用于在低于环境温度下分离气态混合物的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于在低于环境温度下分离气态混合物的方法和装置
[0001 ] 本发明涉及用于在低于环境温度下或甚至在低温(cryogenic temperature)下分离气态混合物(例如空气)的方法和装置。
[0002]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。
[0003]如果在超临界压力下将液体加压，伪蒸发(pseudo-vaporizat1n)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-condensat 1n)取代冷凝。在下文中，术语“7令凝”还包括伪冷凝。
[0004]本文中给出的关于纯度的百分比都是摩尔百分比。
[0005]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。
[0006]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，? )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。
[0007]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Lebouc 2005Techniques de I' Ingenieur [Engineering techniques]白勺题为 uRefrigerat1n magnetique[Magneticrefrigerat1n]，，的文章中。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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栗。
[0011]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栗提供，其热源直接或间接地与其蒸发的液体交换热量。
[0012]根据本发明的其他任选主题:
[0013]-所述热栗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；
[0014]-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；
[0015]-所述分离通过蒸馏进行，且所述系统包括至少一个蒸馏塔；
[0016]-使得可参与或可不参与分离的流体与热栗的磁热材料直接接触；
[0017]-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，所述传热流体与热栗的磁热材料接触；
[0018]-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栗的磁热材料接触；
[0019]-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，将热量传送至热栗的冷源；
[0020]-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，将热量传送至热栗的冷源。
[0021]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栗、和允许热栗的热源与蒸发的液体直接或间接地交换热量的设施。
[0022]所述装置可包括
[0023]-允许在热栗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；
[0024]-用于取出液体的设施，所述液体包含至少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]-所述分离通过蒸馏进行，且所述系统包括至少一个蒸馏塔；
[0026]-用于放置流体的设施，所述流体可参与或可不参与分离，与热栗的磁热材料直接接触；
[0027]-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，所述传热流体与热栗的磁热材料接触；
[0028]-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栗的磁热材料接触；
[0029]-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栗的冷源的设施；
[0030]-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；
[0031]-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栗的冷源的设备；
[0032]热栗是热力学装置，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。
[0033]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。
[0034]标题为"TECHNIQUESDE L' INGENIEUR-Refrigerat1n magnetique"[Engineering techniques-Magnetic refrigerat1n]2005〃的文件的图12显不，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。
[0035]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。
[0036]“低于环境温度”是指比环境温度低至少10°C。
[0037]低温为低于-50 Γ。
[0038]参照附图1-8更详细地描述本发明。
[0039]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。
[0040]空气I在压缩机3中被压缩至5.5bara的压力。
[0041]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。
[0042]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°C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栗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尚。
[0043]通过在热栗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。
[0044]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。
[0045]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。
[0046]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