獲得空氣產品的方法和空氣分離設備與流程
2023-05-19 18:00:01
本發明涉及在空氣分離設備中獲得空氣產品的方法以及相應的空氣分離設備。
背景技術：
在空氣分離設備中通過低溫分離空氣獲得液態或氣態狀態的空氣產品是已知的，例如在industrialgasesprocessing(h.-w.(hrsg.)，wiley-vch，2006)一書，特別是該書的第2.2.5節「cryogenicrectification」中就闡述此種方法。本發明對具有如該書第2.2.5.2節「internalcompression」所述的內部壓縮功能的空氣分離設備尤其是適用。
空氣分離設備具有蒸餾塔系統，可以是製成例如雙塔系統，特別是經典的linde雙塔系統，但也可以是三塔或多塔系統。除了用於獲得液態和/或氣態氮和/或氧(例如液態氧，lox，氣態氧gox，液態氮lin和/或氣態氮gan)的蒸餾塔，即用於氮氧分離的蒸餾塔之外，還可以設置用於獲得其他空氣成分，特別是稀有氣體氪、氙和/或氬。
例如德國專利申請de3139567a1和歐洲專利申請ep1989400a1公開了此類技術，即將液氮用於電網儲備功率的調整與提供。供電量多的時候(下稱電量盈餘期)，在集成有冷凝器的空氣分離設備或固定的冷凝裝置中得到液態空氣或液氮，該液態空氣或液氮被送入具有低溫罐的存儲系統中的。供電量少的時候(下稱電量短缺期)，液態空氣或液氮將被從存儲系統中排出，藉助泵提高其壓力並將其加熱到等於或高於環境溫度，從而轉化成氣態或過臨界狀態。由此得到的高壓氣流在一個或多個減壓渦輪機的儲能裝置中減壓(在此期間對其加熱至環境溫度)。此間釋放的機械能將在電廠的一臺或多臺發電機中被轉化成電能後送入電網中。
美國專利申請文件us6,134,916a公開了一種組合系統，其包括集成了汽化環節的組合程序，將氧氣送入該集成汽化環節之組合程序中的汽化器的空氣分離設備，以及一直將氧氣存儲到被使用為止的存儲裝置。在美國專利申請文件us2,788,646a中公開了一種空氣分離方法和一種相應的具有氧氣存儲功能的設備。美國專利申請文件us6,134,916a和us2,788,646a分別提供了一種在空氣分離設備產量保持恆定的條件下，滿足用戶不斷變動的需求的方法。美國專利申請文件us3,319,434a和us2,741,094a公開了一種再生器與氧氣中間存儲(緩存)裝置相結合的用法。
本發明在單純的能量儲存領域所涉不多，本發明主要目的是提供這樣一種空氣分離設備，在該裝置中在流過量期以及流短缺期都能提供，優選可比較的量的空氣產品，特別是經內部壓縮的高壓氮氣和/或高壓氧氣。但在同時，應利用電量盈餘期價格較低的電力，避免使用電量短缺期價格較高的電力。
技術實現要素：
上述目的通過一種具有如獨立權利要求所述的在空氣分離設備中獲得空氣產品的方法及相應的空氣分離設備實現。各從屬權利要求及下文描述主要涉及不同的設計方案。
在闡述本發明的特徵與優點之前，先對基礎知識與用到的術語進行說明。
此處加以說明的裝置在相關專業文獻，比如前文引用過的industrialgasesprocessing第2.2.5.6節「apparatus」中亦有描述。若下文的定義如與該文所述無異，則此本文使用該專業文獻中的表述。
「熱交換器」用於在至少兩股例如彼此在逆流中引導的流體流之間，例如熱的壓縮空氣流和一股或多股冷的流體流，或低溫液態空氣產品和一股或多股熱的流體流，傳導熱量。熱交換器可由單個或多個並聯或串聯連接的熱交換節，例如由單個或多個板翅式換熱塊組成。它可以是例如板翅式熱交換器(英語platefinheatexchanger)。此類熱交換器，例如空氣分離設備的「主熱交換器」，其用於冷卻或加熱有待在空氣分離設備中進行冷卻或加熱的流體流的至少主要部分，具有構造成彼此分離的具有換熱面的流體管道並且平行地並被其他通道分隔地組合成「通道組」的「通道」。熱交換器的特點是，在某一時刻，兩種移動介質在其中交換熱量，就是說，至少有一種介質冷卻，而另外至少一種得到加熱。其與儲冷單元的一個主要區別是，在後者中總是在一種或多種移動介質與一種或多種靜止介質之間進行熱交換(對此，下文還講具體闡述)。
儲冷單元用於存儲冷量形式的熱能，即被取走的熱能。在本發明中，就像在空氣分離設備領域眾所周知的那樣，儲冷單元尤其是可被構造成與再生器類似的結構。但是就像下文詳述的那樣，儲冷單元的工作方式與再生器有本質區別。
對於再生器，例如在f.g.kerry所著的industrialgashandbook(crcpress，2006)一書，特別是第2.7節「kapitzacycle」與4.3.3節「recoveryofkryptonandxenon」中有詳細說明。再生器具有適合儲冷的材料，最簡單的例子是石材填料，該種填料在第一時段被冷的特別是低溫(深冷)的流體流流過並由此進行冷卻。而在第二時段，相應的再生器被熱的流體流流過，其被存儲在該再生器中的冷量冷卻，或其熱量被傳遞至該再生器。再生器也可以在空氣分離設備中用於從送入的空氣清除尤其是二氧化碳和烴類，其在冷卻的再生器中凝固或液化，並在加熱再生器時蒸發或升華。在經典形式的空氣分離設備中，相應的再生器通常交替運行，當第一或第一組再生器再生時，第二或第二組再生器可對投入的空氣進行冷卻或純化。
