专利名称：具有一体化机械压缩的低温空气分离系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于生产气体产品和液体产品的低温空气分离，更具体地说，涉及用来向低温空气分离装置供应规定压力能量的压缩系统，使该装置能有效地生产所要求的各类产品。
适度数量的低温液体产品可用空气分离装置通过对来自主空气压缩机的部分空气流增压、冷却、然后经低压塔膨胀机膨胀进行生产。对于内部压缩循环来说，在常规循环和/或涡轮机的情况下，不能对指定地点的液体生产进行有效的成本效益调节。必须使解决方案做到为高液体产量设计的装置能随有关能量节省而减少其液体产量。另外，设计开发市场时要建立的装置应适合最后高液体产率用，而开始运转时应处于高效、低产率直至市场变大为止。
问题是由泵抽液氧循环，特别是有关产品锅炉压缩机的本性所引起的。部分来自主空气压缩机的空气流经压缩、冷却后，于产品锅炉内冷凝以便蒸发高压液氧流。在每台装置上，气体氧流的输送压力都是固定的。尽管该压力可从50变化到500磅/英寸2表压，但它在各台装置上仍保持恒定。这就要求使用供应高压进料空气的压缩机，称作产品锅炉压缩机，必须输送恒定的压力。正是这种固定的输送压力条件才限制了液体产品的可变性。一旦选定离心式压缩机并在指定的输入压力和流量下进行操作，吸入压力下降是不可能的。吸入压力的任何下降都会引起出口压力的相应下降，这就意味着装置的气体氧压力条件没有得到满足。
尽管指定装置的气体氧压力必须保持恒定，但是还希望从该装置中出来的液体产量能够变化。用于液体生产的空气流的加压或通过单独的压缩机或通过在涡轮机工作出口旁加载增压器来完成。减少来自指定地点的液体产品可通过降低低压塔涡轮机的入口压力来实现。如果使用单独的压缩机，涡轮机入口压力的这种降低可通过使用导向叶片或吸入减压阀调节装置的出口压力完成。这样就会使液体产品随有关能源的减少而减少，虽然费用稍有损失。这种替代方案的缺点在于当要求包括马达、导轨、润滑油系统等在内的单独压缩机时成本要增加。除了相同构件外这也是产品锅炉压缩机和涡轮机所要求的。
涡轮机的加载增压器是花费较少的替代方案，但不存在与液体调节有关的能源节省问题。降低压缩机入口压力将会引起出口压力的下降和液体产量的减少。然而，由于由涡轮机加载增压器，所以没有电能的减少。能量的节省可通过降低主空气压缩机的输送压力来降低增压器入口压力实现。但是，对待满足其要求条件的产品锅炉压缩机来说，主空气压缩机的输送压力必须保持恒定。此外，在使用供液体生产用的涡轮机负载增压器的压缩机情况下，不会有能量的节省。
常规系统情况下的另一个问题是产品锅炉压缩机本身的选择。产品锅炉压缩机用来把空气压力提高到产品锅炉内液氧沸腾所必须的程度。正如上面在涡轮增压器方面所讨论的，用于此处的单独压缩机的费用过高。为了降低费用，在主空气压缩机内增加额外的齿轮，从而在主空气压缩机上添加了一级或多级产品锅炉压缩机。这种可供选择的方案缺点在于依靠这些产品锅炉的叶轮，获得良好的效果是困难的。这是因为为了优化主压缩机叶轮的效果，设定了大齿轮的速度，但对于产品锅炉叶轮来说，这不是典型最佳的速度。
总的来说，问题在于目前在恒定产品气体氧压力下，没有能以成本效益和方便的方式使液体产量变化的系统。对于选定用在某个最低数量以上的液体产品的装置来说，液体产量的调节是非常重要的。不能减少液体的产量，有损于受控于市场情况变化的装置能力。当建立装置时，不会立即出现需求大量的液体。但是，若市场需求增加时，设计能生产大量的液体但也能有效生产小量的装置，将是很有价值的。
由此，本发明的目的在于提供能有效地生产气体产品也能生产液体产品的低温空气分离系统，尤其是在规定的提高压力下生产气体产品和当液体产量变化时。
