CN205718207U

CN205718207U - 空气分离设备

Info

Publication number: CN205718207U
Application number: CN201620536421.0U
Authority: CN
Inventors: 王好民; 彭辉; 王玉磊; 王梦抒
Original assignee: KAIFENG HUANGHE AIR SEPARATION GROUP CO Ltd
Current assignee: KAIFENG HUANGHE AIR SEPARATION GROUP CO Ltd
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2026-06-03

Abstract

本实用新型提供了一种空气分离设备。该空气分离设备包括：压缩机；双级精馏塔，双级精馏塔包括上精馏塔、下精馏塔和设置在上精馏塔和下精馏塔之间的冷凝蒸发器，上精馏塔的中部具有富氧液空进口，压缩机与上精馏塔的中部通过第一空气输送管路相连且接口位于富氧液空进口下方，下精馏塔的顶部与冷凝蒸发器通过氮气输送管路相连。空气分离设备还包括：第三精馏塔，与上精馏塔的底部通过第二富氧液空输送管路相连将上精馏塔产生的第二富氧液空输送至第三精馏塔进行精馏，第三精馏塔的底部设置有蒸发器，蒸发器具有空气入口和空气出口，空气入口与压缩机通过第二空气输送管路相连，空气出口与下精馏塔相连。降低压缩机的排压，实现了节能。

Description

空气分离设备

技术领域

本实用新型涉及空气分离技术领域，具体而言，涉及一种空气分离设备。

背景技术

传统上的燃烧过程大都基于空气为氧化剂来源，即21％的氧气参与燃烧过程，而空气中氮气吸收了大量热量，后作为烟气排出，造成燃料浪费。随着燃烧技术的不断发展，富氧空气作为氧化剂的燃烧过程更节能环保；在富氧环境下，燃料燃烧彻底，热量得到充分释放，减少燃料的热损失，且富氧生产能耗低于纯氧。近年来，以富氧作为氧化剂的炉型所占比例逐步升高。

目前工业富氧空气的制备方法主要是分离空气，应用最广泛的是低温精馏法。传统做法有两种，一种是生产出纯氧，再混入空气，混成所需求的富氧浓度，这种先分离后混合的方式无疑是一种能源的浪费；第二种是如申请号为201110096197.X的实用新型专利申请所公开的低压富氧空气分离工艺，其流程是双塔正流膨胀制取富氧工艺，具体包括以下流程：

(1)空气经过滤器过滤除杂，进入空压机压缩至0.38-0.44MPa，然后冷却至5-10℃，继续送入分子筛吸附器进行净化；(2)净化后的空气分两路，一路作为膨胀空气进入空分分馏塔主换热器的膨胀气通道，然后由主换热器中部抽出进入膨胀机膨胀，另一路空气直接经主换热器冷却至露点温度，继续经氧蒸发器后再进入空分分馏塔下塔精馏，空分分馏塔下塔底部获得富氧液空，空分分馏塔下塔顶部获得氮气；(3)空分分馏塔下塔底部的富氧液空和顶部氮气冷凝液氮经过冷器过冷后与膨胀机膨胀后的空气分别进入空分分馏塔上塔精馏，空分分馏塔上塔顶部获得氮气；(4)空分分馏塔上塔底部获得的液氧进入氧蒸发器被来自主换热器的空气加热而汽化，氧气压力提高至65-80KPa，经主换热器复热后增压获得氧气产品。

