本發(fā)明涉及在空氣分離設(shè)備中獲得空氣產(chǎn)品的方法以及相應(yīng)的空氣分離設(shè)備。
背景技術(shù)：
在空氣分離設(shè)備中通過(guò)低溫分離空氣獲得液態(tài)或氣態(tài)狀態(tài)的空氣產(chǎn)品是已知的，例如在industrialgasesprocessing(h.-w.
空氣分離設(shè)備具有蒸餾塔系統(tǒng)，可以是制成例如雙塔系統(tǒng)，特別是經(jīng)典的linde雙塔系統(tǒng)，但也可以是三塔或多塔系統(tǒng)。除了用于獲得液態(tài)和/或氣態(tài)氮和/或氧(例如液態(tài)氧，lox，氣態(tài)氧gox，液態(tài)氮lin和/或氣態(tài)氮gan)的蒸餾塔，即用于氮氧分離的蒸餾塔之外，還可以設(shè)置用于獲得其他空氣成分，特別是稀有氣體氪、氙和/或氬。
例如德國(guó)專利申請(qǐng)de3139567a1和歐洲專利申請(qǐng)ep1989400a1公開(kāi)了此類技術(shù)，即將液氮用于電網(wǎng)儲(chǔ)備功率的調(diào)整與提供。供電量多的時(shí)候(下稱電量盈余期)，在集成有冷凝器的空氣分離設(shè)備或固定的冷凝裝置中得到液態(tài)空氣或液氮，該液態(tài)空氣或液氮被送入具有低溫罐的存儲(chǔ)系統(tǒng)中的。供電量少的時(shí)候(下稱電量短缺期)，液態(tài)空氣或液氮將被從存儲(chǔ)系統(tǒng)中排出，借助泵提高其壓力并將其加熱到等于或高于環(huán)境溫度，從而轉(zhuǎn)化成氣態(tài)或過(guò)臨界狀態(tài)。由此得到的高壓氣流在一個(gè)或多個(gè)減壓渦輪機(jī)的儲(chǔ)能裝置中減壓(在此期間對(duì)其加熱至環(huán)境溫度)。此間釋放的機(jī)械能將在電廠的一臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)中被轉(zhuǎn)化成電能后送入電網(wǎng)中。
美國(guó)專利申請(qǐng)文件us6,134,916a公開(kāi)了一種組合系統(tǒng)，其包括集成了汽化環(huán)節(jié)的組合程序，將氧氣送入該集成汽化環(huán)節(jié)之組合程序中的汽化器的空氣分離設(shè)備，以及一直將氧氣存儲(chǔ)到被使用為止的存儲(chǔ)裝置。在美國(guó)專利申請(qǐng)文件us2,788,646a中公開(kāi)了一種空氣分離方法和一種相應(yīng)的具有氧氣存儲(chǔ)功能的設(shè)備。美國(guó)專利申請(qǐng)文件us6,134,916a和us2,788,646a分別提供了一種在空氣分離設(shè)備產(chǎn)量保持恒定的條件下，滿足用戶不斷變動(dòng)的需求的方法。美國(guó)專利申請(qǐng)文件us3,319,434a和us2,741,094a公開(kāi)了一種再生器與氧氣中間存儲(chǔ)(緩存)裝置相結(jié)合的用法。
本發(fā)明在單純的能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域所涉不多，本發(fā)明主要目的是提供這樣一種空氣分離設(shè)備，在該裝置中在流過(guò)量期以及流短缺期都能提供，優(yōu)選可比較的量的空氣產(chǎn)品，特別是經(jīng)內(nèi)部壓縮的高壓氮?dú)夂?或高壓氧氣。但在同時(shí)，應(yīng)利用電量盈余期價(jià)格較低的電力，避免使用電量短缺期價(jià)格較高的電力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
上述目的通過(guò)一種具有如獨(dú)立權(quán)利要求所述的在空氣分離設(shè)備中獲得空氣產(chǎn)品的方法及相應(yīng)的空氣分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)。各從屬權(quán)利要求及下文描述主要涉及不同的設(shè)計(jì)方案。
在闡述本發(fā)明的特征與優(yōu)點(diǎn)之前，先對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)與用到的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明。
此處加以說(shuō)明的裝置在相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)，比如前文引用過(guò)的industrialgasesprocessing第2.2.5.6節(jié)“apparatus”中亦有描述。若下文的定義如與該文所述無(wú)異，則此本文使用該專業(yè)文獻(xiàn)中的表述。
“熱交換器”用于在至少兩股例如彼此在逆流中引導(dǎo)的流體流之間，例如熱的壓縮空氣流和一股或多股冷的流體流，或低溫液態(tài)空氣產(chǎn)品和一股或多股熱的流體流，傳導(dǎo)熱量。熱交換器可由單個(gè)或多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)連接的熱交換節(jié)，例如由單個(gè)或多個(gè)板翅式換熱塊組成。它可以是例如板翅式熱交換器(英語(yǔ)platefinheatexchanger)。此類熱交換器，例如空氣分離設(shè)備的“主熱交換器”，其用于冷卻或加熱有待在空氣分離設(shè)備中進(jìn)行冷卻或加熱的流體流的至少主要部分，具有構(gòu)造成彼此分離的具有換熱面的流體管道并且平行地并被其他通道分隔地組合成“通道組”的“通道”。熱交換器的特點(diǎn)是，在某一時(shí)刻，兩種移動(dòng)介質(zhì)在其中交換熱量，就是說(shuō)，至少有一種介質(zhì)冷卻，而另外至少一種得到加熱。其與儲(chǔ)冷單元
儲(chǔ)冷單元用于存儲(chǔ)冷量形式的熱能，即被取走的熱能。在本發(fā)明中，就像在空氣分離設(shè)備領(lǐng)域眾所周知的那樣，儲(chǔ)冷單元尤其是可被構(gòu)造成與再生器類似的結(jié)構(gòu)。但是就像下文詳述的那樣，儲(chǔ)冷單元的工作方式與再生器有本質(zhì)區(qū)別。
對(duì)于再生器，例如在f.g.kerry所著的industrialgashandbook(crcpress，2006)一書(shū)，特別是第2.7節(jié)“kapitzacycle”與4.3.3節(jié)“recoveryofkryptonandxenon”中有詳細(xì)說(shuō)明。再生器具有適合儲(chǔ)冷的材料，最簡(jiǎn)單的例子是石材填料，該種填料在第一時(shí)段被冷的特別是低溫(深冷)的流體流流過(guò)并由此進(jìn)行冷卻。而在第二時(shí)段，相應(yīng)的再生器被熱的流體流流過(guò)，其被存儲(chǔ)在該再生器中的冷量冷卻，或其熱量被傳遞至該再生器。再生器也可以在空氣分離設(shè)備中用于從送入的空氣清除尤其是二氧化碳和烴類，其在冷卻的再生器中凝固或液化，并在加熱再生器時(shí)蒸發(fā)或升華。在經(jīng)典形式的空氣分離設(shè)備中，相應(yīng)的再生器通常交替運(yùn)行，當(dāng)?shù)谝换虻谝唤M再生器再生時(shí)，第二或第二組再生器可對(duì)投入的空氣進(jìn)行冷卻或純化。
