CN1164014A - 空气分离方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种空气分离方法，包括将压缩空气引入吸附塔8和9，以通过吸附除去二氧化碳和水，低温液化和精馏经过吸附塔8和9的空气以将该空气分离成氮气和氧气，其特征在于在将压缩空气引入吸附塔8和9之前，处于由空气被压缩时产生的压缩热加热后温度的压缩空气，被冷却并被引入冷冻器4，以除去压缩空气中的水分，然后经过冷冻器4后的空气被引入催化塔7，以氧化空气中的一氧化碳和氢。本方法的优点是催化塔中的催化剂不会发生早期中毒，因此可长时间免维护和成本低。

Description

空气分离方法及其设备

本发明涉及一种可以防止催化剂的早期中毒的空气分离方法及其设备。

到目前为止高纯氮气、氧气、氩气等一直是通过使用一种空气分离设备制造的，在所述设备中，通过利用它们之间的沸点差来分离氮气、氧气、氩气等。即，高纯氮气等是通过用空气作原料的方法制造的，所述方法包括用空气压缩机压缩原料空气，用冷却器冷却由所述压缩加热的压缩空气以降低其温度，将冷却后的压缩空气引入吸附塔以除去二氧化碳和水份(原料空气净化线至此；低温液化和精馏线由此开始)，经过换热器以通过与致冷剂换热而冷却空气，然后低温液化并在一精馏塔中利用沸点差分馏。然而，由于氮气和一氧化碳之间的沸点差非常小，而且在这种空气分离设备中两者的气态比重几乎相等，所以很难通过从原料空气中分离出一氧化碳而将其除去，导致产品气被一氧化碳污染。此外，存在着另一个问题，以小百分比存在于原料空气中的氢气由于其沸点低于氮气沸点不能被液化除去，使得产品气被氢气污染。在目前的情况下，半导体工业技术日益发展，甚至这样的非常少量的杂质也会成问题。

为了在原料空气净化线中完全除去所述一氧化碳和氢气，本发明的发明者们已经提出了一种如图7所示的空气分离设备，其中一个催化塔104设置在一个空气压缩机101和一个吸附塔107之间，所述催化塔装有可除去压缩空气中的一氧化碳和氢气的载钯催化剂。在该图中，102是换热器，来自空气压缩机101的压缩空气和经过催化塔104的空气靠所述换热器换热使得被由空气压缩机101压缩加热的压缩空气被进一步加热，同时经过催化塔104的空气被冷却。103是加热器，被换热器102加热的压缩空气靠该加热器被加热到一个特定温度(一个适合于催化塔104中反应的温度，即不低于180℃的高温)。106是排水分离器。105是氟利昂冷却器，由换热器102冷却的空气靠所述冷却器冷却到一个特定温度(一个适合在吸附塔107中吸附除去的温度，通常是室温)。

在这种空气分离设备中，空气被空气压缩机101压缩，靠此其温度升高，并且被换热器102和加热器103进一步加热到一个特定的温度，然后被引入催化塔104，在其中压缩空气中的一氧化碳和氢气与被载钯催化剂一起进行氧化反应。压缩空气中的一氧化碳和氢气靠此转化成二氧化碳气体和水分。经过催化塔104的空气被换热器102和氟利昂冷却器105冷却到一个特定的温度，然后被引入吸附塔107以使二氧化碳气体和水分在吸附塔107中被吸附剂(活性铝土和沸石之类)吸附并被除去。如此得到的净化空气被供给一个低温液化和精馏用的低温精馏塔(未示出)以将其分离成氮气、氧气、氩气之类。

然而，在上面提到的空气分离设备中的催化塔104中的被载钯催化剂在一年内会出现中毒的情况。由于这个原因，昂贵的催化剂必须在早期更换，这引起一个需要经常维持催化剂的早期更换的问题，导致总成本高昂。另外，另一个问题是细粉末聚集在催化塔104的下部。在这种情况下，需要常常维持细粉末的早期清理。

