專利名稱：產(chǎn)生混合致冷的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及低溫精餾，特別涉及向低溫精餾裝置提供致冷以實現(xiàn)低溫精餾。
低溫精餾例如要產(chǎn)生氧、氮和氬的原料空氣的低溫精餾需要為低溫精餾裝置提供致冷。典型情況下，工藝流的渦輪膨脹提供了這樣的致冷。渦輪膨脹是能量強化步驟，特別當(dāng)需要大量致冷，例如當(dāng)需要一種或多種液體產(chǎn)物時，渦輪膨脹是非常費錢的。在低溫空氣分離的場合下，除了氮和氧的產(chǎn)物外，還需要氬的產(chǎn)物時，原料空氣的渦輪膨脹可能會降低氬的回收。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種將致冷送入低溫精餾裝置的系統(tǒng)，其中并非全部運行裝置所需的致冷都是由工藝流的渦輪膨脹產(chǎn)生的。
本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的和其它的目的，這些目的對于通過閱讀本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，本發(fā)明的一個方面是為低溫精餾裝置提供致冷的方法，該方法包括(A)壓縮多組分致冷劑流體，使被壓縮的多組分致冷劑流體膨脹以產(chǎn)生致冷，和通過與工藝流體的間接熱交換來加熱膨脹的多組分致冷劑流體，從而將來自致冷劑流體的致冷送入工藝流體；(B)來自工藝流體的致冷送入低溫精餾裝置；(C)使流體物流進行渦輪膨脹以產(chǎn)生致冷，和將來自渦輪膨脹的流體物流的致冷送入低溫精餾裝置；和(D)利用膨脹的多組分致冷劑流體產(chǎn)生的致冷和渦輪膨脹的流體物流產(chǎn)生的致冷，通過在低溫精餾裝置內(nèi)的低溫精餾產(chǎn)生至少一種產(chǎn)物。
本發(fā)明的另一個方面是將致冷送入低溫精餾裝置的設(shè)備，該設(shè)備包括(A)多組分致冷劑流體致冷回路，包括壓縮機、膨脹裝置和熱交換器以及使多組分致冷劑流體由壓縮機送往膨脹裝置、由膨脹裝置送往熱交換器和由熱交換器送往壓縮機的裝置；(B)使工藝流體通過熱交換器的裝置和使來自工藝流體的致冷送入低溫精餾裝置的裝置；
(C)產(chǎn)生致冷的渦輪膨脹機和使來自渦輪膨脹機的致冷送入低溫精餾裝置的裝置；和(D)從低溫精餾裝置回收產(chǎn)物的裝置。
本文所用術(shù)語“致冷”的含義指的是將熱量從較低的溫度向較高的溫度，典型地從低于環(huán)境的溫度向環(huán)境的溫度排出的能力。
本文所用術(shù)語“低溫精餾裝置”的含義指的是通過低溫精餾來分餾混合物的裝置，它包括一個或多個的塔和附屬于它的管道、閥門和熱交換設(shè)備。
本文所用的術(shù)語“原料空氣”的含義指的是主要含有氧、氮和氬的混合物，例如環(huán)境空氣。
本文所用的術(shù)語“塔”的含義指的是蒸餾塔或分餾塔或區(qū)，也就是說指的是接觸塔或接觸區(qū)，其中液相和汽相逆流接觸，以實現(xiàn)流體混合物的分離，例如利用汽相和液相在一系列安裝在塔內(nèi)的重直分布的塔盤或塔板上和/或填料元件例如規(guī)整填料或無規(guī)填料上的接觸。為進一步討論蒸餾塔，請參看紐約McGraw-Hill書籍公司出版的，R.H.Perry和C.H.Chilton編輯的化學(xué)工程師手冊，第5版，13節(jié)，連續(xù)蒸餾工藝。
所用的術(shù)語“雙塔”的含義指的是高壓塔和低壓塔，高壓塔的上部與低壓塔的下部有熱交換關(guān)系。在牛津大學(xué)1949年出版的工業(yè)空氣分離第七章，Ruheman著的“氣體分離”一文中有關(guān)于雙塔的進一步討論。
