CN102472575B - 空气液化分离方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够降低提取液态产品时的装置价格的空气液化分离方法及装置。其中，该空气液化分离方法具有：原料空气压缩工序，其将原料空气整体作为高于中压塔的运行压力的第1设定压力的升压原料空气；吸附净化工序，其从升压原料空气中去除杂质而形成为升压净化空气；循环空气合流工序，其使升压净化空气与升压返回空气合流而形成为循环空气；冷却工序，其将把循环空气分流为2支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于第1设定温度的第2设定温度而形成为膨胀用空气；膨胀工序，其使膨胀用空气绝热膨胀至低于第1设定压力的第2设定压力而形成为低温空气；将低温空气的一部分导入中压塔的工序；升温工序，其使低温空气的剩余部分恢复温度而形成为返回空气；循环压缩工序，其将该返回空气升压而形成为升压返回空气；将中压塔导入空气导入中压塔的工序。

Description

空气液化分离方法及装置
技术领域
本发明涉及一种空气液化分离方法及装置，详细地说，涉及通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔及低压塔进行低温分离而至少将液态氧作为产品进行提取的空气液化分离方法及装置。 
背景技术
在工业地制造氧、氮及氩的情况下，以空气为原料，利用由中压塔、低压塔构成的复合精馏塔进行分离的、所谓的低温式空气液化分离装置而进行的制造是较普遍的。该低温式空气液化分离装置能够将产品的5％左右用作制造液态氧、液态氮、液态氩。但是，当制造更多的液态产品时，就需要追加液化工艺。 
液化工艺是使原料空气、氮气等压缩、循环、绝热膨胀而获得工艺所需的低温的工艺，关于各个工艺，公开有许多技术(例如，参照专利文献1)。 
在这样的液化工艺中，循环流体以部分液化的状态被供给到蒸馏塔内，根据温度来提取相应的液态产品。同压缩低压和/或中压的氮气而用作循环流体的氮气循环液化工艺相比，将压力更高的原料空气的一部分压缩而用作循环流体的空气循环液化工艺在循环流体的压缩上所需的能耗较少、基本上是优选的工艺。 
但是，当产品液体量、特别是液态氮较多时，在空气循环液化工艺中供给到中压塔的原料空气的液化率升高，因此中压塔的蒸馏效率降低从而难于应对。另一方面，氮循环液化工艺 是将作为液态产品的液态氮供给到中压塔的工艺，即使在产品液体量较多的情况下，中压塔的蒸馏效率也不会降低。即，在产品液体量比较少的情况下，能耗更少的空气循环液化工艺为优选，但是在产品液体量比较多的情况下，仅有氮循环液化工艺能够应对。 
另外，公知有在单精馏塔工艺中利用了空气循环工艺的工艺(例如，参照专利文献2、3、4)。在上述工艺中，均是通过如下过程使工艺循环：使压力与单精馏塔的运行压力相同程度的原料空气的一部分循环并升温至常温，然后导入到原料空气压缩机内，与从外部导入的原料空气一起进行压缩。在这些工艺中，虽然在循环的原料空气中未含有水蒸气、二氧化碳，但却是循环空气也在预处理装置中循环的工艺，因此存在有预处理吸附装置为不必要地大型化的浪费。 
此外，也公知有在复合精馏塔工艺中利用了空气循环液化工艺的工艺(例如，参照专利文献5、6)。例如，原料空气被压缩机升压至460kPa(表压，以下记为kPaG)，并被净化，然后与被透平膨胀机处理后的循环空气的一部分一起被导入到循环空气压缩机内，升压至所需压力。这些循环空气被换热器冷却至规定的温度之后被导入到透平膨胀机内，产生装置所需的低温。被透平膨胀机处理后的循环空气的一部分被导入到中压塔内，剩余部分与原料空气一起被导入到循环压缩机内。在该工艺中，中压塔的运行压力为大约480kPaG，与透平膨胀机排出压力、预处理装置运行压力形成为相同程度。 
另外，也公知有使用对产品氧进行提取的空气液化分离装置的、能够改变所提取的液态氧量的比率的工艺(例如，参照专利文献7、8)，例如，将来自中压塔的流体导入预处理设备的下游并使其与原料空气一起进行升压。另外，也公知有利用压 缩机将来自中压塔的流体与原料空气一起压缩至高于中压塔的运行压力的压力的工艺(例如，参照专利文献9)。但是，在该工艺中，由于冷却装置、预处理吸附装置对循环流体也进行了处理，因此这些装置需要较高的处理能力。 
专利文献1：日本发明专利第3213846号公报 
专利文献2：日本特公昭56-034787号公报 
专利文献3：日本特公昭60-044584号公报 
专利文献4：日本实开昭54-095552号公报 
专利文献5：日本特开平06-159929号公报 
专利文献6：日本特开平06-159930号公报 
