用于在低于環(huán)境溫度下分離氣態(tài)混合物的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于在低于環(huán)境溫度下分離氣態(tài)混合物的方法和裝置
[0001 ] 本發(fā)明涉及用于在低于環(huán)境溫度下或甚至在低溫(cryogenic temperature)下分離氣態(tài)混合物(例如空氣)的方法和裝置。
[0002]為了生產(chǎn)加壓空氣氣體，已知的做法是通過與來自該工藝的另一加壓氣體(通常為高壓加壓空氣)熱交換而蒸發(fā)從蒸餾塔抽出的加壓液體。這種蒸發(fā)一般通過將加壓液體輸送入交換線的至少一個通路而發(fā)生，輸送其他加壓氣體以在該交換線的至少一個其它通路中冷卻，從其他加壓氣體至加壓液體的潛熱的傳送是間接的，因為其在通道的壁上發(fā)生。
[0003]如果在超臨界壓力下將液體加壓，偽蒸發(fā)(pseudo-vaporizat1n)代替了蒸發(fā)。在下文中，術(shù)語“蒸發(fā)”還包括偽蒸發(fā)。如果其他氣體被加壓至超臨界壓力，偽冷凝(pseudo-condensat 1n)取代冷凝。在下文中，術(shù)語“7令凝”還包括偽冷凝。
[0004]本文中給出的關(guān)于純度的百分比都是摩爾百分比。
[0005]分離可以發(fā)生在至少一個蒸餾塔和/或至少一個吸收塔和/或至少一個分離罐和/或至少一個膜中，和/或通過分凝發(fā)生。
[0006]磁制冷依賴于使用顯示出磁熱效應(yīng)的磁性材料。可逆地，當它們經(jīng)受施加外部磁場時，這種效應(yīng)通過它們的溫度變化表現(xiàn)出來。這些材料用于其內(nèi)的最佳范圍位于其居里溫度(Tc)附近。這是因為在磁化上的變化越大，以及由此在磁熵上變化越大，在溫度上的變化就越大。當將材料放置在磁場中時材料的溫度上升，則認為磁熱效應(yīng)是直接的，當將材料放置在磁場中時材料冷卻，則認為磁熱效應(yīng)是間接的。在說明書的其余部分將針對直接的情形給出，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，如何將其再應(yīng)用到間接的情形是顯而易見的。有許多熱力循環(huán)基于該原理。常規(guī)的磁制冷循環(huán)包括i)磁化材料以增加它的溫度，? )在恒定磁場中冷卻所述材料來散熱，iii)將所述材料去磁以將其冷卻，和iv)在恒定的磁場(通常為零磁場)中加熱材料以吸收熱量。
[0007]磁制冷裝置采用由磁熱材料制成的元件，當被磁化時其產(chǎn)生熱量且當被去磁時其吸收熱量。可以采用磁熱材料再生器以放大“熱源”和“冷源”之間的溫度差:磁制冷從而被認為是使用活性磁再生的磁制冷。這種效應(yīng)描述于Lebouc 2005Techniques de I' Ingenieur [Engineering techniques]白勺題為 uRefrigerat1n magnetique[Magneticrefrigerat1n]，，的文章中。
[0008]其為公知技術(shù)，參見EP-A-2551005或甚至US-A-6502404以使用磁熱效應(yīng)來為用于在低于環(huán)境溫度下分離的方法提供冷卻。
[0009]本發(fā)明解決如何蒸發(fā)由分離得到的液體并同時減小待冷凝的氣體與待蒸發(fā)的液體之間的壓力比的問題，解決所述問題通常需要通過熱交換器的熱交換。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，蒸發(fā)由分離得到的液體所需的熱量的至少一部分來自使用磁熱效應(yīng)的熱栗。
