專利名稱：預凈化器和交流換熱器相組合的空氣深冷分離方法
技術領域：
本發明涉及空氣的深冷分離，其中在將原料空氣引入空氣深冷分離裝置之前，用交流換熱器冷卻原料空氣。
通常，從大氣中大規模地生產工業氣體要用到空氣的深冷處理。除了含有所需的產品如氧氣、氮氣、氬氣和稀有氣體以外，用作深冷處理原料的空氣(原料空氣)還含有雜質或不希望的組分，如水蒸汽、二氧化碳和一種或多種碳水化合物。在對原料空氣進行加工之前，必須除去這些雜質，因為這些雜質會干擾深冷處理設備的連續有效運行，或者會出現危及操作者安全、損壞設備的情況。空氣分離廠的大部分費用都與空氣凈化或純化，以及將空氣冷卻到深冷溫度有關。
用于為空氣分離系統提供潔凈的低溫空氣流的工藝各種各樣。熱交換器可以同時冷卻原料空氣和對產品流進行再加熱。原料空氣和產品流沿隔開的通道流過熱交換器。早期的空氣分離系統容許雜質沉積在原料空氣通道的冷的熱交換表面上，但它最終會使熱交換器被冷凝的雜質沉積物堵塞，或者不能將進入的原料空氣冷卻到深冷分離所需的低溫。于是該裝置只能被停機并被熔化處置掉。后來的裝置安裝了用于除去部分水分的冷凝器和除去二氧化碳的堿性洗滌器。隨著對氣體產品需求的增長，投入使用了如交流換熱器的裝置，在原料空氣與產品流之間進行熱交換。
交流換熱器包括裝有填料的絕熱壓力容器。通過連續使溫的原料空氣流流過交流換熱器，接著是冷產品流流過交流換熱器，從而交替地加熱和冷卻交流換熱器。這不同于熱物流和冷物流同時流過的熱交換器。在交流換熱器中，用容器壁和填料貯存或失去熱量，它們被先前的氣流依次冷卻或加熱。當空氣被冷卻到接近飽和溫度時，可從流過交流換熱器的原料空氣中除去水分和二氧化碳。交流換熱器是成對運行的，交替通入原料空氣和冷回流物流，可使該裝置連續經濟地運行長達一年的時間。美國專利1,945,634描述了這種系統。當冷回流物流穿過交流換熱器而被加熱時，該物流將與剩余的原料空氣相混合，還會氣化任何冷凝在交流換熱器中的雜質。如果該物流是潔凈產品，剩余的原料空氣和氣化進入物流的雜質就會污染產品。為了避免出現這一問題，不時要用氣流吹洗交流換熱器，以氣化冷凝的雜質，并把它們吹到大氣中，當然這樣作要浪費能量。美國專利2,825,212描述了一種在交流換熱器中使用吸附劑從原料空氣中除去雜質的方法，但這種方案仍不可避免地要經常吹洗交流換熱器和吸附劑，以除去冷凝的雜質。為了無需不經濟的吹洗就能得到潔凈的產品，通常在交流換熱器中嵌入盤管，為高純度的產品提供一個隔離通道，杜絕產品被原料空氣或冷凝雜質污染的可能性。然而，已知盤管會由于穿孔而失效，產品仍會被原料空氣污染，這種盤管還會加速顆粒的磨損。
目前，吸附工藝已廣泛用于從原料空氣中除去水分、二氧化碳和碳氫化合物。在許多情況下，在吸附系統前設置一冷凝器，用于除去大量的水分，降低吸附系統的脫水負荷。于是該系統可給處理裝置提供干燥而潔凈的空氣流。美國專利4,557,735描述了這種方法的應用情況，它用分子篩作吸附介質。它是先冷卻壓縮的原料空氣，然后使冷空氣流過吸附介質。在將這種冷空氣輸送到深冷分離系統之前，仍需要將它冷卻到深冷溫度。已知被稱為主熱交換的這種功能通常在銅鋁熱交換器(BAHX)中運行。
本發明提供了一種通過深冷精餾分離空氣的方法，包括壓縮原料空氣，使壓縮后的原料空氣流過預凈化器，在預凈化器中，基本上除去空氣中的雜質，在將凈化過的空氣引入深冷空氣分離裝置之前，在先前冷卻過的交流換熱器中冷卻凈化過的空氣，在深冷空氣分離裝置中將空氣分離成富氮組分和富氧組分。在本發明的一個優選實施例中，在熱交換器中冷卻部分凈化過的空氣。
