CN111527361B - 一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备，通过压缩机(4)压缩后的原料空气(101)及氮气经过主换热器降温后，送入到精馏系统进行低温分离。在精馏系统中，通过低温分离，得到氧氮等产品，同时也将在精馏塔底部或附近得到富氧液空(1081，1082)。将精馏系统中的富氧液空(1081，1082)或液态空气通过低温液空泵提升到目标压力后送出，通过选择不同扬程的低温液空泵或串联不同数量的低温夜空泵，可以生产各种压力的空气产品。采用这种方法，可以避免被迫设置额外的空气压缩机，彻底改变了氮气循环流程中生产中高压空气产品的方法，其重要性在于能够极大的降低生产成本，同时还能够具有更大的灵活性。同时采用这种方法，可以提高装置的氧气提取率，从而提高能效水平。

Description

一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备
技术领域
本发明涉及深冷空气分离领域，具体涉及一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备。
背景技术
深冷分离法又称低温精馏法，1902年由林德教授发明。实质就是气体液体化技术。通常采用机械方法，如用节流膨胀或绝热膨胀等方法，把气体压缩、冷却后，利用不同气体沸点上的差异进行精馏，使不同气体得到分离。
深冷法空气分离原理以空气为原料，经过压缩、净化、用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同，通过精馏，使它们分离来获得氮气和氧气。
在特定的煤化工项目中，尤其是合成氨工厂，往往需要大量的氮气产品，在这种情况下，深冷法空气分离采用氮气循环流程比较适合，因而被普遍推广。但是氮气循环流程中，由于没有空气增压机，如果要生产中高压空气产品，以往通常的做法是采用独立的空气增压机，故而大大增加了生产成本。
发明的公开
本发明的目的是提供一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备，以极大地降低生产成本，同时提供更大的生产灵活性。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于深冷精馏生产空气产品的方法，包括：
(a)提供第一塔和第二塔，所述第一塔的顶部和第二塔的底部通过主冷凝蒸发器以热量交换的方式连通，且第一塔的操作压力高于第二塔的操作压力；
(b)提供至少一个主空气压缩机，一个空气预冷系统，一个空气纯化系统，至少一个主换热器，至少一个氮气压缩机，一个过冷器，及，至少一个氮气膨胀机；
(c)将经过主空气压缩机增压后的原料空气进一步预冷和纯化后，在主换热器中冷却后送入第一塔进行精馏；
(d)在第一塔或第二塔的顶部抽取第一氮气，经主换热器复热后，通过至少一个氮气压缩机增压后形成第二氮气；所述第二氮气中的至少一部分在主换热器冷却后形成第一液氮，经减压装置减压后形成第二液氮并送入第一塔和/或第二塔的顶部；所述第二氮气中的至少另一部分在主换热器部分冷却后形成第三氮气，经第一氮气膨胀机膨胀后送入第一塔和/或第二塔的顶部；
(e)从第一塔中抽取第一富氧液空经过冷器过冷后送入第二塔作为回流液；
其中，从第一塔中抽取第二富氧液空或液态空气经第一泵增压后在主换热器中与所述第二氮气换热后输出空气产品。
可选地，通过使用不同扬程的第一泵将第二富氧液空或液态空气增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品。
可选地，所述第二富氧液空或液态空气通过串联不同数量的第一泵增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品。
可选地，将第二液氮中的一部分通过调节阀引出至第一泵，用以和第二富氧液空或液态空气按适当比例混合，进而调节输出空气产品中氮氧的比例。
可选地，在主冷凝蒸发器中抽取液氧，经第二泵增压后送入主换热器汽化后，输出氧气产品。
可选地，将第二液氮中的一部分引出，经过冷器过冷后送入第二塔顶部。
可选地，在第一塔中部抽取污液氮，经过冷器过冷后送入第二塔作为回流液；从第二塔抽取污氮气，经过冷器升温后，进一步送入主换热器复热；从第二塔顶部抽取第四氮气，经过冷器升温后，进一步送入主换热器复热。
可选地，所述减压装置为第二氮气膨胀机和/或节流阀。
可选地，所述第一氮气膨胀机通过氮气压缩机制动；所述第二氮气膨胀机通过发电机制动。
此外，本发明还提供了一种基于深冷精馏生产空气产品的设备，包括：
(a)第一塔和第二塔，所述第一塔的顶部和第二塔的底部通过主冷凝蒸发器以热量交换的方式连通，且第一塔的操作压力高于第二塔的操作压力；
