CN105423703B - 外冷式单级精馏空分系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了外冷式单级精馏空分系统，包括主塔、副塔、主冷凝蒸发器，塔釜、氩冷凝蒸发器、换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道。所述副塔的底部与主塔下段的中部连通；所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、氩气换热器、循环换热器。将液氧作为馏出物同时也作为冷凝蒸发器的冷媒，实现系统内部的制冷循环。而且将主塔底部的液氧作为冷媒通过节流阀和液氧泵及输送管道直接输送至主塔和副塔塔顶的冷凝蒸发器内，极大地节省了工艺流程提高了空分效率，本方案实现了单级带压精馏分离空气，生产双高产品。不仅工艺流程大大简化，而且使分离能耗降低30％以上。

Description

外冷式单级精馏空分系统
技术领域
本发明属于空分领域，具体涉及外冷式单级精馏空分系统。
背景技术
空分装置是以空气为原料制备氧气和氮气及氩气等惰性气体的分离装置。通过对空气进行压缩、膨胀制冷，进而使空气液化，利用精馏塔分离出氧气、氮气和惰性气体(如氩气)等产品。生产中使用的原料空气，可以随时随地获得。目前空分行业是属于化工产业的一个分支行业。
现有的空分设备工艺流程固化，能耗大，空气分离成本较高，尤其在单级精馏中不能完全分离空气，生产高纯度的氮气和氧气。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种外冷式单级精馏空分系统，能够实现单级带压精馏完全分离空气，生产高纯度的N2和O2，并降低分离能耗。与传统空分流程相比，此流程氧氮分离能耗由0.4kwh/NM3O2以上降至0.3kWh/NM3O2以下，能耗降低30％以上。
为了实现上述目的，本发明的具体方案如下：
外冷式单级精馏空分系统，包括主塔、副塔、冷凝蒸发器，换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道；
所述冷凝蒸发器包括主冷凝蒸发器、氩冷凝蒸发器，其中所述主冷凝蒸发器和氩冷凝蒸发器分别设置在所述主塔和氩塔的顶部；所述氩塔的底部与主塔下段的中部连通；
所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、氩气换热器、循环换热器；
所述主塔的中部设有原料空气进料口，原料空气分别通过所述氧气换热器、氮气换热器和氩气换热器预冷至饱和温度后通过输送管道从所述主塔中部的进料口进入所述主塔，所述主塔底部上设有液氧输入口，从该液氧输入口向所述塔釜注入液氧，原料空气上升过程中与塔顶回流液氮进入热质交换，分离出氮气。氮气从主塔的顶部引出并通过氮气换热器复热至常温后回收，液体回流至主塔底部分离出液氧，液氧经节流阀、液氧泵、输送管道进入主塔顶部的主冷凝蒸发器以及副塔顶部的氩冷凝蒸发器，作为该两个冷凝蒸发器的冷媒；
主塔中，部分氮气进入主冷凝蒸发器与液氧冷进行换热，液氧蒸发气体进入所述循环换热器，并通过所述循环压缩机加压冷却后进入塔釜上升，冷凝液氮作为主塔的回流液与主塔底部上升的氧气再次热质交换，以此循环；
从主塔下段抽取的含Ar8-12％的馏分进入副塔，在副塔内，氩气精馏分离上升至副塔塔顶，一部分氩气通过所述氩气换热器复热至常温后回收。大部分继续冷凝回流至主塔底部。氩冷凝蒸发器中蒸发的氧气再通过所述氧气换热器复热至常温后回收；
利用上述外冷式单级精馏空分系统进行空分的方法如下：
a.将预处理净化后的原料空气送入热换器与返流气体换热后预冷至饱和温度，并通过主塔中部的加料口送入主塔内；
b.向主塔底部的第二冷凝蒸发器内注入液氧，与该冷凝蒸发器内的液氧冷媒进行换热，产生的氧气上升，并与中部的饱和原料空气中的液氮进行换热，氮气上升至主塔顶部，大部分被引出，经过氮气换热器复热至常温后回收，氧气冷凝回流；同时，位于主塔下段中部的氩气以及大部分氧气进入副塔，其中的大部分氩气上升至所述副塔顶部；
