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)是指利用深度冷凍原理將空氣液化，然后根據(jù)各組分沸點的不同，在精餾塔內(nèi)進行精餾，最后獲得氧、氮，或同時提取一種或幾種稀有氣體的裝置。1939年，蘇聯(lián)科學家卡皮查院士發(fā)明高效率(> 80%)徑流向心反動式透平膨脹機，為全低壓制氧機的誕生創(chuàng)造了條件?？ㄆげ橥钙脚蛎洐C是近代世界各國透平膨脹機發(fā)展的基礎(chǔ)，卡皮查低壓液化循環(huán)是現(xiàn)代大型制氧機的基礎(chǔ)。在低溫技術(shù)領(lǐng)域是繼1852年英國科學家焦耳和湯姆遜發(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)明與實現(xiàn)為第二里程碑，“卡皮查循環(huán)”及全低壓制氧機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、氮氣等空分產(chǎn)品需求的增長，制氧機已向大型化、超大型化方向發(fā)展，國內(nèi)超大型制氧機已達到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制氧機流程示意圖，圖1中:1-蓄冷器，2-自動閥箱，3_透平膨脹機，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。該類型制氧機采用高效透平膨脹機制冷全低壓流程，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，以保證制氧機安全運行。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入膨脹機，膨脹后氣體進入上塔即拉赫曼氣。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，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，膨脹工質(zhì)為空氣，利用電機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氫化合物。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。精餾塔為帶輔塔的雙級精餾塔。膨脹后氣體進入上塔，這股拉赫曼氣使制氧機的制冷系統(tǒng)與精餾系統(tǒng)有機地聯(lián)系起來。附圖3是30000mVh外壓縮制氧機流程示意圖。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，BTl-增壓機(膨脹機)，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，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。該制氧機即第六代空分流程。空氣經(jīng)離心式壓縮機壓縮后經(jīng)分子篩純化器清除加工空氣中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳氫化合物。而后空氣進入板翅式主熱交換器冷卻至飽和溫度進入下塔。液化循環(huán)采用卡皮查循環(huán)，采用增壓透平膨脹機制冷，膨脹后空氣進入上塔。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，采用離心式氧壓機和氮壓機進行產(chǎn)品壓縮。是典型的外壓縮流程，也可稱為“冶金型”制氧機。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)等技術(shù)，使此類流程的空分裝置進一步節(jié)能降耗。附圖4是化工型52000m3/h制氧機流程示意圖，圖4中:AC_空氣冷卻塔，AF-空氣過濾器，ATCl-空氣離心壓縮機，ATC2-空氣循環(huán)增壓機，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，BC-增壓機(膨脹機)，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。該制氧機為典型的內(nèi)壓縮流程，此流程及配套部機的特點是:(1)原料空壓機和空氣增壓機均采用離心式壓縮機，由一臺汽輪機拖動，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制冷，制冷工質(zhì)為空氣，膨脹后的空氣進入下塔；(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，即一臺運轉(zhuǎn)、另一臺在線冷備用。必須強調(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)的采用壓氣機增壓的技術(shù)(因氣體為可壓縮流體)，顯然電機的功耗大幅度下降。上述4種典型流程均利用了拉赫曼原理，將膨脹后的空氣吹入上塔，或者利用從下塔或冷凝蒸發(fā)器的頂蓋抽出的氮氣，一部分經(jīng)切換式換熱器環(huán)流通過復(fù)熱后再匯合進入透平膨脹機，膨脹后的氮氣作為產(chǎn)品氮氣引出，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。由于從下塔引氮氣，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、氮氣膨脹的方法都是為了減少上塔液體餾分，使精餾時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，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)濟性指標是制冷系數(shù)，就是得到的收益和耗費的代價之比值，并且以大氣環(huán)境溫度Ttl與溫度為Tc低溫熱源(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:Sc =( (X)P )R_ c = —= Tc (I)