如前所述，儲(chǔ)冷單元用于本發(fā)明領(lǐng)域內(nèi)時(shí)，盡管其結(jié)構(gòu)可以與公知再生器類似，但工藝技術(shù)方面的區(qū)別卻很大。下面對(duì)儲(chǔ)冷單元單元與再生器之間的這些區(qū)別進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
首先，再生器具有熱交換器的功能，就是說(shuō)，它用于將一較熱流體流的熱量傳遞給一較冷流體流，不過(guò)與熱交換器相反的是，其中是通過(guò)將“冷量”中間存儲(chǔ)(緩存)在一靜止介質(zhì)中的方式實(shí)現(xiàn)的。因此在空氣分離方法中總是需至少兩各再生器。其中再生器中流過(guò)較熱的流體流，另一個(gè)則流過(guò)較冷的流體流。在工藝技術(shù)上，此類再生器對(duì)原則上可用所述兩種流體流可在其中進(jìn)行熱交換的單個(gè)常規(guī)熱交換器替代。在再生器不用熱交換器替代，而其又出現(xiàn)故障時(shí)，空氣分離設(shè)備基本上就不能工作了。
相反，儲(chǔ)冷器的主要功能在于長(zhǎng)時(shí)間地(例如超過(guò)30分鐘)存儲(chǔ)“冷量”。儲(chǔ)冷器原則上不能用熱交換器代替，因?yàn)槠渲饕康氖谴鎯?chǔ)“冷量”從而在此后的某一時(shí)刻再排出來(lái)，與之相反，熱交換器是在任何時(shí)刻均能夠在兩種活動(dòng)介質(zhì)之間傳遞“熱量”或“冷量”。儲(chǔ)冷器通常單個(gè)使用。在該儲(chǔ)冷器出故障時(shí)，空氣分離設(shè)備基本可不受影響，繼續(xù)運(yùn)行。
再生器基本上只有兩個(gè)工作階段。首先，冷或低溫流體流流過(guò)再生器并在其中受熱(而再生器則被冷卻)，時(shí)間一般不到10分鐘。然后，一熱的流體流逆向流過(guò)該再生器并在其中被冷卻(再生器被加熱)，時(shí)間一般也不到10分鐘。
與此不同，儲(chǔ)冷器至少有三個(gè)工作階段。在存入階段，儲(chǔ)冷器首先被一冷或低溫流體流冷卻，這一過(guò)程通常超過(guò)一小時(shí)。接下來(lái)是存儲(chǔ)階段，該階段中，儲(chǔ)冷器長(zhǎng)時(shí)間保冷，期間沒(méi)有流體通過(guò)。在取冷階段，儲(chǔ)冷器被一熱的流體流流過(guò)并得到加熱(而該流體流則被冷卻)；這一過(guò)程通常持續(xù)一小時(shí)以上。隨后又是休停階段，可持續(xù)數(shù)個(gè)小時(shí)，期間沒(méi)有流體通過(guò)。
其他熱力學(xué)參數(shù)也是不同的。例如，再生器中的平均局部溫度改變小于10k，與之相對(duì)，在儲(chǔ)冷器內(nèi)部，平均被升溫或降溫約為50k，至少30k。
可與其他減壓渦輪機(jī)或能量轉(zhuǎn)換器例如油制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)或壓縮機(jī)通過(guò)共同的軸連接的“減壓渦輪機(jī)”或“減壓機(jī)”被設(shè)計(jì)用于使氣態(tài)或至少部分液態(tài)的流減壓。
本發(fā)明中所用之減壓機(jī)可特別制成渦輪減壓機(jī)。如壓縮機(jī)不用外部接入的能量(例如借助電機(jī)接入的能量)，而是由一個(gè)或多個(gè)減壓渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，那么可用術(shù)語(yǔ)“渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的”壓縮機(jī)，也可用“增壓機(jī)”。包括渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和減壓渦輪機(jī)的此類結(jié)構(gòu)也可稱作“增壓渦輪”。
“空氣產(chǎn)品”是各種可以至少通過(guò)壓縮和冷卻空氣及尤其是但非必須地通過(guò)隨后的低溫精餾制得的產(chǎn)品。特別是液態(tài)或氣態(tài)氧(lox，gox)，液態(tài)或氣態(tài)氮(un，gan)，液態(tài)或氣態(tài)氬(lar，gar)，液態(tài)或氣態(tài)氙、液態(tài)或氣態(tài)氪、液態(tài)或氣態(tài)氖、液態(tài)或氣態(tài)氦等，但也可以是液態(tài)空氣(lair)。在這里，術(shù)語(yǔ)“氧”、“氮”等還分別表示含有“氧”或“氮”且“氧”或“氮”的量比大氣更多的低溫的液體或氣體。也就是說(shuō)，不必一定是純或高純的液體或氣體。
在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)，“空氣產(chǎn)品”還表示從空氣分離設(shè)備中最終排出，不再在空氣分離設(shè)備中用于減壓、蒸發(fā)、液化、壓縮等或參與相應(yīng)步驟的流體。在這里，通過(guò)對(duì)空氣壓縮和冷卻，尤其是但非必須地通過(guò)隨后低溫精餾制得的，但只是中間存儲(chǔ)(緩存)或暫時(shí)出現(xiàn)，接著又在空氣分離設(shè)備中繼續(xù)處理的流體，不稱作空氣產(chǎn)品。其一個(gè)例子是由空氣制得的低溫液體，它并不作為空氣產(chǎn)品從空氣分離設(shè)備導(dǎo)出，而是在一內(nèi)部壓縮程序中被施加壓力，接著在空氣分離設(shè)備的主熱交換器中加熱。所以在此才形成真正的空氣產(chǎn)品。
如前所述，空氣分離設(shè)備可以通過(guò)所謂的內(nèi)部壓縮運(yùn)行。具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參考引用的專業(yè)文獻(xiàn)。在內(nèi)部壓縮裝置中，高液壓的流體流被加熱，并由此取決于液態(tài)流體流上所施加的壓力水平從液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)或超臨界狀態(tài)。在下文中，從液態(tài)到氣態(tài)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換用術(shù)語(yǔ)“蒸發(fā)”來(lái)表示，從液態(tài)到超臨界狀態(tài)的轉(zhuǎn)換用術(shù)語(yǔ)“偽蒸發(fā)”表示。
空氣分離原則上可以使用如下方法，其中全部的進(jìn)料空氣即送入蒸餾塔系統(tǒng)中的所有空氣首先借助主空氣壓縮機(jī)(mac)壓縮至約為高壓塔的壓力，隨后僅其中一部分借助增壓機(jī)(boosteraircompressor，bac)增壓至更高的壓力。這些更為傳統(tǒng)的方法也稱作mac/bac法。mac/bac法在例如開(kāi)頭引用的專業(yè)文獻(xiàn)中有詳細(xì)記述。
