一种等压分离制取氧氮的空分装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种等压分离制取氧氮的空分装置，该装置包括空气纯化系统、预冷系统、精馏系统和补冷系统，所述补冷系统，是指从液氮贮罐(18)出来的液氮(19)，经液氮泵(20)、回冷器(21)、入塔液氮洗管线进入上塔，补入精馏系统需要的冷量，成为从上塔顶部出来的低温氮气(23)的一部分，经主冷交换器(6)过热后抽出，成为过热氮气(24)，再经膨胀机(25)、回冷器(21)，返回液氮贮罐(18)，从而形成补冷系统的液氮冷力循环回路。本实用新型的空分装置，相同制冷量的前提下，较传统先进机组节能30%以上，设备及材料用量少，操作、调节灵活方便，同时通过空分装置能方便实现多压力级、多气体供气，能够实现低能耗集中供气，是对传统空分技术及理论的突破，经济、社会、环保效益显著。
【专利说明】一种等压分离制取氧氮的空分装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等压分离制取氧氮的空分装置，具体属深度冷冻【技术领域】。
【背景技术】
[0002]国民经济的高速发展，离不开空气分离装置。所谓空气分离装置(简称空分装置， 通称制氧机)是指利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据各组分沸点的不同，在精馏塔内 进行精馏，最后获得氧、氮，或同时提取一种或几种稀有气体的装置。
[0003]1939年，苏联科学家卡皮查院士发明高效率(> 80%)径流向心反动式透平膨胀 机，为全低压制氧机的诞生创造了条件。卡皮查透平膨胀机是近代世界各国透平膨胀机发 展的基础，卡皮查低压液化循环是现代大型制氧机的基础。在低温【技术领域】是继1852年英 国科学家焦耳和汤姆逊发现焦耳-汤姆逊效益为第一里程碑，“克劳特循环”的发明与实现 为第二里程碑，“卡皮查循环”及全低压制氧机的问世被称为第三里程碑。
[0004]随着钢铁冶金、化工，尤其是煤化工等行业对氧气、氮气等空分产品需求的增长， 制氧机已向大型化、超大型化方向发展，国内超大型制氧机已达到90000m3/h等级，制氧的 新技术新工艺也层出不穷，国内低温法制氧流程已达到第六代新流程全面普及的程度。制 氧单耗已经从原来的大于3kw *h/m302降至0.37kw *h/m302左右,制氧机的产品也不再是单 一的气氧，既有气体产品又有液体产品，而且产纯氧、纯氮、纯氩，以及稀有气体提取。制氧 技术和制氧机的发展始终围绕着安全、智能、节能，简化流程、减少投资的方向进行着。
[0005]下面是4种典型传统流程的简要说明:
[0006]附图1是管式3200m3/h制氧机流程示意图。该类型制氧机采用高效透平膨胀机制 冷全低压流程，即以卡皮查循环为基础，用嵌有蛇管的石头填料蓄冷器冻结清除水分和二 氧化碳，用中部抽气保证其不冻结性，用中抽二氧化碳吸附器4清除中抽气中的二氧化碳。 富氧液空经液空吸附过滤器过滤二氧化碳干冰，吸附液空中的乙炔，设有液氧泵，将液氧循 环经液氧吸附器清除液氧中的乙炔，以保证制氧机安全运行。装置中采用长管式冷凝蒸发 器，以提高传热效率。管内是液氧沸腾，管间气氮冷凝。膨胀机的工质是空气。中抽气由中 抽二氧化碳吸附器清除二氧化碳后与下塔来的旁路气汇合一起进入膨胀机，膨胀后气体 进入上塔即拉赫曼气。
[0007]附图2是可逆式换热器自清除IOOOOmVh制氧机流程示意图。该制冷系统是以卡 皮查循环为基础的全低压循环。采用高效透平膨胀机，膨胀工质为空气，利用电机制动回收 部分膨胀功。净化系统采用板翅式可逆式换热器对水分、二氧化碳自清除。设置液空吸附 器清除富氧中的乙炔。用液氧泵使冷凝蒸发器中的部分液氧循环利用液氧吸附器清除液氧 中的乙炔及其他碳氢化合物。装置中的全部换热器都采用高效的板翅式换热器，因此也可 称全板式万立制氧机。精馏塔为带辅塔的双级精馏塔。膨胀后气体进入上塔，这股拉赫曼 气使制氧机的制冷系统与精馏系统有机地联系起来。
