一种半连续中压氮气供应的空气分离系统的制作方法

本实用新型涉及一种半连续中压氮气供应的空气分离系统，属于深冷分离、空气分离、天然气化工、煤化工及石油化工技术领域。

背景技术：

大型煤化工工厂对氧气、氮气、仪表空气和工厂空气的需求量通常较大，一般采用深冷分离工艺进行空气分离。所谓的深冷一般是指操作温度在-70℃以下，也有部分书籍和文献将制冷与深冷的温度界限划分在-150℃以下，但美国nist规定制冷和深冷的温度以-180℃为界，-180℃以下为深冷温度区间。本文中空气深冷分离工艺指通过将空气液化后进行精馏再得到各种产品的分离工艺。

上述化工厂配置的空气分离装置通常称为大型或超大型空分装置，为制氧量一般在四万标立方/小时以上的空分装置，而超大型空分装置一般是指制氧量在十万标立方/小时以上的空分装置。

常规的经空分冷箱复热后供应的气体产品，不论是高压氧气、中压氧气、低压氧气、高压氮气、中压氮气、低压氮气以及抽自增压机第一级的仪表空气和工厂空气均为稳定流量，波动范围有限。

如果间断需求上述各种气体(本文仅以氧氮两类产品的空分为例，带氩工艺对本工艺并无影响)，那么可以考虑采用后备液氧、液氮储存系统供应，如液氧、液氮自贮槽分别经液氧泵和液氮泵增压再经后备汽化器复热后送至各自产品管网供应即可，需求中断时，关闭上述低温泵即可。

中压氮气的连续供应可以采用的方法主要有：下塔抽气氮压机增压、上塔抽气氮压机增压以及下塔抽液、液氮泵增压气化供气。

中压氮气的间断供应可以采用的方法主要有：后备液氮泵增压气化、后备中压液氮贮槽自流气化以及中压氮气缓冲罐排气供气。

中压氮气的半连续供应，在此以某空分装置产品表(见下表1)中的半连续中压氮气需求为例，该半连续工况为：144小时/次，22次/年。

表1空分装置产品规格参数表

注：表1中所有产量单位为nm³/h，是在0℃和0.1013mpaa条件下测的体积流量，称为标态流量。

不论采用：

a)空分冷箱供气，即前述所提及的“下塔抽液、液氮泵增压气化连续供应、上塔抽气氮压机增压”供气方式；

还是采用：

b)后备系统供气，即前述所提及的“后备液氮泵增压气化间断供应(包含后备液氮泵增压气化、后备中压液氮贮槽自流气化以及中压氮气缓冲罐排气供气)”供气方式。

这两种形式均有一定的局限性。

首先，空分冷箱供气，下塔抽液、液氮泵增压气化连续供气存在用气中断波动较大，由于下塔精馏对液体比较敏感，可能造成下塔精馏出现问题，进而可能引起空分装置产品不合格或者空分装置直接跳车；上塔抽气氮压机增压供气也不是最优方案，因为上塔抽气虽然会保证下塔的精馏稳定，但上塔抽气压力为常压，需要设置一台十分巨大的氮气压缩机，该氮压机电机功率大约在3550kw左右，设备投资巨大，且大型机组不适于启动频繁。

其次，后备系统供气，对于液氮气化供应上述半连续中压氮气30000nm³/h时间按144小时计算，需要7200m³液氮；所以“后备液氮泵增压气化间断供应(包含后备液氮泵增压气化、后备中压液氮贮槽自流气化以及中压氮气缓冲罐排气供气)”几种后备供气的方法均无法实现，液体量消耗巨大，不但需要设置超大的液氮贮槽，还要设置超大的氮气缓冲罐方可实现半连续中压氮气供应，上述方法都显得过于庞大，不太有经济性。

最后，如果采用下塔抽气+外置氮压机连续供应0.7mpag中压氮气，当需求中断时，直接将氮压机入口氮气排空，关闭氮压机，此种方案只可临时调节不可作为长时间使用，因为持续排放过于浪费，完全不具有经济性。

