用于纯化、冷却和分离气体混合物的方法及相关设备与流程

这个问题对于空气分离专家是特别熟知的，因为常规地将待蒸馏的空气在热交换器中冷却并且在空气中含有的水和二氧化碳沉积在第一热交换器的通道的壁上。在这些通道阻塞之前，将该空气送到另一个热交换器以便被冷却，而该第一热交换器通过使氮气在这些通道中穿过再加热以便熔化然后蒸发水并去除二氧化碳。

这些系统在几十年前已经被抛弃以便被在热交换器上游的纯化代替。在这种已经变得常见的策略中，空气通过在前端纯化中的吸附过程被干燥和脱二氧化碳并且然后冷却。

本发明的一个目的是提出一种对于用于纯化和冷却、或甚至液化气体混合物的常规策略的替代方案。

本发明的一个目的是提出一种对于用于在低温下操作的空气分离单元和其他分离和/或液化单元的常规纯化策略的替代方案。在这些液化单元中，可以提及的是空气液化单元(例如，用于储存能量，用于液化通过分离空气产生的气体(例如氮气)的单元，和用于液化天然气的单元。分离单元的其他实例包括例如用于在低于环境温度下分离二氧化碳的混合物的单元，该混合物含有至少30％的二氧化碳以及还有氢气和/或甲烷和/或氧气和/或一氧化碳。这些分离单元还可以是用于深冷分离氢气和/或一氧化碳和/或氮气和/或甲烷的混合物的单元，该混合物含有至少10mol％的这些组分中的至少一种。

新的表面处理技术的研究使得有可能设想直接在主交换器中将空气干燥和/或脱二氧化碳，其方式为使得冷凝然后冷冻的水和/或冷冻的CO₂具有降低的粘附性或甚至使得它们不再粘附在该交换器的壁上并且因此使得堵塞增加直至在该交换器的空气侧的通道被阻塞。

已知的是处理表面或用与气体混合物的低温分离非常不同的领域中的涂层覆盖它们，特别是降低、或甚至防止冰或霜在暴露于大气元件(如飞机、风力涡轮机和架线塔)的金属表面上的粘附。这些表面也可能，在某些情况下，降低形成的冰的量。

大量的表面处理使得有可能降低冰的粘附。这些是被称为“被动防冰处理”的处理，其通常是基于硅酮或氟碳聚合物(非详尽的清单)，如在US-A-2013/0305748中描述的。

例如聚四氟乙烯，PTFE，还以名称特氟隆已知，由于低表面张力允许冰的弱粘附，如在M.G.Ferrick、N.D.Mulherin、B.A.Coutermarsh、G.D.Durell、L.A.Curtis、T.L.St.Clair、E.S.Weiser、R.J.Cano、T.M.Smith、C.G.Stevenson和E.C.Martinez，粘附科学与技术杂志(Journal of Adhesion Science and Technology)，26(2012年)473中描述的。基于聚硅氧烷的R2180涂层也使得有可能显著降低冰的粘附。

使用基于(DLC或“类金刚石碳”)无定形碳的另一种涂层已经获得了类似的结果，如在US-A-8524318中描述的。使得有可能限制冰对铝合金的粘附的涂层的其他实例是由Menini等人，寒冷地区科学与技术(Cold Regions Science and Technology)，65(2011年)65报道的。

在大多数情况下，这些处理增加表面的疏水性，这使得有可能增加水在这些表面上的接触角并且因此降低水与表面之间的相互作用。因此，使得有可能降低冰的粘附的表面通常是疏水的或超疏水的，如在L.Foroughi Mobarakeh、R.Jafari和M.Farzaneh，应用表面科学(Applied Surface Science)，284(2013年)459中描述的。

还有可能使用包括疏水性和亲水性区域二者的不均匀表面降低冰的粘附，如在WO-A-05075112中描述的。在这种情况下，处理使得有可能适当地控制水结晶区域，这在气体或液体冲洗的帮助下促进消除冰。

另一种类型的表面使得有可能降低冰的粘附，这些是润滑的表面。该表面浸渍有润滑剂，该润滑剂可以基于氟碳化合物如或基于硅油，如在WO-A-2012/100100和US-A-2006/0281861中描述的。

使用这样的表面，冰与润滑剂即液相接触，从而粘附力是非常弱的。该润滑剂还具有另一个优点，它使得有可能改进表面的耐腐蚀性。

在到目前为止列举的实例中，表面涂层使得有可能降低冰的粘附。在本发明的上下文中可以证明有利的另一种类型的表面是使得有可能减慢冰的形成的被称为“主动防冰涂层”的涂层。