在BAHX芯之前設置采用吸附劑的預凈化器的投資費用是相當大的。采用交流換熱器并使用預凈化器的方法具有多個優于目前所用系統的優點。并明顯提高了空氣流過交流換熱器時去除冷凝雜質的效率。此外，冷凝原料空氣中的雜質還不會引起致冷損失。也許更重要的是，預凈化器的可靠性和安全性要高于使用可逆熱交換器或交流換熱器除去水和二氧化碳，以及隨后冷吸附碳氫化合物的可靠性和安全性。
此外，本發明用預凈化系統可基本上從進到裝置中的空氣原料中除去所有雜質，無需設計和運行交流換熱器也來除去污染物。這使得特別是只完成熱轉移的裝置最佳化，由此增加了處理效率，降低了材料和運行費用，其經濟效益明顯優于普通方法。
如果產品流穿過BAHX，同時交流換熱器只被廢物流冷卻，則會得到更多的好處，因為可生產出高純度的產品，而幾乎沒有運行問題。


圖1是本發明一個實施例的流程圖。
圖2是本發明一個優選實施例的流程圖。
圖3是本發明一個優選實施例的流程圖，其中來自熱交換器的部分冷空氣在分離之前被送入渦輪機。
圖4是本發明一個優選實施例的流程圖，其中來自交流換熱器的部分冷空氣在分離之前被送入渦輪。
圖5是本發明一優選實施例的流程圖，其中用增壓壓縮機、加壓泵和產品蒸發器生產高壓產品流。
圖6是本發明一優選實施例的流程圖，其中其結構已改成可容納兩種產品流。
在本發明的方法中，對含有雜質如水蒸汽、二氧化碳和碳氫化合物的原料空氣進行預凈化，基本上除去所有雜質，然后在交流換熱器對凈化后的原料空氣進行冷卻。交流換熱器的設計要方便經濟地對預凈化后的原料空氣進行冷卻，而不是對原原料空氣進行冷卻。例如，處理預凈化后氣流的交流換熱器可比那些處理濕空氣的交流換熱器短，因為它們無需執行冷凝任務。
此外，交流換熱器無需有清除冷凝雜質的自清潔循環。這樣就無需要求在運行過程中沿交流換熱器維持很小的溫度差，使回流的非產品流(下文稱作廢氣流)穿過時，能夠氣化冷凝后的物質。由于沒有潛在的堵塞危險，故極大地改進了交流換熱器的可操作性。去掉清潔循環還節省了動力。由于進入交流換熱器的空氣是干燥的，所有流過交流換熱器的空氣都可以從交流換熱器的冷端流出，并在深冷分離系統中處理以制成產品。由于沒有空氣作為被冷凝雜質污染的廢氣流排出，即消除了被稱為排污的過程，因而消除了該過程的大部分能量損失。
此外，由于經過交流換熱器處理的物流是清潔的物流，所以可對交流換熱器的填料進行多種選擇。可使用傳統的陶瓷填料，如石英礫或氧化鋁球。其它填料可包括金屬材料，如鋼球或鋁球。然而，由于本發明的方法沒有冷凝和氣化循環，因而降低了顆粒的磨損，所以可以使用便宜的多孔材料，如鐵礦石球團。鐵礦石球團的另一個優點是它相對于傳統的石英礫或氧化鋁球填料，具有較高的熱容，由此可增加交流換熱器的效率。通常，交流換熱器是垂直的圓柱形容器，但是也可以使用其它形狀的容器。
相對于銅鋁芯熱交換器，交流換熱器的另一大優點是其造價優勢。由于釬焊爐的尺寸對單一BAHX芯實際尺寸的限制，所以處理大流量物流經常需要多個平行的BAHX芯。而由兩個裝有顆粒的易于生產且比較便宜的壓力容器組成的交流換熱器可代替多個BAHX芯。交流換熱器需要開關閥和止回閥，但這些閥門可外部隔熱，管線很簡單，這正與每一BAHX芯進料管線所需的控制空氣流過它們的復雜管線和空氣調節閥相反。由此，除了芯的造價較高以外，與兩個交流換熱器傳熱能力相等的多個BAHX芯需要更多的管線和閥門投資。此外，這些因數使生產BAHX芯的研制周期明顯長于交流換熱器的周期。
