空氣分離系統和方法與流程

2023-06-15 10:24:02 2

本發明涉及空氣分離方法和設備，其中通過以下過程供給空氣分離裝置製冷：由壓縮淨化空氣形成壓縮空氣流，在渦輪膨脹機中使壓縮空氣流膨脹以產生排出流，然後將排出流引入蒸餾塔系統，而產生一種或多種液體產物。更具體地，本發明涉及這樣一種方法和設備，其中所述壓縮空氣流要麼先被增壓壓縮機進一步壓縮後再膨脹，以提高製冷並增加液體產物的產量，要麼繞過增壓壓縮機，以降低製冷並減少液體產物的產量。

背景技術：

目前，在採用低溫精餾的空氣分離裝置中將空氣分離成包括氮、氧和氬在內的產物。在此類裝置中，空氣依次被壓縮、純化去除沸點較高的汙染物(諸如二氧化碳和水)、冷卻至適合將空氣蒸餾的溫度，然後被引入蒸餾塔系統。

在一個典型的蒸餾塔系統內，空氣在高壓塔中被分離成塔頂富氮蒸氣和塔底原始液態氧(也稱為釜液(kettle liquid))。塔底原始液態氧流被引入低壓塔，以進一步精製為塔底富氧液體和塔頂富氮蒸氣。低壓塔在比高壓塔低的壓力下運行，其通過熱交換器(稱為冷凝器再沸器)熱連接到高壓塔。冷凝器再沸器通過使塔頂富氮蒸氣流與塔底富氧液體間接熱交換而將所述蒸氣流冷凝，由此在高壓塔和低壓塔兩者中產生液氮回流，並且在低壓塔中通過蒸發在該塔中產生的部分塔底富氧液體而建立滾沸。

在任何類型的空氣分離裝置中，將可由富氮和富氧液體和蒸氣構成的液體和蒸氣引入主熱交換器，使其在通過主熱交換器的過程中與進入的空氣進行間接熱交換，從而幫助空氣冷卻，並且從自主熱交換器溫端取出作為產物。另外，富集了氧、氮或這兩者的液體產物可從蒸餾塔系統取出作為液體產物。而且，可泵送從塔取出的液體流的一部分或全部，以產生泵送的或加壓的液體，這種液體在主熱交換器或分離的熱交換器中得到加熱，所述分離的熱交換器被設計為在高壓下運行並產生作為蒸氣或超臨界流體的富集產物。

因為必須將空氣分離裝置保持在深冷溫度下才能使空氣得到蒸餾，所以，必須供給該裝置製冷(refrigeration)，以補償洩漏到裝置中的熱以及主熱交換器或與其聯合運行的另一熱交換器的溫端損失。另外，由於取出液體產物也移出所供給的製冷，所以還必須通過向裝置中引入製冷而作出補償。這一般通過將壓縮淨化空氣引入增壓壓縮機形成壓縮空氣流而實現。經過這種進一步壓縮的壓縮空氣流然後被直接引入渦輪膨脹機，或在被部分冷卻後再引入渦輪膨脹機，以產生被引入蒸餾塔系統的排出流。就這一點而言，這種排出流可被引入低壓塔或高壓塔。

在很大程度上，運行空氣分離裝置時的持續開銷是壓縮空氣時所消耗功率的成本。如上所述，在液體被當作產物的情況下，勢必需要進一步壓縮，以產生在生成這類液體產物時將需要的製冷。然而，對液體產物的需求和功率成本並非恆定不變。例如，相比白天的功率成本和對液體的需求，夜晚期間的功率成本和對液體的需求往往較低。因此，空氣分離裝置可被設計成在功率比較便宜時周期性地產生較大份額的液體產物或高壓產物。

許多空氣分離裝置還需要改變所產生的氣體產物和液體產物的壓力。例子可包括對多條管道供料的空氣分離裝置，或被專門設計成具有雙核心或雙冷卻箱以產生不同壓力的產物的雙重空氣分離裝置。在此類情況下，偶爾需要改變產物搭配組合，這需要切換或重置到高壓產物或高壓管道，或者從高壓產物或高壓管道進行切換或重置。還有一種常見的情形是雙壓或單壓空氣分離裝置，該裝置選擇性地改變產物構成，在功率比較便宜時產生更多的氬或低壓氮來代替高壓或中壓氧。

用於實現產物壓力的這種變化的常規解決方案或技術是調整壓縮機導流葉片以降低BAC壓力。然而，在降低產物壓力時，調整壓縮機導流葉片以降低BAC壓力的常規解決方案通常只能節省很少的功率，甚至完全不省電，因而不會顯著降低成本。如下文將討論的，本發明提供了空氣分離方法和空氣分離裝置，除其它優點外，其允許繞過增壓壓縮機，而相比現有技術所預期的，以更高的效率且節省更多的成本來調低或調高加壓產物的壓力和/或生產率。

