专利名称：用于通过低温蒸馏分离空气的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过低温蒸馏分离空气的方法和设备。本发明具 体涉及用于生产高压氧和/或氮的方法和设备。
背景技术：
由空气分离设备生产的气态氧通常处于大约20至50bar的高压。基本 的蒸馏方案通常是在以1.4至4bar的压力操作的低压塔的底部生产氧的双 塔工艺。必须通过氧压缩机或通过液体泵压方法将氧压缩至较高的压力。 由于与氧压缩机有关的安全问题，目前大多制氧设备都基于液体泵压方法。 为了使高压液态氧汽化，需要附加的马达驱动的增压压缩机来将一部分进 给空气或氮提升到40-80bar范围内的较高压力。实质上，用增压机代替了 氧压缩机。在尝试降低制氧设备的复杂性时，希望减少马达驱动的压缩机的数量。 如果能够不使用增压机而对设备性能没有太大影响，则可以在能耗方面大 大降低成本。此外，用于传统制氧设备的空气净化单元将在约5-7bar的压 力下操作，该压力基本上是高压塔的压力，也希望将此压力提升至较高水 平以使设备更紧凑和成本更低。如US-A-5，475，980中所述的冷压缩方法提供了 一种以单个空气压缩机 驱动制氧设备的技术。在此方法中，待蒸馏的空气在主热交换器中冷却然 后通过由向双塔工艺的高压塔中排气的膨胀机驱动的增压压缩机进一步压 缩。通过这样做，空气压缩机的排放压力在15bar的范围内，这对净化单 元也相当有利。这种方法的一个不便之处在于，由于通常用于冷压缩设备 的附加的流动循环而导致主热交换器的尺寸增加。可以通过增大热交换器的温差来减小交换器的尺寸。但是，这会导致不充分的动力使用和较高的 压缩机排放压力，由此提高其成本。图l示出该现有技术，其中添加了油 压制动器来耗散制冷所需的能量。在较大的设备中，可使用压缩机和/或发 电机代替油压制动器。在图l中，所有进给空气在压缩机l中压缩、在净化单元2中净化、 并且作为流11送到热交换器5的暖端/高温端。所有进给空气冷却至中间 温度、作为流7从热交换器排出并在冷压缩机8中压缩。将压缩流9以一 较高的中间温度送回热交换器、冷却至一低于冷压缩机8的进口温度的温 度并且分成两部分。将流15送到由压缩机8和油压制动器制动的克劳德 (Claude)膨胀机13中。空气的剩余部分10在热交换器中液化并分成两 部分， 一部分送到高压塔30,剩余部分34送到低压塔31。使富氧液体流28膨胀并从高压塔送到低压塔。使富氮液体流29膨胀 并从高压塔送到低压塔。从高压塔的顶部取出高压气态氮14并在热交换器 中使其升温以形成产品流24。从低压塔31的底部取出液态氧20，通过泵 21加压并作为流22送到热交换器5，在该热交换器中液态氧通过与加压空 气10热交换而汽化以形成气态加压氧23。从低压塔31取出顶部富氮气体 流25,使其在热交换器5中升温，然后形成流26。在现有技术如US-A-5379598 、 US-A-5596885 、 US-A-5901576和 US-A-6626008中也描述了一些不同形式的冷压缩方法。在US-A-5379598中， 一小部分进给空气通过增压压缩机然后通过冷 压缩机进一步压缩以产生氧汽化所需的加压流。这种方法仍然具有至少两 个压缩机，而且净化单元仍然在低压下操作。在US-A-5596885中， 一小部分进给空气在暖增压机中进一步压缩， 同时至少部分空气在冷增压机中进一步压缩。来自两个增压机的空气被液 化，并且部分经过冷压缩的空气在克劳德膨胀机中膨胀。US-A-5901576描述了多个冷压缩方案的布置，该冷压缩方案使用高压 塔底部的汽化的富液的膨胀或高压氮的膨胀来驱动冷压缩机。在一些情况 下，也使用马达驱动的冷压缩机。这些方法也使用约为高压塔的压力下的进给空气来进行操作，并且大部分情况下也需要增压压缩机。US-A-6，626，008描述了 一种使用冷压缩机以改进蒸馏方法的热泵循 环，该蒸馏方法用于生产双蒸发器氧处理用的低纯度的氧。