装于冷箱内的低温液体过滤装置及包含该装置的低温系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种安装于冷箱内的低温液体的过滤装置，尤其是空分领域内低温液体的固体杂质过滤装置。


背景技术：

2.在空气分离、氢气液化、合成气分离等低温系统中，常温下的气体被降温甚至液化，以实现分离、提纯或者便于储存等工艺目的。系统中的温度低于环境温度，往往低于0℃，-40℃，-150℃，-180℃或者更低。低温系统的设备以及管道，需要安装于一个或多个隔离箱体中，称为冷箱。冷箱中有时填入珠光砂或矿渣棉等保温材料，以维持系统中的低温环境。由于安装、操作过程的失误或长期运行造成的老化，颗粒或其他固体杂质有可能被裹挟进入低温液体中，这些固体杂质会对转动设备造成危害，引起设备跳车，甚至可能发生起火或爆炸等安全事故。
3.目前，在转动设备上游管道安装管道过滤器是保护转动设备的常规方案。由于过滤器固定安装于转动设备上游，一旦过滤器发生堵塞，需要打开冷箱，移除保温材料，维修人员才能进入冷箱内部进行操作。此维修过程繁琐、成本高，且人员进入密闭空间也有窒息等风险。
4.专利公开cn101360964a披露了一种适用于低温系统的过滤器，将过滤器安装于转动设备上游管道上，放置于隔离箱体内并在过滤器顶部通过法兰连接有盖帽，通过拆卸盖帽，可以实现过滤器内部的清洁以及滤网的更换。此过滤器的法兰暴露于大气中，可与外界环境持续进行热交换。环境中的热量传导入过滤器内部，使得低温液体蒸发并且聚集在过滤器壳体与法兰之间，形成气封，这一气封降低了低温液体和外部环境的热交换速率。
5.然而，在空分的长期运行中，过滤器内的低温液体会持续蒸发，在气封处不断聚集并且向下压迫低温液体的液面。当液面低于过滤器中的低温液体出口高度时，气封处聚集的气体会通过过滤器出口管道进入下游的低温泵中。进入低温泵的液体如带有气泡，则会在低温泵体内产生汽蚀现象，破坏低温泵叶轮等内部结构，严重影响低温泵性能，致使更换低温泵。更有甚者，如在低温液氧泵内产生汽蚀，可能引起泵内固体碎片与液氧之间的摩擦，进而发生爆炸。
6.有鉴于此，如何设计一种安全又易于维护的低温过滤装置，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。


技术实现要素：

7.如何在不拆卸冷箱的情况下，就能维护清理低温液体的过滤装置，并保证上述过滤装置在长期运行中的安全，是本实用新型要解决的技术问题。
8.为了实现上述发明目的，本实用新型公开了一种安装于冷箱内的低温液体的过滤装置，包括:壳体，设置有进液口和出液口，所述进液口和出液口设置于冷箱内，所述壳体的中轴线与水平面的夹角位于15～90度的范围内，所述壳体的顶部位于冷箱外侧；壳盖，所述
壳盖位于冷箱外侧，且与所述壳体的顶部连接；滤网，放置于所述壳体内部；其中，所述壳体还设置有排气口，且所述排气口设置于所述冷箱内。
9.进一步地，所述排气口上沿的水平高度高于所述出液口上沿的水平高度。
10.再进一步地，在所述排气口上沿所在的水平切面内，所述壳体与所述冷箱面板的最近距离(l)大于或等于所述壳体的内径(w)。
11.进一步地，所述壳体的中轴线与水平面的夹角为45度。
12.本实用新型还公开了一种包含所述过滤装置的低温系统，还包括，低温液体容纳装置，所述低温液体容纳装置与所述过滤装置的进液口通过管道连通；转动设备，所述转动设备的入口与所述过滤装置的出液口通过管道连通。优选的，所述转动设备为低温液体泵。
13.进一步地，低温液体容纳装置与所述过滤装置的排气口通过管道连通。
14.进一步地，所述低温液体容纳装置包括低温精馏塔。
15.进一步地，所述低温液体容纳装置包括低温液体储罐。
