一種液氧及液氮制取裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種液氧及液氮制取裝置及方法，該裝置包括自潔式空氣過濾器、空壓機、冷氣機組、分離器、分子篩吸附器、主換熱器、下塔、上塔、過冷器、以及膨脹機。本裝置的原料為空氣，空氣依次通過自潔式空氣過濾器、空壓機、膨脹機的增壓端、冷氣機組、分子篩吸附器然后進入冷箱，經(jīng)主換熱器后一部分空氣從主換熱器中下部抽出進入透平膨脹機的膨脹端進行絕熱膨脹，膨脹后的空氣經(jīng)換熱器復熱后送出冷箱；剩余部分空氣被冷卻至液化點后出主換熱器進入下塔進行精餾。液氧產品從下塔的底部抽出然后向液氧貯槽輸送，液氮產品從主冷液氮側抽出向液氮貯槽輸送。本發(fā)明公開的裝置及方法工藝流程操作簡單、提取率高以及能耗低，同時設備投資成本低。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及空氣分離領域，尤其涉及一種液氧及液氮制取裝置及方法。 一種液氧及液氮制取裝置及方法

【背景技術】
[0002] 隨著各行各業(yè)的快速發(fā)展，對工業(yè)氣體的要求量也有較大的增長，特別是液態(tài)產 品的需求量逐年上升，每年以15%?20%的速度增加。由于液體空分產品具有便利貯存、 供應方便、保證質量、輸送效率高等優(yōu)點越來越被用戶采用，市場潛力很大。如果僅靠空分 設備副產品根本就不能滿足市場的需求，全液體空分設備裝置的應用已成為一種趨勢。隨 著交通狀況的極大改善以及為了追求更高的經(jīng)濟效益，液態(tài)空氣制品以其良好的品質、較 低的運輸成本、較好的性能價格比以及安全方便等特點，越來越受到用戶的青睞；并且中國 雖地域遼闊，但工業(yè)氣體的供應遠未達到發(fā)達國家可以以集中供氣覆蓋上百公里的規(guī)模， 因此液體銷售便成為氣體公司一種較好的選擇。同時，液體產品還可以較好地調配各地區(qū) 產品供求不平衡的狀況，隨著醫(yī)用氧氣使用的逐步規(guī)范化，利用液氧生產醫(yī)用氧氣也成為 一種趨勢。
[0003] 全液體空分設備產品生產主要采用低溫精餾分離工藝，利用空氣中各組分蒸發(fā)溫 度的不同將它們分離并得到液體產品?？辗盅b置的原料是大氣，其主要的消耗是能源，尤其 對全液體空分能耗的高低更為關鍵。因此，在全液體空分裝置中如何進一步降低能量消耗 顯得尤為重要；并且用戶對能耗指標要求越來越低，用戶和供應商對能耗指標越來越關注。 對于采用低溫精餾的成套設備，提取率和能耗成為評價成套設備經(jīng)濟指標和技術指標的主 要參數(shù)；空分設備均為用電大戶，在能源日益緊張的情況下，對于使用全液體空分設備的用 戶，為他們提供更低能耗工藝流程，研制生產出產品提取率高的成套裝置，不僅可以做到降 低能耗，降低生產成本，對日趨緊張的能源需求也可以起到一定的緩解作用。
[0004] 目前液體空分采用的流程主要有空氣直接膨脹循環(huán)制冷流程、有預冷的低壓外循 環(huán)膨脹制冷流程、中壓外循環(huán)膨脹制冷流程和有預冷的中壓外循環(huán)膨脹制冷流程等等。以 上流程形式都需要采用額外的空氣增壓機或者氮氣增壓機對原料氣體進行增壓，增加操作 難度。