專利名稱：用多組分致冷劑流體致冷進(jìn)行低溫尤其深冷分離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明方法一般涉及為低溫分離混合物提供致冷，用于深冷分離特別有利。
在低溫分離中，對(duì)氣體混合物進(jìn)行致冷，維持低溫條件，以利于將該混合物分離為其要回收的組分。這些低溫分離的實(shí)例包括深冷空氣分離、天然氣改質(zhì)、粗合成氣中氫氣的回收和二氧化碳的生產(chǎn)。進(jìn)行必要致冷實(shí)現(xiàn)分離的一種方法是，通過流體渦輪膨脹，由其渦輪膨脹作用產(chǎn)生致冷，經(jīng)直接或間接的熱交換，實(shí)現(xiàn)分離。這樣的系統(tǒng)盡管有效，但能量消耗很多，產(chǎn)物回收下降，因而操作費(fèi)用高。
利用致冷回路，也可產(chǎn)生致冷作用，其中致冷流體經(jīng)壓縮及液化，再于給定溫度下進(jìn)行相變，從液體變?yōu)闅怏w，利用其蒸發(fā)潛熱達(dá)到冷卻的目的。這樣的致冷回路一般用于家用冰箱及空調(diào)。盡管這樣的致冷回路在給定溫度和在相對(duì)較高的低溫下致冷有效，但在需要在低溫而相對(duì)較寬的溫度范圍下，致冷卻不是非常有效。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種實(shí)現(xiàn)流體混合物低溫分離的方法，尤其深冷溫度下分離的方法，比傳統(tǒng)分離系統(tǒng)更有效，而無需利用渦輪膨脹產(chǎn)生分離必須的致冷作用。
只要閱讀本發(fā)明內(nèi)容，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的上述目的及其它目的是可以達(dá)到的。本發(fā)明的一個(gè)方面是一種分離流體混合物的方法包括(A)、壓縮一種多組分的致冷劑流體；(B)、冷卻該已壓縮的多組分致冷劑流體，使該多組分的致冷劑流體至少部分冷凝；(C)、使該冷卻后的已壓縮多組分致冷劑流體膨脹，產(chǎn)生致冷作用；(D)、應(yīng)用所述的致冷作用，維持一種流體混合物的低溫條件；(E)、分離該流體混合物為至少一種揮發(fā)性更高的蒸汽組分和至少一種揮發(fā)性較低的液體組分；和(F)、回收至少一種所述揮發(fā)性更高的蒸汽組分和揮發(fā)性較低的的液體組分。
本發(fā)明的另一方面為一種進(jìn)行進(jìn)料空氣深冷精餾的方法包括(A)、將進(jìn)料空氣送入深冷精餾裝置，利用深冷裝置中的深冷精餾作用分離空氣，生產(chǎn)至少產(chǎn)物氮和產(chǎn)物氧中的一種；(B)、壓縮一種多組分致冷劑流體，冷卻該已壓縮的多組分致冷劑流體，使該多組分致冷劑流體至少部分冷凝，膨脹該經(jīng)冷卻的已壓縮的多組分致冷劑流體，產(chǎn)生致冷作用，并利用所述致冷作用維持所述深冷精餾；和(C)、回收深冷精餾裝置中的至少一種產(chǎn)物氮或產(chǎn)物氧。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“致冷作用”指的是能夠從低溫系統(tǒng)，諸如低溫分離過程系統(tǒng)，將熱量排放至周圍氣氛中的作用。
這里所用術(shù)語(yǔ)“深冷精餾裝置”指的是一種通過深冷精餾方法分餾蒸餾混合物的裝置，包括一個(gè)或數(shù)個(gè)塔和附屬設(shè)備管線、閥門及熱交換裝置。
這里所用術(shù)語(yǔ)“進(jìn)料空氣”指的是一種主要包括氧、氮及氬的混合物，諸如環(huán)境空氣。
這里所用術(shù)語(yǔ)“塔”指的是，其中例如以一系列塔內(nèi)安裝縱向相間的塔盤或塔板，及/或諸如有序結(jié)構(gòu)或無規(guī)填料單元，通過汽液相逆流接觸，實(shí)現(xiàn)流體混合物分離的一種蒸餾或分餾塔或區(qū)，即一種接觸塔或接觸區(qū)。有關(guān)蒸餾塔的進(jìn)一步討論，參見R.H.Perry及C.H.Chilton編著“化學(xué)工程師手冊(cè)”第5版第13部分，“連續(xù)蒸餾方法”。
