專利名稱：利用低溫蒸餾分離氣體混合物的方法
技術領域：
本發明涉及的是在低溫設備中利用蒸餾分離含有氧和氮的氣體混合物的方法。具體地說，所涉及的方法包括如下步驟—壓縮氣體混合物；—純化壓縮的氣體混合物以除去水分和二氧化碳；—把純化了的氣體混合物冷卻到其露點溫度附近；—在至少一個蒸餾塔中對冷卻了的氣體混合物進行蒸餾；—用一個制冷系統而不是制冷單元給設備提供冷量，在該制冷系統中，至少一部分氣體混合物在壓縮和純化步驟之間通過與制冷劑流進行間接熱交換而得到冷卻，所述的制冷劑流為蒸餾塔產品，或構成一部分待蒸餾的氣體混合物。
在吹離設備的設計中，更普遍地說在低溫設備中，氣候條件是很重要的。具體地說，空氣壓縮機的各壓縮級的制冷器的冷卻水會隨氣候變化，甚至在某些地區的白天和夜晚之間冷卻水的溫度變化會相當大，因此在這些地區，水溫的變化幅度可達到15℃的數量級。
通常在最后一級制冷器的出口處設置一個制冷單元來消除這些溫度變化，該制冷單元所提供的附加冷量是水所不能提供的。
制冷單元的缺點在于投資費用高，而且至少要用一個旋轉機械，它既不可靠，能量消耗也相當高。
在US-A-4,375,367描述的系統中，在純化以前通過使純化系統制得的空氣進行再循環將待蒸餾的空氣流進行冷卻。盡管如此，在這種情況下仍不可避免要使用冷卻單元。
EP-A-0,624,765A公開的系統可以用一個熱交換系統代替制冷單元，熱交換系統與來自吹離設備的加壓流體進行熱交換。但并未描述用于冷卻純化系統上游空氣的循環流體的使用情況。
該專利申請也未描述這樣一種設備，即在該設備中，輔助熱交換器中的空氣只被另一種流體預冷。
J-A-54,103,777描述了利用來自蒸餾塔的氮氣流來冷卻待純化空氣的情況。
EP-A-0,505,812公開的是可以用純化了的空氣流來冷卻待純化的空氣流，然后再使純化了的空氣流減壓。
本發明的任務在于提供一種能夠克服上述缺陷的解決方案，即—提供一種輔助冷量，該冷量的投資和能量消耗的費用都較低，在用吸附法純化空氣以前使空氣在恒定的溫度下(約25℃)制冷。
為此，本發明的主題在于上述方法，其特征在于所生產出的液體作為最終成品，至少一部分制冷劑在與未純化的氣體混合物進行熱交換以前先在減壓器中減壓。
上述解決方案適用于所有的含有氧和氮的氣體混合物的蒸餾設備，為此該方法使用例如氣體混合物或氮氣作制冷循環。該方法也適用于生產液體的設備。
本發明主要用于通過空氣蒸餾生產液體的小型設備，本發明使用能夠把所需的附加冷量傳遞給空氣的氮氣循環，使空氣冷卻到它的純化溫度。
本發明可把一個輔助熱交換器安裝在空氣壓縮機最后一級制冷器的出口處，使壓縮了的空氣與主熱交換器中部的循環氮餾分進行熱交換。然后用循環氮冷卻壓縮空氣，而循環氮在該輔助熱交換器中受熱，再使該壓縮空氣與繼續在主熱交換器中加熱的剩余循環氮重新混合。
如果要使主熱交換器熱端的溫差保持恒定，而且要在主熱交換器的中部提取循環氮的餾分，則應該增加該熱交換器中的循環流體的流量。
總的來說，本方案的投資可以節省約1％。
該方法可以包括如下一個或多個特征—制冷循環為氮循環；—與氣體混合物進行熱交換的制冷劑為循環流體；—調節制冷劑的流量，使氣體混合物部分的溫度保持恒定；—通過滲透和/或吸附系統純化氣體混合物以除去水和二氧化碳；—流體是雙級蒸餾塔的中壓塔生產出的氮氣流；—設備的所有冷量由至少一個制冷循環提供；—至少一部分氣體混合物被冷卻以后，流體被液化并被噴射到蒸餾塔中。
本發明的另一個主題是通過低溫蒸餾分離包括氮和氧的氣體混合物的設備，該設備包括一臺壓縮機，一個純化系統，一個主熱交換器，至少一個蒸餾塔，構成制冷系統的裝置和一個輔助熱交換器，該輔助熱交換器使經壓縮機壓縮了的氣體混合物與來自塔中的或來自純化系統下游的料流中的制冷劑進行熱交換，其特征在于它包括提取液體產品的裝置和對輔助熱交換器上游的至少部分制冷劑進行減壓的減壓器。
