低温分离空气的方法和设备
阅读：682发布：2020-05-11
专利汇可以提供低温分离空气的方法和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种用于在空气分离设备的蒸馏塔系统(10)中在不同蒸馏压 力 蒸馏低温分离进料空气的方法，其具有独立 权利要求 1的特征。本发明还涉及相应的空气分离设备(100，200)。，下面是低温分离空气的方法和设备专利的具体信息内容。
1.用于在空气分离设备的蒸馏塔系统(10)中在不同蒸馏压力下蒸馏低温分离进料空气的方法，其中将以总空气量计的所有进料空气压缩至第一压力水平，所述第一压力水平高于最高蒸馏压力至少4-5巴，并将来自总空气量的
-第一部分空气量首先冷却至130-170K的第一温度水平，并然后压缩至第二压力水平，所述第二压力水平高于所述第一压力水平至少10巴，和
-第二部分空气量首先冷却至110-150K的第二温度水平，并然后膨胀至第三压力水平，所述第三压力水平低于所述第一压力水平，其中
-使用具有齿轮装置的压缩/膨胀设置(30，40)，其中驱动轮(38)与齿轮(39)咬合，并且齿轮(39)与被动轮(37)咬合，其中
-两个或更多个涡轮膨胀机(33，34)的动叶片连接至驱动轮(38)，以及两个或更多个涡轮压缩机(31，32)的动叶片连接至被动轮(37)，这两种情况都是以旋转方式固定，以及-进料所述第一部分空气量，为了压缩至所述第二压力水平，使其依次通过涡轮压缩机(31，32)，以及进料所述第二部分空气量，为了膨胀至所述第三压力水平，使其平行通过涡轮膨胀机(33，34)。
2.权利要求1所述的方法，其中通过驱动轮(38)向齿轮(39)传递的转矩大于或等于通过所述齿轮向被动轮(37)传递的转矩。
3.权利要求1或2所述的方法，其中作为涡轮压缩机(31，32)，使用其动叶片在被动轮(37)的任一侧分别连接至与被动轮(37)连接的第一轴(35)上的两个涡轮压缩机(31，32)。
4.前述权利要求之一所述的方法，其中所述第一压力水平为10-17巴，尤其是13-16巴，和/或其中所述第二压力水平为40-70巴，尤其是50-60巴。
5.前述权利要求之一所述的方法，其中所述第三压力水平与蒸馏塔设置(10)中的最高蒸馏压力偏离不超过1巴。
6.前述权利要求之一所述的方法，其中所述第一部分空气量的标准体积流量为所述第二部分空气量的标准体积流量的0.2-0.5倍，和/或其中所述第一部分空气量和第二部分空气量的总标准体积流量为总空气量的标准体积流量的0.4-0.6倍。
7.前述权利要求之一所述的方法，其中在冷却至所述第二温度水平之前，将所述第二部分空气量从所述第一压力水平压缩至低于所述第二压力水平的中间压力水平。
8.前述权利要求之一所述的方法，其中从所述蒸馏塔系统中提取液态富氧空气产品，在液体形式下加压，然后通过加热使其从液态转化成超临界态或气态。
9.权利要求8所述的方法，其中所述液态富氧空气产品在液体形式下被加压至第一压力水平。
10.用于在蒸馏塔系统(10)中在不同蒸馏压力下蒸馏低温分离进料空气的空气分离设备(100，200)，其中提供装置，所述装置被设置为将以总空气量计的所有进料空气压缩至第一压力水平，所述第一压力水平高于最高蒸馏压力至少5巴，并将来自总空气量的-第一部分空气量首先冷却至130-170K的第一温度水平，并然后压缩至第二压力水平，所述第二压力水平高于所述第一压力水平至少10巴，和
-第二部分空气量首先冷却至110-150K的第二温度水平，并然后膨胀至第三压力水平，所述第三压力水平低于所述第一压力水平，其中
-使用具有齿轮装置的压缩/膨胀设置(30，40)，其中驱动轮(38)与齿轮(39)咬合，并且齿轮(39)与被动轮(37)咬合，其中
-两个或更多个涡轮膨胀机(33，34)的动叶片连接至驱动轮(38)，以及两个或更多个涡轮压缩机(31，32)的动叶片连接至被动轮(37)，这两种情况都是以旋转方式固定，以及-提供装置，所述装置被设置为进料所述第一部分空气量，为了压缩至所述第二压力水平，使其依次通过涡轮压缩机(31，32)，以及进料所述第二部分空气量，为了膨胀至所述第三压力水平，使其平行通过涡轮膨胀机(33，34)。
