空气的低温分离方法和低温空气分离装置与流程

1.本发明属于空气分离领域，涉及一种空气的低温分离方法和低温空气分离装置，尤其涉及一种通过低温分离来生产液态或气态空气产物的方法和装置。


背景技术：

2.低温空气分离装置通常具有主空气压缩机、主换热器和精馏塔系统。作为示例，双塔形式的精馏塔系统具有操作压力分别相对较低和较高的低压塔和高压塔。
3.中国发明专利cn106716033a中公开了一种基于高空气压力法(hap法)的低温空气分离方法。该方法中，使用了稠密流体膨胀器来膨胀压缩进料空气流的第三部分，将第三部分以液体状态并在第四压力水平下进料至稠密流体膨胀器，以此来降低操作成本。
4.发明人分析认为，在低温分离空气时，会遇到各种不同需求，例如，有时需要液态产物的产量较高，有时需要液态产物的产量较低。发明人进一步分析认为，可以尝试在一套低温空气分离装置中进行调节操作，以此满足不同需求。然而现有技术诸如上面提及的现有方法无法根据实际需求来进行调节操作，例如，无法进行调节操作以得到不同产量的液态产物。
5.有鉴于此，需要设计空气的低温分离方法和低温空气分离装置，使得可以在一套低温空气分离装置中进行调节操作，以此满足不同需求。


技术实现要素：

6.本发明意在提供一种空气的低温分离方法以及低温空气分离装置，可以通过进行调节操作，以获得不同产量的液态产物。
7.本发明提供一种空气的低温分离方法，在具有主空气压缩机、主换热器和精馏塔系统的低温空气分离装置中低温分离空气。精馏塔系统具有在第一压力水平操作的低压塔和在第二压力水平下操作的高压塔。在主空气压缩机中将总进料空气压缩至第三压力水平空气，第三压力水平高于第二压力水平。将第一部分第三压力水平空气在主换热器中部分冷却，并在第一涡轮膨胀机中从第三压力水平开始膨胀。将第二部分第三压力水平空气在第一涡轮增压器中进一步压缩形成第四压力水平空气，第四压力水平空气在后冷却器中第一次冷却后，进入主换热器中被第二次冷却。将第二次冷却后的第一部分第四压力水平空气在第二涡轮增压器中进一步压缩到第五压力水平，在主换热器中第三次冷却并在第一减压装置中从第五压力水平开始膨胀。将第二次冷却后的第二部分第四压力水平空气在第二涡轮膨胀机中从第四压力水平开始膨胀。将总进料空气的各部分在第一和/或第二压力水平下进料到精馏塔系统中，在精馏塔系统中获得液态产物。
8.在一个实施方式中，在第一运行模式中获得第一产率的液态产物。在第二运行模式中获得第二产率的液态产物，第二产率少于第一产率。并且，被引导经过第一涡轮膨胀机的第一部分第三压力水平空气的流量与总进料空气的流量的比值在第二运行模式中比在第一运行模式中少。
9.在一个实施方式中，比值在第二运行模式中至少比在第一运行模式中少0.5％。
10.在一个实施方式中，将第三部分第三压力水平空气在主换热器中完全冷却，并在第二减压装置中从第三压力水平开始膨胀，然后在第一和/或第二压力水平下进料到精馏塔系统中。
11.在一个实施方式中，第二部分第三压力水平空气在0℃-50℃的温度水平下进料至第一涡轮增压器中。
12.在一个实施方式中，第四压力水平空气在30℃-100℃的温度水平下离开第一涡轮增压器。
13.在一个实施方式中，第一部分第四压力水平空气在-140℃至-50℃的温度水平下进料至第二涡轮增压器中。
14.在一个实施方式中，第一部分第四压力水平空气在第二涡轮增压器中压缩之后，第五压力水平空气在主换热器中从-90℃至20℃的温度水平下开始冷却至-140℃至-180℃的温度水平，然后进入第一减压装置开始膨胀。
15.在一个实施方式中，第一部分第三压力水平空气在主换热器中被部分冷却至-150℃至-90℃的温度水平，然后在第一涡轮膨胀机中膨胀，之后进料到精馏塔系统中。
16.在一个实施方式中，第二部分第四压力水平空气在主换热器中被部分冷却至-150℃至-90℃的温度水平，然后在第二涡轮膨胀机中膨胀，之后进料到精馏塔系统中。
17.在一个实施方式中，第一压力水平为1-2巴，第二压力水平为4-6巴，第三压力水平为11-28巴，第四压力水平为25-39巴，且/或，第五压力水平为40-75巴。
18.本发明还提供一种低温空气分离装置，包括主空气压缩机、主换热器和精馏塔系统。精馏塔系统具有在第一压力水平下操作的低压塔和在第二压力水平下操作的高压塔。主空气压缩机将总进料空气压缩至高于第二压力水平的第三压力水平空气。低温空气分离装置中，第一部分第三压力水平空气在主换热器中部分冷却，并且由第三压力水平开始在第一涡轮膨胀机中膨胀。第二部分第三压力水平空气在第一涡轮增压器中进一步压缩形成第四压力水平空气。第四压力水平空气在后冷却器中第一次冷却后，进入主换热器中被第二次冷却。第二次冷却后的第一部分第四压力水平空气在第二涡轮增压器中进一步压缩到第五压力水平，在主换热器中第三次冷却并由第五压力水平开始在第一减压装置中膨胀。第二次冷却后的第二部分第四压力水平空气由第四压力水平开始在第二涡轮膨胀机中膨胀。并且，低温空气分离装置中，总进料空气的各部分在第一和/或第二压力水平下进料到精馏塔系统中，在精馏塔系统中获得液态产物。
19.在一个实施方式中，该低温空气分离装置还包括调节件。调节件设置成调节被引导经过第一涡轮膨胀机的第一部分第三压力水平空气的流量，使得低温空气分离装置在第一运行模式和第二运行模式之间进行切换。在第一运行模式中，通过低温空气分离装置获得第一产率的液态产物，在第二运行模式中，通过低温空气分离装置获得第二产率的液态产物，其中，第二产率少于第一产率，并且被引导经过第一涡轮膨胀机的第一部分第三压力水平空气的流量与总进料空气的流量的比值在第二运行模式中比在第一运行模式中少。