在mac/bac法中，引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)的所謂進(jìn)料空氣中的相當(dāng)一部分(通常多于約30％)送入高壓塔時(shí)的壓強(qiáng)通常約為5.2至9巴，特別是5.6巴，在此之前，這部分空氣在空氣分離設(shè)備的主熱交換器中從約等于或高于環(huán)境溫度被冷卻至通常約為-160至-170℃。這部分空氣之前只是被主空氣壓縮機(jī)壓縮至前述壓強(qiáng)，通常不進(jìn)行再壓縮。與此不同，在mac/bac法中，引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)的所謂進(jìn)料空氣中的第二部分是在增壓機(jī)中被從主熱交換器的上述壓力開(kāi)始，加壓到明顯更高的壓力，一般是過(guò)臨界壓力，該部分空氣同樣也是在空氣分離設(shè)備的主熱交換器中被從約等于或高于環(huán)境溫度冷卻至通常約為-160至-170℃。第三部分，即在主熱交換器中只被冷卻至通常約為-100至-150℃的中間溫度，接著被釋入一減壓機(jī)的所謂渦輪氣流，在公知的mac/bac法中既可以通過(guò)主空氣壓縮機(jī)，也可以通過(guò)增壓機(jī)(通過(guò)合適的出口或相應(yīng)地在中間排出)來(lái)制備。
最近，越來(lái)越多地用所謂的hap法(英語(yǔ)：highairpressure)來(lái)代替mac/bac法，因?yàn)榕cmac/bac法相比，此種方法在一定的使用場(chǎng)景中具有好處。在hap法中，全部的進(jìn)料空氣在主空氣壓縮機(jī)中壓縮至明顯高于高壓塔壓力或所用的精餾單元的最高運(yùn)行壓力的壓力。這里，所達(dá)到的壓差至少為3巴，不過(guò)還可以更高，例如達(dá)到4、5、6，7、8、9或10巴，直至14、16、18或20巴。hap法已在例如ep2466236a1、ep2458311a1以及us5,329,776a中公開(kāi)。
在hap法中，與之前描述中一致的空氣，即在mac/bac法中被送入高壓塔，且之前在空氣分離設(shè)備的主熱交換器中從約等于或高于環(huán)境溫度通常被冷卻至約-160至-170℃的空氣，并不以此種方法處理。該空氣不從主熱交換器，而是從一個(gè)或多個(gè)減壓機(jī)的出口排出，在該減壓機(jī)中，該空氣從主空氣壓縮機(jī)的明顯較高的壓力水平減壓，并且通過(guò)該減壓機(jī)才被冷卻至通常的(大約)-160至-170℃。該空氣也被稱作“送入空氣”(英語(yǔ)：feedair)。在hap法中也使用節(jié)流流(drosselstrom)；但是不同于mac/bac法，該節(jié)流流不必必須地在由外部提供的能量驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)中壓縮。在此，一股或多股節(jié)流流也可以僅借助一個(gè)或多個(gè)例如可由前述的減壓器驅(qū)動(dòng)的增壓機(jī)進(jìn)行后期壓縮。不必存在分離的渦輪流。
發(fā)明優(yōu)勢(shì)
本發(fā)明建議一種在空氣分離設(shè)備中生產(chǎn)空氣產(chǎn)品的方法，其具有至少一個(gè)熱交換單元、減壓/壓縮單元、精餾單元、儲(chǔ)液器單元、儲(chǔ)冷單元以及主空氣壓縮機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備的熱交換單元包括至少一個(gè)熱交換器，尤其是傳統(tǒng)空氣分離設(shè)備中涉及的公知主熱交換器。此種主熱交換器也可構(gòu)造成多個(gè)分立的熱交換單元或熱交換器模塊的形式。
減壓/壓縮單元用于對(duì)引入空氣分離設(shè)備、在主空氣壓縮機(jī)中壓縮的進(jìn)料空氣的一部分進(jìn)行減壓，一部分進(jìn)行再次壓縮，從而通過(guò)此種方式提供具有不同壓力水平的壓縮空氣流。相應(yīng)的減壓/壓縮單元可分別有合適的減壓渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，所述減壓渦輪機(jī)和壓縮機(jī)尤其是可以互相連接。也可有上文所述的渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)或增壓渦輪。例如也可以使用發(fā)電機(jī)渦輪，但是尤其是不使用由外部能量驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)。具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參見(jiàn)附圖1和2，圖中還表達(dá)了相關(guān)減壓/壓縮單元的其他方面。
本發(fā)明中所用的空氣分離設(shè)備的精餾單元尤其是可具有經(jīng)典的linde雙塔系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置有高壓塔和低壓塔，其獲得或不獲得氬或者分離或不分離氪和氙或者分離或不分離氦和氖。也可以采取其他配置。本發(fā)明中所用的空氣分離設(shè)備的儲(chǔ)液器單元包括一個(gè)或多個(gè)如前所述的，尤其是絕熱或安置在合適冷匣中的用于存儲(chǔ)低溫空氣產(chǎn)品的液罐。這些液罐在下文中稱作“液態(tài)空氣存儲(chǔ)器”、“液氮存儲(chǔ)器”等。主空氣壓縮機(jī)尤其是可包括多個(gè)壓縮等級(jí)，并構(gòu)造為徑流式壓縮機(jī)。
在本發(fā)明的范疇內(nèi)，將所有送入精餾單元的空氣即全部進(jìn)料空氣引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)，在此首先壓縮至比精餾單元運(yùn)行時(shí)的最高壓力水平高至少3巴的壓力水平。后者通常是高壓塔的運(yùn)行壓力，條件是使用雙塔系統(tǒng)?？諝夥蛛x方法因此設(shè)計(jì)成如前所示的hap法。壓差還可以更高，例如達(dá)到前文詳述的水平。
有利地，該方法除了在主空氣壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮以外，不包括在由外部能量驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)中進(jìn)一步壓縮進(jìn)料空氣或其任意部分。假如要對(duì)進(jìn)料空氣再行適當(dāng)壓縮，那么該壓縮始終且僅僅通過(guò)如前所述的渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)來(lái)實(shí)施。
通過(guò)使用經(jīng)過(guò)相應(yīng)地高度壓縮的、引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)的空氣或進(jìn)料空氣，在根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備中產(chǎn)生一種或多種低溫液體，確切地說(shuō)，在第一運(yùn)行模式中以第一產(chǎn)量生產(chǎn)，在第二運(yùn)行模式中以第二產(chǎn)量生產(chǎn)，在第三運(yùn)行模式中以第三產(chǎn)量生產(chǎn)。形成的低溫液體的量與空氣分離設(shè)備的能耗高度相關(guān)。而且根據(jù)本發(fā)明，第二產(chǎn)量小于第一產(chǎn)量，第三產(chǎn)量大于第一產(chǎn)量。
