CN104019630A - 基于深冷精馏分离空气的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于深冷精馏分离空气的方法，以小于空分装置的额定空气流量向空分装置中输入空气；对输入的空气进行过滤、压缩、冷却和吸附后，将吸附后的一部分空气输入至压力为0.35MPa～0.45MPa，阻力为6.5KPa～9.5KPa的下塔中，以分离出液态空气和氮气；将吸附后的另一部分空气输入至膨胀机，控制压缩后的空气为0.02MPa～0.035MPa；将压缩为0.02MPa～0.035MPa的空气以及下塔得到的液态空气输入至上塔，并控制上塔的压力为0.02MPa～0.03MPa，阻力为1.5MPa～2.8MPa，以分离出氧气。利用该方法通过空分装置满足气体需求量较小的情况，并降低能源消耗。

Description

基于深冷精馏分离空气的方法

技术领域

本申请涉及空气分离技术领域，更具体的说是涉及一种基于深冷精馏分离空气的方法。

背景技术

深冷精馏空分法也称为低温精馏法，其原理是以空气为原料，经过压缩、净化、用热交换使得空气液化成包含液氧和液氮的液态空气混合物，并利用液氮和液氮的沸点不同，通过精馏从混合物中分离出氧气和氮气。

一般是通过深冷空分装置来完成对空气的深冷精馏，实现对空气的分离。在设计深冷空分装置时，根据所需的气体用量建成相应型号的装置。深冷空分装置的型号一旦确定，该深冷空分装置每小时的气体输出量也就固定不变。如，某套深冷空分装置的型号为KDOR-8500/260，则表示该深冷空分装置每小时的气体产量为：气氧量为8000标准立方米，液氧量为500标准立方米，液氩量为260标准立方米。

然而由于目前基于深冷空分装置只能生产单一的固定气体产量，这样必然会导致能源以及生产出的气体产品的浪费。如，一套深冷空分装置的额定产量为每小时的气氧量为8000标准立方米，如果氧气的需求量仅为每小时4000标准立方米时，由于目前只能按照该套深冷空分装置的额定气体产量来输出气体，而输出的气体又无法进行贮存，则必然会造成产品的浪费，也必然导致了能源的浪费，如气体分离过程中的电能耗费。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于深冷精馏分离空气的方法，以改变深冷空分装置的气体产量固定的现状，使得在气体需求量减小时，利用空分装置生产出小于额定产气量的气体，降低能源消耗。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种基于深冷精馏分离空气的方法，包括：

以小于空分装置的额定空气流量的流速向所述空分装置中输入空气；

将输入的所述空气进行过滤并压缩至额定压力后，对所述空气进行冷却和吸附，以去除所述空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物；

将进行所述吸附后的所述空气的一部分输入至所述空分装置中精馏塔的下塔，并控制所述下塔的压力为0.35MPa～0.45MPa，且所述下塔的阻力为6.5KPa～9.5KPa，对输入所述下塔的空气进行换热精馏，以从输入所述下塔的空气中分离出液态空气和氮气；

将进行所述吸附后的所述空气的另一部分输入至所述空分装置的膨胀机中进行压缩制冷，控制压缩后的空气压力为0.02MPa～0.035MPa；

将压缩为0.02MPa～0.035MPa的空气以及所述下塔得到的液态空气输入至所述精馏塔的上塔，并控制所述上塔的压力为0.02MPa～0.03MPa，且所述上塔的阻力为1.5MPa～2.8MPa，对输入所述上塔的空气进行换热精馏，以从输入上塔的空气中分离出氧气。

优选的，所述以小于空分装置的额定空气流量的流速向空分装置中输入空气，包括：

按照每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量向空分装置中输入空气，其中，每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量小于所述额定空气流量。

优选的，所述将输入的所述空气进行过滤并压缩至额定压力后，对所述空气进行冷却和吸附，以去除所述空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物，包括：

将输入的所述空气通入所述空分装置的空气过滤器中进行过滤，以去除所述空气中的机械杂质；

将过滤后的空气输入至所述空分装置的空气压缩机内压缩至额定压力；

将压缩至额定压力的空气输出到空冷塔中，并控制空冷塔的阻力维持在1.8KPa～4.2KPa，以将空气冷却至预设温度；

将冷却至预设温度的所述空气输入至所述空分装置的分子筛吸附器中，以去除所述空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物。