技術實現要素：

本發明可被表徵為一種在空氣分離裝置中分離空氣的方法，該方法包括：(i)在空氣分離裝置內分離壓縮淨化空氣，以通過加熱富集該壓縮淨化空氣的某一組分的一股或多股加壓液體流而產生包含一種或多種加壓產物的多股產物流；(ii)改變所述一股或多股加壓液體流的流量或所述一股或多股加壓液體流的壓力，繼而改變所述加壓產物的生產率或壓力；(iii)將一部分壓縮淨化空氣轉移到旁路系統，以產生壓縮輸出流；(iv)在加壓液體流的流量或壓力增大時，選擇性地將所述一部分壓縮淨化空氣引入旁路系統的增壓壓縮機線路以進一步壓縮所述壓縮淨化空氣，從而產生壓力較高的壓縮輸出流，或者在加壓流體流的流量或壓力降低時，選擇性地將所述一部分壓縮淨化空氣引入旁路系統的旁路線路，而產生壓力較低的壓縮輸出流；以及(v)傳遞所述壓縮輸出流，使其與所述加壓液體流進行間接熱交換，而產生一種或多種加壓產物。

本發明還可被表徵為一種空氣分離系統，該系統包括：(a)進氣系統，該進氣系統包括主空氣壓縮機、與主空氣壓縮機連接的淨化單元，該進氣系統被配置成產生壓縮淨化空氣流；(b)旁路系統，該旁路系統包括增壓壓縮機線路、一個或多個壓縮機、旁路線路，以及多個控制通過增壓壓縮機線路和旁路線路的流的控制閥，該旁路系統被配置成接收第一部分的壓縮淨化空氣流並將其調節為壓縮輸出流；(c)與進氣系統和旁路系統流動連通的主熱交換器，該主熱交換器系統被配置成接收所述經調節的壓縮輸出流、從進氣系統接收第二部分的壓縮淨化空氣流，並冷卻相應流；(d)蒸餾塔系統，所述蒸餾塔系統包括與主熱交換器連接的高壓塔和低壓塔，並且被配置成精餾冷卻的所述壓縮輸出流，從而產生一系列的產物；(e)渦輪膨脹機，所述渦輪膨脹機與主熱交換器流動連通，並且被配置成接收並膨脹冷卻的第二部分的壓縮淨化空氣流以產生功率和排出流，其中所述排出流被引入蒸餾塔系統，以供給空氣分離裝置附加的製冷；以及(f)控制系統，所述控制系統可操作地至少聯接到所述旁路系統以控制所述多個控制閥，以選擇性地將第一部分的壓縮淨化空氣流引入增壓壓縮機線路而產生壓力較高的壓縮輸出流；或引入旁路線路而產生壓力較低的壓縮輸出流。旁路系統進一步被配置成在產生壓縮輸出流期間防止增壓壓縮機出現喘振狀況，以及在產生壓力較低的壓縮輸出流期間在增壓壓縮機線路內維持吹掃流。

本發明所公開的系統和方法的一些實施例被配置成在從產生壓力較低的壓縮輸出流轉變為產生壓力較高的壓縮輸出流的情況下，逐漸將所述部分的壓縮空氣流從旁路線路轉移到增壓壓縮機線路。類似地，本發明所公開的系統或方法還在從產生壓力較高的壓縮輸出流轉變為產生壓力較低的壓縮輸出流的情況下，逐漸將所述部分的壓縮空氣流從增壓壓縮機線路轉移到旁路線路。

本發明所公開的系統和方法還可在增壓壓縮機被停用的情況下，使循環流和/或吹掃流在增壓壓縮機線路內循環流動。所述循環流通常從增壓壓縮機線路中的壓縮機的出口流向增壓壓縮機線路中的壓縮機的入口。所述吹掃流可為淨化的低壓氣體，經由低壓氣體供應管被供應至增壓壓縮機線路中的一個或多個壓縮機，並且在增壓壓縮機線路中的所述一個或多個壓縮機被停用時經由排放管排放。吹掃流的用途是防止環境空氣進入增壓壓縮機線路中的增壓壓縮機。

在本發明的一些實施例中，將第二部分的壓縮淨化空氣轉移到空氣分離裝置中的主熱交換器的溫端。該第二部分的壓縮淨化空氣可被冷卻或部分冷卻至中間溫度(介於主熱交換器溫端的溫度與主熱交換器冷端的溫度之間)。該冷卻的第二部分的壓縮淨化空氣然後在渦輪膨脹機內膨脹，以產生功率和排出流。該冷卻的第二部分的壓縮淨化空氣在渦輪膨脹機內膨脹所產生的製冷優選地被供給空氣分離裝置的蒸餾塔系統，更具體地，被供給高壓蒸餾塔和/或低壓蒸餾塔。