在实际应用中，其空压机排压虽然较一般空分较低(约为0.38MPa)，但由于受到主冷温差的限制，无法进一步降低，以实现进一步的节能。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种空气分离设备，以解决现有技术中空气分离工艺节能效果差的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种空气分离设备，包括：压缩机；双级精馏塔，双级精馏塔包括上精馏塔、下精馏塔和设置在上精馏塔和下精馏塔之间的冷凝蒸发器，上精馏塔的中部具有富氧液空进口，压缩机与上精馏塔的中部通过第一空气输送管路相连且接口位于富氧液空进口下方，下精馏塔的顶部与冷凝蒸发器通过氮气输送管路相连以使氮气进入冷凝蒸发器的冷凝侧并加热冷凝蒸发器的蒸发侧的第二富氧液空，第二富氧液空来自上精馏塔，氮气来自下精馏塔，空气分离设备还包括：第三精馏塔，与上精馏塔的底部通过第二富氧液空输送管路相连将上精馏塔产生的第二富氧液空输送至第三精馏塔进行精馏，第三精馏塔的底部设置有蒸发器，蒸发器具有空气入口和空气出口，空气入口与压缩机通过第二空气输送管路相连，空气出口与下精馏塔相连。

进一步地，上述第三精馏塔的顶部与上精馏塔的中部通过顶部气体输送管路相连且接口位于富氧液空进口下方。

进一步地，上述下精馏塔的底部与上精馏塔的富氧液空进口通过第一富氧液体输送管路相连。

进一步地，上述空气分离设备还包括：过冷器，设置在第一富氧液体输送管路上。

进一步地，上述冷凝蒸发器冷凝侧与上精馏塔的顶部通过液氮输送管路相连，且液氮输送管路穿过过冷器设置。

进一步地，上述空气分离设备还包括：主换热器，设置在第二空气输送管路上。

进一步地，上述上精馏塔顶部连接有产品氮气输出管路，产品氮气输出管路依次穿过过冷器和主换热器设置。

进一步地，上述第三精馏塔底部连接有富氧气体产品输送管路，富氧气体产品输送管路穿过主换热器设置。

进一步地，上述空气分离设备还包括：预冷纯化单元，第一空气输送管路依次连接压缩机、预冷纯化单元、上精馏塔的中部，第二空气输送管路依次连接压缩机、预冷纯化单元和空气入口，第一空气输送管路和第二空气输送管路在预冷纯化单元的出口与压缩机之间合并设置。

进一步地，上述空气分离设备还包括：增压膨胀机，具有增压端和膨胀端，增压端和膨胀端按照空气流向依次设置在第一空气输送管路上，且按照空气流向膨胀端设置在主换热器的下游；冷却器，设置在第一空气输送管路上且位于增压端与主换热器之间。

应用本实用新型的技术方案，来自压缩机的一路空气经过第一空气输送管路进入上精馏塔83，并在上精馏塔中得到第二富氧液空和顶部氮气，在上精馏塔精馏时，控制其精馏条件使第二富氧液空的氧含量低于现有技术的氧含量，比如为70～82％，第二富氧液空进入冷凝蒸发器的蒸发侧与位于冷凝侧的氮气进行换热；另一路空气经过第二空气输送管路进入第三精馏塔的蒸发器，用以提供第三精馏塔精馏所需的上升蒸汽，并且自身被部分液化后进入下精馏塔进行精馏；在下精馏塔内部分液化的空气被精馏后得到第一富氧液空和顶部氮气；顶部氮气通过氮气输送管路输送入冷凝蒸发器的冷凝侧，并加热该冷凝蒸发器的蒸发侧的第二富氧液空，而自身被冷凝后部分作为下精馏塔的回流液，部分作为上精馏塔回流液。由于位于该冷凝蒸发器的第二富氧液空的氧含量低，使得在冷凝蒸发器的蒸发温度降低，从而使得冷凝蒸发器的冷凝温度降低，进而导致下精馏塔压力降低，进一步使得压缩机的排压降低，而压缩机的排压降低将实现进一步的节能。在实现了上述节能效果的基础上，利用第二富氧液空输送管路将上精馏塔产生的氧含量较低不满足产品需求的第二富氧液空输送入第三精馏塔进行精馏，进而得到满足产品需求的富氧产品。同时由于，在同一压力下空气比氮气冷凝温度高，同时空气出蒸发器气液两相的状态，该状态下温度比空气全冷凝的泡点温度高，从而达到在压缩机排气压力降低的同时，保证蒸发器的传热温差，满足第三精馏塔在精馏第二富氧液空过程中所需要的上升蒸汽。由此可见，本申请通过在应用上精馏塔时控制其精馏条件，实现了降低压缩机的排压，进而实现了节能的目的；同时，利用第三精馏塔对上精馏塔产生的氧含量较低的第二富氧液空进行进一步精馏，得到了氧含量较高的富氧产品。本申请在得到富氧产品的同时，能够生产氮气和部分液体产品，产品种类丰富，进一步提高产能效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的提供的空气分离设备结构的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、空气过滤器；20、压缩机；30、预冷纯化单元；31、预冷装置；32、纯化装置；40、增压膨胀机；41、增压端；42、膨胀端；50、冷却器；60、主换热器；70、过冷器；81、下精馏塔；82、冷凝蒸发器；83、上精馏塔；90、第三精馏塔；91、蒸发器；101、第一空气输送管路；102、氮气输送管路；103、第二富氧液空输送管路；104、第二空气输送管路；105、顶部气体输送管路；106、第一富氧液体输送管路；107、液氮输送管路；108、产品氮气输出管路；109、富氧气体产品输送管路；110、污氮气输送管路。