如前所述，儲冷單元用於本發明領域內時，儘管其結構可以與公知再生器類似，但工藝技術方面的區別卻很大。下面對儲冷單元單元與再生器之間的這些區別進行詳細說明。
首先，再生器具有熱交換器的功能，就是說，它用於將一較熱流體流的熱量傳遞給一較冷流體流，不過與熱交換器相反的是，其中是通過將「冷量」中間存儲(緩存)在一靜止介質中的方式實現的。因此在空氣分離方法中總是需至少兩各再生器。其中再生器中流過較熱的流體流，另一個則流過較冷的流體流。在工藝技術上，此類再生器對原則上可用所述兩種流體流可在其中進行熱交換的單個常規熱交換器替代。在再生器不用熱交換器替代，而其又出現故障時，空氣分離設備基本上就不能工作了。
相反，儲冷器的主要功能在於長時間地(例如超過30分鐘)存儲「冷量」。儲冷器原則上不能用熱交換器代替，因為其主要目的是存儲「冷量」從而在此後的某一時刻再排出來，與之相反，熱交換器是在任何時刻均能夠在兩種活動介質之間傳遞「熱量」或「冷量」。儲冷器通常單個使用。在該儲冷器出故障時，空氣分離設備基本可不受影響，繼續運行。
再生器基本上只有兩個工作階段。首先，冷或低溫流體流流過再生器並在其中受熱(而再生器則被冷卻)，時間一般不到10分鐘。然後，一熱的流體流逆向流過該再生器並在其中被冷卻(再生器被加熱)，時間一般也不到10分鐘。
與此不同，儲冷器至少有三個工作階段。在存入階段，儲冷器首先被一冷或低溫流體流冷卻，這一過程通常超過一小時。接下來是存儲階段，該階段中，儲冷器長時間保冷，期間沒有流體通過。在取冷階段，儲冷器被一熱的流體流流過並得到加熱(而該流體流則被冷卻)；這一過程通常持續一小時以上。隨後又是休停階段，可持續數個小時，期間沒有流體通過。
其他熱力學參數也是不同的。例如，再生器中的平均局部溫度改變小於10k，與之相對，在儲冷器內部，平均被升溫或降溫約為50k，至少30k。
可與其他減壓渦輪機或能量轉換器例如油制動器、發電機或壓縮機通過共同的軸連接的「減壓渦輪機」或「減壓機」被設計用於使氣態或至少部分液態的流減壓。
本發明中所用之減壓機可特別製成渦輪減壓機。如壓縮機不用外部接入的能量(例如藉助電機接入的能量)，而是由一個或多個減壓渦輪機驅動，那麼可用術語「渦輪機驅動的」壓縮機，也可用「增壓機」。包括渦輪機驅動的壓縮機和減壓渦輪機的此類結構也可稱作「增壓渦輪」。
「空氣產品」是各種可以至少通過壓縮和冷卻空氣及尤其是但非必須地通過隨後的低溫精餾製得的產品。特別是液態或氣態氧(lox，gox)，液態或氣態氮(un，gan)，液態或氣態氬(lar，gar)，液態或氣態氙、液態或氣態氪、液態或氣態氖、液態或氣態氦等，但也可以是液態空氣(lair)。在這裡，術語「氧」、「氮」等還分別表示含有「氧」或「氮」且「氧」或「氮」的量比大氣更多的低溫的液體或氣體。也就是說，不必一定是純或高純的液體或氣體。
在本申請的範圍內，「空氣產品」還表示從空氣分離設備中最終排出，不再在空氣分離設備中用於減壓、蒸發、液化、壓縮等或參與相應步驟的流體。在這裡，通過對空氣壓縮和冷卻，尤其是但非必須地通過隨後低溫精餾製得的，但只是中間存儲(緩存)或暫時出現，接著又在空氣分離設備中繼續處理的流體，不稱作空氣產品。其一個例子是由空氣製得的低溫液體，它並不作為空氣產品從空氣分離設備導出，而是在一內部壓縮程序中被施加壓力，接著在空氣分離設備的主熱交換器中加熱。所以在此才形成真正的空氣產品。
如前所述，空氣分離設備可以通過所謂的內部壓縮運行。具體細節請參考引用的專業文獻。在內部壓縮裝置中，高液壓的流體流被加熱，並由此取決於液態流體流上所施加的壓力水平從液態轉換成氣態或超臨界狀態。在下文中，從液態到氣態狀態的轉換用術語「蒸發」來表示，從液態到超臨界狀態的轉換用術語「偽蒸發」表示。
空氣分離原則上可以使用如下方法，其中全部的進料空氣即送入蒸餾塔系統中的所有空氣首先藉助主空氣壓縮機(mac)壓縮至約為高壓塔的壓力，隨後僅其中一部分藉助增壓機(boosteraircompressor，bac)增壓至更高的壓力。這些更為傳統的方法也稱作mac/bac法。mac/bac法在例如開頭引用的專業文獻中有詳細記述。
在mac/bac法中，引導通過主空氣壓縮機的所謂進料空氣中的相當一部分(通常多於約30％)送入高壓塔時的壓強通常約為5.2至9巴，特別是5.6巴，在此之前，這部分空氣在空氣分離設備的主熱交換器中從約等於或高於環境溫度被冷卻至通常約為-160至-170℃。這部分空氣之前只是被主空氣壓縮機壓縮至前述壓強，通常不進行再壓縮。與此不同，在mac/bac法中，引導通過主空氣壓縮機的所謂進料空氣中的第二部分是在增壓機中被從主熱交換器的上述壓力開始，加壓到明顯更高的壓力，一般是過臨界壓力，該部分空氣同樣也是在空氣分離設備的主熱交換器中被從約等於或高於環境溫度冷卻至通常約為-160至-170℃。第三部分，即在主熱交換器中只被冷卻至通常約為-100至-150℃的中間溫度，接著被釋入一減壓機的所謂渦輪氣流，在公知的mac/bac法中既可以通過主空氣壓縮機，也可以通過增壓機(通過合適的出口或相應地在中間排出)來製備。
