CN115839601B - 液体空分及氪氙预浓缩一体化设备 - Google Patents

液体空分及氪氙预浓缩一体化设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及空分设备技术领域，尤其是涉及一种液体空分及氪氙预浓缩一体化设备。液体空分及氪氙预浓缩一体化设备包括液体空分系统和氪氙预浓缩系统；氪氙预浓缩系统包括底部设有再沸器的预浓缩塔，液体空分系统包括空气预处理单元，空气预处理单元的出口通过第一输气支路与再沸器的冷凝侧入口相连通，以向再沸器的冷凝侧输送作为热源的压缩空气。通过压缩空气为再沸器提供热源，相较于传统的利用氮气作为热源的方式，无需设置氮气循环增压机，极大地降低了设备成本，也降低了对外部工程的依赖性；同时，压缩空气的等压饱和温度较氮气更高，再沸器同等换热温差时所需的压缩空气的压力更低，流量也更小。

Description

液体空分及氪氙预浓缩一体化设备
技术领域
本申请涉及空分设备技术领域，尤其是涉及一种液体空分及氪氙预浓缩一体化设备。
背景技术
由于近年稀有气体如氪氙等市场价值攀升，从外压缩液氧中提取贫氪氙液的需求以及经济性也日益凸显；常规的外压缩液氧的氪氙预浓缩装置一般采用氮气循环增压机循环增压作为其热源，但循环增压机成本高，而且需要外部氮气补充循环增压机的泄露损失，对外部公用工程依赖性强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，以通过液体空分系统为氪氙预浓缩系统提供空气作为热源，降低成本以及对外部公用工程的依赖性。
本发明提供了一种液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，包括液体空分系统和氪氙预浓缩系统；
所述氪氙预浓缩系统包括预浓缩塔，所述预浓缩塔用于精馏液氧，以在所述预浓缩塔的底部得到贫氪氙液，且所述预浓缩塔的底部设有用于抽取贫氪氙液的产品液出管；
所述预浓缩塔的底部设有再沸器，所述再沸器用于加热所述预浓缩塔底部的贫氪氙液；
所述液体空分系统包括空气预处理单元，所述空气预处理单元用于制备干燥、纯化的压缩空气，所述空气预处理单元的出口连通有第一输气支路，并通过所述第一输气支路与所述再沸器的冷凝侧入口相连通。
进一步地，所述氪氙预浓缩系统还包括液氧纯化器；
所述液氧纯化器的液氧进口用于通过液氧输送泵与外压缩液氧贮槽相连通，所述液氧纯化器的液氧出口通过管路连通至所述预浓缩塔的液氧原料进口。
进一步地，所述氪氙预浓缩系统还包括预浓缩主换热器，所述第一输气支路经所述预浓缩主换热器后连通至所述再沸器的冷凝侧入口；
所述预浓缩塔的顶部设有冷凝器，所述再沸器的冷凝侧出口通过管路与所述冷凝器的蒸发侧的入口。
进一步地，所述冷凝器的蒸发侧连通有气相出管，所述气相出管经预浓缩主换热器后分为并联设置的第一支路和第二支路；
所述第一支路连通至所述液氧纯化器；
所述冷凝器的蒸发侧连通有液相出管，所述液相出管经所述预浓缩主换热器后连通至所述第二支路。
进一步地，所述液体空分系统还包括空分主换热器和主塔；
所述空气预处理单元的出口分为两路，一路为所述第一输气支路，另一路为第二输气支路，所述第二输气支路经所述空分主换热器后连通至所述主塔的下塔。
进一步地，所述液体空分系统还包括氮气循环增压机；
所述下塔的顶部连通有压力氮返流管，以从所述下塔抽出部分氮气，所述压力氮返流管经所述空分主换热器后连通至所述氮气循环增压机的入口。
进一步地，所述液体空分系统还包括高温膨胀机和低温膨胀机；
所述氮气循环增压机的出口连通有第一氮气支路，所述第一氮气支路依次连通所述高温膨胀机的增压端和所述低温膨胀机的增压端；
