CN1165283A - 空气分离方法及其设备 - Google Patents

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吉野明
宫本笃
城久尚
末长纯也
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Daido Hoxan Inc
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Abstract

一种空气分离方法，包括将压缩空气引入第二吸附塔5，以通过吸附除去二氧化碳和水，低温液化和精馏经过第二吸附塔5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第二吸附塔5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，被冷却并被引入第一吸附塔4，以吸附并除去压缩空气中的水分，然后经过第一吸附塔4后的空气被引入催化塔9，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，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8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钯基催化剂。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中的氧化反应的温度，即不低于200℃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)。
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带的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出现中毒的情况。在这种情况下，昂贵的催化剂必须在早期更换，这引起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，由于长期免维护而且催化剂不出现早期中毒，从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冷却装置冷却，并被引入吸附装置使得压缩空气中的水份被吸附，然后使经过吸附装置后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却装置，用于吸附处于被冷却装置冷却后温度的空气中水分的吸附装置，用于加热已经过吸附装置的空气的加热装置，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装置。
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一年内中毒的原因，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，在这种被载钯催化剂中由于钯颗粒保持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，氧化铝膨胀使得钯颗粒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，而且落下的钯颗粒变成细粉，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200℃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中毒。进一步进行研究的结果是，他们得到一个结论，在将来自外界的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借助冷却装置冷却以降低温度并被引入吸附装置使得压缩空气中的水分被吸附除掉，随后，使经过吸附装置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被吸附装置除去。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。
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60℃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200℃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不低于200℃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。