带补气压缩机的全液体空分设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种带补气压缩机的全液体空分设备，提高提取率，降低能耗，增加变负荷能力。循环氮压机、主换热器、高温透平膨胀机依次接通，高温透平膨胀机、主换热器、循环氮压机依次接通；循环氮压机、低温透平膨胀机、低温透平膨胀机、高温透平膨胀机、主换热器依次接通，主换热器、下塔、低温透平膨胀机、气液分离器、上塔依次接通，上塔、过冷器、主换热器、补气压缩机依次接通，补气压缩机、主换热器、循环氮压机依次接通；下塔、过冷器、上塔顶部依次接通；下塔底部、过冷器、蒸发器依次接通，粗氩塔冷凝器和精氩塔冷凝器均与上塔和蒸发器接通；上塔、粗氩塔、精氩塔依次接通；下塔与精氩塔冷凝器蒸发侧接通。
【专利说明】带补气压缩机的全液体空分设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种带补气压缩机的全液体空分设备。
【背景技术】
[0002]空分设备为国民经济的许多部门提供生产用气体和液体。随着各行各业的快速发展，工业气体的需求量有较大的增长，特别是液体产品的需求量逐年上升。液体产品具有储存便利、供应方便、质量保证和输送效率高等优点，现越来越受到气体生产商的青睐，液体产品的需求量逐年上升，市场潜力很大。如果仅靠空分设备副产液体根本不能满足市场的需求，全液体空分设备的应用已成为一种趋势。
[0003]为了要获得大量的液氧和液氮产品，目前大致有二种方法:一是先生产气态产品，然后再根据需要采用液化装置将气态产品液化，这种方法能耗相对较高；另一种方法是直接采用液体空分设备生产液氧和液氮产品，与前者相比该法能耗有所降低。由于液体空分设备提供的是高品位的低温液体产品，单位产品能耗显然要高于气体空分设备，因此如何降低能耗就成了流程组织中的关键问题。目前的全液体空分设备都存在单位能耗高，提取率低，装置变负荷能力不好等问题。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的带补气压缩机的全液体空分设备，用高、低温双膨胀制冷的中压流程工艺，大大地提高了装置的提取率，降低了能耗，增加了装置的变负荷能力，适用于液氮产量大于液氧产量的中大型液体空分(2000?3000m3/h以上)。
[0005]本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是:一种带补气压缩机的全液体空分设备，其特征在于:包括循环氮气部分和空气分离部分；循环氮气部分包括补气压缩机、循环氮压机、低温透平膨胀机、高温透平膨胀机、主换热器、气液分离器；空气分离部分包括上塔、下塔、过冷器、粗氩塔、精氩塔；下塔中设置有主冷凝器；精氩塔底部设置有蒸发器，顶部设置有精氩塔冷凝器；粗氩塔顶部设置有粗氩塔冷凝器；
[0006]循环氮压机的出口与主换热器热流体段入口用管道接通，主换热器热流体段出口与高温透平膨胀机膨胀端入口用管道接通，高温透平膨胀机膨胀端出口与主换热器冷流体段入口用管道接通，主换热器冷流体段出口与循环氮压机入口用管道接通；循环氮压机出口与低温透平膨胀机增压端入口用管道接通，低温透平膨胀机增压端出口与高温透平膨胀机增压端入口用管道接通，高温透平膨胀机增压端出口与主换热器热流体段入口用管道接通，主换热器热流体段出口与下塔中下部氮气入口、低温透平膨胀机膨胀端入口用管道接通，低温透平膨胀机膨胀端出口与气液分离器原料气入口用管道接通，气液分离器液体出口和过冷器的液氮出口与上塔顶部液氮入口用管道接通，上塔顶部氮气出口与过冷器氮气入口用管道接通，过冷器氮气出口与主换热器冷流体段入口用管道接通，主换热器冷流体段出口与补气压缩机入口用管道接通，补气压缩机出口与循环氮压机入口用管道接通；
