[發明專利]使用補充制冷循環的分離空氣方法及系統

有效

• 申請號: 201380074648.7
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN105008836B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: J.J.勞赫;A.M.瓦塔;H.吳;D.R.帕斯尼克;S.J.多德
• 申請（專利權）人: 普萊克斯技術有限公司
• 主分類號: F25J3/04
• 分類號: F25J3/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 王瑋,胡斌

技術領域

本發明涉及一種通過使用補充制冷循環來用于涉及產生液體產物流的空氣分離的方法及系統。更具體而言，本發明涉及一種補充制冷循環，其以大致恒定的體積流量(volumetric flow rate)循環制冷劑或工作流體，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段的壓力比大致恒定，以調整空氣分離設備中的液體產物生產。

背景技術

氧經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境熱泄漏、熱端熱交換損失，且允許液體產物的提取或產生，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補充制冷循環的制冷劑流。

用于空氣分離設備中的現有的補充制冷循環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生補充的制冷和附加的液體產物生產，要么停機，從而不產生補充的制冷和前述的任何附加液體產物生產。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循環不利地影響了補充制冷循環的總體效率和可靠性。

通過調整壓縮機入口導葉可實現現有補充制冷回路中的小范圍的調整。然而，必須小心調整，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或滯止(stonewall)狀態。結果，現存或現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調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生的液體產物量。

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，其便于調制較寬操作范圍內產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生的液體產物量。

發明內容

本發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生至少一個液體產物流的蒸餾塔系統；經由構造成將冷卻的工作流體引導經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，以產生至少一個液體產物流；(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至補充制冷回路的壓縮機區段；以及(e)在補充制冷回路中除去或加入工作流體的一部分。

從補充制冷回路除去工作流體或將工作流體加至補充制冷回路受控制，已調整與期望水平的液體產物產量相當的入口壓力，同時工作流體以大致恒定的體積流量循環，且跨越壓縮機區段的壓力比保持大致恒定。從渦輪膨脹器區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物流的產量。相反，將工作流體加入壓縮機區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物流的產量。

本發明還可特征化為一種構造成產生液體產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生液體產物流的蒸餾塔系統；(iii)與壓縮和凈化的進料空氣流和蒸餾塔系統操作關聯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生液體產物流。然后，在經過主換熱器之后，加熱的工作流體再循環至補充制冷回路的壓縮機區段。

本發明還包括排放系統和工作流體源，所述排放系統設置在渦輪膨脹器區段的上游，且構造成從補充制冷回路除去工作流體的一部分，所述工作流體源經由壓縮機區段上游的一個或多個控制閥聯接，且構造成將工作流體添加至補充制冷回路。控制器可操作地連接到排放系統和控制閥上，且構造成或適于控制工作流體的除去或添加，以調整入口壓力，同時保持穿過補充制冷回路的壓縮機區段和渦輪膨脹器區段的工作流體的大致恒定的體積流量，以及跨越壓縮機區段的大致恒定的壓力比。