基于阅读本说明书的所属技术领域的技术人员，对由本发明完成的上述和其他目的将变得很清楚，本发明的一个方面是一种从低温空气分离装置生产气体和液体产品的方法，包括(A)压缩低温空气分离装置用的总进料空气至基本负荷压力；(B)将基本负荷进料空气分成涡流增压器流体和产品锅炉增压器流体；
(C)通过流经至少一个涡轮增压器压缩机进一步压缩涡轮增压器流体，并使涡轮增压器流体流入低温空气分离装置；(D)通过流经至少一个产品锅炉增压器压缩机进一步压缩产品锅炉增压器流体，使产品锅炉增压器流体流过产品锅炉，再使产品锅炉增压器的流体进入低温空气分离装置；(E)通过一单一变速箱提供能量以使所有的涡轮增压器和所有的产品锅炉增压器压缩机运转；(F)在低温空气分离装置中通过低温精馏分离涡轮增压器流体和产品锅炉增压器流体成为气体产品和液体产品；和(G)从低温空气分离装置中回收气体产品和液体产品。
本发明的另一方面是从低温空气分离装置生产气体和液体产品的设备，包括(A)具有至少一个塔的低温空气分离装置；(B)基本负荷空气压缩机和供进料空气进入基本负荷空气压缩机的装置；(C)至少一台涡轮增压器压缩机和供来自基本负荷空气压缩机的进料空气流入一台或多台涡轮增压器压缩机的装置；(D)至少一台产品锅炉增压器压缩机，产品锅炉，供来自基本负荷空气压缩机的进料空气流入一台或多台产品锅炉增压器压缩机和来自一台或多台产品锅炉增压器压缩机的进料空气流入产品锅炉的装置；(E)变速箱，供各涡轮增压器压缩机与变速箱传动连接的装置，和供各产品锅炉增压器压缩机与变速箱传动连接的装置；(F)供来自一台或多台涡轮增压器压缩机的进料空气进入低温空气分离装置的装置，和供来自产品锅炉的进料空气进入低温空气分离装置的装置；和(G)供回收低温空气分离装置中气体产品的装置和供回收低温空气分离装置中液体产品的装置。
当用于本发明中时，术语“进料空气”指的是主要含有氧、氮和氩的混合物，如环境空气。
当用于本发明中时，术语“塔”指的是蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或区，其中液相和气相逆流接触以进行流体混合物的分离，例如通过气相和液相在一系列竖直放置的塔盘或安装在塔内的塔板和/或填料单元如结构或无规填料上接触。为了蒸馏塔的进一步讨论，参见“化学工程师手册”，第五版，R.H.佩里和C.H.奇尔顿编，麦格劳-希尔图书公司，纽约，第13章，连续蒸馏工艺(See the Chemical Engineer′sHandbook,fifth edition,edited by R.H.Perry and C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,New York,Section 13,TheContinuoas Distillation Process)。
术语“双塔”使用时意指具有与低压塔下端呈热交换关系形式的上端的高压塔。双塔的进一步讨论登载在鲁曼(Ruheman)的“气体的分离”中，牛津大学出版社，1949，第Ⅶ节，工业气体分离(“TheSeparation of Gasee”,Oxford University Press,1949,ChapterⅦ,Commercial Air Separation)。
气液接触分离工艺过程取决于各成分蒸汽压的差别。高蒸汽压(或易挥发或低沸点的)的成分倾向在气相中浓缩而低蒸汽压(或不易挥发或高沸点)的成分倾向于在液相中浓缩。部分冷凝是一种借助蒸汽混合物的冷却被用于浓缩一种或多种挥发性成分于气相中而因此使一种或多种不易挥发的成分浓缩在液相中的分离工艺过程。精馏，或连续蒸馏，是一种通过气液相逆流处理时所生成的连续部分蒸发和冷凝结合的分离工艺过程。气液相逆流接触通常是绝热的且能包括积分(分段)或微分(连续)的相间接触。利用精馏原理分离混合物的分离方法的装置经常被互换称作精馏塔、蒸馏塔、或分馏塔。低温精馏是一种至少部分在或低于开氏温度150°(K)下进行的精馏工艺过程。