具体实施方式

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实用新型。

如背景技术所记载的，由于现有技术中空气分离设备的限制，导致其所能实施的空气分离工艺的节能效果较差。为了解决该问题，在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种空气分离设备，该空气分离设备包括压缩机20和双级精馏塔，双级精馏塔包括上精馏塔83、下精馏塔81和设置在上精馏塔83和下精馏塔81之间的冷凝蒸发器82，上精馏塔83的中部具有富氧液空进口，压缩机20与上精馏塔83的中部通过第一空气输送管路101相连且接口位于富氧液空进口下方，下精馏塔81的顶部与冷凝蒸发器82通过氮气输送管路102相连以使氮气进入冷凝蒸发器82的冷凝侧并加热冷凝蒸发器82的蒸发侧的第二富氧液空，第二富氧液空来自上精馏塔83，氮气来自下精馏塔81，该空气分离设备还包括第三精馏塔90，第三精馏塔90与上精馏塔83的底部通过第二富氧液空输送管路103相连将上精馏塔83产生的第二富氧液空输送至第三精馏塔90进行精馏，第三精馏塔90的底部设置有蒸发器91，蒸发器91具有空气入口和空气出口，空气入口与压缩机20通过第二空气输送管路104相连，空气出口与下精馏塔81相连。

来自压缩机的一路空气经过第一空气输送管路101进入上精馏塔83，并在上精馏塔83中得到第二富氧液空和顶部氮气，在上精馏塔83精馏时，控制其精馏条件使第二富氧液空的氧含量低于现有技术的氧含量，比如为70～82％，第二富氧液空进入冷凝蒸发器的蒸发侧与位于冷凝侧的氮气进行换热(该氮气来自下精馏塔81，具体来源见下文)；另一路空气经过第二空气输送管路104进入第三精馏塔90的蒸发器91，用以提供第三精馏塔90精馏所需的上升蒸汽，并且自身被部分液化后进入下精馏塔81进行精馏；在下精馏塔81内部分液化的空气被精馏后得到第一富氧液空和顶部氮气；顶部氮气通过氮气输送管路102输送入冷凝蒸发器82的冷凝侧，并加热该冷凝蒸发器82的蒸发侧的第二富氧液空，而自身被冷凝后一部分作为下精馏塔81的回流液，另一部分液氮去上精馏塔83精馏。由于位于该冷凝蒸发器82的第二富氧液空的氧含量低，使得在冷凝蒸发器82的蒸发温度降低，从而使得冷凝蒸发器82的冷凝温度降低，进而导致下精馏塔81内的压力降低，进一步使得压缩机20的排压降低，而压缩机20的排压降低将实现进一步的节能。在实现了上述节能效果的基础上，利用第二富氧液空输送管路103将上精馏塔83产生的氧含量较低不满足产品需求的第二富氧液空输送入第三精馏塔90进行精馏，进而得到满足产品需求的富氧产品。同时由于，在同一压力下空气比氮气冷凝温度高，同时空气出蒸发器91气液两相的状态，该状态下温度比空气全冷凝的泡点温度高，从而达到在压缩机20排气压力降低的同时，保证蒸发器91的传热温差，满足第三精馏塔90在精馏第二富氧液空过程中所需要的上升蒸汽。