[0007]主换热器的热流体段出口与下塔底部原料气入口用管道接通；下塔顶部液氮出口与过冷器液氮入口用管道接通，过冷器液氮出口与上塔顶部液氮入口用管道接通；下塔底部的富氧液空出口与过冷器液空入口用管道接通，过冷器液空出口与精氩塔蒸发器入口用管道接通，精氩塔蒸发器出口分别与粗氩塔冷凝器入口和精氩塔冷凝器入口用管道接通，粗氩塔冷凝器出口和精氩塔冷凝器出口均与上塔富氧液空入口用管道接通；上塔顶部氮气出口与过冷器氮气入口用管道接通，过冷器氮气出口与主换热器冷流体段入口用管道接通，主换热器冷流体段出口与补气压缩机入口用管道接通；上塔上部污氮出口与过冷器污氮入口用管道接通，过冷器污氮出口与主换热器冷流体段入口用管道接通；上塔氩馏分出口与粗氩塔底部入口用管道接通，粗氩塔顶部粗液氩出口与精氩塔中部粗液氩入口用管道接通。
[0008]本实用新型在接通所述主换热器热流体段出口与下塔中下部氮气入口的管道上设置有节流阀。
[0009]本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果:
[0010]1、为了避免从下塔取出过多的压力氮气进入循环氮压机而降低产品提取率，本实用新型采用上塔顶出冷箱的低压氮气经补气压缩机加压后作为补充循环氮气，产品提取率高，能耗水平也降低。
[0011]2、采用中压制冷循环，流体在超临界状态下被冷却且液化，主换热器内的冷、热流体温差相比低压液化流程可以设置得更加合理，换热损失少，并且气体液化压力提高，其液化温度也随之提高，单位气体液化所需的冷量就减少，单位产品能耗大大降低。
[0012]3、增加了循环氮压机，采用高、低温双膨胀流程，在主换热器部分完成气体液化，其液化量基本相当于设备需要的总冷量，因此系统冷却快，制冷量大。
[0013]4、采用高、低温膨胀机双膨胀制冷，充分利用膨胀机高温、高焓降的特点，降低高压换热器的不可逆损失，降低了能耗；充分利用循环高压氮换热器的潜力增加制冷量，提高了液体产量；且两股流体调整简单，可调性强，可以采用不同的高低温膨胀气的量和高低温膨胀气温度来调整换热器的温差，使之满足不同液体量的要求以及变负荷生产，单位液体能耗最低，尤其是大液体量的全液体空分设备能耗更低。
[0014]5、采用高低压混合换热器流程组织形式，能耗省，投资低。
[0015]6、低温膨胀机后的气液混合氮分离后，气态进入板式换热器回收冷量，液氮节流后进入上塔，上塔冷量增加，精馏段液气比增大，液体产量增大，尤其是氩提取率大幅提高，同时也避免了气液混合氮进入板式换热器的均布问题。
[0016]7、本实用新型完全可以根据用户要求在生产液氧、液氮产品的同时提取高纯氩、氧等产品，经济性好。
[0017]8、本实用新型通过加大或减少液氮抽量，可减少和增加产品液氧的量，增加进入上塔参与精馏的液氮可增加氧气提取率，增加氧产量，同时提高氮气和液氮纯度，满足市场要求。
[0018]因此，本全液体空分流程具有单位能耗低，产品提取率高，适用范围广，可调性强，经济性好等优点，尤其适用于中大型全液体空分。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
[0021]参见图1，本实用新型实施例包括循环氮气部分和空气分离部分。
[0022]循环氮气部分包括补气压缩机1、循环氮压机2、低温透平膨胀机3、高温透平膨胀机4、主换热器12、气液分离器13。
[0023]空气分离部分包括上塔5、下塔6、过冷器7、粗氩塔8、精氩塔9。下塔6中设置有主冷凝器10。精氩塔9底部设置有蒸发器14，顶部设置有精氩塔冷凝器16。粗氩塔8顶部设置有粗氩塔冷凝器15。上塔5、下塔6、主冷凝器10组成了一套精馏塔。
[0024]以上设备本身均采用现有技术。
[0025]一、循环氮气部分:循环氮气部分为整个液体空分装置提供所需冷量，与普通的气体分离设备不同，全液体空分在主换热器12部分需要完成一个气体液化工艺，其液化量基本等于设备需要的液体总产量。冷量的多少或者产量大小的直观表现即为节流阀11后进入下塔6的这股量。具体表现为:在设备冷损一定、换热温差与膨胀机机后温度不变的情况下，阀后的液氮量越大，制冷量就越大，在进塔空气得到保证的前提下，液体产量就越大。
