CN118049823A - 一种快启动空气分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气分离设备领域，公开了一种快启动空气分离系统，包括空气分离塔和充冷装置；空气分离塔包括依次连接的上塔和下塔，上塔和下塔之间设置有冷凝蒸发器，冷凝蒸发器的蒸发侧设置在上塔内底部，冷凝蒸发器的冷凝侧设置在下塔内顶部；空气分离塔上设置有冷却管，冷却管一端与上塔中下部连接、另一端与下塔顶部连接，冷却阶段，用于连通上塔中下部与下塔顶部；充冷装置与上塔底部连接，积液阶段，用于向冷凝蒸发器的蒸发侧充入空气分离塔产出液；本方案通过冷却管和充冷装置既缩短了冷却、积液阶段的耗时，加快了启动速度，同时又减小了耗能，大幅提高了系统整体效益。

Description

一种快启动空气分离系统

技术领域

本发明涉及空气分离设备领域，更具体地，涉及一种快启动空气分离系统。

背景技术

空气分离装置主要用于对空气进行加工分离，其原理是将常温空气液化并精馏，得到氧、氮、氩等的气态和液态产品；空气分离装置的热态开车需要经过四个阶段，分别为加温吹扫、冷却、积液、调纯，理论情况下，四个阶段耗时大致需要40小时(具体时间因空分机组大小有所差异)，前三个阶段无产品产出，若能缩短其所需时间，可以大大提高设备效益。当冷凝蒸发器蒸发侧出现液体时，冷却阶段结束，进入积液阶段，液体需要积累到一定量后冷凝蒸发器才能逐渐进入工作状态，积液过程需要空压机全负荷运行，这对于中大型的空气分离装置来讲，其耗电量相当惊人，积液阶段一般耗时十几二十几小时左右，具有较大操作空间。

申请公布号为CN109974394A的发明专利申请公开了一种空气分离装置及其开工阶段进行积液的方法，该发明提供的空气分离装置包括空气分离塔，所述空气分离塔包括下塔和上塔，所述上塔设置有液氮入口、空气入口、液空入口、液相出口和若干个气相出口，液氮入口的位置高于空气入口；与空气入口相连的空气输送管道；与液氮入口相连的液氮输送管道；空气分离装置开工时，将液氮和空气分别通过相应的输送管道输入到空气分离塔的上塔中，逐塔板实现上升空气的冷凝和液氮气化，冷凝的液体流至上塔内底部，形成积液。

上述方案主要是在上塔中接入液氮和空气，液氮气化吸热，空气被冷凝下流至上塔内底部，从而实现积液的加快，但这种方法还是要液氮冷凝的液体在上塔内底部积液到一定量才能使冷凝蒸发器工作，进行冷凝、积液这一过程所需时间长，导致整体启动速度慢，耗电量大。现有的空气分离装置在冷却阶段，下塔的冷却气体通过向上塔输送液氮的液氮输送管和向上塔输送液空的液空输送管送入上塔，用于上塔内冷凝蒸发器的冷却，因这两根管连接于上塔中上部和顶部，送入上塔的冷却气体上升通过氧、氮、污氮的放空阀流出塔外，上塔内底部和冷凝蒸发器蒸发侧很难被吹到，导致冷凝蒸发器冷却时间长，整体启动速度变慢，耗能大。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的缺陷，提供一种快启动空气分离系统，用于解决冷却阶段，冷凝蒸发器蒸发侧很难被吹到，冷凝蒸发器冷却时间长，导致整体启动速度变慢；积液阶段，冷凝、积液这一过程所需时间长，导致整体启动速度慢的技术问题。

本发明采取的技术方案是，一种快启动空气分离系统，包括空气分离塔和充冷装置；所述空气分离塔包括依次连接的上塔和下塔，所述上塔和下塔之间设置有冷凝蒸发器，所述冷凝蒸发器的蒸发侧设置在上塔内底部，所述冷凝蒸发器的冷凝侧设置在下塔内顶部；所述空气分离塔上设置有冷却管，所述冷却管一端与上塔中下部连接、另一端与下塔顶部连接，冷却阶段，用于连通上塔中下部与下塔顶部；所述充冷装置与上塔底部连接，积液阶段，用于向冷凝蒸发器的蒸发侧充入空气分离塔产出液。

