CN106885449B - 利用液化天然气冷能的空气分离工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，属于空气分离技术领域。该工艺中，来自液化天然气换热器的饱和空气进入分馏下塔进行精馏，得到气氮及富氧液空；富氧液空进入分馏上塔进行精馏，部分气氮作为循环氮经液化天然气换热器复热后进入循环氮压缩机压缩，经冷媒换热器冷却后返回液化天然气换热器冷凝液化，再进入气液分离器进行气液分离，所得液相作为液氮产品；分馏上塔内部设置竖直隔板和水平隔板，水平隔板的一端与竖直隔板的上端连接，水平隔板的另一端与分馏上塔的侧壁连接；液氩产品的抽出位置位于分馏上塔与水平隔板连接的侧壁上并且位于水平隔板的下方。该工艺能直接从分馏上塔获得纯度99.6％的液氩，能耗低、操作稳定、安全。

Description

利用液化天然气冷能的空气分离工艺
技术领域
本发明涉及空气分离技术领域，特别涉及一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺。
背景技术
空气分离简称空分，是利用空气中各组分的物理性质的差异，采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法将氧、氮、氩等以液态的形式从空气中分离出来的过程。通过空气分离得到的液氧、液氮以及液氩等产品广泛应用于冶金、石化、机械、化肥、玻璃、军工、食品、医疗等领域。空气分离通常需要在80～100K(-193℃～-173℃)的低温下进行，创造和维持低温需要消耗大量的能量。如何降低空气分离过程中的能耗成为人们广泛关注的问题。
液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是天然气(Natural Gas，LNG)经净化、液化而成的液体混合物，其温度约为-162℃。液化天然气蕴藏着巨大的冷能，当液化天然气在0.1MPa压力下从-162℃复热到5℃时所释放的冷能约为230kW·h/t。而且由于空气分离过程中所需要达到的温度比液化天然气的温度还要低，因此，将液化天然气的冷能用于空气分离是液化天然气冷能的最佳利用方式。
美国专利US5220798A、美国专利US5137558A、中国实用新型专利CN2499774Y、中国发明专利CN101033910、中国发明专利CN101532768以及中国发明专利CN101846436等文献中都公开了利用液化天然气冷能的空气分离工艺。上述的空气分离工艺中，液化天然气冷能回收单元及空气分离单元。在空气分离单元的分馏塔分离得到高纯度的液氮、高纯度的液氧以及粗氩。将一部分高纯液氮抽出作为循环氮压缩，在液化天然气换热器中与液化天然气换热使液化天然气气化，气化过程释放的冷能传递给循环氮，循环氮冷凝液化后返回分馏塔内提供空气分离所需的冷量。其中，CN101033910公开的空气分离工艺中是从分馏上塔顶部引出氮气作为循环氮，该工艺中压缩级数多、物流数量多、能耗较高；CN101532768公开的空气分离工艺采用两段低温循环氮压缩，操作压力高，换热器通道数目多，流程复杂；CN101846436公开的空气分离工艺中需要至少两台低温循环氮压缩机，系统操作压力高，且与LNG换热的循环氮部分进入下塔作为回流，增加了LNG泄露对装置安全运行的威胁。
综上，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的利用液化天然气冷能的空气分离工艺中分馏塔内得到的氩气纯度较低，需要输送至粗氩塔进行进一步精制，使得空气分离过程能耗较高。而且，现有的空气分离工艺中液化天然气冷能不能得到充分利用，并且在运行过程中存在安全隐患。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能耗低、液化天然气冷能利用充分并且安全可靠的利用液化天然气冷能的空气分离工艺。
