CN113587551A - 利用lng冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统及方法，其LNG冷箱单元为主换热器冷箱单元和主塔冷箱单元提供LNG冷能，实现对空气和氮气的冷却液化；主换热器冷箱单元对低压纯化空气和压力氮气进行冷却，将低压纯化空气送至主塔进行精馏提纯，在塔底获得液氧，塔顶及主冷凝器获得氮气，塔中获得氩馏分，氩馏分送至氩提取部进行脱氧、脱氮和精馏，获得液氩；循环氮气和液氮在LNG冷箱单元、主换热器冷箱单元和主塔冷箱单元之间循环传输，以传递LNG的冷能，同时得到部分液氮产品。该系统及方法采用单塔精馏，充分利用LNG冷能生产氧、氮及氩产品，取消了常规精馏下塔、增加了主冷凝器，投资更省，操作维护更简单，能耗低、安全性高。

Description

利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统及方法
技术领域
本发明涉及空气分离工艺技术领域，具体涉及利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统及方法。
背景技术
LNG冷能空分作为一种LNG冷能的利用方式，因具有能耗低、收益高等特点，已在LNG接收站广泛的推广应用。且新的LNG冷能空分技术也在不断的探索和优化。
LNG冷能空分系统主要是以循环氮气作为冷量传递的中间介质，利用空分精馏塔的高回流比对纯化空气进行液化、分离及提纯，以获得相应的气体产品。循环液氮在将冷量从LNG传递到空分冷箱系统的同时，也为空分精馏塔提供了很大的回流液，因此，具有很大的精馏潜力可以挖掘。但是，当前的LNG冷能空分系统在流程组织上设置过于复杂，空分精馏塔为双级精馏塔，内部回流复杂，回流液的精馏潜力利用不够充分，且运行压力大、能耗高，使得LNG冷能空分系统的设备设施投入较大，运行能耗较高，操作维护复杂。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统及方法，该系统采用单塔精馏，充分利用高回流比生产液氧、液氮及液氩产品，取消了常规精馏下塔，投资更省，操作及维护更简单，且能耗低、安全性高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
利用LNG冷能生产液氧、液氮及液氩的空分系统，其特征在于，包括：
LNG冷箱单元、主换热器冷箱单元、主塔冷箱单元、低压氮压机和循环氮压机；
所述LNG冷箱单元通过循环液氮管道与所述主塔冷箱单元连接；
所述主塔冷箱单元通过低压纯化空气管道、循环氮气管道、低压氮气管道和污氮气管道与所述主换热器冷箱单元连接；
所述主换热器冷箱单元通过循环氮气管道、低压氮气管道与所述LNG冷箱单元连接；
所述低压氮压机通过所述低压氮气管道和压力氮气管道分别与所述LNG冷箱单元和主换热器冷箱单元连接；
所述循环氮压机通过所述循环氮气管道与所述LNG冷箱单元连接；
其中，所述主塔冷箱单元包括液氮气液分离器、液氮-氮换热器、主蒸发器、主塔、主冷凝器、过冷器和氩提取部；
所述液氮气液分离器经循环液氮管道分别与所述LNG冷箱单元和过冷器连接，并经循环氮气管道与所述主换热器冷箱单元连接；
所述液氮-氮换热器分别经所述循环液氮管道和循环氮气管道与所述液氮气液分离器和主换热器冷箱单元连接，并经压力氮气管道与所述主换热器冷箱单元和过冷器连接；
所述主蒸发器与所述主塔底部连接，经所述压力氮气管道与主换热器冷箱单元连接，并经压力液氮管道与所述过冷器连接；
所述主塔经低压纯化空气管道与所述过冷器和主换热器冷箱单元连接，并经管道与所述氩提取部连接；
所述主冷凝器与所述主塔顶部连接，经所述压力液氮管道和低压氮气管道与所述过冷器连接；
所述过冷器，通过所述低压氮气管道、污氮气管道与所述主塔和主换热器冷箱单元连接，并经所述压力液氮管道与所述液氮-氮换热器连接。
在本申请的一种实施例中，所述氩提取部包括第一粗氩塔、第二粗氩塔、粗氩冷凝器、循环氩泵、纯氩塔、纯氩冷凝器和纯氩蒸发器：
所述第一粗氩塔分别经管道与所述主塔和第二粗氩塔连接；
所述粗氩冷凝器设置于所述第二粗氩塔顶部，经所述压力液氮管道与所述过冷器连接，并经管道与所述纯氩塔连接；
所述循环氩泵设于所述第一粗氩塔和第二粗氩塔之间，其入口端经管道与所述第二粗氩塔下部连接，其出口端经管道与所述第一粗氩塔上部连接；
所述纯氩冷凝器设于所述纯氩塔的上部，其经所述压力液氮管道与过冷器连接；
所述纯氩蒸发器设于所述纯氩塔的下部，其经所述压力氮气管道与所述主换热器冷箱单元和主冷凝器连接。
