一种具有防冻功能的预冷系统的制作方法

1.本实用新型属于空气分离装置领域，涉及一种具有防冻功能的预冷系统，尤其涉及一种空气分离装置的具有防冻功能的预冷系统。


背景技术：

2.在空气分离装置或具有空气进气系统的化工装置中，预冷系统作为冷却高温空气的基本设备，通常包括空气冷却塔(简称空冷塔)和水冷却塔(简称水冷塔)两组冷却塔，以对高温空气进行冷却。
3.在空气分离装置中，需要使用预冷系统冷却的高温空气通常是空气压缩机系统产生的压缩空气，其经过空气压缩机的后冷却器冷却之后仍然有约100℃的高温。水冷塔是预冷系统的关键设备，它的作用是利用冷箱中送出的干燥气体来冷却冷却水，冷却水经水冷塔冷却后变成冷冻水，然后冷冻水送至空冷塔用于冷却高温空气，经空冷塔冷却的高温空气将被送至纯化系统进行吸附纯化。通常，冷却水温度不足以冷却高温空气，需要使用冷箱中送出的干燥气体在水冷塔中冷却冷却水，得到冷冻水再进一步送至空冷塔冷却高温空气。
4.常规的空冷塔分为上下两段，依次包括冷冻单元和冷却单元，两个单元分别装入不规整填料以增加空气与冷冻水、冷却水的换热表面积，从而提高换热效率。在冷冻单元的上部安装有一布水器，其与空冷塔外部的冷冻水泵相连，使得水冷塔产生的冷冻水进入第一布水器并被均匀分布地淋在冷冻单元的填料上；在冷却单元的上部安装有另一布水器，其与空冷塔外部的冷却水泵相连，使得冷却水系统中的冷却水进入第二布水器并被均匀分布地淋在冷却单元的填料上。
5.常规的水冷塔也装入了不规整填料以增加冷却水与冷箱中送出的干燥气体的换热表面积，通常冷却水的入口设置在不规整填料的上部，其与水冷塔上部的一布水器相连，使得冷却水系统中的冷却水进入该布水器并被均匀分布地淋在水冷塔的填料上。换热之后冷却水温度降低形成冷冻水，该冷冻水由水冷塔下部或底部送出连接至冷冻水泵，使得该冷冻水被送至上述空冷塔的冷冻单元，以与空冷塔中的高温空气进行换热。
6.正常运行时，冷却水系统中的冷却水送至水冷塔，用冷箱中送出的干燥气体(例如低温污氮气)冷却成冷冻水，再用冷冻水泵加压将冷冻水送至空冷塔冷却高温空气，冷冻水温度通常在零度以上。但是在北方地区，冬季的冷却水温度会大大低于正常设计值，这将导致在热交换过程中水冷塔中的冷却水结冰，造成水冷塔内部填料损坏、空分装置由于干燥气体在水冷塔中堵塞而停车、空分装置由于纯化系统入口空气温度过高而停车等问题。
7.有鉴于此，如何设计一种具有防冻功能的预冷系统，以消除冬季水冷塔结冰的风险，提高空分装置预冷系统的安全性和可靠性，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。


技术实现要素：

8.本实用新型提供了一种具有防冻功能的预冷系统，所述预冷系统至少包括一空冷
塔、一水冷塔和一冷却水系统，其中，所述空冷塔包括冷冻单元和冷却单元，所述冷冻单元和冷却单元从上至下依次排布；冷冻水入口，其设置于所述冷冻单元的上方；空冷塔冷却水入口，其设置于所述冷冻单元与所述冷却单元之间；空冷塔空气入口，其设置于所述冷却单元的下方；空冷塔水出口，其设置于所述空冷塔的底部；空冷塔空气出口，其设置于所述空冷塔的顶部；所述水冷塔包括换热区，其位于所述水冷塔的中部；水冷塔第一冷却水入口，其设置于所述换热区的上方；水冷塔气体入口，其设置于所述换热区的下方；冷冻水出口，其设置于所述水冷塔的下部；水冷塔气体出口，其设置于所述水冷塔的顶部；空冷塔冷却水管路，冷却水系统中的冷却水经冷却水泵和所述空冷塔冷却水管路与所述空冷塔冷却水入口相连，冷却水系统中的冷却水进入空冷塔并被均匀分布在冷却单元中；水冷塔第一冷却水管路，冷却水系统中的冷却水通过所述水冷塔第一冷却水管路与水冷塔第一冷却水入口相连，冷却水系统中的冷却水进入水冷塔并被均匀分布在换热区中；第一控制阀，所述第一控制阀设置在水冷塔第一冷却水管路上；空冷塔冷冻水管路，其用于连接水冷塔的所述冷冻水出口和空冷塔的所述冷冻水入口，水冷塔产生的冷冻水通过冷冻水泵和所述空冷塔冷冻水管路进入空冷塔并被均匀分布在冷冻单元中；水冷塔气体入口管路，来自冷箱的干燥气体通过所述水冷塔气体入口管路与所述水冷塔气体入口相连；第二控制阀，所述第二控制阀设置在水冷塔气体入口管路上；所述水冷塔还包括水冷塔第二冷却水入口、水冷塔第二冷却水管路和第三控制阀，该水冷塔第二冷却水入口设置于所述换热区的下方，冷却水系统中的冷却水通过所述水冷塔第二冷却水管路与水冷塔第二冷却水入口相连，所述第三控制阀设置在所述水冷塔第二冷却水管路上。