20.上述空气的低温分离方法以及低温空气分离装置中，以第一涡轮膨胀机驱动第一涡轮增压器为例，可以通过调节进入第一涡轮膨胀机的流股的流量，来调节第一涡轮膨胀机产生的膨胀功，借此，使得传递给第一涡轮增压器的压缩功变化。当第一涡轮增压器的压
缩功变化时，后冷却器移除的压缩热随之变化，即被后冷却器移出系统的焓值变化。，作为结果，输入精馏塔系统的冷量变化，因而可以满足生产不同产量的液态产物的需求。具体地，第一涡轮膨胀机的流量增加，输入精馏塔系统的冷量增加，液态产物的产量增加。反之，第一涡轮膨胀机的流量减少，则液态产物的产量减少。因此，上述空气的低温分离方法以及低温空气分离装置可以在一套低温空气分离装置中，通过进行调节操作，来获得不同产量的液态产物。
21.进一步，上述空气的低温分离方法以及低温空气分离装置中，流经第一涡轮增压器的流股在下游分为流经第二涡轮增压器的流股和流经第二涡轮膨胀机的流股，因此，各流股(特别是，流经第一涡轮增压器的流股和流经第二涡轮膨胀机的流股)的流量可以灵活地调节和变化。例如，在增加第一涡轮膨胀机的流量以增加第一涡轮膨胀机产生的膨胀功时，为了避免第一涡轮增压器过速，可增加第一涡轮增压器的流量来接收增多的膨胀功。此时流经第二涡轮增压器和第二涡轮膨胀机的总流股增加。如果待汽化液体(例如，待汽化液氧)的流量不变，则与之相匹配的经过第二涡轮增压器的流量也应保持不变，流经第二涡轮膨胀机的流量相应增加。又例如，还可以在第一涡轮增压器的流量不变的情况下，调节第二涡轮增压器的流量，以匹配不同流量的待汽化液氧。因此，本发明通过调节引入低温空气分离装置的焓降调节(特别是，增加)液态产物的总产量，并通过涡轮增压器和涡轮膨胀机的布置适应液态产物中各组分的不同的产量需要。
22.另外，上述空气的低温分离方法以及低温空气分离装置中，流经主空气压缩机的第二部分在第一涡轮增压器和第二涡轮增压器中连续地压缩到第五压力水平，使得该部分空气可以在主换热器中用于蒸发相同/相近压力水平的例如待汽化液氧。这种配置可以省去在主空气压缩机下游设置提供高度压缩的再压缩机。同时，第一涡轮增压器和第二涡轮增压器都通过涡轮膨胀机驱动，减少了运行过程中的能耗。
附图说明
23.关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
24.图1是本发明所提供的实施例的结构示意图；
25.图中：1-主空气压缩机；2-主换热器；3-精馏塔系统；4-低压塔；5-高压塔；6-第一涡轮膨胀机；7-第一涡轮增压器；8-后冷却器；9-第二涡轮增压器；10-第一减压装置；11-第二涡轮膨胀机；12-第二减压装置；a-总进料空气；b-第三压力水平空气；b1-第一部分第三压力水平空气；b2-第二部分第三压力水平空气；b3-第三部分第三压力水平空气；c-第四压力水平空气；c1-第一部分第四压力水平空气；c2-第二部分第四压力水平空气；d-第五压力水平空气；e-第一压力进料空气；f-第二压力进料空气；g-待汽化液氧；h-待汽化液氮。
具体实施方式
26.下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能，或与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
27.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，而仅仅
是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作既包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。
28.应当理解，在本发明中，“至少一个(次)”是指一个(次)或者多个(次)。“和/或”用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。
29.如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任意和全部组合。除非另有说明，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术通常所理解的含义相同。还应理解的是，术语，诸如常用字典中定义的那些，应被理解为具有与其在本说明书及相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过度正式的意义来理解，除非本文中明确有此规定。为了简洁和/或清晰起见，熟知的功能或构造可能不会详细描述。
30.在这里，在压力数据中通常不包含自然压力损失。如果相应部位之间的压力差不大于由管道、热交换器、冷却器、吸附器、普通调节阀(非节流阀)等中的压力损失导致的自然线路损失，则压力在这里被评为“相等”。例如，第一部分总进料空气在主换热器的通道中经历压力损失；尽管如此，在主换热器下游的压力气体产物排出压力和在主换热器上游的压力在这里同样地被描述成“第三压力水平”。反之，只有当相应的压力差高于自然线路损失，也就是说特别是通过至少一个压缩机级增压压力或有目的地通过至少一个节流阀和/或至少一个降压机(涡轮膨胀机)降低压力时，在某些方法步骤下游的流股的第二压力才会“低于”或“高于”在这些步骤上游的第一压力。