該設備可以包括如下一個或多個特征—用于控制輸送到輔助熱交換器中的制冷劑量的控制閥；—制冷劑在制冷回路中進行循環；—制冷劑是來自雙級塔的中壓塔中的氣態氮；—純化系統通過吸附和/或滲透作用運行；—使輔助熱交換器下游的至少一部分制冷劑液化并將至少一部分液化了的流體傳送到蒸餾塔中去的裝置；—至少一臺壓縮輔助熱交換器下游制冷劑的壓縮機。
現在結合附圖描述本發明的實施例，這些附圖示意性地表示了本發明的空氣蒸餾設備。
在
圖1的系統中，壓縮機1把空氣流壓縮到6×105Pa，空氣流在水制冷器3中冷到40℃。然后氣流進入輔助熱交換器5中，經與6×105Pa的氮氣流換熱后氣流被冷卻到25℃。制冷器3和熱交換器5出口處的分離器罐(未示出)可以把冷卻后所處理過的空氣中的冷凝水除去。在具有若干吸附床的裝置7中將剩余水和二氧化碳清除以后，空氣在主熱交換器9冷卻到其露點溫度附近，然后將空氣輸送到傳統雙級塔11的容器中，空氣在該塔中被分離成具有低壓塔壓力(1.3×105Pa)的液氧和剩余氮以及具有中壓塔壓力(6×105Pa)的基本純凈的氣氮和液氮。基本純凈的氣氮流在主熱交換器9中被加熱到22℃的溫度，第一純氮氣流13A先經過提取閥15提取出來以后，再進入輔助熱交換器5中，將供應的空氣冷卻到25℃。因此循環氮13A被加熱到37℃。而第二純氮氣流13B繼續在主熱交換器9中被加熱到35，第一氣流13A通過輔助熱交換器5以后，第一和第二氣流匯合。混合氣流在被壓縮機17壓縮到30×105Pa并在熱交換器19中得到冷卻以后，再在壓縮機21中壓縮到42巴(bar)并在主熱交換器9中進一步冷卻。經部分加熱以后，重新壓縮過的第三純氮氣流13C的壓力在透平機23中從42×105Pa減壓到6×105Pa，并與塔中提取的6×105Pa的氣氮一起進行再循環。其余的純氮氣流在熱交換器9中液化并用作雙級塔11的中壓塔的回流液。壓縮機21與透平機23耦連。剩余氮在主熱交換器9中得到加熱后又在電加熱器8中進一步加熱，它用來對裝置7的其中一個吸附床進行再生。
通過調節提取閥15可以把從主熱交換器9中提出的循環氣流的溫度調節到中間溫度，即調節到輔助熱交器5的出口處空氣的溫度。
在冬季，水溫可以是20-22℃。在這些條件下，離開壓縮機1最后一級制冷器的壓縮空氣的溫度接近25℃，閥15關閉。
在夏季，水溫可達30-32℃，壓縮機1的最后一級制冷器出口處空氣的溫度接近40℃。
通過打開閥15以足夠的流速輸送循環氮13A，則足以使輔助熱交換器5出口處空氣的溫度達到25℃左右。
該系統沒有制冷單元，所有的冷量均由氮循環提供。
圖2與圖1的差別在于用空氣循環(待蒸餾的氣體混合物)代替氮循環。裝置基本相同。
純化以后，將空氣流在壓縮機17中壓縮到30×105pa，然后在熱交換器19中冷卻該空氣流，再由壓縮機21將其壓縮到42×105Pa。此后再將該空氣流在主熱交換器9中冷卻。經過部分冷卻以后，抽取空氣流13C，剩余的那部分空氣液化后被送入塔11中。空氣流13C在透平機23中壓力減到6×105Pa。將減壓后的一部分空氣輸送到塔11中作為供應氣體，剩余的空氣在熱交換器9中得到加熱。空氣流13A經部分加熱后通過閥15抽取出來，并被輸送到輔助熱交換器5中，在該熱交換器中該空氣流將所有的供應空氣冷卻到25℃。然后該空氣流13A與將在壓縮機17中壓縮的空氣匯合。空氣流13B繼續加熱升溫并與純化系統7的下游供應空氣匯合。
應注意的是，在圖2的設備中，可用另一個成本低并且便于維修的制冷系統代替該制冷單元。
權利要求
1.一種在低溫設備中通過蒸餾分離含有氧和氮的氣體混合物方法，所述的方法包括如下步驟—壓縮氣體混合物；—純化壓縮氣體混合物以除去水分和二氧化碳；—把純化了的氣體混合物冷卻到其露點溫度附近；—在至少一個蒸餾塔(11)中對冷卻了的氣體混合物進行蒸餾；和—用一個制冷系統而不是制冷單元給設備提供冷量，在該制冷系統中，至少一部分氣體混合物在壓縮和純化步驟之間通過與制冷劑流(13)進行間接熱交換而得到冷卻，所述的制冷劑流為蒸餾塔產品，或構成一部分待蒸餾的氣體混合物，其特征在于所生產出的液體作為最終產品，至少一部分制冷劑在與未純化的氣體混合物進行熱交換以前先在減壓器中減壓。