此處及后文提到不同的“運(yùn)行模式”時(shí)，第二運(yùn)行模式均都是指在電量短缺期實(shí)施的那一運(yùn)行模式。相應(yīng)地，第三運(yùn)行模式是指在電量盈余期實(shí)施的那一模式。因?yàn)槿缜八觯环N或多種低溫液體的第二產(chǎn)量低于第一產(chǎn)量，而第三產(chǎn)量大于第一產(chǎn)量，所以有利的是，本發(fā)明范圍內(nèi)的第二運(yùn)行模式的能耗明顯少于第三運(yùn)行模式，但比第一運(yùn)行模式要高。與之相對(duì)，第三運(yùn)行模式的能耗要比其他兩個(gè)運(yùn)行模式的能耗高。通過(guò)此類方式，現(xiàn)有電能無(wú)需過(guò)高的成本即可借助本發(fā)明的方法得到高效利用。與此相對(duì)，“第一運(yùn)行模式”相當(dāng)于不帶儲(chǔ)液器單元之空氣分離設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
特別是為使各運(yùn)行模式能夠提供等量或大致等量的空氣產(chǎn)品，需要使用儲(chǔ)液器單元。在此，所述一種或多種低溫液體在第三運(yùn)行模式中以對(duì)應(yīng)于第三產(chǎn)量的一部分量的儲(chǔ)存量存入儲(chǔ)液器單元中，在第二運(yùn)行模式中以排出量從儲(chǔ)液器單元排出。換言之，在第三運(yùn)行模式中生產(chǎn)的超出第三產(chǎn)量的低溫液體被中間存儲(chǔ)(緩存)在儲(chǔ)液器單元中，從而在第二運(yùn)行模式中將其重新排出并可用于補(bǔ)償在此模式中較少的液體生產(chǎn)(第二產(chǎn)量)。第一運(yùn)行模式的特點(diǎn)是，既沒(méi)有低溫液體被存入儲(chǔ)液器單元中，也沒(méi)有從儲(chǔ)液器單元排出低溫液體。
所述一種或多種低溫液體在第一運(yùn)行模式中以第一蒸發(fā)量、在第二運(yùn)行模式中以第二蒸發(fā)量及在第三運(yùn)行模式中以第三蒸發(fā)量進(jìn)行蒸發(fā)和/或偽蒸發(fā)，其中第一蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)于第一產(chǎn)量，第二蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)于第二產(chǎn)量加上排出量，第三蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)于第三產(chǎn)量減去儲(chǔ)存量。換言之，第二運(yùn)行模式中較少的產(chǎn)量系由排出量來(lái)彌補(bǔ)的。第一、第二和第三蒸發(fā)量彼此相當(dāng)或至少在數(shù)量級(jí)上是可比較的，它們根據(jù)本發(fā)明彼此相差不超過(guò)10％、5％或1％。通過(guò)此類方式，始終能夠提供大致等量的(經(jīng)內(nèi)部壓縮的)空氣產(chǎn)量，盡管產(chǎn)量的耗能不同。
為了緩存在第二運(yùn)行模式中通過(guò)從儲(chǔ)液器單元排出一種或多種低溫液體及其蒸發(fā)出及由此過(guò)量提供的冷量，以及為了提供在第三運(yùn)行模式中為了供應(yīng)存入儲(chǔ)液器單元中的一種或多種低溫液體額外需要的冷量，使用前述類型的儲(chǔ)冷單元。為與該儲(chǔ)冷單元交換熱量，需要使用低溫和熱的流體流。對(duì)此，本發(fā)明是這樣設(shè)計(jì)的：同樣通過(guò)使用引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)的空氣，在第二運(yùn)行模式中形成低溫流體流，通過(guò)使用該低溫流體流冷卻儲(chǔ)冷單元，而其自身由此被加熱，及在第三運(yùn)行模式中形成熱的流體流，通過(guò)使用該熱的流體流加熱儲(chǔ)冷單元，而其自身由此被冷卻。與此不同，有利的是，在第一運(yùn)行模式中，沒(méi)有相應(yīng)的流體流流過(guò)儲(chǔ)冷單元。下面還依照附圖闡述此類流體流的例子。
“低溫”流體流尤其是處于遠(yuǎn)低于-100℃的溫度水平，例如-160至-170℃。與此不同，“熱的”流體流處于例如至少與環(huán)境溫度相當(dāng)?shù)臏囟人?，或至少等?℃。不管怎樣，其溫度水平總是高于低溫流體流的溫度。通過(guò)上述措施，在一種或多種低溫液體蒸發(fā)時(shí)釋放出來(lái)的冷量在第二運(yùn)行模式中可被存儲(chǔ)起來(lái)。該冷量為第三運(yùn)行模式供應(yīng)，其中產(chǎn)生額外的低溫液體并存入儲(chǔ)液器單元中。
根據(jù)本發(fā)明的方法(上文所述的用于hap法的方法)尤其是包括如下在該hap法很普遍的特點(diǎn)：引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)并在此被壓縮的空氣中的一部分接著減壓到至少對(duì)應(yīng)于精餾單元運(yùn)行時(shí)的最高壓力水平的壓力水平。該空氣在此可以減壓至略高于所述最高壓力水平的壓力，例如至比所述最高壓力水平高出小于1巴的壓力水平，由此可以將其在無(wú)需其他推送措施的情況下送入精餾單元的高壓塔中。如前所述，對(duì)于此類減壓尤其是提供減壓渦輪機(jī)。經(jīng)減壓的空氣盡管之前在熱交換單元中未被冷卻，但通過(guò)在該減壓渦輪機(jī)中減壓，可冷卻至例如-160至-170℃。
有利的是，在第三和第二運(yùn)行模式中引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元的低溫和熱的流體流可由一部分的所述減壓的空氣形成。為了提供處于不同溫度水平的低溫和熱的流體流并能夠由此實(shí)施根據(jù)本發(fā)明建議的儲(chǔ)冷過(guò)程，所述減壓的空氣的一部分為了形成低溫流體流在減壓后未經(jīng)加熱用作低溫流體流。與此不同，為了形成熱的流體流，將所述減壓的空氣的相應(yīng)部分在熱交換單元中加熱。在儲(chǔ)冷單元中對(duì)低溫流體流進(jìn)行加熱并因此使該儲(chǔ)冷器冷卻后，所述低溫流體流被有利地再次冷卻至可被送入精餾單元中的溫度水平，例如-160至-170℃。通過(guò)此類方式，在熱交換單元或者該熱交換單元中所用之主熱交換器與儲(chǔ)冷單元或該儲(chǔ)冷單元中所用之儲(chǔ)冷裝置之間會(huì)產(chǎn)生有利的連接或者熱傳遞。
在第二運(yùn)行模式中有一種或多種低溫液體被從儲(chǔ)液器單元排出，在該模式中，由于在精餾單元中的低溫液體的產(chǎn)量通常很小，原則上，空氣分離設(shè)備運(yùn)行所需的冷量很小，或者，此模式中具有額外的冷量可供利用。如前所述，該冷量可通過(guò)如下方式得到利用：一部分通過(guò)減壓而被冷卻至前文提到的通常為-160至-170℃的溫度水平的空氣被引導(dǎo)過(guò)儲(chǔ)冷單元并使其冷卻。該部分空氣如前文所述那樣得到加熱，并且其在熱交換單元的主熱交換器中冷卻后可被接著冷卻，從而使相應(yīng)空氣在引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元并在該處受熱隨后最終又能回到適合送入精餾單元的溫度水平，也就是再次處于前述之-160至-170℃的溫度水平。因此這部分空氣可與未用于構(gòu)成低溫流體流的減壓空氣一起被送入到精餾單元或其高壓塔中。反過(guò)來(lái)，如所述，在第三運(yùn)行模式中生產(chǎn)額外的低溫液體并送入儲(chǔ)液器單元中，所以產(chǎn)量更大，需要額外的冷量。這是通過(guò)如下方式補(bǔ)償?shù)模阂灾瓣U明方式減壓的空氣首先在主熱交換器或熱交換單元中受熱，從而獲得相應(yīng)的冷量來(lái)冷卻其他的流體流。通過(guò)此類“失去的”冷量可接著在儲(chǔ)冷單元中被再次傳遞給被加熱的那部分空氣。在流過(guò)儲(chǔ)冷單元后，該部分空氣再次回到適于送入高壓塔中的溫度水平，即-160至-170℃。關(guān)于如何由相應(yīng)空氣形成低溫和熱的流體流，請(qǐng)見(jiàn)下文借助附圖3a至3c以及4a至4c的詳細(xì)說(shuō)明。