冷却阶段，用于下塔的冷却气体通过冷却管直接从下塔顶部送入上塔中下部，可使冷凝蒸发器蒸发侧和上塔内底部加快冷却，从而缩短冷凝蒸发器的冷却时间，加快了整体的启动速度，同时能提高冷量利用率，减小了冷却阶段的能耗；积液时，通过充冷装置将空气分离塔产出液充入上塔内底部，充入的空气分离塔产出液在上塔内底部冷凝蒸发器蒸发侧积累至一定量后，冷凝蒸发器即可开始工作，相当于省去了现有技术中冷凝蒸发器蒸发侧冷凝、积液这一过程，缩短了积液阶段的耗时，大幅加快了整体的启动速度，无需耗电，降低了运行成本；本方案通过冷却管和充冷装置既缩短了冷却、积液阶段的耗时，加快了启动速度，同时又减小了耗能，大幅提高了系统整体效益。

进一步的，所述充冷装置包括充冷管和充冷模块；所述充冷管出口与上塔底部连接；所述充冷模块与充冷管进口连接，积液阶段，用于向充冷管内供给空气分离塔产出液。通过充冷模块可将空气分离塔产出液通过低温截止阀快速充入充冷管中，在积液阶段，通过充冷模块向充冷管内供给空气分离塔产出液，空气分离塔产出液通过充冷管充入上塔内底部，充入的空气分离塔产出液在上塔内底部积累至一定量后，冷凝蒸发器即可开始工作，相当于省去了现有技术中冷凝蒸发器蒸发侧冷凝、积液这一过程，缩短了积液时间，无需耗电，降低了整体的运行成本。

进一步的，所述充冷模块与充冷管进口之间设置有低温截止阀，所述低温截止阀进口与充冷模块可拆卸连接，所述低温截止阀出口与充冷管进口固定连接。在积液完成后，通过低温截止阀截断充冷管，以使上塔和下塔能进行后续工序。

进一步的，所述充冷模块上连接有用于输出空气分离塔产出液的软管，所述软管通过快速接头与低温截止阀进口连接。软管能进行任意弯折，使用时更为方便，快速接头便于快接、快拆，能有效缩短连接时间，提高连接效率，使用体验更佳。

进一步的，所述充冷模块为带有增压装置的空气分离塔产出液储槽或槽车。空气分离塔产出液储槽或槽车能储藏大量空气分离塔产出液，从而能在积液时，快速充入上塔内底部，所需时间短，充入时间快。

进一步的，所述空气分离塔产出液为液氮或液氧。在空气分离装置正常运行时，上塔内底部产生的液体为液氧，若向上塔内底部充入的空气分离塔产出液为液氧时，则相当于使上塔直接过渡到积液后的正常运行状态；若向上塔内底部充入的空气分离塔产出液为液氮时，则其冷量较液氧更多，且安全性更好，也可使冷凝蒸发器进入工作状态。

进一步的，所述上塔底部设置有液氧取出管，所述液氧取出管上设置有阀门二，所述阀门二与上塔之间的液氧取出管上连接有液氧排放管，所述液氧排放管上设置有阀门一，所述充冷管出口连接于阀门一与液氧取出管之间的液氧排放管上。利用了原有的液氧取出管和液氧排放管，实施时无需冷箱扒砂和高空作业，能有效降低成本。

进一步的，从下塔到上塔的冷却管上依次设置有节流阀和截止阀。下塔压力远大于上塔压力，因此，通过节流阀节流降压后，冷却气体流入上塔下部用于冷凝蒸发器蒸发侧的冷却，截止阀主要是在冷却阶段结束后截断冷却管，防止正常生产时上塔和下塔串气，影响工况。