本发明还通过提供三套能用作除去装置的吸附装置和用于使这些吸附装置再生的装置而包含一种方法，该方法包括按下列顺序重复的三个步骤：第一步为通过第一吸附装置的吸附除去压缩空气中的二氧化碳气体和水分，通过第二吸附装置的吸附除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳气体和水，和通过再生装置再生第三吸附装置；第二步为通过第二吸附装置的吸附除去压缩空气中的二氧化碳气体和水分，通过第三吸附装置的吸附除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳气体和水，和通过再生装置再生第一吸附装置；第三步为通过第三吸附装置的吸附除去压缩空气中的二氧化碳气体和水分，通过第一吸附装置的吸附除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳气和水，和通过再生装置再生第二吸附装置。在该方法中，通过利用吸附与催化剂接触的空气中的二氧化碳气体和水的吸附装置吸附的量比吸附压缩空气中的二氧化碳气体和水分的吸附装置吸附的量少这个事实，可以进行有效的吸附去除和再生。也就是说，通过除去压缩空气中的二氧化碳气和水分已经达到吸附极限的吸附装置，可以被变换到再生过程中，在除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳气和水后，吸附能力还有一定余力的吸附装置，可以被变换到除去压缩空气中的二氧化碳气体和水分的过程中，而且再生后的吸附装置可以被变换到除去二氧化碳气体和水的过程中。进一步而言，由于每个吸附塔和每个催化塔是分开的，吸附剂可以容易地被装填到吸附塔中。另外，吸附塔可以在再生过程中被再生，而不会出现催化塔中催化剂的中毒。最后，在本发明中上述极好的效果甚至可以只用三套吸附塔和一套催化塔来获得，使得成本较低。
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表示本发明的另一个实施方案，
图4表示用于将净化空气分离成氮气、氧气之类的设备，
图5表示图4中的设备的另一种实施方案，
图6表示图4中的设备的另一种实施方案，
图7表示图4中的设备的另一种实施方案，
图8表示一种常规方法。
实施例
图1表示本发明的一个实施方案。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40℃(适合于在吸附塔4至6中吸附除去的温度)，并除去压缩空气中的水分。4、5和6是有相同结构的吸附塔，每个塔装有吸附压缩空气中的水分和二氧化碳气体的吸附剂。作为吸附剂，氧化铝凝胶12装在吸附塔4至6的下部，同时分子筛(合成沸石)13装在其上部。这些吸附塔4至6分别用于被引入催化塔9中之前的吸附过程，从催化塔9排出后的吸附过程和吸附剂12和13的再生过程。第二换热器7由铝制成，其中形成用于经过吸附塔4至6的压缩空气的通道7a和用于经过催化塔9的空气的通道7b，通过分别经过通道7a和通道7b的空气的换热使得经过吸附塔4至6的压缩空气被加热到约55℃，同时经过催化塔9的空气被冷却到约50℃。8是第一加热器，该加热器将由第二换热器7加热的压缩空气进一步加热到约60℃(适合于催化塔9中的氧化反应的温度)。催化塔9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或钯基催化剂。第二冷却器10将由第二换热器7冷却的空气进一步冷却到不高于20℃。第二加热器11将由第一换热器2加热的废气进一步加热到约200℃。
冷却器3和10通过下述管线都与每个吸附塔4至6相连。也就是，通过第一连接管15连接第一冷却器3的出口管3a和第二冷却器10的出口管10a，所述管15中安有两个转换阀15a和15b，同时，与第一吸附塔4的空气入口连接的第一入口管18和有一个转换阀19a的第一空气释放管19，在两个转化阀15a和15b之间的某一位置处分别与第一连接管15岔开。另外，分别从出口管3a和10a上岔开并延伸的每个支管3b和10b，通过有两个转换阀16a和16b的第二连接管16，以及通过有两个转换阀17a和17b的第三连接管17连接。与第二吸附塔5的空气入口和有一个转换阀21a的第二空气释放管21相连的第二入口管20，和与第三吸附塔6的空气入口和有转换阀23a的第三空气释放管23相连的第三入口管22，分别从两个连接管16和17的位于两个转换阀16a和16b之间的一个位置和位于两个转换阀17a和17b之间的一个位置，与第一连接管15同样地岔开。同时，吸附塔4至6的每一个、第二换热器7和净化空气排出管30，通过下述管线连接。也就是说，第二换热器7的入口管7c，通过一个有转换阀24a的第四连接管24，与一个从第一吸附塔4的空气出口伸出的第一出口管4a相连，并且还通过一个有转换阀26a的第五连接管26，与一个从第二吸附塔5的空气出口伸出的第二出口管5a相连，而且还通过一个有转换阀28a的第六连接管28，与一个从第三吸附塔6的空气出口伸出的第三出口管6a相连。另外，净化空气排出管30的始端30a，通过有转换阀25a的第一排出管25，与第一出口管4a的末端4b相连，同时，从净化空气排出管30的始端30a分岔并延伸的支管30b，通过有转换阀27a的第二排出管27，与第二出口管5a的末端5b相连，而且通过有转换阀29a的第三排出管29，与第三出口管6a的末端6b相连。