优选的，所述将进行所述吸附后的所述空气的一部分输入至所述空分装置中精馏塔的下塔，包括：

将吸附后的所述空气的一部分以每小时8500标准立方米～9500标准立方米的流量输入至增压机中，并将增压机压缩后的空气输入至液氧蒸发器；

将液氧蒸发器输出的空气输入到下塔进行精馏。

优选的，所述将进行所述吸附后的所述空气的一部分输入至所述空分装置的膨胀机中进行压缩制冷，包括：

将所述吸附后的空气的另一部分以流量为每小时4500标准立方米～5500标准立方米的流速输入至所述膨胀机进行压缩制冷；

对所述空气进行压缩制冷，并控制压缩后的空气压力为0.02MPa～0.035MPa的同时，还包括：

控制压缩后的空气输出至所述膨胀机出口的温度大于等于-166摄氏度。

优选的，所述对下塔内的空气进行换热精馏的过程中，还包括：

控制所述下塔内生成的液态空气的液面范围在580mm～680mm。

优选的，在所述上塔和所述下塔进行换热精馏的过程中，控制位于所述上塔和所述下塔之间的主冷的液位为2600mm～3000mm，以冷凝向所述下塔输入的上升气体，保证上下塔之间的换热精馏。

经由上述的技术方案可知，当气体需求量减少时，可以降低输入该空分装置的空气流量，并通过合理调整膨胀机压缩空气的压力，以及上塔和下塔精馏过程中的压力和阻力值，即可以满足正常分离气体，又可以控制气体产量下降，改变了空分装置单一固定的产气量的情况；同时由于输入气体量减少，使得压缩空气等耗能降低，也减少了能源的耗费。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一种基于深冷精馏分离空气的方法一个实施例的流程示意图；

图2示出了本申请一种空分装置的结构示意图；

图3示出了本申请一种基于深冷精馏分离空气的方法另一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例公开了一种基于深冷精馏分离空气的方法，以达到改变深冷空分装置的产气量，进而在气体量需求较少的情况下，可以减少能源耗费。

参见图1，示出了本申请一种基于深冷精馏分离空气的方法一个实施例的流程示意图，本实施例的方法可以包括：

101，以小于空分装置的额定空气流量的流速向该空分装置中输入空气。

发明人经研究发现，由于一套空分装置被建成后，基于该空分装置进行空气分离过程中各个工艺步骤均是以设备全负荷运行为基础的，也就是各个工艺步骤均为各个工艺参数的额定参数值下进行的，从而使得该空分装置的产气量固定。因此，如何合理调整各个工艺过程的参数，以及改变运行工况，以实现能够通过该空分装置得到小于额定产气量则是解决问题的关键。

在本申请实施例中，当产气量的需求减少的情况下，可以根据需要适当降低向该空分装置中输入空气的空气流量，使得输入空气的空气流量小于该空分装置的额定空气流量。

102，将输入的该空气进行过滤并压缩至额定压力后，对该空气进行冷却和吸附，以去除空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物。

将输入的空气进行过滤以去除该空气中包含的灰尘等机械杂质；对过滤后的空气进行压缩至该设定的额定压力后，对空气进行冷却，并对冷却的空气进行吸附工艺处理，以去除该空分中的水分、二氧化塔和碳氢化合物等，以得到纯化的空气。

103，将进行吸附后的该空气的一部分输入至该空分装置中精馏塔的下塔，并控制下塔的压力为0.35MPa～0.45MPa，且下塔的阻力为6.5KPa～9.5KPa，对输入下塔内的空气进行换热精馏，以从输入该下塔的空气中分离出液态空气和氮气。

其中，精馏塔是该空分装置的主要组成部分，通过精馏塔完成对空气的精馏，以最终分离出空气。在本申请实施例针对双级精馏，即以分离出空气中的各个组分为目的。在双级精馏中该精馏塔被分成两部分，即该精馏塔包括有上塔和下塔两个组成部分。

吸附后的空气实际上被分成了两路，一部分被输入到精馏塔的上塔；吸附后的空气的另一部分则先要经过膨胀机进行压缩制冷后，再输送到该精馏塔的下塔，这一工艺流程与现有的工艺流程相似，在此不再赘述。

与现有下塔精馏过程中的工况不同，在本申请实施例中，在空气流量降低的前提下，将下塔的压力和阻力进行了相应改变，以维持下塔压力稳定，且能够把下塔产出的液态空气打入到上塔，既达到满足工艺处理的需求，又能够降低能耗。

