空分系统的制作方法

文档序号:14505198阅读:298来源:国知局

本发明涉及空气分离技术领域,具体而言,涉及一种空分系统。



背景技术:

空分设备是冶金等行业的能耗大户,空分设备在进行正常生产之前,需要完成启动过程。空分设备的启动过程包括冷却设备、积累液体和调节纯度三个阶段,三个阶段中冷却设备、积累液体需要大量的冷量来完成,尤其是现在采用规整填料全精馏制氩的流程,需要的蓄冷量更大。

现有技术中,空分设备启动过程中的冷量一般来源于空分设备自身的透平膨胀机,但是自身的透平膨胀机是与正常运行时补充冷损相匹配的,故制冷量有限,导致空分设备的启动时间很长。而在空分设备启动的过程中,原料空压机等主要大功率设备在持续运行,但由于此阶段主冷凝蒸发器尚不工作,故而加工的空气大量放散,只有少量进入透平膨胀机进行制冷,故而启动阶段的能源消耗非常大,且只有能源消耗没有产品产出。



技术实现要素:

为了解决上述技术问题至少之一,本发明的目的在于提供一种空分系统。

本发明提供了一种空分系统,包括:空分设备,包括原料处理装置、换热装置和返流管道,所述原料处理装置能够输出干燥洁净的空气,所述返流管道的输出端与所述换热装置的冷介质输入端相连;第一管道和第二管道,所述第一管道的一端与所述原料处理装置的输出端相连通,且所述第一管道上设有用于控制所述第一管道通断的第一控制单元;所述第二管道的一端与所述返流管道相连通,且所述第二管道上设有用于控制所述第二管道通断的第二控制单元;液化装置,包括冷却装置,所述冷却装置的输入端与所述第一管道的另一端相连通,所述冷却装置的输出端与所述第二管道的另一端相连通;其中,所述空分设备被启动时,所述第一控制单元控制所述第一管道导通,且所述第二控制单元控制所述第二管道导通。

本发明提供的空分系统,利用液化装置的冷却装置来辅助制冷,由于液化装置需要生产液体,故而其冷却装置的制冷量很大,从而能够大大缩短空分设备的启动时间,进而显著降低冶金等行业的能源消耗,实现节能的目的;同时,本发明不同于正常的液化装置利用循环压缩机的气源来制冷,而是利用了空分设备的原料处理装置放散的空气来制冷,既提高了原料处理装置加工的空气的利用率,也节约了液化装置制冷时的能源消耗,因而也大大节约了能源。

此外,由于冶金企业的气体用户是间断使用的,但是配套的空分设备是连续生产的,为了减少气体产品的放散浪费,相关企业普遍配备有单独的液化装置,来将富余的气体产品液化储存。而在空分设备正常启动之前,由于尚没有生产合格的气体产品,因此液化装置往往也是停运的,正好可以利用它来辅助制冷。因此,本技术方案只需对现有的空分设备和液化装置进行稍加改造,即可达到缩短空分设备启动时间的目的,进而产生可观的节能效果,便于推广,且具有非常好的应用前景。

具体地,空分设备启动时,其原料处理装置能够将原料空气处理成干燥洁净的空气输出,其中一部分空气通过第一管道进入液化装置的冷却装置,在冷却装置中冷却成低温流体后通过第二管道输送至空分设备的返流管道,通过返流管道进入空分设备的换热装置,在换热装置中将冷量贡献出来,供空分设备启动阶段使用,由于冷却装置的制冷量很大,故而供给空分设备的冷量也非常可观,从而可以大大缩短空分设备的启动时间,节约可观的能源。当空分设备的主冷凝蒸发器的液位接近工作高度,即空分设备基本上已经完成启动时,切断第一管道和第二管道,同时关闭液化装置的冷却装置即可,空分设备即可正常工作。

值得说明的是,液化装置一般包括介质输入管道、循环压缩机、冷却装置、循环回流管道和液体储存装置,冷却装置包括增压膨胀机和换热器,介质输入管道与循环压缩机的输入端及循环回流管道的一端相连接,循环压缩机的输出端与增压膨胀机的增压部的输入端相连,增压部的输出端与换热器的热介质输入端及增压膨胀机的膨胀部的输入端相连,膨胀部的输出端与换热器的冷介质输入端相连,换热器的热介质输出端与循环回流管道的另一端相连,换热器的冷介质输出端与液体储存装置相连。其相应的工作原理为:流体介质由介质输入管道进入液化装置,然后进入循环压缩机在循环压缩机中进行初次压缩,然后进入增压膨胀机的增压部进行二次压缩,然后进入换热器;进入换热器的流体介质分为两路,一路经初步冷却后进入增压膨胀机的膨胀部进行深度制冷,深度制冷后又返回换热器,在换热器中与另一路流体介质换热,使另一路流体介质能够在换热器中充分换热冷却变成液体由换热器的冷介质输出端输出,而换热后由换热器的热介质输出端输出的流体介质经循环回流管道返回至循环压缩机的输入端,与介质输入管道输入的流体介质合流后进入循环压缩机继续压缩;而由换热器冷介质输出端输出的液体则进入液体储存装置储存。

