集成式传质传热深冷空气分离系统技术方案

一种空气分离装置，它包括一个集成芯，通常并包括一个双塔，其中，进入的原料空气在集成芯中被冷却，该芯还对来自双塔的物流进行加工。换热芯的分离区域将来自双塔的物流加工成产品。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一般地说，本专利技术涉及深冷空气分离，更具体地说，涉及使各种水平的传热传质的集成，以便提高热力学效率并降低投资费用。在将气体混合物分离为重组分和轻组分、典型地分别为氧和氮的
中，大家知道有深冷空气分离系统。通常，分离过程是在如下装置中发生，该装置在通过质量传递法为蒸馏和/或回流冷凝(分凝)将混合气体的不同组分分离以前，先要借助于与其它物流进行(直接的或间接的)热交换来冷却进入系统的混合物流。一旦不同组分的物流在分离达到要求的纯度后，就被升温回到环境温度。典型地，这些不同的升温、冷却和分离步骤都是在分开的设备部件中进行，这样的方式，除需要安装和配备管系外，还将给整个装置增加制造费用。能将某些分散的传热部件结合起来以提供出能实施多种功能的集成式装置的多种空气分离系统已被推荐出来。具体地说，已经建议有一些系统，它能部分地将给流体流升温或冷却的不同换热器、以及使该物流中的轻重组分分离的分离设备结合成一个单一的换热芯，以便减少空气分离装置中的设备件数。这样做，可以降低该装置的总费用。本专利技术涉及具有独一无二集成设计的空气分离系统，它用单一的钎接芯把分离网络与一大群换热功能结合起来。增大传热芯的总横截面积可使各路物流之间的传热机会更大，因此可提高效率。这项改进会在单位换热面积的费用方面具有吸引力。本专利技术还借助于利用能在单一芯内最佳结合传质和传热功能的设计，而降低了空气分离系统(特别是深冷空气分离系统的制冷单元)的投资费用，并提高了总的热力学效率，这种设计的效果是减少或消除了大量的连接管道和独立的支撑结构，以及制冷单元的容积，从而降低了管道和安装费用。典型的情况是，集成芯被用来(ⅰ)将工艺原料空气的温度降到深冷温度；(ⅱ)使重组分产品(典型的是液态氧)沸腾以及(ⅲ)使各路工艺物流过热/过冷。所述集成芯优选是铝制钎接板翅式芯。集成芯内可包括多个通道，它们的布置要能有效地将多种水平的传热、以及多种水平和方式(如精馏和汽提)的传质结合起来。在本专利技术的一个优选设计中，规定集成芯与具有高压塔(通常称为下塔)和低压塔(通常称为上塔)的双塔分离装置能相互流通。双塔分离装置可以是任何能从多种蒸气物流中将重组分和轻组分分离出来的传统设计的装置。在一个优选设计中，集成芯包括有第一组输入通道(虽然应该承认，为了取得本专利技术的效益，须要求系统中的每一股物流只用一个通道)，输入的原料空气在其中被冷却，然后被导入双塔分离装置(通常为下塔)内。冷却优选借助于将该第一组输入通道布置成与集成芯中至少另一个通道具有热交换关系来实现。在该实施方案的不同变化中，该第一组输入通道可包括一个传质区域，通道中的冷凝液可在该区域中作为回流液来精馏原料空气流。在此情况下，该第一组输入通道将形成可导入上塔的冷凝液流。第一组冷却通道将来自分离装置(通常为下塔)的第一底部物流冷却，并将该冷却过的第一底部物流回输进入分离装置(通常为上塔)中。该第一组冷却通道可与集成芯中至少一个其它通道(或一组通道)具有热交换关系。第一组加温通道将来自分离装置(优选为上塔)的第一顶部物流升温，并将该已升温的第一顶部物流排出集成芯。该第一组加温通道可与集成芯中的至少另一组通道具有热交换关系。集成换热芯中的分离区域(优选为汽提塔)把来自分离装置(优选来自集成换热芯外部的上塔)的第二底部物流分离成富氧物流和富氮物流。富氮物流可返回导入分离装置(优选进入上塔)上。氧物流优选被用相分离器分离为汽相物流和液相物流。通常汽相流返回导入分离区域中。在多个优选实施方案中，分离区域被整合在集成芯中，而分离装置则设在集成芯之外。此外，可置备一台泵来把液相泵经集成芯。一组汽化通道将来自相分离器的液相物流汽化并把该已汽化的液相物流排出集成芯。汽化通道可与集成芯中的至少另一组通道具有热交换关系。集成芯还可包括有第二组冷却通道，用以冷却来自上塔的已冷凝的物流，并将该冷却的冷凝物流返回导入分离装置(通常导入上塔)。与第一组冷却通道一样，该第二组通道优选与集成换热器中至少另一组通道具有热交换关系。集成芯还可包括有第二组加温通道用以给来自汽提装置(优选来自低压塔)的第二顶部物流升温，并将该已升温的第二顶部物流排出集成芯。