一种基于LNG冷能利用的空气分离装置及系统的制作方法

一种基于lng冷能利用的空气分离装置及系统
技术领域
1.本发明属于空气分离技术领域，特别涉及一种基于lng冷能利用的空气分离装置及系统。


背景技术：

2.lng冷能作为lng产业的重要附属产业，有着多种利用方式。主要包括：空气分离、低温发电、低温冷冻、废旧橡胶生冷粉碎、轻烃分离、燃气轮机进气冷却技术等。低温冷冻(冷水空调、冷库、制冰)技术已相对成熟；目前已实现废旧橡胶深冷粉碎项目间接利用lng冷能的产业化，但尚未得到实现对该项目lng冷能的直接利用，相应的中试研究正在国内进行。
3.氧气和氮气不仅是化学工业的重要生产原料，同时在医疗、电子、冶金、航空、环保等领域也有着非常广泛的应用。随着世界科学技术与经济的高速发展，各行各业对氧气和氮气的需求迅速增加，用量也越来越多，推动了空气分离技术的发展。虽然传统的电压缩制冷空气分离技术可以得到各种工业、医药业和航空业所需要的氧气、氮气等，但其能耗十分高，对电能的需求量非常巨大。因此，开发节能、高效的空气分离技术逐渐成为了空分行业发展方向。同时，随着液化天然气冷能利用行业逐渐发展，为空分技术带来了新的工艺路线，更为空分技术的发展提供了新的研究方向。目前，空气分离的主要方法有四种：化学吸收法、变压吸附法、薄膜渗透法和低温精馏法。
4.目前空分工艺主要存在流程复杂、设备庞大、操作烦琐及运行成本较高等缺点，使得lng空分工艺只能在大型lng接收站开展，无法得到全面推广实施。
5.综上，亟需提出一种合理的lng空分系统，提高整套lng空分冷能综合利用方案的经济可行性，小型化、撬装化的设备既可以解决lng空分工艺对空间的依赖和发展推广不足的问题，以降低工程的投资成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于lng冷能利用的空气分离装置及系统。本发明的装置实现空气中的氮气、氧气分离，以便得到高纯度的氮气和高纯度的氧气。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于lng冷能利用的空气分离装置，包括空分预处理系统、空分精蒸馏系统；
9.所述的空气预处理系统主要包括空气压缩单元、空气预冷单元和空气纯化单元；空气预冷单元包括空气冷却塔，空气压缩单元的出口与所述空气冷却塔的底部入口连接，所述空气冷却塔底部连接自循环水系统，空气冷却塔中部连接低温污氮气冷却系统，空气冷却塔顶部出口连接空气纯化单元；
10.所述空分精蒸馏系统包括包含精馏塔，精馏塔内部具有冷凝蒸发器k和空气分馏塔，空气纯化单元的出口连接精馏塔底部入口，冷凝蒸发器k顶部出口导入液氮收集器，精馏塔底部出口连接高纯度液氧收集器。
11.作为本发明的进一步改进，所述空气压缩单元包括自洁式空气过滤器、空气压缩机，自洁式空气过滤器一端外接空气，另一端连接空气压缩机，空气压缩机出口连接所述空气冷却塔底部入口。
12.作为本发明的进一步改进，所述自循环水系统包括储水罐和第一增压泵，储水罐通过第一增压泵与所述空气冷却塔底部换热水入口连接。
13.作为本发明的进一步改进，所述低温污氮气冷却系统包括水冷却器和第二增压泵，所述水冷却器换热介质为冷却水和污氮气，水冷却器的气体出口通过第二增压泵与空气冷却塔中部换热水入口连接。
14.作为本发明的进一步改进，所述空气纯化单元包括第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器，第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器并联；第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器的并联入口连接空气冷却塔顶部出口，并联出口通过混合器连接至储气罐。
15.作为本发明的进一步改进，所述空气纯化单元还包括污氮加热单元，所述污氮加热单元包括加热罐、电源、开关和电加热器，电加热器设置在加热罐内，电源、开关和电加热器电连接；所述加热罐顶部为污氮入口，底部为污氮出口，污氮出口连接并联入口；
16.第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器的并联入口分别设置有第一调节阀、第二调节阀。
17.作为本发明的进一步改进，所述第一分子筛吸附器和第二分子筛吸附器均具有铝胶和分子筛的吸附床。
18.作为本发明的进一步改进，所述冷凝蒸发器k顶部出口导入液氮收集器的管路上还设置有氮气支管，氮气支管连接至精馏塔顶部的空气分馏塔。
19.作为本发明的进一步改进，所述空气分馏塔的污氮出口连接所述低温污氮气冷却系统。
20.一种基于lng冷能利用的空气分离装置的分离方法，包括以下步骤：
21.原料空气进入空气压缩单元进行压缩出口温度升高，然后进入空气预冷单元对空气降温冷却；
22.压缩的空气先在空气冷却塔下部和来自循环水系统的常温水进行换热，然后穿过填料层上升至空气冷却塔上部与冷却水进行热交换；
23.空气冷却塔上部冷却水在水冷塔中由低温污氮气冷却系统生成，压缩空气在空气冷却塔的热交换中洗涤清除空气中有害物质后进入空气纯化单元；
24.经过压缩和预冷降温的空气先后经过空气纯化单元吸附床除去水分、乙炔、二氧化碳和烃类后进入空分精蒸馏系统；
25.空气从精馏系统下塔下部进料进行精馏，多次的空气部分冷凝和液空部分蒸发过程完成实现空气中的氮气、氧气分离。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.本发明提供了一种基于lng冷能利用的空气分离装置，原料气体依次经过空气压缩单元、空气预冷单元和空气纯化单元，经预处理系统清除灰尘、水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质，并在换热系统中被冷却到分离压力下的饱和温度后，从精馏系统下塔下部进料进行精馏。本发明结合现有成熟的lng冷能利用工艺，完成了空分预处理和空分精蒸馏。首先进行空分预处理，原料气体经预处理系统清除灰尘、水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质，
并在换热系统中被冷却到分离压力下的饱和温度后，从精馏系统下塔下部进料进行精馏。下塔顶部流出的氮气在冷凝蒸发器中冷凝为液氮，引出后分为两股，一股作为回流液从上塔顶部下流为上塔上升的蒸汽提供冷量，以便得到纯度更高的液态产品；另一股导入液氮收集器被储存；上塔底部获得高纯度液氧，被导入液氧收集器储存，从而实现了氮、氧分离。本发明解决了传统的空气分离流程复杂、设备庞大、操作烦琐及运行成本较高等缺点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
29.图1是本发明实施例的一种基于lng冷能利用的空分预处理系统的示意图；
30.图2是本发明实施例的一种基于lng冷能利用的空分精蒸馏系统的示意图。
31.1、自洁式空气过滤器；2、空气压缩机；3、空气冷却塔；4、储水罐；5、第一增压泵；
32.6、水冷却器；7、第二增压泵；8、第一调节阀；9、第二调节阀；10、第一分子筛吸附器；11、第二分子筛吸附器；12、混合器；13、电源；14、开关；15、电加热器；16、储气罐。
33.k1、冷凝蒸发器；c1、c2空气分馏塔；ln2、液氮；lo2、液氧。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