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術中的不足提供一種能耗低、工藝流程簡單的 通過空氣分離提取液氧及液氮的液氧及液氮制取裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：一種液氧及液氮制取裝置，包括空氣壓縮系統(tǒng)、 預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)和冷箱，所述空氣壓縮系統(tǒng)包括空氣過濾器以及空氣過濾器相連接的 空壓機，所述預冷系統(tǒng)包括冷氣機組，所述純化系統(tǒng)包括分子篩吸附器、電加熱器及消音 器，所述冷箱包括主換熱器、膨脹機的膨脹端及分餾塔；所述空壓機通過第一管道與一膨脹 機的增壓端相連接，所述增壓端通過第二管道連接一冷氣機組，所述冷氣機組通過第三管 道連接一分離器，所述分離器通過第四管道與分子篩吸附器相連接，所述分子篩吸附器的 出口處設置第五管道，所述第五管道經(jīng)過一主換熱器后與兩個管道相連通：第六管道及第 七管道，所述第七管道連接在一所述膨脹機的膨脹端，所述第六管道經(jīng)過第一節(jié)流閥連接 在分餾塔的下塔氣體入口處；所述膨脹機的出口處連接第八管道，所述第八管道經(jīng)主換熱 器后連接在冷箱外部的純化系統(tǒng)，所述分餾塔包括上塔、下塔和位于上塔和下塔之間的冷 凝蒸發(fā)器，所述下塔頂部的液體出口處連接第九管道，所述下塔底部的液體出口處連接第 十管道，所述第九管道經(jīng)過一過冷器及第二節(jié)流閥后連接在所述上塔中部，所述第十管道 經(jīng)過所述過冷器及第三節(jié)流閥后連接在所述上塔的上部，所述上塔頂部的污氣出口處連接 第十一管道，所述冷凝蒸發(fā)器上方的污氣出口處連接一第十二管道，所述第十一管道和所 述第十二管道經(jīng)過主換熱器后連接在冷箱外部的純化系統(tǒng)，所述冷凝蒸發(fā)器的液氧側出口 處連接第十三管道，所述第十三管道經(jīng)過通過第四節(jié)流閥連接在冷箱外部的液氧c槽上， 所述冷凝器蒸發(fā)器的氮氣側出口處連接第十四管道，所述第十四管道經(jīng)過過冷器及第五節(jié) 流閥后連接在冷箱外部的氮氣貯槽上。
[0007] 所述上塔為塔板數(shù)為38~45或對應塔盤數(shù)為45~72盤的篩板下塔，所述上塔為塔 板數(shù)為5(Γ80或對應塔盤數(shù)為72~108盤的規(guī)整填料上塔。
[0008] 所述主換熱器及過冷器均為鋁制翅片式換熱器。
[0009] -種液氧及液氮制取的方法，該方法如下： 1) 原料氣為空氣，空氣先通過空氣過濾器過濾掉雜質后，而后進入空氣壓縮機壓縮；被 壓縮后的氣體直接進入膨脹機的增壓端進行增壓，增壓后經(jīng)冷卻器冷卻后進入冷氣機組進 行再次冷卻，冷卻后的氣體經(jīng)分離器分離掉游離水后進入分子篩吸附器吸附，氣體經(jīng)過吸 附器吸附掉水、二氧化碳及部分碳氫化合物后進入冷箱，經(jīng)主換熱器與返流的污氮、氧、氮 進行熱交換；熱交換后一部分空氣從主換熱器中下部抽出，溫度為-i〇(T-i3(rc進入膨脹 機的膨脹端進行絕熱膨脹，膨脹后的空氣壓力為25kpa，經(jīng)主換熱器復熱后送出分餾單元； 剩余部分空氣被冷卻至液化點后出主換熱器進入下塔進行精餾； 2) 下塔在塔頂?shù)玫郊兊獨饧耙旱?