该第二组加温通道也可与集成芯中至少另一组通道具有热交换关系。还可配备有第四组加温通道来给来自分离区域的富氧物流升温，并将该富氧物流导入相分离器。这些通道也可与集成芯中任何数量的其它通道具有热交换关系。在集成芯内还可包括有第二组输入通道，用以冷却输入的第二原料空气流，并将该第二原料空气流导入分离装置(优选导入下塔)。该第二组输入通道可与集成芯中至少另一组通道具有热交换关系。集成芯还可包括有第三组输入通道，用以冷却输入的第三原料空气流，并把该已冷却的第三原料空气流导入分离装置(优选导入低压塔)中。该第三输入通道可与集成芯中任何数量的其它通道具有热交换关系，但优选与第一组加温通道和/或第二组加温通道进行热交换。在多个变通实施方案中，第三组输入通道可用来冷却从制冷单元接收来的冷空气流。在这样的实施方案中，集成芯还可包括有第四组加温通道，用以使在第三组输入通道中依靠集成芯中其它通道冷却过的冷空气流升温，并把该冷空气流从集成芯回排进入制冷单元中。虽然多组通道可以设计成与集成芯内的其它通道组具有多种多样的热交换相互作用，但优选的是第一组和第二组输入通道共同与第一组、第二组、第四组加温通道和汽化通道组中的任一组具有热交换关系。此外，第一组和第二组冷却通道，可共同地与第一、第二和第四加温通道组中的至少任一组具有热交换关系。通常，集成芯可被分为热端和冷端两部分，热端包括有集成芯流入流出输入通道和加温通道的孔；冷端则包括有分离区域。通常，热端是集成芯的顶端，而冷端是其底端；但是，集成芯也可设计成底端为热端(包括有输入和加温通道的孔)、顶端为冷端(包括有分离装置)。在本专利技术的另一个实施方案中，集成芯可不用双塔分离系统而独立存在，以便生产轻组分产品。在该实施方案中，空气分离系统可包括用以把输入的原料空气流精馏成富氮顶部物流和富氧底部物流的精馏区域(或其它分离区域)。该精馏区域可采用任何传统的精馏混合流体流的设计。在更优选的实施方案中，精馏区域被整合在集成芯内；但是，空气分离系统可以设计成使精馏区域设在集成芯之外，但可与之相互流通。该实施方案的集成芯包括有第一组冷却通道，用以冷却输入的原料空气流，并把该已冷却的原料空气流送入精馏区域；第二组冷却通道，用以冷却来自精馏区域的底部物流；第一组通道，用以使第一股顶部物流升温并把这股已升温的顶部物流返回导入精馏区域中。该第一组加温通道可与冷却通道中的至少一组通道具有热交换关系；第二组加温通道，用以使第二股顶部物流升温，并将该已升温的第二股顶部物流排出集成芯。该第二组加温通道也可与任何冷却通道具有热交换关系；一组激化通道，用以使来自第二冷却通道的已冷却的底部物流汽化，并将该已汽化的底部物流排出集成芯。该激化通道可与任何冷却通道具有热交换关系。在多个优选实施方案中，已冷却的底部物流是用涡轮膨胀机来膨胀。在本专利技术的再一个实施方案中，空气分离系统可包括有双塔分离装置、精馏塔(或其它分离塔)以及集成芯，该芯内包括有双塔分离装置中的下塔。该实施方案的集成芯包括有第一组输入通道，用以冷却第一输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与具有高压塔和低压塔的双塔分离装置相互流通的深冷空气分离装置，该空气分离装置包括有：一个集成芯，它包括：（ｉ） 第一输入通道，用以冷却进入的第一原料空气流并将该已冷却的进入的第一原料空气流导入分离装置，该第一输入通道与该集成芯的 至少另一个通道具有热交换关系；（ｉｉ） 第一冷却通道，用以冷却来自分离装置的第一底部物流，并将该已冷却的第一底部物流导入分离区域，该第一冷却通道与集成芯的至少另一个通道具有热交换关系；（ｉｉｉ） 第一加温通道，用以使来自分离装置的第 一顶部物流升温，并将该已升温的第一顶部物流排出集成芯，该第一加温通道与集成芯中的至少另一个通道具有热交换关系；以及（ｉｖ） 汽化通道，用以使液相物流汽化，并将该已汽化的液相物流排出集成芯，该汽化通道与集成芯中的至少另一个通道具有热交换关 系；并包括有一个分离区域，用以把来自分离装置的第二底部物流分离成富氧物流和富氮物流，其中富氮物流被返回导入分离装置，而富氧物流则被分离为气相物流和液相物流，气相物流被返回该分离区域中。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：TC恩古芸，B阿曼，DP波纳奎斯特，KK王，JF比林哈姆，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]