CN109028760B - 空气分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空气分离装置，包括：空气净化组件，空气分离组件，空气分离组件包括第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔，第二精馏塔的塔顶设置有第一产品出口，第三精馏塔的塔底设置有第二产品出口，第四精馏塔的塔底设置有第三产品出口。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的空气分离装置在使用的时候提取率较低、能耗较大、产品单一的问题。

Description

空气分离装置
技术领域
本发明涉及空气分离的技术领域，具体而言，涉及一种空气分离装置。
背景技术
近年来，空分装置的应用领域不断扩展，如钢铁、有色冶炼、石化、玻璃、橡胶、建筑、碳纤维等行业都有涉足。工业对氮气和氧气的需求量是不断增加的，需要产品氧气的纯度和压力级别也呈现多样化，同时对节能降耗也不断提出更高的要求。现有的空分装置提取率较低、能耗较大、分离的产品比较单一。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种空气分离装置，以解决现有技术中的空气分离装置在使用的时候提取率较低、能耗较大、产品单一的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种空气分离装置，包括：空气净化组件，空气净化组件包括第一增压设备和空气净化设备，第一增压设备与空气净化设备相连通；空气分离组件，空气分离组件包括第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔，第二精馏塔的塔顶设置有第一产品出口，第三精馏塔的塔底设置有第二产品出口，第四精馏塔的塔底设置有第三产品出口，第二精馏塔包括第二精馏塔主体和第一换热结构，第一换热结构设置在第二精馏塔主体内，且第一换热结构的内腔与第二精馏塔主体的内腔相隔离，第三精馏塔包括第三精馏塔主体和第二换热结构，第二换热结构设置在第三精馏塔主体内，且第二换热结构的内腔与第三精馏塔主体的内腔相隔离，第四精馏塔包括第四精馏塔主体和第三换热结构，第三换热结构设置在第四精馏塔主体内，且第三换热结构的内腔与第四精馏塔主体的内腔相隔离；空气净化设备通过第一支路与第一精馏塔相连通，第一精馏塔与第一换热结构的进口相连，第一换热结构的出口与第一精馏塔和第二精馏塔主体的内腔均连通，空气净化设备通过第二支路与第二换热结构的进口相连，第二换热结构的出口与第一精馏塔相连通，空气净化设备通过第三支路与第三换热结构的进口相连，第三换热结构的出口与第一精馏塔相连通，第二精馏塔的底部与第三精馏塔相连通，第三精馏塔主体的顶部与第二精馏塔主体的腔体相连通，第二产品出口与第四精馏塔主体的腔体相连通，第四精馏塔主体的顶部与第三精馏塔主体的腔体相连通。
进一步地，空气分离装置还包括氧蒸发器，氧蒸发器包括蒸发器壳体和第四换热结构，第四换热结构设置在蒸发器壳体内，第四换热结构的腔体和蒸发器壳体的腔体相隔离，蒸发器壳体的腔体和第二产品出口通过第一管道相连，蒸发器壳体的顶部设置有第四产品出口，空气净化设备通过第四支路第四换热结构的进口相连，第四换热结构的出口与第一精馏塔的腔体相连通。
进一步地，空气分离装置还包括第二增压设备、阀门和第二管道，第二增压设备和阀门均设置在第一管道上，阀门设置在第二增压设备的下游，第二管道的第一端设置在第二增压设备和阀门之间的第一管道上。
进一步地，空气分离装置还包括第三增压设备，第三增压设备设置在第四支路上。
进一步地，第一精馏塔的塔底与第二精馏塔主体的内腔通过第一跨接管道相连通。
进一步地，第一精馏塔的中部与第二精馏塔主体的腔体通过第二跨接管道相连通，第二精馏塔与空气净化设备相连通，以使第二精馏塔内的气体对空气净化设备内的气体进行净化。