在本申请的一种实施例中，所述LNG冷箱单元包括LNG换热器和液氮过冷器：
所述LNG换热器经所述循环氮气管道与主换热器冷箱单元和循环氮压机连接，并经所述低压氮气管道与主换热器冷箱单元和低压氮压机连接；
所述氮气过冷器与所述LNG换热器相连，并经所述循环液氮管道与主塔冷箱单元相连。
在本申请的一种实施例中，所述主换热器冷箱单元包括主换热器；
所述主换热器经低压氮气管道和循环氮气管道与所述LNG换热器连接，并经压力氮气管道与所述低压氮压机连接；
且所述主换热器经低压纯化空气管道与所述主塔连接，经压力氮气管道与所述液氮-氮换热器、主蒸发器及纯氩蒸发器连接，经循环氮气管道与液氮气液分离器和液氮-氮换热器连接，经低压氮气管道和污氮气管道与所述过冷器连接。
在本申请的一种实施例中，所述低压氮压机用于对来自所述主塔和主冷凝器的低压氮气进行增压，增压后的氮气分两部分，一部分经所述主换热器冷却后进入所述液氮-氮换热器、主蒸发器和纯氩蒸发器，为所述液氮-氮换热器、主蒸发器和纯氩蒸发器提供热源，另一部分汇入所述循环气管道中，以补充循环氮气；
所述循环氮压机用于对来自所述循环氮气管道的循环氮气进行增压。
一种基于权利要求5所述的利用LNG冷能生产液氧、液氮及液氩的空分系统的空分方法，所述空分方法包括：
所述LNG冷箱单元为所述主换热器冷箱单元和所述主塔冷箱单元的主塔提供LNG汽化产生的冷能，以实现对空气和氮气的冷却液化；
所述主换热器冷箱单元对低压纯化空气和压力氮气进行冷却，并将所述低压纯化空气送至所述主塔；
所述主塔对冷却的所述低压纯化空气进行精馏和提纯，在所述主塔的塔底获得液氧，塔顶及主冷凝器获得氮气，塔中部获得氩馏分，并将所述氩馏分送至所述氩提取部；
所述氩提取部对来自所述主塔的氩馏分进行脱氧、脱氮和精馏，以此获得液氩；
所述循环氮气和液氮在所述LNG冷箱单元、主换热器冷箱单元和主塔冷箱单元之间进行循环传输，以此传递LNG汽化的冷能，同时得到部分液氮产品。
在本申请的一种实施例中，经分子筛吸附器净化的所述低压纯化空气经所述主换热器冷却后进入所述主塔进行精馏提纯：
在所述主塔塔底的主蒸发器得到液氧，所述液氧经过所述过冷器过冷后送至液氧贮槽；
在所述主塔塔顶和所述主冷凝器均得到低压氮气，所述低压氮气依次经过所述过冷器和主换热器进行复热，复热后的所述低压氮气进入所述LNG换热器进行冷却，冷却后的低压氮气经所述低压氮压机进行增压，增压后的压力氮气分为两股，一股压力氮气汇入所述LNG冷箱单元的循环氮气管道作为循环氮气的补充，另一股压力氮气进入所述主换热器进行冷却，经所述主换热器冷却后的压力氮气分为三部分，一部分进入所述纯氩蒸发器作为热源，一部分进入所述液氮-氮换热器与所述LNG冷箱单元来的循环液氮换热液化成，其余部分进入所述主蒸发器与液氧换热液化，液化后与来自所述液氮-氮换热器的液氮一起汇入所述过冷器过冷，过冷后的液氮也分三部分，一部分送往所述主冷凝器作为冷源，一部分作为所述粗氩冷凝器和纯氩冷凝器的冷源，其余部分过冷液氮作为液氮产品传送至液氮贮槽；
所述主塔上部得到污氮气，所述污氮气经所述过冷器和主换热器复热后作为所述分子筛吸附器的再生气；
在所述主塔中部得到氩馏分，所述氩馏分经所述第一粗氩塔、第二粗氩塔和纯氩塔精馏脱氧脱氮后得到纯氩产品。
在本申请的一种实施例中，来自所述LNG冷箱单元的循环液氮，经节流后进入所述液氮气液分离器，分离后的液相分为两股：
一股液氮进入所述液氮-氮换热器与来自所述低压氮压机的经所述主换热器冷却后的压力氮气进行换热汽化，汽化后的氮气与所述液氮气液分离器分离出来的循环氮气汇合后进入所述主换热器，再经所述主换热器复热后作为循环氮气返回所述LNG冷箱单元；
另一股液氮经所述过冷器过冷后作为液氮产品传送至液氮贮槽。
在本申请的一种实施例中，来自所述主换热器冷箱单元的循环氮气与来自所述低压氮压机的压力氮气汇合后进入所述LNG换热器进行冷却，冷却至预定温度后，与来自所述液氮过冷器的节流返流并经所述LNG换热器复热后的中压氮气汇合，汇合后的氮气进入所述循环氮压机的第一段进行增压，增压后进入所述LNG换热器进行冷却，冷却后再与来自所述液氮过冷器的节流返流并经所述LNG换热器复热后的中压氮气汇合，汇合后的氮气进入所述循环氮压机的第二段进行增压，增压后再次进入所述LNG换热器进行冷却液化，冷却液化后进入所述液氮过冷器进行过冷；
经所述液氮过冷器过冷后的循环液氮分为三股，一股送往所述主塔冷箱单元，为所述主塔冷箱单元提供冷能；一股节流后返回所述液氮过冷器进行复热汽化，复热汽化后进入所述LNG换热器继续复热，然后与所述循环氮气汇合进入所述循环氮压机的第一段入口；另一股也节流返回所述液氮过冷器进行复热汽化，复热汽化后进入所述LNG换热器继续复热，与所述循环氮压机第一段增压并经LNG换热器冷却的中压氮气汇合，汇合后进入所述循环氮压机的第二段入口进行增压。
