空氣分離方法及設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種空氣分離方法及設(shè)備，其中超臨界氧產(chǎn)物經(jīng)由與增壓空氣流進行間接熱交換通過加熱具有超臨界壓力的泵送液氧流而產(chǎn)生。間接熱交換在熱交換器內(nèi)進行，并且液氮流在熱交換器中被氣化以降低增壓空氣流為加熱該泵送液氧流除此之外需要的壓力。泵送液氧流構(gòu)成從空氣分離單元去除的富氧液體的90%，空氣在空氣分離單元中被精餾，液氮構(gòu)成未用作為回流的液氮的至少90%，并且液氮流與富氧液體之間的流量率比例在大約0.3與0.90之間。
【專利說明】空氣分罔方法及設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于分離空氣的方法及設(shè)備，其中富氧液體被泵送從而產(chǎn)生具有超臨界壓力的泵送液氧流(pumped liquid oxygen stream),泵送液氧流繼而通過與增壓空氣流(boosted pressure air stream)進行間接熱交換而被加溫(warm)至超臨界溫度，從而產(chǎn)生作為超臨界流體的氧產(chǎn)物。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的方法及設(shè)備:其中在加壓液體流被加熱時，液氮流同時被氣化，從而降低了增壓空氣流為單獨加熱該泵送液氧流除此之外(otherwise)需要的壓力。
【背景技術(shù)】
[0002]對于超高壓超臨界氧來說存在著新興市場，這主要受到用于此類氧的氣化器的需求所驅(qū)使。通常，氧從空氣的低溫分離中產(chǎn)生。盡管通過此類低溫精餾(cryogenicrectification)產(chǎn)生的氧能夠在中等(moderate)操作壓力下產(chǎn)生然后被壓縮,但更多的時候液氧流在低溫精餾裝備(Plant)內(nèi)被泵送至超臨界壓力，然后通過與增壓空氣流進行間接熱交換被加熱至超臨界溫度，從而產(chǎn)生作為超臨界流體的氧產(chǎn)物。
[0003]在低溫精餾裝備中，進給空氣流被壓縮并且被純化去除較高沸點的雜質(zhì)，諸如水分、二氧化碳、一氧化碳和碳氫化合物等，從而產(chǎn)生了壓縮和純化空氣流。此類空氣流的一部分可以在由至少一個較高壓力熱交換器和至少一個較低壓力熱交換器組成的成組熱交換器裝置(banked heat exchanger arrangement)的較低壓力熱交換器內(nèi)被冷卻。在成組熱交換器裝置中，較高壓力熱交換器被設(shè)置用于通過與高增壓空氣流(high pressureboosted air stream)進行間接熱傳遞來將泵送液氧流加熱至超臨界溫度。使用此類熱交換器組(banking)節(jié)省了制造成本，因為只有較高壓力熱交換器必須被制造成經(jīng)受住加熱氧所必需的增壓空氣流(the boosted air stream)的高氧壓力和甚至更高的壓力。在任何情況下，來自于較低壓力熱交換器的冷卻空氣隨后以熱傳遞的關(guān)系被引入到具有較高壓力塔(column)和較低壓力塔的空氣分離單元中，以便將空氣精餾成富氮和富氧餾分(fraction)。這樣的空氣分離單元還可以包含連接至較低壓力塔的氬塔，以便將含氬蒸氣流精餾成富氬產(chǎn)物或本領(lǐng)域中稱為粗氬的中間氬產(chǎn)物。
[0004]較高壓力塔和較低壓力塔含有質(zhì)量傳遞接觸元件(mass transfer contactingelement),諸如塔盤(tray)或規(guī)整填料(structured packing)或這些元件的組合，以便接觸液相和氣相，并因此在這些塔內(nèi)完成連續(xù)蒸餾。進入較高壓力塔的空氣產(chǎn)生上升氣相，上升氣相在其沿著較高壓力塔上升時變得始終富有氮(evermore rich in nitrogen),從而產(chǎn)生作為塔頂產(chǎn)物(column overhead)的富氮蒸氣。然后，富氮蒸氣被冷凝以產(chǎn)生富氮液體，富氮液體部分用于使較高壓力塔進行回流并且引發(fā)(initiate)下降液相，下降液相在質(zhì)量傳遞接觸元件內(nèi)接觸上升氣相并在該液相下降時變得始終更富有氧(ever morericher in oxygen)。結(jié)果,在較高壓力塔中產(chǎn)生了又稱為爸液(kettle liquid)的粗液氧塔底產(chǎn)物(column bottoms)。此類液態(tài)塔底產(chǎn)物在較低壓力塔中進一步被精煉,而且如果存在氬塔，此類液態(tài)塔底產(chǎn)物在被引入到較低壓力塔中之前還用作熱傳遞介質(zhì)以冷凝氬塔中的富氬蒸氣。進一步精煉在較低壓力塔中產(chǎn)生了富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物并且產(chǎn)生了富有氮的塔頂產(chǎn)物。富氧液體流隨后被去除并且被泵送，從而產(chǎn)生了泵送液氧流，泵送液氧流至少部分地被引入到較高壓力熱交換器中以形成氧產(chǎn)物。
[0005]較高壓力塔與較低壓力塔之間的熱傳遞關(guān)系通過冷凝器重沸器(condenserreboiler)而產(chǎn)生,冷凝器重沸器位于較低壓力塔的儲槽(sump)中。較高壓力塔的富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物流被冷凝以產(chǎn)生富氮液體，富氮液體部分用作至較高壓力塔的回流。冷凝是通過與較低壓力塔的富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物進行間接熱交換的，這引起此類液體在較低壓力塔中沸騰(boil)并且產(chǎn)生沸騰物(boilup)。富氮液體的一部分可以作為產(chǎn)物，而事實上可以被泵送并且還可以與泵送液氧流一起被引入到較高壓力熱交換器中。在美國專利申請公開第2008/0307828號中，泵送氧流和氮流兩者都穿過成組熱交換裝置的較高壓力熱交換器，以產(chǎn)生作為超臨界流體的氧產(chǎn)物并且使泵送氮流氣化，并因此在壓力下產(chǎn)生氮蒸氣產(chǎn)物。
[0006]在超臨界壓力下產(chǎn)生氧時，較高壓力熱交換器必須被構(gòu)建成經(jīng)受住比待被加熱的氧流甚至更高的壓力。例如，如果120絕對巴(bar absolute)的氧被加熱至超臨界溫度，增壓空氣流將優(yōu)選地(optimally)具有大約160絕對巴的壓力。這樣的問題在于，制造經(jīng)受住增壓空氣流的壓力的此類熱交換器的成本以及相關(guān)聯(lián)的管路和閥(管路和閥也必須予以(be rated to)相同超高的壓力)的成本可能變得極其昂貴。此外，能量成本可能會增加，因為取決于壓力可能需要直列式筒形壓縮機(inline barrel compressor),直列式筒形壓縮機具有小于可在較低壓力下使用的整體式齒輪壓縮機(integrally geared compressor)的效率。最終，在此類系統(tǒng)啟動期間，在超高壓力下壓力測試失敗的后果可能是相當(dāng)嚴(yán)重的。
