本發(fā)明涉及根據(jù)獨立權(quán)利要求的前序部分的低溫分離空氣的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

通過在空氣分離設(shè)備中進行空氣的低溫分離得到液體形式或氣體形式的空氣產(chǎn)品是已知的，這在例如H.-W.Industrial Gases Processing,Wiley-VCH,2006，尤其是第2.2.5部分，“Cryogenic Rectification”中有描述。本發(fā)明特別適合使用內(nèi)壓縮的空氣分離設(shè)備，如上述文件的第2.2.5.2部分“內(nèi)壓縮”所述。

空氣分離設(shè)備的蒸餾塔系統(tǒng)例如可以采用雙塔系統(tǒng)，尤其是傳統(tǒng)的Linde雙塔系統(tǒng)，以及三塔系統(tǒng)或多塔系統(tǒng)。除了用于制備液體形式和/或氣體形式的氮和/或氧(例如液體氧LOX、氣態(tài)氧GOX、液體氮LIN和/或氣態(tài)氮GAN)的蒸餾塔，即用于氮-氧分離的蒸餾塔之外，還可提供用于制備其它空氣組分，尤其是惰性氣體氪氣、氙氣和/或氬氣的蒸餾塔。

空氣分離設(shè)備的蒸餾塔系統(tǒng)在其蒸餾塔的各種操作壓力下運行。已知雙塔系統(tǒng)具有例如所謂的(高)壓塔和所謂的低壓塔。高壓塔的操作壓力為例如4.3-6.9巴，尤其是約5.5巴。低壓塔在例如1.2-1.7巴，尤其是約1.4巴的操作壓力下運行。這里的壓力表示對應(yīng)蒸餾塔底部的絕對壓力。該指定的壓力在下文也稱作“蒸餾壓力”，因為在每種情況下是在這些壓力下在蒸餾塔內(nèi)進行進料空氣的分餾。這并不排除在蒸餾塔系統(tǒng)中的其它點存在其它壓力的可能性。

將已經(jīng)通過各種壓縮機或各種壓縮機的組合(例如主空氣壓縮機和空氣增壓壓縮機)加壓的冷卻壓縮空氣(進料空氣)進料至蒸餾塔系統(tǒng)中。在相應(yīng)空氣分離設(shè)備中獲得的產(chǎn)品還可用壓縮機(產(chǎn)品壓縮機)或相應(yīng)壓縮機的組合進行加壓。

空氣分離設(shè)備的操作成本(OPEX)基本上由能耗來決定，而所述能耗取決于壓縮機的能耗(主空氣壓縮機、空氣增壓壓縮機以及如果有，產(chǎn)品壓縮機)。投資成本(CAPEX)也基本上由提供壓縮機所負(fù)荷的成本決定。

在空氣分離中，可使用以下方法，其中通過主空氣壓縮機(MAC)將進料空氣加壓到約高壓塔的壓力，并且通過空氣增壓壓縮機(BAC)僅將部分進料空氣增壓，并用于氧氣的內(nèi)壓縮(參看下文)或用于制冷。這些常規(guī)方法也稱作MAC/BAC方法。

除了MAC/BAC方法之外，最近越來越多使用所謂的HAP(高氣壓)方法，因為其可提供優(yōu)于MAC/BAC方法的優(yōu)勢。HAP方法尤其是在煤氣化或煤液化(煤變氣、煤變液體、CTX)或重油的氣化中是有利的。這里所使用的空氣分離設(shè)備通常必須僅提供或者幾乎僅提供氣體產(chǎn)品(氣態(tài)內(nèi)壓縮氧、GOXIC或壓縮氮、PGAN)，在實施該方法時基本上不需要靈活性。

在HAP方法中，將所有的進料空氣在主空氣壓縮機中壓縮至基本上大于高壓塔的蒸餾壓力的壓力。所使用的壓力差為至少4巴，優(yōu)選6-16巴。該HAP方法已知于例如EP 2466236A1、EP 2458311 A1和US 5329776A1，例如開始部分所引用的技術(shù)文獻中的MAC/BAC方法。

US 5901579A顯示將通過齒輪連接的渦輪壓縮機和渦輪膨脹機用于HAP方法中。EP 2634517A1和EP 2520886A1公開了使用所謂的冷壓縮機或冷增壓機的布置(參看下文)。

如上文所述，可使用所謂的內(nèi)壓縮運行空氣分離設(shè)備。在內(nèi)壓縮中，例如為了提供上述氣態(tài)的內(nèi)壓縮氧，從蒸餾塔系統(tǒng)中提取液體流并壓縮成至少部分的液體形式。加熱該加壓成液體形式的流并在空氣分離設(shè)備的主換熱器中通過傳熱介質(zhì)蒸發(fā)。液體流尤其可以是液體氧，但還可以是氮或氬。在這種情況下，使用內(nèi)壓縮以獲得相應(yīng)的氣態(tài)加壓產(chǎn)品。內(nèi)壓縮方法的優(yōu)勢尤其是，不需要在空氣分離設(shè)備外將相應(yīng)的流體壓縮成氣態(tài)，這經(jīng)常被證明是非常麻煩的和/或需要繁雜的安全措施。