31.为了表征压力和温度，本发明使用“压力水平”和“温度水平”的表述，其旨在表述的是，为了实施本发明的概念，相应设备中的相应压力和温度不需要使用精准的压力或温度。然而，该压力和温度通常在一定的范围内变化，例如，平均值的
±
1％、5％、10％、20％或甚至50％。在这种情况下，相应的压力水平和温度水平可以在不相交的范围内或在彼此重叠的范围内。具体而言，压力水平包括例如不可避免的或预期的压降，例如由于冷却效应，这也相应地适用于温度水平。
[0032]“涡轮膨胀机”或“膨胀机”，其可以经由共用轴与其他的涡轮膨胀机或诸如油制动器、发电机或压缩机的能量转换器耦合，被装配以用于膨胀气态或至少是部分液态的流股。然而，如果压缩机由一个或多个涡轮膨胀机驱动，但没有例如通过电动机外部供应的能量，则使用表述“涡轮驱动压缩机”或“涡轮增压器”。优选地，本发明中的第一涡轮膨胀机和第一涡轮增压器以合适的方式机械连接，第二涡轮膨胀机和第二涡轮增压器以合适的方式机械连接。“机械连接”在这里的语境中被理解为通过机械部件，例如齿轮、皮带、变速器等类似装置在这些旋转部件之间实现固定的或机械可调的转速关系。机械连接通常通过两个或多个各自互相啮合实现，例如以形状啮合或摩擦啮合的部件，例如齿轮或皮带轮利用皮带
或其他旋转固连的方式。旋转固定的连接特别的可以通过共同的轴实现，在其上各自旋转固定的安装旋转单元。旋转单元的转速在此类情况下是相同的。在理想的状态下，涡轮膨胀机做的功全部地传递给机械连接的相应的涡轮增压器。
[0033]“压缩机”是被装配以用于将至少一种流体从流股被进料到压缩机的至少一个起始压力压缩到将所述流股从压缩机中取出的至少一个最终压力的装置。压缩机形成结构单元，然而，其可以包括呈活塞、螺杆和/或叶轮或涡轮机装置(即轴向或径向压缩机级)形式的多个“压缩机级”。这也特别适用于空气分离装置的“主空气压缩机”，主空气压缩机压缩进料到空气分离装置中的空气量的全部或主要部分，即全部进料空气流股，文中称之为总进料空气。在mac/bac方法中，在主空气压缩机中被压缩的一定量空气在再压缩机(空气增压机)中被带到更高的压力，再压缩机通常同样被设计为多级。具体而言，相应的压缩机级通过共用驱动器如通过共用的轴驱动。另外，“再压缩机”或“空气增压机”是通过外部能量驱动，不是通过或至少不仅仅是通过在空气分离设备中先前压缩的流体的膨胀而驱动的压缩机。
[0034]“主换热器”用于在与来自精馏塔系统的返回流间接热交换中冷却进料空气，如温热的压缩空气和一个或多个冷流股，或低温液态空气产物和一个或多个温热流股。主换热器可以由单个热交换区段或并联和/或串联连接的多个热交换器区段形成，例如，一个或多个板式热交换器板块，在其处分别要冷却或加热的流股的主要部分被分别冷却或加热，其具有被设计为彼此分开并具有热交换表面的流体通道的“通道”。“完全冷却”指的是被冷却的流股在热端送入主换热器，然后被冷却至主换热器的冷端温度；而“部分冷却”意思是冷却至主换热器的热端温度与冷端温度之间的温度，用语“中间温度”。
[0035]“后冷却器”的作用是将压缩机或增压器出口的高温空气冷却至40℃以下。在某些工况下，后冷却器还可以帮助将大量水蒸汽和变质油雾冷凝成液态水滴和油滴，以便将它们清除掉。后冷却器通常是水冷后冷却器，使用温度较低的冷却水，其结构可能是列管式换热器，冷却水走管内。
[0036]“液态产物”指的是直接从空气分离装置的精馏塔产出的所有的液态形式的产物，例如包括液氧产物、液氮产物、液氩产物等。“液态产物”包括直接作为液体产品的第一部分液态产物，文中称之为产品类液体。产品类液体例如可以包括产品类液氧、产品类液氮、产品类液氩等。液态产物还包括将会在主换热器中汽化而转化成气体产品的第二部分液态产物，文中称之为待汽化液体。待汽化液体例如可以包括待汽化液氧、待汽化液氮、待汽化液氩。以图1为例，产品类液体q导出后，可以直接以液态形式存储在储罐中而作为液体产品，例如，以供直接销售。继续以图1为例，待汽化液体包括将会通过主换热器2汽化而分别转换成氧气产品和氮气产品的待汽化液氧g和待汽化液氮h。可以理解，液氧产物对应地包括产品类液氧和待汽化液氧，液氮产物对应地包括产品类液氮和待汽化液氮。
[0037]
液态产物的“产率”指的是例如单位时间内获得的液态产物的摩尔数与相应的总进料空气的摩尔数的比值，也即，可以用来表征总进料空气通过低温空气分离装置转化成液态产物的转化率。产率在文中以摩尔量的百分比的形式示出。单位时间内获得的液态产物的摩尔数可以通过液态产物的流量来换算或表征，并且单位时间内的总进料空气的摩尔数可以通过总进料空气的流量来换算或表征。例如，文中总进料空气的流量以单位时间进料或流过的流体的标准体积的形式示出，例如，单位为nm3/h(标准立方米/小时)。总进料空
气的流量也可以称之为总进料空气的进料总量。又例如，液态产物的流量可以以单位时间产出或流过的流体的质量的形式示出，例如，单位为t/d(吨/天)。液态产物的流量也可以称之为液态产物的产量。可以理解，对于总进料空气的进料总量不变的情况，液态产物的产率不同直接表现为液态产物的产量不同，因而文中部分位置会使用“产量”代替“产率”，以便于理解。
[0038]
