一种制取低压低纯氧和中压氮的小型空分装置的制作方法

1.本发明涉及低温气体分离技术领域，具体涉及一种制取低压低纯氧和中压氮的小型空分装置。


背景技术：

2.在常规增压透平膨胀机制冷的空分流程中，为获得相应低纯氧气或氮气产品的压力，需配套相应排气压力的空压机、低纯氧压机或氮压机来匹配。如果生产企业想提高氮气产品的压力，则需要相应提高以上的排气压力。
3.某些生产企业对氧氮气产品的需求量较小，低纯氧气如采用氧压机加压投资高且后期维护费用高；氮气如采用氮压机同样成本较高，如采用压力塔直抽氮气则需提高压力塔的工作压力增加能耗；如采用常规内压缩流程配置增压机，增压机流量小不宜选型且投资高。以上配置的空分装置，投资成本和后期维护费用都会相应提高，不适用于对氧氮气产品需求量较小的生产企业。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种制取低压低纯氧和中压氮的小型空分装置，以解决现有配置的空分装置不适用于对氧氮气产品需求量较小的生产企业的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种制取低压低纯氧和中压氮的小型空分装置，包括：第一原料管路、第一换热器、第二换热器、膨胀机、精馏塔、产品低纯氧气管路及产品氮气管路；所述膨胀机具有增压端和膨胀端；所述精馏塔从下到上依次设有压力塔、冷凝蒸发器及常压塔；所述第一原料管路进入所述第一换热器分为第一支路与第二支路，所述第一支路经过所述膨胀机的膨胀端返回所述第一换热器后与所述压力塔的底部连接，所述第二支路出所述第一换热器后与所述压力塔的下部连接；所述压力塔底部设置的富氧液空出口通过管道经过所述第二换热器后与所述常压塔下部或中部设置的富氧液空进口连接；所述冷凝蒸发器蒸发侧设置的低纯液氧抽取口通过管道连接有低纯液氧泵，所述低纯液氧泵出口通过管道经过所述第一换热器后与所述产品低纯氧气管路连接；所述冷凝蒸发器冷凝侧设置的液氮抽取口通过管道连接有液氮泵，所述液氮泵出口通过管道经过所述第一换热器后与所述产品氮气管路连接。
6.在本技术公开的一个实施例中，还包括第二原料管路、增压后冷却器、低纯液氧蒸发器及第三换热器；所述第二原料管路依次经过所述膨胀机的压缩端、增压后冷却器、第一换热器、低纯液氧蒸发器及第三换热器后与所述压力塔的下部连接。
7.在本技术公开的一个实施例中，所述低纯液氧泵出口管路通过所述第三换热器后与所述低纯液氧蒸发器连接；所述低纯液氧蒸发器的顶部通过管道经过所述第一换热器后与所述产品低纯氧气管路连接。
8.在本技术公开的一个实施例中，所述低纯液氧蒸发器的底部设有低纯液氧排放口，用于抽取少量低纯液氧作为氧蒸发安全排放或者作为产品低纯液氧使用。
9.在本技术公开的一个实施例中，所述冷凝蒸发器冷凝侧的液氮抽取口设有并联的第三支路、第四支路及第五支路；所述第三支路与所述液氮泵进口连接，所述第四支路与所述压力塔的顶部连接，所述第五支路经过所述第二换热器后与所述常压塔的顶部连接。
10.在本技术公开的一个实施例中，所述第五支路出所述第二换热器后连接有第六支路，用于输出产品液氮。
11.在本技术公开的一个实施例中，所述压力塔下部设置的贫液空抽取口通过管道经过所述第二换热器后与所述常压塔的中部连接。
12.在本技术公开的一个实施例中，所述常压塔顶部设置的污氮气出口通过管道依次经过所述第二换热器、第一换热器后连接有污氮气排放管路。
13.在本技术公开的一个实施例中，进入所述第一原料管路中的介质为压力约8bar(g)的纯化空气。
14.在本技术公开的一个实施例中，进入所述产品低纯氧气管路中的介质为压力约3bar(g)的常温低压低纯氧气，进入所述产品氮气管路中的介质为压力5～8bar(g)的常温中压氮气。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、在综合能耗较低或者相当的情况下，省去常规装置所需的氧压机、氮压机或者增压机，简化了设备配置，能够显著降低设备投资、厂房土建费用及后期维护费用，从而有效提高企业经济效益，非常适用于对氧氮气产品需求量较小的生产企业。