同时，一个用于由精馏塔提供废气的废气供给管31(只有邻近末端31a的部分被示出)、第二加热器11和吸附塔4至6的每一个，用下述管线连接。也就是说，废气供给管31的末端31a通过一个有转换阀32a的与第一换热器2的通道2b连接的第一供给管32、第一换热器2的通道2b和一个从第一换热器2的通道2b伸出的并连接到第二加热器11的废气入口上的第二供给管33连接到第二加热器11上。而且，从第二加热器11的废气出口伸出的第三供给管34的末端34a，通过有转换阀35a的第四供给管35，与第一出口管4a的末端4b相连，并且还通过有转换阀36a的第五供给管36，与第二出口管5a的末端5b相连，另外还通过有转换阀37a的第六供给管37，与第三出口管6a的末端6b相连。进一步而言，有转换阀38a的连接管38，从第三供给管34岔开，并与废气供给管31的末端31a相连。
在上述设备中，操作是假定第一吸附塔4用于在引入催化塔9之前的吸附过程，第二吸附塔5用于从催化塔9排出后的吸附过程，和第三吸附塔6用于再生过程来描述的。在图2所示的情况下，转换阀15a、16b、23a、24a、27a、32a和37a是打开的(由一个箭头表示开启状态)，转换阀15b、16a、17a、17b、19a、21a、25a、26a、28a、29a、35a、36a和38a是关闭的(由暗黑色阀表示关闭状态)。首先，用第一空气压缩机1从外界抽取原料空气。第二，压缩的由此变热的空气通过第一换热器2与废气换热而被冷却，并且通过第一冷却器3被进一步冷却到约40℃。其次，冷却的压缩空气经过第一连接管15和第一入口管18被加入第一吸附塔4。压缩空气中的水份被第一吸附塔4中的吸附剂12和13吸附除去到ppm级水平。然后，经过第一吸附塔4的空气，经过第一出口管4a、第四连接管24和入口管7c被加入第二换热器7，由此，该空气与经过催化塔9的空气换热以被加热，并被第一加热器8进一步加热到约60℃，然后供给催化塔9。在催化塔9中，该空气中的一氧化碳借助催化剂被氧化以产生二氧化碳，而且氢气由此被氧化以产生水。经过催化塔9的空气被加入第二换热器7，由此该空气与经过第一吸附塔4的压缩空气换热以被冷却，并由第二冷却器10进一步冷却到约10℃，然后经出口管10a支管10b、第二连接管16和第二入口管20供给第二吸附塔5。在第二吸附塔5中，压缩空气中的水分和二氧化碳被吸附剂12和13吸附除去。经过第二吸附塔5的空气通过第二出口管5a、第二排出管27和支管30b被加到净化空气排出管30。加到净化空气排出管30的净化空气，被加到一个低温精馏塔(未示出)中，以被分成氮气(N2)、氧气(O2)、氩气(Ar)之类。另一方面，由精馏塔提供的废气经废气供给管31和第一供给管32供给第一换热器2，在其中废气与来自空气压缩机1的压缩空气换热以被加热。随后，被第一加热器2加热的废气经第二供给管33供给第二加热器11，由此该废气被加热到200℃，并经第三供给管34、第六供给管37和第三出口管6a供给第三吸附塔6。在第三吸附塔6中，吸附剂12和13被暴露到高温废气中以被再生。此后，经过第三吸附塔6的废气经第三入口管22和第三空气释放管23排入空气中。另外，再生后，打开转换阀38a，同时关闭转换阀32a，使废气不被加热而供给第三吸附塔6。靠此，吸附剂12和13在第三吸附塔6中被冷却，可用于下一个吸附过程。
吸附塔4至6通过打开或关闭每个转换阀而自动转换。其转换方式示于下表1中。在表1中，当使用第二吸附塔5作为从催化塔9排出之前的吸附过程时，使用第三吸附塔6作为从催化塔9排出后的吸附过程，并使用第一吸附塔4作为再生过程，转换阀16a、17b、19a、26a、29a、32a和35a打开，同时转换阀15a、15b、16b、17a、21a、23a、24a、25a、27a、28a、36a、37a和38a关闭。同时，当使用第三吸附塔6作为引入催化塔9之前的吸附过程时，使用第一吸附塔4作为从催化塔9排出后的吸附过程，并使用第二吸附塔5作为再生过程，转换阀15b、17a、21a、25a、28a、32a和36a打开，同时转换阀15a、16a、16b、17b、19a、23a、24a、26a、27a、29a、35a、37a和38a关闭。按照上述步骤，4至6之中的一个吸附塔，其吸附能力由于用作引入催化塔9之前的吸附过程已达到极限，被用作再生过程，同时4至6之中的一个吸附塔，由于用作从催化塔9排出后的吸附过程，该塔有吸附余力，被用作引入催化塔9之前的吸附过程。4至6之中的再生后的吸附塔被用作从催化塔9排出后的吸附过程。因此，甚至只用三个吸附塔4至6可以进行有效的吸附和再生。
                        表1
  用法     定时转换
  引入催化塔前的吸附过程     4  5  6  4  …
  从催化塔排出后的吸附过程     5  6  4  5  …
  再生过程     6  4  5  6  …
