專利名稱：一種等壓分離制取氧氮的空分裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等壓分離制取氧氮的空分裝置，具體屬深度冷凍技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，離不開空氣分離裝置。所謂空氣分離裝置(簡稱空分裝置，通稱制氧機(jī))是指利用深度冷凍原理將空氣液化，然后根據(jù)各組分沸點(diǎn)的不同，在精餾塔內(nèi)進(jìn)行精餾，最后獲得氧、氮，或同時(shí)提取一種或幾種稀有氣體的裝置。1939年，蘇聯(lián)科學(xué)家卡皮查院士發(fā)明高效率(> 80%)徑流向心反動式透平膨脹機(jī)，為全低壓制氧機(jī)的誕生創(chuàng)造了條件。卡皮查透平膨脹機(jī)是近代世界各國透平膨脹機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，卡皮查低壓液化循環(huán)是現(xiàn)代大型制氧機(jī)的基礎(chǔ)。在低溫技術(shù)領(lǐng)域是繼1852年英國科學(xué)家焦耳和湯姆遜發(fā)現(xiàn)焦耳-湯姆遜效益為第一里程碑，“克勞特循環(huán)”的發(fā)明與實(shí)現(xiàn)為第二里程碑，“卡皮查循環(huán)”及全低壓制氧機(jī)的問世被稱為第三里程碑。隨著鋼鐵冶金、化工，尤其是煤化工等行業(yè)對氧氣、氮?dú)獾瓤辗之a(chǎn)品需求的增長，制氧機(jī)已向大型化、超大型化方向發(fā)展，國內(nèi)超大型制氧機(jī)已達(dá)到90000m3/h等級，制氧的新技術(shù)新工藝也層出不窮，國內(nèi)低溫法制氧流程已達(dá)到第六代新流程全面普及的程度。制氧單耗已經(jīng)從原來的大于3kw *h/m302降至0.37kw *h/m302左右,制氧機(jī)的產(chǎn)品也不再是單一的氣氧，既有氣體產(chǎn)品又有液體產(chǎn)品，而且產(chǎn)純氧、純氮、純氬，以及稀有氣體提取。制氧技術(shù)和制氧機(jī)的發(fā)展始終圍繞著安全、智能、節(jié)能，簡化流程、減少投資的方向進(jìn)行著。下面是4種典型傳統(tǒng)流程的簡要說明:附

圖1是管式3200m3/h制氧機(jī)流程示意圖，圖1中:1-蓄冷器，2-自動閥箱，3_透平膨脹機(jī)，4-膨脹過濾器，5-液化器，6-下塔，7-冷凝蒸發(fā)器，8-上塔，9-液氧吸附器，10-液空吸附器，11-液氮過冷器，13-液氧泵，14- 二氧化碳吸附器。該類型制氧機(jī)采用高效透平膨脹機(jī)制冷全低壓流程，即以卡皮查循環(huán)為基礎(chǔ)，用嵌有蛇管的石頭填料蓄冷器凍結(jié)清除水分和二氧化碳，用中部抽氣保證其不凍結(jié)性，用中抽二氧化碳吸附器4清除中抽氣中的二氧化碳。富氧液空經(jīng)液空吸附過濾器過濾二氧化碳干冰，吸附液空中的乙炔，設(shè)有液氧泵13，將液氧循環(huán)經(jīng)液氧吸附器清除液氧中的乙炔，以保證制氧機(jī)安全運(yùn)行。裝置中采用長管式冷凝蒸發(fā)器，以提高傳熱效率。管內(nèi)是液氧沸騰，管間氣氮冷凝。膨脹機(jī)的工質(zhì)是空氣。中抽氣由中抽二氧化碳吸附器清除二氧化碳后與下塔來的旁路氣匯合一起進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹后氣體進(jìn)入上塔即拉赫曼氣。附圖2是可逆式換熱器自清除10000m3/h制氧機(jī)流程示意圖。圖2中:1_可逆式換熱器，2-自動閥箱，3-液化器(污氮)，4-液化器(純氮)，5-液化器(氧氣)，6-透平膨脹機(jī)，