這里所用術(shù)語(yǔ)“復(fù)塔(double column)”指的是，壓力較高塔的上部通過熱交換與壓力較低塔的下部相關(guān)聯(lián)。有關(guān)復(fù)塔的進(jìn)一步討論，參見Ruheman“氣體分離”第VII章，工業(yè)空氣分離，牛津大學(xué)出版社(Oxford Universith Press)，1949。
汽液接觸分離過程取決于這些組分的蒸汽壓差。蒸汽壓高的組分(高揮發(fā)性或低沸點(diǎn))傾向于在汽相中濃縮，而蒸汽壓低的組分(或低揮發(fā)性或高沸點(diǎn))傾向于在液相中濃縮。蒸餾是可利用加熱液體混合物使得揮發(fā)性高的組分在汽相中濃縮，并因此又使揮發(fā)性低的組分在液相中進(jìn)行濃縮的分離過程。部分冷凝是可利用冷卻蒸汽混合物使易揮發(fā)性的組分濃縮在汽相中，又因此使揮發(fā)性低的組分濃縮在液相中的分離過程。精餾，或連續(xù)蒸餾，是將連續(xù)部分汽化和冷凝結(jié)合一起的分離過程，即通過汽相和液相逆流處理所達(dá)到的過程。汽相和液相逆流接觸，可以是絕熱的或非絕熱的，并可包括相間的積分(分段)或微分(連續(xù))接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過程排列通常交互地稱之為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。深冷精餾是在溫度至少部分處于150°K或低于150°K下進(jìn)行精餾的過程。
這里所用術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”指的是使兩種流體彼此不直接實(shí)體接觸或相互混合而進(jìn)行的熱交換過程。
這里所用術(shù)語(yǔ)“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹器”分別指的是使高壓液流穿過透平，降低流體壓力及溫度，從而產(chǎn)生致冷作用的方法和設(shè)備。
這里所用術(shù)語(yǔ)“膨脹”指的是降低壓力。
這里所用術(shù)語(yǔ)“產(chǎn)物氮”指的是氮濃度至少99mol％的流體。
這里所用術(shù)語(yǔ)“產(chǎn)物氧”指的是氧濃度至少70mol％的流體。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“可變負(fù)荷的致冷劑”指的是一種由兩種或數(shù)種組分構(gòu)成的混合物，各組分之比例致使這些組分的液相在該混合物泡點(diǎn)與露點(diǎn)之間經(jīng)歷連續(xù)的和不斷增加的溫度變化?；旌衔锏呐蔹c(diǎn)是在給定壓力下混合物全處于液相的溫度，但加入熱量就會(huì)開始形成與液相平衡的汽相?；旌衔锏穆饵c(diǎn)是在給定壓力下其混合物全為汽相的溫度，但取熱就會(huì)開始形成與汽相平衡的液相。因此，在混合物泡點(diǎn)與露點(diǎn)之間的溫度區(qū)域是汽液相平衡共存的區(qū)域。在本發(fā)明的實(shí)施中，泡點(diǎn)與露點(diǎn)的溫差對(duì)于可變負(fù)荷的致冷劑至少為10°K，優(yōu)選至少12°K，最優(yōu)選至少為50°K。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“碳氟烴”指的是下述物質(zhì)之一四氟甲烷(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(cyclo-C3F6)和八氟環(huán)丁烷(cyclo-C4F8)。
所里所用的術(shù)語(yǔ)“氫碳氟烴”指的是下述物質(zhì)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(C3H2F5)、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)及九氟戊烯(C5HF9)。
