外冷式單級(jí)精餾空分裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空分領(lǐng)域，具體涉及外冷式單級(jí)精餾空分裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空分裝置是以空氣為原料制備氧氣和氮?dú)饧皻鍤獾榷栊詺怏w的分離裝置。通過對(duì)空氣進(jìn)行壓縮、膨脹制冷，進(jìn)而使空氣液化，利用精餾塔分離出氧氣、氮?dú)夂投栊詺怏w(如氬氣)等產(chǎn)品。生產(chǎn)中使用的原料空氣，可以隨時(shí)隨地獲得。目前空分行業(yè)是屬于化工產(chǎn)業(yè)的一個(gè)分支行業(yè)。
[0003]現(xiàn)有的空分設(shè)備工藝流程固化，能耗大，空氣分離成本較高，尤其在單級(jí)精餾中不能完全分離空氣，生產(chǎn)高純度的氮?dú)夂脱鯕狻?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種外冷式單級(jí)精餾空分裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)單級(jí)帶壓精餾完全分離空氣，生產(chǎn)高純度的隊(duì)和0 2，并降低分離能耗。與傳統(tǒng)空分流程相比，此流程氧氮分離能耗由0.4kwh/匪302以上降至0.3kWh/匪302以下，能耗降低30%以上。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供外冷式單級(jí)精餾空分方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0007]外冷式單級(jí)精餾空分裝置，包括主塔、付塔、冷凝蒸發(fā)器，換熱器、循環(huán)壓縮機(jī)、液氧栗、節(jié)流閥和輸送管道；
[0008]所述冷凝蒸發(fā)器包括主冷凝蒸發(fā)器、氬冷凝蒸發(fā)器，其中所述主冷凝蒸發(fā)器和氬冷凝蒸發(fā)器分別設(shè)置在所述主塔和氬塔的頂部；所述氬塔的底部與主塔下段的中部連通；
[0009]所述換熱器包括氧氣換熱器、氮?dú)鈸Q熱器、粗氬換熱器、循環(huán)換熱器；
[0010]所述主塔的中部設(shè)有原料空氣進(jìn)料口，原料空氣分別通過所述氧氣換熱器、氮?dú)鈸Q熱器和粗氬換熱器預(yù)冷至飽和溫度后通過輸送管道從所述主塔中部的進(jìn)料口進(jìn)入所述主塔，所述主塔底部上設(shè)有液氧輸入口，從該液氧輸入口向所述塔釜注入液氧，原料空氣上升過程中與塔頂回流液氮進(jìn)入熱質(zhì)交換，分離出氮?dú)狻５獨(dú)鈴闹魉捻敳恳霾⑼ㄟ^氮?dú)鈸Q熱器復(fù)熱至常溫后回收，液體回流至主塔底部分離出液氧。液氧經(jīng)節(jié)流閥、液氧栗、輸送管道進(jìn)入主塔頂部的主冷凝蒸發(fā)器以及付塔頂部的氬冷凝蒸發(fā)器，作為該兩個(gè)冷凝蒸發(fā)器的冷媒；
[0011]主塔中，部分氮?dú)膺M(jìn)入主冷凝蒸發(fā)器與液氧冷進(jìn)行換熱，液氧蒸發(fā)氣體進(jìn)入所述循環(huán)換熱器，并通過所述循環(huán)壓縮機(jī)加壓冷卻后進(jìn)入塔釜上升，冷凝液氮作為主塔的回流液與主塔底部上升的氧氣再次熱質(zhì)交換，以此循環(huán)；
[0012]從主塔下段抽取的含ArS-12%的餾分進(jìn)入付塔，在付塔內(nèi)，氬氣精餾分離上升至付塔塔頂。一部分氬氣通過所述氬氣換熱器復(fù)熱至常溫后回收。大部分繼續(xù)冷凝回流至主塔底部。氬冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)的氧氣再通過所述氧氣換熱器復(fù)熱至常溫后回收。
[0013]進(jìn)一步地，所述主塔頂部上設(shè)有液氮輸入口。
[0014]進(jìn)一步地，所述氬冷凝蒸發(fā)器上設(shè)有液氬輸入口。
[0015]液氮輸入口和液氬輸入口及前述液氧輸入口均作為外部冷源液氮、液氬和液氧的補(bǔ)充入口。液氧、液氮、液氬可單獨(dú)使用，并可組合使用補(bǔ)充裝置冷損。