16.与现有技术相比较，本实用新型所提供的低温液体过滤装置具有以下优点：
17.低温液体流经低温泵之前，需要过滤其中的固体杂质，保障其安全运行。一般，低温过滤装置为管道过滤器，一旦过滤器发生堵塞，需拆开冷箱以及过滤器上下游管道进行维护，费时费力。本实用新型将过滤装置壳体延申至冷箱外，方便对过滤装置内部的滤网进行清理、更换，节约了维护的时间，简化了维护流程，且避免人员进入冷箱内部的密闭空间，提高了维护人员的安全性。
18.由于过滤装置壳体上部位于冷箱外，可与外界环境持续热交换，过滤装置中的低温液体吸热蒸发并聚集在过滤装置的壳体内，长此以往，聚集的气体将危害下游低温液体泵的安全运行。本实用新型在过滤装置的壳体上设置排气口，可及时排出聚集在壳体中的蒸发气体，避免聚集的气体通过壳体上连通的出液管道进入下游的低温泵中，进而避免过滤装置中聚集的气体对下游低温液体泵造成汽蚀损害，提高低温系统的安全性。
19.本发明的排气口连接到低温液体容纳装置上，可以回收过滤装置内蒸发气体所携带的冷量，避免因为低温气体放散对冷量的浪费。更进一步的，液氧蒸发产生的低温氧气，通过排气口连通入精馏塔，可进一步提高精馏塔对氧气的提取率。
附图说明
20.关于本实用新型的优点与精神，可以通过以下的详述及附图得到进一步的了解。
21.图1是能够应用本实用新型的过滤装置的一套低温空气分离系统；
22.图2是本实用新型的过滤装置的一个示意图；
23.图3是本实用新型的过滤装置的再一个示意图。
24.相同的标号在图1至图3中代表相对应的部分。
25.附图标记如下：1-换热器，2-精馏塔，3-低温泵，4-低温液体的过滤装置，5-冷箱面板，11-空气流股，13-进液管道，14-出液管道，15-高压液氧，17-污氮气，19-排气管道，41-壳体，42-壳盖，43-排气口，44-滤网，45-低温液体的液面，46-进液口，47-出液口，100-空分冷箱。
具体实施方式
26.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等同的其他技术组合实施。
27.在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本实用新型的装置和系统，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“上”、“下”、“前”、“后”、“外”、“内”、“高”、“低”、“水平
””
、“垂直”、“平行”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
28.此外，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。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。
29.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。
30.本文中的“过滤装置”指的是拦截流体中固体杂质的装置。
31.本文中的“壳体”指的是过滤装置的主体部分，其顶部敞开、内置滤网且与管道连通。
32.本文中的“壳盖”指的是与壳体敞开处相配对的盖板结构，可与壳体配对连接，或相对壳体敞开。壳体和壳盖以可以拆卸的方式连接，例如，法兰连接，也可以是卡箍连接或螺纹连接等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解具体可实现的连接方式。
33.本文中的“滤网”指的是放置于壳体内底部的金属过滤网状结构，可由不锈钢、蒙乃尔或低合金钢等材料制作而成。滤网规格可大于18目，或大于40目，或大于48目，或大于100目，以及其他适用尺寸。
