[发明专利]使用补充制冷循环的分离空气方法及系统

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。