CN112414003A - 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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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/52—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen enriched compared to air ("crude oxygen")
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/12—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen

Abstract

本发明公开了一种基于深冷精馏生产空气产品的方法及设备，通过压缩机压缩后的原料空气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。将精馏系统中的富氧液空或液态空气通过低温液空泵提升到目标压力后送出，然后在气相与循环氮气混合生产各种压力的空气产品。采用这种方法，可以避免现有技术中在液相将液氮与富氧液空或液态空气混合，而在汽化之后不能确定所得到的空气产品正好是所需的比例的问题；同时还能够在使用氮气循环内压缩流程的前提下，以更精确和安全的方式获得空气产品。

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，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内压缩流程比较适合，与空气增压内压缩流程相比具有较大优势，因而被普遍推广。但是氮气循环内压缩流程中，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。
现有技术WO2019127343提供了一种在液相将液氮与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的方法及设备。理论上在液相按照所述现有技术调节氮氧含量没有问题，但是在实际操作中比较难，因为在汽化之后不能确定所得到的空气产品正好是所需的比例，而且饱和的液氮与富氧液空或液态空气混合后会产生气泡，不适合直接送入泵进行增压。
发明内容
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，在使用氮气循环内压缩流程的前提下，以更精确和安全的方式获得空气产品。
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，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，第一氮气的第一部分通过至少一个氮气压缩机增压后形成第二氮气；第一氮气的第二部分通过至少一个氮气压缩机增压后形成第三氮气；所述第三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；所述第三氮气中的至少另一部分在主换热器部分冷却后，经第一氮气膨胀机膨胀后形成第四氮气；所述第四氮气中的至少一部分与第一塔或第二塔顶部抽出的第一氮气汇合，所述第四氮气中的至少另一部分送入第一塔和/或第二塔的顶部；其中，第二氮气的压力值小于等于第三氮气的压力值；
(e)从第一塔中抽取富氧液空经过冷器过冷后送入第二塔作为回流液；
其中，从第一塔中抽取的至少一部分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至少部分第三氮气换热后，复热后的气态的富氧液空或液态空气与第二氮气在一静态混合器中混合输出空气产品。
可选地，所述静态混合器中安装有利于气态的富氧液空或液态空气与第二氮气混合的填料。
可选地，通过使用第一泵将至少一部分富氧液空或液态空气增压至不同压力范围，以输出与第二氮气压力相同的空气产品。
可选地，所述至少一部分富氧液空经过冷器过冷后送入一分离罐，至少一部分从分离罐送出的富氧液空经第一泵增压后、在主换热器中与所述第三氮气换热，复热后的富氧液空送入所述静态混合器。
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，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；从第二塔顶部抽取至少部分第四氮气，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，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，经主换热器复热的管路；
(e)将复热后的第一氮气的第一部分经至少一个氮气压缩机增压形成第二氮气的管路；
(f)将复热后的第一氮气的第二部分经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)将第一塔中的富氧液空经过冷器连入第二塔的管路；
其中，还包括一静态混合器；和将从第一塔中抽取的至少一部分富氧液空或液态空气经第一泵和主换热器、与第二氮气在所述静态混合器中混合输出空气产品的管路。
可选地，所述静态混合器中安装有填料。
可选地，还包括一分离罐；和将至少一部分富氧液空，经过冷器过冷后送入所述分离罐的管路；和将至少一部分从分离罐送出的富氧液空经第一泵和主换热器送入所述静态混合器的管路。
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，将第二塔顶部的至少部分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。
可选地，所述设备除了生产第一氮气、第三氮气、第四氮气压力的氮气产品，还生产第五氮气压力的氮气产品，所述第五氮气压力一般为70-99bara。