已知的是有可能使用盐或乙二醇型化合物降低冰形成温度。事实上当聚合物型化合物，通常吸湿性聚合物，接枝到表面上时类似的现象可以发生。

这种类型的涂层可降低冰形成温度并减少形成的冰的量。在此方面最著名的涂层是由具有类似效果的蛋白质的结构启发的乙二醇类型(US-A-2010/0086789)但防霜涂层，如在L.Makkonen，粘附科学与技术杂志，26(2012年)413中描述的。

最后，某些处理使得有可能结合两种效果：改变霜的类型和减少它的粘附，如由J.Chen、R.Dou、D.Cui、Q.Zhang、Y.Zhang、F.Xu、X.Zhou、J.Wang、Y.Song和L.Jiang，ACS应用材料和界面(Applied Materials and Interfaces)，5(2013年)4026描述的。对于包括吸湿聚合物基质(例如基于聚丙烯酸)的微结构化的表面，情况是这样。这些表面使得有可能容易地消除形成的冰并且具有使用水作为润滑剂的优点，因此该表面在空气中含有的湿气的帮助下是自提供有润滑剂的。

还已知的是通过加热例如借助焦耳效应或气动脉动系统限制或者甚至防止霜的形成。

还存在使用具有足够流量的气体流或者机械能和/或电能的输入的技术，其可以与涂层和/或处理结合以便容易地分离杂质，这些杂质的粘附已经被降低。

本领域的技术人员，其是在低温纯化和冷却或分离或液化方法方面的专家，没有跟上关于用于限制、或甚至防止冰在表面上的形成和/或粘附的表面处理和涂层的发展。本发明的一部分来自于以下认识：这些技术可以被应用到冷却和纯化领域，例如在低温下分离或液化(例如蒸馏)或另一种在低温下操作的方法的上游使用的。

GB-A-917286描述了一种低温分离方法，其中含有二氧化碳的气体由两个交换器轮流地冷却，每个交换器允许仅两种流体之间的热交换并且每个交换器包括被设计为避免二氧化碳的沉积的区域。

在这种情况下，因为旨在在第一周期期间冷却待分离的气体的通道还用于在第二周期期间再加热经分离的气体，必要的是在交换器中提供相同数目的通道和相同类型的翅片以便在两个操作周期期间获得对称的操作。

来自GB-A-917286的热交换器不可避免地由至少两个交换主体组成并且不能是单块的主体。

取决于待分离的气体混合物，低温分离在最多0℃、或甚至在至少-50℃、或甚至在至少-100℃下发生。

“热端”是被发现在最高平均温度下操作的热交换器的部分。“冷端”是被发现在最低平均温度下操作的热交换器的部分。

热交换器是能够进行热交换的单个交换主体或多个交换主体。

待冷却的气体混合物在交换器的热端进入并且通常在冷端离开该交换器。

通常，将热交换器安装为使得发现它的热端朝向顶部并且它的冷端朝向底部。在某些情况下，如后面描述的，本发明可能需要将热端置于底部并且将冷端置于顶部。

该热交换器通常被置于绝热的冷箱内部。在该冷箱中还可以发现分离设备的其他元件，例如蒸馏柱。

关于纯化含有水和CO₂的气体的结论是通过冷凝/固化来纯化气体比吸附更加能量有效。它还使得有可能消除或降低根据现有技术使用的设备(例如用于通过吸附来纯化的设备)的尺寸。如果该纯化是在大气压下进行，则这具有特别的优点，因为在交换器的出口处更冷，CO₂，和特别是次要杂质的一部分，被甚至更好地阻止，这使得有可能简化、或甚至消除下游纯化和/或简化某些下游器材(例如，蒸发器)的设计和/或操作。

根据本发明的一个主题，提供了一种用于冷却、纯化和分离含有至少一种杂质的气体混合物的方法，其中该含有至少一种杂质的气体混合物被冷却至以下温度，该温度低于或等于该至少一种杂质在热交换器中固化的温度，该热交换器包括至少一个具有冷却通道的交换主体，这些冷却通道被设计为降低该固化的杂质在这些通道的表面上的粘附，收集离开该热交换器的冷却通道和/或在该热交换器的中间水平处的该固化的杂质的至少一部分并且从该热交换器、优选在冷端排出该气体混合物(任选地至少部分液化的)，该气体混合物任选地再次冷却并且将该气体混合物送到柱系统以便通过在低温、或甚至深冷温度下蒸馏进行分离，以便产生两种流体，这两种流体各自富含该气体混合物的一种组分，其特征在于这些冷却通道至少部分地被涂层覆盖和/或进行物理处理和/或进行化学处理，该涂层和/或该处理用于限制、或甚至防止在这些通道的表面上的该固化的杂质的形成和/或粘附，并且其特征在于