(b)至少一个主空气压缩机，一个空气预冷系统，一个空气纯化系统，至少一个主换热器，至少一个氮气压缩机，一个过冷器，及，至少一个氮气膨胀机；
(c)将原料空气经主空气压缩机、空气预冷系统、空气纯化系统和主换热器连入第一塔的管路；
(d)将第一塔或第二塔顶部的第一氮气，经主换热器、至少一个氮气压缩机、再次经主换热器、并分别经第一氮气膨胀机或减压装置连入第一塔和/或第二塔顶部的管路；
(e)将第一塔中的第一富氧液空经过冷器连入第二塔的管路；
其中，还包括将第一塔中的第二富氧液空或液态空气经第一泵和主换热器输出的管路。
可选地，还包括在减压装置的出口和第一泵的入口之间相连并包含有调节阀的管路。
可选地，还包括将主冷凝蒸发器中的液氧经第二泵和主换热器输出的管路。
可选地，还包括从减压装置的出口引出，经过冷器连入第二塔顶部的管路。
可选地，还包括将第一塔中部的污液氮经过冷器连入第二塔的管路；将第二塔的污氮气经过冷器连入主换热器的管路，及，将第二塔顶部的第四氮气经过冷器连入主换热器的管路。
可选地，所述减压装置为第二氮气膨胀机和/或节流阀。
可选地，所述第一氮气膨胀机与氮气压缩机相连；所述第二氮气膨胀机与发电机相连。
可选地，主换热器包括高压板式换热器和低压板式换热器，或整体组合式换热器。
本发明通过压缩机(主空气压缩机和氮气压缩机)压缩后的原料空气及氮气经过主换热器(高压板式换热器和低压板式换热器，或整体组合式换热器)降温后，送入到精馏系统进行低温分离。
在精馏系统(第一塔、第二塔及主冷凝蒸发器)中，通过低温分离，得到氧氮等产品，同时也将在精馏塔底部或附近得到富氧液空。
将第一塔中的富氧液空或液态空气通过低温液空泵(第一泵)提升到目标压力后送出，该压力可以是中压，或者高压，甚至超高压。通过选择不同扬程的低温液空泵或者串联不同数量的低温夜空泵，可以生产各种压力的空气产品。
在主换热器中，这股中压/高压/超高压富氧液空或液态空气与氮气压缩机增压后的高压氮气(第二氮气)换热，得到中压/高压/超高压空气产品。
如果需要调节空气产品中氮氧比例，可通过与来自减压装置后的液氮(第二液氮)按适当比例混合，从而得到需要的氮氧比例。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用了液体泵提升富氧液空或液态空气的压力，然后在主换热器里被高压氮气汽化，从而得到需要的中高压空气产品，采用这种方法，可以避免被迫设置额外的空气增压机，彻底改变了氮气循环流程中生产中高压空气产品的方法，其重要性在于能够极大的降低生产成本，同时还能够具有更大的灵活性。同时采用这种方法，可以提高装置的氧气提取率，从而提高能效水平。
附图的简要说明
图1为本发明采用抽取第一塔中部分富氧液空以生产空气产品的设备结构示意图；
图2为本发明采用抽取第一塔中液态空气以生产空气产品的设备结构示意图。
实现本发明的最佳方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
在本发明中，术语“原料空气”指主要包含氧和氮的混合物。
术语“污氮气”覆盖了氮含量一般不低于95摩尔百分比的气态流体；术语“污液氮”指氮的摩尔百分比一般大于95的液态流体。
术语“富氧液空”指氧的摩尔百分比大于30的液态流体；术语“液态空气”指氧的摩尔百分比不大于30的液态流体；术语“液氧”覆盖了氧的摩尔百分比大于99的液态流体，并且“液氧”中氧的含量高于“富氧液空”。
本发明的低温精馏是至少部分在温度为150K或低于150K下进行的精馏方法。此处的“塔”意指一蒸馏或分馏塔或区，其中液相和气相逆流接触以有效地分离流体混合物。本发明中的“第一塔”的操作压力一般为5～6.5bara，高于“第二塔”的一般操作压力1.1～1.5bara。第二塔可以垂直地安装在第一塔顶部或两个塔并排安装。“第一塔”一般也被称为中压塔或下塔，“第二塔”一般也被称为低压塔或上塔。主冷凝蒸发器一般位于“第二塔”的底部，它可以使第一塔顶部产生的纯氮气经与第二塔底部产生的纯液氧换热冷凝后在第一塔的顶部得到纯液氮，同时将纯液氧部分蒸发。主冷凝蒸发器的种类包括管壳式，降膜式，浸浴式等，本发明中可采用浸浴式冷凝蒸发器。
本发明中的空气预冷系统用来将主空气压缩机排出的高温空气(70-120℃)预冷到适合进入空气纯化系统的温度(一般为10-25℃)。高温空气一般在空冷塔中与普通循环冷却水及低温的水(一般为5-20℃)接触换热从而达到冷却的目的。低温的水可以通过将普通循环冷却水与由空分设备产生的气体产品或副产品，比如污氮气接触换热或通过冷冻机来获得。
空气纯化系统是指将空气中的灰尘、水蒸汽、CO2、碳氢化合物等去除的净化装置。在本发明中一般采用变压吸附的方式，其中的吸附剂可选择地为分子筛加氧化铝或仅用分子筛。