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或液态空气。
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，该压力可以是低压、中压或者高压。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液空泵，增压至不同压力范围，以输出与第二氮气压力相同的空气产品。
在主换热器中，这股低压/中压/高压富氧液空或液态空气与氮气压缩机增压后的中压/高压氮气(第三氮气)换热，得到气态的低压/中压/高压富氧液空或液态空气。然后，所述低压/中压/高压富氧液空或液态空气在气相与第二氮气(循环氮气)在静态混合器中混合输出空气产品。所述静态混合器中安装有利于气态的低压/中压/高压富氧液空或液态空气与循环氮气混合的填料，使得可以确定所得到的空气产品正好是所需的比例。
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中压/高压氮气汽化，然后气相的富氧液空或液态空气与纯氮气在专用混合器中混合，从而得到需要的中高压空气产品，采用这种方法，可以避免按照现有技术在液相调节氮氧含量，而实际操作中因为汽化之后不能确定所得到的空气产品正好是所需的比例的问题，同时解决了饱和的液氮与富氧液空或液态空气混合后会产生气泡，不适合直接送入泵进行增压的问题。从而可以保证在使用氮气循环内压缩流程的前提下，以更精确和安全的方式获得空气产品。
在其中一个实施例中，部分富氧液空经过冷器过冷后送入一分离罐，至少一部分从分离罐送出的富氧液空经第一泵增压后、在主换热器中与所述第三氮气换热后送入所述静态混合器。由于所述分离罐相较于第一泵具有较大的静压差，增加了泵的许用汽蚀余量NPSH，不易产生汽蚀，更加增加了富氧液空或液态空气通过第一泵进行增压的安全性。
附图说明
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；
图3为本发明采用抽取第一塔中部分富氧液空并通过分离罐以生产空气产品的设备结构示意图。
具体实施方式
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“空气产品”指成分等同于或接近于空气组成的气体，即按体积分数计算氮气约占78％、氧气约占21％。在本发明中，空气产品的主要用途是作为空气分离装置的仪表气或者工厂气，考虑到工人操作的安全性，其成分应尽量接近于正常空气的比例。
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10-70bara，高压一般为70-90bara，超高压一般为90bara以上；第一氮气压力一般为2-8bara，第二氮气压力一般为5-12bara，第三氮气压力一般为20-70bara，第四氮气压力一般为1-2bara，第五氮气压力一般为70-99bara。
如图1所示，原料空气101经过主空气压缩机4增压至6bara后进而通过预冷和纯化后(预冷系统和纯化系统未示出)，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(至少部分第四氮气1051)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1021可选择地送入低压板式换热器72升温，另一部分1022送入高压板式换热器71升温后得到5.2bara的低压高纯氮气产品，可选择地一部分1022与1021汇合后经第一氮气压缩机411增压，其中第一部分从第一氮气压缩机411中间级抽出得到11.5bara的中压高纯氮气(第二氮气103)，第二部分通过从第一氮气压缩机411的末级抽出得到63.4bara的中压高纯氮气产品(第三氮气104)。第三氮气中的至少一部分1041送入第二氮气压缩机412将来自第一氮气压缩机411末级的中压高纯氮气继续增压到85bara；第三氮气中的至少一部分1042经高压板式换热器71部分冷却后，再通过第一氮气膨胀机121膨胀后得到5.2bara的低压高纯氮气，其中至少一部分(第四氮气105a)与第一塔1顶部抽出的第一氮气102汇合，至少另一部分(第四氮气105b)送入第二塔2的顶部；第三氮气中的至少一部分1043送入第三氮气压缩机413将来自第一氮气压缩机411末级的中压高纯氮气继续增压到99bara得到超高压高纯氮气产品(第五氮气106)；第五氮气中的至少一部分经节流至85bara，与增压到85bara的第三氮气中的至少一部分1041压力相同，两股汇合后送入高压板式换热器71，在高压板式换热器71冷却后形成高纯液氮(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。从第一塔1底部抽取6bara含37％O2的富氧液空108，其中一部分经过冷器8过冷后送入第二塔2做回流液，至少一部分经第一泵21增压得到11.6bara的中压富氧液空，进而送入高压板式换热器71升温后得到11.5bara气态的中压富氧液空1081，其与从第一氮气压缩机411中间级抽出的11.5bara的第二氮气103在静态混合器9中混合，进而调节输出的中压空气产品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。从第二塔2顶部抽取1.1bara的超低压氮气(至少部分第四氮气1051)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产品。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底部抽取的富氧液空108通过不同扬程的第一泵21增压至不同压力范围，以输出与第二氮气压力相同的空气产品109。