i)在进行蒸馏分离的基本上整个时间期间，该气体混合物在具有冷却通道(被设计为降低该固化的杂质在这些通道的表面上的粘附)的每个交换主体中冷却，和/或

ii)这两种流体，各自富含该混合物的一种组分，在具有冷却通道的每个交换主体中再加热，这些冷却通道被设计为降低该固化的杂质在这些通道的表面上的粘附。

根据其他任选的方面：

-排出的该气体混合物含有该固化的杂质的至少一部分，

-该气体混合物包含至少一种组分、优选主要组分，该组分在该热交换器中是未固化的并且任选地未液化的，

-该气体混合物包含至少两种组分、优选主要组分，这些组分在该热交换器中是未固化的并且任选地未液化的，

-杂质是占该气体混合物的不超过10mol％或5mol％或甚至1mol％、或甚至0.1mol％、或甚至0.01mol％的组分，

-该气体混合物在该热交换器上游被纯化以便去除该至少一种杂质的至少一部分，这个部分占在该方法上游的该气体混合物中包含的该杂质的在20％与95％之间，

-该气体混合物不在该热交换器上游被纯化以便去除该至少一种杂质的至少一部分，

-借助于相分离器和/或蜗杆在该热交换器的下游收集该固化的杂质的至少一部分，

-这些冷却通道被至少部分地物理地改变，该处理用于限制、或甚至防止在这些通道的表面上的该固化的杂质的形成和/或粘附，

-该经冷却的气体混合物在该热交换器的下游和/或在该热交换器的至少一个中间水平进行处理，以便消除呈气态和/或液体和/或固体形式的杂质，

-该经冷却的气体混合物仅在该热交换器的下游并且不在该热交换器的至少一个中间水平进行处理，以便消除呈气态和/或液体和/或固体形式的杂质，

-该经冷却的气体混合物仅在该热交换器的至少一个中间水平并且不在该热交换器的下游进行处理，以便消除呈气态和/或液体和/或固体形式的杂质，

-该气体混合物在该热交换器中首先被冷却到以下温度，该温度低于或等于该至少一种杂质的液化温度但高于其固化温度，将该气体混合物从该交换器中取出以便消除该杂质的呈液体形式的一部分并且将含有某种杂质的该气体混合物送回该热交换器以便将其冷却至这种杂质的固化温度，

-存在于该热交换器的入口(被称为热端)处的该杂质的至少20％、至少50％、或甚至至少70％、或甚至至少90％通过在冷却后以固体和/或液体形式在该热交换器的至少一个中间点处进行收集而被消除，

-存在于该热交换器的入口(被称为热端)处的该杂质的最多80％、最多50％、或甚至最多30％、或甚至最多10％通过在冷却后以固体和/或液体形式在该热交换器的至少一个中间点处进行收集而被消除，

-存在于该热交换器的入口(被称为热端)处的该杂质的至少50％、或甚至至少70％、或甚至至少90％、或甚至至少99％、或甚至至少99.9％、或甚至至少99.99％通过在直到该交换器的冷端处的出口冷却后在该热交换器的下游进行收集而被消除，

-存在于该热交换器的入口(被称为热端)处的该杂质的最多50％、或甚至最多30％、或甚至最多10％、或甚至最多1％、或甚至最多0.1％、或甚至最多0.01％通过在直到该交换器的冷端处的出口冷却后在该热交换器的下游进行收集而被消除，

-存在于该热交换器的入口(被称为热端)的上游的该杂质的至少20％、至少50％、或甚至至少70％、或甚至至少90％、或甚至至少99％被消除，

-存在于该热交换器的入口(被称为热端)的上游的该杂质的最多80％、最多50％、或甚至最多30％、或甚至最多10％、或甚至最多1％被消除，

-该热交换器的热端被置于比冷端更高的水平处，

-在倒U形交换器的情况下该热交换器的热端被置于比该交换器的冷端或中间水平更低的水平处，并且存在于该待冷却的气体混合物中的杂质(例如水)的至少50％在该热交换器的入口(被称为热端)通过在该交换器的热端处以固体或液体形式进行收集而被消除，在该热端处在该热交换器中冷却后该杂质通过重力滴落(因为其对壁的粘附是有限的)，

-在倒U形交换器的情况下该热交换器的热端被置于与冷端相同的水平处，

-该气体混合物是空气或具有氢气和/或一氧化碳和/或甲烷作为主要组分并且该至少一种杂质是水和/或二氧化碳的混合物，或具有二氧化碳和任选地氢气和/或一氧化碳和/或甲烷和/或氧气和/或氮气和/或氩气作为主要组分并且该至少一种杂质是水的混合物，

-这些冷却通道的至少一个表面已经被处理以使其更粗糙和/或使其润滑和/或使其亲水和/或疏水和/或吸水和/或吸湿，以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附，

