專利名稱：渦輪/電動(dòng)機(jī)(發(fā)電機(jī))驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪/電動(dòng)機(jī)(發(fā)電機(jī))驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及一種包括由一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)助力的低溫膨脹渦輪所驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)的聯(lián)合裝置，以及一種使用該裝置的方法。
過(guò)去，由于發(fā)電機(jī)和相關(guān)硬設(shè)備的價(jià)格過(guò)高，功率低于100馬力的渦輪很少在吹離生產(chǎn)中使用。許多氮(或氧)生產(chǎn)設(shè)備使用了一個(gè)產(chǎn)品壓縮機(jī)來(lái)根據(jù)用戶的技術(shù)要求提高產(chǎn)品壓力。另一方面，某些氮生產(chǎn)設(shè)備(用廢料膨脹)中沒(méi)有產(chǎn)品壓縮機(jī)并且被設(shè)計(jì)成可在較高的總壓力(它由產(chǎn)品氮所需要的壓力決定)下工作。這種廢料膨脹設(shè)備要求更大的能量，該設(shè)備工作的經(jīng)濟(jì)性較差。但是，由于與通過(guò)省去產(chǎn)品壓縮機(jī)相關(guān)的基本投資的節(jié)省，這種低效率已經(jīng)被證明是合理的。一般說(shuō)來(lái)，低溫吹離設(shè)備具有一臺(tái)可自持的致冷生產(chǎn)膨脹器(渦輪)是較理想的。
為了把氣體生產(chǎn)設(shè)備用于液體生產(chǎn)，最好增加渦輪的尺寸，然后相應(yīng)地改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程。一般，生產(chǎn)工程師不會(huì)增加與其他生產(chǎn)要求無(wú)關(guān)的該渦輪的尺寸。因此，所生產(chǎn)的液體的數(shù)量以及一臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品氣體的生產(chǎn)率常常(特別是在環(huán)境溫度很高的日子里)會(huì)受到限制，部分由于致冷的限制。因此，根據(jù)一個(gè)特定系統(tǒng)的要求來(lái)調(diào)整所產(chǎn)生的致冷量將是有利的。但是通過(guò)改變渦輪功率來(lái)調(diào)整致冷量而又不影響生產(chǎn)過(guò)程是不切實(shí)際的，因?yàn)檫@種裝置是不存在的。
只要把渦輪功率用在設(shè)備的其他部件(例如驅(qū)動(dòng)一個(gè)用來(lái)壓縮產(chǎn)品流或進(jìn)給空氣本身的增壓壓縮機(jī))就可以改進(jìn)小型至中型氣體生產(chǎn)設(shè)備的效率。過(guò)去存在的問(wèn)題除了基本投資以外，還有一個(gè)如何使渦輪與壓縮機(jī)級(jí)兩者的速度和功率相匹配的問(wèn)題。增壓壓縮機(jī)的工作參數(shù)包括壓力(頭)、流量和功率都通過(guò)相應(yīng)的(壓縮)流要求(或產(chǎn)品流或進(jìn)給空氣流)進(jìn)行管理。高效率工作通常決定了壓縮機(jī)的尺寸及其最佳速度。這些增壓壓縮機(jī)的技術(shù)要求與渦輪的工作壓頭、流量和功率要求(它們?nèi)Q于其他的生產(chǎn)目的)是無(wú)關(guān)和沒(méi)有聯(lián)系的。
渦輪和壓縮機(jī)都必須被允許在其最佳速度下運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到最高效率的工作。渦輪和壓縮機(jī)的速度和功率通常是不匹配的。在過(guò)去，人們首先確定渦輪的尺寸，然后調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程使增壓器圍繞渦輪定下尺寸。通常要兼顧一個(gè)或幾個(gè)過(guò)程參數(shù)，如流量、速度和效率等。在用發(fā)電機(jī)加載渦輪的情況下，基本投資和生產(chǎn)費(fèi)用在改進(jìn)吹離生產(chǎn)中是起決定作用的。結(jié)果，傳統(tǒng)上一直認(rèn)為渦輪功率低于100馬力回收是不經(jīng)濟(jì)的，因而廢棄不用。
如上所述，在小型至中型設(shè)備中，渦輪功率沒(méi)有被利用而是在散熱回路中廢棄掉了。如果該功率被用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將能量回收至生產(chǎn)中，這樣做常常損害壓縮機(jī)性能，因?yàn)闇u輪和壓縮機(jī)的功率和速度很少能夠匹配。用一臺(tái)發(fā)電機(jī)作為渦輪的負(fù)載，雖然在經(jīng)濟(jì)上可行，但仍不如直接用壓縮機(jī)更有效。
然而，申請(qǐng)人知道目前還沒(méi)有描述本發(fā)明內(nèi)容的技術(shù)創(chuàng)造，即，一個(gè)帶有一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的低溫渦輪和一級(jí)(或幾級(jí))壓縮機(jī)通過(guò)一具齒輪箱組合成一個(gè)裝置，從而可對(duì)低溫渦輪和壓縮機(jī)都提供最佳工作。把低溫渦輪安裝在暖端設(shè)備例如基本負(fù)荷空氣壓縮機(jī)或齒輪箱上是不切實(shí)際的，因?yàn)榘训蜏販u輪管道的路線和絕緣設(shè)定在或靠近于該暖端設(shè)備處有不少技術(shù)困難。后者實(shí)際上通常位于與安裝渦輪管道和所有低溫管道的低溫箱相距一定距離處。
現(xiàn)有技術(shù)涉及有關(guān)膨脹器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的各個(gè)方面。例如在低溫生產(chǎn)行業(yè)中應(yīng)用的壓縮機(jī)加載的渦輪(壓縮擴(kuò)展器)以及發(fā)電機(jī)加載的低溫渦輪都是本技術(shù)領(lǐng)域已知的。人們知道在吹離設(shè)備中壓縮擴(kuò)展器可用于生產(chǎn)低壓氣體氧和/或氮產(chǎn)品。例如在美國(guó)專利5268328中，電動(dòng)機(jī)和一個(gè)暖生產(chǎn)空氣渦輪相組合來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。