本發明還可被表徵為一種在空氣分離裝置中產生雙重(dual)加壓氧產物的方法，該方法包括：(i)將壓縮淨化空氣流轉移到旁路系統，以產生一股或多股壓縮輸出流；(ii)在空氣分離裝置的第一蒸餾塔系統內分離所述一股或多股壓縮輸出流的一部分，以產生多股產物流，包括高壓的第一加壓液態氧流；(iii)在第一主熱交換器內經由與所述一股或多股壓縮輸出流進行間接熱交換來加熱第一加壓液態氧流，以產生第一加壓氧產物流；(iv)在空氣分離裝置的第二蒸餾塔系統內分離所述一股或多股壓縮輸出流的一部分，以產生多股產物流，包括中壓或低壓的第二加壓液態氧流；(v)在第二主熱交換器內經由與所述一股或多股壓縮輸出流進行間接熱交換來加熱第二加壓液態氧流，而產生第二加壓氧產物流；(vi)改變第一加壓液態氧流或第二加壓液態氧流的壓力或流量，繼而分別改變第一加壓氧產物流或第二加壓氧產物流的壓力或流量；(vii)當期望中壓或低壓的加壓氧產物流的產量增加時，降低第一加壓液態氧流的壓力或流量，繼而降低第一加壓氧產物流的壓力或流量，使其接近或匹配第二加壓氧產物流的壓力，並且其中選擇性地將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣引入旁路線路，以產生壓力較低的一股或多股壓縮輸出流；以及(viii)當期望高壓的加壓氧產物流的產量增加時，增大第二加壓液態氧流的壓力或流量，繼而增大第二加壓氧產物流的壓力或流量，使其接近或匹配第一加壓氧產物流的壓力，並且其中選擇性地將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣引入增壓壓縮機線路，以產生壓力較高的一股或多股壓縮輸出流。

本發明的另一種應用是作為在空氣分離裝置中產生雙重加壓氧產物的方法，該方法包括：(i)將一部分壓縮淨化空氣流轉移到旁路系統，以產生壓縮輸出流；(ii)在空氣分離裝置的蒸餾塔系統內分離所述壓縮輸出流，以產生多股產物流，包括至少一股加壓液態氧流；(iii)在主熱交換器內經由與所述壓縮輸出流進行間接熱交換來加熱所述至少一股加壓液態氧流，以產生高壓的第一加壓氧產物流和低壓或中壓的第二加壓氧產物流；以及(iv)改變所述至少一股加壓液態氧流的壓力或流量，繼而改變第一加壓氧產物流或第二加壓氧產物流的壓力或流量。當第一加壓氧產物流或第二加壓氧產物流的壓力或流量增大時，選擇性將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣引入增壓壓縮機線路以進一步壓縮所述壓縮淨化空氣，從而產生壓力較高的壓縮輸出流。類似地，當第一加壓氧產物流或第二加壓氧產物流的壓力或流量降低時，選擇性將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣引入旁路線路，而產生壓力較低的壓縮輸出流。本發明在雙重加壓產物型空氣分離裝置中的此類應用在存在從高壓氧產物轉變為中壓或低壓氧產物(反之亦然)的需求時尤其有益。本發明的方法在調整雙重加壓產物之間的劃分或比率是也是有益的。

本發明的又一種應用是作為在空氣分離裝置中產生加壓氧產物流的方法，該方法包括：(i)將一部分壓縮淨化空氣流轉移到旁路系統，以產生壓縮輸出流；(ii)在空氣分離裝置的蒸餾塔系統內分離所述壓縮輸出流，以產生多股產物流，包括一股或多股加壓液態氧流，任選地包括氮產物流或氬產物流；(iii)在主熱交換器內經由與所述壓縮輸出流進行間接熱交換來加熱所述一股或多股加壓液態氧流，而產生加壓氧產物流；(iv)當氮產物流或氬產物流的產量增加時，降低所述一股或多股加壓液態氧流的壓力或流量，繼而降低加壓氧產物流的壓力或流量，並且其中當氮產物流或氬產物流的產量增加時，選擇性地將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣引入旁路線路，而產生壓力較低的壓縮輸出流；以及(v)當氮產物流或氬產物流的產量降低時，增大所述一股或多股加壓液態氧流的壓力或流量，繼而增大加壓氧產物流的壓力或流量，並且其中當氮產物流或氬產物流的產量降低時，選擇性地將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣引入增壓壓縮線路，而產生壓力較高的壓縮輸出流。本發明此類應用於存在在單加壓產物裝置或雙重加壓產物裝置中需要增大氬回收率或氮回收率的運行設置時尤其有益。在雙重加壓產物裝置中，為了增大氬回收率或氮回收率而減少或調低氧加壓產物的產量，可引起高壓氧產物流轉變為中壓流，或可引起高壓氧產物流轉變為低壓氧產物流。

