專利名稱：通過低溫蒸餾從空氣中高度靈活地生產(chǎn)氣態(tài)和液態(tài)形式的氣體的方法和設(shè)備的制作方法
通過低溫蒸餾從空氣中高度靈活地生產(chǎn)氣態(tài)和液態(tài)形式的
氣體的方法和設(shè)備
背景技術(shù)：
用于生產(chǎn)液態(tài)或氣態(tài)形式的空氣氣體(gaz de 1’ air)的常規(guī)方法具有清晰/獨 特的方法體系。這樣具有·空氣分離設(shè)備，該空氣分離設(shè)備生產(chǎn)在大氣壓或稍高于大氣壓下的主要成分 (O2, N2, Ar)；·使用壓縮機壓縮產(chǎn)品的步驟；·獨立的氮液化循環(huán)，該氮液化循環(huán)在需要時使得各種成分的全部或一部分以液 態(tài)形式生產(chǎn)。此構(gòu)造允許高度的使用靈活性，這是因為三種執(zhí)行的“功能”(分離、壓縮、液化) 中的每一種可獨立地執(zhí)行或停止而不影響其它兩個功能的運行。但是，考慮到這種每項功能需要一種設(shè)備的設(shè)計的成本很高，這種構(gòu)造很缺乏競爭力。最近，稱為集成方法的用于生產(chǎn)空氣氣體的方法具有這樣的優(yōu)點，即它們可將這 三種功能結(jié)合進單個裝備中。包括使空氣或也可以是氮膨脹的循環(huán)的所謂“泵送”設(shè)備允 許同一個裝備生產(chǎn)受壓氣態(tài)形式和液態(tài)形式的空氣成分。在這些方法中，如專利EP-A-0504029或可選的FR-A-2688052所描述的包括分級 蒸發(fā)以便輸送壓力下的產(chǎn)品的方法很具有吸引力，這是因為它們允許這些功能由單個高壓 空氣壓縮機結(jié)合在一起。整體的能量效率與常規(guī)方法可比擬/相當，且投資低很多。但是，生產(chǎn)的靈活性受到“三合一”結(jié)合功能的影響，且運行或停止一種功能而不 影響整體更加困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于能夠結(jié)合集成方法的經(jīng)濟的優(yōu)點而同時保持常規(guī)方法的靈活 性。本發(fā)明提供一種在塔系統(tǒng)中利用低溫蒸餾生產(chǎn)至少一種空氣氣體的方法，該塔系 統(tǒng)包括在中壓下運行的至少一個中壓塔和在低壓下運行的低壓塔，這些塔彼此熱聯(lián)接，且 在該塔系統(tǒng)中，在第一運行模式和第二運行模式中a)全部壓縮空氣流被升至高壓，該高壓比所述中壓塔的壓力高至少5bar，并且在 此稱為主壓力的高壓下凈化；b)此主壓力可根據(jù)需求的產(chǎn)品而改變；c)至少處于主壓力下的所述空氣流的第一部分在熱交換管路中冷卻至中間溫度 且在至少第一渦輪機中膨脹；d)在需要時/如有必要，所述空氣流的第二部分在至少第二渦輪機(21B)中膨脹， 該第二渦輪機的吸入和排出條件與所述第一渦輪機的吸入和排出條件相比壓力至多相差 5bar，溫度至多相差15°C，或者壓力和溫度相等；
e)在需要時，所述第一渦輪機或第三渦輪機提供的功至少部分用于增壓器所需的 功；f)所述第一渦輪機的吸入壓力遠高于所述中壓，且可能高于所述主壓力；g)所述第一渦輪機的排出壓力大于或等于所述中壓，優(yōu)選基本等于所述中壓；h) 一 /所述增壓器將空氣流的至少一部分壓縮至高壓，該高壓大于或等于在所述 熱交換管路中冷卻至深冷溫度(< -100°C )的主空氣的壓力，并將增壓流返回到所述熱交 換管路，在該熱交換管路中至少一部分在冷端液化且然后在膨脹之后傳輸?shù)剿到y(tǒng)中；i)使來自塔系統(tǒng)的加壓液態(tài)產(chǎn)品在所述熱交換管路中蒸發(fā)；且在第一運行模式 中j)輔助渦輪機吸入已經(jīng)在主熱交換管路中冷卻的空氣流的氣態(tài)部分；k)所述輔助渦輪機的吸入壓力大于或基本等于所述主壓力，優(yōu)選比所述主壓力至 少高2bar abs或基本等于所述主壓力；1)所述輔助渦輪機的排出壓力大于或基本等于大氣壓，優(yōu)選基本等于所述低壓；m)在所述輔助渦輪機中膨脹的空氣流的至少一部分在所述熱交換管路中被加執(zhí).