-该热交换器可包括通道，这些通道的至少一个区段具有处理和/或涂层和/或几何形状和/或，在板翅式交换器的情况下，翅片类型，其不同于必须在更低的温度范围内操作的另一个区段的处理和/或涂层和/或几何形状和/或，在板翅式交换器的情况下，翅片类型，

-该热交换器可包括通道，这些通道的至少一个区段具有处理和/或涂层和/或几何形状和/或，在板翅式交换器的情况下，翅片类型，其不同于在中间点的下游发现的用于排出固化的杂质的另一个区段处理和/或涂层和/或几何形状和/或，在板翅式交换器的情况下，翅片类型，

-该气体混合物通过如上所述的方法纯化并冷却，任选地再次冷却并且被送至柱系统中以便通过在低温、或甚至深冷温度下蒸馏分离，以便产生富含该气体混合物的一种组分的至少一种流体，

-富含该气体混合物的一种组分的该流体在该热交换器中在再加热通道中再加热，

-该热交换器包括至少一个用于再加热流体的通道，该至少一个再加热通道尚未被处理或涂覆以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附，

-离开该热交换器的冷却通道的该固化的杂质的至少一部分被送回该热交换器以便被再加热，

-该固化的杂质的至少一部分在该热交换器中被再加热之前与另一种气体混合，

-固化的杂质被送至的该至少一个再加热通道已经被处理或涂覆以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附，

-收集离开该热交换器的冷却通道的和/或在该热交换器的中间水平处的该固化的杂质的至少一部分并且该气体混合物发现自身被液化或通过在该交换器的下游的后续步骤被液化和/或在该交换器的下游在低于环境温度下被分离，任选地在该交换器的下游在此低于环境温度下将被固化的剩余杂质的消除之后，

-千卡被供应给在该热交换器的至少一个中间点处冷却的该气体混合物，

-千卡被供应给在该热交换器的至少一个中间点处(优选在该热交换器的中间水平处的用于排出该固化的或液化的杂质的至少一部分的点的下游或上游)冷却的该气体混合物，

-千卡被供应给处于-5℃与5℃之间的温度下的该气体混合物，

-千卡被供应给处于-20℃与-30℃之间的温度下的该气体混合物，

-通过将该气体混合物的至少一部分从该热交换器中取出并通过将它冷却来将千卡供应给该气体混合物，

-借助于被送到该热交换器的中间水平的制冷剂流体将千卡供应给该气体混合物，

-将该气体混合物在该热交换器中连续地冷却，

-将该气体混合物在该热交换器中间断地冷却，

-该热交换器直到冷端将该气体混合物冷却至低于0℃、或甚至低于-50℃、或甚至低于-100℃的温度，

-该气体混合物是处于大气压或高于大气压的压力下，

-该热交换器仅包括单个交换主体并且是单块的交换器，

-该热交换器包括至少两个交换主体，

-该气体混合物在冷却通道中冷却，这些冷却通道的数目不等于连接到用于输送第一气体的器件的再加热通道的数目，

-该气体混合物在冷却通道中冷却，这些冷却通道的数目不等于连接到用于输送第二气体的器件的再加热通道的数目，

以上特征的每一个可与以上其他的每一个组合，除了在明显不相容的情况下。

如果该热交换器的通道被处理以便限制杂质的沉积但没有完全防止它，则将必要的是去除在这些通道中形成的固体，例如通过加热和/或通过以足够的流速(其标称流速或更高的流速)和/或以相对于在冷却期间使用的流速和/或压力的高压使该气体混合物通过或通过机械手段，例如通过气体混合物流速的变化或气体混合物流速的脉冲，亦或直接施加到交换器的振动。

根据本发明的一个主题，提供了一种用于冷却和纯化含有至少一种杂质的气体混合物的设备，该设备包括：具有用于冷却该气体混合物的通道和用于再加热气体的通道的热交换器；用于传送有待在该热交换器中被冷却到以下温度的包含至少一种杂质的该气体混合物的器件，该温度低于或等于该至少一种杂质固化的温度；和用于从该热交换器、优选在冷端排出任选地至少部分液化的气体混合物的器件；和用于收集离开该热交换器的冷却通道和/或在该热交换器的中间水平处的该固化的杂质的至少一部分的器件和用于将该至少一种杂质的气体混合物从该热交换器中取出的器件，其特征在于，这些冷却通道至少部分地被涂层覆盖和/或进行物理处理和/或进行化学处理，该涂层和/或该处理用于限制、或甚至防止在这些通道的表面上的该固化的杂质的形成和/或粘附，并且其特征在于，该设备包括连接到用于收集该固化的杂质的至少一部分的器件的单一热交换器，这种热交换器是单块热交换器。

