空气压缩系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于空气分离装备(plant)的空气压缩系统及方法，在该空气分 离装备中，变溫吸附单元（temperatureswingadsorptionunit)位于一系列压缩级的中 间位置上，使得吸附在4(K)psia至化OOpsia之间的范围内的压力下进行，W降低否则将在此 范围外的压力下招致（incur)的成本。
【背景技术】
[0002] 在低溫空气分离装备中，空气被压缩、净化去掉较高沸点的污染物(诸如水蒸气和 二氧化碳)并且然后冷却到适合于空气的低溫蒸馈的溫度。空气然后典型地在双塔空气分 离单元内精馈，该双塔空气分离单元具有较高压力塔(column),W产生富氮蒸气塔顶产物 (overhead)和粗液氧塔底产物(bottoms)(也已知为蓋液）。粗液氧塔底产物在较低压力塔 中进一步精炼，W产生富氧液体塔底产物和另一富氮塔顶产物。使用较低压力塔的富氧液 体塔底产物来冷凝在较高压力塔中产生的富氮蒸气，并且一般地，使用所得的富氮液体来 回流两个塔。富氧液体塔底产物由于富氮蒸气的冷凝而部分地气化，W提供较低压力塔中 的沸腾(boilup)。来自此装备的产物可为氮和氧的蒸气和液体产物。此外，如果氣产物是期 望的，则氣塔可附接到较低压力塔上，W精炼氣产物。
[0003] 如上文所述，在将空气冷却至适合于进行蒸馈的低溫溫度之前，空气必须净化去 掉较高沸点的污染物，例如，水蒸气和二氧化碳。运些组分中的任一者均可在空气的冷却期 间凝固，并且累积在出于此类目的而使用的主热交换器的热交换通路内。水蒸气和二氧化 碳因此由吸附过程和系统来除去，吸附过程和系统利用了在异相循环中操作的吸附剂的床 来吸附此类污染物。当一个吸附剂床正在吸附杂质时，另一个床再生(regenerate)。在空气 分离装备中，吸附单元提供为根据变溫吸附周期来操作。在变溫吸附循环中，吸附剂床通过 使用热的气体(典型地，由空气分离装备产生的废氮)来再生。
[0004] US5,846,295中描述了变溫吸附周期的示例，其在净化空气分离装备中的空气中 是有用的。在该专利中，空气在主空气压缩机6中压缩至可为从28psia到25化Sia中的任一 处的压力。空气在热交换器8和10中冷却。空气的冷却将使空气的水蒸气含量中的一些冷 凝。然后，压缩空气供应至入口歧管12,取决于哪个容器(vessel)联线(online)W及哪个 正在再生，该压缩空气从该入口歧管12处给送至两个吸附剂容器2或4中的一个。净化空气 从出口供应至容纳了蒸馈塔的空气分离装备的冷箱。吸附剂容器2和4包含将吸附水蒸气和 二氧化碳的氧化侣吸附剂。一旦吸附剂容器装满此类杂质，则允许累积在吸附剂床内的高 压气体在减压或放空(blowdown)步骤中排出，并且来自冷箱的干的富氮废气随后被引入 热交换器66中，在该热交换器66中，干的富氮废气被加溫并供应至待再生的吸附剂床。由于 热的干的富氮废气对吸附剂进行加热，杂质将从吸附剂脱附(desorb)。一旦床已再生，则其 W由主空气压缩机6产生的压缩气体的一部分再加压，并且带回到联线中。联线的吸附剂床 然后如上文所述那样再生。