从而本发明的目的是提供一种空气分离方法及其设备，由于催化剂不出现早期中毒可长期免维护，因而可得到成本适当的方法。

为了达到上述目的，本发明的第一方面涉及一种空气分离方法，该方法包括压缩取自外界的空气，将压缩空气引入净化装置以除去二氧化碳和水，并低温液化和分馏经过净化装置后的空气，以将其分离成氮气和氧气，其特征在于在将压缩空气引入净化装置之前，当空气被压缩时处于由压缩热加热后温度的压缩空气被通过一个冷冻器以除去压缩空气中的水份，然后使经过冷冻器的空气与催化剂接触，使得空气中的一氧化碳和氢气被氧化。本发明的第二方面涉及一种空气分离设备，该设备包括压缩来自外界的空气的装置，用于除去经过空气压缩装置的压缩空气中的二氧化碳气和水的净化装置，用于将经过净化装置后的空气低温液化并分馏成氮气和氧气的分馏装置，其特征在于在空气压缩装置和净化装置之间设置下列装置：用于冷却处于由空气压缩装置产生的压缩热加热后温度的压缩空气的冷冻装置，以除去空气中的水分，用于加热已经被冷冻器去除了水分的空气的加热装置，和用于氧化被加热装置加热的空气中的一氧化碳和氢气的催化塔。

也就是说，本发明的发明者们一直致力于研究催化塔中的被载钯催化剂在大约一年后中毒的原因，和粉末在催化塔的下部聚集的原因。在研究过程中，他们得到的事实是，在这种载钯催化剂中由于载钯涂层覆盖在氧化铝的外表面上，当水分进入氧化铝的外表面上的空间或间隙时，氧化铝膨胀使得载钯涂层破裂，剥落并离开氧化铝的外表面，由此使活化面积减小，导致催化剂的早期中毒，而且落下的载钯涂层变成细粉，所述细粉聚集在催化塔之类的下部。除了这些事实以外，他们发现，当压缩空气中含有许多水分时有必要将引入催化塔中的压缩空气加热到不低于180℃的高温以促进催化塔中的氢气和一氧化碳的氧化反应，催化剂暴露在如此高温下，在这样的温度下催化剂容易中毒，从而必然导致在早期出现催化剂性能方面的退化。进一步进行研究的结果是，他们得到一个结论，在将压缩空气引入吸附装置之前，由压缩产生的压缩热加热的压缩空气被通过一冷冻器以除去水分，随后，使经过冷冻器的空气与催化剂接触，使得一氧化碳和氢气被氧化，靠此，压缩空气中的几乎所有水分都可以在所述空气与催化剂接触之前由冷冻器冷却压缩空气而被除去。由于这个原因，没有催化剂早期中毒现象，也不必升高压缩空气的温度，因为压缩空气中的水分已经被除掉。结果是，催化剂的卓越的性能可以被长时间保持。本发明中冷冻器是一种像机器，工具之类的装置，它能把压缩空气冷却到约5～7℃。

如上所述，按照本发明，因为压缩空气中的水分在压缩空气与催化剂接触之前被吸附除去，催化反应可以在低温如135℃进行，而在常规方法中，因为待引入催化塔中的压缩空气含有许多水分，其催化反应要求不低于180℃的高温。另外，按照本发明，与常规方法相比，通过降低催化反应温度，被加热到高温引起的催化剂的中毒可受到大幅度的抑制。从而，使催化剂的卓越性能可长时间地保持，而且还长时间不需维护。另外，对于换热器来说，在象常规方法那样在高温进行反应的情况下，需要高价材料如不锈钢，然而，在本发明中由于降低了催化反应温度，可以使用低价材料如铝。更进一步而言，按照本发明的设备，本发明的方法可以被容易而有效地实现。

