專利名稱：一種空氣分離的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種空氣分離方法和裝置，特別涉及到利用液化天然氣冷量的空氣分離方法和裝置。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明提出之前，由于空氣的液化溫度很低(臨界溫度為-140。7℃)，在低溫下通過精餾來分離空氣的方法和裝置就要求外界提供大量的能量來獲取相當(dāng)?shù)睦淞俊Ｒ夯烊粴?簡稱LNG)作為清潔燃料正在推廣使用。液化天然氣的主要成份是甲烷，常壓下的蒸發(fā)溫度為-160℃左右。將液化天然氣作為燃料來使用時，必須將液化天然氣氣化并加熱到常溫。如果將液化天然氣的冷量應(yīng)用到空氣分離裝置中去，無論對空氣分離還是對液化天然氣的使用都是一舉兩得的好事。
從安全出發(fā)，常采用氮氣與液化天然氣進行冷量交換。因此利用液化天然氣冷量的空氣分離方法和裝置常采用氮氣循環(huán)的方式。一般說來，經(jīng)過壓縮和凈化后的干凈原料空氣由冷量交換而達(dá)到飽和溫度或部分帶液后進入精餾塔。精餾塔由下塔，上塔及冷凝蒸發(fā)器組成。原料空氣在精餾塔的下塔進行初步分離，在其底部得到富氧液空。該富氧液空被引出后經(jīng)過過冷和節(jié)流膨脹作為回流液進入上塔。在下塔的頂部得到氣氮，部分氣氮在冷凝蒸發(fā)器內(nèi)被液氧所冷凝，冷凝后的一部分液氮成為下塔的回流液，另一部分液氮從冷凝蒸發(fā)器中引出后去與另一股液氮匯合。一部分氣氮從下塔的頂部引出后經(jīng)過熱交換器復(fù)熱后部分可作為產(chǎn)品引出，其余部分則與另一股氮氣匯合后進入氮氣增壓機，提高了壓力的氮氣經(jīng)過水冷器冷卻后進入液化天然氣熱交換器。在該熱交換器中氮氣被冷卻和冷凝成液氮，而液化天然氣在液化天然氣熱交換器中得到氣化和復(fù)熱成為天然氣而離開以作它用。離開熱交換器的液氮經(jīng)過節(jié)流膨脹后進入氣液分離器，分離出來的液氮與從冷凝蒸發(fā)器引出的液氮合并，經(jīng)過過冷后少部分可作為產(chǎn)品引出，大部分則經(jīng)過節(jié)流后送入上塔作為上塔的回流液。分離出來的氣氮則返回液化天然氣熱交換器復(fù)熱后與從下塔引出的經(jīng)熱交換器復(fù)熱的氣氮匯合進入氮氣增壓機，完成了氮氣循環(huán)。在精餾塔的上塔底部可得到液氧和氣氧，在頂部可得到返流污氮(和返流氮)。應(yīng)用了液化天然氣的冷量來分離空氣的方法和裝置，單位產(chǎn)品的電耗已有較大下降，但對于生產(chǎn)液氧和液氮的裝置來說電耗仍比較高，還有降低的余地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新的利用液化天然氣的冷量來分離空氣的方法和裝置。使單位產(chǎn)品的電耗進一步降低。在使用同等數(shù)量液化天然氣的情況下，空氣分離裝置的能力還可有所提高。即在規(guī)定的裝置能力情況下，可以節(jié)省液化天然氣的使用量。
本發(fā)明是通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)的。本發(fā)明的主要特征在于從精餾塔的上塔獲得的返流污氮(或返流氮)，進入返流污氮(或返流氮)膨脹機膨脹制冷，然后經(jīng)換熱器復(fù)熱后去工藝預(yù)定位置；精餾塔是雙級精餾塔，上塔的操作壓力為0.08MPa(表壓，下同)以上，下塔的操作壓力為0.65MPa以上。而且返流污氮(或返流氮)膨脹機是增壓透平膨脹機。
經(jīng)過壓縮機壓縮的并在預(yù)冷系統(tǒng)中冷卻及在凈化系統(tǒng)中除去水蒸汽，二氧化碳等有害雜質(zhì)后的原料空氣進入主換熱器，降溫到飽和溫度或部分帶液后，進入精餾塔的下塔的底部，成為下塔的上升氣流，在塔板上與下降液流充分接觸進行熱量和質(zhì)量的交換。在下塔的底部獲得含氧較多的富氧液空。該富氧液空被引出下塔后，先經(jīng)過液空過冷器被由上塔頂部來的返流污氮(及返流氮)過冷，再經(jīng)過節(jié)流膨脹進入上塔成為上塔的回流液之一。在下塔的頂部獲得氮氣，一部分氮氣在主換熱器中復(fù)熱后部分可作為產(chǎn)品外供，其余部份氮氣則與另一股氮氣匯合后用作氮循環(huán)；另一部分氮氣在兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器內(nèi)被液氧冷凝成液氮。