最近，越來越多地用所謂的hap法(英語：highairpressure)來代替mac/bac法，因為與mac/bac法相比，此種方法在一定的使用場景中具有好處。在hap法中，全部的進料空氣在主空氣壓縮機中壓縮至明顯高於高壓塔壓力或所用的精餾單元的最高運行壓力的壓力。這裡，所達到的壓差至少為3巴，不過還可以更高，例如達到4、5、6，7、8、9或10巴，直至14、16、18或20巴。hap法已在例如ep2466236a1、ep2458311a1以及us5,329,776a中公開。
在hap法中，與之前描述中一致的空氣，即在mac/bac法中被送入高壓塔，且之前在空氣分離設備的主熱交換器中從約等於或高於環境溫度通常被冷卻至約-160至-170℃的空氣，並不以此種方法處理。該空氣不從主熱交換器，而是從一個或多個減壓機的出口排出，在該減壓機中，該空氣從主空氣壓縮機的明顯較高的壓力水平減壓，並且通過該減壓機才被冷卻至通常的(大約)-160至-170℃。該空氣也被稱作「送入空氣」(英語：feedair)。在hap法中也使用節流流(drosselstrom)；但是不同於mac/bac法，該節流流不必必須地在由外部提供的能量驅動的壓縮機中壓縮。在此，一股或多股節流流也可以僅藉助一個或多個例如可由前述的減壓器驅動的增壓機進行後期壓縮。不必存在分離的渦輪流。
發明優勢
本發明建議一種在空氣分離設備中生產空氣產品的方法，其具有至少一個熱交換單元、減壓/壓縮單元、精餾單元、儲液器單元、儲冷單元以及主空氣壓縮機。根據本發明的空氣分離設備的熱交換單元包括至少一個熱交換器，尤其是傳統空氣分離設備中涉及的公知主熱交換器。此種主熱交換器也可構造成多個分立的熱交換單元或熱交換器模塊的形式。
減壓/壓縮單元用於對引入空氣分離設備、在主空氣壓縮機中壓縮的進料空氣的一部分進行減壓，一部分進行再次壓縮，從而通過此種方式提供具有不同壓力水平的壓縮空氣流。相應的減壓/壓縮單元可分別有合適的減壓渦輪機和壓縮機，所述減壓渦輪機和壓縮機尤其是可以互相連接。也可有上文所述的渦輪機驅動的壓縮機或增壓渦輪。例如也可以使用發電機渦輪，但是尤其是不使用由外部能量驅動的壓縮機。具體細節請參見附圖1和2，圖中還表達了相關減壓/壓縮單元的其他方面。
本發明中所用的空氣分離設備的精餾單元尤其是可具有經典的linde雙塔系統，該系統配置有高壓塔和低壓塔，其獲得或不獲得氬或者分離或不分離氪和氙或者分離或不分離氦和氖。也可以採取其他配置。本發明中所用的空氣分離設備的儲液器單元包括一個或多個如前所述的，尤其是絕熱或安置在合適冷匣中的用於存儲低溫空氣產品的液罐。這些液罐在下文中稱作「液態空氣存儲器」、「液氮存儲器」等。主空氣壓縮機尤其是可包括多個壓縮等級，並構造為徑流式壓縮機。
在本發明的範疇內，將所有送入精餾單元的空氣即全部進料空氣引導通過主空氣壓縮機，在此首先壓縮至比精餾單元運行時的最高壓力水平高至少3巴的壓力水平。後者通常是高壓塔的運行壓力，條件是使用雙塔系統。空氣分離方法因此設計成如前所示的hap法。壓差還可以更高，例如達到前文詳述的水平。
有利地，該方法除了在主空氣壓縮機中進行壓縮以外，不包括在由外部能量驅動的壓縮機中進一步壓縮進料空氣或其任意部分。假如要對進料空氣再行適當壓縮，那麼該壓縮始終且僅僅通過如前所述的渦輪機驅動的壓縮機來實施。
通過使用經過相應地高度壓縮的、引導通過主空氣壓縮機的空氣或進料空氣，在根據本發明的空氣分離設備中產生一種或多種低溫液體，確切地說，在第一運行模式中以第一產量生產，在第二運行模式中以第二產量生產，在第三運行模式中以第三產量生產。形成的低溫液體的量與空氣分離設備的能耗高度相關。而且根據本發明，第二產量小於第一產量，第三產量大於第一產量。
此處及後文提到不同的「運行模式」時，第二運行模式均都是指在電量短缺期實施的那一運行模式。相應地，第三運行模式是指在電量盈餘期實施的那一模式。因為如前所述，一種或多種低溫液體的第二產量低於第一產量，而第三產量大於第一產量，所以有利的是，本發明範圍內的第二運行模式的能耗明顯少於第三運行模式，但比第一運行模式要高。與之相對，第三運行模式的能耗要比其他兩個運行模式的能耗高。通過此類方式，現有電能無需過高的成本即可藉助本發明的方法得到高效利用。與此相對，「第一運行模式」相當於不帶儲液器單元之空氣分離設備的運行狀態。
特別是為使各運行模式能夠提供等量或大致等量的空氣產品，需要使用儲液器單元。在此，所述一種或多種低溫液體在第三運行模式中以對應於第三產量的一部分量的儲存量存入儲液器單元中，在第二運行模式中以排出量從儲液器單元排出。換言之，在第三運行模式中生產的超出第三產量的低溫液體被中間存儲(緩存)在儲液器單元中，從而在第二運行模式中將其重新排出並可用於補償在此模式中較少的液體生產(第二產量)。第一運行模式的特點是，既沒有低溫液體被存入儲液器單元中，也沒有從儲液器單元排出低溫液體。