根据其他任选的方面：

-该设备包括用于第一气体的再加热通道和用于第二气体的再加热通道，

-该设备包括用于在该热交换器的上游纯化该气体混合物以便去除该至少一种杂质的至少一部分的器件，

-用于在该热交换器的下游收集该固化的杂质的至少一部分的器件由相分离器和/或蜗杆构成，

-该热交换器由至少一个板翅式交换器构成，

-该热交换器由至少两个由铝制成或由铜制成或由钛制成的板翅式交换器构成，

-该热交换器由至少一个盘管式交换器构成，

-该热交换器由至少一个壳管式交换器构成，

-该设备包括用于处理在该热交换器的下游和/或在该热交换器的至少一个中间水平处的该经冷却的气体混合物以便消除呈气态和/或液体和/或固体形式的杂质的器件，

-该热交换器的热端被置于比冷端更高的水平处，

-在倒U形交换器的情况下该热交换器的热端被置于比该交换器的冷端或中间水平更低的水平处，并且存在于该待冷却的气体混合物中的杂质(例如水)的至少50％在该热交换器的入口(被称为热端)通过在该交换器的热端处以固体或液体形式进行收集而被消除，在该热端处在该热交换器中冷却后该杂质通过重力滴落，

-这些冷却通道的至少一个表面已经被处理以使其更粗糙和/或使其润滑和/或具有为疏水和/或超疏水的和/或具有疏水和亲水、和/或吸湿区域的表面，以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附，

-通道的表面可以用或可以不用润滑剂浸渍，

-该交换器包括至少一个用于再加热流体的通道并且该至少一个再加热通道的至少一个表面已经被处理以使其更粗糙和/或使其润滑和/或使其亲水和/或疏水和/或吸水和/或吸湿，以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于通过在低温、或甚至深冷温度下蒸馏来分离的设备，该设备包括如上所述的冷却和纯化设备以及还有柱系统和用于将通过该冷却和纯化设备纯化的并且冷却的气体混合物传送至该柱系统的器件。

该分离设备可以不包括用于在该冷却和纯化设备的下游冷却该气体混合物的器件。

该设备可以包括用于传送有待在该热交换器中在再加热通道中再加热的富含该气体混合物的一种组分的流体的器件。

根据其他任选的特征：

-该热交换器包括至少一个用于再加热流体的通道，该至少一个再加热通道尚未被处理或涂覆以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附，

-该设备包括用于将离开该热交换器的冷却通道的该固化的杂质的至少一部分传送到该热交换器以便被再加热的器件，

-用于使该固化的杂质的至少一部分在该热交换器中再加热之前与另一种气体混合的器件，

-固化的杂质被送至的该至少一个再加热通道已经被处理或涂覆以便限制、或甚至防止固化的杂质(例如冰)的形成和/或粘附。

该分离和纯化设备可以包括用于将千卡供应给在该热交换器的至少一个中间点处冷却的该气体混合物的器件。

该分离和纯化设备可以包括用于将千卡供应给在该热交换器的至少一个中间点处(优选在该热交换器的中间水平处的用于排出该固化的或液化的杂质的至少一部分的点的下游和/或上游)冷却的该气体混合物的器件。

该分离和纯化设备可以包括用于通过将该气体混合物的至少一部分从该热交换器中取出将千卡供应给该气体混合物的器件。

该分离和纯化设备可以包括用于借助于被送到该热交换器的中间水平的制冷剂流体将千卡供应给该气体混合物的器件。

在通过液化和冷凝分离杂质的所有策略中，问题是经由主交换器外部的装置(例如，热泵，制冷单元)通过能量输入(在此制冷补充(refrigeration make-up))来补偿各成分的相变焓。

如果没有进行制冷补充，则交换图在冷端分开，如图11中可见。

在来自图11的曲线中，观察到通过水(在1.4巴下潮湿的空气)的冷凝然后固化造成的弯曲。图12是通过足够的制冷补充“补偿”的曲线图。

图12的情况是结合CO₂的固化的水的冷凝然后固化的模拟。

将参照示意性地表示根据本发明的方法的图1至10更详细地说明本发明。

在此详述的是可以应用本发明的概念的流程图。它们是单柱、低压空气分离单元的简图。它们可以被调换至其他分离和/或液化方法，例如如以上所解释的用于H₂/CO混合物的深冷分离方法。

在图1中表示的是用于使用钎焊的铝板翅式热交换器3和单蒸馏柱27通过深冷蒸馏分离空气的方法。此方法使得能够生产富氧液体43、富氧气体45和富氮气体47。钎焊的铝板翅式热交换器的使用不是必须的。此交换器可以使用其他技术并且可以例如是盘管式交换器或壳管式交换器。