所述低温膨胀机的增压端的出口分为两路：一路经由所述空分主换热器、第一节流阀后连通至所述下塔顶部的液氮回流口；另一路经由所述空分主换热器后连通至所述低温膨胀机的膨胀端，然后再经所述空分主换热器后回流至所述氮气循环增压机的入口。
进一步地，所述氮气循环增压机的出口管路连通有与所述第一氮气支路并联设置的第二氮气支路；
所述第二氮气支路经所述空分主换热器后连通至所述高温膨胀机的膨胀端，然后再经所述空分主换热器后回流至所述氮气循环增压机的入口。
进一步地，所述空气预处理单元包括通过管路依次连接的空气压缩机、空冷塔和纯化器，所述纯化器的出口为所述空气预处理单元的出口，所述空气预处理单元还包括用于向所述空冷塔提供冷冻水的水冷塔；
所述第二支路连通至所述水冷塔；
所述主塔的上塔的顶部设有氮气出管，所述氮气出管依次经所述液体空分系统的过冷器、所述空分主换热器后连通至所述水冷塔。
进一步地，所述主塔包括主冷凝蒸发器，所述下塔顶部的氮气经所述主冷凝蒸发器后冷凝为液氮并部分回流至所述下塔；
所述主冷凝蒸发器的冷凝侧连通有液氮出管，所述液氮出管经所述液体空分系统的过冷器后连通至液氮气液分离器，所述液氮气液分离器的底部出液管分为两路，一路连通至所述主塔的上塔的顶部，另一路用作液氮产品出管；
所述下塔的底部连通有富氧液空出管，所述富氧液空出管依次经所述液体空分系统的过冷器和第二节流阀后连通至所述上塔；
所述主冷凝蒸发器的蒸发侧连通有液氧出管，所述液氧出管连接所述液体空分系统的过冷器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备包括液体空分系统和氪氙预浓缩系统；氪氙预浓缩系统包括预浓缩塔，预浓缩塔的底部设有再沸器，预浓缩塔以来自外部的外压缩液氧作为精馏原料，外压缩液氧在预浓缩塔内经传热传质后，在预浓缩塔的塔底得到贫氪氙液，其中少部分贫氪氙液作为产品由塔底的产品液出管被抽出，大部分被塔底的再沸器加热汽化后作为贫氪氙塔的上升气。
液体空分系统包括空气预处理单元，空气预处理单元用于制备液体空分系统所需的干燥、纯化的压缩空气，空气预处理单元的出口连通有第一输气支路，并通过所述第一输气支路与所述再沸器的冷凝侧入口相连通，以通过空气预处理单元向再沸器的冷凝侧输送作为热源的压缩空气。
本申请通过压缩空气为预浓缩塔底部的再沸器提供热源，相较于传统的利用氮气作为热源的方式，无需设置氮气循环增压机，极大地降低了设备成本，也降低了对外部工程的依赖性；同时，压缩空气的等压饱和温度较氮气更高，再沸器同等换热温差时所需的压缩空气的压力更低，流量也更小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备的液体空分系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备的氪氙预浓缩系统的结构示意图。
附图标记：
1-液体空分系统，11-空分主换热器，12-下塔，13-主冷凝蒸发器，14-上塔，15-过冷器，16-液氮气液分离器，17-氮气循环增压机，18-高温膨胀机，19-低温膨胀机，2-氪氙预浓缩系统，21-预浓缩主换热器，22-预浓缩塔，23-再沸器，24-冷凝器，25-液氧纯化器，3-空气预处理单元，31-空气过滤器，32-空气压缩机，33-空冷塔，34-纯化器，35-水冷塔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参照图1和图2描述根据本申请一些实施例所述的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备。
本申请提供了一种液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，如图1和图2所示，包括液体空分系统1和氪氙预浓缩系统2。