[0016]進(jìn)一步地，所述塔釜與所述主冷凝蒸發(fā)器連通的回路上設(shè)有節(jié)流閥，與氬冷凝蒸發(fā)器連通的回路上設(shè)有回流閥以及所述液氧栗。
[0017]因?yàn)橹骼淠魍鈧?cè)壓力小于氬冷凝器外側(cè)壓力，所以，在將主塔底部的液氧通過外部的輸送管路送入主冷凝蒸發(fā)器內(nèi)時(shí)，需要通過輸送管路上設(shè)置的節(jié)流閥限制液氧冷媒的流量，而將主塔底部的液氧送入付塔頂部的氬冷凝蒸發(fā)器內(nèi)時(shí)，需要通過液氧栗將其增壓。同時(shí)，需要使用回流閥限制流量，保證平穩(wěn)輸送。
[0018]進(jìn)一步地，所述氧氣換熱器、氮?dú)鈸Q熱器以及氬氣換熱器均為板式換熱器。
[0019]板式換熱器為傳熱介質(zhì)不相接觸，僅僅通過換熱器本身進(jìn)行熱量交換，能夠達(dá)到本方案的目的。
[0020]本發(fā)明還提供了外冷式單塔精餾空分方法，包括以下步驟:
[0021]a.將預(yù)處理凈化后的原料空氣送入熱換器與返流氣體換熱后預(yù)冷至飽和溫度，并通過主塔中部的加料口送入主塔內(nèi)；
[0022]b.向主塔底部的第二冷凝蒸發(fā)器內(nèi)注入液氧，與該冷凝蒸發(fā)器內(nèi)的液氧冷媒進(jìn)行換熱，產(chǎn)生的氧氣上升，并與中部的飽和原料空氣中的液氮進(jìn)行換熱，氮?dú)馍仙林魉敳?，大部分被引出，?jīng)過氮?dú)鈸Q熱器復(fù)熱至常溫后回收，氧氣冷凝回流；同時(shí)，位于主塔下段中部的氬氣以及大部分氧氣進(jìn)入付塔，其中的大部分氬氣上升至所述付塔頂部；
[0023]c.將持續(xù)回流至主塔底部的液氧通過液氧栗以及節(jié)流閥分別送入所述主塔頂部的第一冷凝蒸發(fā)器和所述付塔頂部的第三冷凝蒸發(fā)器內(nèi)作為液氧冷媒使用，所述第一冷凝蒸發(fā)器內(nèi)的液氧冷媒與進(jìn)入該冷凝蒸發(fā)器內(nèi)的氮?dú)鈸Q熱后轉(zhuǎn)化為氧氣從第一冷凝蒸發(fā)器內(nèi)排出，并經(jīng)過循環(huán)蒸發(fā)器復(fù)熱后，通過循環(huán)壓縮機(jī)加壓液化后再次轉(zhuǎn)化為液氧冷媒進(jìn)行所述第二冷媒蒸發(fā)器內(nèi)，同時(shí)氮?dú)饫淠亓髟俅巫鳛樯仙鯕獾幕亓饕?；付塔中的大部分氬氣上升至所述付塔的頂部，并被引出，通過氬氣換熱器復(fù)熱至常溫后被回收，部分氬氣進(jìn)入所述第三冷凝蒸發(fā)器內(nèi)，并與其內(nèi)的液氧冷媒換熱冷凝回流，而液氧冷媒轉(zhuǎn)化為氧氣從所述第三冷凝蒸發(fā)器內(nèi)排出，并經(jīng)過氧氣換熱器復(fù)熱至常溫后被回收。
[0024]進(jìn)一步地，所述第一冷凝蒸發(fā)器上設(shè)有液氮輸入口。
[0025]進(jìn)一步地，所述第三冷凝蒸發(fā)器上設(shè)有液氬輸入口。
[0026]進(jìn)一步地，步驟c中，所述第一冷凝蒸發(fā)器和所述第二冷凝蒸發(fā)器的連通管路上設(shè)有第一節(jié)流閥，所述節(jié)流閥設(shè)在靠近所述第二冷凝蒸發(fā)器的一端；
[0027]所述第二冷凝蒸發(fā)器和所述第三冷凝蒸發(fā)器的連通管路上復(fù)合配設(shè)有液氧栗和第二節(jié)流閥。
[0028]進(jìn)一步地，所述步驟d中還包括，將回收的常溫氬氣再送入精氬塔內(nèi)繼續(xù)提純。
[0029]通過本發(fā)明提供的外冷式單級(jí)精餾空分裝置，突破了單級(jí)精餾不能完全分離空氣，生產(chǎn)高純度隊(duì)和0 2的傳統(tǒng)理論。本方案通過節(jié)流閥將主塔底部的液氧作為冷媒直接送入主塔頂部以及付塔頂部的冷凝蒸發(fā)器內(nèi)，液化N2回流，實(shí)現(xiàn)了單塔帶壓(0.5-lMPa)精餾分離空氣，生產(chǎn)雙高產(chǎn)品。不僅工藝流程大大簡(jiǎn)化，而且使分離能耗降低30%以上。同時(shí)，本方案中直接使用液氧，液氮，液氬補(bǔ)冷，較傳統(tǒng)的空氣膨脹制冷，補(bǔ)冷溫度低，冷量大，可增大回流比，提高了精餾效率。