这样，在上述装置中，由于压缩空气中的水分在引入催化塔9之前被吸附塔4至6完全吸附除掉，吸附剂几乎不能在进入吸附剂表面时被水分膨胀。为此原因，在其表面成型的被载带的钯颗粒之类不会脱皮、落下等。另外，如上所述，由于压缩空气中的几乎全部水分被吸附除掉，被加入催化塔9中的压缩空气的温度可被设置得较低。这样可以防止催化剂性能方面的早期中毒和细颗粒在催化塔9的下部的早期沉积，结果是可长时期免于维护和总成本较低。另外，如上所述，用于引入催化塔9之前的吸附过程中的吸附塔4至6中的第一个达到其吸附性能的极限，被转用于再生过程，用于从催化塔排出后的吸附过程中的其余吸附塔4至6中的第二个保留有吸附余力，被转用于引入催化塔9中之前的吸附过程，被再生过程再生的剩下的吸附塔4、5或6被转用于从催化塔9排出后的吸附过程。这样，有吸附余力的一个吸附塔4、5或6被有效地利用，使得甚至只用三个吸附塔4至6就可得到有效的吸附去除和再生。作为本例的一个相似方式，所设计的方案是在相同的塔中经过每个不锈钢制的筛网水平堆积一个下部的吸附部分、一个催化部分和一个上部的吸附部分，靠此，压缩空气在经过催化部分之前先经过吸附部分。在这种方式中，两套上述塔是并置的，其中一个容器用于吸附过程，同时另一个用于再生。然而，每部分应当用不锈钢制的筛网分隔开，这使得填充吸附剂、催化剂之类复杂化。另外，当废气含有不低于35～40％的氧气时，如果催化剂在再生过程中被废气加热，存在由氧化引起的催化剂中毒问题。进一步而言，另一个存在的问题是时间延长和吸附所需能量增加。况且，需要四套吸附部分和两套催化部分，导致高的成本。另一方面，由于在该例中吸附塔4至6和催化塔9是分开的，容易填充吸附剂12和13到吸附塔4至6中。另外，由于废气仅在再生过程中经过吸附塔4至6，催化塔9中的催化剂不会在再生过程中中毒。进一步而言，上述极好的效果可以只用三套吸附塔4至6和一套催化塔9以低成本得到。
图3表明本发明的另一个实施方案。在该例中，考虑到供给催化塔9的空气应当一直被加热，然而，另一方面，用于再生的废气只需要暂时的加热而且加到催化塔9中的压缩空气不需要那样多的热，供给催化塔9的空气被设计成仅由第一换热器41加热，而且上例中的第一加热器8被省掉。在该图中，41表示散热片式(或壳管式)第一换热器。第一换热器41包含一个用于取自空气压缩机1的压缩空气的通道41a和一个用于经过每个吸附塔4至6的空气的通道41b，其中通过经41a的空气和经41b的空气之间的换热，经过空气压缩机1的空气被冷却到约85℃，同时经过每个吸附塔4至6的空气被加热到约60℃。第二换热器42包含一个用于经过催化塔9的空气的通道42a，和一个用于由废气供给通道31提供的废气的通道42b，其中通过经42a的空气和经42b的废气之间的换热，经过催化塔9的空气被冷却到约25℃，而且废气被加热到约50℃。加热器43将由第二换热器42加热的废气进一步加热到约200℃。在该图中，41c表示第一换热器41的一个入口管，该管相当于图1中的入口管7c。除了上述以外，本例与上例相似，而且相似的元件采用相同的标号。
在该设备中，在一种情况中所述的操作为第一吸附塔4用于引入催化塔9中前的吸附过程，第二吸附塔5用于从催化塔9排出后的吸附过程，而且第三吸附塔6用于再生过程。在这种情况下，转换阀的开闭与上例相同。首先，原料空气由空气压缩机1从外界抽取，压缩空气通过第一换热器41与经过吸附塔4的空气换热而被冷却，然后通过第一冷却器3被进一步冷却到约40℃。紧接着，冷却后的压缩空气经过第一连接管15和第一入口管18被供给第一吸附塔4。在第一吸附塔4中，压缩空气中的水分被吸附下降到ppm数量级。然后，经过第一吸附塔4的空气经过第一出口管4a、第4连接管24和一个入口管41c被供给第一换热器41，在其中，该空气通过与来自空气压缩机1的空气换热而被加热到约60℃，然后被供给催化塔9。在催化塔9中，空气中的一氧化碳和氢气被氧化以生成二氧化碳气和水。紧接着，经过催化塔9的空气被加入第二换热器42，在其中，该空气与废气换热以使其被第二冷却器10冷却到约10℃，然后经一个出口管10a、一个支管10b、一个第二连接管16和一个第二入口管20被供给第二吸附塔5。在第二吸附塔5中，空气中的水分和二氧化碳气被吸附除掉。经第二吸附塔5的空气经过第二出口管5a、第二排出管27和支管30b，被通入净化空气排出管30。同时，由一个精馏塔提供的废气经一个废气供给管31和第一供给管32被供给第二换热器42，在其中，该废气与经催化塔9的空气换热以被加热。然后，由第二换热器42加热的废气经第二供给管33供给一个加热器43，靠此，废气被加热到200℃，而且废气经第三供给管34、第六供给管37和第三排出管6a被供给第三吸附塔6。在第三吸附塔6中，吸附剂12和13被再生。此后，经过第三吸附塔6的废气经过第三排出管22和第三空气释放管23以被释放到外部。
在本例中，每个吸附塔4至6还通过与上例相同地开或关每个转换阀而自动切换。转换方式与上例的相同。在本例中，得到与上例相同的效果，另外，有一个优点是图1中的第一加热器8可被省掉。
图4是设备的示意流程图，其中由上面的每个例子净化的净化空气(压缩空气)被分离成氮气和氧气。在该图中，51表示一个主换热器，由此，净化空气从净化空气排出管30(参照图1)加入，并通过换热将其冷却到冷冻温度。30c表示一个从净化空气排出管30分出的支管，靠此，经过净化空气排出管30的压缩空气的一部分经过主换热器51并被加入一个膨胀透平52。53a表示第一冷冻剂供给管，用于将由膨胀透平52得到的冷冻剂加入主换热器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加入低温加压精馏塔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底部上升以为冷却的压缩空气逆流接触。