16.2、制冷的膨胀空气是先进入压力塔精馏，氧氮综合利用率高，降低了装置的综合能耗。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
19.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。
21.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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
24.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
25.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
26.参见图1所示，本发明提供了一种制取低压低纯氧和中压氮的小型空分装置，包括：第一原料管路、第一换热器e1、膨胀机et401、精馏塔、第二换热器e2、产品低纯氧气管路及产品氮气管路；精馏塔从下到上依次设有压力塔c1、冷凝蒸发器k1及常压塔c2；第一原料管路进入第一换热器e1后分为第一支路与第二支路，第一支路经过膨胀机et401的膨胀端返回第一换热器e1后与压力塔c1的底部连接，第二支路出第一换热器e1后与压力塔c1的下部连接；压力塔c1底部设置富氧液空出口，该出口通过管道经过第二换热器e2后与常压塔c2下部或中部设置的富氧液空进口连接；冷凝蒸发器k1蒸发侧设置的低纯液氧抽取口通过管道连接有低纯液氧泵op1，低纯液氧泵op1出口通过管道经过第一换热器e1后与产品低纯氧气管路连接；冷凝蒸发器k1冷凝侧设置的液氮抽取口通过管道连接有液氮泵np1，液氮泵np1出口通过管道经过第一换热器e1后与产品氮气管路连接。
27.具体地，用于制取氧氮气的原料空气经压缩和预处理后得到压力为约8bar(g)的
纯化空气air，分为纯化空气101（图中管道内流动的介质均以纯数字示意，下同）和纯化空气121两部分。下面先以纯化空气101的流向说明本技术实施例的工作原理，后续再以纯化空气121的流向进一步说明。
28.纯化空气101从第一原料管路进入第一换热器e1中冷却至一定温度后分为冷空气102和冷空气111两部分：冷空气102进入第一支路从第一换热器e1中段抽出后进入膨胀机et401驱动的膨胀端膨胀制冷，膨胀后的冷空气103返回第一换热器e1继续冷却为温度更低的冷空气104，冷空气104进入压力塔c1的底部参与精馏；冷空气111进入第二支路在第一换热器e1中继续冷却并被液化为液空112，液空112节流进入压力塔c1的下部参与精馏。
29.经过压力塔c1的精馏后，在压力塔c1的底部得到富氧液空201、下部得到贫液空221、顶部得到压力氮气。富氧液空201经第二换热器e2过冷为过冷富氧液空202，过冷富氧液空202节流进入常压塔c2的下部或中部参与精馏。经过常压塔c2的精馏，在常压塔c2的底部得到低纯液氧、顶部得到污氮气311。低纯液氧进入冷凝蒸发器k1分为两部分：一部分作为冷源被蒸发为低纯氧气作为常压塔c2的上升气，另一部分低纯液氧301从冷凝蒸发器k1蒸发侧的低纯液氧抽取口抽出去低纯液氧泵op1加压，得到压力为约3.2bar(g)的低压低纯液氧302，低压低纯液氧302进入第一换热器e1复热后为压力约3barg(g)的常温低压低纯氧气305，常温低压低纯氧气305进入产品低纯氧气管路作为产品低纯氧气gox送出。以上所述即为低压低纯氧制取路线。
30.压力塔c1顶部的压力氮气进入冷凝蒸发器k1作为热源被液化为压力液氮211，压力液氮211分为三部分，分别是压力液氮212、压力液氮251和压力液氮213，其中压力液氮251去液氮泵np1加压，得到压力为约8.2bar(g)的中压液氮252，中压液氮252送入第一换热器e1复热后为压力约8bar(g)的常温中压氮气253，常温中压氮气253进入产品氮气管路作为产品氮气gan送出。以上所述即为中压氮制取路线。
31.上述的小型空分装置还包括第二原料管路、增压后冷却器we401、低纯液氧蒸发器k2及第三换热器e3；具体工作原理如下：第二原料管路依次经过膨胀机et401的压缩端、增压后冷却器we401、第一换热器e1、低纯液氧蒸发器k2及第三换热器e3后与压力塔c1的下部连接。
