太阳城集团

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空气的低温分离方法和空气分离设备.pdf

摘要
申请专利号:

CN201580049883.8

申请日:

2015.07.28

公开号:

太阳城集团CN106716033A

公开日:

2017.05.24

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):F25J 3/04申请日:20150728|||公开
IPC分类号: F25J3/04 主分类号: F25J3/04
申请人: 林德股份公司
发明人: T·劳滕施莱格; D·戈卢别夫
地址: 德国慕尼黑
优先权: 2014.07.31 EP 14002683.2
专利代理机构: 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人: 于辉
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法律状态
申请(专利)号:

CN201580049883.8

授权太阳城集团号:

|||

法律状态太阳城集团日:

2017.08.25|||2017.05.24

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明提出了用于在具有主空气压缩机(2)、主热交换器(4)和蒸馏塔系统(10)的空气分离设备(100)中进行空气(AIR)的低温分离的方法,所述蒸馏塔系统(10)具有在第一压力下操作的低压塔(11)和在第二压力下操作的高压塔(12),其中在所述主空气压缩机(2)中将包含所有进料到所述空气分离设备(100、200)中的进料空气的进料空气流(a)压缩至第三压力水平,第三压力水平高于第二压力水平至少2巴,其中所述压缩进料空气流(b)的第一部分(c)在所述主热交换器(4)中被冷却至少一次,并在第一膨胀涡轮机(5)中从所述第三压力水平开始膨胀,第二部分(d)在所述主热交换器(4)中被冷却至少一次,并在第二膨胀涡轮机(6)中从所述第三压力水平开始膨胀,第三部分(e)被进一步压缩到第四压力,在主热交换器(4)中被冷却至少一次,并从第四压力膨胀,其中在第一和/或第二压力下将第一部分(c)和/或第二部分(d)和/或第三部分(e)进料到蒸馏塔系统(10)中。条件是,在再压缩机(7)、热第一涡轮增压器和第二涡轮增压器中连续地将第三部分(e)进一步压缩至第四压力水平,并且为了膨胀第三部分(e),使用了稠密流体膨胀器(8),将第三部分(e)以液体状态并在第四压力水平下进料至所述稠密流体膨胀器(8)。本发明还涉及空气分离设备(100)。

