一种大型深冷空气分离装置的制作方法

本实用新型涉及一种分离空气获取氧气和氮气的装置，尤其涉及一种大型深冷空气分离装置。

背景技术：

随着煤化工、冶金、石油炼化等行业向着大型化、集约化发展，其对氧气、氮气等工业气体的需求量越来越大。市场对大型空气分离设备的需求量增大，制氧规模在60000Nm3/h以上的特大型空气分离装置已成为大型煤化工、大型冶金工程装置中配套的不可或缺的关键技术装备。

目前，大型空分装置的发展趋势是产品规模越来越大，能耗水平越来越低，对装置的可靠性要求越来越高。由于煤化工工艺要求氧气的压力通常为4.0～8.0MPaG，所以其配套的空分装置均采用内压缩流程，内压缩流程中最重要的核心动设备就是空气增压机，其能耗约占空分装置总能耗的30～45％。由于空气增压机的排气压力较高一般为5.0～7.5MPaG，排气压力越高其所需的压缩级数就越多，相应的机组规模就越大，增压机的投资成本也随之增大，其稳定运行的可靠性将会降低。因此，大型空气增压机的投资成本与运行可靠性已成为制约特大型空气分离装置技术发展的重要因素。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种将原料空压机排气压力提高，采用低压透平膨胀机提供冷量，从而大大降低空气增压机处理气量并减少其压缩级数，仅需配置较小规模增压机的大型空气分离装置。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种大型深冷空气分离装置，其特征在于：包括空气压缩系统、空气纯化系统、制冷系统、精馏系统和换热器；所述空气压缩系统包括空气压缩机和空气增压机；制冷系统包括空气冷却塔和低压透平增压膨胀机；所述空气压缩机、空气冷却塔和空气纯化系统依次连接，空气纯化系统引出第一支路、第二支路和第三支路，第一支路经过空气增压机后引入换热器，第三支路直接引入换热器；第一支路和第三支路由换热器引出后经过节流阀引入精馏系统；所述第二支路经过低压透平增压膨胀机的增压端后引入换热器，并由换热器中部引入低压透平增压膨胀机的膨胀端，而后引入精馏系统；所述精馏系统所形成的液氧反流支路和液氮反流支路引入的换热器，并与换热器内的第一支路和第三支路进行热交换，而后以氧气输出支路和氮气输出支路引出。

作为优选，所述精馏系统包括精馏下塔、精馏上塔、过冷器和冷凝蒸发器；所述第一支路、第二支路和第三支路末端引入精馏下塔，精馏下塔在塔底、塔中和塔顶分布形成液空区、混合区和液氮区；液氮反流支路在高压液氮泵的作用下，由液氮区引出后引入换热器；所述精馏下塔的液空区、混合区和液氮区由三路管路分别经过过冷器后引入精馏上塔，精馏上塔的塔底形成液氧区；所述冷凝蒸发器设置在精馏下塔的顶部，精馏上塔的液氧区通过管路与冷凝蒸发器构成回路，冷凝蒸发器与精馏下塔的液氮区进行热交换；所述液氧反流支路在高压液氧泵增压后，由冷凝蒸发器引出后引入换热器。该技术方案中，采用低压透平膨胀机制取冷量，膨胀机增压端空气是来自纯化系统净化后的空气，但膨胀后不是进入上塔，而是去下塔精馏，相比膨胀后进上塔流程，产品提取率有较大幅度的提高。利用低压透平膨胀机取代常规内压缩流程中的高压透平膨胀机，通过增大膨胀机的处理气量来弥补由于膨胀比降低所减少的制冷量，在保证制冷量的同时，增加了透平膨胀机设计运行的可靠性。

作为优选，所述空气纯化系统包括蒸汽加热器和分子筛吸附器，蒸汽加热器与分子筛吸附器之间构成回路；制冷系统还包括水冷却塔，水冷却塔与空气冷却塔之间构成回路；所述精馏上塔的塔顶引出废氮气支路，经过过冷器和换热器后分别连接蒸汽加热器和水冷却塔。该技术方案中，所采用的空冷塔与分子筛吸附器由于提高了操作压力，减小了加工空气的体积流量，容器的外形尺寸相应减小，从而减小设备的占地面积，节省部分压力容器的投资成本。另外由于容积设备外形尺寸的减小，可以避免出现运输尺寸超限的问题，非常适合特大型空气分离装置。