待分离的空气1含有水和二氧化碳，其必须在蒸馏的上游被纯化。在通过过滤器F过滤和在压缩机C中压缩之后，压缩的空气1进入由单个交换主体构成的并且被称为“交换线路”的热交换器3，而不穿过常规地存在于空气分离设备中的吸附剂床。可以设想的是通过分离在空气的压缩接着冷却步骤期间冷凝的水来消除在该空气中含有的水的一部分。然而，存在于环境空气中的水的至少20％将通过穿过该交换器被去除。一方面水然后另一方面水的其余部分和CO₂的提取是在交换线路3中的两个不同的位置处进行的。在接近0℃的温度下很大一部分的水以液体形式去除(在压缩接着冷却步骤之后，在到达交换器3的空气1中存在的水的约75％)：在此位置处的空气5通过在相分离器2中分离该空气和水5B排出然后将干燥的空气5A再注入以便完成其冷却并在从交换线路3它的出口处这次进行与水的其余部分和CO₂(这二者是固体)的相同的分离。为了补偿杂质的液化和冷凝的潜热，借助于两个热泵，例如在0℃和在-25℃下的两个制冷补充是必要的。

因此在交换线路3的中间水平处排出的空气7借助于第一热泵4冷却并且该经冷却的空气被送回该交换线路3。

接下来在交换线路3的更冷的中间水平处排出的空气11通过由流体13供给的第二热泵6被冷却。该经冷却的空气11A被送回该交换线路。

已经在两个步骤中净化掉水并冷却的空气15含有冰和固体二氧化碳并且被送至相分离器17并且该冰和该固体二氧化碳19被去除。

冷却通道的壁被处理以便限制、甚至防止冰和二氧化碳在表面上、至少在其中通道的温度预期为低于水和/或二氧化碳的固化温度的区域的形成和/或粘附。

这种处理可以是表面的物理处理或安装涂层(如以上所述的，例如是超疏水的)。因此在被收集在第二相分离器17中之前，固体水和固体二氧化碳保留在空气中并且穿过交换线路至冷端。

空气的次要杂质的一部分(特别是丙烷、乙炔、丙烯、C4+、N₂O)也在该交换器的冷端的分离器17中分离，或以固体形式，或以液体形式。

经纯化的空气20被分成两部分23、25。部分23被送至单蒸馏柱27的中间，在这里它被分离以形成在柱的顶部的富氮气体47和在柱27的底部的富氧液体43。

空气的部分15在热交换器59中通过与流体流57热交换至少部分地冷凝，该流体流借助于使用磁致热效应的热泵21冷却。

冷却流体53，典型地环境空气或冷却水被送至使用磁致热效应的热泵21。再加热的水55离开热泵21。

该柱包括底部再沸器29和塔顶冷凝器31。该再沸器是借助于与使用磁致热效应的热泵33连接的流体回路41加热的。此使用磁致热效应的热泵33还用于冷却流体37，该流体冷却塔顶冷凝器31。流体37和41可以是相同或不同的。富氧液体43在柱19的底部排出并且经由管道47排出的富氮气体在交换器3中再加热并且不用于再生纯化单元因为不存在纯化单元。富氧气体45在柱27的底部排出，在交换器3中再加热并且由压缩机49压缩。

图1a示出了图1的变体，其中热交换器3是由两个交换主体3a、3b构成。主体3a、3b各自是如以上描述的板翅式交换器但可以设想其他技术。

与图1不同，在整个蒸馏的持续时间内，空气1被分成两个流，其中一个被送至主体3a并且另一个被送至主体3b。这些主体各自具有被设计为降低固化的杂质在通道的表面上的粘附的冷却通道。每个主体3a、3b的冷却通道至少部分地被涂层覆盖和/或进行物理处理和/或进行化学处理，该涂层和/或该处理用于限制、或甚至防止固化的杂质在这些通道的表面上的形成和/或粘附。可以设想使用多于两个主体。

对于这两个主体均收集固化的二氧化碳和/或(固化的)水并送至单个容器17。显然可以设想使用若干个容器。

将来自这两个主体的纯化的空气混合以形成流20并如对于图1继续它的处理。

气体47在蒸馏期间在这两个交换主体中同时再加热，在主体3a、3b的上游被分成两个并且在这些主体的下游再混合。

气体45在蒸馏期间在这两个交换主体中同时再加热，在主体3a、3b的上游被分成两个并且在这些主体的下游再混合。

因为每个通道仅接收一种待再加热的气体或一种待冷却的气体并且这些流在蒸馏期间不反向，对于给定主体专用于冷却空气的通道的数目不同于旨在再加热气体47的通道的数目。

在图1b中示意性地示出的是对应于其他图之一的主体3、3a、3b的交换主体，其中有可能注意到专用于冷却气体混合物(在这里空气)的通道的数目不同于专用于再加热第一气体(在这里对应于氮气47的氮气NR)的通道的数目或者不同于专用于再加热第二气体(在这里气态氧OG)的数目。