[0007]因此，需要最大限度地減小將泵送液氧加熱至超臨界溫度所需的增壓空氣流的壓力。
[0008]如將討論的那樣，本發(fā)明提供了一種用于分離空氣的方法及設(shè)備，其涉及以如下的方式使超臨界壓力下的泵送液氧流和熱交換器內(nèi)的液氮流兩者加溫:其中待被氣化的液氮的流量率(flow rate)足以允許(allow for)在低于增壓空氣流除此之外所需壓力的壓力下進行運轉(zhuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]一方面，本發(fā)明提供了一種分離空氣的方法，其中空氣在低溫精餾過程中被分離。在這樣的過程中，壓縮、純化和冷卻的空氣在具有較高壓力塔和較低壓力塔的空氣分離單元中被精餾，并且通過與增壓空氣流進行間接熱交換，泵送液氧流的至少一部分被加熱且液氮流被氣化。由在較低壓力塔中產(chǎn)生的富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的富氧流的至少一部分被泵送從而產(chǎn)生了泵送液氧流。液氮流由針對(against)部分氣化富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物、通過使較高壓力塔的富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物冷凝所形成的并且未用作為回流的富氮液體流的一部分而產(chǎn)生。
[0010]泵送液氧流的至少一部分具有超臨界壓力，并且被加熱至超臨界溫度以產(chǎn)生作為超臨界流體的氧產(chǎn)物。至少一部分的泵送液氧流構(gòu)成至少大約90%的富氧流，而液氮流的至少一部分具有亞臨界壓力并且構(gòu)成了富氮液體流的一部分的至少大約90%。液氮流和至少一部分的泵送液氧流具有在0.3與0.90之間的比例的流量率。增壓空氣流具有增壓和流量率，該增壓低于如果在熱交換器內(nèi)不存在與液氮流間接熱交換時按所述流量率除此之外需要的增壓。
[0011]在此，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在某些運轉(zhuǎn)條件下，與加熱該泵送液氧流一起氣化液氮流將對復(fù)合冷卻曲線(composite cooling curve)的形狀產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。選出0.90的比例上限以確保將存在足夠的回流以免嚴(yán)重影響氧的回收，而0.3的比例下限代表了不存在足夠降低用于增壓空氣流的所需壓力時的限制。
[0012]應(yīng)當(dāng)注意的是，加熱曲線和冷卻曲線代表從增壓空氣流和待被冷卻的任何其他流至加溫的氧和加溫/氣化的氮流以及待被加熱的任何其他流的總熱傳遞。復(fù)合曲線將多股冷卻流(“熱”流)合并成單條曲線，并且將多股加溫流(“冷”流)合并成單股流。在熱交換器內(nèi)的給定溫度下，復(fù)合曲線限定成使得每一股熱流或冷流的能量變化的總和分別限定用于熱復(fù)合曲線或冷復(fù)合曲線的負荷。復(fù)合曲線用于使具有同時傳遞熱的兩股以上的流的熱交換器的分析簡單化和理想化。
[0013]除加熱該泵送液氧流之外，在較高壓力熱交換器中同時氣化液氮流的效果在于改變復(fù)合冷卻曲線的形狀，使得它能夠使設(shè)計者降低增壓空氣流為將超臨界壓力下的氧流加熱至超臨界溫度除此之外需要的壓力，假設(shè)此氧流是在較高壓力熱交換器內(nèi)被加熱的唯一流。在這點上，在非成組熱交換器裝置中，待被加溫和冷卻的所有流在單個熱交換器內(nèi)通過間接熱交換穿過，在最實際的應(yīng)用中，該單個熱交換器為一系列并聯(lián)運轉(zhuǎn)的熱交換器。在設(shè)計者期望降低增壓空氣流的壓力的情況下，出現(xiàn)的問題在于此類流的流量率必須增大。在氣化液氮流的情況下，這些曲線在形狀上的變化讓(allow)增壓空氣流的流量率低于此類液氮流未存在時的流量率。較高的流量率導(dǎo)致產(chǎn)生更多的液態(tài)空氣，液態(tài)空氣將導(dǎo)致塔性能的損失，并且在極端情況下將不讓塔運轉(zhuǎn)。在所有此類熱交換都發(fā)生在較高壓力熱交換器內(nèi)的成組情形中，液氮氣化讓此類熱交換器在熱交換器內(nèi)某位置處以合理的趨近溫度(approach temperature)(通常是5開氏度或更低)運行(function),在該位置處液氧變成超臨界流體。如果液氮不存在，不僅熱交換器不會按液氮所需的流量率運行，而且在運轉(zhuǎn)的極端情況下，加熱曲線和冷卻曲線事實上會交叉，從而阻止熱交換器的任何運轉(zhuǎn)。
[0014]如上文指出的那樣，通過與增壓空氣流間接熱交換，在成組熱交換器裝置的較高壓力熱交換器內(nèi)，泵送液氧流的至少一部分可被加熱并且液氮流可被氣化。
[0015]含氬蒸氣流可從較低壓力塔中被去除并且在氬塔中被精餾，以產(chǎn)生富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物和含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物。富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物被冷凝以產(chǎn)生被引入到氬塔中的氬回流流(reflux stream)。富氬產(chǎn)物流從氬塔中被去除，并且由含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的含氧液體流被引入到較低壓力塔中。在具體的實施例中，由較高壓力塔中產(chǎn)生的粗液氧塔底產(chǎn)物組成的粗液氧流被過冷(subcool)。在已經(jīng)被過冷之后，粗液氧流的至少一部分被閥膨脹(valve expand)并且被引入到連接至氬塔的氬冷凝器中以冷凝富氬蒸氣流，從而部分氣化粗液氧流并且形成氣相和液相。分別由氣相和液相組成的氣相流和液相流被引入到較低壓力塔中，并且由增壓空氣流的液化形成的液態(tài)空氣流被膨脹且被分成第一附屬液態(tài)空氣流和第二附屬液態(tài)空氣流。第一附屬液態(tài)空氣流被引入到較高壓力塔中，而第二附屬液態(tài)空氣流被引入到氬冷凝器中并因此被過冷。在已經(jīng)被過冷之后，第二附屬液態(tài)空氣流被膨脹并且被引入到較低壓力塔中。
