一种采用一压到底并联三膨胀的空分装置及其工作方法

摘要

本发明公开了一种采用一压到底加并联膨胀的空分装置，包括自洁式空气过滤器、空气透平压缩机、预冷系统、纯化系统、循环压缩机系统、高低温膨胀系统、换热器、返流膨胀制冷发电系统和空气精馏系统，空气精馏系统包括精馏塔，精馏塔设有下塔、上塔和主冷凝蒸发器，主冷凝蒸发器输出端通过液空液氮过冷器向下产出液氧，主冷凝蒸发器输出端通过液空液氮过冷器向上产出液氮，返流膨胀制冷发电系统设置在高温膨胀机通往换热器的管路中，返流膨胀制冷发电系统包括发电机和返流膨胀机，精馏塔的顶部通过液空液氮过冷器和换热器后产出气氮，精馏塔侧部通过换热器后产出气氧。本发明能够调节气体和液体产量比例，改善换热器换热效果，提高液体产品提取率。

说明书

技术领域

本发明涉及空气分离技术领域，具体涉及一种采用一压到底并联三膨胀的空分装置及其工作方法。

背景技术

近年来对工业气体如氧气和氮气的需求量有很大的增长，特别是装置在不同的运行工况下对工业气体产品的需求量上升，尤其液态产品的需求量逐年上升，每年以15％～20％的速度增加。空气的主要成分是氮气和氧气，是工业制备氮气和氧气取之不尽的源泉。氧气主要用于冶金、助燃气、医疗、废水处理和化学工业中的氧化剂等。氮气主要用于合成氨、金属热处理的保护气氛、化工生产中的惰性保护气(开停车时吹扫管线、易氧化物质的氮封、压料)、粮食贮存、水果保鲜和电子工业等。由于液体空分产品具有贮存和供应便利、质量保证、输送距离远范围广等优点越来越被市场认可，市场潜力大，因此空分装置的使用已成为当前的趋势。

目前，在现有技术中，对于用来分离氮、氧的系统设备，具体是采用双塔精馏的空分装置，该类装置存在一定的局限性，该装置不具备产出气氧和气氮的功能，而且对气体和液体产量比例无法进行调节，能源的利用损耗较大，由于能耗和产品的提取率是评价装置经济指标和技术指标的主要参数，对空分装置来说，如何降低空分装置的能耗和生产成本是较为重要的，如何提高提取率、利于节能减排和提高企业经济效益是当今企业所要追求的，因此有必要予以改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用一压到底加并联膨胀的空分装置及其操作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采用一压到底加并联膨胀的空分装置，包括自洁式空气过滤器、空气透平压缩机、预冷系统、纯化系统、循环压缩机系统、高低温膨胀系统、换热器、返流膨胀制冷发电系统和空气精馏系统，所述自洁式空气过滤器的输出端与空气透平压缩机连接，所述空气透平压缩机与预冷系统相连接，所述高低温膨胀系统包括高温膨胀机和低温膨胀机，所述循环压缩机系统包括增压机I和增压机II，所述增压机I与高温膨胀机连接，所述增压机II与低温膨胀机连接，所述增压机I和增压机II相连接，所述空气精馏系统包括精馏塔，所述精馏塔设置有下塔、上塔和主冷凝蒸发器，所述增压机II的输出端通过换热器到达精馏塔的下部，所述预冷系统连接高温膨胀机,所述高温膨胀机连接换热器，所述换热器的输出端连接下塔，所述下塔与主冷凝蒸发器一侧均连通设置有液空液氮过冷器，所述主冷凝蒸发器的输出端通过液空液氮过冷器向下产出液氧，所述主冷凝蒸发器的输出端通过液空液氮过冷器向上产出液氮；

所述返流膨胀制冷发电系统并联设置在高温膨胀机通往换热器的管路中，所述返流膨胀制冷发电系统包括发电机和返流膨胀机，所述发电机与返流膨胀机连接，所述返流膨胀制冷发电系统的输出端与上塔连接，所述返流膨胀制冷发电系统的输出端通过换热器与预冷系统循环连接，所述纯化系统上设置有电加热器，所述返流膨胀制冷发电系统的输出端与通过换热器后连接电加热器，所述精馏塔的上部输出端穿过换热器与预冷系统循环连接；

所述精馏塔的顶部通过液空液氮过冷器和换热器后产出气氮，所述精馏塔的侧部通过换热器后产出气氧。

作为本发明优选的，所述空气透平压缩机连接设置有消声器I。

作为本发明优选的，所述预冷系统内设置有空冷塔、冷水机组和冷却器I，所述空冷塔分别与冷水机组、冷却器I连接，所述冷水机组和冷却器I连接。

作为本发明优选的，所述纯化系统内设置有分子筛纯化器I和分子筛纯化器II，所述分子筛纯化器II与分子筛纯化器I相连接，所述分子筛纯化器I和分子筛纯化器II上连接设置有消声器II。