这类方法也通 常采用低空气压力和增压压缩机。发明内容因此，本发明的目的是通过提供一种用以简化压缩系统和减小净化单 元的尺寸的解决方案来解决传统工艺的不便之处。此外，这样还可以实现 良好的动力消耗。因此可以降低制氧设备的总生产成本。动力消耗的主要 改进是由于通过主要使用潜热来代替比热而导致冷压缩机流量的减少。所有列出的百分比都M尔百分比。根据本发明，提供了 一种用于在包括高压塔和低压塔的塔系统中通过 低温蒸馏分离空气的方法，该方法包括以下步骤i) 在第一压缩机中将所有进给空气压缩至第一出口压力；ii) 将处于第一出口压力的空气的第一部分送到第二压缩机，并将该部 分空气压缩至第二出口压力；iii) 在热交换器中冷却处于第二出口压力的空气的至少一部分以形成 处于第二出口压力的冷却的压缩空气，液化处于第二出口压力的空气的至 少一部分，并将液化空气送到塔系统的至少一个塔中；iv) 在热交换器中冷却处于第一出口压力的空气的第二部分，并在膨 胀才几中使所述空气的第二部分的至少一部分从第一出口压力膨胀到塔系统 的塔的压力，并将膨胀后的空气送到该塔；v) 从塔系统的塔中取出液体，对该液体加压，并在热交换器中通过热 交换使该液体汽化；vi) 至少部分地汽化辅助流体，最后在热交换器中使所述辅助流体进 一步升温，将该辅助流体的至少一部分送到第三压缩机以将其压缩至第三 出口压力，将处于所述第三出口压力的所述辅助流体的至少一部分引入热 交换器，冷却所述辅助流体并至少部分地液化所述辅助流体，从热交换器中取出所述辅助流，并且在将所述辅助流重新引入热交换器以如上所述在 其中部分地汽化之前使其膨胀至第四压力水平。根据本发明的可选特征-在第一压力下在热交换器中液化另外的空气。國第三压缩机压缩包含至少一种下述气体的辅助流体He， H2， Ne， N2， CO, Ar, 02, CH4， Kr， NO, Xe， CF4, HCF3， C2H4， C2H6， C2F6， C3F8， N20， C02。國第三压缩机压缩其主要组分包括Ar， 02, CBU和Kr中的至少一种 的辅助流体。根据本发明的另 一个方面，提供了 一种用于通过低温蒸馏分离空气的 设备，包括a) 塔系统；b) 第一、第二和第三压缩机； c )膨胀机；d) 用于将空气送到第一压缩机以形成处于第一出口压力的压缩空气的 管道；e) 用于将处于第一出口压力的空气的第一部分送到第二压缩机以形成 处于第二出口压力的空气的管道；f) 热交换器，用于将处于第二出口压力的空气的至少一部分送到该热 交换器以形成处于第二出口压力的冷却的压缩空气的管道；g) 用于从热交换器中取出处于第二出口压力的液化空气以及用于将液化空气送到塔系统的至少 一 个塔的管道；h) 用于从热交换器取出处于第一出口压力的空气的第二部分以及用于 将空气的笫二部分的至少 一部分送到膨胀机的管道；i) 用于将在膨胀机中膨胀过的空气送到塔系统的至少一个塔的管道； j)用于从塔系统的塔中取出液体的管道，用于对该液体的至少一部分加压以形成加压液体的装置，以及用于将该加压液体的至少一部分送到热交换器的管道；以及k)制冷循环，该制冷循环包括第三压缩机和第二膨敝f几(16)、用于 将辅助流体从第三压缩机送到热交换器的管道、用于将辅助流体从热交换 器送到第二膨胀机的管道、用于将辅助流体从第二膨胀机送到热交换器的 管道、以及用于将辅助流体从热交换器送到第三压缩机的管道。根据本发明的其它可选方面，所述设备可以包括附加的膨胀机和用于 将来自塔系统的塔的氮或空气送到该附加的膨胀机的装置。在此情况下，第二压缩机和第三压缩机中的一个可与膨胀机相联接， 而第二压缩机和第三压缩机中的另一个可与附加的膨月^f几相联接。第二压缩机和第三压缩机中的至少一个与空气膨胀才;i4目联接。 优选地，用于将处于第一出口压力的空气的第一部分送到第二压缩机 的管道连接在热交换器的中间位置。优选地，第二压缩机和第三压缩机串联连接。膨胀机可以选自如下组，该组包括其出口与高压塔相连接的空气膨胀 机、其出口与低压塔相连接的空气膨胀机、高压氮膨胀机以及低压氮膨胀 机。所述设备可以包括选自如下组的附加的膨胀机，该组包括其出口与高 压塔相连接的空气膨胀机、其出口与低压塔相连接的空气膨月i^几、高压氮 膨胀机以及低压氮膨胀机。优选地，附加的膨胀机与第二膨胀机和第三膨胀4几中的一个相联接。