权利要求书

1.在具有主空气压缩机(2)、主热交换器(4)和蒸馏塔系统(10)的空气分离设备(100、
200)中低温分离空气(AIR)的方法,所述蒸馏塔系统(10)具有在第一压力水平下操作的低
压塔(11)和在第二压力水平下操作的高压塔(12),其中
-在所述主空气压缩机(2)中将包含所有进料到所述空气分离设备(100、200)中的进料
空气的进料空气流(a)压缩至第三压力水平,第三压力水平高于压缩进料空气流(b)的第二
压力水平至少2巴,
-第一部分(c)在所述主热交换器(4)中被冷却至少一次,并在第一膨胀涡轮机(5)中从
所述第三压力水平开始膨胀,
-第二部分(d)在所述主热交换器(4)中被冷却至少一次,并在第二膨胀涡轮机(6)中从
所述第三压力水平开始膨胀,并且
-将第三部分(e)进一步压缩到第四压力水平,在所述主热交换器(4)中冷却至少一次,
并从所述第四压力水平开始膨胀,其中
-将第一部分(c)和/或第二部分(d)和/或第三部分(e)的空气在第一和/或第二压力水
平下进料到所述蒸馏塔系统(10)中,
其特征在于
-在再压缩机(7)、第一涡轮增压器和第二涡轮增压器中连续地将第三部分(e)进一步
压缩至第四压力水平,和
-为了膨胀所述第三部分(e),使用了稠密流体膨胀器(8),将第三部分(e)以液体状态
并在第四压力水平下进料至所述稠密流体膨胀器(8),和
-将第三部分(e)在0-50℃的温度水平下进料至第一涡轮增压器。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述第三部分(e)在-40℃至50℃的温度水平下被
进料到所述第二涡轮增压器中。
3.根据权利要求2所述的方法,其中由所述空气分离设备(100、200)抽取至少一种液态
空气产物,其份数为所述进料空气流(a)的3-10mol%。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其中所述第三部分(e)在第二涡轮增压器中再压缩
之后,在后冷却器中从高于环境温度的温度水平开始冷却,然后在所述主热交换器(4)中从
10℃-50℃的温度水平降至-140℃至-180℃的温度水平。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,其中所述第一压力水平为1-2巴,所述第二
压力水平为5-6巴,所述第三压力水平为8-23巴,和/或所述第四压力水平为50-70巴绝对压
力。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述第三部分(e)在0℃-50℃的温度水平下被进料
到所述第一涡轮增压器,在-140℃至-20℃的温度水平下被进料至所述第二涡轮增压器。
7.根据权利要求6所述的方法,其中从所述空气分离设备(100、200)中抽取至少一种液
态空气产物,其份数至多为进料空气流(a)的3mol%。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其中所述第三部分(e)在所述第二涡轮增压器中再
压缩之后,在所述主热交换器(4)中从-90℃至20℃的温度水平开始冷却至-140℃至-180℃
的温度水平。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法,其中所述第一压力水平为1-2巴,所述第二
压力水平为5-6巴,所述第三压力水平为9-17巴,和/或所述第四压力水平为30-80巴绝对压
力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中每个所述涡轮增压器都由所述膨胀
涡轮机(5、6)中的一个驱动。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述再压缩机(7)由高压流体和/或
电驱动和/或与所述主空气压缩机(2)的压缩机级一起驱动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一部分(c)在膨胀之前,在所
述主热交换器(4)中被冷却至0至-150℃的温度水平。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一部分(c)在膨胀之后,在所
述主热交换器(4)中被冷却至-150℃至-180℃的温度水平。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第二部分(d)在膨胀之前,在所
述主热交换器(4)中被冷却至-100℃至-160℃的温度水平。
15.用于根据权利要求1-14中任一项所述的方法进行空气(AIR)低温分离的空气分离
设备(100),其包括主空气压缩机(2)、主热交换器(4)和蒸馏塔系统(10),所述蒸馏塔系统
(10)具有在第一压力水平下操作的低压塔(11)和在第二压力水平下操作的高压塔(12),其
中所述空气分离设备(100)包括被配备用于进行以下操作的构件,
-将包括进料至所述空气分离设备(100、200)的所有进料空气的进料空气流(a)在所述
主空气压缩机(2)中压缩至高于所述第二压力水平至少2巴的压缩进料空气流(b)的第三压
力水平,
-在所述主热交换器(4)中将第一部分(c)至少冷却一次,并由所述第三压力水平开始
将其在第一膨胀涡轮机(5)中膨胀,
-在所述主热交换器(4)中将第二部分(d)至少冷却一次,并由所述第三压力水平开始
将其在第二膨胀涡轮机(6)中膨胀,
-进一步压缩第三部分(e)至第四压力水平,在所述主热交换器(4)中将其至少冷却一
次,并由所述第四压力水平开始将其膨胀,和
-将第一部分(c)和/或第二部分(d)和/或第三部分(e)的空气在第一和/或第二压力水
平下进料到所述蒸馏塔系统(10)中,
其特征在于,被配备用于进行以下操作的构件,
-在再压缩机(7)、第一涡轮增压器和第二涡轮增压器中连续地将第三部分(e)进一步
压缩至第四压力水平,
-在稠密流体膨胀器(8)中膨胀所述第三部分(e),并将第三部分(e)以液体状态并在第
四压力水平下进料至所述稠密流体膨胀器(8),和
-将第三部分(e)在0-50℃的温度水平下进料至第一涡轮增压器。

说明书

空气的低温分离方法和空气分离设备

本发明涉及空气分离设备内的空气的低温分离方法,以及根据独立权利要求的前
序部分的相应的空气分离设备。

现有技术

通过空气分离设备中的空气的低温分离来生产液态或气态的空气产物是已知的,
并描述于专业文献中,例如在H.-W.(主编)的,Industrial Gases Processing,
Wiley-VCH 2006中,特别是第2.2.5节“Cryogenic Rectification”中。空气分离设备具有
蒸馏塔系统,其可以被设计为例如双塔系统,特别是传统的林德(Linde)双塔系统,但也可
以被设计为三塔或多塔系统。除了用于产生液态和/或气态的氮和/或氧(例如液氧、LOX、气
态氧、GOX、液氮、LIN和/或气态氮,GAN)的蒸馏塔,即用于氮氧分离的蒸馏塔之外,也可以提
供用于生产其他空气组分的蒸馏塔,特别是惰性气体氪、氙和/或氩。