本發明還有一種應用是作為提升空氣分離裝置中的加壓氧產物的生產的方法，該方法包括：(i)將一部分壓縮淨化空氣流轉移到旁路系統，以產生壓縮輸出流；(ii)在空氣分離裝置的蒸餾塔系統內分離所述壓縮輸出流，以產生多股產物流，包括加壓液態氧流；(iii)在主熱交換器內經由與所述壓縮輸出流進行間接熱交換來加熱所述加壓液態氧流，而產生加壓氧產物流；(iv)改變加壓液態氧流的壓力或流量，繼而改變所述加壓氧產物流的壓力或流量；以及(v)通過下述方式提升空氣分離裝置中的加壓氧產物的產量：將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣轉移到增壓壓縮迴路中，以產生壓力較高的壓縮輸出流，由此增大加壓液態氧流的壓力或流量，繼而增大加壓氧產物流的壓力或流量，從而產生高壓加壓氧產物流；或者將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣轉移到旁路線路中，以產生壓力較低的壓縮輸出流，由此降低加壓液態氧流的壓力或流量，繼而降低加壓氧產物流的壓力或流量，從而產生低壓加壓氧產物流。

最後，本發明還有一種應用是作為調整空氣分離裝置中兩種或更多種加壓氧產物的產量的劃分的方法，該方法包括：(i)將一部分壓縮淨化空氣流轉移到旁路系統，以產生壓縮輸出流；(ii)在空氣分離裝置的蒸餾塔系統內分離所述壓縮輸出流，以產生多股產物流，包括兩股或更多股加壓液態氧流；(iii)在主熱交換器內經由與所述壓縮輸出流進行間接熱交換來加熱所述加壓液態氧流，而產生高壓的第一加壓氧產物流和低壓或中壓的第二加壓氧產物流；(iv)改變至少一股加壓液態氧流的壓力或流量，繼而改變第一加壓氧產物流或第二加壓氧產物流的壓力或流量；以及(v)通過下述方式調整第一加壓氧產物流產量與第二加壓氧產物流產量之間的劃分：當第一加壓氧產物流的流量增大時，將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣轉移到增壓壓縮機線路中，從而產生壓力較高的壓縮輸出流，而當第一加壓氧產物流的流量降低時，將旁路系統中的一部分壓縮淨化空氣轉移到旁路線路中，從而產生壓力較低的壓縮輸出流。

附圖說明

雖然本說明書的結論是申請人視為其發明內容且清楚地指出發明主題的權利要求書，但相信本發明及其優勢在結合附圖考慮時將被更好地理解，其中：

圖1是根據本發明的一個實施例的空氣分離裝置的示意圖；

圖2是根據本發明的一個替代實施例的空氣分離裝置的示意圖。

在附圖中，各圖示出的完全相同或幾乎相同的部件由類似的附圖標記表示。

具體實施方式

參照圖1和圖2，其中示出了根據本發明的空氣分離裝置1的實施例。如下文將討論的，空氣分離裝置1被設計為通過下述方式精餾空氣：首先在進氣系統5中壓縮並淨化進料空氣流10，然後在主熱交換器2內冷卻所得的壓縮淨化空氣，接下來在蒸餾塔系統3內蒸餾該壓縮淨化空氣，分別產生液態氧產物流130和液態氮產物流114，以及加壓氧產物流136、氣態氮產物流122和氣態廢氮流126。儘管未示出，但本發明還可與被設計為額外產生也可作為液體獲得的氬產物或氧和氮的其他產物構成的空氣分離裝置結合使用。空氣分離裝置1還可設置有旁路系統4，以產生高壓或低壓的壓縮輸出流，這些壓縮輸出流用於間接地加熱來自蒸餾塔系統的一股或多股加壓液體流，並產生一股或多股加壓產物流。空氣分離裝置1還被配置成響應於通過旁路系統4的流改變加壓液體流的流量和/或壓力，繼而改變加壓產物的生產率和/或壓力。

更具體地，進料空氣流10被具有入口導流葉片13的主空氣壓縮機12壓縮，以產生壓縮空氣流14。壓縮空氣流14然後被引入預淨化單元16，以得到壓縮淨化空氣流18。如本領域已知的那樣，預淨化單元16被設計為從空氣中去除沸點較高的雜質，諸如水蒸氣、二氧化碳和烴類。這種預淨化單元16可包含以異相循環運行的吸附床，所述異相循環是變溫吸附循環、變壓吸附循環或這兩種循環的組合。