[0011]本發(fā)明的一個主題為一種用于通過在低于環(huán)境溫度下或甚至在低溫下分離而分離氣態(tài)混合物的方法，其中將在第一壓力下的氣態(tài)混合物冷卻，然后在分離單元中分離，所述分離單元例如是包含至少一個塔的塔系統(tǒng)。將液體從分離單元取出并蒸發(fā)以形成加壓氣態(tài)產(chǎn)物，可能后續(xù)加壓至更高壓力或后續(xù)減壓至低于將其取出時的壓力，其特征在于，液體的蒸發(fā)熱的至少一部分由使用磁熱效應(yīng)的熱栗提供，其熱源直接或間接地與其蒸發(fā)的液體交換熱量。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的其他任選主題:
[0013]-所述熱栗的冷源與至少部分氣態(tài)混合物和/或至少部分地冷卻或甚至冷凝的由所述分離方法得到的氣體交換熱量；
[0014]-經(jīng)蒸發(fā)的液體包含至少70%的氧，或至少80%的氮，或至少60 %的二氧化碳，或至少60 %的甲烷或至少60 %的一氧化碳；
[0015]-所述分離通過蒸餾進行，且所述系統(tǒng)包括至少一個蒸餾塔；
[0016]-使得可參與或可不參與分離的流體與熱栗的磁熱材料直接接觸；
[0017]-熱交換至少部分地在可參與或可不參與分離的至少一種流體與傳熱流體之間通過交換器進行，所述傳熱流體與熱栗的磁熱材料接觸；
[0018]-熱交換至少部分地在可參與或可不參與分離的至少一種流體與傳熱流體之間通過中間傳熱回路進行，所述傳熱流體已與熱栗的磁熱材料接觸；
[0019]-氣態(tài)混合物是空氣，加壓液體富含氧或氮，將所有的氣態(tài)混合物壓縮至單一壓力，且將至少部分氣態(tài)混合物至少部分地冷凝，將熱量傳送至熱栗的冷源；
[0020]-氣態(tài)混合物是空氣，加壓液體富含氧或氮，將所有的氣態(tài)混合物壓縮至第一壓力，將氣態(tài)混合物的部分從第一壓力壓縮至比第一壓力高的第二壓力，將至少部分在第二壓力下的經(jīng)壓縮的氣態(tài)混合物至少部分地冷凝，將熱量傳送至熱栗的冷源。
[0021]本發(fā)明的另一主題為一種用于通過在低于環(huán)境溫度下或甚至在低溫下分離而分離氣態(tài)混合物的裝置，所述裝置包括用于冷卻在第一壓力下的氣態(tài)混合物的冷卻設(shè)施，連接到冷卻設(shè)施的分離單元，例如包含至少一個塔的塔系統(tǒng)，和用于從分離單元取出液體的管道，用于蒸發(fā)液體以形成加壓氣態(tài)產(chǎn)物的設(shè)施，可能在加壓至高于或減壓至低于將其取出時的壓力的設(shè)施的下游，其特征在于，它包括使用能夠供給液體的蒸發(fā)熱的至少一部分的使用磁熱效應(yīng)的熱栗、和允許熱栗的熱源與蒸發(fā)的液體直接或間接地交換熱量的設(shè)施。
[0022]所述裝置可包括
[0023]-允許在熱栗的冷源與氣態(tài)混合物的至少部分和/或至少部分地冷卻或甚至冷凝的由所述分離方法得到的氣體之間的熱交換的設(shè)施；
[0024]-用于取出液體的設(shè)施，所述液體包含至少7O%的氧，或至少8O %的氮，或至少60 %的二氧化碳，或至少60 %的甲烷或至少60 %的一氧化碳；
[0025]-所述分離通過蒸餾進行，且所述系統(tǒng)包括至少一個蒸餾塔；
[0026]-用于放置流體的設(shè)施，所述流體可參與或可不參與分離，與熱栗的磁熱材料直接接觸；
[0027]-熱交換至少部分地在可參與或可不參與分離的至少一種流體與傳熱流體之間通過交換器進行，所述傳熱流體與熱栗的磁熱材料接觸；