7-下塔，8-冷凝蒸發(fā)器，9-上塔，10-液空過冷器，11-液氧過冷器，12-液氮過冷器，13-液氧吸附器，14-液空吸附器，15-液氧泵。該制冷系統(tǒng)是以卡皮查循環(huán)為基礎(chǔ)的全低壓循環(huán)。采用高效透平膨脹機(jī)，膨脹工質(zhì)為空氣，利用電機(jī)制動回收部分膨脹功。凈化系統(tǒng)采用板翅式可逆式換熱器對水分、二氧化碳自清除。設(shè)置液空吸附器清除富氧中的乙炔。用液氧泵使冷凝蒸發(fā)器中的部分液氧循環(huán)利用液氧吸附器清除液氧中的乙炔及其他碳?xì)浠衔?。裝置中的全部換熱器都采用高效的板翅式換熱器，因此也可稱全板式萬立制氧機(jī)。精餾塔為帶輔塔的雙級精餾塔。膨脹后氣體進(jìn)入上塔，這股拉赫曼氣使制氧機(jī)的制冷系統(tǒng)與精餾系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來。附圖3是30000mVh外壓縮制氧機(jī)流程示意圖。圖3中:AC_空氣冷卻塔，AF-空氣過濾器，AP-液氬泵，TC-空氣離心壓縮機(jī)，BTl-增壓機(jī)(膨脹機(jī))，Cl-下塔，C2-上塔，C701-粗氬塔I，C702-粗氬塔II，C703-精氬塔，El-主換熱器，E2-液空液氮過冷器，EH-電加熱器，ETl-透平膨脹機(jī)，Kl-主冷凝蒸發(fā)器，K701-粗氬冷凝器，K702-粗氬液化器，K704-精氬蒸發(fā)器，MS1、MS2-分子篩純化器；PV701_液氮平衡器，WC-水冷卻塔，WP1、WP2-水泵。該制氧機(jī)即第六代空分流程?？諝饨?jīng)離心式壓縮機(jī)壓縮后經(jīng)分子篩純化器清除加工空氣中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳?xì)浠衔铩６罂諝膺M(jìn)入板翅式主熱交換器冷卻至飽和溫度進(jìn)入下塔。液化循環(huán)采用卡皮查循環(huán)，采用增壓透平膨脹機(jī)制冷，膨脹后空氣進(jìn)入上塔。上塔為規(guī)整填料塔，下塔采用篩板塔。保冷箱內(nèi)設(shè)置粗氬塔和精氬塔，粗氬塔與精氬塔均為規(guī)整填料塔，實(shí)現(xiàn)了無氬制氬。氣氧出塔壓力21kPa，氣氮出塔壓力8kPa，采用離心式氧壓機(jī)和氮壓機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品壓縮。是典型的外壓縮流程，也可稱為“冶金型”制氧機(jī)。除了采用上述核心技術(shù)以外，還采用雙層床分子篩純化技術(shù)，雙層主冷和氮-水預(yù)冷系統(tǒng)的高效蒸發(fā)降溫(取消冷凍機(jī))等技術(shù)，使此類流程的空分裝置進(jìn)一步節(jié)能降耗。附圖4是化工型52000m3/h制氧機(jī)流程示意圖，圖4中:AC_空氣冷卻塔，AF-空氣過濾器，ATCl-空氣離心壓縮機(jī)，ATC2-空氣循環(huán)增壓機(jī)，AP-液氬泵，Cl-下塔，C2-上塔，C701-粗氬塔I，C702-粗氬塔II，C703-精氬塔，El-主換熱器，E3-過冷器，ET-膨脹機(jī)，BC-增壓機(jī)(膨脹機(jī))，EC-水冷塔，SH-蒸汽加熱器，Kl-主冷凝蒸發(fā)器，K701-粗氬冷凝器，K702-粗氬液化器，K703-精氬冷凝器，K704-精氬蒸發(fā)器，MSUMS2-分子篩純化器；NP_液氮泵，OP-液氧泵。該制氧機(jī)為典型的內(nèi)壓縮流程，此流程及配套部機(jī)的特點(diǎn)是:(1)原料空壓機(jī)和空氣增壓機(jī)均采用離心式壓縮機(jī)，由一臺汽輪機(jī)拖動，即一拖二 ；(2)雙層床分子篩純化器，并在切換系統(tǒng)中采用了無沖擊切換技術(shù)；(3)采用中壓增壓透平膨脹機(jī)制冷，制冷工質(zhì)為空氣，膨脹后的空氣進(jìn)入下塔；(4)主換熱器為高效板翅式換熱器，分為高、低壓兩組換熱器；(5)該空分裝置設(shè)置6臺產(chǎn)品泵,兩臺液氧泵、兩臺液氮泵和兩臺液氬泵。均為一用一備，即一臺運(yùn)轉(zhuǎn)、另一臺在線冷備用。必須強(qiáng)調(diào)的該技術(shù)采用的內(nèi)壓縮的液氧泵、液氮泵和液氬泵十分值得關(guān)注:利用液氧、液氮、液氬接近不可壓縮流體的性質(zhì)，較傳統(tǒng)的采用壓氣機(jī)增壓的技術(shù)(因氣體為可壓縮流體)，顯然電機(jī)的功耗大幅度下降。