11.权利要求10所述的空气分离设备(100，200)，其中至少一个其它驱动轮和/或至少一个其它被动轮与齿轮(39)咬合。
12.权利要求10或11所述的空气分离设备(100，200)，其中提供两个涡轮压缩机(31，
32)，所述涡轮压缩机的动叶片在被动轮(37)的任一侧分别连接至与被动轮(37)连接的第一轴(35)上。
13.权利要求10-12之一所述的空气分离设备(100，200)，其中提供两个涡轮膨胀机(33，34)，所述涡轮膨胀机的动叶片在驱动轮(38)的任一侧分别连接至与驱动轮(38)连接的第二轴(36)上。
14.权利要求10-13之一所述的空气分离设备(100，200)，所述空气分离设备用于实施权利要求1-9之一所述的方法。
低温分离空气的方法和设备
技术领域
背景技术
[0002] 通过在空气分离设备中进行空气的低温分离得到液体形式或气体形式的空气产品是已知的，这在例如H.-W. Industrial Gases Processing,Wiley-VCH,2006，尤其是第2.2.5部分，“Cryogenic Rectification”中有描述。本发明特别适合使用内压缩的空气分离设备，如上述文件的第2.2.5.2部分“内压缩”所述。
[0003] 空气分离设备的蒸馏塔系统例如可以采用双塔系统，尤其是传统的Linde双塔系统，以及三塔系统或多塔系统。除了用于制备液体形式和/或气体形式的氮和/或氧(例如液体氧LOX、气态氧GOX、液体氮LIN和/或气态氮GAN)的蒸馏塔，即用于氮-氧分离的蒸馏塔之外，还可提供用于制备其它空气组分，尤其是惰性气体氪气、氙气和/或氩气的蒸馏塔。
[0004] 空气分离设备的蒸馏塔系统在其蒸馏塔的各种操作压力下运行。已知双塔系统具有例如所谓的(高)压塔和所谓的低压塔。高压塔的操作压力为例如4.3-6.9巴，尤其是约5.5巴。低压塔在例如1.2-1.7巴，尤其是约1.4巴的操作压力下运行。这里的压力表示对应蒸馏塔底部的绝对压力。该指定的压力在下文也称作“蒸馏压力”，因为在每种情况下是在这些压力下在蒸馏塔内进行进料空气的分馏。这并不排除在蒸馏塔系统中的其它点存在其它压力的可能性。
[0005] 将已经通过各种压缩机或各种压缩机的组合(例如主空气压缩机和空气增压压缩机)加压的冷却压缩空气(进料空气)进料至蒸馏塔系统中。在相应空气分离设备中获得的产品还可用压缩机(产品压缩机)或相应压缩机的组合进行加压。
[0006] 空气分离设备的操作成本(OPEX)基本上由能耗来决定，而所述能耗取决于压缩机的能耗(主空气压缩机、空气增压压缩机以及如果有，产品压缩机)。投资成本(CAPEX)也基本上由提供压缩机所负荷的成本决定。
[0007] 在空气分离中，可使用以下方法，其中通过主空气压缩机(MAC)将进料空气加压到约高压塔的压力，并且通过空气增压压缩机(BAC)仅将部分进料空气增压，并用于氧气的内压缩(参看下文)或用于制冷。这些常规方法也称作MAC/BAC方法。
[0008] 除了MAC/BAC方法之外，最近越来越多使用所谓的HAP(高气压)方法，因为其可提供优于MAC/BAC方法的优势。HAP方法尤其是在煤气化或煤液化(煤变气、煤变液体、CTX)或重油的气化中是有利的。这里所使用的空气分离设备通常必须仅提供或者几乎仅提供气体产品(气态内压缩氧、GOXIC或压缩氮、PGAN)，在实施该方法时基本上不需要灵活性。
[0009] 在HAP方法中，将所有的进料空气在主空气压缩机中压缩至基本上大于高压塔的蒸馏压力的压力。所使用的压力差为至少4巴，优选6-16巴。该HAP方法已知于例如EP 2466236A1、EP 2458311 A1和US 5329776A1，例如开始部分所引用的技术文献中的MAC/BAC方法。
[0010] US 5901579A显示将通过齿轮连接的涡轮压缩机和涡轮膨胀机用于HAP方法中。EP 2634517A1和EP 2520886A1公开了使用所谓的冷压缩机或冷增压机的布置(参看下文)。
[0011] 如上文所述，可使用所谓的内压缩运行空气分离设备。在内压缩中，例如为了提供上述气态的内压缩氧，从蒸馏塔系统中提取液体流并压缩成至少部分的液体形式。加热该加压成液体形式的流并在空气分离设备的主换热器中通过传热介质蒸发。液体流尤其可以是液体氧，但还可以是氮或氩。在这种情况下，使用内压缩以获得相应的气态加压产品。内压缩方法的优势尤其是，不需要在空气分离设备外将相应的流体压缩成气态，这经常被证明是非常麻烦的和/或需要繁杂的安全措施。