還如下文所述，內(nèi)壓縮中的術(shù)語“蒸發(fā)”包括其中超臨界壓力占主導(dǎo)并因此沒有適當(dāng)?shù)南噢D(zhuǎn)變發(fā)生的情況。然后將加壓成液體形式的流進行“偽蒸發(fā)”。與偽蒸發(fā)流相對的是，傳熱介質(zhì)被液化(或偽液化，如果其處于超臨界壓力下)。這種情況下，傳熱介質(zhì)通常由壓縮進料空氣的一部分流組成，稱作節(jié)流。在用于蒸發(fā)或偽蒸發(fā)的換熱器的較熱區(qū)域中，可通過所謂的渦流(或多個渦流)提供額外的蒸發(fā)熱量。

為了能夠有效加熱和蒸發(fā)加壓成液體形式的流，由于熱力學(xué)條件，該傳熱介質(zhì)必須處于相對高的壓力下。為此，必須提供相應(yīng)的高度壓縮流。例如如果要提供處于高壓或非常高壓(例如50巴或更高)的內(nèi)壓縮氧用于上述CTX方法或重油的氣化，以及其它情形時，尤其是如此。

這可能導(dǎo)致的問題，如下文所述，不能用常規(guī)方法彌補，或者是僅能不利地彌補。因此，本發(fā)明的目的是，提供可以在HAP方法中以簡單且有效的方式進行相應(yīng)壓縮的可能性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在此背景下，本發(fā)明提供一種用于空氣的低溫分離的方法和設(shè)備，它們具有獨立權(quán)利要求的特征。各個從屬權(quán)利要求和以下說明書的主題形成本發(fā)明的配置。

在解釋本發(fā)明的特征和優(yōu)勢之前，下面將解釋所使用的基本原理和術(shù)語。

在空氣分離設(shè)備中，使用渦輪壓縮機來壓縮空氣。這對于例如“主(空氣)壓縮機”是如此，所述“主(空氣)壓縮機”的特征是，其壓縮所有進入到空氣分離設(shè)備中的空氣，即所有的“進料空氣”?！翱諝庠鰤簤嚎s機”通常也被設(shè)計為渦輪壓縮機，其中在MAC/BAC方法中，在所述空氣增壓壓縮機中將在主空氣壓縮機中壓縮的部分空氣量升至更高的壓力。對于(之后)部分空氣量的壓縮，通常提供也稱作增壓機的其它渦輪壓縮機。

此外，在空氣分離設(shè)備的多個點處將空氣膨脹，為此可特別使用渦輪膨脹機。尤其是對于所謂渦流的膨脹，更是如此，如下文所述。渦輪膨脹機還可連接至渦輪壓縮機(增壓機)并驅(qū)動它們。在沒有外部提供能量的情況下，即僅通過一個或多個渦輪膨脹機驅(qū)動一個或多個渦輪壓縮機的情況下，術(shù)語“渦輪增壓機”也用于這種布置。

原則上渦輪壓縮機和渦輪膨脹機的機械結(jié)構(gòu)對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。在渦輪壓縮機中，將空氣通過設(shè)置在葉輪上或直接設(shè)置在軸上的動葉片進行壓縮。在這種情況下，渦輪壓縮機可形成具有多個“壓縮機級別”的結(jié)構(gòu)單元。壓縮機級別通常包括葉輪或動葉片的相應(yīng)布置。所有這些壓縮機級別可由共用軸驅(qū)動。渦輪膨脹機根本上是類似的設(shè)計，但是動葉片是由膨脹空氣驅(qū)動。這里，也可提供多個膨脹級別?？蓪u輪壓縮機和渦輪膨脹機設(shè)計成徑向流機器或軸向流機器。

如果下文提到渦輪壓縮機或渦輪膨脹機的“動葉片”是“以旋轉(zhuǎn)方式固定連接”至另一元件，例如驅(qū)動輪或被動輪，這意指在動葉片和其它元件之間有機械連接。如上文所述，動葉片與一個或多個葉輪連接，所述葉輪以旋轉(zhuǎn)方式固定連接至軸/或直接連接至軸，因此可在軸和動葉片之間直接傳遞轉(zhuǎn)矩。按照這種方式，以旋轉(zhuǎn)方式固定連接至軸的每個元件也以旋轉(zhuǎn)方式固定連接至動葉片。這種“以旋轉(zhuǎn)方式固定連接”導(dǎo)致動葉片和其它元件，例如驅(qū)動輪或被動輪，以相同的旋轉(zhuǎn)速度和相同的旋轉(zhuǎn)方向圍著軸的軸線旋轉(zhuǎn)。因此，通過齒輪咬合的連接不是所述的“以旋轉(zhuǎn)方式固定連接”。