由此可知,液化装置正常使用时,是利用循环压缩机的气源来制冷的,而循环压缩机运行时的能耗也非常大;而本申请在利用液化装置辅助空分设备启动时,液化装置则是利用空分设备的原料处理装置加工出来的空气来制冷的,由于空分设备启动时,原料处理装置一定处于运行状态,故而将其加工出来的部分空气供给液化装置,既提高了其自身加工出来的空气的利用率,又避免了液化装置的大功率循环压缩机的运行,因而也大大地节约了能源。

可以理解的是,空分设备一般包括原料处理装置、制冷装置、换热装置、精馏塔、返流管道和介质输出管道:原料处理装置的输出端与换热装置的热介质输入端及制冷装置的输入端相连接,换热装置的冷介质输出端与精馏塔的下塔相连,制冷装置的输出端与精馏塔的上塔相连,返流管道的输入端与精馏塔的介质输出端相连,返流管道的输出端与换热装置的冷介质输入端相连,换热装置的热介质输出端与介质输出管道相连。其相应的工作原理为:由原料处理装置输出的干燥洁净空气分为两路,一路进入换热装置中,与返流管道输入换热装置中的低温介质换热降温后进入精馏塔的下塔;另一路进入制冷装置中,在制冷装置中深度制冷降温后进入精馏塔的上塔;上塔和下塔相配合,将空气分离成各种流体介质,如低温氮气、低温氧气、低温污氮等,并从上塔的介质输出端输出;输出的低温流体介质进入返流管道,然后流向换热装置,在换热装置中与空气换热后由热介质输出端输出至介质输出管道。

故而,本申请的实质在于:在空分设备的原料输出装置的输出端接一路干燥空气管路至液化装置的冷却装置,同时在液化装置的冷却装置的输出端接一路低温流体管至空分设备的返流管道上,这样,能够为空分设备启动阶段提供冷量的就不只是空分设备的制冷装置(一般为透平膨胀机)了,还包括液化装置的冷却装置,且由于液化装置的冷却装置的制冷量要远远大于空分设备的制冷装置,故而对空分设备的启动时间起到了决定性影响,从而大大缩短了空分设备的启动时间,进而显著节约了能源消耗,能够对冶金等行业产生巨大影响,开拓冶金等行业的新纪元。

另外,本发明提供的上述实施例中的空分系统还可以具有如下附加技术特征:

在上述技术方案中,所述第一控制单元包括第一截止阀;所述第二控制单元包括第二截止阀。

在第一管道上设置第一截止阀,在第二管道上设置第二截止阀,通过第一截止阀和第二截止阀的通断即可有效控制第一管道和第二管道的通断,结构简单,且控制可靠。具体地,启动空分设备时,打开第一截止阀和第二截止阀,并启动液化装置的冷却装置,即可利用液化装置辅助启动空分设备;当空分设备基本上完成启动时,关闭第一截止阀和第二截止阀,并关闭液化装置的冷却装置,使空分设备和液化装置能够按照各自的生产工序正常生产。

在上述任一技术方案中,所述第一控制单元还包括第三截止阀和第一放空阀,所述第三截止阀与所述第一截止阀相邻设置,所述第一放空阀位于所述第一截止阀与所述第三截止阀之间。

第一控制单元还包括第三截止阀和第一放空阀,即第一管道上设有两个截止阀和一个放空阀,这样是为了保证空分设备启动完毕后第一管道能够可靠切断,以避免正常工作时第一管道泄漏空气对液化装置中的流体介质造成污染。具体地,启动空分设备时,打开第一截止阀和第二截止阀,关闭第一放空阀,以实现第一管道的导通;空分设备启动完毕时,关闭第一截止阀和第二截止阀,打开第一放空阀,以检查第一管道是否泄漏,便于及时采取措施。

值得说明的是,由于正常工作时,第二管道的两端流动的都是高纯度的流体介质,污染的风险比较小,故而只需设置一个截止阀即可。

在上述任一技术方案中,所述第一管道的外部和所述第二管道的外部包裹有保温材料。

在上述任一技术方案中,所述第一管道的外部包裹的保温材料为矿棉材料;所述第二管道的外部包裹的保温材料为聚氨酯发泡材料。

在第一管道和第二管道的外部包裹保温材料,能够减少第一管道和第二管道中的流体介质的冷量损失,从而提高冷量的利用率,进一步缩短空分设备的启动时间。其中,在第一管道的外部包裹保温性能一般的矿棉材料,当然不局限于矿棉材料,是因为第一管道中流动的是原料处理装置输出的空气,这部分空气只是经过了冷却塔的初步预冷,因而温度不是特别低,故使用普通的矿棉材料进行保温即可;而第二管道中流动的则是冷却装置深度制冷过的空气,这部分空气的温度比较低,且是用来输送至空分设备供空分设备启动使用的,故而需采用保温性能相对较好的聚氨酯发泡材料,当然也可以是其他保温性能较好的保温材料,才能有效减少冷量损失。