蒸汽和液體接觸分離過程取決于各組分的蒸汽壓力差。高蒸汽壓(或易揮發(fā)或低沸點)的組分將易于濃集在汽相中，而低蒸汽壓(或難揮發(fā)或高沸點)的組分將易于濃集在液相中。蒸餾是分離過程，其中可以利用液體混合物的加熱在汽相中濃集易揮發(fā)組分，這樣在液相中則濃集難揮發(fā)組分。分凝是也分離過程，其中可以利用蒸汽混合物的冷卻來在蒸汽相中濃集易揮發(fā)組分，而在液相中濃集難揮發(fā)組分。精餾即連續(xù)蒸餾也是一種分離方法，該方法通過汽相和液相的逆流處理將得到的逐級部分蒸發(fā)和部分冷凝結(jié)合起來。汽相和液相的逆流接觸可以是絕熱的或非絕熱的，可以包括兩相之間積分的(分步的)接觸或微分的(連續(xù)的)接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝設(shè)施常常交替地稱作精餾塔、蒸餾塔、或分餾塔。低溫精餾是一種至少部分地在150K或低于150K的溫度下進行的精餾方法。
本文所用術(shù)語“間接熱交換”的含義指的是在流體沒有任何的物理接觸或流體彼此間沒有混合的情況下使流體流產(chǎn)生熱交換關(guān)系。
本文所用術(shù)語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機”的含義分別指的是高壓流體流過渦輪機降低流體的壓力和溫度從而產(chǎn)生致冷的方法和設(shè)備。
本文所用術(shù)語“膨脹”的含義指的是進行降壓。
本文所用術(shù)語“可變負荷致冷劑”的含義指的是兩種或多種組分的混合物，各組分的比例要使這些組分的液相在混合物的起泡點和露點之間經(jīng)受著連續(xù)增加的溫度變化?；旌衔锏钠鹋蔹c是這樣的溫度，在給定的壓力下，在起泡點時，混合物都處在液相，但是熱量的加入將會啟動與液相處于平衡的汽相的形成。混合物的露點是這樣的溫度，在給定的壓力下，在露點時，混合物都處在汽相，但是熱量取出將會啟動與汽相處于平衡的液相的形成。因此，混合物起泡點和露點之間的溫度區(qū)域是液相和汽相平衡共存的溫度區(qū)域。在本發(fā)明的實踐中，可變負荷致冷劑的起泡點和露點之間的溫度差至少是10°K，優(yōu)選地至少是20°K，最優(yōu)選地至少是50°K。
本文所用術(shù)語“碳氟化物”的含義指的是下列氟化物的一種四氟甲烷(CF4)，全氟乙烷(C2F6)，全氟丙烷(C3F8)，全氟丁烷(C4F10)，全氟戊烷(C5F12)，全氟乙烯(C2F4)，全氟丙烯(C3F6)，全氟丁烯(C4F8)，全氟戊烯(C5F10)，六氟環(huán)丙烷(環(huán)-C3F6)和八氟環(huán)丁烷(環(huán)-C4F8)。
本文所用術(shù)語“氫碳氟化物”的含義指的是下列的一種化合物三氟甲烷(CHF3)，五氟乙烷(C2HF5)，四氟乙烷(C2H2F4)，七氟丙烷(C3HF7)，六氟丙烷(C3H2F6)，五氟丙烷(C3H3F5)，四氟丙烷(C3H4F4)，九氟丁烷(C4HF9)，八氟丁烷(C4H2F8)，十一氟戊烷(C5HF11)，氟代甲烷(CH3F)，二氟甲烷(CH2F2)，氟代乙烷(C2H5F)，二氟乙烷(C2H4F2)，三氟乙烷(C2H3F3)，二氟乙烯(C2H2F2)，三氟乙烯(C2HF3)，氟代乙烯(C2H3F)，五氟丙烯(C3HF5)，四氟丙烯(C3H2F4)，三氟丙烯(C3H3F3)，二氟丙烯(C3H4F2)，七氟丁烯(C4HF7)，六氟丁烯(C4H2F6)和九氟戊烯(C5HF9)。