在下文中，“驅(qū)動輪”理解為被軸賦予轉(zhuǎn)矩的齒輪，尤其是通過所述齒輪連接至渦輪膨脹機的動葉片。相對比，“被動輪”為向軸，尤其是渦輪壓縮機的軸賦予轉(zhuǎn)矩的齒輪。

本申請使用術(shù)語“壓力水平”和“溫度水平”來表征壓力和溫度，其旨在表述相應(yīng)的壓力和溫度不需要以確切的壓力值或溫度值的形式使用，以實現(xiàn)本發(fā)明的構(gòu)思。然而，該壓力和溫度通常在例如中心值的約±1％、5％、10％、20％或甚至50％的范圍內(nèi)變動。這種情況下，相應(yīng)的壓力水平和溫度水平可處于不相交的范圍或重疊范圍內(nèi)。尤其是，壓力水平例如包括不可避免的或預(yù)期的壓力損失。對于溫度水平同樣如此。這里所指的壓力水平為絕對壓力，單位巴。

為了能夠有效配置HAP方法，或者為了能夠有效提供處于高壓下的經(jīng)內(nèi)壓縮的氣態(tài)壓縮氧，需要相對高壓的空氣流，如上文所述。在HAP方法中，該壓力基本上比全部壓縮空氣的本已經(jīng)很高的壓力還要高，并且通常通過所謂的冷增壓機產(chǎn)生。冷增壓機理解為供應(yīng)通常低于0℃的低溫空氣的渦輪壓縮機。其有利地通過渦輪膨脹機驅(qū)動。

圖1示出了該流的單級壓縮也稱作節(jié)流，僅作為假設(shè)性實施例舉例說明。單級壓縮不足以實現(xiàn)所要求的壓力，因為在冷增壓機中可實現(xiàn)的壓力比是有限的(在相應(yīng)的渦輪壓縮機中的壓力比л通常不高于1.8-2.0)。此外，被相應(yīng)高度壓縮的空氣流的質(zhì)量流量(在能量優(yōu)化配置中，使用處于較低壓力水平的第二空氣流)比在可用于驅(qū)動的渦輪壓縮機中膨脹的空氣的質(zhì)量流量低得多。這會導(dǎo)致比旋轉(zhuǎn)速度的很大差別，因此目前不能構(gòu)建相應(yīng)單元。

原則上該問題可通過使用兩級布置，而不是單級冷增壓機來避免，所述兩級布置由例如電能至少部分外部驅(qū)動。然而，這通常是不理想的，因為需要提供電動機和局部中壓電網(wǎng)的分布導(dǎo)致額外的成本。尤其是，如下文所述，HAP方法的實施可完全不需使用電動機壓縮，使得提供電動機和必需的基本設(shè)施在這里可能是特別不利的。尤其是在特別適合本發(fā)明的其中使用HAP方法運行空氣分離設(shè)備的大的CTX項目中或者用于重油的氣化方法中，在任何情況下，對于所使用的高空氣量，都必須使用多個渦輪膨脹機(在HAP方法的情況下，通過相應(yīng)的渦輪膨脹機膨脹用于精餾的全部氣態(tài)空氣)，因此推薦使用該布置來壓縮節(jié)流，即不需要外部電能的情況下。

圖2示出了另一個設(shè)置且如下文所述，也僅用于舉例說明的目的。雖然至今在相應(yīng)設(shè)備的冷部件中還沒有考慮相應(yīng)設(shè)置，然而該設(shè)置本身是已知的且已經(jīng)用于“熱”渦輪增壓機中，雖然它們的體積流量非常不同。圖2示出了用于相應(yīng)設(shè)備的“冷”部件的這種設(shè)置，然而體積流量的條件，尤其是在產(chǎn)生約57巴的最終壓力(類似于內(nèi)壓縮氧氣的壓力)的第二冷增壓機的情況下，保持很不同，結(jié)果是由于比旋轉(zhuǎn)速度的過度不同，目前還不能構(gòu)建該單元。為了能夠構(gòu)建所述單元，必須提高節(jié)流的量并降低渦流的量。然而，這將降低該方法的效率，因為節(jié)流的最終壓力將會被降低。