[0012] 还如下文所述，内压缩中的术语“蒸发”包括其中超临界压力占主导并因此没有适当的相转变发生的情况。然后将加压成液体形式的流进行“伪蒸发”。与伪蒸发流相对的是，传热介质被液化(或伪液化，如果其处于超临界压力下)。这种情况下，传热介质通常由压缩进料空气的一部分流组成，称作节流。在用于蒸发或伪蒸发的换热器的较热区域中，可通过所谓的涡流(或多个涡流)提供额外的蒸发热量。
[0013] 为了能够有效加热和蒸发加压成液体形式的流，由于热力学条件，该传热介质必须处于相对高的压力下。为此，必须提供相应的高度压缩流。例如如果要提供处于高压或非常高压(例如50巴或更高)的内压缩氧用于上述CTX方法或重油的气化，以及其它情形时，尤其是如此。
[0014] 这可能导致的问题，如下文所述，不能用常规方法弥补，或者是仅能不利地弥补。因此，本发明的目的是，提供可以在HAP方法中以简单且有效的方式进行相应压缩的可能性。
发明内容
[0016] 在解释本发明的特征和优势之前，下面将解释所使用的基本原理和术语。
[0017] 在空气分离设备中，使用涡轮压缩机来压缩空气。这对于例如“主(空气)压缩机”是如此，所述“主(空气)压缩机”的特征是，其压缩所有进入到空气分离设备中的空气，即所有的“进料空气”。“空气增压压缩机”通常也被设计为涡轮压缩机，其中在MAC/BAC方法中，在所述空气增压压缩机中将在主空气压缩机中压缩的部分空气量升至更高的压力。对于(之后)部分空气量的压缩，通常提供也称作增压机的其它涡轮压缩机。
[0018] 此外，在空气分离设备的多个点处将空气膨胀，为此可特别使用涡轮膨胀机。尤其是对于所谓涡流的膨胀，更是如此，如下文所述。涡轮膨胀机还可连接至涡轮压缩机(增压机)并驱动它们。在没有外部提供能量的情况下，即仅通过一个或多个涡轮膨胀机驱动一个或多个涡轮压缩机的情况下，术语“涡轮增压机”也用于这种布置。
[0019] 原则上涡轮压缩机和涡轮膨胀机的机械结构对本领域技术人员而言是已知的。在涡轮压缩机中，将空气通过设置在叶轮上或直接设置在轴上的动叶片进行压缩。在这种情况下，涡轮压缩机可形成具有多个“压缩机级别”的结构单元。压缩机级别通常包括叶轮或动叶片的相应布置。所有这些压缩机级别可由共用轴驱动。涡轮膨胀机根本上是类似的设计，但是动叶片是由膨胀空气驱动。这里，也可提供多个膨胀级别。可将涡轮压缩机和涡轮膨胀机设计成径向流机器或轴向流机器。
[0020] 如果下文提到涡轮压缩机或涡轮膨胀机的“动叶片”是“以旋转方式固定连接”至另一元件，例如驱动轮或被动轮，这意指在动叶片和其它元件之间有机械连接。如上文所述，动叶片与一个或多个叶轮连接，所述叶轮以旋转方式固定连接至轴/或直接连接至轴，因此可在轴和动叶片之间直接传递转矩。按照这种方式，以旋转方式固定连接至轴的每个元件也以旋转方式固定连接至动叶片。这种“以旋转方式固定连接”导致动叶片和其它元件，例如驱动轮或被动轮，以相同的旋转速度和相同的旋转方向围着轴的轴线旋转。因此，通过齿轮咬合的连接不是所述的“以旋转方式固定连接”。
[0021] 在下文中，“驱动轮”理解为被轴赋予转矩的齿轮，尤其是通过所述齿轮连接至涡轮膨胀机的动叶片。相对比，“被动轮”为向轴，尤其是涡轮压缩机的轴赋予转矩的齿轮。
[0022] 本申请使用术语“压力水平”和“温度水平”来表征压力和温度，其旨在表述相应的压力和温度不需要以确切的压力值或温度值的形式使用，以实现本发明的构思。然而，该压力和温度通常在例如中心值的约±1％、5％、10％、20％或甚至50％的范围内变动。这种情况下，相应的压力水平和温度水平可处于不相交的范围或重叠范围内。尤其是，压力水平例如包括不可避免的或预期的压力损失。对于温度水平同样如此。这里所指的压力水平为绝对压力，单位巴。
[0023] 为了能够有效配置HAP方法，或者为了能够有效提供处于高压下的经内压缩的气态压缩氧，需要相对高压的空气流，如上文所述。在HAP方法中，该压力基本上比全部压缩空气的本已经很高的压力还要高，并且通常通过所谓的冷增压机产生。冷增压机理解为供应通常低于0℃的低温空气的涡轮压缩机。其有利地通过涡轮膨胀机驱动。