进一步地，第一精馏塔内设置有塔盘，塔盘上具有凹槽，第二跨接管道的进液口与塔盘的凹槽相连通，第二跨接管道的出液口设置在第二精馏塔上。
进一步地，空气分离装置还包括第四增压设备和分支管，分支管的第一端连接在第四增压设备上，分支管的第二端与第二精馏塔主体的腔体相连通。
进一步地，空气分离装置还包括减压结构，减压结构设置在分支管上，以使进入第二精馏塔主体的腔体的气体降压。
进一步地，第一精馏塔和第二精馏塔为一体结构，第二精馏塔位于第一精馏塔的上部。
应用本发明的技术方案，空气净化组件对空气增压，并除去空气中的水分、杂质等。经过净化的空气通过第一支路进入第一精馏塔；通过第二支路进入第三精馏塔的第二换热结构，从第二换热结构再进入第一精馏塔进行精馏；通过第三支路进入第四精馏塔的第三换热结构，从第三换热结构再进入第一精馏塔进行精馏，第一精馏塔内的空气进入第二精馏塔进行精馏，第二精馏塔主体内的空气一部分进入第三精馏塔主体进行分离，第三精馏塔主体内的空气一部分进入第四精馏塔主体内进一步分离，分离后的气体分别通过第一产品出口、第二产品出口和第三产品出口供用户使用。通过四台精馏塔的相互配合，使得空气的分离效率较高，且塔体内的气体压力不需要较高，这样减少第一增压设备的做功、降低了能耗。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的空气分离装置在使用的时候提取率较低、能耗较大、产品单一的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的空气分离装置的实施例的工艺结构示意图；
图2示出了图1的空气分离装置的第一精馏塔和第二精馏塔的结构示意图；
图3示出了图1的空气分离装置的第三精馏塔的结构示意图；
图4示出了图1的空气分离装置的第四精馏塔的结构示意图；以及
图5示出了图1的氧蒸发器的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、空气净化组件；11、第一增压设备；12、空气净化设备；20、空气分离组件；21、第一精馏塔；22、第二精馏塔；221、第二精馏塔主体；222、第一换热结构；23、第三精馏塔；231、第三精馏塔主体；232、第二换热结构；24、第四精馏塔；241、第四精馏塔主体；242、第三换热结构；30、氧蒸发器；31、蒸发器壳体；32、第四换热结构；40、第二增压设备；50、第三增压设备；60、第四增压设备；70、减压结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
如图1至图5所示，本实施例的空气分离装置包括：空气净化组件10和空气分离组件20。空气净化组件10包括第一增压设备11和空气净化设备12，第一增压设备11与空气净化设备12相连通。空气分离组件20包括第一精馏塔21、第二精馏塔22、第三精馏塔23和第四精馏塔24，第二精馏塔22的塔顶设置有第一产品出口，第三精馏塔23的塔底设置有第二产品出口，第四精馏塔24的塔底设置有第三产品出口，第二精馏塔22包括第二精馏塔主体221和第一换热结构222，第一换热结构222设置在第二精馏塔主体221内，且第一换热结构222的内腔与第二精馏塔主体221的内腔相隔离，第三精馏塔23包括第三精馏塔主体和第二换热结构232，第二换热结构232设置在第三精馏塔主体231内，且第二换热结构232的内腔与第三精馏塔主体231的内腔相隔离，第四精馏塔24包括第四精馏塔主体241和第三换热结构242，第三换热结构242设置在第四精馏塔主体241内，且第三换热结构242的内腔与第四精馏塔主体241的内腔相隔离。空气净化设备12通过第一支路与第一精馏塔21相连通，第一精馏塔21与第一换热结构222的进口相连，第一换热结构222的出口与第一精馏塔21和第二精馏塔主体221的内腔均连通，空气净化设备12通过第二支路与第二换热结构232的进口相连，第二换热结构232的出口与第一精馏塔21相连通，空气净化设备12通过第三支路与第三换热结构242的进口相连，第三换热结构242的出口与第一精馏塔21相连通，第二精馏塔22的底部与第三精馏塔23相连通，第三精馏塔主体231的顶部与第二精馏塔主体221的腔体相连通，第二产品出口与第四精馏塔主体241的腔体相连通，第四精馏塔主体241的顶部与第三精馏塔主体231的腔体相连通。