冷凝后的一部分液氮成為下塔的回流液，另一部分與來自氣液分離器的液氮匯合后經(jīng)過液氮過冷器被由上塔頂部來的返流污氮(和返流氮)過冷，少部分作為產(chǎn)品外供；大部分經(jīng)過節(jié)流膨脹進入上塔的頂部成為上塔的另一股回流液。上述兩股回流液成為上塔的下降液流。在塔板上下降液流與上升氣流充分接觸進行熱量和質(zhì)量的交換。在上塔的底部獲得液氧，少部分可作為產(chǎn)品外供。大部分液氧則在兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器內(nèi)被氣氮加熱成氣氧，該氣氧成為上塔的上升氣流，也可抽取少部分氣氧經(jīng)復(fù)熱后作為產(chǎn)品外供。在上塔的頂部可以獲得返流污氮(和返流氮)，該部分氣體進入返流污氮(或返流氮)膨脹機，氣體對外做功，降壓降溫后進入主換熱器復(fù)熱后進入工藝預(yù)定位置。當(dāng)上塔的頂部獲得大量純氮氣產(chǎn)品(返流氮)時，進入返流污氮(或返流氮)膨脹機的氣體就是產(chǎn)品氮氣(返流氮)。
由下塔頂部引出的氮氣經(jīng)過主換熱器復(fù)熱后少部分氮氣可作為產(chǎn)品外供，其余的氮氣與來自液化天然氣熱交換器的氮氣會合，一同進入氮氣增壓機增壓并在水冷器內(nèi)冷卻。這些氮氣隨后進入液化天然氣熱交換器與液化天然氣換熱并冷凝成為液氮。而液化天然氣在液化天然氣熱交換器中得到氣化和復(fù)熱成為天然氣后離開以作它用。離開液化天然氣熱交換器的液氮進行節(jié)流膨脹后進入氣液分離器，由氣液分離器流出的液氮與來自冷凝蒸發(fā)器的液氮匯合，再經(jīng)過液氮過冷器過冷后，一部分可作為產(chǎn)品外供；大部分經(jīng)節(jié)流膨脹后作為回流液進入上塔。由氣液分離器得到的氣氮在液化天然氣熱交換器中復(fù)熱后，與由下塔頂部引出經(jīng)過主換熱器復(fù)熱后的氮氣會合去增壓機，完成了氮氣循環(huán)。
在本發(fā)明中，在上塔的頂部獲得的返流污氮(或返流氮)的溫度較低，可以在液氮過冷器和液空過冷器中復(fù)熱。因此返流污氮(或返流氮)膨脹機可位于液氮過冷器之前；或位于液氮過冷器和液空過冷器中間；或位于液空過冷器之后。
在本發(fā)明中，進入返流污氮(或返流氮)膨脹機的氣體也可以取自主換熱器中的返流污氮(或返流氮)通道。
在本發(fā)明中，下塔可以不引出純液氮而引出污液氮，此時上塔也只能引出污氮氣，這樣就不生產(chǎn)氮氣產(chǎn)品和液氮產(chǎn)品，上述的氮氣循環(huán)就由純氮氣循環(huán)變成為污氮氣循環(huán)。
在本發(fā)明中，還可在上塔合適部位抽取含氬量較高的氬餾份，作進一步處理即可獲得氬產(chǎn)品。
在本發(fā)明中，還可設(shè)置高壓換熱器及低溫泵，在外供液體產(chǎn)品的同時，還能外供部分內(nèi)壓縮氣體產(chǎn)品。
在本發(fā)明中，返流污氮(或返流氮)膨脹機是增壓透平膨脹機本發(fā)明實施上述技術(shù)措施之后，由於返流污氮(或返流氮)在膨脹機中膨脹作功，自身溫度下降，為裝置帶來了額外的低溫冷量，使單位產(chǎn)品的電耗有明顯的下降，初步測祘可降低10％上下。另外在使用同等數(shù)量的液化天然氣的情況下，空氣分離裝置的能力有所提高。即在規(guī)定的裝置能力情況下，可以節(jié)省液化天然氣的使用量。


附圖是實施例的示意圖。內(nèi)中設(shè)備序號如下1為主換熱器，2為精餾塔，3為下塔，4為上塔，5為冷凝蒸發(fā)器，6為液空過冷器，7為液氮過冷器，8為返流污氮(或返流氮)膨脹機，9為氮氣增壓機，10為水冷器，11為液化天然氣熱交換器，12為氣液分離器。此外相關(guān)的物料流也作如下編號101為原料空氣，102為富氧液空，103為返流污氮(或返流氮)，104為從下塔頂部引出的氮氣，105為從冷凝蒸發(fā)器5引出的液氮，106為液氧產(chǎn)品，107為由液化天然氣熱交換器引出的氣氮，108為增壓、冷卻后的氮氣，109為液化天然氣，110為天然氣，111為離開液化天然氣熱交換器的并經(jīng)節(jié)流后的氮的氣液混合物，112為離開氣液分離器的液氮，113為外供液氮，114為氬餾分。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。