值得说明的是,由于第一管道完全位于冷箱外,故而整个管道都需要包裹保温材料;而第二管道可能部分位于冷箱内,部分位于冷箱外,由于冷箱内的温度很低,故只需在位于冷箱外的部分包裹保温材料即可。

在上述任一技术方案中,所述冷却装置包括增压膨胀机和换热器,所述增压膨胀机包括增压部和膨胀部,所述增压部的输入端与所述冷却装置的输入端相连通,所述增压部的输出端与所述换热器的热介质输入端及所述膨胀部的输入端相连通,所述膨胀部的输出端与所述换热器的冷介质输入端相连通,所述换热器的冷介质输出端与所述冷却装置的输出端相连通;其中,所述空分设备被启动时,所述换热器的热介质输出端与外界相连通,用于放散从所述换热器的热介质输出端输出的流体介质。

在上述任一技术方案中,所述液化装置的介质输入管道与所述换热器的热介质输出端之间设有循环回流管道;所述换热器的热介质输出端输出的流体介质依次流经所述循环回流管道、所述介质输入管道后排出;或,所述循环回流管道上设有靠近所述介质输入管道的第四截止阀,且所述循环回流管道上连接有靠近所述换热器的热介质输出端的第三管道,所述第三管道上设有第二放空阀,所述换热器的热介质输出端输出的流体介质经所述第三管道排出。

如前,液化装置正常运行时,气源由循环压缩机进入冷却装置的输入端,具体为进入增压膨胀机的增压部;降温液化后的液体介质由冷却装置的输出端输出至液体储存装置,具体为由换热器的冷介质输出端输出;而在冷却装置工作的过程中,增压膨胀机的膨胀部输出的低温气体是换热器中的冷媒来源,即膨胀部必须向换热器输送低温气体,而低温气体在换热器中换热升温后会从换热器的热介质输出端输出并循环回流至循环压缩机。但是,液化装置辅助空分设备启动时,循环压缩机并不工作,故而需要将换热器热介质输出端输出的气体放散掉,以保证冷却装置的正常运行。至于具体的放散方式,可以有但不局限于以下两种情况:

由于循环回流管道与液化装置的介质输入管道相连,而介质输入管道必然能够与外界连通,因此换热器的热介质输出端输出的气体可以直接经循环回流管道和介质输入管道放散到外界环境中,这样对现有装置的改造更小,更容易实施;或者

在介质回流管道上连接带有第二放空阀的第三管道,通过第三管道将换热器的热介质输出端输出的气体放散至外界环境中,同时为了保证液化装置的正常运行,需在循环回流管道上设置第四截止阀,第四截止阀位于介质输入管道与第三管道之间,当启动空分设备时,关闭第四截止阀,打开第二放空阀,当空分设备启动完毕时,打开第四截止阀,关闭第二放空阀,同样能够实现本发明的目的,也在本发明的保护范围内。

在上述任一技术方案中,所述液化装置为带冷冻机的单膨胀液化装置;或,所述液化装置为高低压双级膨胀液化装置,所述高低压双级膨胀液化装置的冷却装置包括两台所述增压膨胀机,分别为低压级增压膨胀机和高压级增压膨胀机,且所述空分设备启动时,只有所述低压级增压膨胀机启动。

液化装置为带冷冻机的单膨胀液化装置,即冷却装置只包括一台增加膨胀机,但增压膨胀机与换热器之间还连接有冷冻机,冷冻机能够进一步提高冷却装置输送给空分设备的冷量,从而进一步缩短空分设备的启动时间。

液化装置为高低压双级膨胀液化装置,即其冷却装置包括两台增压膨胀机,一台增压膨胀机输出的介质压力相对较低,为低压级增压膨胀机,另一台增压膨胀机输出的介质压力相对较高,为高压机增压膨胀机,只使用其低压级膨胀机来辅助空分设备启动是因为冶金型空分设备大部分都是全低压流程,故而只有低压级膨胀机输出的气体压力与空分设备相匹配。

当然,液化装置的种类多种多样,并不局限于上述两种情况,在此不再一一列举,但本领域的技术人员应当理解,只要是利用液化装置的冷却装置来辅助空分设备制冷,即符合本申请的设计思想和宗旨,因而均应在本申请的保护范围内。

在上述任一技术方案中,所述原料处理装置包括原料空压机和分子筛吸附器,所述分子筛吸附器的输入端与所述原料空压机的输出端相连接,所述分子筛吸附器的输出端与所述原料处理装置的输出端相连通。

原料处理装置包括原料空压机和分子筛吸附器,原料空压机能够将原料空气压缩为具有一定压力的空气,分子筛吸附器能够将压缩后的空气中的水蒸汽、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备和液化装置有害的成分去除掉,得到干燥洁净的空气供空分设备和液化装置使用,以保证空分设备和液化装置的正常运行。