這里所用術(shù)語(yǔ)“氟醚”指的是下述物質(zhì)之一三氟甲氧-全氟甲烷(CF3-O-CF3)、二氟甲氧-全氟甲烷(CHF2-O-CF3)、一氟甲氧-全氟甲烷(CH2F-O-CF3)、二氟甲氧-二氟甲烷(CHF2-O-CHF2)、二氟甲氧-全氟乙烷(CHF2-O-C2F5)、二氟甲氧-1，2，2，2-四氟乙烷(CHF2-O-C2HF4)、二氟甲氧-1，1，2，2-四氟乙烷(CHF2-O-C2HF4)、全氟乙氧-氟代甲烷(C2F5-O-CH2F)、全氟甲氧-1，1，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)、全氟甲氧-1，2，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)、環(huán)-1，1，2，2-四氟丙醚(cyclo-C3H2F4-O-)、環(huán)-1，1，3，3-四氟丙醚(cyclo-C3H2F4-O-)、全氟甲氧-1，1，2，2-四氟乙烷(CF3-O-C2HF4)、環(huán)-1，1，2，3，3-五氟丙醚(cyclo-C3HF5-O-)、全氟甲氧-全氟丙酮(CF3-O-CF2-O-CF3)、全氟甲氧-全氟乙烷(CF3-O-C2F5)、全氟甲氧-1，2，2，2-四氟乙烷(CF3-O-C2HF4)、全氟甲氧-2，2，2-三氟乙烷(CF3-O-C2H2F3)、環(huán)-全氟甲氧-全氟丙酮(cyclo-CF2-O-CF2-O-CF3-)和環(huán)-全氟丙醚(cyclo-C3F6-O-)。
這里所用術(shù)語(yǔ)“大氣氣體”指的是下述一種氣體氮(N2)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、和氦(He)。
這里所用術(shù)語(yǔ)“無毒”指的是在按照合格暴露極限處理時(shí)不致造成嚴(yán)重或長(zhǎng)期危險(xiǎn)。
這里所用術(shù)語(yǔ)“難燃”指的是無閃點(diǎn)或閃點(diǎn)非常高，至少600°K。
這里所用術(shù)語(yǔ)“低臭氧消耗”指的是消耗臭氧的能力少于0.15，按蒙特利爾普若托公約所規(guī)定，其中二氯氟甲烷(CCl2F2)的消耗臭氧能力為1.0。
這里所用術(shù)語(yǔ)“非臭氧消耗”指的是沒有含氯、溴或碘原子的組分。
這里所用術(shù)語(yǔ)“正常沸點(diǎn)”指的是在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，即14.696磅/平方英寸(絕對(duì))的沸騰溫度。
唯一的附圖是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖，其中分離是深冷空氣分離，和一種多組分致冷劑流體致冷回路，用于產(chǎn)生致冷效應(yīng)，冷卻和由此保持深冷空氣分離裝置中的低溫。
這里將參照附圖對(duì)本發(fā)明詳加說明。圖中說明該深冷空分裝置有三個(gè)塔、一個(gè)有高壓和低壓塔的復(fù)塔及一個(gè)氬氣側(cè)壁塔。
請(qǐng)參照?qǐng)D，進(jìn)料空氣60經(jīng)主負(fù)荷壓縮機(jī)30壓縮至壓力達(dá)到一般在35至250磅/平方英寸(絕對(duì))的范圍。所得已壓縮進(jìn)料空氣61在后冷卻器(未示出)中經(jīng)冷卻移出壓縮熱，再經(jīng)凈化器50清除高沸雜質(zhì)，諸如水蒸汽、二氧化碳及烴類，然后將此已提純的進(jìn)料空氣流62分為兩部分，標(biāo)記為65及63。65的部分，一般包括20～35％的進(jìn)料空氣流62，經(jīng)增壓機(jī)31進(jìn)一步壓縮至更高的壓力，可高至1000psi。所得進(jìn)一步壓縮的進(jìn)料空氣流66經(jīng)后冷卻器(未示出)冷卻，移出壓縮熱，并在主或初熱交換器1中用返回物流間接熱交換，加以冷卻和至少部分冷凝。所得冷卻后的進(jìn)料空氣流67再分為物流68和69，物流68經(jīng)閥120進(jìn)入高壓塔10，物流69經(jīng)閥70進(jìn)入低壓塔11作為物流71。
進(jìn)料空氣流62的其余部分63則經(jīng)主熱交換器1間接與返回物流進(jìn)行熱交換，加以冷卻，并作為物流64進(jìn)入壓力一般操作在35至250psia范圍下的高壓塔10。在高壓塔10內(nèi)，進(jìn)料空氣經(jīng)深冷精溜作用分離為富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽以物流77從高壓塔10上部引出，在再沸器2中通過與低壓塔沸騰的底液的間接熱交換進(jìn)行冷凝。所得的富氮液體78返回塔10作為回流。一部分富氮液體79從塔10送至過熱降溫器6中，在其中受到過冷，形成過冷物流80。如果需要，可回收部分物流80作為液氮產(chǎn)物81，其濃度至少99mol％。余下的物流80以物流82送入塔11的頂部作為回流。
