專利名稱:改進(jìn)的液化方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及高壓液化裝置操作。更具體地說,涉及在液化裝置操作方面改進(jìn)能量效率。
許多過程,一次通過型和再循環(huán)型過程,已用于液化空氣分離產(chǎn)品,即氮、氧和氬。本世紀(jì)中葉前后,已經(jīng)應(yīng)用的方法中,空分裝置的進(jìn)料空氣在活塞型正位移往復(fù)式壓縮機(jī)中被壓縮至3000psig。高壓空氣被干燥,在管殼式或螺旋式換熱器內(nèi)冷卻,并經(jīng)在正位移往復(fù)式做功膨脹機(jī)內(nèi)膨脹,產(chǎn)生空分液體所需的冷凍。這種高壓操作提供了具有熱力學(xué)效率優(yōu)點(diǎn)的重要液化循環(huán)。然而,從投資和維修觀點(diǎn)來(lái)看,所用的換熱裝置體積大且費(fèi)用高,往復(fù)式機(jī)械復(fù)雜而成本高。
在五十年代末,從商業(yè)上可得到可行的低壓多級(jí)離心壓縮機(jī),徑向吸氣渦輪膨脹機(jī)和小巧而成本效益高的釬焊鋁換熱器。低壓再循環(huán)氮的過程被應(yīng)用來(lái)使用這種產(chǎn)生冷凍的新裝備以液化空分產(chǎn)品。所述機(jī)械的空氣動(dòng)力學(xué)效率低以及液化系統(tǒng)中低壓操作的熱力學(xué)缺點(diǎn)使其能量效率常常低于它們所代替的高壓系統(tǒng)。然而投資和維修的要求得到降低。至八十年代初期,釬焊鋁換熱器的工作壓力和最大可制造尺寸方面的穩(wěn)定進(jìn)步,離心壓縮機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)效率的改進(jìn)和多級(jí)離心、高壓、氮再循環(huán)壓縮機(jī)的商業(yè)可行性以及相匹櫝的深冷渦輪膨脹機(jī)/增壓機(jī)組合裝置,均被用于再循環(huán)和單次通過的液化循環(huán)之中,最大壓力高達(dá)770psia。新設(shè)計(jì)的能量效率比早期的以低壓渦輪機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)大為提高。現(xiàn)在,大部分空分液體都是由這種改進(jìn)設(shè)計(jì)的液化裝置生產(chǎn)出來(lái)。
這類氮液化裝置的典型構(gòu)型示于Hanson等人的美國(guó)專利4 778 497中。如其中所示,從進(jìn)料壓縮機(jī)排出的第一進(jìn)料氮供給三級(jí)或四級(jí)再循環(huán)壓縮機(jī)的吸氣部。給進(jìn)料壓縮機(jī)供料的低壓氮來(lái)自一空分裝置。常常將來(lái)自一空分裝置的高壓塔的溫蒸氣作為附加的進(jìn)料。氮再循環(huán)壓縮機(jī)將該進(jìn)料及來(lái)自液化裝置冷卻箱的返回再循環(huán)氮物流的壓力從80-90psia提升到450-500psia。全部的再循環(huán)壓縮機(jī)排出氣流由Hanson等人專利所示的平行排布的溫的和冷的渦輪增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮到約700psia。由于這種增壓機(jī)的平行而不是串聯(lián)排列的液化循環(huán)配置方式,其結(jié)果是得到增壓機(jī)壓縮各級(jí)的最有利的空氣動(dòng)力學(xué)無(wú)因次性能參數(shù)。從增壓機(jī)排出的高壓氣流,在其后的冷卻箱式釬焊鋁換熱器中冷卻,并且分流到溫渦輪機(jī)、冷渦輪機(jī)和產(chǎn)品流。從兩個(gè)渦輪機(jī)中排出的氣流在換熱器系統(tǒng)中受溫?zé)幔⒎祷氐皆傺h(huán)壓縮機(jī)的吸氣部。
在1985年,生產(chǎn)出了大型釬焊鋁換熱器,工作壓力能達(dá)到1400psia。由于一系列理由,上述氮液化過程在這一更高壓力水平下操作時(shí),在熱力學(xué)上已不再具有優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于操作在壓力比為約8,即700psia對(duì)88psia的兩個(gè)渦輪機(jī)而言,跨越兩渦輪機(jī)的總溫度差等于環(huán)境溫度至在冷渦輪機(jī)排氣口處飽和蒸氣溫度的總溫度范圍。增加這些渦輪機(jī)的入口壓而不增加它們的出口壓,將導(dǎo)致增加跨越這些渦輪機(jī)的溫度差而超過可被該過程有效利用的溫度差。因此,將產(chǎn)生溫度混合損失和/或從冷渦輪機(jī)排出兩相的物流。而且,因?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的限制,跨越單級(jí)徑向吸氣渦輪膨脹機(jī)的壓力比不能增至超過8很多。