空氣壓縮系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于空氣分離裝備(plant)的空氣壓縮系統(tǒng)及方法，在該空氣分 離裝備中，變溫吸附單元（temperatureswingadsorptionunit)位于一系列壓縮級(jí)的中 間位置上，使得吸附在4(K)psia至化OOpsia之間的范圍內(nèi)的壓力下進(jìn)行，W降低否則將在此 范圍外的壓力下招致（incur)的成本。
【背景技術(shù)】
[0002] 在低溫空氣分離裝備中，空氣被壓縮、凈化去掉較高沸點(diǎn)的污染物(諸如水蒸氣和 二氧化碳)并且然后冷卻到適合于空氣的低溫蒸饋的溫度?？諝馊缓蟮湫偷卦陔p塔空氣分 離單元內(nèi)精饋，該雙塔空氣分離單元具有較高壓力塔(column),W產(chǎn)生富氮蒸氣塔頂產(chǎn)物 (overhead)和粗液氧塔底產(chǎn)物(bottoms)(也已知為蓋液）。粗液氧塔底產(chǎn)物在較低壓力塔 中進(jìn)一步精煉，W產(chǎn)生富氧液體塔底產(chǎn)物和另一富氮塔頂產(chǎn)物。使用較低壓力塔的富氧液 體塔底產(chǎn)物來冷凝在較高壓力塔中產(chǎn)生的富氮蒸氣，并且一般地，使用所得的富氮液體來 回流兩個(gè)塔。富氧液體塔底產(chǎn)物由于富氮蒸氣的冷凝而部分地氣化，W提供較低壓力塔中 的沸騰(boilup)。來自此裝備的產(chǎn)物可為氮和氧的蒸氣和液體產(chǎn)物。此外，如果氣產(chǎn)物是期 望的，則氣塔可附接到較低壓力塔上，W精煉氣產(chǎn)物。
[0003] 如上文所述，在將空氣冷卻至適合于進(jìn)行蒸饋的低溫溫度之前，空氣必須凈化去 掉較高沸點(diǎn)的污染物，例如，水蒸氣和二氧化碳。運(yùn)些組分中的任一者均可在空氣的冷卻期 間凝固，并且累積在出于此類目的而使用的主熱交換器的熱交換通路內(nèi)。水蒸氣和二氧化 碳因此由吸附過程和系統(tǒng)來除去，吸附過程和系統(tǒng)利用了在異相循環(huán)中操作的吸附劑的床 來吸附此類污染物。當(dāng)一個(gè)吸附劑床正在吸附雜質(zhì)時(shí)，另一個(gè)床再生(regenerate)。在空氣 分離裝備中，吸附單元提供為根據(jù)變溫吸附周期來操作。在變溫吸附循環(huán)中，吸附劑床通過 使用熱的氣體(典型地，由空氣分離裝備產(chǎn)生的廢氮)來再生。
[0004] US5,846,295中描述了變溫吸附周期的示例，其在凈化空氣分離裝備中的空氣中 是有用的。在該專利中，空氣在主空氣壓縮機(jī)6中壓縮至可為從28psia到25化Sia中的任一 處的壓力?？諝庠跓峤粨Q器8和10中冷卻?？諝獾睦鋮s將使空氣的水蒸氣含量中的一些冷 凝。然后，壓縮空氣供應(yīng)至入口歧管12,取決于哪個(gè)容器(vessel)聯(lián)線(online)W及哪個(gè) 正在再生，該壓縮空氣從該入口歧管12處給送至兩個(gè)吸附劑容器2或4中的一個(gè)。凈化空氣 從出口供應(yīng)至容納了蒸饋塔的空氣分離裝備的冷箱。吸附劑容器2和4包含將吸附水蒸氣和 二氧化碳的氧化侶吸附劑。一旦吸附劑容器裝滿此類雜質(zhì)，則允許累積在吸附劑床內(nèi)的高 壓氣體在減壓或放空(blowdown)步驟中排出，并且來自冷箱的干的富氮廢氣隨后被引入 熱交換器66中，在該熱交換器66中，干的富氮廢氣被加溫并供應(yīng)至待再生的吸附劑床。由于 熱的干的富氮廢氣對(duì)吸附劑進(jìn)行加熱，雜質(zhì)將從吸附劑脫附(desorb)。一旦床已再生，則其 W由主空氣壓縮機(jī)6產(chǎn)生的壓縮氣體的一部分再加壓，并且?guī)Щ氐铰?lián)線中。聯(lián)線的吸附劑床 然后如上文所述那樣再生。
[0005] 如可領(lǐng)會(huì)的那樣，在空氣分離裝備的制造和操作中，期望的是使可在裝備的壽命 內(nèi)資本化的制造成本和通過電功率使用招致的進(jìn)行中（ongoing)運(yùn)行成本兩者均降低。諸 如上文已描述的那樣，通過在常規(guī)壓力下操作變溫吸附單元，制造和操作成本至少在一定 程度上比在較高壓力下操作變溫吸附單元降低。在此方面，一種成本來自于制成容納吸附 劑的容器的材料。與吸附在較高壓力下進(jìn)行的情況相比，較低的操作壓力將允許吸附劑容 器具有較薄的側(cè)壁。因此，至此程度，在設(shè)計(jì)來在較低壓力下操作時(shí)，吸附劑床的制造成本 降低。如上文所述，成本還由通過電功率消耗招致的進(jìn)行中操作成本引起。因?yàn)槲絼┐驳?減壓代表了高壓力空氣的損失，而該高壓力空氣具有與排出的空氣的壓縮相關(guān)的特定動(dòng)力 成本，故在吸附劑床再生期間進(jìn)行的減壓或放空步驟也代表了成本。在較低壓力下在對(duì)空 氣進(jìn)行壓縮而招致的動(dòng)力成本小于在將空氣壓縮至較高壓力中設(shè)及的成本。因此，通過在 較低壓力下操作變溫吸附過程，使在吸對(duì)附劑床進(jìn)行減壓中設(shè)及的成本小于否則在較高壓 力下將招致的成本。