所述一種或多種低溫液體在第一運行模式中以第一蒸發量、在第二運行模式中以第二蒸發量及在第三運行模式中以第三蒸發量進行蒸發和/或偽蒸發，其中第一蒸發量對應於第一產量，第二蒸發量對應於第二產量加上排出量，第三蒸發量對應於第三產量減去儲存量。換言之，第二運行模式中較少的產量系由排出量來彌補的。第一、第二和第三蒸發量彼此相當或至少在數量級上是可比較的，它們根據本發明彼此相差不超過10％、5％或1％。通過此類方式，始終能夠提供大致等量的(經內部壓縮的)空氣產量，儘管產量的耗能不同。
為了緩存在第二運行模式中通過從儲液器單元排出一種或多種低溫液體及其蒸發出及由此過量提供的冷量，以及為了提供在第三運行模式中為了供應存入儲液器單元中的一種或多種低溫液體額外需要的冷量，使用前述類型的儲冷單元。為與該儲冷單元交換熱量，需要使用低溫和熱的流體流。對此，本發明是這樣設計的：同樣通過使用引導通過主空氣壓縮機的空氣，在第二運行模式中形成低溫流體流，通過使用該低溫流體流冷卻儲冷單元，而其自身由此被加熱，及在第三運行模式中形成熱的流體流，通過使用該熱的流體流加熱儲冷單元，而其自身由此被冷卻。與此不同，有利的是，在第一運行模式中，沒有相應的流體流流過儲冷單元。下面還依照附圖闡述此類流體流的例子。
「低溫」流體流尤其是處於遠低於-100℃的溫度水平，例如-160至-170℃。與此不同，「熱的」流體流處於例如至少與環境溫度相當的溫度水平，或至少等於0℃。不管怎樣，其溫度水平總是高於低溫流體流的溫度。通過上述措施，在一種或多種低溫液體蒸發時釋放出來的冷量在第二運行模式中可被存儲起來。該冷量為第三運行模式供應，其中產生額外的低溫液體並存入儲液器單元中。
根據本發明的方法(上文所述的用於hap法的方法)尤其是包括如下在該hap法很普遍的特點：引導通過主空氣壓縮機並在此被壓縮的空氣中的一部分接著減壓到至少對應於精餾單元運行時的最高壓力水平的壓力水平。該空氣在此可以減壓至略高於所述最高壓力水平的壓力，例如至比所述最高壓力水平高出小於1巴的壓力水平，由此可以將其在無需其他推送措施的情況下送入精餾單元的高壓塔中。如前所述，對於此類減壓尤其是提供減壓渦輪機。經減壓的空氣儘管之前在熱交換單元中未被冷卻，但通過在該減壓渦輪機中減壓，可冷卻至例如-160至-170℃。
有利的是，在第三和第二運行模式中引導通過儲冷單元的低溫和熱的流體流可由一部分的所述減壓的空氣形成。為了提供處於不同溫度水平的低溫和熱的流體流並能夠由此實施根據本發明建議的儲冷過程，所述減壓的空氣的一部分為了形成低溫流體流在減壓後未經加熱用作低溫流體流。與此不同，為了形成熱的流體流，將所述減壓的空氣的相應部分在熱交換單元中加熱。在儲冷單元中對低溫流體流進行加熱並因此使該儲冷器冷卻後，所述低溫流體流被有利地再次冷卻至可被送入精餾單元中的溫度水平，例如-160至-170℃。通過此類方式，在熱交換單元或者該熱交換單元中所用之主熱交換器與儲冷單元或該儲冷單元中所用之儲冷裝置之間會產生有利的連接或者熱傳遞。
在第二運行模式中有一種或多種低溫液體被從儲液器單元排出，在該模式中，由於在精餾單元中的低溫液體的產量通常很小，原則上，空氣分離設備運行所需的冷量很小，或者，此模式中具有額外的冷量可供利用。如前所述，該冷量可通過如下方式得到利用：一部分通過減壓而被冷卻至前文提到的通常為-160至-170℃的溫度水平的空氣被引導過儲冷單元並使其冷卻。該部分空氣如前文所述那樣得到加熱，並且其在熱交換單元的主熱交換器中冷卻後可被接著冷卻，從而使相應空氣在引導通過儲冷單元並在該處受熱隨後最終又能回到適合送入精餾單元的溫度水平，也就是再次處於前述之-160至-170℃的溫度水平。因此這部分空氣可與未用於構成低溫流體流的減壓空氣一起被送入到精餾單元或其高壓塔中。反過來，如所述，在第三運行模式中生產額外的低溫液體並送入儲液器單元中，所以產量更大，需要額外的冷量。這是通過如下方式補償的：以之前闡明方式減壓的空氣首先在主熱交換器或熱交換單元中受熱，從而獲得相應的冷量來冷卻其他的流體流。通過此類「失去的」冷量可接著在儲冷單元中被再次傳遞給被加熱的那部分空氣。在流過儲冷單元後，該部分空氣再次回到適於送入高壓塔中的溫度水平，即-160至-170℃。關於如何由相應空氣形成低溫和熱的流體流，請見下文藉助附圖3a至3c以及4a至4c的詳細說明。
作為可替換方案，低溫流體流也可以由一部分的所述一種或多種在第二運行模式中蒸發或偽蒸發的低溫液體在其蒸發前形成。與此不同，熱的流體流可以由一部分的所述一種或多種在第三運行模式中蒸發或偽蒸發的低溫液體在其蒸發後形成。為此，在第二運行模式中，需蒸發的低溫液體中的一部分並不引導通過主熱交換器，而是引導通過儲冷單元。因為通過來自儲液器單元的額外的低溫液體蒸發提供額外的冷量，所以這部分冷可被存在儲冷單元中，由此並不會導致在主熱交換器或主熱交換器單元中產生損失。在主熱交換器中可供使用的冷不會因此發生變化。反過來，在第三運行模式中，就像前文提到的那樣，熱的流體流可在一相應低溫液體蒸發隨後，由該蒸發的低溫液體中的一部分形成。利用此類方式，也可例如直接從一相應流體流重新形成一液化產品並存入儲液器單元中。相應的內容請見參照附圖5a至5c的說明中。