避免這些問題的方法是成比例地增加這些渦輪機(jī)的入口和出口壓力,以維持跨越它們的壓力比在8左右。對(duì)于1400psia的渦輪機(jī)入口壓,渦輪機(jī)的排氣壓和再循環(huán)壓縮機(jī)的入口壓將約為175psia。冷渦輪機(jī)排氣溫度不能比在175psia時(shí)的飽和溫度105°K更低,這反過來(lái)又造成通到空分裝置,進(jìn)入閃蒸分離器或通入供以后送去貯存的過冷器的超臨界產(chǎn)品流過高的溫度和熱焓。該系統(tǒng)的整體效率由于減小了與渦輪機(jī)排放氣流直接換熱接觸所提供的總的液化冷凍比率而受到損失。此外,增加冷渦輪機(jī)的排氣壓和再循環(huán)壓縮機(jī)的吸氣壓,使之超過空分裝置的高壓塔的操作壓力,會(huì)防止冷蒸氣或溫蒸氣從該塔向液化裝置的吸氣管線的直接轉(zhuǎn)移。雖然可以嘗試避免這一問題的各種方法,但它們均給裝置加上相當(dāng)大的費(fèi)用和復(fù)雜性問題。因此,現(xiàn)在廣泛用于液化氮和空氣的操作于700-800psia峰值循環(huán)壓力下的液化方法,不能很好適用于在更高的峰值循環(huán)壓力下的操作。
Dobracki等人的美國(guó)專利4 894 076公開了一種渦輪機(jī)型的再循環(huán)氮液化過程,設(shè)計(jì)用來(lái)吸取商用高工作壓釬焊鋁換熱器的優(yōu)點(diǎn)。如表1所示,該專利方法與典型的商用液化裝置相比,能量效率提高了約5%。該專利方法使用三臺(tái)徑向吸氣渦輪機(jī)膨脹機(jī),來(lái)跨過從環(huán)境溫度至冷渦輪機(jī)的飽和蒸氣排氣的溫度范圍。溫渦輪機(jī)以后冷卻再循環(huán)壓縮機(jī)489psia的排放氣作為進(jìn)料氣,在再循環(huán)壓縮機(jī)91psia的吸氣壓和192°K溫度下排放氣體。該機(jī)為該過程提供低至200°K的溫度水平所需的全部冷凍量。其余的再循環(huán)壓縮機(jī)的排放氣體,由兩個(gè)離心壓縮機(jī)葉輪吸收由三個(gè)氣體膨脹機(jī)傳送的能量,將壓力由490psia增強(qiáng)至最大循環(huán)排出壓1215psia。在該換熱系統(tǒng)內(nèi)冷卻至200°K以后,一部分氣流被引至中間氣體膨脹機(jī)內(nèi),在那里膨脹至480psia和為155°K。該機(jī)給過程提供從200°K到115°K之間的冷凍量。冷渦輪膨脹機(jī)的進(jìn)料是從中間膨脹機(jī)的排出氣與小股再循環(huán)壓縮機(jī)排出氣的混合物,再循環(huán)壓縮機(jī)排出氣已在換熱器系統(tǒng)中冷卻至相同溫度。冷膨脹機(jī)排出氣體壓力為94psia,或接近于飽和蒸氣,它提供155°K和99°K之間的冷凍量。渦輪機(jī)排出氣流在逆流換熱中與進(jìn)入的物料氣流換熱而被溫?zé)岷螅祷卦傺h(huán)壓縮機(jī)吸氣部。液體或密流體膨脹機(jī)將冷的超臨界產(chǎn)品氮物流從1206sia膨脹到94psia,這是為了將其供給空分裝置作為生產(chǎn)過冷液體產(chǎn)物的冷凍供料以前進(jìn)一步降低熱含量。雖然該專利方法是以優(yōu)于先有技術(shù)的總能量效率約5%而公開的,但是它仍然存在幾個(gè)缺點(diǎn)需要克服,才能使該液化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。
Dobracki專利方法的能量需求,比本文描述和申請(qǐng)專利的發(fā)明高出2.3%。與此有關(guān)的兩個(gè)因素是,其報(bào)告的循環(huán)壓力約1200psia,比本發(fā)明的優(yōu)選壓力1400psia低,以及由液體渦輪機(jī)產(chǎn)生的能量未被回收來(lái)做有用功。而且,其循環(huán)更復(fù)雜,因其使用三臺(tái)氮?dú)鉁u輪機(jī)和一臺(tái)液體渦輪機(jī),從而增加的投資和維護(hù)費(fèi)用是高的,因?yàn)樵摲椒ㄊ褂昧怂呐_(tái)渦輪機(jī),而本發(fā)明相似的流程只用二臺(tái)氣體渦輪機(jī)和一臺(tái)液體渦輪機(jī)。
可以看到,Dobracki專利的循環(huán)配置不能將過程排出壓力增加到1400psia,而達(dá)到當(dāng)今釬焊鋁換熱器的最大工作壓能力,或最好高達(dá)2500psia,故而不能達(dá)至理論上可得到的熱力學(xué)優(yōu)點(diǎn)。
