使用補充制冷循環(huán)的分離空氣方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過使用補充制冷循環(huán)來用于涉及產(chǎn)生液體產(chǎn)物流的空氣分離的方法及系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明涉及一種補充制冷循環(huán)，其以大致恒定的體積流量(volumetric flow rate)循環(huán)制冷劑或工作流體，且還通過對補充制冷回路除去或添加工作流體或制冷劑來保持跨越壓縮機區(qū)段的壓力比大致恒定，以調(diào)整空氣分離設備中的液體產(chǎn)物生產(chǎn)。
【背景技術】
[0002]氧經(jīng)由低溫精餾來從含氧進料如空氣中分離。為了操作低溫精餾設備，必須提供制冷來補償環(huán)境熱泄漏、熱端熱交換損失，且允許液體產(chǎn)物的提取或產(chǎn)生，包括液氧、液氮或液氬。雖然用于低溫精餾設備的主要制冷源通常通過進料空氣流或廢物流的膨脹部分供應以產(chǎn)生冷流，冷流然后引入主換熱器或蒸餾塔中，但是外部制冷也可由引入主換熱器中的其它制冷劑流來給予，包括如大體上在美國專利第8，397，535號中所述的來自閉環(huán)補充制冷循環(huán)的制冷劑流。
[0003]用于空氣分離設備中的現(xiàn)有的補充制冷循環(huán)的局限性或缺陷之一在于此補充制冷回路中的離心壓縮機和渦輪膨脹器大體上以開啟或關閉模式操作。換言之，離心壓縮機和渦輪膨脹器要么操作以產(chǎn)生補充的制冷和附加的液體產(chǎn)物生產(chǎn)，要么停機，從而不產(chǎn)生補充的制冷和前述的任何附加液體產(chǎn)物生產(chǎn)。離心壓縮機和渦輪膨脹器在操作模式與停機模式之間持續(xù)循環(huán)不利地影響了補充制冷循環(huán)的總體效率和可靠性。
[0004]通過調(diào)整壓縮機入口導葉可實現(xiàn)現(xiàn)有補充制冷回路中的小范圍的調(diào)整。然而，必須小心調(diào)整，由于至壓縮機的太少或太多的流動，這會將壓縮機帶入喘振狀態(tài)或滯止(stonewall)狀態(tài)。結果，現(xiàn)存或現(xiàn)有技術的補充制冷回路大體上在固定或接近固定的操作點下操作。這樣不能在較寬操作范圍內(nèi)調(diào)制補充制冷的水平實際上限制了設備操作者精確地控制由空氣分離設備在任何給定時間下產(chǎn)生的液體產(chǎn)物量。
[0005]因此，所需的是適用于空氣分離設備的補充制冷回路或系統(tǒng)，其便于調(diào)制較寬操作范圍內(nèi)產(chǎn)生的補充制冷的水平，且因此允許更精確地控制由空氣分離設備在任何給定時刻產(chǎn)生的液體產(chǎn)物量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明可特征化為分離空氣的方法，包括:(a)在空氣分離設備中進行低溫精餾工藝，該空氣分離設備包括將壓縮和凈化的進料空氣流冷卻至適用于精餾的溫度的主換熱器，以及構造成精餾壓縮、凈化和冷卻的空氣來產(chǎn)生至少一個液體產(chǎn)物流的蒸餾塔系統(tǒng)；經(jīng)由構造成將冷卻的工作流體引導經(jīng)過主換熱器的補充制冷回路，提供空氣分離設備所需的制冷的一部分，以產(chǎn)生至少一個液體產(chǎn)物流；(C)加熱主換熱器中的冷卻的工作流體，以給予空氣分離設備所需的部分的制冷；(d)將加熱的工作流體再循環(huán)至補充制冷回路的壓縮機區(qū)段；以及(e)在補充制冷回路中除去或加入工作流體的一部分。
[0007]從補充制冷回路除去工作流體或?qū)⒐ぷ髁黧w加至補充制冷回路受控制，已調(diào)整與期望水平的液體產(chǎn)物產(chǎn)量相當?shù)娜肟趬毫?，同時工作流體以大致恒定的體積流量循環(huán)，且跨越壓縮機區(qū)段的壓力比保持大致恒定。從渦輪膨脹器區(qū)段上游的補充制冷回路除去工作流體減小了由補充制冷回路給予主換熱器和空氣分離設備的制冷，且因此減少了液體產(chǎn)物流的產(chǎn)量。相反，將工作流體加入壓縮機區(qū)段上游的補充制冷回路增加了由補充制冷回路給予的制冷，且因此允許了增加的液體產(chǎn)物流的產(chǎn)量。