圖1是本發明一個實施例的流程圖。在壓縮機30中將吸入管60引進的原料空氣壓縮到40-200psia的運行壓力，優選的大于60psia。然后對壓縮后的空氣進行二次冷卻，優選地冷卻到1-40℃的溫度，通過管線61引到預凈化系統50。預凈化系統可以是任何一種工業上眾所周知的系統。它們可以包括冷凝器以降低減濕負荷，與去除二氧化碳和碳氫化合物的交替分子篩床相結合的除去水分的交替礬土床，但不必僅限于此。可通過任何眾所周知適用的方法再生吸附器。預凈化吸附劑床可由針對所有污染物的單一吸附劑床，針對每一污染物的獨立吸附劑床，或復合材料床組成。此外，預凈化系統還可包括一個或多個裝有吸附劑材料的容器。再者，預凈化系統可根據熱波動、壓力波動或溫度和壓力波動相組合的運行原則運行。本發明所使用的預凈化系統的類型不受限制，只要預凈化系統能完成除去原料空氣中水分、二氧化碳和碳氫化合物污染物的工作就可以。在已有技術領域，眾所周知有許多不同的預凈化系統。
接下來，從管線62離開預凈化系統50的清潔干燥空氣通過管線66和65進入交流換熱器2和4。通過自動開關閥102將清潔干燥的空氣送入交流換熱器2。使來自空氣深冷分離裝置10的廢氣流通過交流換熱器，可對其中裝有填料或貯存材料的交流換熱器2進行預先冷卻。通過冷卻的交流換熱器2的清潔空氣被冷卻到大約其飽和點。然后，飽和空氣或經止回閥106、管線68、69、71和72進入深冷空氣分離裝置10，在此進一步對空氣進行深冷處理，將空氣分離成所需的產物，或飽和空氣經止回閥106、管線68、69、71和73進入渦輪機31，在此，空氣經管線74進入分離裝置10之前，對飽和空氣進行進一步冷卻。通常，經渦輪機膨脹以達裝置致冷的那部分原料空氣占總原料空氣的5-20％，優選地占10-15％。通常深冷空氣分離裝置10如本專業公知的那樣是雙柱結構，但是也可以采用單柱結構。此外，雙柱結構可以是本專業可行的方案之一。另一交流換熱器4用于處理來自分離裝置10的冷廢氣流，在廢氣流經管線77、79和其冷端的止回閥107之后，對交流換熱器4中的填料進行冷卻。交流換熱器4的填料或貯存材料將廢氣流傳給它的致冷量保存在其中間貯存部位，以隨后傳給清潔原料空氣。然后廢氣流經自動開關閥103離開冷卻的交流換熱器4，經管線81排放到大氣中。產物流經管線75離開深冷空氣分離裝置。盡管圖中所示的產物流75直接流出深冷分離裝置10，但是應當知道，該產物流可被部分原料空氣再加熱。如果產品流75是液態形式，可直接從深冷分離系統中回收。然而，如果產品流75是氣態產品，需要在獨立的交流換熱器，在交流換熱器2和4中的嵌入盤管，或者在獨立的熱交換器中，用一部分原料空氣對產品流再加熱，這點下文將要進一步描述。為了澄清起見，圖1只描述了預凈化器和廢氮氣交流換熱器相組合的實施例。
傳統交流換熱器的缺點是，如果產品流穿過交流換熱器，它將被殘余原料空氣污染。把產品流隔離在與原料空氣通道分開的通道中，將增加產品的純度。通常可通過使產品流流過嵌入交流換熱器填料中的獨立盤管實現這一目的。然而，這些盤管經常會由于泄漏而失效，使產物被污染。相信它們還會增加交流換熱器中顆粒填料的磨損。可以使用另外幾種交流換熱器，在任何時候，每種交流換熱器只能容納一種物流。這種結構的困難是，潔凈的產品將會被反向流動的空氣污染，閥門安裝也會有少量滲漏，結果降低了產品的純度。
在本發明的一個優選實施例中，通過在交流換熱器中只加熱廢物流，可解決交流換熱器中產品污染問題。在該實施例中，通常在BAHX芯中加熱產品流。優選地，在交流換熱器和BAHX之間分配原料空氣，以使兩者的溫度分布平衡。優選地進入交流換熱器的空氣部分占40-80％，更優選的占60-80％。這種安排使芯的使用有靈活性，容易處理多種物流，并使產品與原料空氣隔離開，并可使大部分熱交換器可采用成本更低的交流換熱器來實施。這種安排的另一優點是，不用為交流換熱器設計獨立盤管，來給產品流提供清潔通道，還可以給容器裝填大結構的填料(整料)。這種填料可包括例如波紋板。對給定的壓力降，這種填料能提供很高的傳熱速率。這也能使容器的橫截面積降低。