9.更进一步地，当冷却水系统的冷却水温度过低，水冷塔将出现结冰风险时，关闭第一控制阀，打开第三控制阀，使得来自冷却水系统的冷却水由所述水冷塔第二冷却水入口进入所述水冷塔，避免冷却水与干燥气体发生换热。
10.本实用新型还提供了一种具有防冻功能的预冷系统，所述预冷系统至少包括一空冷塔、一水冷塔和一冷却水系统，其中，所述空冷塔包括冷冻单元和冷却单元，所述冷冻单元和冷却单元从上至下依次排布；冷冻水入口，其设置于所述冷冻单元的上方；空冷塔冷却水入口，其设置于所述冷冻单元与所述冷却单元之间；空冷塔空气入口，其设置于所述冷却单元的下方；空冷塔水出口，其设置于所述空冷塔的底部；空冷塔空气出口，其设置于所述空冷塔的顶部；所述水冷塔包括换热区，其位于所述水冷塔的中部；水冷塔冷却水入口，其设置于所述换热区的上方；水冷塔第一气体入口，其设置于所述换热区的下方；冷冻水出口，其设置于所述水冷塔的下部；水冷塔气体出口，其设置于所述水冷塔的顶部；空冷塔冷却水管路，冷却水系统中的冷却水经冷却水泵和所述空冷塔冷却水管路与所述空冷塔冷却水入口相连，冷却水系统中的冷却水进入空冷塔并被均匀分布在冷却单元中；水冷塔冷却水管路，冷却水系统中的冷却水通过所述水冷塔冷却水管路与水冷塔冷却水入口相连，冷却水系统中的冷却水进入水冷塔并被均匀分布在换热区中；第一控制阀，所述第一控制阀设置在水冷塔冷却水管路上；空冷塔冷冻水管路，其用于连接水冷塔的所述冷冻水出口和空冷塔的所述冷冻水入口，水冷塔产生的冷冻水通过冷冻水泵和所述空冷塔冷冻水管路进入空冷塔并被均匀分布在冷冻单元中；水冷塔第一气体入口管路，来自冷箱的干燥气体通过所述水冷塔第一气体入口管路与所述水冷塔第一气体入口相连；第二控制阀，所述第二控制阀设置在水冷塔第一气体入口管路上；所述水冷塔还包括水冷塔第二气体入口、水冷
塔第二气体入口管路和第四控制阀，该水冷塔第二气体入口设置于所述换热区的上方，来自冷箱的干燥气体通过所述水冷塔第二气体入口管路与所述水冷塔第二气体入口相连，所述第四控制阀设置在所述水冷塔第二气体入口管路上。
11.更进一步地，当冷却水系统的冷却水温度过低，水冷塔将出现结冰风险时，关闭第二控制阀，打开第四控制阀，使得来自冷箱的干燥气体由所述水冷塔第二气体入口进入所述水冷塔，避免冷却水与干燥气体发生换热。
12.更进一步地，所述来自冷箱的干燥气体是低温污氮气。
13.与现有技术相比较，本实用新型所提供的技术方案具有以下优点：本实用新型在原有预冷系统的基础上作了少量改动，分别通过增加水冷塔第二冷却水管路或水冷塔第二气体管路即可达到相同的技术效果，都可以避免冷却水与干燥气体发生换热，从而规避水冷塔内发生结冰的风险，应用灵活有效。
附图说明
14.关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及所附图得到进一步的了解。
15.图1是现有技术的预冷系统的结构示意图。
16.图2是本实用新型所提供的一种具有防冻功能的预冷系统的结构示意图。
17.图3是本实用新型所提供的另一种具有防冻功能的预冷系统的结构示意图。
18.附图标示：
19.1 空冷塔
20.2 水冷塔
21.a 冷冻单元
22.b 冷却单元
23.c 冷冻水入口
24.d 空冷塔冷却水入口
25.e 空冷塔空气入口
26.f 空冷塔水出口
27.g 空冷塔空气出口
28.h 换热区