应用本实施例的技术方案，空气净化组件10对空气增压，并除去空气中的水分、杂质等。经过净化的空气通过第一支路进入第一精馏塔21；通过第二支路进入第三精馏塔23的第二换热结构232，从第二换热结构232再进入第一精馏塔21进行精馏；通过第三支路进入第四精馏塔24的第三换热结构242，从第三换热结构242再进入第一精馏塔21进行精馏，第一精馏塔21内的空气进入第二精馏塔22进行精馏，第二精馏塔主体221内的空气一部分进入第三精馏塔主体231进行分离，第三精馏塔主体231内的空气一部分进入第四精馏塔主体241内进一步分离，分离后的气体分别通过第一产品出口、第二产品出口和第三产品出口供用户使用。通过四台精馏塔的相互配合，使得空气的分离效率较高，且塔体内的气体压力不需要较高，这样减少第一增压设备11的做功、降低了能耗。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的空气分离装置在使用的时候提取率较低、能耗较大、产品单一的问题。
如图1和图5所示，在本实施例的技术方案中，空气分离装置还包括氧蒸发器30，氧蒸发器30包括蒸发器壳体31和第四换热结构32，第四换热结构32设置在蒸发器壳体31内，第四换热结构32的腔体和蒸发器壳体31的腔体相隔离，蒸发器壳体31的腔体和第二产品出口通过第一管道相连，蒸发器壳体31的顶部设置有第四产品出口，空气净化设备12通过第四支路第四换热结构32的进口相连，第四换热结构32的出口与第一精馏塔的腔体相连通。氧蒸发器30的设置使得氧气产品的具有多样性的特点，即第三精馏塔、第四精馏塔和氧蒸发器均可以产出氧，三种设备产出的氧纯度、压力可以不同。另外，氧蒸发器30充分利用了从第三精馏塔23产出的氧的冷量，上述结构有利于节能。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，空气分离装置还包括第二增压设备40、阀门和第二管道，第二增压设备40和阀门均设置在第一管道上，阀门设置在第二增压设备40的下游，第二管道的第一端设置在第二增压设备40和阀门之间的第一管道上。第二增压设备40的设置使得第三精馏塔23内的氧容易输送至用户，第二增压设备40的压力可以根据用户的不同需求进行设定，产品通过第二管道输送给用户，另一部分输送至氧蒸发器30，通过阀门可以控制输送至氧蒸发器30的用量、压力等。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，空气分离装置还包括第三增压设备50，第三增压设备50设置在第四支路上。在本实施例的技术方案中，第一精馏塔21的压力高于第三精馏塔23的压力，第三增压设备50的设置使得第四支路的空气能够和第一精馏塔21内的压力相匹配。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，第一精馏塔21的塔底与第二精馏塔主体221的内腔通过第一跨接管道相连通。第一精馏塔21内的压力高于第二精馏塔22内的压力，第一精馏塔21的底部为液态的空气，液态的空气通过第一跨接管道进入第二精馏塔主体221的内腔，进入第二精馏塔主体221的内腔的液态的空气喷淋而下，一部分液氮转换为气态氮上升，液态氧在重力作用下下降。第二精馏塔主体221的内腔底部的液氧(此时的液氧含有一定的液氮)在第三管道的作用下输送至第三精馏塔主体231内，一部分液氧在重力的作用下降落至第三精馏塔主体231的底部，另一部分液氧气化，上升到第三精馏塔主体231的顶部，并沿着第四管道进入第二精馏塔主体221内继续进行精馏。