文中将会提及“冷涡轮增压器”和“热涡轮增压器”。“冷涡轮增压器”意指，气体在极低的温度下被供应给该涡轮增压器，即使经过该涡轮增压器压缩后，气体温度升高，该升高后的温度也依然明显低于冷却水温度。图1中，第二涡轮增压器9即为典型的冷涡轮增压器。第一部分第四压力水平空气在进入第二涡轮增压器9之前已经被冷却至极低的温度t。优选地，温度t可以为-140℃至-50℃。例如，在下文表1示出的第一运行模式和第二运行模式下，温度t均约-131℃。也即，第一部分第四压力水平空气在-131℃的温度水平下进料至第二涡轮增压器9，经第二涡轮增压器9压缩后温度会升高，例如达到-90℃至20℃。然而，升高后的温度依然低于冷却水温度，在该温度下，第二涡轮增压器下游的第一部分第四压力水平空气无法通过后冷却器冷却。由上可知，温度极低的流股虽然在经由冷涡轮增压器压缩后温度升高，但是升高后的温度依然较低，因而经过冷涡轮增压器的流股无法通过利用水冷的后冷却器来冷却。也即，来自冷涡轮增压器的压缩流股的压缩热通常不能在后冷却器中去除，而只能在主换热器中去除，因而不可避免地向系统中贡献热量。因此，与冷涡轮增压器耦合的涡轮膨胀机的运行功率对于整个低温空气分离装置的总冷量以及液态产物的产率的变化并没有直接效力。“热涡轮增压器”意指，进入该涡轮增压器的流股的温度较高(例如，高于环境温度)，经由热涡轮增压器压缩而温度升高的压缩流股具有比冷却水显著更高的温度。因此，可以在常规后冷却器中有效地移除热涡轮增压器下游的压缩流股的能量。图1中，第一涡轮增压器7即为典型的热涡轮增压器，可以看到，第一涡轮增压器7下游布置有后冷却器8对流股进行冷却。相较于冷涡轮增压器，与热涡轮增压器耦合的涡轮膨胀机的运行功率可以直接决定传递给热涡轮增压器的压缩功，因此，可以直接影响(位于热涡轮增压器下游的)后冷却器所移除的压缩热，即被后冷却器带走的焓值，进而对于整个低温空气分离装置的总冷量以及液态产物的产率的变化都会产生直接的影响。另外，热涡轮增压器和冷涡轮增压器也可以认为是分别在热态和冷态下工作的涡轮增压器。
[0039]
在本发明中，“第一运行模式”被设计用于较高产率的液态产物，“第二运行模式”被设计用于较低产率的液态产物。文中将第一运行模式下液态产物的产率称之为第一产率，而将第二运行模式下液态产物的产率称之为第二产率。可以理解，第一运行模式和第二运行模式是液态产物的产率相对于彼此分别较高和较低的两个运行状态。这并不排除在空气的低温分离方法和装置中出现诸如此类的情况：液态产物的产量可以在多个(超过两个，例如，三个、四个或五个以上)数值之间间断地变化，或者，液态产物的产量可以在某一数值范围内(也即，无法穷尽的诸多数值之间)连续变化的情况。例如，在前述情况下，可以任选液态产物的产量相对较高和较低的两个运行状态，而这两个运行状态即可以认为是本发明中描述的第一运行模式和第二运行模式。作为示例，第一运行模式可以对应于整个方法及装置中所能获得的液态产物的最高产率，而第二运行模式可以对应于整个方法及装置中能获得的最低产率(譬如，0mol％，也即，从精馏塔系统中出来的产物均为气体而没有液体)的液态产物。如前所述，第一运行模式和第二运行模式也可以均对应于整个方法及装置中所
能获得的液态产物的中间产率(介于最高产率和最低产率之间的产率)，只是第一运行模式对应的中间产率比第二运行模式对应的中间产率高。
[0040]
在根据本发明的方法中，使用一涡轮膨胀机(图1中，第一涡轮膨胀机6)驱动热涡轮增压器(图1中，第一涡轮增压器7)，相比于第一运行模式，在第二运行模式中，驱动热涡轮增压器的涡轮膨胀机以更低的功率运行，因而热涡轮增压器也以更低的功率运行。如前面提及过的，与热涡轮增压器耦合的涡轮膨胀机的运行功率可以直接决定传递给热涡轮增压器的压缩功，因此，可以直接影响(位于热涡轮增压器下游的)后冷却器所移除的压缩热。以总进料空气的流量保持不变的情况为例，在液态产物的产率(或者，流量，因为总进料空气的流量不变)较高的第一运行模式中，引导更多(流量更高)空气通过涡轮膨胀机，可以使得驱动热涡轮增压器的涡轮膨胀机的功率增加，因此，涡轮膨胀机可以产生更大的膨胀功。这样，传递给热涡轮增压器的压缩功更多，后冷却器移除的压缩热就更多，也即，被后冷却器带走的焓更多，因而相当于为整个系统提供更多的冷量，而更多的冷量可以使得液态产物的流量(或者，产率)增加。也即，被引导经过(驱动热涡轮增压器的)涡轮膨胀机的流量越高，则液态产物的产率增加；反之亦然。可以理解，在总进料空气的流量可能变化的情况下，被引导经过(驱动热涡轮增压器的)涡轮膨胀机的流量与总进料空气的流量的比值越高，则液态产物的产率增加；反之亦然。由上可知，本发明中，通过改变驱动热涡轮增压器的涡轮膨胀机的空气的流量与总进料空气的流量的比值，可以根据实际需要获得想要的液态产物的产率。例如，在使得液态产物的待汽化液体的产率保持不变的情况下，可以使得液态产物的产品类液体的产率发生变化，从而得到不同产率或产量的液体产品。例如，可以使得空气分离装置排出的产品类液体(或者，液体产品)相对总进料空气的产率为0-4mol％，优选地1.2-3mol％。
[0041]
关于压力
[0042]
本发明提供在具有主空气压缩机、主换热器和精馏塔系统的空气分离装置中低温分离空气的方法。精馏塔系统具有在第一压力水平操作的低压塔和在第二压力水平下操作的高压塔。第一压力水平优选为1-2巴。第二压力水平优选为4-6巴，例如，5巴。所用的其他压力水平在下文中详细说明。
[0043]
本发明提供的方法中，总进料空气在主空气压缩机被压缩至第三压力水平，其高于第二压力水平。例如，第三压力水平可以是第二压力水平的两倍甚至更高。由于技术和经济的限制，几乎所有的总进料空气被压缩至第三压力水平，优选为11-28巴，例如，24巴。
