外冷式单级精馏空分系统技术方案

本发明专利技术提供了外冷式单级精馏空分系统，包括主塔、副塔、主冷凝蒸发器，塔釜、氩冷凝蒸发器、换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道。所述副塔的底部与主塔下段的中部连通；所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、氩气换热器、循环换热器。将液氧作为馏出物同时也作为冷凝蒸发器的冷媒，实现系统内部的制冷循环。而且将主塔底部的液氧作为冷媒通过节流阀和液氧泵及输送管道直接输送至主塔和副塔塔顶的冷凝蒸发器内，极大地节省了工艺流程提高了空分效率，本方案实现了单级带压精馏分离空气，生产双高产品。不仅工艺流程大大简化，而且使分离能耗降低30％以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空分领域，具体涉及外冷式单级精馏空分装置及方法。
技术介绍
空分装置是以空气为原料制备氧气和氮气及氩气等惰性气体的分离装置。通过对空气进行压缩、膨胀制冷，进而使空气液化，利用精馏塔分离出氧气、氮气和惰性气体(如氩气)等产品。生产中使用的原料空气，可以随时随地获得。目前空分行业是属于化工产业的一个分支行业。现有的空分设备工艺流程固化，能耗大，空气分离成本较高，尤其在单级精馏中不能完全分离空气，生产高纯度的氮气和氧气。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种外冷式单级精馏空分装置，能够实现单级带压精馏完全分离空气，生产高纯度的N2和O2，并降低分离能耗。与传统空分流程相比，此流程氧氮分离能耗由0.4kwh/NM3O2以上降至0.3kWh/NM3O2以下，能耗降低30％以上。本专利技术的另一目的在于提供外冷式单级精馏空分方法。为了实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：外冷式单级精馏空分装置，包括主塔、付塔、冷凝蒸发器，换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道；所述冷凝蒸发器包括主冷凝蒸发器、氩冷凝蒸发器，其中所述主冷凝蒸发器和氩冷凝蒸发器分别设置在所述主塔和氩塔的顶部；所述氩塔的底部与主塔下段的中部连通；所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、粗氩换热器、循环换热器；所述主塔的中部设有原料空气进料口，原料空气分别通过所述氧气换热器、氮气换热器和粗氩换热器预冷至饱和温度后通过输送管道从所述主塔中部的进料口进入所述主塔，所述主塔底部上设有液氧输入口，从该液氧输入口向所述塔釜注入液氧，原料空气上升过程中与塔顶回流液氮进入热质交换，分离出氮气。氮气从主塔的顶部引出并通过氮气换热器复热至常温后回收，液体回流至主塔底部分离出液氧。液氧经节流阀、液氧泵、输送管道进入主塔顶部的主冷凝蒸发器以及付塔顶部的氩冷凝蒸发器，作为该两个冷凝蒸发器的冷媒；主塔中，部分氮气进入主冷凝蒸发器与液氧冷进行换热，液氧蒸发气体进入所述循环换热器，并通过所述循环压缩机加压冷却后进入塔釜上升，冷凝液氮作为主塔的回流液与主塔底部上升的氧气再次热质交换，以此循环；从主塔下段抽取的含Ar8-12％的馏分进入付塔，在付塔内，氩气精馏分离上升至付塔塔顶。一部分氩气通过所述氩气换热器复热至常温后回收。大部分继续冷凝回流至主塔底部。氩冷凝蒸发器中蒸发的氧气再通过所述氧气换热器复热至常温后回收。进一步地，所述主塔顶部上设有液氮输入口。进一步地，所述氩冷凝蒸发器上设有液氩输入口。液氮输入口和液氩输入口及前述液氧输入口均作为外部冷源液氮、液氩和液氧的补充入口。液氧、液氮、液氩可单独使用，并可组合使用补充装置冷损。进一步地，所述塔釜与所述主冷凝蒸发器连通的回路上设有节流阀，与氩冷凝蒸发器连通的回路上设有回流阀以及所述液氧泵。因为主冷凝器外侧压力小于氩冷凝器外侧压力，所以，在将主塔底部的液氧通过外部的输送管路送入主冷凝蒸发器内时，需要通过输送管路上设置的节流阀限制液氧冷媒的流量，而将主塔底部的液氧送入付塔顶部的氩冷凝蒸发器内时，需要通过液氧泵将其增压。