专利文献7：日本特开平10-054657号公报 
专利文献8：日本特开平10-054658号公报 
专利文献9：日本特开平06-300435号公报 
如上所述，作为液化工艺提出有许多提案，在空气循环液化工艺中，把工艺上的效率改善作为了主要目的，但是在装置价格改善方面仍然不能称之为完善。 
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够谋求降低至少将液态氧作为产品进行提取的空气循环液化工艺中的装置价格的空气液化分离方法及装置。 
为了达到上述目的，本发明的第1技术方案是一种空气液化分离方法，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔及低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离方法包括如下工序：原料空气压缩工序，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；吸附净化工序，其从该升压原 料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；循环空气合流工序，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；冷却工序，其将把该循环空气分流为2支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为膨胀用空气；膨胀工序，其使该膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力从而形成为低温空气；将该低温空气的一部分导入上述中压塔的工序；升温工序，其使该低温空气的剩余部分恢复温度而形成为返回空气；循环压缩工序，其将该返回空气升压而形成为上述升压返回空气；将上述中压塔导入空气导入上述中压塔的工序。 
另外，本发明的第2技术方案是一种空气液化分离方法，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离方法包括如下工序：原料空气压缩工序，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；吸附净化工序，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；循环空气合流工序，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；冷却工序，其将把该循环空气分流为3支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为冷膨胀用空气，而且，将第3支流空气冷却至高于上述第2设定温度的第3设定温度而形成为热膨胀用空气；第1膨胀工序，其使上述冷膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力从而形成为第1低温空气；第2膨胀工序，其使上述热膨胀用空气绝热膨胀至上述第2设定压力从而形成为温度高于上述第1 设定温度的第2低温空气；将该第1低温空气的一部分导入上述中压塔的工序；升温工序，其使该第1低温空气的剩余部分与上述第2低温空气恢复温度而形成为返回空气；循环压缩工序，其将该返回空气升压而形成为上述升压返回空气；将上述中压塔导入空气导入上述中压塔的工序。 
而且，在上述第1技术方案或第2技术方案中，该空气液化分离方法包括将上述循环空气升压至高于上述第1设定压力的压力的循环空气升压工序。 
另外，本发明的第3技术方案是一种空气液化分离装置，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离装置包括：原料空气压缩机，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；吸附装置，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；循环空气合流管路，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；主换热器，其将把该循环空气分流为2支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为膨胀用空气；透平膨胀机，其使该膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力而形成为低温空气；将该低温空气的一部分导入上述中压塔的配管；循环压缩机，其将利用上述主换热器使该低温空气的剩余部分恢复温度后的返回空气升压而形成为上述升压返回空气；将上述中压塔导入空气导入上述中压塔的配管。 