[0005] 如可领会的那样，在空气分离装备的制造和操作中，期望的是使可在装备的寿命 内资本化的制造成本和通过电功率使用招致的进行中（ongoing)运行成本两者均降低。诸 如上文已描述的那样，通过在常规压力下操作变溫吸附单元，制造和操作成本至少在一定 程度上比在较高压力下操作变溫吸附单元降低。在此方面，一种成本来自于制成容纳吸附 剂的容器的材料。与吸附在较高压力下进行的情况相比，较低的操作压力将允许吸附剂容 器具有较薄的侧壁。因此，至此程度，在设计来在较低压力下操作时，吸附剂床的制造成本 降低。如上文所述，成本还由通过电功率消耗招致的进行中操作成本引起。因为吸附剂床的 减压代表了高压力空气的损失，而该高压力空气具有与排出的空气的压缩相关的特定动力 成本，故在吸附剂床再生期间进行的减压或放空步骤也代表了成本。在较低压力下在对空 气进行压缩而招致的动力成本小于在将空气压缩至较高压力中设及的成本。因此，通过在 较低压力下操作变溫吸附过程，使在吸对附剂床进行减压中设及的成本小于否则在较高压 力下将招致的成本。
[0006] 如将进一步论述的那样，在其它优点之中，本发明提供了一种用于空气分离装备 的压缩系统，该空气分离装备具有位于压缩系统的位置内的变溫吸附单元，W允许吸附在 高于由现有技术构想的压力（即，在4(K)psia至化OOpsia之间）下进行，并且带来了制造成本 和进行中操作成本两者上的降低，优于其中变溫吸附单元在较低压力下操作的压缩系统。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种用于空气分离装备的多级空气压缩系统。该压缩系统具有一系 列压缩级，W压缩空气，一系列压缩级设有压缩机和压缩机之间的中间冷却，W冷却空气并 除去水蒸气。提供了变溫吸附单元来吸附水蒸气和二氧化碳，变溫吸附单元包括具有由分 子筛形成的至少一种(one)吸附剂的吸附床。变溫吸附单元位于压缩级的中间位置上，使得 在进入吸附剂床中时，空气压力为大约4(K)psia到大约6(K)psia之间，并且水蒸气已通过空 气的级间冷却或后冷却而从空气除去至25化pmv到50化pmv之间的水平。各个吸附剂床尺寸 确定为包含一定体积至少一种吸附剂，其足W使水蒸气和二氧化碳降低至预定水平，并且 具有将把空气的空气速度设为低于将发生吸附剂床流化的水平的最小横截面流动区域。
[0008] 如在下文中将进一步详细论述的那样，在现有技术中未曾领会到的是成本（即，由 功率消耗和床制造所引起的那些成本)并非必定随着压力而增大。例如，尽管较高的操作压 力将由于吸附剂床在较高压力下放空或减压而导致增大的功率消耗，但由于压力下降的功 率消耗将为较少的。其原因在于，尽管床内的压力下降将随着压力而增大，但压力下降代表 了较高压力下的压力的较小部分，并且因此，由于压力下降的动力成本减少。如将论述的那 样，在40化Sia到eOOpsia之间，此类成本平衡和功率消耗是最低的。此外，将需要较少的吸 附剂来将杂质吸附至用于待在冷箱中进行的低溫蒸馈的足够低的水平。其原因在于，在较 高压力下，压缩机之间的不变的级间冷却将引起更多水在变溫吸附之前从空气流除去。此 夕h将需要较少的分子筛吸附剂来用于吸附二氧化碳，运在较高压力下是有利的。仅有的将 增大的成本因素是在由在较高压力下所需的壁厚上的增大所引起的吸附剂容器成本。然 而，运也可通过设计带有避免床流化所需的最小横截面流动面积并且因此带有较小的容器 直径的床来平衡。
[0009] 至少一种吸附剂可为包含在各个吸附剂床内的两层中的氧化侣吸附剂和分子筛 吸附剂。压缩级可具有高速永磁电机来驱动压缩机。一系列压缩级可包括压缩级的初始系 列和与该压缩级的初始系列成流动连通的两个增压器压缩级，W产生用于加热由空气分离 装备产生的加压流的第一增压(boosted)空气流，W及用于在满轮膨胀器内膨胀来向空气 分离装备提供制冷的第二增压空气流。变溫吸附单元位于一系列压缩级与两个增压器压缩 级之间。
[0010] 本发明还提供了一种压缩用于空气分离装备的空气的方法。根据此方法，空气在 一系列压缩级中压缩。水蒸气和二氧化碳在位于压缩级的中间位置