本文所用的術(shù)語“氟代醚”的含義指的是下列的一種化合物三氟甲氧基-全氟甲烷(CF3-O-CF3)，二氟甲氧基-全氟甲烷(CHF2-O-CF3)，一氟甲氧基-全氟甲烷(CH2F-O-CF3)，二氟甲氧基-二氟甲烷(CHF2-O-CHF2)，二氟甲氧基-全氟乙烷(CHF2-O-C2F5)，二氟甲氧基-1，2，2，2-四氟乙烷(CHF2-O-C2HF4)，二氟甲氧基-1，1，2，2-四氟乙烷(CHF2-O-C2HF4)，全氟乙氧基-一氟代甲烷(C2F5-O-CH2F)，全氟甲氧基-1，1，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)，全氟甲氧基-1，2，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)，環(huán)-1，1，2，2-四氟丙醚(環(huán)-C3H2F4-O-)，環(huán)-1，1，3，3-四氟丙醚(環(huán)-C3H2F4-O-)，全氟甲氧基-1，1，2，2-四氟乙烷(CF3-O-C2HF4)，環(huán)-1，1，2，3，3-五氟丙醚(環(huán)-C3H5-O-)，全氟甲氧基-全氟丙酮(CF3-O-CF2-O-CF3)，全氟甲氧基-全氟乙烷(CF3-O-C2F5)，全氟甲氧基-1，2，2，2-四氟乙烷(CF3-O-C2HF4)，全氟甲氧基-2，2，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)，環(huán)-全氟甲氧基-全氟丙酮(環(huán)-CF2-O-CF2-O-CF2)和環(huán)-全氟丙醚(環(huán)-C3F6-O-)。
本文所用的術(shù)語“大氣氣體”的含義指的是下列的一種物質(zhì)氮氣(N2)，氬氣(Ar)，氪氣(Kr)，氙氣(Xe)，氖氣(Ne)，二氧化碳(CO2)，氧氣(O2)和氦氣(He)。
本文所用術(shù)語“非毒性”的含義指的是，當(dāng)根據(jù)允許的曝露極限操作時，不會造成嚴重的或長期的危害。
本文所用術(shù)語“不可燃”的含義指的是沒有閃點或具有至少600K的很高的閃點。
本文所用術(shù)語“低-臭氧-貧化”的含義指的是臭氧貧化勢低于蒙特利爾條約草案所規(guī)定的0.15，其中二氯二氟甲烷具有1.0的臭氧貧化勢。
本文所用術(shù)語“非-臭氧-貧化”的含義指的是沒有含氯原子、溴原子或碘原子的組分。
本文所用術(shù)語“正常沸點”的含義指的是在1個標(biāo)準大氣壓下，也就是說在14.696磅/英寸2絕對壓力下的沸騰溫度。
圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施方案的流程圖，其中多組分致冷劑流體的致冷回路用于冷卻送往渦輪膨脹機的進料。
圖2是圖1所述的實施方案中所應(yīng)用的多組分致冷劑流體致冷回路的更詳細的示意圖。
圖3是本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案的流程圖，其中多組分致冷劑流體致冷回路的熱交換器是低溫精餾裝置的主熱交換器。
對于通用元件，圖中的編號是相同的。
將參照附圖詳細說明本發(fā)明。在圖1中例示說明了低溫空氣分離裝置，分離裝置有三個塔，三塔包括具有高壓塔和低壓塔的雙塔和一個氬氣側(cè)塔。
現(xiàn)在參照圖1，原料空氣60通過基本負荷壓縮機30被壓縮到壓力一般在35-250磅/英寸2絕對壓力(psia)的范圍內(nèi)。所得到的被壓縮原料空氣61的壓縮熱通過后冷卻器(未示出)被冷卻，然后通過凈化器50清除掉高沸點雜質(zhì)例如水蒸汽、二氧化碳和烴，然后凈化了的原料空氣流62被分成標(biāo)號為65、63和72的三部分。65部分一般包括20-35％的原料空氣流62，通過增壓壓縮機31進一步被壓縮到可高達1000磅/英寸2的絕對壓力，所得到的進一步被壓縮的原料空氣66的壓縮熱在后冷卻器(未示出)中冷卻，原料空氣流66在主熱交換器1或第一熱交換器1中與返回物流通過間接熱交換而冷卻，優(yōu)選地至少部分地被冷凝。所得到的冷卻的原料空氣流67然后分成物流68和物流69，物流68經(jīng)過閥門120，進入高壓塔10，而物流69經(jīng)過閥門70，作為物流71進入低壓塔11。