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，第一精馏塔21的中部与第二精馏塔主体221的腔体通过第二跨接管道相连通，第二精馏塔22与空气净化设备12相连通，以使第二精馏塔22内的气体对空气净化设备12内的气体进行净化。第一精馏塔21内的氮、氧混合物通过第二跨接管道进入第二精馏塔主体221内进行分离。具体地，第一精馏塔21内设置有塔盘，塔盘上具有凹槽，第二跨接管道的进液口与塔盘的凹槽相连通，第二跨接管道的出液口设置在第二精馏塔22上。这样第一精馏塔21内的氮、氧混合物为液态，进入第二精馏塔主体221内通过热交换使得液态氧下降，气态氮上升进行分离。塔盘的凹槽与第二跨接管道相连通，这样不需要单独设置液态收集槽，上述结构紧凑、制作成本较低。塔盘的凹槽设置在第一精馏塔21的中部位置。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，从第二精馏塔主体221出来的污氮分出的第一污氮支路经过加热后，与压缩后的气体进行逆向流动，以去除压缩后的气体的水分、二氧化碳等。空气净化设备12依次包括过滤结构、第一增压设备11、空冷塔和吸附器，吸附器为至少一备一用的两个吸附器，当第一台吸附器工作时，污氮对第二台吸附器进行再生，当第二台吸附器工作时，污氮对第一台吸附器进行再生，最后污氮通过消声器排出。值得注意的是，在本实施例的技术方案中，空冷塔内的液体由水冷塔提供，污氮对水冷塔内的液体进行换热降温。具体地，污氮通入水冷塔内，液体从上向下移动，污氮从下向上移动，这样污氮与液体可以通过接触换热，且污氮还能加快液体蒸发进而提高液体的降温效率。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，空气分离装置还包括第四增压设备60和分支管，分支管的第一端连接在第四增压设备60上，分支管的第二端与第二精馏塔主体221的腔体相连通。这样进入第二精馏塔主体221内的气体压力可以满足要求，具体地，分支管的第一端连接在第四增压设备60的中间位置，即分支管内的气体的压力不需要第四增压设备60增压到终点，只需要在取中间的某个压力即可。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，空气分离装置还包括减压结构70，减压结构70设置在分支管上，以使进入第二精馏塔主体221的腔体的气体降压。上述的减压结构能够使得分支管路中的气体压力与第二精馏塔主体221内的压力相适配。
如图1和图2所示，在本实施例的技术方案中，第一精馏塔21和第二精馏塔22为一体结构，第二精馏塔22位于第一精馏塔21的上部。上述结构紧凑，制作成本较低。
如图1所示，在本实施例的技术方案中，第三精馏塔主体231的底部的液氧通过第五管道传输至第四精馏塔主体241的上部进行进一步分离，第四精馏塔主体241的顶部通过第五管道与第三精馏塔主体231相连通。上述结构有利于提高第四精馏塔主体241内液氧的纯度。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种空气分离装置，其特征在于，包括：
空气净化组件(10)，所述空气净化组件(10)包括第一增压设备(11)和空气净化设备(12)，所述第一增压设备(11)与所述空气净化设备(12)相连通；
空气分离组件(20)，所述空气分离组件(20)包括第一精馏塔(21)、第二精馏塔(22)、第三精馏塔(23)和第四精馏塔(24)，所述第二精馏塔(22)的塔顶设置有第一产品出口，所述第三精馏塔(23)的塔底设置有第二产品出口，所述第四精馏塔(24)的塔底设置有第三产品出口，所述第二精馏塔(22)包括第二精馏塔主体(221)和第一换热结构(222)，所述第一换热结构(222)设置在所述第二精馏塔主体(221)内，且所述第一换热结构(222)的内腔与所述第二精馏塔主体(221)的内腔相隔离，所述第三精馏塔(23)包括第三精馏塔主体(231)和第二换热结构(232)，所述第二换热结构(232)设置在所述第三精馏塔主体(231)内，且所述第二换热结构(232)的内腔与所述第三精馏塔主体(231)的内腔相隔离，所述第四精馏塔(24)包括第四精馏塔主体(241)和第三换热结构(242)，所述第三换热结构(242)设置在所述第四精馏塔主体(241)内，且所述第三换热结构(242)的内腔与所述第四精馏塔主体(241)的内腔相隔离；