而且，本发明的第4技术方案是一种空气液化分离装置，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离装置包括：原料空气压缩机，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；吸附装置，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；循环空气合流管路，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；主换热器，其将把该循环空气分流为3支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为冷膨胀用空气，而且，将第3支流空气冷却至高于上述第2设定温度的第3设定温度而形成为热膨胀用空气；冷透平膨胀机，其使上述冷膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力而形成为第1低温空气；热透平膨胀机，其使上述热膨胀用空气绝热膨胀至上述第2设定压力而形成为第2低温空气；将上述第1低温空气的一部分导入上述中压塔的配管；循环压缩机，其将利用上述主换热器使该第1低温空气的剩余部分与上述第2低温空气恢复温度后的返回空气升压而形成为上述升压返回空气；将上述中压塔导入空气导入上述中压塔的配管。 
此外，在上述第3技术方案或第4技术方案中，该空气液化分离装置包括将上述循环空气升压至高于上述第1设定压力的压力的循环空气压缩机，上述循环空气压缩机是设置在上述透平膨胀机上的透平膨胀机制动鼓风机，利用鼓风机、发电机、液压泵中的任意一项来进行上述透平膨胀机的制动。 
采用本发明，将以往被升压至与中压塔的运行压力对应的压力的原料空气整体升压至高于中压塔的运行压力的第1设定压力，例如相对于中压塔的运行压力至少1.5倍左右的压力，在该状态下吸附去除原料空气中所含有的水蒸气、二氧化碳等杂质，因此与以往普遍的空气液化分离装置相比，能够使吸附装置及其周边的配管小型化。另外，由于原料空气中所含有的水蒸气的分压相对降低，因此能够减少用于吸附去除水分的吸附剂的需要量，并且也能够减少吸附剂再生所需的能量。因而，能够在与以往相同程度的能耗下降低装置价格等。 
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例的空气液化分离装置的***图。 
图2是表示本发明的第2实施例的空气液化分离装置的主要部分***图。 
图3是表示本发明的第3实施例的空气液化分离装置的主要部分***图。 
图4是表示本发明的第4实施例的空气液化分离装置的主要部分***图。 
图5是表示本发明的第5实施例的空气液化分离装置的主要部分***图。 
图6是表示本发明的第6实施例的空气液化分离装置的主要部分***图。 
具体实施方式
图1的第1实施例所示的空气液化分离装置是通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔11和低压塔12进行低温蒸馏而将液态氧LO2、液态粗氩LAr及液态氮LN2作为液态产品进行提取，并且将氧气GO2及氮气GN2作为气态产品进行提取的空气液化分离装置，作为主要构成装置，该空气液化分离装置具有原料空气压缩机13、吸附装置14、循环压缩机15、主换热器16、透平膨胀机17、主冷凝器18、粗氩塔19、氩冷凝器20、 过冷器21。 
首先，原料空气整体被导入原料空气压缩工序，在该原料空气压缩工序中，利用原料空气压缩机13将该原料空气整体升压至高于中压塔11的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气。升压原料空气被冷却器13a冷却，利用泄水分离器13b分离出冷凝水之后，被导入到进行吸附净化工序的吸附装置14。在吸附装置14中，原料空气中所含有的水蒸气、二氧化碳等杂质被吸附剂吸附并去除，升压原料空气被净化而形成为升压净化空气。该升压净化空气在被冷却器14a冷却之后，经过构成循环空气合流管路51的一侧配管51a，与从循环压缩机15排出到另一侧作为合流管路的配管51b的升压返回空气合流从而进行循环空气合流工序，成为在配管51c中流动的循环空气。 
在配管51c内的循环空气在被分流为2支、即在配管52内的第1支流空气与在配管53内的第2支流空气之后被导入到进行冷却工序的主换热器16。第1支流空气被主换热器16冷却至第1设定温度，从主换热器16的冷端向配管54导出而成为中压塔导入空气。该中压塔导入空气被阀31减压至与中压塔11的运行压力对应的压力，以大部分液化了的状态从配管55被导入到中压塔11的下部。 
