專利名稱：用于在將空氣引入低溫空氣分離裝置之前預處理該空氣的方法及相應設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種預處理大氣空氣的方法，尤其涉及一種在特別通過低 溫蒸餾來低溫分離大氣空氣之前預處理所述空氣的方法、 一種預處理裝置 和一種包括這種預處理裝置的分離裝置。
背景技術：
已知大氣空氣含有在將所述空氣引入空氣分離裝置的冷芯盒的熱交換
器中之前必須去除的化合物，尤其是化合物二氧化碳(co2)和水蒸汽
(H20)。
這是由于，在不進行這種用于去除雜質、C02和水的空氣預處理的情
況下，這些雜質在空氣冷卻到低溫溫度時將冷凝并固化成冰，這樣會產(chǎn)生 在設備中尤其是在熱交換器、蒸餾塔等中的堵塞問題。
目前，這種空氣預處理是在空氣壓縮機下游按兩個階段實施的
a )通過管式熱交換器和/或通過直接與水接觸的冷卻塔來預冷由壓縮 機輸出的空氣。
一般，這種預冷卻按兩步進行。
在第一步中，這樣將空氣冷卻到接近環(huán)境溫度的溫度
-或者通過與大氣空氣(空氣冷卻塔)間接熱交換；
-或者通過與管式熱交換器中的冷卻水間接熱交換一該冷卻水通過直 接熱交換(大氣空氣塔)或者間接熱交換(水冷卻塔)冷卻；
-或者通過與填料塔中的冷卻水直接熱交換一塔中的填料可以是松散 的或有序的并與金屬(不銹鋼)或塑料(聚丙烯)的溫度水平有關。
在可能可選的第二步驟中，這樣將空氣冷卻到遠低于環(huán)境溫度的溫度 -或者通過與在管式熱交換器中汽化的冷卻劑(NH3、 R134a等)間接
熱交換，然后在這種冷卻劑膨脹并被引入管式熱交換器之前將該冷卻劑壓
縮并使之在接近環(huán)境溫度的溫度下再冷凝一這稱為空氣制冷； -或者通過與管式熱交換器中的"冷"水間接熱交換； -或者通過與填料塔中的"冷"水直接熱交換；如果在第一步驟中選用
填料塔，則使用兩級塔，也就是說，將這兩個預冷卻步驟合并到一個并且
是同一塔中進行。
這種"冷"水可以通過多種方式得到
-或者通過與在管式熱交換器中汽化的冷卻劑(NH3、 R134a等)間接 熱交換；然后在該冷卻劑膨脹并^:引入管式熱交換器之前于將該冷卻氣壓 縮并使之在接近環(huán)境溫度的溫度下再冷凝一這稱為水制冷；
-或者通過在填料塔中與從低溫空氣分離裝置出來的干燥的脫碳流體 直接熱交換；這種流體通常是"廢"氮氣，因為它是利用空氣生產(chǎn)氧氣的 不能利用的副產(chǎn)品 一該填料塔稱為水氮塔.
b )通過用TSA (變溫吸附)法或者PSA (變壓吸附)法吸收水蒸汽 和二氧化碳以凈化空氣。
通常，去除C02和水蒸汽是在多個吸附劑層上進行的，所述吸附層即
用于優(yōu)選阻止水份的第一吸附劑層一例如活性氧化鋁層，和用于優(yōu)選阻止 C02的第二吸附劑層一例如沸石層，大氣空氣含有350ppm的C02，但在 排放大量C02的某些工業(yè)場所，空氣中C02含量值顯然更高(高達600ppm
的co2)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于通過與水直接熱交換來預處理含 C02的空氣以使空氣冷卻的方法，其特征在于，改變用于這種熱交換的水 的酸-堿平衡，以使水的pH值高于7，并使水吸收空氣中所含的相當大部
分的co2。
按照其它可選的方面
-通過直接接觸進行的熱交換是利用松散或有序的填料實施的；
-在水中對C02的吸收包括下列化學平衡中的至少一個 C02 ( g ) ~~ C02 ( aq ) (1)，其中g和aq分別表示氣相和溶解相； C02 ( aq ) + H20 ^~~ <formula>formula see original document page 6</formula>
-水的溫度顯著低于環(huán)境溫度和/或低于通過直接與大氣空氣熱交換所 得到的冷卻水的溫度；
-改變水的酸-堿平衡以使水的pH值高于8;
-水中含有鈣，并且在水和空氣直接接觸期間發(fā)生下列化學平衡
<formula>formula see original document page 6</formula>
-使水在吸收C02之后與干燥的脫碳(除去碳酸，除去二氧化碳)流體
接觸，從而該流體充滿C02;
-所述干燥的脫碳流體來自低溫空氣分離裝置； -所述干燥的脫碳流體富含氮(氣)；
-所述干燥的脫碳流體處在低于已冷卻的空氣的壓力的壓力下； -所述干燥的脫碳流體處在接近大氣壓力的壓力下； -在水和空氣直接接觸時發(fā)生碳酸釣(CaC03)的沉淀； -將固體碳酸鉤與水分離；
-將第一產(chǎn)品注入水中，以保持水的吸收性(吸收能力)并改變水的 pH值；
-所述第一產(chǎn)品屬于堿性類型，尤其是石灰、氫氧化鈉或氫氧化銨(氨 水)；
-所述產(chǎn)品屬于酸性類型，尤其是鹽酸；
-所述干燥的脫碳流體由與將使用所述空氣的空氣分離裝置相同的空 氣分離裝置輸出。
按照其它可選的方面，這種預冷卻的特征在于
-用于吸收C02的水是"冷"水，因為水的溫度越低，它可吸收的C02