[0026]循环氮压机2的出口与主换热器12热流体段入口用管道接通，主换热器12热流体段出口与高温透平膨胀机4膨胀端入口用管道接通，高温透平膨胀机4膨胀端出口与主换热器12冷流体段入口用管道接通，主换热器12冷流体段出口与循环氮压机2入口用管道接通；循环氮压机2出口与低温透平膨胀机3增压端入口用管道接通，低温透平膨胀机3增压端出口与高温透平膨胀机4增压端入口用管道接通，高温透平膨胀机4增压端出口与主换热器12热流体段入口用管道接通，主换热器12热流体段出口与下塔6中下部氮气入口、低温透平膨胀机3膨胀端入口用管道接通，低温透平膨胀机3膨胀端出口与气液分离器13原料气入口用管道接通，气液分离器13液体出口和过冷器7的液氮出口与上塔5顶部液氮入口用管道接通，上塔5顶部氮气出口与过冷器7氮气入口用管道接通，过冷器7氮气出口与主换热器12冷流体段入口用管道接通，主换热器12冷流体段出口与补气压缩机I入口用管道接通，补气压缩机I出口与循环氮压机2入口用管道接通；在接通上述主换热器12热流体段出口与下塔6中下部氮气入口的管道上设置有节流阀11。
[0027]循环氮气进入循环氮压机2压缩冷却后分为两路，一路直接进入主换热器12冷却到约5°C后进入高温透平膨胀机4，膨胀后的氮气返回主换热器12提供冷量，复热后的氮气返回循环氮压机2入口。一路依次经过低温透平膨胀机3、高温透平膨胀机4增压段后分为两部分，一部分在主换热器12中冷却至接近露点温度节流后进入下塔6参加精馏，一部分在主换热器12中冷却至约_90°C后进入低温透平膨胀机3，膨胀后气体进入气液分离器13，分离出液氮与出过冷器7的液氮汇合后送入上塔5，分离出的气氮返回主换热器12提供冷量，回收冷量后的氮气返回循环氮压机2入口。上塔5顶部的低压氮气依次经过过冷器7和主换热器12复热后进入补气压缩机1，压缩后的氮气在主换热器12中复热后进入循环氮压机2入口。如此循环，为整个空分装置提供冷量。
[0028]二、空气分离部分:空气分离部分完成氧、氮、氩的分离。
[0029]主换热器12的热流体段出口与下塔6底部原料气入口用管道接通；下塔6顶部液氮出口与过冷器7液氮入口用管道接通，过冷器7液氮出口与上塔5顶部液氮入口用管道接通；下塔6底部的富氧液空出口与过冷器7液空入口用管道接通，过冷器7液空出口与精氩塔蒸发器14入口用管道接通，精氩塔蒸发器14出口分别与粗氩塔冷凝器15入口和精氩塔冷凝器16入口用管道接通，粗氩塔冷凝器15出口和精氩塔冷凝器16出口均与上塔5富氧液空入口用管道接通；上塔5顶部氮气出口与过冷器7氮气入口用管道接通，过冷器7氮气出口与主换热器12冷流体段入口用管道接通，主换热器12冷流体段出口与补气压缩机I入口用管道接通；上塔5上部污氮出口与过冷器7污氮入口用管道接通，过冷器7污氮出口与主换热器12冷流体段入口用管道接通；上塔5氩馏分出口与粗氩塔8底部入口用管道接通，粗氩塔8顶部粗液氩出口与精氩塔9中部粗液氩入口用管道接通。
[0030]在净化预冷后的原料空气进入主换热器12，经主换热器12返流气体(污氮、纯氮)冷却到接近露点的温度后进下塔6参加精馏；在下塔6中，空气被初步分离成氮和富氧液空，顶部氮气在主冷凝器10中被冷凝为液体，同时主冷凝器10的低压侧液氧被汽化。部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔6顶部引出，经过冷器7被氮气和污氮气过冷后分为两股，一股节流送入上塔5顶部参加精馏，一股作为产品送入储存系统储存。下塔6底部的富氧液空出下塔6，在过冷器7中过冷后进入精氩塔9底的蒸发器14作为热源蒸发精氩塔9底部的液氩，同时液空在蒸发器14中本身被过冷，过冷节流后的液空分成两部分，分别进入粗氩塔8顶部的粗氩塔冷凝器15和精氩塔9顶部的精氩塔冷凝器16作为冷源，同时液空在粗氩塔冷凝器15和精氩塔冷凝器16被蒸发，蒸发后的气相液空、液相液空分别进入上塔5参加精馏。经上塔5精馏后，从上塔5顶部抽出氮气，复热后进入补气压缩机I压缩后作为循环氮气；上塔5上部引出污氮经过冷器7和主换热器12复热后作为分子筛吸附器的再生气体，上塔5底部引出液氧作为产品送入储存系统储存。从上塔5相应位置抽出氩馏分气体(含氩量约12%)，氩馏分从粗氩塔8底部导入，在粗氩塔8顶部抽出粗氩气进入精氩塔9中部，在精氩塔冷凝器16蒸发侧利用下塔6底部来的液空作为热源，促使精氩塔9底部的液氩蒸发成上升蒸汽，同时液空被过冷，过冷后的液空节流后分别进入粗氩塔冷凝器15、精氩塔冷凝器16作为冷源，产生回流液，以保证塔内的精馏，实现氩氧、氩氮分离，从而在精氩塔9底部得到纯液氩。
