CN105705892A - 用于在低于环境温度下分离气态混合物的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过在低于环境温度下分离而分离气态混合物的方法，其中将在第一压力下的气态混合物冷却，然后在分离单元(23，25)中分离，将液体(47)从分离单元取出并蒸发以形成加压气态产物，液体的蒸发热的至少一部分由使用磁热效应的热泵(31)提供，其热源直接或间接地与其蒸发的液体交换热量。

Description

用于在低于环境温度下分离气态混合物的方法和装置
本发明涉及用于在低于环境温度下或甚至在低温(cryogenictemperature)下分离气态混合物(例如空气)的方法和装置。
为了生产加压空气气体，已知的做法是通过与来自该工艺的另一加压气体(通常为高压加压空气)热交换而蒸发从蒸馏塔抽出的加压液体。这种蒸发一般通过将加压液体输送入交换线的至少一个通路而发生，输送其他加压气体以在该交换线的至少一个其它通路中冷却，从其他加压气体至加压液体的潜热的传送是间接的，因为其在通道的壁上发生。
如果在超临界压力下将液体加压，伪蒸发(pseudo-vaporization)代替了蒸发。在下文中，术语“蒸发”还包括伪蒸发。如果其他气体被加压至超临界压力，伪冷凝(pseudo-condensation)取代冷凝。在下文中，术语“冷凝”还包括伪冷凝。
本文中给出的关于纯度的百分比都是摩尔百分比。
分离可以发生在至少一个蒸馏塔和/或至少一个吸收塔和/或至少一个分离罐和/或至少一个膜中，和/或通过分凝发生。
磁制冷依赖于使用显示出磁热效应的磁性材料。可逆地，当它们经受施加外部磁场时，这种效应通过它们的温度变化表现出来。这些材料用于其内的最佳范围位于其居里温度(Tc)附近。这是因为在磁化上的变化越大，以及由此在磁熵上变化越大，在温度上的变化就越大。当将材料放置在磁场中时材料的温度上升，则认为磁热效应是直接的，当将材料放置在磁场中时材料冷却，则认为磁热效应是间接的。在说明书的其余部分将针对直接的情形给出，但对本领域技术人员而言，如何将其再应用到间接的情形是显而易见的。有许多热力循环基于该原理。常规的磁制冷循环包括ⅰ)磁化材料以增加它的温度，ⅱ)在恒定磁场中冷却所述材料来散热，ⅲ)将所述材料去磁以将其冷却，和iv)在恒定的磁场(通常为零磁场)中加热材料以吸收热量。
磁制冷装置采用由磁热材料制成的元件，当被磁化时其产生热量且当被去磁时其吸收热量。可以采用磁热材料再生器以放大“热源”和“冷源”之间的温度差：磁制冷从而被认为是使用活性磁再生的磁制冷。这种效应描述于Lebouc2005Techniquesdel'Ingénieur[Engineeringtechniques]的题为“Réfrigérationmagnétique[Magneticrefrigeration]”的文章中。
其为公知技术，参见EP-A-2551005或甚至US-A-6502404以使用磁热效应来为用于在低于环境温度下分离的方法提供冷却。
本发明解决如何蒸发由分离得到的液体并同时减小待冷凝的气体与待蒸发的液体之间的压力比的问题，解决所述问题通常需要通过热交换器的热交换。
根据本发明，蒸发由分离得到的液体所需的热量的至少一部分来自使用磁热效应的热泵。
本发明的一个主题为一种用于通过在低于环境温度下或甚至在低温下分离而分离气态混合物的方法，其中将在第一压力下的气态混合物冷却，然后在分离单元中分离，所述分离单元例如是包含至少一个塔的塔系统。将液体从分离单元取出并蒸发以形成加压气态产物，可能后续加压至更高压力或后续减压至低于将其取出时的压力，其特征在于，液体的蒸发热的至少一部分由使用磁热效应的热泵提供，其热源直接或间接地与其蒸发的液体交换热量。
根据本发明的其他任选主题：
-所述热泵的冷源与至少部分气态混合物和/或至少部分地冷却或甚至冷凝的由所述分离方法得到的气体交换热量；
-经蒸发的液体包含至少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；
-所述分离通过蒸馏进行，且所述系统包括至少一个蒸馏塔；
-使得可参与或可不参与分离的流体与热泵的磁热材料直接接触；
-热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间通过交换器进行，所述传热流体与热泵的磁热材料接触；
-热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间通过中间传热回路进行，所述传热流体已与热泵的磁热材料接触；