的量越大；
-水的pH值高于8;
-吸收還涉及一種鉤的化學平衡，例如
CaC03 ~~^ Ca2++C032 (5);
-通過使充滿C02的水與干燥的脫碳流體接觸而將C02解吸并去除，
這樣干燥的脫碳流體將充裝滿co2,所述流體優(yōu)選來自低溫空氣分離裝置， 并伴隨通過在填料塔中直接熱交換使水冷卻； -這種干燥的脫碳流體富含氮；
-這種干燥的脫碳流體處在低于空氣壓力的壓力下，從而使解吸更容
易；
-將C02解吸并同時以固體碳酸鈞沉淀的形式去除該co2，該沉淀涉 及上述類型(5)的釣化學平衡；
-將C02解吸，同時通過使充滿C02的水與干燥的脫碳流體接觸和使
固體碳酸釣沉淀的組合去除該C02，所述流體則充滿C02;
國將一種產(chǎn)品注入該預冷卻系統(tǒng)中，以用于保持水的吸收性，尤其是通 過改變水的pH值(來保持吸收性)；
-這種用于保持水的吸收性的產(chǎn)品是堿性類型；
-這種堿性類型的產(chǎn)品是可能經(jīng)過稀釋的氫氧化鈉NaOH;
-這和堿性類型的產(chǎn)品是石灰Ca(OH)2，其形式為溶液和/或水相懸浮
體；
-這種堿性類型的產(chǎn)品含有形式為NH3 ( aq )(氫氧化銨)或者NH4+ (銨鹽)的氨；以及
-如果水的堿性過強，則這種用于保持水的吸收性的產(chǎn)品是酸性產(chǎn)品。 本發(fā)明的另一目的是提供一種包括冷卻塔的空氣預處理裝置，該冷卻 塔通過含co2的空氣與水之間的直接熱交換進行冷卻，用于這種熱交換的 水呈pl^7的堿性，其特征在于，該預處理裝置包括用于在冷卻塔的上游 向水中添加至少一種第一堿性產(chǎn)品以改變水的酸-堿平衡的裝置。
本發(fā)明的再一目的是提供一種用于從空氣中低溫地分離氣體的分離裝 置，該分離裝置包括具有冷卻塔的裝置，該冷卻塔通過含C02的空氣與水
之間的直接熱交換進行冷卻，用于這種熱交換的水呈pH>7的堿性，其特 征在于，該分離裝置包括用于在冷卻塔的上游向水中添加至少一種第一堿 性產(chǎn)品以改變水的酸-堿平衡的裝置。


圖1示出用于在尤其通過低溫蒸餾而低溫分離大氣空氣之前壓縮、預 冷卻、預處理和/或凈化所述空氣的方法。
具體實施例方式
包括多個壓縮級2和中間冷卻器3的壓縮機1將空氣按常規(guī)壓縮到約 6絕對巴(可在3.5-35絕對巴)的壓力，并使空氣以約100C的溫度離開最 后的壓縮級。然后該空氣4被引入兩級填料塔5，在該填料塔中空氣首先 在填料塔5的下部6中通過與冷卻水8直接接觸而冷卻到約35X:的溫度。 該冷卻水8預先用來自冷卻水總管11的泵10壓縮。該冷卻水在45匸的溫 度下離開填料塔5的下部6 (流體9)。該空氣在約35t:的溫度下離開該 下部6。應該理解，這種冷卻裝置可用本文的前序中所述的裝置代替。
在填料塔的上部7中，空氣通過與處于很大的堿性pH ( pH值在8至 12之間)的"冷"水12直接接觸而冷卻，所述水吸收空氣中所含的相當 大部分的C02。離開填料塔的上部7的水13處于約30X:的溫度所述水 13不返回填料塔的下部6,而是整體地或至少大部分在填料塔5的中間高 度處排出?？諝?中的C02含量通常約為10-50ppm,并且該空氣的溫度 約為12'C。充滿C02的水13可部分地凈化15，然后在岡16中膨脹到接 近大氣壓的壓力，并被引入填料塔17中，在所述填料塔17中它通過與由 低溫空氣分離裝置(未示出)所輸出的干燥且脫碳的廢氮氣18直接接觸而 冷卻。在同一填料塔17中，上述水至少部分地解吸(釋放)它所含的C02。 從填料塔17出來的廢氮氣19用7JC飽和并含有由水解吸的C02。在離開填
料塔時，水20的溫度為12。C。該7JC在泵21中被壓縮，并接收第一產(chǎn)品22 的注入，所述第一產(chǎn)品可以是堿性的，例如石灰、氫氧化鈉或氫氧4匕銨。 這種產(chǎn)品的注入改變水的pH值，以有效吸收C02。上述產(chǎn)品可在填料塔 5的緊前面注入，或者在水循環(huán)12、 13、 20中的任何地方注入。堿性產(chǎn)品 的注入通過用于測量水的pH值的檢測器控制，或者通過用于測量凈化空 氣14中的C02含量的檢測器控制。同樣，如果已經(jīng)將過多的堿性產(chǎn)品送 到水中，則可以證明通過加入酸性的第二產(chǎn)品例如鹽酸來校正pH值以保 持水吸收C02的能力是必要的。在產(chǎn)品22的注入點的上游和下游，水可 能已去除其中至少一部分固體懸浮物，該懸浮物主要由CaC03組成。保持 水相的懸浮物中的一部分固體以用作沉淀核可能是有用的。
然后干燥離開塔5的空氣14，并在兩個吸收裝置23的一個中4吏之完 全脫碳，所述吸收裝置通常含有氧化鋁層和分子篩層。同時，另一吸收裝 置可以通過另一部分由低溫空氣分離裝置所輸出的干燥的經(jīng)過脫碳的廢氮 氣24再生，所述廢氮氣可能在熱交換器25中加熱。通過閥系統(tǒng)26，所述 吸收裝置以吸收方式和然后的再生方式交替使用。離開吸收裝置23的空氣 27是干燥并且脫碳的，因此可以被引入到低溫空氣分離裝置中。