作為可替換方案，低溫流體流也可以由一部分的所述一種或多種在第二運(yùn)行模式中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)的低溫液體在其蒸發(fā)前形成。與此不同，熱的流體流可以由一部分的所述一種或多種在第三運(yùn)行模式中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)的低溫液體在其蒸發(fā)后形成。為此，在第二運(yùn)行模式中，需蒸發(fā)的低溫液體中的一部分并不引導(dǎo)通過(guò)主熱交換器，而是引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元。因?yàn)橥ㄟ^(guò)來(lái)自儲(chǔ)液器單元的額外的低溫液體蒸發(fā)提供額外的冷量，所以這部分冷可被存在儲(chǔ)冷單元中，由此并不會(huì)導(dǎo)致在主熱交換器或主熱交換器單元中產(chǎn)生損失。在主熱交換器中可供使用的冷不會(huì)因此發(fā)生變化。反過(guò)來(lái)，在第三運(yùn)行模式中，就像前文提到的那樣，熱的流體流可在一相應(yīng)低溫液體蒸發(fā)隨后，由該蒸發(fā)的低溫液體中的一部分形成。利用此類方式，也可例如直接從一相應(yīng)流體流重新形成一液化產(chǎn)品并存入儲(chǔ)液器單元中。相應(yīng)的內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)參照附圖5a至5c的說(shuō)明中。
作為可選或補(bǔ)充方案，可用所謂的非純氮來(lái)制備相應(yīng)的低溫和熱的流體流。相應(yīng)的非純氮是從具有高壓塔和低壓塔的精餾單元的低壓塔排出的氣體混合物，其氮含量通常約為0.5至5摩爾％。類似于前述的流體流，此類非純氮可用于形成低溫和熱的流體流。特別是，為了形成低溫流體流，該非純氮可以在第二運(yùn)行模式中未經(jīng)加熱引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元；與此不同，在第三運(yùn)行模式中，相應(yīng)的流體流被加熱，并尤其是借助鼓風(fēng)機(jī)引導(dǎo)通過(guò)相應(yīng)的單元。換而言之，低溫和熱的流體流可以由一部分從低壓塔排出的非純氮形式的氣體混合物形成，其中形成低溫流體流的部分未經(jīng)加熱使用，而形成熱的流體流的部分在熱交換單元中加熱。非純氮的上述使用方式請(qǐng)見(jiàn)附圖6a至6c、7a至7c以及8a至8c。
在非純氮的相應(yīng)使用方式中尤其是可以使用具有其他熱交換通道，這樣，熱的流體流的部分可在儲(chǔ)冷單元中冷卻后在熱交換單元中加熱，由此可將其“冷量”傳遞給熱交換單元中的其余流體。附圖8a至8c示出了這一方案。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，也可使用其他壓縮空氣流即前述的節(jié)流流代替經(jīng)減壓并送入高壓塔中的空氣，來(lái)對(duì)儲(chǔ)冷單元進(jìn)行冷卻。例如，另一部分引導(dǎo)通過(guò)主空氣壓縮機(jī)并在此壓縮的空氣可以隨后進(jìn)一步壓縮并在熱交換單元中冷卻。相應(yīng)的空氣，就像附圖1展示的那樣，通常在公知設(shè)備中接著減壓并送入高壓塔中。在此，所述低溫和熱的流體流可以由一部分進(jìn)一步壓縮并在熱交換單元中冷卻的空氣形成，其中用于形成低溫流體流的部分未經(jīng)加熱使用，而用于形成熱的流體流的部分在熱交換單元中加熱。更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)參照附圖9a至9c的說(shuō)明中。
有利的是，儲(chǔ)冷單元包括第一儲(chǔ)冷裝置和第二儲(chǔ)冷裝置，其中低溫和熱的流體流中第一部分引導(dǎo)通過(guò)第一儲(chǔ)冷裝置，第二部分則引導(dǎo)通過(guò)第二儲(chǔ)冷裝置。通過(guò)此類方式可達(dá)到更好地平衡儲(chǔ)冷單元和主熱交換器的目的，尤其是在低溫和熱的流體流的第二部分在通過(guò)第二儲(chǔ)冷裝置之前和/或之后需流過(guò)熱交換單元的主熱交換器的一段時(shí)。相應(yīng)的內(nèi)容展現(xiàn)在附圖4a至4c以及7a至7c中。
在本發(fā)明的范疇內(nèi)可使用任意的低溫液體，例如富氮和/或富氬和/或富氧的液體和/或液態(tài)空氣。
本發(fā)明還涉及一種具有獨(dú)立裝置權(quán)利要求所述特征的空氣分離設(shè)備。相應(yīng)空氣分離設(shè)備的特征和優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然可參考上文的說(shuō)明。
下面對(duì)照現(xiàn)有技術(shù)，并參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)解釋。
附圖說(shuō)明
圖1以示意式流程圖形式表示的非本發(fā)明的空氣分離設(shè)備；
圖2以示意式流程圖形式表示的非本發(fā)明的空氣分離設(shè)備的局部示圖；
圖3a至3c以示意式流程圖表示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)；
圖4a至4c以示意式流程圖表示出了另一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)；
圖5a至5c以示意式流程圖表示出了又一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)；
圖6a至6c以示意式流程圖表示出了又一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)；
圖7a至7c以示意式流程圖表示出了又一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)；
圖8a至8c以示意式流程圖表示出了又一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)；
圖9a至9c以示意式流程圖表示出了又一根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的一部分，三個(gè)示圖表達(dá)了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)
具體實(shí)施方式
在附圖中，彼此一致的裝置用同一附圖標(biāo)記標(biāo)示，為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，文中不作重復(fù)說(shuō)明。圖中用三角形流向箭頭作為流體流動(dòng)的補(bǔ)充標(biāo)識(shí)，而且，填色(黑色)流向箭頭表示液流，未填色(白色)流向箭頭表示氣流。