作為可選或補充方案，可用所謂的非純氮來製備相應的低溫和熱的流體流。相應的非純氮是從具有高壓塔和低壓塔的精餾單元的低壓塔排出的氣體混合物，其氮含量通常約為0.5至5摩爾％。類似於前述的流體流，此類非純氮可用於形成低溫和熱的流體流。特別是，為了形成低溫流體流，該非純氮可以在第二運行模式中未經加熱引導通過儲冷單元；與此不同，在第三運行模式中，相應的流體流被加熱，並尤其是藉助鼓風機引導通過相應的單元。換而言之，低溫和熱的流體流可以由一部分從低壓塔排出的非純氮形式的氣體混合物形成，其中形成低溫流體流的部分未經加熱使用，而形成熱的流體流的部分在熱交換單元中加熱。非純氮的上述使用方式請見附圖6a至6c、7a至7c以及8a至8c。
在非純氮的相應使用方式中尤其是可以使用具有其他熱交換通道，這樣，熱的流體流的部分可在儲冷單元中冷卻後在熱交換單元中加熱，由此可將其「冷量」傳遞給熱交換單元中的其餘流體。附圖8a至8c示出了這一方案。
在本發明的一個實施方案中，也可使用其他壓縮空氣流即前述的節流流代替經減壓並送入高壓塔中的空氣，來對儲冷單元進行冷卻。例如，另一部分引導通過主空氣壓縮機並在此壓縮的空氣可以隨後進一步壓縮並在熱交換單元中冷卻。相應的空氣，就像附圖1展示的那樣，通常在公知設備中接著減壓並送入高壓塔中。在此，所述低溫和熱的流體流可以由一部分進一步壓縮並在熱交換單元中冷卻的空氣形成，其中用於形成低溫流體流的部分未經加熱使用，而用於形成熱的流體流的部分在熱交換單元中加熱。更詳細的內容請見參照附圖9a至9c的說明中。
有利的是，儲冷單元包括第一儲冷裝置和第二儲冷裝置，其中低溫和熱的流體流中第一部分引導通過第一儲冷裝置，第二部分則引導通過第二儲冷裝置。通過此類方式可達到更好地平衡儲冷單元和主熱交換器的目的，尤其是在低溫和熱的流體流的第二部分在通過第二儲冷裝置之前和/或之後需流過熱交換單元的主熱交換器的一段時。相應的內容展現在附圖4a至4c以及7a至7c中。
在本發明的範疇內可使用任意的低溫液體，例如富氮和/或富氬和/或富氧的液體和/或液態空氣。
本發明還涉及一種具有獨立裝置權利要求所述特徵的空氣分離設備。相應空氣分離設備的特徵和優點當然可參考上文的說明。
下面對照現有技術，並參照附圖對本發明進行詳細解釋。
附圖說明
圖1以示意式流程圖形式表示的非本發明的空氣分離設備；
圖2以示意式流程圖形式表示的非本發明的空氣分離設備的局部示圖；
圖3a至3c以示意式流程圖表示出了一個根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態；
圖4a至4c以示意式流程圖表示出了另一根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態；
圖5a至5c以示意式流程圖表示出了又一根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態；
圖6a至6c以示意式流程圖表示出了又一根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態；
圖7a至7c以示意式流程圖表示出了又一根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態；
圖8a至8c以示意式流程圖表示出了又一根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態；
圖9a至9c以示意式流程圖表示出了又一根據本發明的空氣分離設備實施方案的一部分，三個示圖表達了三種不同的運行狀態
具體實施方式
在附圖中，彼此一致的裝置用同一附圖標記標示，為簡潔起見，文中不作重複說明。圖中用三角形流向箭頭作為流體流動的補充標識，而且，填色(黑色)流向箭頭表示液流，未填色(白色)流向箭頭表示氣流。
圖1是一不是根據本發明設計的空氣分離設備的簡化的流程示意圖。該空氣分離設備包括主熱交換器單元10、減壓/壓縮單元20、精餾單元30以及儲液器單元40，圖中將這些組件分開展示僅是為了清楚區分。實踐中，主熱交換器單元10與減壓/壓縮單元20在結構上可高度集成，比如安置到同一冷卻盒中。
主熱交換器單元10包括作為核心部件的主熱交換器11，後者可構造成一個或多個結構單元的形式。減壓/壓縮單元20在本例中包括第一增壓渦輪21和第二增壓渦輪22。不過，一個或多個增壓渦輪可以用一個或多個發電機渦輪代替，上述不同單元也可以組合使用。一個或多個增壓渦輪(或類似組件)的增壓等級可以是常規增壓級，也可以是送入溫度低於環境溫度的所謂「冷的」增壓級。減壓/壓縮單元與主熱交換器單元10或其主熱交換器11建立熱傳導連接。