[0008]附图3是30000mVh外压缩制氧机流程示意图。图3中:AC_空气冷却塔，AF-空 气过滤器，AP-液氩泵，TC-空气离心压缩机，BTl-增压机(膨胀机)，Cl-下塔，C2-上塔，C701-粗氩塔I，C702-粗氩塔II，C703-精氩塔，El-主换热器，E2-液空液氮过冷器，EH-电加热器，ETl-透平膨胀机，Kl-主冷凝蒸发器，K701-粗氩冷凝器，K702-粗氩液化器，K704-精氩蒸发器，MS1、MS2-分子筛纯化器；PV701-液氮平衡器，WC-水冷却塔，WPl、WP2-水泵。该制氧机即第六代空分流程。空气经离心式压缩机压缩后经分子筛纯化器清除加工空气中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳氢化合物。而后空气进入板翅式主热交换器冷却至饱和温度进入下塔。液化循环采用卡皮查循环，采用增压透平膨胀机制冷，膨胀后空气进入上塔。上塔为规整填料塔，下塔采用筛板塔。保冷箱内设置粗氩塔和精氩塔，粗氩塔与精氩塔均为规整填料塔，实现了无氩制氩。气氧出塔压力21kPa，气氮出塔压力8kPa，采用离心式氧压机和氮压机进行产品压缩。是典型的外压缩流程，也可称为“冶金型”制氧机。除了采用上述核心技术以外，还采用双层床分子筛纯化技术，双层主冷和氮-水预冷系统的高效蒸发降温(取消冷冻机)等技术，使此类流程的空分装置进一步节能降耗。
[0009]附图4是化工型52000m3/h制氧机流程示意图，图4中:AC_空气冷却塔，AF-空气过滤器，ATCl-空气离心压缩机，ATC2-空气循环增压机，AP-液氩泵，Cl-下塔，C2-上塔，C701-粗氩塔I，C702-粗氩塔II，C703-精氩塔，El-主换热器，E3-过冷器，ET-膨胀机，BC-增压机(膨胀机)，EC-水冷塔，SH-蒸汽加热器，Kl-主冷凝蒸发器，K701-粗氩冷凝器，K702-粗氩液化器，K703-精氩冷凝器，K704-精氩蒸发器，MSUMS2-分子筛纯化器；NP_液氮泵，OP-液氧泵。该制氧机为典型的内压缩流程，此流程及配套部机的特点是:(1)原料空压机和空气增压机均采用离心式压缩机，由一台汽轮机拖动，即一拖二 ；(2)双层床分子筛纯化器，并在切换系统中采用了无冲击切换技术；(3)采用中压增压透平膨胀机制冷，制冷工质为空气，膨胀后的空气进入下塔；(4)主换热器为高效板翅式换热器，分为高、低压两组换热器；(5)该空分装置设置6台产品泵,两台液氧泵、两台液氮泵和两台液氩泵。均为一用一备，即一台运转、另一台在线冷备用。必须强调的该技术采用的内压缩的液氧泵、液氮泵和液氩泵十分值得关注:利用液氧、液氮、液氩接近不可压缩流体的性质，较传统的采用压气机增压的技术(因 气体为可压缩流体)，显然电机的功耗大幅度下降。
[0010]上述4种典型流程均利用了拉赫曼原理，将膨胀降压的空气吹入上塔，或者利用从下塔或冷凝蒸发器的顶盖抽出的氮气，一部分经切换式换热器环流通过复热后再汇合进入透平膨胀机，膨胀降压后的氮气作为产品氮气引出，或者与污氮汇合经切换式换热器复热回收冷量后放空。由于从下塔引氮气，冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而送入上塔的液体分量减少，精馏潜力得到利用，这种采用氮膨胀的流程国外的大型全低压空分装置上已被采用。采用空气膨胀、氮气膨胀的方法都是为了减少上塔液体馏分，使精馏时的气液间的温差减少，利用了上塔精馏潜力，使全低压空分装置具有更大的合理性。
[0011]上述传统空分装置分离气体的主要基础是热力学，即采用同温差的卡诺逆循环分析空分制冷循环过程，制冷循环的经济性指标是制冷系数，就是得到的收益和耗费的代价之比值，并且以大气环境温度Ttl与温度为Tc低温热源(如冷库)之间的一切制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数为最高:
[0012]Sc =(COP)1 = —= T' (I)
W0 T0 - Tc
[0013]上式中的ε。为制冷系数，Q2为循环的制冷量，W0为循环所消耗的净功。
[0014]实际循环效率通常采用实际循环的制冷系数与理论循环系数的比值进行描述，但其理论基础是以卡诺逆循环对空分过程进行循环分析。
[0015]实际上，卡诺在“关于热动力的见解”的论文中，得出的结论为:“在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机，以可逆热机的效率为最高。”即被后人称之为卡诺定理， 按理想气体状态方程进行整理得出的卡诺循环的热效率为:
【权利要求】