35.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.现存在的问题是，由于空气是一种主要由氧气、氮气等气体组成的多组分复杂气体混合物，除氧气、氮气组分外，还有氩气、碳氧化物、氮氧化物、硫化物、水蒸汽、碳氢化合物、乙炔、及少量的灰尘等气体杂质。空气分离装置会因没有经过纯化处理的自然空气的直接进入而受到损毁，因为自然空气所含的小颗粒杂质会随空气进入压缩机、冷却器等设备中，会影响设备的冷却效果，甚至造成设备部件磨损、设备和气体管道等被堵塞的严重后果；而空气中的水蒸汽和二氧化碳会在设备内因低温而冻结、聚集，造成设备及气体管道的堵塞，从而导致产品质量、产量的下降亦或整个空分生产线的停产；空分装置中如有乙炔等碳氢化合物进入可能会发生燃烧或爆炸事故，因为乙炔等碳氢化合物在空分装置内会和含
氧介质产生摩擦、冲击或静电放电等而诱发突发状况。因此只有清除空气中的这些杂质，空分系统长期安全、可靠的运行才能得到有效的保证。
37.空气的预处理系统主要包括空气压缩、空气预冷和空气纯化，其目的是清除空气中所含的杂质，纯化空气，以便空气在精馏前达到最佳状态使得空气分离进行更加顺利、所制得产品纯度更高，耗能更少并保证空分系统的长期安全、可靠运行的目的。
38.本发明提供一种基于lng冷能利用的空气分离装置。原料气体经预处理系统清除灰尘、水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质，并在换热系统中被冷却到分离压力下的饱和温度后，从精馏系统下塔下部进料进行精馏。空气的精馏经过多次的空气部分冷凝和液空部分蒸发过程完成，实现空气中的氮气、氧气分离，以便得到高纯度的氮气和高纯度的氧气。
39.如图1所示，本发明一种基于lng冷能利用的空气分离装置，包括空分预处理系统、空分精蒸馏系统。
40.所述的空气预处理系统主要包括空气压缩单元、空气预冷单元和空气纯化单元；空气预冷单元包括空气冷却塔3，空气压缩单元的出口与所述空气冷却塔3的底部入口连接，所述空气冷却塔3底部连接自循环水系统，空气冷却塔3中部连接低温污氮气冷却系统，空气冷却塔3顶部出口连接空气纯化单元；
41.所述空分精蒸馏系统包括包含精馏塔，精馏塔内部具有冷凝蒸发器k1和空气分馏塔，空气纯化单元的出口连接精馏塔底部入口，冷凝蒸发器k1顶部出口导入液氮(ln2)收集器，精馏塔底部出口连接高纯度液氧(lo2)收集器。
42.所述的空气预处理系统主要包括空气压缩、空气预冷和空气纯化，其目的是清除空气中所含的杂质，纯化空气，以便空气在精馏前达到最佳状态使得空气分离进行更加顺利、所制得产品纯度更高，耗能更少并保证空分系统的长期安全、可靠运行的目的；
43.所述的空分精蒸馏系统，空气的精馏经过多次的空气部分冷凝和液空部分蒸发过程完成，实现空气中的氮气、氧气分离，以便得到高纯度的氮气和高纯度的氧气。
44.具体地，空分预处理系统包括自洁式空气过滤器1、空气压缩机2、空气冷却塔3、储水罐4、第一增压泵5、水冷却器6、第二增压泵7、第一调节阀8、第二调节阀9、第一分子筛吸附器10、第二分子筛吸附器11、混合器12、电源13、开关14、电加热器15、储气罐16等主要部件。
45.空气压缩单元包括自洁式空气过滤器1、空气压缩机2，自洁式空气过滤器1一端外接空气，另一端连接空气压缩机2，空气压缩机2出口连接所述空气冷却塔3底部入口。
46.自循环水系统包括储水罐4和第一增压泵5，储水罐4通过第一增压泵5与所述空气冷却塔3底部换热水入口连接。
47.低温污氮气冷却系统包括水冷却器6和第二增压泵7，所述水冷却器6换热介质为冷却水和污氮气，水冷却器6的气体出口通过第二增压泵7与空气冷却塔3中部换热水入口连接。