具体而言，包括以下技术方案：
一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，所述液化天然气的压力为100KPa～200KPa，所述空气分离工艺包括：来自液化天然气换热器的饱和空气由分馏下塔底部进入所述分馏下塔进行精馏，得到气氮及富氧液空；所述富氧液空由分馏上塔上部进入所述分馏上塔进行精馏，得到液氩产品及液氧产品，所述液氩产品从所述分馏上塔侧线抽出，所述液氧产品从所述分馏上塔底部抽出；一部分气氮由分馏下塔顶部抽出经过分馏上塔底部的再沸冷凝器冷凝得到液氮，所述液氮抽出后作为所述分馏上塔和分馏下塔的液相回流；另一部分气氮从所述分馏下塔顶部抽出作为循环氮，所述循环氮经所述液化天然气换热器复热后进入第一循环氮压缩机进行压缩，压缩后的循环氮经冷媒换热器冷却后返回所述液化天然气换热器冷凝液化，液化后的循环氮进入气液分离器进行气液分离，所得液相作为液氮产品输出；所述液化天然气换热器中的冷物流包括所述液化天然气；其中，所述分馏上塔内部设置有竖直隔板和水平隔板，所述水平隔板的一端与所述竖直隔板的上端连接，所述水平隔板的另一端与所述分馏上塔的侧壁连接；所述液氩产品的抽出位置位于所述分馏上塔与所述水平隔板连接的侧壁上并且位于所述水平隔板的下方。
进一步地，所述富氧液空由所述分馏下塔底部抽出后经液空液氮过冷器冷却后再进入所述分馏上塔进行精馏。
进一步地，所述液氮抽出后分为两部分，一部分由所述分馏下塔顶部返回所述分馏下塔作为所述分馏下塔的液相回流，另一部分经所述液空液氮过冷器冷却后由所述分馏上塔顶部进入所述分馏上塔作为所述分馏上塔的液相回流。
进一步地，所述分馏上塔精馏过程中还得到污氮，所述污氮经所述液空液氮过冷器复热后进入所述液化天然气换热器，作为所述液化天然气换热器的冷物流与所述液化天然气换热器的热物流换热后排放。
进一步地，所述液化后的循环氮进入气液分离器进行气液分离得到的气相进入所述液化天然气换热器，作为所述液化天然气换热器的冷物流与所述液化天然气换热器中的热物流换热，再经第二循环氮压缩机压缩后进入所述冷媒换热器冷却，冷却后与所述循环氮一起返回所述液化天然气换热器进行冷凝液化。
进一步地，所述空气分离工艺还包括：原料空气经空气压缩机压缩、空气预冷器预冷以及空气净化装置净化后得到净化空气，所述净化空气进入所述液化天然气换热器冷却后得到所述饱和空气。
进一步地，所述液化天然气经所述液化天然气换热器换热后进入所述冷媒换热器，为所述冷媒换热器中的冷媒提供冷量。
进一步地，所述液化天然气的流量为2.5～3.0t/h。
进一步地，所述第一循环氮压缩机和所述第二循环氮压缩机的出口压力均为3.0MPa以上。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：
本发明实施例提供的利用液化天然气冷能的空气分离工艺中，根据隔壁塔的工作原理，在分馏上塔内部设置竖直隔板和水平隔板，使分馏上塔同时发挥现有空气分离工艺中分馏塔和粗氩塔两个塔的分离作用，能够直接从分馏上塔侧线抽出纯度在99.6％以上的液氩产品。由于省去了粗氩塔，因此本发明实施例提供的空气分离工艺能耗显著降低。同时，本发明实施例的空气分离工艺中充分利用了液化天然气高、低温位的冷量，液化天然气出口温度和循环氮进压缩机的温度都提高至常温，避免了低温压缩的困难，换热器通道数目少，换热系统效率高。而且，液化天然气的冷量直接用于将循环氮液化冷凝获得液氮产品，循环氮不再返回下塔顶部作为液相氮回流，提升了系统安全性。综上，本发明实施例的空气工艺组织简单，便于调节，能显著降低能耗以及设备投资和操作成本，保证了空气分离的安全进行，经济效益和社会效益显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的利用液化天然气冷能的空气分离工艺的流程图；
图2为液化天然气换热器的结构示意图。
附图标记分别表示：
1、空气压缩机；2、空气预冷器；3、空气净化装置；