[0044]
第一部分第三压力水平空气在主换热器中部分冷却，并在第一涡轮膨胀机中从第三压力水平开始膨胀。这里和下文中的冷却是指在膨胀之前和/或之后的相应的流股至少通过主换热器的一个通道至少一次。将第二部分第三压力水平空气在第一涡轮增压器中进一步压缩至第四压力水平空气，在后冷却器中冷却后，进入主换热器中继续被冷却。然后，将冷却后的第一部分第四压力水平空气在第二涡轮增压器中进一步压缩到第五压力水平，(第二涡轮增压器是典型的冷涡轮增压器)，进而，在主换热器中冷却并在第一减压装置中从第五压力水平膨胀。将冷却后的第二部分第四压力水平空气在第二涡轮膨胀机中从第四压力水平开始膨胀。将第三部分第三压力水平空气在主换热器中完全冷却，并在第二减压装置中从第三压力水平膨胀。上述膨胀后的流股均进料到精馏塔系统中。如前面提及的，第一涡轮增压器是热涡轮增压器，也即，在热态下运行，即不以冷压缩机的状态运行。而第二
涡轮增压器是冷涡轮增压器，也即，在冷态下运行。本发明提出的方法中，第二部分第三压力水平空气在第一涡轮增压器和第二涡轮增压器中连续地压缩到第五压力水平，因而可以不使用常规的再压缩机。这些再压缩机通过外部供应的能量驱动，而本发明中驱动前述两级涡轮增压器的功主要由分别与之耦合的涡轮膨胀机膨胀做功获得。
[0045]
本发明通过上述压缩使得压力水平明显高于第二压力水平的第五压力水平空气在超临界压力下通过第一减压装置，从第五压力水平开始膨胀，而第三部分第三压力水平空气则通过第二减压装置从第三压力水平开始膨胀。流经第一减压装置和第二减压装置的空气的流量在相应空气分离装置中，与所要蒸发汽化的不同压力水平的待汽化液体的流量对应。其中，流经第一减压装置的空气压力较高，需要与压力较高的待汽化液体对应。例如，在图示实施方式中，待汽化液氧g的压力高于待汽化液氮h的压力，因而流经第一减压装置的空气的流量主要取决于蒸发待汽化液氧g的流量，而流经第二减压装置的空气的流量主要取决于蒸发待汽化液氮h的流量。优选地，第四压力水平为25-39巴，第五压力水平为40-75巴，文中压力水平均指代绝对压力。
[0046]
最终，总进料空气的各部分(包括第一部分和/或第二部分第三压力水平空气)在经过上述增压、膨胀等过程后，在第一和/或第二压力水平下进料到精馏塔系统中，这同样适用于第三部分第三压力水平空气。如前所述，为了维持与待汽化液氧g的流量匹配，第二涡轮增压器的流量不可随意变动，例如，有时候需要大体维持恒定。因此，本发明在第一涡轮增压器的下游同时布置了第二涡轮增压器和第二涡轮膨胀机以实现调节功能，这与现有技术是不同的。以林德的专利申请cn106716033a为例，在图2中，当空气流股e经再压缩机7和第一涡轮增压器增压后，全部的流股e在后冷却器和主换热器中部分冷却后送入第二涡轮增压器。由于第一涡轮增压器的流股全部流向第二涡轮增压器，当第二涡轮增压器的流量不可随意变动时，第一涡轮增压器只能通过增加压比也即增加转速来接收第一涡轮膨胀机6增加的膨胀功，这极易导致第一涡轮增压器过速(或者说，压比达到上限)而出现故障。然而，本发明中，由于在第一涡轮增压器的下游同时布置第二涡轮增压器和第二涡轮膨胀机(也即，第一涡轮增压器的流股的一部分流向第二涡轮增压器，另一部分流向第二涡轮膨胀机)，所以，在第一涡轮膨胀机的膨胀功增加时，可以在例如保持第二涡轮增压器的流量大体不变的同时提高第一涡轮增压器的流量，借此来接受增加的膨胀功。这样，可以避免热态下第一涡轮增压器的过速。在有些情况下，由于实际需要，例如客户要求，待汽化液氧g的流量需要变化，相应地经过第二涡轮增压器的流股也需要变化。本发明提供的方法及装置中，由于第二涡轮增压器和第二涡轮膨胀机的流股均由第一涡轮增压器的流股提供，因此，可以在保持流经第一涡轮增压器的流量大体恒定的同时，变化或调节流经第二涡轮增压器的流量，使其与变化的待汽化液氧g的流量匹配。
[0047]
总之，由于进入第二涡轮膨胀机和第二涡轮增压器的流股都来自第一涡轮增压器，所以，各个流股的流量可以灵活地调节和变化，以适应不同需求或者不同工况。
[0048]
关于温度
[0049]
为了提供产率相对较高的液态产物，已经证明特别有利的是，在0℃-50℃的温度水平下将第二部分第三压力水平空气进料至第一涡轮增压器中进一步压缩形成第四压力水平空气。第四压力水平空气在30℃-100℃(例如，80℃)的温度水平下离开第一涡轮增压器，并在后冷却器中冷却后进入主换热器中继续被冷却至温度t。优选地，温度t是-140℃
至-50℃的温度水平。第一部分第四压力水平空气在-140℃至-50℃的温度水平下进料至第二涡轮增压器中。这一部分空气在第二涡轮增压器中再压缩之后形成第五压力水平空气，第五压力水平空气在主换热器中从-90℃至20℃的温度水平下开始冷却至-140℃至-180℃的温度水平。
[0050]
第一部分第三压力水平空气在主换热器中被部分冷却至-150℃至-90℃(进一步，-100℃至-50℃)的温度水平，并且在流经第一涡轮膨胀机之后进料到精馏塔系统中。第二部分第四压力水平空气在主换热器中被部分冷却至-150℃至-90℃(甚至到-50℃)的温度水平，然后进料至第二涡轮膨胀机中膨胀，之后进料到精馏塔系统中。
[0051]
下面结合附图1详细说明本发明所提供的实施例的结构示意图。
[0052]