在来自图2的变体和来自图3至9的那些中，热交换器3是单块的热交换器，该热交换器在其中发生蒸馏的整个期间冷却旨在用于该蒸馏的所有空气。它还在其中发生蒸馏的整个期间再加热源自蒸馏的所有气体。一方面水然后另一方面水的其余部分和CO₂的提取也是在交换线路3中的两个不同的位置处进行的。然而，在接近-25℃的温度(因此呈固体形式)下很大一部分的水以固体形式被去除(存在于到达交换器3的空气1中的水的约97％)。空气5在此位置处通过在相分离器2中使该空气与冰5B分离排出然后再注入干燥的空气5A以便完成其冷却。被送至分离器2的空气已经由在0℃下的第一制冷补充在上游被冷却。

因此在交换线路3的中间水平处排出的空气7首先借助于第一热泵4冷却并且然后从该线路中去除以便去除冰。被送回交换线路3的经冷却的空气5A由第二冷却器6再次冷却。

对于图3的情况，空气首先在交换线路3中冷却，将它从该交换线路中取出并且在分离器2中去除呈液体形式的水，接着经纯化的空气5A在该交换线路中冷却，然后由第一冷却器4冷却，然后在交流线线3中冷却，接着该空气被纯化以在分离器8中去除水，将它在该交换线路中冷却，然后用第二冷却器6冷却并且该空气被冷却直到冷端。

应该指出的是在所有的情况下，可能在交换线路3仅有单个制冷补充，或甚至根本没有，如果愿意牺牲能量，则将必要的制冷补充在交换器的冷端引入，在这里花费最多。

在来自图4的变体中，分离水和CO₂和制冷补充的步骤的顺序如对于图1。通过在约0℃下在第一分离中排出液体水，该液体水可以用于冷却机器，例如压缩机C。

但在这个实例中，在分离器17中收集的固体或液体19(水的其余部分、CO₂和其他次要杂质)被送至交换线路3以便提供对其的制冷。这使得有可能回收潜热的一部分，并因此降低、或甚至简化必要的制冷补充。

为了不使交换线路复杂化，它们可以被注入到至少一个干的且冷的流体，例如源自深冷分离，例如氮气47以便形成混合流61。在这种情况下，可以谨慎处理氮气再加热通道的至少某些部分以便限制、或甚至防止这些固体的沉积。

图5示出了其中使用蜗杆系统17A以便提取呈冰或冰/液体的混合物的形式的杂质以便将它们直接再注入到产品中的情况。这代替了来自其他图的相分离器17。

可以设想用于去除固体杂质的其他器件，该固体杂质可以被释放到大气中。热交换器可以周期性地冷却含有至少一种杂质的气体并且该杂质可以被熔化，例如在该热交换器不工作的时候。

该固体还可以通过许可失去然后用气动式输送来输送该固体的气体混合物的一部分排出。

图6是其中存在于热端空气中的所有水和CO₂在交换线路的冷端被去除的变体。可以提供制冷补充以补偿杂质的冷凝和固化，以及还有其在整个交换线路用多个热泵(这里是由冷却流9、13供给的n个热泵PACl、PACn)的冷却。该制冷补充还可以用变化的冷温度进行。它还可以被限制为1或2个制冷补充。

在图7中，杂质的一部分由常规吸附分离系统A去除。这部分可以构成存在的一种或多种杂质的在20％与95％之间。纯化可以通过除了吸附外的其他手段进行。接着，净化掉至少一种杂质的流体进入交换线路其中完成由固化/液化去除杂质的其余部分和最终的分离。它仍然需要至少一个热泵来补偿杂质的液化和冷凝的潜热。有可能将杂质再注入到产品中，如对于图4和5看出的。在其中待去除的杂质的大部分在上游在常规系统A中被去除的情况下，制冷补充可以仅在交换器3的冷端进行。

在来自图8的变体中，在风扇C的出口处使用另一个分离系统E以便去除流的杂质的一部分，例如以干燥轮的形式。接着，仍然负载有杂质的流体1进入交换线路3。杂质在两个水平处被去除并且热泵补偿这些杂质的冷凝和液化的潜热。冷冻的水/固体CO₂和固体/液体次要杂质在冷端回收而不将它们再注入产品中。

在来自图9的情况下，对于负载有呈气态形式的水的气体混合物1，呈液体和/或固体形式的水与气体流1逆流地流动，空气流1通过交换器3的底部进入，与常规操作相反(还有可能想象倒U形交换器构造，其中热端和冷端在底端，并且中间点在顶部)。