圖2是本發明一優選實施例的流程圖。在壓縮機30中將吸入管60引進的原料空氣壓縮到40-200psia的運行壓力，優選的大于60psia。然后對壓縮后的空氣進行二次冷卻，優選地冷卻到1-40℃的溫度，并通過管線61引到預凈化系統50。然后將從管線62離開預凈化系統50的清潔干燥空氣分成兩部分，一部分經管線64進入交流換熱器2和4。另一部分經管線63進入初級熱交換器1。經管線66和自動開關閥102將清潔干燥的空氣送入交流換熱器2，交流換熱器2中的填料已經被來自空氣深冷分離裝置10的廢物流預先冷卻，因此可使清潔空氣被冷卻到大約其飽和點。然后，飽和空氣或經止回閥106、管線68、69、71和72進入深冷空氣分離裝置10，在此進一步對空氣進行深冷處理，將空氣分離成所需的產物，或飽和空氣經止回閥106、管線68、69、71和73進入渦輪機31，在此空氣經管線74進入分離裝置10之前，對飽和空氣進行進一步冷卻。另一交流換熱器4用于處理來自分離裝置10的冷廢物流，在廢物流經管線77、79和其冷端的止回閥107之后，對交流換熱器4中的填料進行冷卻。然后廢物流經其熱端的自動開關閥103離開冷卻的交流換熱器4，通過管線81排放到大氣中。
來自預凈化系統50和管線62的其余的清潔干燥空氣經管線63進入初級熱交換器1，在此與經管線75離開深冷分離裝置10，并以連續方式穿過初級熱交換器1和熱端管線76的產品流進行熱平衡。通過產品流和廢物流的相對流量，確定原料空氣在交流換熱器和初級熱交換器之間的分配。
圖3、4、5和6描述了本發明的其它優選實施例。對所有普通部件，這些圖中的數字與圖1和2中數字表示的部件相同，下文將不再詳細描述。
現代渦輪機可用基本飽和的空氣高效率地運行。圖1顯示的是從交流換熱器冷端進料的渦輪機。然而，該流程不限于這種類型的渦輪機進料。從熱交換器或交流換熱器很容易抽出側泄的空氣，使冷端和熱端的溫度趨于相互封閉。中點的空氣用作渦輪機的進料。如果需要利用來自熱交換器的熱量對渦輪機的進料進行預熱，本發明的另一實施例提供了這種方式，如圖3所示。經管線82從初級熱交換器1的中點抽出部分冷空氣，將該冷空氣與來自管線83的一部分冷端空氣相混合，以便控制溫度，然后經管線73流過渦輪機31。于是，在空氣進入深冷分離裝置10之前，已被渦輪機冷卻。
圖4表示的是本發明的另一實施例，其中通過在交流換熱器的中點經管線85從交流換熱器2中抽出空氣，然后經管線86和87送入渦輪機31中，由此給渦輪預熱。通過將該空氣與經閥門106和管線68、69、71、73和87送入渦輪機的交流換熱器冷端空氣相混合，可實現溫度控制。當用交流換熱器4冷卻預凈化后的原料空氣時，通過管線84而不是管線85抽出預熱物流。
本發明還可用于產品蒸發器，在很高的壓力下輸出產品。本發明的該實施例如圖5所示。此情況下，經管線75從深冷分離裝置的主冷凝器抽出液態氧的，用泵32加壓。盡管該壓力不限于任何泵送液體的壓力，但通常液體壓力范圍為20-500psia，優選地為50-250psia。加壓后的液態氧經管線88，然后在產品蒸發器3中逆來自初級熱交換器1的冷端空氣汽化。一部分預凈化后的空氣經管線92被增壓壓縮機33加壓，然后在初級熱交換器1中進行處理，以為產品蒸發器中汽化液態氧提供所需的熱量。用于汽化加壓液態氧的原料空氣在流量和壓力方面與產品物流的流量和壓力相當。通常，原料空氣的流量大約是產品流量的1.2倍。原料空氣的壓力大于產品的壓力，以便相對于氣化的產品可使原料空氣冷卻和冷凝。通常，原料空氣的壓力為大約50-1000psia，優選地從大約100-500psia。氣化的氧氣經管線89，然后在主熱交換器1中被加熱，并經管線76輸送給消費者。