本实用新型采用上述技术方案，该技术方案涉及大型深冷空气分离装置，该大型深冷空气分离装置与传统大型内压缩空分装置相比，在不增加原料空气压缩机压缩级数的前提下提高空压机的排气压力，充分发挥原料空压机的压缩能力。由于提高了原料空压机的排气压力，空气增压机的入口压力也随之提高，在空气增压机末级排压相同的情况下就可以减少空气增压机的压缩级数。另外由于使用低压空气透平膨胀机取代了传统大型内压缩空分装置中的高压空气透平膨胀机，减少了空气增压机的处理气量。综合以上几点因素，本实用新型所采用的空气增压机的运行能耗大幅度降低，机组可靠性得到加强，投资成本也大幅下降。此外，空气增压机由于减少了加工气量，降低了压缩级数，增压机的轴功率大为降低，可以实现通过电机驱动，突破了常规大型空分装置中增压机由于功率过高只能依靠汽轮机驱动的束缚，简化空气增压机启停的操作流程，增强了空分装置操作的灵活性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的优选实施方案作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示；本实施例记载了一种大型深冷空气分离装置，包括空气压缩系统、空气纯化系统、制冷系统、精馏系统和换热器。所述空气压缩系统包括空气压缩机2和空气增压机9。制冷系统包括空气冷却塔3和低压透平增压膨胀机10。所述空气压缩机2、空气冷却塔3和空气纯化系统依次连接，空气压缩机2上游的管路上还设有空气过滤器1。所述空气纯化系统引出第一支路a、第二支路b和第三支路c，第一支路a经过空气增压机9后引入换热器，第三支路c直接引入换热器11。第一支路a和第三支路c由换热器11引出后经过节流阀引入精馏系统。所述第二支路b经过低压透平增压膨胀机10的增压端后引入换热器11，并由换热器11中部引入低压透平增压膨胀机10的膨胀端，而后引入精馏系统。所述精馏系统所形成的液氧反流支路d和液氮反流支路e引入的换热器11，并与换热器11内的第一支路a和第三支路c进行热交换，而后以氧气输出支路f和氮气输出支路g引出。另外，所述液氧反流支路d和液氮反流支路e上分别连接液氧输出支路h和液氮输出支路j，从而可抽出部分液氧与液氮产品送入用户的低温液体贮槽。

具体地，所述精馏系统包括精馏下塔12、精馏上塔15、过冷器14和冷凝蒸发器13。所述第一支路a、第二支路b和第三支路c末端引入精馏下塔12，精馏下塔12在塔底、塔中和塔顶分布形成液空区、混合区和液氮区。液氮反流支路e在高压液氮泵的作用下，由液氮区引出后引入换热器11。所述精馏下塔12的液空区、混合区和液氮区由三路管路分别经过过冷器14后引入精馏上塔15，精馏上塔15的塔底形成液氧区。所述冷凝蒸发器13设置在精馏下塔12的顶部，精馏上塔15的液氧区通过管路与冷凝蒸发器13构成回路，冷凝蒸发器13与精馏下塔12的液氮区进行热交换。所述液氧反流支路d在高压液氧泵增压下，由冷凝蒸发器13引出后经过过冷器14引入换热器11。该技术方案中，采用低压透平膨胀机制取冷量，膨胀机增压端空气是来自纯化系统净化后的空气，但膨胀后不是进入上塔，而是去下塔精馏，相比膨胀后进上塔流程，产品提取率有较大幅度的提高。利用低压透平膨胀机取代常规内压缩流程中的高压透平膨胀机，通过增大膨胀机的处理气量来弥补由于膨胀比降低所减少的制冷量，在保证制冷量的同时，增加了透平膨胀机设计运行的可靠性。

所述空气纯化系统包括蒸汽加热器8和分子筛吸附器7，蒸汽加热器8与分子筛吸附器7之间构成回路；其中，空气纯化系统包括两组并联设置的分子筛吸附器7，两组分子筛吸附器7交替使用。所述制冷系统还包括水冷却塔4，水冷却塔4与空气冷却塔3之间构成回路。所述精馏上塔15的塔顶引出废氮气支路k，经过过冷器14和换热器11后分别连接蒸汽加热器8和水冷却塔4。该技术方案中，所采用的空冷塔与分子筛吸附器7由于提高了操作压力，减小了加工空气的体积流量，容器的外形尺寸相应减小，从而减小设备的占地面积，节省部分压力容器的投资成本。另外由于容积设备外形尺寸的减小，可以避免出现运输尺寸超限的问题，非常适合特大型空气分离装置。