29.i 水冷塔第一气体入口
30.j 水冷塔第一冷却水入口
31.l 冷冻水出口
32.m 水冷塔气体出口
33.p1 冷却水泵
34.p2 冷冻水泵
35.k1 水冷塔第一冷却水管路
36.k2 空冷塔冷却水管路
37.k3 空冷塔冷冻水管路
38.n1 水冷塔第一气体入口管路
39.v1 第一控制阀
40.v2 第二控制阀
41.q 水冷塔第二冷却水入口
42.k4 水冷塔第二冷却水管路
43.v3 第三控制阀
44.r 水冷塔第二气体入口
45.n2 水冷塔第二气体入口管路
46.v4 第四控制阀。
具体实施方式
47.下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施例。然而，应当将本实用新型理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本实用新型的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
48.在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本实用新型的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“之上”、“之下”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本实用新型的限制。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。
50.在本实用新型中，术语“顶部”、“上部”、“中部”、“下部”和“底部”对应的是所述空冷塔或水冷塔中的位置关系，为了便于描述本实用新型和简化其中部件的位置描述，可以通俗地理解为其排布是从上至下的。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
51.除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。
[0052]“冷却水”指的是来自冷却水系统的冷却水，正常工况下温度大多在20～40℃之间，冬季的冷却水温度会大大低于正常工况下的温度，外界温度降至5～15℃之间时，水冷塔就有可能出现结冰风险。“冷冻水”由水冷塔产生，用冷箱中送出的干燥气体(例如低温污氮气)将送入水冷塔的冷却水冷却成冷冻水，正常工况下冷冻水温度通常在零度以上，介于5～30℃之间。
[0053]
图1是现有技术的预冷系统的结构示意图。如图1所示，现有技术的预冷系统通常包括空冷塔1和水冷塔2两组冷却塔。常规的空冷塔1分为上下两段，依次从上至下排布冷冻单元a和冷却单元b，两个单元分别装入不规整填料；在冷冻单元a的上部安装有冷冻水入口c，其与空冷塔1外部的冷冻水泵p2相连，使得冷冻水进入空冷塔并被均匀分布在冷冻单元a中，空气与冷冻水在冷冻单元中换热，其中的不规整填料增加了换热面积从而提高了换热
效率；在冷却单元b的上部安装有空冷塔冷却水入口d，其介于所述冷冻单元a与所述冷却单元b之间，与空冷塔1外部的冷却水泵p1相连，使得来自冷却水系统的冷却水进入空冷塔并被均匀分布在冷却单元b中，空气与冷却水进一步在冷却单元中换热，其中的不规整填料同样起到了提高换热效率的作用。所述空冷塔1还包括空冷塔空气入口e，其设置于所述空冷塔的下部，位于所述冷却单元的下方，进入的高温空气是来自空气压缩机系统的高温空气，温度为20
‑
120℃之间，优选100℃；空冷塔水出口f，其设置于所述空冷塔的底部，用于收集与高温空气换热之后的冷冻水和冷却水，水温为20
‑
60℃之间，优选45℃；空冷塔空气出口g，其设置于所述空冷塔的顶部，高温空气被冷却至5
‑
35℃之间，优选15℃，之后被送至下游纯化系统进行吸附纯化。
[0054]