因此，本發(fā)明是基于對一種設(shè)置的探索，通過所述設(shè)置可以使用渦輪驅(qū)動機對節(jié)流在最佳量比下進行兩級壓縮。

已經(jīng)認(rèn)識到，根據(jù)本發(fā)明，壓縮/膨脹設(shè)置解決了上述問題，在所述設(shè)置中多個(即兩個或更多個)驅(qū)動渦輪膨脹機并聯(lián)連接，以及兩個或更多個渦輪壓縮機串聯(lián)連接。與通過軸直接驅(qū)動或直接傳遞不同，本發(fā)明使用如下文所述的中間齒輪裝置。使用這種齒輪裝置可消除比旋轉(zhuǎn)速度之間的相互影響，并可獲得所需驅(qū)動。因此本發(fā)明提出的這種設(shè)置類似于所謂的壓縮擴張器，其中渦輪壓縮機通過中間齒輪裝置連接至渦輪膨脹機。然而，根據(jù)本發(fā)明，既不需要發(fā)電機也不需要電動機。

本發(fā)明提出一種用于在空氣分離設(shè)備的蒸餾塔系統(tǒng)中在不同的蒸餾壓力下蒸餾低溫分離進料空氣的方法。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，將以總空氣量計的所有進料空氣壓縮至第一壓力水平，即高于最高蒸餾壓力至少4-5巴。因此在本發(fā)明中，使用上文提及的HAP方法。根據(jù)上文所述，在相應(yīng)蒸餾塔系統(tǒng)中的最高操作壓力，即在(高)壓塔中的操作壓力，可以是例如4.3-6.9巴，例如5.2巴。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，將所有的進料空氣壓縮至高于該壓力至少4-5巴的壓力水平，例如至少11巴、12巴、13巴、14巴、15巴或16巴。具體值列舉如下。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，通常在相應(yīng)空氣分離設(shè)備的主換熱器中，將來自所述總空氣量的第一部分空氣量首先冷卻至130-170K的第一溫度水平，然后壓縮至第二壓力水平，即高于第一壓力水平至少10巴。因此本發(fā)明用于HAP方法中，其中產(chǎn)生相對高的壓力，例如下文所述，為了能夠提供處于相應(yīng)高壓下的內(nèi)壓縮加壓產(chǎn)品。

此外，在本發(fā)明中，將第二部分空氣量首先冷卻至110-150K的第二溫度水平，然后膨脹至第三壓力水平，所述第三壓力水平低于第一壓力水平，例如可以是最高蒸餾壓力，即高壓塔的操作壓力。冷卻至第二溫度水平還可以在空氣分離設(shè)備的主換熱器中進行。

如上文所述，將相應(yīng)部分的空氣量同時壓縮和膨脹產(chǎn)生若干問題，尤其是如果在膨脹期間使用釋放的功進行壓縮，即如果在沒有提供外部能量(電能)時進行。尤其是在如果第一部分空氣量和第二部分空氣量明顯不同的情況下，更是如此，因為如上文所述，這導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度的顯著差別。

本發(fā)明提供使用具有齒輪裝置的壓縮/膨脹設(shè)置，其中驅(qū)動輪與齒輪咬合，以及齒輪與被動輪咬合。兩個或更多個渦輪膨脹機的動葉片連接至驅(qū)動輪，以及兩個或更多個渦輪壓縮機的動葉片連接至被動輪，這兩種情況都是以旋轉(zhuǎn)方式固定連接，如上文所述。進料第一部分空氣量，為了壓縮至第二壓力水平，使其依次通過渦輪壓縮機；以及進料第二部分空氣量，為了膨脹至第三壓力水平，使其平行通過渦輪膨脹機。其中，“平行”進料通過多個渦輪膨脹機理解為意指，將第二部分空氣量分成兩個或更多個部分流并將每個部分流通過其中一個渦輪膨脹機。上述問題可通過使用壓縮/膨脹設(shè)置得到解決，其中所使用的齒輪裝置可分別與所使用的渦輪壓縮機和渦輪膨脹機的旋轉(zhuǎn)速度相匹配。多個渦輪壓縮機的串聯(lián)使用可產(chǎn)生非常高的壓力差，僅一個壓縮單元不能實現(xiàn)該壓力差。本發(fā)明還可使用數(shù)量級明顯不同的第一部分空氣量和第二部分空氣量，因為使用齒輪裝置可對旋轉(zhuǎn)速度差進行補償。進料通過渦輪壓縮機的第一部分空氣量處于上述的第一溫度水平。為此，將渦輪壓縮機作為冷增壓機運行。

在本發(fā)明中多個渦輪壓縮機并聯(lián)連接，因此所產(chǎn)生的機械負(fù)荷可通過其平衡分布，單個渦輪膨脹機可變得更小并更有成本效益。當(dāng)使用兩個渦輪壓縮機，其動葉片在被動輪的任一側(cè)分別連接至與被動輪連接的第一軸上時，產(chǎn)生特別的優(yōu)勢。這可降低不對稱負(fù)荷并降低磨損。

有利的是，通過驅(qū)動輪向齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩比通過齒輪向被動輪傳遞的轉(zhuǎn)矩大。因此，不需要提供額外的驅(qū)動例如電動機；渦輪壓縮機可簡單地通過渦輪膨脹機驅(qū)動。