所述蒸馏塔系统在其各自的蒸馏塔中以不同的操作压力操作。已知的双塔系统具
有,例如,所谓的高压塔(有时也仅称为压力塔)和所谓的低压塔。所述高压塔的操作压力
为,例如,4.3-6.9巴,优选约5.0巴。所述低压塔的操作压力为,例如,1.3-1.7巴,优选约1.5
巴。此处和下文中所述的压力是绝对压力。

在空气分离中,可以使用所谓的高空气压力法(HAP法)。在HAP方法中,所有供给到
空气分离设备的空气或者所有以相应方法使用的空气(称为进料空气)都在主空气压缩机
中被压缩至显著高于所述蒸馏塔系统的最高操作压力的压力,因此,通常显著高于高压塔
的操作压力。该压力差为至少2或4巴,优选在6-16巴之间。例如,所述压力至少是所述高压
塔的操作压力的两倍。HAP方法是已知的,例如从EP 2 466 236 A1、EP 2 458 311 A1和US
5 329 776 A可知。

在HAP方法中,由于更强的压缩,可以减小空气纯化所需的容器和管道尺寸。此外,
压缩空气的绝对含水量下降。根据存在的边界条件,可以省去用于空气纯化的制冷设备。

在HAP方法中,在主空气压缩机中压缩的空气量可以进一步与过程空气量脱钩
(entkoppelt)。在这种情况下,只有一部分被压缩到所述压力的进料空气被用作所谓过程
空气(prozessluft),即被用于实际精馏并被供给到所述高压塔中。另一部分被膨胀以制
冷,其中冷量可独立于过程空气设定。然而,不是所有的HAP方法都提供这种脱钩。

另外,已知一些方法,在其中进料空气在主空气压缩机中仅被压缩到所述蒸馏塔
系统的最高操作压力,因此通常仅被压缩到高压塔的操作压力或略高于该压力。因此,一些
进料空气在冷却后可以在没有进一步膨胀的情况下进料到蒸馏塔系统中。只有,例如,用于
额外制冷或用于加热液体流(见下文)所需的一部分被进一步在一个或多个再压缩机中压
缩。具有主压缩机和再压缩机的这种方法也称为主空气压缩机/增压空气压缩机方法(MAC/
BAC方法)。因此,在MAC/BAC方法中,没有压缩全部进料空气,而是仅一部分被压缩至显著高
于蒸馏塔系统的最高操作压力的压力。

在空气分离中,可以使用所谓的内部压缩。在内部压缩中,将液体流从蒸馏塔系统
中取出并且至少部分地使液体状态达到压力。将处于液体状态达到压力的所述流在空气分
离设备的主热交换器中与热载体逆流加热并挥发,或者在存在相应压力的情况下,从液态
转变为超临界状态。所述液体流可以具体是液体氧,但也可以是氮或氩。因此,内部压缩用
于生产相应的气态加压产品。内部压缩法的优点特别是,相应的流体不需要以气态形式在
空气分离设备之外被压缩,其通常是非常复杂和/或需要相当多安全措施的。此外,在开头
所引用的专业文献中也描述了内部压缩。

在下文中,集合术语“反液化(Entflüssigung)”被用于从液态到超临界或气态的
转化。从超临界或气态到液态的转化被称为“液化”,其产物是清楚定义的液体。

热载体相对于待反液化的流逆流液化。此时,热载体通常由进料到所述空气分离
设备的一部分空气形成。为了能够有效地加热和反液化在液态下达到压力的流,由于热力
学环境,所述热载体必须具有比在液态下达到压力的流更高的压力。因此,必须提供相应高
度压缩的流。所述流也称为“节流阀流”,因为其通常借助于膨胀阀(“节流阀”)膨胀,在此至
少部分地被反液化并进料到所用的蒸馏塔系统中。

通过HAP方法生产内部压缩的气态氧相对便宜,特别是由于省去了用于提供相应
高度压缩的流的再压缩机,并在不同的实施方案中都可实现。然而,在某些情况下,MAC/BAC
方法在能量上更为有利,这特别是由于使用了超临界压力下液态节流阀流被进料到其上、
并在亚临界压力下进一步以液态抽出的涡轮机(而不是传统的膨胀阀)。在本申请的上下文
中,这种涡轮机被称为稠密液体膨胀器或稠密流体膨胀器(DLE)。该稠密流体膨胀器的能量
优点同样描述于开头所引用的专业文献中,例如第2.2.5.6节“Apparatus”,第48和49页。