水冷塔2的作用是利用冷箱中送出的干燥气体(例如低温污氮气)来冷却来自冷却水系统的冷却水，以产生冷冻水并通过冷冻水泵p2及空冷塔冷冻水管路k3送至空冷塔的冷冻单元。这是因为，正常工况下冷却水温度20
‑
40℃之间，优选30℃，不足以冷却高温空气，需要先使用冷箱中送出的干燥气体在水冷塔中冷却冷却水，以产生温度更低的冷冻水。常规的水冷塔2也装入了不规整填料(换热区h)以增加冷却水与冷箱中送出的干燥气体的换热表面积。所述水冷塔2还包括水冷塔第一气体入口i，其设置于所述换热区h的下方，用于接收干燥气体(例如低温污氮气)；水冷塔第一冷却水入口j，其设置于所述换热区h的上方；冷冻水出口l，其设置于所述水冷塔的下部或底部；水冷塔气体出口m，其设置于所述水冷塔的顶部。
[0055]
如图1所示，现有技术的预冷系统还包括水冷塔第一冷却水管路k1，冷却水系统中的冷却水通过所述水冷塔第一冷却水管路k1与水冷塔第一冷却水入口j相连，冷却水进入水冷塔并被均匀分布在换热区h中；第一控制阀v1，所述第一控制阀设置在水冷塔第一冷却水管路k1上；空冷塔冷却水管路k2，冷却水系统中的冷却水通过所述空冷塔冷却水管路k2与空冷塔冷却水入口d相连，冷却水进入空冷塔并被均匀分布在冷却单元b中；空冷塔冷冻水管路k3，其用于连接冷冻水出口l和冷冻水入口c，水冷塔产生的冷冻水由冷冻水出口送出并连接至冷冻水泵p2，使得该冷冻水被送至上述空冷塔的冷冻单元，以与空冷塔中的高温空气进行换热；正常工况下冷冻水温度通常在零度以上，5
‑
30℃之间，优选10℃；水冷塔第一气体入口管路n1，其用于连接来自冷箱的干燥气体与所述水冷塔第一气体入口i；第二控制阀v2，所述第二控制阀设置在水冷塔第一气体入口管路n1上。
[0056]
图2是本实用新型所提供的具有防冻功能的预冷系统的结构示意图。冬季的冷却水温度会大大低于正常设计值，通常在5～15℃之间，此时水冷塔有极大可能出现结冰的风险。以冷却水温度为10℃为例，其与干燥气体在水冷塔2中换热会导致冷却水温度低于零度而结冰，容易造成水冷塔的内部填料损坏。同时，由于干燥气体在水冷塔中堵塞容易导致空分装置停车，由于纯化系统入口空气温度过高也容易导致空分装置停车。本实施例中，通过在当前使用的设备图1的基础上增加一冷却水旁通管路，以规避水冷塔内发生结冰的风险。本实施例增加了水冷塔第二冷却水入口q，其设置于所述换热区h的下方；水冷塔第二冷却水入口管路k4，其用于连接来自冷却水系统的冷却水与所述水冷塔第二冷却水入口q，和设置在所述水冷塔第二冷却水管路k4上的第三控制阀v3。当冷却水系统的冷却水温度过低，水冷塔将出现结冰风险时，关闭第一控制阀v1，打开第三控制阀v3，使得来自冷却水系统的冷却水由所述水冷塔第二冷却水入口进入所述水冷塔，避免冷却水与干燥气体在换热区发
生换热，从而规避水冷塔内发生结冰的风险。本实施例压缩空气被冷却至15℃之后被送至下游纯化系统进行吸附纯化，空冷塔底部热水出口f处的热水温度大概25℃。
[0057]
图3是本实用新型所提供的具有防冻功能的预冷系统的另一结构示意图。本实施例中，通过在当前使用的设备图1的基础上增加一干燥气体旁通管路，以规避水冷塔内发生结冰的风险。本实施例增加了水冷塔第二气体入口r，其设置于所述换热区h的上方；水冷塔第二气体入口管路n2，其用于连接来自冷箱的干燥气体与所述水冷塔第二气体入口r，和设置在所述水冷塔第二气体入口管路n2上的第四控制阀v4。当冷却水系统的冷却水温度过低，水冷塔将出现结冰风险时，关闭第二控制阀v2，打开第四控制阀v4，使得来自冷箱的干燥气体由所述水冷塔第二气体入口进入所述水冷塔，避免冷却水与干燥气体发生换热，从而规避水冷塔内发生结冰的风险。本实施例压缩空气被冷却至15℃之后被送至下游纯化系统进行吸附纯化，空冷塔底部热水出口f处的热水温度大概25℃。
[0058]
本说明书中所述的只是本实用新型的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围之内。