在本申请的一种实施例中，来自所述主塔中部的氩馏分进入所述第一粗氩塔进行脱氧处理；然后进入所述第二粗氩塔，经所述第二粗氩塔和粗氩冷凝器进行脱氮处理；经脱氮处理后进入所述纯氩塔，经所述纯氩塔、纯氩冷凝器和纯氩蒸发器进行精馏处理，以此获得液氩产品；
所述第二粗氩塔下部的粗氩液能经所述循环氩泵泵往所述第一粗氩塔上部进行循环脱氧、脱氮处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的空分系统，设置LNG冷箱单元、主换热器冷箱单元、主塔冷箱单元、低压氮压机和循环氮压机等，其中主塔冷箱单元采用与常规双塔（下塔和上塔）精馏空分系统不同的单塔精馏，该单塔（主塔）无常规的精馏下塔，只有上塔；且主塔塔底设主蒸发器，热源来自低压氮压机出口的经主换热器冷却后的压力氮气；主塔塔顶设置主冷凝器，主冷凝器的冷却介质为来自低压氮压机出口的经主换热器冷却，并经主蒸发器和液氮-氮换热器冷却液化及过冷器过冷后的液氮，设置主冷凝器，避免液氮直接进入主塔内，安全性更高。该空分系统充分利用了LNG冷能的高回流比对压力远低于常规纯化空气的低压纯化空气进行氧、氮、氩的液化、分离和提纯，获得了液氧、液氮、液氩及相应的气体产品。
2、该空分系统中由于没有常规精馏下塔底部的液空中间馏分，氩提取部中的粗氩冷凝器采用液氮作为冷源，可有效杜绝碳氢化合物在此积聚，安全性更高。
3、该空分系统取消了常规精馏下塔，降低了空分主塔冷箱单元的高度，设备成本更低，操作维护更简单；在主塔塔顶设置主冷凝器，避免液氮直接进入主塔内进行换热，安全性更高；该空分系统的起动时间缩短，操作维护更加简单，装置起动时的冷却速度和调纯速度更快，停车排液和加温复热时间更短，操作响应更灵活。
4、该空分系统的能耗低、设备投入少。因使用的是低压纯化空气，该系统配套的空压机排气压力低，空压机级数少、能耗低；出主换热器的低压氮气送至LNG换热器继续冷却，使得进低压氮压机的氮气温度更低，同时优化了主换热器的换热温差，能耗更低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统的结构示意图。
附图标记：
1、LNG冷箱单元；2、转换热器冷箱单元；3、主塔冷箱单元；31、氩提取部；E01、LNG换热器；E02、液氮过冷器；E03、主换热器；E04、液氮-氮换热器；E05、过冷器；NC01、低压氮压机；NC02、循环氮压机；V01、液氮气液分离器；K01、主蒸发器；K02、主冷凝器；C02、主塔；C71、第一粗氩塔；C72、第二粗氩塔；C73、纯氩塔；K71、粗氩冷凝器；K72、纯氩冷凝器；K73、纯氩蒸发器；P71A/B、循环氩泵。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分是实例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，为本发明提供的一种利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统的结构示意图，具体为一种利用LNG冷能的单塔精馏带主冷凝器生产液氧、液氮及液氩的空分系统的结构示意图。该空分系统包括LNG冷箱单元1、主换热器冷箱单元2、主塔冷箱单元3、低压氮压机NC01和循环氮压机NC02等。
其中，LNG冷箱单元1通过循环液氮管道与主塔冷箱单元3连接。在LNG冷箱单元1中LNG汽化产生的冷能传递给循环氮气，使循环氮气冷却液化，为主塔冷箱单元3提供冷能。
主塔冷箱单元3通过低压纯化空气管道、循环氮气管道、低压氮气管道和污氮气管道与主换热器冷箱单元2连接。主换热器冷箱单元2设有低压纯化空气入口，该低压纯化空气入口经管道与分子筛吸附器及空压机出口连接，为空分系统提供源源不断的低压纯化空气，低压纯化空气经主换热器冷箱单元2冷却后送入主塔冷箱单元3进行液化、分离和提纯。
主换热器冷箱单元2通过循环氮气管道、低压氮气管道与LNG冷箱单元1连接。
低压氮压机NC01的出口端通过压力氮气管道与LNG冷箱单元1和主换热器冷箱单元2连接；低压氮压机NC01的入口端与来自主换热器冷箱单元2且经过LNG冷箱单元1的低压氮气管道连接，即进入低压氮压机NC01的低压氮气为经过主换热器冷箱单元2和LNG冷箱单元1冷却的，温度较低，可有效降低低压氮压机NC01的运行能耗。
循环氮压机NC02通过循环氮气管道与LNG冷箱单元1连接，为循环氮气管道中的氮气增压。