c.将持续回流至主塔底部的液氧通过液氧泵以及节流阀分别送入所述主塔顶部的第一冷凝蒸发器和所述副塔顶部的第三冷凝蒸发器内作为液氧冷媒使用，所述第一冷凝蒸发器内的液氧冷媒与进入该冷凝蒸发器内的氮气换热后转化为氧气从第一冷凝蒸发器内排出，并经过循环蒸发器复热后，通过循环压缩机加压液化后再次转化为液氧冷媒进行所述第二冷媒蒸发器内，同时氮气冷凝回流再次作为上升氧气的回流液；副塔中的大部分氩气上升至所述副塔的顶部，并被引出，通过氩气换热器复热至常温后被回收，部分氩气进入所述第三冷凝蒸发器内，并与其内的液氧冷媒换热冷凝回流，而液氧冷媒转化为氧气从所述第三冷凝蒸发器内排出，并经过氧气换热器复热至常温后被回收。
进一步地，所述主塔顶部上设有液氮输入口。
进一步地，所述氩冷凝蒸发器上设有液氩输入口。
液氮输入口和液氩输入口及前述液氧输入口均作为外部冷源液氮、液氩和液氧的补充入口。液氧、液氮、液氩可单独使用，并可组合使用补充装置冷损。
进一步地，所述塔釜与所述主冷凝蒸发器连通的回路上设有节流阀，与氩冷凝蒸发器连通的回路上设有回流阀以及所述液氧泵。
因为主冷凝器外侧压力小于氩冷凝器外侧压力，所以，在将主塔底部的液氧通过外部的输送管路送入主冷凝蒸发器内时，需要通过输送管路上设置的节流阀限制液氧冷媒的流量，而将主塔底部的液氧送入副塔顶部的氩冷凝蒸发器内时，需要通过液氧泵将其增压。同时，需要使用回流阀限制流量，保证平稳输送。
进一步地，所述氧气换热器、氮气换热器以及氩气换热器均为板式换热器。
板式换热器为传热介质不相接触，仅仅通过换热器本身进行热量交换，能够达到本方案的目的。
进一步地，所述第一冷凝蒸发器上设有液氮输入口。
进一步地，所述第三冷凝蒸发器上设有液氩输入口。
进一步地，步骤c中，所述第一冷凝蒸发器和所述第二冷凝蒸发器的连通管路上设有第一节流阀，所述节流阀设在靠近所述第二冷凝蒸发器的一端；
所述第二冷凝蒸发器和所述第三冷凝蒸发器的连通管路上复合配设有液氧泵和第二节流阀。
进一步地，所述步骤d中还包括，将回收的常温氩气再送入精氩塔内继续提纯。
通过本发明提供的外冷式单级精馏空分系统，突破了单级精馏不能完全分离空气，生产高纯度N2和O2的传统理论。本方案通过节流阀将主塔底部的液氧作为冷媒直接送入主塔顶部以及副塔顶部的冷凝蒸发器内，液化N2回流，实现了单塔带压(0.5-1MPa)精馏分离空气，生产双高产品。不仅工艺流程大大简化，而且使分离能耗降低30％以上。同时，本方案中直接使用液氧，液氮，液氩补冷，较传统的空气膨胀制冷，补冷温度低，冷量大，可增大回流比，提高了精馏效率。
本发明还具有如下特点：
1.本方案中，摒弃了传统空气液化分离装置的设计理念，将制冷和精馏两项工艺分开，用外部冷源补偿径流过程中的冷损，摆脱了制冷和精馏之间的相互干扰和制约，变双因素问题为单因素问题，降低了空分流程设计的难度。
2.充分发挥外冷式空分流程可灵活变化的特点，根据用户的特点和用气要求，进行针对性流程设计。不仅仅根据用气量多少确定装置生产能力，而且产品氧气与氮气的纯度，配比，出塔压力，精馏参数均可优化选择，最大限度满足用户要求，达到最佳综合节能效果。
3.经理论分析，流程重组和工业实验证明，本发明提供的空分系统可降低氧，氮分离能耗达到30％以上。以氧气产量为基准的单位能耗由目前国际先进水品0.4KWh/M3O2降至0.3KWh/M3O2以下。
附图说明
图1为本发明提供的外冷式单级精馏单级精馏空分系统图；
1.主塔，2.副塔(氩塔)，3.主冷凝蒸发器，4.塔釜，5.氩冷凝蒸发器，6.氧气换热器，7.氮气换热器，8.氩气换热器，9.循环换热器，10.循环压缩机，11.液氧泵，12.节流阀，13.回流阀，14.主塔上段，15.主塔下段，
具体实施方式
参照附图对本发明的外冷式单级精馏空分系统的实施方式进行说明。
图1为本实施方式的外冷式单级精馏空分流程图。
如图1所示，本实施方式所提供的外冷式单级精馏空分系统包括主塔1和副塔2，主塔1包括主塔上段14和主塔下段15，副塔2底部与主塔下段15的中部位置连通。
原料空气经压缩净化后分别通过氧气换热器6、氮气换热器7和氩气换热器8分别与返流的氧气,氮气,氩气进行换热,冷却至饱和温度进入精馏塔的主塔1中部,具体位于主塔下段15的上端，向主塔1内加料。
此时，因为氮的沸点低于氧和氩的沸点,所以塔内液体中氮蒸发上升，气体中氧、氩冷凝下降实现精馏分离。上升至主塔1顶部的氮气其纯度可达5N。部分氮气其中一部分作为产品引出，其中另一部分进入主冷媒蒸发器与其内的液氧冷媒进行换热，液化后成为液氮回流。液化回流的液氮在与从主塔1底部不断上升的氧气交汇过程中，由于沸点较低，会再次汽化为氮气上升至主塔1顶部，一部分引出，一部分进入主冷凝蒸发器3进行换热，以此循环进行。