104，将进行吸附后的空气的另一部分输入至该空分装置的膨胀机中进行压缩制冷，控制压缩后的空气压力为0.02MPa～0.035MPa。

吸附后的纯化的空气的另一部分被输入到增加膨胀机中，以通过对该部分空气进行压缩制冷，在压缩制冷的过程中需要控制最终需要输出的该空气压力为0.02MPa～0.035Mpa，以产生下塔精馏所需的冷量。

由于空气流量降低，与膨胀机现有的压力控制工况相比，本申请中通过膨胀机压缩该空气的压力值也相应降低。由于膨胀机是空气分离过程中消耗电能的主要设备，通过降低膨胀机压缩空气的压力，可以在满足工况需求的前提下，降低空分装置分离空气过程中的能耗。

其中，该压缩后的空气的压力也可以理解为空气出该膨胀机出口的压力。

105，将压缩为0.02MPa～0.035MPa的空气以及该下塔得到的液态空气输入至精馏塔的上塔，并控制该上塔的压力为0.02MPa～0.03MPa，且上塔的阻力为1.5MPa～2.8MPa，对输入上塔的空气进行换热精馏，以从输入上塔的空气中分离出氧气。

可以理解的是，精馏塔精馏的过程是利用氧、氮的沸点不同，在精馏塔内使气体和液体经过多次部分冷凝与部分蒸发，而使得空气分离为氧气和氮气的过程，在此过程中液体与蒸汽需要充分接触，而液体与蒸汽的每一次接触便是一次传热过程，即上升的蒸汽从下降的液体中获得冷量，使得蒸汽中高沸点的组分氧冷凝成液体；液体被蒸发加热，使得液体中低沸点组分氮蒸发变成蒸汽，如此循环，使得上升的蒸汽中的含氮量越来越高，而下降的液体中的含氧量越来越高，最终在上塔中得到纯氮气，而在下塔中得到富含氧气的液态空气。因此，上塔和下塔对空气进行精馏的过程实际上便是上述所述的往复循环过程。在此循环过程中，下塔得到的液态空气会进入到下塔，以在下塔中继续进行精馏。

在空气流量降低，膨胀机压缩后的空气压力值降低，上塔在对空气进行精馏的过程中，该上塔的压力值和阻力也相应变换，在本申请实施例中，该上塔的压力范围为0.02MPa～0.03MPa，阻力范围为1.5MPa～2.8MPa，以确保上塔的精馏工况。

在本申请实施例中，当气体需求量减少时，可以降低输入该空分装置的空气流量，并通过合理调整膨胀机压缩空气的压力，以及上塔和下塔精馏过程中的压力和阻力值，即可以满足正常分离气体，又可以控制气体产量下降，改变了空分装置单一固定的产气量的情况；同时由于输入气体量减少，使得空压机等设备压缩空气的能耗降低，也减少了能源的耗费。

可以理解的是，向该空分装置中输入空气流量的流速小于该空分装置的额定空气流量，但是考虑到最终的产气量，输入空气流量也不应过小。

在实际应用中，以上膨胀机的压力、上塔的压力和阻力，以及下塔的压力和阻力是保证该空分装置单位时间内的产气量下降到原额定产气量的一半为准的，相应的，该输入空气流量也应在原额定空气流量的一半左右。可选的，在本申请实施例中，可以按照每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量向该空分装置中输入空气。其中，每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量小于该空分装置的额定空气流量。其中，标准立方米是指在常态下，即在1个大气压，20摄氏度情况下的体积值。

可选的，在实际应用中，输入该空分装置的空气的过滤可以是在空气过滤器中完成的，则以小于该空分装置的额定流量的流速向该空分装置的空气过滤器输入空气，以对空进行过滤，去除该空气中的灰尘等机械杂质。然后，过滤后的空气通入到该空分装置的空气压缩机内压缩至额定压力。对该空气的冷却可以是将压缩至额定压力后的空气输入到该空分装置的空冷塔中，而对空气的吸附则可以由空分装置的分子筛吸附器来完成。

可选的，在本申请实施例中可以对空冷塔中的阻力进行调整，具体的，可以将压缩至额定压力的空气输出到空冷塔中，并控制空冷塔的阻力维持在1.8KPa～4.2KPa，以将空气冷却至预设温度。其中，该预设温度可以为12摄氏度。