-气态混合物是空气，加压液体富含氧或氮，将所有的气态混合物压缩至单一压力，且将至少部分气态混合物至少部分地冷凝，将热量传送至热泵的冷源；
-气态混合物是空气，加压液体富含氧或氮，将所有的气态混合物压缩至第一压力，将气态混合物的部分从第一压力压缩至比第一压力高的第二压力，将至少部分在第二压力下的经压缩的气态混合物至少部分地冷凝，将热量传送至热泵的冷源。
本发明的另一主题为一种用于通过在低于环境温度下或甚至在低温下分离而分离气态混合物的装置，所述装置包括用于冷却在第一压力下的气态混合物的冷却设施，连接到冷却设施的分离单元，例如包含至少一个塔的塔系统，和用于从分离单元取出液体的管道，用于蒸发液体以形成加压气态产物的设施，可能在加压至高于或减压至低于将其取出时的压力的设施的下游，其特征在于，它包括使用能够供给液体的蒸发热的至少一部分的使用磁热效应的热泵、和允许热泵的热源与蒸发的液体直接或间接地交换热量的设施。
所述装置可包括
-允许在热泵的冷源与气态混合物的至少部分和/或至少部分地冷却或甚至冷凝的由所述分离方法得到的气体之间的热交换的设施；
-用于取出液体的设施，所述液体包含至少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；
-所述分离通过蒸馏进行，且所述系统包括至少一个蒸馏塔；
-用于放置流体的设施，所述流体可参与或可不参与分离，与热泵的磁热材料直接接触；
-热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间通过交换器进行，所述传热流体与热泵的磁热材料接触；
-热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间通过中间传热回路进行，所述传热流体已与热泵的磁热材料接触；
-气态混合物是空气，加压液体富含氧或氮，将所有的气态混合物压缩至单一压力的压缩机，和用于将热量从至少部分地冷凝的气态混合物的至少一部分传送至热泵的冷源的设施；
-气态混合物是空气，加压液体富含氧或氮，将所有的气态混合物压缩至第一压力；
-用于将部分气态混合物从第一压力压缩至比第一压力高的第二压力的压缩机，和用于将热量从在第二压力下的经压缩的气态混合物的至少一部分传送至热泵的冷源的设备；
热泵是热力学装置，其允许将一定量的热量从被认为是“发射器”并被称为“冷源”的介质(从其中取出热量)传送至被认为是“接收器”并被称为“热源”的介质(向其供给热量)，冷源处于比热源更冷的温度。
对于这类应用，在现有技术中使用的常规循环为压缩-冷却(冷凝)-膨胀-再加热(蒸发)制冷流体的热力学循环。
标题为"TECHNIQUESDEL’INGENIEUR-Réfrigérationmagnétique"[Engineeringtechniques-Magneticrefrigeration]2005"的文件的图12显示，与常规循环相比，使用磁循环的制冷系统的性能系数提高了2倍。
环境温度为所述方法所处于的环境空气的温度，或可选地，为与空气温度相连接的冷却水回路的温度。
“低于环境温度”是指比环境温度低至少10℃。
低温为低于-50℃。
参照附图1-8更详细地描述本发明。
图1示出了用于通过低温蒸馏分离空气的装置。所述装置包括热交换线17和双空气分离塔，所述双空气分离塔包括由蒸发器-冷凝器27热连接的中压塔23和低压塔25。
空气1在压缩机3中被压缩至5.5bara的压力。
将压缩空气在冷却器5中冷却以形成经冷却的流7，在吸附单元9中将其纯化以除去水和二氧化碳及其他杂质。
将经纯化的空气一分为二。在一个部分8完全地通过交换线17时将其冷却至约-170℃的温度。然后将其一分为二。一个部分19用作使用磁热效应的热泵31的冷源。输送其余部分21以在中压塔23的底部以气态形式分离。
通过在热泵31中的热交换，部分19冷却并液化以形成流37。将流37分成部分39和部分41，将部分39送至中压塔23，将部分41在过冷器43中冷却，膨胀，并随后送至低压塔25。
将富含氧的液体33从中压塔23底部取出，在过冷器43中冷却，并送至低压塔25。将富含氮的液体35从中压塔23的顶部取出，在过冷器43中冷却，并送至低压塔25的顶部。
将空气11在增压器13中升压，在交换线17中部分地冷却，在入口涡轮15中膨胀，并送至低压塔25。