因为在主塔1内部，回流至塔底的液氧无法自动上升至塔顶，也无法转化为气体蒸发出来，所以本实施方式中，在主塔1底部的外侧配设了设有节流阀12的输送管道，该输送管道将主塔1塔底和塔顶的冷凝蒸发器连通，此时，可以将塔底的部分液氧通过节流阀减压后输送入塔顶的主冷凝蒸发器3内作为主冷凝蒸发器3内的冷媒参与换热。
而此时主冷凝蒸发器3内的液氧冷媒因为与上升的氮气进行换热后气化成为气体蒸发，蒸发的气体经过外设的循环换热器9复热后，并经过循环压缩机10加压，冷却后进入塔釜4上升循环参与精馏，进而实现系统内部的制冷循环以及冷媒的循环利用。
在所述主塔1的一侧同时还包括一个副塔2，该副塔2与主塔1下段15的中间部位连通。在精馏过程中，氮气的沸点最低，氩气与氧气的沸点相近，在主塔1内氧气与氩气都无法上升至主塔1的顶部，所以，只有氮气能够在主塔1顶部被分离出来，8-12％氩馏分集聚在主塔1下段15的中部位置，被送入副塔2进行氧、氩分离。
此时，副塔2中所需要的最初的回流液可以通过从主塔1底部的塔釜4中抽取部分液氧冷媒经过液氧泵11并通过回流阀13被送入副塔2顶部的氩冷媒蒸发器内，与上升的氩气进行换热。
在副塔2内，因为氧的沸点高于氩的沸点，所以，氩更容易转化为气体蒸发上升。氩气上升至副塔2顶部，一部分作为产品引出，并经过外部的氩气换热器8复热至常温后被回收。大部分氩气会进入副塔2顶部的氩冷凝蒸发器5内与其内的液氧冷媒进行换热转化为液氩冷凝回流，同时氩冷凝蒸发器5内的液氧冷媒会转化为氧气排出，并经氧气换热器6复热达到常温后作为产品回收。
所以，通过本发明提供的外冷式单级精馏单级精馏空分系统，能够实现单级精馏能够完全分离空气，生产2N纯氧和5N纯氮。
为补偿精馏过程冷损，可单独或组合使用LO2。LN2、LAr分别从各自进液口进行补充，保证精馏过程连续进行。
1.外冷式空分流程设计方法的特点
1)外冷式空分流程设计方法将制冷和精馏两项工艺分开，以精馏为主，制冷服务并服从于精馏，摆脱了两者之间的互相干扰和制约。这样可以将双因素问题变为单因素问题，将复杂问题用简单的方法解决，大大拓展了空分流程设计的自由发挥空间。
2)打破了传统空分流程一成不变的固定模式，充分发挥外冷式空分流程可多样性变化的特点，适应了用户对产品多样性和负荷变化的要求
3)外冷空分系统具有启动速度快，开停灵活方便，负荷可大范围调节的特点。而且流程多变，产品纯度，配比，出塔压力，精馏参数均可以优化选择。对不同要求的用户采取针对性设计，可以收到系统节能的最佳效果
4)专事低温精馏设计，有利于采用精馏技术的最新成果和技术创新。通过将外冷技术，带压精馏技术，内嵌林德循环制冷技术，单级精馏技术等植入空分流程中，拓展了空分节能的方法和措施，收获明显的节能效果。
外冷式单级低压精馏空分系统的特点：
1)外冷空分系统启动迅速，开停方便。不受补冷速度限制，启动阶段加大补冷，快速将设备冷至工作状态。热启动可控制在8小时以内。停机8小时，冷启动时间0.5-1小时以内。停机时间24小时，1-2小时可恢复正常工况，启动即可进入供氧工况。
2)调节灵活，运转平稳。外冷方式实现了及时、快速、精准补冷。补冷不影响精馏工况，补冷路线短。因此调节灵活，运转平稳。
3)一改传统空分气态补冷方式，采用液态补冷。温度低，冷量大，可以增大回流比改善精馏过程，提高分离效率。
4)采用一塔多机配置，通过开停机空压机，改变原料气量，实现大范围分档调负荷。总电耗随产量呈线性变化，单耗保持不变。
5)林德制冷循环以氧为工质，制冷效率高。
6)带压精馏空分塔直径可缩小一半以上，大型及特大型空分设备制造难题迎刃而解。
7)取消了高速运转的膨胀机。空分塔完全由静止设备组成，消除了机械故障，安全性和稳定性更高。
以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (9)

1.外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，包括主塔、副塔、冷凝蒸发器，换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道；