因此,可以看到,有很大必要在本領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)能有利地利用工作壓力最高可達(dá)1400psia的換熱器的高壓液化過程。也應(yīng)當(dāng)指出,在許多將液化裝置與空分裝置聯(lián)合實(shí)施的場(chǎng)合,下列做法是有利的,即具有降低冷渦輪機(jī)的排氣壓力和再循環(huán)壓縮機(jī)入口壓力的靈活性,以容許將從空分裝置的高壓塔排出的不經(jīng)壓縮的溫或冷的氮蒸氣或溫和冷的氮蒸氣作為液化裝置的進(jìn)料?,F(xiàn)代的具有結(jié)構(gòu)填料精餾塔的空分裝置,將高壓氮塔設(shè)計(jì)成為壓力低至68psia。Dobracki專利方法不具有將再循環(huán)壓縮機(jī)吸氣壓操作在如此低的靈活性。假如它要嘗試,則或是在冷渦輪機(jī)排出氣中會(huì)包含大量液體,或是在各換熱器區(qū)之間發(fā)生大的溫度混合損失。這個(gè)問題可由操作在最大循環(huán)壓約900psia的方法解決,但這會(huì)引起循環(huán)能量效率大為降低。
本發(fā)明的目的是解決本領(lǐng)域中這些問題,以提供一個(gè)改進(jìn)的高壓液化過程和系統(tǒng),能利用高壓換熱器和比現(xiàn)有技術(shù)大為節(jié)約過程能量。
本發(fā)明采用雙渦輪機(jī)一增壓機(jī)壓縮機(jī)裝置這種特別配置方式,以提供有益的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)和有效的冷卻曲線特性。應(yīng)用具有多程的高壓換熱器以適應(yīng)所需的過程布局。最終的液體產(chǎn)品膨脹可使用一臺(tái)液體渦輪機(jī)。
本發(fā)明此后參考附圖進(jìn)行描述,該附圖是基于本發(fā)明的氮液化過程的主體實(shí)施方案。
本發(fā)明的目的的實(shí)現(xiàn)是依靠改進(jìn)的液化過程和系統(tǒng),其中應(yīng)用兩個(gè)氣體渦輪機(jī)和一個(gè)液體渦輪機(jī),這樣可使投資和維護(hù)費(fèi)用減至最小,能量需求降低并提高總的操作效率。
在本發(fā)明一個(gè)方案的實(shí)施例中,在例如72.5psia的冷渦輪機(jī)的溫排出氣,與進(jìn)料壓縮機(jī)的排氣和中間壓力進(jìn)料匯合,給氮再循環(huán)壓縮機(jī)的第一級(jí)提供進(jìn)氣。在兩級(jí)壓縮后,該氣流與溫渦輪機(jī)的溫排出氣匯合,用作再循環(huán)壓縮的其后兩個(gè)級(jí)進(jìn)氣。將577psia的再循環(huán)壓縮機(jī)排出氣流的一部分分流出,并在釬焊鋁換熱器內(nèi)冷卻,用作冷渦輪機(jī)的進(jìn)料。再循環(huán)壓縮機(jī)排出氣的其余部分被導(dǎo)入串聯(lián)的冷和溫渦輪增壓機(jī),然后送入1400psia的冷卻箱。在釬焊鋁換熱器的第一區(qū)冷卻后,一部分該氣流被分流出來(lái)作為溫渦輪機(jī)的進(jìn)料,其余產(chǎn)品部分被冷卻和冷凝,然后進(jìn)入過冷器。存在于過冷器的高壓超臨界冷產(chǎn)品物流,經(jīng)液體渦輪機(jī)處理,該渦輪機(jī)排出物的熱焓非常接近一大氣壓下的飽和液氮的熱焓。一部分該液體排出物經(jīng)節(jié)流進(jìn)入過冷器釬焊鋁換熱器作為冷凍劑,在換熱系統(tǒng)中受溫?zé)嶂霸谶@里蒸發(fā)和過熱,并通到進(jìn)料壓縮機(jī)入口。過冷的液體渦輪機(jī)排出物流的其余部分,離開液化裝置進(jìn)行貯存或供給空分裝置作冷凍劑。進(jìn)料壓縮機(jī)收集從過冷器來(lái)的溫膨脹氣和從空分裝置來(lái)的新鮮低壓進(jìn)料,再送到再循環(huán)氮壓縮機(jī)的入口。
參考附圖,在管線27中的從徑向吸氣冷渦輪膨脹機(jī)3排出的81psia飽和氮蒸氣,在釬焊鋁換熱器區(qū)15、14和13內(nèi)被逐次溫?zé)嶂镰h(huán)境溫度之前,可與在管線22中的從空分裝置的低塔來(lái)的小股中壓冷氮?dú)夂喜?。這種經(jīng)溫?zé)岬臍怏w,與從管線26上的進(jìn)料壓縮機(jī)9和后冷卻器10來(lái)的后冷卻氮排出氣和中壓氮進(jìn)料12合并,中壓氮進(jìn)料12是來(lái)自空分裝置(未示出)的高壓、低塔,在那個(gè)系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)內(nèi)被溫?zé)岬江h(huán)境溫度后作為補(bǔ)充氣用。合并后的氣流在管線28內(nèi)通入第1再循環(huán)氮壓縮區(qū)的再循環(huán)壓縮機(jī)1。該壓縮機(jī)典型地由兩個(gè)離心壓縮級(jí)組成。安裝在與一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的大齒輪嚙合的,帶齒輪的齒桿相反的兩端上。