[0024] 图1示出了该流的单级压缩也称作节流，仅作为假设性实施例举例说明。单级压缩不足以实现所要求的压力，因为在冷增压机中可实现的压力比是有限的(在相应的涡轮压缩机中的压力比л通常不高于1.8-2.0)。此外，被相应高度压缩的空气流的质量流量(在能量优化配置中，使用处于较低压力水平的第二空气流)比在可用于驱动的涡轮压缩机中膨胀的空气的质量流量低得多。这会导致比旋转速度的很大差别，因此目前不能构建相应单元。
[0025] 原则上该问题可通过使用两级布置，而不是单级冷增压机来避免，所述两级布置由例如电能至少部分外部驱动。然而，这通常是不理想的，因为需要提供电动机和局部中压电网的分布导致额外的成本。尤其是，如下文所述，HAP方法的实施可完全不需使用电动机压缩，使得提供电动机和必需的基本设施在这里可能是特别不利的。尤其是在特别适合本发明的其中使用HAP方法运行空气分离设备的大的CTX项目中或者用于重油的气化方法中，在任何情况下，对于所使用的高空气量，都必须使用多个涡轮膨胀机(在HAP方法的情况下，通过相应的涡轮膨胀机膨胀用于精馏的全部气态空气)，因此推荐使用该布置来压缩节流，即不需要外部电能的情况下。
[0026] 图2示出了另一个设置且如下文所述，也仅用于举例说明的目的。虽然至今在相应设备的冷部件中还没有考虑相应设置，然而该设置本身是已知的且已经用于“热”涡轮增压机中，虽然它们的体积流量非常不同。图2示出了用于相应设备的“冷”部件的这种设置，然而体积流量的条件，尤其是在产生约57巴的最终压力(类似于内压缩氧气的压力)的第二冷增压机的情况下，保持很不同，结果是由于比旋转速度的过度不同，目前还不能构建该单元。为了能够构建所述单元，必须提高节流的量并降低涡流的量。然而，这将降低该方法的效率，因为节流的最终压力将会被降低。
[0027] 因此，本发明是基于对一种设置的探索，通过所述设置可以使用涡轮驱动机对节流在最佳量比下进行两级压缩。
[0028] 已经认识到，根据本发明，压缩/膨胀设置解决了上述问题，在所述设置中多个(即两个或更多个)驱动涡轮膨胀机并联连接，以及两个或更多个涡轮压缩机串联连接。与通过轴直接驱动或直接传递不同，本发明使用如下文所述的中间齿轮装置。使用这种齿轮装置可消除比旋转速度之间的相互影响，并可获得所需驱动。因此本发明提出的这种设置类似于所谓的压缩扩张器，其中涡轮压缩机通过中间齿轮装置连接至涡轮膨胀机。然而，根据本发明，既不需要发电机也不需要电动机。
[0029] 本发明提出一种用于在空气分离设备的蒸馏塔系统中在不同的蒸馏压力下蒸馏低温分离进料空气的方法。在根据本发明的方法中，将以总空气量计的所有进料空气压缩至第一压力水平，即高于最高蒸馏压力至少4-5巴。因此在本发明中，使用上文提及的HAP方法。根据上文所述，在相应蒸馏塔系统中的最高操作压力，即在(高)压塔中的操作压力，可以是例如4.3-6.9巴，例如5.2巴。因此，在根据本发明的方法中，将所有的进料空气压缩至高于该压力至少4-5巴的压力水平，例如至少11巴、12巴、13巴、14巴、15巴或16巴。具体值列举如下。
[0030] 在根据本发明的方法中，通常在相应空气分离设备的主换热器中，将来自所述总空气量的第一部分空气量首先冷却至130-170K的第一温度水平，然后压缩至第二压力水平，即高于第一压力水平至少10巴。因此本发明用于HAP方法中，其中产生相对高的压力，例如下文所述，为了能够提供处于相应高压下的内压缩加压产品。
[0031] 此外，在本发明中，将第二部分空气量首先冷却至110-150K的第二温度水平，然后膨胀至第三压力水平，所述第三压力水平低于第一压力水平，例如可以是最高蒸馏压力，即高压塔的操作压力。冷却至第二温度水平还可以在空气分离设备的主换热器中进行。
[0032] 如上文所述，将相应部分的空气量同时压缩和膨胀产生若干问题，尤其是如果在膨胀期间使用释放的功进行压缩，即如果在没有提供外部能量(电能)时进行。尤其是在如果第一部分空气量和第二部分空气量明显不同的情况下，更是如此，因为如上文所述，这导致旋转速度的显著差别。