圖1是一不是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的空氣分離設(shè)備的簡(jiǎn)化的流程示意圖。該空氣分離設(shè)備包括主熱交換器單元10、減壓/壓縮單元20、精餾單元30以及儲(chǔ)液器單元40，圖中將這些組件分開(kāi)展示僅是為了清楚區(qū)分。實(shí)踐中，主熱交換器單元10與減壓/壓縮單元20在結(jié)構(gòu)上可高度集成，比如安置到同一冷卻盒中。
主熱交換器單元10包括作為核心部件的主熱交換器11，后者可構(gòu)造成一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)單元的形式。減壓/壓縮單元20在本例中包括第一增壓渦輪21和第二增壓渦輪22。不過(guò)，一個(gè)或多個(gè)增壓渦輪可以用一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)渦輪代替，上述不同單元也可以組合使用。一個(gè)或多個(gè)增壓渦輪(或類似組件)的增壓等級(jí)可以是常規(guī)增壓級(jí)，也可以是送入溫度低于環(huán)境溫度的所謂“冷的”增壓級(jí)。減壓/壓縮單元與主熱交換器單元10或其主熱交換器11建立熱傳導(dǎo)連接。
精餾單元30在所實(shí)施例子中具有由高壓塔31和低壓塔32組成的雙塔。高壓塔31和低壓塔32之間通過(guò)一主冷凝器33建立熱交換連接。另外，例如還可設(shè)置一過(guò)冷熱交換器34，再選擇設(shè)置發(fā)電機(jī)渦輪35以及多個(gè)未特別標(biāo)注的閥門和泵浦。儲(chǔ)液器單元40例如可包括液氮存儲(chǔ)器41、液態(tài)空氣存儲(chǔ)器42和液氧存儲(chǔ)器43，這些存儲(chǔ)器可分別構(gòu)造成一個(gè)或多個(gè)尤其是獨(dú)立的儲(chǔ)罐。還可以設(shè)置另一在功能上屬于儲(chǔ)液器單元40的液態(tài)空氣存儲(chǔ)器45。
在圖1所示的空氣分離設(shè)備中，投入的空氣(air)以流體流a的形式被一主空氣壓縮機(jī)1吸入，并在前置冷卻單元2中被冷卻，隨后在純化單元3中被純化?？諝夥蛛x設(shè)備設(shè)計(jì)用于實(shí)施hap法；因此，主空氣壓縮機(jī)1將經(jīng)過(guò)它的流體流a壓縮至前文給出的的相應(yīng)壓力水平，該壓力水平顯著高于精餾單元30中所用分離壓力之最大值，也就是說(shuō)，高于高壓塔31工作壓力，在這里，該相應(yīng)壓力水平至少是9巴。
流體流a經(jīng)壓縮、冷卻與純化的空氣(mpair)被引入主熱交換器單元10和減壓/壓縮單元20中。在主熱交換器單元10和減壓/壓縮單元20中，從呈流體流a的空氣中形成多個(gè)具有不同壓力值和溫度值的壓縮空氣流。在圖1中可清楚地看到有送入精餾單元30及其高壓塔31中的壓縮空氣流b(feed)以及其他壓縮空氣流c和d(jt1-air，jt2-air)。這里，壓縮空氣流b(feed)約以例如5.6巴的壓力值被送入精餾單元30的高壓塔31中。提供的壓縮空氣流c(jt1-air)的壓力值大于壓縮空氣流b(mpair)的壓力值。提供的壓縮空氣流d(jt2-air)的壓力值可被選擇為大于壓縮空氣流b(mpair)的壓力值。此外還可選擇提供另一壓力值約為例如1.4巴的壓縮空氣流(lp-air，圖中未示出)，該氣流隨后座位所謂的吹入氣流引入低壓塔32中，或通過(guò)主熱交換器11導(dǎo)入環(huán)境中。在圖1中，壓縮空氣流b、c和d制備，特別是涉及減壓/壓縮單元20的部分僅以十分簡(jiǎn)單的方式展示，它們的制備可用不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2中示出的是制備壓縮空氣流b、c和d的另一例子。如前所述，壓縮空氣流b(feed)被送入精餾單元30的高壓塔31中。壓縮空氣流c(jt1-air)釋放到精餾單元30的高壓塔31中。這里可以使用例如圖中示出的發(fā)電機(jī)渦輪35，還可選擇使用一個(gè)或多個(gè)(未分開(kāi)顯示)的閥門?？蛇x的壓縮空氣流d(jt2-air)通過(guò)未分開(kāi)顯示的閥門釋放到精餾單元30的高壓塔31中。
在精餾單元30的高壓塔31中產(chǎn)生氧富集的液態(tài)塔底產(chǎn)物，該餾出物以流體流e形式被排出，引導(dǎo)通過(guò)過(guò)冷熱交換器34，通過(guò)一未分開(kāi)顯示的閥門釋放到精餾單元30的低壓塔32中。另外，在精餾單元30的高壓塔31中還會(huì)形成富集氮?dú)獾臍鈶B(tài)頂部餾出物，該種餾出物以流體流f形式被排出。流體流f中的一部分作為氣態(tài)富氮空氣產(chǎn)品(pgan)從空氣分離設(shè)備導(dǎo)出，而剩余部分可在主冷凝器33液化。
由此形成之液化產(chǎn)品中的一部分可作為液態(tài)富氮空氣產(chǎn)品(pun)從空氣分離設(shè)備導(dǎo)出，一部分作為回流送回到精餾單元30的高壓塔31上。該液態(tài)富氮空氣產(chǎn)品的另一部分以流體流g形式引導(dǎo)通過(guò)過(guò)冷熱交換器34，經(jīng)由一未分開(kāi)展示的閥門釋入精餾單元30的低壓塔32中。該液態(tài)富氮空氣產(chǎn)品的還有一部分以流體流h形式借助一未分開(kāi)顯示的泵浦加壓，視運(yùn)行狀態(tài)的不同，與一來(lái)自儲(chǔ)液器單元40的液氮存儲(chǔ)器41和/或低壓塔32頂部的、同樣也被加壓的富氮液態(tài)流體流i匯合，并作為經(jīng)內(nèi)部壓縮的、液態(tài)富氮流體流k(icun)，特別是以兩部分流的形式，在主熱交換器11中被蒸發(fā)或偽蒸發(fā)(即使其處于既非液態(tài)也非氣態(tài)的超臨界狀態(tài))，并隨后作為經(jīng)內(nèi)部壓縮具有不同壓力水平的富氮壓力產(chǎn)品(icgan1，icgan2)提供。
在壓縮空氣流c與可選之壓縮空氣流d釋入精餾單元30的高壓塔31中時(shí)液化的空氣可以流體流1的形式直接從所述流體的送入位置之下排出，通流過(guò)過(guò)冷熱交換器34，并通過(guò)一未分開(kāi)顯示的閥門釋入精餾單元30的低壓塔32中。一部分也可以被存儲(chǔ)在儲(chǔ)液器單元40的液態(tài)空氣存儲(chǔ)器42或45中。從高壓塔31中可排出一流體流m，引導(dǎo)通過(guò)過(guò)冷熱交換器34，并經(jīng)由一未分開(kāi)展示的閥門釋入精餾單元30的低壓塔32中。
在低壓塔32中形成液態(tài)富氧塔底產(chǎn)物，并以流體流n形式排出，視運(yùn)行模式的不同，以流體流o形式送入液氧存儲(chǔ)器43中和/或借助一未分開(kāi)顯示的泵浦加壓，并作為經(jīng)內(nèi)部壓縮的、液態(tài)富氮流體流p(iclox)在主熱交換器單元10的主熱交換器11中加熱，特別以兩部分流形式在主熱交換器11中蒸發(fā)或偽蒸發(fā)，并作為經(jīng)內(nèi)部壓縮且具有不同壓力水平的富氧壓力產(chǎn)品(mp-gox，hp-gox)提供。視運(yùn)行模式的不同，流體流p(iclox)也可利用從儲(chǔ)液器單元40的液氧存儲(chǔ)器43排出之富氧液體形成。因此圖中的流體流o是雙向的。另外，從儲(chǔ)液器單元40的液氧存儲(chǔ)器43中還可以以流體流q形式排出相應(yīng)的富氧液體，并通過(guò)泵浦送入低壓塔32中。
