CN103712417A - 一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法提供了只使用一台空气压缩机、双膨胀机内压缩空气分离的方法和装置，通过空气压缩、精馏、反流膨胀等步骤来分离空气，所用设备包括一台空气压缩机、两台透平膨胀机和精馏塔，精馏塔包括第一精馏塔和第二精馏塔；第一精馏塔的操作压力为0.7-1MPa，第二精馏塔的操作压力为0.1-0.4MPa。本发明的优势是只使用一台空气压缩机，空气直接进下塔，提高了精馏效率，降低了日常维护费用。
Description
技术领域
本发明涉及空气分离领域，尤其涉及一种空气增压，返流双膨胀内压缩空气分离的方法和装置。
背景技术
目前，在低温下采用换热、精馏、正流或返流膨胀、内压缩或外压缩来分离空气得到带压气体产品是众所周知的工业生产技术。通常的内压缩方法是：空气经过压缩机压缩，在预冷系统中冷却并在纯化系统中除去水、二氧化碳、乙炔等有害杂质后，分两路，一路空气经主换热冷却到饱和温度并经部分液化后进入精馏塔下塔的下部，参与精馏；另一路空气经氧换热器冷却到接近饱和温度去主换热器下部的空气通道。
精馏塔一般由下塔、上塔和冷凝蒸发器组成。空气在下塔得到预分离，在下塔的底部得到富氧液空，从下塔底部引出后，经液空过冷器过冷并节流膨胀后进入上塔中部作精馏的回流液。在下塔顶部得到氮气，少部分可作为产品压力氮经主换热器复热后去工艺预定位置或用户。大部分氮气在冷凝蒸发器内与液氧换热而冷凝成液氮。一部分液氮成为下塔的回流液，另一部分液氮从下塔引出，经液空过冷器过冷后少部分可作产品外供，大部分经节流膨胀后进入上塔顶部作为回流液。
在上塔底部得到的液氧中，一部分可作为产品引出，大部分在冷凝蒸发器内被氮气冷凝加热变成气氧，作为上升气流参与上塔精馏。多余的液氧，从冷凝蒸发器底部引出，经液氧过冷器过冷后经低温液体泵升压，再经氧换热器气化，复热后去工艺预定位置或用户。在上塔顶部可得到污氮气。经液氧过冷器及主换热器复热后作纯化器的再生气源或经膨胀机的制动风机升压后作再生气源。用这种方法和设备来分离空气得到不同形态的氧、氮产品，特别是压力较高的氧、氮产品，但是设备较多，平时维护困难。
专利CN102230716A公开了一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，需要执行多个压缩步骤和压缩空气流，步骤繁琐，设备维护费用高。
发明内容
本发明的目的是针对常规空分内压缩流程中需要多台空气压缩机、空气增压机的情况进行精简，提供了只使用一台空气压缩机、双膨胀内压缩空气分离的方法和装置。
本发明的第一个方面提供一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，包括如下步骤：
步骤1，空气压缩至所需压力后进行冷却、预纯化后进入第一透平膨胀机、和第二透平膨胀机增压；
步骤2，将增压后的空气在第一精馏塔中进行精馏，分离得到富氧液空和纯氮气，富氧液空进入第二精馏塔、以部分纯氮气作为回流液进行第二级精馏，得到纯氮气和液氧；
步骤3，第二级精馏得到的纯氮气从第二级精馏塔塔顶抽出经过第二透平膨胀机膨胀后送出，从第二级精馏塔中部抽出的污氮气经过第一透平膨胀机膨胀后送出，第二级精馏得到的液氧从第二级精馏塔塔釜抽出。
优选地，所述空气压缩至所需压力后进行冷却，通过与所述第二级精馏塔中抽出的纯氮气、液氧、污氮气中的任意一种或几种进行换热来实现。
优选地，所述第一级精馏塔中抽出的作为回流液的纯氮气，在进入所述第二级精馏塔之前，与所述第二级精馏塔中抽出的纯氮气、污氮气中的任意一种或几种进行热交换。
优选地，所述第一级精馏塔中得到的纯氮气中，还有部分纯氮气进入所述第二级精馏塔的冷凝蒸发器作为热源。
优选地，所述经过所述冷凝蒸发器的纯氮气，在送出所述冷凝蒸发器后进入所述第二级精馏塔作为回流液。
优选地，所述空气压缩至所需压力后进行冷却、预纯化后进入第一透平膨胀机、和第二透平膨胀机增压后的压力为2.15MPa。
优选地，所述第一级精馏塔的操作压力为0.7-1MPa。
优选地，所述第二级精馏塔的操作压力为0.1-0.4MPa。
本发明的第二个方面提供一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，包括压缩机、冷凝设备、第一透平膨胀机和第二透平膨胀机、主换热器、第一级精馏塔、第二级精馏塔；其中：
空气管道依次通过所述压缩机、所述冷凝设备后，依次进入所述第一透平膨胀机压缩端、所述第二透平膨胀机压缩端、以及所述主换热器后进入所述第一级精馏塔下部；
所述第一级精馏塔底部液体出口连接至所述第二级精馏塔中部，所述第一级精馏塔顶部气体出口连接至所述第二级精馏塔上部；