作为本发明优选的，所述增压机I和增压机II的输出端分别设置有冷却器II。

作为本发明优选的，所述增压机II连接的冷却器II输出的管路上设置有截止阀I。

作为本发明优选的，所述返流膨胀机的输出端与预冷系统之间的循环管路上设置有截止阀II。

作为本发明的进一步方案：还包括一种采用一压到底并联三膨胀的空分装置及其工作方法，具体步骤如下：

S1：首先将空气作为原料，经过自洁式空气过滤器进行除杂，除杂后由空气透平压缩机进行压缩，直接压缩到空分要求的压力，压缩后进入预冷系统冷却，冷却后的空气进入纯化系统进行净化，去除水、二氧化碳和碳氢化合物等杂质得到净化后的原料空气；

S2：净化后的原料空气分成两路，一路通过高温膨胀机膨胀制冷后在换热器中冷却后分成两股，一股继续冷却后进入下塔进行精馏，其中低温膨胀机部分空气与该股管路一同进入，同时另一股进入返流膨胀制冷发电系统制冷后与空气精馏系统中出塔的污氮混合后出塔进入预冷系统，其中返流膨胀制冷发电系统中的返流膨胀机采用发电机制动，返流膨胀机运行时带动发电机发电，由于返流膨胀机通往上塔，返流膨胀机利用增压技术提高空气压力，通过返流膨胀机的膨胀量来调节气体和液体产量比例，达到改善换热器换热效果；

S3：净化后的原料空气另一路先经过高温膨胀机的增压机I端和低温膨胀机的增压机II端增压后进入换热器，经初步冷却后进入低温膨胀机膨胀制冷后进入下塔参与精馏；

S4：返流膨胀机输出进入换热器后通过电加热器循环进入纯化系统，净化后重新分成两路继续精馏；

S5：主冷凝蒸发器输出经过液空液氮过冷器，利用气液间的温度差在精馏塔上进行热质交换，向上产出液氮，并向下产出液氧，并且蒸馏塔能够从侧部输出经过换热器后产出气氧，蒸馏塔的顶部输出端一次经过液空液氮过冷器和换热器产出气氮。

通过采用上述技术方案，本发明和现有技术相比具有的优点是：本发明结构简单，设计合理，空气透平压缩机与循环压缩机系统达到一压到底的特点，很好地控制压缩到空分要求所需，采用高温膨胀机、低温膨胀机和返流膨胀机，形成三膨胀的结构特点；首先将空气作为原料，经过自洁式空气过滤器进行除杂，除杂后由空气透平压缩机进行压缩，压缩后进入预冷系统冷却，冷却后的空气进入纯化系统进行净化，去除水、二氧化碳和碳氢化合物杂质，净化后的原料空气分成两路，一路通过高温膨胀机膨胀制冷后在换热器中冷却后分成两股，一股继续冷却后进入下塔进行精馏，其中低温膨胀机部分空气与该股管路一同进入下塔进行精馏，同时另一股进入返流膨胀制冷发电系统制冷后与空气精馏系统中出塔的污氮混合后出塔进入预冷系统，其中返流膨胀制冷发电系统中的返流膨胀机采用发电机制动，返流膨胀机运行时带动发电机发电，降低电耗，能源重复利用，损耗较小，利于节能减排和提高企业经济效益；由于返流膨胀机通往上塔，返流膨胀机利用增压技术提高空气压力，通过返流膨胀机的膨胀量来调节气体和液体产量比例，达到改善换热器换热效果，优化调节，提高液体产品提取率；净化后的原料空气另一路先经过高温膨胀机的增压机I端和低温膨胀机的增压机II端增压后进入换热器，经初步冷却后进入低温膨胀机膨胀制冷后进入下塔参与精馏；返流膨胀机输出进入换热器后通过电加热器循环进入纯化系统，净化后重新分成两路继续精馏，循环精馏提取效果较佳；主冷凝蒸发器输出经过液空液氮过冷器，利用气液间的温度差在精馏塔上进行热质交换，向上产出液氮，并向下产出液氧，并且蒸馏塔能够从侧部输出经过换热器后产出气氧，蒸馏塔的顶部输出端一次经过液空液氮过冷器和换热器产出气氮，本装置不仅能够产出高纯度的液氮和液氧，而且具备产出气氧和气氮的功能，功能性较佳。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的原理示意图；