34.本文中的“空分系统”指的是以空气为原料，通过压缩空气以及膨胀制冷的方式，将空气温度降低到低温状态，进而经过精馏塔而逐步分离出氧气、氮气、氩气以及其他空气组分的系统。
35.本文中的“冷箱”指的是在空分系统或其他低温系统中，承载精馏塔、换热器、低温泵、膨胀机和管道等低温运行设备的隔离箱体，以限制上述低温设备与环境进行热交换。冷箱可由一个或多个隔离箱体组成，其内部可填充保温材料进一步减缓冷箱内外的热交换，常见为珠光砂或矿渣棉等保温材料。
36.本文中的“转动设备”指的是流体流经该设备时，通过向流体做功或流体向外做功而改变其中流动液体的压力的设备。低温系统中常见的转动设备包括“低温泵”指的是用于增加低温液体压力的装置，例如，液氧泵、液氮泵、液氩泵等；还包括“膨胀机”指的是高压流体流过叶轮并向叶轮做功而降低流体压力、温度的装置，如液体膨胀机、气体膨胀机等。
37.本文中的“低温液体容纳装置”是指运行温度低于环境温度的一种容器，容器中的低温液体通过管道输送到低温液体的过滤装置以及下游的转动设备。本文中的“精馏塔”是
低温液体容纳装置的一种，指气液接触而进行组分分离的容器，即液体和气体在塔板或填料结构的塔状容器内接触，轻组分上升，重组分下降而实现轻/重组分分离的装置。在空分系统中，精馏塔可为一个，也可由多个组成。当有多个精馏塔时，多个塔可并列排布，也可上下排布，上下塔间由冷凝蒸发器形成热交换关系。液体氧、液体氮、液体氩等，可作为空气分离产品，从精馏塔的适当位置抽出。本文中的“液体储罐”是低温液体容纳装置的另一种，指低温液体存贮装置，如液氧罐，液氮罐，液氩罐等。在空分系统之中，通过精馏或其他方式生产的低温液体产品被存储到液体储罐中。另外的，液体储罐也可接收通过管道系统或车辆运输来的低温液体。
38.本文中的“中轴线”指的是过滤装置沿壳体纵向的几何中心线。如，过滤装置的壳体为圆柱体，其中轴线为壳体横切面的圆心在纵向上的连线。如，过滤装置的壳体为正方体，其中轴线为壳体横向切面的对角线交点在纵向上的连线。
39.本文中的“内径”指的是过滤装置壳体横切面的内切圆/椭圆的直径。如过滤装置的壳体为圆柱体，则为圆柱体的内侧直径。
40.在本文中的“低温”包括低于0℃，或甚至低于-40
°
，或甚至低于-150℃，或甚至低于-180℃的任何温度。
41.本文所使用的术语“连通”应做广义理解，可以是直接相通，也可是经过装置、阀门等间接连通。
42.实施例
43.在图1所示的实施例中，加压、净化后的空气流股11进入空分冷箱100，经由换热器1降至低温状态，并进入精馏塔2压力较高的下塔中。在精馏塔2下塔中，空气中较轻的氮组分上升，较重的氧组分下降，分离出较富含氮的精馏物和较富含氧的精馏物进入压力较低的精馏塔2上塔，进一步精馏。污氮气17，由精馏塔2上塔输送到换热器1中热交换，复热后离开空分冷箱100。液氧由精馏塔2上塔底部被抽出，经由低温液体的过滤装置4去除颗粒杂质后，输送到低温泵3，并且在低温泵3中被加压成为高压液氧15。高压液氧15再输送到换热器1，蒸发复热为氧气产品后，离开空分冷箱100。
44.在空分系统长期运行中，颗粒物等杂质可能逐渐聚集在低温液体的过滤装置4中，增加了液氧流经过滤装置4时的压降，同时，降低液氧进入低温泵3的压力，从而影响低温泵3的效率和安全性。此外，液氧快速冲击过滤装置4中集聚的颗粒物质表面，并与颗粒物相互摩擦会点燃液氧而形成爆炸，因此，当低温过滤装置4的压降增大时，必须清除过滤装置4中的固体杂质。