进一步的，所述下塔上设置有液氮回流管，所述液氮回流管具有第一端和第二端，所述液氮回流管的第一端用于连接下塔内顶部设置的液氮接液槽，所述液氮回流管的第二端与下塔顶部连接，所述液氮回流管第二端的高度小于液氮回流管第一端的高度，所述液氮回流管上设置有阀门。所述空气分离塔上设置有液氮输送管，所述液氮输送管的一端与液氮回流管连接，所述液氮输送管的另一端与上塔顶部连接。液氮回流管将液氮接液槽内的一部分液氮回流入下塔作为下塔的回流液，同时另一部分通过液氮输送管输入上塔作为上塔内顶部精馏段的回流液。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：冷却阶段，用于下塔的冷却气体通过冷却管直接从下塔内顶部送入上塔中下部，可使冷凝蒸发器蒸发侧和上塔内底部加快冷却，从而缩短冷凝蒸发器的冷却时间，加快了整体的启动速度，同时能提高冷量利用率，减小了冷却阶段的能耗；积液时，通过充冷装置将空气分离塔产出液充入上塔内底部，充入的空气分离塔产出液在上塔内底部冷凝蒸发器蒸发侧积累至一定量后，冷凝蒸发器即可开始工作，相当于省去了现有技术中冷凝蒸发器蒸发侧冷凝、积液这一过程，缩短了积液阶段的耗时，大幅加快了整体的启动速度，无需耗电，降低了运行成本；本方案通过冷却管和充冷装置既缩短了冷却、积液阶段的耗时，加快了启动速度，同时又减小了耗能，大幅提高了系统整体效益。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：1、空气分离塔，2、充冷管，3、低温截止阀，4、上塔，5、下塔，6、冷凝蒸发器，7、液氧取出管，8、充冷模块，9、软管，10、快速接头，11、氧气排出管，12、液氮回流管，13、液氮输送管，14、氮气排出管，15、污氮气排出管，16、氩馏份气排出管，17、液空输送管，18、压缩空气输送管，19、液氧排放管，20、阀门一，21、阀门二，22、冷却管，23、截止阀，24、充冷装置，25、节流阀。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示，本方案公开了一种快启动空气分离系统，包括空气分离塔1和充冷装置24。

空气分离塔1包括依次连接的上塔4和下塔5，上塔4和下塔5之间设置有冷凝蒸发器6，冷凝蒸发器6的蒸发侧设置在上塔4内底部，冷凝蒸发器6的冷凝侧设置在下塔5内顶部；上塔4上从上往下依次设置有氮气排出管14、污氮气排出管15、氩馏份气排出管16、氧气排出管11和液氧取出管7。

下塔5上设置有压缩空气输送管18，下塔5底部通过液空输送管17与上塔4中上部连接；下塔5上设置有液氮回流管12，液氮回流管12具有第一端和第二端，液氮回流管12的第一端用于连接下塔5内顶部设置的液氮接液槽，液氮回流管12的第二端与下塔5顶部连接，液氮回流管12第二端的高度小于液氮回流管12第一端的高度，液氮回流管12上设置有阀门；空气分离塔1上设置有液氮输送管13，液氮输送管13的一端与液氮回流管12连接，液氮输送管13的另一端与上塔4顶部连接。

工作原理如下：

冷凝蒸发器6主要是将上塔4内底部液氧的冷量换热到下塔5内顶部，用于氮气冷凝形成液氮，下塔5的热量则换热到冷凝蒸发器6蒸发侧，用于液氧蒸发形成气氧，从而为精馏过程提供回流液和上升蒸汽。

1、首先空气被压缩净化冷却，通过压缩空气输送管18送入下塔5，作为下塔5的上升气体，在冷凝蒸发器6冷凝侧冷凝的液氮从下塔5内顶部下流，作为回流液，回流液和上升气体在下塔5内的层层塔板或填料上经过传热传质的精馏过程后，回流液积累在下塔5内底部就得到了富氧液空；上升气体上升至下塔5内顶部被冷凝蒸发器6冷凝侧冷凝为液氮。

2、下塔5内的富氧液空通过液空输送管17经节流降压后通入上塔4中上部，作为上塔4提馏段进一步精馏的原料，与下塔5精馏原理相同，富氧液空下流和上升蒸汽经过多次部分蒸发和部分冷凝，之后下流达上塔4内底部得到液氧。

3、下塔5内顶部的液氮通过液氮输送管13经节流降压后送入上塔4内顶部，作为精馏段回流液，经过多次部分蒸发，到了上塔4内顶部，便可得到气氮并通过氮气排出管14排出，多次蒸发中形成的污氮气通过污氮气排出管15排出，氧气通过氧气排出管11排出，液氧通过液氧取出管7排出，氩馏分气通过氩馏分气排出管16进粗氩塔继续精馏。