该主塔冷箱单元3包括液氮气液分离器V01、液氮-氮换热器E04、主蒸发器K01、主塔C02、主冷凝器K02、过冷器E05和氩提取部31等。
其中，液氮气液分离器V01经循环液氮管道与LNG冷箱单元1和过冷器E05连接，并经循环氮气管道与主换热器冷箱单元2连接。LNG冷箱单元1供应的循环液氮经液氮气液分离器V01进行气液分离，液氮由液氮气液分离器V01下方的循环液氮管道排出，部分排往过冷器E05进行过冷作为液氮产品排出冷箱，送往液氮贮槽；氮气由液氮气液分离器V01上方的循环氮气管道排往主换热器冷箱单元2，作为循环氮气。
液氮-氮换热器E04经循环液氮管道和循环氮气管道分别与液氮气液分离器V01和主换热器冷箱单元2连接；并经压力氮气管道与主换热器冷箱单元2和过冷器E05连接。即液氮气液分离器V01底部排出的液氮，部分排往液氮-氮换热器E04，与来自主换热器冷箱单元2的压力氮气进行换热汽化，汽化后的氮气与液氮气液分离器V01上部分离出的氮气汇合作为循环氮气进入主换热器冷箱单元2。
主蒸发器K01设置于主塔C02的底部，经压力氮气管道与主换热器冷箱单元2连接，并经压力液氮管道与过冷器E05连接。压力氮气为主蒸发器K01提供热源，氮气换热液化，然后经压力液氮管道送入过冷器E05进行过冷，过冷后的液氮部分继续传递冷能，部分作为液氮产品送往液氮贮槽。
主塔C02经低压纯化空气管道与主换热器冷箱单元2连接，并经管道与过冷器E05和氩提取部31连接。低压纯化空气在主塔C02中进行精馏提纯，在塔底得到纯液氧、塔顶得到纯氮气，中部得到氩馏分；且获得的纯液氧、纯氮气、污氮气均经过冷器E05进行处理；获得的氩馏分进入氩提取部31进行脱氧、脱氮纯化处理获得纯氩产品。
主冷凝器K02与主塔C02顶部连接，经压力液氮管道和低压氮气管道与过冷器E05连接。主塔C02上部具有氮气出口，该氮气出口经管路连接至主冷凝器K02和经管道与低压氮气管道汇合后连接至过冷器E05；连接氮气出口与低压氮气管道的管路上设有调节阀。即主塔C02上部产生的低压氮气可排往主冷凝器K02进行冷却，也可排往低压氮气管道进入过冷器E05。
来自主换热器冷箱单元2的压力氮气经液氮-氮换热器E04和主蒸发器K01冷却液化后并经过冷器E05过冷后，经压力液氮管道排往主冷凝器K02，为主冷凝器K02提供冷能；主冷凝器K02产生的低压液氮与主塔C02上部产生的低压氮气汇合经低压氮气管道排往过冷器E05。
过冷器E05通过低压氮气管道、污氮气管道与主塔C02和主换热器冷箱单元2连接，经压力液氮管道与主冷凝器K02、液氮-氮换热器E04及主蒸发器K01连接。即主塔C02产生的污氮气、主塔C02和主冷凝器K02产生的低压氮气均经过冷器E05复热后排往主换热器单元2继续进行复热；液氮-氮换热器E04及主蒸发器K01冷却液化产生的液氮经过冷器E05过冷后排往主冷凝器K02提供冷能。
在一种实施例中，氩提取部31包括第一粗氩塔C71、第二粗氩塔C72、粗氩冷凝器K71、循环氩泵P71A/B、纯氩塔C73、纯氩冷凝器K72和纯氩蒸发器K73等。
其中，第一粗氩塔C71、第二粗氩塔C72和纯氩塔C73与主塔C02的氩馏分出口经管道依次连接。即第一粗氩塔C71分别经管道与主塔C02和第二粗氩塔C72连接，对来自主塔C02中部的氩馏分进行脱氧处理，并将氩馏分送往第二粗氩塔C72进行脱氮处理。
粗氩冷凝器K71设置于第二粗氩塔C72的顶部，经压力液氮管道与过冷器E05连接，并经管道与纯氩塔C73连接。粗氩冷凝器K71由液氮提供冷能；并将脱氮处理后冷凝的氩馏分送往纯氩塔C73进行精馏提纯。
循环氩泵P71A/B设于第一粗氩塔 C71和第二粗氩塔C72之间，其入口端经管道与第二粗氩塔C72下部连接，其出口端经管道与第一粗氩塔C71的上部连接，使氩馏分在第一粗氩塔C71和第二粗氩塔C72内循环进行脱氧、脱氮处理。
纯氩冷凝器K72设于纯氩塔C73的上部，其经压力液氮管道与过冷器E05连接，粗氩冷凝器K71由液氮提供冷能。
粗氩冷凝器K71和纯氩冷凝器K72产生的污氮气经污氮气管道与主塔产生的污氮气汇合，经过冷器E05及主换热器冷箱单元2复热后排出，作为再生气。
纯氩蒸发器K73设于纯氩塔C73的下部，经压力氮气管道与主换热器冷箱单元2和主冷凝器K02连接。由来自主换热器冷箱单元2的压力氮气提供热源，并将冷却后的压力氮气与液氮汇合后灌入主冷凝器K02中。
纯氩冷凝器K72、纯氩塔C73和纯氩蒸发器K73对脱氧脱氮处理后的氩馏分进行精馏提纯，以获得纯液氩产品，并将纯液氩产品送往液氩贮槽
LNG冷箱单元1包括LNG换热器E01和液氮过冷器E02。
