CN113405316B - 一种实现空分设备快速冷却的主冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，包括：步骤一，氮气从蒸馏塔的下塔被输送第二换热通道；液氧下流至主冷系统最上层换热装置的液氧槽内；步骤二、部分液氧从出液通道内流入溢流槽内，然后溢出流入下方的第一换热通道；步骤三、液氧在第一换热通道内与第二换热通道内的氮气进行换热；步骤四、最上层的液氧槽内的液面从第一溢流孔流出，通过第一管道流入下方的流入口，最上层换热装置的第一换热通道内的部分液氧下流至下层换热装置的液氧槽内；步骤五、下层换热装置内部重复步骤二、步骤三，直至液氧流入主冷系统最下层的换热装置内，最下层的换热装置内的液氧下流至蒸馏塔上塔的底部，通过这种方法可以提高主冷系统的换热速率。

Description

一种实现空分设备快速冷却的主冷方法

技术领域

本发明一般涉及空分的冷却工艺技术领域，具体涉及一种实现空分设备快速冷却的主冷方法。

背景技术

在低温空分设备中，主冷系统使连接上下塔的关键换热设备，而主冷系统即为冷凝蒸发器， 其结构和传热性能对空分装置的能耗、分离效率及资金投入有直接的影响。

随着空分设备的大型化，空分设备的主冷系统也通过多层的设计来提高换热效率及换热速度，从而应对空分设备高负荷的工作需求，但是现有的多层主冷系统还是存在换热效率较低等多种不足之处，需要对主冷系统进行改进。

发明内容

鉴于上述的问题，本申请提供了一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，用以提高空分多层主冷系统的性能。

本发明提供一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，该主冷方法包括以下步骤：

步骤一，氮气从蒸馏塔的下塔被输送至每一层换热装置的第二换热通道；液氧从蒸馏塔的上层下流，流入主冷系统最上层换热装置的液氧槽内。

步骤二、部分液氧从出液通道内流入下方的溢流槽内，溢流槽内充满液氧后液氧从溢流槽的顶部溢出流入下方的第一换热通道内。

步骤三、液氧在第一换热通道内部分蒸发与第二换热通道内的氮气进行换热，从而使氮气液化形成液氮。

步骤四、最上层的液氧槽内的液面上升至第一溢流孔处液氧从第一溢流孔流出，通过第一管道流入下方的流入口，从而流入下层换热装置的液氧槽内，最上层换热装置的第一换热通道内的部分液氧下流，流入下层换热装置的液氧槽内。

步骤五、下层换热装置内部重复步骤二、步骤三，从而使液氧向下输送，直至液氧流入主冷系统最下层的换热装置内，最下层的换热装置内的液氧下流至蒸馏塔上塔的底部，从而实现对氮气的液化，在蒸馏塔上塔的底部形成高纯度的液氧。

进一步地，其中每层换热装置内均设置多个溢流槽，相邻的两个溢流槽之间均设置有第一连通管，在液氧从液氧槽内流入溢流槽内后，通过第一连通管将多个溢流槽内的液面连通保持在同一水平面，使液氧均匀的流入下方的第一换热通道内。

进一步地，所述步骤三包括：S31、液氧流入第一换热通道内经过第一分布器将液氧均匀分布流向下方的第一换热器，经过第一换热器的液氧部分蒸发换热，未被蒸发的液氧持续下流至下一层第一分布器再次均匀分布后流向下一层的第一换热器换热，直至液氧从第一换热通道的下部流出。

S32、氮气从第二换热通道内的分流装置进行分流然后流入第二换热器，通过第二换热器与第一换热器进行换热，从而使氮气液化形成液氮，液氮下流从第二换热通道下部的液氮流出口流出。

进一步地，液氧流入第一换热通道内后液面逐渐上升，当液面达到第二溢流孔的高度时，液氧通过第二溢流孔流入第二连通管，从而可以平衡多个第一换热通道内液面的高度，然后液氧通过第一连通管流入第一管道，输送至下一层。

进一步地，为了保证该主冷方法可以有效安全的实施，该方法还包括一种用于空分设备的多层主冷系统，设置于蒸馏塔内，包括沿竖直方向依次间隔设置的多个换热装置，所述换热装置包括液氧槽，所述液氧槽的下方均匀间隔设置有多个竖直设置的第一换热通道，相邻的两个所述第一换热通道之间形成有第二换热通道，每个第二换热通道的顶部均设置能够掩盖所述第二换热通道的溢流槽，每个所述溢流槽的顶部均处于同一水平面，所述液氧槽的底部设置有与所述溢流槽一一对应的出液通道，由所述溢流槽溢出的液氧能够流入相邻的两个所述第一换热通道，所述液氧槽上设置有第一溢流孔，蒸馏塔的侧壁上位于每个所述换热装置的下方均设置有流入口，每个所述换热装置的第一溢流孔通过第一管道与其下方的流入口相连通，所述第二换热通道设置有氮气进入口及液氮流出口。