在主换热器中，经过压缩、预冷、纯化的原料空气和精馏产生的气体和/或液体产品进行非接触换热，并被冷却到接近或等于一塔的精馏温度，一般低于150K。常见的主换热器包括分体式或一体式等方式。主换热器根据适合的压力范围分为高压(＞20bara压力)和低压(＜20bara压力)换热器。本发明中可同时使用高压板式换热器和低压板式换热器或整体组合式换热器。
在本发明中，超低压一般为1-2bara，低压一般为2-10bara，中压一般为10-50bara，高压一般为50-90bara，超高压一般为90bara以上；第一氮气压力一般为2-10bara，第二氮气压力一般为50-90bara，第三氮气压力一般为50-90bara，第四氮气压力一般为1-2bara。
如图1所示，原料空气101经过主空气压缩机4增压至6bara后进而通过预冷系统5预冷和纯化系统6纯化后，送入低压板式换热器72与精馏后来自第二塔2顶部1.1bara的超低压氮气(第四氮气105)和第二塔2上部1.15bara的污氮气112，可选择地与来自第一塔1顶部5.2bara的低压高纯氮气(第一氮气102)进行间接换热，冷却至约为-176℃后送入第一塔1的下部进行精馏。从第一塔1顶部抽取的第一氮气102中的一部分可选择地送入低压板式换热器72升温后经第四氮气压缩机414增压得到中压高纯氮气产品114；所述第一氮气102的另一部分经高压板式换热器71升温后得到5.6bara的低压高纯氮气，进而经过第一氮气压缩机411增压得到40bara的中压高纯氮气，其中一部分送入第二氮气压缩机412，另一部分送入第三氮气压缩机413。第二氮气压缩机412将来自第一氮气压缩机411的中压高纯氮气继续增压得到80bara的高压高纯氮气1031(第二氮气)，进而送入高压板式换热器71冷却后得到80bara的高纯液氮(第一液氮1061)，并经第二氮气膨胀机122膨胀减压后得到6bara的高纯液氮(第二液氮1062)。所述第二液氮1062中的一部分可选择地经节流阀31进一步膨胀减压后得到5.3bara的高纯液氮并送入第一塔1的顶部做回流液；所述第二液氮1062的另一部分经过冷器8过冷后送入第二塔2的顶部做回流液。第三氮气压缩机413将来自第一氮气压缩机411的中压高纯氮气继续增压得到60bara的高压高纯氮气1032(第二氮气)，进而经高压板式换热器71部分冷却后得到60bara的高压高纯氮(第三氮气104)，在通过第一氮气膨胀机121膨胀后得到5.2bara的高纯氮送入第一塔1的顶部，可选择地送入第二塔2的顶部。从第一塔1底部抽取一部分6bara含37％O2的富氧液空(第一富氧液空1081)，经过冷器8过冷后送入第二塔2做回流液。从第一塔1底部抽取另一部分6bara含37％O2的富氧液空(第二富氧液空1082)经第一泵21增压得到80bara的高压富氧液空，进而送入高压板式换热器71升温后得到80bara的高压空气产品109。可选地，将经第二氮气膨胀机122减压后的第二液氮1062中的一部分经调节阀32与第二富氧液空1082混合，进而调节输出的高压空气产品109中氮氧的比例。从主冷凝蒸发器3中抽取1.4bara的液氧107(-180℃)，经第二泵22增压得到80bara的高压液氧107，进而送入高压板式换热器71升温得到80bara的高压氧气产品110。从第一塔1顶部抽取1.1bara的超低压氮气(第四氮气105)依次经过冷器8和低压板式换热器72升温后得到超低压氮气。从第一塔1中抽取污液氮111经过冷器8过冷后送入第二塔2做回流液。从第二塔2中抽取1.15bara的污氮气112依次送入过冷器8和低压板式换热器72复热。
在本实施例中，可选择地，将从第一塔1底部抽取的第二富氧液空1082通过不同扬程的第一泵21增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品109。也可选择地，所述第二富氧液空1082通过串联不同数量的第一泵21增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品109。可选择地，所述第一液氮1061可以通过第二氮气膨胀机122和/或节流阀31膨胀减压后送入第一塔1和/或第二塔2的顶部。可选择地，所述高压板式换热器71和低压板式换热器72可由整体组合式换热器代替作为主换热器。所述第一氮气膨胀机121通过与其相连的第三氮气压缩机413制动；所述第二氮气膨胀机122通过与其相连的发电机9制动。在本实施例中，各种物料皆是通过设备之间所连接的管路作为输送介质进行流动。