美國(guó)專利4817393提出了在驅(qū)動(dòng)一個(gè)小型暖端空氣壓縮機(jī)或以該軸功率輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)之間幾乎沒(méi)有成本上的差距。美國(guó)專利4769055提出了在暖端壓縮機(jī)獲得的增量壓縮是很經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)轵?qū)動(dòng)功率是“自由”的并且壓縮擴(kuò)展器的基本投資同帶有一些吸收發(fā)出功率的其他裝置的膨脹器的基本投資幾乎沒(méi)有什么差距。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種由一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)助力的低溫渦輪膨脹器所驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)的組合裝置，該裝置可以有效地在低溫生產(chǎn)循環(huán)中使用。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是確認(rèn)這種低溫生產(chǎn)循環(huán)，能有效地使用該低成本的由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)助力的渦輪膨脹器驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)，其效率不亞于現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種可靠的和堅(jiān)固的低溫渦輪膨脹器，該膨脹器只需要較低的基本投資和較低的維修費(fèi)用。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種能在通過(guò)低溫精餾使空氣分離的生產(chǎn)氧和/或氮的設(shè)備和循環(huán)中使用的渦輪膨脹器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是從一個(gè)低成本的增壓壓縮機(jī)增加致冷生產(chǎn)，但與其它生產(chǎn)設(shè)備不同的是與渦輪的尺寸(功率)無(wú)關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明是一種用于致冷系統(tǒng)的氣體壓縮裝置。該裝置包括一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)膨脹渦輪，它們通過(guò)一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置連接成一個(gè)整體。該膨脹渦輪具有一個(gè)渦輪入口和一個(gè)渦輪出口，使得該壓縮裝置在渦輪入口中的工作溫度低于約250°K。渦輪出口的工作溫度低于約150°K，最好低于100°K。該致冷系統(tǒng)可以提供致冷作用，以便將至少一種氣體成分液化，或者用于從至少一種氣體混合物分離出至少一種氣體成分的氣體分離。一個(gè)控制裝置調(diào)節(jié)至少一部分氣體順序地通過(guò)壓縮機(jī)至渦輪中。
本發(fā)明還涉及一種致冷方法，該方法包括如下步驟使一種氣體混合物分離成至少一種氣體產(chǎn)品；使一部分氣體產(chǎn)品進(jìn)入壓縮裝置的渦輪中，該壓縮裝置具有一個(gè)渦輪、一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，它們通過(guò)一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置連接成一個(gè)整體。該渦輪具有一個(gè)渦輪入口和一個(gè)渦輪出口，使得在渦輪入口中的工作溫度低于約250°K。在渦輪出口中的工作溫度低于約150°K，最好低于100°K。至少一部分氣體混合物通過(guò)壓縮機(jī)作為至少一種壓縮氣體混合物出現(xiàn)。該低溫精餾塔系統(tǒng)可以包括一個(gè)單個(gè)的塔和一個(gè)上冷凝器，其中至少一部分氣體混合物通過(guò)該單個(gè)塔作為至少一種凈化的氣體產(chǎn)品出現(xiàn)。該凈化氣體產(chǎn)品包括一種純度大于約95％的高度濃縮的氣體產(chǎn)品以及一種純度在約55％至約75％之間的中等濃縮的氣體產(chǎn)品。該低溫精餾塔系統(tǒng)可以包括一個(gè)下塔、一個(gè)上塔和一個(gè)主冷凝器，其中至少一種凈化的氣體產(chǎn)品從冷凝器通過(guò)壓縮機(jī)，然后再到膨脹器中。
通過(guò)下面對(duì)最佳實(shí)施例和附圖的說(shuō)明，本發(fā)明的其他目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將出現(xiàn)在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員頭腦中，附圖中

圖1是渦輪/電動(dòng)機(jī)加力的增壓壓縮機(jī)的橫截面裝配圖；圖2是具有產(chǎn)品壓縮機(jī)的廢料膨脹氮設(shè)備的流程簡(jiǎn)圖；圖3是具有部分進(jìn)給空氣流的增壓壓縮機(jī)的廢料膨脹氮設(shè)備的流程簡(jiǎn)圖；圖4是具有部分液氮/氧生產(chǎn)的氣體氧設(shè)備的流程圖；以及圖5是一個(gè)軸的密封裝置的簡(jiǎn)圖。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1是由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)加力，低溫渦輪驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)的橫截面裝配圖。渦輪101、壓縮機(jī)102和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)103都連接在齒輪箱104上。該渦輪由支架105和渦輪殼體106組成。渦輪101的轉(zhuǎn)子107在渦輪軸承108中轉(zhuǎn)動(dòng)，該些軸承對(duì)中并安裝在齒輪箱104中。膨脹端軸封109被夾持和對(duì)中在渦輪支架105中，該支架本身對(duì)中在齒輪箱104中。
齒輪箱沿水平方向是對(duì)開的，以便于單個(gè)部件的更換和維修而不會(huì)干擾該齒輪箱的其他部件。在把齒輪箱蓋取下后，就可把渦輪支架從渦輪殼體和齒輪箱中取出而不會(huì)干擾低溫箱絕緣。安裝著本發(fā)明渦輪、增壓壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的齒輪箱最好位于非常靠近并與“低溫箱”相鄰接的位置上，即通常人們?cè)敢夥胖脺u輪本身的地方，見圖1。