其中，LNG换热器1经循环氮气管道与主换热器冷箱单元2和循环氮压机NC02连接，并经低压氮气管道与主换热器冷箱单元2和低压氮压机NC01连接，用于对循环氮气和低压氮气进行冷却。
液氮过冷器E02经循环液氮管道与主塔冷箱单元3和LNG换热器E01连接，用于对循环液氮进行过冷处理。
主换热器冷箱单元2包括主换热器E03。
该主换热器E03经低压氮气管道和循环氮气管道与LNG换热器E01连接，并经压力氮气管道与低压氮压机NC01连接。
且该主换热器E03还经低压纯化空气管道与主塔C02连接；经压力氮气管道与液氮-氮换热器E04、主蒸发器K01及纯氩蒸发器K73连接；经循环氮气管道与液氮气液分离器V01和液氮-氮换热器E04连接；经低压氮气管道和污氮气管道与过冷器E05连接。
主换热器E03用于对低压纯化空气和压力氮气进行冷却，以及对循环氮气、低压氮气和污氮气进行复热。
低压氮压机NC01用于对来自主塔C02及主冷凝器K02的低压氮气进行增压，增压后的氮气分为两部分，一部分经主换热器E03冷却后进入液氮-氮换热器E04、主蒸发器K01和纯氩蒸发器K73，为液氮-氮换热器E04、主蒸发器K01和纯氩蒸发器K73提供热源；另一部分汇入循环氮气管道中，以补充循环氮气。
循环氮压机NC02用于对来自循环氮气管道的循环氮气进行增压。
综上，本申请中的空分系统，取消了常规精馏下塔，降低了空分主塔冷箱单元的高度，操作维护更简单，设备成本更低；在主塔上部设置主冷凝器，避免液氮直接进入主塔进行换热，安全性更高；该空分系统的起动时间缩短，运行更加简单，起动时的冷却速度和调纯速度更快，停车排液和加温复热时间更短，操作响应更灵活；粗氩冷凝器采用液氮作为冷源，有效杜绝碳氢化合物在此积聚，安全性更高；配套的空压机排气压力低，空压机级数少、能耗更低；出主换热器的低压氮气送至LNG换热器继续冷却，使得进低压氮压机的氮气温度更低，同时优化了主换热器的换热温差，能耗更低。因此，该空分系统具有运行响应快，操作维护简单，设备投入少，能耗低，安全性高等优点。
实施例二
本发明还提供了一种基于实施例一描述的利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氧的空分系统的空分方法，该空分方法包括：
LNG冷箱单元1为主换热器冷箱单元2和主塔冷箱单元3提供LNG汽化产生的冷能，以实现对空气和氮气的冷却液化；
主换热器冷箱单元2对低压纯化空气和压力氮气进行冷却，并将冷却后的低压纯化空气送至主塔C02；
主塔C02对低压纯化空气进行精馏和提纯，在主塔C02的塔底获得纯液氧，主塔C02塔顶及主冷凝器K02获得纯氮气，塔中部获得氩馏分，并将氩馏分送至氩提取部31；
氩提取部31对来自主塔C02的氩馏分进行脱氧、脱氮和精馏，以获得液氩产品；
循环氮气和液氮在LNG冷箱单元1、主换热器冷箱单元和主塔冷箱单元3之间进行循环传输，依次传递LNG汽化的冷能，同时得到部分液氮产品。
低压纯化空气经空压机压缩及分子筛吸附器净化获得，低压纯化空气经过主换热器E03冷却后进入主塔C02进行精馏提纯：在主塔C02的塔底得到纯液氧、塔顶及主冷凝器K02得到纯的低压氮气、塔中部得到氩馏分。
其中，在主塔C02塔底的主蒸发器K01得到液氧，该液氧经过冷器E05过冷后送出冷箱送至液氧贮槽。
在主塔C02塔顶和主冷凝器K02得到低压氮气，该低压氮气依次经过过冷器E05和主换热器E03进行复热，复热后的低压氮气进入LNG换热器E01进行冷却，冷却后的低压氮气再经低压氮压机NC01进行增压，该增压后的压力氮气分为两股：
一股压力氮气汇入LNG冷箱单元1的循环氮气管道作为循环氮气的补充；
另一股压力氮气进入主换热器E03进行冷却，经主换热器E03冷却后的压力氮气再分为三部分：其中，一部分进入纯氩蒸发器K73作为热源；一部分进入液氮-氮换热器E04与LNG冷箱单元1来的循环液氮换热液化；其余部分进入主蒸发器K01与液氧换热液化，液化后的液氮与来自液氮-氮换热器E04的液氮一起汇合进入过冷器E05进行过冷，过冷后的液氮进一步分为三部分：较大一部分送往主冷凝器K02作为冷源；较小一部分作为粗氩冷凝器K71和纯氩冷凝器K72的冷源，其余的一部分过冷液氮作为液氮产品传出冷箱送至液氮贮槽。
在主塔C02的上部还得到污氮气，该污氮气依次经过冷器E05和主换热器E03复热后作为分子筛吸附器的再生气。
在主塔C02中部得到氩馏分，该氩馏分经第一粗氩塔C71、第二粗氩塔C72和纯氩塔C73进行脱氧、脱氮和精馏，得到纯氩产品。
来自LNG冷箱单元1的循环液氮，经节流后进入液氮气液分离器V01，分离后的液相（液氮）分为两股：
