用于纯化、冷却和分离气体混合物的方法及相关设备技术

本发明专利技术涉及一种用于冷却、纯化和分离含有至少一种杂质的气体混合物(1)的方法，其中该气体混合物被冷却到以下温度，该温度不高于该至少一种杂质在具有冷却通道的热交换器(3，3A)中固化的温度，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该固化的杂质形成和/或粘附到这些通道的表面上；收集离开该热交换器的这些冷却通道的该固化的杂质的至少一部分(5B，19)；并且从该热交换器排出该气体混合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种用于纯化、冷却和分离气体混合物的方法并且涉及一种用于纯化和冷却气体混合物的设备。当气体混合物必须被冷却到低于液化温度、或者甚至它包含的气体组分之一的固化温度的温度时，这会造成特殊的问题。如果用于冷却该气体混合物的热交换器是，例如，包括该气体混合物在其中冷却的通道的板翅式交换器，则这些通道具有被在通道的壁上形成固体阻塞的风险。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。本专利技术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。本专利技术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(JournalofAdhesionScienceandTechnology)，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(ColdRegionsScienceandTechnology)，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.ForoughiMobarakeh、R.Jafari和M.Farzaneh，应用表面科学(AppliedSurfaceScience)，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。在本专利技术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(AppliedMaterialsandInterfaces)，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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于冷却、纯化和分离含有气体混合物的至少一种杂质的气体混合物(1)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(3，3A，3a，3b)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这些冷却通道和/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(5B，10B，19)并且从该热交换器、优选在冷端排出任选地至少部分液化的该气体混合物，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(27)以便通过在低温、或甚至深冷温度下蒸馏来分离，以便产生两种流体(43，45，47)，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)在进行该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的每个交换主体中冷却，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，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。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.30 FR 14540001.一种用于冷却、纯化和分离含有气体混合物的至少一种杂质的气体混合物(1)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(3，3A，3a，3b)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这些冷却通道和/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(5B，10B，19)并且从该热交换器、优选在冷端排出任选地至少部分液化的该气体混合物，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(27)以便通过在低温、或甚至深冷温度下蒸馏来分离，以便产生两种流体(43，45，47)，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)在进行该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的每个交换主体中冷却，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，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。2.如权利要求1所述的方法，其中该气体混合物(1)在该热交换器(3，3A，3a，3b)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。3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于相分离器(17)和/或蜗杆(17A)在该热交换器(3，3A，3a，3b)的下游收集该固化的杂质的至少一部分。4.如前述权利要求之一所述的方法，其中在该热交换器(3，3A，3a，3b)的下游和/或在该热交换器的至少一个中间水平处处理该经冷却的气体混合物以便消除该呈气态和/或液体和/或固体形式的杂质(5B，10B)。5.如权利要求4所述的方法，其中该气体混合物(1)在该热交换器(3，3A，3a，3b)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，将该气体混合物的至少一部分(5)从该交换器中取出以消除该杂质的呈液体形式的一部分(5B，10B)并且将该气体混合物的含有某种杂质的至少一部分送回该热交换器以便将其冷却至这种杂质的固化温度。6.如权利要求4或5所述的方法，其中存在于该热交换器(3，3A，3a，3b)的被称为热端的入口处的该杂质的至少50％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。7.如权利要求6所述的方法，其中该热交换器(3，3a，3b)的热端被置于比该冷端更高的水平处。8.如权利要求1至7之一所述的方法，其中在倒U形交换器的情况下该热交换器(3，3a，3b)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％在该热交换器的被称为热端的入口处通过在该...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪尧姆·卡东，安东尼·科雷亚阿纳克莱托，伯诺瓦·达维迪安，尤恩·勒古卢德可，克莱蒙特·莱克斯，昆廷·萨尼斯，伯纳德·索尼耶，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR