CN86108304A - 分离混合气体的方法以及实施该法的装置 - Google Patents

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Abstract

对于分离混合气体，特别是离解空气，利用分子筛使一台气体压缩机与一台减压涡轮机作传力连接。借助于离开分子筛并通过一个热交换器加热的压缩介质来运转减压涡轮机。为了从保留氧的分子筛中解吸氧可加热上述分子筛，对此将一种在热交换器内作过燃烧的废气吸引过来。在加热保留氧的分子筛时可首先通过一台鼓风机使气流通过回路内的热交换器，接着在用于保留氧的分子筛达到所需解吸温度后就可排出纯氧。

Description

发明涉及到一种分离混合气体的方法，特别适用于离解空气，用该法可将混合气体压缩并导送使之通过一个保留O2的分子筛，用该法还可将离开分子筛的气体成份，特别是氮的导送使之通过一个与气体压缩机传力连接的、可离合的减压涡轮机。
从空气中提取工业用气体，例如氧和氮或氩装置耗费较大而且较贵，还须按通常的融解间距来放置。在约为两周的一段时间内须使带入到低温部分的烃、碳酸以及水迹通过热态运转重新蒸发和排出，因为上述物质由于结冰堵住热交换器通道。
已知替换低温精馏法的是所谓压力变动法。但是这种方法仅在装置很小时才使用，因为它需要较高的能耗。结构较为简单并可取消较长的再生周期这些优点已不足以保证大型工业实施该法所须要的大量的高能消耗。不过用这种压力变动法既不可能制造氩也不能液化气体这种压力变动法借助于分子筛工作，而分子筛则是已知的，该筛可以有选择地保留一个混合气体的单个气体，并在一定条件下再放出来。一种借助于压力交变技术来分离混合气体的方法，例如从西德公开说明书DE-OS3122701可以得知。在这种已知方法中使用多级吸收反应，此时例如可以从焦炉煤气中形成纯氩。
从西德公开说明书DE-OS3319664使得一种用吸收反应来净化混合气体的生产方法成为已知。最后从西德公开说明书DE-OS3307974中有一种从空气中提取氮的方法已成公知，在该法中用保留氧的碳分子筛来工作。
从西德展出说明书DE-AS3150624可知已有一种开始时所述的方法，该法可将氮在压力下导送通过一个膨胀涡轮机，该机则与压缩机的传动装置相连接。已提出的氮的予热在压力下通过压缩空气来形成最高为140℃的升温，而且用这种方式可以回收的压缩机传动能在这里仍是很小的。
发明就以这种已知方法为出发点，用该法总是只能较纯地得到一种产品气体，而且针对降低能耗该法在经济上是有利的，与此同时有可能做到，可以较纯地提取的不仅是一种而至少是两种混合气体的成分。在解决上述任务时，发明是从一种方法出发的，该法则借助一种保留氧的分子筛来工作，并且按照发明所提出的，将离开分子筛的气体成分在导入到减压涡轮机内以前加热到200℃以上的温度，最好是500℃至850℃，此时使至少一个热交换器用热态可燃气体来加热，而热交换器则是对要输入到减压涡轮机内的气体成分作加热用的。开动保留氧的分子筛借助压缩气体来实现，而离开分子筛的气体则是始终处于压缩力之中的。由于该气体的后续膨胀可以通过一台减压涡轮机来回收一部分压缩能，并且可以节省用于这样一种装置的最大耗能器即空气压缩机的传动能。按这种方式全部传动功率仅在加速时才需要，而它仅是其极限功率的一个较小部分，即压缩机与减压涡轮机之间的差示功率是在运转中所使用的。