积液初期，冷凝蒸发器6蒸发侧没有液体，通过过冷器回收冷量，液空输送管17、液氮输送管13上的节流阀节流降温慢慢产生液体积聚在上塔4内底部，待液面积累到接触冷凝蒸发器6的板式单元后(冷凝蒸发器6最底部距离下塔5最底部还有些距离，液体出现初期液面未接触冷凝蒸发器6板式单元其不会工作)开始换热工作，下塔5内上升的氮气才能被液化成液氮，为下塔5提供回流液，继而为上塔4提供回流液，回流液又补充了冷凝蒸发器6的液面，冷凝蒸发器6液面继续上涨，其换热面积增大，如此不断积液至液体淹没冷凝蒸发器6的百分至八十左右，设备才随积液过程逐渐开始工作至满负荷，此积液过程一般需要十几至二十几小时。向上塔4中接入液氮和空气，液氮气化吸热，空气被冷凝下流至上塔4内底部的积液方式，还是要经过在上塔4内顶部冷凝、积液这一过程，进行冷凝、积液这一过程所需时间长，导致启动速度慢。

改进后，增设冷却管22，冷却管22一端与上塔4中下部连接、另一端与下塔5顶部连接，冷却阶段，用于连通上塔4中下部与下塔5顶部；从下塔5到上塔4的冷却管22上依次设置有节流阀25和截止阀23。下塔5压力远大于上塔4压力，实际中，上塔4压力大概在40Kpa左右，下塔5的压力大概在0.48Mpa左右，因此，通过节流阀25节流降压后，冷却气体才能流入到上塔5内底部用于冷凝蒸发器6蒸发侧的冷却，截止阀23主要是在冷却阶段结束后截断冷却管22，防止正常生产时上塔4下塔5串气破坏工况。

增设充冷装置24，充冷装置24包括充冷管2和充冷模块8；充冷管2出口与上塔4底部连接；充冷模块8与充冷管2进口连接，积液阶段，用于向充冷管2内供给空气分离塔产出液；充冷模块8与充冷管2进口之间设置有低温截止阀3，低温截止阀3进口与充冷模块8可拆卸连接，低温截止阀3出口与充冷管2进口固定连接；充冷模块8上连接有用于输出空气分离塔产出液的软管9，软管9通过快速接头10与低温截止阀3进口连接，充冷模块8为带有增压装置的空气分离塔产出液储槽或槽车；空气分离塔产出液为液氮或液氧，还可以是液氩，其中，液氩相对较贵，一般不会选用；选用液氮或液氩时，温度较低，所含带冷量较多，同时充装过程安全性较高。空气分离塔产出液即空气分离塔1产出的低温液体，实践中，可以将前一次空气分离塔1工作时产出的低温液体储存并在下一次启动时充入空气分离塔1，以达到快速启动的目的，选用空气分离塔1产出的低温液体，易得、无需另外购买，成本低。

实践中，在上塔4底部的液氧取出管7上设置有阀门二21，阀门二21与上塔4之间的液氧取出管7上连接液氧排放管19，液氧排放管19上设置阀门一20，充冷管2出口连接于阀门一20与液氧取出管7之间的液氧排放管19上。积液时，阀门一20和阀门二21关闭，将充冷模块8通过快速接头10快速连接低温截止阀3，其中的空气分离塔产出液通过低温截止阀3进口快速充入充冷管2，经充冷管2通过部分液氧排放管19和部分液氧取出管7直接充入上塔4内底部，空气分离塔产出液在上塔4内底部冷凝蒸发器6蒸发侧迅速形成液面至正常工作时液面的80％左右，冷凝蒸发器6即可逐渐工作至满负荷，相当于省去了冷凝蒸发器6蒸发侧缓慢积累液体的过程，缩短了积液时间，降低了空气分离塔1整体的运行成本。将充冷管2通过液氧排放管19和液氧取出管7与上塔4底部连通，相当于利用了现有已设置的管道，实施时无需冷箱扒砂和高空作业，能有效降低成本；充冷管2出口也可以直接与上塔4底部连接，但如此需要另外增设非常长的管路，成本会陡然上升。

本方案通过充冷模块8向上塔4内底部通入空气分离塔产出液(可以是液氮，也可以是液氧)直接淹没冷凝蒸发器6蒸发侧至百分之八十左右，以充入空气分离塔产出液代替积液过程，仅需要一到两个小时左右，相比于改进前大幅缩短了积液时间，实现了快速启动，快速出产，减小了耗电量，大幅提高了系统整体效益。

