[發明專利]外冷式單級精餾空分裝置及方法

在審

• 申請號: 201510940808.2
• 申請日: 2015-12-16
• 公開（公告）號: CN105423703A
• 公開（公告）日: 2016-03-23
• 發明（設計）人: 毛文軍;張英辰
• 申請（專利權）人: 新疆天辰氣體有限公司
• 主分類號: F25J3/04
• 分類號: F25J3/04
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明屬于空分領域，具體涉及外冷式單級精餾空分裝置及方法。

背景技術

空分裝置是以空氣為原料制備氧氣和氮氣及氬氣等惰性氣體的分離裝置。通過對空氣進行壓縮、膨脹制冷，進而使空氣液化，利用精餾塔分離出氧氣、氮氣和惰性氣體(如氬氣)等產品。生產中使用的原料空氣，可以隨時隨地獲得。目前空分行業是屬于化工產業的一個分支行業。

現有的空分設備工藝流程固化，能耗大，空氣分離成本較高，尤其在單級精餾中不能完全分離空氣，生產高純度的氮氣和氧氣。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種外冷式單級精餾空分裝置，能夠實現單級帶壓精餾完全分離空氣，生產高純度的N₂和O₂，并降低分離能耗。與傳統空分流程相比，此流程氧氮分離能耗由0.4kwh/NM3O2以上降至0.3kWh/NM3O2以下，能耗降低30％以上。

本發明的另一目的在于提供外冷式單級精餾空分方法。

為了實現上述目的，本發明的具體方案如下：

外冷式單級精餾空分裝置，包括主塔、付塔、冷凝蒸發器，換熱器、循環壓縮機、液氧泵、節流閥和輸送管道；

所述冷凝蒸發器包括主冷凝蒸發器、氬冷凝蒸發器，其中所述主冷凝蒸發器和氬冷凝蒸發器分別設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；

所述換熱器包括氧氣換熱器、氮氣換熱器、粗氬換熱器、循環換熱器；

所述主塔的中部設有原料空氣進料口，原料空氣分別通過所述氧氣換熱器、氮氣換熱器和粗氬換熱器預冷至飽和溫度后通過輸送管道從所述主塔中部的進料口進入所述主塔，所述主塔底部上設有液氧輸入口，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入熱質交換，分離出氮氣。氮氣從主塔的頂部引出并通過氮氣換熱器復熱至常溫后回收，液體回流至主塔底部分離出液氧。液氧經節流閥、液氧泵、輸送管道進入主塔頂部的主冷凝蒸發器以及付塔頂部的氬冷凝蒸發器，作為該兩個冷凝蒸發器的冷媒；

主塔中，部分氮氣進入主冷凝蒸發器與液氧冷進行換熱，液氧蒸發氣體進入所述循環換熱器，并通過所述循環壓縮機加壓冷卻后進入塔釜上升，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交換，以此循環；

從主塔下段抽取的含Ar8-12％的餾分進入付塔，在付塔內，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熱至常溫后回收。大部分繼續冷凝回流至主塔底部。氬冷凝蒸發器中蒸發的氧氣再通過所述氧氣換熱器復熱至常溫后回收。

進一步地，所述主塔頂部上設有液氮輸入口。

進一步地，所述氬冷凝蒸發器上設有液氬輸入口。

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、液氬和液氧的補充入口。液氧、液氮、液氬可單獨使用，并可組合使用補充裝置冷損。

進一步地，所述塔釜與所述主冷凝蒸發器連通的回路上設有節流閥，與氬冷凝蒸發器連通的回路上設有回流閥以及所述液氧泵。

因為主冷凝器外側壓力小于氬冷凝器外側壓力，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器內時，需要通過輸送管路上設置的節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器內時，需要通過液氧泵將其增壓。同時，需要使用回流閥限制流量，保證平穩輸送。

進一步地，所述氧氣換熱器、氮氣換熱器以及氬氣換熱器均為板式換熱器。

板式換熱器為傳熱介質不相接觸，僅僅通過換熱器本身進行熱量交換，能夠達到本方案的目的。

本發明還提供了外冷式單塔精餾空分方法，包括以下步驟：

a.將預處理凈化后的原料空氣送入熱換器與返流氣體換熱后預冷至飽和溫度，并通過主塔中部的加料口送入主塔內；

b.向主塔底部的第二冷凝蒸發器內注入液氧，與該冷凝蒸發器內的液氧冷媒進行換熱，產生的氧氣上升，并與中部的飽和原料空氣中的液氮進行換熱，氮氣上升至主塔頂部，大部分被引出，經過氮氣換熱器復熱至常溫后回收，氧氣冷凝回流；同時，位于主塔下段中部的氬氣以及大部分氧氣進入付塔，其中的大部分氬氣上升至所述付塔頂部；