下面将参照图2、 3、 5和6、图4和图7详细描述本发明，图2、 3、 5 和6是表示根据本发明的低温空气分离方法的工艺流程图，图4是热交换 图，图7示出在根据本发明的方法中用于压缩机和膨脉4几的联接系统。
具体实施方式
在图2的实施例中，大气通过空气压缩机1压缩并且在净化单元2中 净化，以产生没有杂质——例如可在低温装备中凝固的水分和二氧化碳一一的空气流(流11 )。所述空气的第一部分在增压制动压缩机(booster brake compressor) 3中压缩以进一步提升其压力。然后，该加压的第一部 分(流4 )在主热交换器5中冷却以冷凝形成液化空气流(流27 ),该液 化空气流在阀中膨胀后进给到至少一个蒸馏塔中。根据所使用的压力，空 气可以在主热交换器中或在主热交换器下游液化。将氪(90%)和氧(10 % )的辅助流体混合物6引入热交换器5，使其在热交换器5中汽化并在 汽化后稍;微升温以生成处于中间温度Tl下的冷辅助气态流。将该冷辅助 流的至少一部分(流7 )在温度Tl下送到冷制动压缩机8中压缩以提升其 压力(流9)。然后将流9在高于T1的温度T2下送回热交换器，并且使 其在热交换器5中冷却以冷凝形成液化辅助流(流10 )，该液化辅助流在 阀16中膨胀以形成流6。如果流6是两相流体，则可以增加分相器，将液 相引入热交换器5而使气相与流7混合。流11的第二部分(流12 )在热 交换器5中冷却以形成流15，将该流15以入口温度T3送到膨胀机13膨 胀，然后进入高压塔。优选地，使用膨胀机13产生的动力来驱动增压制动 压缩机3。流12的剩余部分液化成流33并且^皮送到高压i荅30。可从高压 塔30提取富氮气体14,在热交换器5中升温以形成流17，该流17然后在 具有入口温度T4的膨胀机18中膨胀。膨胀机18的动力可优选地用于驱 动冷增压制动压缩机8。膨胀机18的排气(流19)然后返回热交换器5 的冷端，以重新加热至接近环境温度以形成流24。泵21将从低压塔31底 部提取的液态氧产品20的压力升高到所希望的压力，然后将加压氧流22 送到热交换器5进行汽化和加热以生成氧产品23。双塔系统是如在许多关 于空气分离技术的专利或文献中所述的传统类型的双塔工艺，其具有高压 塔30和低压塔M， 二者通过位于低压塔底部的再沸器-冷凝器热连接。氩 塔可以与双塔系统一起使用以提供浓缩氩流。上述温度T1、 T2、 T3和T4作为优选设置给出。在上文中，从最热 的温度到最冷的温度的排列是T2、 T5、 T1和T3。根据汽化氧的压力和塔 系统的压力，可以改变这些温度的顺序以使工艺性能最优化。值得注意的是，增压制动压缩机3是单级压缩机，并且通常作为膨胀机-增压机组件的一部分来提供，因此，与独立的或马达驱动的增压压缩机 相比，其构造筒单得多且其成本结构低得多。但是如果需要的话，压缩机3可以是独立的或马达驱动的增压压缩机。取决于流4和流23的压力，压 缩才几8可以是具有一至四个级的独立的或马达驱动的增压压缩机。压缩枳j 8可以由膨胀机18 (或者可选地膨胀机13 )以相同速度直接驱动，或通过 齿轮传动/变速装置以使增压机和膨胀机的性能最优化。图2的实施例的工艺参数的范围如下流ll的压力约9至17bara流4的压力约16至50bara流9的压力在富氪混合物的情况下约5至20bara Tl:约-110。C至-165。C可以通过可选地提取一些流12作为液化空气流33来减少由增压制动 压缩机8压缩的流量。