精餾單元30在所實施例子中具有由高壓塔31和低壓塔32組成的雙塔。高壓塔31和低壓塔32之間通過一主冷凝器33建立熱交換連接。另外，例如還可設置一過冷熱交換器34，再選擇設置發電機渦輪35以及多個未特別標註的閥門和泵浦。儲液器單元40例如可包括液氮存儲器41、液態空氣存儲器42和液氧存儲器43，這些存儲器可分別構造成一個或多個尤其是獨立的儲罐。還可以設置另一在功能上屬於儲液器單元40的液態空氣存儲器45。
在圖1所示的空氣分離設備中，投入的空氣(air)以流體流a的形式被一主空氣壓縮機1吸入，並在前置冷卻單元2中被冷卻，隨後在純化單元3中被純化。空氣分離設備設計用於實施hap法；因此，主空氣壓縮機1將經過它的流體流a壓縮至前文給出的的相應壓力水平，該壓力水平顯著高於精餾單元30中所用分離壓力之最大值，也就是說，高於高壓塔31工作壓力，在這裡，該相應壓力水平至少是9巴。
流體流a經壓縮、冷卻與純化的空氣(mpair)被引入主熱交換器單元10和減壓/壓縮單元20中。在主熱交換器單元10和減壓/壓縮單元20中，從呈流體流a的空氣中形成多個具有不同壓力值和溫度值的壓縮空氣流。在圖1中可清楚地看到有送入精餾單元30及其高壓塔31中的壓縮空氣流b(feed)以及其他壓縮空氣流c和d(jt1-air，jt2-air)。這裡，壓縮空氣流b(feed)約以例如5.6巴的壓力值被送入精餾單元30的高壓塔31中。提供的壓縮空氣流c(jt1-air)的壓力值大於壓縮空氣流b(mpair)的壓力值。提供的壓縮空氣流d(jt2-air)的壓力值可被選擇為大於壓縮空氣流b(mpair)的壓力值。此外還可選擇提供另一壓力值約為例如1.4巴的壓縮空氣流(lp-air，圖中未示出)，該氣流隨後座位所謂的吹入氣流引入低壓塔32中，或通過主熱交換器11導入環境中。在圖1中，壓縮空氣流b、c和d製備，特別是涉及減壓/壓縮單元20的部分僅以十分簡單的方式展示，它們的製備可用不同的方式來實現。圖2中示出的是製備壓縮空氣流b、c和d的另一例子。如前所述，壓縮空氣流b(feed)被送入精餾單元30的高壓塔31中。壓縮空氣流c(jt1-air)釋放到精餾單元30的高壓塔31中。這裡可以使用例如圖中示出的發電機渦輪35，還可選擇使用一個或多個(未分開顯示)的閥門。可選的壓縮空氣流d(jt2-air)通過未分開顯示的閥門釋放到精餾單元30的高壓塔31中。
在精餾單元30的高壓塔31中產生氧富集的液態塔底產物，該餾出物以流體流e形式被排出，引導通過過冷熱交換器34，通過一未分開顯示的閥門釋放到精餾單元30的低壓塔32中。另外，在精餾單元30的高壓塔31中還會形成富集氮氣的氣態頂部餾出物，該種餾出物以流體流f形式被排出。流體流f中的一部分作為氣態富氮空氣產品(pgan)從空氣分離設備導出，而剩餘部分可在主冷凝器33液化。
由此形成之液化產品中的一部分可作為液態富氮空氣產品(pun)從空氣分離設備導出，一部分作為回流送回到精餾單元30的高壓塔31上。該液態富氮空氣產品的另一部分以流體流g形式引導通過過冷熱交換器34，經由一未分開展示的閥門釋入精餾單元30的低壓塔32中。該液態富氮空氣產品的還有一部分以流體流h形式藉助一未分開顯示的泵浦加壓，視運行狀態的不同，與一來自儲液器單元40的液氮存儲器41和/或低壓塔32頂部的、同樣也被加壓的富氮液態流體流i匯合，並作為經內部壓縮的、液態富氮流體流k(icun)，特別是以兩部分流的形式，在主熱交換器11中被蒸發或偽蒸發(即使其處於既非液態也非氣態的超臨界狀態)，並隨後作為經內部壓縮具有不同壓力水平的富氮壓力產品(icgan1，icgan2)提供。
在壓縮空氣流c與可選之壓縮空氣流d釋入精餾單元30的高壓塔31中時液化的空氣可以流體流1的形式直接從所述流體的送入位置之下排出，通流過過冷熱交換器34，並通過一未分開顯示的閥門釋入精餾單元30的低壓塔32中。一部分也可以被存儲在儲液器單元40的液態空氣存儲器42或45中。從高壓塔31中可排出一流體流m，引導通過過冷熱交換器34，並經由一未分開展示的閥門釋入精餾單元30的低壓塔32中。
在低壓塔32中形成液態富氧塔底產物，並以流體流n形式排出，視運行模式的不同，以流體流o形式送入液氧存儲器43中和/或藉助一未分開顯示的泵浦加壓，並作為經內部壓縮的、液態富氮流體流p(iclox)在主熱交換器單元10的主熱交換器11中加熱，特別以兩部分流形式在主熱交換器11中蒸發或偽蒸發，並作為經內部壓縮且具有不同壓力水平的富氧壓力產品(mp-gox，hp-gox)提供。視運行模式的不同，流體流p(iclox)也可利用從儲液器單元40的液氧存儲器43排出之富氧液體形成。因此圖中的流體流o是雙向的。另外，從儲液器單元40的液氧存儲器43中還可以以流體流q形式排出相應的富氧液體，並通過泵浦送入低壓塔32中。
為裝滿儲液器單元40的液氮存儲器41，從低壓塔32的上方區域排出流體流r形式的富氮液體，並以流體流s形式轉送入液氮存儲器41。這一流體流s也被畫作雙向。視運行模式的不同，也可從液氮存儲器41以流體流s形式排出液體，並按上述方式處理成流體流i形式。來自從儲液器單元40的液氮存儲器41中的富氮液體也可以流體流t形式回送入低壓塔32的上方區域。儲液器41、42、43在結構上可製成獨立的部件，或集成到精餾塔中。在任一情況下，它們均是儲液器單元40的功能組件。