wO rO-Tc上式中的ε。為制冷系數(shù)，Q2為循環(huán)的制冷量，W0為循環(huán)所消耗的凈功。實際循環(huán)效率通常采用實際循環(huán)的制冷系數(shù)與理論循環(huán)系數(shù)的比值進行描述，但其理論基礎(chǔ)是以卡諾逆循環(huán)對空分過程進行循環(huán)分析。實際上，卡諾在“關(guān)于熱動力的見解”的論文中，得出的結(jié)論為:“在兩個不同溫度的恒溫熱源之間工作的所有熱機，以可逆熱機的效率為最高?！奔幢缓笕朔Q之為卡諾定理，按理想氣體狀態(tài)方程進行整理得出的卡諾循環(huán)的熱效率為:

J]c = I公式(2)中的高溫熱源的溫度T1與低溫熱源的溫度為T2均高于大氣環(huán)境溫度Ttl,并可以得出以下幾點重要結(jié)論:I)卡諾循環(huán)的熱效率只決定于高溫熱源和低溫熱源的溫度，也就是工質(zhì)吸熱和放熱時的溫度，提高T1和T2，可以提高熱效率。2)卡諾循環(huán)的熱效率只能小于1，絕不能等于1，因為T1 或T2=O都不可能實現(xiàn)。這就是說，在循環(huán)發(fā)動機中即使在理想情況下，也不可能將熱能全部轉(zhuǎn)化為機械能，熱效率當然更不可能大于I。3)當T1 = T2時，循環(huán)熱效率等于0，它表明，在溫度平衡的體系中，熱能不可能轉(zhuǎn)化為機械能，熱能產(chǎn)生動力一定要有溫度差作為熱力學條件，從而驗證了借助單一熱源連續(xù)做功的機器是制造不出的，或第二類永動機是不存在的。4)卡諾循環(huán)及其熱效率公式在熱力學的發(fā)展上具有重大意義。首先，它奠定了熱力學第二定律的理論基礎(chǔ)；其次，卡諾循環(huán)的研究為提高各種熱動力機熱效率指出了方向，近可能提高工質(zhì)的吸熱溫度和盡可能降低工質(zhì)的放熱溫度，使放熱在接近可自然得到的最低溫度即大氣溫度時進行?？ㄖZ循環(huán)中所提出的利用絕熱壓縮以提高氣體吸熱溫度的方法，至今在以氣體為工質(zhì)的熱動力機中仍普遍采用。5)卡諾循環(huán)的極限點是大氣環(huán)境溫度，對低于環(huán)境溫度的制冷過程循環(huán)，卡諾循環(huán)并沒有給出明確的答案。由于制冷系數(shù)的不完善性，國內(nèi)外眾多的學者對其進行研究，并提出了完善建議。馬一太等在《制冷與熱泵產(chǎn)品的能效標準研究和循環(huán)熱力學完善度的分析》中結(jié)合Curzon和Ahlborn把有溫差傳熱這個不可逆過程引入熱力循環(huán)的分析，以及由此創(chuàng)建的有限時間熱力學的啟發(fā)，結(jié)合CA循環(huán)效率，提出了 CA正循環(huán)的熱力學完善度，使制冷和熱泵產(chǎn)品的能效研究有了一定程度的進展。但是運用熱力學的基本理論并不能對空分裝置循環(huán)過程做出簡潔、明了、直觀的解釋。愛因斯坦曾對經(jīng)典熱力學做過評價:“一種理論，其前提越簡單，所涉及的事物越多，其適應(yīng)范圍愈廣泛，它給人們的印象就越深刻。”對空分制冷領(lǐng)域的基本理論探索，也應(yīng)繼承和發(fā)揚這個優(yōu)點。因此對空分制冷循環(huán)進行研究，真正找到空分裝置循環(huán)的理論基礎(chǔ)，找到改進空分流程的正確方向，并在此理論基礎(chǔ)上組織新的空分裝置流程，較大幅度降低空分裝置的能耗，成為空分技術(shù)領(lǐng)域研究的難點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決卡諾定理應(yīng)用于空分裝置循環(huán)理論分析的不完善性，提出對應(yīng)于熱力學理論的新的制冷理論即冷力學理論，并提出應(yīng)用該原理設(shè)計的新的等壓分離制取氧氮的空分裝置。對于低于大氣環(huán)境溫度的環(huán)境稱之為冷源，相對于高于環(huán)境溫度的熱源；相應(yīng)于熱能、熱量，提出對應(yīng)的冷能、冷量概念；所述的制冷裝置，是指消耗機械功來實現(xiàn)冷能從大氣環(huán)境向低溫冷源或者從低溫冷源向更低溫冷源的轉(zhuǎn)移。在實現(xiàn)冷能轉(zhuǎn)換時，均需要某些物質(zhì)作為制冷裝置的工作物質(zhì)，稱為制冷工質(zhì)。制冷過程中冷能的傳遞遵循能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。為描述制冷過程中冷量傳遞的方向、條件和限度，提出冷力學第二定律:冷力學第二定律的實質(zhì)跟熱力學第二定律的實質(zhì)是一樣的，同樣遵循“能質(zhì)衰貶原理”，即不同形式的冷能，在轉(zhuǎn)換成功量的能力上是有“質(zhì)”的差別的；即使是同一種形式的冷能，其存在狀態(tài)不同時，它的轉(zhuǎn)換能力也不同的。一切冷能傳遞的實際過程，總是朝著能質(zhì)下降的方向進行，一切冷能總會自發(fā)向大氣環(huán)境方向轉(zhuǎn)換。冷能能質(zhì)的提高過程不可能自動、單獨地進行，一個能質(zhì)的提高的過程必然伴隨著另一個能質(zhì)的下降的過程同時發(fā)生，這個能質(zhì)下降的過程就是實現(xiàn)能質(zhì)升高過程的必要的補償條件，即以能質(zhì)下降為代價、作為補償來推動能質(zhì)升高過程的實現(xiàn)。在實際過程中，作為代價的能質(zhì)下降過程，必須足以補償能質(zhì)升高的過程，以滿足總的能質(zhì)必定下降的普遍規(guī)律。因此，在一定的能質(zhì)下降的補償條件下，能質(zhì)升高的過程必然有一個最高的理論限度。只有在完全可逆的理想條件下，才能達到這個理論限度，這時，能質(zhì)升高值正好等于能質(zhì)下降的補償值，使總的能質(zhì)保持不變。可見，可逆過程是純理想化的能質(zhì)守恒過程；在不可逆過程中總的能質(zhì)必然下降；在任何情況下都不可能實現(xiàn)使孤立系統(tǒng)總的能質(zhì)升高的過程。這就是能質(zhì)衰貶原理的物理內(nèi)涵，是冷力學第二定律的實質(zhì)，也是熱力學第二定律的實質(zhì)，它揭示了一切宏觀過程必須遵循的、有關(guān)過程進行方向、條件及限度的客觀規(guī)律。