进一步地，所述第一换热通道包括平行设置的两个侧壁；所述第二换热通道设置在相邻两个第一换热通道之间，与相邻两所述第一换热通道共用侧壁。

进一步地，相邻两个所述溢流槽之间均设置有至少一个连通管。

进一步地，所述第一换热通道的下部为开口设置，所述第一换热通道内自上至下依次交替设置有第一分布器、第一换热器，且所述第一分布器、第一换热器至少设置有两个。

进一步地，所述第一换热通道的侧壁上均设置有多个第二溢流孔，多个第二溢流孔均同处筒一水平面上，且所述第二溢流孔的设置在最上层的所述第一分布器与所述溢流槽的顶部之间，多个所述第二溢流孔均与所述第一管道连通。

进一步地，多个所述第二溢流孔均汇集连通于第三管道，所述第三管道与所述第一管道连通，且所述第三管道上设置有单向通过阀。

进一步地，相邻的所述第一换热通道相邻的侧壁上的所述第二溢流孔通过第二连通管相连通，所述第二连通管与所述第三管道相连通。

进一步地，所述第一分布器为水平设置在所述第一换热通道两侧壁上的多孔型翅片或锯齿形翅片。

进一步地，所述第二换热通道的内部自上至下依次连通设置有有分流装置及第二换热器，所述分流装置设置有所述氮气进入口，所述第二换热通道的底部设置有所述液氮流出口。

进一步地，多个所述第二换热通道的所述液氮流出口均汇集连通于设置在蒸馏塔外部的液氮输送管。

进一步地，所述第一换热器为设置在所述第一换热通道内的多孔型翅片，且多孔型翅片与所述第一换热通道的内侧壁热耦合连接，所述第二换热器为设置在所述第二换热通道内的多孔型翅片，且多孔型翅片与所述第一换热通道的外侧壁热耦合连接。

进一步地，所述第一换热器、第二换热器及所述第一换热通道的两侧侧板的材料均为铝制导热材料。

本发明的实现空分设备快速冷却的主冷方法，通过在蒸馏塔内，包括沿竖直方向依次间隔设置的多个换热装置，从而可以增大换热速率，提高换热效果，通过设置溢流槽，可以将液氧均流在相邻的两个第一换热通道内，从而保证液氧均匀分布在各个第一换热通道内，且通过溢流槽的侧边溢流可以保证液氧可以在第一换热通道内均匀分布，从而提高换热效率，进一步提高换热效果，提高主冷系统的换热速率。

此外，通过在第一换热通道内自上至下依次交替设置至少两个第一分布器、第一换热器，从而可以提高对液氧的布膜效果，进一步提高液氧与第一换热器之间的换热效率，从而提高主冷系统的换热速率。

进一步的，通过将相邻两个所述溢流槽之间均设置有至少一个连通管，从而可以保证每个溢流槽内的液面持平，避免因出液通道出液不均时导致溢流槽内的液面不等高而引起的部分第一换热通道内液氧量多，部分第一换热通道内由于液氧量不足而引起的干蒸发的现象，从而保证主冷系统的换热效率及安全性。

进一步地，通过将相邻的两个第一换热通道相邻的侧壁上的第二溢流孔通过第二连通管相连通，从而可以进一步的保证各个第一换热通道内的液面等高，进一步的避免部分第一换热通道内出现干蒸发的现象，从而进一步提高主冷系统的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明提供的用于空分设备的多层主冷系统的整体结构示意图。

图2为本发明提供的用于空分设备的多层主冷系统中换热装置的结构示意图。

图3为本发明提供的用于空分设备的多层主冷系统中A-A处的截面结构示意图。

图4为本发明提供的实现空分设备快速冷却的主冷方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

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申请。

实施例一

参考图4、本发明还提供了一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，该主冷方法包括以下步骤：步骤一，氮气从蒸馏塔的下塔被输送至每一层换热装置1的第二换热通道13；液氧从蒸馏塔的上层下流，流入主冷系统最上层换热装置1的液氧槽内；

