CN107606876A - 空气分离系统 - Google Patents

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Abstract

一种空气分离系统，包括依次连接的空气预处理模块、空气液化模块以及空气分离模块；空气经空气预处理模块处理后进入空气液化模块，然后进入空气分离模块生成液氮和液氧产品或富氧空气。空气预处理模块包括依次连接的粉尘过滤器、空气压缩机、精密滤油设备、脱水脱碳干燥设备和空气储罐；空气液化模块包括主冷压缩机、主冷冷凝器、回热换热器、主冷节流元件、载冷压缩机、载冷冷凝器、载冷节流元件和空气液化器；空气分离模块包括精馏塔、塔顶冷凝器和分流器。上述空气分离系统采用混合工质节流制冷机的空气分离技术，系统高度集成，便于实现设备的小型化，工艺简单，并高效节能，成本低廉，可靠性高；由于载冷循环采取不可燃工质，安全性高。

Description

空气分离系统
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种空气分离系统。
背景技术
液氮是一个较为方便的冷源，具有资源丰富、安全性较好、不易燃易爆等优点，在医疗事业、食品工业、电子、冶金、航天、机械制造等领域得到越来越普遍的应用。液氮通常是作为空气液化分离的最大宗产品、工业制氧的副产品，液氮在常温下很容易气化，保存困难，需求用量大的场合液氮成本较低，而对于如科研实验室、学校、美容院等液氮小用量的场合而言，长期直接购买液氮成本较高；此外在偏远地区或野外环境下，远离常规的液氮供应点，不便运输携带，液氮需求更加难以保障。同样的，液氧的需求也存在上述问题，比如高原兵站等严重缺氧地区，液氧是较为重要的战略资源。在这种情况下，常规空分装置已经不适用。因此，小型液氮/液氧机应运而生。
目前国内外商业化生产的小型液氮/液氧机多采用变压吸附制氮/制氧装置+低温制冷机的方式，其制冷技术多以斯特林低温制冷机、G-M低温制冷机为主，但斯特林和G-M低温制冷机其可靠性一直没有得到解决，最根本的原因在于没有可靠的压缩机；此外该类制冷机造价昂贵，成本回收周期较长，且需要维护，效益不明显。另外最主要的问题是以斯特林和GM制冷机等为冷源，冷头温度较低，直接将常温状态的进料氮气、氧气或者其他工业气体液化，传热温差较大，容易造成较大损失，液化效率较低，同时变压吸附制氮/制氧装置耗能较大，运行成本较高。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种结构简单，效率较高，可靠性较好，成本低廉的空气分离系统。
一种空气分离系统，包括依次连接的空气预处理模块、空气液化模块以及空气分离模块；
所述空气预处理模块包括依次连接的粉尘过滤器、空气压缩机、精密滤油设备、脱水脱碳干燥设备和空气储罐，所述空气储罐的出口连接空气液化模块；
所述空气液化模块包括主冷压缩机、主冷冷凝器、回热换热器、主冷节流元件、载冷压缩机、载冷冷凝器、载冷节流元件和空气液化器；
所述空气分离模块包括精馏塔、塔顶冷凝器和分流器，所述空气液化器的空气高压出口连接所述精馏塔的进口，所述精馏塔的塔顶出口连接所述塔顶冷凝器的富氮侧进口，所述塔顶冷凝器的富氮侧出口连接所述分流器进口，所述分流器的第一出口连接所述精馏塔的塔顶回流口，液氮产品由所述分流器的第二出口流出，液氧产品由所述精馏塔的塔底流出；
其中，所述空气储罐的出口连接所述空气液化器的空气高压进口，所述空气液化器的空气高压出口连接所述精馏塔进口形成空气液化路；
所述主冷压缩机的高压制冷剂出口连接所述主冷冷凝器的制冷剂高压进口，所述主冷冷凝器的制冷剂高压出口连接所述回热换热器的高压制冷剂进口，所述回热换热器的高压制冷剂出口连接所述主冷节流元件的制冷剂高压进口，所述主冷节流元件的制冷剂低压出口连接所述回热换热器的制冷剂低压进口，所述回热换热器的制冷剂低压出口连接所述压缩机的低压进口并形成主冷循环回路，所述主冷循环回路采用混合工质制冷剂；
所述载冷压缩机的高压载冷剂出口连接所述载冷冷凝器的载冷剂高压进口，所述载冷冷凝器的载冷剂高压出口连接所述回热换热器的高压载冷剂进口，所述回热换热器的高压载冷剂出口连接所述载冷节流元件的载冷剂高压进口，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气分离模块中塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口，所述空气液化器的载冷剂低压出口连接所述载冷压缩机的低压进口并形成载冷循环回路，所述载冷循环回路采用不可燃工质。