一股液氮进入液氮-氮换热器E04与来自低压氮压机NC01的经主换热器E03冷却后的压力氮气进行换热汽化，汽化后的氮气与液氮气液分离器V01上部分离出来的循环氮气汇合，汇合后的氮气进入主换热器E03复热，为主换热器E03提供冷能，复热后的氮气再作为循环氮气返回LNG冷箱单元1；
另一股液氮经过冷器E05过冷后作为液氮产品传出主塔冷箱单元3输送至液氮贮槽。
来自主换热器冷箱单元2的循环氮气与来自低压氮压机NC01的部分压力氮气汇合后进入LNG换热器E01进行冷却，冷却至预定温度后，与来自液氮过冷器E02的节流返流并经LNG换热器E01复热后的中压氮气汇合，汇合后的氮气进入循环氮压机NC02的第一段进行增压，增压后进入LNG换热器E01进行冷却，冷却后再与来自液氮过冷器E02的节流返流并经LNG换热器E01复热后的中压氮气汇合，汇合后的氮气进入循环氮压机NC02的第二段进行增压，增压后再次进入LNG换热器E01进行冷却液化，冷却液化后的液氮进入液氮过冷器E02进行过冷。
经该液氮过冷器E02过冷后的循环液氮分为三股：
一股送往主塔冷箱单元3，为主塔冷箱单元3提供冷能；
一股节流后返回液氮过冷器E02进行复热气化，复热气化后进入LNG换热器E01继续复热，然后与来自主换热器E03和低压氮压机NC01汇合后进入LNG换热器E01的循环氮气汇合，汇合后的循环氮气进入循环氮压机NC02的第一段入口；
另一股也节流返流回液氮过冷器E02进行复热汽化，复热汽化后进入LNG换热器E01继续复热，复热后与来自循环氮压机NC02第一段增压后进入LNG换热器E01冷却的中压氮气汇合，汇合后进入循环氮压机NC02的第二段入口，经循环氮压机NC02继续增压。
来自主塔C02中部的氩馏分进入第一粗氩塔C71进行脱氧处理；然后进入第二粗氩塔C72，经第二粗氩塔C72和其上部的粗氩冷凝器K71进行脱氮处理；经脱氧及脱氮处理后进入纯氩塔C73，经纯氩塔C73及其上部的纯氩冷凝器K72和下部纯氩蒸发器K73进行精馏处理，以获得液氩产品，并送至液氩贮槽。
其中，第二粗氩塔C72下部和第一粗氩塔C71上部经循环管道连接，该循环管道上安装循环氩泵P71A/B，由循环氩泵P71A/B将第二粗氩塔C72下部的粗氩液经循环氩泵P71A/B泵往第一粗氩塔C71上部进行循环脱氧、脱氮处理。
该空分系统的冷能均来自LNG汽化产生的冷能。来自LNG接收站的LNG进入LNG换热器E01被氮气复热，将LNG的冷能传递给氮气，LNG在复热过程中一部分被抽入LNG-乙二醇换热器，为乙二醇循环冷却液提供冷能，被乙二醇循环冷却液继续复热后的LNG返回LNG接收站的NG管网；其余部分LNG继续经LNG换热器E01复热后返回LNG接收站的NG管网。该空分系统中的冷却器数量较常规双塔精馏空分系统的冷却器数量少，因此乙二醇循环冷却系统的流量更小，设备投入更少，能耗更小。
综上，本申请的空分方法，可充分利用LNG冷能，对压力远低于常规纯化空气的低压纯化空气进行氧、氮、氩的液化、分离和提纯，可获得所需的液氧、液氮、液氩及相应的气体产品；该方法的空分系统取消常规下塔，设备投入更少，维护和操作更简单；在主塔C02上设置主冷凝器K02，安全性更好；且采用该空分方法能耗更少，操作相应更灵活。

Claims (10)

1.利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统，其特征在于，包括：
LNG冷箱单元（1）、主换热器冷箱单元（2）、主塔冷箱单元（3）、低压氮压机（NC01）和循环氮压机（NC02）；
所述LNG冷箱单元（1）通过循环液氮管道与所述主塔冷箱单元（3）连接；
所述主塔冷箱单元（3）通过低压纯化空气管道、循环氮气管道、低压氮气管道和污氮气管道与所述主换热器冷箱单元（2）连接；
所述主换热器冷箱单元（2）通过循环氮气管道、低压氮气管道与所述LNG冷箱单元（1）连接；
所述低压氮压机（NC01）通过所述低压氮气管道和压力氮气管道分别与所述LNG冷箱单元（1）和主换热器冷箱单元（2）连接；
所述循环氮压机（NC02）通过所述循环氮气管道与所述LNG冷箱单元（1）连接；
其中，所述主塔冷箱单元（3）包括液氮气液分离器（V01）、液氮-氮换热器（E04）、主蒸发器（K01）、主塔（C02）、主冷凝器（K02）、过冷器（E05）和氩提取部（31）；
所述液氮气液分离器（V01）经循环液氮管道分别与所述LNG冷箱单元（1）和过冷器（E05）连接，并经循环氮气管道与所述主换热器冷箱单元（2）连接；