48.使用时，原料空气通过自洁式空气过滤器1除去灰尘等小颗粒固体杂质后进入空气压缩机2进行压缩，空气压力经过压缩，出口温度升高，然后进入预冷系统，对空气降温冷却。
49.在预冷系统，压缩的空气先在空气冷却塔3下部和来自循环水系统的常温水进行换热，然后穿过填料层上升至空气冷却塔3上部与冷却水进行热交换，进而达到冷却效果。
50.空气冷却塔3上部冷却水在水冷塔中由低温污氮气冷却生成，除此外，压缩空气在空气冷却塔3的热交换中进一步洗涤清除空气中的灰尘、硫化氢和氨等有害物质后进入纯化系统。
51.在分子筛纯化器中，经过压缩和预冷降温的空气先后经过填充铝胶和分子筛的吸附床除去水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质进入到下一个系统。
52.空气纯化单元包括第一分子筛吸附器10和第二分子筛吸附器11，第一分子筛吸附器10和第二分子筛吸附器11并联；第一分子筛吸附器10和第二分子筛吸附器11的并联入口连接空气冷却塔3顶部出口，并联出口通过混合器12连接至储气罐16。
53.作为优选实施例，所述空气纯化单元还包括污氮加热单元，所述污氮加热单元包括加热罐17、电源13、开关14和电加热器15，电加热器15设置在加热罐17内，电源13、开关14和电加热器15电连接；所述加热罐17顶部为污氮入口，底部为污氮出口，污氮出口连接并联入口；
54.第一分子筛吸附器10和第二分子筛吸附器11的并联入口分别设置有第一调节阀8、第二调节阀9。
55.其中，所述第一分子筛吸附器10和第二分子筛吸附器11均具有铝胶和分子筛的吸附床。
56.基于上述设置，两台吸附器交替使用，一台工作吸附空气中的杂质，另一台则由精馏塔来的污氮通过电加热器15加热，进行加热脱附掉吸附剂的水及二氧化碳使吸附剂得到再生，污氮则经消声器排入大气。
57.空分精蒸馏系统包含冷凝蒸发器k1和空气分馏塔c1、c2。原料气体经预处理系统清除灰尘、水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质，并在换热系统中被冷却到分离压力下的饱和温度后，从精馏系统下塔下部进料进行精馏。氧气含量为20.9％的原料空气在分离压力下的饱和温度，空气在下塔进行预精馏，随蒸汽逐渐上升，作为上升气，其含氮量逐层增加，在下精馏塔顶为纯气氮(含氮99.99％)，在冷凝蒸发器k1中冷凝为液氮作为回流液从下塔顶部下流。
58.精馏塔下塔塔顶的回流液温度低于塔底上升蒸汽温度，塔顶的回流液在回流过程与温度较高的上升气体相遇，致使部分回流液因温度升高而蒸发、部分上升气体因温度降低凝结。氧气作为空气的难挥发组分在冷凝过程中会比易挥发组分氮气更易冷凝，所以上升气中氮气的浓度被提高。在气化过程中，同样因氧气是难挥发组分，氮气是易挥发组分，氮气就比氧气更多地蒸发，剩下的液体中氧气的浓度也就被提高了。反复冷凝和蒸发，含液氧成分较多的富氧液空集聚于下塔底部，氮气则集聚于下塔顶部。精馏塔仍为自下而上含氮量逐层增加，填料的温度逐渐下降。上塔底部的液氧与上塔顶部的气氮交换热量后将其冷凝成液体，在下塔和上塔顶部获得高纯氮(含氮99.99％)。
59.下塔顶部流出的氮气在冷凝蒸发器k1中冷凝为液氮，引出后分为两股，一股作为回流液从上塔顶部下流为上塔上升的蒸汽提供冷量，以便得到纯度更高的液态产品；另一股导入液氮收集器被储存。上塔底部获得高纯度液氧(含氧99.80％)在分离压力饱和温度下，被导入液氧收集器储存，从而实现了氮、氧分离。
60.作为优选实施例，所述冷凝蒸发器k1顶部出口导入液氮(ln2)收集器的管路上还设置有氮气支管，氮气支管连接至精馏塔顶部的空气分馏塔。所述空气分馏塔的污氮出口
连接所述低温污氮气冷却系统。