壓縮了的氮在通常由再循環(huán)壓縮機(jī)1代表的兩壓縮級(jí)之間受中間冷卻,然后當(dāng)它以211psia離開第一壓縮機(jī)區(qū)后,在后冷卻器23內(nèi)冷卻。在管線29中來(lái)自溫徑向吸氣膨脹機(jī)6的217psia和158°K的排出氮?dú)?,在釬焊鋁逆流換熱器區(qū)域14和13內(nèi)逐次溫?zé)?,然后與從再循環(huán)氮壓縮第一區(qū)排出后又離開后冷卻器23的后冷卻氮排出氣合并。合并后的物流被送入再循環(huán)氮壓縮第二區(qū),即再循環(huán)壓縮機(jī)2的進(jìn)口。該壓縮機(jī)也典型地由安裝在帶齒輪的齒桿相反兩端的兩個(gè)離心壓縮級(jí)組成,它由驅(qū)動(dòng)再循環(huán)氮壓縮第一區(qū)的同一個(gè)大齒輪驅(qū)動(dòng)。中間冷卻是在兩個(gè)壓縮級(jí)之間提供的,從再循環(huán)壓縮機(jī)2排入管線28的577psia的氮?dú)?,在后冷卻器7內(nèi)受后冷卻。
離開氮再循環(huán)壓縮的兩個(gè)區(qū)的再循環(huán)氮?dú)饬鞅环殖蓛晒?。第一股氣流在管線30內(nèi)通過,在釬焊鋁逆流換熱器區(qū)13和14中相繼受冷卻,再進(jìn)入冷膨脹機(jī)3。在膨脹機(jī)3內(nèi)做功膨脹后,排放的氣體如上所示流經(jīng)管線27。離開氮再循環(huán)壓縮的兩個(gè)區(qū)后的第二股氮?dú)饬魍ㄟ^管線31,進(jìn)入冷渦輪增壓機(jī)4的入口。該冷渦輪機(jī)/增壓機(jī)組合由軸承支撐的主軸組成,主軸一端上安裝著一徑向吸氣膨脹區(qū)3,主軸另一端上安裝著離心壓縮級(jí)4。從膨脹氣流做功膨脹傳遞給主軸的能量,由該壓縮級(jí)所吸收(軸承和風(fēng)阻損失較小)。冷增壓機(jī)4將流經(jīng)其內(nèi)的氮?dú)饬鞯膲毫?74psia提升至805psia。該冷增壓機(jī)的排氣流流入管線32,然后在后冷卻器24內(nèi)后冷卻,再在溫渦輪增壓機(jī)5內(nèi)壓縮到1400psia。
從溫渦輪增壓機(jī)5排出的高壓和溫的增壓排出氣流,由管線33送至后冷卻器8,然后進(jìn)入釬焊鋁換熱器區(qū)13進(jìn)行逆流冷卻至262°K,然后被分成兩股。第一股氣流經(jīng)管線34輸入溫渦輪機(jī)6的入口,用以進(jìn)行接近等熵做功膨脹。從該渦輪機(jī)排出的氣流如上所述,流入管線29。由溫渦輪機(jī)6膨脹產(chǎn)生的能量傳送到驅(qū)動(dòng)溫增壓機(jī)5的主軸。
在管線30內(nèi)的離開換熱器13冷端的第二股高壓氮物流,在釬焊鋁逆流換熱器區(qū)14、15和16內(nèi),被相繼冷卻,再以1390psia和79.6°K,即高壓超臨界密流體進(jìn)入液體渦輪機(jī)17。在液體渦輪機(jī)17內(nèi)發(fā)生接近等熵做功膨脹。從該渦輪機(jī)排出的物流作為回收的產(chǎn)品通入帶膨脹閥35的管線25,用以通貯存裝置和/或供給空分裝置作冷凍。一小股所述冷凍劑液體通入帶閥37的管線36,用以在過冷器、釬焊鋁換熱器區(qū)16內(nèi)蒸發(fā)和過熱。在所述過冷器區(qū)16內(nèi)形成的低壓蒸氣,在釬焊鋁逆流換熱器區(qū)15、14和13內(nèi),被相繼加溫至環(huán)境溫度,然后通入管線36,用以與從空分裝置來(lái)的管線26內(nèi)的低壓產(chǎn)品氮合并,作為氮進(jìn)料壓縮機(jī)9的入口氣流。該壓縮機(jī)通常是一個(gè)三級(jí)、離心、中間冷卻的整體傳動(dòng)裝置,它傳輸其出口氣流經(jīng)后冷卻器10,至再循環(huán)壓縮機(jī)1的吸氣口。
該液體渦輪機(jī)/增壓機(jī)單元包括兩端軸承支撐的至軸,其一端上安裝著液體渦輪機(jī)17,另一端上安裝著小離心壓縮機(jī)機(jī)級(jí)18,18被設(shè)計(jì)成與再循環(huán)壓縮機(jī)1的第1級(jí)平行操作。從再循環(huán)壓縮機(jī)1排出的氣體,經(jīng)管線38通入壓縮機(jī)級(jí)18,經(jīng)壓縮的氣體經(jīng)管線39排出。以此種方式回收可利用的膨脹功,可改進(jìn)液化裝置的能量效率約0.5%。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)懂得,這里描述的本發(fā)明的細(xì)節(jié)方面,在不偏離所附權(quán)利要求書中描述的本發(fā)明的范圍的情況下,還可以進(jìn)行各種變化和修改。一種修改是可以關(guān)掉或取消換熱器區(qū)16和用于加溫從液體渦輪機(jī)17排出的低壓膨脹氮?dú)獾膮^(qū)15、14和13的換熱器通路。在液體渦輪機(jī)17內(nèi)膨脹以后,其熱焓高于附圖的實(shí)施方案中的產(chǎn)品氣流,被返回空分裝置的高壓或低塔的頂部。