这样，需要较少的动力来驱动增压制动压缩机8， 因此可以节约动力。在第一压力下液化的空气的量不应多于送到塔系统的 液化空气的50%,优选地不多于40%,更优选地不多于35%。在空气分离技术中用空气膨胀机代替氮膨胀机是公知常识。图3的实 施例描述了这种布置在第一压缩机之后，使流ll的部分12在热交换器 5中冷却并且提取该流的一部分以形成流50，将流50送到膨胀机52膨胀， 然后进入低压塔31。膨胀机52的动力优选地用于驱动冷压缩机8。值得注 意的是，也可以选择在进入热交换器5之前划分流12,并且将相应的空气 流送到热交换器5中的单独的通道中冷却、在膨胀机52中膨胀，然后ii^ 塔。图4示出对应于图3的方法的热交换图。可以如图5中所述稍微修改上述技术使膨胀机13的排气流54的空 气的一部分53在热交换器5中升温，然后送到膨胀机52膨胀，接着进入 低压塔。在流54中存在冷凝的情况下，可以通过增加气-液分离器来提取 进给到膨胀机52的气体，或甚至更好地使用高压塔的贮槽作为分离器，在 这种情况下，在高压塔的贮槽处提取进给到膨胀机的气体。在许多需要大量高压富氮气体产品的情况下，使用富氮气体膨胀机18不再经济。相反，如图6所示，可以从高压塔30直接提取和生产富氮气体 14以生产氮产品41。在这些情况下，可以选择提升压缩机l的压力以增加 膨胀机13的动力输出，从而补偿由不使用氮膨胀机导致的制冷不足。为了 进一步简化膨胀机和增压制动压缩机的布置，可以将串联的膨胀机和增压 制动器(booster brake)机械地集成到单个系统中膨胀机13的动力驱动 两个压缩才几制动器3 (单级)和8 (两级)。此外，马达和/或发电才几60可 以根据某时刻希望从设备得到的性能和产量从系统中提取或给系统添加机 械动力。根据膨胀机和增压制动压缩机的流量和压力，可以使用变速器(齿 轮传动装置)来使系统性能最优化。图7示出具有齿轮传动装置的布置。 也可以把其它膨胀机18、 52加入这类系统。可以修改所述方法，使抽取的液氮汽化成附加的流或代替抽取的氧流 的流。所说明的方法示出双塔系统，但是可以容易地理解，本发明可应用于 三塔系统。在双塔或三塔系统在高压下操作的情况下， 一些低压氮可在膨胀机18 中膨胀。
权利要求
1.一种用于在包括高压塔和低压塔的塔系统中通过低温蒸馏分离空气的方法，包括以下步骤i)在第一压缩机(1)中将所有进给空气压缩至第一出口压力；ii)将处于第一出口压力的空气的第一部分(4)送到第二压缩机(3)，并将该部分空气压缩至第二出口压力；iii)在热交换器(5)中冷却处于第二出口压力的空气的至少一部分；iv)在热交换器中冷却处于第一出口压力的空气的第二部分(12)，并在膨胀机(13)中使所述空气的第二部分的至少一部分从第一出口压力膨胀到塔系统的塔(30)的压力，并将膨胀后的空气送到该塔；v)从塔系统的塔(31)中取出液体(20)，对该液体加压，并在热交换器中通过热交换使该液体汽化；vi)在热交换器中至少部分地汽化辅助流体，最后在热交换器中使所述辅助流体进一步升温，将该辅助流体的至少一部分送到第三压缩机(8)以将其压缩至第三出口压力，将处于所述第三出口压力的所述辅助流体的至少一部分(9)引入热交换器，冷却所述辅助流体并至少部分地液化所述辅助流体，从热交换器中取出所述辅助流，并且在将所述辅助流(6)重新引入热交换器以进行前述至少部分地汽化的步骤之前使其膨胀至第四压力水平。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第二压缩机(3) 的上游冷却空气的第一部分的至少一部分。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在第二压缩机(3) 的上游在热交换器(5)中冷却空气的第一部分的至少一部分。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在第二压缩机的上游 在热交换器中使用制冷单元冷却空气的第一部分的至少一部分。
