CN104061757B - 一种液氧及液氮制取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液氧及液氮制取装置及方法，该装置包括自洁式空气过滤器、空压机、冷气机组、分离器、分子筛吸附器、主换热器、下塔、上塔、过冷器、以及膨胀机。本装置的原料为空气，空气依次通过自洁式空气过滤器、空压机、膨胀机的增压端、冷气机组、分子筛吸附器然后进入冷箱，经主换热器后一部分空气从主换热器中下部抽出进入透平膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀，膨胀后的空气经换热器复热后送出冷箱；剩余部分空气被冷却至液化点后出主换热器进入下塔进行精馏。液氧产品从下塔的底部抽出然后向液氧贮槽输送，液氮产品从主冷液氮侧抽出向液氮贮槽输送。本发明公开的装置及方法工艺流程操作简单、提取率高以及能耗低，同时设备投资成本低。

Description

一种液氧及液氮制取装置及方法

技术领域

本发明涉及空气分离领域，尤其涉及一种液氧及液氮制取装置及方法。

背景技术

随着各行各业的快速发展，对工业气体的要求量也有较大的增长，特别是液态产品的需求量逐年上升，每年以15％～20％的速度增加。由于液体空分产品具有便利贮存、供应方便、保证质量、输送效率高等优点越来越被用户采用，市场潜力很大。如果仅靠空分设备副产品根本就不能满足市场的需求，全液体空分设备装置的应用已成为一种趋势。随着交通状况的极大改善以及为了追求更高的经济效益，液态空气制品以其良好的品质、较低的运输成本、较好的性能价格比以及安全方便等特点，越来越受到用户的青睐；并且中国虽地域辽阔，但工业气体的供应远未达到发达国家可以以集中供气覆盖上百公里的规模，因此液体销售便成为气体公司一种较好的选择。同时，液体产品还可以较好地调配各地区产品供求不平衡的状况，随着医用氧气使用的逐步规范化，利用液氧生产医用氧气也成为一种趋势。

全液体空分设备产品生产主要采用低温精馏分离工艺，利用空气中各组分蒸发温度的不同将它们分离并得到液体产品。空分装置的原料是大气，其主要的消耗是能源，尤其对全液体空分能耗的高低更为关键。因此，在全液体空分装置中如何进一步降低能量消耗显得尤为重要；并且用户对能耗指标要求越来越低，用户和供应商对能耗指标越来越关注。对于采用低温精馏的成套设备，提取率和能耗成为评价成套设备经济指标和技术指标的主要参数；空分设备均为用电大户，在能源日益紧张的情况下，对于使用全液体空分设备的用户，为他们提供更低能耗工艺流程，研制生产出产品提取率高的成套装置，不仅可以做到降低能耗，降低生产成本，对日趋紧张的能源需求也可以起到一定的缓解作用。

目前液体空分采用的流程主要有空气直接膨胀循环制冷流程、有预冷的低压外循环膨胀制冷流程、中压外循环膨胀制冷流程和有预冷的中压外循环膨胀制冷流程等等。以上流程形式都需要采用额外的空气增压机或者氮气增压机对原料气体进行增压，增加操作难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种能耗低、工艺流程简单的通过空气分离提取液氧及液氮的液氧及液氮制取装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种液氧及液氮制取装置，包括空气压缩系统、预冷系统、纯化系统和冷箱，所述空气压缩系统包括空气过滤器以及空气过滤器相连接的空压机，所述预冷系统包括冷气机组，所述纯化系统包括分子筛吸附器、电加热器及消音器，所述冷箱包括主换热器、膨胀机的膨胀端及分馏塔；所述空压机通过第一管道与一膨胀机的增压端相连接，所述增压端通过第二管道连接一冷气机组，所述冷气机组通过第三管道连接一分离器，所述分离器通过第四管道与分子筛吸附器相连接，所述分子筛吸附器的出口处设置第五管道，所述第五管道经过一主换热器后与两个管道相连通：第六管道及第七管道，所述第七管道连接在一所述膨胀机的膨胀端，所述第六管道经过第一节流阀连接在分馏塔的下塔气体入口处；所述膨胀机的出口处连接第八管道，所述第八管道经主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统，所述分馏塔包括上塔、下塔和位于上塔和下塔之间的冷凝蒸发器，所述下塔顶部的液体出口处连接第九管道，所述下塔底部的液体出口处连接第十管道，所述第九管道经过一过冷器及第三节流阀后连接在所述上塔上部，所述第十管道经过所述过冷器及第二节流阀后连接在所述上塔的中部，所述上塔顶部的污气出口处连接第十二管道，所述冷凝蒸发器上方的污气出口处连接一第十一管道，所述第十一管道和所述第十二管道经过主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统，所述冷凝蒸发器的液氧侧出口处连接第十三管道，所述第十三管道经过通过第四节流阀连接在冷箱外部的液氧贮槽上，所述冷凝器蒸发器的氮气侧出口处连接第十四管道，所述第十四管道经过过冷器及第五节流阀后连接在冷箱外部的氮气贮槽上。