，下塔在塔頂?shù)玫郊兊獨饧耙旱兌群鯙樾∮?100PPm02，下塔塔底為38%的富氧液空，下塔所需的回流液來自下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器，在 這里液氧得到蒸發(fā)，而氮氣得到冷凝；部分液氮回下塔作為回流液，另一部分液氮經(jīng)過冷器 過冷后節(jié)流進上塔頂部噴淋，參加上塔精餾；來自下塔塔釜的富氧液空，經(jīng)過冷器過冷后進 入上塔中部參加精餾，在上塔頂部抽出的污氮氣經(jīng)過主換熱器復熱與膨脹后的氣體混合后 去純化系統(tǒng)作再生氣；液氧產品從冷凝蒸發(fā)器抽出然后向液氧貯槽輸送，液氮產品從冷凝 蒸發(fā)器液氮側抽出經(jīng)過冷器過冷后向液氮貯槽輸送。
[0010] 膨脹機增壓端的氣體為全部來自空氣壓縮機后的氣體，膨脹機膨脹后的氣體為來 自分子篩吸附器吸附后的氣體。
[0011] 膨脹機的膨脹端膨脹后的氣體與冷箱出來的污氮氣混合進入第八管道被送入純 化系統(tǒng)，作為純化系統(tǒng)的再生氣。
[0012] 經(jīng)空氣壓縮機壓縮后的氣體壓力為0· 6~L OMPa，溫度為40°C。
[0013] 氣體經(jīng)過冷器冷卻后的溫度為40°C，經(jīng)冷氣機組再次冷卻后的溫度為5~8°C。
[0014] 得到的液氧產品純度大于99. 6%02，氮氣中氧氣為小于100Ppm02。
[0015] 本發(fā)明的技術方案產生的積極效果如下： 該裝置的透平膨脹機的增壓端的空氣是來自空氣壓縮機壓縮后的氣體進行全部增壓， 膨脹機的膨脹端的氣體來自分子篩吸附器的氣體，經(jīng)過換熱器中部抽出部分經(jīng)管道進入膨 脹端膨脹，膨脹后經(jīng)換熱器換熱后去分子篩作為再生氣，為空分裝置提供冷量；液氧產品從 冷凝蒸發(fā)器里面抽取出來，經(jīng)過管道及閥門后送入液氧貯槽；液氮產品從下塔頂部抽出經(jīng) 過過冷器過冷后經(jīng)管道及閥門送入液氮貯槽。
[0016] 所述精餾塔采用篩板塔，換熱效果好；所述精餾塔采用填料塔，操作彈性大，適用 于變工況操作；所述主換熱器及過冷器為鋁制翅片式換熱器，換熱效果好；所述液氮產品 經(jīng)過過冷器過冷后抽出，可以增加液氮過冷度，減少進貯槽氣化損失。
[0017] 本發(fā)明采用一種操作簡單、無空氣或者氮氣增壓機、產品提取率高、占地面積小的 流程形式來獲取液態(tài)產品，不僅能耗低、工藝流程簡單，而且制取效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的液氧及液氮制取裝置的結構示意圖。
[0019] 圖中標注為：1、自潔式空氣過濾器；2、空壓機；3、透平膨脹機的增壓端；4、冷氣 機組；5、分離器；6、分子篩吸附器；7、電加熱器；8、第一消音器；9、第二消音器；10、主換 熱器；11、透平膨脹機的膨脹端；12、下塔；13、過冷器；14、冷凝蒸發(fā)器；15、上塔；16、冷箱； 17、第一節(jié)流閥；18、第二節(jié)流閥；19、第三節(jié)流閥；20、第四節(jié)流閥；21、第五節(jié)流閥；22、 液氧貯槽；23、液氮貯槽；24、冷卻器；101、第一管道；102、第二管道；103、第三管道；104、 第四管道；105、第五管道；106、第六管道；107、第七管道；108、第八管道；109、第九管道； 110、第十管道；111、第十一管道；112、第十二管道；113、第十三管道；114、第十四管道。

【具體實施方式】