[0028]-熱交換至少部分地在可參與或可不參與分離的至少一種流體與傳熱流體之間通過中間傳熱回路進行，所述傳熱流體已與熱栗的磁熱材料接觸；
[0029]-氣態(tài)混合物是空氣，加壓液體富含氧或氮，將所有的氣態(tài)混合物壓縮至單一壓力的壓縮機，和用于將熱量從至少部分地冷凝的氣態(tài)混合物的至少一部分傳送至熱栗的冷源的設(shè)施；
[0030]-氣態(tài)混合物是空氣，加壓液體富含氧或氮，將所有的氣態(tài)混合物壓縮至第一壓力；
[0031]-用于將部分氣態(tài)混合物從第一壓力壓縮至比第一壓力高的第二壓力的壓縮機，和用于將熱量從在第二壓力下的經(jīng)壓縮的氣態(tài)混合物的至少一部分傳送至熱栗的冷源的設(shè)備；
[0032]熱栗是熱力學(xué)裝置，其允許將一定量的熱量從被認為是“發(fā)射器”并被稱為“冷源”的介質(zhì)(從其中取出熱量)傳送至被認為是“接收器”并被稱為“熱源”的介質(zhì)(向其供給熱量)，冷源處于比熱源更冷的溫度。
[0033]對于這類應(yīng)用，在現(xiàn)有技術(shù)中使用的常規(guī)循環(huán)為壓縮-冷卻(冷凝)-膨脹-再加熱(蒸發(fā))制冷流體的熱力學(xué)循環(huán)。
[0034]標題為"TECHNIQUESDE L' INGENIEUR-Refrigerat1n magnetique"[Engineering techniques-Magnetic refrigerat1n]2005〃的文件的圖12顯不，與常規(guī)循環(huán)相比，使用磁循環(huán)的制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提高了2倍。
[0035]環(huán)境溫度為所述方法所處于的環(huán)境空氣的溫度，或可選地，為與空氣溫度相連接的冷卻水回路的溫度。
[0036]“低于環(huán)境溫度”是指比環(huán)境溫度低至少10°C。
[0037]低溫為低于-50 Γ。
[0038]參照附圖1-8更詳細地描述本發(fā)明。
[0039]圖1示出了用于通過低溫蒸餾分離空氣的裝置。所述裝置包括熱交換線17和雙空氣分離塔，所述雙空氣分離塔包括由蒸發(fā)器-冷凝器27熱連接的中壓塔23和低壓塔25。
[0040]空氣I在壓縮機3中被壓縮至5.5bara的壓力。
[0041]將壓縮空氣在冷卻器5中冷卻以形成經(jīng)冷卻的流7，在吸附單元9中將其純化以除去水和二氧化碳及其他雜質(zhì)。
[0042]將經(jīng)純化的空氣一分為二。在一個部分8完全地通過交換線17時將其冷卻至約-170°C的溫度。然后將其一分為二。一個部分19用作使用磁熱效應(yīng)的熱栗31的冷源。輸送其余部分21以在中壓塔23的底部以氣態(tài)形式分尚。
[0043]通過在熱栗31中的熱交換，部分19冷卻并液化以形成流37。將流37分成部分39和部分41，將部分39送至中壓塔23，將部分41在過冷器43中冷卻，膨脹，并隨后送至低壓塔25。
[0044]將富含氧的液體33從中壓塔23底部取出，在過冷器43中冷卻，并送至低壓塔25。將富含氮的液體35從中壓塔23的頂部取出，在過冷器43中冷卻，并送至低壓塔25的頂部。
[0045]將空氣11在增壓器13中升壓，在交換線17中部分地冷卻，在入口渦輪15中膨脹，并送至低壓塔25。
[0046]將富含氮的氣體45從低壓塔25的頂部取出，在過冷器43和在交換線17中加熱，以至少部分地用作用于使吸附單元9再生的氣體。將富含氮的氣體49從中壓塔23的頂部取出，在交換線17中加熱并作為產(chǎn)物。將液態(tài)氧47