[0016]通過壓縮主空氣壓縮機中的進給空氣流，并且在其壓縮之后在預(yù)純化單元中純化空氣，空氣可被壓縮和純化，從而形成了壓縮和純化空氣流。壓縮和純化空氣流的第一部分在成組熱交換器裝置的較低壓力熱交換器中被冷卻至適用于其精餾的溫度，而且被引入到較高壓力塔中。壓縮和純化空氣流的第二部分的至少一部份(portion)在增壓壓縮機(booster compressor)中被壓縮以形成增壓空氣流。壓縮和純化空氣流的第三部分可在較低壓力熱交換器中進一步被壓縮、部分被冷卻并且在渦輪膨脹機(turboexpander)中被膨脹以產(chǎn)生排出流(exhaust stream)。排出流與壓縮和純化空氣流的第一部分一起在較高壓力塔內(nèi)被精餾。壓縮和純化空氣流的第二部分的一部份可在增壓壓縮機中被壓縮以形成增壓空氣流。在此情況下，壓縮和純化空氣流的第三部分由在增壓壓縮機的中間級中部分被壓縮之后的壓縮和純化空氣流的第二部分的另一部份組成，并且在另一個增壓壓縮機中進一步被壓縮。
[0017]富氮液體流的另外一部分可作為回流被引入到較高壓力塔中，而且具有低于富氮液體流的氮純度的含氮回流流可被過冷、膨脹并且作為回流被引入到較低壓力塔。由較低壓力塔的塔頂產(chǎn)物組成的較低壓力氮蒸氣流可用于使含氮回流流和粗液氧流在過冷器中通過間接熱交換過冷。較低壓力氮蒸氣流被分成分別被引入到較高壓力熱交換器和較低壓力熱交換器中的第一附屬較低壓力氮蒸氣流和第二附屬較低壓力氮蒸氣流，以平衡冷端溫度。
[0018]在本發(fā)明的任何實施例中，液氮流和富氮液體流可具有相同的壓力。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明構(gòu)想出了可通過液體壓頭(liquid head)或泵來使液氮流的壓力升高。
[0019]在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種用于分離空氣的設(shè)備，該設(shè)備包括低溫空氣分離裝備。這樣的裝備包含:空氣分離單元，其具有較高壓力塔和較低壓力塔以精餾空氣；熱交換器，其與空氣分離單元流動連通(in flow communication with);以及泵。熱交換器被構(gòu)造成從增壓空氣流至具有超臨界壓力的至少一部分的泵送液氧流和液氮流間接地交換熱量，從而將泵送液氧流加熱至超臨界溫度并形成作為超臨界流體的氧產(chǎn)物，并且使液氮流氣化并形成作為蒸氣的氮產(chǎn)物。泵被定位在熱交換器與較低壓力塔之間，使得由較低壓力塔中產(chǎn)生的富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的富氧流的至少一部分被加壓至超臨界壓力，并且泵送液氧流的至少一部分構(gòu)成富氧流的至少大約90%。
[0020]熱交換器與冷凝器重沸器流動連通，冷凝器重沸器與較高壓力塔和較低壓力塔能操作地相關(guān)聯(lián)，使得液氮流由針對部分氣化冷凝器重沸器內(nèi)的富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物、通過使較高壓力塔的富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物冷凝所產(chǎn)生的未用作為用于塔的回流的富氮液體流的一部分的至少大約90%組成。此類液氮流具有亞臨界壓力。空氣分離裝備被構(gòu)造成使得液氮流和至少一部分的泵送液氧流具有在0.3與0.90之間的比例的流量率。增壓空氣流由增壓壓縮機產(chǎn)生，增壓壓縮機被構(gòu)造成使得增壓空氣流具有流量率和增壓，該增壓低于如果熱交換器內(nèi)不存在與液氮流間接熱交換時按所述流量率除此之外需要的增壓。
[0021]熱交換器可以是成組熱交換器裝置的較高壓力熱交換器，成組熱交換器裝置也具有較低壓力熱交換器。
[0022]氬塔可被連接至較低壓力塔，使得含氬蒸氣流從較低壓力塔中被去除并且在氬塔中被精餾，以便產(chǎn)生富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物和含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物。由含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的含氧液體流被引入到較低壓力塔中。氬冷凝器被連接至氬塔，使得富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物被冷凝以產(chǎn)生引入到氬塔中的氬回流流，并且氬塔具有出口用以從氬塔排出富氬產(chǎn)物流。在具體的實施例中，過冷單元可被連接至較高壓力塔，使得由較高壓力塔中產(chǎn)生的粗液氧塔頂產(chǎn)物所組成的粗液氧流被過冷。氬冷凝器被連接至過冷單元，而且第一膨脹閥被定位在氬冷凝器與過冷單元之間，使得在已經(jīng)被過冷之后至少一部分粗液氧流在第一膨脹閥中被閥膨脹并且被引入到氬冷凝器中以冷凝富氬蒸氣流，并因此部分氣化粗液氧流的至少一部分并且形成氣相和液相。氬冷凝器還被連接至較低壓力塔，使得分別由氣相和液相組成的氣相流和液相流被引入到較低壓力塔中。液體膨脹機(liquid expander)被連接至較高壓力熱交換器，使得通過增壓空氣流的液化而產(chǎn)生的液態(tài)空氣流被膨脹。液體膨脹機連接至較高壓力塔和氬冷凝器，使得由液態(tài)空氣流的一部分組成的第一附屬液態(tài)空氣流被引入到較高壓力塔中，而由液態(tài)空氣流的另一部分組成的第二附屬液態(tài)空氣流被引入到氬冷凝器中。氬冷凝器被構(gòu)造成使第二附屬液態(tài)空氣流過冷，并且被連接至較低壓力塔，使得在已經(jīng)被過冷之后第二附屬液態(tài)空氣流被引入到較低壓力塔中。第二膨脹閥定位在氬冷凝器與較低壓力塔之間，以使第二附屬液態(tài)空氣流閥膨脹。
[0023]主空氣壓縮機可設(shè)置成壓縮進給空氣流，而且預(yù)純化單元可被連接至主空氣壓縮機，從而在已經(jīng)被壓縮之后通過進給空氣流形成了壓縮和純化空氣流。成組熱交換器裝置具有定位在預(yù)純化單元與較高壓力塔之間的較低壓力熱交換器，使得壓縮和純化空氣流的第一部分被冷卻至適用于其精餾的溫度，并且被引入到較高壓力塔中。增壓壓縮機定位在預(yù)純化單元與較高壓力熱交換器之間，使得壓縮和純化空氣的第二部分的至少一部份在增壓壓縮機中進一步被壓縮以形成增壓空氣流。增壓壓縮機可被構(gòu)造成壓縮該壓縮和純化空氣流的第二部分的一部份從而產(chǎn)生增壓空氣流，并且被構(gòu)造成排出由來自于增壓壓縮機的中間級的壓縮和純化空氣流的第二部分的另一部份組成的壓縮和純化空氣流的第三部分。另一個增壓壓縮機被定位在中間級與較低壓力熱交換器之間，使得壓縮和純化空氣流的第三部分進一步被壓縮并且被引入到較低壓力熱交換器中。較低壓力熱交換器被構(gòu)造成部分冷卻該壓縮和純化空氣流的第三部分，而渦輪膨脹機被連接至較低壓力熱交換器，以使壓縮和純化空氣流的第三部分膨脹并因此產(chǎn)生排出流。渦輪膨脹機與較高壓力塔流動連通，使得排出流與壓縮和純化空氣流的第一部分一起在較高壓力塔內(nèi)被精餾。