图1表示本发明的一个实施方案，

图2表示上述实施方案的运作，

图3表示用于将净化空气分离成氮气、氧气之类的设备，

图4表示图3中的设备的另一种实施方案，

图5表示图3中的设备的另一种实施方案，

图6表示图3中的设备的另一种实施方案，

图7表示一种常规方法。

实施例

图1表示本发明中空气分离设备的一个实施方案中的原料空气净化线。低温液化和精馏线表示在后述的图3中。图1中，1为一个空气压缩机如蜗壳型(螺杆型或活塞型)，靠该机来自外界的原料空气(在约25℃)被压缩热加热到100℃。2是散热片式(或壳管式)第一换热器。第一换热器2包含一个用于来自空气压缩机1的压缩空气的通道2a和一个用于再生吸附剂的废气(在后面提到的精馏塔中产生的，在约10℃)的通道2b，靠该换热器，经过通道2a的压缩空气和经过通道2b的废气换热，压缩空气被冷却到约70℃，同时废气被加热到约90℃。3是第一冷却器，该冷却器将由第一换热器2冷却的压缩空气进一步冷却到约30～40℃，并除去压缩空气中的水分。4是一冷冻器，它进一步冷却由冷却器3冷却了的压缩空气到5～7℃，靠它，压缩空气中的水分被去湿以致于压缩空气中的所有水分几乎都被除去。第二换热器5由铝制成，是散热片式(或壳管式)，其中形成用于经过冷冻器4的压缩空气的通道5a和用于经过催化塔7的空气的通道5b，通过分别经过通道5a和通道5b的空气的换热使得压缩空气被加热到约125℃，同时经过催化塔7的空气被冷却到约10℃(适于吸附塔8和9中吸附去除的温度)。6是第一加热器，该加热器将由第二换热器5加热的压缩空气进一步加热到约135℃(适合于催化塔7中的氧化反应的温度)。催化塔7装有用于氧化空气中的一氧化碳和氢气以产生二氧化碳气体和水的催化剂。作为催化剂的有铂基催化剂(在铝粒表面上形成铂基涂层)或钯基催化剂(在铝粒表面上形成一钯基涂层)。8和9是结构相同的吸附塔，每个塔内都装有吸附压缩空气中水分和二氧化碳的吸附剂。氧化铝、分子筛(合成沸石)之类都可用作吸附剂11。这两个吸附塔用于吸附过程和吸附剂11的再生过程之中。第二加热器将进一步加热由第一换热器2加热了的废气到约200℃。

第二换热器5通过下述管线与每个吸附塔8和9相连。亦即，连到第二换热器5的通道5b上的压缩空气供应管15分岔成二，其中带有转换阀16a的第一入口管16连接到第一吸附塔8的空气入口上；带有转换阀17a的第二入口管连接到第二吸附塔9的空气入口上。此外，从第一吸附塔8的空气出口延伸出来的带有转换阀18a的第一出口管和由第二吸附塔9的出口延伸出来的带有转换阀19a的第二出口管连接一个净化空气排出管30。此外，第一入口管16(在转换阀16a和第一吸附塔8的空气入口之间)和第二入口管17(在转换阀17a和第二吸附塔9的空气入口之间)由带有一对转换阀21a和21b的第一连接管21相连。同时，第一出口管18(在转换阀18a和第一吸附塔8的空气出口之间)和第二出口管19(在转换阀19a和第二吸附塔9的空气出口之间)由带有一对转换阀22a和22b的第二连接管22相连。在图中，废气释放管23在第一连接管21的两个转换阀21a和21b之间分岔出来。

同时，一个用于由精馏塔提供废气的废气供应管24(图1中只表示出末端24a的相邻部分)和吸附塔8到9由下述管线相连。也就是，废气供应管24通过在末端24a和第一换热器2的通道2b之间具有转换阀25a的第一供应管25、第一换热器的通道2b和在第二供应管2b与第二加热器10的废气入口管之间的第二供应管26连接到第二加热器10。由第二加热器10的废气出口延伸出来的第三供应管27，连接到第二连接管22的两个转换阀22a和22b之间。此外，废气供应管24的末端24a和第三供应管27，由带有转换阀28a的第三连接管28相连。