從低壓塔32的頂部排出的富氮流體流u可流經過冷熱交換器34，在主熱交換器11中加熱並作為氮氣產品提供。流體流v，所謂的不純氮(un2)，可以大體一致的方式處理，並用作所謂餘氣(rest)。
除了流體流m的液態空氣，來自低壓塔32的液態空氣也可以流體流m的形式裝入液態空氣存儲器42。相應地，來自液態空氣存儲器42的液態空氣也可以流體流x形式通過泵浦回流至低壓塔32中。
圖1中示出的空氣分離設備除了較高的壓力水平(主空氣壓縮機1將投入的表現為流體流a形式的全部空氣壓縮至該壓力水平)之外，其特點在於，在送入蒸餾塔系統的空氣主要是通過一個或多個減壓渦輪機提供的。
圖2中展示了製備圖1已示出的壓縮空氣流b(feed)和c(jt-air，圖2中不提供與圖1中流體流d相對應的壓縮空氣流)的方案。與圖1中所示之空氣分離設備的關聯可直接從流體流附圖標記推知，在這裡，減壓/壓縮單元20和主熱交換器單元10被畫成單元10/20。不過，就像前文提到的那樣，也可以使用另一方案。
流體流a在壓縮隨後可被分成分流b和c。分流b在熱的側引入主熱交換器11，並在一中間溫度水平排出。在分流b的分量平行地釋入增壓渦輪21和22的減壓渦輪機後，這些分量又重新匯合。流體流c在增壓渦輪22和21的壓縮機級被壓縮。因為流體流c之前未被冷卻，這些壓縮機級系「熱的」的壓縮機級。在圖2中可看到未分開顯示的、布置在相應壓縮機級下遊的二次冷卻器。隨後，分流c以從熱端至冷端的方向流過主熱交換器11。
在後續圖3a至3c，直至9a至9c，分別示出了根據本發明的空氣分離設備實施方案的三種運行狀態下的局部示圖，其中各局部示圖a是多次提到的第一運行模式，各局部示圖b是多次提到的第二運行模式，而各局部示圖c則是多次提到的第三運行模式。流體流、裝置和儀器的附圖標記與圖1和圖2一致。各圖中均示出了主熱交換器11、增壓渦輪21和22、精餾單元30以及具有液氮存儲器41、液態空氣存儲器42、液氧存儲器43和液氬存儲器44的儲液器單元40。每個圖中，存儲器41至44不一定全部都有。但也可能還有另外的存儲器。在後續圖中，不活動的流體流或者沒有流體通過的導管均打上了x標記。另外，在圖中還可看到一儲冷單元50，其具有第一儲冷裝置51和部分第二儲冷裝置52。
圖3a至3c中示出的是，流體流b中通過主空氣壓縮機1壓縮並且隨後被減壓的一部分，在本發明的這一實施方案中是如何被用於儲冷或者儲能以及回收能量的。
在圖3a所示的第一運行模式中儲冷單元40不工作。空氣分離設備基本上以圖1與圖2結合在一起所描述的方式工作。換言之，流體流b在主熱交換器11熱的側送入，在一中間溫度水平排出，接著釋入增壓渦輪21和22的減壓渦輪機後，隨後完全送入精餾單元30中。流體流c藉助增壓渦輪21和22的增壓機壓縮，接著在主熱交換器11中冷卻，隨後作為(jt-air)送入精餾單元30中。其他流體流參見上文說明。
如精餾單元30中一實線箭頭所示，流體流p(iclox)僅是通過從精餾單元30或者從其低壓塔32(與圖1比較)排出的方式來提供的。其他液體流也同樣如此。
在圖3b中示出的第二運行模式中，儲冷單元50連同其儲冷裝置51參與運行。在該第二模式中，流體流b中有一部分分流而出，並以流體流b1的形式通流過儲冷單元50或者儲冷裝置51。由於流體流b在主熱交換器31中被冷卻，並在增壓渦輪21和22的減壓渦輪機中減壓，因此流體流b1處於例如大約-160至-170℃的溫度水平。因此，流體流b1可用於對冷卻儲冷單元50或者其儲冷裝置51。因為流體流b1在儲冷單元50或其儲冷裝置51中被加熱，所以在送入精餾單元30中或者高壓塔31之前須再次冷卻至前面提到的溫度水平。因此，流體流b1在儲冷單元50或其儲冷裝置51中被加熱後，需到主熱交換器11中再次降溫到前述溫度水平。流體流b1，跟流體流b中未通流過儲冷單元50或其儲冷裝置51的那部分一樣，被送入精餾單元30，特別是高壓塔31中。其送入方式跟圖1中顯示的流體流c一樣；為清楚起見，在圖3b中，兩個部分流分別以feed1和feed2表示。
在該第二運行模式中，主熱交換器11能夠對流體流b1進行額外冷卻，因為從儲液器單元40中需要排出一股或多股低溫液體(與圖1中流體流t、s、o、q、w、x以及本圖q比較)。如前文參照圖1所作的說明一樣，從精餾單元30或者低壓塔31排出的富氧液體以流體流p的形式(iclox)在熱交換器10或其主熱交換器中蒸發。若現在僅通過從精餾單元30或低壓塔31排出不再覆蓋流體流p(iclox)的該富氧液體的一部分，而是一部分例如以流體流q的形式從儲液器單元40的液氧存儲器43排出，那麼製備同樣或大致相當份量的流體流p(iclox)所需的「冷量」更小。因此導致的幾乎一定「過量」的「冷量」可傳遞給之前已將其自身的「冷量」傳遞給了儲冷單元50或其儲冷裝置51的流體流b1。