過冷的液氧、氮和氬物流,經(jīng)由本發(fā)明的氮液化裝置供給空分裝置起冷凍作用的換熱后,排出空分裝置。在該實(shí)施方案中,從空分裝置向液化裝置管線22排出一小股冷的中壓氮?dú)?,以有效地平衡該空分裝置的溫端換熱系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布,通常是適當(dāng)?shù)?。?yōu)選的配置是液化裝置與其有聯(lián)系的空分裝置的大小和設(shè)計(jì)應(yīng)滿足,在該空分裝置內(nèi),使用換熱器16能更有效達(dá)到產(chǎn)品液氮的過冷。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中,在附圖舉出的設(shè)計(jì)中取消液體渦輪機(jī)17。其結(jié)果是造成能量需求增加5.7%才能產(chǎn)生一固定量的一大氣壓的飽和液氮。然而,該過程中用一合適的閥門代替所述的液體渦輪機(jī),無(wú)需附加的改進(jìn)就能操作。這一特點(diǎn)在下列情況下時(shí)是有用的需要簡(jiǎn)化裝置、減輕投資費(fèi)用或在液體渦輪機(jī)故障時(shí)臨時(shí)操作液化裝置。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中,不應(yīng)用過冷器和液體渦輪機(jī)。管線25中的產(chǎn)品氮被引入空分裝置低塔的頂部。過冷的空分液體產(chǎn)品,經(jīng)由該氮液化裝置供給空分裝置起冷凍作用的換熱后,從空分裝置排出一到貯存裝置。
應(yīng)當(dāng)理解,對(duì)于附圖的實(shí)施方案中應(yīng)用的過程壓力水平,包括區(qū)13的換熱器,由于消除了原來(lái)在區(qū)14和15之間會(huì)發(fā)生的溫度混合損失,可改進(jìn)過程的效率。溫度混合損失的發(fā)生是因?yàn)闇販u輪機(jī)6的排氣溫度比冷渦輪機(jī)3所需的入口溫度高。然而,通過調(diào)節(jié)過程壓力,以增加跨過兩個(gè)渦輪機(jī)兩端的壓力比,跨過每個(gè)渦輪機(jī)的溫度差增加,直至溫渦輪機(jī)的入口溫度達(dá)到環(huán)境溫度。這時(shí),換熱器區(qū)13就不再需要。溫度混合損失在部分負(fù)載情況下產(chǎn)生。此時(shí)可使用比
圖1的實(shí)施方案更簡(jiǎn)單的釬焊鋁換熱器。這種辦法也適合于再循環(huán)壓縮機(jī)需要比設(shè)計(jì)的吸入壓更低壓力的情況。
在一個(gè)獨(dú)立的空氣液化系統(tǒng)實(shí)施方案中,來(lái)自空分裝置的空壓機(jī)和預(yù)凈化器的無(wú)二氧化碳干燥空氣,由管線12供給再循環(huán)壓縮機(jī)1的入口作進(jìn)料。在此供料管線上,裝有一合適的閥,使液化裝置操作在比空分裝置供氣壓力低的進(jìn)氣壓。該特點(diǎn)強(qiáng)化了該液化裝置在部分負(fù)載情況下的效率。由該液化裝置產(chǎn)生的液體空氣,在管線25中流向空分裝置的低塔。它提供的冷凍作用允許過冷的空分液體從空分裝置排入貯存裝置。為了適當(dāng)平衡在空分裝置主換熱器內(nèi)的溫度分布,通常采用的適當(dāng)措施是經(jīng)管線22從空分裝置主換熱器的冷端向該液化裝置通入一小股低溫空氣流,作為其進(jìn)料。當(dāng)所需的全部液體產(chǎn)品小于空分裝置空氣進(jìn)料的約30%,當(dāng)所需的液體大部分是液氧,以及當(dāng)不需要最大限度生產(chǎn)氬時(shí),這種配置是可取的。
在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方案中,空氣液化裝置與空分裝置的主換熱器聯(lián)合使用。這種配置使空分裝置和液化裝置的主換熱器合為一體??辗盅b置的全部進(jìn)料,不含二氧化碳的空氣進(jìn)料以提供至再循環(huán)壓縮機(jī)入口的壓力從空分裝置預(yù)凈化器12供來(lái)??辗盅b置低塔的空氣進(jìn)料是由冷渦輪機(jī)的一部分排出氣22和液化裝置液體空氣產(chǎn)品25的合并而成。該種配置的主要缺點(diǎn)是需要冷渦輪機(jī)排氣壓力等于或高于空分裝置低塔的壓力,這反過來(lái)又影響了液化裝置的部分負(fù)載性能。除參考上述關(guān)于獨(dú)立空氣液化系統(tǒng)的理由外,當(dāng)不需要液化裝置具備顯著調(diào)低能力的特征時(shí),該實(shí)施方案值得考慮。