也可选择地，所述富氧液空108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通过与其相连的第二氮气压缩机412制动；所述第二氮气膨胀机122通过与其相连的发电机10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后进而通过预冷和纯化后(预冷系统和纯化系统未示出)，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(至少部分第四氮气1051)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1021可选择地送入低压板式换热器72升温，另一部分1022送入高压板式换热器71升温后得到5.2bara的低压高纯氮气产品，可选择地一部分1022与1021汇合后经第一氮气压缩机411增压，其中第一部分从第一氮气压缩机411中间级抽出得到11.5bara的中压高纯氮气(第二氮气103)，第二部分通过从第一氮气压缩机411的末级抽出得到63.4bara的中压高纯氮气产品(第三氮气104)。第三氮气中的至少一部分1041送入第二氮气压缩机412将来自第一氮气压缩机411末级的中压高纯氮气继续增压到85bara；第三氮气中的至少一部分1042经高压板式换热器71部分冷却后，再通过第一氮气膨胀机121膨胀后得到5.2bara的低压高纯氮气，其中至少一部分(第四氮气105a)与第一塔1顶部抽出的第一氮气102汇合，至少另一部分(第四氮气105b)送入第二塔2的顶部；第三氮气中的至少一部分1043送入第三氮气压缩机413将来自第一氮气压缩机411末级的中压高纯氮气继续增压到99bara得到超高压高纯氮气产品(第五氮气106)；第五氮气中的至少一部分经节流至85bara，与增压到85bara的第三氮气中的至少一部分1041压力相同，两股汇合后送入高压板式换热器71，在高压板式换热器71冷却后形成高纯液氮(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。从第一塔1底部抽取6bara含37％O2的富氧液空108，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11.6bara的中压液态空气，进而送入高压板式换热器71升温后得到11.5bara气态的中压液态空气1131，其与从第一氮气压缩机411中间级抽出的11.5bara的第二氮气103在静态混合器9中混合，进而调节输出的中压空气产品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。从第二塔2顶部抽取1.1bara的超低压氮气(至少部分第四氮气1051)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产品。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，以输出与第二氮气压力相同的空气产品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通过与其相连的第二氮气压缩机412制动；所述第二氮气膨胀机122通过与其相连的发电机10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3所示的实施例与图1的主要区别在于将从第一塔1抽取的富氧液空送入分离罐，然后以分离罐送出的富氧液空作为生产空气产品109原料，在图3中，增加了一分离罐11，由于分离罐11设置在与第二塔相对应的高度上，而第一泵21通常设置在地面，所以所述分离罐11相较于第一泵21具有较大的静压差，增加了泵的许用汽蚀余量NPSH，不易产生汽蚀，更加增加了从分离罐送出的富氧液空通过第一泵进行增压的安全性。图3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3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后进而通过预冷和纯化后(预冷系统和纯化系统未示出)，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(至少部分第四氮气1051)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1021可选择地送入低压板式换热器72升温，另一部分1022送入高压板式换热器71升温后得到5.2bara的低压高纯氮气产品，可选择地一部分1022与1021汇合后经第一氮气压缩机411增压，其中第一部分从第一氮气压缩机411中间级抽出得到11.5bara的中压高纯氮气(第二氮气103)，第二部分通过从第一氮气压缩机411的末级抽出得到63.4bara的中压高纯氮气产品(第三氮气104)。第三氮气中的至少一部分1041送入第二氮气压缩机412将来自第一氮气压缩机411末级的中压高纯氮气继续增压到85bara；第三氮气中的至少一部分1042经高压板式换热器71部分冷却后，再通过第一氮气膨胀机121膨胀后得到5.2bara的低压高纯氮气，其中至少一部分(第四氮气105a)与第一塔1顶部抽出的第一氮气102汇合，至少另一部分(第四氮气105b)送入第二塔2的顶部；第三氮气中的至少一部分1043送入第三氮气压缩机413将来自第一氮气压缩机411末级的中压高纯氮气继续增压到99bara得到超高压高纯氮气产品(第五氮气106)；第五氮气中的至少一部分经节流至85bara，与增压到85bara的第三氮气中的至少一部分1041压力相同，两股汇合后送入高压板式换热器71，在高压板式换热器71冷却后形成高纯液氮(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。从第一塔1底部抽取6bara含37％O2的富氧液空108，经过冷器8过冷后送入分离罐11，一部分从分离罐11送出的富氧液空送入第二塔2做回流液，至少一部分从分离罐11送出的富氧液空114经第一泵21增压得到11.6bara的中压富氧液空，进而送入高压板式换热器71升温后得到11.5bara气态的中压富氧液空1141，其与从第一氮气压缩机411中间级抽出的11.5bara的第二氮气103在静态混合器9中混合，进而调节输出的中压空气产品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。