根據(jù)本發(fā)明的壓縮/膨脹設(shè)置的另一個優(yōu)勢在于，齒輪可使其它驅(qū)動輪或被動輪產(chǎn)生柔性咬合，因此可根據(jù)需要擴展本方法。例如按照這種方式，可使用通過驅(qū)動輪驅(qū)動的一個或多個其它渦輪膨脹機和/或通過被動輪被渦輪驅(qū)動的一個或多個渦輪壓縮機。齒輪本身優(yōu)選不以旋轉(zhuǎn)方式固定連接至渦輪膨脹機和/或渦輪壓縮機，而優(yōu)選僅在驅(qū)動輪和被動輪之間傳遞轉(zhuǎn)矩。換言之，在根據(jù)本發(fā)明的壓縮/膨脹設(shè)置中，一方面齒輪，另一方面驅(qū)動單元或被動單元(例如渦輪膨脹機和渦輪壓縮機的動葉片)以不同旋轉(zhuǎn)速度運行。然而，這并不排除驅(qū)動單元和/被動單元彼此以相同的旋轉(zhuǎn)速度運行的可能性。

根據(jù)本發(fā)明有利的是，第一壓力水平為10-17巴，尤其是13-16巴，和/或第二壓力水平為40-70巴，尤其是50-60巴。因此，第二壓力水平處于相對高的值，這排除了使用單個增壓器，因為如上文所述，其可實現(xiàn)的壓力差太小。該問題通過使用根據(jù)本發(fā)明通過齒輪串聯(lián)連接的多個渦輪壓縮機得到解決。

如上文所述，第三壓力水平低于第一壓力水平，其可以是例如蒸餾塔系統(tǒng)中的最高蒸餾壓力，例如高壓塔所運行的壓力水平。所述第三壓力水平處于最高蒸餾壓力意指第三壓力水平與蒸餾塔裝置中的最高蒸餾壓力偏離不超過1巴。

如上文所述，如果各個部分的空氣量彼此明顯不同，本發(fā)明是特別合適的。尤其是如果第一部分空氣量為第二部分空氣量的0.2-0.6倍，和/或第一部分空氣量與第二部分空氣量一共為總空氣量的0.3-0.6倍，更是如此。所述比例分別涉及每單位時間的標(biāo)準(zhǔn)體積，即標(biāo)準(zhǔn)體積流速，例如每小時標(biāo)準(zhǔn)立方米(Nm³/h)。已證明實際存在的體積流速的差別要高得多，因為所存在的壓力明顯不同。尤其是，在第一部分空氣量和第二部分空氣量明顯不同的情況下，這導(dǎo)致相對少量空氣被壓縮，而相對大量空氣用于膨脹，由于使用特定齒輪裝置，本發(fā)明的方法是特別合適的。

有利的是，在本發(fā)明的方法中，在冷卻至第二溫度水平之前，第二部分空氣量從第一壓力水平壓縮至低于第二壓力水平的中間壓力水平。為此，例如可使用另一個渦輪壓縮機。其可通過膨脹另一流的渦輪膨脹機(其存在的目的是提供用于整個方法所需要的制冷功率)來驅(qū)動。

本發(fā)明方法提供特別的優(yōu)勢，如果液態(tài)富氧空氣產(chǎn)品從蒸餾塔系統(tǒng)提取出，在液體形式下加壓，然后通過加熱從液態(tài)轉(zhuǎn)化成超臨界態(tài)或氣態(tài)，即用于內(nèi)壓縮法。在這種內(nèi)壓縮法中，根據(jù)本發(fā)明可將液態(tài)富氧空氣產(chǎn)品在液體形式下加壓至第一壓力水平或另一高壓力水平。因此本發(fā)明特別適合其中要提供處于高壓的相應(yīng)內(nèi)壓縮產(chǎn)品的方法。

本發(fā)明中，將內(nèi)壓縮法與HAP方法結(jié)合，實現(xiàn)了特別優(yōu)勢。傳統(tǒng)的MAC/BAC方法在大空氣量下遭到它們的容量限制。因此，在空氣分離設(shè)備的情況下，對于高于130,000Nm³/h的氧容量，達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備組件的限制。由于這里低的進料空氣壓力，例如需要直徑大于6米的吸附器并在極限下部分運行。此外，對于如此高的空氣吞吐量，需要安裝具有非常大公稱寬度的管道和閥，這導(dǎo)致高成本。使用HAP方法基本減輕了這種問題，因為顯著降低了體積流速；已證明顯著縮小了空氣分離設(shè)備的整個“熱”部分。