[0033] 本发明提供使用具有齿轮装置的压缩/膨胀设置，其中驱动轮与齿轮咬合，以及齿轮与被动轮咬合。两个或更多个涡轮膨胀机的动叶片连接至驱动轮，以及两个或更多个涡轮压缩机的动叶片连接至被动轮，这两种情况都是以旋转方式固定连接，如上文所述。进料第一部分空气量，为了压缩至第二压力水平，使其依次通过涡轮压缩机；以及进料第二部分空气量，为了膨胀至第三压力水平，使其平行通过涡轮膨胀机。其中，“平行”进料通过多个涡轮膨胀机理解为意指，将第二部分空气量分成两个或更多个部分流并将每个部分流通过其中一个涡轮膨胀机。上述问题可通过使用压缩/膨胀设置得到解决，其中所使用的齿轮装置可分别与所使用的涡轮压缩机和涡轮膨胀机的旋转速度相匹配。多个涡轮压缩机的串联使用可产生非常高的压力差，仅一个压缩单元不能实现该压力差。本发明还可使用数量级明显不同的第一部分空气量和第二部分空气量，因为使用齿轮装置可对旋转速度差进行补偿。进料通过涡轮压缩机的第一部分空气量处于上述的第一温度水平。为此，将涡轮压缩机作为冷增压机运行。
[0034] 在本发明中多个涡轮压缩机并联连接，因此所产生的机械负荷可通过其平衡分布，单个涡轮膨胀机可变得更小并更有成本效益。当使用两个涡轮压缩机，其动叶片在被动轮的任一侧分别连接至与被动轮连接的第一轴上时，产生特别的优势。这可降低不对称负荷并降低磨损。
[0035] 有利的是，通过驱动轮向齿轮传递的转矩比通过齿轮向被动轮传递的转矩大。因此，不需要提供额外的驱动例如电动机；涡轮压缩机可简单地通过涡轮膨胀机驱动。
[0036] 根据本发明的压缩/膨胀设置的另一个优势在于，齿轮可使其它驱动轮或被动轮产生柔性咬合，因此可根据需要扩展本方法。例如按照这种方式，可使用通过驱动轮驱动的一个或多个其它涡轮膨胀机和/或通过被动轮被涡轮驱动的一个或多个涡轮压缩机。齿轮本身优选不以旋转方式固定连接至涡轮膨胀机和/或涡轮压缩机，而优选仅在驱动轮和被动轮之间传递转矩。换言之，在根据本发明的压缩/膨胀设置中，一方面齿轮，另一方面驱动单元或被动单元(例如涡轮膨胀机和涡轮压缩机的动叶片)以不同旋转速度运行。然而，这并不排除驱动单元和/被动单元彼此以相同的旋转速度运行的可能性。
[0037] 根据本发明有利的是，第一压力水平为10-17巴，尤其是13-16巴，和/或第二压力水平为40-70巴，尤其是50-60巴。因此，第二压力水平处于相对高的值，这排除了使用单个增压器，因为如上文所述，其可实现的压力差太小。该问题通过使用根据本发明通过齿轮串联连接的多个涡轮压缩机得到解决。
[0038] 如上文所述，第三压力水平低于第一压力水平，其可以是例如蒸馏塔系统中的最高蒸馏压力，例如高压塔所运行的压力水平。所述第三压力水平处于最高蒸馏压力意指第三压力水平与蒸馏塔装置中的最高蒸馏压力偏离不超过1巴。
[0039] 如上文所述，如果各个部分的空气量彼此明显不同，本发明是特别合适的。尤其是如果第一部分空气量为第二部分空气量的0.2-0.6倍，和/或第一部分空气量与第二部分空气量一共为总空气量的0.3-0.6倍，更是如此。所述比例分别涉及每单位时间的标准体积，即标准体积流速，例如每小时标准立方米(Nm3/h)。已证明实际存在的体积流速的差别要高得多，因为所存在的压力明显不同。尤其是，在第一部分空气量和第二部分空气量明显不同的情况下，这导致相对少量空气被压缩，而相对大量空气用于膨胀，由于使用特定齿轮装置，本发明的方法是特别合适的。
[0040] 有利的是，在本发明的方法中，在冷却至第二温度水平之前，第二部分空气量从第一压力水平压缩至低于第二压力水平的中间压力水平。为此，例如可使用另一个涡轮压缩机。其可通过膨胀另一流的涡轮膨胀机(其存在的目的是提供用于整个方法所需要的制冷功率)来驱动。
[0041] 本发明方法提供特别的优势，如果液态富氧空气产品从蒸馏塔系统提取出，在液体形式下加压，然后通过加热从液态转化成超临界态或气态，即用于内压缩法。在这种内压缩法中，根据本发明可将液态富氧空气产品在液体形式下加压至第一压力水平或另一高压力水平。因此本发明特别适合其中要提供处于高压的相应内压缩产品的方法。
[0042] 本发明中，将内压缩法与HAP方法结合，实现了特别优势。传统的MAC/BAC方法在大3