那些本領(lǐng)域的技術(shù)員會(huì)懂得,這里描述的本發(fā)明的細(xì)節(jié)方面,在不偏離所附權(quán)利要求所描述的本發(fā)明的范圍的情況下,還可以作出各種變化和修改。例如,可將取消過冷器16和取消換熱器區(qū)域13的概念和液化空氣的概念結(jié)合起來(lái)。相似地,使用過冷器16可結(jié)合到空氣液化裝置的實(shí)施方案之中。而且,使用或取消液體渦輪機(jī)可體現(xiàn)在任何設(shè)計(jì)中。
利用已經(jīng)建立的模擬,已經(jīng)計(jì)算了附圖設(shè)計(jì)的實(shí)施方案,用以決定本發(fā)明的具體應(yīng)用中可以使用的操作條件,其結(jié)果示于下表。對(duì)于所設(shè)計(jì)的例子,選擇溫渦輪機(jī)入口壓1390psia,因?yàn)橥ǔbF焊鋁換熱器最有利的工作壓力為1400psia。工藝過程研究已經(jīng)表明,最高排出壓力增至該水平時(shí),能量效率繼續(xù)升高。對(duì)于合適而經(jīng)濟(jì)的更高工作壓力的換熱器,該過程可以在更高的工作壓力水平下應(yīng)用。對(duì)于該單獨(dú)指出的液化裝置,溫渦輪機(jī)入口壓的范圍,可以從約800至約2500psia,同時(shí)跨過該溫渦輪機(jī),冷渦輪機(jī)和進(jìn)料壓縮機(jī)的可能壓力比范圍,典型地分別為6-9、6-9和4-8。
表 再循環(huán)液化過程PSIA 溫度,°K再循環(huán)壓縮機(jī)入口至區(qū)域#1 70 300再循環(huán)壓縮機(jī)入口至區(qū)域#2 210 300溫渦輪機(jī)入口 1390 260冷渦輪機(jī)入口 570 170溫增壓機(jī)入口 800 300冷增壓機(jī)入口 570 300本發(fā)明的改進(jìn)高壓液化過程以極為特殊方式應(yīng)用了雙渦輪機(jī)-增壓壓縮機(jī)單元,使有可能實(shí)現(xiàn)有效的冷卻曲線特征及良好的機(jī)器設(shè)計(jì)參數(shù)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)懂得,本發(fā)明的實(shí)踐中可維持許多新特點(diǎn)和利益。因此,從兩個(gè)串聯(lián)操作的渦輪增壓機(jī)的排出氣中可取出溫渦輪機(jī)的進(jìn)料及液化裝置產(chǎn)品餾分。此外,溫渦輪機(jī)出口,在溫?zé)嶂?,保持在返回到四?jí)再循環(huán)氮壓縮機(jī)的第三級(jí)進(jìn)口可用的理想壓力水平。而且,跨過該溫渦輪機(jī)的等熵壓差低于一個(gè)水平,在該水平噴嘴馬赫數(shù)高會(huì)引起徑向吸氣渦輪機(jī)方面的設(shè)計(jì)困難,使渦輪機(jī)空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與當(dāng)前的實(shí)踐一致。
本發(fā)明的配置,其中兩個(gè)渦輪增壓機(jī)在流程中串聯(lián)排列,以冷增壓機(jī)排在溫增壓機(jī)之前,造成了有利于這些增壓機(jī)的操作。然而,應(yīng)當(dāng)理解,在本發(fā)明的實(shí)踐中,這種工藝順序可以逆置。冷渦輪機(jī)進(jìn)料是釬焊鋁換熱器冷卻的氮再循環(huán)壓縮機(jī)排出氣流。冷渦輪機(jī)入口氣流不經(jīng)過該渦輪增壓機(jī)。
在本發(fā)明的實(shí)踐中,經(jīng)溫?zé)岬睦錅u輪機(jī)排出氣,供給氮再循環(huán)壓縮機(jī)的第一級(jí)作為進(jìn)料。這種進(jìn)料的壓力較低,這就容許在對(duì)其進(jìn)行逆流換熱的冷卻中,使其達(dá)到低的超臨界產(chǎn)品物流的熱焓。由這一特點(diǎn),可減少過冷器,即對(duì)冷凍作用的要求降低。
冷渦輪機(jī)的出口壓力低,可容許從空分單元的高壓塔給液化裝置供給冷的或溫?zé)岬牡魵?。循環(huán)的壓力容易調(diào)節(jié),而不會(huì)有循環(huán)的效率的損失,使冷渦輪機(jī)出口和再循環(huán)壓縮機(jī)入口壓達(dá)到容許從填料蒸餾塔空分單元輸入氮蒸氣的水平。
雖然本發(fā)明在這里具體參考回收液氮產(chǎn)品的系統(tǒng)進(jìn)行了描述,但是應(yīng)當(dāng)理解,在適當(dāng)條件下進(jìn)行空氣液化和生產(chǎn)其它液體產(chǎn)品,如液體氧、低級(jí)烴類,如甲烷,和類似產(chǎn)品,來(lái)進(jìn)行這些實(shí)施方案也屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
若在本發(fā)明過程中使用液體渦輪機(jī),它可置于過冷器的上游或下游。若置于上游,就可能在冷渦輪機(jī)出口壓力下,對(duì)其排出物流進(jìn)行相分離,并且將該物流中的蒸氣部分返回到冷渦輪機(jī)出口管線。