基于以上因素，有必要设计出一种新型的半连续中压氮气供应的空气分离系统。

技术实现要素：

为了解决上述的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种半连续中压氮气供应的空气分离系统。

为了实现以上目的，本实用新型提供了一种半连续中压氮气供应的空气分离系统，包括上塔、下塔、设置于上塔、下塔之间的主冷凝蒸发器、主换热器、空压机、空冷塔、水冷塔、水冷机组、分子筛吸附器，所述下塔的中压氮气出口通过中压氮气管路经由所述主换热器与中压氮气存储设备相连；所述上塔的液氧出口通过高压氧气管路分别经由高压液氧泵、主换热器与高压氧气存储设备相连；所述上塔的污氮出口通过污氮管路或者所述上塔的低压氮气出口通过低压氮气管路与所述水冷塔相连，以冷却所述水冷塔中的循环水后获得冷冻水，所述冷冻水通过第一冷冻水管路分别经由冷冻水泵、水冷机组进入所述空冷塔，用于冷却空气；

其中，所述系统还包括氮气压缩机或者液氮泵、中压氮气节流阀及冷冻水节流阀，所述氮气压缩机或者液氮泵位于所述中压氮气管路所设置的分支管路上，用于对经所述主换热器复热后的部分中压氮气进行增压；

当所述氮气压缩机或者液氮泵关闭，即不需要对中压氮气进行增压时，所述分支管路经由中压氮气节流阀与所述水冷塔相连，以冷却所述水冷塔中的循环水后获得冷冻水；经过冷冻水泵后的部分冷冻水通过第二冷冻水管路经由所述冷冻水节流阀调节冷冻水的温度至目标温度后进入所述空冷塔。

优选地，以上所述系统还包括氧气节流阀，所述氧气节流阀位于所述高压氧气管路所设置的分支管路上，用于对经所述主换热器复热后的部分高压氧气进行节流降压以获得低压氧气。

在以上所述的系统中，优选地，当所述氮气压缩机或者液氮泵关闭，即不需要对中压氮气进行增压时，中压氮气管路所设置的分支管路经由中压氮气节流阀与所述分子筛吸附器相连，以对所述分子筛吸附器中的分子筛进行再生。

在以上所述的系统中，优选地，中压氮气管路所设置的分支管路经由中压氮气节流阀与所述污氮管路或者低压氮气管路相连，所述污氮管路或者低压氮气管路与所述水冷塔相连。

优选地，所述系统还包括氧气节流阀，所述氧气节流阀位于所述高压氧气管路所设置的分支管路上，用于对经所述主换热器复热后的部分高压氧气进行节流降压以获得低压氧气；

当所述氮气压缩机或者液氮泵关闭，即不需要对中压氮气进行增压时，中压氮气管路所设置的分支管路经由中压氮气节流阀与所述分子筛吸附器相连，以对所述分子筛吸附器中的分子筛进行再生。

优选地，所述系统还包括氧气节流阀，所述氧气节流阀位于所述高压氧气管路所设置的分支管路上，用于对经所述主换热器复热后的部分高压氧气进行节流降压以获得低压氧气；

当所述氮气压缩机或者液氮泵关闭，即不需要对中压氮气进行增压时，中压氮气管路所设置的分支管路经由中压氮气节流阀与所述分子筛吸附器相连，以对所述分子筛吸附器中的分子筛进行再生；

中压氮气管路所设置的分支管路经由中压氮气节流阀与所述污氮管路或者低压氮气管路相连，所述污氮管路或者低压氮气管路与所述水冷塔相连。

本实用新型所述的系统可以适用于多种不同的工艺进行半连续中压氮气供应的空气分离，为了进一步对本实用新型的系统进行说明，本实用新型还提供了应用本实用新型的系统进行半连续中压氮气供应的空气分离的工艺，所述工艺包括以下步骤：