4、液化天然气换热器；5、分馏下塔；6、分馏上塔；7、竖直隔板；
8、水平隔板；9、液空液氮过冷器；10、气液分离器；11、冷媒换热器；
12、第一节流阀；13、第二节流阀；14、第三节流阀；
15、第一循环氮压缩机；16、第二循环氮压缩机；
a、原料空气；b、净化空气；c、饱和空气；d、循环氮；
e、富氧液空；f、液氧产品；g、液氩产品；h、污氮；i、液化天然气；
j、天然气；k、液氮；m、液氮产品；n、气液分离器分离得到的气相；
A1-A2、液化天然气换热器的进料空气通道；
B1-B2、液化天然气换热器的第一气氮通道；
C1-C2、液化天然气换热器的第二气氮通道；
D1-D2、液化天然气换热器的污氮通道；
E1-E2、液化天然气换热器的液化天然气通道；
F1-F2、液化天然气换热器的第三气氮通道。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，利用压力为100KPa～200KPa的液化天然气进行空气分离；参见图1，该空气分离工艺包括：
来自液化天然气换热器4的饱和空气c由分馏下塔5底部进入分馏下塔5进行精馏，得到气氮及富氧液空e；富氧液空e由分馏上塔6上部进入分馏上塔6进行精馏，得到液氩产品g及液氧产品f，液氩产品g从分馏上塔6侧线抽出，液氧产品f从分馏上塔6底部抽出；一部分气氮由分馏下塔5顶部抽出经过分馏上塔6底部的再沸冷凝器冷凝得到液氮，液氮抽出后作为所述分馏上塔6和分馏下塔5的液相回流；另一部分气氮从分馏下塔5顶部抽出作为循环氮d，循环氮d经液化天然气换热器4复热后进入第一循环氮压缩机15进行压缩，压缩后的循环氮经冷媒换热器11冷却后返回液化天然气换热器4冷凝液化，液化后的循环氮进入气液分离器10进行气液分离，所得液相作为液氮产品m输出；所述液化天然气换热器4中的冷物流包括液化天然气i。
其中，分馏上塔6内部设置有竖直隔板7和水平隔板8，水平隔板8的一端与竖直隔板7的上端连接，水平隔板8的另一端与分馏上塔6的侧壁连接；液氩产品g的抽出位置位于分馏上塔6与水平隔板8连接的侧壁上并且位于水平隔板8的下方。
空气分离实质上是一个多元组分体系的分离过程。传统的多组分分离过程通常需要多个精馏塔，按照组分的相对挥发度大小，依次从各个精馏塔分离。每个精馏塔都需要冷凝器和再沸器，这就导致传统的分离工艺耗能高，流程长，投资大。而隔壁精馏塔的设计研发很好的解决了上述问题。以三元混合物分离为例，典型的隔壁精馏塔是将常规精馏序列的两个塔整合进一个塔，并用一块垂直的隔板隔开，分为预分馏段、公共精馏段、公共提馏段和侧线抽出段四个部分，通过塔顶冷凝器回流液相和再沸器回流气相的合理分流，实现三组分在一个塔内的高效分离。隔壁塔的使用可以提高过程热力学效率，降低能耗并节省投资。
根据上述隔壁塔的工作原理，本发明实施例中对分馏上塔6进行改造，在分馏上塔6中设置竖直隔板7和水平隔板8，竖直隔板7和水平隔板8组合形成倒“L”型，水平隔板8起到封顶的作用。竖直隔板7将精馏塔分割为预分馏塔和主塔，进料侧为预分馏塔，出料侧为主塔。水平隔板8作为封顶，将分馏上塔顶部的液氮回流与主塔上升的氩气分隔，从而避免了回流液氮对液氩产品的污染，提高液氩的浓度。改造后的分馏上塔6同时发挥现有空气分离工艺中分馏塔和粗氩塔两个塔的分离作用，能够直接从分馏上塔侧线抽出纯度在99.6％以上的液氩产品。由于省去了粗氩塔，使本发明实施例提供的空气分离工艺能耗显著降低。