所述第二级精馏塔顶部气体出口依次通过所述第二透平膨胀机的膨胀端、所述换热器后送出；所述第二级精馏塔中部气体出口依次通过所述第一透平膨胀机的膨胀端、所述主换热器后送出；所述第二级精馏塔塔釜液体出口通过所述主换热器后送出。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，还包括第二换热器，其中，所述第一级精馏塔气体出口与所述第二级精馏塔连接管道、所述第一级精馏塔液体出口与所述第二级精馏塔连接管道、所述第二级精馏塔顶部气体出口与所述第二透平膨胀机膨胀端的连接管道、所述第二级精馏塔中部气体出口与所述第一透平膨胀机膨胀端的连接管道均通过所述第二换热器。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述第一级精馏塔气体出口与所述第二级精馏塔的连接管道在所述第二换热器和所述第二级精馏塔之间设有液氮节流阀。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述第二换热器和所述液氮节流阀之间设有液氮排放口。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述第一级精馏塔还包括第二气体出口，所述第二气体出口连接至所述第二级精馏塔的冷凝蒸发器。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述第二气体出口通过所述冷凝蒸发器之后，与所述第一级精馏塔顶部气体出口一起连接至所述第二级精馏塔上部。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述第二级精馏塔塔釜液体出口和所述换热器之间还设有液氧泵。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述换热器和所述第一级精馏塔下部之间的管道上设有空气节流阀。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述冷凝设备包括纯化装置。
上述一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其中，所述第一透平膨胀机和所述第二透平膨胀机之间及所述第二透平膨胀机和所述主换热器之间均设有小型换热器。
本发明的优势是只使用一台空气压缩机，空气直接进下塔，提高了精馏效率，降低了日常维护费用。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
1.空气压缩机；2.冷凝设备；3.第一透平膨胀机；4.第二透平膨胀机；5.主换热器；6.液氧泵；7.空气节流阀；8.第一级精馏塔；9.冷凝蒸发器；10.第二级精馏塔；11.液氮节流阀；12.第二换热器；13.液氮排放口；14.液空节流阀
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1中所示的本发明的实施例的装置的结构示意图，一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，包括空气压缩机1、冷凝设备2、第一透平膨胀机3、第二透平膨胀机4、主换热器5、液氧泵6、空气节流阀7、第一级精馏塔8、冷凝蒸发器9、第二级精馏塔10、液氮节流阀11、第二换热器12、液氮排放口13、液空节流阀14。
空气管道依次通过空气压缩机1、冷凝设备2后，依次进入第一透平膨胀机3的压缩端、第二透平膨胀机4的压缩端、主换热器5以及空气节流阀7后进入第一级精馏塔8的下部。
第一级精馏塔8底部的液体出口通过管道依次连接第二换热器12、液空节流阀14后进入第二级精馏塔10的中部；第一级精馏塔8的顶部气体出口通过管道依次连接第二换热器12、液氮节流阀11后进入第二级精馏塔10的上部，第二换热器12和液氮节流阀11之间设有液氮排放口13；第一级精馏塔8的顶部还包括第二气体出口，第二气体出口通过管道连接至第二级精馏塔10的冷凝蒸发器9后与第一级精馏塔8的顶部气体出口一起连接至第二级精馏塔10的上部。
第二级精馏塔10的顶部气体出口依次通过第二换热器12、主换热器5、第二透平膨胀机4的膨胀端、主换热器5后送出；第二级精馏塔10的中部气体出口通过管道依次连接第二换热器12、主换热器5、第一透平膨胀机3、主换热器5后送出；第二级精馏塔10的塔釜液体出口依次通过液氧泵6、主换热器5后送出。
一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，空气经空气压缩机1压缩至2MPa压力后，经冷凝设备2冷却纯化，进入第一透平膨胀机3的压缩端增压至2.1MPa，再经第二透平膨胀机4的压缩端增压至2.15MPa后，进入主换热器5，在主换热器5中被返流气体冷却至-150℃-160℃。
步骤2，由主换热器5流出的空气经空气节流阀7节流至0.7-1MPa后进入第一级精馏塔8，参与第一级精馏塔8的精馏；第一级精馏塔8的操作压力为0.7-1MPa。
由第一级精馏塔8底部富氧液空抽取口抽取的富氧液空经第二换热器12冷却后，经液空节流阀14节流至0.1-0.4MPa后进入第二级精馏塔10，参与第二级精馏塔10的精馏。
由第一级精馏塔8顶部气体出口抽出的纯氮气产品进入第二换热器12冷却后再经液氮节流阀11节流至0.1-0.4MPa，进入第二级精馏塔塔10，作为第二级精馏塔10的回流液参与第二级精馏塔10的精馏；第一级精馏8顶部第二气体出口抽出的氮气进入第二级精馏塔10的冷凝蒸发器9作为热源并由冷凝蒸发器9流出后进入第二级精馏塔10作为回流液