当用于本发明中时，术语“间接热交换”指的是使两股流体进入热交换关系但没有任何物理接触或流体彼此的混合。
当用于本发明中时，术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”分别指的是用于使高压气体流通过轴向或径向涡轮机以降低气体的压力和温度借此产生致冷作用的方法和设备。
当用于本发明中时，术语“压缩机”指的是提高气体压力用的装置。
当用于本发明中时，术语“产品锅炉”指的是热交换器，其中来自低温空气分离装置的液体，通常在提高压力下，通过与进料空气的间接热交换被蒸发。产品锅炉可能是单一的单元也可能被装入用于冷却进料空气的热交换器中。
当用于本发明中时，术语“涡轮增压器压缩机”指的是一压缩机，典型的是旋转叶轮单元，用于提高气体的压力，通常是提高部分进料空气的压力，用于提高工艺的致冷作用，经涡轮膨胀后的气体可产生致冷作用。
当用于本发明中时，术语“产品锅炉增压器压缩机”指的是一压缩机，典型的是旋转叶轮单元，用于提高气体的压力，通常是提高部分进料气体的压力，用于蒸发液体以提供气体产品。一般对液体进行加压以便在提高的压力水平下获得蒸发的气体。
当用于本发明中时，术语“变速箱”指的是用于在能量提供者(即电动机、蒸汽涡轮机和气体膨胀器)和能量使用者(即气体压缩机、发电机)之间传送轴能的装置。变速箱是各个齿轮与具有相关轴的齿轮一体化的组合，从而为每个能量单元提供最优化的轴速。
图1是本发明低温空气分离系统的一个最佳实施方案的简化示意图。
图2详细说明用于本发明实施的桥式装置的实施方案以及引入低温空气分离系统的一体化。
附图中的标号对于通用部件相同。
参照附图将对本发明作详细地描述。现看图1和2，供给低温空气分离装置的总进料空气，用进料空气流50表示，进入基本负荷空气压缩机51，在其中被压缩到基本负荷压力，通常在140-180磅/英寸2绝压(psia)范围内。基本负荷压力为低温空气分离装置提供足够的能量以便能把进料空气分离成为一种或多种产品氧、氮和氩，能产生标称压力的气体产品，和能产生标称数量的液体产品，通常为进料空气的2％左右。通过流经预净化器52清除掉基本负荷压力进料空气96中的高沸点杂质，如水蒸气、二氧化碳和烃类，再把清洁过的基本负荷压力进料空气53供应给桥式装置54，它在图1中以方块形式表示并在图2中予以桥式装置以能在超常态提高的压力下回收一种或多种气体产品，还能以超常态的数量回收液体产品这样有效的方式，向低温空气分离装置提供规定压力能量。另外，桥式装置能使该装置的规定产品的种类和数量变化，但不会遇到显著的损失。对桥式装置的配置将参考图2作详细地描述。
现参照图2，基本负荷压力进料空气53被分成涡轮增压器流体或部分2以及产品锅炉增压器流体或部分11。如有必要，还可使基本负荷压力进料空气的一部分或多份其它部分经过或不经过进一步压缩，流入低温空气分离装置。如所述其它部分被进一步压缩，则优选经变速箱60输送能量给压缩机以动力。使涡轮增压器流体流过吸入减压阀或入口导向叶片3再作为流体4，进入涡轮增压器压缩机55。在涡轮增压器压缩机55内涡轮增压器流体被压缩至通常范围在250-350psia的压力。所得到的涡轮增压器流体5被压缩的热效应冷却，如通过流经冷却器6，再流过阀7以流体8进入初级热交换器56。如有必要，一些或全部涡轮增压器流体2以流体9经阀门57绕过涡轮增压器55。
流体8的涡轮增压器流体通过流过初级热交换器56被冷却再进入低温空气分离装置。在附图所说明的本发明实施方案中，冷却的涡轮增压器流体20流经可在其中涡轮膨胀的涡轮膨胀机58，再以生成的涡轮膨胀过的涡轮增压器流体21进入低温空气分离装置。涡轮膨胀机58具有轴59，该轴接合桥式装置54的变速箱60，至少提供一些能量以驱动桥式装置。