由此可见，本申请通过在应用上精馏塔83时控制其精馏条件，实现了降低压缩机20的排压，进而实现了节能的目的；同时，利用第三精馏塔90对上精馏塔83产生的氧含量较低的第二富氧液空进行进一步精馏，得到了氧含量较高的富氧产品。本申请在得到富氧产品的同时，能够生产氮气和部分液体产品，产品种类丰富，进一步提高产能效益。

为了提高产品提取率，优选如图1所示，上述第三精馏塔90的顶部与上精馏塔83的中部通过顶部气体输送管路105相连且接口位于富氧液空进口下方。将第三精馏塔90顶部产生的馏分气体通过顶部气体输送管路105输送至上精馏塔83中进行继续精馏。

为了提高产品提取率，优选如图1所示，上述下精馏塔81的底部与上精馏塔83的富氧液空进口通过第一富氧液体输送管路106相连。以对下精馏塔81精馏得到的富氧液空进行进一步精馏，在上精馏塔83精馏产生的第二富氧液空进入第三精馏塔90进一步精馏提高氧气纯度。

为了提高上精馏塔83的精馏效率，优选如图1所示，空气分离设备还包括过冷器70，过冷器70设置在第一富氧液体输送管路106上。利用过冷器对输入上精馏塔83的第一富氧液空进行过冷。

为了提高上精馏塔83的精馏效率，优选上述冷凝蒸发器82冷凝侧与上精馏塔83的顶部通过液氮输送管路107相连，且液氮输送管路107穿过过冷器70设置，以将输送上精馏塔83的液氮过冷。

为了提高精馏效率，优选在空气进入第三精馏塔90的蒸发器91之前，进行换热，优选如图1所示，上述空气分离设备还包括主换热器60，主换热器60设置在第二空气输送管路104上。

本申请精馏所得到的产品温度较低，其热量可以进一步利用，优选如图1所示，上精馏塔83顶部连接有产品氮气输出管路108，产品氮气输出管路108依次穿过过冷器70和主换热器60设置。利用上精馏塔83输出的产品氮气作为过冷器70和主换热器60的冷源使用，且自身被复热。基于上述同样考虑，进一步优选如图1所示，第三精馏塔90底部连接有富氧气体产品输送管路109，富氧气体产品输送管路109穿过主换热器60设置。

优选如图1所示，上述空气分离设备还包括预冷纯化单元30，第一空气输送管路101依次连接压缩机20、预冷纯化单元30、上精馏塔83的中部，第二空气输送管路104依次连接压缩机20、预冷纯化单元30、和空气入口。优选上述第一空气输送管路101和第二空气输送管路104在预冷纯化单元30的出口与压缩机20之间合并设置。

本申请为了提高空气的纯化效果，优选如图1所示，上述预冷纯化单元30包括依次相连设置在压缩机20下游的预冷装置31和纯化装置32。空气经过预冷装置31后，空气中的水分含量降低，同时纯化装置32中的分子筛对CO₂的动吸附容量增大，确保空气的纯化效果。

此外，为了进一步提高氮气产品纯度，优选如图1所示，上述上精馏塔83连接有污氮气输送管路110，污氮气输送管路110依次穿过过冷器70和主换热器60且末端分别与预冷装置31和纯化装置32相连。将污氮气通过污氮气输送管路110输送至预冷装置31进一步回收冷量。进入纯化装置32的污氮气作为再生气源。

在本申请优选的实施例中，优选如图1所示，上述空气分离设备还包括增压膨胀机40和冷却器50，增压膨胀机40具有增压端41和膨胀端42，增压端41和膨胀端42按照空气流向依次设置在第一空气输送管路101上，且沿空气流动方向膨胀端42设置在主换热器60的下游；冷却器50设置在第一空气输送管路101上且位于增压端41与主换热器60之间。