上述4種典型流程均利用了拉赫曼原理，將膨脹降壓的空氣吹入上塔，或者利用從下塔或冷凝蒸發(fā)器的頂蓋抽出的氮?dú)?，一部分?jīng)切換式換熱器環(huán)流通過復(fù)熱后再匯合進(jìn)入透平膨脹機(jī)，膨脹降壓后的氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品氮?dú)庖?，或者與污氮匯合經(jīng)切換式換熱器復(fù)熱回收冷量后放空。由于從下塔引氮?dú)?，冷凝蒸發(fā)器的冷凝量減少，因而送入上塔的液體分量減少，精餾潛力得到利用，這種采用氮膨脹的流程國外的大型全低壓空分裝置上已被采用。采用空氣膨脹、氮?dú)馀蛎浀姆椒ǘ际菫榱藴p少上塔液體餾分，使精餾時(shí)的氣液間的溫差減少，利用了上塔精餾潛力，使全低壓空分裝置具有更大的合理性。上述傳統(tǒng)空分裝置分離氣體的主要基礎(chǔ)是熱力學(xué)，即采用同溫差的卡諾逆循環(huán)分析空分制冷循環(huán)過程，制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是制冷系數(shù)，就是得到的收益和耗費(fèi)的代價(jià)之比值，并且以大氣環(huán)境溫度Ttl與溫度為Tc低溫?zé)嵩?如冷庫)之間的一切制冷循環(huán)，以逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高:
權(quán)利要求
1.一種等壓分離制取氧氮的空分裝置，該裝置包括空氣純化系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)和補(bǔ)冷系統(tǒng)，其特征在于: 所述空分裝置的補(bǔ)冷系統(tǒng)，是指從液氮貯罐(18)出來的液氮(19)，經(jīng)液氮泵(20)、回冷器(21)、入塔液氮洗管線進(jìn)入上塔，補(bǔ)入精餾系統(tǒng)需要的冷量，成為從上塔頂部出來的低溫氮?dú)?23)的一部分，經(jīng)主冷交換器(6)過熱后抽出，成為過熱氮?dú)?24)，再經(jīng)膨脹機(jī)(25)、回冷器(21)，返回液氮貯罐(18)，從而形成補(bǔ)冷系統(tǒng)的液氮冷力循環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述裝置的下塔(8)粗餾得到的富氧液空(11)，經(jīng)液空吸附器(12)脫乙炔后，可節(jié)流降壓后送入上塔(10)，或不經(jīng)節(jié)流等壓送入上塔(10)； 所述裝置的下塔(8)引出的氮?dú)?13)，可節(jié)流降壓后送入上塔(10)，或不經(jīng)節(jié)流等壓送入上塔(10)，或直接進(jìn)入主冷交換器￠)回收冷量后作為產(chǎn)品氮?dú)?39)輸出； 所述裝置精餾系統(tǒng)分離出的氧氣(35)從上塔(10)引出，經(jīng)主冷交換器￠)回收冷量后作為產(chǎn)品氧氣(36)輸出； 所述的裝置分離出的氮?dú)?23)從上塔(10)頂部引出，經(jīng)主冷交換器￠)回收冷量后作為產(chǎn)品氮?dú)?39)輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有氮?dú)庖夯?29):膨脹機(jī)(25)的出口氮?dú)?26)經(jīng)氮?dú)庖夯?29)、回冷器(21),回到液氮貯罐(18);氮?dú)?23)的一部分經(jīng)氮?dú)庖夯?29)冷凝形成產(chǎn)品液氮(22)，或經(jīng)液氮增壓泵(31)、主冷交換器(6)回收冷量后，作為高壓氮?dú)?32)輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有冷交換器(41):氮?dú)?39)經(jīng)冷交換器(41)、氮?dú)庖夯?29)冷凝形成液氮(22)；液化天然氣(40)經(jīng)冷交換器(41)釋放冷量后成為氣態(tài)天然氣(42)輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有液氧循環(huán)回路:從上塔(10)精餾得到的液氧(14)，經(jīng)液氧泵(15)、液氧吸附器(16)脫除乙炔及碳?xì)浠衔锖螅祷厣纤?