由下塔直接抽取压力氮气经主换热器换热后进行中压氮气供应，其中，所述中压氮气的压力不大于0.4mpag；

当所需中压氮气的压力大于0.4mpag时，利用氮气压缩机或者液氮泵对经所述主换热器复热后的部分中压氮气进行增压，以获得目标压力的中压氮气；

当不需要对中压氮气进行增压时，下塔操作状态保持不变，关闭氮气压缩机或者液氮泵，中压氮气管路的分支管路中的中压氮气经中压氮气节流阀减压后进入水冷塔，用于冷却所述水冷塔中的循环水以获得冷冻水；经过冷冻水泵后的部分冷冻水通过第二冷冻水管路经由所述冷冻水节流阀调节冷冻水的温度至目标温度后进入所述空冷塔。

其中，以上所述的工艺还包括：当中压氮气进入水冷塔后，调整所述水冷机组的工作负荷，以使冷冻水的温度不低于6℃；当所述冷冻水的温度为目标温度时，关闭第一冷冻水管路，使冷冻水经由所述第二冷冻水管路进入所述空冷塔。

在以上所述的工艺中，可以将上塔中所得到的污氮或者低压氮气送至分子筛吸附器和/或水冷塔，以对分子筛进行再生和/或使水冷塔中的循环水降温，且排放至水冷塔的污氮或低压氮气为连续量，当它们不能满足冷量需求时，可以考虑设置水冷机组，或者当氮气压缩机不工作，即没有半连续中压氮气供应需求时，由于经复热后的中压氮气的相对湿度为0％，可将下塔去氮气压缩机的中压氮气(分支管路)减压后排放至水冷塔，补充冷却水的冷量，将循环水降温，中压氮气达到接近水汽饱和后排放至大气，以充分利用中压氮气的干度。

在以上所述的工艺中，所述目标温度为6-10℃。

在以上所述的工艺中，所述半连续的工况为：144小时/次，22次/年。

在以上所述的工艺中，当所需中压氮气的压力大于0.4mpag，例如可以为大于0.4mpag小于等于0.7mpag时，利用氮气压缩机或者液氮泵对经所述主换热器复热后的部分中压氮气进行增压，以获得目标压力的中压氮气。

在以上所述的工艺中，如需调节循环水量，可通过水冷塔塔底液位控制调节循环水进入水冷塔流量。

本实用新型所提供的工艺采用空分装置下塔抽气氮气压缩机增压方式，可满足下游(如包括煤制乙醇工厂或煤制乙醇再经乙醇制取烯烃或其它化学品的工厂在内的大型煤化工工厂)对长时间、周期性、大流量中压氮气的需求。

通过本实用新型所提供的此种下塔抽气氮气压缩机增压供应半连续中压氮气的方式，所需氮气压缩机的电机大约在630kw左右，较上塔抽气氮气压缩机增压供气方式大幅度减少，虽然下塔抽气会引起氧气回收率的降低，在下塔氮气抽取量占入口空气量20％左右时，通常氧气的回收率在95-97％之间，因此会引起进料空气air的流量增加，但该流量增压所引起的三大机组能耗的增加不大于2％，能耗较上塔抽气氮压机增压供气方式小，且压比小于上塔抽气方式，因此压缩机更小，且小压缩机组操作更灵活，可频繁启停。

综上所述，本实用新型所提供的工艺采用深冷分离原理，自空分装置下塔抽取压力氮气，再经外置氮气压缩机增压后送至下游用户中压氮气气体管网，该工艺路线可以避免空分装置因半连续中压氮气的供应频繁切换而出现剧烈波动，可以避免空分装置频繁跳车而且又节约能耗。本工艺过程及设备简单、投资低，运行成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本领域典型内压缩空分系统的结构示意图。

图2为本实用新型实施例所提供的半连续中压氮气供应的空气分离系统的结构示意图。

主要附图标号说明：

hpgox、高压氧气；

hpgan、高压氮气；

mpgan、中压氮气；

lpgan、低压氮气；

lpgox、低压氧气；

ia、仪表空气；

pa、工厂空气；

lin、液氮；

lox、液氧；

wn、污氮；

air、空气；

cws、循环水给水；

cwr、循环水回水；

t-520、上塔；

t-510、下塔；

p-510、高压液氧泵；

p-520、高压液氮泵；

e-510、主换热器；

k-200、增压机；

e-520、主冷凝蒸发器；

k-100、空压机；

t-210、空冷塔；

t-220、水冷塔；

x-220、水冷机组；

r-300a/b、分子筛吸附器；

p-210、冷却水泵；

k-500、氮气压缩机；

jt-500、中压氮气节流阀；

jt-220、冷冻水节流阀；

p-220、冷冻水泵；

jt-510、空气节流阀；

e-530、过冷器；

kt-400、膨胀增压机。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本实用新型的可实施范围的限定。