本发明实施例在对分馏上塔6进行优化改进的同时，对空气分离工艺中冷量回收过程也进行了优化改进。本发明实施例中，原料空气a经过压缩、预冷、净化等前处理后，进入液化天然气换热器4。与液化天然气换热器4中的冷物流换热后冷却至饱和温度(-175℃左右)得到饱和空气c。饱和空气c进入分馏下塔5进行精馏。饱和空气c在分馏下塔5内与分馏下塔5顶部的液相回流逆流接触传热传质，在分馏下塔5底部得到含有较多氧气成分的富氧液空e，在分馏下塔5顶部得到高纯度的气氮。所得气氮一部分被冷凝液化得到液氮k，所得液氮用于分馏上塔6和分馏下塔5的液相回流。剩余气氮则作为循环氮d由分馏下塔5顶部抽出。循环氮d由分馏下塔5顶部抽出后，进入液化天然气换热器4复热至常温(25～30℃)，经过第一循环氮压缩机15加压和冷媒换热器11冷却至常温(25～30℃)后返回液化天然气换热器4，冷凝液化后经第一节流阀12减压输送至气液分离器10进行气液分离，气液分离得到的液相作为液氮产品m储存。所得富氧液空e则由分馏上塔6上部进入分馏上塔6进行精馏，由分馏上塔6底部抽出纯度达到99.6％的高纯液氧产品f，在分馏上塔6侧线抽出纯度99.6％的液氩产品g。液氩产品g的抽出位置位于分馏上塔6与水平隔板8连接的侧壁上并且位于水平隔板8的下方。
以上空气分离工艺中液化天然气出口温度和循环氮进压缩机的温度都提高至常温，避免了低温压缩的困难，减少了换热器通道数目，提高换热系统效率。而且液化天然气的冷量直接用于将循环氮液化冷凝获得液氮产品，循环氮不再返回下塔顶部作为液相氮回流，提升了系统安全性。
综上，本发明实施例的空气工艺组织简单，便于调节，能够充分利用液化天然气的冷能，能显著降低能耗以及设备投资和操作成本，保证了空气分离的安全进行，经济效益和社会效益显著。
进一步地，在上述的空气分离工艺中，竖直隔板7和水平隔板8的尺寸以及在分馏上塔6中的位置没有严格的限定，本领域技术人员可以根据实际情况确定。例如，竖直隔板7的高度可以为分馏上塔6塔高的1/5、1/4、1/3、1/2等，水平隔板8的长度可以为分馏上塔6直径的1/5、1/4、1/3、1/2等，水平隔板8距离分馏上塔6塔顶的距离可以为分馏上塔6塔高的1/5、1/4、1/3、1/2等。
进一步地，在上述空气分离工艺中，富氧液空e由分馏下塔5底部抽出后经液空液氮过冷器9冷却，再经第二节流阀13减压后进入分馏上塔6上部作为液相进料。
进一步地，在上述空气分离工艺中，液氮由分馏下塔5顶部抽出后分为两部分，一部分由分馏下塔5顶部返回分馏下塔5作为分馏下塔5的液相回流，另一部分经液空液氮过冷器9冷却、再经第三节流阀14减压后由分馏上塔6顶部进入分馏上塔6作为分馏上塔6的液相回流。
进一步地，在上述空气分离工艺中，富氧液空e在分馏上塔6精馏过程中，除了得到高纯度的液氧产品f和液氩产品g外，还得到含氮量88％左右的污氮h，污氮h经液空液氮过冷器9复热后进入液化天然气换热器4，作为液化天然气换热器4冷物流的一部分与液化天然气换热器4中的热物流换热后作为废氮排出。采用该工艺，不仅使污氮h中蕴藏的冷能得到充分利用，还使污氮h的温度恢复至常温，直接排放也不会对环境造成影响。
进一步地，在上述空气分离工艺中，气液分离器10进行气液分离后得到的气相返回液化天然气换热器4，作为液化天然气换热器4冷物流一部分与液化天然气换热器4中的热物流换热后复热至常温，再经第二循环氮压缩机16压缩后进入冷媒换热器11冷却，冷却后与循环氮d一起返回液化天然气换热器4进行冷凝液化，完成氮循环。
进一步地，在上述空气分离工艺中，分馏上塔6和分馏下塔5之间设置有再沸冷凝器；再沸冷凝器位于分馏上塔6的底部。分馏下塔5顶部的部分气氮通过上述再沸冷凝器冷凝液化，冷凝热传递给分馏上塔6塔底的液氧。由于在相同压力下氮气的沸点低于氧气，因此分馏下塔5在一个较高的操作压力下运行，以此为再沸冷凝器提供推动力。
进一步地，在上述空气分离工艺中，原料空气a在进入液化天然气换热器4冷却至饱和之前，先经空气压缩机1压缩、空气预冷器2预冷以及空气净化装置3净化后得到净化空气b，净化空气b进入液化天然气换热器4冷却得到饱和空气c。其中，空气压缩机1将原料空气a压缩至0.3MPa～0.4MPa左右，空气预冷器2将原料空气a预冷至25～35℃，空气净化装置3除去原料空气a中的水、二氧化碳、硫化氢以及烃类物质等对管道和设备有害的杂质。空气净化装置3的具体类型本发明实施例不作特殊限定，本领域常规技术手段均可。
