使用补充制冷循环的分离空气方法及系统技术方案

提供了一种使用补充制冷循环分离空气的系统及方法。空气分离设备所需的制冷的一部分经由补充制冷回路供应以产生液体产物流，该补充制冷回路构造成将涡轮膨胀器产生的冷却的制冷剂引导经过空气分离设备的主换热器。制冷能力通过除去或添加在补充制冷回路中的制冷剂的一部分以调整入口压力，同时保持大致恒定的体积流量和跨越压缩机的大致恒定的压力比来控制。从补充制冷回路除去制冷剂减少了由补充制冷回路给予的制冷，且因此减少了液体产物流的产量。添加制冷剂允许增加由补充制冷回路给予的制冷，且因此允许液体产物流的产量增加。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过使用补充制冷循环来用于涉及产生液体产物流的空气分离的方法及系统。更具体而言，本专利技术涉及一种补充制冷循环，其以大致恒定的体积流量(volumetric flow rate)循环制冷剂或工作流体，且还通过对补充制冷回路除去或添加工作流体或制冷剂来保持跨越压缩机区段的压力比大致恒定，以调整空气分离设备中的液体产物生产。
技术介绍
氧经由低温精馏来从含氧进料如空气中分离。为了操作低温精馏设备，必须提供制冷来补偿环境热泄漏、热端热交换损失，且允许液体产物的提取或产生，包括液氧、液氮或液氩。虽然用于低温精馏设备的主要制冷源通常通过进料空气流或废物流的膨胀部分供应以产生冷流，冷流然后引入主换热器或蒸馏塔中，但是外部制冷也可由引入主换热器中的其它制冷剂流来给予，包括如大体上在美国专利第8,397,535号中所述的来自闭环补充制冷循环的制冷剂流。用于空气分离设备中的现有的补充制冷循环的局限性或缺陷之一在于此补充制冷回路中的离心压缩机和涡轮膨胀器大体上以开启或关闭模式操作。换言之，离心压缩机和涡轮膨胀器要么操作以产生补充的制冷和附加的液体产物生产，要么停机，从而不产生补充的制冷和前述的任何附加液体产物生产。离心压缩机和涡轮膨胀器在操作模式与停机模式之间持续循环不利地影响了补充制冷循环的总体效率和可靠性。通过调整压缩机入口导叶可实现现有补充制冷回路中的小范围的调整。然而，必须小心调整，由于至压缩机的太少或太多的流动，这会将压缩机带入喘振状态或滞止(stonewall)状态。结果，现存或现有技术的补充制冷回路大体上在固定或接近固定的操作点下操作。这样不能在较宽操作范围内调制补充制冷的水平实际上限制了设备操作者精确地控制由空气分离设备在任何给定时间下产生的液体产物量。因此，所需的是适用于空气分离设备的补充制冷回路或系统，其便于调制较宽操作范围内产生的补充制冷的水平，且因此允许更精确地控制由空气分离设备在任何给定时刻产生的液体产物量。
技术实现思路
本专利技术可特征化为分离空气的方法，包括：(a)在空气分离设备中进行低温精馏工艺，该空气分离设备包括将压缩和净化的进料空气流冷却至适用于精馏的温度的主换热器，以及构造成精馏压缩、净化和冷却的空气来产生至少一个液体产物流的蒸馏塔系统；经由构造成将冷却的工作流体引导经过主换热器的补充制冷回路，提供空气分离设备所需的制冷的一部分，以产生至少一个液体产物流；(c)加热主换热器中的冷却的工作流体，以给予空气分离设备所需的部分的制冷；(d)将加热的工作流体再循环至补充制冷回路的压缩机区段；以及(e)在补充制冷回路中除去或加入工作流体的一部分。从补充制冷回路除去工作流体或将工作流体加至补充制冷回路受控制，已调整与期望水平的液体产物产量相当的入口压力，同时工作流体以大致恒定的体积流量循环，且跨越压缩机区段的压力比保持大致恒定。从涡轮膨胀器区段上游的补充制冷回路除去工作流体减小了由补充制冷回路给予主换热器和空气分离设备的制冷，且因此减少了液体产物流的产量。相反，将工作流体加入压缩机区段上游的补充制冷回路增加了由补充制冷回路给予的制冷，且因此允许了增加的液体产物流的产量。本专利技术还可特征化为一种构造成产生液体产物流的空气分离设备，所述空气分离设备包括：(i)构造成压缩和净化进入的进料空气流的空气进入回路；(ii)构造成通过低温精馏工艺精馏压缩和净化的进料空气流来产生液体产物流的蒸馏塔系统；(iii)与压缩和净化的进料空气流和蒸馏塔系统操作关联且构造成将压缩和净化的进料空气流冷却至适用于精馏的温度的主换热器；(iv)补充制冷回路，其联接到主换热器上，且包括可压缩的工作流体、构造成压缩工作流体的压缩机区段，以及构造成膨胀工作流体来生成用于向主换热器和空气分离设备提供补充制冷的冷却的工作流体的涡轮膨胀器区段。