[0006] 如將進(jìn)一步論述的那樣，在其它優(yōu)點(diǎn)之中，本發(fā)明提供了一種用于空氣分離裝備 的壓縮系統(tǒng)，該空氣分離裝備具有位于壓縮系統(tǒng)的位置內(nèi)的變溫吸附單元，W允許吸附在 高于由現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)想的壓力（即，在4(K)psia至化OOpsia之間）下進(jìn)行，并且?guī)砹酥圃斐杀?和進(jìn)行中操作成本兩者上的降低，優(yōu)于其中變溫吸附單元在較低壓力下操作的壓縮系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種用于空氣分離裝備的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)。該壓縮系統(tǒng)具有一系 列壓縮級(jí)，W壓縮空氣，一系列壓縮級(jí)設(shè)有壓縮機(jī)和壓縮機(jī)之間的中間冷卻，W冷卻空氣并 除去水蒸氣。提供了變溫吸附單元來吸附水蒸氣和二氧化碳，變溫吸附單元包括具有由分 子篩形成的至少一種(one)吸附劑的吸附床。變溫吸附單元位于壓縮級(jí)的中間位置上，使得 在進(jìn)入吸附劑床中時(shí)，空氣壓力為大約4(K)psia到大約6(K)psia之間，并且水蒸氣已通過空 氣的級(jí)間冷卻或后冷卻而從空氣除去至25化pmv到50化pmv之間的水平。各個(gè)吸附劑床尺寸 確定為包含一定體積至少一種吸附劑，其足W使水蒸氣和二氧化碳降低至預(yù)定水平，并且 具有將把空氣的空氣速度設(shè)為低于將發(fā)生吸附劑床流化的水平的最小橫截面流動(dòng)區(qū)域。
[0008] 如在下文中將進(jìn)一步詳細(xì)論述的那樣，在現(xiàn)有技術(shù)中未曾領(lǐng)會(huì)到的是成本（即，由 功率消耗和床制造所引起的那些成本)并非必定隨著壓力而增大。例如，盡管較高的操作壓 力將由于吸附劑床在較高壓力下放空或減壓而導(dǎo)致增大的功率消耗，但由于壓力下降的功 率消耗將為較少的。其原因在于，盡管床內(nèi)的壓力下降將隨著壓力而增大，但壓力下降代表 了較高壓力下的壓力的較小部分，并且因此，由于壓力下降的動(dòng)力成本減少。如將論述的那 樣，在40化Sia到eOOpsia之間，此類成本平衡和功率消耗是最低的。此外，將需要較少的吸 附劑來將雜質(zhì)吸附至用于待在冷箱中進(jìn)行的低溫蒸饋的足夠低的水平。其原因在于，在較 高壓力下，壓縮機(jī)之間的不變的級(jí)間冷卻將引起更多水在變溫吸附之前從空氣流除去。此 夕h將需要較少的分子篩吸附劑來用于吸附二氧化碳，運(yùn)在較高壓力下是有利的。僅有的將 增大的成本因素是在由在較高壓力下所需的壁厚上的增大所引起的吸附劑容器成本。然 而，運(yùn)也可通過設(shè)計(jì)帶有避免床流化所需的最小橫截面流動(dòng)面積并且因此帶有較小的容器 直徑的床來平衡。
[0009] 至少一種吸附劑可為包含在各個(gè)吸附劑床內(nèi)的兩層中的氧化侶吸附劑和分子篩 吸附劑。壓縮級(jí)可具有高速永磁電機(jī)來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。一系列壓縮級(jí)可包括壓縮級(jí)的初始系 列和與該壓縮級(jí)的初始系列成流動(dòng)連通的兩個(gè)增壓器壓縮級(jí)，W產(chǎn)生用于加熱由空氣分離 裝備產(chǎn)生的加壓流的第一增壓(boosted)空氣流，W及用于在滿輪膨脹器內(nèi)膨脹來向空氣 分離裝備提供制冷的第二增壓空氣流。變溫吸附單元位于一系列壓縮級(jí)與兩個(gè)增壓器壓縮 級(jí)之間。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種壓縮用于空氣分離裝備的空氣的方法。根據(jù)此方法，空氣在 一系列壓縮級(jí)中壓縮。水蒸氣和二氧化碳在位于壓縮級(jí)的中間位置