从第二塔2顶部抽取1.1bara的超低压氮气(至少部分第四氮气1051)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产品。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，将从分离罐11送出的富氧液空114通过不同扬程的第一泵21增压至不同压力范围，以输出与第二氮气压力相同的空气产品109。也可选择地，所述富氧液空114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通过与其相连的第二氮气压缩机412制动；所述第二氮气膨胀机122通过与其相连的发电机10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 (16)

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，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，第一氮气的第一部分通过至少一个氮气压缩机增压后形成第二氮气；
第一氮气的第二部分通过至少一个氮气压缩机增压后形成第三氮气；所述第三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；所述第三氮气中的至少另一部分在主换热器部分冷却后，经第一氮气膨胀机膨胀后形成第四氮气；所述第四氮气中的至少一部分与第一塔或第二塔顶部抽出的第一氮气汇合，所述第四氮气中的至少另一部分送入第一塔和/或第二塔的顶部；其中，第二氮气的压力值小于等于第三氮气的压力值；
(e)从第一塔中抽取富氧液空经过冷器过冷后送入第二塔作为回流液；
其中，从第一塔中抽取的至少一部分富氧液空或液态空气经第一泵增压后在主换热器中与至少部分所述第三氮气换热后，复热后的气态的富氧液空或液态空气与第二氮气在一静态混合器中混合输出空气产品。
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，所述静态混合器中安装有利于气态的富氧液空或液态空气与第二氮气混合的填料。
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，通过使用第一泵将至少一部分富氧液空或液态空气增压至不同压力范围，以输出与第二氮气压力相同的空气产品。
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，所述至少一部分富氧液空经过冷器过冷后送入一分离罐，至少一部分从分离罐送出的富氧液空经第一泵增压后、在主换热器中与所述第三氮气换热，复热后的富氧液空送入所述静态混合器。
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，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；从第二塔顶部抽取至少部分第四氮气，经过冷器升温后，进一步送入主换热器复热。
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，所述减压装置为第二氮气膨胀机和/或节流阀。
8.如权利要求7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。
9.一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，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，经主换热器复热的管路；
(e)将复热后的第一氮气的第一部分经至少一个氮气压缩机增压形成第二氮气的管路；
(f)将复热后的第一氮气的第二部分经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)将第一塔中的富氧液空经过冷器连入第二塔的管路；
其中，还包括一静态混合器；和将从第一塔中抽取的至少一部分富氧液空或液态空气经第一泵和主换热器、与第二氮气在所述静态混合器中混合输出空气产品的管路。
10.如权利要求9所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，所述静态混合器中安装有填料。
11.如权利要求9所述的基于深冷精馏生产空气产品的设备，其特征在于，还包括一分离罐；和将至少一部分富氧液空，经过冷器过冷后送入所述分离罐的管路；和将至少一部分从分离罐送出的富氧液空经第一泵和主换热器送入所述静态混合器的管路。
12.如权利要求9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9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，将第二塔顶部的至少部分第四氮气经过冷器连入主换热器的管路。
14.如权利要求9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和/或节流阀。
15.如权利要求9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。
16.如权利要求9-15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，所述设备除了生产第一氮气、第三氮气、第四氮气压力的氮气产品，还生产第五氮气压力的氮气产品，所述第五氮气压力为70-99bara。
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