如图2所示，氪氙预浓缩系统2包括预浓缩塔22，预浓缩塔22的底部设有再沸器23，预浓缩塔22的顶部设有冷凝器24；预浓缩塔22以来自外部的外压缩液氧作为精馏原料，优选地，氪氙预浓缩系统2还包括液氧纯化器25，液氧纯化器25的液氧进口通过液氧输送泵与外压缩液氧贮槽相连通，液氧纯化器25的液氧出口通过管路与预浓缩塔22中部的液氧原料进口相连通，使外压缩液氧贮槽内的外压缩液氧经液氧输送泵加压后，先经液氧纯化器25吸附去除其中的杂质，再送入预浓缩塔22的中部进行精馏。
外压缩液氧在预浓缩塔22内经传热传质后，在预浓缩塔22的塔底得到贫氪氙液，其中少部分贫氪氙液作为产品由塔底的产品液出管被抽出，大部分被塔底的再沸器23加热汽化后作为贫氪氙塔的上升气；在预浓缩塔22的塔顶，上升气被冷凝器24冷凝后作为预浓缩塔22的回流液。
在该实施例中，再沸器23用于加热预浓缩塔22底部的贫氪氙液，再沸器23的热源来源于液体空分系统1的空气预处理单元3。
具体地，如图1和图2所示，液体空分系统1包括空气预处理单元3，空气预处理单元3用于制备液体空分系统1所需的干燥、纯化的压缩空气；优选地，空气预处理单元3包括通过管路依次连接的空气压缩机32、空冷塔33和纯化器34，空气压缩机32的前方还可设置空气过滤器31，使过滤后的空气经空气压缩机32压缩后先后送至空冷塔33和纯化器34，使空气先经空冷塔33降温并冷凝出部分水分后，再通过纯化器34内的分子筛选择性地吸附除去水分、二氧化碳等杂质，从而得到干燥、纯化后的空气；优选地，空气预处理单元3还包括水冷塔35，水冷塔35用于向空冷塔33提供冷冻水。
空气预处理单元3的出口即纯化器34的出口所连接的输气管路分为两路，一路为第二输气支路，第二输气支路用于向自身的液体空分系统1的主塔输送作为原料的空气，另一路为第一输气支路，第一输气支路与再沸器23的冷凝侧入口相连通，以通过空气预处理单元3向再沸器23的冷凝侧输送作为热源的压缩空气；预浓缩塔22的底部的贫氪氙液位于再沸器23的蒸发侧，流经再沸器23的冷凝侧的压缩空气将作为热源与蒸发侧的贫氪氙液换热，使贫氪氙液被加热汽化。
本申请通过压缩空气为预浓缩塔22底部的再沸器23提供热源，相较于传统的利用氮气作为热源的方式，无需设置氮气循环增压机，极大地降低了设备成本，也降低了对外部工程的依赖性；同时，压缩空气的等压饱和温度较氮气更高，再沸器23同等换热温差时所需的压缩空气的压力更低，流量也更小。
同时，本申请相当于使氪氙预浓缩系统2与液体空分系统1共用空气预处理单元3，但仍可保证两个系统的分别独立运行，装置独立性及可调性高，当氪氙预浓缩系统2不运行时，空气预处理单元3余出的空气可以并入液体空分系统1中，以提高液体空分系统1的最大氧/氮产品的产量，增加装置运行弹性。
在本申请的一个实施例中，优选地，如图2所示，氪氙预浓缩系统2还包括预浓缩主换热器21，第一输气支路经预浓缩主换热器21后连通至再沸器23的冷凝侧入口，使来自空气预处理单元3的空气先经预浓缩主换热器21冷却至饱和温度后被送入再沸器23的冷凝侧。
在该实施例中，优选地，对于预浓缩塔22顶部的冷凝器24，冷凝器24的蒸发侧入口通过管路与再沸器23的冷凝侧出口相连通；具体地，压缩空气经再沸器23的冷凝侧后被冷凝为液空，压缩空气冷凝为液空后被送入冷凝器24的蒸发侧作为冷凝器24的冷源，在冷凝器24中，液空与塔顶的上升气换热，使上升气冷凝，同时液空被汽化。
冷凝器24的蒸发侧连通有气相出管，气相出管经预浓缩主换热器21后分为并联设置的两路，即第一支路和第二支路，从而使在冷凝器24中被汽化的液空经由气相出管流出冷凝器24后，先经预浓缩主换热器21加热复温至预定温度后分别流向第一支路和第二支路；其中第一支路连通至液氧纯化器25，以将第一支路的汽化后的液空用作液氧纯化器25的再生气；第二支路则连通至空气预处理单元3的水冷塔35，使第二支路内的汽化后的液空进入水冷塔35以降低水冷塔35中冷冻水的温度。