可以理解的是，在本申请以上任意一个实施例中，各个工艺过程中未提到的工艺参数可以与现有的工艺过程中的参数相似。

另外，由于空气分离过程的冷热量的交换，在分子筛吸附器对空气进行吸附后，在将吸附后的空气的一部分输入至下塔进行精馏之前，还可以包括先将该部分空气通入到增压机中。可选的，可以控制吸附后的一部分空气以每小时8500标准立方米～9500标准立方米的流量通入到增压机中，经压缩后将该部分空气输入至液氧蒸发器，然后将液氧蒸发器输出的空气输入到下塔进行精馏。

进一步的，吸附后的空气中的另一部分可以先通过主换热器然后在通入到膨胀机中进行压缩制冷。可选的，可以将吸附后的该另一部分空气通入到主换热器中，通过主换热器将该另一部分空气的温度控制在小于-87摄氏度后，将温度小于-87摄氏度的该部分空气以每小时4500标准立方米～5500标准立方米的流量通入到膨胀机中进行压缩制冷，并控制压缩后的空气压力为0.02MPa～0.035MPa，压缩后的空气的温度小于等于-166摄氏度，从而使得输出至该膨胀机出口的空气温度小于等于-166摄氏度。

可选的，在本申请任意一个实施例中，对下塔内的空气进行换热精馏的过程中，还包括：控制所述下塔内生成的液态空气的液面范围在580mm～680mm。

可选的，在所述上塔和所述下塔进行换热精馏的过程中，控制位于所述上塔和所述下塔之间的主冷的液位为2600mm-3000mm，以冷凝向所述下塔输入的上升气体，保证上下塔之间的换热精馏。

为了便于理解深冷精馏分离空气的过程，对本申请中用于深冷精馏分离空气的空分装置进行介绍。参见图2，其示出了本申请中用于深冷精馏分离空气的一种空分装置的结构示意图。

其中，该空分装置主要包括空气过滤器AF，空气压缩机TC，空冷塔AC，分子筛吸附器MS，膨胀机ET，上塔C1，下塔C2。该空分装置还可以包括液氧蒸发器LOE。

在实际应用中，为了完成精馏过程中的换热，该空分装置还可以包括：主冷K、主换热器E1，水冷塔WC、过冷器E2、加热器EH，当然，还可以该空分装置还可以包括冰冻机组RU和水泵WP，还可以有消音器SL。

下面结合该空分装置对本申请实施例中基于深冷精馏分离空气的过程进行介绍，参见图3，其示出了本申请一种基于深冷精馏分离空气的方法另一个实施例的流程示意图，本实施例为一优选实施例，本实施例的方法可以包括：

301，按照每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量向该空分装置中空气过滤器AF中输入空气，以对空气进行过滤。

302，将空气过滤器过滤后的空气输入至空气压缩机TC中压缩至额定压力。

303，将空气压缩机TC压缩至额定压力的空气输入至空冷塔AC，并控制空冷塔的阻力为1.8KPa～4.2KPa，空冷塔的液面维持在900mm～1300mm，在空冷塔中将空气冷却至12摄氏度。

304，将空冷塔AC输出的空气输入至分子筛吸附器MS中，以去除空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物，得到纯化的空气。

305，从分子筛吸附器MS输出的空气一部分被控制以每小时8500标准立方米～9500标准立方米的流量通入到增压机中，然后空气由增压机压缩后进入液氧蒸发器LOE中。

在图2中该增压机并未画出。

306，液氧蒸发器LOE输出的空气被输入至下塔C2，控制下塔C2的压力为0.35MPa～0.45MPa，阻力为6.5KPa～9.5KPa，对输入下塔内的空气进行换热精馏。

其中，在对输入下塔内的空气进行换热精馏的过程中，控制下塔的液态空气的液面580mm～620mm。

在下塔中换热精馏最终以从空气中分离出液态空气和氮气。

可以理解的是，空气进入液氧蒸发器后会有部分液态氧LO产品输出。

307，将分子筛吸附器MS输出的且未通入增压机的另一部分空气输入到主换热器E1，通过主换热器E1将输入的空气温度控制在小于-87摄氏度后，将该部分空气输入至膨胀机ET中进行压缩制冷。

其中，在本实施例中，控制膨胀机将空气压缩至压力为0.02MPa～0.035MPa，且压缩后的空气温度小于等于-166摄氏度。

308，将膨胀机ET压缩为0.02MPa～0.035MPa的空气以及下塔C2得到的液态空气输入至精馏塔的上塔C1，并控制该上塔C1的压力为0.02MPa～0.03MPa，且上塔的阻力为1.5MPa～2.8MPa，对输入上塔的空气进行换热精馏，以从输入上塔的空气中分离出氧气。