将富含氮的气体45从低压塔25的顶部取出，在过冷器43和在交换线17中加热，以至少部分地用作用于使吸附单元9再生的气体。将富含氮的气体49从中压塔23的顶部取出，在交换线17中加热并作为产物。将液态氧47从低压塔25取出，通过泵29加压，并在交换线17中部分地加热。然后，将经加热的液体从交换线17排出，至少部分地在使用磁热效应的热泵31中蒸发(在其中它充当热源)，并送回交换线17，以或者完成蒸发和加热或仅加热。这样得到的氧作为产物。
在图2中，与在图1中不同，将所有的空气8在交换线17中冷却以形成流19，其部分地在使用磁热效应的热泵31中冷凝以形成流37。将所有的流37输送至中压塔23的底部。
在图3中，将经纯化的空气分为三个部分。将一个部分11送至增压器13，如在图1和2中所示。在另一个部分8在完全地通过交换线17时将其冷却并然后输送至塔23的底部。将空气的其余部分12在增压器14中升压并输送至交换线17，在此处其冷却至中间水平。其后，在使用磁热效应的热泵31中将部分地冷却的空气12至少部分地冷凝，在热泵31中其用作冷源。将至少部分地冷凝的空气再引入交换线17中，在其中它进一步冷却。在交换线中进一步冷却的空气离开其冷端并被分成两部分。将第一部分16膨胀并输送至中压塔23的底部。将第二部分18在过冷器43中冷却、膨胀并输送至低压塔。
在图4中，与在图1中不同，也将液态氧51从低压塔25中取出，在过冷器43中冷却并作为液体产物。以液体形式生产的氧的比例可占至多一半的压力下所生产的气态氧。
在图5中，与在其它图中不同的是，通过与来自低压塔23的氮53的热交换，在使用磁热效应的热泵31的辅助下，将液体47蒸发。用作冷源的气态氮53液化并被输送至塔23的顶部以提供回流。在这种情况下，将所有经净化的空气或者输送至增压器13、冷却并膨胀，或者冷却并输送至用以蒸馏。
图6可以类似于图3。与在图3中不同的是，流体12，或者分别地，47(其与冷源间接地热连接)，或者分别地，使用磁热效应的热泵31的热源不离开交换线17。在闭合回路中，将从来自增压器14的空气12传送热量的传热流体A(在交换线17的中间水平，接近空气12至少部分地冷凝的点)在冷源水平的使用磁热效应的热泵31中冷却，并返回至交换线17。在闭合回路中，传热流体B将热量传送至氧47(在交换线17的中间水平，接近氧47至少部分地蒸发的点)，在热源水平的使用磁热效应的热泵31中加热，并返回至交换线17。
传热流体A和B可以是相同或不同的。
本发明也可以应用至用于分离其它混合物的方法。例如，在图1至6中，空气可被含甲烷和/或氮和/或二氧化碳和/或一氧化碳和/或氢作为其主要组分的混合物替代。
图7为示出根据本发明的液体47的至少部分蒸发的通用图。液体47可以来自分离单元(例如蒸馏或吸收塔)，来自相分离器，分凝塔或膜。可以在热交换器17中将其蒸发，接着加压(例如，在泵中或使用静水压头)或减压(例如在阀或涡轮中)。其可例如包含至少70％的氧，至少80％的氮，至少60％的二氧化碳，至少60％的甲烷或至少60％的一氧化碳。直接或间接地供应热至冷源的流体12可为待在分离单元中分离的流体，在分离单元中分离的流体，或一些其它流体。该流体12至少部分地冷凝。
热交换器17还可以用于加热和/或冷却至少一个其它流体8，45。
使用磁热效应的热泵31允许在用作冷源的流体12(例如空气)和用作热源的液体47(例如含有至少70％氧的液体)之间的热交换。
可修改图7以在闭合回路中使用至少一个传热流体，所述传热流体传送热量至使用磁热效应的热泵31，或者从使用磁热效应的热泵31传出热量。
图8示出用于低温分离甲烷和氮的混合物(通常含85％的甲烷)的装置。所述装置包括热交换线17和双分离塔，所述双分离塔包括由蒸发器-冷凝器27热连接的中压塔23和低压塔25。
将甲烷和氮的高压混合物8冷却，并在交换线17中部分地冷凝。然后将其膨胀至中压蒸馏塔23。该膨胀有助于保持设备冷却。
将富含甲烷的液体33从中压塔23底部取出，在过冷器43中冷却，并送至低压塔25。将富含氮的液体35从中压塔23的顶部取出，在过冷器43A中冷却，并送至低压塔25的顶部。
将富含氮的气体45从低压塔25的顶部取出，并在过冷器43A、43和交换线17中加热。将液态甲烷47从低压塔25中取出，通过泵29加压，然后加热并然后在交换线17中蒸发，然后将经蒸发的液态甲烷继续在交换线17中加热。气态甲烷可直接作为产物使用而无需在压缩机中额外的压缩。
在闭合回路中，传热流体A从混合物12(在交换线17的中间水平，接近混合物12至少部分地冷凝的点)传出热量，在冷源水平的使用磁热效应的热泵31中冷却，并返回至交换线17。在闭合回路中，传热流体B将热量传送至甲烷47(在交换线17的中间水平，接近甲烷47至少部分地蒸发的点)，在热源水平的使用磁热效应的热泵31中加热，并返回至交换线17。