步骤二、部分液氧从多个出液通道101内流入下方的溢流槽11内，溢流槽内充满液氧后液氧从溢流槽的顶部溢出流入下方的第一换热通道12内；

步骤三、液氧在第一换热通道12内部分蒸发与第二换热通道13内的氮气进行换热，从而使氮气液化形成液氮；

步骤四、最上层的液氧槽内的液面上升至第一溢流孔102处液氧流出，通过第一管道103流入下方的流入口91，从而流入下层换热装置1的液氧槽内，最上层换热装置1的第一换热通道内的部分液氧下流，流入下层换热装置1的液氧槽内；

步骤五、下层换热装置1内部重复步骤二、步骤三，从而使液氧向下输送，直至液氧流入主冷系统最下层的换热装置1内，最下层的换热装置1内的液氧下流至蒸馏塔上塔的底部，从而实现对氮气的液化，在蒸馏塔上塔的底部形成高纯度的液氧。

进一步地，其中每层换热装置内均设置多个溢流槽，相邻的两个溢流槽之间均设置有第一连通管110，在液氧从液氧槽内流入溢流槽内后，通过第一连通管将多个溢流槽内的液面连通保持在同一水平面，使液氧均匀的流入下方的第一换热通道内。

进一步地，所述步骤三包括：S31、液氧流入第一换热通道内经过第一分布器121将液氧均匀分布流向下方的第一换热器122，经过第一换热器的液氧部分蒸发换热，未被蒸发的液氧持续下流至下一层第一分布器121再次均匀分布后流向下一层的第一换热器122换热，直至液氧从第一换热通道的下部流出；

S32、氮气从第二换热通道内的分流装置130进行分流然后流入第二换热器133，通过第二换热器与第一换热器进行换热，从而使氮气液化形成液氮，液氮下流从第二换热通道下部的液氮流出口132流出。

进一步地，在液氧流入第一换热通道内后液面逐渐上升，当液面达到第二溢流孔的高度时，液氧流入第二连通管，从而可以平衡多个第一换热通道内液面的高度，然后液氧通过第一连通管流入第一管道103，输送至下一层。

参考图1，其中下塔的氮气通过氮气主管导出，每层换热装置的均连通有氮气输送分管和液氮输送分管，氮气输送分管均与氮气主管连通，每个换热装置1的多个第二换热通道的氮气进入口131均与氮气输送分管连通，每个换热装置1的多个第二换热通道的液氮流出口132均与液氮输送分管连通，多个液氮输送分管均与液氮输送管92连通。

实施例二

本发明提供一种用于空分设备的多层主冷系统，设置于蒸馏塔9内，参考图1-图3，作为一种具体的实施方式，该主冷系统包括沿竖直方向依次间隔设置的多个换热装置1，所述换热装置1包括液氧槽10，所述液氧槽10的下方均匀间隔设置有多个竖直设置的第一换热通道12，相邻的两个所述第一换热通道12之间形成有第二换热通道13，每个第二换热通道13的顶部均设置能够掩盖所述第二换热通道13的溢流槽11，每个所述溢流槽的顶部均处于同一水平面，所述液氧槽10的底部设置有与所述溢流槽11一一对应的出液通道101，由所述溢流槽11溢出的液氧能够流入相邻的两个所述第一换热通道12，所述液氧槽10上设置有第一溢流孔102，蒸馏塔9的侧壁上位于每个所述换热装置1的下方均设置有流入口91，每个所述换热装置1的第一溢流孔102通过第一管道103与其下方的流入口91相连通，所述第二换热通道13设置有氮气进入口131及液氮流出口132。具体的，通过在蒸馏塔内沿竖直方向依次间隔设置的多个换热装置，从而可以增大换热速率，提高换热效果，通过设置溢流槽，可以将液氧均流在相邻的两个第一换热通道内，从而保证液氧均匀分布在各个第一换热通道内，且通过溢流槽的侧边溢流可以保证液氧可以在第一换热通道内均匀分布，从而提高换热效率，进一步提高换热效果，提高主冷系统的换热速率。

进一步地，参考图2，作为优选的实施方式，相邻两个所述溢流槽11之间均设置有至少一个第一连通管11，通过将相邻两个所述溢流槽之间均设置有至少一个连通管，从而可以保证每个溢流槽内的液面持平，避免因出液通道出液不均时导致溢流槽内的液面不等高而引起的部分第一换热通道内液氧量多，部分第一换热通道内由于液氧量不足而引起的干蒸发的现象，从而保证主冷系统的换热效率及安全性。