空气量下遭到它们的容量限制。因此，在空气分离设备的情况下，对于高于130,000Nm/h的氧容量，达到传统设备组件的限制。由于这里低的进料空气压力，例如需要直径大于6米的吸附器并在极限下部分运行。此外，对于如此高的空气吞吐量，需要安装具有非常大公称宽度的管道和阀，这导致高成本。使用HAP方法基本减轻了这种问题，因为显著降低了体积流速；已证明显著缩小了空气分离设备的整个“热”部分。
空气量下遭到它们的容量限制。因此，在空气分离设备的情况下，对于高于130,000Nm/h的氧容量，达到传统设备组件的限制。由于这里低的进料空气压力，例如需要直径大于6米的吸附器并在极限下部分运行。此外，对于如此高的空气吞吐量，需要安装具有非常大公称宽度的管道和阀，这导致高成本。使用HAP方法基本减轻了这种问题，因为显著降低了体积流速；已证明显著缩小了空气分离设备的整个“热”部分。
[0043] 在MAC/BAC方法和HAP方法中，空气压缩机通常由汽轮机来驱动。其中所使用的汽轮机通常是双轴汽轮机，其被设置为分别通过其中一个轴同时驱动主空气压缩机和空气增压压缩机(MAC/BAC方法中的MAC和BAC)。在MAC/BAC方法中，额外必须的典型的氮气产品压缩机本身需要电机形式的驱动。如上文所述，这产生额外成本。为此，HAP方法是特别有利的，因为这里可通过汽轮机的一个轴直接驱动产品压缩机(省去空气增压压缩机)。因此这种类型的设备对不需要电驱动的技术方案是特别有益的。
[0044] 本发明还涉及空气分离设备，所述空气分离设备被设置为用于在蒸馏塔系统中在不同蒸馏压力下蒸馏低温分离进料空气。该设备具有装置，所述装置被设置为将以总空气量计的所有进料空气压缩至第一压力水平，即高于最高蒸馏压力至少4-5巴；并将来自总空气量的第一部分空气量首先冷却至130-170K的温度水平，并然后压缩至第二压力水平，即比第一压力水平高至少10巴；以及将第二部分空气量首先冷却至110-150K的第二温度水平并然后膨胀至第三压力水平，即低于第一压力水平。
[0045] 本发明的设备的特征是，具有齿轮装置的压缩/膨胀设置，其中根据本发明驱动轮与齿轮咬合，以及齿轮与被动轮咬合。两个或更多个涡轮膨胀机的动叶片连接至驱动轮，以及两个或更多个涡流压缩机的动叶片连接至被动轮。还提供装置，所述装置被设置为进料第一部分空气量，为了压缩至第二压力水平，使其依次通过涡轮压缩机；以及进料第二部分空气量，为了膨胀至第三压力水平，使其平行通过涡轮膨胀机。有利的是，在本发明中，使用其中至少一个其它驱动轮和/或至少一个其它被动轮与齿轮咬合的设置。因此可简单且灵活地将其它驱动单元或被动单元连接至相应的压缩/膨胀设置。
[0046] 本发明对空气分离设备是特别合适的，其中压缩/膨胀设置包括两个涡轮压缩机和/或两个涡轮膨胀机，所述涡轮压缩机的动叶片在被动轮的任一侧连接至与被动轮连接的第一轴上，所述涡轮膨胀机的动叶片在驱动轮的任一侧连接至与驱动轮连接的第二轴上。因此，如上文所述，可降低不对称负荷。如上所述，这里“任一侧”的设置意指驱动轮或被动轮设置在驱动轮或被动轮任一侧轴向延伸的轴上。相应的涡轮压缩机或涡轮膨胀机，或其动叶片可设置在两侧的每一侧。
[0047] 该空气分离设备的特征和优势，尤其用于进行上文详细描述的方法，参看上述说明。相应的设备受益于所述方法的优势。
附图说明
[0049] 图1以流程图的形式示出空气分离设备，举例说明本发明所针对的问题。
[0050] 图2以流程图的形式示出了空气分离设备，举例说明本发明所针对的问题。
[0051] 图3示意性示出根据本发明的一个实施方案的压缩/膨胀设置。
[0052] 图4示意性示出非本发明的压缩/膨胀设置。
具体实施方式
[0053] 在附图中，为了清晰起见，相应的元件具有相同的附图标记，将不再重新解释。
[0054] 图1以流程图的形式示出空气分离设备，举例说明本发明所针对的问题，整体以100标记。
[0055] 将进料空气通过过滤器1进料至空气分离设备100中并通过主空气压缩机2进行压缩。这种情况下，将进料空气在主空气压缩机2中压缩至在文称作“第一”压力水平的压力水平，所述压力水平明显高于空气分离设备100的蒸馏塔系统10的最大操作压力，如下文解释。因此如上文所述，在空气分离设备100中进行的方法是HAP方法。第一压力水平为例如约14.5巴。将通过主空气压缩机2压缩的流c中的空气量称作“总空气量”。例如为约655,