這種配置在經(jīng)濟(jì)上是較可取的，因?yàn)樗昧艘粋€(gè)“普通的”渦輪級(jí)并且由于渦輪殼體被“浸沒(méi)”在低溫箱中以通過(guò)珍珠巖或某些其他類型的熱絕緣進(jìn)行熱絕緣而使進(jìn)入渦輪及其“冷低溫”管道中的可能的熱漏泄損失減至最少。最好把增壓壓縮機(jī)放在靠近低溫箱并與渦輪本身相鄰的位置。
增壓壓縮機(jī)級(jí)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與所有暖端(增壓壓縮機(jī))管道一起放在齒輪箱的(渦輪和低溫箱的)對(duì)置側(cè)。齒輪箱沿水平方向是對(duì)開的，以便單獨(dú)接近每個(gè)主要部件，即渦輪、壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)或者齒輪和軸承殼體。因此，通過(guò)取下齒輪箱蓋，操作者可以方便地接近并且單獨(dú)地取出這些部件中的任何一個(gè)而不會(huì)影響其他兩個(gè)部件。
渦輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)與壓縮機(jī)相連接。在渦輪入口處的工作溫度約低于250°K。在燃?xì)馔ㄟ^(guò)渦輪以后，在渦輪出口處的工作溫度約低于150°K，最好約低于100°K。
低溫膨脹器熱防護(hù)層110位于齒輪箱的暖區(qū)與冷膨脹器齒輪111之間的渦輪支架內(nèi)。其所以必須這樣做有兩個(gè)原因第一，為了保護(hù)在軸承中的潤(rùn)滑油不致發(fā)生將危及機(jī)械功能性的凍結(jié)；以及第二，為了防止熱量泄漏到生產(chǎn)流體中，這將不必要地降低膨脹器的效率和性能。
膨脹器殼體106提供了用來(lái)把生產(chǎn)流體導(dǎo)入此處所述的渦輪膨脹器并從該膨脹器排出的裝置。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置114或其他機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的附加的壓縮機(jī)級(jí)也可以利用。渦輪101通過(guò)位于齒輪箱104中的齒輪組113裝有壓縮機(jī)葉輪112和壓縮機(jī)級(jí)102。把渦輪轉(zhuǎn)子連接到電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)103上的另一個(gè)齒輪114將根據(jù)生產(chǎn)要求為壓縮機(jī)提供附加的功率輸入或者吸收多余的渦輪功率。
如果驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)級(jí)的渦輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)與一個(gè)電機(jī)并聯(lián)工作，如圖1所示，我們就能節(jié)約設(shè)備的基本投資并且還能提高生產(chǎn)過(guò)程的能的效率。通過(guò)在一個(gè)低溫(或任何生產(chǎn)過(guò)程)的渦輪上有接裝上一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)要比開始就裝置一個(gè)單獨(dú)發(fā)電機(jī)的效率更高，因?yàn)檫@是一種從膨脹的流體流回收初始能量輸入的更直接的方法。它避免了與來(lái)自低溫渦輪的能量與電能之間的能量轉(zhuǎn)換相連系的低效率。
齒轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置可使渦輪和壓縮機(jī)都在其相應(yīng)的最佳速度下獨(dú)立地工作。異步電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)可以自動(dòng)地補(bǔ)償這兩級(jí)的功率差，即如果渦輪產(chǎn)生的功率小于壓縮機(jī)所要求的功率，那么電動(dòng)機(jī)將供給該功率差。另一方面，在具有剩余功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)將作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行(差別僅在于每分鐘幾轉(zhuǎn)，RPM)，從而把剩余功率轉(zhuǎn)換成電能。這些都是自動(dòng)完成的，不需要進(jìn)行附加的控制。
在應(yīng)用于需要一個(gè)產(chǎn)品壓縮機(jī)的設(shè)備中時(shí)，該裝置能免除一臺(tái)附加的增壓壓縮機(jī)的基本投資，因?yàn)闇u輪的加載壓縮機(jī)就可以是該產(chǎn)品增壓壓縮機(jī)。此處的資金節(jié)省不但包括該壓縮機(jī)硬件本身的生產(chǎn)成本，還包括所有常常獨(dú)立于產(chǎn)品增壓壓縮機(jī)之外的與滑行裝置、管道。冷卻(水)、電線接頭、基礎(chǔ)、控制器等有關(guān)的費(fèi)用。
該裝置可使壓縮機(jī)和渦輪都可獨(dú)立地在其最佳效率或接近其最佳效率的情況下運(yùn)行。它可以允許或壓縮機(jī)級(jí)或渦輪級(jí)處于最佳速度而與該兩個(gè)轉(zhuǎn)子的失配功率值無(wú)關(guān)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)將通過(guò)作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行而自動(dòng)地補(bǔ)償該兩個(gè)轉(zhuǎn)子的功率差。
一個(gè)控制裝置可使壓縮裝置在最佳效率下運(yùn)行。該控制裝置可以用來(lái)調(diào)節(jié)至少一部分通過(guò)渦輪的燃?xì)夤艿赖膲毫?。該控制裝置可以是一個(gè)為本領(lǐng)域熟練技工所知的用計(jì)算機(jī)處理的機(jī)械裝置。
該氣體壓縮裝置可以使設(shè)備能為至少一種氣體成分的液化提供致冷和/或?yàn)閺闹辽僖环N氣體混合物分離成至少一種氣體成分的氣體分離提供致冷。