在配管53内的第2支流空气在利用主换热器16的冷却工序中被冷却至温度高于上述第1设定温度的第2设定温度，在到达主换热器16的冷端之前被抽取到配管56并成为膨胀用空气，导入到透平膨胀机17。膨胀用空气被实施如下膨胀工序而成为在配管57内的低温空气，即，该膨胀工序利用透平膨胀机17将该膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力。该低温空气从配管57被分流到配管58与配管59，分流到配管59的低温空气经由阀32而作为上升气体从配管60被导入到中压 塔11的下部。 
分流到上述配管58内的这一低温空气的剩余部分被导入到主换热器16的冷端而进行升温工序，与上述第1分流空气及第2分流空气进行热交换从而将各个分流空气冷却至规定温度，并且使其自身温度恢复至常温左右，成为在配管61内的返回空气。该返回空气在被吸引到循环压缩机15内从而进行循环压缩工序，升压至与上述升压净化空气对应的压力之后，被排出到上述配管51b内从而与上述配管51a内的升压净化空气合流，成为在配管51c内的上述循环空气。 
从配管55及配管60导入到中压塔11的下部的原料空气通过在该中压塔11中的蒸馏操作而分离为中压塔顶部的中压富氮气体与中压塔底部的富氧液体。富氧液体从中压塔底部被抽取到配管62内，被过冷器21冷却，之后，分流到配管63与配管64，在配管64内的富氧液体在被阀33减压至与低压塔12的运行压力对应的压力之后，经过配管65而作为回流液体被导入到低压塔12的中间部。 
另外，在配管63中流动的富氧液体在被阀34减压之后，被导入到设置于粗氩塔19上部的氩冷凝器20内。利用氩冷凝器20汽化后的富氧气体经过配管66而作为上升气体导入到低压塔12的中间部。导入到低压塔12内的富氧液体及富氧气体中的氧部分通过低压塔12中的蒸馏操作而被浓缩于低压塔底部而成为低压液态氧。该低压液态氧的一部分被抽取到配管67，在被过冷器21冷却之后作为产品液态氧从配管68中被提取出来。 
上述中压塔顶部的中压富氮气体经过配管69而被导入到配置于低压塔底部的主冷凝器18内，与上述低压液态氧进行间接热交换，使低压液态氧汽化而形成为低压氧气，并且使其自身液化而成为液态氮。该液态氮的一部分经过配管70而作为回流 液体返回到中压塔11的上部，液态氮的剩余部分经过配管71并被过冷器21冷却之后，一部分分流到配管72而作为产品液态氮被提取出来，大部分液态氮在被阀35减压至与低压塔12的运行压力对应的压力之后，经过配管73而作为回流液体被导入到低压塔12的上部。 
此外，富含氩的气体流体(氩供给气体)从低压塔12的中间部被抽取到配管74并被导入到粗氩塔19的下部，通过粗氩塔19中的蒸馏操作于粗氩塔顶部分离出氩被浓缩后的粗氩气，在粗氩塔底部分离出氩浓度降低了的液体。该氩浓度降低了的液体从粗氩塔底部被抽取到配管75，被作为下降液体返回到低压塔12的中间部。 
粗氩塔顶部的粗氩气经由配管76被导入到氩冷凝器20，利用该氩冷凝器20与上述富氧液体进行热交换，从而使该粗氩气液化而成为液体粗氩。该液体粗氩的一部分作为产品的液体粗氩被从配管77提取出来，剩余部分的液体粗氩经过配管78而作为回流液体被导入到粗氩塔19的上部。 
通过上述低压塔12中的蒸馏操作而被浓缩在低压塔顶部的低压氮气被抽取到配管79并被导入到过冷器21内，用作上述各液体的冷却源，之后经由配管80导入到主换热器16的冷端。另外，利用上述主冷凝器18汽化的低压氧气的一部分被抽取到配管81并导入到主换热器16的冷端，剩余的大部分低压氧气成为低压塔12的上升气体。此外，在低压塔12内上升的气体的一部分作为废气WG从低压塔12的中上部被抽取到配管82，成为过冷器21的冷却源，之后，被导入到主换热器16的冷端。 
该低压氮气、低压氧气及废气与从主换热器16的热端导入的上述各个支流空气进行热交换，恢复温度并升温至常温，之后，低压氮气作为产品氮气被从配管83中提取出来，低压氧气作为产品氧气被从配管84中提取出来，废气在被抽取到配管85中之后用作上述吸附装置14的再生气体等。 
在这样形成的空气液化分离装置中，利用原料空气压缩机13对原料空气进行升压后形成升压原料空气，该升压原料空气的第1设定压力被设定为高于中压塔11的运行压力的压力。一般地，具有中压塔11、低压塔12、主冷凝器18的复合精馏塔中的中压塔11的运行压力为约500kPaG，从配管60导入到中压塔11下部的低温空气的压力也成为相同的程度，在配管61中流动的返回空气也成为与中压塔11的运行压力相同程度的约500kPaG，因此只要将对该返回空气进行升压的循环压缩机15的压缩比设为1.5～1.8，与循环压缩机15的排出压力相等压力的升压原料空气的压力、即第1设定压力就成为约750kPaG(500kPaG×1.5)～900kPaG(500kPaG×1.8)。 