在另一實施例中，本發明提供了多種純凈產品。該實施例示于圖6中，在該實施例中，既可生產出純凈的氧氣產品，又可生產出純凈的氮氣產品。氮氣產品流經管線92離開深冷分離單元。兩種純凈的產品流沿各自的通道流過主熱交換器1，氮氣從管線93流出，氧氣從管線76流出。兩種流體在熱力學上與相應流量的原料空氣相平衡。因而剩余的原料空氣與交流換熱器中的廢物流相平衡。這提供了應用本發明方法的靈活性。在本發明的所有其它優選實施例中，廢物流77僅在交流換熱器中加熱。
本發明的方法不限于優選實施例所示的在一對交流換熱器中運行，它同樣可采用三個一組的交流換熱器或其它任何數量的交流換熱器運行，這可根據壓力降、溫度差、容器或填料價格以及閥門和管線的綜合經濟來確定。
權利要求
1.一種通過深冷精餾分離空氣的方法，包括以下步驟(a)壓縮含有雜質的原料空氣；(b)使壓縮后的原料空氣流過預凈化系統，在預凈化系統中，基本上除去空氣中所含的雜質；(c)使凈化過的空氣通過冷卻過的交流換熱器，以冷卻凈化過的空氣；(d)將冷卻過的空氣引入深冷空氣分離裝置；(e)從空氣分離裝置中排出產品流。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于在使凈化過的空氣通過冷卻過的交流換熱器之前，利用來自深冷空氣分離裝置的廢物流流過交流換熱器，以冷卻交流換熱器。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括在熱交換器中冷卻部分來自預凈化系統的凈化過的空氣，并使由此得到的空氣流入深冷空氣分離裝置。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于還包括在熱交換器對部分凈化過的空氣進行冷卻的同時，在熱交換器中加熱產品流的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于在冷卻過的空氣進入深冷空氣分離裝置之前，利用渦輪機對一部分冷卻過的空氣進行進一步冷卻。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于從交流換熱器的中點引出要被渦輪機冷卻的這部分空氣。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于從熱交換器的中點引出要被渦輪機冷卻的這部分空氣。
8.如權利要求4所述的方法，其特征在于還包括從深冷分離裝置抽出第二種產品流，使第二種產品沿與所述產品流過熱交換器的通道相分開的通道流過熱交換器。
全文摘要
本發明提供了一種通過深冷精餾分離空氣的方法,包括壓縮原料空氣,使壓縮后的原料空氣流過預凈化器,在預凈化器中,基本上除去空氣中的雜質,此后在冷卻過的交流換熱器中冷卻凈化過的空氣,然后將它引入深冷空氣分離裝置,在深冷空氣分離裝置中將空氣分離成富氮組分和富氧組分。
文檔編號F25J3/04GK1207491SQ9811662
公開日1999年2月10日 申請日期1998年7月27日 優先權日1997年7月30日
發明者J·F·比林哈姆, D·P·波納奎斯特, J·R·德萊 申請人:普拉塞爾技術有限公司