圖2示出了由本發(fā)明的一個(gè)膨脹渦輪和一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的帶有一個(gè)產(chǎn)品壓縮機(jī)的廢料膨脹低溫氮?dú)馍a(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。它是為說(shuō)明的目的而示出的，因而它可以使用于任何適合的低溫精餾設(shè)備。它在一個(gè)廢料膨脹低溫氮生產(chǎn)循環(huán)中是特別有用的。來(lái)自精餾塔的廢料流受到膨脹產(chǎn)生致冷作用，該膨脹的廢料流以與輸入的進(jìn)給空氣間接熱交換方式從中經(jīng)過(guò)，從而使進(jìn)給空氣冷卻并且在精餾塔系統(tǒng)內(nèi)形成致冷而產(chǎn)生精餾。本發(fā)明還重新確定了廢料膨脹氮生產(chǎn)設(shè)備的適用范圍，因?yàn)樗鼈兊膯挝粴怏w產(chǎn)品的能量消耗得到了改進(jìn)。圖2示出了使用本發(fā)明所述的一個(gè)產(chǎn)品增壓壓縮機(jī)和一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的一種應(yīng)用實(shí)例。這種設(shè)備傳統(tǒng)上沒(méi)有產(chǎn)品壓縮機(jī)，但本發(fā)明的該電動(dòng)機(jī)/渦輪助力的增壓器級(jí)可以用來(lái)作為多級(jí)進(jìn)給空氣機(jī)中的一級(jí)或者只用來(lái)壓縮一部分進(jìn)給空氣流，如圖3中所示。
現(xiàn)在參看圖2，含有氮?dú)夂脱鯕獾臍怏w混合物即進(jìn)給空氣201在基本負(fù)荷進(jìn)給空氣壓縮機(jī)202中受到壓縮，然后穿過(guò)主熱交換器203。在該主熱交換器203內(nèi)，該受壓縮的進(jìn)給空氣通過(guò)與膨脹的廢流體的間熱熱交換而受到冷卻，這在下文中將要作更詳細(xì)的說(shuō)明。該受壓縮和受冷卻的進(jìn)給空氣(其中的高溫沸騰的雜質(zhì)例如水蒸氣和二氧化碳已被清除)然后作為氣流205進(jìn)入一個(gè)低溫精餾塔系統(tǒng)。
示于圖2中的低溫精餾塔系統(tǒng)包括單個(gè)的塔206和上冷凝器208。雖然包括一個(gè)以上的塔的設(shè)備也可以使用，但最好該低溫精餾設(shè)備只包括一個(gè)塔。塔206最好在每平方英寸40磅至140磅的絕對(duì)壓力(psia)范圍內(nèi)工作。
在塔206內(nèi)該進(jìn)給空氣通過(guò)低溫精餾被分離成氮?dú)饬?09和富氧液流207。氮?dú)饬鲝乃?06的上部排出，它通常具有約95％以上的氮?dú)獾募兌龋詈闷浼兌确秶诩s98％的氮?dú)庵良s99.9999％的氮?dú)庵g，或者具有更高的純度。氮?dú)饬?09的一部分226進(jìn)入上冷凝器208中，并在其中靠著富氧液流而受到冷凝，然后作為回流217進(jìn)入塔206中。如果需要，液氮流217的一部分220可以作為液氮產(chǎn)品218回收。該通常具有的氮?dú)鉂舛确秶鸀閺募s55％至約75％，最好從約60％至約70％的富氧液流作為富氧液流207從塔206的下部排出，通過(guò)閥234降壓并且作為液流227進(jìn)入上部冷凝器208中并在其中沸騰以便對(duì)氮?dú)饬?26進(jìn)行冷凝。
被排出的氮?dú)饬?09通過(guò)主熱交換器203與進(jìn)給空氣進(jìn)行間接熱交換而受到溫?zé)嵊纱耸惯M(jìn)給空氣冷卻。此后，被溫?zé)岬牡獨(dú)饬?23通過(guò)由電動(dòng)機(jī)270和低溫膨脹器213驅(qū)動(dòng)的增壓產(chǎn)品壓縮機(jī)260而受到壓縮，從而形成可以回收的高壓氮?dú)猱a(chǎn)品224。
含氮的廢液作為液流212從精餾搭系統(tǒng)的上冷凝器208中排出，然后該液流的一部分通過(guò)主熱交換器203，然后再通過(guò)渦輪膨脹器213被膨脹到其范圍在20 psia至大氣壓力之間的一個(gè)壓力上。膨脹器213與一個(gè)氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮機(jī)和一個(gè)電動(dòng)機(jī)相連接。在這種直接連接的膨脹器-壓縮機(jī)系統(tǒng)中，兩個(gè)裝置都通過(guò)或不通過(guò)齒輪裝置進(jìn)行機(jī)械連接，從而使從膨脹的氣流提取的能量直接由膨脹器通過(guò)壓縮機(jī)傳送給受壓縮的產(chǎn)品氮?dú)庵小Ｒ粋€(gè)具有適當(dāng)?shù)目蚣芎统叽绲碾妱?dòng)機(jī)補(bǔ)充該低溫膨脹器來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品壓縮機(jī)。該電動(dòng)機(jī)、膨脹器和壓縮機(jī)通過(guò)位于本發(fā)明的齒輪箱中的齒輪組機(jī)械地互相連接。這種配置使得與從膨脹器通過(guò)一個(gè)中間級(jí)(例如發(fā)電)把能量間接傳輸給壓縮機(jī)相連系的額外損失和基建費(fèi)用減至最少。廢液212通過(guò)并且驅(qū)動(dòng)膨脹器213，然后該膨脹器再部分驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)以便壓縮產(chǎn)品氮?dú)狻Ｍ瑫r(shí)，該膨脹的廢液由于通過(guò)渦輪膨脹器213而受到冷卻。
然后受冷卻的膨脹的廢液214通過(guò)主熱交換器203與進(jìn)給空氣進(jìn)行間接熱交換而受到溫?zé)嵬瑫r(shí)使進(jìn)給空氣冷卻，從而以該進(jìn)給空氣向低溫精餾系統(tǒng)內(nèi)提供致冷而產(chǎn)生或進(jìn)行低溫精餾。然后把所產(chǎn)生的溫?zé)岬膹U液作為廢液流216從主熱交換器203中排出并且廢棄掉。
圖3示出了具有部分含有氮?dú)饧把鯕獾臍怏w混合物(即進(jìn)給空氣流)的廢料膨脹設(shè)備的另一個(gè)特定的實(shí)施例，該設(shè)備由本發(fā)明的渦輪/電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)所壓縮。它是為說(shuō)明的目的而示出的，因而它可以使用于任何適合的低溫精餾設(shè)備。
現(xiàn)在參看圖3，只有一部分進(jìn)給空氣流301旁路通過(guò)基本負(fù)荷空氣壓縮機(jī)302的最后級(jí)。進(jìn)給空氣的旁路部分340受增壓壓縮機(jī)350的壓縮并以部分341出現(xiàn)，使得主進(jìn)給空氣機(jī)302的排出壓力處于從每平方英寸40磅至140磅絕對(duì)壓力(psia)的范圍內(nèi)。旁路部分的氣流340的流量由來(lái)自低溫渦輪313的有效功率輸出以及用于該特定用途的一個(gè)適當(dāng)框架尺寸的電動(dòng)機(jī)370的有效利用率所決定。在重新組合以后，兩股進(jìn)給空氣流通過(guò)主熱交換器303。在主熱交換器303內(nèi)，該受壓縮的進(jìn)給空氣通過(guò)與膨脹的廢料流體的間接熱交換而受到冷卻，這在下文中將要作更詳細(xì)的說(shuō)明。該受壓縮和受冷卻的進(jìn)給空氣(它也已去除了高溫沸騰的雜質(zhì)例如水蒸氣和二氧化碳)然后作為氣流305進(jìn)入一個(gè)低溫精餾塔系統(tǒng)。