一般来说保留氧的分子筛均可在-20°至+40℃温度范围内工作。因此可使离开空气压缩机的气体在导入到保留氧的分子筛内以前经受一次冷却。减压涡轮机就能以很高的温度运转，而效率则可通过加热离开保留氧的分子筛的气体来显著提高。因此按照发明采取的措施是，将离开分子筛的气体成分在导入到减压涡轮机以前加热到200℃以上的温度，最好是500℃至850℃。加热要输入到减压涡轮机内的气体成分可通过燃烧燃料来进行。这意味着虽则引进了另一种能量，可是按这种方式创造的先决条件却是为能同时得到不仅是氮而且还有氧的良好纯度。从保留氧的分子筛中解吸氧同样是有利的，所以可采取措施，将分子筛加热到至少为150℃的温度，最好至少为200℃，并且在减压后要防止大气压力被抽成没有压力或是处在负的大气压力之中。加热离开分子筛的气体成分在导入到减压涡轮机内以前可以就借助于燃烧器来进行，有利的是将热态燃烧废气通过至少另一个热交换器来导送，这个热交换器是用于加热一种进行氧解吸的分子筛的加热介质。
在该法范围内有利的是使分子筛不致载有过多的杂质，分子筛应保留氧，而在以后，它的氧在加热后则应再次释放。为此目的对实施该法有利的是在保留O2的分子筛前面，由压缩气体来流过另一个特别是保留H20和CO2的分子筛，该分子筛通过一部分离开减压涡轮机的气体成分，特别是N2，是可以回收的。要是将气体在进入到减压涡轮机内以前加热到500℃至850℃的温度，则由此可以认为在减压涡轮机内的温度下降是在300°至400℃之间。因此有一种较热的产品气体可供使用，这种气体按特别有利的方式可直接用于净化其它分子筛。
按照发明实施该法的装置其特征基本上在于，与一台气体压缩机相联接的是一台减压涡轮机。此时，有利的配置是使用保留O2的分子筛与减压涡轮机相联的管路经过至少一个用燃烧器供气的热交换器，此时最好串联另一个热交换器，将离开减压涡轮机的气体均通过上述热交换器传导。按这种方式可使减压涡轮机的效率大为提高，同时还创造了先决条件，提出一种予热分子筛的热介质，可供从保留氧的分子筛中解吸氧使用。为此设置成，从保留O2的分子筛中解吸氧时，使至少有部分气体在回路中通过一个热交换器，该热交换器则是从用燃烧器供气的热交换器供给燃烧废气的，还设置成，与分子筛相连接的是一个可关闭的减压管路，此时有利于达到解吸氧所需转换作用的做法是通过在保留O2的分子筛上可连接一台鼓风机，而在鼓风机的对面则配置有一个第一旁通阀，该阀在某个位置上使气流经过热交换器回导到分子筛内，而在另一个位置上则使鼓风机与排氧管路相通。因此，在加热保留氧的分子筛时所用的介质没有附加的，只有一种直接在装置内流动的介质，该介质在解吸氧的温度达到要求值以前可以在回路中使用，而在压力平衡后则可抽吸至没有压力或是处于负压之中，此时，这种被抽吸的介质在压力平衡后基本上含有纯氧。为在以后能对吸氧过程作快速重新调整，装置可进一步设置成，将另一个旁通阀配置到加热解吸O2分子筛用的回路中，该阀在某个位置上接通经过用热态燃烧废气供气热交换器的回路，而在另一个位置上则接通经过一个冷却器的回路，此时所用的冷却器可以有选择地接通来使分子筛作冷态运转，接着可将重新压缩的空气在较低的温度下导送通过分子筛。对于作冷态运转分子筛的冷却可用简单的方法来保证，此时将冷却器配置在旁通于连接分子筛与减压涡轮机的管路内。在分子筛达到所需温度后，为了回收氧在鼓风机的对面设置了一个旁通阀，该阀在达到所需温度之前使用回路中的气流，并且用于回收氧则将该阀放置到某个位置上使得鼓风机与排氧管路相通。在上述位置上，第一旁通阀的对面可以连接一台压缩机，以提取并储存按该方式压缩的氧。
借助于按照发明的装置可以用分子筛回收液态压缩氮、热态无压氮，还可以提取氧。加热离开分子筛的压缩氮在导入到减压涡轮机以前导致功率收益的提高并可加热到接近1000℃的温度，因为现代燃气轮机叶片组是处在一种诸如干燥氮的很纯净的流体之中，其含水量早在一个串联的分子筛内除去，引起的腐蚀现象很轻微。使用一个保留氧的筛子和一台用较为纯净的和干燥的氮作热态供气的燃气轮机就能使功率收益大大改善，但此处对于加热氮所规定的极限值给出通过燃气轮机叶片组低于通过热交换器用废气供气管的疲劳强度。在用高炉煤气点火加热时略微超过800℃的温度就已经能够耗尽所用管料的疲劳强度。