[0020] 實施例一 一種液氧及液氮制取裝置，如圖1所示，包括空氣壓縮系統(tǒng)、預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)和冷 箱16,所述空氣壓縮系統(tǒng)包括自潔式空氣過濾器1以及自潔式空氣過濾器相連接的空壓機 2,所述預冷系統(tǒng)包括冷卻器24和冷氣機組4,所述純化系統(tǒng)包括分子篩吸附器6、電加熱 器7、第一消音器8及第二消音器9,電加熱器加熱冷箱過來的污氮氣至175°C后送入分子 篩吸附器進行分子篩再生，消音器為污氮氣、氮氣的放空起到消除噪音的作用，所述冷箱包 括主換熱器10、透平膨脹機的膨脹端11及分餾塔；所述空壓機通過第一管道101與一透平 膨脹機的增壓端3相連接，所述透平膨脹機的增壓端通過第二管道102連接所述冷卻器，從 冷卻器處理的第二管道連接在所述冷氣機組上，所述冷氣機組通過第三管道103連接一分 離器5,所述分離器通過第四管道104與分子篩吸附器6相連接，所述分子篩吸附器的出口 處設置第五管道105,所述第五管道經(jīng)過一主換熱器后與兩個管道相連通：第六管道106及 第七管道107,所述第七管道連接在一所述透平膨脹機的膨脹端，所述第六管道經(jīng)過第一節(jié) 流閥17連接在分餾塔的下塔氣體入口處；所述透平膨脹機的膨脹端的出口處連接第八管 道108,所述第八管道經(jīng)主換熱器后連接在冷箱外部的純化系統(tǒng)，所述分餾塔包括上塔15、 12下塔和位于上塔和下塔之間的冷凝蒸發(fā)器14,所述下塔頂部的液體出口處連接第九管 道109,所述下塔底部的液體出口處連接第十管道110,所述第九管道經(jīng)過一過冷器13及第 二節(jié)流閥18后連接在所述上塔中部，所述第十管道經(jīng)過所述過冷器及第三節(jié)流閥19后連 接在所述上塔的上部，所述上塔頂部的污氣出口處連接第十一管道111，所述冷凝蒸發(fā)器上 方的污氣出口處連接一第十二管道，所述第十一管道和所述第十二管道112經(jīng)過主換熱器 后連接在冷箱外部的純化系統(tǒng)，所述冷凝蒸發(fā)器的液氧側出口處連接第十三管道113,所述 第十三管道經(jīng)過通過第四節(jié)流閥20連接在冷箱外部的液氧貯槽22上，所述冷凝器蒸發(fā)器 的氮氣側出口處連接第十四管道114,所述第十四管道經(jīng)過過冷器及第五節(jié)流閥21后連接 在冷箱外部的氮氣貯槽23上。
[0021] 所述下塔、冷凝蒸發(fā)器機所述上塔為一體式復合設備，所述上塔為塔板數(shù)為38~45 或對應塔盤數(shù)為45?72盤的篩板下塔，所述上塔為塔板數(shù)為5(Γ80或對應塔盤數(shù)為72?108 盤的規(guī)整填料上塔。
[0022] 所述主換熱器及過冷器均為鋁制翅片式換熱器。
[0023] 實施例二 一種液氧及液氮制取方法，利用液氧及液氮制取裝置，該裝置為實施例一種的液氧及 液氮制取裝置，在此不再一一贅述。該方法包括： 1) 本裝置原料為空氣，空氣先通過自潔式空氣過濾器1過濾掉雜質后進入空壓機2,壓 縮后的氣體壓力為〇. 6~1. OMPa，溫度為40°C，被壓縮后的氣體直接進入透平膨脹機的增壓 端3進行增壓，增壓后經(jīng)冷卻器24冷卻至40°C后進入冷氣機組4進行再次冷卻至5~8°C， 冷卻后的氣體經(jīng)分離器5分離掉游離水后進入分子篩吸附器吸附，氣體經(jīng)過吸附器吸附掉 水、二氧化碳及部分碳氫化合物后進入冷箱16,經(jīng)主換熱器10與返流的污氮、氧、氮進行 熱交換，一部分空氣從主換熱器中下部抽出，溫度為-1〇(Γ-13〇?