3
000Nm/h。
3
000Nm/h。
[0056] 将以这种方式提供的压缩空气流a在直接接触冷却器3中预冷，所述直接接触冷却器尤其是具有来自蒸发冷却器4的冷却水流b。直接接触冷却器3和蒸发冷却器4的操作将不进一步描述。在直接接触冷却器3中冷却后，将相应冷却的压缩空气流，现在标记为c，进料至吸附器组5中，如实施例所示，该吸附器组5包括用合适的吸附材料填充且交替操作的两个吸附器容器，其操作也不进一步描述。在蒸发冷却器4和吸附器组5中，为了冷却或再生，可使用例如流d，所述流d是从蒸馏塔系统10中作为所谓的不纯氮提取出，并且适当制备的。这种情况下，使用例如蒸汽加热器6。
[0057] 将已经在吸附器组5中干燥的压缩空气流标记为d。在所示实施例中，将其分成两个部分流e和f。然后将部分流e又分成两个部分流g和h并进料至主换热器7的热端。部分流g是上述的涡流，以及部分流h为处于较低压力的(第二)节流。将部分流f在增压器涡轮机8中进一步压缩，在中间冷却器(其没有单独标出)中冷却，又分成两个部分流i和k，并进料至主换热器7的热端。部分流i为处于较高压力的(第一)节流且被增压，以及部分流k是为了提供制冷功率而待膨胀的流。
[0058] 因此，所有的部分流e至k都分别包含流a、c和d的总空气量的部分空气量。例如流i中的部分空气量为约102,000Nm3/h，在这里称作“第一”部分空气量，流g中的部分空气量例如为约307,000Nm3/h，称作总空气量的“第二”部分空气量。流h中总空气量的部分空气量为例如约55,000Nm3/h。该区分是任意的，并且还可以不同于特定实施例的不同顺序来实施。
[0059] 在每种情况下，从主换热器7中在中间温度水平下提取部分流g、i和k，其中在本文中将从主换热器7提取部分流i的中间温度水平称作“第一”温度水平，将从主换热器7提取部分流g的中间温度水平称作“第二”温度水平。从主换热器7的冷端提取部分流h。
[0060] 图1示出的空气分离设备用于以约135,000Nm3/h的速度提供处于高压力水平，例如约57巴的内压缩氧气。为此，从蒸馏塔系统10中提取的液态富氧流l通过泵9加压，并在主换热器7中在上述压力下从液态转化为超临界态。
[0061] 由于在主换热器7中是在相对高的压力下流l的内压缩氧被转化成超临界态或被蒸发，因此需要处于高压的传热介质。在这种情况下该传热介质由部分流i形成，为此所述部分流i必须被进一步压缩。
[0062] 要理解的是图1中为此目的以及为了同时膨胀部分流g所使用的增压器涡轮机10由于在这种增压器中可实现的压力比的上述限制，仅在理论上可以使用，目前不能在结构上实现。同时，预期驱动涡轮膨胀机目前也不能在结构上实现。
[0063] 从处于第一中间温度水平的主换热器7提取后，部分流i必须通过增压器涡轮机101从在增压器涡轮机8中所实现的压力水平，例如约17巴压缩至例如约57巴的压力水平。
这里将相应的压力水平称作“第二”压力水平。在所示实施例中，将部分流i进料至处于中间温度水平的主换热器7中，并在其冷端提取。在所示实施例中，将部分流h和i在主换热器7的下游膨胀至较低压力水平，例如蒸馏塔设置10的压力塔的压力水平，约5.2巴。为此，可使用例如图1所示的阀门或所谓的重液膨胀机(但没有单独标出)。将部分流g和k膨胀至该压力水平还可分别在增压器涡轮机8或101的膨胀涡轮机中进行。
这里将相应的压力水平称作“第二”压力水平。在所示实施例中，将部分流i进料至处于中间温度水平的主换热器7中，并在其冷端提取。在所示实施例中，将部分流h和i在主换热器7的下游膨胀至较低压力水平，例如蒸馏塔设置10的压力塔的压力水平，约5.2巴。为此，可使用例如图1所示的阀门或所谓的重液膨胀机(但没有单独标出)。将部分流g和k膨胀至该压力水平还可分别在增压器涡轮机8或101的膨胀涡轮机中进行。
[0064] 将部分流g和k进料至上文已经提及很多次的蒸馏塔系统10中，所述蒸馏塔系统这里以图解形式缩小规模示出，其通常包括在不同操作压力下运行的多个蒸馏塔。所示实施例显示高压塔11与低压塔12，它们相连接使得它们通过主冷凝器13交换热。高压塔11例如在膨胀流g至k的压力水平下运行。将流g至k通常进料至高压塔11，然而还可将它们部分地进料至低压塔12中。高压塔11和低压塔12的连接没有详细示出，额外的塔、阀门、泵、换热器等也没有详细示出。