在上述任一技术方案中,所述返流管道包括氮气返流管、氧气返流管和污氮返流管,所述第二管道的一端连接至所述氮气返流管上。

将第二管道的一端连接至氮气返流管上,是因为相对于其他的返流管,氮气返流管的输入端位于上塔的最上方,且通过上塔上方的安全阀管线出冷箱,所以对于已有空分设备和液化装置的单位来说,可以直接将第二管道接到安全阀管线出冷箱的管子上即可,故而便于实施,并节约投资;至于第二管道的另一端,由于液化装置的冷箱很小,直接扒砂改造即可。当然,对于新建空分设备和液化装置的单位来说,可以利用本申请直接在冷箱内设置此管线,最好将空分设备的冷箱和液化装置的冷箱做在同一个混凝土基础之上,甚至将液化装置嵌入空分设备的冷箱中,这样可以针对性优化设计管线。而对于第一管道,由于其均在冷箱外,所以容易改造。

当然,本领域的技术人员应当理解,由于空分设备启动时,流通的流体介质都是空气,且没有产品输出收集,因此第二管道的一端也可以连接至氧气返流管或污氮返流管上,或者当返流管道还包括其他介质的返流管,如氩气返流管等时,也可以连接至这些返流管进换热装置的管线上,只要考虑了压力等级的匹配,并采取了防止运行时产品污染的措施,就都能达到缩短空分设备启动时间的效果,且其基本原理是一样的,在此不再一一列举,但均应属于本发明的保护范围。

在上述任一技术方案中,所述空分设备为外压缩流程的空分设备。

相对于内压缩流程的空分设备,外压缩流程的空分设备由于不需要生产液体,配置的透平膨胀机制冷量相对更小,只需要补充正常生产时的冷损即可,导致开机时间更长,因此利用液化装置来辅助其启动,具有更显著的节能意义。当然,内压缩流程的空分设备也可以利用液化装置来辅助其开机启动,且同样能够起到缩短开机时间以节约能耗的目的。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:

图1是本发明一个实施例的空分设备的结构示意图;

图2是本发明一个实施例的液化装置的结构示意图。

其中,图1和图2中的附图标记与部件名称之间的对应关系为:

1空分设备,10原料空压机,20分子筛吸附器,30透平膨胀机,40换热装置,50过冷器,61下塔,62主冷凝蒸发器,63上塔,71氮气返流管,72氧气返流管,73污氮返流管,81氮气输出管,82氧气输出管,83污氮输出管,2液化装置,210循环压缩机,211第五截止阀,220增压膨胀机,221增压部,222膨胀部,230冷冻机,240换热器,250液体储存装置,260循环回流管道,261第四截止阀,270介质输入管道,3第一管道,310第一截止阀,320第三截止阀,330第一放空阀,4第二管道,410第二截止阀,5第三管道,510第二放空阀。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1和图2描述根据本发明一些实施例的空分系统。

如图1和图2所示,本发明提供的空分系统,包括:空分设备1、第一管道3、第二管道4和液化装置2。

具体地,空分设备1包括原料处理装置、换热装置40和返流管道,原料处理装置能够输出干燥洁净的空气,返流管道的输出端与换热装置40的冷介质输入端相连;第一管道3的一端与原料处理装置的输出端相连通,且第一管道3上设有用于控制第一管道3通断的第一控制单元;第二管道4的一端与返流管道相连通,且第二管道4上设有用于控制第二管道4通断的第二控制单元;液化装置2包括冷却装置,冷却装置的输入端与第一管道3的另一端相连通,冷却装置的输出端与第二管道4的另一端相连通;其中,空分设备1被启动时,第一控制单元控制第一管道3导通,且第二控制单元控制第二管道4导通。

本发明提供的空分系统,利用液化装置2的冷却装置来辅助制冷,由于液化装置2需要生产液体,故而其冷却装置的制冷量很大,从而能够大大缩短空分设备1的启动时间,进而显著降低冶金等行业的能源消耗,实现节能的目的;同时,本发明不同于正常的液化装置2利用循环压缩机210的气源来制冷,而是利用了空分设备1的原料处理装置放散的空气来制冷,既提高了原料处理装置加工的空气的利用率,也节约了液化装置2制冷时的能源消耗,因而也大大节约了能源。

此外,由于冶金企业的气体用户是间断使用的,但是配套的空分设备1是连续生产的,为了减少气体产品的放散浪费,相关企业普遍配备有单独的液化装置2,来将富余的气体产品液化储存。而在空分设备1正常启动之前,由于尚没有生产合格的气体产品,因此液化装置2往往也是停运的,正好可以利用它来辅助制冷。因此,本技术方案只需对现有的空分设备1和液化装置2进行稍加改造,即可达到缩短空分设备1启动时间的目的,进而产生可观的节能效果,便于推广,且具有非常好的应用前景。

更具体地,如图2所示,冷却装置包括增压膨胀机220和换热器240,增压膨胀机220包括增压部221和膨胀部222,增压部221的输入端与冷却装置的输入端相连通,增压部221的输出端与换热器240的热介质输入端及膨胀部222的输入端相连通,膨胀部222的输出端与换热器240的冷介质输入端相连通,换热器240的冷介质输出端与冷却装置的输出端相连通;其中,空分设备1被启动时,换热器240的热介质输出端与外界相连通,用于放散从换热器240的热介质输出端输出的流体介质。