另一部分72包括原料空氣流62的1-20％，通過壓縮機32被壓縮到可高達300磅/英寸2的絕對壓力，所得到的被壓縮物流73的壓縮熱通過后冷卻器8冷卻。所得到的原料空氣流74然后通過多組分致冷劑流體致冷回路的熱交換器5，在此致冷回路中，原料空氣流74通過來自再循環(huán)多組分致冷劑流體的致冷傳遞而冷卻，這一點下面將更充分地進行說明。所得到的冷卻原料空氣流75通過渦輪膨脹機33進行渦輪膨脹，以產(chǎn)生附加的致冷，在本實施方案中的原料空氣流75是接受來自多組分致冷流體提供的致冷的工藝流體，和所得到的渦輪膨脹物流76從渦輪膨脹機33進入低壓塔11。這樣多組分致冷劑流體致冷回路所產(chǎn)生的致冷和渦輪膨脹所產(chǎn)生的致冷通過物流76進入塔11而引入低溫精餾裝置。
原料空氣流62的余下部分63通過主熱交換器1與返回物流的間接熱交換而進行冷卻，并以物流64進入高壓塔10，高壓塔是在壓力一般為35-250磅/英寸2的絕對壓力的范圍內(nèi)進行操作。在高壓塔10內(nèi)，原料空氣通過低溫精餾被分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽以物流77從高壓塔10的上部取出，在再沸點2中通過與沸騰的低壓塔底部的液體的間接熱交換進行冷凝。所得到的富氮液體78作為回流再返回到塔10。一部分富氮液體79由塔10送往過熱降溫器6，在過熱降溫器中富氮液體79過冷卻以形成過冷物流80。如果需要的話，液流80的一部分81可以作為具有氮濃度至少99摩爾％液體氮產(chǎn)品加以回收。液流80的余下部分以物流82作為回流進入塔11的上部。
富氧液體以物流83從高壓塔10的下部取出，送往過熱降溫器7，在過熱降溫器中它被過冷。所得到的過冷富氧液體84然后分成85部分和88部分。85部分經(jīng)過閥門86，以物流87進入低壓塔11。88部分通過閥門95，進入氬氣塔冷凝器3，在氬氣塔冷凝器3中，88部分被部分地蒸發(fā)。所得到的蒸汽以物流94從冷凝器3中取出，并以物流96進入低壓塔11。余下的富氧液體以物流93從冷凝器3中取出，與流94合并形成物流96，然后進入低壓塔11。
低壓塔11是在壓力小于高壓塔10的壓力下操作的，一般在是15-100磅/英寸2絕對壓力下操作的。在低壓塔11內(nèi)各種原料通過低溫精餾分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽以物流101從塔11的上部取出，通過熱交換器6、7和1進行加熱，并以物流104作為產(chǎn)物氮加以回收，產(chǎn)物流104的氮氣濃度至少99摩爾％。為了控制產(chǎn)物純度，廢物流97在物流101取出點的下方從塔11中取出，通過熱交換器6、7和1進行加熱，并以物流100從系統(tǒng)中除去。富氧液體以物流105從塔11的下部取出，物流105的氧氣濃度一般在70-99.9摩爾％的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在95-99.5％的范圍內(nèi)。如果需要的話，物流105的一部分106可以作為產(chǎn)物液體氧加以回收。105物流的余下部分107通過液體泵35增壓到較高壓力，加壓物流108在主熱交換器1中進行蒸發(fā)，并作為升壓的產(chǎn)物氧109加以回收。