示于圖3中的低溫精餾塔系統(tǒng)包括單個(gè)的塔306和上冷凝器308。雖然包括一個(gè)以上的塔的設(shè)備也可以使用，但在本發(fā)明的實(shí)踐中最好該低溫精餾設(shè)備只包括一個(gè)塔。塔306最好在每平方英寸40磅至140磅的絕對(duì)壓力(psia)范圍內(nèi)工作。
在塔306內(nèi)該進(jìn)給空氣通過(guò)低溫精餾被分離成氮?dú)饬?09和富氧液流307。氮?dú)饬鲝乃?06的上部排出，它通常具有95％以上的氮?dú)獾募兌?，最好其純度范圍在約98％的氮?dú)庵良s99.9999％的氮?dú)庵g，或者具有更高的純度。氮?dú)饬?09的一部分326進(jìn)入上冷凝器308中，并在其中靠著富氧液流而受到冷凝，然后作為回流317進(jìn)入塔306中。如果需要，液氮流317的一部分320可以作為液氮產(chǎn)品318回收。該富氧液流通常具有的氮?dú)鉂舛确秶鸀閺募s55％到約75％，最好從約60％至約70％，它作為富氧液流307從塔306的下部排出，通過(guò)閥334降壓并且作為液流327進(jìn)入上部冷凝器308中并在其中沸騰以便對(duì)氮?dú)饬?26進(jìn)行冷凝。
被排出的氮?dú)饬?09通過(guò)主熱交換器303與進(jìn)給空氣進(jìn)行間接熱交換而受到溫?zé)嵊纱耸惯M(jìn)給空氣冷卻。此后，被溫?zé)岬牡獨(dú)饬?23可以回收。
含氮的廢液作為液流312從精餾塔系統(tǒng)的上冷凝器308中排出，然后該液流的一部分通過(guò)主熱交換器303，然后再通過(guò)渦輪膨脹器313被膨脹到其范圍在20psia至大氣壓力之間的一個(gè)壓力上。通過(guò)膨脹器313被冷卻膨脹的廢液314通過(guò)主熱交換器303與進(jìn)給空氣進(jìn)行間接熱交換而受到溫?zé)嵬瑫r(shí)冷卻了進(jìn)給空氣，由此以該進(jìn)給空氣為低溫精餾系統(tǒng)提供致冷而產(chǎn)生或進(jìn)行進(jìn)給空氣的低溫精餾。然后把所產(chǎn)生的溫?zé)岬膹U液作為廢液流316從主熱交換器303中排出。
在如圖3所示的該特定的應(yīng)用場(chǎng)合中，基本負(fù)荷空氣壓縮機(jī)302的最后級(jí)必須被設(shè)計(jì)成能穩(wěn)定地和安全地工作，遠(yuǎn)離由于部分減少主進(jìn)給空氣流而引起波動(dòng)的地方。因此，這種配置能提供渦輪的功率利用并且使主進(jìn)給壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率減小。雖然用來(lái)補(bǔ)充渦輪的該附加的小電動(dòng)機(jī)將會(huì)稍微增加該渦輪的基本投資，但這樣做在經(jīng)濟(jì)上還是有利的。
圖4是為說(shuō)明目的而示出的氣態(tài)氧生產(chǎn)循環(huán)的一個(gè)特定實(shí)施例。本發(fā)明可以使用于任何適當(dāng)?shù)牡蜏鼐s設(shè)備。它在氧氣生產(chǎn)設(shè)備中特別有用，該設(shè)備或者具有上塔空氣膨脹，或者如圖4所示具有盤架式塔氮?dú)馀蛎洠渲衼?lái)自精餾塔的廢氮流受膨脹以便產(chǎn)生致冷作用。該膨脹的廢料流以間接的熱交換方式經(jīng)過(guò)輸入的進(jìn)給空氣從而使進(jìn)給空氣冷卻并由此在精餾塔系統(tǒng)內(nèi)提供致冷而產(chǎn)生精餾。
在圖4中，該增壓壓縮機(jī)級(jí)可以用來(lái)在渦輪氣流在渦輪中膨脹以前通過(guò)提高該渦輪氣流的壓力(和能量)而有效地增加該渦輪的致冷功率。已經(jīng)安裝就位的適當(dāng)尺寸的電動(dòng)機(jī)將可為這種運(yùn)行模式提供附加功率(當(dāng)被這樣要求時(shí))。
現(xiàn)在參看圖4，含有氮?dú)夂脱鯕獾臍怏w混合物即進(jìn)給空氣401在基本負(fù)荷進(jìn)給壓縮機(jī)402中受壓縮，在預(yù)凈化器402中預(yù)先清除雜質(zhì)，然后通過(guò)主熱交換器404。在主熱交換器404內(nèi)，受壓縮的進(jìn)給空氣通過(guò)與產(chǎn)品和其他返回冷流的間接的熱交換而受到冷卻。然后該受壓的冷進(jìn)給空氣作為氣流405進(jìn)入低溫精餾塔系統(tǒng)的下塔406中。
示于圖4中的低溫精餾塔系統(tǒng)包括下塔406，上塔415和主冷凝器411。下塔406最好在每平方英寸40磅至140磅的絕對(duì)壓力(psia)范圍內(nèi)工作。在下塔406內(nèi)，進(jìn)給空氣通過(guò)低溫精餾被分離成一個(gè)氮?dú)饬?10和富氧液流416。一部分氮?dú)饬?10進(jìn)入主冷凝器411的上部并在其中靠著上塔的沸騰的液氧而受到冷凝，然后作為回流的液氮流412返回進(jìn)入下塔406中。
其含氮濃度通常在60％至70％之間的富氧液流作為液流416從下塔406的下部排出，在熱交換器417中靠著產(chǎn)品或廢氮流419而被冷卻，降低了壓力并且作為液流418進(jìn)入上塔415中。然后廢氮流419通過(guò)熱交換器414、417和404作為廢氮流420排出。上塔的工作壓力范圍最好在每平方英寸15至25磅絕對(duì)壓力(psia)之間。氣態(tài)氧產(chǎn)品作為氣流421從主冷凝液排出，然后在主熱交換器404中靠著進(jìn)給空氣而被溫?zé)岵⑶易鳛闅鈶B(tài)氧產(chǎn)品流422排出。
氮?dú)饬髯鳛闅饬?07從主冷凝器411的循環(huán)的高壓蒸氣流中排出。然后在主熱交換器404的通道中的一個(gè)通道內(nèi)的受到進(jìn)給空氣的溫?zé)岵⑶以谠鰤簤嚎s機(jī)430內(nèi)受到壓縮。在主熱交換器404的另一個(gè)通道中把壓縮和局部預(yù)冷的熱量放出以后，該氮?dú)饬骶瓦M(jìn)入膨脹器408中受到膨脹而產(chǎn)生所需要的致冷作用，以保持精餾過(guò)程的進(jìn)行。然后，冷卻的膨脹廢液流通過(guò)主熱交換器404的另外一條通道與進(jìn)給空氣進(jìn)行間接熱交換而受到溫?zé)嵬瑫r(shí)使進(jìn)給空氣冷卻，從而產(chǎn)生或進(jìn)行低溫精餾。然后把所產(chǎn)生的熱氮流作為廢料流409從主熱交換器404中排出并且廢棄。渦輪膨脹器408在驅(qū)動(dòng)增壓壓縮機(jī)430時(shí)受到電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)440的援助。此處的增壓壓縮機(jī)級(jí)可以用來(lái)在渦輪氣流407在渦輪中膨脹以前主要通過(guò)提高該渦輪氣流407的壓力(和能量)而有效地增加渦輪的致冷功率。已經(jīng)安裝就位的適當(dāng)尺寸的電動(dòng)機(jī)將可為這種運(yùn)行模式提供附加功率(當(dāng)被這樣要求時(shí))。這種渦輪和增壓器級(jí)的尺寸應(yīng)適合于最大負(fù)荷(即壓力比)下工作。