图中：1、自洁式空气过滤器；2、空气透平压缩机；3、换热器；4、高温膨胀机；5、低温膨胀机；6、增压机I；7、增压机II；8、精馏塔；9、下塔；10、上塔；11、主冷凝蒸发器；12、液空液氮过冷器；13、发电机；14、返流膨胀机；15、电加热器；16、消声器I；17、空冷塔；18、冷水机组；19、冷却器I；20、分子筛纯化器I；21、分子筛纯化器II；22、消声器II；23、冷却器II；24、截止阀I；25、截止阀II。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种采用一压到底加并联膨胀的空分装置，包括自洁式空气过滤器1、空气透平压缩机2、预冷系统、纯化系统、循环压缩机系统、高低温膨胀系统、换热器3、返流膨胀制冷发电系统和空气精馏系统，自洁式空气过滤器1的输出端与空气透平压缩机2连接，空气透平压缩机2与预冷系统相连接，高低温膨胀系统包括高温膨胀机4和低温膨胀机5，循环压缩机系统包括增压机I6和增压机II7，增压机I6与高温膨胀机4连接，增压机II7与低温膨胀机5连接，增压机I6和增压机II7相连接，空气精馏系统包括精馏塔8，精馏塔8设置有下塔9、上塔10和主冷凝蒸发器11，增压机II7的输出端通过换热器3到达精馏塔8的下部，预冷系统连接高温膨胀机4,高温膨胀机4连接换热器3，换热器3的输出端连接下塔9，下塔9与主冷凝蒸发器11一侧均连通设置有液空液氮过冷器12，主冷凝蒸发器11的输出端通过液空液氮过冷器12向下产出液氧，主冷凝蒸发器11的输出端通过液空液氮过冷器12向上产出液氮；

返流膨胀制冷发电系统并联设置在高温膨胀机4通往换热器3的管路中，返流膨胀制冷发电系统包括发电机13和返流膨胀机14，发电机13与返流膨胀机14连接，返流膨胀制冷发电系统的输出端与上塔10连接，返流膨胀制冷发电系统的输出端通过换热器3与预冷系统循环连接，纯化系统上设置有电加热器15，返流膨胀制冷发电系统的输出端与通过换热器3后连接电加热器15，精馏塔8的上部输出端穿过换热器3与预冷系统循环连接；

精馏塔8的顶部通过液空液氮过冷器12和换热器3后产出气氮，精馏塔8的侧部通过换热器3后产出气氧，最终送达用户。

在本实施方案中，本发明结构简单，设计合理，空气透平压缩机2与循环压缩机系统达到一压到底的特点，很好地控制压缩到空分要求所需，采用高温膨胀机4、低温膨胀机5和返流膨胀机14，形成三膨胀的结构特点；首先将空气作为原料，经过自洁式空气过滤器1进行除杂，除杂后由空气透平压缩机2进行压缩，压缩后进入预冷系统冷却，冷却后的空气进入纯化系统进行净化，去除水、二氧化碳和碳氢化合物杂质，净化后的原料空气分成两路，一路通过高温膨胀机4膨胀制冷后在换热器3中冷却后分成两股，一股继续冷却后进入下塔9进行精馏，其中低温膨胀机5部分空气与该股管路一同进入下塔9进行精馏，同时另一股进入返流膨胀制冷发电系统制冷后与空气精馏系统中出塔的污氮混合后出塔进入预冷系统，其中返流膨胀制冷发电系统中的返流膨胀机14采用发电机13制动，返流膨胀机14运行时带动发电机13发电，降低电耗，能源重复利用，损耗较小，利于节能减排和提高企业经济效益；由于返流膨胀机14通往上塔9，返流膨胀机14利用增压技术提高空气压力，通过返流膨胀机14的膨胀量来调节气体和液体产量比例，达到改善换热器3换热效果，优化调节，提高液体产品提取率；净化后的原料空气另一路先经过高温膨胀机4的增压机I6端和低温膨胀机5的增压机II7端增压后进入换热器3，经初步冷却后进入低温膨胀机5膨胀制冷后进入下塔9参与精馏；返流膨胀机14输出进入换热器3后通过电加热器15循环进入纯化系统，净化后重新分成两路继续精馏，循环精馏提取效果较佳；主冷凝蒸发器11输出经过液空液氮过冷器12，利用气液间的温度差在精馏塔8上进行热质交换，向上产出液氮，并向下产出液氧，并且蒸馏塔8能够从侧部输出经过换热器3后产出气氧，蒸馏塔8的顶部输出端一次经过液空液氮过冷器12和换热器3产出气氮，本装置不仅能够产出高纯度的液氮和液氧，而且具备产出气氧和气氮的功能，功能性较佳。