2.根據權利要求1所述的方法，其中制冷系統是一個制冷循環。
3.根據權利要求2所述的方法，其中與氣體混合物進行熱交換的制冷劑是制冷循環流體。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其中制冷系統是空氣循環或是氮氣循環。
5.根據上述任一權利要求所述的方法，其中調節制冷劑流(13B)的流量，使氣體混合物部分的溫度保持恒定。
6.根據上述任一權利要求所述的方法，其中通過滲透和/或吸附系統(7)純化氣體混合物以除去水和二氧化碳。
7.根據上述任一權利要求所述的方法，其中制冷劑流(13B)是雙級蒸餾塔(11)的中壓塔生產出的氮氣流。
8.根據上述任一權利要求所述的方法，其中至少一部分氣體混合物或制冷劑流液化后被輸送到蒸餾塔(11)中。
9.根據上述任一權利要求所述的方法，其中制冷系統包括把來自外部冷源的冷液體流噴射到蒸餾塔(11)中的噴射裝置。
10.根據上述任一權利要求所述的方法，其中至少一部分制冷劑在減壓前被加壓。
11.根據上述任一權利要求所述的方法，其中制冷劑被減壓后通過冷卻純化了的氣體混合物而使該制冷劑得到部分加熱。
12.一種通過低溫蒸餾分離包括氮和氧的氣體混合物的設備，該設備包括一臺壓縮機(1)，一個純化系統(7)，一個主熱交換器(9)，至少一個蒸餾塔(11)，構成制冷系統的裝置(17，21，23)和一個輔助熱交換器(5)，該輔助熱交換器使經壓縮機(1)壓縮了的氣體混合物與來自塔(11)中的或來自純化系統(7)下游料流中的制冷劑進行熱交換，其特征在于它包括提取液體產品的裝置和對輔助熱交換器上游的至少部分制冷劑進行減壓的減壓器(23)。
13.根據權利要求12所述的設備，其中有一個控制閥(15)控制輸送到輔助熱交換器(5)中的制冷劑量。
14.根據權利要求12或13所述的設備，其中制冷劑在制冷回路中進行循環。
15.根據權利要求12至14之一所述的設備，其中制冷劑是來自雙級塔(11)的中壓塔中的氣氮或一部分氣體混合物。
16.根據權利要求12至15之一所述的設備，其中純化系統(7)通過吸附和/或滲透作用運行。
17.根據權利要求12至16之一所述的設備，它包括用于液化輔助熱交換器(5)下游的制冷劑和用于把其中的至少一部分制冷劑輸送到蒸餾塔(11)中去的裝置(17，19，21)。
18.根據權利要求12至17之一所述的設備，它包括至少一臺用于壓縮輔助熱交換器(5)下游的制冷劑的壓縮機(17，21)。
19.根據權利要求12至18之一所述的設備，它包括用于把來自外部冷源的液體流噴射到蒸餾塔(11)中的裝置。
20.根據權利要求12至19之一所述的設備，其中輔助熱交換器(5)使氣體混合物與單一的一種制冷劑進行熱交換。
21.根據權利要求12至20之一所述的設備，它包括用于對需要減壓的一部分制冷劑進行加壓的裝置(17，21)。
全文摘要
為了在純化步驟之前預冷待蒸餾的氣體流，把該氣體輸送到一個熱交換器(5)中，在熱交換器中，氣體流加熱制冷劑流(13B)而受到冷卻。在冷卻未純化的氣體以前，該制冷劑中的至少一部分制冷劑的壓力降低，這一部分制冷劑可以是待蒸餾的氣體餾分，也可以是蒸餾產品。最好是系統的循環氣體。本裝置可以省去制冷單元。
文檔編號F25J5/00GK1133964SQ9511313
公開日1996年10月23日 申請日期1995年12月22日 優先權日1994年12月23日
發明者P·福雷斯, M·德利勒, D·羅希奧 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發空氣股份有限公司