图2所示的实施例与图1的主要区别在于生产空气产品109的原料不同，在图2中，选择第一塔1中的液态空气113替代图1中第一塔1底部的富氧液空引入第一泵21中进行增压。图2所示的实施例中的其它部分与图1所示的实施例相同。二者都是本发明实现的一种示例，但不对本发明的精神和范围进行任何限定。具体说来，在图2所示的实施例中，原料空气101经过主空气压缩机4增压至6bara后进而通过预冷系统5预冷和纯化系统6纯化后，送入低压板式换热器72与精馏后来自第二塔2顶部1.1bara的超低压氮气(第四氮气105)和第二塔2上部1.15bara的污氮气112，可选择地与来自第一塔1顶部5.2bara的低压高纯氮气(第一氮气102)进行间接换热，冷却至约为-176℃后送入第一塔1的下部进行精馏。从第一塔1顶部抽取的第一氮气102中的一部分可选择地送入低压板式换热器72升温后经第四氮气压缩机414增压得到中压高纯氮气产品114；所述第一氮气102的另一部分经高压板式换热器71升温后得到5.6bara的低压高纯氮气，进而经过第一氮气压缩机411增压得到40bara的中压高纯氮气，其中一部分送入第二氮气压缩机412，另一部分送入第三氮气压缩机413。第二氮气压缩机412将来自第一氮气压缩机411的中压高纯氮气继续增压得到80bara的高压高纯氮气1031(第二氮气)，进而送入高压板式换热器71冷却后得到80bara的高纯液氮(第一液氮1061)，并经第二氮气膨胀机122膨胀减压后得到6bara的高纯液氮(第二液氮1062)。所述第二液氮1062中的一部分可选择地经节流阀31进一步膨胀减压后得到5.3bara的高纯液氮并送入第一塔1的顶部做回流液；所述第二液氮1062的另一部分经过冷器8过冷后送入第二塔2的顶部做回流液。第三氮气压缩机413将来自第一氮气压缩机411的中压高纯氮气继续增压得到60bara的高压高纯氮气1032(第二氮气)，进而经高压板式换热器71部分冷却后得到60bara的高压高纯氮(第三氮气104)，在通过第一氮气膨胀机121膨胀后得到5.2bara的高纯氮送入第一塔1的顶部，可选择地送入第二塔2的顶部。从第一塔1底部抽取6bara含37％O2的富氧液空(第一富氧液空1081)，经过冷器8过冷后送入第二塔2做回流液。从第一塔1中抽取6bara的液态空气113(氧的摩尔百分比不大于30)经第一泵21增压得到80bara的高压富氧液空，进而送入高压板式换热器71升温后得到80bara的高压空气产品109。可选地，将经第二氮气膨胀机122减压后的第二液氮1062中的一部分经调节阀32与液态空气113混合，进而调节输出的高压空气产品109中氮氧的比例。从主冷凝蒸发器3中抽取1.4bara的液氧107(-180℃)，经第二泵22增压得到80bara的高压液氧107，进而送入高压板式换热器71升温得到80bara的高压氧气产品110。从第一塔1顶部抽取1.1bara的超低压氮气(第四氮气105)依次经过冷器8和低压板式换热器72升温后得到超低压氮气。从第一塔1中抽取污液氮111经过冷器8过冷后送入第二塔2做回流液。从第二塔2中抽取1.15bara的污氮气112依次送入过冷器8和低压板式换热器72复热。
在本实施例中，可选择地，将从第一塔1底部抽取的液态空气113通过不同扬程的第一泵21增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品109。也可选择地，所述液态空气113通过串联不同数量的第一泵21增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品109。可选择地，所述第一液氮1061可以通过第二氮气膨胀机122和/或节流阀31膨胀减压后送入第一塔1和/或第二塔2的顶部。可选择地，所述高压板式换热器71和低压板式换热器72可由整体组合式换热器代替作为主换热器。所述第一氮气膨胀机121通过与其相连的第三氮气压缩机413制动；所述第二氮气膨胀机122通过与其相连的发电机9制动。在本实施例中，各种物料皆是通过设备之间所连接的管路作为输送介质进行流动。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (17)

1.一种基于深冷精馏生产空气产品的方法，包括：
(a)提供第一塔和第二塔，所述第一塔的顶部和第二塔的底部通过主冷凝蒸发器以热量交换的方式连通，且第一塔的操作压力高于第二塔的操作压力；
(b)提供至少一个主空气压缩机，一个空气预冷系统，一个空气纯化系统，至少一个主换热器，至少一个氮气压缩机，一个过冷器，及，至少一个氮气膨胀机；
(c)将经过主空气压缩机增压后的原料空气进一步预冷和纯化后，在主换热器中冷却后送入第一塔进行精馏；
(d)在第一塔或第二塔的顶部抽取第一氮气，经主换热器复热后，通过至少一个氮气压缩机增压后形成第二氮气；所述第二氮气中的至少一部分在主换热器冷却后形成第一液氮，经减压装置减压后形成第二液氮并送入第一塔和/或第二塔的顶部；所述第二氮气中的至少另一部分在主换热器部分冷却后形成第三氮气，经第一氮气膨胀机膨胀后送入第一塔和/或第二塔的顶部；