[0031]如下流程SI?S5为本实用新型实施例的全部工作过程。
[0032]S1、原料空气经压缩、冷却纯化后(压力581Kpa.A、温度27°C、流量5000Nm3/h)进入主换热器12，被纯氮气、污氮气冷却至-172.8°C后进入下塔6底部参加精馏；一部分氮气依次经循环氮压机2增压、高温膨胀机4增压段、低温膨胀机4增压端增压、主换热器12冷却为液氮(压力6351Kpa.A、温度约-173.4°C、流量3400Nm3/h)后节流至575Kpa.A进入下塔6中部提供回流液。
[0033]S2、在下塔6中，下塔6内空气与回流液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发，下塔6底部积聚富氧液空，富氧液空(压力575Kpa.A、温度-173.4°C、流量3045Nm3/h)经过冷器7过冷至-177.8°C，过冷后的富氧液空(压力572Kpa.A、温度-177.8°C、流量3045Nm3/h)进入精氩塔9底部的蒸发器作为热源蒸发精氩塔9底部的液氩，同时液空本身被过冷，过冷节流后的液空分成两部分，分别进入粗氩塔8顶和精氩塔9顶的冷凝器作为冷源，同时液空被蒸发，蒸发后的气相液空、液相液空分别进入上塔5参加精馏。下塔6上端富集的氮气在主冷凝器10冷凝成液氮，部分液氮作为下塔回流液，补充冷量；另一部分液氮(压力565Kpa.A、温度-177.5°C、流量5354Nm3/h)从下塔6顶部引出，经过冷器7被氮气和污氮过冷至-183°C，与低温膨胀机3膨胀后分离出的液氮(压力600Kpa.A、温度约-176.7°C、流量414Nm3/h)汇合节流至145Kpa.A后一部分(压力145Kpa.A、温度约-192.6°C、流量3258Nm3/h)送入上塔5顶部作为上塔5的回流液体，一部分(压力145Kpa.A、温度约-192.6°C、流量251NmVh)作为产品送入储存系统储存。
[0034]S3、上塔5顶部的氮气(压力135Kpa.A、温度-193.2°C、流量3831Nm3/h)以及上塔5中上部的污氮气(压力136Kpa.A、温度_193°C、流量1400Nm3/h)经过过冷器7回收部分冷量，进入主换热器12冷却原料空气，复热后的污氮气(压力123Kpa.A、温度37.4°C、流量1400Nm3/h)进入分子筛纯化系统，作为分子筛再生气；复热后的氮气(压力126Kpa.A、温度37.4°C、流量383INmVh)进入补气压缩机I压缩至580Kpa.A,进入循环氮压机2入口。在主冷凝器10底部得到的产品液氧(压力145Kpa.A、温度_181°C、流量1027Nm3/h)。
[0035]S4、从上塔5相应位置抽出氩馏分气体(含氩量约12%，压力143Kpa.A、温度_180°C、流量1171Nm3/h)，氩馏分从粗氩塔8底部导入，在粗氩塔8顶部抽出粗氩(压力128Kpa.A、温度-183.8°C、流量43Nm3/h)进入精氩塔9中部，在精氩塔9蒸发侧利用下塔6底部富氧液空经过冷器7过冷后(压力572Kpa.A、温度-177.8°C、流量3045Nm3/h)作为热源，促使精氩塔9底部的液氩蒸发成上升蒸汽，同时液空被过冷。过冷后的液空节流后一部分(压力145Kpa.A、温度-189.4°C、流量1523Nm3/h)进入粗氩塔8冷凝器作为冷源，产生回流液，实现氧氩分离；一部分(压力145Kpa.A、温度-189.4°C、流量1523Nm3/h)进入精氩塔9，产生回流液，实现氮氩分离；从而在精氩塔9底部得到纯液氩(压力128Kpa.A、温度-183.8°C、流量 42Nm3/h)。