y 、人 η)以液態(tài)形式作為最終產(chǎn)品生產(chǎn)空氣的一些成分；并且，在第二運行模式中ο)和第一運行模式中在所述輔助渦輪機中處理的流相比，在所述輔助渦輪機中處 理的空氣流率/流量減少，在需要時減少至零，且ρ)和第一運行模式中作為最終產(chǎn)品的液體的產(chǎn)量相比，作為最終產(chǎn)品的液體產(chǎn)量 減少，在需要時減少至零。根據(jù)其它可選的方面-全部渦輪機都通過空氣增壓器制動；-至少一個聯(lián)接于所述渦輪機之一的增壓器以環(huán)境溫度吸入；_在全部增壓器中，僅僅與所述第一渦輪機機械相連的增壓器具有低于-100°C的 吸入溫度；-所述第一渦輪機的吸入溫度和氧的準/偽/假蒸發(fā)溫度至多相差15°C；-在第二模式過程中，主進入空氣的流率優(yōu)選地減小一流率，該減小的流率至少等 于在第二模式過程中傳送到所述輔助渦輪機的空氣流率的減少量；-由壓縮機的可變?nèi)~輪/葉片提供主空氣流率的變化；-由輔助空氣壓縮機的啟動和/或停止提供主空氣流率的變化；-主空氣壓力在第一模式和第二模式之間變化；-所述空氣的第一部分在所述第一渦輪機上游被增壓至大于所述主壓力的壓力， 使得該空氣的第一部分基本上以大于所述主壓力的壓力進入所述第一渦輪機；-所述輔助渦輪機的吸入溫度高于所述第一渦輪機的吸入溫度；_在所述輔助渦輪機中膨脹的空氣被排到大氣中。發(fā)明的另一方面提供一種用于冷卻和加熱用于空氣分離塔系統(tǒng)的流和來自該空 氣分離塔系統(tǒng)的流的單元，該單元包括熱交換管路、第一渦輪機、輔助渦輪機、增壓器，該熱 交換管路包括
i)至少一個用于接收第一凈化空氣流的通道，該至少一個用于接收第一凈化空氣 流的通道連接于所述增壓器，ii)至少一個連接于所述增壓器的排出部/排出端的通道，該至少一個連接于所 述增壓器的通道連接于所述第一渦輪機，iii)至少兩個用于接收至少兩種被加熱的流體(35、37)的通道，iv)至少一個用于接收第二凈化空氣流的通道，該至少一個用于接收第二凈化空 氣流的通道連接于所述輔助渦輪機的吸入部/吸入端，且該輔助渦輪機的排出部連接于至 少一個用于待加熱的空氣的通道。該單元可構(gòu)造成使得在運行中滿足以下條件之一i)輔助渦輪機的吸入溫度高于第一渦輪機的吸入溫度ii)輔助渦輪機的吸入溫度高于增壓器的吸入溫度iii)增壓器的吸入溫度低于第一渦輪機的吸入溫度iv)增壓器的排出溫度高于第一渦輪機的吸入溫度ν)增壓器的排出溫度高于輔助渦輪機的排出溫度。在此提出上文描述的單機類型的方法的生產(chǎn)靈活性的改進之處·通過提供使用類似于ΕΡ-Α-0504029中描述的方法減少或甚至取消該單元的液 體生產(chǎn)的選項；·或通過提供使用例如FR-A-2688052中描述的方法有效率地生產(chǎn)液體的選項；·以及通過提供可逆地進行一種或另一種的選項，且在這兩種情況下都具有良好 的能量效率。此方法采用已知的蒸餾系統(tǒng)(彼此熱連接的中壓塔和低壓塔，如有必要可具有中 等/中間壓力塔和/或混合塔和/或氬混合塔等)且包括至少兩個膨脹渦輪機。如果兩個流率/兩股流的壓力僅由于壓力損失/壓降而不同，那么這兩個流率處 于基本相等的壓力下。被輔助渦輪機吸入的空氣流率的氣態(tài)部分在第一渦輪機和/或第二渦輪機中預(yù) 先膨脹，可能被傳送到中壓塔，并且在主熱交換管路中被加熱/變暖后被傳送至輔助渦輪 機前從中壓塔提取出。在第一運行模式中，結(jié)合了全部最終產(chǎn)品的液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量構(gòu)成傳輸?shù)?所述多 個)塔中(或者在僅中壓塔被供應(yīng)空氣的情況下傳送至該中壓塔)的空氣流的或2% 或5%。


下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明，該附圖示出能夠以本發(fā)明的方法運行的空氣分離
直ο
具體實施例方式在圖1中，來自主壓縮機的壓縮空氣流1在增壓器3中增壓至至少比中壓塔的壓 力高5bar abs的高壓，此高壓稱為主壓力。例如，此主壓力可在IObar abs和25bar abs之 間。在此主壓力下，流5隨后被凈化除去水和二氧化碳(未示出)。全部被增壓和凈化的空