本发明的目的是将与HAP方法相关的低资本成本与常规MAC/BAC方法的效率优势
相结合。

发明内容

在这种背景下,本发明提出了一种在空气分离设备中低温分离进料空气的方法,
以及具有独立权利要求的特征的相应空气分离设备。优选实施方案分别是从属权利要求和
下述说明的主题。

在解释本发明的特征和优点之前,先解释其基本原理和所用的表述。

“膨胀涡轮机”或“膨胀机”,其可以经由共用轴与其他的膨胀涡轮机或诸如油制动
器、发电机或压缩机的能量转换器耦合,被装配以用于膨胀气态或至少是部分液态的流。具
体而言,膨胀涡轮机可以被设计作为涡轮膨胀机用于本发明中。然而,如果压缩机由一个或
多个膨胀涡轮机驱动,但没有例如通过电动机外部供应的能量,则使用表述“涡轮驱动压缩
机”或“涡轮增压器”。

“压缩机”是被装配以用于将至少一种气流从所述流被进料到压缩机的至少一个
起始压力压缩到将所述流从压缩机中取出的至少一个最终压力的装置。压缩机形成结构单
元,然而,其可以包括呈活塞、螺杆和/或叶轮或涡轮机装置(即轴向或径向压缩机级)形式
的多个“压缩机级”。这也特别适用于空气分离设备的“主(空气)压缩机”,其特征在于,所述
主(空气)压缩机压缩进料到所述空气分离设备中空气量的全部或主要部分,即全部进料空
气流。“再压缩机”,在MAC/BAC方法中,在主空气压缩机中被压缩的一定量空气在该再压缩
机中被带到更高的压力,其通常同样也被设计为多级。具体而言,相应的压缩机级通过共用
驱动器如通过共用的轴驱动。

通常,在MAC/BAC方法中,使用通过外部供应的能量驱动的再压缩机,但是在HAP方
法中,没有这样的再压缩机。然而,涡轮增压机通常存在于两种情况下,特别是为了能够合
理地使用在用于制冷的膨胀中所释放的轴输出(shaft output)。

“热交换器”用于在至少两个流之间以例如相互对流的方式进行间接热传递,如温
热的压缩空气流和一个或多个冷流,或低温液态空气产物和一个或多个温热流。热交换器
可以由单个热交换器区段或并联和/或串联连接的多个热交换器区段形成,例如,一个或多
个板式热交换器块。热交换器,例如还有用于空气分离设备中的“主热交换器”,其特征在
于,在其处分别要冷却或加热的流的主要部分被分别冷却或加热,其具有被设计为彼此分
开并具有热交换表面的流体通道(fluid channel)的“通道”。

为了表征压力和温度,本申请使用“压力水平”和“温度水平”的表述,其旨在表述
的是,为了实施本发明的概念,相应设备中的相应压力和温度不需要使用精确的压力或温
度。然而,该压力和温度通常在一定的范围内变化,例如,平均值的±1%、5%、10%、20%或
甚至50%。在这种情况下,相应的压力水平和温度水平可以在不相交的范围内或在彼此重
叠的范围内。具体而言,压力水平包括例如不可避免的或预期的压降,例如由于冷却效应,
这也相应地适用于温度水平。

本发明的优点

根据本发明的方法使用具有主空气压缩机、主热交换器和蒸馏塔系统的空气分离
设备,所述蒸馏塔系统具有在第一压力水平下操作的低压塔和在第二压力水平下操作的高
压塔。所述压力水平和所用的其他压力水平在下文中详细说明。

在根据本发明的方法中,包括进料到所述空气分离设备处的所有进料空气的进料
空气流在所述主空气压缩机中被压缩到第三压力水平,其高于所述第二压力水平至少2巴,
特别是至少4巴。所述第三压力水平也可以是例如所述第二压力水平的两倍。因此,实施了
HAP方法。

在压缩的进料空气流中,第一部分在所述主热交换器中至少被冷却一次,并在第
一膨胀涡轮机中从第三压力水平开始膨胀。这里和下文中的“至少冷却一次”是指在膨胀之
前和/或之后的相应的流至少通过所述主热交换器的一个区段进行至少一次。