所述液氮-氮换热器（E04）分别经所述循环液氮管道和循环氮气管道与所述液氮气液分离器（V01）和主换热器冷箱单元（2）连接，并经压力氮气管道与所述主换热器冷箱单元（2）和过冷器（E05）连接；
所述主蒸发器（K01）与所述主塔（C02）底部连接，经所述压力氮气管道与主换热器冷箱单元（2）连接，并经压力液氮管道与所述过冷器（E05）连接；
所述主塔（C02）经低压纯化空气管道与所述过冷器（E05）和主换热器冷箱单元（2）连接，并经管道与所述氩提取部（31）连接；
所述主冷凝器（K02）与所述主塔（C02）顶部连接，经所述压力液氮管道和低压氮气管道与所述过冷器（E05）连接；
所述过冷器（E05），通过所述低压氮气管道、污氮气管道与所述主塔（C02）和主换热器冷箱单元（2）连接，并经所述压力液氮管道与所述液氮-氮换热器（E04）连接。
2.根据权利要求1所述的利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统，其特征在于，所述氩提取部（31）包括第一粗氩塔（C71）、第二粗氩塔（C72）、粗氩冷凝器（K71）、循环氩泵（P71A/B）、纯氩塔（C73）、纯氩冷凝器（K72)和纯氩蒸发器（K73）：
所述第一粗氩塔（C71）分别经管道与所述主塔（C02）和第二粗氩塔（C72）连接；
所述粗氩冷凝器（K71）设置于所述第二粗氩塔（C72）顶部，经所述压力液氮管道与所述过冷器（E05）连接，并经管道与所述纯氩塔（C73）连接；
所述循环氩泵（P71A/B）设于所述第一粗氩塔（C71）和第二粗氩塔（C72）之间，其入口端经管道与所述第二粗氩塔（C72）下部连接，其出口端经管道与所述第一粗氩塔（C71）上部连接；
所述纯氩冷凝器（K72）设于所述纯氩塔（C73）的上部，其经所述压力液氮管道与过冷器（E05）连接；
所述纯氩蒸发器（K73）设于所述纯氩塔（C73）的下部，其经所述压力氮气管道与所述主换热器冷箱单元（2）和主冷凝器（K02）连接。
3.根据权利要求1或2所述的利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统，其特征在于，所述LNG冷箱单元（1）包括LNG换热器（E01）和液氮过冷器（E02）：
所述LNG换热器（E01）经所述循环氮气管道与主换热器冷箱单元（2）和循环氮压机（NC02）连接，并经所述低压氮气管道与主换热器冷箱单元（2）和低压氮压机（NC01）连接；
所述氮气过冷器（E02）与所述LNG换热器（E01）相连，并经所述循环液氮管道与主塔冷箱单元（3）相连。
4.根据权利要求3所述的利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统，其特征在于，所述主换热器冷箱单元（2）包括主换热器（E03）；
所述主换热器（E03）经低压氮气管道和循环氮气管道与所述LNG换热器（E01）连接，并经压力氮气管道与所述低压氮压机（NC01）连接；
且所述主换热器（E03）经低压纯化空气管道与所述主塔（C02）连接，经压力氮气管道与所述液氮-氮换热器（E04）、主蒸发器（K01）及纯氩蒸发器（K73）连接，经循环氮气管道与液氮气液分离器（V01）和液氮-氮换热器（E04）连接，经低压氮气管道和污氮气管道与所述过冷器（E05）连接。
5.根据权利要求4所述的利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统，其特征在于：
所述低压氮压机（NC01）用于对来自所述主塔（C02）和主冷凝器（K02）的低压氮气进行增压，增压后的氮气分两部分，一部分经所述主换热器（E03）冷却后进入所述液氮-氮换热器（E04）、主蒸发器（K01）和纯氩蒸发器（K73），为所述液氮-氮换热器（E04）、主蒸发器（K01）和纯氩蒸发器（K73）提供热源，另一部分汇入所述循环气管道中，以补充循环氮气；
所述循环氮压机（NC02）用于对来自所述循环氮气管道的循环氮气进行增压。
6.一种基于权利要求5所述的利用LNG冷能生产液氧、液氮和液氩的空分系统的空分方法，其特征在于，所述空分方法包括：
所述LNG冷箱单元（1）为所述主换热器冷箱单元（2）和所述主塔冷箱单元（3）的主塔（C02）提供LNG汽化产生的冷能，以实现对空气和氮气的冷却液化；
所述主换热器冷箱单元（2）对低压纯化空气和压力氮气进行冷却，并将所述低压纯化空气送至所述主塔（C02）；
所述主塔（C02）对冷却的所述低压纯化空气进行精馏和提纯，在所述主塔（C02）的塔底获得液氧，塔顶及主冷凝器（K02）获得氮气，塔中部获得氩馏分，并将所述氩馏分送至所述氩提取部（31）；