所述空气净化设备(12)通过第一支路与所述第一精馏塔(21)相连通，所述第一精馏塔(21)与所述第一换热结构(222)的进口相连，所述第一换热结构(222)的出口与所述第一精馏塔(21)和所述第二精馏塔主体(221)的内腔均连通，所述空气净化设备(12)通过第二支路与所述第二换热结构(232)的进口相连，所述第二换热结构(232)的出口与所述第一精馏塔(21)相连通，所述空气净化设备(12)通过第三支路与所述第三换热结构(242)的进口相连，所述第三换热结构(242)的出口与所述第一精馏塔(21)相连通，所述第二精馏塔(22)的底部与所述第三精馏塔(23)相连通，所述第三精馏塔主体(231)的顶部与所述第二精馏塔主体(221)的腔体相连通，所述第二产品出口与所述第四精馏塔主体(241)的腔体相连通，所述第四精馏塔主体(241)的顶部与所述第三精馏塔主体(231)的腔体相连通；
所述第一精馏塔(21)的塔底与所述第二精馏塔主体(221)的内腔通过第一跨接管道相连通；
所述第一精馏塔(21)的中部与所述第二精馏塔主体(221)的腔体通过第二跨接管道相连通，所述第二精馏塔(22)与所述空气净化设备(12)相连通，以使所述第二精馏塔(22)内的气体对所述空气净化设备(12)内的气体进行净化；
所述第一精馏塔(21)内设置有塔盘，所述塔盘上具有凹槽，所述第二跨接管道的进液口与所述塔盘的凹槽相连通，所述第二跨接管道的出液口设置在所述第二精馏塔(22)上，所述凹槽设置在所述第一精馏塔(21)的中部位置；
所述空气分离装置还包括第四增压设备(60)和分支管，所述分支管的第一端连接在所述第四增压设备(60)上，所述分支管的第二端与所述第二精馏塔主体(221)的腔体相连通；
所述空气分离装置还包括减压结构(70)，所述减压结构(70)设置在所述分支管上，以使进入所述第二精馏塔主体(221)的腔体的气体降压。
2.根据权利要求1所述的空气分离装置，其特征在于，所述空气分离装置还包括氧蒸发器(30)，所述氧蒸发器(30)包括蒸发器壳体(31)和第四换热结构(32)，所述第四换热结构(32)设置在所述蒸发器壳体(31)内，所述第四换热结构(32)的腔体和所述蒸发器壳体(31)的腔体相隔离，所述蒸发器壳体(31)的腔体和所述第二产品出口通过第一管道相连，所述蒸发器壳体(31)的顶部设置有第四产品出口，所述空气净化设备(12)通过第四支路所述第四换热结构(32)的进口相连，所述第四换热结构(32)的出口与所述第一精馏塔(21)的腔体相连通。
3.根据权利要求2所述的空气分离装置，其特征在于，所述空气分离装置还包括第二增压设备(40)、阀门和第二管道，所述第二增压设备(40)和所述阀门均设置在所述第一管道上，所述阀门设置在所述第二增压设备(40)的下游，所述第二管道的第一端设置在所述第二增压设备(40)和所述阀门之间的第一管道上。
4.根据权利要求2所述的空气分离装置，其特征在于，所述空气分离装置还包括第三增压设备(50)，所述第三增压设备(50)设置在所述第四支路上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的空气分离装置，其特征在于，所述第一精馏塔(21)和所述第二精馏塔(22)为一体结构，所述第二精馏塔(22)位于所述第一精馏塔(21)的上部。
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