所述冷凝蒸发器包括主冷凝蒸发器、氩冷凝蒸发器，其中所述主冷凝蒸发器和氩冷凝蒸发器分别设置在所述主塔和副塔的顶部；所述副塔的底部与主塔下段的中部连通；
所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、氩气换热器、循环换热器；
所述主塔的中部设有原料空气进料口，原料空气分别通过所述氧气换热器、氮气换热器和氩气换热器预冷至饱和温度后通过输送管道从所述主塔中部进入主塔,所述主塔底部设有液氧输入口，从该液氧输入口注入液氧，氮气从主塔的顶部引出并通过氮气换热器复热至常温后回收；液体回流至主塔底部分离出液氧通过主塔外部配设的带有节流阀以及液氧泵的输送管道进入主塔顶部的主凝蒸发器以及副塔顶部的氩冷凝蒸发器，作为该两个冷凝蒸发器的冷媒；
主塔中，部分氮气进入主凝蒸发器与液氧冷媒进行换热，液氧冷媒转化为气体蒸发排出后进入所述循环换热器，并通过所述循环压缩机加压，预冷后进入主塔底部塔釜上升，氮气冷凝回流与主塔底部上升的氧气循环精馏；
位于主塔下段的氩馏分进入副塔，在副塔内，氩气上升至副塔塔顶，一部分引出后通过所述氩气换热器复热至常温后回收，其余继续冷凝回流，液氧在氩冷凝蒸发器内，参与换热后转化为氧气，再通过所述氧气换热器复热至常温后回收；
利用上述外冷式单级精馏空分系统进行空分的方法如下：
a.将预处理净化后的原料空气送入热换器与返流气体换热后预冷至饱和温度，并通过主塔中部的加料口送入主塔内；
b.向主塔底部的第二冷凝蒸发器内注入液氧，与该冷凝蒸发器内的液氧冷媒进行换热，产生的氧气上升，并与中部的饱和原料空气中的液氮进行换热，氮气上升至主塔顶部，大部分被引出，经过氮气换热器复热至常温后回收，氧气冷凝回流；同时，位于主塔下段中部的氩气以及大部分氧气进入副 塔，其中的大部分氩气上升至所述副塔顶部；
c.将持续回流至主塔底部的液氧通过液氧泵以及节流阀分别送入所述主塔顶部的第一冷凝蒸发器和所述副塔顶部的第三冷凝蒸发器内作为液氧冷媒使用，所述第一冷凝蒸发器内的液氧冷媒与进入该冷凝蒸发器内的氮气换热后转化为氧气从第一冷凝蒸发器内排出，并经过循环蒸发器复热后，通过循环压缩机加压液化后再次转化为液氧冷媒进行所述第二冷媒蒸发器内，同时氮气冷凝回流再次作为上升氧气的回流液；副塔中的大部分氩气上升至所述副塔的顶部，并被引出，通过氩气换热器复热至常温后被回收，部分氩气进入所述第三冷凝蒸发器内，并与其内的液氧冷媒换热冷凝回流，而液氧冷媒转化为氧气从所述第三冷凝蒸发器内排出，并经过氧气换热器复热至常温后被回收。
2.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述主塔顶部设有液氮输入口。
3.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述氩冷凝蒸发器上设有液氩输入口。
4.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述主塔塔釜与所述主凝蒸发器连通的回路上设有节流阀，与氩冷凝蒸发器连通的回路上设有回流阀以及所述液氧泵。
5.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述氧气换热器、氮气换热器以及氩气换热器均为板式换热器。
6.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述第一冷凝蒸发器上设有液氮输入口。
7.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述第三冷凝蒸发器上设有液氩输入口。
8.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，步骤c中，所述第一冷凝蒸发器和所述第二冷凝蒸发器的连通管路上设有第一节流阀，所述节流阀设在靠近所述第二冷凝蒸发器的一端；
所述第二冷凝蒸发器和所述第三冷凝蒸发器的连通管路上复合配设有 液氧泵和第二节流阀。
9.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分系统，其特征在于，所述步骤d中还包括，将回收的常温氩气再送入精氩塔内继续提纯。
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