[0030]本發(fā)明還具有如下特點(diǎn):
[0031]1.本方案中，摒棄了傳統(tǒng)空氣液化分離裝置的設(shè)計(jì)理念，將制冷和精餾兩項(xiàng)工藝分開，用外部冷源補(bǔ)償徑流過程中的冷損，擺脫了制冷和精餾之間的相互干擾和制約，變雙因素問題為單因素問題，降低了空分流程設(shè)計(jì)的難度。
[0032]2.充分發(fā)揮外冷式空分流程可靈活變化的特點(diǎn)，根據(jù)用戶的特點(diǎn)和用氣要求，進(jìn)行針對(duì)性流程設(shè)計(jì)。不僅僅根據(jù)用氣量多少確定裝置生產(chǎn)能力，而且產(chǎn)品氧氣與氮?dú)獾募兌?，配比，出塔壓力，精餾參數(shù)均可優(yōu)化選擇，最大限度滿足用戶要求，達(dá)到最佳綜合節(jié)能效果Ο
[0033]3.經(jīng)理論分析，流程重組和工業(yè)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明提供的空分裝置可降低氧，氮分離能耗達(dá)到30%以上。以氧氣產(chǎn)量為基準(zhǔn)的單位能耗由目前國(guó)際先進(jìn)水品0.4KWh/M30j#至 0.3KWh/M302以下。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明提供的外冷式單級(jí)精餾單級(jí)精餾空分系統(tǒng)圖；
[0035]1.主塔，2.付塔(氬塔)，3.主冷凝蒸發(fā)器，4.塔釜，5.氬冷凝蒸發(fā)器，6.氧氣換熱器，7.氮?dú)鈸Q熱器，8.粗氬換熱器，9.循環(huán)換熱器，10.循環(huán)壓縮機(jī)，11.液氧栗，12.節(jié)流閥，13.回流閥，14.主塔上段，15.主塔下段，
【具體實(shí)施方式】
[0036]參照附圖對(duì)本發(fā)明的外冷式單級(jí)精餾空分裝置的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0037]圖1為本實(shí)施方式的外冷式單級(jí)精餾空分流程圖。
[0038]如圖1所示，本實(shí)施方式所提供的外冷式單級(jí)精餾空分裝置包括主塔1和付塔2，主塔1包括主塔上段14和主塔下段15，付塔2底部與主塔下段15的中部位置連通。
[0039]原料空氣經(jīng)壓縮凈化后分別通過氧氣換熱器6、氮?dú)鈸Q熱器7和氬氣換熱器8分別與返流的氧氣，氮?dú)?，氬氣進(jìn)行換熱，冷卻至飽和溫度進(jìn)入精餾塔的主塔1中部，具體位于主塔下段15的上端，向主塔1內(nèi)加料。
[0040]此時(shí)，因?yàn)榈姆悬c(diǎn)低于氧和氬的沸點(diǎn)，所以塔內(nèi)液體中氮蒸發(fā)上升，氣體中氧、氬冷凝下降實(shí)現(xiàn)精餾分離。上升至主塔1頂部的氮?dú)馄浼兌瓤蛇_(dá)5N。部分氮?dú)馄渲幸徊糠肿鳛楫a(chǎn)品引出，其中另一部分進(jìn)入主冷媒蒸發(fā)器與其內(nèi)的液氧冷媒進(jìn)行換熱，液化后成為液氮回流。液化回流的液氮在與從主塔1底部不斷上升的氧氣交匯過程中，由于沸點(diǎn)較低，會(huì)再次汽化為氮?dú)馍仙林魉?頂部，一部分引出，一部分進(jìn)入主冷凝蒸發(fā)器3進(jìn)行換熱，以此循環(huán)進(jìn)行。
[0041]因?yàn)樵谥魉?內(nèi)部，回流至塔底的液氧無(wú)法自動(dòng)上升至塔頂，也無(wú)法轉(zhuǎn)化為氣體蒸發(fā)出來(lái)，所以本實(shí)施方式中，在主塔1底部的外側(cè)配設(shè)了設(shè)有節(jié)流閥12的輸送管道，該輸送管道將主塔1塔底和塔頂?shù)睦淠舭l(fā)器連通，此時(shí)，可以將塔底的部分液氧通過節(jié)流閥減壓后輸送入塔頂?shù)闹骼淠舭l(fā)器3內(nèi)作為主冷凝蒸發(fā)器3內(nèi)的冷媒參