类似地处理第二部分,即在所述主热交换器中同样冷却至少一次,并且在第二膨
胀涡轮机中从第三压力水平开始膨胀。所述第二部分是所谓的涡轮机流,其膨胀进行以在
相应的设备中提供额外的制冷,并且能够对其进行控制。

第三部分被进一步压缩到第四压力水平,然后同样在所述主热交换器中被冷却至
少一次,并从所述第四压力水平开始膨胀。所述第三部分是所谓的节流阀流,其如上所述,
特别是允许内部压缩。

然后将所述第一部分和/或第二部分和/或第三部分的空气在第一和/或第二压力
水平下进料到所述蒸馏塔系统中。通常,在这种情况下,所述第一部分中的所有空气都以第
二压力水平进料到所述高压塔中。所述第二部分的所有空气或部分空气可以以第一压力水
平进料到所述低压塔中和/或以第二压力水平进料到所述高压塔中。这同样适用于所述的
第三部分。

本发明基于以下认识:与MAC/BAC方法的能量效率相关的HAP方法的组合不仅在建
造成本方面,而且在空气分离设备的操作成本方面是特别有利的。如所解释的,特别是稠密
流体膨胀器的使用从能量角度(即在操作成本方面)来讲是特别有利的,而使用HAP方法允
许低的建造成本。然而,稠密流体膨胀器的使用在常规HAP方法中不是有利的,因为由稠密
流体膨胀器所实现的能量节省伴随着在稠密流体膨胀器处发生的压力差。在相对低的进入
压力和因此相对低的压力差下,该使用总体上不太有利。此外,通过MAC/BAC方法的增高的
压力而改善的Q、T-曲线通常不能通过HAP方法实现。

在HAP方法中,所述主空气压缩机的最终压力(这里为“第三压力水平”)不仅取决
于内部压缩压力,即通过内部压缩所要提供的气态空气产物的压力,而且取决于所要获得
的液态空气产物的量。前者的依赖性来自于基本上由所述压力设定的相应流的蒸发容量,
后者来自于通过液态空气产物的抽出而“取出”的冷量,其必须通过其他流的膨胀来补偿。

由于进料空气流的空气量,即由主空气压缩机压缩的所有进料空气的空气量由所
产生的空气产物的量来确定,因此通过改变所述主空气压缩机的最终压力可以仅可供给所
述设备或多或少的能量。由于技术和经济的限制(所用管的类型),这通常限制在约23巴。

在这些边界条件下,在常规HAP方法中,不能提供令人满意的压力以允许使用液体
涡轮机从而表现出有利的方面。如所提到的,如果因此可以实现足够的压力差,那么液体涡
轮机的使用仅在技术上是有利的。

因此,本发明提出在再压缩机、第一涡轮增压器和第二涡轮增压器中连续地将所
述第三部分进一步压缩到第四压力水平。因此,代替通常由两个涡轮增压器实施的通常最
多两个压缩步骤,使用了至少三个压缩步骤,其中两个通过各涡轮增压器实现,而一个通过
再压缩机实现。由此,可以实现明显更高的第四压力水平。此时,至少所述第一涡轮增压器
在暖机状态下运行,即不以冷的压缩机运行。这使得本方法的操作在能量方面特别有利。在
本发明中,所述再压缩机被设计为单级、双级或多级压缩机。

如所解释的,尽管在MAC/BAC方法中使用常规的再压缩机,这些再压缩机通过外部
供应的能量驱动,但其没有被用于HAP方法中,本发明正是提出了这一点。在本发明文中所
用的再压缩机是由外部能量驱动的,因此其不是通过或至少不仅仅是通过在空气分离设备
本身中先前压缩的流体的膨胀而驱动的。太阳城集团根据本发明提供的利用外部能量驱动再压缩
机的不同可能性,可以参考下文的解释。

本发明通过所述压缩允许以明显更高的第四压力水平提供所述第三部分(节流阀
流),这使得稠密流体膨胀器的使用在能量上是有意义的。因此,根据本发明提供了用于第
三部分膨胀的相应稠密流体膨胀器,将所述第三部分以液态形式和第四(超临界)压力水平
下进料到所述膨胀器。

所述第三部分(节流阀流)可在不同的温度水平下被进料到所述第二涡轮增压器,
特别根据液态空气产物的量或在相应空气分离设备中所要获得的和从该空气分离设备所
要排出的液态空气产物的量。