32.具体地，上述的纯化空气121进入膨胀机et401驱动的压缩端继续增压并经增压后冷却器we401冷却后得到增压空气122，增压空气122进入第一换热器e1冷却为低温增压空气123，低温增压空气123进入低纯液氧蒸发器k2作为热源被液化后进入第三换热器e3过冷为过冷液空124，过冷液空124节流后进入压力塔c1的中部参与精馏。
33.低纯液氧泵op1出口管路通过第三换热器e3后与低纯液氧蒸发器k2连接，低纯液氧蒸发器k2的顶部通过管道经过第一换热器e1后与产品低纯氧气管路连接。
34.具体地，上述的低压低纯液氧302送入第三换热器e3与过冷液空124发生热交换复热至一定温度后进入低纯液氧蒸发器k2蒸发，被低纯液氧蒸发器k2蒸发后的氧气304进入第一换热器e1复热后为压力约3bar(g)的常温低压低纯氧气305，常温低压低纯氧气305进入产品低纯氧气管路作为产品低纯氧气gox送出。低压低纯液氧302在进入第一换热器e1复热前，先进入第三换热器e3回收其过冷态冷量以减少增压空气122的气量降低能耗，再进入低纯液氧蒸发器k2进行蒸发相变，防止低压低纯液氧直接进入第一换热器e1蒸发可能出现的碳氢积聚风险。
35.低纯液氧蒸发器k2的蒸发侧设有低纯液氧排放口，用于抽取少量低纯液氧作为氧蒸发安全排放或者作为产品低纯液氧使用。具体地，从低纯液氧排放口抽取少量低纯液氧303作为氧蒸发安全排放或者作为产品低纯液氧lox使用。
36.冷凝蒸发器k1冷凝侧的液氮抽取口设有并联的第三支路、第四支路及第五支路，第三支路与液氮泵np1进口连接，第四支路与压力塔c1的顶部连接，第五支路经过第二换热器e2后与常压塔c2的顶部连接。第五支路出第二换热器e2后连接有第六支路，用于输出产品液氮。
37.具体地，上述的压力液氮211分为三部分，即压力液氮212、压力液氮251和压力液氮213，其中压力液氮251进入第三支路去液氮泵np1加压；压力液氮212进入第四支路回流至压力塔c1的顶部；压力液氮213进入第五支路经第二换热器e2过冷为过冷压力液氮214，过冷压力液氮214分为两部分，进一步为过冷压力液氮215和过冷压力液氮216，过冷压力液氮215节流后进入常压塔c2的顶部参与精馏，过冷压力液氮216作为产品液氮lin送出。
38.压力塔c1下部设置的贫液空抽取口通过管道经过第二换热器e2后与常压塔c2的上部连接。
39.具体地，从压力塔c1下部的贫液空抽取口抽取适量贫液空221，经第二换热器e2过冷后为过冷贫液空222，过冷贫液空222节流后进入常压塔c2的上部参与精馏，即为常压塔c2补充冷量和回流液体，保证精馏效果。
40.常压塔c2顶部设置的污氮气出口通过管道依次经过第二换热器e2、第一换热器e1后连接有污氮气排放管路。
41.具体地，常压塔c2顶部的污氮气311经第二换热器e2复热至一定温度为污氮气312，污氮气312进入第一换热器e1复热后进入污氮气排放管路作为常温污氮气313送出。
42.下面以低纯氧气产量2100nm3/h、纯度96%o2、压力3bar(g)和氮气产量1850nm3/h、纯度2ppmo2、压力8bar(g)为例来说明本发明不同于常规装置的优益之处，比较结果见下表1。
43.表1-本发明与常规方案的比较
根据上述表格化的对比，可以看出本发明具有以下优点：（1）与常规方案1的氧氮外压缩装置相比，本发明在综合能耗较低或者相当的情况下，可将常规装置配置的4台压缩机简化为1台压缩机、低纯液氧泵和液氮泵（即省去常规装置所需的氧压机、氮压机或者增压机），简化了设备配置，仅需提供合适压力的纯化空气（原料）就可制取低压低纯氧和中压氮，能够显著降低设备投资、厂房土建费用及后期维护费用，从而有效提高企业经济效益，非常适用于对氧氮气产品需求量较小的生产企业。
44.（2）与常规方案2的低压低纯氧内压缩装置相比，制冷的膨胀空气是先进入压力塔c1精馏，氧氮综合利用率高、能耗可降低约9.3%，即降低了装置的综合能耗。
45.上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。