进一步地,如图2所示,液化装置2的介质输入管道270与换热器240的热介质输出端之间设有循环回流管道260;换热器240的热介质输出端输出的流体介质依次流经循环回流管道260、介质输入管道270后排出;或,循环回流管道260上设有靠近介质输入管道270的第四截止阀261,且循环回流管道260上连接有靠近换热器240的热介质输出端的第三管道5,第三管道5上设有第二放空阀510,换热器240的热介质输出端输出的流体介质经第三管道5排出。

液化装置2正常运行时,气源由循环压缩机210进入冷却装置的输入端,具体为进入增压膨胀机220的增压部221;降温液化后的液体介质由冷却装置的输出端输出至液体储存装置250,具体为由换热器240的冷介质输出端输出;而在冷却装置工作的过程中,增压膨胀机220的膨胀部222输出的低温气体是换热器240中的冷媒来源,即膨胀部222必须向换热器240输送低温气体,而低温气体在换热器240中换热升温后会从换热器240的热介质输出端输出并循环回流至循环压缩机210。但是,液化装置2辅助空分设备1启动时,循环压缩机210并不工作,故而需要将换热器240热介质输出端输出的气体放散掉,以保证冷却装置的正常运行。至于具体的放散方式,可以有但不局限于以下两种情况:

由于循环回流管道260与液化装置2的介质输入管道270相连,而介质输入管道270必然能够与外界连通,因此换热器240的热介质输出端输出的气体可以直接经循环回流管道260和介质输入管道270放散到外界环境中,这样对现有装置的改造更小,更容易实施;或者

在介质回流管道上连接带有第二放空阀510的第三管道5,通过第三管道5将换热器240的热介质输出端输出的气体放散至外界环境中,同时为了保证液化装置2的正常运行,需在循环回流管道260上设置第四截止阀261,第四截止阀261位于介质输入管道270与第三管道5之间,当启动空分设备1时,关闭第四截止阀261,打开第二放空阀510,当空分设备1启动完毕时,打开第四截止阀261,关闭第二放空阀510,同样能够实现本发明的目的,也在本发明的保护范围内。

更进一步地,如图1所示,原料处理装置包括原料空压机10和分子筛吸附器20,分子筛吸附器20的输入端与原料空压机10的输出端相连接,分子筛吸附器20的输出端与原料处理装置的输出端相连通。

原料处理装置包括原料空压机10和分子筛吸附器20,原料空压机10能够将原料空气压缩为具有一定压力的空气,分子筛吸附器20能够将压缩后的空气中的水蒸汽、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备1和液化装置2有害的成分去除掉,得到干燥洁净的空气供空分设备1和液化装置2使用,以保证空分设备1和液化装置2的正常运行。

可以理解的是,附图1和附图2中有些管道交叉的部位出现了断线,只是为了示意这两条管道不是连通的,而不是表示某一管道在该部位处断开了。

在上述实施例中,如图2所示,第一控制单元包括第一截止阀310;第二控制单元包括第二截止阀410。

优选地,如图2所示,第一控制单元还包括第三截止阀320和第一放空阀330,第三截止阀320与第一截止阀310相邻设置,第一放空阀330位于第一截止阀310与第三截止阀320之间。

在第一管道3上设置第一截止阀310,在第二管道4上设置第二截止阀410,通过第一截止阀310和第二截止阀410的通断即可有效控制第一管道3和第二管道4的通断,结构简单,且控制可靠。具体地,启动空分设备1时,打开第一截止阀310和第二截止阀410,并启动液化装置2的冷却装置,即可利用液化装置2辅助启动空分设备1;当空分设备1基本上完成启动时,关闭第一截止阀310和第二截止阀410,并关闭液化装置2的冷却装置,使空分设备1和液化装置2能够按照各自的生产工序正常生产。

第一控制单元还包括第三截止阀320和第一放空阀330,即第一管道3上设有两个截止阀和一个放空阀,这样是为了保证空分设备1启动完毕后第一管道3能够可靠切断,以避免正常工作时第一管道3泄漏空气对液化装置2中的流体介质造成污染。具体地,启动空分设备1时,打开第一截止阀310和第二截止阀410,关闭第一放空阀330,以实现第一管道3的导通;空分设备1启动完毕时,关闭第一截止阀310和第二截止阀410,打开第一放空阀330,以检查第一管道3是否泄漏,便于及时采取措施。

值得说明的是,由于正常工作时,第二管道4的两端流动的都是高纯度的流体介质,污染的风险比较小,故而只需设置一个截止阀即可。

在上述实施例中,第一管道3的外部和第二管道4的外部包裹有保温材料。

优选地,第一管道3的外部包裹的保温材料为矿棉材料;第二管道4的外部包裹的保温材料为聚氨酯发泡材料。

在第一管道3和第二管道4的外部包裹保温材料,能够减少第一管道3和第二管道4中的流体介质的冷量损失,从而提高冷量的利用率,进一步缩短空分设备1的启动时间。

其中,在第一管道3的外部包裹保温性能一般的矿棉材料,当然不局限于矿棉材料,是因为第一管道3中流动的是原料处理装置输出的空气,这部分空气只是经过了冷却塔的初步预冷,因而温度不是特别低,故使用普通的矿棉材料进行保温即可;而第二管道4中流动的则是冷却装置深度制冷过的空气,这部分空气的温度比较低,且是用来输送至空分设备1供空分设备1启动使用的,故而需采用保温性能相对较好的聚氨酯发泡材料,当然也可以是其他保温性能较好的保温材料,才能有效减少冷量损失。