含有氧氣和氬氣的流體以物流110由低壓塔11進入氬塔12，其中物流110通過低溫精餾分離成富氬流體和富氧流體。富氧流體由塔12的下部以物流111進入低壓塔11。富氬流體以蒸汽流89由塔12的上部進入氬氣塔冷凝器3，在其中富氬流體被冷凝，是通過與上述部分蒸發(fā)過的過冷富氧液體的間接熱交換。所得到的富氬液體以流90從冷凝器3中取出。一部分富氬液體91作為回流送入氬氣塔12，另一部分富氬液體92作為產(chǎn)物氬回收，產(chǎn)物氬的氬濃度一般在95-99.999摩爾％的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在參照圖1和圖2，將更詳細地敘述多組分致冷劑流體封閉回路的操作情況，封閉回路用來產(chǎn)生一部分送入低溫精餾裝置的致冷，也就是說為低溫精餾裝置提供致冷。通常致冷是在給定的溫度下在密閉環(huán)流回路中使用單組分的致冷流體產(chǎn)生的。這樣的常規(guī)裝置的實例包括家用致冷器和空調(diào)器。多組分致冷劑流體可以在很廣的溫度范圍內(nèi)提供可變數(shù)量的致冷。因此，致冷源可以與各個溫度下的致冷要求相適應(yīng)，從而降低了系統(tǒng)的能量需求。
物流201中的多組分致冷流體通過再循環(huán)壓縮機34壓縮到壓力一般在60-600磅/英寸2的絕對壓力，以產(chǎn)生壓縮的致冷劑流體202。壓縮的致冷劑流體通過水冷的后冷卻器進行冷卻除去壓縮熱，因而可以部分地冷凝。物流203中的多組分致冷劑流體然后通過致冷回路熱交換器5進一步冷卻，其中多組分致冷流體進一步冷卻，并且部分地或全部地被冷凝。冷卻的壓縮的多組分致冷流體204然后通過閥205膨脹或節(jié)流，或者任選地通過膨脹渦輪機膨脹。節(jié)流作用優(yōu)選部分地使多組分致冷劑流體蒸發(fā)、使流體冷卻和產(chǎn)生致冷。在某些受限制的場合下，根據(jù)熱交換器條件，壓縮的流體204可以在膨脹之前成為過冷的液體，在開始膨脹后仍可保持為液體。隨后，根據(jù)在熱交換器中的加熱情況，流體將含有兩相。
承載致冷的多組分兩相致冷劑流體流206的溫度一般在125-225°K，優(yōu)選地150-175°K，此流體然后通過熱交換器5，在熱交換器5中它被加熱并完全蒸發(fā)，因此借助間接熱交換用來冷卻流203，也用來將致冷傳入原料空氣流74，以產(chǎn)生冷卻的原料空氣流75。物流75最終送入塔11，這樣多組分致冷劑流體致冷回路產(chǎn)生的致冷就送入低溫精餾裝置。最終所得到的蒸汽流201中的熱的多組分致冷劑流體然后向壓縮機34再循環(huán)，重新開始致冷循環(huán)。
利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)，流體經(jīng)過閥門的壓力膨脹提供了致冷，也就是說由于在恒焓下的壓力下降而使流體溫度降低。但是，在某些場合下，使用兩相或液體渦輪膨脹機能夠發(fā)生流體膨脹，因此，由于渦輪機的工作抽氣(Work extraction)，流體的溫度將會額外的降低。一般說來，對于多組分致冷劑，與閥門膨脹相關(guān)的冷卻相比較，由于兩相或液體渦輪機膨脹，附加的冷卻將是相當(dāng)?shù)牡汀？墒牵瑢τ跍u輪機中的氣體膨脹，例如，渦輪膨脹機33中的原料空氣的渦輪膨脹，與工作抽氣相聯(lián)系的流體冷卻要比氣流的閥門膨脹所得到的冷卻高的多。主要差別在于多組分致冷劑流體的下述壓力膨脹，當(dāng)流體再加熱時存在著可變數(shù)量的致冷，而對于渦輪膨脹的氣流，當(dāng)氣體再加熱時存在著不變數(shù)量的致冷。因此，多組分的致冷劑和渦輪膨脹流的結(jié)合可以在很廣的溫度范圍內(nèi)提供所需要的工藝致冷。在廣泛的溫度范圍內(nèi)，在為提供總的所要求的致冷導(dǎo)致較低的系統(tǒng)能量要求中，這結(jié)果是所要求的致冷和所供應(yīng)的致冷達到完好的匹配。
多組分致冷劑流體為了提供在各個溫度下所需要的致冷，將含有兩種或多種組分。致冷劑組分的選擇對于具體的過程應(yīng)用將取決于致冷負荷對溫度的關(guān)系。將根據(jù)組分的正常沸點、潛熱、可燃性、毒性以及臭氧-貧化勢來選擇合適的組分。
本發(fā)明實施中采用的多組分致冷劑流體的優(yōu)選的一個實施方案包括選自氟碳化物、氫氟碳化物和氟代醚的組中的至少兩個組分。