如圖1和圖2所見，壓縮淨化空氣流18被引入增壓壓縮機20，然後被分成第一壓縮空氣流22和第二壓縮空氣流24。第一壓縮空氣流在旁路系統4的增壓壓縮機26中被進一步壓縮成壓縮流28，而第二壓縮空氣流24可任選地在增壓壓縮機30中被進一步壓縮而形成進一步壓縮的空氣流32，用於將在下文討論的目的。

值得注意的是，根據本發明的實施例，增壓壓縮機可具有各種布置方式。例如，不存在增壓壓縮機20的實施例是可行的。在這種情況下，旁路系統4內的增壓壓縮機26進一步壓縮所述壓縮淨化空氣流的第一部分以產生壓縮流28，而第二增壓壓縮機30進一步壓縮所述壓縮淨化空氣流18的第二部分以產生進一步壓縮的空氣流，但該進一步壓縮的空氣流的壓力比進一步壓縮的空氣流32低。

本發明實施例的另一種可能形式或變型是保留增壓壓縮機20，但將增壓壓縮機30移除。在這種情況下，整股壓縮淨化空氣流18將在增壓壓縮機20中得到進一步壓縮。這種進一步壓縮的空氣流的第一部分將被轉移到旁路系統4，隨後仍在增壓壓縮機26中被進一步壓縮成壓縮流28。這種進一步壓縮的空氣流的第二部分將包含進一步壓縮的空氣流32。

在又一個實施例中，將不存在增壓壓縮機26，因此，壓縮淨化空氣流18將在增壓壓縮機20中得到壓縮，隨後其第一部分將被轉移到旁路系統4，而其第二部分將在增壓壓縮機30中被壓縮成進一步壓縮的空氣流32。

壓縮空氣流28隨後被引入具有旁路分支38和增壓壓縮機分支40的旁路系統4的分支流動路徑。增壓壓縮機分支40被進一步表徵為具有一個或多個增壓壓縮機級42、43，以及循環迴路44、排放線路57和低壓氣體供應線路55。所述分支流動路徑排放由壓縮空氣流28組成的壓縮輸出流46，該壓縮輸出流的壓力取決於壓縮空氣流28是被引入旁路分支38還是增壓壓縮機分支40。

在壓縮流28被引入增壓壓縮機分支40的情況下，其被增壓壓縮機級42、43進一步壓縮，從而允許產生壓力較高的壓縮輸出流46。與之相比，在壓縮流28被引入旁路分支38的情況下，其繞過了增壓壓縮機級42、43，因此，壓縮輸出流46的壓力較低，約等於進入的壓縮流28的壓力。旁路分支38通常包括較少的管路和閥，這轉化為較小的壓力降或壓力損失。在增壓壓縮機分支40內，循環迴路44允許不取決於壓縮空氣流28在旁路分支38與增壓壓縮機分支40之間以何種方式重定向，都可在增壓壓縮機級42、43兩端維持一定的壓力比，由此防止增壓壓縮機級42、43出現喘振運行狀況。

按照下文將更詳細討論的方式，壓縮空氣流28在增壓壓縮機分支40和旁路分支38之間的轉移受到分別位於增壓壓縮機分支40和旁路分支38內的第一流動控制閥48和第二流動控制閥50的有源控制，還受到位於旁路分支38中的止回閥54的無源控制。循環迴路44中的第三控制閥56有源地控制循環迴路44內的循環流的流動。一旦壓力超過預設值，排放線路57中的閥58便可操作地清除來自循環迴路44的流。設置在低壓氣體供應線路中的閥62根據需要(尤其是在增壓壓縮機級42、43被停用期間)控制低壓氣體流引入增壓壓縮機級42、43。

壓縮輸出流46然後在主熱交換器2內被充分冷卻，並冷凝產生液態空氣流68，而從來自圖示實施例中的旁路系統4的壓縮輸出流46提取的熱則優選地用於加熱被泵送以產生加壓液體產物流136的富氧液體流128的一部分。液態空氣流68藉助膨脹閥76被膨脹為高壓塔的壓力，並被分成第一子液態空氣流78和第二子液態空氣流80。第二子液態空氣流80被引入高壓蒸餾塔70，而第一子液態空氣流78被閥76進一步膨脹並引入低壓蒸餾塔72。