进入第一空气输送管路101的空气由预冷纯化单元30流出后经增压膨胀机40的增压端41增压并经过冷却器50冷却后，进入主换热器60的膨胀气通道，然后由主换热器60中部抽出进入增压膨胀机40的膨胀端42膨胀，膨胀后进入上精馏塔83。

此外，为了保护压缩机，优选上述空气分离设备还包括空气过滤器10，空气过滤器10设置在压缩机20的上游对进入压缩机20的空气进行过滤以去除空气中的粉尘等可过滤杂质。

采用上述的空气分离设备进行空气分离，其中，利用空气分离设备的双级精馏塔的上精馏塔83的得到氧气含量为70～82％的第二富氧液空；第二富氧液空经过第三精馏塔90的精馏得到氧气含量90％以上的气体产品和氧气含量95％以上的液体产品，本工艺氧气提取率97～99.5％。

由于可以利用上述空气分离方法减低上精馏塔的富氧液空中氧气含量，进而可以降低压缩机的排压，从而实现节能；同时利用增加的第三精馏塔对上精馏塔得到的氧气含量较低的富氧液空进行精馏，进而能够得到满足要求的氧气产品。

为了更好地理解本申请，以下将示意性说明如何利用本申请图1所示的空气分离设备进行空气分离。

空气经空气过滤器10过滤除杂后，进入压缩机20压缩至0.315MPa，后进入预冷装置31、纯化装置32依次进行预冷和净化，净化后的空气压力为0.3MPa，流量为101200Nm³/h。

净化后的空气分成两路，一路空气经增压膨胀机40的增压端41增压并经过冷却器50冷却后，进入主换热器60的膨胀气通道，然后由主换热器60中部抽出进入增压膨胀机40的膨胀端42膨胀，膨胀后进入上精馏塔83。另一路空气经主换热器60冷却至露点温度后进入第三精馏塔90的蒸发器91，为第三精馏塔90提供上升蒸汽，自身被部分液化后进入下精馏塔81进行精馏。

上精馏塔83中得到氧气含量为81％的第二富氧液空和顶部氮气，该第二富氧液空在第三精馏塔90继续精馏，得到90％的产品氧气。该产品氧气经过主换热器60复热作为产品送出。上精馏塔83顶部氮气依次经过过冷器70和主换热器60复热后作为纯氮气产品送出，产量为50000Nm³/h；从上精馏塔83的中上部抽出的污氮气依次经过过冷器70和主换热器60复热后去预冷纯化单元30。

在下精馏塔81内部分液化的空气被精馏后得到第一富氧液空和顶部氮气，顶部氮气通过氮气输送管路102输送入冷凝蒸发器82的冷凝侧，并加热该冷凝蒸发器82的蒸发侧的第二富氧液空，而自身被冷凝后部分作为下精馏塔81的回流液，另一部分液氮和下精馏塔81底部第一富氧液空经过过冷器70后进入上精馏塔83进行精馏。

第二富氧液空输送管路103将上精馏塔83的第二富氧液空输送入第三精馏塔90进行精馏，在塔底获得90％的氧气产品和96％的液氧产品，其中液氧产品的产量为200Nm³/h，氧气产品的产量为23150Nm³/h。

由此可见，上述工艺的压缩机排压为0.315MPa，相比于传统纯氧工艺节能约20％，相比于双塔精馏超低压富氧工艺节能约10％。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请通过控制上精馏塔的精馏条件，实现了降低压缩机的排压，进而实现了节能的目的；同时，利用第三精馏塔对上精馏塔产生的氧含量较低的第二富氧液空进行进一步精馏，得到了氧含量较高的富氧产品。同时，以空气作为第三精馏塔中的蒸发器热源，保证了蒸发器在原料空气较低压力下的传热温差，为第三精馏塔提供精馏条件。进一步地，本申请在得到富氧产品的同时，能够生产氮气和部分液体产品，产品种类丰富，进一步提高产能效益。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种空气分离设备，包括：