為裝滿儲(chǔ)液器單元40的液氮存儲(chǔ)器41，從低壓塔32的上方區(qū)域排出流體流r形式的富氮液體，并以流體流s形式轉(zhuǎn)送入液氮存儲(chǔ)器41。這一流體流s也被畫作雙向。視運(yùn)行模式的不同，也可從液氮存儲(chǔ)器41以流體流s形式排出液體，并按上述方式處理成流體流i形式。來(lái)自從儲(chǔ)液器單元40的液氮存儲(chǔ)器41中的富氮液體也可以流體流t形式回送入低壓塔32的上方區(qū)域。儲(chǔ)液器41、42、43在結(jié)構(gòu)上可制成獨(dú)立的部件，或集成到精餾塔中。在任一情況下，它們均是儲(chǔ)液器單元40的功能組件。
從低壓塔32的頂部排出的富氮流體流u可流經(jīng)過(guò)冷熱交換器34，在主熱交換器11中加熱并作為氮?dú)猱a(chǎn)品提供。流體流v，所謂的不純氮(un2)，可以大體一致的方式處理，并用作所謂余氣(rest)。
除了流體流m的液態(tài)空氣，來(lái)自低壓塔32的液態(tài)空氣也可以流體流m的形式裝入液態(tài)空氣存儲(chǔ)器42。相應(yīng)地，來(lái)自液態(tài)空氣存儲(chǔ)器42的液態(tài)空氣也可以流體流x形式通過(guò)泵浦回流至低壓塔32中。
圖1中示出的空氣分離設(shè)備除了較高的壓力水平(主空氣壓縮機(jī)1將投入的表現(xiàn)為流體流a形式的全部空氣壓縮至該壓力水平)之外，其特點(diǎn)在于，在送入蒸餾塔系統(tǒng)的空氣主要是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)減壓渦輪機(jī)提供的。
圖2中展示了制備圖1已示出的壓縮空氣流b(feed)和c(jt-air，圖2中不提供與圖1中流體流d相對(duì)應(yīng)的壓縮空氣流)的方案。與圖1中所示之空氣分離設(shè)備的關(guān)聯(lián)可直接從流體流附圖標(biāo)記推知，在這里，減壓/壓縮單元20和主熱交換器單元10被畫成單元10/20。不過(guò)，就像前文提到的那樣，也可以使用另一方案。
流體流a在壓縮隨后可被分成分流b和c。分流b在熱的側(cè)引入主熱交換器11，并在一中間溫度水平排出。在分流b的分量平行地釋入增壓渦輪21和22的減壓渦輪機(jī)后，這些分量又重新匯合。流體流c在增壓渦輪22和21的壓縮機(jī)級(jí)被壓縮。因?yàn)榱黧w流c之前未被冷卻，這些壓縮機(jī)級(jí)系“熱的”的壓縮機(jī)級(jí)。在圖2中可看到未分開(kāi)顯示的、布置在相應(yīng)壓縮機(jī)級(jí)下游的二次冷卻器。隨后，分流c以從熱端至冷端的方向流過(guò)主熱交換器11。
在后續(xù)圖3a至3c，直至9a至9c，分別示出了根據(jù)本發(fā)明的空氣分離設(shè)備實(shí)施方案的三種運(yùn)行狀態(tài)下的局部示圖，其中各局部示圖a是多次提到的第一運(yùn)行模式，各局部示圖b是多次提到的第二運(yùn)行模式，而各局部示圖c則是多次提到的第三運(yùn)行模式。流體流、裝置和儀器的附圖標(biāo)記與圖1和圖2一致。各圖中均示出了主熱交換器11、增壓渦輪21和22、精餾單元30以及具有液氮存儲(chǔ)器41、液態(tài)空氣存儲(chǔ)器42、液氧存儲(chǔ)器43和液氬存儲(chǔ)器44的儲(chǔ)液器單元40。每個(gè)圖中，存儲(chǔ)器41至44不一定全部都有。但也可能還有另外的存儲(chǔ)器。在后續(xù)圖中，不活動(dòng)的流體流或者沒(méi)有流體通過(guò)的導(dǎo)管均打上了x標(biāo)記。另外，在圖中還可看到一儲(chǔ)冷單元50，其具有第一儲(chǔ)冷裝置51和部分第二儲(chǔ)冷裝置52。
圖3a至3c中示出的是，流體流b中通過(guò)主空氣壓縮機(jī)1壓縮并且隨后被減壓的一部分，在本發(fā)明的這一實(shí)施方案中是如何被用于儲(chǔ)冷或者儲(chǔ)能以及回收能量的。
在圖3a所示的第一運(yùn)行模式中儲(chǔ)冷單元40不工作?？諝夥蛛x設(shè)備基本上以圖1與圖2結(jié)合在一起所描述的方式工作。換言之，流體流b在主熱交換器11熱的側(cè)送入，在一中間溫度水平排出，接著釋入增壓渦輪21和22的減壓渦輪機(jī)后，隨后完全送入精餾單元30中。流體流c借助增壓渦輪21和22的增壓機(jī)壓縮，接著在主熱交換器11中冷卻，隨后作為(jt-air)送入精餾單元30中。其他流體流參見(jiàn)上文說(shuō)明。
如精餾單元30中一實(shí)線箭頭所示，流體流p(iclox)僅是通過(guò)從精餾單元30或者從其低壓塔32(與圖1比較)排出的方式來(lái)提供的。其他液體流也同樣如此。
在圖3b中示出的第二運(yùn)行模式中，儲(chǔ)冷單元50連同其儲(chǔ)冷裝置51參與運(yùn)行。在該第二模式中，流體流b中有一部分分流而出，并以流體流b1的形式通流過(guò)儲(chǔ)冷單元50或者儲(chǔ)冷裝置51。由于流體流b在主熱交換器31中被冷卻，并在增壓渦輪21和22的減壓渦輪機(jī)中減壓，因此流體流b1處于例如大約-160至-170℃的溫度水平。因此，流體流b1可用于對(duì)冷卻儲(chǔ)冷單元50或者其儲(chǔ)冷裝置51。因?yàn)榱黧w流b1在儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51中被加熱，所以在送入精餾單元30中或者高壓塔31之前須再次冷卻至前面提到的溫度水平。因此，流體流b1在儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51中被加熱后，需到主熱交換器11中再次降溫到前述溫度水平。流體流b1，跟流體流b中未通流過(guò)儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51的那部分一樣，被送入精餾單元30，特別是高壓塔31中。其送入方式跟圖1中顯示的流體流c一樣；為清楚起見(jiàn)，在圖3b中，兩個(gè)部分流分別以feed1和feed2表示。
在該第二運(yùn)行模式中，主熱交換器11能夠?qū)α黧w流b1進(jìn)行額外冷卻，因?yàn)閺膬?chǔ)液器單元40中需要排出一股或多股低溫液體(與圖1中流體流t、s、o、q、w、x以及本圖q比較)。如前文參照?qǐng)D1所作的說(shuō)明一樣，從精餾單元30或者低壓塔31排出的富氧液體以流體流p的形式(iclox)在熱交換器10或其主熱交換器中蒸發(fā)。若現(xiàn)在僅通過(guò)從精餾單元30或低壓塔31排出不再覆蓋流體流p(iclox)的該富氧液體的一部分，而是一部分例如以流體流q的形式從儲(chǔ)液器單元40的液氧存儲(chǔ)器43排出，那么制備同樣或大致相當(dāng)份量的流體流p(iclox)所需的“冷量”更小。因此導(dǎo)致的幾乎一定“過(guò)量”的“冷量”可傳遞給之前已將其自身的“冷量”傳遞給了儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51的流體流b1。