值得说明的是,由于第一管道3完全位于冷箱外,故而整个管道都需要包裹保温材料;而第二管道4可能部分位于冷箱内,部分位于冷箱外,由于冷箱内的温度很低,故只需在位于冷箱外的部分包裹保温材料即可。

在上述实施例中,液化装置2为带冷冻机230的单膨胀液化装置2;或,液化装置2为高低压双级膨胀液化装置2,高低压双级膨胀液化装置2的冷却装置包括两台增压膨胀机220,分别为低压级增压膨胀机220和高压级增压膨胀机220,且空分设备1启动时,只有低压级增压膨胀机220启动。

液化装置2为带冷冻机230的单膨胀液化装置2,即冷却装置只包括一台增加膨胀机,但增压膨胀机220与换热器240之间还连接有冷冻机230,冷冻机230能够进一步提高冷却装置输送给空分设备1的冷量,从而进一步缩短空分设备1的启动时间。

液化装置2为高低压双级膨胀液化装置2,只使用其低压级膨胀机来辅助空分设备1启动是因为冶金型空分设备1大部分都是全低压流程,故而只有低压级膨胀机输出的气体压力与空分设备1相匹配。

当然,液化装置2的种类多种多样,并不局限于上述两种情况,在此不再一一列举,但本领域的技术人员应当理解,只要是利用液化装置2的冷却装置来辅助空分设备1制冷,即符合本申请的设计思想和宗旨,因而均应在本申请的保护范围内。

在上述实施例中,如图1所示,返流管道包括氮气返流管71、氧气返流管72和污氮返流管,第二管道4的一端连接至氮气返流管71上。

将第二管道4的一端连接至氮气返流管71上,是因为相对于其他的返流管,氮气返流管71的输入端位于上塔63的最上方,且通过上塔63上方的安全阀管线出冷箱,所以对于已有空分设备1和液化装置2的单位来说,可以直接将第二管道4接到安全阀管线出冷箱的管子上即可,故而便于实施,并节约投资;至于第二管道4的另一端,由于液化装置2的冷箱很小,直接扒砂改造即可。当然,对于新建空分设备1和液化装置2的单位来说,可以利用本申请直接在冷箱内设置此管线,最好将空分设备1的冷箱和液化装置2的冷箱做在同一个混凝土基础之上,甚至将液化装置2嵌入空分设备1的冷箱中,这样可以针对性优化设计管线。而对于第一管道3,由于其均在冷箱外,所以容易改造。

当然,本领域的技术人员应当理解,由于空分设备1启动时,流通的流体介质都是空气,且没有产品输出收集,因此第二管道4的一端也可以连接至氧气返流管72或污氮返流管73上,或者当返流管道还包括其他介质的返流管,如氩气返流管等时,也可以连接至这些返流管进换热装置40的管线上,只要考虑了压力等级的匹配,并采取了防止运行时产品污染的措施,就都能达到缩短空分设备1启动时间的效果,且其基本原理是一样的,在此不再一一列举,但均应属于本发明的保护范围。

在上述实施例中,空分设备1为外压缩流程的空分设备1。

相对于内压缩流程的空分设备1,外压缩流程的空分设备1由于不需要生产液体,配置的透平膨胀机30制冷量相对更小,只需要补充正常生产时的冷损即可,导致开机时间更长,因此利用液化装置2来辅助其启动,具有更显著的节能意义。当然,内压缩流程的空分设备1也可以利用液化装置2来辅助其开机启动,且同样能够起到缩短开机时间以节约能耗的目的。

下面结合本发明的一些具体实施例来详细描述本发明提供的空分系统。

实施例一

如图1和图2所示,空分设备1为全低压、外压缩流程的空分设备1,输出的是氮气、氧气和污氮,液化装置2为带冷冻机230的氮气单膨胀液化装置2,液化装置2输出的返流气接至上塔63顶的氮气返流管71。

其中,如图1所示,空分设备1包括原料处理装置、制冷装置、换热装置40、精馏塔、返流管道和介质输出管道,原理处理装置包括原料空压机10和分子筛吸附器20,制冷装置包括两台透平膨胀机30,换热装置40为主换热器240,返流管道与主换热器240之间还连有过冷器50,精馏塔包括下塔61、主冷凝蒸发器62和上塔63,返流管道包括氮气返流管71、氧气返流管72和污氮返流管73,介质输出管道包括氮气输出管81、氧气输出管82和污氮输出管83,且氮气返流管71与氮气输出管81相连通,氧气返流管72与氧气输出管82相连通,污氮返流管73与污氮输出管83相连通。