在圖示實施例中，第二壓縮空氣流24在增壓壓縮機30中被進一步壓縮，以形成進一步壓縮的空氣流32。進一步壓縮的空氣流32被部分冷卻至中間溫度(介於主熱交換器2的溫端與冷端的溫度之間)以產生部分冷卻流63，該部分冷卻流被引入任選的渦輪膨脹機64從而產生排出流66。排出流66被引入高壓蒸餾塔70，以供給由膨脹產生的製冷。由渦輪膨脹機64產生的膨脹功在因聯接到發電機67而產生功率的過程中被耗散掉。渦輪膨脹機64兩端的壓力比以及由此產生的製冷都將取決於進一步壓縮的空氣流32的壓力。排出流可被導向高壓塔70或低壓塔72，具體取決於排出流的壓力。圖1描繪的是排出流66被引入高壓塔70，而圖2描繪的是排出流66被引入低壓塔72。

如本領域的技術人員可理解的那樣，儘管進一步壓縮的空氣流32在主熱交換器2內得到部分冷卻，但在本發明的可行的替代實施例中，進一步壓縮的空氣流32可繞過主熱交換器2而被直接引入渦輪膨脹機64，在這種情況下，渦輪膨脹機64將是溫膨脹機，並且可提供另外的渦輪膨脹機以供給基本製冷負載，以將該實施例的空氣分離裝置維持在熱平衡狀態。

主熱交換器2可具有釺焊的鋁構造，並且儘管被示出為單個單元，但其可以是一系列並聯運行的此類單元。另外，聯組工作的(banked)構造也是可行的，其中，高壓流(諸如來自旁路段的壓縮輸出流46、進一步壓縮的空氣流32和泵送的液態氧流134)在獨立的高壓單元內經歷間接熱交換。

蒸餾塔系統3具有高壓塔70和低壓塔72，其中高壓塔和低壓塔通過冷凝器再沸器74以傳熱關係熱連接，並且低壓塔的工作壓力低於高壓塔70。排出流66被引入高壓塔70；液態空氣流則藉助膨脹閥76被膨脹為高壓塔的壓力，並被分成第一子液態空氣流78和第二子液態空氣流80。第一子液態空氣流被引入高壓塔70，而第二子液態空氣流80在膨脹閥82中被膨脹為低壓塔72的壓力後被引入低壓塔72。

高壓塔70設置有質量傳遞接觸元件84和86(諸如規整填料或託盤，或規整填料和託盤的組合)，以便接觸藉助第一子液態空氣流78和排出流66被引入高壓塔70的空氣的下行液相與上行蒸氣相。這種接觸的結果是，下行液相在下降的過程中將會富集越來越多的氧，而上行蒸氣相在上升的過程中將會富集越來越多的氮，從而產生塔頂富氮蒸氣88和塔底原始液態氧90(也稱為釜液)。原始液態氧流92從高壓塔70離開後，在膨脹閥94中膨脹為低壓塔72的壓力，然後被引入低壓塔72進行進一步精製。可先過冷處理原始液態氧流92，再將其引入低壓塔。

低壓塔72還設置有質量傳遞接觸元件96、98、100和102，用於再次接觸下行液相與蒸氣相，從而產生塔底富氧液體104和塔頂富氮蒸氣106。冷凝器再沸器74通過與由高壓塔70的塔頂富氮蒸氣88組成的富氮蒸氣流105進行間接熱交換，來部分地蒸發塔底富氧液體104。這種蒸發在低壓塔72內引發上行蒸氣相形成，並將富氮蒸氣冷凝以生成富氮液體流106。富氮液體流106被分成第一子富氮液體流108和第二子富氮液體流110。第一子富氮液體流108被引入高壓塔70的頂部作為回流物，用於引發下行液相形成。在高壓運行模式期間，第二子富氮液體流110的一部分被轉移成第三子液氮流，並被泵150加壓形成泵送的液氮流153。所述泵送的液氮流153經由閥152被導向至主熱交換器2，在其中被充分升溫，以產生加壓的氮產物流162。第二子富氮液體流110的未轉移部分然後在過冷熱交換器112中得到過冷處理，並任選地被分成液氮產物流114和液氮回流流116，該液氮回流流在閥118中膨脹為相容的壓力後被引入低壓塔72的頂部，用於引發下行液相形成。

由塔頂富氮蒸氣106組成的富氮蒸氣流120從低壓塔72的頂部被抽出，在過冷熱交換器112中部分加溫，然後在主熱交換器中充分加溫以產生氮產物流122。另外，可以低於富氮蒸氣流120被抽出水平的水平從低壓塔72去除廢氮流124，使所述廢氮流在過冷熱交換器112中部分加溫，然後在主熱交換器2中充分加溫以形成加溫的廢氮流126。在過冷熱交換器112中對此類流的加溫提供過冷處理第二子富氮蒸氣流110所必需的間接熱交換。在主熱交換器2中進一步加溫此類流有助於冷卻進入的空氣。加溫的廢氮流126可用於使預淨化單元16的吸附床內的吸附劑再生。