描述冷力學第二定律的基本公式為:
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)和補冷系統(tǒng)，其特征在于: 所述裝置的補冷系統(tǒng)，是指從制冷工質(zhì)貯罐(18)出來的液態(tài)制冷工質(zhì)(19)，經(jīng)液壓泵(20)增壓后，經(jīng)回冷器(21)、過冷器(42)形成制冷工質(zhì)過熱蒸汽(24)，經(jīng)膨脹機(25)膨脹降溫后，再經(jīng)回冷器(21)返回制冷工質(zhì)貯罐(18)，通過過冷器(42)對空分系統(tǒng)補入所需的冷量，從而形成制冷工質(zhì)的冷力循環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有輔助冷交換器(41):從制冷工質(zhì)貯罐(18)出來的液態(tài)制冷工質(zhì)(19)，經(jīng)液壓泵(20)增壓后，經(jīng)回冷器(21)、過冷器(42)、輔助冷交換器(41)形成制冷工質(zhì)過熱蒸汽(24)，經(jīng)膨脹機(25)膨脹降溫后，再經(jīng)回冷器(21)返回制冷工質(zhì)貯罐(18)，通過過冷器(42)、輔助冷交換器(41)對空分系統(tǒng)補入所需的冷量，從而形成制冷工質(zhì)的冷力循環(huán)回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2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、過冷器(42)過冷后，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)引出的氮氣(23)經(jīng)過冷器(42)冷凝成液氮(22)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)，或直接進入主冷交換器￠)回收冷量后作為產(chǎn)品氮氣(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(6)或經(jīng)輔助冷交換器(41)、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氣(23)從上塔(10)頂部引出，經(jīng)主冷交換器￠)、或經(jīng)輔助冷交換器(41)、主冷交換器￠)回收冷量后作為產(chǎn)品氮氣(39)輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有氮氣液化器(29):從制冷工質(zhì)貯罐(18)出來的液態(tài)制冷工質(zhì)(19)，經(jīng)液壓泵(20)增壓后，經(jīng)回冷器(21)、氮氣液化器(29)、過冷器(42)、回冷器(21)，回到制冷工質(zhì)貯罐(18);氮氣(23)經(jīng)氮氣液化器(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￠)回收冷量后，作為高壓氮氣(32)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: 所述的膨脹機(25)的制動設(shè)備(28)采用風機、電機、液壓泵或壓氣機。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于: 設(shè)有節(jié)流閥(27): 從制冷工質(zhì)貯罐(18)出來的液態(tài)制冷工質(zhì)(19)，經(jīng)液壓泵(20)、回冷器(21)、或和氮氣液化器(29)、過冷器(42)、或和輔助冷交換器(41)形成制冷工質(zhì)過熱蒸汽(24)，經(jīng)膨脹機(25)膨脹降溫后，再經(jīng)回冷器(21)、節(jié)流閥(27)，返回制冷工質(zhì)貯罐(18)，通過過冷器(42)、或和輔助冷交換器(41)對空分系統(tǒng)補入所需的冷量，從而形成制冷工質(zhì)的冷力循環(huán)回路； 通過設(shè)置的節(jié)流閥(27)可以方便調(diào)節(jié)補冷系統(tǒng)的壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6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)脫除乙炔及碳氫化合物后，再經(jīng)液氧增壓泵(33)增壓后，經(jīng)主冷交換器(6)回收冷量后，作為產(chǎn)品高壓氧氣(34)送出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7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)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8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)定運行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于: 所述的主冷交換器(6)、氮氣液化器(29)、過冷器(42)、輔助冷交換器(41)可設(shè)置一個或多個，對空氣(5)、氮氣(2 3)、富氧液空(11)進行過冷處理。
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)，采用液壓泵輸入功，通過制冷工質(zhì)對空分裝置進行補冷，從而實現(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)先進機組節(jié)能30%以上，同時通過空分裝置能夠?qū)崿F(xiàn)集中供氣，是對傳統(tǒng)空分技術(shù)及制冷理論的突破，經(jīng)濟、社會、環(huán)保效益顯著。
文檔編號F25J3/04GK103162512SQ20131003092
公開日2013年6月19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>