进一步地，参考图2、图3，作为具体的实施方式，每个换热装置的具体结构为：所述第一换热通道12包括平行设置的两个侧壁；所述第二换热通道13设置在相邻两个第一换热通道12之间，与相邻两所述第一换热通道共用侧壁。

进一步地，所述第一换热通道12的下部为开口设置，所述第一换热通道12内自上至下依次交替设置有第一分布器121、第一换热器122，且所述第一分布器121、第一换热器122至少设置有两个；通过在第一换热通道内自上至下依次交替设置至少两个第一分布器、第一换热器，从而可以提高对液氧的布膜效果，进一步提高液氧与第一换热器之间的换热效率，从而提高主冷系统的换热速率。

进一步地，所述第一换热通道12的侧壁上均设置有多个第二溢流孔12a，多个第二溢流孔12a均同处筒一水平面上，且所述第二溢流孔12a的设置在最上层的所述第一分布器121与所述溢流槽的顶部之间，多个所述第二溢流孔12a均与所述第一管道103连通。

进一步地，多个所述第二溢流孔12a均汇集连通于第三管道14，所述第三管道14与所述第一管道103连通，且所述第三管道14上设置有单向通过阀15。通过设置单向通过阀可以只允许第一通道内的液氧流入第三管道，避免第一管道内的液氧回流至第一换热通道内，通过将相邻的两个第一换热通道相邻的侧壁上的第二溢流孔通过第二连通管相连通，从而可以进一步的保证各个第一换热通道内的液面等高，进一步的避免部分第一换热通道内出现干蒸发的现象，从而进一步提高主冷系统的安全性。

进一步地，相邻的所述第一换热通道12相邻的侧壁上的所述第二溢流孔12a通过第二连通管124相连通，所述第二连通管与所述第三管道14相连通。

进一步地，所述第一分布器121为水平设置在所述第一换热通道12两侧壁上的多孔型翅片或锯齿形翅片。

进一步地，所述第二换热通道13的内部自上至下依次连通设置有有分流装置130及第二换热器133，所述分流装置130设置有所述氮气进入口131，所述第二换热通道13的底部设置有所述液氮流出口132。

进一步地，多个所述第二换热通道13的所述液氮流出口132均汇集连通于设置在蒸馏塔9外部的液氮输送管92。

进一步地，所述第一换热器122为设置在所述第一换热通道12内的多孔型翅片，且多孔型翅片与所述第一换热通道12的内侧壁热耦合连接，所述第二换热器133为设置在所述第二换热通道13内的多孔型翅片，且多孔型翅片与所述第一换热通道12的外侧壁热耦合连接。

进一步地，所述第一换热器122、第二换热器133及所述第一换热通道12的两侧侧板的材料均为铝制导热材料。

优选的，该主冷系统设置有三层换热装置1，参考图2，每层换热装置1包括外壳体10，其内部通过铝制隔板100进行间隔设置，在隔板之间形成所述第一换热通道和第二换热通道，其中铝制的隔板即为第一换热通道的侧板，而溢流槽为焊接设置在相邻两个隔板上的铝制槽体。进一步地，对于每个换热装置1来说，其多个出液通道101的流通量之和为Q1，其中Q1为液氧槽内集满液氧时的流通量，多个第一换热通道12的流通量之和为Q2,多个第二换热通道13内输入的氮气的流通量为Q3，单位为L/s,其中1.5 Q2≥Q1≥1.2 Q2，通过这种限定方式既可以保证每个换热装置1的第一换热通道内的布膜效果，保证其换热效率，又可以使多余的液氧及时通过第一溢流孔流入下方的换热装置，保证下一层的换热装置具有足够量的液氧，提高液氧的利用率，则Q3＝Q2*（μ1*μ2*S1）^1/2*&，其中μ1为第一换热器的换热系数，μ2为第二换热器的换热系数，S1为第一换热通道和第二换热通道的接触面积之和，单位为m²，&为调节系数，取值范围为0.375-5.643，通过该公式计算每个换热装置内通入氮气的流量，可以在每个换热装置的氮气进气量，从而可以保证将氮气充分与液氧换热液化为液氧。

实施例三

为了验证本申请技术方案的技术效果，在本实施例中进行如下两个试验进行对比。

试验一：采用传统技术在空分时进行冷却，也就是在低温分离过程热交换器和分离塔紧密结合，所有制冷能量都由装置入口的空气压缩机提供。

试验二：采用本申请的技术方案，实现空分设备快速冷却。

经试验一和试验二的对比发现，采用本申请的技术方案对空分设备进行快速冷却，达到相同的温蒂，本申请比传统的方式速率提高了12.4-18.5%，而且能源消耗降低了5.4-10.8%。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (3)