在其中一个实施例中，所述空气液化模块还包括预冷压缩机、预冷冷凝器、预冷节流元件和预冷换热器，所述预冷压缩机的高压预冷剂出口连接所述预冷冷凝器的预冷剂高压进口，所述预冷冷凝器的预冷剂高压出口连接所述预冷节流元件的预冷剂高压进口，所述预冷节流元件的预冷剂低压出口连接所述预冷换热器的预冷剂低压进口，所述预冷换热器的预冷剂低压出口连接所述预冷压缩机的低压进口并形成预冷循环回路；
此时，所述主冷冷凝器的制冷剂高压出口连接所述预冷换热器的制冷剂高压入口，所述预冷换热器的制冷剂高压出口连接所述回热换热器的高压制冷剂进口。
在其中一个实施例中，所述空气分离模块还包括塔底节流元件，所述精馏塔的塔底出口连接所述塔底节流元件的进口，所述塔底节流元件的出口连接所述塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口对空排放富氧空气，液氮产品由所述分流器的第二出口流出；
此时，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口。
在其中一个实施例中，所述预冷节流元件的预冷剂低压出口连接所述脱水脱碳干燥设备的进口，所述脱水脱碳干燥设备的出口连接所述预冷换热器的预冷剂低压进口，所述预冷换热器的预冷剂低压出口连接所述预冷压缩机的低压进口并形成回路。
在其中一个实施例中，所述空气分离模块还包括塔底节流元件，所述精馏塔的塔底出口连接所述塔底节流元件的进口，所述塔底节流元件的出口连接所述塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口对空排放富氧空气，液氮产品由所述分流器的第二出口流出；
此时，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口。
在其中一个实施例中，所述空气分离模块还包括塔底节流元件，所述精馏塔的塔底出口连接所述塔底节流元件的进口，所述塔底节流元件的出口连接所述塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口对空排放富氧空气，液氮产品由所述分流器的第二出口流出；
此时，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口。
在其中一个实施例中，所述脱水脱碳干燥设备为吸附干燥设备或冷冻干燥设备。
在其中一个实施例中，所述混合制冷工质为由氖气、氮气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷以任意配比组成的混合物。
在其中一个实施例中，所述不可燃工质为氮气、氩气和氖气中的至少一种。
上述空气分离系统和传统的空气分离系统相比，结构简单，且利用混合工质大温度滑移的特性，使得换热器内制冷机与空气分布负荷特性形成了良好的匹配，避免了低温下较大的传热温差，使空气分离系统具有较高的热力学效率；采用混合工质节流制冷机，可以使得整个系统设计更加灵活，紧凑，易于小型撬装化；由于载冷循环采取不可燃的安全工质，提高了系统安全性和可靠性；最终降低了空气分离系统成本，提高了空气分离系统的经济技术性。
附图说明
图1为实施例1的空气分离系统的结构示意图；
图2为实施例2的空气分离系统的结构示意图；
图3为实施例3的空气分离系统的结构示意图；
图4为实施例4的空气分离系统的结构示意图；
图5为实施例5的空气分离系统的结构示意图；
图6为实施例6的空气分离系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参考图1，一种空气分离系统，包括依次连接的空气预处理模块(1)、空气液化模块(2)以及空气分离模块(3)。
空气预处理模块(1)包括依次连接的粉尘过滤器(A1)、空气压缩机(A2)、精密滤油设备(A3)、脱水脱碳干燥设备(A4)和空气储罐(A5)，空气储罐(A5)的出口(A5)连接空气液化模块(2)。空气通过依次通过空气预处理模块(1)的粉尘过滤器(A1)、空气压缩机(A2)、精密滤油设备(A3)、脱水脱碳干燥设备(A4)和空气储罐(A5)后生成高压干燥洁净空气。
空气液化模块(2)包括主冷压缩机(M1)、主冷冷凝器(M2)、回热换热器(M3)、主冷节流元件(M4)、载冷压缩机(Z1)、载冷冷凝器(Z2)、载冷节流元件(Z3)和空气液化器(Z4)。高压干燥洁净空气进入空气液化模块(2)后形成低温两相状态空气。