在上述设备中，运行是这样的：第一吸附塔8用于吸附过程，第二吸附塔9用于再生过程。运行时，如图2所示，转换阀16a，18a，21b，22b和25a是打开的(打开状态用箭头表示)，转换阀17a，19a，21a，22a和28a是关闭的(关闭状态用暗黑色阀表示)。首先，原料空气由第一空气压缩机1从外界引入。其次，压缩了的，因而加热了的空气通过第一换热器2与废气换热被冷却，并由冷却器3进一步冷却到约30～40℃。接着，冷却的压缩空气被送到冷冻器4。在冷冻器4中，压缩空气进一步冷却到5～7℃，靠此，压缩空气中的水分被去湿，结果是压缩空气中的几乎所有水分都可被除去。然后，通过了冷冻器4的压缩空气进入第二换热器5，在此它与经过催化塔7的空气换热而被加热，并由第一加热器6进一步加热到135℃，然后供给催化塔7。在催化塔7中，空气中的一氧化碳被催化剂氧化生成二氧化碳，氢被氧化生成水。接着，经过催化塔7的空气进入第二换热器5，在那里与经过冷冻器4的空气换热，被冷却到10℃。然后经压缩空气供应管15和第一入口管16供给第一吸附塔8。在第一吸附塔8中，空气中的水分和二氧化碳被吸附剂11吸附除去。经第一吸附塔8的空气通过第一出口管18进入净化空气排出管30。另一方面，精馏塔提供的废气经废气供应管24和第一供应管25供给第一换热器2，废气在那里与来自空气压缩机1的压缩空气换热而被加热。随后，由第一换热器2加热的废气，经第二供应管26供给第二加热器10，在那里废气被加热到200℃，并经第三供应管27，第二连接管22和第二排出管19再供给第二吸附塔9。在第二吸附塔9中，吸附剂11暴露在高温废气之中而被再生。此后，经过第二吸附塔9的废气通过第二入口管17，第一连接管21和废气释放管23排入空气中。此外，在第二吸附塔9再生之后，打开转换阀28a，关闭转换阀25a，以致废气不被加热直接供到第二吸附塔9。靠此，吸附剂11在第二吸附塔9中被冷却，可用于下一个吸附过程。

吸附塔8和9靠开关每个转换阀而自动转换。亦即，当用第一吸附塔8作再生过程，用第二吸附塔作吸附过程时，转换阀17a，19a，21a，22a和25a是开着的，而转换阀16a，18a，21b，22b和28a是关闭的。

在本设备中，由于压缩空气中的水分在引入催化塔7之前几乎完全被冷冻器4除去，吸附剂几乎不可能被进入催化塔7中的吸附剂表面的水分溶胀。为此原因，在其表面上成型的被载带的钯颗粒之类不会脱皮，落下来。另外，如上所述，由于压缩空气中几乎所有水分都被吸附除去，进入催化塔7中的压缩空气温度可以设置得更低。因此，可防止催化剂性能的早期衰退和细粒在催化塔7下部的早期沉积，因而可长时期免于维护，并降低总成本。

在图7所示的本设备和常规方法中，由催化塔7的入口露点差引起的钯催化剂反应温度和空气中氢的(氧化)去除比( )列在下面表1中。由表1明显看出，本设备的氢去除比是卓越的。

           表1   氢的去除比

           常规方法              实  例反应温度    入口露点8℃          入口露点-15℃

         (在大气压下)           (在大气压下)

       (在压力下露点是35℃)   (在压力下露点是6℃)