因而，在本实施例中，由于从原料空气中去除杂质的吸附装置14的运行压力与以往普通的空气液化分离装置的情况相比成为1.5倍左右，因此能够谋求吸附装置14中的吸附器主体、周边配管的小型化，能够降低装置价格。即，当与以往的吸附装置相比时，由于能够减小吸附装置14的吸附筒的筒径，因此吸附筒材料价格降低，另外，由于原料空气中携带的水蒸气量减少，因此能够减少水蒸气的吸附去除所需的氧化铝凝胶量，因此能够大幅地降低作为吸附装置整体的设备成本。另外，由于原料空气中所含有的水蒸气量减少，因此不需要将原料空气冷却至低温，也能够降低冷却设备所需的成本。 
在以下所述的本发明的其他实施例的说明中，对于与上述第1实施例所示的空气液化分离装置的构成部件相同的构成部件标注相同的附图标记并省略详细说明。另外，由于中压塔、低压塔的周边结构能够采用与上述第1实施例相同的结构，因此省略对这些部分的图示及说明。 
图2的第2实施例所示的空气液化分离装置形成为如下所述的装置：即，将循环压缩机15设为具有第1压缩级15a、第2压缩级15b的多级压缩机，使从第1压缩级15a排出的升压返回空气与升压净化空气合流而形成为循环空气，通过利用循环压缩机15的第2压缩级15b进行循环空气升压工序而使该循环空气进一步升压而形成为高压循环空气，之后通过利用透平膨胀机17的制动鼓风机22进行第2循环空气升压工序而进一步升压至高压。 
即，利用吸附装置14对整体被原料空气压缩机13升压至第1设定压力后的原料空气进行净化而形成为升压净化空气，使该升压净化空气经过循环空气合流管路51的配管51a，在配管51c中与从第1压缩级15a排出并被二次冷却器冷却的、配管51b内的升压返回空气合流，被第2压缩级15b升压至高于第1设定压力的压力并成为高压循环空气。 
从循环压缩机15排出的高压循环空气的一部分分流到上述配管52，与上述同样地，被导入到主换热器16内而冷却至第1设定温度，经由配管54、阀31、配管55以大部分液化的状态被导入到中压塔11的下部。 
分流到配管53中的这一高压循环空气的剩余部分在被导入到透平膨胀机17的制动鼓风机22内而进一步升压至高压之后，经由配管86导入到主换热器16内，冷却至温度高于第1设定温度的第2设定温度，在到达主换热器16的冷端之前被抽取到配管56内而成为膨胀用空气，导入到透平膨胀机17。膨胀用空气借助透平膨胀机17绝热膨胀至压力低于第1设定压力的第2设定压力从而成为在配管57内的低温空气。该低温空气的一部分分流到配管59并经由阀32及配管60导入到中压塔的下部，低温空 气的剩余部分分流到配管58内从而导入到主换热器16的冷端，恢复温度从而成为在配管61内的返回空气，被吸引到循环压缩机15的第1压缩级15a并进行循环。 
这样，通过利用循环空气升压工序对循环空气进行升压而形成为更高压的循环空气，从而能够提高在透平膨胀机17中的膨胀率，能够增大制冷量。 
在图3的第3实施例所示的空气液化分离装置中，作为进行膨胀工序的透平膨胀机，设有使温度相对低的上述第2设定温度的膨胀用空气(冷膨胀用空气)绝热膨胀的冷透平膨胀机17a和使温度相对高于第2设定温度的第3设定温度的膨胀用空气(热膨胀用空气)绝热膨胀的热透平膨胀机17b，并且作为两透平膨胀机17a、17b的制动用构件，分别设有冷透平膨胀机制动鼓风机22a及热透平膨胀机制动鼓风机22b。 
与上述第2实施例同样地，升压净化空气与升压返回空气合流之后被循环压缩机15的第2压缩级15b升压而成为高压的循环空气，将该成为高压的循环空气分流为在配管52内的第1分流空气和在配管53内的第2分流空气，分流到配管53内的第2分流空气被冷透平膨胀机制动鼓风机22a进一步升压，从配管86导入到主换热器16而以冷却至上述第2设定温度的状态被抽取到配管56内并成为冷膨胀用空气。该冷膨胀用空气利用冷透平膨胀机17a进行第1膨胀工序而绝热膨胀至上述第2设定压力，从而成为上述第1设定温度左右的第1低温空气。 
第1低温空气的一部分从配管57分流到配管59，经由阀32及配管60被导入到中压塔11的下部，分流到配管58内的剩余部分的第1低温空气被导入到主换热器16的冷端而恢复温度，从而成为在配管61内的返回空气，被吸引到循环压缩机15的第1压缩级15a内并与上述同样地进行循环。 