以莱芜天元气体有限公司KDON21000/22000空分设备为例，热态开车时加温吹扫是为了吹除塔内和管道的杂质和游离水等，吹至露点合格为止，然后开启膨胀机进行全装置冷却，将空分设备由常温冷却至接近空气液化温度，转为积液阶段，下塔5内底部开始出现液空，液空和湿蒸汽通过节流阀进一步降温在冷凝蒸发器6蒸发侧积聚，随着冷凝蒸发器6液面的积聚开始工作，空压机的空气逐渐吃进下塔5，冷凝蒸发器6液面到达制定范围后积液结束，后续开始调整纯度，积液初期冷凝蒸发器6的液体要排掉几次，主要为了防止冷凝蒸发器6内碳氢化合物的积聚造成危险，此积液阶段大概需要耗时25小时左右，而通过本方案的方式只需3小时左右即可使冷凝蒸发器达到正常时的液面3700mm，时间缩短效果显著。

将空气分离塔产出液充入冷凝蒸发器6可以使冷凝蒸发器6迅速建立液面，大大减少积液阶段的耗时，上塔4压力约为40kpa，充冷口(低温截止阀3进口)到冷凝蒸发器6高度约25米，实际中，根据充入的液氮或液氧密度可以计算充入时所需压力，在冷凝蒸发器6出现液体并排液几次后，此时塔内已冷透，防止充入时产生较大应力，造成管道或冷凝蒸发器6泄露；充入时根据监控的塔内压力、阻力等测点值控制充入速度，防止下塔5突然吃进大量空气造成空压机压力低联锁停机即可。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快启动空气分离系统，其特征在于：包括空气分离塔(1)和充冷装置(24)；

所述空气分离塔(1)包括依次连接的上塔(4)和下塔(5)，所述上塔(4)和下塔(5)之间设置有冷凝蒸发器(6)，所述冷凝蒸发器(6)的蒸发侧设置在上塔(4)内底部，所述冷凝蒸发器(6)的冷凝侧设置在下塔(5)内顶部；

所述空气分离塔(1)上设置有冷却管(22)，冷却阶段，用于连通上塔(4)中下部与下塔(5)顶部；

所述充冷装置(24)与上塔(4)底部连接，积液阶段，用于向冷凝蒸发器(6)蒸发侧充入空气分离塔产出液。

2.根据权利要求1所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述充冷装置(24)包括充冷管(2)和充冷模块(8)；

所述充冷管(2)出口与上塔(4)底部连接；

所述充冷模块(8)与充冷管(2)进口连接，积液阶段，用于向充冷管(2)内供给空气分离塔产出液。

3.根据权利要求2所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述充冷模块(8)与充冷管(2)进口之间设置有低温截止阀(3)，所述低温截止阀(3)进口与充冷模块(8)可拆卸连接，所述低温截止阀(3)出口与充冷管(2)进口固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述充冷模块(8)上连接有用于输出空气分离塔产出液的软管(9)，所述软管(9)通过快速接头(10)与低温截止阀(3)进口连接。

5.根据权利要求2所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述充冷模块(8)为带有增压装置的空气分离塔产出液储槽或槽车。

6.根据权利要求2所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述空气分离塔产出液为液氮或液氧。

7.根据权利要求2所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述上塔(4)底部设置有液氧取出管(7)，所述液氧取出管(7)上设置有阀门二(21)，所述阀门二(21)与上塔(4)之间的液氧取出管(7)上连接有液氧排放管(19)，所述液氧排放管(19)上设置有阀门一(20)，所述充冷管(2)出口连接于阀门一(20)与液氧取出管(7)之间的液氧排放管(19)上。

8.根据权利要求1所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：从下塔(5)到上塔(4)的冷却管(22)上依次设置有节流阀(25)和截止阀(23)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述下塔(5)上设置有液氮回流管(12)，所述液氮回流管(12)具有第一端和第二端，所述液氮回流管(12)的第一端用于连接下塔(5)内顶部设置的液氮接液槽，所述液氮回流管(12)的第二端与下塔(5)顶部连接，所述液氮回流管(12)第二端的高度小于液氮回流管(12)第一端的高度，所述液氮回流管(12)上设置有阀门。

10.根据权利要求9所述的一种快启动空气分离系统，其特征在于：所述空气分离塔(1)上设置有液氮输送管(13)，所述液氮输送管(13)的一端与液氮回流管(12)连接，所述液氮输送管(13)的另一端与上塔(4)顶部连接。