本發(fā)明實施中采用的多組分致冷劑流體的另一個優(yōu)選的實施方案至少包括選自氟碳化物、氫氟碳化物和氟代醚的組中的至少兩個組分和至少包括一種大氣。
本發(fā)明實施中采用的多組分致冷劑流體的另一個優(yōu)選的實施方案至少包括由氟碳化物，氫氟碳化物和氟代醚組成的這組物質(zhì)的兩種組分和至少兩種大氣。
本發(fā)明實施中采用的多組分致冷劑流體的另一個優(yōu)選的實施方案包括至少一種氟代醚，和包括由氟碳化物、氫氟碳化物、氟代醚和大氣的這組中的至少一種組分。
在一個優(yōu)選的實施方案中，多組分致冷劑流體只由氟碳化物組成。在另一個優(yōu)選實施方案中，多組分致冷劑流體只由氟碳化物和氫氟碳化物組成。在另一個優(yōu)選實施方案中，多組分致冷劑流體只由氟碳化物和大氣組成。在另一個優(yōu)選實施方案中，多組分致冷劑流體只由氟碳化物、氫氟碳化物和氟代醚組成。在另一個優(yōu)選實施方案中，多組分致冷劑流體只由氟碳化物、氟代醚和大氣組成。
在本發(fā)明的實施中采用的多組分致冷劑流體可以含有其它的組分，例如氫氯代氟碳化物和/或烴。多組分致冷劑流體優(yōu)選地不含氫氯代氟碳化物。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，多組分致冷劑流體不含烴。多組分致冷劑流體最優(yōu)選地是既不含氫氯代氟碳化也不含烴。多組分致冷劑流體最優(yōu)選地是非毒性的，非可燃性的和非-臭氧-貧化的，和多組分致冷劑流體的每一個組分最優(yōu)選地既可以是氟碳化物、氫氟碳化物、氟代醚，也可以是大氣。
本發(fā)明對于從環(huán)境溫度有效地達到低溫方面的使用是特別有利的。表1-5列出了本發(fā)明實施中采用的多組分致冷劑流體混合物的優(yōu)選的實例。這些表以摩爾％給出了濃度的分布范圍。
表1組分 濃度范圍C5F125-25C4F100-15C3F810-40C2F60-30CF410-50Ar 0-40N210-80表2組分 濃度范圍C3H3F55-25C4F100-15C3F810-40CHF30-30CF410-50Ar0-40N210-80
表3組分濃度范圍C3H3F55-25C3H3F60-15C2H2F40-20C2HF55-20C2F60-30CF410-50Ar 0-40N210-80表4組分濃度范圍CHF2-O-C2HF45-25C4H100-15CF3-O-CHF210-40CF3-O-CF30-20C2F60-30CF410-50Ar 0-40N210-80
表5組分 濃度范圍C3H3F55-25C3H2F60-15CF3-O-CHF210-40CHF30-30CF40-25Ar 0-40N210-80圖3例示說明了本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案。對于通用構(gòu)件，圖3的編號與圖1的編號相同，通用構(gòu)件將不再詳細說明。圖3例示說明的實施方案與圖1例示說明的實施方案不同之處只是在于對多組分致冷劑流體的致冷回路它沒有單獨的熱交換器。相反，主熱交換器用作多組分致冷劑流體致冷回路的熱交換器。在圖3例示說明的實施方案中，壓縮原料空氣流74通過主熱交換器1而不是通過單獨的熱交換器，在主熱交換器1中壓縮的原料空氣流74被冷卻，利用與承載致冷的多組分致冷劑流體流206的間接熱交換獲得致冷，多組分致冷劑流體流206也是通過主熱交換器1而不是通過單獨的熱交換器。