所述下塔为塔板数为38~45或对应塔盘数为45~72盘的筛板下塔，所述上塔为塔板数为50~80或对应塔盘数为72~108盘的规整填料上塔。

所述主换热器及过冷器均为铝制翅片式换热器。

一种液氧及液氮制取的方法，该方法如下：

1）原料气为空气，空气先通过空气过滤器过滤掉杂质后，而后进入空压机压缩；被压缩后的气体直接进入膨胀机的增压端进行增压，增压后经冷却器冷却后进入冷气机组进行再次冷却，冷却后的气体经分离器分离掉游离水后进入分子筛吸附器吸附，气体经过吸附器吸附掉水、二氧化碳及部分碳氢化合物后进入冷箱，经主换热器与返流的污氮、氧、氮进行热交换；热交换后一部分空气从主换热器中下部抽出，温度为-100~-130℃进入膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀，膨胀后的空气压力为25kpa，经主换热器复热后送出冷箱；剩余部分空气被冷却至液化点后出主换热器进入下塔进行精馏；

2）下塔在塔顶得到纯氮气及液氮，纯度含氧为小于100ppmO₂，下塔塔底为38%的富氧液空，下塔所需的回流液来自下塔顶部的冷凝蒸发器，在这里液氧得到蒸发，而氮气得到冷凝；部分液氮回下塔作为回流液，另一部分液氮经过冷器过冷后节流进上塔顶部喷淋，参加上塔精馏；来自下塔塔釜的富氧液空，经过冷器过冷后进入上塔中部参加精馏，在上塔顶部抽出的污氮气经过主换热器复热与膨胀后的气体混合后去纯化系统作再生气；液氧产品从冷凝蒸发器抽出然后向液氧贮槽输送，液氮产品从冷凝蒸发器液氮侧抽出经过冷器过冷后向液氮贮槽输送。

膨胀机增压端的气体为全部来自空压机后的气体，膨胀机膨胀后的气体为来自分子筛吸附器吸附后的气体。

膨胀机的膨胀端膨胀后的气体与冷箱出来的污氮气混合进入第八管道被送入纯化系统，作为纯化系统的再生气。

经空压机压缩后的气体压力为0.6~1.0MPa，温度为40℃。

气体经冷却器冷却后的温度为40℃，经冷气机组再次冷却后的温度为5~8℃。

得到的液氧产品纯度大于99.6%O₂，氮气中氧气为小于100ppmO_{2 。}

本发明的技术方案产生的积极效果如下：

该装置的透平膨胀机的增压端的空气是来自空压机压缩后的气体进行全部增压，膨胀机的膨胀端的气体来自分子筛吸附器的气体，经过换热器中部抽出部分经管道进入膨胀端膨胀，膨胀后经换热器换热后去分子筛作为再生气，为空分装置提供冷量；液氧产品从冷凝蒸发器里面抽取出来，经过管道及阀门后送入液氧贮槽；液氮产品从下塔顶部抽出经过过冷器过冷后经管道及阀门送入液氮贮槽。

所述精馏塔采用筛板塔，换热效果好；所述精馏塔采用填料塔，操作弹性大，适用于变工况操作；所述主换热器及过冷器为铝制翅片式换热器，换热效果好；所述液氮产品经过过冷器过冷后抽出，可以增加液氮过冷度，减少进贮槽气化损失。

本发明采用一种操作简单、无空气或者氮气增压机、产品提取率高、占地面积小的流程形式来获取液态产品，不仅能耗低、工艺流程简单，而且制取效率高。

附图说明

图1为本发明的液氧及液氮制取装置的结构示意图。

图中标注为：1、自洁式空气过滤器；2、空压机；3、透平膨胀机的增压端；4、冷气机组；5、分离器；6、分子筛吸附器；7、电加热器；8、第一消音器；9、第二消音器；10、主换热器；11、透平膨胀机的膨胀端；12、下塔；13、过冷器；14、冷凝蒸发器；15、上塔；16、冷箱；17、第一节流阀；18、第二节流阀；19、第三节流阀；20、第四节流阀；21、第五节流阀；22、液氧贮槽；23、液氮贮槽；24、冷却器；101、第一管道；102、第二管道；103、第三管道；104、第四管道；105、第五管道；106、第六管道；107、第七管道；108、第八管道；109、第九管道；110、第十管道；111、第十一管道；112、第十二管道；113、第十三管道；114、第十四管道。