冷却的工作流体在主换热器中加热，以便给予空气分离设备所需的那部分的制冷来产生液体产物流。然后，在经过主换热器之后，加热的工作流体再循环至补充制冷回路的压缩机区段。本专利技术还包括排放系统和工作流体源，所述排放系统设置在涡轮膨胀器区段的上游，且构造成从补充制冷回路除去工作流体的一部分，所述工作流体源经由压缩机区段上游的一个或多个控制阀联接，且构造成将工作流体添加至补充制冷回路。控制器可操作地连接到排放系统和控制阀上，且构造成或适于控制工作流体的除去或添加，以调整入口压力，同时保持穿过补充制冷回路的压缩机区段和涡轮膨胀器区段的工作流体的大致恒定的体积流量，以及跨越压缩机区段的大致恒定的压力比。如上文指出那样，除去工作流体的一部分减少了由补充制冷回路给予的制冷，且因此减少了液体产物流的产量，而将工作流体添加至补充制冷回路增加了由补充制冷回路给予的制冷，且因此增加了液体产物流的产量。存在与对补充制冷回路除去工作流体或加入工作流体相关联的许多附加特征、功能和可选的元件或步骤。例如，工作流体的除去可通过排放涡轮膨胀器区段上游的补充制冷回路中的工作流体的一部分来保持补充制冷回路中的工作流体处于或低于规定的最高压力来实现。类似地，可能有用的是排放补充制冷回路的涡轮膨胀器区段下游的工作流体的一部分来保持补充制冷回路中的工作流体处于或低于规定的最高压力，且保持引导至主换热器的冷却的工作流体处于或低于规定的最高温度。作为优选，将工作流体加入补充制冷回路可通过向补充制冷回路填充由压缩和净化的进料空气流供应的工作流体来实现，且此后，调制压缩和净化的进料空气流至补充制冷回路的供应来调整压缩机区段的入口压力。作为备选，将工作流体加入补充制冷回路可通过将补充的(make-up)工作流体流加入压缩机区段上游的补充制冷回路来实现，以将压缩机区段的入口压力保持处于或高于规定的最低压力。可选使用与保持工作流体的大致恒定的体积流量和/或保持跨越补充制冷回路的压缩机区段的大致恒定压力比相关联的其它特征、元件、技术和步骤。例如，调整压缩机区段中的压缩机导叶可用于保持跨越压缩机区段的大致恒定的压力比。而且，调整补充制冷回路的涡轮膨胀器区段中的涡轮喷嘴布置可用于保持大致恒定的体积流量。简言之，上文提到的特征、元件、技术和步骤是可操作地控制空气分离设备所需的附加制冷量来产生液体产物流的优选实例。控制工作流体的除去、工作流体的添加、调整压缩机导叶和调整涡轮喷嘴优选通过控制器或其它控制器件来实现，以保持跨越压缩机的大致恒定的压力比，以及补充制冷回路中的大致恒定的体积流量。附图说明尽管本专利技术以清楚指出申请人认作是其专利技术的主题的权利要求作为结束，但相信本专利技术在结合附图(图1)时将更好理解，所述附图为其中有根据本专利技术的补充制冷循环的低温精馏设备的示意性工艺流程图。具体实施方式参看图1，示出了低温空气分离设备1，其与设计成增加来自空气分离设备1的液体产物的产量的补充制冷回路或系统2整体结合。这种整体结合通过使用换热器3来实现，换热器3设有允许泵送的液氧的支流达到超过泵送液氧的露点或临界温度的温度的层(layer)，且然后组合这样的支流来自由离开层的区域，以加热闭环制冷循环中产生的制冷剂流。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分离空气的方法，包括以下步骤：在空气分离设备中进行低温精馏工艺，所述空气分离设备包括将压缩和净化的进料空气流冷却至适用于所述进料空气流精馏的温度的主换热器，以及构造成精馏压缩、净化和冷却的空气来产生至少一个液体产物流的蒸馏塔系统；经由补充制冷回路提供所述空气分离设备所需的制冷的一部分来产生所述至少一个液体产物流，所述补充制冷回路包括工作流体；构造成压缩所述工作流体的压缩机区段；以及构造成使所述工作流体膨胀来生成冷却的工作流体的涡轮膨胀器区段，所述补充制冷回路构造成引导所述冷却的工作流体经过所述主换热器；在所述主换热器中加热所述冷却的工作流体来给予所述空气分离设备所需的部分的制冷；在经过所述主换热器之后，将所述工作流体再循环至所述补充制冷回路的压缩机区段；以及除去所述涡轮膨胀器区段上游的补充制冷回路中的工作流体的一部分，从而减小由所述补充制冷回路给予的制冷，以及至少一个液体产物流的产量;或将工作流体加入所述压缩机区段上游的补充制冷回路，从而增加由所述补充制冷回路给予的制冷，以及所述至少一个液体产物流的产量；其中进行从所述补充制冷回路除去所述工作流体或将所述工作流体加入所述补充制冷回路，使得所述补充制冷回路内的入口压力调整为与所述液体产物流的期望产量相当，同时所述工作流体在大致恒定的体积流量下循环，且跨越所述压缩机区段的压力比保持大致恒定。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.14 US 13/8031951.一种分离空气的方法，包括以下步骤：