[0024]冷凝器重沸器被連接至較高壓力塔，使得富氮液體流的另外一部分作為回流被引入到較高壓力塔中。過冷單元被連接至較高壓力塔，使得具有低于富氮液體流的氮純度的含氮回流流從較高壓力塔被排出，并且在過冷單元中被過冷。過冷單元被連接至較低壓力塔，使得含氮回流流作為回流被引入到較低壓力塔中。第三膨脹閥被定位在過冷器與較低壓力塔之間，使得含氮回流流在第三膨脹閥內(nèi)被膨脹。過冷器還被連接至較低壓力塔，使得由較低壓力塔的塔頂產(chǎn)物組成的較低壓力氮蒸氣流通過間接熱交換使含氮回流流和粗液氧流過冷。較高壓力熱交換器被連接至低壓塔，而較低壓力熱交換器被連接至過冷器，使得由較低壓力氮蒸氣流組成的第一附屬較低壓力氮蒸氣流和第二附屬較低壓力氮蒸氣流分別被引入到較高壓力熱交換器和較低壓力熱交換器中以便平衡溫度。
[0025]較高壓力熱交換器可與冷凝器重沸器流動連通，使得液氮流和富氮液體流具有相同的壓力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]盡管說明書以明確指出了 申請人:視為其發(fā)明的主題的權(quán)利要求結(jié)束，然而相信當(dāng)連同附圖時將會更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
圖1是被設(shè)計成實施依照本發(fā)明方法的設(shè)備的示意性工藝流程圖；
圖2是圖示出氮與氧的比例對增壓空氣流進行壓縮的優(yōu)化壓力(optimal pressure)產(chǎn)生影響的圖表；
圖3是圖示出依照本發(fā)明所構(gòu)造和運轉(zhuǎn)的空氣分離裝備的熱交換器中復(fù)合加熱曲線和復(fù)合冷卻曲線的圖表；
圖4是圖示出在氮與氧的比例為零時運轉(zhuǎn)的空氣分離裝備的熱交換器中復(fù)合加熱曲線和復(fù)合冷卻曲線的圖表；以及
圖5是圖示出在氮與氧的比例低于本發(fā)明中指定比例時運轉(zhuǎn)的空氣分離裝備的熱交換器中復(fù)合加熱曲線和復(fù)合冷卻曲線的圖表。
【具體實施方式】
[0027]參看圖1，圖示出了低溫精餾裝備1，該低溫精餾裝備I設(shè)計成使壓縮和純化空氣分離，并因此產(chǎn)生作為超臨界流體的氧產(chǎn)物。低溫精餾裝備I設(shè)置有成組熱交換器裝置2和空氣分離單元3。出于將要討論的原因，空氣分離單元3優(yōu)選地設(shè)置有氬塔62以產(chǎn)生氬產(chǎn)物。成組熱交換器裝置2具有在低于其較高壓力熱交換器28的平均壓力下運轉(zhuǎn)的較低壓力熱交換器22。氧產(chǎn)物作為氧產(chǎn)物流132從較高壓力熱交換器28中被排出。此外，氮產(chǎn)物流134也從較高壓力熱交換器28中被排出。然而，可以理解，本發(fā)明同等應(yīng)用于僅使用非成組熱交換器裝置且其中未使用氬塔的低溫精餾裝備。出于如較早前描述的較低資金成本的原因，成組裝置是優(yōu)選的，但是由于一些可獲得的制冷不能被回收，相對于所有流都處于間接熱交換關(guān)系的完全集成裝置(fully integrated arrangement),將導(dǎo)致較小的能量損失。在這點上，本發(fā)明以其更寬泛的方面(in its broader aspect)應(yīng)用于使用較高壓力塔和較低壓力塔的任何低溫精餾裝備，并且其設(shè)計成產(chǎn)生作為超臨界流體的氧產(chǎn)物。
[0028]在低溫精餾裝備I中，進給空氣流10在壓縮機12中被壓縮，從而產(chǎn)生了壓縮空氣流14。壓縮的熱量通過后冷卻機16從壓縮空氣流14中被去除?？梢岳斫猓瑝嚎s機12可構(gòu)成去除冷凝物的多級中間冷卻整體式齒輪壓縮機，并因而后冷卻機16可以是壓縮機12的一部分。在任何情況下，后冷卻機16以及提到的其他后冷卻機將讓諸如預(yù)純化器和熱交換器等下游單元運轉(zhuǎn)的性能得到改善。然而，有可能的是，本發(fā)明的實施例可構(gòu)造成沒有此類后冷卻機。
[0029]然后，壓縮空氣流14被引入到預(yù)純化單元18中，以便從空氣中去除較高沸點雜質(zhì)，諸如水蒸汽、二氧化碳和碳氫化合物等，并因此產(chǎn)生了壓縮和純化空氣流20。如本領(lǐng)域中已熟知的那樣，此類單元18可并入在循環(huán)中運轉(zhuǎn)的吸附床(absorbent bed)，該循環(huán)為溫度和壓力變動吸附的組合，或僅為溫度變動吸附循環(huán)，或僅為壓力變動吸附循環(huán)。
[0030]成組熱交換器裝置2具有較低壓力熱交換器22，較低壓力熱交換器22被定位在預(yù)純化單元18與空氣分離單元3的較高壓力塔58之間，使得壓縮和純化空氣流20的第一部分24被冷卻至適用于其精餾的溫度，并且被引入到較高壓力塔58中。增壓壓縮機26被定位在成組熱交換器裝置2的預(yù)純化單元18與較高壓力熱交換器28之間，使得壓縮和純化空氣的第二部分30的一部份在增壓壓縮機26中進一步被壓縮以形成增壓空氣流32。增壓壓縮機26是多級整體式齒輪壓縮機。在通過后冷卻機34去除壓縮的熱量之后，增壓空氣流32被引入到較高壓力熱交換器28中。增壓壓縮機26被構(gòu)造成以本領(lǐng)域中已熟知的方式來產(chǎn)生本發(fā)明所需的增壓空氣流32的流量率和壓力。在這點上，增壓壓縮機26必須適當(dāng)?shù)卮_定尺寸以便具有輸送所需的壓力和流量的能力，并且將并入適合的控制器用于控制其壓力輸出和流量，而這樣的裝置如入口導(dǎo)流葉片和下游控制器。
[0031]應(yīng)當(dāng)注意的是，主空氣壓縮機12和增壓壓縮機26示出為單個單元。然而，如本領(lǐng)域中已知的那樣，兩個或更多壓縮機可并聯(lián)地安裝以形成主空氣壓縮機12或增壓壓縮機
26。兩個壓縮機可以是同等的尺寸或不等的尺寸。例如，容量可分成70/30或60/40，從而更好地匹配客戶的需求。通常，壓縮和純化空氣流20的第二部分30將具有壓縮和純化空氣流20的流量的范圍在大約25%與大約40%之間的流量。
[0032]較高壓力熱交換器28和較低壓力熱交換器22兩者優(yōu)選地由煤粉鋁(brazedaluminum)結(jié)構(gòu)組成,并且由側(cè)條(side bar)分開的分隔板(parting sheet)層組成，以產(chǎn)生用于待被加熱和冷卻的流的流動通道。每一個流動通道均設(shè)置有如本領(lǐng)域中已熟知的翅片，以增加在所述熱交換器內(nèi)用于熱傳遞的表面面積。較高壓力熱交換器28如此命名是由于相比于較低壓力熱交換器22其具有較高最大可允許工作壓力的事實。較高壓力熱交換器28被構(gòu)造成完全冷卻該增壓空氣流32以產(chǎn)生液態(tài)空氣流36，并且較低壓力熱交換器22被構(gòu)造成完全冷卻該壓縮和純化空氣流20的第一部分24以產(chǎn)生主進給空氣流38。在這點上，如本文中和權(quán)利要求中使用的術(shù)語“完全冷卻”意味著冷卻至較低壓力熱交換器22或較高壓力熱交換器28的冷端處的溫度。