[0065] 蒸馏塔系统10可包括任意数量的相应的塔并可用于制备各种空气产品。除了已经提及的用于提供内压缩氧(GOX IC)的液态富氧流I之外，例如还可从蒸馏塔系统10提取富氮的液体流m，所述液体流m也可通过泵(没有标记)加压并在主换热器7中转化成气态或超临界态。例如可从蒸馏塔系统10中从高压塔11提取气态形式的其它富氮流n和o，在主换热器7中加热并用作用于泵的气态氮产品(GAN)或密封气体。还可将流d部分放至大气。
[0066] 图2以流程图的形式示出了空气分离设备，举例说明本发明所基于的问题，该空气分离设备整体标记为200。
[0067] 图2示出空气分离设备200，顺便提一下，其对应图1示出的空气分离设备100，用于说明即使使用串联增压器或平行涡轮膨胀机，其本身也不会解决上述问题，或在技术上是不可能的。
[0068] 根据图2，将部分流i在两个增压器涡轮机201和202的增压器中经例如约31巴的中间压力水平压缩至约57巴的第二压力水平(如上文定义)。图2没有示出的是可将部分流i从增压器涡轮机201的增压机排出后并在进入增压器涡轮机202的增压机之前，例如在主换热器7中冷却，使得其在进入增压器涡轮机201和202的增压机时的入口温度相同或相近。因此，将部分流g分成两个部分流并在用于增压器涡轮机201和202的涡轮膨胀机中膨胀。这种情况下，每个涡轮膨胀机只需处理流g的“第二”部分流量的一半，因此在所示实施例中每个为例如约153,000Nm3/h。即使如此，通过增压器涡轮机202的增压机的体积流量对于通过相应涡轮膨胀机的体积流量而言仍然太小，因此比旋转速度太不同，使得该技术方案也是不可能的。
[0069] 图3示意性示出根据本发明的一个实施方案的压缩/膨胀设置，其整体标记为30。该压缩/膨胀设置20可固定到根据图1和图2的空气分离设备100或200中，而不是增压器涡轮机101或增压器涡轮机201和202中。这种固定由相应指定的部分流g和i造成。它们分别是主换热器7下游的流g和i。
[0070] 将总空气量的指定第一部分空气量，例如在约17巴的压力水平下约102,000Nm3/h，以部分流i的形式进料，依次通过两个涡轮压缩机31和32，并因此压缩至所定义的第二压力水平，例如约57巴。这种情况下，涡轮压缩机31和32之间的部分流i的压力为例如约31巴。可将涡轮压缩机31和32之间的流i在主换热器7中或以其它方式冷却。将总空气量的第二部分空气量，例如在约14.5巴的压力水平下约307,000Nm3/h以部分流g的形式分成两个部分流并在两个涡轮膨胀机33和34中平行膨胀至例如约5.2巴。
[0071] 涡轮压缩机31和32以及涡轮膨胀机33和34分别通过阀门35和36彼此连接。被动轮37连接至涡轮压缩机31和32的轴35，以及驱动轮38连接至涡轮膨胀机33和34的轴36。齿轮
39与被动轮37和驱动轮38咬合。
39与被动轮37和驱动轮38咬合。
[0072] 通过使流g的部分流在胀涡轮膨胀机33和34中平行膨胀，向轴36赋予的转矩可通过驱动轮38传递给齿轮39，并因此通过被动轮37进入轴35。在合适的选择驱动轮38、齿轮39和被动轮37的齿数与几何结构下，如上文所述，可确保一方面涡轮膨胀机31和32中以及另一方面涡轮压缩机33和34中非常不同的体积流量可得到克服。
[0073] 图4示意性示出非本发明的压缩/膨胀设置，将其整体标记为40。压缩/膨胀设置40也可固定在根据图1和2的空气分离设备100或200中，而不是增压器涡轮机101或增压器涡轮机201和202中。其中，这种固定也是由相应指定的部分流g和i造成。它们分别是主换热器7下游的流g和i。
[0074] 结合图3的压缩/膨胀设置已经解释了压缩/膨胀设置40的元件，它们使用相同的标记。然而，与图3示出的压缩/膨胀设置30相对比，图4的压缩/膨胀设置40只有一个涡轮膨胀机33。这降低了待提供元件数量，但是推测相应涡轮膨胀机33具有所需尺寸并在所产生机械负荷的背景下，具有技术可行性。
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