由殘餘塔底富氧液體104組成的富氧液體流128可從低壓塔72被去除，然後分成液態氧產物流130，並且剩餘的流被泵132加壓以產生泵送液態氧流134。所述泵送液態氧流134被分流成兩股子液態氧流，其在高壓運行模式期間在主熱交換器2中被充分加溫以產生加壓氧產物流136和164。用於此種加熱的熱交換由高壓壓縮輸出流46提供。然而，在低壓運行模式期間，布置在主熱交換器2上遊並且與泵送液態氧流134相關的閥154、156中的一者或兩者經調整以減少穿過其中的流量。

如上所述，將閥系統併入旁路系統4以控制旁路系統4內分支和線路內的流動。雖然可以設想手動控制是可行的，但優選的是使用控制器(未示出)來進行自動控制。控制器可以是可從多種來源獲得的可編程邏輯控制器，或者作為另外一種選擇，可併入空氣分離裝置1的裝置控制系統。控制系統通常由用戶輸入激活以將裝置設定成生產模式，在所述生產模式下產物構成在規定的速率和壓力下產生。控制系統優選地被設計成控制閥操作，以使得增壓壓縮機分支40和旁路分支38之間的壓縮空氣流28的轉移是逐漸進行的，並且獨立控制循環迴路44內的循環流以防止增壓壓縮機42進入喘振狀態。此外，控制系統管理排放線路57內的流，將氣體從旁路系統4和低壓氣體供應線路55排出，以向增壓壓縮機子系統45供應低壓淨化吹掃氣體源。

在高壓穩態運行模式下，一部分淨化壓縮空氣流被導向增壓壓縮機子系統45，在圖1和圖2中示意性地描繪。如其中可見，增壓壓縮機子系統45一般包括增壓壓縮機42、任選的增壓壓縮機43、任選的中間冷卻器(未示出)和相關的閥。在高壓穩態運行模式下，閥48完全打開而閥50關閉，由此引導第一壓縮空氣流22流動通過旁路系統4的增壓壓縮機分支40。止回閥61和閥60也打開，而止回閥54關閉，以確保壓力較高的壓縮輸出流46被引導通過主熱交換器2，該壓力較高的壓縮輸出流在該主熱交換器中液化為液態空氣流68，隨後在膨脹閥76中膨脹，並分成兩股子液態空氣流78和80，所述兩股子液態空氣流被分別導向高壓蒸餾塔70和低壓蒸餾塔72。

在這種高壓穩態模式下，閥29被配置成防止增壓壓縮機26出現喘振狀況，而閥56被配置成防止壓縮機級42、43出現喘振狀況。並且，低壓氣體供應線路中的閥62和排放線路中的閥58通常關閉，因為未設想在這種穩態運行中添加或清除氣體。當然，在需要降低壓力或清除氣體的情況下，控制單元將根據需要激活閥62和/或閥58。

在低壓穩態運行模式下，一部分淨化壓縮空氣流被導向以旁路增壓壓縮機子系統45的大部分。在低壓穩態運行模式期間，閥48關閉而閥50打開，由此引導第一壓縮空氣流22流動僅通過增壓壓縮機26，然後經過旁路系統4的旁路分支38。止回閥61和閥60也關閉以確保壓力較低的壓縮輸出流46被引導通過主熱交換器2，該壓力較低的壓縮輸出流在該主熱交換器內液化為液態空氣流68，隨後在膨脹閥76中膨脹，並分成兩股子液態空氣流78和80。液態空氣流78被導向高壓蒸餾塔70，而液態空氣流80在閥82中被進一步膨脹並被導向低壓蒸餾塔72。

在這種低壓穩態模式下，閥29再次被配置成防止增壓壓縮機26出現喘振狀況，而低壓氣體供應線路中的閥G62、循環管中的閥56和排放線路中的閥58通常打開以保持壓縮機級42、43旋轉，同時也防止壓縮機級42、43中出現真空狀態或喘振狀況。

當空氣分離裝置從低壓運行模式向高壓運行模式切換或轉變時，控制系統採取行動以改變旁路系統4中的流並且控制所選的進入主熱交換器2的流。控制旁路系統4涉及逐漸打開流動控制閥48同時逐漸關閉旁路分支38內的控制閥50，以逐漸使壓縮空氣流28從旁路分支38轉向增壓壓縮機分支40。優選地，在低壓運行模式期間被引導通過增壓壓縮機42的低壓淨化空氣的任何吹掃流都應該被中斷。為了結束或中斷吹掃流，將排放管中的閥58設定至關閉位置，並且低壓氣體供應管中的止回閥(未示出)在於增壓壓縮機分支40內實現的增加的壓力下關閉。然後，將低壓氣體供應管中的閥62設定至關閉位置，使得通過壓縮機級42、43的任何流源於淨化壓縮的進入空氣流。