另一方面，分流到配管52内的第1分流空气被热透平膨胀机制动鼓风机22b进一步升压并从配管87导入到主换热器16内，冷却至温度高于上述第2设定温度的第3设定温度，一部分作为第3分流空气而分流，被抽取到配管88并成为热膨胀用空气。该热膨胀用空气利用热透平膨胀机17b进行第2膨胀工序并绝热膨胀至上述第2设定压力，从而成为温度高于上述第1设定温度、低于第3设定温度的第2低温空气，从位于与该第2低温空气的温度对应的位置的配管89导入到主换热器16内，与温度恢复中的第1低温空气合流并导出到配管61内而成为返回空气，在循环压缩机15内进行循环。第1分流空气的剩余部分被主换热器16冷却至第1设定温度，经由配管54、阀31、配管55导入到中压塔11。 
这样，通过将膨胀工序分割为热、冷2个工序，能够有效地进行利用透平膨胀机的绝热膨胀，能够有效地冷却导入中压塔11的原料空气。 
图4的第4实施例所示的空气液化分离装置是将上述第3实施例中的循环压缩机15设为具有第1压缩级15a、第2压缩级15b、第3压缩级15c的多级压缩机。被循环压缩机15的第2压缩级15b升压后的循环空气与上述同样地，分流为在配管52内的第1分流空气和在配管53内的第2分流空气，第1分流空气被热透平膨胀机制动鼓风机22b进一步升压并从配管87导入到主换热器16，一部分作为第3分流空气以上述第3设定温度分流到配管88，成为热膨胀用空气并被导入到热透平膨胀机17b。借助热透平膨胀机17b绝热膨胀至第2设定压力，从而成为与上述相同的第2低温空气，在从配管89导入到主换热器16并恢复温度之后，经由配管61在循环压缩机15内进行循环。 
另一方面，在配管53内的第2分流空气在被第3压缩级15c 及冷透平膨胀机制动鼓风机22a进一步升压至高压之后经由配管86导入到主换热器16，以上述第2设定温度被抽取到配管56而成为冷膨胀用空气，借助冷透平膨胀机17a绝热膨胀至第2设定压力，从而成为上述第1设定温度左右的第1低温空气。在配管57内的第1低温空气的一部分从配管59经由阀32及配管60导入到中压塔11的下部，剩余部分的第1低温空气从配管58导入到主换热器16并与上述第2低温空气合流，恢复温度而成为在配管61内的返回空气，被吸引到循环压缩机15内从而进行循环。 
在图5的第5实施例所示的空气液化分离装置中，取代上述第4实施例中的冷透平膨胀机制动鼓风机22a而设置了发电机23，利用发电机23进行冷透平膨胀机17a的制动，并且将分流到配管53并利用循环压缩机15的第3压缩级15c进行升压后的第2分流空气在维持其压力的情况下从配管90导入到主换热器16。这样，在透平膨胀机的制动中能够采用除鼓风机制动以外的电动机制动、油制动。 
图6的第6实施例所示的空气液化分离装置形成为使被原料空气压缩机13升压至高于中压塔11的运行压力的第1设定压力并被吸附装置14净化后的升压净化空气与被循环压缩机15升压并进一步被冷透平膨胀机制动鼓风机22a及热透平膨胀机制动鼓风机22b升压后的升压返回空气合流。 
即，从吸附装置14导出到配管91后的升压净化空气分流到构成循环空气合流管路的配管92与配管93。另一方面，利用循环压缩机15对配管61内的返回空气进行升压后的升压返回空气分流到朝向冷透平膨胀机制动鼓风机22a流动的配管94内和朝向热透平膨胀机制动鼓风机22b流动的配管95内。 
分流到配管94并被冷透平膨胀机制动鼓风机22a进一步升压后的升压返回空气经过构成循环空气合流管路的配管96与来 自上述配管92的升压净化空气合流，经过配管97导入到主换热器16，冷却至第2设定温度并被抽取到配管56，成为上述冷膨胀用空气从而被导入到冷透平膨胀机17a。 
分流到配管95并被热透平膨胀机制动鼓风机22b进一步升压后的升压返回空气经过构成循环空气合流管路的配管98与来自上述配管93内的升压净化空气合流，经过配管99导入到主换热器16，一部分在被冷却至第3设定温度的程度下被抽取到配管88，成为热膨胀用空气而被导入到热透平膨胀机17b，剩余部分在被冷却至第1设定温度之后，成为在配管54内的中压塔导入空气而被导入到中压塔11。 
另外，在各个实施例中，列举了将液态氧LO2、液态粗氩LAr及液态氮LN2作为液态产品而进行提取的例子，但是本发明也能够应用于仅将液态氧LO2作为液态产品而进行提取的空气液化分离装置，也能够进行液态氧LO2与液态粗氩LAr、液态氧LO2与液态氮LN2的组合。另外，在循环压缩机中，能够根据吸入压力、排出压力、处理量而使用具有4级以上的压缩级的压缩机。 
接着，说明使用上述第3实施例所示的空气液化分离装置，从而提取液态氧1500Nm3/h、液态氮1000Nm3/h及液态氩50Nm3/h时的具体例子。另外，“Nm3/h”表示换算为0℃、1个大气压情况下的每1小时的流量。 