进一步地，在上述空气分离工艺中，液化天然气i经液化天然气换热器4换热后得到天然气j，这部分天然气j仍然蕴藏着一部分冷量，可以将天然气j再输送至冷媒换热器11，为冷媒换热器11中的冷媒提供冷量。冷媒可以为水、乙二醇水溶液等冷却介质。
进一步地，在上述空气分离工艺中，液化天然气的流量可以为2.5～3.0t/h，例如2.6t/h、2.7t/h、2.8t/h、2.9t/h等。
进一步地，在上述空气分离工艺中，第一循环氮压缩机15和第二循环氮压缩机16的出口压力均为3.0MPa以上。
根据以上所述，液化天然气换热器4中的冷物流包括四部分：第一部分为分馏上塔6塔顶抽出的污氮h，第二部分为由分馏下塔5顶部抽出的气态循环氮d，第三部分为气液分离器10蒸发出来的气相n，第四部分为外供的液化天然气i。液化天然气换热器4中的热物流包括两部分：一部分为净化空气b，另一部分为经冷媒换热器11冷却的气态循环氮和气液分离器10蒸发的气相n。
下面通过具体的试验数据对本发明实施例提供的空气分离工艺作进一步详细说明。
以下实施例1～3的空气分离工艺可以通过以下空气分离系统实现，参见图1并结合图2，该空气分离系统包括：空气压缩预冷单元、空气净化单元、空气精馏单元以及液化天然气冷能回收单元。其中，
空气压缩预冷单元包括空气压缩机1以及空气预冷器2；
空气净化单元包括用于除去空气中水、二氧化碳、硫化氢、烃类物质等杂质的空气净化装置3；
空气精馏单元包括分馏上塔6、分馏下塔5、位于分馏上塔6和分馏下塔5之间的再沸冷凝器、液空液氮过冷器9；其中，分馏上塔6内部设置有竖直隔板7和水平隔板8，水平隔板8的一端与竖直隔板7的上端连接，水平隔板8的另一端与分馏上塔6的侧壁连接。
液化天然气冷能回收单元包括液化天然气换热器4第一循环氮压缩机15、第二循环氮压缩机16、冷媒换热器11以及气液分离器10。其中，液化天然气换热器4中设置有液化天然气通道、第一气氮通道、第二气氮通道、第三气氮通道、进料空气通道、污氮通道
空气压缩机1、空气预冷器2、空气净化装置3、液化天然气换热器4的进料空气通道A1-A2以及位于分馏下塔5底部的空气进口顺次相连。
位于分馏下塔5底部的富氧液空出口、液空液氮过冷器9以及位于分馏上塔6上部的富氧液空进口顺次相连。
位于分馏下塔5顶部的液氮出口处设置两条液氮支路，一条与位于分馏下塔5顶部的回流液入口相连，另一条经过液空液氮过冷器9与位于分馏上塔6顶部的回流液入口相连。
位于分馏下塔5顶部的循环氮出口、液化天然气换热器4的第一气氮通道B1-B2、第一循环氮压缩机15、冷媒换热器11、液化天然气换热器4的第三气氮通道F1-F2以及气液分离器10顺次连接。
位于分馏上塔6顶部的污氮出口、液空液氮过冷器9以及液化天然气换热器4的污氮通道D1-D2顺次连接。
气液分离器10的气相出口、第二循环氮压缩机16、液化天然气换热器4的第二气氮通道C1-C2、冷媒换热器11以及液化天然气换热器4的第三气氮通道F1-F2顺次相连。
液化天然气换热器4的液化天然气通道E1-E2与冷媒换热器11相连。
分馏上塔6的液氧出口位于分馏上塔6的底部，分馏上塔6的液氩出口位于分馏上塔6与水平隔板8连接的侧壁上并且位于水平隔板8的下方。
液化天然气换热器4的第二气氮通道C1-C2出口与气液分离器10相连的管线上设置有第一节流阀12；液空液氮过冷器9与分馏上塔6的富氧液空进口相连的管线上设置有第二节流阀13，与分馏上塔6的回流液进口相连的管线上设置有第三节流阀14。
实施例1
本实施例提供一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，本实施例中所用液化天然气的压力为100kPa，本实施例的空气分离工艺具体如下：