180℃       96.5％              不低于99.0％

165℃       93.9％              不低于99.0％

150℃       83.2％              不低于99.0％

135℃       36.8％                 96.4％

120℃       ------                 84.1％

图3是原料空气净化线之后的低温液化和精馏线的示意流程图，在图中，净化了的压缩空气在这里被低温液化并精馏成氮和氧。图中51表示一主换热器，靠此，由净化空气排放管(参照图1)来的纯净空气经热交换被冷却到低温。30c是一个由净化空气排放管30分岔出来的分支管，靠它，经过净化空气排放管30的部分压缩空气，经主换热器51进入一膨胀透平52。53a表示第一冷冻剂供应管，用于将由膨胀透平52得到的冷冻剂送入主换热器51。53b表示第二冷冻剂供给管，用于将完成冷冻任务的冷冻剂送入低压精馏塔64。54表示板式(shelf-type)高压精馏塔，其中由主换热器51冷却到冷冻温度的压缩空气被进一步冷却，而且一部分压缩空气被液化并作为液态空气55汇集在底部，同时只有氮气以气态聚集在上部。58表示一个主冷凝器，该冷凝器装有冷凝器59。聚积在高压精馏塔54的上部的一部分氮气，经第一回流管56进入冷凝器59以被液化，并经第二回流管57进入位于高压精馏塔54的上部的一个液氮槽54a。所供给的液氮从液氮槽54a溢出，并在高压精馏塔54中向下流动，以与从高压精馏塔54底部上升的压缩空气逆流接触以便冷却。结果是，一部分压缩空气液化。即，在该过程中，压缩空气中的有较高沸点的组分(氧气)液化，并聚集在高压精馏塔54的底部，同时氮气，即一较低沸点的组分聚集在高压精馏塔54的上部。另外，积聚在高压精馏塔54底部的液态空气(N₂：60至65％，O₂：33至38％)55，经过一个有膨胀阀(未示出)的连接管60，以雾状进入主冷凝器58，该冷凝器处于减压状态。主冷凝器58的内部温度由通过膨胀阀蒸发液态空气中的氮气而被保持在冷冻温度。进入主冷凝器58的一部分雾状液态空气被蒸发，以使液态空气的汽化物(N₂：60～65％，O₂：33～38％)聚集在其上部，同时剩余部分成为富氧的冷冻液体(N₂：30～35％，O₂：63～68％)61，该液体聚积在其底部。进入冷凝器59的氮气借助在主冷凝器58底部的富氧的低温液61被液化，并如上所述经过第二回流管57被供到高压精馏塔54。另外，在主冷凝器58的底部的富氧低温液体61，被经冷凝器59的氮气加热而蒸发，并作为液态空气的汽化物聚积在其上部。

64表示一个架式低压精馏塔，该塔设置在与高压精馏塔54相同的水平上。低压精馏塔64在其中部通过一个连接管62与主冷凝器58的底部连接，靠此，聚集在主冷凝器58底部的富氧低温液(液态空气)61经连接管62进入低压精馏塔64。供给的液态空气在低压精馏塔64中向下流动，并聚集在低压精馏塔64的底部，以使装在低压精馏塔64的底部的冷凝器66冷却。冷凝器66工作使从主冷凝器58的顶部经入口管63加入的液态空气的汽化物的一部分液化，使其进入出口管68，经过一个低温冷却器67被低温冷却，然后以雾态进入低压精馏塔64。经过低温冷却器67以雾态进入低压精馏塔64的液态空气向下流动，然后聚集在低压精馏塔64的底部，以使装在低压精馏塔64底部的冷凝器66冷却。积聚在低压精馏塔64底部的液态空气65，被经过冷凝器66的液态空气的汽化物汽化。70表示第一液氮供给管，用于输送由主冷凝器58的冷凝器59液化的液氮(如上所述，其一部分用于供给高压精馏塔54的液氮贮槽54a)作为低温冷却器67的冷冻剂；同时71表示第二液氮供给管，用于输送已经完成进入低压精馏塔64的液氮贮槽64a作为冷冻剂角色的液氮。用于排出聚积在低压精馏塔64的上部作为产品氮气的氮气的一个氮气排出管72，将低温氮气引入低温冷却器67以通过换热使其冷却，并将冷却后的氮气引入主换热器51，以使之通过与所加入的压缩空气换热而成常温，然后将它引入产品氮气排出管73。氧气排出管74排出在低压精馏塔64底部由富氧液态空气65中蒸发出的氧气，并且将其引入主换热器51，以使它通过与加入其中的压缩空气换热而成常温，然后将它引入产品氧气排出管75。用于排出聚集在低压精馏塔64中的作为废气的氮气(纯度不太高)之类的废气排出管76，将其引入主换热器51，以使它通过与所引入的压缩空气换热而成常温，然后将其引入废气释放管77，而且还将其一部分引入废气供给管31(图1中所示)。