應(yīng)該指出，在熱交換器內(nèi)，在任何溫度的水平下，可以包括多組分致冷劑流體致冷回路和渦輪膨脹。例如，多組分致冷劑可以提供高溫度水平下的致冷，而渦輪膨脹可以提供低溫度水平下的致冷。對于某些工藝應(yīng)用，根據(jù)所需要的致冷與溫度特性曲線的關(guān)系，可以使用渦輪膨脹來提供低溫程度的致冷。甚至可以是，為了提供溫度范圍重疊的致冷，某些工藝的應(yīng)用將需要兩種致冷劑方法。進一步應(yīng)該指示可以使分離過程中不同的工藝物流渦輪膨脹，以提供工藝致冷。合適的工藝流可以包括原料物流、產(chǎn)物或廢物流，或中間工藝物流。對于低溫空氣分離，合適的工藝物可以包括原料空氣、產(chǎn)物氧或氮、廢氮，或高壓塔蒸汽。
雖然采用封閉環(huán)單流回路例示說明了本發(fā)明，但是對于致冷劑回路，某些場合可能需要不同的流量變化。根據(jù)工藝的致冷要求，使用許多獨立的流量裝置可能是需要的，每個流量裝置帶有不同的致冷劑混合物。為了允許致冷劑液體的內(nèi)循環(huán)和避免這些液體不需要的冷卻和可能的凍結(jié)，給定流量的回路將在一種或多種的溫度下使用相分離，這也是可能的。最終，作為產(chǎn)生附加致冷的另一種裝置，包括氣體致冷劑流體的渦輪膨脹也可能是需要的。致冷劑物流回路混合物和工藝條件的具體選擇，也就是說混合物的化合物、組成和壓力水平的選擇將取決于具體工藝應(yīng)用和與此應(yīng)用相聯(lián)系的致冷要求。
對于在很廣的溫度范圍內(nèi)，特別是包括低溫的溫度范圍內(nèi)提供致冷，本發(fā)明是特別有用的。在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，致冷劑混合物兩個或多個組分的每一個都具有正常沸點，該正常沸點與該致冷劑混合物中每個其它的正常沸點之差至少是5K，較優(yōu)選地至少是10K，最優(yōu)選地至少是20K。這提高了在很廣的溫度范圍內(nèi)，特別是包含低溫的溫度范圍內(nèi)提供致冷的效率。在本發(fā)明特別優(yōu)選的實施方案中，多組分致冷劑流體的最高沸點組分的正常沸點至少是50K，優(yōu)選地至少是100K，最優(yōu)選地至少是200K，高于多組分致冷的流體的最低沸點組分的正常沸點。
構(gòu)成本發(fā)明實施中有用的多組分致冷劑流體的組分和它們的濃度應(yīng)是這樣的，以使在本發(fā)明方法的整個溫度范圍內(nèi)形成可變負荷多組分致冷劑流體和優(yōu)選地維持了這樣的可變負荷的特性。這顯著地提高了可以在這樣廣泛的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生致冷和使用致冷的效率。所規(guī)定的優(yōu)選的組分組具有附加的益處，這些組分可用于形成流體混合物，這些流體混合物是非毒性的、非可燃的和低的或非臭氧-貧化的。這提供了優(yōu)于常規(guī)的致冷劑的附加好處，常規(guī)的致冷劑典型地是有毒性的，可燃的和/或臭氧-貧化的。
本發(fā)明實踐中有用的并且是非毒性的、非可燃的和非臭氧-貧化的一個優(yōu)選的可變負荷的多組致冷劑流體包括由C5F12，CHF2-O-C2HF4，C4HF9，C3H3F5，C2F5-O-CH2F，C3H2F6，CHF2-O-CHF2，C4F10，CF3-O-C2H2F3，C3HF7，CH2F-O-CF3，C2H2F4，CHF2-O-CF3，C3F8，C2HF5，CF3-O-CF3，C2F6，CHF3，CF4，O2，Ar，N2，Ne和He組成的這組中的兩個或多個組分。
現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的實施，人們可以將增強的致冷有效地提供給低溫精餾裝置。雖然參照了某些特別優(yōu)選的實施方案詳細地說明了本發(fā)明，但是熟練掌握本工藝的技術(shù)人員將會認識到本發(fā)明的其它實施方案也將符合權(quán)利要求的精神和范圍。例如，接受多組分致冷劑流體致冷回路的致冷的工藝流不必是原料空氣，而且實際上也無需送入低溫精餾裝置的塔內(nèi)?？梢耘c低溫空氣分離系統(tǒng)而不是