图1是本发明所提供的低温空气分离装置的结构示意图。如图1所示，总进料空气a被进料到主空气压缩机1中。主空气压缩机1以高度示意性的形式示出。主空气压缩机1通常具有多个压缩级，其可以由一个或多个电动机通过共用的轴驱动。
[0053]
在主空气压缩机1的下游，被压缩的总进料空气a(图1中，在空气分离装置中所处理的全部进料空气)进入预冷和纯化设备20中以去除其中的水分和二氧化碳。压缩和纯化后的第三压力水平空气b处于例如20巴的压力水平(作为第三压力水平的示例)。在所示实施例中的第三压力水平显著高于精馏塔系统3的最高操作压力，该压力差例如至少2或4巴，优选在6-16巴之间。图示的双塔流程中，精馏塔系统3的最高操作压力为在第二压力水平下操作的高压塔5的压力，该第二压力水平优选为4-6巴。
[0054]
总进料空气a被分为流股b1、b2和b3。图1中，总进料空气a先在主换热器2的上游分成流股b1和另一流股，该另一流股进入主换热器2中部分冷却以后分成流股b2和b3。
[0055]
本发明提供的方法中，将第一部分第三压力水平空气b1在主换热器2中部分冷却至-150℃至-90℃的温度水平，在第一涡轮膨胀机6中从第三压力水平开始膨胀，然后进精馏塔系统3。将第二部分第三压力水平空气b2在第一涡轮增压器7中进一步压缩形成第四压力水平例如25巴，第二部分第三压力水平空气b2在0℃-50℃的温度水平下进料至第一涡轮增压器7中。第四压力水平空气c在30℃-100℃的温度水平下离开第一涡轮增压器7，然后在后冷却器8中第一次冷却后，进入主换热器2中被第二次冷却。将第三部分第三压力水平空气b3在主换热器2中完全冷却至-140℃至-180℃的温度水平，并在第二减压装置12中从第三压力水平开始膨胀，然后进精馏塔系统3。参见图1，第二次冷却可以是部分冷却(或称，非完全冷却)，也即，第四压力水平空气c从主换热器2的热端进入主换热器2，然后从主换热器2的热端和冷端之间的位置出来。
[0056]
将第二次冷却后的第一部分第四压力水平空气c1在-140℃至-50℃的温度水平下进料至第二涡轮增压器9中进一步压缩到第五压力水平例如45巴。第五压力水平空气d在主换热器2中从-90℃至20℃的温度水平下开始第三次冷却至-140℃至-180℃的温度水平，并在第一减压装置10中从第五压力水平开始膨胀，然后进精馏塔系统3。参见图1，第三次冷却时，第五压力水平空气d可以从主换热器2的热端和冷端之间的位置进入主换热器2，然后从主换热器2的冷端出来。
[0057]
可以理解，减压装置10、12可以是图1所示的节流阀，也可以是其他可减压的装置诸如膨胀机(特别地，液体膨胀机)。
[0058]
相比于在主空气压缩机下游布置再压缩机来提供高度压缩的流股的对比例，本发
明提供的方法中，第一涡轮增压器7下游再布置第二涡轮增压器9的配置使得空气流股容易被连续地压缩到与待汽化液体匹配的压力水平，可以替代再压缩机。因此，两个涡轮增压器连续布置的配置可以降低投资成本，也降低能耗，以及降低系统的复杂度。
[0059]
进一步，如前所述，第一涡轮增压器7实质上为热涡轮增压器，而第二涡轮增压器9实质上为冷涡轮增压器。值得注意的是，相比于热态，在冷态下，涡轮增压器在接收相同的膨胀功时，可以具有更高的压比。相比于两个热涡轮增压器的对比例，在热涡轮增压器下游再布置冷涡轮增压器，可以整体更容易实现对空气流股的高度压缩。因此，本发明例如可以利用冷涡轮增压器增加的压比来匹配更高压力水平的待汽化液体。又或者，本发明例如可以在匹配的待汽化液体的压力水平不变的情况下，减少主空气压缩机的压比，这样可以减少能耗。
[0060]
将第二次冷却后的第二部分第四压力水平空气c2在主换热器2中被部分冷却至-150℃至-90℃的温度水平，然后在第二涡轮膨胀机11中膨胀，之后进精馏塔系统3。
[0061]
需要理解，文中使用第一次冷却、第二次冷却、第三次冷却仅是为了表征相应冷却步骤之间的先后顺序，以更清楚地描述整个方法。该表述并不限定相应空气仅仅经过相应次数的冷却。例如，文中描述的先后两次冷却之间可以进一步设置其他冷却手段或冷却处理。但是，可以理解，如图示实施方式中所示出的冷却处理的过程是优选的。
[0062]
需要理解，虽然图1中第一涡轮膨胀机6和第二涡轮膨胀机11分别驱动第一涡轮增压器7和第二涡轮增压器10，但是，涡轮膨胀机6、11对涡轮增压器7、10的驱动作用可以反过来。也即，两个涡轮膨胀机分别驱动或者一一对应地机械连接两个涡轮增压器即可。换言之，在优选的图1所示的实施方式中，第一涡轮膨胀机6驱动第一涡轮增压器7，第二涡轮膨胀机11驱动第二涡轮增压器9。然而，在另一实施方式中，第一涡轮膨胀机6可以驱动第二涡轮增压器9，第二涡轮膨胀机11可以驱动第一涡轮增压器7。在主换热器2中冷却之后，位于减压装置10、12上游的第五压力水平空气d为处在超临界压力下的液态，第三部分第三压力水平空气b3也处在液态。超临界流体的属性介于气态和液态之间。
[0063]
精馏塔系统3以高度简化的形式示出。精馏塔系统3包括至少一个在1-2巴的压力水平(这里被指定为第一压力水平)下操作的低压塔4和在4-6巴的压力水平(这里被指定为第二压力水平)下操作的高压塔5，其中低压塔4和高压塔5经由主冷凝器进行热联接。由于为本领域技术人员所熟知，附图中没有具体描绘低压塔4和高压塔5进料以及连接主冷凝器的管道、阀、泵、和其他的热交换器等。
[0064]