为了提供相对大量的一种或多种液态空气产物,已经证明特别有利的是在0-50℃
的温度水平下将所述第三部分进料至第一涡轮增压器中,并在-40℃至50℃的温度水平下
进料到第二涡轮增压器中。此外,第二涡轮增压器因此不是典型的冷压缩机,即不是“冷”涡
轮增压器。虽然所述第三部分(节流阀流)被进料到其中,任选显著低于环境温度,但所述第
二涡轮增压器的下游的温度高于环境温度。

如果相对大量的空气产物以液体状态从相应的空气分离设备中被排出,则“冷”涡
轮增压器不太有利,因为使用的是提供所述液态空气产物的总可用冷量。然而,冷涡轮增压
器不可避免地向所述系统中贡献热量,因为来自压缩流的压缩热通常不能在后冷却器中被
除去,而只能在主热交换器中被除去,其与相应的热输入有关。在相对高的进入温度下操作
的涡轮增压器(在该温度下,所述压缩流具有比例如现有冷却水显著更高的温度)允许在常
规后冷却器中有效地移除热量。通过去除第二涡轮增压器下游的压缩热,其中的压缩基本
上是热中性的,因为这里的压缩功由后冷却器补偿。

总的来说,使用在所述较高的进入温度下操作的第二涡轮增压器因此允许排出液
态空气产物形式的相对大量的3-10mol%的进料空气流,所述液态空气产物为例如液氧
(LOX)、液氮(LIN)和/或液氩(LAR)。

对于相反旨在主要或仅提供气态空气产物(但是其也可以例如通过内部压缩方法
从液体中间产品获得)的空气分离设备,相比之下,在0-50℃的温度水平下将所述第三部分
进料至所述第一涡轮增压器并在-140℃至-20℃的温度水平下将其进料至所述第二涡轮增
压器是有利的。此时,第二涡轮增压器是典型的冷压缩机,即“冷”涡轮增压器。在环境温度
以下将所述第三部分(节流阀流)进料至其中,第二涡轮增压器的下游的温度额外地(显著
地)低于环境温度。在第二涡轮增压器中被压缩的第三部分的温度可以是,例如,在第二涡
轮增压器的直接下游为-90℃至20℃。

冷涡轮增压器向系统中引入热量,因为压缩热不会被冷却水操作的后冷却器中的
压缩流带走,而只是在主热交换器本身中被消除,与相应的热输入相关联。冷涡轮增压器,
通过在此情况下需要的所述热输入,使得内部压缩产物可以有特别好的加热和反液化,适
用于产生大量相应气态加压产品和相对少量的液态空气产物的空气分离设备。

总之,使用在所述低进入温度下操作的第二涡轮增压器因此允许抽取相对少量的
至多3mol%的液态空气产物形式的进料空气流,所述液态空气产物为例如液氧(LOX)、液氮
(LIN)和/或液氩(LAR)。

本发明有利地设想在每种情况下由所述膨胀涡轮机中的一个驱动所述涡轮增压
器,例如通过第二膨胀涡轮机驱动第一涡轮增压器和通过第一膨胀涡轮机驱动第二涡轮增
压器。

相反,额外用于压缩第三部分(节流阀流)的再压缩机使用外部能量驱动,即不通
过分别膨胀所述进料空气流的空气部分的指定膨胀涡轮机驱动。例如,利用高压流体和/或
电和/或与所述主空气压缩机的压缩机级一起驱动所述再压缩机可以是有利的。在后一种
情况下,所述主空气压缩机的至少一个压缩机级和所述再压缩机的至少一个压缩机级被指
定,例如,共用轴。此外,可以同时使用多个相应的措施。

特别有利的是,在第二涡轮增压器中进一步压缩之前和之后,在主热交换器中冷
却所述第三部分。此时,在适当的温度水平下将所述第三部分从主热交换器中取出或进料
到其中。如所解释的,此外,当所述第二涡轮增压器在所提及的较高温度下运行时,可以在
第二涡轮增压器的下游和在向主热交换器重新进料的上游提供额外的后冷却。相反,如果
所述第二涡轮增压器在所提及的较低温度下运行,则如所解释的那样,不属于这种情况。

此时,在所述主热交换器中的冷却在第二涡轮增压器中的再压缩之后发生,所述
冷却由取决于第二涡轮增压器的入口和出口温度以及可能的后冷却温度的温度水平,如10
℃-50℃或-90℃至20℃,冷却至-140℃至-180℃的温度水平开始。