的系統(tǒng)相結(jié)合，以實施本發(fā)明，可以與其它的低溫精餾裝置例如天然氣、升級系統(tǒng)，從粗合成氣回收氫氣的系統(tǒng)以及二氧化碳生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，以實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.為低溫精餾裝置提供致冷的方法，該方法包括(A)壓縮多組分致冷劑流體，使壓縮的多組分致冷劑流體膨脹產(chǎn)生致冷，和利用與工藝流體的間接熱交換加熱膨脹的多組分致冷劑流體，從而使來自致冷劑流體的致冷進入工藝流體中；(B)使來自工藝流體的致冷引入低溫精餾裝置；(C)使一種流體物流渦輪膨脹產(chǎn)生致冷，和使渦流膨脹流體物流的致冷引入低溫精餾裝置；和(D)使用膨脹多組分致冷劑流體產(chǎn)生的致冷和渦輪膨脹流體流產(chǎn)生的致冷，以在低溫精餾裝置中產(chǎn)生至少一種低溫精餾的產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中利用將工藝流體送入低溫精餾裝置的塔而使來自工藝流體的致冷引入低溫精餾裝置。
3.權(quán)利要求1的方法，其中利用將渦輪膨脹流體送入低溫精餾裝置塔而使來自渦輪膨脹流體流的致冷引入低溫精餾裝置。
4.權(quán)利要求1的方法，其中工藝流體是原料空氣流，和其中所述原料空氣流進行渦輪膨脹，而成為渦輪膨脹流體流，隨后進入低溫精餾裝置塔。
5.權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑流體包括由氟碳化物、氫氟碳化物和氟代醚組成的這組中的至少兩個組分。
6.權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑的流體包括由氟碳化物、氫氟碳化物和氟代醚組成的這組中的至少一個組分和包括至少一種大氣氣體。
7.權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑流體包括至少一種氟代醚和包括由氟碳化物、氫氟碳化物、氟代醚和大氣氣體組成的這組中的至少一個組分。
8.權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑流體的最高沸點組分的正常沸點至少是50K，高于多組分致冷劑流體的最低沸點組分的正常沸點。
9.提供將致冷引入低溫精餾裝置的設(shè)備，該設(shè)備包括(A)有壓縮機、膨脹裝置和熱交換器的多組分致冷劑流體致冷回路和使多組分致冷劑流體由壓縮機送往膨脹裝置、由所膨脹裝置送往熱交換器和由熱交換器送往壓縮機的裝置；(B)使工藝流體通過熱交換器的裝置和使來自工藝流體的致冷引入低溫精餾裝置的裝置；(C)產(chǎn)生致冷的渦輪膨脹機和使來自渦輪膨脹機的致冷引入低溫精餾裝置的裝置；和(D)由低溫精餾裝置回收產(chǎn)物的裝置。
10.權(quán)利要求9的設(shè)備，該設(shè)備包含主熱交換器低溫精餾裝置的原料通過此主熱交換器，其中多組分致冷劑流體致冷回路的熱交換器就是主熱交換器。
全文摘要
產(chǎn)生致冷和將致冷引入低溫精餾裝置的系統(tǒng),其中除了渦輪膨脹產(chǎn)生的致冷外,還利用致冷回路中再循環(huán)多組分致冷劑產(chǎn)生的供給裝置的進一步致冷。
文檔編號F25J3/02GK1263244SQ9912742
公開日2000年8月16日 申請日期1999年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者D·P·波納奎斯特, B·阿曼, J·A·韋伯, W·J·奧爾謝夫斯基, M·E·文塞特 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司