6氣流5被輸送至熱交換管路7，在該熱交換管路處該空氣流5被冷卻至溫度Tl。在此溫度 下，流5分成兩股以形成流9和流11，流9液化且被傳輸?shù)剿到y(tǒng)。流11在溫度Tl下一該 溫度Tl和加壓氧33的蒸發(fā)溫度至多相差士5°C -離開熱交換管路7，并被輸送至冷增壓 器13以產(chǎn)生流15，該流15處于遠高于中壓且可能高于主壓力的壓力下。離開冷增壓器時 處于溫度T2的流15在熱交換管路7中冷卻至高于Tl的溫度T3。在此溫度T3下，流15被 分成兩股流17、19。流17在渦輪機21中從接近加壓氧33的準蒸發(fā)溫度的溫度T3 (開始) 膨脹。渦輪機21的吸入壓力等于增壓器13的排出壓力，且因此遠高于中壓(至少高 5bar)且可能高于主壓力，(渦輪機21的)排出壓力大于或等于中壓、優(yōu)選基本等于中壓。 膨脹至大于或等于中壓、優(yōu)選基本等于中壓的壓力下的流作為流25被輸送至塔系統(tǒng)。流19 繼續(xù)在熱交換管路中冷卻且以氣態(tài)形式傳送至塔系統(tǒng)。冷增壓器13由渦輪機21驅(qū)動。殘余的氮流率在熱交換管路中被加熱。在泵33中加壓的液氧流35在熱交換管路7中蒸發(fā)。可選地，來自塔系統(tǒng)的不同于液氧的液體被加壓、在熱交換管路7中蒸發(fā)，然后作 為加壓產(chǎn)品使用。根據(jù)第一運行模式，空氣部分25被從主壓力下的已凈化空氣5中提取出并在熱交 換管路7中冷卻。在低于-100°C且高于T2的溫度T4下，該部分25被輸送至渦輪機27，在 該渦輪機27處該部分25膨脹至溫度T5以形成空氣流29。此空氣流在熱交換管路中被加 熱。液態(tài)產(chǎn)品作為最終產(chǎn)品32被從塔系統(tǒng)中提取出。在該示例中，該設(shè)備的唯一產(chǎn)品 是液氧，但是很明顯也可以生產(chǎn)其它液體形式的產(chǎn)品。根據(jù)第二運行模式，在輔助渦輪機27中處理的空氣流率25減小(可能減少至 零)，引入的主空氣流1的流率被減小一流率，該減小的流率至少等于傳送至輔助渦輪機27 的空氣流率的減小量，且液體37的產(chǎn)量減小(可能減小至零)。流1的流率在這兩種運行模式之間的這種變化由壓縮機的可變?nèi)~輪和/或通過輔 助空氣壓縮機的啟動和/或停止來提供。這兩種運行模式可形成該設(shè)備的僅有的運行模式，或可選地，可以有其它運行模 式。這些可包括在將空氣升至主壓力的熱增壓和冷增壓之間的壓縮步驟(增壓器 3B)，從而從高于主壓力的壓力開始進行冷增壓。優(yōu)選地，渦輪機21由增壓器13驅(qū)動，且增壓器3驅(qū)動輔助渦輪機27。
權(quán)利要求
一種在塔系統(tǒng)中利用低溫蒸餾生產(chǎn)至少一種空氣氣體的方法，該塔系統(tǒng)包括在中壓下運行的至少一個中壓塔和在低壓下運行的低壓塔，所述中壓塔和低壓塔彼此熱聯(lián)接，且在所述塔系統(tǒng)中，在第一運行模式和第二運行模式中a)將全部壓縮空氣流升至高壓，該高壓至少比所述中壓塔的壓力高5bar，并且在此稱為主壓力的高壓下凈化所述全部壓縮空氣流；b)此主壓力可根據(jù)需求的產(chǎn)品而改變；c)至少處于主壓力下的所述空氣流的第一部分在熱交換管路(7)中冷卻至中間溫度且在至少第一渦輪機(21)中膨脹；d)在需要時，所述空氣流的第二部分在至少第二渦輪機(21B)中膨脹，該第二渦輪機的吸入和排出條件與所述第一渦輪機的吸入和排出條件相比壓力最多相差5bar，溫度最多相差15℃，或者壓力和溫度相等；e)在需要時，所述第一渦輪機或第三渦輪機提供的功至少部分用于增壓器所需的功；f)所述第一渦輪機的吸入壓力遠高于所述中壓，且可能高于所述主壓力；g)所述第一渦輪機的排出壓力大于或等于所述中壓，優(yōu)選基本等于所述中壓；h)一/所述增壓器(13)將所述空氣流的至少一部分壓縮至高壓，該高壓大于或等于在所述熱交換管路中冷卻至深冷溫度(＜-100℃)的主空氣壓力，并將增壓流返回到所述熱交換管路，在該熱交換管路中至少一部分在冷端液化且然后在膨脹之后傳輸?shù)剿到y(tǒng)中；i)使來自塔系統(tǒng)的加壓液態(tài)產(chǎn)品(35)在所述熱交換管路中蒸發(fā)；且在第一運行模式中j)輔助渦輪機(27)吸入已經(jīng)在主熱交換管路中冷卻的空氣流流率的氣態(tài)部分；k)所述輔助渦輪機的吸入壓力大于或基本等于所述主壓力，優(yōu)選比所述主壓力至少高2bar abs或基本等于所述主壓力；l)所述輔助渦輪機的排出壓力大于或基本等于大氣壓，優(yōu)選基本等于所述低壓；m)在所述輔助渦輪機中膨脹的空氣流流率的至少一部分在所述熱交換管路中被加熱；n)空氣的一些成分以液態(tài)形式生產(chǎn)作為最終產(chǎn)品；并且，在第二運行模式中o)和第一運行模式中在所述輔助渦輪機中處理的空氣流率相比，在所述輔助渦輪機中處理的空氣流率減少，可能減少至零，且p)和第一運行模式中作為最終產(chǎn)品的液體的產(chǎn)量相比，作為最終產(chǎn)品的液體產(chǎn)量減少，可能減少至零。