61.本发明还提供一种基于lng冷能利用的空气分离装置的分离方法，包括以下步骤：
62.原料空气进入空气压缩单元进行压缩出口温度升高，然后进入空气预冷单元对空气降温冷却；
63.压缩的空气先在空气冷却塔3下部和来自循环水系统的常温水进行换热，然后穿过填料层上升至空气冷却塔3上部与冷却水进行热交换；
64.空气冷却塔3上部冷却水在水冷塔中由低温污氮气冷却系统生成，压缩空气在空气冷却塔3的热交换中洗涤清除空气中有害物质后进入空气纯化单元；
65.经过压缩和预冷降温的空气先后经过空气纯化单元吸附床除去水分、乙炔、二氧化碳和烃类后进入空分精蒸馏系统；
66.空气从精馏系统下塔下部进料进行精馏，多次的空气部分冷凝和液空部分蒸发过程完成实现空气中的氮气、氧气分离。
67.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
68.请参阅图1，本发明实施例的一种基于lng冷能利用的空分预处理系统的示意图。常温的原料空气通过自洁式空气过滤器1除去灰尘等小颗粒固体杂质后进入空气压缩机2进行压缩，然后进入预冷系统，对空气降温冷却。在预冷系统，压缩的空气先在空气冷却塔3下部和来自循环水系统的常温水进行换热，然后穿过填料层上升至空气冷却塔3上部与冷却水进行热交换，进而达到冷却效果；空气冷却塔3上部冷却水在水冷塔中由低温污氮气冷却生成；压缩空气在空气冷却塔3的热交换中进一步洗涤清除空气中的灰尘、硫化氢和氨等有害物质后进入纯化系统。在分子筛纯化器中，经过压缩和预冷降温的空气先后经过填充铝胶和分子筛的吸附床除去水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质进入到下一个系统。两台吸附器交替使用，一台工作吸附空气中的杂质，另一台则由精馏塔来的污氮通过电加热器15加热，进行加热脱附掉吸附剂的水及二氧化碳使吸附剂得到再生，污氮则经消声器排入大气。
69.请参阅图2，本发明实施例的一种基于lng冷能利用的空分精蒸馏系统的示意图。原料气体经预处理系统清除灰尘、水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质，并在换热系统中被冷却到分离压力下的饱和温度后，从精馏系统下塔下部进料进行精馏。空气在下塔进行预精馏，随蒸汽逐渐上升，作为上升气，其含氮量逐层增加，在下塔顶为纯气氮(含氮99.99％)，在冷凝蒸发器k1中冷凝为液氮作为回流液从下塔顶部下流。精馏塔仍为自下而上含氮量逐层增加，填料的温度逐渐下降。上塔底部的液氧与上塔顶部的气氮交换热量后将其冷凝成液体，在下塔和上塔顶部获得高纯氮(含氮99.99％)。下塔顶部流出的氮气在冷凝蒸发器k1中冷凝为液氮，引出后分为两股，一股作为回流液从上塔顶部下流为上塔上升的蒸汽提供冷量，以便得到纯度更高的液态产品；另一股导入液氮(ln2)收集器被储存；上塔底部获得高纯度液氧(lo2)，被导入液氧收集器储存，从而实现了氮、氧分离。
70.本发明结合现有成熟的lng冷能利用工艺，完成了空分预处理和空分精蒸馏。首先进行空分预处理，原料气体经预处理系统清除灰尘、水分、乙炔、二氧化碳和烃类等杂质，并在换热系统中被冷却到分离压力下的饱和温度后，从精馏系统塔下部进料进行精馏。下塔顶部流出的氮气在冷凝蒸发器k1中冷凝为液氮，引出后分为两股，一股作为回流液从上塔顶部下流为上塔上升的蒸汽提供冷量，以便得到纯度更高的液态产品；另一股导入液氮收
集器被储存；上塔底部获得高纯度液氧(含氧99.80％)，被导入液氧收集器储存，从而实现了氮、氧分离。本发明解决了传统的空气分离流程复杂、设备庞大、操作烦琐及运行成本较高等缺点。
71.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。