，從而形成液氧循環(huán)回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有液氧增壓泵(33):上塔(10)精餾得到的液氧(14)，經(jīng)液氧泵(15)、液氧吸附器(16)脫除乙炔及碳?xì)浠衔锖?，再?jīng)液氧增壓泵(33)、主冷交換器(6)回收冷量后，作為產(chǎn)品高壓氧氣(34)送出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于: 所述的膨脹機(jī)(25)的制動設(shè)備(28)采用風(fēng)機(jī)、電機(jī)、液壓泵或壓氣機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有節(jié)流閥(27): 從液氮貯罐(18)出來的液氮(19)，經(jīng)液氮泵(20)、回冷器(21)、入塔液氮洗管線進(jìn)入上塔，補(bǔ)入精餾系統(tǒng)需要的冷量，成為從上塔頂部出來的低溫氮?dú)?23)的一部分，經(jīng)主冷交換器(6)過熱后抽出，成為過熱氮?dú)?24)，再經(jīng)膨脹機(jī)(25)、回冷器(21)、節(jié)流閥(27)，返回液氮貯罐(18)，從而形成補(bǔ)冷系統(tǒng)的液氮冷力循環(huán)回路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于:所述的精餾系統(tǒng)包括下塔(8)、冷凝蒸發(fā)器(9)、上塔(10)，采用一體式或分體式的結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于: 所述的空氣純化系統(tǒng)包括純化器(4)，采用分子篩純化器、可逆式冷交換器或石頭蓄冷器，保證空分裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于: 所述的主冷交換器(6)、氮?dú)庖夯?29)可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)，分別對空氣(5)、氮?dú)?23)進(jìn)行過冷 處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等壓分離制取氧氮的空分裝置，采用低溫端的類似的熱能動力循環(huán)裝置的朗肯循環(huán)系統(tǒng)，采用液氮洗工藝，通過液氮洗補(bǔ)冷系統(tǒng)對空分裝置進(jìn)行補(bǔ)冷，從而實(shí)現(xiàn)空氣的等壓分離制取氮氧。本發(fā)明的空分裝置，相同制冷量的前提下，較傳統(tǒng)先進(jìn)機(jī)組節(jié)能30%以上，設(shè)備及材料用量少，操作、調(diào)節(jié)靈活方便，同時(shí)通過空分裝置能方便實(shí)現(xiàn)多壓力級、多氣體供氣，能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗集中供氣，是對傳統(tǒng)空分技術(shù)及理論的突破，經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保效益顯著。
文檔編號F25J3/04GK103148676SQ201310029678
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月27日
發(fā)明者王海波 申請人:南京瑞柯徠姆環(huán)?？萍加邢薰?br>