20t/h常温常压的原料空气a经空气压缩机1压缩至0.35MPa，然后进入空气预冷器2冷却至30℃，再进入空气净化装置3除去水、二氧化碳、硫化氢以及烃类物质等对管道和设备有害的杂质得到净化空气b，净化空气b进入液化天然气换热器4冷却至-175.2℃得到饱和空气c并进入分馏下塔5底部。外供流量为2.672t/h、压力为100kPa、温度为-162℃的液化天然气i经过液化天然气换热器4复热至27.9℃；分馏下塔5顶部抽出3.5t/h高纯循环氮d，进入液化天然气换热器4复热至25℃，经过第一循环氮压缩机15加压至3MPa，再通过冷媒换热器11冷却至30℃后返回液化天然气换热器4冷凝液化至-163℃，然后经第一节流阀12减压至120kPa后输送至气液分离器10进行气液分离，气液分离得到的液相作为液氮产品m抽出，气液分离得到的气相n返回液化天然气换热器4供冷，复热至25℃并经第二循环氮压缩机16加压至3MPa，通过冷媒换热器11冷却至30℃后，与分馏下塔5抽出的循环氮d混合进入液化天然气换热器4完成氮循环。分馏上塔6顶部抽出12.13t/h含氮量为88.97％(wt)的污氮，经液空液氮过冷器9和液化天然气换热器4复热至10℃作为废氮排出。
饱和空气c在分馏下塔5内与回流液在塔板或填料中进行连续的热质交换和冷凝蒸发，在分馏下塔底部获得11.12t/h含氧量为41.64％(wt)的富氧液空e，经过液空液氮过冷器9过冷至-185℃，然后经过第二节流阀13减压送入分馏上塔6上部作为液相进料；分馏下塔5塔顶获得纯度达99.99％(wt)的高纯气氮，部分作为气相循环氮d抽出，其余气氮经过再沸冷凝器冷凝得到液氮k，抽出5.38t/h液氮经过液空液氮过冷器9过冷至-185℃，然后经过第三节流阀14减压后送入分馏上塔6塔顶作为液相回流，剩余液氮作为分馏下塔5顶部液相回流。
在再沸冷凝器中气氮被冷凝的同时，液氧被蒸发成气氧作为分馏上塔6底部气相回流，在塔板或填料中与上述的两股液相进料进行连续的传热传质，在分馏上塔6塔底抽出5.372t/h纯度达99.6％(wt)的高纯液氧f产品直接送往液氧储罐；从分馏上塔6塔侧线抽出39.36kg/h含氩量为99.6％(wt)的高纯度液氩产品g，送往精氩系统进一步精制；在分馏上塔6顶部抽出12.13t/h含氮量为88.97％(wt)的污氮，进入液空液氮过冷器9部分复热后经过液化天然气换热器4回收冷量并排空。
实施例2
本实施例提供一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，本实施例中所用液化天然气的压力为200kPa，本实施例的空气分离工艺具体如下：
20t/h常温常压的原料空气a经空气压缩机1压缩至0.35MPa，然后进入空气预冷器2冷却至30℃，再进入空气净化装置3除去水、二氧化碳、硫化氢以及烃类物质等对管道和设备有害的杂质得到净化空气b，净化空气b进入液化天然气换热器4冷却至-175.2℃得到饱和空气c并进入分馏下塔5底部。外供流量为2.637t/h、压力为200kPa、温度为-162℃的液化天然气i经过液化天然气换热器4复热至27.9℃；分馏下塔5顶部抽出3.5t/h高纯循环氮d，进入液化天然气换热器4复热至25℃，经过第一循环氮压缩机15加压至5MPa，再通过冷媒换热器11冷却至30℃后返回液化天然气换热器4冷凝液化至-163℃，然后经第一节流阀12减压至120kPa后输送至气液分离器10进行气液分离，气液分离得到的液相作为液氮产品m抽出，气液分离得到的气相n返回液化天然气换热器4供冷，复热至25℃并经第二循环氮压缩机16加压至5MPa，通过冷媒换热器11冷却至30℃后，与分馏下塔5抽出的循环氮d混合进入液化天然气换热器4完成氮循环。分馏上塔6顶部抽出12.13t/h含氮量为88.97％(wt)的污氮，经液空液氮过冷器9和液化天然气换热器4复热至10℃作为废氮排出。
饱和空气c在分馏下塔5内与回流液在塔板或填料中进行连续的热质交换和冷凝蒸发，在分馏下塔底部获得11.12t/h含氧量为41.64％(wt)的富氧液空e，经过液空液氮过冷器9过冷至-185℃，然后经过第二节流阀13减压送入分馏上塔6上部作为液相进料；分馏下塔5塔顶获得纯度达99.99％(wt)的高纯气氮，部分作为气相循环氮d抽出，其余气氮经过再沸冷凝器冷凝得到液氮k，抽出5.38t/h液氮经过液空液氮过冷器9过冷至-185℃，然后经过第三节流阀14减压后送入分馏上塔6塔顶作为液相回流，剩余液氮作为分馏下塔5顶部液相回流。