在空气分离设备中进行低温精馏工艺，所述空气分离设备包括将压缩和净化的进料空气流冷却至适用于所述进料空气流精馏的温度的主换热器，以及构造成精馏压缩、净化和冷却的空气来产生至少一个液体产物流的蒸馏塔系统；
经由补充制冷回路提供所述空气分离设备所需的制冷的一部分来产生所述至少一个液体产物流，所述补充制冷回路包括工作流体；构造成压缩所述工作流体的压缩机区段；以及构造成使所述工作流体膨胀来生成冷却的工作流体的涡轮膨胀器区段，所述补充制冷回路构造成引导所述冷却的工作流体经过所述主换热器；
在所述主换热器中加热所述冷却的工作流体来给予所述空气分离设备所需的部分的制冷；
在经过所述主换热器之后，将所述工作流体再循环至所述补充制冷回路的压缩机区段；以及
除去所述涡轮膨胀器区段上游的补充制冷回路中的工作流体的一部分，从而减小由所述补充制冷回路给予的制冷，以及至少一个液体产物流的产量;或将工作流体加入所述压缩机区段上游的补充制冷回路，从而增加由所述补充制冷回路给予的制冷，以及所述至少一个液体产物流的产量；
其中进行从所述补充制冷回路除去所述工作流体或将所述工作流体加入所述补充制冷回路，使得所述补充制冷回路内的入口压力调整为与所述液体产物流的期望产量相当，同时所述工作流体在大致恒定的体积流量下循环，且跨越所述压缩机区段的压力比保持大致恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除去所述涡轮膨胀器区段上游的补充制冷回路中的工作流体的一部分的步骤还包括排放所述工作流体的一部分来将所述补充制冷回路中的工作流体保持为处于或低于规定的最高压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：排放所述补充制冷回路的涡轮膨胀器区段下游的所述工作流体的一部分来将所述补充制冷回路中的工作流体保持为处于或低于规定的最高压力且保持引导至所述主换热器的冷却的工作流体处于或低于规定的最高温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将工作流体加至所述压缩机区段上游的所述补充制冷回路的步骤还包括将补充的工作流体流加至所述补充制冷回路来保持所述压缩机区段的入口压力处于或高于规定的最低压力。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补充制冷回路中的工作流体从所述压缩和净化的空气供应，且将工作流体加入所述压缩机区段上游的补充制冷回路的步骤还包括调制填充到所述补充制冷回路的工作流体的供应来调整所述压缩机区段的入口压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：调整所述压缩机区段中的压缩机导叶来保持跨越所述压缩机区段的大致恒定的压力比。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括调整所述涡轮膨胀器区段中的涡轮喷嘴来保持所述补充制冷回路中的大致恒定的体积流量的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：通过控制器控制所述工作流体的除去、所述工作流体的加入、压缩机导叶的调整，以及涡轮喷嘴的调整来可操作地控制所述空气分离设备所需的补充制冷量来产生所述至少一个液体产物流，以保持跨越所述压缩机区段的大致恒定的压力比，以及所述补充制冷回路中的大致恒定的体积流量。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述低温精馏工艺的步骤还包括以下步骤：

【专利技术属性】
技术研发人员：JJ劳赫，AM瓦塔，H吴，DR帕斯尼克，SJ多德，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US