1.一种等压分离制取氧氮的空分装置，该装置包括空气纯化系统、预冷系统、精馏系统和补冷系统，其特征在于:所述空分装置的补冷系统，是指从液氮贮罐(18)出来的液氮(19)，经液氮泵(20)、回冷器(21)、入塔液氮洗管线进入上塔，补入精馏系统需要的冷量，成为从上塔顶部出来的低温氮气(23)的一部分，经主冷交换器(6)过热后抽出，成为过热氮气(24)，再经膨胀机(25)、回冷器(21)，返回液氮贮罐(18)，从而形成补冷系统的液氮冷力循环回路。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述装置的下塔⑶粗馏得到的富氧液空(11)，经液空吸附器(12)脱乙炔后，可节流降压后送入上塔(10)，或不经节流等压送入上塔(10)；所述装置的下塔(8)引出的氮气(13)，可节流降压后送入上塔(10)，或不经节流等压送入上塔(10)，或直接进入主冷交换器(6)回收冷量后作为产品氮气(39)输出；所述装置精馏系统分离出的氧气(35)从上塔(10)引出，经主冷交换器(6)回收冷量后作为产品氧气(36)输出；所述的装置分离出的氮气(23)从上塔(10)顶部引出，经主冷交换器(6)回收冷量后作为产品氮气(39)输出。
3.根据权利要求1所 述的装置，其特征在于:设有氮气液化器(29):膨胀机(25)的出口氮气(26)经氮气液化器(29)、回冷器(21), 回到液氮贮罐(18);氮气(23)的一部分经氮气液化器(29)冷凝形成产品液氮(22)，或经液氮增压泵(31)、主冷交换器(6)回收冷量后，作为高压氮气(32)输出。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于:设有冷交换器(41):氮气(39)经冷交换器(41)、氮气液化器(29)冷凝形成液氮(22)； 液化天然气(40)经冷交换器(41)释放冷量后成为气态天然气(42)输出。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于:设有液氧循环回路:从上塔(10)精馏得到的液氧(14)，经液氧泵(15)、液氧吸附器(16)脱除乙炔及碳氢化合物后，返回上塔，从而形成液氧循环回路。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于:设有液氧增压泵(33):上塔(10)精馏得到的液氧(14)，经液氧泵(15)、液氧吸附器(16)脱除乙炔及碳氢化合物后，再经液氧增压泵(33)、主冷交换器(6)回收冷量后，作为产品高压氧气(34)送出。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于:所述的膨胀机(25)的制动设备(28)采用风机、电机、液压泵或压气机。
8.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于:设有节流阀(27):从液氮贮罐(18)出来的液氮(19)，经液氮泵(20)、回冷器(21)、入塔液氮洗管线进入上塔，补入精馏系统需要的冷量，成为从上塔顶部出来的低温氮气(23)的一部分，经主冷交换器(6)过热后抽出，成为过热氮气(24)，再经膨胀机(25)、回冷器(21)、节流阀(27)，返回液氮贮罐(18)，从而形成补冷系统的液氮冷力循环回路。
9.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于:所述的精馏系统包括下塔(8)、冷凝蒸发器(9)、上塔(10)，采用一体式或分体式的结构。
10.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于: 所述的空气纯化系统包括纯化器(4)，采用分子筛纯化器、可逆式冷交换器或石头蓄冷器，保证空分装置连续稳定运行。
11.根据权利要求3所述的装置，其特征在于: 所述的主冷交换器(6)、氮气液化器(29)可设置一个或多个，分别对空气(5)、氮气(23)进行过冷处理。
【文档编号】F25J3/04GK203454607SQ201320043311
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年1月27日 优先权日:2013年1月27日
【发明者】王海波 申请人:南京瑞柯徕姆环保科技有限公司