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，即由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(N2：30～35％，O2：63～68％)的冷冻液体，该液体聚积在其底部。加入冷凝器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被加入高压精馏塔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的底部的冷凝器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)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，在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，用于被液态空气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，用于被低温冷却，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5表示将净化空气分成氮气和氧气的另一个实施方案。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6表示用于将净化空气分离成氮气和氧气的设备的另一个实施方案。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，并进一步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，聚积在主冷凝器58底部的液态空气61，经过一个由膨胀阀(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4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4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4的更高的氮气。
图7表示用于将净化空气分离成氮气和氧气的设备的另一个实施方案。在该方案中，液氮被用作代替图4至6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4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4的相同的效果。另外，在使用图4至6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4至6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7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 (7)

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，和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冷却装置冷却，并被引入吸附装置以吸附压缩空气中的水，然后经过吸附装置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。
3.一种按权利要求1的空气分离方法，其特征是吸附手段是使用至少为活性铝土和分子筛中的分子筛。
4.一种按权利要求1的空气分离方法，其特征是设置三套能用作净化装置的吸附装置和设置用于再生这些吸附装置的装置，包括重复按下述顺序的三个步骤：
第一步为通过第一吸附装置的吸附除去压缩空气中的二氧化碳气和水分，通过第二吸附装置的吸附除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳气和水，并通过再生装置使第三吸附装置再生；
第二步骤为通过第二吸附装置的吸附除去压缩空气中的二氧化碳气和水分，通过第三吸附装置的吸附除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳和水，并通过再生装置使第一吸附装置再生；
第三步骤为通过第三吸附装置的吸附除去压缩空气中的二氧化碳气和水分，通过第一吸附装置的吸附除去与催化剂接触的空气中的二氧化碳气和水，并通过再生装置使第二吸附装置再生。
5.一种空气分离设备，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，和用于低温液化且分离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的冷却装置，
用于吸附处于由冷却装置冷却后温度的水分的吸附装置，
用于加热由吸附装置的吸附净化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装置。
6.一种按权利要求5的空气分离设备，其特征是催化剂是一种钯催化剂。
7.一种按权利要求5的空气分离设备，其特征是吸附手段至少是活性铝土和分子筛中的分子筛。
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