按照该设备，产品氮气和产品氧气按下述方式制备。由净化空气排出管30提供的净化空气，被加入主换热器51，以被冷却到冷冻温度，并被充入高压精馏塔54的下部。然后，充入其中的压缩空气，与从主冷凝器58进入高压精馏塔54、并从液氮槽54a溢流的液氮进行逆流接触以被冷却，然后它的一部分被液化以积聚在高压精馏塔54的底部。在该过程中，压缩空气中的高沸点组分氧气液化，同时氮气保持气态，这归因于氮气和氧气的沸点之间的差别(沸点：氧气；-183℃，氮气；-196℃)。富氧的液态空气55聚集在高压精馏塔54的底部。然后，富氧液态空气55通过一个膨胀阀绝热膨胀并进入主冷凝器58以被液化，并作为液态空气61聚集在主冷凝器58的底部，液态空气61用于冷却装在主冷凝器58中的冷凝器59。同时，积聚在高压精馏塔54的上部的氮气被加到装于主冷凝器58中的冷凝器59中，使其被液态空气61冷却并液化而回流入高压精馏塔54的液氮槽54a中。同时，在冷凝器59中液化的液氮，经过第一液氮供给管70通入低温冷却器67，使其被低温冷却，然后进入低压精馏塔64的液氮槽64a。另外，聚积在主冷凝器58底部的液态空气61，经过连接管62进入低压精馏塔64，以聚集在其底部。聚积在低压精馏塔64底部的液态空气65，从主冷凝器58顶部经一个入口管63，进入装在低压精馏塔64中的冷凝器66中的液态空气的汽化物蒸发。同时，一部分经过冷凝器66的液态空气汽化物通过换热被液化，然后通过出口管68供给低温冷却器67以被低温冷却，然后被加入低压精馏塔64。在低压精馏塔64中，液态空气汽化物与从液氮槽64a溢流出的液氮进行逆流接触以被冷却，就象高压精馏塔54一样，然后，它的一部分被液化以聚集在低压精馏塔64的底部。在该过程中，压缩空气中的高沸点组分氧气液化，同时氮气保持气态，这归因于氮气和氧气之间的沸点差。结果是，富氧液态空气65聚集在低压精馏塔64底部，同时氮气聚集在其上部。因此，聚集在低压精馏塔64上部的氮气作为产品从氮气排出管72排出，并通过主换热器51换热，然后作为产品气以常温排出系统。在低压精馏塔64底部的液态空气65不作为产品而作为其蒸汽(氧气)从氧气排出管74排出，并通过主换热器51换热，然后作为产品气以常温排出该系统。这样就得到高纯氮气和氧气。

由于高压精馏塔54和低压精馏塔64设置在该设备中的相同水平位置上，整个设备的高度变低。从而整个设备可以最小化而且还可以降低制造成本。为此原因，该设备的一个优点是可以容易实现现场供给。即，该设备设置在销售产品气的用户的场地内。