如果所述第一部分在第一膨胀涡轮机中膨胀之前在主热交换器中被冷却到0至-
150℃的温度水平,也是有利的。有利地,所述第一部分在第一膨胀涡轮机中膨胀之后在主
热交换器中被冷却至-130℃至-180℃的温度水平。换言之,所述第一部分在第一膨胀涡轮
机中膨胀之后因此再次被引导通过主热交换器。

所述第二部分在第二膨胀涡轮机中膨胀之前在所述主热交换器中冷却至-50℃
至-150℃的温度水平是有利的。

在本发明中,有利的是,当第二涡轮增压器在较高温度下操作时,所述第一压力水
平为1-2巴和/或第二压力水平为5-6巴和/或第三压力水平为8-23巴和/或第四压力水平为
50-70巴绝对压力。如果第二涡轮增压器在所提及的较低温度下运行,则有利的是,所述第
一压力水平为1-2巴,和/或第二压力水平为5-6巴,和/或第三压力水平为8-23巴,和/或第
四压力水平为50-70巴绝对压力。此时,所述第三压力水平在每次使用常规HAP主空气压缩
机时仍然可以实现,所述第四压力水平,特别是使用所述再压缩机所实现的第四压力水平
允许使用稠密流体膨胀器。此时,所述第四压力水平处于超临界压力。

根据本发明的方法特别允许至少一种液态空气产物从所述蒸馏塔系统中被取出,
在液态下加压,在主热交换器中使其蒸发或将其转化为超临界状态(“反液化”),并将其作
为至少一种来自所述空气分离设备的内部压缩产物排出,即,如反复提及的,用于内部压缩
方法。

至少一种内部压缩产物可以在6-100巴的压力下从所述空气分离设备中移除。根
据本发明的方法,由于上述的额外热输入,当第二涡轮增压器在所述较低压力下操作时,而
特别适用于在相对高的压力即在至少30巴下提供内部压缩产物。

太阳城集团根据本发明的空气分离设备的特征,可以参考相应的装置权利要求。这种空
气分离设备特别包括使得其能够执行上述方法的所有构件。因此,明确地参考上面已经解
释的特征和优点。

下文中将参考显示本发明的优选实施方案的附图更详细地解释本发明。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备的示意性设备图。

图2示出了根据本发明的一个实施方案的空气分离设备的示意性设备图。

附图的详细说明

在图1中,示意性地示出了根据本发明的特别优选实施方案的空气分离设备,总体
上用100表示。进料空气流a形式的进料空气(AIR)被进料到空气分离设备100中,通过过滤
器1预纯化,然后被进料到主空气压缩机2中。所述主空气压缩机2以高度示意性的形式示
出。所述主空气压缩机2通常具有多个压缩机级,其可以由一个或多个电动机通过共用的轴
驱动。

在所述主空气压缩机2的下游,在其中被压缩的进料空气流a,其在这种情况下是
在空气分离设备100中所处理的全部进料空气,被进料到未示出的纯化设备3中,在其中,例
如,与残余的水分和二氧化碳分离。被压缩的(和纯化的)进料空气流b以例如15巴-23巴的
压力水平存在于纯化设备3的下游,所述压力在本申请的中表示为第三压力水平。在所示实
例中的第三压力水平明显高于如开头所解释的空气分离设备的典型高压塔的操作压力。因
此它是一种HAP方法。

所述进料空气流b被连续分成流c、d和e。在本申请的文中的流c被称为进料空气流
b的第一部分,流d被称为进料空气流b的第二部分,流e被称为进料空气流b的第三部分。

流c和d在主热交换器4的暖侧彼此分开地进料到空气分离设备100中,并且在不同
的中间温度水平下再次从所述主热交换器中被排出。所述流c在从主热交换器4中抽出之后
在本申请文中被称为第一膨胀涡轮机的膨胀涡轮机5中膨胀至压力水平,例如,5-6巴,该压
力在本申请的文中被指定为第二压力水平,并再次被引导通过主热交换器4的一个区段。所
述流d在从主热交换器4中抽出之后在本申请文中被称为第二膨胀涡轮机的膨胀涡轮机6中
同样膨胀至第二压力水平。