45.如本实用新型所述，低温液体的过滤装置4有一部分伸出冷箱100，便于清除其中集聚的固体杂质。过滤装置4伸出冷箱100的部分，暴露于空气中，其吸收的热量传导至过滤装置4位于冷箱100内的部分，可蒸发过滤装置4中的液氧。蒸发产生的氧气聚集于过滤装置4中。为了避免氧气过度积聚，低温过滤装置4还开有排气口43并连通排气管道19，用于及时排出过量聚集的氧气，排气管道19连通至精馏塔2，用于回收低温氧气的冷量，也可提高氧提取率。此外，排气管道19也可连通到冷箱内的其他管道，亦或排气管19出口引至冷箱外排放。
46.图2为过滤装置4的一个示意图。过滤装置4垂直设置，即它的中轴线与水平面的夹角α为90度。过滤装置4包括位于壳体41内的滤网44。滤网44可选用适当材料，如不锈钢、低
合金钢或蒙乃尔合金等材料，制作成为18目、40目、48目或100目等适合尺寸。壳体41通过进液口46和出液口47分别连接上游进液管道13以及下游出液管道14，壳体41上部伸出冷箱100且敞开，并连接有配对壳盖42。壳盖42可以是盲法兰，盲法兰可以被移除，方便的将壳体41顶部打开，并取出壳体41内的滤网44。壳盖42也可以是盖板，并通过其他方便拆卸的方式与壳体41连接，如卡箍连接，或螺纹连接等连接方式。
47.由于壳体41上部和壳盖42伸出冷箱100外，蒸发的低温氧气聚集于壳盖42与液面45之间形成气封，在一定程度上可以减缓液氧和外部环境的热交换速率。在空分的长期运行中，持续的热交换使得气封体积增大并向下压迫液面45。因此，壳体41上还开有排气口43，将气封中过多聚集的氧气及时排出过滤装置4，防止液面45低过出液口47的上沿，从而防止气封中的氧气通过出口管道14进入下游低温泵3。
48.最好的是，排气口43在壳体41的开孔高度，浸没在液面45下方且高于出液管14的上沿。当气封过于增大时，过量聚集的氧气从排气管道19排出至精馏塔2，防止气泡通过出液管道14进入下游低温泵3。又可以保证正常情况下气封中的气量稳定，避免气封中的氧气持续通过排气管43排出至精馏塔2，从而避免液面45处的低温液氧过快蒸发。
49.图3为过滤装置4的安装于冷箱内的一个示意图，过滤装置4倾斜设置，且它的中轴线与水平面的夹角α为45度。壳体41以贯穿冷箱面板5的方式安装于冷箱100内。其中，进口管道13、出口管道14、壳体41，以及其中的滤网44安装于冷箱面板5内侧，冷箱100内部填装珠光砂。壳盖42与壳体41顶部伸出于冷箱面板5外侧。拆卸壳盖42和取放滤网44时，不会破坏冷箱面板5的结构，也不需要移除冷箱100内的珠光砂，节省了维修时间和成本。另外，操作人员不需要进入冷箱面板5围成的受限空间，避免了窒息/氧中毒等安全风险。
50.气封从冷箱面板5外侧的壳盖42延申至冷箱面板5内侧的液面45处，至多低至排气口43上沿。由于液面45会随着流经液氧的波动而波动，将排气口43设置于冷箱面板5内侧，实质上可维持液面45位于冷箱100内，避免液氧暴露于冷箱100外部环境而过快蒸发。
51.更进一步的，在排气口43上沿的水平高度上，壳体41距离冷箱面板5的最近距离l等于或大于壳体41的直径w。随着空分装置稳定运行于一个预设工况下，低液体蒸发形成的气封逐步填充壳盖42至排气口43之间的体积。因此，液面45将会稳定在排气口43上沿附近位置。因此，在排气口43上沿的水平面上，壳体41与冷箱面板5间的距离l大约可以理解为液面45与冷箱面板5的距离。此距离l等于或大于壳体41的直径w，可以进一步保证液氧与外部环境保持足够的保温距离。
52.壳体41的中轴线与水平面夹角α在15～90
°
的范围内，较佳的为45
°
操作人员可方便的拆卸壳盖42。根据冷箱100的尺寸、管道的排布以及操作平台的位置等因素，本领域技术人员可选取适合角度安装低温多虑装置4。
53.本实用新型的低温液体的过滤装置，也可用于连接低温液体储罐，如液氧罐、液氮罐和液氩罐等，尤其适用于空分后备系统。
54.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。