富氧液體從高壓塔10底部以物流83抽出，并送至過熱降溫器7中，使之過冷。所得過冷富氧液體84再分為兩部分85部分和88部分。85部分經(jīng)閥86和作為87送至低壓塔11。88部分經(jīng)閥95送至氬氣塔冷凝器3，使之部分汽化。所得蒸汽以物流94從冷凝器3中抽出，并送入低壓塔11。余下的富氧液體從冷凝器3中以物流93抽出，再與物流94合并，形成物流96，再送入低壓塔11。
低壓塔11操作在低于高壓塔10的壓力下，一般在15至100psia的壓力下。在低壓塔11內(nèi)，各種進(jìn)料經(jīng)深冷精餾分離為富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽以物流101從塔11上部抽出，再經(jīng)熱交換器6、7和1加溫，并以物流104作為氮產(chǎn)物回收，其含氮濃度至少99mol％，優(yōu)選至少99.9mol％，最優(yōu)選至少99.999mol％。為了控制產(chǎn)物純度，廢液物流97從塔11在物流101抽出口以下的位置抽出，再通過熱交換器6、7及1進(jìn)行加溫，并以物流100從系統(tǒng)中放出。富氧液體從塔11的下部以物流105抽出，此物流氧濃度一般在90至99.9mol％的范圍。如果需要可回收一部分105物流作為液態(tài)氧產(chǎn)物106。物流105的其余部分107用液體泵35泵打至較高壓力，再使加壓物流108在主熱交換器1中汽化，并作為高壓氧氣109產(chǎn)物加以回收。
將包括氧和氬的流體以物流110從低壓塔11送至氬氣塔12中，通過深冷精餾分離為富氬流體和富氧流體。將富氧流體從塔12的下部以物流111送至低壓塔11。富氬流體從塔12上部以蒸汽流89送至氬氣塔冷凝器3中，通過與前述部分汽化過冷富氧液體進(jìn)行熱交換加以冷凝。所得的富氬流體以物流90從冷凝器3抽出。部分91送至氬氣塔12作為回流，另一部分92作為氬氣產(chǎn)物加以回收，其氬濃度一般在95至99.9mol％的范圍。
現(xiàn)在更詳細(xì)地描述多組分致冷劑液體回路的操作，它用于產(chǎn)生全部致冷作用，送至深冷精餾裝置中，這樣就排除了采用工藝物流進(jìn)行渦輪膨脹致冷用于分離的必要性。
低溫分離過程要求致冷有幾個(gè)目的。第一，由于工藝設(shè)備操作在低溫下，促使熱量從環(huán)境氣氛進(jìn)入裝置，并隨設(shè)備表面、局部操作溫度和設(shè)備隔熱情況而異。第二，由于過程一般均涉及原料與返回物流間的熱交換，就存在與熱交換溫差相關(guān)過程中的凈熱輸入。第三，如果過程是由氣體進(jìn)料生產(chǎn)液體產(chǎn)物，則必須提供足夠的致冷作用以進(jìn)行液化。第四，對(duì)于采用泵送冷流體的那些過程，諸如液體泵送，這樣的泵能必須從工藝系統(tǒng)中排除。第五，對(duì)于那些利用液體泵送和汽化以提供高壓氣體產(chǎn)物的過程，一般稱為產(chǎn)物沸騰器的過程，由于在兩溫度位之間、于低壓和高壓水平引起液體汽化需要熱泵送。常常通過在高壓位下由部分進(jìn)料空氣提供這樣的熱泵送，但可提供外部系統(tǒng)的致冷來補(bǔ)充。最后，可能過程還會(huì)有其它熱輸入或致冷需求。
令人滿意的低溫分離操作，要求致冷足以抵銷所有對(duì)系統(tǒng)輸入的熱量，并由此維持與工藝相關(guān)的低溫。可以從上所列各種致冷要求看出，一般低溫分離過程在整個(gè)與分離相關(guān)的溫度范圍內(nèi)都有各種致冷的需求，即從環(huán)境溫度至該分離過程中的最冷溫度。一般，進(jìn)料物流對(duì)返回物流所用進(jìn)行冷卻的熱交換器，應(yīng)包括整個(gè)與分離過程相關(guān)的溫度范圍。因此這種交換器才適合提供所需的致冷。可將多組分致冷劑流體加至熱交換器中，以得到在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的可變致冷。按照各溫度的需要，提供這種可變致冷，可以使復(fù)合熱交換器的冷卻和加溫曲線一致，從而減少分離過程能量需求。這種在整個(gè)溫度位上使熱交換器內(nèi)致冷需求與供應(yīng)相等，可使熱交換器全范圍操作在均勻或大致均勻的溫差下。盡管上述狀況是本發(fā)明的優(yōu)選操作，但應(yīng)當(dāng)明白，對(duì)該操作允許有一些合理偏差。例如，眾所周知，在低溫下使冷卻與加熱曲線的一致是更重要的。由此，合理的系統(tǒng)可能在200°K以下有比在200至300°K區(qū)間更接近一致的曲線。此外，盡管優(yōu)選的是將多組分致冷劑回路結(jié)合至全范圍的熱交換器中，但只在熱交換器部分區(qū)段內(nèi)包括該致冷劑回路也是可接受的。