當增壓壓縮機分支40內的壓力超過旁路分支38內的壓力時，止回閥54關閉以防止在增壓壓縮機分支40中逆流，而同時止回閥61和閥60打開。此時，流動控制閥50可優選地設定在關閉位置，並且循環迴路44中的閥56將隨著通過壓縮機級42、43的流量增加而開始關閉。控制閥56儘可能地移至關閉，同時防止壓縮機級42、43發生喘振。入口導流葉片27的定位控制壓縮機級42、43上的排放壓力。

控制所選產物流向主熱交換器與控制旁路系統4同時實現。具體地講，控制產物流向主熱交換器2僅通過進一步打開閥152、154、156和升高流162、164、136上的壓力及由此所得產物壓力來實現。任選地，如果需要，泵132和泵150可被加速。

反之，當空氣分離裝置從高壓運行模式向低壓運行模式切換或轉變時，控制系統採取行動以改變旁路系統4中的流並且改變進入主熱交換器2的流。具體地講，主熱交換器2的控制是通過調整閥154和閥156中的任一者或兩者以減少液態氧產生來實現的。任選地，可使泵132減慢以同時節能和降低液態氧壓力。調整閥152以降低液氮壓力，並且還可減慢泵150以進一步減少空氣分離裝置內的能量使用。

旁路系統4的控制是在從高壓運行模式向低壓運行模式轉變過程中通過卸載增壓壓縮機子系統45，尤其是壓縮機部分42和43來實現的。為了以安全可靠的方式實現這種卸載，壓縮空氣流28逐漸地從旁路系統4的增壓壓縮機分支40轉向旁路分支38。為達到此目的，控制閥50逐漸打開以逐漸增加壓縮空氣流28進入旁路分支38的流量。同時，流動控制閥48逐漸關閉以逐漸減少增壓壓縮機分支44內壓縮空氣流28的流量。同時，閥56打開至預設值或位置以防止壓縮機級42、43的喘振。一旦旁路分支38中的壓力超過增壓壓縮機分支40中的壓力，則止回閥54打開，控制閥48關閉，並且增壓壓縮機級42、43停用。如本說明書和權利要求中所用的術語「停用」涵蓋其中增壓壓縮機級42、43被關閉或設定在低壓運行模式下的運行。在低壓運行模式下，功率減小並且壓縮機在非常低的入口壓力和降低的流量下運行。除了循環流通過循環管44外，低壓運行模式將需要適當調整入口導流葉片27。

此時，吹掃空氣流53經由低壓氣體供應管55被引入增壓壓縮機級42、43，以防止未處理的空氣進入旁路系統4。環境空氣進入增壓壓縮機級42、43的問題在於環境空氣未脫除沸點較高的汙染物；而且在沒有此類淨化的情況下，沸點較高的汙染物可進入主熱交換器2或蒸餾塔3並凝固，從而造成安全隱患。吹掃空氣流53優選地由淨化空氣構成並可得自來自運行的壓縮機的滲出流(bleed stream)，所述運行的壓縮機還用於向空氣分離裝置供應儀表空氣。就這一點而言，如本領域已知的，增壓壓縮機級42、43可設置有圍繞壓縮機葉輪外部的迷宮式密封，以防止高壓空氣從此區域逸出。此類構造通過平衡壓縮機入口處的壓縮機力和作用在葉輪背側的力來獲得作用於壓縮機葉輪上的力的平衡。通過從壓縮機入口向此類葉輪內部區域提供空氣，葉輪背側上的力由高壓壓縮空氣由迷宮式密封向外、作用於葉輪外部環形區域以及由迷宮式密封向內、作用於葉輪背側的內部圓形區域而產生。假設增壓壓縮機級42、43在停用時以低壓模式運行，那麼增壓壓縮機42入口處的壓力將低，通常約5psia。當第一流動控制閥48被設定在完全關閉位置時，由於該低壓和儀表空氣稍高的壓力，止回閥打開。此時，閥62被設定在打開位置。然後，排放線路57中的閥58也被控制為打開位置以降低迴路內的壓力。當迴路中的壓力到達預設低值時，閥58關閉。吹掃空氣流僅從迷宮式密封逃逸至壓縮機的內部並通過蝸殼到壓縮機的出口，以防止環境空氣進入增壓壓縮機級42、43。代替這種運行，也可以是吹掃空氣流僅從壓縮機的出口逃逸並通過閥58和排氣口59排放。

儘管已通過多種方式對本發明進行了表徵，並且關於優選的實施例對其進行了描述，但是如本領域的技術人員將想到的，在不脫離所附權利要求書規定的本發明的精神和範圍的情況下，可對其進行多種添加、改變和修改。