具体实施方式

实施例一

一种液氧及液氮制取装置，如图1所示，包括空气压缩系统、预冷系统、纯化系统和冷箱16，所述空气压缩系统包括自洁式空气过滤器1以及自洁式空气过滤器相连接的空压机2，所述预冷系统包括冷却器24和冷气机组4，所述纯化系统包括分子筛吸附器6、电加热器7、第一消音器8及第二消音器9，电加热器加热冷箱过来的污氮气至175℃后送入分子筛吸附器进行分子筛再生，消音器为污氮气、氮气的放空起到消除噪音的作用，所述冷箱包括主换热器10、透平膨胀机的膨胀端11及分馏塔；所述空压机通过第一管道101与一透平膨胀机的增压端3相连接，所述透平膨胀机的增压端通过第二管道102连接所述冷却器，从冷却器处理的第二管道连接在所述冷气机组上，所述冷气机组通过第三管道103连接一分离器5，所述分离器通过第四管道104与分子筛吸附器6相连接，所述分子筛吸附器的出口处设置第五管道105，所述第五管道经过一主换热器后与两个管道相连通：第六管道106及第七管道107，所述第七管道连接在一所述透平膨胀机的膨胀端，所述第六管道经过第一节流阀17连接在分馏塔的下塔气体入口处；所述透平膨胀机的膨胀端的出口处连接第八管道108，所述第八管道经主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统，所述分馏塔包括上塔15、12下塔和位于上塔和下塔之间的冷凝蒸发器14，所述下塔顶部的液体出口处连接第九管道109，所述下塔底部的液体出口处连接第十管道110，所述第九管道经过一过冷器13及第三节流阀19后连接在所述上塔上部，所述第十管道经过所述过冷器及第二节流阀18后连接在所述上塔的中部，所述上塔顶部的污气出口处连接第十二管道112，所述冷凝蒸发器上方的污气出口处连接一第十一管道111，所述第十一管道111和所述第十二管道112经过主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统，所述冷凝蒸发器的液氧侧出口处连接第十三管道113，所述第十三管道经过通过第四节流阀20连接在冷箱外部的液氧贮槽22上，所述冷凝器蒸发器的氮气侧出口处连接第十四管道114，所述第十四管道经过过冷器及第五节流阀21后连接在冷箱外部的氮气贮槽23上。

所述下塔、冷凝蒸发器机所述上塔为一体式复合设备，所述下塔为塔板数为38~45或对应塔盘数为45~72盘的筛板下塔，所述上塔为塔板数为50~80或对应塔盘数为72~108盘的规整填料上塔。

所述主换热器及过冷器均为铝制翅片式换热器。

实施例二

一种液氧及液氮制取方法，利用液氧及液氮制取装置，该装置为实施例一种的液氧及液氮制取装置，在此不再一一赘述。该方法包括：

1）本装置原料为空气，空气先通过自洁式空气过滤器1过滤掉杂质后进入空压机2，压缩后的气体压力为0.6~1.0MPa，温度为40℃，被压缩后的气体直接进入透平膨胀机的增压端3进行增压，增压后经冷却器24冷却至40℃后进入冷气机组4进行再次冷却至5~8℃，冷却后的气体经分离器5分离掉游离水后进入分子筛吸附器吸附，气体经过吸附器吸附掉水、二氧化碳及部分碳氢化合物后进入冷箱16，经主换热器10与返流的污氮、氧、氮进行热交换，一部分空气从主换热器中下部抽出，温度为-100~-130℃进入透平膨胀机的膨胀端11进行绝热膨胀，膨胀后的空气压力为25kpa，经主换热器复热后送出冷箱；剩余部分空气被冷却至液化点后出主换热器进入下塔12进行精馏；

2）下塔在塔顶得到纯氮气及液氮，纯度含氧为小于100ppmO₂；塔底为38%的富氧液空；下塔所需的回流液来自下塔顶部的冷凝蒸发器14，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝；部分液氮回下塔作为回流液，另一部分液氮经过冷器13过冷后节流进上塔顶部喷淋，参加上塔精馏；来自下塔塔釜的富氧液空，经过冷器过冷后进入上塔中部参加精馏，在上塔顶部抽出的污氮气经过主换热器复热与膨胀后的气体混合后去纯化系统作再生气；液氧产品从冷凝蒸发器液氧侧抽出然后节流并向液氧贮槽22输送，液氮产品从冷凝蒸发器液氮侧抽出经过冷器过冷后节流并向液氮贮槽23输送。

Claims (9)