權利要求
1.一種方法，該方法用于通過直接與水(12)熱交換而預處理含CO2的空氣(4)以使空氣冷卻，其中，改變用于這種熱交換的水的酸-堿平衡，以使水的pH值高于7并使水吸收空氣中所含的大部分的CO2，其特征在于，使水在吸收CO2之后與來自低溫空氣分離裝置的干燥的脫碳流體(18)接觸，從而該流體充滿CO2；以及將經(jīng)預處理的空氣送到空氣分離裝置中。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過直接接觸進行的熱交 換是利用松散或有序的填料實施的。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在水中對C02的吸收 涉及下列化學平衡中的至少一個<formula>formula see original document page 2</formula> (1)，其中g和aq分別表示氣相和溶解相； <formula>formula see original document page 2</formula>(2 ); <formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>(4)。
4. 如上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，水(12)的溫度顯 著低于環(huán)境溫度和/或低于通過直接與大氣空氣熱交換所得到的冷卻水的 溫度。
5. 如上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，改變水的酸-堿平衡 以使水的pH值高于8。
6. 如上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述水含有鉀，在 水與空氣直接接觸期間發(fā)生下列化學平衡<formula>formula see original document page 2</formula>
7. 如權利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述干燥的脫碳流 體(18)富含氮。
8. 如權利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述干燥的脫碳流 體(18)處在低于已冷卻的空氣的壓力的壓力下。
9. 如權利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述干燥的脫碳流 體(18)處在接近大氣壓力的壓力下。
10. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在水與空氣直接接觸時 發(fā)生碳酸鉤(CaC03)的沉淀。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，從水中分離固體碳酸鈣。
12. 如上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，將第一產(chǎn)品(22 ) 注入到水中，以便保持水的吸收性并改變水的pH值。
13. 如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)品(22)是堿 性的，尤其是石灰、氫氧化鈉或氫氧化銨。
14. 如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)品是酸性的， 尤其是鹽酸。
15. —種低溫空氣分離裝置，包括空氣預處理裝置，所述空氣預處理 裝置包括冷卻塔(5),其通過含C02的空氣和水之間的直接熱交換進行 冷卻，用于這種熱交換的水呈pH>7的堿性，其特征在于，該低溫空氣分 離裝置包括用于通過在冷卻塔的上游向水中添加至少第一堿性產(chǎn)品來改變 水的酸-堿平衡的裝置(22)、用于使已吸收C02的水與從低溫空氣分離裝 置出來的干燥的脫碳流體(18)接觸的裝置以及用于將經(jīng)過預處理的空氣 送到空氣分離裝置的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在將空氣引入低溫空氣分離裝置之前預處理所述空氣的方法并涉及相應的設備。在用于通過與水(12)直接熱交換而冷卻含CO₂的空氣的方法中，改變所用水的酸-堿平衡，以使其pH值大于7，以及使水吸收空氣中所含的相當大一部分CO₂。
文檔編號B01D53/14GK101099069SQ200680001748
公開日2008年1月2日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權日2005年1月7日
發(fā)明者J-P·特拉尼耶, S·莫雷烏 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司