經(jīng)過壓縮機壓縮的并在預(yù)冷系統(tǒng)中冷卻及在凈化系統(tǒng)中除去水蒸汽，二氧化碳等有害雜質(zhì)后的原料空氣101進入主換熱器1，降溫到飽和溫度或部分帶液后，進入精餾塔2的下塔3，精餾塔2由下塔3，上塔4和兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器5組成。下塔3的操作壓力是0.65MPa，上塔4的操作壓力是0.08MPa。原料空氣101進入下塔3的底部，成為下塔3的上升氣流，在塔板上與下降液流充分接觸進行熱量和質(zhì)量的交換。在下塔3的底部獲得含氧較多的富氧液空102。該富氧液空102被引出下塔3后，先經(jīng)過液空過冷器6被由上塔4頂部來的返流污氮103過冷，再經(jīng)過節(jié)流膨脹進入上塔4成為上塔4的回流液之一。在下塔3的頂部獲得的氮氣分為兩部分，一部分氮氣在換熱器1中復(fù)熱后部分可作為產(chǎn)品外供，其余則與另一股氮氣107匯合后進入增壓機9。另一部分氮氣在兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器5內(nèi)被液氧冷凝成液氮。該液氮的一部分成為下塔3的回流液，另一部分液氮從冷凝蒸發(fā)器5中引出后與來自氣液分離器12的液氮112匯合后經(jīng)過液氮過冷器7被由上塔4頂部來的返流污氮103過冷，少部分作為產(chǎn)品113外供；大部分經(jīng)過節(jié)流膨脹進入上塔4的頂部成為上塔4的另一股回流液。上述兩股回流液成為上塔4的下降液流。在塔板上下降液流與上升氣流充分接觸進行熱量和質(zhì)量的交換。在上塔4的底部獲得液氧，少部分可作為產(chǎn)品106外供，大部分液氧在兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器5內(nèi)被氣氮加熱成氣氧，該氣氧成為上塔4的上升氣流，也可抽取少部分作為產(chǎn)品經(jīng)復(fù)熱后外供。在上塔4的頂部獲得返流污氮103，該部分氣體在液氮過冷器7和液空過冷器6中復(fù)熱后進入返流污氮膨脹機8，氣體在膨脹機8中膨脹制冷后，再進入主換熱器1復(fù)熱后進入工藝預(yù)定位置。
由下塔3頂部引出的部份氮氣104經(jīng)過主換熱器1復(fù)熱并除去外供的少部分氮氣產(chǎn)品后與來自液化天然氣熱交換器的氮氣107匯合，一同進入氮氣增壓機9增壓并在水冷器10內(nèi)冷卻；這些氮氣108隨后進入液化天然氣熱交換器11與液化天然氣109換熱并冷凝成為液氮，而液化天然氣109在液化天然氣熱交換器11中得到氣化和復(fù)熱成為天然氣110后離開以作它用。離開液化天然氣熱交換器的液氮進行節(jié)流膨脹后成為氮的氣液混合物111進入氣液分離器12，由氣液分離器12流出的液氮112與來自冷凝蒸發(fā)器5的液氮105匯合，再經(jīng)過液氮過冷器7過冷后，一部分可作為產(chǎn)品113外供；大部分經(jīng)過節(jié)流膨脹作為回流液進入上塔4。由氣液分離器12得到的氣氮107在液化天然氣熱交換器11中復(fù)熱后，與由下塔3頂部引出經(jīng)過主換熱器1的氮氣104匯合，完成了氮氣循環(huán)。在上塔的適當(dāng)位置抽出含氬較高的氬餾份114去制氬系統(tǒng)制得氬產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種空氣分離的方法，包括(1)經(jīng)過壓縮機壓縮并在預(yù)冷系統(tǒng)中冷卻，在凈化系統(tǒng)中除去雜質(zhì)后的空氣(101)在主換熱器(1)中獲得冷量后，進入精餾塔(2)分離成為各種形態(tài)的氧，氮產(chǎn)品和氬餾分，(2)由下塔(3)的頂部引出部份氣氮(104)在主換熱器(1)中復(fù)熱后與來自液化天然氣熱交換器(11)的氣氮(107)會合，經(jīng)過增壓機(9)增壓及水冷器(10)冷卻后，進入液化天然氣熱交換器(11)，(3)進入液化天然氣熱交換器(11)的氮氣(108)與液化天然氣(109)、節(jié)流后氮氣(107)進行冷量交換后，經(jīng)過節(jié)流膨脹在氣液分離器(12)中分為液氮(112)和氣氮(107)，(4)在氣液分離器(12)中得到的液氮(112)與由冷凝蒸發(fā)器(5)引出的液氮(105)會合。氣氮(107)在液化天然氣熱交換器(11)中復(fù)熱后與上述氣氮(104)會合后進入增壓機(9)，完成氮氣循環(huán)，其特征在于(1)從精餾塔(2)的上塔(4)獲得的返流污氮(103)(或返流氮)，進入返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)，在該膨脹機(8)中降壓降溫后經(jīng)過主換熱器(1)復(fù)熱后進入工藝預(yù)定位置，(2)精餾塔(2)的上塔(4)的操作壓力為0.08MPa(表壓)以上，而下塔(3)的操作壓力為0.65MPa(表壓)以上。
