小齿轮上的空气分离装备的单个压缩机上的涡轮膨胀器的使用来给予到空气分离装备中。制冷通过下列方式来给予:在空气分离装备内形成压缩的制冷空气流、在涡轮膨胀器中膨胀压缩的制冷空气流来产生排出流、并且将排出流引入空气分离装备的蒸馏塔系统中。通过有选择地将压缩的制冷空气流引入具有增压器压缩机的分支流动路径的增压器压缩机分支中来进一步压缩该压缩的制冷空气流且从而获得跨过涡轮膨胀器的较高的压力比和较高生产率，或引入旁通过增压器压缩机的分叉的流动路径的旁通分支，从而获得跨过涡轮膨胀器的较低压力比和较低生产率，改变至少一种液体产物的产生。
[0012]压缩的制冷空气流通过以下方式引入增压器压缩机分支中:将压缩的制冷空气流从旁通分支逐渐地转移至增压器压缩机分支、激活(activate)增压器压缩机且循环在分支的流动路径的再循环分支内从压缩机的出口流至压缩机的入口的再循环流，直到增压器压缩机的出口处的增压器压缩机分支压力超过旁通分支内的旁通压力，在此旁通分支内的再循环流和压缩的制冷空气流两者的流动停滞(suspended)。压缩的制冷空气流通过以下方式引入旁通分支中:将压缩的制冷空气流从增压器压缩机分支逐渐地转移至旁通分支，同时在再循环分支中循环再循环流，直到旁通压力超过增压器压缩机分支压力，在此增压器压缩机停用(deactivate)，并且增压器压缩机分支内的再循环流和压缩的制冷空气流两者的流动均停滞。应当注意的是，当在本文和权利要求书中使用时，用语“激活”和“停用”包含操作，其中增压器压缩机开启或关闭以及增压器压缩机在增压器压缩机停用时的低压模式和增压器压缩机激活时的高压模式两者中操作的模式。
[0013]由于涡轮膨胀器并未直接地联接到在普通小齿轮上的空气分离装备的单个压缩机上，或换言之，并非增压器加载的涡轮，故本发明中消除了在其它情况下限制在液体产物的生产中的空气分离装备的下调能力的现有技术的一个问题。增大跨过涡轮膨胀器的压力比将不会增加压缩机的速度来朝喘振驱动压缩机。然而，本发明的确包含US5，901，579中所示的布置，其中膨胀的功在大齿轮中消散，大齿轮也驱动压缩机，并且继而又由电动马达驱动。在此类布置中，涡轮膨胀器和压缩机的速度为恒定的，并且将不会由于改变跨过涡轮膨胀器的压力比而改变。取而代之的是，在恒定速度下且在跨过涡轮膨胀器的较高压力比下，更多膨胀功将消散到大齿轮中，以减小由驱动布置的电动马达消耗的功率。然而，其中涡轮膨胀器的速度改变的布置由本发明构想出。例如，涡轮膨胀器可联接到将膨胀功消散成电力的发电机或将膨胀功消散成热的油制动器上。另外，快速改变至涡轮膨胀器的流动的其它问题被消除，因为制冷空气流从增压器压缩机分支逐渐地转移到旁通分支中，此处期望的是低液体生产率，并且在期望高液体生产率时，还从旁通分支逐渐地转移至增压器压缩机分支中。在装备操作中的此类变化期间从压缩机的出口到入口的再循环流的独立再循环允许此类逐渐转移，而同时防止了增压器压缩机朝喘振驱动。结构，相比于现有技术，在本发明中可实现大得多的下调范围，并且因此实现较大程度的功率节省。
[0014]压缩的制冷空气流可在冷却空气中使用的主热交换器中部分地冷却。在此情况下，分叉的流动路径连接到主热交换器的热端上。在此方面，当在本文和权利要求书中使用时，用语“部分地冷却”意思是冷却到主热交换器的热端与冷却之间的温度。进一步地，增压器压缩机停用，由净化空气构成的清洗(purge)空气流可穿过增压器压缩机来防止环境空气进入增压器压缩机。
[0015]液体流可从蒸馏塔系统除去，并且分成第一支(subsidiary)液体流和第二支液体流。在此类情况下，至少一种液体产物包括第一支液体流，并且第二支液体流在主热交换器内加热来形成加热产物流。在至少一种液体产物的生产的减少期间，供应至空气分离装备的空气的空气流动速率减小来保持加热产物流的产物流动速率恒定。在本发明的特定实施例中，蒸馏塔系统可包括较高压力塔和在低于较高压力塔的压力下操作的较低压力塔，较低压力塔构造成进一步提炼在较高压力塔中产生的粗液氧塔底产物并且以传热关系连接到较高压力塔上。较高压力塔与较低压力塔之间的此传热连接通过与较低压力塔中产生的富氧液体间接热交换来冷凝在较高压力塔中产生的富氮蒸气塔顶产物来实现，从而提供液氮逆流至较高压力塔和较低压力塔。在此类情况下，液体流为由较低压力塔中产生的富氧液体塔底产物构成的富氧液体流。富氧液体流分成第一支液体流和第二支液体流。第二支液体流可栗送来产生加压液体产物流，并且在主热交换器内加热来产生加热产物流。另一压缩空气流在空气分离装备内形成，其在主热交换器中通过与加压液体产物流间接热交换来液化，从而产生液体空气流，并且液体空气流的至少一部分在压力上降低并至少引入较低压力塔中。
[0016]在此类特定实施例中