首先，原料空气(8800Nm3/h)在整体被原料空气压缩机13升压至约850kPaG之后，被导入到使用活性氧化铝凝胶及沸石的吸附装置14内，原料空气中所含有的水蒸气、二氧化碳等杂质被吸附去除并净化。净化了的原料空气(升压净化空气)被导入到循环压缩机15的第1压缩级15a与第2压缩级15b之间，与从第1压缩级15a排出的升压返回空气(12800Nm3/h)合流， 被第2压缩级15b升压至2700kPaG而成为循环空气。 
循环空气的一部分(第1分流空气7700Nm3/h)在被热透平膨胀机制动鼓风机22b升压至4000kPaG之后导入到主换热器16。第1分流空气的一部分(第3分流空气4000Nm3/h)在被主换热器16冷却至第3设定温度的阶段被从主换热器16内抽取，导入到热透平膨胀机17b并绝热膨胀至第2设定压力，从而成为第2低温空气。第1分流空气的剩余部分(3700Nm3/h)在被主换热器16冷却至第1设定温度、被阀31减压至中压塔对应压力之后，经过配管55导入到中压塔11。 
循环空气的剩余部分(第2分流空气13900Nm3/h)被冷透平膨胀机制动鼓风机22a升压至4000kPaG并导入到主换热器16，在被主换热器16冷却至第2设定温度之后导入到冷透平膨胀机17a并进行绝热膨胀，从而成为第1低温空气。第1低温空气的一部分(8800Nm3/h)被导入到主换热器16从而与上述第2低温空气合流，成为原料空气(循环空气)的冷却源，从而恢复温度并成为返回空气。第1低温空气的剩余部分(5100Nm3/h)经过阀32、配管60而导入到中压塔11的下部。 
被导入到中压塔11的原料空气(来自配管55的3700Nm3/h、来自配管60的5100Nm3/h)在中压塔11、低压塔12及粗氩塔19中被进行低温蒸馏，从而成为液态氧1500Nm3/h、液态氮1000Nm3/h、液态氩50Nm3/h的液态产品、氧气、氮气的气态产品及废气。 
表1中示出了在主要的配管中流动的气体、液体的流量、温度、压力、氧组成，并且表2中示出了对本实施例中的吸附装置与以往技术的吸附装置进行比较的吸附装置的主要规格。另外，表2中的活性氧化铝量以下的参数是将以往装置的值设为100时的相对值。 
[表1] 
(H：流体压力) 
[表2] 
    本实施例   以往技术
 原料空气量(Nm3/h)   8800   8800
 运行压力(kPaG)   850   500
 吸附温度(K)   313   313
 携带水分量(kg/h)   88   55
 活性氧化铝量   63   100
 吸附器 筒径   80   100
 吸附器 价格(材料)   64   100
 吸附器 价格(吸附剂)   86   100
 吸附器 价格(总计)   93   100
附图标记说明
11、中压塔；12、低压塔；13、原料空气压缩机；14、吸附装置；15、循环压缩机；15a、第1压缩级；15b、第2压缩级；15c、第3压缩级；16、主换热器；17、透平膨胀机；17a、冷透平膨胀机；17b、热透平膨胀机；18、主冷凝器；19、粗氩塔；20、氩冷凝器；21、过冷器；22、制动鼓风机；22a、冷透平膨胀机制动鼓风机；22b、热透平膨胀机制动鼓风机；23、发电机；51、循环空气合流管路。 

Claims (9)

1.一种空气液化分离方法，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离方法包括如下工序：
原料空气压缩工序，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；
吸附净化工序，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；
循环空气合流工序，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；
冷却工序，其将把该循环空气分流为2支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为膨胀用空气；
膨胀工序，其使该膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力从而形成为低温空气；
将该低温空气的一部分导入上述中压塔的工序；
升温工序，其使该低温空气的剩余部分恢复温度而形成为返回空气；
循环压缩工序，其将该返回空气升压而形成为上述升压返回空气；
将上述中压塔导入空气减压至与上述中压塔的运行压力对应的压力并导入上述中压塔的工序。
2.一种空气液化分离方法，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离方法包括如下工序：
原料空气压缩工序，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；