[0033]可以使用其他類型的熱交換器，例如，較高壓力熱交換器28可以是銅或不銹鋼螺旋卷繞式(spiral wound)結(jié)構(gòu)、不銹鋼印刷電路式(printed circuit)結(jié)構(gòu),或不銹鋼板翅式(plate-fin)結(jié)構(gòu)。此外，如上文指出的，本發(fā)明可應(yīng)用于其中熱交換器或一組并聯(lián)的熱交換器中的每一個都用于增壓空氣流32的液化以及壓縮和純化空氣流20的第一部分24的冷卻兩者的非成組裝置。此外，盡管較高壓力熱交換器28和較低壓力熱交換器22中的每一個均圖示為單個單元，但實際上每一個均可由并聯(lián)聯(lián)結(jié)在一起的若干獨立的熱交換器塊或熱交換器芯組成。
[0034]構(gòu)成了壓縮和純化空氣流20的第二部分30的另一部份的壓縮和純化空氣流20的第三部分40，在增壓壓縮機26內(nèi)部分被壓縮，然后從增壓壓縮機26的中間級中被去除。然后，壓縮和純化空氣流20的第三部分40被引入到另一個增壓壓縮機42中，在后冷卻機44內(nèi)被冷卻以去除壓縮的熱量，在較低壓力熱交換器22內(nèi)部分被冷卻，然后被引入到渦輪膨脹機46中以產(chǎn)生排出流48。如本文中和權(quán)利要求中使用的術(shù)語“部分被冷卻”意味著被冷卻至較低壓力熱交換器22的熱端(warm end)與冷端溫度之間的溫度。排出流48與壓縮和純化空氣流20的第一部分24 —起作為組合流50被引入到較高壓力塔58中。能量從渦輪膨脹機中被回收并且應(yīng)用于增壓壓縮機42。這樣的目的在于生成低溫空氣分離裝備的一部分制冷需求(refrigeration requirement)。如本領(lǐng)域中已知的那樣，由于較低壓力熱交換器22和較高壓力熱交換器28中的熱端損失、熱泄漏(heat in-leak)損失，并且為了讓裝備產(chǎn)生液體而施加(impart)此類制冷。構(gòu)造出如下的本發(fā)明的實施例是可能的:其中壓縮和純化空氣流20的第三部分40在較高壓力熱交換器28內(nèi)部分被冷卻。然而，這將不是優(yōu)選的，因為更多能量(power)將必須供給至增壓壓縮機26。
[0035]如將討論的那樣，通過增壓空氣流32的液化所產(chǎn)生的液態(tài)空氣流36可被引入到液體膨脹機52中以生成用于裝備的其他制冷需求。液態(tài)空氣流36在其膨脹之后可被分成第一附屬液態(tài)空氣流54和第二附屬液態(tài)空氣流56。第一附屬液態(tài)空氣流54被引入到較高壓力塔58中，而第二附屬液態(tài)空氣流56以下文將討論的方式被引入到較低壓力塔60中。
[0036]空氣分離單元3設(shè)置有較高壓力塔58、較低壓力塔60和氬塔62。所有這些塔都包含質(zhì)量傳遞接觸元件，諸如塔盤或填料等，例如，規(guī)整填料或塔盤和填料的組合。源于被引入到較高壓力塔58中的組合流50的上升氣相變得始終富有氮，以產(chǎn)生富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物，富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物作為富氮蒸氣流64被提取(withdraw)并且在位于較低壓力塔60的儲槽中的冷凝器重沸器66內(nèi)被冷凝，以產(chǎn)生富氮液體流68。富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物70與富氮蒸氣流64的冷凝相關(guān)聯(lián)而部分被氣化。富氮液體流68的一部分72作為回流回到較高壓力蒸餾塔58，并因此產(chǎn)生了通過與上升氣相相接觸而變得始終富有氧的下降液相，且因此產(chǎn)生了較高壓力塔58的粗液氧塔底產(chǎn)物74。
[0037]由粗液氧塔底產(chǎn)物74組成的粗液氧流75在較低壓力塔60中進一步被精煉。出于這些目的，粗液氧流75在過冷單元76內(nèi)被過冷，然后被分開。在膨脹閥80內(nèi)膨脹之后，粗液氧流75的一部分78被引入到較低壓力塔60中。然后，粗液氧流75的一部分82在膨脹閥84中被閥膨脹并且被引入到氬冷凝器102中，在氬冷凝器102中其部分氣化成氣相和液相。分別由液相和氣相組成的液相流86和氣相流88被引入到較低壓力塔60中。較低壓力塔60在如下的水平下以從較高壓力塔58中去除的含氮回流流90進行回流:此類流具有低于富氮液體流68的一部分72的氮含量。含氮液體流90在過冷單元76中被過冷，在膨脹閥92中被膨脹，然后被引入到較低壓力塔60中。
[0038]氬塔60的優(yōu)點在于由于氬與下沉(downcoming)液相分離將使氧的回收得到改善。含氬蒸氣流94從較低壓力塔60中被去除且被引入到氬塔62中并且被精餾，從而產(chǎn)生富氬塔頂產(chǎn)物和含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物96。由含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物96組成的含氧液體流98回到較低壓力塔60。富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物作為富氬蒸氣流100被去除并且在氬冷凝器102中被冷凝，從而產(chǎn)生用于氬塔62的回流。本文中所圖示的氬冷凝器具有殼體104和殼體104內(nèi)的熱交換器106。在已經(jīng)被過冷并且被膨脹之后，粗液氧流75的一部分82被引入到殼體104中，在殼體104中粗液氧流75的一部分82針對冷凝穿過熱交換器106的富氬蒸氣流100中含有的富氬蒸氣而被部分氣化成液相和氣相。由這些液相和氣相組成的液相流86和氣相流88被再引入到較低壓力塔60中。產(chǎn)生的富氬液體流108被傳送到分相器(phaseseparator) 110中以產(chǎn)生作為氣相流112被排出的氣相，以及作為液體回流流114從分相器110被排出的液相，液體回流流114被再引入到氬塔62中。這樣的目的在于在運轉(zhuǎn)偏差(operational excursion)的情況下防止在流100中的氮的累積。如本領(lǐng)域中已知的那樣，由于溫度差的減小，太多的氮可能導(dǎo)致冷凝器106停止運轉(zhuǎn)。氬產(chǎn)物流116可作為液體或蒸氣從氬塔中被去除。
[0039]在所圖示的實施例中，熱交換器106設(shè)置有一組通道用來過冷第二附屬液態(tài)空氣流56。產(chǎn)生的過冷第二附屬液態(tài)空氣流118在膨脹閥120中被閥膨脹至較低壓力塔60的壓力，并且被引入到較低壓力塔62中。這里的優(yōu)點在于氧的回收將與氬的回收一起得到改
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[0040]由富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物70組成的富氧液體流122可被分成第一富氧液體流124和第二富氧液體流126。第一富氧液體流124在泵128中被泵送至超臨界壓力從而產(chǎn)生了泵送液氧流130。第二富氧液體流126是可選的，并且可以作為產(chǎn)物。備選地和/或另外，泵送液氧的一部分可以作為產(chǎn)物。此后，泵送液氧流130在較高壓力熱交換器28內(nèi)被加熱至超臨界溫度，從而使得氧產(chǎn)物流132作為超臨界流體被排出。