具体地,如图1所示,原料空压机10的输出端与分子筛吸附器20的输入端相连,分子筛吸附器20的输出端与主换热器240的热介质输入端及透平膨胀机30的增压部的输入端相连接,主换热器240的冷介质输出端与精馏塔的下塔61相连,透平膨胀机30的膨胀部的输出端与精馏塔的上塔63相连,返流管道的输入端与精馏塔的介质输出端相连,返流管道的输出端与换热装置40的冷介质输入端相连,换热装置40的热介质输出端与介质输出管道相连。

空分设备1正常工作时,由原料处理装置输出的干燥洁净空气分为两路,一路进入换热装置40中,与返流管道输入换热装置40中的低温介质(低温氮气、低温氧气、低温污氮)换热降温后进入精馏塔的下塔61;另一路进入制冷装置中,在制冷装置中深度制冷降温后进入精馏塔的上塔63;上塔63和下塔61相配合,将空气分离成低温氮气、低温氧气和低温污氮,并从上塔63的介质输出端输出;输出的低温氮气、低温氧气和低温污氮分别进入氮气返流管71、氧气返流管72和污氮返流管73,然后流向换热装置40,在换热装置40中与空气换热后由热介质输出端输出至相应的氮气输出管81、氧气输出管82和污氮输出管83。

如图2所示,液化装置2包括介质输入管道270、循环压缩机210、冷却装置、循环回流管道260和液体储存装置250,冷却装置包括增压膨胀机220、冷冻机230和换热器240;其中,介质输入管道270为氮气输入管道,循环压缩机210为循环氮压机,液体储存装置250为液氮储槽,换热器240为液化板式换热器240。

具体地,如图2所示,介质输入管道270与循环压缩机210的输入端及循环回流管道260的一端相连接,循环压缩机210的输出端与增压膨胀机220的增压部221的输入端相连,增压部221的输出端与换热器240的热介质输入端及增压膨胀机220的膨胀部222的输入端相连,膨胀部222的输出端与换热器240的冷介质输入端相连,换热器240的热介质输出端与循环回流管道260的另一端相连,换热器240的冷介质输出端与液体储存装置250相连,且增压部221与膨胀部222之间还连有冷冻机230。

液化装置2正常工作时,氮气由介质输入管道270进入液化装置2,然后进入循环压缩机210在循环压缩机210中进行初次压缩,然后进入增压膨胀机220的增压部221进行二次压缩,然后进入换热器240;进入换热器240的氮气分为两路,一路经初步冷却后进入增压膨胀机220的膨胀部222进行深度制冷,深度制冷后又返回换热器240,在换热器240中与另一路氮气换热,使另一路流体介质能够在换热器240中充分换热冷却变成液氮由换热器240的冷介质输出端输出,而换热后由换热器240的热介质输出端输出的低压氮气经循环回流管道260返回至循环压缩机210的输入端,与介质输入管道270输入的氮气合流后进入循环压缩机210继续压缩;而由换热器240冷介质输出端输出的液氮则进入液体储存装置250储存。

接下来,对空分设备1和液化装置2作适当改造,来得到本申请的能够快速启动的空分系统,具体为:

步骤一:在空分设备1分子筛吸附器20的出口与液化装置2增压部221的进口管之间接上第一管道3,使空分设备1的原料处理装置加工出的干燥洁净空气能够进入液化装置2的冷却装置;并在第一管道3上设置两个截止阀和一个放空阀(第一截止阀310、第三截止阀320和第一放空阀330),以保证第一管道3在空分设备1启动完毕后能够可靠切断;该管线外部包裹有矿棉材料保温。由于第一管道3都在冷箱外,故而容易改造。

步骤二:在液化装置2的板式换热器240的冷介质输出端与空分设备1上塔63定的氮气返流管71之间接上第二管道4,使液化装置2输出的低温空气能够进入空分设备1进行换热,以辅助空分设备1启动;并在第二管道4上设置一个截止阀(第二截止阀410),以保证第二管道4在空分设备1启动完毕后能够切断;该管线位于冷箱外的部分包裹有聚氨酯发泡材料保温。

对于新建空分设备1和液化装置2的单位,可以直接在冷箱内设此连接管线,最好将空分冷箱和液化冷箱做在同一个混凝土基础之上,甚至将液化装置2嵌入空分冷箱之中,这样可以针对性优化设计管线。

对于已有空分设备1和液化装置2的单位,为方便实施和节约投资,可以利用上塔63的安全阀管线,将第二管道4接到上塔63顶安全阀出冷箱的管子上,而液化装置2的冷箱很小,直接扒砂改造即可。

步骤三:在液化装置2的板式换热器240的热介质输出端的循环回流管道260上接连有第二放空阀510的第三管道5,来放散低压空气。

步骤四:检查循环回流管道260上有无截止阀,如果没有,增设一个截止阀(第四截止阀261)。

至此,对空分设备1和液化装置2的改造完成。具体启动空分设备1时,按如下步骤操作:

步骤一:记循环氮压机的出口阀门为第五截止阀211,关闭循环氮压机的进出口阀门,即关闭第四截止阀261和第五截止阀211;