确实，通过固化和/或液化，水变得更重并且与被冷却的气体逆流地下落。它在交换器3的热端以液体形式出现。

这种变体不使用相分离但通常需要在交流线路供应制冷。

相反，冷流45，47通过交流线路的顶部进入并且通过底部离开。

为了更清楚起见，该图绘制为好像存在于空气中的水和/或冰19通过不同于它们进入通过的通道的通道下降。

事实上，水和/或冰19将通过它们通过其进入的通道同一通道离开。

在来自图10的变体中，对于含有水的混合物，来自图9的交换线路3被分成两个(交流线路3和3A)以便在中间温度下这两者之间排出水。因此，在相分离器中分离在供给来自冷却器4的制冷下在线路3中冷却的空气以便去除水的一部分5B。水的其余部分和/或冰朝向线路3和3A的底部落下。至少部分纯化的空气在供给来自冷却器6的制冷下在交换线路3A中冷却并且然后在线路3A中再次冷却。在这种特别情况下不存在相分离器17。

对于其中交换线路被分为串联的两个交换体的情况，两个线路3，3A可以用相同的技术或不同的技术构建(板翅式交换器、盘管式交换器、壳管式交换器)。类似地，如果交换线路是相同的技术，则它们不一定具有相同的构造并且可以差别是通道的尺寸、通道的数目、用于限制固体的沉积的涂层和/或处理的类型、使用的翅片类型、构造它们的材料等。

这十一个实例全部涉及在单柱中通过蒸馏分离空气。本发明可以应用于空气的深冷分离，通过任何已知的柱系统，除描述的那种外，并使用任何已知的产生制冷的手段，除描述的那些外。

空气分离设备可以例如是产生至少一种气体产物和/或至少一种液体产物的双空气分离柱。

本发明还可以应用于纯化和冷却具有至少一种能够在冷却期间固化的杂质的其他气体混合物。杂质是占该气体混合物的不超过10mol％或5mol％或甚至1mol％、或甚至0.1mol％、或甚至0.01mol％的组分。

它特别应用于其他气体混合物，例如含有例如至少30％的二氧化碳和水的二氧化碳的混合物。在这种情况下，对交换线路的通道进行处理以便限制、或甚至防止水的沉积并且选择压力和温度以便避免CO₂的沉积。这种类型的混合物可以在来自图1至10的方法中通过改变操作温度分离。

对于所有的图，可以使用任何已知的且合适的器件(例如，磁致热冷却器、压缩-膨胀常规制冷单元、涡轮机)进行制冷的供给，如果有的话。

在这些图中，气体混合物的一部分离开交换线路以便在供给制冷的元件中冷却，而该气体混合物的其余部分继续其在该交换线路中的冷却。通过供给制冷而冷却的部分然后与还没有离开该交换线路的该混合物的其余部分混合。

还有可能将整个气体混合物从该交换线路中取出以便将其传送到供给制冷的元件并且将经冷却的混合物送回该交换线路。

在来自这些图的实例中，看出空气的一部分或几个部分7，11离开交换器3以便被冷却并被送回(流7A，11A)到该交换器。还有可能在全部或部分情况下在闭合回路中使用热传递流体，该热传递流体将热量从热交换器3传递至冷却器件4，6并返回到该热交换器以便向其供给制冷。

在所有的情况下，可以设想在交换器的下游并且在适当情况下在相分离器或蜗杆的下游提供最终纯化，以便消除在混合物流20中的剩余的杂质。

在所有的情况下，热交换器3可包括通道，这些通道的至少一个区段具有处理和/或涂层和/或几何形状和/或翅片类型(在板翅式交换器的情况下)，其不同于必须在较低的温度范围内操作的另一个区段的处理和/或涂层和/或几何形状和/或翅片类型(在板翅式交换器的情况下)。

例如，处于在20℃与0℃之间的温度下的交换器的通道区段将以一种方式进行处理或将具有一种类型的涂层并且处于在0℃与-60℃之间的温度下的通道区段将以另一种方式进行处理。可以选择该处理或涂层以便适配于物理现象变化的类型(气体→液体、气体→固体、液体→固体)，亦或所讨论的杂质的类型(例如水/二氧化碳)。

热交换器3可包括通道，这些通道的至少一个区段具有处理和/或涂层和/或几何形状和/或翅片类型(在板翅式交换器的情况下)，其不同于在中间点的下游发现的用于排出固化的杂质的另一个区段的处理和/或涂层和/或几何形状和/或翅片类型(在板翅式交换器的情况下)。

该热交换器可以由至少两个由不同材料制成的热交换器，例如，一个钎焊的铝交换器和一个钎焊的铜交换器，构成。

对于所有的实例，在进行蒸馏分离的基本上整个时间期间，该气体混合物在具有冷却通道(被设计为降低该固化的杂质在这些通道的表面上的粘附)的每个交换主体中冷却。