5. 根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，在第一压力和第 二压力中的至少一个压力下在热交换器中液化另外的空气(27, 33)。
6. 根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，第三压缩机压缩 选自包括以下气体中的至少一种的组的辅助流体He, H2， Ne， N2, CO， Ar, 02， CH4， Kr, NO, Xe, CF4， HCF3， C2H4， C2H6, C2F6， C3F8， N20， C02。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，辅助流体的主要组分 是Ar, 02， CBU和Kr中的至少一种。
8. —种用于通过低温蒸馏分离空气的设备，包括a) 塔系统(30， 31);b) 第一、第二和第三压缩机(1， 3， 8);c) 第一膨胀机(13);d) 用于将空气送到第一压缩机以形成处于第一出口压力的压缩空气的 管道；e) 用于将处于第一出口压力的空气的第一部分送到第二压缩机以形成 处于第二出口压力的空气的管道；f) 热交换器(5)，用于将处于第二出口压力的空气的至少一部分送 到该热交换器以形成处于第二出口压力的冷却的压缩空气的管道；g) 用于从热交换器中取出处于第二出口压力的液化空气以及用于将液 化空气送到塔系统的至少一个塔的管道；h) 用于从热交换器取出处于第一出口压力的空气的第二部分以及用于 将空气的第二部分的至少一部分送到膨胀机的管道，用于将在膨胀机中膨 胀过的空气送到塔系统的至少 一个塔的管道；i) 用于从塔系统的塔中取出液体的管道，用于对该液体的至少一部分 加压以形成加压液体的装置，以及用于将该加压液体的至少一部分送到热 交换器的管道；以及j)制冷循环，该制冷循环包括第三压缩机和第二膨胀机(16)、用于 将辅助流体从第三压缩机送到热交换器的管道、用于将辅助流体从热交换 器送到第二膨胀机的管道、用于将辅助流体从第二膨胀机送到热交换器的 管道、以及用于将辅助流体从热交换器送到第三压缩机的管道。
全文摘要
一种用于在包括高压塔和低压塔的塔系统中通过低温蒸馏分离空气的方法，包括在第一压缩机(1)中将所有进给空气压缩至第一出口压力，将处于第一出口压力的空气的第一部分送到第二压缩机(3)并将该部分空气压缩至第二出口压力，在热交换器(5)中冷却处于第二出口压力的空气的至少一部分，液化处于第二出口压力的空气的至少一部分并且将液化空气送到塔系统的至少一个塔，其中送到塔系统的液化空气的至少50％在第二压缩机中压缩过，在热交换器中冷却处于第一出口压力的空气的第二部分(12)，并在膨胀机(13)中将空气的第二部分的至少一部分从第一出口压力膨胀到塔系统的塔(30，31)的压力，并将膨胀后的空气送到该塔，至少部分地汽化辅助流体(6)，最后在热交换器中使所述辅助流体进一步升温，将该辅助流体的至少一部分送到第三压缩机(8)以将其压缩到第三出口压力，将处于所述第三出口压力的所述辅助流体的至少一部分(9)引入热交换器中，冷却所述辅助流体并至少部分地液化所述辅助流体，从热交换器中取出所述辅助流(10)，并且在将所述辅助流重新引入热交换器以如上所述在其中至少部分地汽化之前使其膨胀(16)至第四压力水平，从塔系统的塔(31)取出液体(20)，并且在热交换器中通过热交换使该液体汽化。
文档编号F25J3/04GK101268326SQ200680034990
公开日2008年9月17日 申请日期2006年9月21日 优先权日2005年9月23日
发明者J-P·特拉尼耶 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司