图示实施方式中，流股b1、b2和b3均被进料到高压塔5中。然而，也可以提出，例如，在适当膨胀之后将第一部分第三压力水平空气b1和/或第二部分第四压力水平空气c2进料到低压塔4中。其中有一种情况就是，将第一部分第三压力水平空气b1和第二部分第四压力水平空气c2都膨胀到第一压力水平，然后合并形成第一压力进料空气e进料至低压塔4中。第五压力水平空气d和第三部分第三压力水平空气b3都膨胀到第二压力水平，然后合并形成第二压力进料空气f进料至高压塔5中。
[0065]
需要理解，文中总进料空气a经过各种处理以后，可能在部分位置的流股已经处于液态、气液混合态等。文中考虑到各种处理并未使得相应流股的成分发生改变，因此，有时仍然称之为空气。例如，第二压力进料空气f虽然称之为空气，然而实质上主体为液态。
[0066]
如图1所示，空气分离装置包括主空气压缩机1、主换热器2和精馏塔系统3。精馏塔
系统3具有在第一压力水平下操作的低压塔4和在第二压力水平下操作的高压塔5。主空气压缩机1将总进料空气a压缩至高于第二压力水平的第三压力水平空气。
[0067]
空气分离装置还包括第一涡轮膨胀机6、第一涡轮增压器7、后冷却器8、第二涡轮增压器9和第二涡轮膨胀机11。
[0068]
第一部分第三压力水平空气在主换热器2中部分冷却，并且由第三压力水平开始在第一涡轮膨胀机6中膨胀。第二部分第三压力水平空气在第一涡轮增压器7中进一步压缩形成第四压力水平空气。第四压力水平空气在后冷却器8中第一次冷却后，进入主换热器2中被第二次冷却。第二次冷却后的第一部分第四压力水平空气在第二涡轮增压器9中进一步压缩到第五压力水平，在主换热器2中第三次冷却并由第五压力水平开始在第一减压装置10中膨胀。第二次冷却后的第二部分第四压力水平空气由第四压力水平开始在第二涡轮膨胀机11中膨胀。
[0069]
图示的空气分离装置中，总进料空气a的各部分在第一和/或第二压力水平下进料到精馏塔系统3中，在精馏塔系统3中获得液态产物。
[0070]
发明人分析认为，可以通过使得后冷却器8造成的焓降变化，来实现液态产物的产率的变化。例如，后冷却器8造成的焓降越多，则液态产物的产率(产量)越高。特别地，在待汽化液体的产率不变的情况下，产品类液体(液体产品)的产率越高。而后冷却器8造成的焓降越少，则液态产物的产率越低。进一步，为了使得后冷却器8造成较多的焓降，可以通过提供较多的流股(较高的流量)流经第一涡轮膨胀机6来提供较多的膨胀功，从而使得第一涡轮增压器7提供较多的压缩功。然而，第一涡轮增压器7所能提供的压比通常有上限，图1中例如最高仅为1.6。为了防止第一涡轮增压器7在热态下过速(或者，压比达到上限)，本发明提供的上述方法及装置中，可以使得流经第一涡轮增压器7的流股(第四压力水平空气c)的流量更多。
[0071]
背景技术提及的现有的低温空气分离方法中，流经第二涡轮增压器的流股必须与相应待汽化液体的流股匹配，且流经第一涡轮增压器和第二涡轮增压器的流股为同一流股。当待汽化液体的产量不变时，流经第一涡轮增压器的流股无法变化。因此，当第一涡轮膨胀机6做更多的膨胀功以此实现更高的液态产物的产量时，第一涡轮增压器7仅能通过提升压比(或，增加转速)来接收增加的膨胀功。这样，第一涡轮增压器7在热态下很容易过速而故障，而无法实现液态产物的产率的增加。相比于前述现有的低温空气分离方法，本发明的方法及装置可以通过调节流经第一涡轮增压器7的流股的流量来实现焓降的变化，不会出现第一涡轮增压器7过速而故障的状况，可以便捷地调节液态产物的产率。
[0072]
另外，背景技术提及的现有的低温空气分离方法，在热涡轮增压器的压比受限而无法接收较多的膨胀功的情况下，仅能通过在热涡轮增压器和主空气压缩机之间设置再压缩机来试图获得较高产率的液态产物。而本发明的方法和装置中，在保持第二部分第四压力水平空气c2与待汽化液氧g流量匹配的同时，可以容易地通过第四压力水平空气c的流量的变化例如增加来接收较多的膨胀功，从而使得后冷却器8造成的焓降增多，因而可以获得较高产率的液态产物，诸如在第一运行模式中。因此，相比于前述现有的低温空气分离方法，无需增设再压缩机，投资成本更低，能耗也更少。
[0073]
关于第一运行模式和第二运行模式
[0074]
在图1示出的实施方式中，从空气分离设备中获得的液态产物图示为包括产品类
液体q、待汽化液氧g和待汽化液氮h。可以理解，虽然产品类液体q仅示出为单个流路，实质上例如可以包含多个流路，例如分别对应产品类液氧(lox)、产品类液氮(lin)和产品类液氩(lar)的三个流路。本发明的方法中，在第一运行模式中获得第一产率的液态产物。在第二运行模式中获得第二产率的液态产物。第二产率少于第一产率。被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气b1的流量与总进料空气a的流量的比值r1在第二运行模式中比在第一运行模式中少。优选地，比值r1在第二运行模式中至少比在第一运行模式中少0.5％。也即，两个运行模式下的比值r1的差值不少于0.5％，进一步优选地，不少于1.5％。在液态产物的产率较高的第一运行模式中，比值r1例如最高可以达到90％。例如，在总进料空气a的流量保持不变的情况下，可以直接通过调节被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气b1的流量来调节比值r1。
[0075]