(e)从第一塔中抽取第一富氧液空经过冷器过冷后送入第二塔作为回流液；
其特征在于，从第一塔中抽取第二富氧液空或液态空气经第一泵增压后在主换热器中与所述第二氮气换热后输出空气产品。
2.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，通过使用不同扬程的第一泵将第二富氧液空或液态空气增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品。
3.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，所述第二富氧液空或液态空气通过串联不同数量的第一泵增压至不同压力范围，以输出不同压力范围的空气产品。
4.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，将第二液氮中的一部分通过调节阀引出至第一泵，用以和第二富氧液空或液态空气按适当比例混合，进而调节输出空气产品中氮氧的比例。
5.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，在主冷凝蒸发器中抽取液氧，经第二泵增压后送入主换热器汽化后，输出氧气产品。
6.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，将第二液氮中的一部分引出，经过冷器过冷后送入第二塔顶部。
7.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，在第一塔中部抽取污液氮，经过冷器过冷后送入第二塔作为回流液；从第二塔抽取污氮气，经过冷器升温后，进一步送入主换热器复热；从第二塔顶部抽取第四氮气，经过冷器升温后，进一步送入主换热器复热。
8.如权利要求1所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，所述减压装置为第二氮气膨胀机或节流阀。
9.如权利要求8所述的基于深冷精馏生产空气产品的方法，其特征在于，所述第一氮气膨胀机通过氮气压缩机制动；所述第二氮气膨胀机通过发电机制动。
10.一种基于深冷精馏生产空气产品的设备，包括：
(a)第一塔和第二塔，所述第一塔的顶部和第二塔的底部通过主冷凝蒸发器以热量交换的方式连通，且第一塔的操作压力高于第二塔的操作压力；
(b)至少一个主空气压缩机，一个空气预冷系统，一个空气纯化系统，至少一个主换热器，至少一个氮气压缩机，一个过冷器，及，至少一个氮气膨胀机；
(c)将原料空气经主空气压缩机、空气预冷系统、空气纯化系统和主换热器连入第一塔的管路；
(d)将第一塔或第二塔顶部的第一氮气，经主换热器、至少一个氮气压缩机、再次经主换热器、并分别经第一氮气膨胀机或减压装置连入第一塔和/或第二塔顶部的管路；
(e)将第一塔中的第一富氧液空经过冷器连入第二塔的管路；
其特征在于，还包括将第一塔中的第二富氧液空或液态空气经第一泵和主换热器输出的管路。
11.如权利要求10所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，还包括在减压装置的出口和第一泵的入口之间相连并包含有调节阀的管路。
12.如权利要求10所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，还包括将主冷凝蒸发器中的液氧经第二泵和主换热器输出的管路。
13.如权利要求10所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，还包括从减压装置的出口引出，经过冷器连入第二塔顶部的管路。
14.如权利要求10所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，还包括将第一塔中部的污液氮经过冷器连入第二塔的管路；将第二塔的污氮气经过冷器连入主换热器的管路，及，将第二塔顶部的第四氮气经过冷器连入主换热器的管路。
15.如权利要求10所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，所述减压装置为第二氮气膨胀机或节流阀。
16.如权利要求15所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，所述第一氮气膨胀机与氮气压缩机相连；所述第二氮气膨胀机与发电机相连。
17.如权利要求10-16中任意一项所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，主换热器包括高压板式换热器和低压板式换热器，或整体组合式换热器。
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