以下描述說明在主熱交換器1全范圍內(nèi)提供致冷的多組分致冷劑流體系統(tǒng)。多組分致冷劑流體201經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)34壓縮至一般在60至600psia的壓力范圍，產(chǎn)生已壓縮致冷劑流體202。此已壓縮致冷劑流體經(jīng)后冷卻器4冷卻，取出壓縮熱，并可部分冷凝。該多組分致冷劑流體以物流203再送經(jīng)熱交換器1，進(jìn)一步冷卻，使之至少部分冷凝，和可完全冷凝。經(jīng)冷卻后的已壓縮多組分致冷劑流體204，再經(jīng)閥205進(jìn)行膨脹或節(jié)流。節(jié)流優(yōu)選使該多組分致冷劑流體部分汽化，冷卻該流體和產(chǎn)生致冷作用。對(duì)于某些有限情況，取決于熱交換器的條件，此已壓縮流體204在膨脹前可以是過冷的液體，和可以根據(jù)初期膨脹保持液態(tài)。然后，經(jīng)熱交換器加熱，該流體出現(xiàn)兩相。此流體經(jīng)閥門進(jìn)行壓力膨脹，就產(chǎn)生所謂焦耳湯姆遜效應(yīng)的致冷作用，即在等熵下壓力膨脹引起流體溫度下降。但是，在某些情況下，通過利用兩相或液體膨脹透平能使流體發(fā)生膨脹，於是流體因做功膨脹，而溫度下降。
具有致冷作用的多組分兩相致冷劑流206通過熱交換器1，進(jìn)行加溫和完全汽化，從而通過間接熱交換的作用，冷卻物流203，和也將致冷傳遞給熱交換器內(nèi)的工藝物流，包括進(jìn)料空氣流66和63，因此將多組分致冷劑流體的致冷回路所產(chǎn)生的致冷作用送至深冷精餾裝置中，支持分離過程的進(jìn)行。將所得加溫多組分致冷劑流體以蒸汽流201循環(huán)回壓縮機(jī)34和重新開始新的致冷循環(huán)。在此多組分致冷劑流體的致冷循環(huán)中，盡管高壓混合物在進(jìn)行冷凝，低壓的混合物在沸騰，而與之相反，亦即冷凝熱煮沸了低壓液體。在每一溫度位上，汽化與冷凝間的凈差就產(chǎn)生了致冷作用。對(duì)于一給定的致冷劑組分的組合，混合物的組成，流率和壓力位就決定了每一溫度位下可達(dá)到的致冷作用。
此多組分致冷劑流體含有兩種或數(shù)種組分，以提供所需每一溫度下的致冷作用。致冷劑組分的選擇將取決于具體工藝應(yīng)用場(chǎng)合的致冷作用對(duì)溫度的負(fù)荷。適宜的組分將根據(jù)它們正常沸點(diǎn)、潛熱、易燃性、毒性及臭氧消耗能力加以選擇一組用于實(shí)施本發(fā)明的多組分致冷劑流體的優(yōu)選實(shí)施方案，包括選自碳氟烴、氫碳氟烴和氟醚的至少兩種組分。
另一組用于實(shí)施本發(fā)明的多組分致冷劑流體的優(yōu)選實(shí)施方案，包括選自碳氟烴、氫碳氟烴和氟醚的至少一種組分，和至少一種大氣氣體。
還有另一組用于實(shí)施本發(fā)明的多組分致冷劑流體的優(yōu)選實(shí)施方案，包括選自碳氟烴、氫碳氟烴和氟醚的至少二種組分，和至少二種大氣氣體。
還有另一組用于實(shí)施本發(fā)明的多組分致冷劑流體的優(yōu)選實(shí)施方案，包括至少一種氟醚和至少一種選自碳氟烴、氫碳氟烴、氟醚和大氣氣體的組分。
在一組優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體是僅由碳氟烴組成。在另一組優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體是只由碳氟烴和氫碳氟烴所組成。在另一組優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體是只由碳氟烴和大氣氣體所組成。在另一組優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體是只由碳氟烴和氫碳氟烴及氟醚所組成。在另一組優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體是只由碳氟烴和氟醚和大氣氣體所組成。