本發(fā)明的液化裝置可從其滿負(fù)荷生產(chǎn)能力向負(fù)荷減小方向作大幅度調(diào)節(jié),這是其一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵撨^程使用較低的氮再循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓,它適用于從低的排出壓、填料蒸餾塔的空分裝置供給溫的原料(shelf)氣體。有可能進(jìn)一步減低再循環(huán)進(jìn)氣壓力而不損害過程的效率。應(yīng)當(dāng)指出,給液化裝置補(bǔ)充氣流可在過程配置中的合適位置以液化過程的任何溫度及壓力下送入,如在管線31a或33a。
因此,本發(fā)明可被看作為提供了一個(gè)改進(jìn)的高壓液化過程。因?yàn)樵诒景l(fā)明的實(shí)施方案中可獲得重大節(jié)能效果,本發(fā)明方法提供了優(yōu)于本領(lǐng)域的現(xiàn)行實(shí)踐的極需要的進(jìn)步。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的深冷液化方法,包括a)給冷渦輪膨脹機(jī)裝置的入口通入在釬焊鋁多程換熱器裝置中冷卻的壓縮氮?dú)?;b)將從所述冷渦輪膨脹機(jī)裝置排出的氮?dú)饨?jīng)所述換熱器裝置再循環(huán),使之在通入再循環(huán)壓縮裝置之前溫?zé)嶂镰h(huán)境溫度;c)將所述再循環(huán)氮?dú)庠谝粋€(gè)雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)壓縮,將這樣壓縮后的氮?dú)獾囊徊糠滞ǖ嚼錅u輪膨脹機(jī)裝置;d)將這樣壓縮氮的其余部分通入冷渦輪膨脹機(jī)的增壓機(jī)壓縮裝置;e)將冷渦輪膨脹機(jī)增壓機(jī)壓縮裝置來(lái)的氮?dú)?,在冷卻后,在溫渦輪膨脹機(jī)裝置的增壓機(jī)壓縮裝置內(nèi)進(jìn)一步從約800psia壓縮到約2500psia的較高壓力;f)將較高壓的氮?dú)饬鞣殖蓛晒蓺饬?;g)將一股較高壓的氮?dú)饬魍ㄈ霚販u輪膨脹機(jī)裝置的入口;h)在換熱器裝置內(nèi),將從溫渦輪膨脹機(jī)裝置排出的氮?dú)鉁責(zé)?;i)將來(lái)自所述換熱器裝置的溫?zé)岬獨(dú)馀c來(lái)自冷渦輪膨脹機(jī)的再循環(huán)氮一起,再循環(huán)至所述雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)的第二區(qū),進(jìn)行壓縮;j)在換熱器裝置內(nèi),將較高壓力的第二股氮?dú)饫鋮s;k)在回收管線內(nèi)排出從換熱器裝置來(lái)的液氮流;和l)控制該產(chǎn)品回收管線內(nèi)液氮流的流量,利用雙渦輪機(jī)增壓機(jī)壓縮機(jī)裝置與能操作在較高壓力的所述釬焊鋁換熱器一起,能以所要求的能量效率水平生產(chǎn)出所需的液氮。
2.權(quán)利要求1的方法,其中所說較高的壓力是在約1400psia的量級(jí)。
3.權(quán)利要求1的方法,其中包括將冷卻的第二股氮?dú)饬魍ㄈ胍后w渦輪機(jī)裝置,使之在機(jī)內(nèi)膨脹。
4.權(quán)利要求1的方法,其中包括將冷卻的第二股氮?dú)饬魍ㄈ霌Q熱器裝置的過冷器部分,并包括將液氮流分流,將其中大部分從過程中排出作為所需的液氮產(chǎn)品,并將其中小部分經(jīng)過換熱器裝置的過冷器部分,以形成低壓氮蒸氣,在換熱器的其余部分內(nèi)溫?zé)嵩摰魵猓约皩⒋说魵馔ㄈ脒M(jìn)料壓縮機(jī)裝置。
5.權(quán)利要求3的方法,其中包括將冷卻的第二股氮?dú)饬髟谕ㄈ胍后w渦輪機(jī)之前,先通入換熱器的過冷器部分。
6.權(quán)利要求5的方法,其中包括將液氮流分流,將其中大部分從過程中排出作為所需的液氮產(chǎn)品,將其中小部分經(jīng)過換熱器的過冷器部分,以形成低壓氮蒸氣,在換熱器的其余部分內(nèi)溫?zé)嵩摰魵?,以及將此氮蒸氣通入進(jìn)料壓縮機(jī)裝置。
7.權(quán)利要求1的方法,其中所述壓縮氮?dú)獍▉?lái)自空分裝置的預(yù)凈化器部分的不含二氧化碳的干燥空氣。
8.權(quán)利要求3的方法,其中包括由液體渦輪機(jī)裝置驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),并在該壓縮機(jī)內(nèi)壓縮一部分再循環(huán)氮?dú)狻?br>