[0041]如上文提到的那樣，為了減小空氣流的增壓所需的壓力，由富氮液體流68的一部分形成的液氮流133在較高壓力熱交換器28內(nèi)被氣化，從而在壓力下產(chǎn)生氮產(chǎn)物流134。盡管此類流圖示為具有與富氮液體流68相同的壓力，但如果需要較高壓力的氮時，則液氮流133可被泵送至低于此類流中所含氮的超臨界壓力的壓力。然而，重要的是，氮處于使得其實際上在加熱期間氣化的壓力下。還應(yīng)注意的是，由富氮液體流68的另一部分組成的另一股液氮流136可在過冷單元76內(nèi)被過冷，并且作為可選的液氮產(chǎn)物流138。然而，液氮流133應(yīng)構(gòu)成未作為回流流72回到較高壓力塔58的富氮液體流68的一部分的至少90%。此外，液氮流133和泵送液氧流130的流量率應(yīng)當(dāng)是在大約0.3與大約0.90之間的比例。在這點上，在較高壓力熱交換器28內(nèi)加熱的泵送液氧流或泵送液氧流的一部分，應(yīng)當(dāng)構(gòu)成富氧液體流122的流量率的至少90%。在0.90的比例以上，氧產(chǎn)量將下落至除此之外在沒有氣化氮的產(chǎn)量時產(chǎn)生的氧產(chǎn)量的大約94%。如將討論的那樣，下限為對能夠使增壓空氣流32的增壓降低不會產(chǎn)生有意義的影響的極限。應(yīng)當(dāng)指出的是，此類氮流量率可借助于具有用于流動通路的適當(dāng)?shù)卮_定尺寸的裝置(諸如管路和熱交換器等)的閥進行控制。當(dāng)泵送氮時，泵的流量和壓頭特征控制氮的流量率。此外，液氮流133可被泵送得夠長，使得其不會被泵送超過大約34絕對巴的超臨界壓力。
[0042]參照圖2可最佳地闡述0.3的下限。如圖2中所示出的那樣，80絕對巴的泵送液氧流隨著在變化的比例下的液氮流的氣化而被加熱至超臨界溫度。在所有情況下，出于計算的目的假定了低液態(tài)產(chǎn)物率。因為很明顯，低于0.30存在拐點，其中曲線不再為線性。同樣，在低于大約0.30的氮與氧的比例下，存在逐漸減小的使液氮氣化的效果。
[0043]圖3圖示了熱交換器內(nèi)的復(fù)合加熱曲線和復(fù)合冷卻曲線，諸如處于大約0.85的比例下的較高壓力熱交換器28，而泵送氧在80絕對巴的壓力下被加熱至超臨界溫度。增壓空氣流的優(yōu)化壓力是68絕對巴。在圖4中，比例減小至0.0。因為很明顯，優(yōu)化空氣壓力是110絕對巴。如圖5中所示出的那樣，使用了 0.2的氮與氧的比例。優(yōu)化空氣壓力是92絕對巴。應(yīng)當(dāng)指出的是，在圖4和圖5中，盡管該壓力比圖3中的更高，但是用以壓縮空氣和形成增壓空氣流所需的能量小于圖3中的能量，因為存在與使液氮氣化相關(guān)聯(lián)的損失并且需要更多的增壓空氣流量。然而，在從高壓塔或低壓塔提取作為蒸氣的氮并且氮未在熱交換器28內(nèi)被泵送和氣化時為了輸送相同比率的加壓氮，必須代之以在外部壓縮氮。當(dāng)這種情形時，消除了與較高增壓空氣流量相關(guān)聯(lián)的大部分能量損失。能量損失必須針對熱交換器的成本和可用性以及用于附加的氮壓縮機的成本(如果需要的話)而保持平衡，除此之外該熱交換器將需要經(jīng)受住諸如增壓空氣流32等增壓空氣流的高壓。因此，在所有其他都相等的情況下，使用液氮將允許增壓空氣流32的較低壓力。
[0044]參看圖3，例如，液氮流在恒定的溫度下氣化，造成了冷端附近的冷復(fù)合曲線的平區(qū)段。泵送液氧的壓力等于或超過氧的臨界壓力(大約51絕對巴)。因此，不同于液氮流，泵送氧流不會在其加溫時沸騰。然而，存在超臨界氧“假沸騰”的區(qū)域，在該區(qū)域中其熱容量顯著較高。對于圖3中的冷復(fù)合曲線，這在氧的臨界溫度(155K)附近開始的較平區(qū)域中可觀察到。通過圖3、圖4和圖5，液氮流的流量對冷復(fù)合溫度分布圖(profile)具有較大影響。例如，在圖3中，泵送氧流在大約0.45的負荷(duty)下開始“假沸騰”。在圖4中，在液氮流的流量為零的情況下，泵送氧流在大約0.30的負荷下開始“假沸騰”。在增壓空氣流的優(yōu)化壓力下(由圖3至圖5中的熱復(fù)合曲線表示)，在氧的臨界溫度附近存在最低溫度差趨近(temperature difference approach)。作為優(yōu)選,該趨近溫度差為大約1.0K,但可低至0.5K或高達5.0K。取決于氧壓力，該最低溫度差存在于150K與180K之間的范圍內(nèi)。其他最低溫度差也可同時存在于熱交換器內(nèi)，例如，熱端附近。該優(yōu)化設(shè)計條件最大限度地減小了用于給定總熱交換器表面面積的總能量消耗(power consumption)。另外,熱復(fù)合曲線和冷復(fù)合曲線之間的面積幾乎被最大限度地減小。由于在熱復(fù)合流和冷復(fù)合流之間的熱傳遞大部分是熱動力可逆的，故在此條件下最大限度地減小了能量消耗。為了達到該條件，增壓空氣流的壓力被優(yōu)化。因此，對于液氮流的較高比率，增壓空氣流的優(yōu)化壓力是較低的，從而影響了熱復(fù)合曲線的形狀。對于圖3，增壓空氣流的優(yōu)化壓力為68絕對巴，對于圖4其為110絕對巴，對于圖5其為92絕對巴。增壓空氣流的較低壓力導(dǎo)致與超臨界增壓空氣流的“假冷凝”相關(guān)的熱復(fù)合曲線中的更多拐折。這讓在150K至180K的趨近溫度差減小至液氮流的較高比率下的優(yōu)化值。在將增壓空氣流的壓力進一步降低至優(yōu)化條件(optimum)以下時，在150K至180K下保持正溫度差變得不可能發(fā)生，因為對于成組熱交換器來說在熱復(fù)合曲線中存在太多拐折。因此，當(dāng)增壓空氣流的壓力略微降低至其優(yōu)化值以下時，所需的熱傳遞對于成組熱交換器來說變得不可實行。對于非成組熱交換器來說，進一步降低增壓空氣流的壓力是有可能的，但其需要的流量隨后增大使得能量消耗增加。
[0045]由較低壓力塔60的富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物組成的氮蒸氣流140優(yōu)選地被分成第一氮蒸氣流142和第二氮蒸氣流144。第一氮蒸氣流142被引入到過冷單元76中用于此類單元所需的過冷負荷，然后在較低壓力熱交換器22內(nèi)完全被加溫。第二氮蒸氣流144被引入到較高壓力熱交換器28中，完全被加溫，并且作為廢氮流146被排出。第一氮流142和第二氮流144的流量率應(yīng)以已知的方式被選出以優(yōu)選地平衡較高壓力熱交換器28和較低壓力熱交換器22的溫度分布圖。這是以避免熱交換器28和22中的緊密的溫度趨近(tighttemperature approach)并且為最大限度地減小所需的熱傳遞表面為目標(biāo)而完成的。在已經(jīng)完全被加溫之后，第一氮流142可被分成再生流148，再生流148用于使預(yù)純化單元18內(nèi)的吸附劑再生，而其余的作為廢氮流150被排出。應(yīng)當(dāng)注意的是，較高壓力熱交換器內(nèi)的第二氮流144將不會對上文闡明的氮與氧的比例產(chǎn)生影響。