在再沸冷凝器中气氮被冷凝的同时，液氧被蒸发成气氧作为分馏上塔6底部气相回流，在塔板或填料中与上述的两股液相进料进行连续的传热传质，在分馏上塔6塔底抽出5.372t/h纯度达99.6％(wt)的高纯液氧f产品直接送往液氧储罐；从分馏上塔6塔侧线抽出39.36kg/h含氩量为99.6％(wt)的高纯度液氩产品g，送往精氩系统进一步精制；在分馏上塔6顶部抽出12.13t/h含氮量为88.97％(wt)的污氮，进入液空液氮过冷器9部分复热后经过液化天然气换热器4回收冷量并排空。
实施例3
本实施例提供一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，本实施例中所用液化天然气的压力为150kPa，本实施例的空气分离工艺具体如下：
20t/h常温常压的原料空气a经空气压缩机1压缩至0.35MPa，然后进入空气预冷器2冷却至30℃，再进入空气净化装置3除去水、二氧化碳、硫化氢以及烃类物质等对管道和设备有害的杂质得到净化空气b，净化空气b进入液化天然气换热器4冷却至-175.2℃得到饱和空气c并进入分馏下塔5底部。外供流量为2.640t/h、压力为150kPa、温度为-162℃的液化天然气i经过液化天然气换热器4复热至27.9℃；分馏下塔5顶部抽出3.5t/h高纯循环氮d，进入液化天然气换热器4复热至25℃，经过第一循环氮压缩机15加压至4MPa，再通过冷媒换热器11冷却至30℃后返回液化天然气换热器4冷凝液化至-163℃，然后经第一节流阀12减压至120kPa后输送至气液分离器10进行气液分离，气液分离得到的液相作为液氮产品m抽出，气液分离得到的气相n返回液化天然气换热器4供冷，复热至25℃并经第二循环氮压缩机16加压至4MPa，通过冷媒换热器11冷却至30℃后，与分馏下塔5抽出的循环氮d混合进入液化天然气换热器4完成氮循环。分馏上塔6顶部抽出12.13t/h含氮量为88.97％(wt)的污氮，经液空液氮过冷器9和液化天然气换热器4复热至10℃作为废氮排出。
饱和空气c在分馏下塔5内与回流液在塔板或填料中进行连续的热质交换和冷凝蒸发，在分馏下塔底部获得11.12t/h含氧量为41.64％(wt)的富氧液空e，经过液空液氮过冷器9过冷至-185℃，然后经过第二节流阀13减压送入分馏上塔6上部作为液相进料；分馏下塔5塔顶获得纯度达99.99％(wt)的高纯气氮，部分作为气相循环氮d抽出，其余气氮经过再沸冷凝器冷凝得到液氮k，抽出5.38t/h液氮经过液空液氮过冷器9过冷至-185℃，然后经过第三节流阀14减压后送入分馏上塔6塔顶作为液相回流，剩余液氮作为分馏下塔5顶部液相回流。
在再沸冷凝器中气氮被冷凝的同时，液氧被蒸发成气氧作为分馏上塔6底部气相回流，在塔板或填料中与上述的两股液相进料进行连续的传热传质，在分馏上塔6塔底抽出5.372t/h纯度达99.6％(wt)的高纯液氧f产品直接送往液氧储罐；从分馏上塔6塔侧线抽出39.36kg/h含氩量为99.6％(wt)的高纯度液氩产品g，送往精氩系统进一步精制；在分馏上塔6顶部抽出12.13t/h含氮量为88.97％(wt)的污氮，进入液空液氮过冷器9部分复热后经过液化天然气换热器4回收冷量并排空。
综上，本发明实施例提供的空气分离工艺中，一方面将分馏上塔设计为隔壁塔形式，能够直接从分馏上塔侧线抽出纯度达到99.6％的液氩产品，降低能耗；另一方面将液化天然气换热器出口温度和循环氮压缩机进口温度都提高至常温，避免了低温压缩的困难，并且循环氮不再返回分馏下塔顶部作为液相氮回流，提升了系统安全性。本发明实施例提供的空气分离工艺组织简单，便于调节，能耗低，设备投资和操作成本低，经济效益和社会效益显著。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用液化天然气冷能的空气分离工艺，所述液化天然气的压力为100KPa～200KPa，其特征在于，所述空气分离工艺包括：