在MAC/BAC方法和HAP方法中，空氣壓縮機通常由汽輪機來驅(qū)動。其中所使用的汽輪機通常是雙軸汽輪機，其被設(shè)置為分別通過其中一個軸同時驅(qū)動主空氣壓縮機和空氣增壓壓縮機(MAC/BAC方法中的MAC和BAC)。在MAC/BAC方法中，額外必須的典型的氮氣產(chǎn)品壓縮機本身需要電機形式的驅(qū)動。如上文所述，這產(chǎn)生額外成本。為此，HAP方法是特別有利的，因為這里可通過汽輪機的一個軸直接驅(qū)動產(chǎn)品壓縮機(省去空氣增壓壓縮機)。因此這種類型的設(shè)備對不需要電驅(qū)動的技術(shù)方案是特別有益的。

本發(fā)明還涉及空氣分離設(shè)備，所述空氣分離設(shè)備被設(shè)置為用于在蒸餾塔系統(tǒng)中在不同蒸餾壓力下蒸餾低溫分離進料空氣。該設(shè)備具有裝置，所述裝置被設(shè)置為將以總空氣量計的所有進料空氣壓縮至第一壓力水平，即高于最高蒸餾壓力至少4-5巴；并將來自總空氣量的第一部分空氣量首先冷卻至130-170K的溫度水平，并然后壓縮至第二壓力水平，即比第一壓力水平高至少10巴；以及將第二部分空氣量首先冷卻至110-150K的第二溫度水平并然后膨脹至第三壓力水平，即低于第一壓力水平。

本發(fā)明的設(shè)備的特征是，具有齒輪裝置的壓縮/膨脹設(shè)置，其中根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動輪與齒輪咬合，以及齒輪與被動輪咬合。兩個或更多個渦輪膨脹機的動葉片連接至驅(qū)動輪，以及兩個或更多個渦流壓縮機的動葉片連接至被動輪。還提供裝置，所述裝置被設(shè)置為進料第一部分空氣量，為了壓縮至第二壓力水平，使其依次通過渦輪壓縮機；以及進料第二部分空氣量，為了膨脹至第三壓力水平，使其平行通過渦輪膨脹機。有利的是，在本發(fā)明中，使用其中至少一個其它驅(qū)動輪和/或至少一個其它被動輪與齒輪咬合的設(shè)置。因此可簡單且靈活地將其它驅(qū)動單元或被動單元連接至相應(yīng)的壓縮/膨脹設(shè)置。

本發(fā)明對空氣分離設(shè)備是特別合適的，其中壓縮/膨脹設(shè)置包括兩個渦輪壓縮機和/或兩個渦輪膨脹機，所述渦輪壓縮機的動葉片在被動輪的任一側(cè)連接至與被動輪連接的第一軸上，所述渦輪膨脹機的動葉片在驅(qū)動輪的任一側(cè)連接至與驅(qū)動輪連接的第二軸上。因此，如上文所述，可降低不對稱負(fù)荷。如上所述，這里“任一側(cè)”的設(shè)置意指驅(qū)動輪或被動輪設(shè)置在驅(qū)動輪或被動輪任一側(cè)軸向延伸的軸上。相應(yīng)的渦輪壓縮機或渦輪膨脹機，或其動葉片可設(shè)置在兩側(cè)的每一側(cè)。

該空氣分離設(shè)備的特征和優(yōu)勢，尤其用于進行上文詳細(xì)描述的方法，參看上述說明。相應(yīng)的設(shè)備受益于所述方法的優(yōu)勢。

下面將結(jié)合示出本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。

附圖說明

圖1以流程圖的形式示出空氣分離設(shè)備，舉例說明本發(fā)明所針對的問題。

圖2以流程圖的形式示出了空氣分離設(shè)備，舉例說明本發(fā)明所針對的問題。

圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的壓縮/膨脹設(shè)置。

圖4示意性示出非本發(fā)明的壓縮/膨脹設(shè)置。

具體實施方式

在附圖中，為了清晰起見，相應(yīng)的元件具有相同的附圖標(biāo)記，將不再重新解釋。

圖1以流程圖的形式示出空氣分離設(shè)備，舉例說明本發(fā)明所針對的問題，整體以100標(biāo)記。

將進料空氣通過過濾器1進料至空氣分離設(shè)備100中并通過主空氣壓縮機2進行壓縮。這種情況下，將進料空氣在主空氣壓縮機2中壓縮至在文稱作“第一”壓力水平的壓力水平，所述壓力水平明顯高于空氣分離設(shè)備100的蒸餾塔系統(tǒng)10的最大操作壓力，如下文解釋。因此如上文所述，在空氣分離設(shè)備100中進行的方法是HAP方法。第一壓力水平為例如約14.5巴。將通過主空氣壓縮機2壓縮的流c中的空氣量稱作“總空氣量”。例如為約655,000Nm³/h。