[0046]如所圖示的，如果在較高壓力下期望如此，則產(chǎn)生的氮產(chǎn)物流132可通過壓縮機152部分被壓縮從而產(chǎn)生高壓氮流154。因此，氮產(chǎn)物流132的其余部分可作為較低壓力氮流 156。
[0047]下表為依據(jù)本發(fā)明的空氣分離裝備I的運轉(zhuǎn)的模擬實例。
[0048]表
【權(quán)利要求】
1.一種分離空氣的方法,所述方法包括: 在低溫精餾過程內(nèi)分離所述空氣，所述低溫精餾過程包含在具有較高壓力塔和較低壓力塔的空氣分離單元中使壓縮、純化和冷卻空氣精餾，通過與熱交換器內(nèi)的至少一股增壓空氣流進行間接熱交換而加熱至少一部分的泵送液氧流并且氣化液氮流，泵送由所述較低壓力塔中產(chǎn)生的富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的富氧流的至少一部分以產(chǎn)生所述泵送液氧流，以及由針對部分氣化富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物、通過使所述較高壓力塔的富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物冷凝而形成的未用作為回流的富氮液體流的一部分來產(chǎn)生所述液氮流； 所述泵送液氧流的至少一部分具有超臨界壓力并且被加熱至超臨界溫度，從而產(chǎn)生了作為超臨界流體的氧產(chǎn)物且構(gòu)成了所述富氧流的至少大約90%，所述液氮流的至少一部分具有亞臨界壓力并且構(gòu)成了所述富氮液體流的一部分的至少大約90% ;以及 所述液氮流和至少一部分的所述泵送液氧具有在大約0.3與大約0.90之間的比例的流量率；以及 所述增壓空氣流具有增壓和流量率，所述增壓低于如果在所述熱交換器內(nèi)不存在與所述液氮流間接熱交換時按所述流量率除此之外需要的增壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱交換器是成組熱交換器裝置的較高壓力熱交換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中: 含氬蒸氣流從所述較低壓力塔中被去除，并且在氬塔中被精餾以產(chǎn)生富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物和含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物； 所述富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物被冷凝以產(chǎn)生被引入到所述氬塔中的氬回流流； 富氬產(chǎn)物流從所述氬塔中被去除；以及 由所述含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的含氧液體流被引入到所述較低壓力塔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中: 由在所述較高壓力塔中產(chǎn)生的粗液氧塔底產(chǎn)物組成的粗液氧流被過冷； 在已經(jīng)被過冷之后，所述粗液氧流的至少一部分被閥膨脹并且被引入到連接至所述氬塔的氬冷凝器中以冷凝富氬蒸氣流，從而部分氣化所述粗液氧流并且形成氣相和液相；由所述氣相和所述液相組成的氣相流和液相流被引入到所述較低壓力塔中； 由所述增壓空氣流的液化形成的液態(tài)空氣流被膨脹并且被分成第一附屬液態(tài)空氣流和第二附屬液態(tài)空氣流； 所述第一附屬液態(tài)空氣流被引入到所述較高壓力塔中； 所述第二附屬液態(tài)空氣流被引入到所述氬冷凝器中并因此被過冷；以及 在已經(jīng)被過冷之后，所述第二附屬液態(tài)空氣流被膨脹并且被引入到所述較低壓力塔中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求4所述的方法，其中: 通過在主空氣壓縮機中壓縮進給空氣流且在其壓縮之后在預(yù)純化單元中純化所述空氣，所述空氣被壓縮并且被純化從而形成了壓縮和純化空氣流； 所述壓縮和純化空氣流的第一部分在所述成組熱交換器裝置的較低壓力熱交換器中被冷卻至適用于 其精餾的溫度，并且被引入到所述較高壓力塔中；以及 所述壓縮和純化空氣流的第二部分的至少一部份在增壓壓縮機中被壓縮以形成所述增壓空氣流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中: 所述壓縮和純化空氣流的第三部分進一步被壓縮，在所述較低壓力熱交換器中部分被冷卻，并且在渦輪膨脹機中被膨脹以產(chǎn)生排出流；以及 所述排出流與所述壓縮和純化空氣流的第一部分一起在所述較高壓力塔內(nèi)被精餾。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中: 所述壓縮和純化空氣流的第二部分的一部份在所述增壓壓縮機中被壓縮，從而形成所述增壓空氣流；以及 所述壓縮和純化空氣流的第三部分由在所述增壓壓縮機的中間級中部分被壓縮之后的所述壓縮和純化空氣流的第二部分的另一部份組成，并且在另一個增壓壓縮機中進一步被壓縮。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中: 所述富氮液體流的另外一部分作為回流被引入到所述較高壓力塔中； 具有低于所述富氮液體流的氮純度的含氮回流流被過冷、被膨脹并且作為回流被引入到所述較低壓力塔中； 由所述較低壓力塔的塔頂產(chǎn)物組成的較低壓力氮蒸氣流使所述含氮回流流和所述粗液氧流在過冷器中通過間接熱交換過冷；以及 所述較低壓力氮蒸氣流被分成分別被引入到所述較高壓力熱交換器和所述較低壓力熱交換器中的第一附屬較低壓力氮蒸氣流和第二附屬較低壓力氮蒸氣流，以平衡冷端溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述液氮流和所述富氮液體流具有相同的壓力。