降低渦輪功率的操作可以通過(guò)降低渦輪入口壓力的同時(shí)保持其流量完全不變而達(dá)到。這可以利用位于增壓壓縮機(jī)入口處的吸入導(dǎo)流葉片來(lái)完成。吸入導(dǎo)流葉片的調(diào)節(jié)還將使增壓器的排氣壓力和渦輪的輸出功率(產(chǎn)生致冷)同時(shí)得到調(diào)節(jié)，而不會(huì)對(duì)渦輪流量及生產(chǎn)循環(huán)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
另一股液氮流413從來(lái)自主冷凝器的返回液氮(氮?dú)饫淠?流412中排出并且通過(guò)在熱交換器414中的局部冷卻以后作為回流引入上塔的帽中。這種回流對(duì)于起動(dòng)低壓的上部精餾塔以便生產(chǎn)出高純度的氮和氧氣產(chǎn)品是必需的。
對(duì)低溫渦輪膨脹器的附加功率可以在氣流在該渦輪膨脹器中膨脹以前通過(guò)增壓壓縮機(jī)的自舉電路(boot-strapped)從電動(dòng)機(jī)獲得。這樣當(dāng)需要時(shí)立即可以給出附加的致冷而不會(huì)影響生產(chǎn)循環(huán)。如果需要，一部分液氮流412可以作為液氮產(chǎn)品424回收。同樣，一部分氧也可以作為液氧產(chǎn)品423從位于上塔415的底部位置的沸騰的液氧中回收。通常，氣態(tài)氧產(chǎn)品流422和液氧產(chǎn)品423所具有的氧的純度均大于95％。最好，該含氧純度超過(guò)99.5％。
軸承潤(rùn)滑劑向低溫生產(chǎn)流體移動(dòng)由膨脹器軸密封裝置通過(guò)把溫?zé)岬木彌_密封氣體導(dǎo)入膨脹器端軸密封中而阻止，如圖5中所示。該密封裝置是任何一種可將緩沖密封氣體容納在軸-轉(zhuǎn)子周圍的裝置。通常，可以用迷宮550來(lái)容納一個(gè)軸封，該迷宮可以沿軸507建立一系列的局部壓力增加，從而阻止了潤(rùn)滑劑從軸承508向渦輪膨脹器501的葉輪511的流動(dòng)和低溫生產(chǎn)氣體從膨脹器葉輪511向軸承和齒輪箱104的流動(dòng)。這樣就有效地把軸承和齒輪箱同該生產(chǎn)液流隔離開來(lái)，由此保證了渦輪膨脹器的可靠工作而不會(huì)發(fā)生油在軸承中凍結(jié)或者生產(chǎn)液流受到軸承潤(rùn)滑劑污染的情況。
溫?zé)岬拿芊鈿怏w通常在40°F至150°F的溫度范圍內(nèi)通過(guò)供給閥551供應(yīng)到密封裝置中。該密封氣體最好與生產(chǎn)液流相同，例如氮?dú)饣蜻^(guò)給空氣。為了使膨脹器效率降低減至最小，流入膨脹器殼體中的高壓暖密封氣體的數(shù)量可通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器552保持為最小，即把該氣體以略高于生產(chǎn)液流壓力的一個(gè)壓力在其注入地點(diǎn)導(dǎo)入至生產(chǎn)液流中。低壓密封氣體也可以通過(guò)背壓調(diào)節(jié)器553設(shè)定在近似每平方英寸15磅表壓力(psig)下供入該裝置中。該低壓的密封氣體供應(yīng)可保證生產(chǎn)液流絕對(duì)不會(huì)被油所污染?；旧纤械拿芊鈿怏w都在渦輪起動(dòng)和關(guān)閉時(shí)供入該密封裝置中。
如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解的那樣，該密封氣體裝置只是在低溫渦輪膨脹器轉(zhuǎn)子的膨脹器端處才是需要的。在該渦輪轉(zhuǎn)子的另一個(gè)暖端以及在壓縮機(jī)級(jí)轉(zhuǎn)子的任一端都不需要有密封氣體。而是該壓縮機(jī)的循環(huán)生產(chǎn)氣體例如空氣或氮可以通過(guò)一個(gè)位于壓縮機(jī)葉輪與壓縮機(jī)部軸承之間的類似的迷宮式軸密封逸出。
本發(fā)明在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)可以概述如下對(duì)于需要增壓的產(chǎn)品壓縮機(jī)的小型氣體設(shè)備(50至200噸/日)，這種壓縮機(jī)的相應(yīng)的基本投資(包括滑行裝置、管道、基礎(chǔ)、冷卻水、電氣接頭、控制裝置等)約為25萬(wàn)美元。其次，還有渦輪及其加載裝置(壓縮機(jī)制動(dòng)器、油壓制動(dòng)器、或者電動(dòng)機(jī))。
本發(fā)明的渦輪/電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)將能以費(fèi)用稍貴的渦輪為代價(jià)令人滿意地取代產(chǎn)品壓縮機(jī)，由此可以節(jié)省與其有關(guān)的所有基本投資。用這種方法，人們至少每臺(tái)設(shè)備(50至200噸/日)可以節(jié)省10萬(wàn)至20萬(wàn)美元再加上在生產(chǎn)用電力方面的其他節(jié)省。
以下的實(shí)例說(shuō)明了本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效益一臺(tái)每日100噸生產(chǎn)能力的低溫氧/氮?dú)怏w生產(chǎn)設(shè)備將需要50SHP(軸馬力)的產(chǎn)生致冷的低溫渦輪，該渦輪以近似10000RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)以獲得最高效率。此外，為了提高產(chǎn)品氮?dú)饬鞯膲毫?，比方說(shuō)提高到30psia(每平英寸磅絕對(duì)壓力)，我們將需要一臺(tái)以約27000RPM的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)(以使它在最佳效率下運(yùn)行)的約100SHP的產(chǎn)品氮增壓壓縮機(jī)。使用本發(fā)明的低溫渦輪/電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)，我們只需要購(gòu)買在壓縮機(jī)功率需求與渦輪功率輸出值之間的50SHP的欠缺額的電動(dòng)機(jī)。