1.一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，其特征在于，该主冷方法包括以下步骤：

步骤一，氮气从蒸馏塔（9）的下塔被输送至每一层换热装置（1）的第二换热通道（13）；液氧从蒸馏塔（9）的上层下流，流入主冷系统最上层换热装置（1）的液氧槽（10）内；

步骤二、部分液氧从出液通道（101）内流入下方的溢流槽（11）内，溢流槽内充满液氧后液氧从溢流槽的顶部溢出流入下方的第一换热通道（12）内；

步骤三、液氧在第一换热通道（12）内部分蒸发与第二换热通道13内的氮气进行换热，从而使氮气液化形成液氮，其包括：S31、液氧流入第一换热通道内经过第一分布器（121）将液氧均匀分布流向下方的第一换热器（122），经过第一换热器的液氧部分蒸发换热，未被蒸发的液氧持续下流至下一层第一分布器（121）再次均匀分布后流向下一层的第一换热器（122）换热，直至液氧从第一换热通道的下部流出；S32、氮气从第二换热通道内的分流装置（130）进行分流然后流入第二换热器（133），通过第二换热器与第一换热器进行换热，从而使氮气液化形成液氮，液氮下流从第二换热通道下部的液氮流出口（132）流出；

步骤四、最上层的液氧槽内的液面上升至第一溢流孔（102）处液氧从第一溢流孔流出，通过第一管道（103）流入下方的流入口（91），从而流入下层换热装置（1）的液氧槽内，最上层换热装置（1）的第一换热通道（12）内的部分液氧下流，流入下层换热装置（1）的液氧槽内；

步骤五、下层换热装置（1）内部重复步骤二、步骤三，从而使液氧向下输送，直至液氧流入主冷系统最下层的换热装置（1）内，最下层的换热装置（1）内的液氧下流至蒸馏塔（9）上塔的底部，从而实现对氮气的液化，在蒸馏塔上塔的底部形成高纯度的液氧；

该方法还包括一种用于空分设备的多层主冷系统，设置于蒸馏塔（9）内，包括沿竖直方向依次间隔设置的多个换热装置（1），所述换热装置（1）包括液氧槽（10），所述液氧槽（10）的下方均匀间隔设置有多个竖直设置的第一换热通道（12），相邻的两个所述第一换热通道（12）之间形成有第二换热通道（13），每个第二换热通道（13）的顶部均设置能够掩盖所述第二换热通道（13）的溢流槽（11），每个所述溢流槽的顶部均处于同一水平面，所述液氧槽（10）的底部设置有与所述溢流槽（11）一一对应的出液通道（101），由所述溢流槽（11）溢出的液氧能够流入相邻的两个所述第一换热通道（12），所述液氧槽（10）上设置有第一溢流孔（102），蒸馏塔（9）的侧壁上位于每个所述换热装置（1）的下方均设置有流入口（91），每个所述换热装置（1）的第一溢流孔（102）通过第一管道（103）于其下方的流入口（91）相连通，所述第二换热通道（13）设置有氮气进入口（131）及液氮流出口（132）；所述第一换热通道（12）的下部为开口设置，所述第一换热通道（12）内自上至下依次交替设置有第一分布器（121）、第一换热器（122）；所述第一换热通道（12）的侧壁上均设置有多个第二溢流孔（12a），多个所述第二溢流孔（12a）均处同一水平面上，且所述第二溢流孔（12a）设置在最上层的所述第一分布器（121）与所述溢流槽的顶部之间，多个所述第二溢流孔均与所述第一管道（103）连通；多个所述第二溢流孔均汇集连通于第三管道（14），所述第三管道14与所述第一管道（103）连通，且所述第三管道（14）上设置有单向通过阀（15）。

2.根据权利要求1所述的一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，其特征在于，其中每层换热装置内均设置多个溢流槽，相邻的两个溢流槽之间均设置有第一连通管（110），在液氧从液氧槽内流入溢流槽内后，通过第一连通管（110）将多个溢流槽内的液面连通保持在同一水平面，使液氧均匀的流入下方的第一换热通道内。

3.根据权利要求2所述的一种实现空分设备快速冷却的主冷方法，其特征在于，液氧流入第一换热通道内后液面逐渐上升，当液面达到第二溢流孔的高度时，液氧通过第二溢流孔（12a）流入第二连通管（124），从而可以平衡多个第一换热通道内液面的高度，然后液氧通过第一连通管流入第一管道（103），输送至下一层。

Images