以流体11的产品锅炉增压器流体流经吸入减压阀或入口导向叶片12再作为流体13进入第一产品锅炉增压器压缩机61，它在其中被压缩。压缩过的流体14为压缩的热效应所冷却，如通过流经冷却器62，然后作为流体15进入第二产品锅炉增压器压缩机63，它在其中被进一步压缩。所生成的产品锅炉增压器流体16，通常在200-550psia的压力范围内，被压缩的热效应冷却，如通过冷却器17，再作为流体18流入并流过初级热交换器56，它在其中借助于与返回的流体进行间接热交换而被冷却。如有必要，流体18的部分19按图2所示循环到产品锅炉增压器压缩机。所得到的涡轮增压器流体64再流入产品锅炉65，它在其中被冷却并且在用来使来自低温空气分离装置的提高压力液体沸腾的同时，通常还至少部分冷凝。所得到的产品锅炉增压器流体66再进入低温空气分离装置。
桥式装置由马达/电动机或其它牵引机67驱动，它们能经轴68向变速箱60供应能量。依桥式装置上的所有部件间净能量平衡而定，马达/电动机67能引出能量。所有的涡轮增压器压缩机和所有的产品锅炉增压器压缩机通过适当的轴与所述单一变速箱传动连接以便传递力或能量。
变速箱60含有为传输分别与压缩机、膨胀器和桥式装置的电动机有关的轴能所必须的互联齿轮。有代表性的桥式装置包括主齿轮99，或大齿轮，它是与主牵引机，如电动机67连接的轴。把另外的二档齿轮或小齿轮，100、101、102用在单个或成对单元与大齿轮的连接上。此外，其它中间齿轮(未画出)用在大齿轮和小齿轮之间以改进齿轮齿数比或各个连接单元的转动速度。齿轮直径与齿的几何关系可提供变换伴随齿轮的旋转速度，它与伴随齿轮的直径成反比关系。
本发明共同变速箱的主要优点是为各连接膨胀器或压缩机提供优化的转动速度的能力。例如，在使用共同变速箱的情况下，膨胀器不限于操作在与连接同一轴的压缩机相同的速度下。此外，使用单一的变速箱可避免对膨胀器和压缩机能量要求的制约。因此，在优化速度、压力比和满足工艺适应性以及满足工艺适应性和涡轮机设计标准的流量方面对所有的压缩机和膨胀机级段进行了设计。另外，单一变速箱能把机械损失，即轴承摩擦降至最小程度，还可减少安装费。单一和密实的包装可减少配管损失并允许可在商店而不是现场安装。
任何适当的低温空气分离装置都可用在本发明的实施中。图1就说明了这样的一种装置69，包括具备高压塔70和低压塔71的双塔。该装置还具有氩侧臂塔72。
现参照图1，涡轮增压器流体21和产品锅炉增压器流体66分别进入高压塔70，该塔操作压力范围一般在75-300psia。优选在75-150psia。在高压塔70内，流体通过低温精馏分离成富氧液体和富氮的气体。富氧的液体以流体73从塔70的下部经阀74进入低压塔71。富氮的蒸气从塔70的上部以流体75进入主冷凝器76，它在其中通过与沸腾塔71的塔底液体间接热交换而被冷凝。所得到的富氮液体77分成作为回流液返回塔70的流体78，和流经过热器80进入塔71的流体79。富氮液体79的部分81作为产品液氮回收。
低压塔71在低于高压塔70的压力下且通常范围在15-20psia内进行操作。在低压塔71内各种进料通过低温精馏被分离成为富氮流体和富氧流体。富氮流体从塔71的上部以气流82排出，通过流经过热器80和初级热交换器56加热，再以流体83作为气体氮产品回收。为了产品纯度的控制，废气流84从低于流体82的排放点高度排出塔71，通过流经过热器80和初级热交换器56加热，再以流体85从系统中除去。
富氧流体以液流86从塔71的下部排出再借助于流经液体泵87用泵加压至提高的压力以便产生提高压力的富氧液体88。富氧液体88的部分89作为产品液氧回收。剩余的富氧液体90流入产品锅炉65，它在其中通过与产品锅炉增压器流体间接热交换蒸发以产生提高压力的气体氧91。提高压力的气体氧91通过流过初级热交换器56加热再以流体92作为高压气体氧产品回收。