[0008]本發(fā)明還可特征化為一種構造成產(chǎn)生液體產(chǎn)物流的空氣分離設備，所述空氣分離設備包括:(i)構造成壓縮和凈化進入的進料空氣流的空氣進入回路；(ii)構造成通過低溫精餾工藝精餾壓縮和凈化的進料空氣流來產(chǎn)生液體產(chǎn)物流的蒸餾塔系統(tǒng)；(iii)與壓縮和凈化的進料空氣流和蒸餾塔系統(tǒng)操作關聯(lián)且構造成將壓縮和凈化的進料空氣流冷卻至適用于精餾的溫度的主換熱器；(iv)補充制冷回路，其聯(lián)接到主換熱器上，且包括可壓縮的工作流體、構造成壓縮工作流體的壓縮機區(qū)段，以及構造成膨脹工作流體來生成用于向主換熱器和空氣分離設備提供補充制冷的冷卻的工作流體的渦輪膨脹器區(qū)段。冷卻的工作流體在主換熱器中加熱，以便給予空氣分離設備所需的那部分的制冷來產(chǎn)生液體產(chǎn)物流。然后，在經(jīng)過主換熱器之后，加熱的工作流體再循環(huán)至補充制冷回路的壓縮機區(qū)段。
[0009]本發(fā)明還包括排放系統(tǒng)和工作流體源，所述排放系統(tǒng)設置在渦輪膨脹器區(qū)段的上游，且構造成從補充制冷回路除去工作流體的一部分，所述工作流體源經(jīng)由壓縮機區(qū)段上游的一個或多個控制閥聯(lián)接，且構造成將工作流體添加至補充制冷回路?？刂破骺刹僮鞯剡B接到排放系統(tǒng)和控制閥上，且構造成或適于控制工作流體的除去或添加，以調(diào)整入口壓力，同時保持穿過補充制冷回路的壓縮機區(qū)段和渦輪膨脹器區(qū)段的工作流體的大致恒定的體積流量，以及跨越壓縮機區(qū)段的大致恒定的壓力比。
[0010]如上文指出那樣，除去工作流體的一部分減少了由補充制冷回路給予的制冷，且因此減少了液體產(chǎn)物流的產(chǎn)量，而將工作流體添加至補充制冷回路增加了由補充制冷回路給予的制冷，且因此增加了液體產(chǎn)物流的產(chǎn)量。
[0011]存在與對補充制冷回路除去工作流體或加入工作流體相關聯(lián)的許多附加特征、功能和可選的元件或步驟。例如，工作流體的除去可通過排放渦輪膨脹器區(qū)段上游的補充制冷回路中的工作流體的一部分來保持補充制冷回路中的工作流體處于或低于規(guī)定的最高壓力來實現(xiàn)。類似地，可能有用的是排放補充制冷回路的渦輪膨脹器區(qū)段下游的工作流體的一部分來保持補充制冷回路中的工作流體處于或低于規(guī)定的最高壓力，且保持引導至主換熱器的冷卻的工作流體處于或低于規(guī)定的最高溫度。
[0012]作為優(yōu)選，將工作流體加入補充制冷回路可通過向補充制冷回路填充由壓縮和凈化的進料空氣流供應的工作流體來實現(xiàn)，且此后，調(diào)制壓縮和凈化的進料空氣流至補充制冷回路的供應來調(diào)整壓縮機區(qū)段的入口壓力。作為備選，將工作流體加入補充制冷回路可通過將補充的(make-up)工作流體流加入壓縮機區(qū)段上游的補充制冷回路來實現(xiàn)，以將壓縮機區(qū)段的入口壓力保持處于或高于規(guī)定的最低壓力。
[0013]可選使用與保持工作流體的大致恒定的體積流量和/或保持跨越補充制冷回路的壓縮機區(qū)段的大致恒定壓力比相關聯(lián)的其它特征、元件、技術和步驟。例如，調(diào)整壓縮機區(qū)段中的壓縮機導葉可用于保持跨越壓縮機區(qū)段的大致恒定的壓力比。而且，調(diào)整補充制冷回路的渦輪膨脹器區(qū)段中的渦輪噴嘴布置可用于保持大致恒定的體積流量。
[0014]簡言之，上文提到的特征、元件、技術和步驟是可操作地控制空氣分離設備所需的附加制冷量來產(chǎn)生液體產(chǎn)物流的優(yōu)選實例?？刂乒ぷ髁黧w的除去、工作流體的添加、調(diào)整壓縮機導葉和調(diào)整渦輪噴嘴優(yōu)選通過控制器或其它控制器件來實現(xiàn)，以保持跨越壓縮機的大致恒定的壓力比，以及補充制冷回路中的大致恒定的體積流量。
【附圖說明】
[0015]盡管本發(fā)明以清楚指出申請人認作是其發(fā)明的主題的權利要求作為結束，但相信本發(fā)明在結