從儲液器單元40的液氧存儲器41排出的液體以精餾單元30之內的虛線箭頭標識，從低壓塔31排出的部分以實心箭頭標識。需要強調的是，除了氧之外，還可以使用其他能夠以液態形式存儲在儲液器單元40中，並能相應地排出與蒸發的流體。
在圖3c中所示的第三運行模式中，同樣地，流體流b中有一部分(這裡用b2表示)首先在主熱交換器11中加熱，接著通流過儲冷單元50。在主熱交換器11中，流體流b1從例如前文提到的大約-160至-170℃被加熱到0℃以上的溫度水平。通過此類方式，主熱交換器11中有了額外的冷量。其可以用於在低壓塔31中形成較多的富氧液體。在這裡，不是以流體流p(iclox)形式從裝置中導出的部分可以流體流o的形式轉運到儲液器單元40的液氧存儲器43中。這樣，流體流p(iclox)的量保持相等或大體相當。
因為流體流b2在主熱交換器11中被加熱，所以在送入精餾單元30中或者高壓塔31之前須再次冷卻至前面提到的溫度水平。為此，此時它需通流過儲冷單元50或者其儲冷裝置51。通過此類方式，之前在第二運行模式中被存儲起來的「冷量」在本第三運行模式中將從儲冷單元50或其儲冷裝置51排出。
在圖4a至4c中示出的是替代性方方案，即使用具有兩個儲熱器設備51和52的儲熱器單元50。在原理上，圖4a至4c中示出的運行模式與圖3a至3c中所示的運行模式大體相當。不過，在第二運行模式中，只有一部分(第一部分)流體流b1通流過第一儲冷裝置51，而另一部分(第二部分)流體流b1則通流過第二儲冷裝置52。第二部分流體流b1首先從低溫側送入主熱交換器11中，並在一中間溫度水平從該主熱交換器11中排出，通流過第二儲冷裝置51，接著在主熱交換器11中的中間溫度水平與第一部分流體流b1匯合。相應地相反方向也適用於在圖4c中所示的第三運行模式。在第三運行模式中，流體流b2首先全部在低溫側送入主熱交換器11中。接著，其一部分被引導至主熱交換器11的熱的側端部，然後在第一儲冷裝置51中冷卻。其第二部分則在一中間溫度水平被排出，並引導通過第二儲冷裝置，接著在以中間溫度上回流入主熱交換器11中，並在熱的側與第一部分流體流b1匯合。
通過在儲冷單元中相應地使用兩個儲冷裝置以及如上所述或可比較地引導流體流，使主熱交換器11更好地平衡。此類方案原則上也可用於後面介紹的其他方法變例及其他實施方案。
在圖5a至5c中示出了一種將液氧或者一部分流體流p(iclox)用於儲冷單元50及其儲冷裝置之運行的可選方案。如在圖5b中的第二運行模式所示，在此以流體流p1的形式分支出一部分的流體流p(iclox)，引導通過儲冷單元50或其儲冷裝置51，接著與剩下的引導通過主熱交換器31的流體流p匯合。如同引導通過儲冷單元50的部分，使引導通過儲冷裝置51的部分蒸發。如圖5c所示的第三運行模式中，流體流p(iclox)沿反方向流動，首先全部在主熱交換器31中加熱、蒸發。接著，一部分以流體流p2的形式分出，並在儲冷單元50或其儲冷裝置51中冷卻、液化，並作為液態存入儲液器單元40或其液氧存儲器43中。
在圖5b所示的第二運行模式中，通過從液氧存儲器43排出富氧液體，其中同樣會有「富餘」的冷量，可用於冷卻儲冷單元50或其儲冷裝置51。通過這些存起來的冷，液氧存儲器43在圖5c所示的第三運行模式中可被再次填滿。圖5a至5b所示的實施方案也可使用多個與圖4a至4c相應的儲冷裝置。也可使用其他液體。
在圖6a至6c中示出了將所謂非純氮流體流v(un2)使用於在根據本發明實施方案中使用之儲冷單元50的方案。在圖6b所示的第二運行模式中，一部分此種流體流(此處以流體流v1表示)通流過儲冷單元50或其儲冷裝置51並在此處加熱，接著與在主熱交換器11中加熱的另一部分匯合。與此不同，在圖6c所示的第三運行模式中，流體流v先整體受熱，接著，其一部分(此處以流體流v2表示)被排出，藉助一用於保持相應流體流的鼓風機53，引導通過儲冷單元50或儲冷裝置51，並在主熱交換器11的上遊與流體流v再次匯合。
在圖7a至7c中示出的是將圖6a至6c所示之方法變例與使用具有多個儲冷裝置51和52之儲冷單元50相結合的方案。對於本領域專業人員而言，其中示出的細節可通過將圖6a至6c及其相關說明與圖4a至4c及其相關說明結合起來考查的方式直接得到。
在圖8a至8c中示出了圖6a至6c中所示實施方案的變例，圖中示出的是如何在主熱交換器11中使用一額外的通道11a。圖8b所示的方法變例，也就是第二運行模式與圖6b中所示的第二運行模式沒有大的差別。與此不同，在圖8c所示的第三運行模式中，非純氮流體流v2在儲冷單元50中冷卻隨後，在主熱交換器11中受熱，然後從裝置導出，例如排入環境(amb)中。圖8a至8c所示的實施方案也可使用多個儲冷裝置51和52。
最後，在圖9a至9c中示出的是流體流c(jt-air，圖2中亦可見)被使用於相應之儲冷單元50的運行方案。為此，在圖9b所示的第二運行模式中，空氣流c的一部分被從主熱交換器11的低溫側排出(以流體流c1表示)，並引導通過儲冷單元50或其儲冷裝置51。接著，在主熱交換器11中進行冷卻。在圖9c所示的第三運行模式中，以流體流c2表示的空氣首先在主熱交換器11中受熱，接著引導通過儲冷裝置51。