主要含氧和氩的流体93从低压塔71流入氩侧臂塔72，它在其中通过低温精馏被分离成为更富氩流体和更富氧流体。更富氧流体以流体94再次返回低压塔71。更富氩流体作为可呈液体和/或气体形式的产品氩95回收。
尽管参考了某些最佳实施方案对本发明作出了详细地说明，但本领域的技术人员仍会认识到在权利要求书的精神和范围内还存在着本发明其它的实施方案。例如，为了提高能量使变速箱运行的任何有效装置，除了或替换附图所说明的方法外，都可以使用。一种所述能量供应装置是能驱动与变速箱连接的轴的流体驱动涡轮机。如有必要，当使循环流体的压缩用在热抽送循环中时，可使用通过经由变速箱60输送的能量驱动压缩机运行。
权利要求
1．一种从低温空气分离装置生产气体和液体产品的方法，包括(A)压缩用于低温空气分离装置的全部进料空气至基本负荷压力；(B)将基本负荷进料空气分成涡轮增压器流体和产品锅炉增压器流体；(C)通过流经至少一台涡轮增压器压缩机进一步压缩涡轮增压器流体，和使涡轮增压器流体进入低温空气分离装置；(D)通过流经至少一台产品锅炉增压器压缩机进一步压缩产品锅炉增压器流体，使产品锅炉增压器流体流经产品锅炉，和使产品锅炉增压器流体进入低温空气分离装置；(E)通过一单一变速箱提供能量，以使所有的涡轮增压器和所有的产品锅炉增压器压缩机运行；(F)通过低温精馏在低温空气分离装置中使涡轮增压器流体和产品锅炉增压器流体分离成为气体产品和液体产品；和(G)从低温空气分离装置回收气体产品和液体产品。
2．按权利要求1所述的方法，其中动力是通过马达提供给变速箱的。
3．按权利要求1所述的方法，其中动力是通过涡轮膨胀机提供给变速箱的。
4．按权利要求3所述的方法，其中涡轮增压器流体在进入低温空气分离装置之前先经涡轮膨胀机涡轮膨胀。
5．一种从低温空气分离装置生产气体和液体产品的设备，包括(A)具有至少一个塔的低温空气分离装置；(B)基本负荷空气压缩机和用于进料空气进入基本负荷空气压缩机的装置；(C)至少一台涡轮增压器压缩机及用于来自基本负荷空气压缩机的进料空气进入一台或多台涡轮增压器压缩机的装置；(D)至少一台产品锅炉增压器压缩机，产品锅炉，用于来自基本负荷空气压缩机的进料空气进入一台或多台产品锅炉增压器压缩机和用于来自一台或多台产品锅炉增压器压缩机的进料空气进入产品锅炉的装置；(E)变速箱，用于使各涡轮增压器压缩机与变速箱传动连接的装置，和用于使各产品锅炉增压器压缩机与变速箱传动连接的装置；(F)用于使来自一台或多台涡轮增压器压缩机的进料空气进入低温空气分离装置的装置，和用于使来自产品锅炉的进料空气进入低温空气分离装置的装置；和(G)用于从低温空气分离装置回收气体产品的装置和用于从低温空气分离装置回收液体产品的装置。
6．按权利要求5所述的设备，进一步包括马达和使马达与变速箱传动连接的装置。
7．按权利要求5所述的设备，进一步包括涡轮膨胀机和使涡轮膨胀机与变速箱传动连接的装置。
8．按权利要求7所述的设备，其中使来自一台或多台涡轮增压器压缩机的进料空气进入低温空气分离装置的装置包括涡轮膨胀机。
全文摘要
一种低温空气分离系统,其中通过基本负荷压缩机向进料空气提供基本负荷压力能和通过有一台或多台涡轮增压器压缩机和一台或多台产品锅炉增压器压缩机的桥式装置向进料空气提供规定负荷压力能,桥式装置的所有压缩机都由经过单一变速箱提供的能量驱动。
文档编号F25J3/04GK1231415SQ99102559
公开日1999年10月13日 申请日期1999年3月2日 优先权日1998年4月3日
发明者K·W·马奥尼, P·A·亨利, C·B·阿伦海斯, T·A·斯卡雷, J·M·利奥, D·P·博纳奎斯特, J·R·汉德利 申请人:普拉塞尔技术有限公司