步骤二:在空分设备1启动时,将空压机富裕的原放散压缩空气通过第一管道3送到液化装置2,启动液化装置2的冷冻机230和增压膨胀机220辅助制冷,再通过第二管道4送至空分设备1回收冷量;

步骤三:至空分设备1的主冷凝蒸发器62的液位接近工作高度时,关闭液化装置2的增压透平机和冷冻机230;

步骤四:切断第一管道3和第二管道4,即关闭第一截止阀310、第二截止阀410、第三截止阀320,打开第一放空阀330,并切断第三管道5,即关闭第二放空阀510。

其余按空分设备1和液化装置2的原方法操作。

空分设备1启动时,其原料处理装置能够将原料空气处理成干燥洁净的空气输出,其中一部分空气通过第一管道3进入液化装置2的冷却装置,在冷却装置中冷却成低温流体后通过第二管道4输送至空分设备1的氮气返流管71,通过氮气返流管71进入空分设备1的主换热器240,在主换热器240中将冷量贡献出来,供空分设备1启动阶段使用,由于冷却装置的制冷量很大,故而供给空分设备1的冷量也非常可观,从而可以大大缩短空分设备1的启动时间,节约可观的能源。当空分设备1的主冷凝蒸发器62的液位接近工作高度,即空分设备1基本上已经完成启动时,切断第一管道3和第二管道4,同时关闭液化装置2的冷却装置即可,空分设备1即可正常工作。

故而,本实施例的实质在于:在空分设备1的原料输出装置的输出端接一路干燥空气管路至液化装置2的冷却装置,同时在液化装置2的冷却装置的输出端接一路低温流体管至空分设备1精馏塔附近的返流管道上,这样,能够为空分设备1启动阶段提供冷量的就不只是空分设备1的制冷装置(一般为透平膨胀机30)了,还包括液化装置2的冷却装置,且由于液化装置2的冷却装置的制冷量要远远大于空分设备1的制冷装置,故而对空分设备1的启动时间起到了决定性影响,从而大大缩短了空分设备1的启动时间,进而显著节约了能源消耗,能够对冶金等行业产生巨大影响,开拓冶金等行业的新纪元。

由于该液化装置2正常使用时,是利用循环压缩机210压缩的氮气来制冷的,而循环压缩机210运行时的能耗也非常大;而本申请在利用液化装置2辅助空分设备1启动时,液化装置2则是利用空分设备1的原料处理装置加工出来的空气来制冷的,由于空分设备1启动时,原料处理装置一定处于运行状态,故而将其加工出来的部分空气供给液化装置2,既提高了其自身加工出来的空气的利用率,又避免了液化装置2的大功率循环压缩机210的运行,因而也大大地节约了能源。

实施例二(图中未示出)

与实施例一的区别在于,液化装置2为氧气单膨胀液化装置2,即利用氧气的液化装置2来辅助空分设备1启动,第二管道4的返流气接至氧气返流管72(当然也可以接至氮气返流管71或污氮返流管73)。相应的,液化装置2的介质输入管道270为氧气输入管道,循环压缩机210为循环氧压机,液体储存装置250为液氧储槽,同样也缩短了空分设备1的启动时间,且其基本原理与实施例一相同,在此不再赘述。

实施例三(图中未示出)

与实施例一的区别在于,液化装置2为氮气的高低压双级膨胀液化装置2,第二管道4的返流气接至上塔63的氮气返流管71,但是在辅助空分设备1启动时,只开启低压级增压膨胀机220,以保证输入空分设备1的气体压力与空分设备1相匹配,同样也达到了缩短空分设备1启动时间的效果,且基本原理也是一样的,在此不再赘述。

实施例四(图中未示出)

与实施例一的区别在于,空分设备1和液化装置2为新建设备,第二管道4的返流接入点设在污氮返流管73上,这是根据液化装置2的制冷量(即液化能力),通过较精确的计算,用原料空气制冷时的运行参数得到的,同样也达到了缩短空分设备1启动时间的效果,且基本原理也是一样的,在此不再赘述。

综上,本发明提供的空分系统,利用液化装置2的冷却装置来辅助制冷,由于液化装置2需要生产液体,故而其冷却装置的制冷量很大,从而能够大大缩短空分设备1的启动时间,进而显著降低冶金等行业的能源消耗,实现节能的目的;同时,本发明不同于正常的液化装置2利用循环压缩机210的气源来制冷,而是利用了空分设备1的原料处理装置放散的空气来制冷,既提高了原料处理装置加工的空气的利用率,也节约了液化装置2制冷时的能源消耗,因而也大大节约了能源。

此外,由于冶金企业的气体用户是间断使用的,但是配套的空分设备1是连续生产的,为了减少气体产品的放散浪费,相关企业普遍配备有单独的液化装置2,来将富余的气体产品液化储存。而在空分设备1正常启动之前,由于尚没有生产合格的气体产品,因此液化装置2往往也是停运的,正好可以利用它来辅助制冷。因此,本技术方案只需对现有的空分设备1和液化装置2进行稍加改造,即可达到缩短空分设备1启动时间的目的,进而产生可观的节能效果,便于推广,且具有非常好的应用前景。

在本发明中,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;“相连”可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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