上述技术方案中，空气过滤器1，用于加工空气中灰尘的过滤；空气压缩机2，用于加工空气的增压；空气增压机9用于工艺空气的增压。空气冷却塔3，用于原料空气压缩后的降温；水冷却塔4，用于循环水的降温；两台分子筛吸附器7(交替使用)，用于过滤加工空气中的H2O、CO2、C2H2等杂质；低压透平增压膨胀机10，用于净化后空气的增压和膨胀，为整个空分装置提供低温精馏所需要的冷量；换热器11，采用铝制板翅式结构，用于加工空气、工艺空气和返流高压氧气、氮气及低压污氮气的热量交换；氧氮精馏塔(包括精馏下塔12和精馏上塔15)，采用规整填料结构，用于分离空气获得液氧与液氮产品。该技术方案涉及大型深冷空气分离装置，该大型深冷空气分离装置与传统大型内压缩空分装置相比，在不增加原料空气压缩机2压缩级数的前提下提高空压机的排气压力，充分发挥原料空压机的压缩能力。由于提高了原料空压机的排气压力，空气增压机9的入口压力也随之提高，在空气增压机9末级排压相同的情况下就可以减少空气增压机9的压缩级数。另外由于使用低压空气透平膨胀机取代了传统大型内压缩空分装置中的高压空气透平膨胀机，减少了空气增压机9的处理气量。综合以上几点因素，本技术方案所采用的空气增压机9的运行能耗大幅度降低，机组可靠性得到加强，投资成本也大幅下降。

该大型深冷空气分离装置具有以下特点：

1)本技术方案采用的空气分离流程不同于常规内压缩流程，原料空气压缩机2的排压较高，空气增压机9的增压量较小、压缩级数较少。原料空压机排压以及纯化、预冷系统的工作压力可以根据机组供应商的选型灵活调整，通过最大化利用原料空压机的设计压比，从而对增压机的总压比进行优化设计，达到降低增压机压缩级数的目的。在原料空压机投资成本增加不多的情况下可以大规模降低空气增压机9的投资成本。因此本方法具有更低的投资成本和更高的可靠性，能够满足大规模生产氧氮产品的需求。

2)本技术方案采用低压透平膨胀机制取冷量，膨胀机增压端空气是来自纯化系统净化后的空气，但膨胀后不是进入上塔，而是去下塔精馏，相比膨胀后进上塔流程，产品提取率有较大幅度的提高。利用低压透平膨胀机取代常规内压缩流程中的高压透平膨胀机，通过增大膨胀机的处理气量来弥补由于膨胀比降低所减少的制冷量，在保证制冷量的同时，增加了透平膨胀机设计运行的可靠性。

3)本技术方案所采用的空冷塔与分子筛吸附器7由于提高了操作压力，减小了加工空气的体积流量，容器的外形尺寸相应减小，从而减小设备的占地面积，节省部分压力容器的投资成本。另外由于容积设备外形尺寸的减小，可以避免出现运输尺寸超限的问题，非常适合特大型空气分离装置。

4)本技术方案所采用的空气增压机9由于减少了加工气量，降低了压缩级数，增压机的轴功率大为降低，可以实现通过电机驱动，突破了常规大型空分装置中增压机由于功率过高只能依靠汽轮机驱动的束缚，简化空气增压机9启停的操作流程，增强了空分装置操作的灵活性。

5)本技术方案采用的流程组织型式相对常规内压缩流程更加简单，便于操作，下塔的操作压力可以根据上塔污氮气的背压改变而灵活调整，增强了空分装置操作运行的便捷性和可靠性。

实施例2：

本实施例是基于实施例1的大型深冷空气分离装置所采用的深冷空气分离方法，其包括如下步骤；

步骤1，原料空气经过空气过滤器去除灰尘和机械杂质，进入原料空气压缩机增压，再经过空气预冷系统降温，然后进入空气纯化系统用以去除原料空气中的H2O、CO2、C2H2等不纯物质；

步骤2，空气纯化系统净化后的加工空气分为三股，第一股空气由空气增压机继续增压，然后进入换热器与反流液氧、反流液氮换热，被液化后出换热器，再经过节流减压后进入下塔参与精馏；第二股空气由低压透平膨胀机的增压端继续增压，之后进入换热器被冷却至一定温度后从换热器中部抽出，进入膨胀机去膨胀制冷，为整个装置的精馏提供冷量，膨胀后的空气直接进入精馏下塔；第三股空气则直接进入换热器被返流气体冷却液化，经过节流减压后进入精馏下塔参与精馏；