2.權(quán)利要求1所述的一種空氣分離的方法，其特征在于從精餾塔(2)的上塔(4)獲得的返流污氮(103)(或返流氮)在進入液氮過冷器(7)之前進入返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)。
3.權(quán)利要求1所述的一種空氣分離的方法，其特征在于從精餾塔(2)的上塔(4)獲得的返流污氮(103)(或返流氮)經(jīng)過液氮過冷器(7)之后進入返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)。
4.權(quán)利要求1所述的一種空氣分離的方法，其特征在于從精餾塔(2)的上塔(4)獲得的返流污氮(103)(或返流氮)經(jīng)過液氮過冷器(7)和液空過冷器(6)之后進入返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)。
5 權(quán)利要求1所述的一種空氣分離的方法，其特征在于從精餾塔(2)的上塔(4)獲得的返流污氮(103)(或返流氮)經(jīng)過液氮過冷器(7)和液空過冷器(6)后，進入主換熱器(1)初步復(fù)熱后進入返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)降壓降溫后，再進入主換熱器(1)復(fù)熱后去工藝預(yù)定位置。
6.一種空氣分離的裝置，依次由(1)對空氣進行加壓，冷卻和除去雜質(zhì)使之成為原料空氣的壓縮機，預(yù)冷系統(tǒng)和和凈化系統(tǒng)，(2)對各種不同的流體進行冷熱交換的主換熱器(1)，過冷器(6)，(7)，(3)將分離用原料空氣進行分離獲得產(chǎn)品的精餾塔(2)，(4)將液化天然氣的冷量釋放出來的液化天然氣熱交換器(11)，(5)為循環(huán)氮氣提高壓力的增壓機(9)和水冷器(10)，(6)將節(jié)流后的氮的氣液混合物進行氣液分離的氣液分離器(12)，組成，其特征在于(1)還有將返流污氮(或返流氮)進行降壓降溫的返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)，(2)精餾塔(2)是雙級精餾塔，由操作壓力為0.65MPa(表壓)以上的下塔(3)，操作壓力為0.08MPa(表壓)以上的上塔(4)和兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器(5)組成
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空氣分離裝置，其特征在于返流污氮(或返流氮)膨脹機(8)是增壓透平膨脹機。
全文摘要
一種空氣分離方法和裝置，涉及到利用液化天然氣冷量的空氣分離方法和裝置。在空氣分離的過程中，用氮氣作為傳媒將液化天然氣的冷量傳送給進入裝置的原料空氣進而獲得各種形態(tài)的氧，氮產(chǎn)品和氬餾分。液化天然氣則成為可供使用的天然氣。分離過程中使用了返流污氮(或返流氮)膨脹機，返流污氮(或返流氮)在低溫下進行膨脹，向外做功，為分離過程提供補充的低溫冷量。分離過程采用雙級精餾塔，精餾塔由下塔，上塔和兩塔之間的冷凝蒸發(fā)器組成。下塔的操作壓力是0.65MPa(表壓)以上，上塔的操作壓力是0.08MPa(表壓)以上。這樣，單位產(chǎn)品的電耗有明顯的下降，在使用同等數(shù)量的液化天然氣的情況下，空氣分離裝置的能力有所提高。
文檔編號F25J3/04GK1616908SQ200410065188
公開日2005年5月18日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者江楚標(biāo), 薛魯 申請人:蘇州市興魯空分設(shè)備科技發(fā)展有限公司