空气分离装置可以包括用于在第一运行模式和第二运行模式之间进行切换的器件。该器件例如可以是调节件13。调节件13设置成调节被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气b1的流量与总进料空气a的流量的比值r1，使得低温空气分离装置在第一运行模式和第二运行模式之间进行切换。优选地，例如在总进料空气a的流量保持不变的情况下，调节件13可以直接通过调节被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气b1的流量来调节比值r1。
[0076]
在第一运行模式中，通过空气分离装置获得第一产率的液态产物。在第二运行模式中，通过空气分离装置获得第二产率的液态产物。其中，第二产率少于第一产率。图1中，调节件13是第一涡轮膨胀机6本身，也即，可以通过操作第一涡轮膨胀机6来直接调节第一涡轮膨胀机6的流量。在另一实施方式中，调节件13例如可以是调节阀，设置于合适的流路中，例如设置于主换热器2和第一涡轮膨胀机6之间的流路中。
[0077]
前面提及各流股例如c、c1的流量均可调。进行模式切换的前述器件还可以包括其他调节件。其他调节件例如包括用于调节第四压力水平空气c的流量的调节阀，又例如包括用于调节第一部分第四压力水平空气c1的流量的调节阀。又或者，通过调节第二涡轮膨胀机c2来调节第四压力水平空气c或者第一部分第四压力水平空气c1的流量。再或者，通过调节涡轮增压器7、9自身来调节流经的流量。
[0078]
在一个实施方式中，进行模式切换的前述器件还可以涉及复杂的控制装置诸如计算机。控制装置和各调节件例如能够在共同作用中实现运行模式之间至少部分自动化的切换。譬如，控制装置和各调节件可以组成一个相应编程的运行控制系统。
[0079]
第一以下通过表1具体列出了作为示例的第一运行模式和第二运行模式的参数。
[0080]
表1
[0081][0082]
表1中的各数据针对的是图1示出的方法及装置。其中，使用的空气分离装置的氧产量为1600t/d。
[0083]
值得留意的是，作为示例，在表1提供的实施例中，第一运行模式和第二运行模式下，总进料空气a的流量(也即，进料总量)是大体不变的。由于第三部分第三压力水平空气b3的流量在两个运行模式下略微变化，所以，表1中显示的第一涡轮增压器7的流量(也即，第二部分第三压力水平空气b2的流量)和第一涡轮膨胀机6的流量(也即，第一部分第三压力水平空气b1的流量)的总和也略微变化。
[0084]
还值得留意的是，在表1提供的实施例中，第一运行模式和第二运行模式下，待汽化液体(包括待汽化液氧g和待汽化液氮h)的产率(产量)也是大体不变的。因此，液态产物的产率的变化主要体现在产品类液体q的产率的变化。由于总进料空气a的流量不变，所以，被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气的流量与总进料空气a的流量的比值的变化实质上直接通过第一涡轮膨胀机6的流量的变化来体现。
[0085]
在表1提供的实例中，第一运行模式中，液体产品的产率为2.6％。在第一运行模式中，被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气的流量为104900nm3/h，第一涡轮膨胀机6的功率大约1172kw。在第二运行模式中，液体产品的产率为1.2％。在第二运行模式中，被引导经过第一涡轮膨胀机6的第一部分第三压力水平空气的流量比第一运行模式少，第一涡轮膨胀机6以低功率运行。此时，第一涡轮膨胀机6的流量为99000nm3/h，第一涡轮膨胀机6的功率大约1131kw。
[0086]
相比于第二运行模式，在第一运行模式中，利用更多(流量更高)空气通过第一涡轮膨胀机，使得第一涡轮膨胀机产生更大的膨胀功，从而传递给第一涡轮增压器的压缩功更多。这样，后冷却器移除的压缩热就更多，被后冷却器带走的焓更多，因而相当于为整个系统提供更多的冷量，因此，液态产物的产率更高。以表1提供的实例为例，第一运行模式的总焓降1008159kcal/h，而第二运行模式的总焓降972719kcal/h，所以，第一运行模式可以产生更多的液态产物。因而，在待汽化液体保持不变的情况下，液体产品(产品类液体)更多。因此，上述方法及装置特别适合于产出更高产量的液态产物。
[0087]
上述方法及装置中，如前所述，经由第一涡轮增压器7增压后由后冷却器8冷却的流股不仅通向下游的第二涡轮增压器9，还通向下游的第二涡轮膨胀机11。也即，第四压力水平空气c分流成第一部分第四压力水平空气c1和第二部分第四压力水平空气c2。因此，相
比于第四压力水平空气c仅流向第一部分第四压力水平空气c1的对比例而言，本发明可以在相应流股(第一部分第四压力水平空气c1)的流量始终保持与待汽化液氧g匹配的同时，使得流经第一涡轮增压器7的流股(第四压力水平空气c)的流量显著增加。这样，在调节特别是增加流经第一涡轮膨胀机6的流股(第一部分第三压力水平空气b1)的流量时，不容易出现第一涡轮增压器7的过速问题。因此，可以通过调节第一涡轮膨胀机6的流量，即可容易地实现液态产物特别是液体产品的产率或产量的调节，使得空气分离装置在液态产物的产率不同的第一运行模式和第二运行模式之间切换。
[0088]
除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。
[0089]
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。