9.權(quán)利要求8的方法,其中在該壓縮機(jī)內(nèi)壓縮的那部分再循環(huán)氮?dú)馐峭ㄈ腚p區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)的第一區(qū)的再循環(huán)氮?dú)獾囊徊糠帧?br>
10.權(quán)利要求1的方法,其中包括在該雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)壓縮補(bǔ)充的外源氮。
11.一種改進(jìn)的氣體液化方法,包括a)給冷渦輪膨脹機(jī)裝置的入口通入在釬鋁多程換熱器裝置中冷卻的壓縮液化裝置氣;b)將從所述冷渦輪膨脹機(jī)裝置排出的液化裝置氣經(jīng)所述換熱器裝置再循環(huán),使之在通入再循環(huán)壓縮裝置之前溫?zé)嶂镰h(huán)境溫度;c)將所述再循環(huán)液化裝置氣在一個(gè)雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)壓縮,這樣壓縮后的液化裝置氣的一部分通到冷渦輪膨脹機(jī)裝置;d)將這樣壓縮液化裝置氣的其余部分通入冷渦輪膨脹機(jī)的增壓機(jī)壓縮裝置;e)將冷渦輪膨脹機(jī)增壓機(jī)壓縮裝置來(lái)的液化裝置氣,在冷卻后,在溫渦輪機(jī)裝置的增壓機(jī)壓縮裝置內(nèi),進(jìn)一步壓縮到較高壓力;f)將較高壓的液化裝置氣流分成兩股氣流;g)將一股較高壓的液化裝置氣流通入溫渦輪膨脹機(jī)裝置的入口;h)在換熱器裝置內(nèi),將從溫渦輪膨脹機(jī)裝置排出的液化裝置溫?zé)?i)將來(lái)自所述換熱器裝置的溫?zé)嵋夯b置氣與來(lái)自冷渦輪膨脹機(jī)的再循環(huán)液化裝置氣一起,再循環(huán)至所述雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)的第二區(qū),進(jìn)行壓縮;j)在換熱器裝置內(nèi),將較高壓力的第二股液化裝置氣冷卻;k)在回收管線內(nèi)排出從換熱器裝置來(lái)的液體產(chǎn)品流;和l)控制該產(chǎn)品回收管線內(nèi)液體產(chǎn)品流的流量,利用雙渦輪機(jī)增壓機(jī)壓縮機(jī)裝置與能操作在較高壓力的所述釬焊鋁換熱器一起,能以所要求的能量效率水平生產(chǎn)出所需的液體產(chǎn)品。
12.權(quán)利要求11的方法,其中包括將所述液體產(chǎn)品通入液體渦輪機(jī)裝置,使之在機(jī)內(nèi)膨脹。
13.權(quán)利要求11的方法,其中包括將冷卻的液化裝置氣通入換熱器裝置的過冷器部分,并包括將液化裝置產(chǎn)品流分流,將其中大部分從過程中排出作為所需的液化裝置產(chǎn)品,并將其中小部分經(jīng)過換熱器裝置的過冷器部分,以形成低壓液化裝置蒸氣,在換熱器的其余部分內(nèi)溫?zé)嵩撘夯b置蒸氣,以及將此液化裝置蒸氣通入進(jìn)料壓縮機(jī)裝置。
14.權(quán)利要求12的方法,其中包括將所述液體產(chǎn)品在通入液體渦輪機(jī)之前,先通入換熱器的過冷器部分。
15.權(quán)利要求11的方法,其中所述液化裝置氣包括空氣。
16.權(quán)利要求11的方法,其中所述液化裝置氣包括氧氣。
17.權(quán)利要求11的方法,其中所述液化裝置氣包括甲烷。
18.權(quán)利要求12的方法,其中包括由液體渦輪機(jī)裝置驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),并在該壓縮機(jī)內(nèi)壓縮一部分再循環(huán)液化裝置氣。
19.權(quán)利要求18的方法,其中在該壓縮機(jī)內(nèi)壓縮的那部分再循環(huán)液化裝置氣,是通入雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)的第一區(qū)的再循環(huán)液化裝置氣的一部分。
20.權(quán)利要求11的方法,其中包括在該雙區(qū)再循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)壓縮補(bǔ)充的外源液化裝置氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙渦輪增壓機(jī)壓縮機(jī)裝置,該配置在使用高壓換熱器的液化操作中是有利的。
文檔編號(hào)F25J1/00GK1082183SQ9310687
公開日1994年2月16日 申請(qǐng)日期1993年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月5日
發(fā)明者R·A·貝東米, J·A·韋伯 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司