空气分离模块(3)包括精馏塔(S1)、塔顶冷凝器(S2)和分流器(S3)，空气液化器(Z4)的空气高压出口连接精馏塔(S1)进口，精馏塔(S1)的塔顶出口连接塔顶冷凝器(S2)的富氮侧进口，塔顶冷凝器(S2)的富氮侧出口连接分流器(S3)的进口，分流器(S3)的第一出口连接精馏塔(S1)的塔顶回流口，液氮产品由分流器(S3)的第二出口流出，液氧产品由精馏塔(S1)的塔底流出。在本实施例中，空分分离模块(3)生成液氮和液氧产品。
其中，空气储罐(A5)的出口连接空气液化器(Z4)的空气高压进口，空气液化器(Z4)的空气高压出口连接精馏塔(S1)的进口形成空气液化路。
主冷压缩机(M1)的高压制冷剂出口连接主冷冷凝器(M2)的制冷剂高压进口，主冷冷凝器(M2)的制冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压制冷剂进口，回热换热器(M3)的高压制冷剂出口连接主冷节流元件(M4)的制冷剂高压进口，主冷节流元件(M4)的制冷剂低压出口连接回热换热器(M3)的制冷剂低压进口，回热换热器(M3)的制冷剂低压出口连接压缩机(M1)的低压进口并形成主冷循环回路，主冷循环回路采用混合工质制冷剂。
载冷压缩机(Z1)的高压载冷剂出口连接载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压进口，载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压载冷剂进口，回热换热器(M3)的高压载冷剂出口连接载冷节流元件(Z3)的载冷剂高压进口，载冷节流元件(Z3)的载冷剂低压出口连接空气分离模块(3)中塔顶冷凝器(S2)的低压载冷剂进口，塔顶冷凝器(S2)的低压载冷剂出口连接空气液化器(Z4)的载冷剂低压进口，空气液化器(Z4)的载冷剂低压出口连接载冷压缩机(Z1)的低压进口并形成载冷循环回路，载冷循环回路采用不可燃工质。
其中，脱水脱碳干燥设备(A4)可以为吸附干燥设备或冷冻干燥设备。
混合制冷工质为由氖气、氮气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷以任意配比组成的混合物。
不可燃工质为氮气、氩气和氖气中的至少一种。
实施例2
图2为实施例2的空气分离系统。实施例2的空气分离系统和实施例1基本相同。不同之处在于，实施例2中空气液化模块(2)还包括预冷压缩机、预冷冷凝器、预冷节流元件和预冷换热器，预冷压缩机(P1)的高压预冷剂出口连接预冷冷凝器(P2)的预冷剂高压进口，预冷冷凝器(P2)的预冷剂高压出口连接预冷节流元件(P3)的预冷剂高压进口，预冷节流元件(P3)的预冷剂低压出口连接预冷换热器(P4)的预冷剂低压进口，预冷换热器(P4)的预冷剂低压出口连接预冷压缩机(P1)的低压进口并形成预冷循环回路。
此外，实施例2中的主冷循环回路与实施例1中的主冷循环回路有所不同。实施例2中，主冷冷凝器(M2)的制冷剂高压出口连接预冷换热器(P4)的制冷剂高压入口，预冷换热器(P4)的制冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压制冷剂进口。
主冷压缩机(M1)的高压制冷剂出口连接主冷冷凝器(M2)的制冷剂高压进口，主冷冷凝器(M2)的制冷剂高压出口连接预冷换热器(P4)的制冷剂高压入口，预冷换热器(P4)的制冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压制冷剂进口，回热换热器(M3)的高压制冷剂出口连接主冷节流元件(M4)的制冷剂高压进口，主冷节流元件(M4)的制冷剂低压出口连接回热换热器(M3)的制冷剂低压进口，回热换热器(M3)制冷剂低压出口连接压缩机(M1)低压进口并形成主冷循环回路。
在本实施例中，通过增加预冷压缩机、预冷冷凝器、预冷节流元件和预冷换热器形成预冷循环回路，可以消除环境因素对空气液化模块(2)的影响，从而使空气液化模块(2)具有更好的制冷效果。
实施例3
图3为实施例3的空气分离系统。实施例3的空气分离系统和实施例2基本相同。不同之处在于，脱水脱碳干燥设备(A4)可与空气液化模块(2)中预冷回路耦合在一起。即预冷节流元件(P3)的预冷剂低压出口连接脱水脱碳干燥设备(A4)的进口，脱水脱碳干燥设备(A4)的出口连接预冷换热器(P4)的预冷剂低压进口，预冷换热器(P4)的预冷剂低压出口连接预冷压缩机(P1)的低压进口并形成回路。
在本实施例中，将脱水脱碳干燥设备(A4)与空气液化模块(2)中预冷回路耦合在一起，替代脱水脱碳干燥设备(A4)所需的冷冻干燥设备，可以降低整体设备的能耗，提高系统的集成度和紧凑性。