可以理解的是，利用该空分装置还可以分离出氩气，相应的，为了分离出氩气，该空分装置还可以包括：粗氩塔C3和C5，精氩塔C4，从而最终利用该空分装置分离出液态氩LAr，在本申请中不对分离氩气的过程进行限定。

下面结合具体数据对本申请一种基于深冷精馏分离空气能够减少气体产量并降低能耗来进行说明。仍以每小时的气体产量为：气氧量为8000标准立方米，液氧量为500标准立方米的空分装置为例，在正常情况下，该空分装置只能实现每小时氧气产量为8000标准立方米，液氧产量为500标准立方米。而通过本申请实施例的方法，利用该空分装置也可以实现每小时氧气量为4200标准立方米，液氧产量为200标准立方米。同时，经过数据分析，在总能耗降低的同时，本申请的方法单位产品体积的能耗也比现有的工艺过程中的能耗降低。可见，当用户对氧气量需求较低时，便可以采用本申请的工艺方法，既避免了生产的氧气的浪费，也减少了能源消耗，降低了成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于深冷精馏分离空气的方法，其特征在于，包括：

以小于空分装置的额定空气流量的流速向所述空分装置中输入空气；

将输入的所述空气进行过滤并压缩至额定压力后，对所述空气进行冷却和吸附，以去除所述空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物；

将进行所述吸附后的所述空气的一部分输入至所述空分装置中精馏塔的下塔，并控制所述下塔的压力为0.35MPa～0.45MPa，且所述下塔的阻力为6.5KPa～9.5KPa，对输入所述下塔的空气进行换热精馏，以从输入所述下塔的空气中分离出液态空气和氮气；

将进行所述吸附后的所述空气的另一部分输入至所述空分装置的膨胀机中进行压缩制冷，控制压缩后的空气压力为0.02MPa～0.035MPa；

将压缩为0.02MPa～0.035MPa的空气以及所述下塔得到的液态空气输入至所述精馏塔的上塔，并控制所述上塔的压力为0.02MPa～0.03MPa，且所述上塔的阻力为1.5MPa～2.8MPa，对输入所述上塔的空气进行换热精馏，以从输入上塔的空气中分离出氧气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以小于空分装置的额定空气流量的流速向空分装置中输入空气，包括：

按照每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量向空分装置中输入空气，其中，每小时20000标准立方米～35000标准立方米的空气流量小于所述额定空气流量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将输入的所述空气进行过滤并压缩至额定压力后，对所述空气进行冷却和吸附，以去除所述空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物，包括：

将输入的所述空气通入所述空分装置的空气过滤器中进行过滤，以去除所述空气中的机械杂质；

将过滤后的空气输入至所述空分装置的空气压缩机内压缩至额定压力；

将压缩至额定压力的空气输出到空冷塔中，并控制空冷塔的阻力维持在1.8KPa～4.2KPa，以将空气冷却至预设温度；

将冷却至预设温度的所述空气输入至所述空分装置的分子筛吸附器中，以去除所述空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将进行所述吸附后的所述空气的一部分输入至所述空分装置中精馏塔的下塔，包括：

将吸附后的所述空气的一部分以每小时8500标准立方米～9500标准立方米的流量输入至增压机中，并将增压机压缩后的空气输入至液氧蒸发器；

将液氧蒸发器输出的空气输入到下塔进行精馏。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将进行所述吸附后的所述空气的一部分输入至所述空分装置的膨胀机中进行压缩制冷，包括：

将所述吸附后的空气的另一部分以流量为每小时4500标准立方米～5500标准立方米的流速输入至所述膨胀机进行压缩制冷；

对所述空气进行压缩制冷，并控制压缩后的空气压力为0.02MPa～0.035MPa的同时，还包括：

控制压缩后的空气输出至所述膨胀机出口的温度大于等于-166摄氏度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对下塔内的空气进行换热精馏的过程中，还包括：

控制所述下塔内生成的液态空气的液面范围在580mm～680mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述上塔和所述下塔进行换热精馏的过程中，控制位于所述上塔和所述下塔之间的主冷的液位为2600mm～3000mm，以冷凝向所述下塔输入的上升气体，保证上下塔之间的换热精馏。