来自液化天然气换热器(4)的饱和空气由分馏下塔(5)底部进入所述分馏下塔(5)进行精馏，得到气氮及富氧液空；
所述富氧液空由分馏上塔(6)上部进入所述分馏上塔(6)进行精馏，得到液氩产品及液氧产品，所述液氩产品从所述分馏上塔(6)侧线抽出，所述液氧产品从所述分馏上塔(6)底部抽出；
一部分气氮由分馏下塔(5)顶部抽出经过分馏上塔(6)底部的再沸冷凝器冷凝得到液氮，所述液氮抽出后作为所述分馏上塔(6)和分馏下塔(5)的液相回流；另一部分气氮从所述分馏下塔(5)顶部抽出作为循环氮，所述循环氮经所述液化天然气换热器(4)复热后进入第一循环氮压缩机(15)进行压缩，压缩后的循环氮经冷媒换热器(11)冷却后返回所述液化天然气换热器(4)冷凝液化，液化后的循环氮进入气液分离器(10)进行气液分离，所得液相作为液氮产品输出；所述液化天然气换热器(4)中的冷物流包括所述液化天然气；
其中，所述分馏上塔(6)内部设置有竖直隔板(7)和水平隔板(8)，所述水平隔板(8)的一端与所述竖直隔板(7)的上端连接，所述水平隔板(8)的另一端与所述分馏上塔(6)的侧壁连接；所述液氩产品的抽出位置位于所述分馏上塔(6)与所述水平隔板(8)连接的侧壁上并且位于所述水平隔板(8)的下方。
2.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述富氧液空由所述分馏下塔(5)底部抽出后经液空液氮过冷器(9)冷却后再进入所述分馏上塔(6)进行精馏。
3.根据权利要求2所述空气分离工艺，其特征在于，所述液氮抽出后分为两部分，一部分由所述分馏下塔(5)顶部返回所述分馏下塔(5)作为所述分馏下塔(5)的液相回流，另一部分经所述液空液氮过冷器(9)冷却后由所述分馏上塔(6)顶部进入所述分馏上塔(6)作为所述分馏上塔(6)的液相回流。
4.根据权利要求3所述的空气分离工艺，其特征在于，所述分馏上塔(6)精馏过程中还得到污氮，所述污氮经所述液空液氮过冷器(9)复热后进入所述液化天然气换热器(4)，作为所述液化天然气换热器(4)的冷物流与所述液化天然气换热器(4)中的热物流换热后排放。
5.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述液化后的循环氮进入气液分离器(10)进行气液分离得到的气相进入所述液化天然气换热器(4)，作为所述液化天然气换热器(4)的冷物流与所述液化天然气换热器(4)中的热物流换热，再经第二循环氮压缩机(16)压缩后进入所述冷媒换热器(11)冷却，冷却后与所述循环氮一起返回所述液化天然气换热器(4)进行冷凝液化。
6.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述空气分离工艺还包括：
原料空气经空气压缩机(1)压缩、空气预冷器(2)预冷以及空气净化装置(3)净化后得到净化空气，所述净化空气进入所述液化天然气换热器(4)冷却后得到所述饱和空气。
7.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述液化天然气经所述液化天然气换热器(4)换热后进入所述冷媒换热器(11)，为所述冷媒换热器(11)中的冷媒提供冷量。
8.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述液化天然气的流量为2.5～3.0t/h。
9.根据权利要求5所述的空气分离工艺，其特征在于，所述第一循环氮压缩机(15)和所述第二循环氮压缩机(16)的出口压力均为3.0MPa以上。
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