進入透平膨脹機的膨脹端 11進行絕熱膨脹，膨脹后的空氣壓力為25kpa，經(jīng)主換熱器復熱后送出冷箱；剩余部分空氣 被冷卻至液化點后出主換熱器進入下塔12進行精餾； 2) 下塔在塔頂?shù)玫郊兊獨饧耙旱?，純度含氧為小?00PPm02 ;塔底為38%的富氧液空； 下塔所需的回流液來自下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器14,在這里氧得到蒸發(fā)，而氮得到冷凝；部 分液氮回下塔作為回流液，另一部分液氮經(jīng)過冷器13過冷后節(jié)流進上塔頂部噴淋，參加上 塔精餾；來自下塔塔釜的富氧液空，經(jīng)過冷器過冷后進入上塔中部參加精餾，在上塔頂部抽 出的污氮氣經(jīng)過主換熱器復熱與膨脹后的氣體混合后去純化系統(tǒng)作再生氣；液氧產品從冷 凝蒸發(fā)器液氧側抽出然后節(jié)流并向液氧貯槽22輸送，液氮產品從冷凝蒸發(fā)器液氮側抽出 經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流并向液氮貯槽23輸送。
【權利要求】
1. 一種液氧及液氮制取裝置，包括空氣壓縮系統(tǒng)、預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)和冷箱，其特征 在于：所述空氣壓縮系統(tǒng)包括空氣過濾器以及空氣過濾器相連接的空壓機，所述預冷系統(tǒng) 包括冷氣機組，所述純化系統(tǒng)包括分子篩吸附器、電加熱器及消音器，所述冷箱包括主換熱 器、膨脹機的膨脹端及分餾塔；所述空壓機通過第一管道與一膨脹機的增壓端相連接，所述 增壓端通過第二管道連接一冷氣機組，所述冷氣機組通過第三管道連接一分離器，所述分 離器通過第四管道與分子篩吸附器相連接，所述分子篩吸附器的出口處設置第五管道，所 述第五管道經(jīng)過一主換熱器后與兩個管道相連通：第六管道及第七管道，所述第七管道連 接在一所述膨脹機的膨脹端，所述第六管道經(jīng)過第一節(jié)流閥連接在分餾塔的下塔氣體入口 處；所述膨脹機的出口處連接第八管道，所述第八管道經(jīng)主換熱器后連接在冷箱外部的純 化系統(tǒng)，所述分餾塔包括上塔、下塔和位于上塔和下塔之間的冷凝蒸發(fā)器，所述下塔頂部的 液體出口處連接第九管道，所述下塔底部的液體出口處連接第十管道，所述第九管道經(jīng)過 一過冷器及第二節(jié)流閥后連接在所述上塔中部，所述第十管道經(jīng)過所述過冷器及第三節(jié)流 閥后連接在所述上塔的上部，所述上塔頂部的污氣出口處連接第十一管道，所述冷凝蒸發(fā) 器上方的污氣出口處連接一第十二管道，所述第十一管道和所述第十二管道經(jīng)過主換熱器 后連接在冷箱外部的純化系統(tǒng)，所述冷凝蒸發(fā)器的液氧側出口處連接第十三管道，所述第 十三管道經(jīng)過通過第四節(jié)流閥連接在冷箱外部的液氧貯槽上，所述冷凝器蒸發(fā)器的氮氣側 出口處連接第十四管道，所述第十四管道經(jīng)過過冷器及第五節(jié)流閥后連接在冷箱外部的氮 氣貯槽上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種液氧及液氮制取裝置，其特征在于：所述上塔為塔板數(shù) 為3815或對應塔盤數(shù)為45?72盤的篩板下塔，所述上塔為塔板數(shù)為5(Γ80或對應塔盤數(shù) 為72~108盤的規(guī)整填料上塔。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種液氧及液氮制取裝置，其特征在于：所述主換熱器及過 冷器均為鋁制翅片式換熱器。