压缩机(20)；

双级精馏塔，所述双级精馏塔包括上精馏塔(83)、下精馏塔(81)和设置在所述上精馏塔(83)和下精馏塔(81)之间的冷凝蒸发器(82)，所述上精馏塔(83)的中部具有富氧液空进口，所述压缩机(20)与所述上精馏塔(83)的中部通过第一空气输送管路(101)相连且接口位于所述富氧液空进口下方，所述下精馏塔(81)的顶部与所述冷凝蒸发器(82)通过氮气输送管路(102)相连以使氮气进入所述冷凝蒸发器(82)的冷凝侧并加热所述冷凝蒸发器(82)的蒸发侧的第二富氧液空，所述第二富氧液空来自所述上精馏塔(83)，所述氮气来自所述下精馏塔(81)，其特征在于，所述空气分离设备还包括：

第三精馏塔(90)，与所述上精馏塔(83)的底部通过第二富氧液空输送管路(103)相连将所述上精馏塔(83)产生的第二富氧液空输送至所述第三精馏塔(90)进行精馏，所述第三精馏塔(90)的底部设置有蒸发器(91)，所述蒸发器(91)具有空气入口和空气出口，所述空气入口与所述压缩机(20)通过第二空气输送管路(104)相连，所述空气出口与所述下精馏塔(81)相连。

2.根据权利要求1所述的空气分离设备，其特征在于，所述第三精馏塔(90)的顶部与所述上精馏塔(83)的中部通过顶部气体输送管路(105)相连且接口位于所述富氧液空进口下方。

3.根据权利要求1所述的空气分离设备，其特征在于，所述下精馏塔(81)的底部与所述上精馏塔(83)的富氧液空进口通过第一富氧液体输送管路(106)相连。

4.根据权利要求3所述的空气分离设备，其特征在于，所述空气分离设备还包括：

过冷器(70)，设置在所述第一富氧液体输送管路(106)上。

5.根据权利要求4所述的空气分离设备，其特征在于，所述冷凝蒸发器(82)冷凝侧与所述上精馏塔(83)的顶部通过液氮输送管路(107)相连，且所述液氮输送管路(107)穿过所述过冷器(70)设置。

6.根据权利要求4所述的空气分离设备，其特征在于，所述空气分离设备还包括：

主换热器(60)，设置在所述第二空气输送管路(104)上。

7.根据权利要求6所述的空气分离设备，其特征在于，所述上精馏塔(83)顶部连接有产品氮气输出管路(108)，所述产品氮气输出管路(108)依次穿过所述过冷器(70)和所述主换热器(60)设置。

8.根据权利要求6所述的空气分离设备，其特征在于，所述第三精馏塔(90)底部连接有富氧气体产品输送管路(109)，所述富氧气体产品输送管路(109)穿过所述主换热器(60)设置。

9.根据权利要求6所述的空气分离设备，其特征在于，所述空气分离设备还包括：

预冷纯化单元(30)，所述第一空气输送管路(101)依次连接所述压缩机(20)、所述预冷纯化单元(30)、所述上精馏塔(83)的中部，所述第二空气输送管路(104)依次连接所述压缩机(20)、所述预冷纯化单元(30)和所述空气入口，所述第一空气输送管路(101)和所述第二空气输送管路(104)在所述预冷纯化单元(30)的出口与所述压缩机(20)之间合并设置。

10.根据权利要求9所述的空气分离设备，其特征在于，所述空气分离设备还包括：

增压膨胀机(40)，具有增压端(41)和膨胀端(42)，所述增压端(41)和所述膨胀端(42)按照空气流向依次设置在所述第一空气输送管路(101)上，且按照所述空气流向所述膨胀端(42)设置在所述主换热器(60)的下游；

冷却器(50)，设置在所述第一空气输送管路(101)上且位于所述增压端(41)与所述主换热器(60)之间。