10.一種用于分離空氣的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 低溫空氣分離裝備，其包含:空氣分離單元，其具有較高壓力塔和較低壓力塔以精餾所述空氣；熱交換器，其被構(gòu)造成從增壓空氣流至具有超臨界壓力的泵送液氧流的至少一部分和液氮流間接地交換熱量，從而將所述泵送液氧流加熱至超臨界溫度且形成作為超臨界流體的氧產(chǎn)物，并且氣化所述液氮流且形成作為蒸氣的氮產(chǎn)物；以及泵，其被定位在所述熱交換器與所述較低壓力塔之間，使得由所述較低壓力塔中產(chǎn)生的富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的富氧流的至少一部分被加壓至所述超臨界壓力，并且所述泵送液氧流的至少一部分構(gòu)成所述富氧流的至少大約90% ； 所述熱交換器與冷凝器重沸器流動連通，所述冷凝器重沸器與所述較高壓力塔和所述較低壓力塔能操作地相關(guān)聯(lián)，使得所述液氮流由針對部分氣化所述冷凝器重沸器內(nèi)的所述富氧液態(tài)塔底產(chǎn)物、通過使所述較高壓力塔的富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物冷凝所產(chǎn)生的未用作為回流的富氮液體流的一部分的至少大約90%組成，并且具有亞臨界壓力； 所述空氣分離裝備被構(gòu)造成使得所述液氮流和所述泵送液氧流的至少一部分具有在大約0.3與大約0.90之間的比例的流量率；以及 所述增壓空氣流通過增壓壓縮機而產(chǎn)生，所述增壓壓縮機被構(gòu)造成使得所述增壓空氣流具有流量率和增壓，所述增壓低于如果在所述熱交換器內(nèi)不存在與所述液氮流間接熱交換時按所述流量率除此之外需要的增壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述熱交換器是成組熱交換器裝置的較高壓力熱交換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中: 氬塔被連接至所述較低壓力塔，使得含氬蒸氣流從所述較低壓力塔中被去除，并且在所述氬塔中被精餾以產(chǎn)生富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物和含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物，且由所述含氧液態(tài)塔底產(chǎn)物組成的含氧液體流被引入到所述較低壓力塔中； 氬冷凝器被連接至所述氬塔，使得所述富氬蒸氣塔頂產(chǎn)物被冷凝以產(chǎn)生被引入到所述氬塔中的氬回流流；以及 所述氬塔具有出口以從所述氬塔排出富氬產(chǎn)物流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中: 過冷單元被連接至所述較高壓力塔，使得由所述較高壓力塔中產(chǎn)生的粗液氧塔底產(chǎn)物組成的粗液氧流被過冷； 所述氬冷凝器被連接至所述過冷單元，并且第一膨脹閥被定位在所述氬冷凝器與所述過冷單元之間，使得在已經(jīng)被過冷之后所述粗液氧流的至少一部分在所述第一膨脹閥中被閥膨脹并且被引入到所述氬冷凝器中以冷凝富氬蒸氣流，并因此部分氣化所述粗液氧流的至少一部分并且形成氣相和液相； 所述氬冷凝器被連接至所述較低壓力塔，使得分別由所述氣相和所述液相組成的氣相流和液相流被引入到所述較低壓力塔中； 液體膨脹機被連接至所述較高壓力熱交換器，使得通過所述增壓空氣流的液化而產(chǎn)生的液態(tài)空氣流被膨脹； 所述液體膨脹機被連接至所述較高壓力塔和所述氬冷凝器，使得由所述液態(tài)空氣流的一部分組成的第一附屬液態(tài)空氣流被引入到所述較高壓力塔中，而由所述液態(tài)空氣流的另一部分組成的第二附屬液態(tài)空氣流被引入到所述氬冷凝器中； 所述氬冷凝器被構(gòu)造成使所述第二附屬液態(tài)空氣流過冷，并且被連接至所述較低壓力塔，使得在已經(jīng)被過冷之后所述第二附屬液態(tài)空氣流被引入到所述較低壓力塔中；以及第二膨脹閥被定位在所述氬冷凝器與所述較低壓力塔之間，以使所述第二附屬液態(tài)空氣流閥膨脹。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中: 主空氣壓縮機壓縮進給空氣流，并且預(yù)純化單元被連接至所述主空氣壓縮機，從而在已經(jīng)被壓縮之后通過所述進給空氣流形成了壓縮和純化空氣流； 所述成組熱交換器裝置具有定位在所述預(yù)純化單元與所述較高壓力塔之間的較低壓力熱交換器，使得所述壓縮和純化空氣流的第一部分被冷卻至適用于其精餾的溫度，并且被引入到所述較高壓力塔中；以及 增壓壓縮機被定位在所述預(yù)純化單元與所述較高壓力熱交換器之間，使得所述壓縮和純化空氣的第二部分的至少一部份在所述增壓壓縮機中進一步被壓縮以形成所述增壓空氣流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中: 所述增壓壓縮機被構(gòu)造成壓縮所述壓縮和純化空氣流的第二部分的一部份，以產(chǎn)生所述增壓空氣流并且排出所述壓縮和純化空氣流的第三部分，所述壓縮和純化空氣流的第三部分由來自于所述增壓壓縮機的中間級的所述壓縮和純化空氣流的第二部分的另一部份組成； 另一個增壓壓縮機被定位在所述中間級與所述較低壓力熱交換器之間，使得所述壓縮和純化空氣流的第三部分進一步被壓縮并且被引入到所述較低壓力熱交換器中； 所述較低壓力熱交換器被構(gòu)造成部分冷卻所述壓縮和純化空氣流的第三部分； 渦輪膨脹機被連接至所述較低壓力熱交換器，以使所述壓縮和純化空氣流的第三部分膨脹，并因此產(chǎn)生排出流； 所述渦輪膨脹機與所述較高壓力塔流動連通，使得所述排出流與所述壓縮和純化空氣流的第一部分一起在所述較高壓力塔內(nèi)被精餾。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中: 所述冷凝器重沸器被連接至所述較高壓力塔，使得所述富氮液體流的另外一部分作為回流被引入到所述較高壓力塔中； 所述過冷單元被連接至所述較高壓力塔，使得具有低于所述富氮液體流的氮純度的含氮回流流從所述較高壓力塔被排出，并且在所述過冷單元中被過冷； 所述過冷單元被連接至所述較低壓力塔，使得所述含氮回流流作為回流被引入到所述較低壓力塔中； 第三膨脹閥被定位在所述過冷器與所述較低壓力塔之間，使得所述含氮回流流在所述第三膨脹閥內(nèi)被膨脹； 所述過冷器還被連接至所述較低壓力塔，使得由所述較低壓力塔的塔頂產(chǎn)物組成的較低壓力氮蒸氣流通過間接熱交換使所述含氮回流流和所述粗液氧流過冷；以及 所述較高壓力熱交換器和所述較低壓力熱交換器被連接至所述過冷器，使得由所述較低壓力氮蒸氣流組成的第一附屬較低壓力氮蒸氣流和第二附屬較低壓力氮蒸氣流分別被引入到所述較高壓 力熱交換器和所述較低壓力熱交換器中以平衡溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述較高壓力熱交換器與所述冷凝器重沸器流動連通，使得所述液氮流和所述富氮液體流具有相同的壓力。
【文檔編號】F25J3/04GK103827612SQ201180049163
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2010年8月12日
【發(fā)明者】N.M.普羅澤, R.J.吉布, J.R.薩爾奇, L.扎姆布拉諾, A.M.瓦塔 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司