在该实施例中，优选地，冷凝器24的蒸发侧也设有液相出管，且该液相出管经预浓缩主换热器21后连通至第二支路；冷凝器24的蒸发侧中未汽化的液空通过该液相出管被抽出，然后经由主换热器加热汽化后汇入第二支路。
关于液体空分系统1，在本申请的一个实施例中，优选地，如图1和图2所示，液体空分系统1除空气预处理单元3之外，还包括空分主换热器11和主塔；主塔包括上塔14、下塔12和设于二者之间的主冷凝蒸发器13，来自空气预处理单元3出口的两个支路中的第二输气支路经空分主换热器11后连通至下塔12，使来自空气预处理单元3的空气经空分主换热器11冷却至接近饱和温度后送入下塔12所谓原料空气。
在该实施例中，优选地，如图1所示，液体空分系统1还包括氮气循环增压机17、高温膨胀机18和低温膨胀机19。
原料空气在下塔12中经传质传热后于下塔12的顶部得到纯氮气，下塔12顶部的部分氮气能够被抽出，优选地，下塔12的顶部设有氮气返流管，且氮气反流管经空分主换热器11后连通至氮气循环增压机17的入口；下塔12顶部的部分氮气经由氮气返流管流出并经空分主换热器11加热复温后作为氮气循环增压机17的部分进气。
氮气循环增压机17的出口分为两路，使经氮气循环增压机17后得到的中压氮气分为两路：
其中一路为第一氮气支路，第一氮气支路依次连通高温膨胀机18的增压端和低温膨胀机19的增压端，以通过高温、低温膨胀机19将中压氮气压缩为高压氮气；低温膨胀机19的增压端的出口分为两路：一路经由空分主换热器11、第一节流阀后连通至所述下塔12顶部的液氮回流口，另一路经由空分主换热器11后连通至低温膨胀机19的膨胀端，然后再经空分主换热器11后回流至氮气循环增压机17的入口。
氮气循环增压机17的出口的另一路为第二氮气支路，第二氮气支路经空分主换热器11后连通至高温膨胀机18的膨胀端，然后再经空分主换热器11后回流至氮气循环增压机17的入口。
综上，氮气循环增压机17的进气由下塔12顶部的复温后的氮气以及经高温、低温膨胀机19膨胀后的返流氮气汇合而成。
在该实施例中，优选地，如图1所示，液冷空分系统还包括过冷器15和液氮气液分离器16。下塔12顶部的氮气的部分除上述的被抽出送至氮气循环增压机17的入口，还有部分进入主冷凝蒸发器13的冷凝侧与来自上塔14的液氧换热并被冷凝为液氮，冷凝的液氮部分作为下塔12回流液，另一部分经由主冷凝蒸发器13的冷凝侧的液氮出管流出，且液氮出管经过冷器15后连通至液氮气液分离器16，使液氮经过冷后进入液氮气液分离器16进行气液分离，液氮气液分离器16的底部出液管分为两路，一路回流至所述主塔的上塔14的顶部，另一路用作液氮产品出管，使液氮气液分离罐中的液氮一部分回流至上塔14，另一部分作为液氮产品被抽出。
在该实施例中，优选地，如图1所示，下塔12的底部连通有富氧液空出管，富氧液空出管依次经液体空分系统1的过冷器15和第二节流阀后连通至上塔14；主冷凝蒸发器13的蒸发侧连通有液氧出管，液氧出管依次连接液体空分系统1的过冷器15和第三节流阀。下塔12底部的富氧液空被抽出后经过冷器15冷却后节流送入上塔14的中部作为上塔14原料进液，经传热传质后于上塔14的底部得到纯液氧，纯液氧与来自下塔12的氮气在主冷凝蒸发器13内换热，同时从主冷凝蒸发器13中抽出液氧经过冷器15后作为液氧产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，其特征在于，包括液体空分系统和氪氙预浓缩系统；
所述氪氙预浓缩系统包括预浓缩塔，所述预浓缩塔用于精馏液氧，以在所述预浓缩塔的底部得到贫氪氙液，且所述预浓缩塔的底部设有用于抽取贫氪氙液的产品液出管；