1.一种液氧及液氮制取装置，包括空气压缩系统、预冷系统、纯化系统和冷箱，其特征在于：所述空气压缩系统包括空气过滤器以及空气过滤器相连接的空压机，所述预冷系统包括冷气机组，所述纯化系统包括分子筛吸附器、电加热器及消音器，所述冷箱包括主换热器、膨胀机的膨胀端及分馏塔；所述空压机通过第一管道与一膨胀机的增压端相连接，所述增压端通过第二管道连接一冷气机组，所述冷气机组通过第三管道连接一分离器，所述分离器通过第四管道与分子筛吸附器相连接，所述分子筛吸附器的出口处设置第五管道，所述第五管道经过一主换热器后与两个管道相连通：第六管道及第七管道，所述第七管道连接在一所述膨胀机的膨胀端，所述第六管道经过第一节流阀连接在分馏塔的下塔气体入口处；所述膨胀机的出口处连接第八管道，所述第八管道经主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统，所述分馏塔包括上塔、下塔和位于上塔和下塔之间的冷凝蒸发器，所述下塔顶部的液体出口处连接第九管道，所述下塔底部的液体出口处连接第十管道，所述第九管道经过一过冷器及第三节流阀后连接在所述上塔上部，所述第十管道经过所述过冷器及第二节流阀后连接在所述上塔的中部，所述上塔顶部的污气出口处连接第十二管道，所述冷凝蒸发器上方的污气出口处连接一第十一管道，所述第十一管道和所述第十二管道经过主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统，所述冷凝蒸发器的液氧侧出口处连接第十三管道，所述第十三管道经过通过第四节流阀连接在冷箱外部的液氧贮槽上，所述冷凝器蒸发器的氮气侧出口处连接第十四管道，所述第十四管道经过过冷器及第五节流阀后连接在冷箱外部的氮气贮槽上。

2.根据权利要求1所述的一种液氧及液氮制取装置，其特征在于：所述下塔为塔板数为38~45或对应塔盘数为45~72盘的筛板下塔，所述上塔为塔板数为50~80或对应塔盘数为72~108盘的规整填料上塔。

3.根据权利要求1所述的一种液氧及液氮制取装置，其特征在于：所述主换热器及过冷器均为铝制翅片式换热器。

4.一种利用权利要求1中所述装置进行液氧及液氮制取的方法，其特征在于：该方法如下：

1）原料气为空气，空气先通过空气过滤器过滤掉杂质后，而后进入空压机压缩；被压缩后的气体直接进入膨胀机的增压端进行增压，增压后经冷却器冷却后进入冷气机组进行再次冷却，冷却后的气体经分离器分离掉游离水后进入分子筛吸附器吸附，气体经过吸附器吸附掉水、二氧化碳及部分碳氢化合物后进入冷箱，经主换热器与返流的污氮、氧、氮进行热交换；热交换后一部分空气从主换热器中下部抽出，温度为-100~-130℃进入膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀，膨胀后的空气压力为25kpa，经主换热器复热后送出冷箱；剩余部分空气被冷却至液化点后出主换热器进入下塔进行精馏；

2）下塔在塔顶得到纯氮气及液氮，纯度含氧为小于100ppmO₂，下塔塔底为38%的富氧液空，下塔所需的回流液来自下塔顶部的冷凝蒸发器，在这里液氧得到蒸发，而氮气得到冷凝；部分液氮回下塔作为回流液，另一部分液氮经过冷器过冷后节流进上塔顶部喷淋，参加上塔精馏；来自下塔塔釜的富氧液空，经过冷器过冷后进入上塔中部参加精馏，在上塔顶部抽出的污氮气经过主换热器复热与膨胀后的气体混合后去纯化系统作再生气；液氧产品从冷凝蒸发器抽出然后向液氧贮槽输送，液氮产品从冷凝蒸发器液氮侧抽出经过冷器过冷后向液氮贮槽输送。

5.根据权利要求4所述的一种液氧及液氮制取的方法，其特征在于：膨胀机增压端的气体为全部来自空压机后的气体，膨胀机膨胀后的气体为来自分子筛吸附器吸附后的气体。

6.根据权利要求4所述的一种液氧及液氮制取的方法，其特征在于：膨胀机的膨胀端膨胀后的气体与冷箱出来的污氮气混合进入第八管道被送入纯化系统，作为纯化系统的再生气。

7.根据权利要求4所述的一种液氧及液氮制取的方法，其特征在于：经空压机压缩后的气体压力为0.6~1.0MPa，温度为40℃。

8.根据权利要求4所述的一种液氧及液氮制取的方法，其特征在于：气体经冷却器冷却后的温度为40℃，经冷气机组再次冷却后的温度为5~8℃。

9.根据权利要求4所述的一种液氧及液氮制取的方法，其特征在于：得到的液氧产品纯度大于99.6%O₂，氮气中氧气为小于100ppmO₂。