將以這種方式提供的壓縮空氣流a在直接接觸冷卻器3中預(yù)冷，所述直接接觸冷卻器尤其是具有來自蒸發(fā)冷卻器4的冷卻水流b。直接接觸冷卻器3和蒸發(fā)冷卻器4的操作將不進一步描述。在直接接觸冷卻器3中冷卻后，將相應(yīng)冷卻的壓縮空氣流，現(xiàn)在標(biāo)記為c，進料至吸附器組5中，如實施例所示，該吸附器組5包括用合適的吸附材料填充且交替操作的兩個吸附器容器，其操作也不進一步描述。在蒸發(fā)冷卻器4和吸附器組5中，為了冷卻或再生，可使用例如流d，所述流d是從蒸餾塔系統(tǒng)10中作為所謂的不純氮提取出，并且適當(dāng)制備的。這種情況下，使用例如蒸汽加熱器6。

將已經(jīng)在吸附器組5中干燥的壓縮空氣流標(biāo)記為d。在所示實施例中，將其分成兩個部分流e和f。然后將部分流e又分成兩個部分流g和h并進料至主換熱器7的熱端。部分流g是上述的渦流，以及部分流h為處于較低壓力的(第二)節(jié)流。將部分流f在增壓器渦輪機8中進一步壓縮，在中間冷卻器(其沒有單獨標(biāo)出)中冷卻，又分成兩個部分流i和k，并進料至主換熱器7的熱端。部分流i為處于較高壓力的(第一)節(jié)流且被增壓，以及部分流k是為了提供制冷功率而待膨脹的流。

因此，所有的部分流e至k都分別包含流a、c和d的總空氣量的部分空氣量。例如流i中的部分空氣量為約102,000Nm³/h，在這里稱作“第一”部分空氣量，流g中的部分空氣量例如為約307,000Nm³/h，稱作總空氣量的“第二”部分空氣量。流h中總空氣量的部分空氣量為例如約55,000Nm³/h。該區(qū)分是任意的，并且還可以不同于特定實施例的不同順序來實施。

在每種情況下，從主換熱器7中在中間溫度水平下提取部分流g、i和k，其中在本文中將從主換熱器7提取部分流i的中間溫度水平稱作“第一”溫度水平，將從主換熱器7提取部分流g的中間溫度水平稱作“第二”溫度水平。從主換熱器7的冷端提取部分流h。

圖1示出的空氣分離設(shè)備用于以約135,000Nm³/h的速度提供處于高壓力水平，例如約57巴的內(nèi)壓縮氧氣。為此，從蒸餾塔系統(tǒng)10中提取的液態(tài)富氧流l通過泵9加壓，并在主換熱器7中在上述壓力下從液態(tài)轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)。

由于在主換熱器7中是在相對高的壓力下流l的內(nèi)壓縮氧被轉(zhuǎn)化成超臨界態(tài)或被蒸發(fā)，因此需要處于高壓的傳熱介質(zhì)。在這種情況下該傳熱介質(zhì)由部分流i形成，為此所述部分流i必須被進一步壓縮。

要理解的是圖1中為此目的以及為了同時膨脹部分流g所使用的增壓器渦輪機10由于在這種增壓器中可實現(xiàn)的壓力比的上述限制，僅在理論上可以使用，目前不能在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)。同時，預(yù)期驅(qū)動渦輪膨脹機目前也不能在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)。

從處于第一中間溫度水平的主換熱器7提取后，部分流i必須通過增壓器渦輪機101從在增壓器渦輪機8中所實現(xiàn)的壓力水平，例如約17巴壓縮至例如約57巴的壓力水平。這里將相應(yīng)的壓力水平稱作“第二”壓力水平。在所示實施例中，將部分流i進料至處于中間溫度水平的主換熱器7中，并在其冷端提取。在所示實施例中，將部分流h和i在主換熱器7的下游膨脹至較低壓力水平，例如蒸餾塔設(shè)置10的壓力塔的壓力水平，約5.2巴。為此，可使用例如圖1所示的閥門或所謂的重液膨脹機(但沒有單獨標(biāo)出)。將部分流g和k膨脹至該壓力水平還可分別在增壓器渦輪機8或101的膨脹渦輪機中進行。

將部分流g和k進料至上文已經(jīng)提及很多次的蒸餾塔系統(tǒng)10中，所述蒸餾塔系統(tǒng)這里以圖解形式縮小規(guī)模示出，其通常包括在不同操作壓力下運行的多個蒸餾塔。所示實施例顯示高壓塔11與低壓塔12，它們相連接使得它們通過主冷凝器13交換熱。高壓塔11例如在膨脹流g至k的壓力水平下運行。將流g至k通常進料至高壓塔11，然而還可將它們部分地進料至低壓塔12中。高壓塔11和低壓塔12的連接沒有詳細(xì)示出，額外的塔、閥門、泵、換熱器等也沒有詳細(xì)示出。