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，全部渦輪機都通過空氣增壓器(3、13)制動。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一個聯(lián)接于所述渦輪機之一 的增壓器(3)以環(huán)境溫度吸入。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在全部增壓器中，僅僅與所述第一 渦輪機(21)機械連接的增壓器(13)具有低于-100°C的吸入溫度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第一渦輪機(21)的吸入溫度 和氧的準蒸發(fā)溫度最多相差15°C。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在第二模式過程中，主進入空氣1)的流率優(yōu)選減小一流率，該減小的流率至少等于在第二模式過程中傳送到所述輔助渦 輪機(27)的空氣流率的減少量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，由壓縮機的可變?nèi)~輪提供主空氣(1)的流 率的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，由輔助空氣壓縮機的啟動和/或停止 提供主空氣(1)的流率的變化。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述主空氣壓力在第一模式和第 二模式之間變化。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述空氣的第一部分在所述第一 渦輪機(21)的上游被增壓至大于所述主壓力的壓力，使得該空氣的第一部分基本上以大 于所述主壓力的壓力進入所述第一渦輪機。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述輔助渦輪機(27)的吸入溫 度高于所述第一渦輪機(21)的吸入溫度。
12.一種用于冷卻和加熱用于空氣分離塔系統(tǒng)的流和來自該空氣分離塔系統(tǒng)的流的單 元，該單元包括熱交換管路(7)、第一渦輪機(21)、輔助渦輪機(27)、增壓器(13)，該熱交換 管路包括i)至少一個用于接收第一凈化空氣流的通道，該至少一個用于接收第一凈化空氣流的 通道連接于所述增壓器， )至少一個連接于所述增壓器的排出部的通道，該至少一個連接于所述增壓器的通 道連接于所述第一渦輪機，iii)至少兩個用于接收至少兩種被加熱的流體(35、37)的通道，iv)至少一個用于接收第二凈化空氣流率的通道，該至少一個用于接收第二凈化空氣 流的通道連接于所述輔助渦輪機的吸入部，且該輔助渦輪機的排出部連接于至少一個用于 待加熱的空氣的通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的單元，其特征在于，該單元構(gòu)造成在運行中滿足以下條件 之一i)所述輔助渦輪機(27)的吸入溫度高于所述第一渦輪機(21)的吸入溫度 )所述輔助渦輪機(27)的吸入溫度高于所述增壓器(13)的吸入溫度iii)所述增壓器(13)的吸入溫度低于所述第一渦輪機(21)的吸入溫度iv)所述增壓器(13)的排出溫度高于所述第一渦輪機(21)的吸入溫度ν)所述增壓器(13)的排出溫度高于所述輔助渦輪機(27)的排出溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過低溫蒸餾至少在第一運行模式中從空氣生產(chǎn)至少一種氣體的方法，輔助渦輪機(27)吸入已經(jīng)在主交換管路(7)中冷卻的空氣流的氣態(tài)部分，所述輔助渦輪機的吸入壓力顯著大于或等于平均壓力，空氣的成分的一部分以液態(tài)形式作為最終產(chǎn)品而生產(chǎn)，且在第二運行模式中，在所述輔助渦輪機中處理的空氣流率減小且作為最終產(chǎn)品的液體的產(chǎn)量減少。
文檔編號F25J3/04GK101883963SQ200880007178
公開日2010年11月10日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者A·吉亞爾, P·勒伯特, X·龐頓 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司