如果沒(méi)有本發(fā)明的效益，人們將必須購(gòu)買175SHP(它超出了125SHP)，因?yàn)楝F(xiàn)在需要購(gòu)買的不但是產(chǎn)品壓縮機(jī)的100SHP，而且還要負(fù)擔(dān)(在基本負(fù)荷進(jìn)給空氣壓縮機(jī)的情況下)由于兩種機(jī)械即進(jìn)給空氣壓縮機(jī)和低溫渦輪的低效率組合而引起的低溫渦輪的損耗功率(在低溫渦輪處的50SHP現(xiàn)在就變成了在基本負(fù)荷空氣壓縮機(jī)軸處的75SHP)。此外，在后一種情況下，還必須承擔(dān)整個(gè)一臺(tái)新的增壓壓縮機(jī)的安裝和運(yùn)行費(fèi)用，包括滑行裝置、管道、基礎(chǔ)、冷卻水、電氣接頭、控制裝置等方面的費(fèi)用。
使用本發(fā)明，人們將可以節(jié)省約10萬(wàn)美元的資金，因?yàn)樵撎囟ǖ脑鰤簤嚎s機(jī)的單臺(tái)安裝費(fèi)約為15萬(wàn)美元，該單臺(tái)低溫渦輪的費(fèi)用約為10萬(wàn)美元，而本發(fā)明的渦輪/電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓壓縮機(jī)的較高的費(fèi)用約為15萬(wàn)美元。以每瓦小時(shí)0.05美元計(jì)算，每年在運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力費(fèi)用方法的費(fèi)用約可再節(jié)省5萬(wàn)美元。
為了實(shí)現(xiàn)上述經(jīng)濟(jì)利益，該裝置需要具有一個(gè)專用的齒輪箱，以便使生產(chǎn)氣體渦輪，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和增壓壓縮機(jī)互相連接。安裝著本發(fā)明的渦輪、增壓壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的齒輪箱最好位于非?？拷暗蜏叵洹辈⑴c其相鄰接的位置上，即人們通常愿意放置的渦輪本身的地方。
這種配置在經(jīng)濟(jì)上是較可取的，因?yàn)樗昧艘粋€(gè)“普通的”渦輪級(jí)并且由于渦輪殼體被“浸沒(méi)”在低溫箱中以及通過(guò)珍珠巖或某些其他類型的熱絕緣而使進(jìn)入渦輪及其(冷低溫)管道中的可能的熱泄漏損失減至最少。把增壓壓縮機(jī)放在靠近低溫箱并與渦輪相鄰接的位置與在相反情況下，如果渦輪是放在例如與基本負(fù)荷空氣源設(shè)備或某個(gè)其他壓縮機(jī)相鄰接的位置處，把冷(低溫)渦輪氣流用管子輸送到該設(shè)備的暖端裝置內(nèi)相比，將是很容易而且在費(fèi)用上也較為合算的。
增壓壓縮機(jī)級(jí)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與所有暖端(增壓壓縮機(jī))管道一起放在齒輪箱的(低溫箱的)對(duì)置側(cè)。齒輪箱沿水平方向是對(duì)開的，以便單獨(dú)接近3個(gè)主要部件中的每個(gè)部件，即渦輪、壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)或者齒輪和軸承殼體。因此，通過(guò)取下齒輪箱蓋，操作者可以方便地接近并且單獨(dú)取出這些部件中的任何一個(gè)而不會(huì)影響其他兩個(gè)部件。
如上所述并如圖4中所示，該增壓壓縮機(jī)級(jí)可以用來(lái)在渦輪氣流在渦輪中膨脹以前通過(guò)提高渦輪氣流的壓力而有效地增加低溫渦輪的致冷功率。在該過(guò)程中，膨脹(在該渦輪中)氣流通過(guò)一個(gè)增壓壓縮機(jī)級(jí)受到壓縮，然后它又對(duì)渦輪進(jìn)行加載。
傳統(tǒng)上，在一個(gè)典型的氣體設(shè)備中，液體的生產(chǎn)通常通過(guò)改變渦輪流量來(lái)調(diào)節(jié)。但是，在某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)一步增加渦輪流量將導(dǎo)致回收量的顯著降低和基本負(fù)荷空氣壓縮機(jī)的較大的總功率損失。這就是生產(chǎn)循環(huán)不能經(jīng)濟(jì)地制出更多液體產(chǎn)品的關(guān)鍵。
對(duì)于本發(fā)明的由渦輪驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)助力的增壓器，附加功率(例如用來(lái)提高渦輪氣流的壓力)是通過(guò)正常尺寸的電動(dòng)機(jī)和增壓壓縮機(jī)提供的。在這種情況下，渦輪和增壓器級(jí)的尺寸是以最大的負(fù)荷(即壓力比)而定的。附加的功率將通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供。
降低渦輪功率的操作可以在保持其流量相當(dāng)穩(wěn)定的同時(shí)通過(guò)降低渦輪入口壓力而達(dá)到。這可以利用位于增壓壓縮機(jī)入口處的吸入導(dǎo)流葉片來(lái)完成。吸入導(dǎo)流葉片的調(diào)節(jié)也使增壓器的排氣壓力和渦輪的輸出功率(產(chǎn)生制冷)同時(shí)得到調(diào)整，但不會(huì)對(duì)渦輪流量及生產(chǎn)循環(huán)本身產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
在上述的100TPD設(shè)備的特定情況中，本發(fā)明被用于通過(guò)示于圖4中的電動(dòng)機(jī)來(lái)自動(dòng)提高在該自舉增壓壓縮機(jī)中的渦輪氣流的入口能量，這樣只要購(gòu)得該電動(dòng)機(jī)的附加功率該氣體設(shè)備就可以生產(chǎn)出額外的液體產(chǎn)品。例如，通過(guò)增壓壓縮機(jī)的入口導(dǎo)流葉片或者其他裝置使作用在渦輪上的負(fù)荷從50SHP增加到75SHP，額外的4％的產(chǎn)品氮就可以作為液體生產(chǎn)出來(lái)并且不會(huì)影響生產(chǎn)循環(huán)本身。如果沒(méi)有本發(fā)明的由渦輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)助力的增壓壓縮機(jī)，這是很難完成的。