從儲(chǔ)液器單元40的液氧存儲(chǔ)器41排出的液體以精餾單元30之內(nèi)的虛線箭頭標(biāo)識(shí)，從低壓塔31排出的部分以實(shí)心箭頭標(biāo)識(shí)。需要強(qiáng)調(diào)的是，除了氧之外，還可以使用其他能夠以液態(tài)形式存儲(chǔ)在儲(chǔ)液器單元40中，并能相應(yīng)地排出與蒸發(fā)的流體。
在圖3c中所示的第三運(yùn)行模式中，同樣地，流體流b中有一部分(這里用b2表示)首先在主熱交換器11中加熱，接著通流過(guò)儲(chǔ)冷單元50。在主熱交換器11中，流體流b1從例如前文提到的大約-160至-170℃被加熱到0℃以上的溫度水平。通過(guò)此類方式，主熱交換器11中有了額外的冷量。其可以用于在低壓塔31中形成較多的富氧液體。在這里，不是以流體流p(iclox)形式從裝置中導(dǎo)出的部分可以流體流o的形式轉(zhuǎn)運(yùn)到儲(chǔ)液器單元40的液氧存儲(chǔ)器43中。這樣，流體流p(iclox)的量保持相等或大體相當(dāng)。
因?yàn)榱黧w流b2在主熱交換器11中被加熱，所以在送入精餾單元30中或者高壓塔31之前須再次冷卻至前面提到的溫度水平。為此，此時(shí)它需通流過(guò)儲(chǔ)冷單元50或者其儲(chǔ)冷裝置51。通過(guò)此類方式，之前在第二運(yùn)行模式中被存儲(chǔ)起來(lái)的“冷量”在本第三運(yùn)行模式中將從儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51排出。
在圖4a至4c中示出的是替代性方方案，即使用具有兩個(gè)儲(chǔ)熱器設(shè)備51和52的儲(chǔ)熱器單元50。在原理上，圖4a至4c中示出的運(yùn)行模式與圖3a至3c中所示的運(yùn)行模式大體相當(dāng)。不過(guò)，在第二運(yùn)行模式中，只有一部分(第一部分)流體流b1通流過(guò)第一儲(chǔ)冷裝置51，而另一部分(第二部分)流體流b1則通流過(guò)第二儲(chǔ)冷裝置52。第二部分流體流b1首先從低溫側(cè)送入主熱交換器11中，并在一中間溫度水平從該主熱交換器11中排出，通流過(guò)第二儲(chǔ)冷裝置51，接著在主熱交換器11中的中間溫度水平與第一部分流體流b1匯合。相應(yīng)地相反方向也適用于在圖4c中所示的第三運(yùn)行模式。在第三運(yùn)行模式中，流體流b2首先全部在低溫側(cè)送入主熱交換器11中。接著，其一部分被引導(dǎo)至主熱交換器11的熱的側(cè)端部，然后在第一儲(chǔ)冷裝置51中冷卻。其第二部分則在一中間溫度水平被排出，并引導(dǎo)通過(guò)第二儲(chǔ)冷裝置，接著在以中間溫度上回流入主熱交換器11中，并在熱的側(cè)與第一部分流體流b1匯合。
通過(guò)在儲(chǔ)冷單元中相應(yīng)地使用兩個(gè)儲(chǔ)冷裝置以及如上所述或可比較地引導(dǎo)流體流，使主熱交換器11更好地平衡。此類方案原則上也可用于后面介紹的其他方法變例及其他實(shí)施方案。
在圖5a至5c中示出了一種將液氧或者一部分流體流p(iclox)用于儲(chǔ)冷單元50及其儲(chǔ)冷裝置之運(yùn)行的可選方案。如在圖5b中的第二運(yùn)行模式所示，在此以流體流p1的形式分支出一部分的流體流p(iclox)，引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51，接著與剩下的引導(dǎo)通過(guò)主熱交換器31的流體流p匯合。如同引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元50的部分，使引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷裝置51的部分蒸發(fā)。如圖5c所示的第三運(yùn)行模式中，流體流p(iclox)沿反方向流動(dòng)，首先全部在主熱交換器31中加熱、蒸發(fā)。接著，一部分以流體流p2的形式分出，并在儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51中冷卻、液化，并作為液態(tài)存入儲(chǔ)液器單元40或其液氧存儲(chǔ)器43中。
在圖5b所示的第二運(yùn)行模式中，通過(guò)從液氧存儲(chǔ)器43排出富氧液體，其中同樣會(huì)有“富余”的冷量，可用于冷卻儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51。通過(guò)這些存起來(lái)的冷，液氧存儲(chǔ)器43在圖5c所示的第三運(yùn)行模式中可被再次填滿。圖5a至5b所示的實(shí)施方案也可使用多個(gè)與圖4a至4c相應(yīng)的儲(chǔ)冷裝置。也可使用其他液體。
在圖6a至6c中示出了將所謂非純氮流體流v(un2)使用于在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案中使用之儲(chǔ)冷單元50的方案。在圖6b所示的第二運(yùn)行模式中，一部分此種流體流(此處以流體流v1表示)通流過(guò)儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51并在此處加熱，接著與在主熱交換器11中加熱的另一部分匯合。與此不同，在圖6c所示的第三運(yùn)行模式中，流體流v先整體受熱，接著，其一部分(此處以流體流v2表示)被排出，借助一用于保持相應(yīng)流體流的鼓風(fēng)機(jī)53，引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元50或儲(chǔ)冷裝置51，并在主熱交換器11的上游與流體流v再次匯合。
在圖7a至7c中示出的是將圖6a至6c所示之方法變例與使用具有多個(gè)儲(chǔ)冷裝置51和52之儲(chǔ)冷單元50相結(jié)合的方案。對(duì)于本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員而言，其中示出的細(xì)節(jié)可通過(guò)將圖6a至6c及其相關(guān)說(shuō)明與圖4a至4c及其相關(guān)說(shuō)明結(jié)合起來(lái)考查的方式直接得到。
在圖8a至8c中示出了圖6a至6c中所示實(shí)施方案的變例，圖中示出的是如何在主熱交換器11中使用一額外的通道11a。圖8b所示的方法變例，也就是第二運(yùn)行模式與圖6b中所示的第二運(yùn)行模式?jīng)]有大的差別。與此不同，在圖8c所示的第三運(yùn)行模式中，非純氮流體流v2在儲(chǔ)冷單元50中冷卻隨后，在主熱交換器11中受熱，然后從裝置導(dǎo)出，例如排入環(huán)境(amb)中。圖8a至8c所示的實(shí)施方案也可使用多個(gè)儲(chǔ)冷裝置51和52。
最后，在圖9a至9c中示出的是流體流c(jt-air，圖2中亦可見(jiàn))被使用于相應(yīng)之儲(chǔ)冷單元50的運(yùn)行方案。為此，在圖9b所示的第二運(yùn)行模式中，空氣流c的一部分被從主熱交換器11的低溫側(cè)排出(以流體流c1表示)，并引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷單元50或其儲(chǔ)冷裝置51。接著，在主熱交換器11中進(jìn)行冷卻。在圖9c所示的第三運(yùn)行模式中，以流體流c2表示的空氣首先在主熱交換器11中受熱，接著引導(dǎo)通過(guò)儲(chǔ)冷裝置51。