步骤3，空气经精馏下塔初步精馏后，获得液空、纯液氮和污液氮，精馏下塔得到的部分液氮，经液氮泵压缩并进入换热器与步骤2中的第一股空气换热，复热后引出得到高压氮气产品；精馏下塔得到的液空、纯液氮和污液氮经过冷器后节流进入精馏上塔；经精馏上塔进一步精馏后，在精馏上塔底部获得液氧，经液氧泵压缩并进入换热器与步骤2中的第一股空气换热，复热后引出得到高压氧气产品；此外，将精馏上塔的液氧经过循环液氧泵输送至冷凝蒸发器，在冷凝蒸发器内的液氧与精馏下塔内上升的氮气换热，氮气被冷凝为液氮返回精馏下塔作为回流液维持精馏，液氧蒸发后的氧气返回精馏上塔作为上升气维持精馏。

步骤4：从精馏上塔引出污氮气经过冷器和换热器复热引出后分成两股；一股氮气进入空气纯化系统的蒸汽加热器，蒸汽加热器与分子筛吸附器之间构成回路，该股氮气作为分子筛再生气体；另一股氮气进入水冷却塔，水冷却塔与空气冷却塔之间构成回路，该股氮气利用其自身的干燥吸湿特性降低循环水的温度。

实施例3：

本实施例是基于实施例2的深冷空气分离方法，所采用的更加细节的工艺步骤，如下：步骤1，原料空气经过空气过滤器去除灰尘和机械杂质，进入原料空气压缩机增压，在其中被压缩至约1.0MPa(绝对压力，下同)的压力；再经过空气预冷系统降温，通过空气冷却塔冷却至约15℃；然后进入空气纯化系统用以去除原料空气中的H2O、CO2、C2H2等不纯物质，引出一部分空气作为装置自身的仪表空气。

步骤2，空气纯化系统净化后的加工空气分为三股，第一股空气由空气增压机继续增压，被压缩至约5.0MPa，然后进入换热器与反流液氧、反流液氮换热，被液化后出换热器，再经过节流减压至约0.55MPa进入下塔参与精馏；第二股空气由低压透平膨胀机的增压端继续增压至约1.2MPa，之后进入换热器被冷却至约-140℃后从换热器中部抽出，进入膨胀机去膨胀制冷，为整个装置的精馏提供冷量，膨胀至0.55MPa后的空气直接进入精馏下塔；第三股空气则直接进入换热器被返流气体冷却液化，经过节流减压至约0.55MPa后进入精馏下塔参与精馏；

步骤3，空气经精馏下塔初步精馏后，获得液空、纯液氮和污液氮，精馏下塔得到的部分液氮，经液氮泵压缩增压至约4.0MPa并进入换热器与步骤2中的第一股空气换热，复热后引出得到高压氮气产品；精馏下塔得到的液空、纯液氮和污液氮经过冷器后节流进入精馏上塔；经精馏上塔进一步精馏后，在精馏上塔底部获得液氧，经液氧泵压缩至约4.5MPa并进入换热器与步骤2中的第一股空气换热，复热后引出得到高压氧气产品；此外，将精馏上塔的液氧经过循环液氧泵输送至冷凝蒸发器，在冷凝蒸发器内的液氧与精馏下塔内上升的氮气换热，氮气被冷凝为液氮返回精馏下塔作为回流液维持精馏，液氧蒸发后的氧气返回精馏上塔作为上升气维持精馏。另外还可以根据需求从主冷凝蒸发器抽出部分液氧与液氮产品送入用户的低温液体贮槽。

步骤4：从精馏上塔引出污氮气经过冷器和换热器复热引出后分成两股；一股氮气进入空气纯化系统的蒸汽加热器，蒸汽加热器与分子筛吸附器之间构成回路，该股氮气作为分子筛再生气体；另一股氮气进入水冷却塔，水冷却塔与空气冷却塔之间构成回路，该股氮气利用其自身的干燥吸湿特性降低循环水的温度。

该技术方案涉及一种深冷空气分离方法，该深冷空气分离方法与传统工艺流程相比，在不增加原料空气压缩机压缩级数的前提下提高空压机的排气压力，充分发挥原料空压机的压缩能力。由于提高了原料空压机的排气压力，空气增压机的入口压力也随之提高，在空气增压机末级排压相同的情况下就可以减少空气增压机的压缩级数。另外由于使用低压空气透平膨胀机取代了传统大型内压缩空分装置中的高压空气透平膨胀机，减少了空气增压机的处理气量。综合以上几点因素，本实用新型所采用的空气增压机的运行能耗大幅度降低，机组可靠性得到加强，投资成本也大幅下降。由于本技术方案采用的低压透平膨胀机增压端空气直接来自纯化系统吸附器后，但膨胀后不是进入精馏上塔，而是去精馏下塔进行精馏，相比膨胀后进精馏上塔流程，氧提取率有较大幅度的提高。