图4表示低温液化和精馏线的另一个实施方案。在该例中，一部分产品氮气被用作为聚集在低压精馏塔64底部的液态空气65的蒸发热源。也就是说，一个支管81在装于产品氮气排出管73上的增压机80的产品氮气排出口(未示出)侧分出，并经过一个主换热器51，然后与装于低压精馏塔64中的冷凝器66相连。在低压精馏塔64底部的液态空气65，被流经冷凝器66的产品氮气蒸发，同时，产品氮气在冷凝器66中液化，并通过一个入口管68，然后供给一个低温冷却器67以被冷却成深冷状态，最后被引入低压精馏塔64。同时，从冷凝器58顶部排出的液态空气汽化物(N₂：60～65％，O₂：35～40％)，经过一入口管82被供给低温冷却器67，以被冷却成深冷状态，然后引入低压精馏塔64。除了这些部分外，该设备与图4的相同，而且相同的标号适用于它的相似部分。该设备还有与图4的相同的效果，而且还有获得比图4的纯度高的氮气的优点，因为产品氮气被重新返回低压净化塔64。

图5表示低温液化和精馏线的另一个实施方案。在该例中，主冷凝器58和85分别设在两个精馏塔54和64的上部。聚集在高压精馏塔54的主冷凝器58底部的剩余液态空气61(N₂：60～70％，O₂：30～40％)被引入低压精馏塔64的第二主冷凝器85并被用于它的冷却。另外，从低压精馏塔64顶部排出的氮气由第二主冷凝器85液化，并作为回流液返回低压精馏塔64。即，85表示第二主冷凝器，该冷凝器中装有一个冷凝器86。聚集在低压精馏塔64上部的一部分氮气经过第三回流管87进入冷凝器86以被液化，然后经过第四回流管88，并再进入设在低压精馏塔64上部的一个液氮槽64a。进入其中的液氮从液氮槽64a溢出，并在低压精馏塔64中向下流动，然后与从低压精馏塔64底部上升的压缩空气逆流接触，使得一部分压缩空气被冷却液化。这就是说，压缩空气中的高沸点组分(氧气)在该过程中液化，并聚积在低压精馏塔64底部，同时有较低沸点的氮气聚集在低压精馏塔64的上部。另外，聚积在第一主冷凝器58底部的液态空气61，经过一个有膨胀阀(未示出)的连接管90，以雾态进入第二主冷凝器85，该冷凝器处于减压状态，其中液态空气中的氮通过膨胀阀蒸发，以保持第二主冷凝器85的内部温度在低温。然后，以雾态进入第二主冷凝器85的一部分液态空气，作为液态空气汽化物(N₂：60～65％，O₂：33～38％)聚集在其上部，同时，其余部分作为富氧低温液体89(N₂：33～38％，O₂：60～65％)聚集在第二主冷凝器85的底部。进入冷凝器86的氮气由于富氧低温液体89的冷却而液化，并经第四回流管88进入低压精馏塔64，然后聚积在低压精馏塔64的底部。91a表示第一废气出口管，该管排出聚集在第二主冷凝器85的上部的液态空气汽化物，并将其供给低温冷却器67以被冷却，同时91b表示第二废气出口管，该管将由低温冷却器67冷却的液态空气汽化物引入主换热器51，以便与供给其中并冷却到常温的压缩空气换热，并将其引入废气释放管94。92表示从高压精馏塔54的第一回流管56延伸出的第一氮气排出管，并连接由低压精馏塔64的第三回流管87延伸出的第二氮气排出管93。一个用于该混合氮物流的排出管95(相当于图4中的氮气排出管72)，将由第一氮气排出管92和第二氮气排出管93排出的氮气供给低温冷却器67，以便通过在其中换热而被加热，并将其引入主换热器51。对于其余部分，本设备与图3中所示的相似，而且相同的标号适用相同的部分。