对比例

本对比例提供了一种典型内压缩空分工艺，其是利用如图1所示的典型内压缩空分系统实现的，该工艺中的所有产品均为连续供应，产品包含高压氧气hpgox、高压氮气hpgan、中压氮气mpgan、低压氮气lpgan、仪表空气ia及工厂空气pa、液氮lin和液氧lox；

其中，所述内压缩是指高压氧气hpgox和高压氮气hpgan分别来自上塔t-520和下塔t-510中的液氧和液氮经高压液氧泵p-510和高压液氮泵p-520增压后，再经主换热器e-510复热至常温后供气；

抽自下塔t-510的中压氮气mpgan需求压力不大于0.4mpag(通常情况下，空分下塔操作压力在0.45mpag左右，直接自下塔t-510抽压力氮气的话，再考虑到压降，送出中压氮气mpgan产品的压力一般在0.4mpag左右)，因此采用下塔直接抽取压力氮气经主换热器e-510换热后供气；

低压氮气lpgan则抽自上塔t-520顶部，经主换热器e-510换热复热后送至低压氮气产品管网；

考虑到液氧lox自上塔t-520底部自流至大型平底储罐需要克服管路压降问题，通常将高压液氧泵p-510增压后的一部分液氧抽出经过冷节流后送至液氧平底储罐(图中未画出)；

由于液氮lin抽自下塔t-510顶部，压力有0.45mpag左右，该压力足够克服液氮lin至大型平底储罐所需要克服管路压降问题，通常该液氮lin过冷节流后直接送至大型平底储罐(图中未画出)；

仪表空气ia和工厂空气pa均抽自增压机k-200的第一级出口，经控制阀门调节压力后分别送至各自产品管网。

实施例1

本实施例提供了一种半连续中压氮气供应的空气分离系统，所述系统的结构示意图如图2所示，从图2中可以看出，其包括上塔t-520、下塔t-510、设置于上塔t-520、下塔t-510之间的主冷凝蒸发器e-520、主换热器e-510、空压机k-100、空冷塔t-210、水冷塔t-220、水冷机组x-220、分子筛吸附器r-300a/b；

空气air经空压机k-100后进入空冷塔t-210，空气于空冷塔t-210中由经冷却水泵p-210进入空冷塔t-210中的冷却水降温后，进入分子筛吸附器r-300a/b中进行吸附，以吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物；吸附后所得纯净空气经由主换热器e-510进行换热后进入下塔进行空分处理，或者吸附后所得纯净空气依次经增压机k-200、主换热器e-510及膨胀增压机kt-400后进入下塔进行空分处理，或者吸附后所得纯净空气依次经增压机k-200、膨胀增压机kt-400、主换热器e-510及空气节流阀jt-510后进入下塔进行空分处理；

上塔t-520的液氧出口通过高压氧气管路分别经由高压液氧泵p-510、主换热器e-510后与高压氧气储存设备相连；

上塔t-520的液氧出口通过高压氧气管路分别经由高压液氧泵p-510、过冷器e-530后与液氧lox储存设备相连；

下塔t-510的液氮出口通过高压氮气管路分别经由高压液氮泵p-520、主换热器e-510后与高压氮气储存设备相连；下塔t-510的液氮出口还通过管路直接与所述液氮lin储存设备相连；

上塔t-520顶部的低压氮气出口通过管路经由主换热器e-510后与低压氮气存储设备相连；

所述上塔的污氮出口通过污氮管路与所述水冷塔相连，以冷却所述水冷塔中的循环水后获得冷冻水，所述冷冻水通过第一冷冻水管路分别经由冷冻水泵、水冷机组进入所述空冷塔，用于冷却空气；