用于實(shí)施本發(fā)明的多組分致冷劑流體可含有其它組分，諸如氫氯碳氟烴類及/或烴類。優(yōu)選的是，該多組分致冷劑流體不含氫氯碳氟烴類。在另一組優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體不含烴類。最優(yōu)選的是，該多組分致冷劑流體既不含氫氯碳氟烴類，也不含烴類。最優(yōu)選的是，該多組分致冷劑流體是無毒、不易燃和不消耗臭氧的，和最優(yōu)選的是該多組分致冷劑流體的各組分都是碳氟烴、氫碳氟烴、氟醚或大氣氣體。
本發(fā)明特別有利的是，用于從環(huán)境溫度有效達(dá)到深冷溫度。表1至表5列出了可用于本發(fā)明的多組分致冷劑流體混合物的優(yōu)選實(shí)施例。表中所列濃度范圍為摩爾百分?jǐn)?shù)。
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C3H3F55-25C3H3F60-15C2H2F40-20C2HF55-20
C2F60-30CF410-50Ar 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本發(fā)明特別適用于提供寬溫度范圍的致冷，特別是包括深冷溫度的場(chǎng)合。在一組本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中，致冷劑混合物的兩個(gè)或數(shù)個(gè)組分的每一個(gè)組分所具有的正常沸點(diǎn)應(yīng)與該致冷劑混合物中每一其它組分的正常沸點(diǎn)相差至少5°K，更優(yōu)選地是至少10°K，最優(yōu)選的是至少20°K。這樣就可提高了在寬溫度范圍內(nèi)提供致冷作用的效率，特別是在包括深冷溫度的范圍內(nèi)。在本發(fā)明具體優(yōu)選實(shí)施方案中，該多組分致冷劑流體混合物中沸點(diǎn)最高組分的正常沸點(diǎn)比該多組分致冷劑流體混合物中沸點(diǎn)最低組分的正常沸點(diǎn)高至少50°K，優(yōu)選至少100°K，最優(yōu)選至少200°K。
盡管在


中的多組分致冷劑流體流回路是一種封閉單流回路，但在特殊場(chǎng)合可能希望采用其它流路排列。例如，最好利用多個(gè)獨(dú)立流回路，各回路有其自己的致冷劑混合物和過程條件。這樣的多回路更易于提供不同溫度范圍的致冷，并可降低致冷劑系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，最好包括在一個(gè)或數(shù)個(gè)溫度下的該流回路的相分離過程，以利于某些致冷劑流體的內(nèi)循環(huán)。致冷劑流體流的這種內(nèi)循環(huán)可避免不必要的致冷劑冷卻過程，防止致冷劑液體的結(jié)冰。
構(gòu)成這些用于實(shí)施本發(fā)明多組分致冷劑流體的組分及其濃度，更能夠形成一種可變負(fù)荷的多組分致冷劑流體，并優(yōu)選在本發(fā)明方法的全溫度范圍內(nèi)可以保持這樣的可變負(fù)荷特征。這樣顯然提高了在這樣寬的溫度范圍內(nèi)都能產(chǎn)生和利用該致冷作用的效率。這些組分的有限制的優(yōu)選組合還有另外一個(gè)好處，即可利用它們來形成無毒、難燃及低或無臭氧消耗的流體混合物。這就提供了另外一些優(yōu)點(diǎn)，即優(yōu)于有毒、易燃和消耗臭氧的傳統(tǒng)致冷劑。
一種用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選可變負(fù)荷的多組分致冷劑流體，即無毒、難燃和不消耗臭氧的，包括選自下述組合的兩組分或數(shù)組分C5F12、CHF2-O-C2HF4、C4HF9、C3H3F5、C2F5-O-C2HF、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及He。