可以借助于一个普通热交换器，将从减压氮中回收的余热输送到冷态压缩氮中，上述减压氮是指离开气体减压涡轮机的氮，因此例如用高炉煤气来加热要提升的温度仅仅是该热交换器的温差和气体在涡轮机减压过程中的温度下降。充分利用这些要升温附加的热量，在实际上是以涡轮机效率的方式被转换成机械功率的，而个别较大的由于补充对热态压缩气体加热形成的附加损耗则在于作上述加热时的废气损耗。
耗氧装置，例如气化反应器、环氧吹顶转炉钢厂或部分氧化装置大多具有可燃气体作为附属产品。因此可以直接从耗氧装置引用为开动设备所需的可燃气体，把用设备所制的氧输入到耗氧装置内或使之与所开动的设备连接。特别是在高炉中产生相当大量的高炉煤气，此时没有多大困难就可以使用这种煤气。热交换器漏损时仅使放出废气中或氮中增加氧，因而不致产生附加危险。
下面借助于一个用图表示于附图中的实施例来详述发明。
将滤过的空气输入到压缩机1内，压缩机具有一个流量控制机构2，例如具有一个螺旋导向装置，供调节使用。压缩空气由于压缩处在较高温度中可用一个空气净化器3来冷却，而在以后则首先进到一个第一分子筛4内，筛内保留有水、CO2和烃。接着设置有一个保留氧的分子筛5。从氧广泛逸出的气体成分经过一个旁通阀6进入到一个第一热交换器7内，接着进入另一个用可燃气体供气的热交换器8。将按这种方式加热的干燥压缩氮向一个减压涡轮机9输入，而该涡轮机则通过一个轴10与压缩机1相接合。压缩机的驱动马达标有件号11并有一个传动装置12。驱动马达11的全部传动功率仅对起动设备是必须的。在运行期间驱动马达11引用压缩机1与燃气轮机9之间的差示功率并经计算确定，使具有限定输送率的机组可以加速。一旦一种重要的气体成分通过减压涡轮机9被减压，就由减压涡轮机9通过离合器轴10来提供大部分传动功率。
通过减压再次冷却、但仍处于较高温度水平中的气体在以后通过热交换器7进到一个管路13内，在上述热交换器内冷态压缩气体在热交换器8内加热以前被予热，无压力的氮可以从上述管路引用。一部分这种还较热的、经过大大减压的气体可以使之通过一个混合喷咀14，此时一个要吸入无压力氮用的调节机构15是由一个测温机构16来控制的，可供具有要求温度的再生气体用于再生第一分子筛4，该筛内则保留有水蒸汽，CO2和烃。再生气体管路此时标有件号17并在通过第一分子筛4后通入到一个排放烟囱18中，该烟囱用于因分子筛再生形成的潮湿再生废气。
为了加热压力介质，在进入到减压涡轮机9以前，在热交换器8内通过一个管路19输入可燃气体，此时使这种可燃气体也象输入的燃烧用空气那样是通过热交换器22加热的，上述燃烧用空气则由一台具有相应流量调节机构21，例如一个螺旋导向装置的鼓风机20来输入。予热过的燃烧气体和予热过的燃烧用空气以后经过管路23被输入到热交换器8内的燃烧室，此时使热态燃烧废气通过管路24排出，并且在所示情况下向用来予热燃烧空气的热交换器22供汽。废气通一个烟囱25被排出。
对于再生保留的分子筛5，将一部分从管路24来的这种燃烧废气在通过热交换器22以前经一个调温的截止机构或调节机构26输入到一个热交换器27内。用于调节机构26的测温敏感元件标有件号28，并且处于一个加热分子筛5的循环管路内。为此目的在分子筛5上配置一个管路29和一个带有附属的流量调节机构，例如螺旋导向装置31的鼓风机30，还设置有一个第一多路旁通阀，借助该阀可将来自分子筛5经过鼓风机30引出的气体成份通过一个管路33和一个第二多路旁通阀34输入到热交换器27中。加过热的离开热交换器27的介质可以通过循环管路35回送到分子筛5内，此时分子筛5在这种逐渐加热状态下仍可在压力下或是已在无压力中工作。在此一个使分子筛5没有压力的减压阀36是与一个排放烟囱37相通的。