流e是所谓的节流阀流,其特别允许所述的内部压缩。为此,流e首先在再压缩机7
中被再压缩,然后在两个涡轮增压器中再次压缩,每个涡轮增压器都由第一膨胀涡轮机5和
第二膨胀涡轮机6(未单独示出)驱动。由第二膨胀涡轮机6驱动的涡轮增压器在此被称为第
一涡轮增压器,而相反由第一膨胀涡轮机5驱动的涡轮增压器被称为第二涡轮增压器。原则
上,所述涡轮增压器对膨胀涡轮机5、6的分配也可以反过来。所述再压缩进行至例如50巴-
70巴的压力水平,其在本申请的文中被指定为第四压力水平。在再压缩机7的下游和涡轮增
压器的上游,流e的压力水平为例如26巴-36巴。再压缩机7由外部能量驱动,也就是说不由
进料空气流b的压缩空气部分的膨胀驱动。

在两个涡轮增压器中的再压缩步骤之后,流e在每种情况下都在未单独示出的涡
轮增压器的后冷却器中被冷却回到对应于大约冷却水温度的温度。根据需要,利用主热交
换器4进行进一步的冷却。因此,在第四压力水平下,流e再次通过后冷却器,然后通过主热
交换器4,并随后在稠密流体膨胀器8中膨胀。所述第四压力水平显著高于氮的临界压力,并
高于氧的临界压力。

在主热交换器4和稠密流体膨胀器8的上游冷却之后,流e为处在超临界压力下的
液态。稠密流体膨胀器8与例如发电机或油制动器(未指定)相联接。所述流e在膨胀之后处
在第二压力水平下。此外,它是液体,但是处于亚临界压力下。

蒸馏塔系统10以高度简化的形式示出。其包括至少一个在1-2巴的压力水平(这里
被指定为第一压力水平)下操作的低压塔11和在双塔系统的第二压力水平下操作的高压塔
12,其中低压塔11和高压塔12经由主冷凝器13进行热交换连接。为了清楚起见,没有具体描
绘为低压塔11和高压塔12进料以及连接主冷凝器13的管道、阀、泵、和其他的热交换器等。

在所示的实施例中,流c、d和e被进料到高压塔12中。然而,也可以提出,例如,在适
当膨胀之后将流d和/或流e进料到低压塔11中和/或不将所述部分进料到蒸馏塔系统中。

在所示的实施例中,流f、g和h可以从蒸馏塔系统10中取出。如反复说明的,配备空
气分离设备100以实施内部压缩方法。在所示的实施例中,所述流f和g(其可以是液体、富氧
的流f和液体、富氮的流g)因此通过泵9在液体状态下被加压并在主热交换器4中汽化,或者
根据压力从液态转变为超临界状态。所述流f和g的流体可以作为内部压缩氧(GOX-IC)或内
部压缩氮(GAN-IC)从空气分离设备100中被取出。所述流h示出了从一个或多个蒸馏塔系统
10中取出的处于第一压力水平的气态的流。

在图2中,示意性地示出了根据本发明的典型优选实施方案的空气分离设备,总体
上用200表示。与图1所示的空气分离设备100中相同或相似的设备部件和流具有相同的索
引标记,不再重复解释。

进料空气流b此处也在纯化设备3的下游处于第三压力水平,然而在此为,例如,9-
17巴。流e(节流阀流)被压缩的第四压力水平在此为,例如,30-80巴。而流e,即使在这里在
第一涡轮增压器中的再压缩步骤之后,在未被单独示出的后冷却器中被冷却回至相应于冷
却水的温度,在第二涡轮增压器下游仅通过主热交换器4实施冷却,而不是通过如图1的空
气分离设备100中的后冷却器。由于第二涡轮增压器作为“冷”涡轮增压器操作,因此,所述
第二涡轮增压器下游的流e处于显著低于环境温度的相应的低温度水平。

在所示的空气分离设备100的实例中,再压缩机7与主空气压缩机2的一个或多个
压缩机级一起驱动,并使用压力流体,例如在膨胀涡轮机(单独标记的)中膨胀的加压蒸汽。
如所提及的,适用的是根据图1的空气分离设备100,其中第二涡轮增压器作为“暖”涡轮增
压器操作,特别是用于提供相对大量的液态空气产物(未示出),或者相反,适用的是根据图
2的空气分离设备200,其中第二涡轮增压器作为“冷”涡轮增压器操作,特别是用于提供高
压气态内部压缩产物。

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空气 低温 分离 方法 设备
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