盡管已經(jīng)參考某些優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳述，但對(duì)于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員均會(huì)承認(rèn)，仍然還有一些本發(fā)明的其它實(shí)施方案是在本發(fā)明精神和權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的。例如，本發(fā)明可結(jié)合其它深冷空氣分離系統(tǒng)和其他深冷分離體系諸如天然氣改質(zhì)和氫氣或氦氣回收加以實(shí)施的。也可以用它來完成非深冷的低溫分離，諸如回收二氧化碳。
權(quán)利要求
1.一種分離流體混合物的方法，包括(A)、壓縮一種多組分的致冷劑；(B)、冷卻該已壓縮多組分致冷劑流體，使該多組分的致冷劑流體至少部分冷凝；(C)、膨脹該經(jīng)冷卻的已壓縮多組分致冷劑流體，產(chǎn)生致冷作用；(D)、應(yīng)用所述的致冷作用維持流體混合物的低溫條件；(E)、分離該流體混合物，使之成為至少一種揮發(fā)性更高的蒸汽組分和至少一種揮發(fā)性較低的液體組分；和(F)、回收至少一種所述的揮發(fā)性更高的蒸汽組分和揮發(fā)性較低的液體組分。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中該流體混合物的分離是在一套深冷精餾裝置中完成的。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中該經(jīng)冷卻后已壓縮的多組分致冷劑流體的膨脹形成兩相的多組分致冷劑流體。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中該多組分致冷劑流體包括至少一種選自碳氟烴、氫碳氟烴和氟醚的組分和至少一種大氣氣體。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中該多組分致冷劑流體包括至少選自碳氟烴、氫碳氟烴和氟醚的兩種組分和至少兩種大氣氣體。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其中該多組分致冷劑流體包括至少一種氟醚和至少一種選自碳氟烴、氫碳氟烴、氟醚和大氣氣體的組分。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中該多組分致冷劑流體的沸點(diǎn)最高組分的正常沸點(diǎn)高于該多組分致冷劑流體中沸點(diǎn)最低組分的正常沸點(diǎn)至少50°K。
8.一種進(jìn)行進(jìn)料空氣深冷精餾的方法，包括(A)、將進(jìn)料空氣送入深冷精餾裝置，在深冷精餾裝置內(nèi)通過深冷精餾分離進(jìn)料空氣，產(chǎn)生至少一種產(chǎn)物氮或產(chǎn)物氧；(B)、壓縮一種多組分致冷劑流體，冷卻該經(jīng)壓縮的多組分致冷劑流體，使該多組分致冷劑流體至少部分冷凝，膨脹該經(jīng)冷卻已壓縮的多組分致冷劑流體，產(chǎn)生致冷作用，并利用所述致冷作用維持所述深冷精餾；及(C)、回收來自深冷精餾裝置的至少一種產(chǎn)物氮或產(chǎn)物氧。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中由該多組分致冷劑流體的膨脹產(chǎn)生的致冷作用是唯一用來維持深冷精餾的致冷作用。
10.按照權(quán)利要求8的方法，其中該多組分致冷劑流體的壓縮、冷卻及膨脹是在一封閉回路中完成的。
全文摘要
一種低溫分離流體的方法,其中分離過程是依靠由多組分致冷劑流體的循環(huán)所產(chǎn)生的致冷作用來維持的。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1263247SQ99127428
公開日2000年8月16日 申請(qǐng)日期1999年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者B·阿曼, D·P·波納奎斯特, J·A·韋伯, M·E·溫塞特 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司