在该设备中，在低压精馏塔64中还制造产品氮气和产品氧气。即，在高压精馏塔54的第一主冷凝器58底部的液氮61，通过膨胀阀绝热膨胀，并被引入第二主冷凝器85，然后被液化并聚集在第二主冷凝器85的底部作为液态空气89，以冷却装在第二主冷凝器85中的冷凝器86。同时，聚集在低压精馏塔64上部的氮气，进入装在第二主冷凝器85中的冷凝器86，以被液态空气89冷却而液化，然后返回低压精馏塔64的液氮槽64a。在低压精馏塔64中，液态空气汽化物与从液氮槽64a溢流出的液氮逆流接触以被冷却，并且它的一部分被液化并聚积在低压精馏塔64底部。在该过程中，压缩空气中的高沸点的氧气液化，这归因于氮气和氧气之间的沸点差，同时氮气保持气态。富氧液态空气65聚积在低压精馏塔64的底部。聚集在高压精馏塔54和低压精馏塔64的两个上部的氮气，从第一氮气排出管92和第二氮气排出管93排出，以被送入产品氮气排出管73照原状态作为产品。另外，在低压塔64的底部的液态空气65，并非照原状态而是作为蒸发物(氧气)，从产品氮气排出管75排出。这样，可得到高纯氮气和氧气。

在该设备中，可以得到与图3的相同的效果。另外，由于每个主冷凝器58和85设置在每个精馏塔54和64中，可以得到纯度比图3的更高的氮气。

图6表示低温液化和精馏线的另一个实施方案。在该方案中，液氮被用作代替图3至5的膨胀透平52的冷冻剂，并被直接引入高压精馏塔54。除上述以外，该设备与图3所示的相同，并且相同的标号适用于相同的部分。在该设备中，可以得到与图3的相同的效果。另外，在使用图3至5所示的膨胀透平52的情况下，存在一个缺点，因为膨胀透平52的转速非常高，产品的纯度按照载荷的变化而分布，导致按照载荷变化(产品氮气排出量)进行后续操作方面出现困难。另外，由于膨胀透平52以高速转动，需要高精度的机械结构，导致昂贵的成本。另外一个缺点是由于它的复杂的结构，需要特殊训练的操作者。另一方面，当象该例一样使用液氮时，由于该设备有制造纯度稳定的非常高纯度的氮气的优点，可以实现按照载荷变化对供给量的适当调整。另外，由于该设备其中没有转动部件，没有由此所引起的故障。

另外，在图3至5中，由膨胀透平52所得到的冷却作为冷冻作用被引入低压精馏塔64，然而这并不是必需的。即，它也可以被供给高压精馏塔54。另外，在图6中液氮被供给高压精馏塔54，这也不是必需的。它可以被供给低压精馏塔64。

Claims (4)

1.一种空气分离方法，包括压缩取自外界的空气，将该压缩空气引入净化装置以除去其中的二氧化碳气和水，低温液化并精馏经过净化装置后的空气，以将该空气分离成氮气和氧气，其特征在于在将压缩空气引入净化装置前，处于由空气被压缩时产生的压缩热加热后温度的压缩空气被通入冷冻器以除去压缩空气中的水分，然后经过冷冻器后的空气与催化剂接触，以氧化空气中的一氧化碳和氢。

2.一种按权利要求1的空气分离方法，其特征是催化剂是一种钯催化剂。

3.一种空气分离设备，包括用于压缩取自外界空气的装置，用于除去经过空气压缩装置后的压缩空气中的二氧化碳气和水的净化装置，和用于低温液化和精馏经过净化装置后的空气成为氮气和氧气的装置，其特征是在空气压缩装置和净化装置之间设置下列装置：

用于冷却处于由空气压缩装置产生的热加热后温度的压缩空气和除去空气中水分的冷冻器，

用于加热由冷冻器除去水分后的空气的加热装置，

用于氧化由加热装置加热的空气中的一氧化碳和氢的催化塔。

4.一种按权利要求3的空气分离设备，其特征是催化剂是一种钯催化剂。

Images