所述上塔的污氮wn出口通过污氮管路与所述分子筛吸附器r-300a/b相连，用于对分子筛吸附器r-300a/b中分子筛进行再生；

所述下塔t-510的中压氮气出口通过中压氮气管路经由所述主换热器e-510与中压氮气存储设备相连；所述系统还包括氮气压缩机k-500、中压氮气节流阀jt-500及冷冻水节流阀jt-220，所述氮气压缩机或者液氮泵位于所述中压氮气管路所设置的分支管路上，用于对经所述主换热器复热后的部分中压氮气进行增压；

当所述氮气压缩机或者液氮泵关闭，即不需要对中压氮气进行增压时，中压氮气管路所设置的分支管路经由中压氮气节流阀与所述污氮管路相连，所述污氮管路再与所述水冷塔相连，以冷却所述水冷塔中的循环水后(图中，cws为循环水给水；cwr为循环水回水)获得冷冻水；经过冷冻水泵p-220后的部分冷冻水通过第二冷冻水管路经由所述冷冻水节流阀调节冷冻水的温度至目标温度后进入所述空冷塔。

本实施例中，所述系统还包括氧气节流阀，所述氧气节流阀位于所述高压氧气管路所设置的分支管路上，用于对经所述主换热器复热后的部分高压氧气进行节流降压以获得低压氧气lpgox。

实施例2

本实施例提供了一种带半连续中压氮气供应的内压缩空气分离工艺，其是利用实施例1所提供的半连续中压氮气供应的空气分离系统进行的，本实施例中半连续中压氮气的流量为30000nm³/h，其需求时间和频率为：144小时/次，22次/年；

在本实施例所提供的工艺中，中压氮气mpgan需求分为0.4mpag与0.7mpag两股，压力为0.4mpag的中压氮气依然采用下塔抽气复热后供应，而对于压力为0.7mpag的中压氮气，采用下塔t-510抽气直接经主换热器e-510复热供气已经无法满足管网压力需求，此时需要利用氮气压缩机k-500将抽自下塔的经主换热器e-510复热后的压力为0.4mpag的中压氮气增压至0.7mpag后送至半连续中压氮气管网，以满足下游半连续中压氮气用户的需求；具体操作为：在半连续中压氮气使用调度发出指令后，将外置氮气压缩机k-500入口阀门开启，引入抽自下塔的经主换热器e-510复热后的压力氮气，启动氮气压缩机k-500，待氮气压缩机k-500达到所要求的产品压力时，开启送出阀门，将0.7mpag的中压氮气送至下游产品管网；

当该半连续中压氮气mpgan需求中断时，下塔t-510操作状态保持不变，依然按0.4mpag管网(中压氮气管路)+0.7mpag管网(分支管路)合计标立方流量不变进行供气，只是此时需要关闭氮气压缩机k-500，而多出的至0.7mpag管网的0.4mpag中压氮气需要经由中压氮气节流阀减压后，再通过所述污氮管路进入水冷塔，用于冷却所述水冷塔中的循环水(从水冷塔t-220顶部进入)以获得冷冻水；

当中压氮气进入水冷塔后水冷塔底冷冻水温度会降低，此时需要调整所述水冷机组的工作负荷，以使冷冻水的温度不低于6℃，保证不结冰；经过冷冻水泵后的部分冷冻水通过第二冷冻水管路经由所述冷冻水节流阀调节冷冻水的温度至6-10℃时，可以关闭第一冷冻水管路，使冷冻水经由所述第二冷冻水管路进入所述空冷塔，以达到节约电耗的目的，其中，由所述冷冻水节流阀调节冷冻水的温度时需要缓慢调节，以避免导致压力剧烈波动，通常情况下，缓慢调节的速度可以设置为5％每分钟，以避免导致空冷塔和水冷塔气液两相不平衡。

综上所述，本实用新型可以最大限度稳定空分的连续操作，避免工艺参数波动较大而引起空分装置冷箱跳车，同时还可节约能耗，又便于现场频繁启动压缩机组，进而提高空分装置及下游装置的在线率。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施例，不能以其限定实用新型实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。