[0036]S5、低压循环氮气(压力580Kpa.A、温度37.4°C、流量17687Nm3/h)与经补气压缩机I压缩后的氮气(压力580Kpa.A、温度40°C、流量3813Nm3/h)汇合后进入循环氮压机2压缩至3120Kpa压力，压缩后的中压氮气分为两部分:一部分中压氮气(压力3110Kpa.A、温度40°C、流量8100Nm3/h)进主换热器12中预冷到一定的温度_5.3°C后送入高温膨胀机4，膨胀后的氮气(压力600Kpa.A、温度-86.76°C、流量8100Nm3/h)经主换热器12回收冷量后返回至循环氮压机2入口 ；另一部分中压氮气压力(3110Kpa.A、温度40°C、流量13400Nm3/h)先依次经低温膨胀机增压段增压(4277Kpa.A、温度40°C、流量13400Nm3/h)、高温膨胀机的增压段增压(6376Kpa.A、温度40°C、流量13400Nm3/h)后分为两股，一股(6366Kpa.A、温度40°C、流量10000Nm3/h)经主换热器12预冷到-93.5°C温度时送入低温膨胀机3，膨胀后的气液混合氮(600Kpa.A、温度-176.7°C、流量10000Nm3/h)经气液分离后的氮气(600Kpa.A、温度-176.7°C、流量9586Nm3/h)进入主换热器12回收冷量后返回循环氮压机2的入口，分离后的液氮(600Kpa.A、温度-176.7°C、流量414Nm3/h)与过冷器7过冷后的液氮汇合后节流进入上塔；另一股(6366Kpa.A、温度40°C、流量3400Nm3/h)经主换热器12冷却至接近露点温度-173.4°C后节流至575Kpa后进入下塔6参加精馏。
[0037]此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。
【权利要求】
1.一种带补气压缩机的全液体空分设备，其特征在于:包括循环氮气部分和空气分离部分；循环氮气部分包括补气压缩机、循环氮压机、低温透平膨胀机、高温透平膨胀机、主换热器、气液分离器；空气分离部分包括上塔、下塔、过冷器、粗氩塔、精氩塔；下塔中设置有主冷凝器；精氩塔底部设置有蒸发器，顶部设置有精氩塔冷凝器；粗氩塔顶部设置有粗氩塔冷凝器； 循环氮压机的出口与主换热器热流体段入口用管道接通，主换热器热流体段出口与高温透平膨胀机膨胀端入口用管道接通，高温透平膨胀机膨胀端出口与主换热器冷流体段入口用管道接通，主换热器冷流体段出口与循环氮压机入口用管道接通；循环氮压机出口与低温透平膨胀机增压端入口用管道接通，低温透平膨胀机增压端出口与高温透平膨胀机增压端入口用管道接通，高温透平膨胀机增压端出口与主换热器热流体段入口用管道接通，主换热器热流体段出口与下塔中下部氮气入口、低温透平膨胀机膨胀端入口用管道接通，低温透平膨胀机膨胀端出口与气液分离器原料气入口用管道接通，气液分离器液体出口和过冷器的液氮出口与上塔顶部液氮入口用管道接通，上塔顶部氮气出口与过冷器氮气入口用管道接通，过冷器氮气出口与主换热器冷流体段入口用管道接通，主换热器冷流体段出口与补气压缩机入口用管道接通，补气压缩机出口与循环氮压机入口用管道接通； 主换热器的热流体段出口与下塔底部原料气入口用管道接通；下塔顶部液氮出口与过冷器液氮入口用管道接通，过冷器液氮出口与上塔顶部液氮入口用管道接通；下塔底部的富氧液空出口与过冷器液空入口用管道接通，过冷器液空出口与精氩塔蒸发器入口用管道接通，精氩塔蒸发器出口分别与粗氩塔冷凝器入口和精氩塔冷凝器入口用管道接通，粗氩塔冷凝器出口和精氩塔冷凝器出口均与上塔富氧液空入口用管道接通；上塔顶部氮气出口与过冷器氮气入口用管道接通，过冷器氮气出口与主换热器冷流体段入口用管道接通，主换热器冷流体段出口与补气压缩机入口用管道接通；上塔上部污氮出口与过冷器污氮入口用管道接通，过冷器污氮出口与主换热器冷流体段入口用管道接通；上塔氩馏分出口与粗氩塔底部入口用管道接通，粗氩塔顶部粗液氩出口与精氩塔中部粗液氩入口用管道接通。
2.根据权利要求1所述的带补气压缩机的全液体空分设备，其特征在于:在接通所述主换热器热流体段出口与下塔中下部氮气入口的管道上设置有节流阀。
【文档编号】F25J3/04GK204115392SQ201420492136
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】张行东, 王丹, 李万军 申请人:中国空分设备有限公司