所述预浓缩塔的底部设有再沸器，所述再沸器用于加热所述预浓缩塔底部的贫氪氙液；
所述液体空分系统包括空气预处理单元，所述空气预处理单元用于制备干燥、纯化的压缩空气，所述空气预处理单元的出口连通有第一输气支路，并通过所述第一输气支路与所述再沸器的冷凝侧入口相连通；
所述液体空分系统还包括空分主换热器和主塔；
所述空气预处理单元的出口分为两路，一路为所述第一输气支路，另一路为第二输气支路，所述第二输气支路经所述空分主换热器后连通至所述主塔的下塔；
所述液体空分系统还包括氮气循环增压机；
所述下塔的顶部连通有压力氮返流管，以从所述下塔抽出部分氮气，所述压力氮返流管经所述空分主换热器后连通至所述氮气循环增压机的入口；
所述液体空分系统还包括高温膨胀机和低温膨胀机；
所述氮气循环增压机的出口连通有第一氮气支路，所述第一氮气支路依次连通所述高温膨胀机的增压端和所述低温膨胀机的增压端；
所述低温膨胀机的增压端的出口分为两路：一路经由所述空分主换热器、第一节流阀后连通至所述下塔顶部的液氮回流口；另一路经由所述空分主换热器后连通至所述低温膨胀机的膨胀端，然后再经所述空分主换热器后回流至所述氮气循环增压机的入口；
所述氮气循环增压机的出口管路连通有与所述第一氮气支路并联设置的第二氮气支路；
所述第二氮气支路经所述空分主换热器后连通至所述高温膨胀机的膨胀端，然后再经所述空分主换热器后回流至所述氮气循环增压机的入口；
所述主塔包括主冷凝蒸发器，所述下塔顶部的氮气经所述主冷凝蒸发器后冷凝为液氮并部分回流至所述下塔；
所述主冷凝蒸发器的冷凝侧连通有液氮出管，所述液氮出管经所述液体空分系统的过冷器后连通至液氮气液分离器，所述液氮气液分离器的底部出液管分为两路，一路连通至所述主塔的上塔的顶部，另一路用作液氮产品出管；
所述下塔的底部连通有富氧液空出管，所述富氧液空出管依次经所述液体空分系统的过冷器和第二节流阀后连通至所述上塔；
所述主冷凝蒸发器的蒸发侧连通有液氧出管，所述液氧出管连接所述液体空分系统的过冷器。
2.根据权利要求1所述的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，其特征在于，所述氪氙预浓缩系统还包括液氧纯化器；
所述液氧纯化器的液氧进口用于通过液氧输送泵与外压缩液氧贮槽相连通，所述液氧纯化器的液氧出口通过管路连通至所述预浓缩塔的液氧原料进口。
3.根据权利要求2所述的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，其特征在于，所述氪氙预浓缩系统还包括预浓缩主换热器，所述第一输气支路经所述预浓缩主换热器后连通至所述再沸器的冷凝侧入口；
所述预浓缩塔的顶部设有冷凝器，所述再沸器的冷凝侧出口通过管路与所述冷凝器的蒸发侧的入口。
4.根据权利要求3所述的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，其特征在于，所述冷凝器的蒸发侧连通有气相出管，所述气相出管经预浓缩主换热器后分为并联设置的第一支路和第二支路；
所述第一支路连通至所述液氧纯化器；
所述冷凝器的蒸发侧连通有液相出管，所述液相出管经所述预浓缩主换热器后连通至所述第二支路。
5.根据权利要求4所述的液体空分及氪氙预浓缩一体化设备，其特征在于，所述空气预处理单元包括通过管路依次连接的空气压缩机、空冷塔和纯化器，所述纯化器的出口为所述空气预处理单元的出口，所述空气预处理单元还包括用于向所述空冷塔提供冷冻水的水冷塔；
所述第二支路连通至所述水冷塔；
所述主塔的上塔的顶部设有氮气出管，所述氮气出管依次经所述液体空分系统的过冷器、所述空分主换热器后连通至所述水冷塔。
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