分子筛5达到要求温度以后可以转换第一旁通阀32，此时在分子筛5减压后可以通过管路38将纯氧排出。接入到管路38内的有一个氧流量调节机构39，做成抽吸节流阀，此时流量测量段标有件号40，以后设置有一台氧气压缩机41，该机具有常用的安全控制装置，特别是具有一个泵极限予防调节器42，由一个终端压力测量计43和一个输送测量段42来控制。上述调节器对一个氧转送阀45起作用，该阀在开启状态使一部分压缩氧通过管路46回送到压缩机41的抽吸侧。按该方式压缩的氧可以储存在一个储存器47内或是直接作为压缩氧通过管路48排出。
利用燃料输送管路19内的高炉煤气，可使热交换器8中的温度达到约为850℃以下而且没有多大腐蚀。
借助于这种线路布置可使热交换器8的为了加热分子筛5以解吸氧的废气再次被利用，此时将该废气在离开热交换器27后通过一个管路49回送到废气烟囱25中。
减压涡轮机9还可装备一个相应的流量调节机构，例如一个螺旋导向装置50。

Claims (11)

1、分离混合气体的方法，特别适用于离解空气，用该法可将混合气体压缩并导送使之通过一个保留O2的分子筛(5)，用该法还可以将离开分子筛(5)的气体成分，特别是氮导送使之通过一个与气体压缩机(1)传力连接的、可离合的减压涡轮机(9)，其特征在于，将离开分子筛(5)的气体成分在导入到减压涡轮机(12)内以前加热到200℃以上的温度，最好是500℃至850℃，此时使至少一个热交换器用热态可燃气体来加热，而热交换器则是用于加热减压涡轮机所导入的气体成分。
2、按照权利要求1的方法，其特征在于，在解吸氧时，将分子筛（5）加热到至少为150℃的温度，最好至少为200℃，并且在减压后要防止大气压力被抽成没有压力或是处在负的大气压力之中。
3、按权利要求1或2的方法，其特征在于，在保留O2的分子筛（5）前面，压缩气体流过另一个特别是保留H20和CO2的分子筛（4），该分子筛通过一部分离开减压涡轮机（9）的气体成分，特别是N2，是可以再生的。
4、按权利要求1、2或3的方法，其特征在于，加热要输入到减压涡轮机（9）内的气体成分可通过燃烧燃料来完成，并且将热态燃烧废气导送通过至少另一个热交换器（27）来加热一种介质，而介质则是加热分子筛（5）作解吸氧用的。
5、实施按权利要求1至4之一方法的装置，其特征在于，与一台气体压缩机（1）相联接的是一台减压涡轮机（9）。
6、按权利要求5的装置，其特征在于，使连接保留O2的分子筛（5）与减压涡轮机（9）的管路通过至少一个用燃烧器供气的热交换器（8），此时最好串联另一个热交换器（7），将离开减压涡轮机（9）的气体均通过上述热交换器进行导送。
7、按权利要求5或6的装置，其特征在于，从保留O2的分子筛（5）中解吸氧时，使至少有部分气体在回路中通过一个热交换器（27），该热交换器则是从用燃烧器供气的热交换器（8）供给燃烧废气的，还有与分子筛（5）相连接的是一个可关闭的减压管路（37）。
8、按权利要求5、6或7之一的装置，其特征在于，在保留O2的分子筛（5）上可连接一台鼓风机（30），而在鼓风机（30）的对面则配置有一个第一旁通阀（32），该阀在某个位置上使气流经过热交换器（27）回导到分子筛（5）内，而在另一个位置上则使鼓风机（30）与排氧管路（48）相通。
9、按权利要求5至8之一的装置，其特征在于，将另一个旁通阀（34）配置到用于加热解吸O2的分子筛（5）的回路中，该阀在某个位置上接通经过用热态燃烧废气供气热交换器（8）的回路，而在另一个位置上则接通一个冷却器的回路。
10、按权利要求9的装置，其特征在于，将冷却器配置在旁通于连接分子筛（5）与减压涡轮机（9）的管路内。
11、按权利要求5至10之一的装置，其特征在于，连接鼓风机（30）和第一旁通阀（32）的是一台压缩机（41）。
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