步骤3，第二级精馏塔10顶部的操作压力为0.1-0.4MPa之间。第二级精馏塔10精馏后的产品有顶部的氮气抽取口抽取的氮气、中部污氮抽取口抽取的污氮气及冷凝蒸发器9底部的液氧。由第二级精馏塔10顶部的氮气抽取口抽取的氮气经过第二换热器12回收冷量，进入主换热器5的低压氮气通道，从主换热器5中部抽出，抽出时温度为-130℃-150℃之间，后进第二透平膨胀机4的膨胀端膨胀至0.02MPa，-150℃-165℃，进入主换热器5的常压氮气通道，复热至17-37℃后，送至用气处。
从第二级精馏塔10中部污氮抽取口抽取的污氮气经过第二换热器12回收冷量，进入主换热器5的低压污氮气通道，从主换热器5中部抽出，抽出温度为-130℃-150℃之间，后进入第一透平膨胀机3的膨胀端膨胀至0.02MPa，-150℃-165℃，再进入主换热器5的常压污氮通道，复热至17℃-37℃后，送至用气处。
从冷凝蒸发器9底部抽取的液氧经液氧泵6加压至3.5-4.5MPa后，送入主换热器5的液氧通道，经复热至17-37℃后，送至用气处。
本发明的优势是只使用一台空气压缩机，空气直接进下塔，提高了精馏效率，降低了日常维护费用。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，空气压缩至所需压力后进行冷却、预纯化后进入第一透平膨胀机、和第二透平膨胀机增压；
步骤2，将增压后的空气在第一精馏塔中进行精馏，分离得到富氧液空和纯氮气，富氧液空进入第二精馏塔、以部分纯氮气作为回流液进行第二级精馏，得到纯氮气和液氧；
步骤3，第二级精馏得到的纯氮气从第二级精馏塔塔顶抽出经过第二透平膨胀机膨胀后送出，从第二级精馏塔中部抽出的污氮气经过第一透平膨胀机膨胀后送出，第二级精馏得到的液氧从第二级精馏塔塔釜抽出。
2.根据权利要求1所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，其特征在于，步骤1中所述空气压缩至所需压力后进行冷却，通过与所述第二级精馏塔中抽出的纯氮气、液氧、污氮气中的任意一种或几种进行换热来实现。
3.根据权利要求1所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，其特征在于，所述第一级精馏塔中抽出的作为回流液的纯氮气，在进入所述第二级精馏塔之前，与所述第二级精馏塔中抽出的纯氮气、污氮气中的任意一种或几种进行热交换。
4.根据权利要求1所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，所述第一级精馏塔中得到的纯氮气中，还有部分纯氮气进入所述第二级精馏塔的冷凝蒸发器作为热源。
5.根据权利要求4所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，所述经过所述冷凝蒸发器的纯氮气，在送出所述冷凝蒸发器后进入所述第二级精馏塔作为回流液。
6.根据权利要求1所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，其特征在于，所述空气压缩至所需压力后进行冷却、预纯化后进入第一透平膨胀机、和第二透平膨胀机增压后的压力为2.15MPa。
7.根据权利要求1所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，其特征在于，所述第一级精馏塔的操作压力0.7-1MPa。
8.根据权利要求1所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的方法，其特征在于，所述第二级精馏塔的操作压力0.1-0.4MPa。
9.一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其特征在于，包括：
压缩机、冷凝设备、第一透平膨胀机和第二透平膨胀机、主换热器、第一级精馏塔、第二级精馏塔；其中：
空气管道依次通过所述压缩机、所述冷凝设备后，依次进入所述第一透平膨胀机压缩端、所述第二透平膨胀机压缩端、以及所述主换热器后进入所述第一级精馏塔下部；
所述第一级精馏塔底部液体出口连接至所述第二级精馏塔中部，所述第一级精馏塔顶部气体出口连接至所述第二级精馏塔上部；
所述第二级精馏塔顶部气体出口依次通过所述第二透平膨胀机的膨胀端、所述换热器后送出；所述第二级精馏塔中部气体出口依次通过所述第一透平膨胀机的膨胀端、所述主换热器后送出；所述第二级精馏塔塔釜液体出口通过所述主换热器后送出；
还包括第二换热器，其中，所述第一级精馏塔气体出口与所述第二级精馏塔连接管道、所述第一级精馏塔液体出口与所述第二级精馏塔连接管道、所述第二级精馏塔顶部气体出口与所述第二透平膨胀机膨胀端的连接管道、所述第二级精馏塔中部气体出口与所述第一透平膨胀机膨胀端的连接管道均通过所述第二换热器。
10.根据权利要求9所述的一种空气增压返流膨胀内压缩空气分离的装置，其特征在于，所述第一级精馏塔还包括第二气体出口，所述第二气体出口连接至所述第二级精馏塔的冷凝蒸发器；所述第二气体出口通过所述冷凝蒸发器之后，与所述第一级精馏塔顶部气体出口一起连接至所述第二级精馏塔上部。
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