4. 一種利用如權利要求1中所述的裝置進行液氧及液氮制取的方法，其特征在于：該 方法如下： 1) 原料氣為空氣，空氣先通過空氣過濾器過濾掉雜質后，而后進入空氣壓縮機壓縮；被 壓縮后的氣體直接進入膨脹機的增壓端進行增壓，增壓后經(jīng)冷卻器冷卻后進入冷氣機組進 行再次冷卻，冷卻后的氣體經(jīng)分離器分離掉游離水后進入分子篩吸附器吸附，氣體經(jīng)過吸 附器吸附掉水、二氧化碳及部分碳氫化合物后進入冷箱，經(jīng)主換熱器與返流的污氮、氧、氮 進行熱交換；熱交換后一部分空氣從主換熱器中下部抽出，溫度為-10(T-I3(rc進入膨脹 機的膨脹端進行絕熱膨脹，膨脹后的空氣壓力為25kpa，經(jīng)主換熱器復熱后送出分餾單元； 剩余部分空氣被冷卻至液化點后出主換熱器進入下塔進行精餾； 2) 下塔在塔頂?shù)玫郊兊獨饧耙旱滤谒數(shù)玫郊兊獨饧耙旱?，純度含氧為小?100PPm02，下塔塔底為38%的富氧液空，下塔所需的回流液來自下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器，在 這里液氧得到蒸發(fā)，而氮氣得到冷凝；部分液氮回下塔作為回流液，另一部分液氮經(jīng)過冷器 過冷后節(jié)流進上塔頂部噴淋，參加上塔精餾；來自下塔塔釜的富氧液空，經(jīng)過冷器過冷后進 入上塔中部參加精餾，在上塔頂部抽出的污氮氣經(jīng)過主換熱器復熱與膨脹后的氣體混合后 去純化系統(tǒng)作再生氣；液氧產品從冷凝蒸發(fā)器抽出然后向液氧貯槽輸送，液氮產品從冷凝 蒸發(fā)器液氮側抽出經(jīng)過冷器過冷后向液氮貯槽輸送。
5. 根據(jù)權利要求3所述的一種液氧及液氮制取方法，其特征在于：膨脹機增壓端的氣 體為全部來自空氣壓縮機后的氣體，膨脹機膨脹后的氣體為來自分子篩吸附器吸附后的氣 體。
6. 根據(jù)權利要求3所述的一種液氧及液氮制取方法，其特征在于：膨脹機的膨脹端膨 脹后的氣體與冷箱出來的污氮氣混合進入第八管道被送入純化系統(tǒng)，作為純化系統(tǒng)的再生 氣。
7. 根據(jù)權利要求3所述的一種液氧及液氮制取方法，其特征在于：經(jīng)空氣壓縮機壓縮 后的氣體壓力為〇· 6?1. OMPa，溫度為40°C。
8. 根據(jù)權利要求3所述的一種液氧及液氮制取方法，其特征在于：氣體經(jīng)過冷器冷卻 后的溫度為40°C，經(jīng)冷氣機組再次冷卻后的溫度為5~8°C。
9. 根據(jù)權利要求3所述的一種液氧及液氮制取方法，其特征在于：得到的液氧產品純 度大于99. 6%02，氮氣中氧氣為小于100Ppm02。。
【文檔編號】F25J3/04GK104061757SQ201410317686
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權日:2014年7月7日
【發(fā)明者】王慶波, 卓躍光, 鄭三七, 張建松, 黨輝, 郭士雪, 彭喜魁, 孟松濤, 鄭書亮 申請人:開封空分集團有限公司