实施例4
图4为实施例4的空气分离系统。实施例4的空气分离系统和实施例1基本相同。不同之处在于，空气分离模块(3)还包括塔底节流元件(S4)，且实施例4中的载冷循环回路和实施例1中的载冷循环回路有所不同。
实施例4中，精馏塔(S1)的塔底出口连接塔底节流元件(S4)的进口，塔底节流元件(S4)的出口连接塔顶冷凝器(S2)的进口，塔顶冷凝器(S2)的出口对空排放富氧空气，液氮产品由分流器(S3)的第二出口流出。
实施例4中，载冷压缩机(Z1)的高压载冷剂出口连接载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压进口，载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压载冷剂进口，回热换热器(M3)的高压载冷剂出口连接载冷节流元件(Z3)的载冷剂高压进口，载冷节流元件(Z3)的载冷剂低压出口连接空气液化器(Z4)的载冷剂低压进口，空气液化器(Z4)的载冷剂低压出口连接载冷压缩机(Z1)的低压进口并形成载冷循环回路。
在本实施中，通过在空气分离模块(3)设置塔底节流元件(S4)，且改变本实施例中载冷循环回路的连接器件，在空气分离模块(3)制备得到富氧空气和液氮产品。
实施例5
图5为实施例5的空气分离系统。实施例5的空气分离系统和实施例2基本相同。不同之处在于，空气分离模块(3)还包括塔底节流元件(S4)，且实施例5中的载冷循环回路和实施例2中的载冷循环回路有所不同。
实施例5中，精馏塔(S1)的塔底出口连接塔底节流元件(S4)的进口，塔底节流元件(S4)的出口连接塔顶冷凝器(S2)的进口，塔顶冷凝器(S2)的出口对空排放富氧空气，液氮产品由分流器(S3)的第二出口流出。
实施例5中，载冷压缩机(Z1)的高压载冷剂出口连接载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压进口，载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压载冷剂进口，回热换热器(M3)的高压载冷剂出口连接载冷节流元件(Z3)的载冷剂高压进口，载冷节流元件(Z3)的载冷剂低压出口连接空气液化器(Z4)的载冷剂低压进口，空气液化器(Z4)的载冷剂低压出口连接载冷压缩机(Z1)的低压进口并形成载冷循环回路。
实施例6
图6为实施例6的空气分离系统。实施例6的空气分离系统和实施例3基本相同。不同之处在于，空气分离模块(3)还包括塔底节流元件(S4)，且实施例6中的载冷循环回路和实施例3中的载冷循环回路有所不同。
实施例6中，精馏塔(S1)的塔底出口连接塔底节流元件(S4)的进口，塔底节流元件(S4)的出口连接塔顶冷凝器(S2)的进口，塔顶冷凝器(S2)的出口对空排放富氧空气，液氮产品由分流器(S3)的第二出口流出。
实施例6中，载冷压缩机(Z1)的高压载冷剂出口连接载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压进口，载冷冷凝器(Z2)的载冷剂高压出口连接回热换热器(M3)的高压载冷剂进口，回热换热器(M3)的高压载冷剂出口连接载冷节流元件(Z3)的载冷剂高压进口，载冷节流元件(Z3)的载冷剂低压出口连接空气液化器(Z4)的载冷剂低压进口，空气液化器(Z4)的载冷剂低压出口连接载冷压缩机(Z1)的低压进口并形成载冷循环回路。
上述空气分离系统和传统的空气分离系统相比，利用混合工质大温度滑移的特性，使得换热器内制冷机与空气分布负荷特性形成了良好的匹配，避免了低温下较大的传热温差，使空气分离系统具有较高的热力学效率；采用混合工质节流制冷机，可以使得整个系统设计更加灵活，紧凑，易于小型撬装化；由于载冷循环采取不可燃的安全工质，提高了系统安全性；最终降低了空气分离系统成本，提高了空气分离系统的经济技术性。
上述空气分离系统可用于生产液氮和液氧产品，或者用于生产富养空气和液氮产品，与现有液氮系统相比，不依赖于纯氮气源，可用于满足少用量的液氮需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种空气分离系统，其特征在于，包括依次连接的空气预处理模块、空气液化模块以及空气分离模块；
所述空气预处理模块包括依次连接的粉尘过滤器、空气压缩机、精密滤油设备、脱水脱碳干燥设备和空气储罐，所述空气储罐的出口连接空气液化模块；
所述空气液化模块包括主冷压缩机、主冷冷凝器、回热换热器、主冷节流元件、载冷压缩机、载冷冷凝器、载冷节流元件和空气液化器；