吸附净化工序，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；
循环空气合流工序，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；
冷却工序，其将把该循环空气分流为3支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为冷膨胀用空气，而且，将第3支流空气冷却至高于上述第2设定温度的第3设定温度而形成为热膨胀用空气；
第1膨胀工序，其使上述冷膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力从而形成为第1低温空气；
第2膨胀工序，其使上述热膨胀用空气绝热膨胀至上述第2设定压力从而形成为温度高于上述第1设定温度的第2低温空气；
将该第1低温空气的一部分导入上述中压塔的工序；
升温工序，其使该第1低温空气的剩余部分与上述第2低温空气恢复温度而形成为返回空气；
循环压缩工序，其将该返回空气升压而形成为上述升压返回空气；
将上述中压塔导入空气减压至与上述中压塔的运行压力对应的压力并导入上述中压塔的工序。
3.根据权利要求1或2所述的空气液化分离方法，其中，
该空气液化分离方法包括将上述循环空气升压至高于上述第1设定压力的压力的循环空气升压工序。
4.一种空气液化分离装置，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离装置包括：
原料空气压缩机，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；
吸附装置，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；
循环空气合流管路，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；
主换热器，其将把该循环空气分流为2支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为膨胀用空气；
透平膨胀机，其使该膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力而形成为低温空气；
将该低温空气的一部分导入上述中压塔的配管；
循环压缩机，其将利用上述主换热器使该低温空气的剩余部分恢复温度后的返回空气升压而形成为上述升压返回空气；
将上述中压塔导入空气经由阀减压至与上述中压塔的运行压力对应的压力并导入上述中压塔的配管。
5.一种空气液化分离装置，其通过将经压缩、净化、冷却后的原料空气于中压塔和低压塔进行低温蒸馏而至少将液态氧作为产品进行提取，其中，该空气液化分离装置包括：
原料空气压缩机，其将原料空气整体升压至高于上述中压塔的运行压力的第1设定压力而形成为升压原料空气；
吸附装置，其从该升压原料空气中吸附去除杂质而形成为升压净化空气；
循环空气合流管路，其使该升压净化空气与后述的升压返回空气合流而形成为循环空气；
主换热器，其将把该循环空气分流为3支而得到的第1支流空气冷却至第1设定温度而形成为中压塔导入空气，将第2支流空气冷却至高于上述第1设定温度的第2设定温度而形成为冷膨胀用空气，而且，将第3支流空气冷却至高于上述第2设定温度的第3设定温度而形成为热膨胀用空气；
冷透平膨胀机，其使上述冷膨胀用空气绝热膨胀至低于上述第1设定压力的第2设定压力而形成为第1低温空气；
热透平膨胀机，其使上述热膨胀用空气绝热膨胀至上述第2设定压力而形成为第2低温空气；
将上述第1低温空气的一部分导入上述中压塔的配管；
循环压缩机，其将利用上述主换热器使该第1低温空气的剩余部分与上述第2低温空气恢复温度后的返回空气升压而形成为上述升压返回空气；
将上述中压塔导入空气经由阀减压至与上述中压塔的运行压力对应的压力并导入上述中压塔的配管。
6.根据权利要求4或5所述的空气液化分离装置，其中，
该空气液化分离装置包括将上述循环空气升压至高于上述第1设定压力的压力的循环空气压缩机。
7.根据权利要求6所述的空气液化分离装置，其中，
上述循环空气压缩机是设置在上述透平膨胀机上的透平膨胀机制动鼓风机。
8.根据权利要求4或5所述的空气液化分离装置，其中，
利用鼓风机、发电机、液压泵中的任意一项来进行上述透平膨胀机的制动。
9.根据权利要求6所述的空气液化分离装置，其中，
利用鼓风机、发电机、液压泵中的任意一项来进行上述透平膨胀机的制动。
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