具体的，采用自洁式空气过滤器1，具有一定的自清洁能力，使用寿命较高。具体的，空气透平压缩机2获得压力为850kPa.A、温度为16℃、流量为50000Nm3/h的纯化原料空气。增压机I6与高温膨胀机4连接，增压机II7与低温膨胀机5连接，增压机I6和增压机II7相连接，增压机II7的输出端通过换热器3到达精馏塔8的下部，而精馏塔8部分输出会到达纯化系统，在循环达到增压机I6形成一个回路。本发明使用该换热器3对各个管路同步进行换热，进一步提高了换热工作的效率，保证了能源的有效利用，降低了能耗。

进一步，具体的，空气透平压缩机2连接设置有消声器I16，能够在空气透平压缩机2工作时降低噪音。

进一步，具体的，预冷系统内设置有空冷塔17、冷水机组18和冷却器I19，空冷塔17分别与冷水机组18、冷却器I19连接，冷水机组18和冷却器I19连接，采用该结构，预冷效果较佳，基础预冷功能较为稳定。

进一步，具体的，纯化系统内设置有分子筛纯化器I20和分子筛纯化器II21，分子筛纯化器II21与分子筛纯化器I20相连接，分子筛纯化器I20和分子筛纯化器II21上连接设置有消声器II22，能够将二氧化碳、水分和碳氢化合物脱除至1PPm，同时还能降低再生温度和再生能好，提高其使用寿命，消声器II22能够对其降低噪音。

进一步，具体的，增压机I6和增压机II7的输出端分别设置有冷却器II23，达到增压冷却同步的功能，为工作达到较好的条件。

进一步，具体的，增压机II7连接的冷却器II23输出的管路上设置有截止阀I24，用于管路的控制进入。

进一步，具体的，返流膨胀机14的输出端与预冷系统之间的循环管路上设置有截止阀II25，用于循环管路的控制使用。

作为本发明的进一步方案：还包括一种采用一压到底并联三膨胀的空分装置及其工作方法，具体步骤如下：

S1：首先将空气作为原料，经过自洁式空气过滤器1进行除杂，除杂后由空气透平压缩机2进行压缩，直接压缩到空分要求的压力，压缩后进入预冷系统冷却，冷却后的空气进入纯化系统进行净化，去除水、二氧化碳和碳氢化合物等杂质得到净化后的原料空气；

S2：净化后的原料空气分成两路，一路通过高温膨胀机4膨胀制冷后在换热器3中冷却后分成两股，一股继续冷却后进入下塔9进行精馏，其中低温膨胀机5部分空气与该股管路一同进入，同时另一股进入返流膨胀制冷发电系统制冷后与空气精馏系统中出塔的污氮混合后出塔进入预冷系统，其中返流膨胀制冷发电系统中的返流膨胀机14采用发电机13制动，返流膨胀机14运行时带动发电机13发电，由于返流膨胀机14通往上塔10，返流膨胀机14利用增压技术提高空气压力，通过返流膨胀机14的膨胀量来调节气体和液体产量比例，达到改善换热器换热效果；

S3：净化后的原料空气另一路先经过高温膨胀机4的增压机I6端和低温膨胀机5的增压机II7端增压后进入换热器3，经初步冷却后进入低温膨胀机5膨胀制冷后进入下塔9参与精馏；

S4：返流膨胀机14输出进入换热器3后通过电加热器15循环进入纯化系统，净化后重新分成两路继续精馏；

S5：主冷凝蒸发器11输出经过液空液氮过冷器12，利用气液间的温度差在精馏塔8上进行热质交换，向上产出液氮，并向下产出液氧，并且蒸馏塔8能够从侧部输出经过换热器3后产出气氧，蒸馏塔8的顶部输出端一次经过液空液氮过冷器12和换热器3产出气氮。

在本实施方案中，该工艺较为简单，空气透平压缩机2与循环压缩机系统达到一压到底的特点，很好地控制压缩到空分要求所需，采用高温膨胀机4、低温膨胀机5和返流膨胀机14的三膨胀形式，三者呈并联，这种流程布置有利于膨胀机高效稳定的运行，也充分利用各个膨胀机膨胀来再次增压循环氮气，充分发挥制冷效果，很好地满足了空分装置对冷量的极大需求，有效的降低了液氮的消耗。返流膨胀机14采用发电机13制动，返流膨胀机14运行时带动发电机13发电，降低电耗，能源重复利用，损耗较小，利于节能减排和提高企业经济效益。由于返流膨胀机14通往上塔10，返流膨胀机14利用增压技术提高空气压力，通过返流膨胀机14的膨胀量来调节气体和液体产量比例，达到改善换热器3换热效果，优化调节，提高液体产品提取率，循环精馏提取效果较佳，本装置不仅能够产出高纯度的液氮和液氧，而且具备产出气氧和气氮的功能，能源利用得到提高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。