在整个附图中，在与使用磁热效应的热泵进行热交换之前，不必须在交换线17中预先加热待蒸发的液体。

Claims (15)

1.一种用于通过在低于环境温度下或甚至在低温下分离而分离气态混合物的方法，其中将在第一压力下的气态混合物冷却，然后在分离器单元(23，25)中分离，所述分离器单元例如为包含至少一个塔的塔系统，将液体(47)从分离单元取出并蒸发以形成加压气态产物，可能接着加压至更高压力或接着减压至低于将其取出时的压力，其特征在于，液体的蒸发热的至少一部分由使用磁热效应的热泵(31)提供，其热源直接或间接地与其蒸发的液体交换热量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热泵(31)的冷源与至少部分气态混合物(8)和/或至少部分地冷却或甚至冷凝的由所述分离方法得到的气体(37)交换热量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，经蒸发的液体(47)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。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分离通过蒸馏进行，且所述系统包括至少一个蒸馏塔(23,25)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使得可参与或可不参与分离的流体与热泵(31)的磁热材料直接接触。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间通过交换器进行，所述传热流体与热泵的磁热材料接触。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间通过中间传热回路(A)进行，所述传热流体已与热泵的磁热材料接触。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，气态混合物是空气，加压液体富含氧或氮，将所有的气态混合物压缩至单一压力，且将至少部分气态混合物至少部分地冷凝，将热量传送至热泵的冷源。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中气态混合物(7)是空气，加压液体富含氧或氮，将所有的气态混合物压缩至第一压力，将气态混合物的部分(11,12)从第一压力压缩至比第一压力高的第二压力，将至少部分在第二压力下的经压缩的气态混合物至少部分地冷凝，将热量传送至热泵的冷源。
10.一种用于通过在低于环境温度下或甚至在低温下分离而分离气态混合物的装置，所述装置包括用于冷却在第一压力下的气态混合物的冷却设施(17)，连接到冷却设施的分离单元(23，25)，例如包含至少一个塔的塔系统，用于从分离单元取出液体(47)的管道，用于蒸发液体以形成加压气态产物的设施(17)，可能在加压至高于或减压至低于将其取出时的压力的设施的下游，其特征在于，所述装置包括能够供给液体的蒸发热的至少一部分的使用磁热效应的热泵(31)、和允许热泵的热源与蒸发的液体直接或间接地交换热量的设施。
11.根据权利要求10所述的装置，所述装置包括允许在热泵(31)的冷源与气态混合物的至少部分(12)和/或至少部分地冷却或甚至冷凝的由所述分离方法得到的气体(37)之间的热交换的设施。
12.根据权利要求10或11所述的装置，所述装置包括用于取出液体(47)的设施，所述液体(47)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。
13.根据权利要求10、11或12所述的装置，其包括至少一个蒸馏塔(23，25)。
14.根据权利要求10、11、12或13所述的装置，其包括用于放置流体的设施，所述流体可参与或可不参与分离，与热泵(31)的磁热材料直接接触。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其包括交换器，在其中热交换至少部分地在可参与或可不参与分离的至少一种流体与传热流体之间进行，所述传热流体与热泵(31)的磁热材料接触。
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