所述氩提取部（31）对来自所述主塔（C02）的氩馏分进行脱氧、脱氮和精馏，以此获得液氩；
所述循环氮气和液氮在所述LNG冷箱单元（1）、主换热器冷箱单元（2）和主塔冷箱单元（3）之间进行循环传输，以此传递LNG汽化的冷能，同时得到部分液氮产品。
7.根据权利要求6所述的空分方法，其特征在于：
经分子筛吸附器净化的所述低压纯化空气经所述主换热器（E03）冷却后进入所述主塔（C02）进行精馏提纯：
在所述主塔（C02）塔底的主蒸发器（K01）得到液氧，所述液氧经过所述过冷器（E05）过冷后送至液氧贮槽；
在所述主塔（C02）塔顶和所述主冷凝器（K02）均得到低压氮气，所述低压氮气依次经过所述过冷器（E05）和主换热器（E03）进行复热，复热后的所述低压氮气进入所述LNG换热器（E01）进行冷却，冷却后的低压氮气经所述低压氮压机（NC01）进行增压，增压后的压力氮气分为两股，一股压力氮气汇入所述LNG冷箱单元（1）的循环氮气管道作为循环氮气的补充，另一股压力氮气进入所述主换热器（E03）进行冷却，经所述主换热器（E03）冷却后的压力氮气分为三部分，一部分进入所述纯氩蒸发器（K73）作为热源，一部分进入所述液氮-氮换热器（E04）与所述LNG冷箱单元（1）来的循环液氮换热液化成，其余部分进入所述主蒸发器（K01）与液氧换热液化，液化后与来自所述液氮-氮换热器（E04）的液氮一起汇入所述过冷器（E05）过冷，过冷后的液氮也分三部分，一部分送往所述主冷凝器（K02）作为冷源，一部分作为所述粗氩冷凝器（K71）和纯氩冷凝器（K72）的冷源，其余部分过冷液氮作为液氮产品传送至液氮贮槽；
所述主塔（C02）上部得到污氮气，所述污氮气经所述过冷器（E05）和主换热器（E03）复热后作为所述分子筛吸附器的再生气；
在所述主塔（C02）中部得到氩馏分，所述氩馏分经所述第一粗氩塔（C71）、第二粗氩塔（C72）和纯氩塔（C73）精馏脱氧脱氮后得到纯氩产品。
8.根据权利要求6或7所述的空分方法，其特征在于：
来自所述LNG冷箱单元（1）的循环液氮，经节流后进入所述液氮气液分离器（V01），分离后的液相分为两股：
一股液氮进入所述液氮-氮换热器（E04）与来自所述低压氮压机（NC01）的经所述主换热器（E03）冷却后的压力氮气进行换热汽化，汽化后的氮气与所述液氮气液分离器（V01）分离出来的循环氮气汇合后进入所述主换热器（E03），再经所述主换热器（E03）复热后作为循环氮气返回所述LNG冷箱单元（1）；
另一股液氮经所述过冷器（E05）过冷后作为液氮产品传送至液氮贮槽。
9.根据权利要求8所述的空分方法，其特征在于：
来自所述主换热器冷箱单元（2）的循环氮气与来自所述低压氮压机（NC01）的压力氮气汇合后进入所述LNG换热器（E01）进行冷却，冷却至预定温度后，与来自所述液氮过冷器（E02）的节流返流并经所述LNG换热器（E01）复热后的中压氮气汇合，汇合后的氮气进入所述循环氮压机（NC02）的第一段进行增压，增压后进入所述LNG换热器（E01）进行冷却，冷却后再与来自所述液氮过冷器（E02）的节流返流并经所述LNG换热器（E01）复热后的中压氮气汇合，汇合后的氮气进入所述循环氮压机（NC02）的第二段进行增压，增压后再次进入所述LNG换热器（E01）进行冷却液化，冷却液化后进入所述液氮过冷器（E02）进行过冷；
经所述液氮过冷器（E02）过冷后的循环液氮分为三股，一股送往所述主塔冷箱单元（3），为所述主塔冷箱单元（3）提供冷能；一股节流后返回所述液氮过冷器（E02）进行复热汽化，复热汽化后进入所述LNG换热器（E01）继续复热，然后与所述循环氮气汇合进入所述循环氮压机（NC02）的第一段入口；另一股也节流返回所述液氮过冷器（E02）进行复热汽化，复热汽化后进入所述LNG换热器（E01）继续复热，与所述循环氮压机（NC02）第一段增压并经LNG换热器（E01）冷却的中压氮气汇合，汇合后进入所述循环氮压机（NC02）的第二段入口进行增压。
10.根据权利要求7所述的空分方法，其特征在于：
来自所述主塔（C02）中部的氩馏分进入所述第一粗氩塔（C71）进行脱氧处理；然后进入所述第二粗氩塔（C72），经所述第二粗氩塔（C72）和粗氩冷凝器（K71）进行脱氮处理；经脱氮处理后进入所述纯氩塔（C73），经所述纯氩塔（C73）、纯氩冷凝器（K72）和纯氩蒸发器（K73）进行精馏处理，以此获得液氩产品；
所述第二粗氩塔（C72）下部的粗氩液能经所述循环氩泵（P71A/B）泵往所述第一粗氩塔（C71）上部进行循环脱氧、脱氮处理。
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