所述空气分离模块包括精馏塔、塔顶冷凝器和分流器，所述空气液化器的空气高压出口连接所述精馏塔的进口，所述精馏塔的塔顶出口连接所述塔顶冷凝器的富氮侧进口，所述塔顶冷凝器的富氮侧出口连接所述分流器进口，所述分流器的第一出口连接所述精馏塔的塔顶回流口，液氮产品由所述分流器的第二出口流出，液氧产品由所述精馏塔的塔底流出；
其中，所述空气储罐的出口连接所述空气液化器的空气高压进口，所述空气液化器的空气高压出口连接所述精馏塔进口形成空气液化路；
所述主冷压缩机的高压制冷剂出口连接所述主冷冷凝器的制冷剂高压进口，所述主冷冷凝器的制冷剂高压出口连接所述回热换热器的高压制冷剂进口，所述回热换热器的高压制冷剂出口连接所述主冷节流元件的制冷剂高压进口，所述主冷节流元件的制冷剂低压出口连接所述回热换热器的制冷剂低压进口，所述回热换热器的制冷剂低压出口连接所述压缩机的低压进口并形成主冷循环回路，所述主冷循环回路采用混合工质制冷剂；
所述载冷压缩机的高压载冷剂出口连接所述载冷冷凝器的载冷剂高压进口，所述载冷冷凝器的载冷剂高压出口连接所述回热换热器的高压载冷剂进口，所述回热换热器的高压载冷剂出口连接所述载冷节流元件的载冷剂高压进口，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气分离模块中塔顶冷凝器的低压载冷剂进口，所述塔顶冷凝器的出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口，所述空气液化器的载冷剂低压出口连接所述载冷压缩机的低压进口并形成载冷循环回路，所述载冷循环回路采用不可燃工质。
2.如权利要求1所述的空气分离系统，其特征在于，所述空气液化模块还包括预冷压缩机、预冷冷凝器、预冷节流元件和预冷换热器，所述预冷压缩机的高压预冷剂出口连接所述预冷冷凝器的预冷剂高压进口，所述预冷冷凝器的预冷剂高压出口连接所述预冷节流元件的预冷剂高压进口，所述预冷节流元件的预冷剂低压出口连接所述预冷换热器的预冷剂低压进口，所述预冷换热器的预冷剂低压出口连接所述预冷压缩机的低压进口并形成预冷循环回路；
此时，所述主冷冷凝器的制冷剂高压出口连接所述预冷换热器的制冷剂高压入口，所述预冷换热器的制冷剂高压出口连接所述回热换热器的高压制冷剂进口。
3.如权利要求2所述的空气分离系统，其特征在于，所述空气分离模块还包括塔底节流元件，所述精馏塔的塔底出口连接所述塔底节流元件的进口，所述塔底节流元件的出口连接所述塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口对空排放富氧空气，液氮产品由所述分流器的第二出口流出；
此时，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口。
4.如权利要求2所述的空气分离系统，其特征在于，所述预冷节流元件的预冷剂低压出口连接所述脱水脱碳干燥设备的进口，所述脱水脱碳干燥设备的出口连接所述预冷换热器的预冷剂低压进口，所述预冷换热器的预冷剂低压出口连接所述预冷压缩机的低压进口并形成回路。
5.如权利要求4所述的空气分离系统，其特征在于，所述空气分离模块还包括塔底节流元件，所述精馏塔的塔底出口连接所述塔底节流元件的进口，所述塔底节流元件的出口连接所述塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口对空排放富氧空气，液氮产品由所述分流器的第二出口流出；
此时，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口。
6.如权利要求1所述的空气分离系统，其特征在于，所述空气分离模块还包括塔底节流元件，所述精馏塔的塔底出口连接所述塔底节流元件的进口，所述塔底节流元件的出口连接所述塔顶冷凝器的进口，所述塔顶冷凝器的出口对空排放富氧空气，液氮产品由所述分流器的第二出口流出；
此时，所述载冷节流元件的载冷剂低压出口连接所述空气液化器的载冷剂低压进口。
7.如权利要求1所述的空气分离系统，其特征在于，所述脱水脱碳干燥设备为吸附干燥设备或冷冻干燥设备。
8.如权利要求1所述的空气分离系统，其特征在于，所述混合制冷工质为由氖气、氮气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷以任意配比组成的混合物。
9.如权利要求1所述的空气分离系统，其特征在于，所述不可燃工质为氮气、氩气和氖气中的至少一种。
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