壓縮機(jī)級(jí)和低溫膨脹器級(jí)的工作效率不會(huì)因?yàn)榘褍烧呓M合在一臺(tái)設(shè)備中而受到損害。它適合于用廢料膨脹或空氣膨脹的氮生產(chǎn)設(shè)備。在某些應(yīng)用中，例如氧生產(chǎn)空氣分離設(shè)備或者甚至是較小的氮生產(chǎn)設(shè)備中，該設(shè)備可以通過(guò)利用電動(dòng)機(jī)的幫助(由于附加制冷)而獲得額外的液體產(chǎn)品。該設(shè)備尤其適合通過(guò)利用廢料膨脹或空氣膨脹循環(huán)的低溫蒸餾來(lái)使空氣分離的氮生產(chǎn)設(shè)備。它也可以用在其他的低溫生產(chǎn)中，例如氫、天然氣體或者需要低生產(chǎn)成本和現(xiàn)有技術(shù)性能的膨脹器與壓縮機(jī)級(jí)組合的類似的化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)。
通過(guò)利用本發(fā)明的低溫渦輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)助力的增壓壓縮機(jī)，可以以較低的總生產(chǎn)費(fèi)用(并且不致發(fā)生較大的基本投資損失)使用低溫精餾生產(chǎn)出氮或氧產(chǎn)品。在一個(gè)或多個(gè)附圖中所示出的本發(fā)明的特征只是為了方便起見，因?yàn)槊總€(gè)特征可以與本發(fā)明的其他特征相結(jié)合。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將可認(rèn)識(shí)到另外的各種實(shí)施例并且這些實(shí)施例都應(yīng)包括在本權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于致冷系統(tǒng)的氣體壓縮裝置，該壓縮裝置包括一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)具有一個(gè)渦輪入口和一個(gè)渦輪出口的膨脹渦輪，其中所述壓縮機(jī)，渦輪和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)通過(guò)一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置連接成一個(gè)整體以及所述壓縮裝置在所述渦輪入口中的工作溫度低于約250°K。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)提供致冷作用以使至少一種氣體成分液化。
3.如權(quán)利要求1所述的壓縮裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)提供致冷作用，用于從至少一種氣體混合物分離出至少一種氣體成分的氣體分離。
4.如權(quán)利要求1所述的壓縮裝置，其特征在于，該裝置包括一根用于把至少一部分氣體順序地通過(guò)所述壓縮機(jī)至所述渦輪的輸送管。
5.一種致冷方法，包括a)使一種氣體混合物通過(guò)一個(gè)低溫精餾塔系統(tǒng)，以把所述混合物分離成至少一種氣體的產(chǎn)品；以及b)使一部分所述氣體產(chǎn)品進(jìn)入一個(gè)壓縮裝置的膨脹渦輪中，該壓縮裝置包括一個(gè)渦輪、一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，這些部件通過(guò)一具齒輪傳動(dòng)裝置連接成一個(gè)整體，其中所述渦輪具有一個(gè)渦輪入口和一個(gè)渦輪出口，而所述壓縮裝置在所述渦輪入口中的工作溫度低于約250°K。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該方法還包括至少一部分所述氣體混合物通過(guò)所述壓縮機(jī)，以作為至少一種壓縮氣體混合物排出。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該方法還包括先使一部分所述氣體混合物通過(guò)一個(gè)進(jìn)給壓縮機(jī)受壓縮，然后再使該氣體混合物通過(guò)所述的壓縮裝置，以及把從所述裝置所產(chǎn)生的氣體混合物同來(lái)自所述進(jìn)給壓縮機(jī)的所述氣體混合物的該剩余部分重新組合。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述低溫精餾塔系統(tǒng)包括一個(gè)單個(gè)的塔和一個(gè)上冷凝器，其中至少一部分所述氣體混合物通過(guò)所述單個(gè)塔以作為至少一種凈化的氣體產(chǎn)品排出。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述低溫精餾塔系統(tǒng)包括一個(gè)下塔，一個(gè)上塔和一個(gè)主冷凝器，其中至少一種氣體產(chǎn)品通過(guò)所述壓縮機(jī)。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該方法包括a)使一種含有氮?dú)夂脱醯臍怏w混合物通過(guò)一個(gè)包括一個(gè)單個(gè)塔的低溫精餾設(shè)備，以作為至少一種氮?dú)饬骱鸵环N富氧液流排出；b)使用所述富氧液流進(jìn)行冷凝，從而從所述氮?dú)饬鳟a(chǎn)生一種液氮流，使得一種氮廢料流從所述富氧液流中排出；c)一部分所述液氮流作為一種液氮產(chǎn)品從中回收；d)使另一部分所述液氮流作為回流進(jìn)入所述塔中進(jìn)行再循環(huán)；e)使另一部分所述氮?dú)饬魍ㄟ^(guò)一個(gè)壓縮裝置的一個(gè)壓縮機(jī)，該壓縮裝置包括所述壓縮機(jī)，一個(gè)渦輪膨脹器和一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，這些部件通過(guò)一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置連接成一個(gè)整體，其中所述渦輪的入口工作溫度低于約250°K，以及其中產(chǎn)品氮從其中回收；以及f)使至少一部分所述氮廢料流通過(guò)所述渦輪膨脹。
全文摘要
一種用于低溫氣體分離的壓縮裝置,其中該裝置包括一個(gè)壓縮機(jī),一個(gè)膨脹渦輪和一個(gè)電動(dòng)機(jī),它們通過(guò)一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置而連接成一個(gè)整體,以及一種使用該壓縮裝置的方法。
文檔編號(hào)F01D15/12GK1199827SQ98108939
公開日1998年11月25日 申請(qǐng)日期1998年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月19日
發(fā)明者N·T·納諾弗 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司