蒸餾塔系統(tǒng)10可包括任意數(shù)量的相應(yīng)的塔并可用于制備各種空氣產(chǎn)品。除了已經(jīng)提及的用于提供內(nèi)壓縮氧(GOX IC)的液態(tài)富氧流I之外，例如還可從蒸餾塔系統(tǒng)10提取富氮的液體流m，所述液體流m也可通過泵(沒有標(biāo)記)加壓并在主換熱器7中轉(zhuǎn)化成氣態(tài)或超臨界態(tài)。例如可從蒸餾塔系統(tǒng)10中從高壓塔11提取氣態(tài)形式的其它富氮流n和o，在主換熱器7中加熱并用作用于泵的氣態(tài)氮產(chǎn)品(GAN)或密封氣體。還可將流d部分放至大氣。

圖2以流程圖的形式示出了空氣分離設(shè)備，舉例說明本發(fā)明所基于的問題，該空氣分離設(shè)備整體標(biāo)記為200。

圖2示出空氣分離設(shè)備200，順便提一下，其對應(yīng)圖1示出的空氣分離設(shè)備100，用于說明即使使用串聯(lián)增壓器或平行渦輪膨脹機，其本身也不會解決上述問題，或在技術(shù)上是不可能的。

根據(jù)圖2，將部分流i在兩個增壓器渦輪機201和202的增壓器中經(jīng)例如約31巴的中間壓力水平壓縮至約57巴的第二壓力水平(如上文定義)。圖2沒有示出的是可將部分流i從增壓器渦輪機201的增壓機排出后并在進入增壓器渦輪機202的增壓機之前，例如在主換熱器7中冷卻，使得其在進入增壓器渦輪機201和202的增壓機時的入口溫度相同或相近。因此，將部分流g分成兩個部分流并在用于增壓器渦輪機201和202的渦輪膨脹機中膨脹。這種情況下，每個渦輪膨脹機只需處理流g的“第二”部分流量的一半，因此在所示實施例中每個為例如約153,000Nm³/h。即使如此，通過增壓器渦輪機202的增壓機的體積流量對于通過相應(yīng)渦輪膨脹機的體積流量而言仍然太小，因此比旋轉(zhuǎn)速度太不同，使得該技術(shù)方案也是不可能的。

圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的壓縮/膨脹設(shè)置，其整體標(biāo)記為30。該壓縮/膨脹設(shè)置20可固定到根據(jù)圖1和圖2的空氣分離設(shè)備100或200中，而不是增壓器渦輪機101或增壓器渦輪機201和202中。這種固定由相應(yīng)指定的部分流g和i造成。它們分別是主換熱器7下游的流g和i。

將總空氣量的指定第一部分空氣量，例如在約17巴的壓力水平下約102,000Nm³/h，以部分流i的形式進料，依次通過兩個渦輪壓縮機31和32，并因此壓縮至所定義的第二壓力水平，例如約57巴。這種情況下，渦輪壓縮機31和32之間的部分流i的壓力為例如約31巴?？蓪u輪壓縮機31和32之間的流i在主換熱器7中或以其它方式冷卻。將總空氣量的第二部分空氣量，例如在約14.5巴的壓力水平下約307,000Nm³/h以部分流g的形式分成兩個部分流并在兩個渦輪膨脹機33和34中平行膨脹至例如約5.2巴。

渦輪壓縮機31和32以及渦輪膨脹機33和34分別通過閥門35和36彼此連接。被動輪37連接至渦輪壓縮機31和32的軸35，以及驅(qū)動輪38連接至渦輪膨脹機33和34的軸36。齒輪39與被動輪37和驅(qū)動輪38咬合。

通過使流g的部分流在脹渦輪膨脹機33和34中平行膨脹，向軸36賦予的轉(zhuǎn)矩可通過驅(qū)動輪38傳遞給齒輪39，并因此通過被動輪37進入軸35。在合適的選擇驅(qū)動輪38、齒輪39和被動輪37的齒數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)下，如上文所述，可確保一方面渦輪膨脹機31和32中以及另一方面渦輪壓縮機33和34中非常不同的體積流量可得到克服。

圖4示意性示出非本發(fā)明的壓縮/膨脹設(shè)置，將其整體標(biāo)記為40。壓縮/膨脹設(shè)置40也可固定在根據(jù)圖1和2的空氣分離設(shè)備100或200中，而不是增壓器渦輪機101或增壓器渦輪機201和202中。其中，這種固定也是由相應(yīng)指定的部分流g和i造成。它們分別是主換熱器7下游的流g和i。

結(jié)合圖3的壓縮/膨脹設(shè)置已經(jīng)解釋了壓縮/膨脹設(shè)置40的元件，它們使用相同的標(biāo)記。然而，與圖3示出的壓縮/膨脹設(shè)置30相對比，圖4的壓縮/膨脹設(shè)置40只有一個渦輪膨脹機33。這降低了待提供元件數(shù)量，但是推測相應(yīng)渦輪膨脹機33具有所需尺寸并在所產(chǎn)生機械負(fù)荷的背景下，具有技術(shù)可行性。