同时，需要使用回流阀限制流量，保证平稳输送。进一步地，所述氧气换热器、氮气换热器以及氩气换热器均为板式换热器。板式换热器为传热介质不相接触，仅仅通过换热器本身进行热量交换，能够达到本方案的目的。本专利技术还提供了外冷式单塔精馏空分方法，包括以下步骤：a.将预处理净化后的原料空气送入热换器与返流气体换热后预冷至饱和温度，并通过主塔中部的加料口送入主塔内；b.向主塔底部的第二冷凝蒸发器内注入液氧，与该冷凝蒸发器内的液氧冷媒进行换热，产生的氧气上升，并与中部的饱和原料空气中的液氮进行换热，氮气上升至主塔顶部，大部分被引出，经过氮气换热器复热至常温后回收，氧气冷凝回流；同时，位于主塔下段中部的氩气以及大部分氧气进入付塔，其中的大部分氩气上升至所述付塔顶部；c.将持续回流至主塔底部的液氧通过液氧泵以及节流阀分别送入所述主塔顶部的第一冷凝蒸发器和所述付塔顶部的第三冷凝蒸发器内作为液氧冷媒使用，所述第一冷凝蒸发器内的液氧冷媒与进入该冷凝蒸发器内的氮气换热后转化为氧气从第一冷凝蒸发器内排出，并经过循环蒸发器复热后，通过循环压缩机加压液化后再次转化为液氧冷媒进行所述第二冷媒蒸发器内，同时氮气冷凝回流再次作为上升氧气的回流液；付塔中的大部分氩气上升至所述付塔的顶部，并被引出，通过氩气换热器复热至常温后被回收，部分氩气进入所述第三冷凝蒸发器内，并与其内的液氧冷媒换热冷凝回流，而液氧冷媒转化为氧气从所述第三冷凝蒸发器内排出，并经过氧气换热器复热至常温后被回收。进一步地，所述第一冷凝蒸发器上设有液氮输入口。进一步地，所述第三冷凝蒸发器上设有液氩输入口。进一步地，步骤c中，所述第一冷凝蒸发器和所述第二冷凝蒸发器的连通管路上设有第一节流阀，所述节流阀设在靠近所述第二冷凝蒸发器的一端；所述第二冷凝蒸发器和所述第三冷凝蒸发器的连通管路上复合配设有液氧泵和第二节流阀。进一步地，所述步骤d中还包括，将回收的常温氩气再送入精氩塔内继续提纯。通过本专利技术提供的外冷式单级精馏空分装置，突破了单级精馏不能完全分离空气，生产高纯度N2和O2的传统理论。本方案通过节流阀将主塔底部的液氧作为冷媒直接送入主塔顶部以及付塔顶部的冷凝蒸发器内，液化N2回流，实现了单塔带压(0.5-1MPa)精馏分离空气，生产双高产品。不仅工艺流程大大简化，而且使分离能耗降低30％以上。同时，本方案中直接使用液氧，液氮，液氩补冷，较传统的空气膨胀制冷，补冷温度低，冷量大，可增大回流比，提高了精馏效率。本专利技术还具有如下特点：1.本方案中，摒弃了传统空气液化分离装置的设计理念，将制冷和精馏两项工艺分开，用外部冷源补偿径流过程中的冷损，摆脱了制冷和精馏之间的相互干扰和制约，变双因素问题为单因素问题，降低了空分流程设计的难度。2.充分发挥外冷式空分流程可灵活变化的特点，根据用户的特点和用气要求，进行针对性流程设计。不仅仅根据用气量多少确定装置生产能力，而且产品氧气与氮气的纯度，配比，出塔压力，精馏参数均可优化选择，最大限度满足用户要求，达到最佳综合节能效果。3.经理论分析，流程重组和工业实验证明，本专利技术提供的空分装置可降低氧，氮分离能耗达到30％以上。以氧气产量为基准的单位能耗由目前国际先进水品0.4KWh/M3O2本文档来自技高网...

【技术保护点】
外冷式单级精馏空分装置，其特征在于，包括主塔、付塔、冷凝蒸发器，换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道；所述冷凝蒸发器包括主冷凝蒸发器、氩冷凝蒸发器，其中所述主冷凝蒸发器和氩冷凝蒸发器分别设置在所述主塔和付塔的顶部；所述付塔的底部与主塔下段的中部连通；所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、粗氩换热器、循环换热器；所述主塔的中部设有原料空气进料口，原料空气分别通过所述氧气换热器、氮气换热器和粗氩换热器预冷至饱和温度后通过输送管道从所述主塔中部进入主塔。所述主塔底部设有液氧输入口，从该液氧输入口注入液氧。氮气从主塔的顶部引出并通过氮气换热器复热至常温后回收；液体回流至主塔底部分离出液氧通过主塔外部配设的带有节流阀以及液氧泵的输送管道进入主塔顶部的主凝蒸发器以及付塔顶部的氩冷凝蒸发器，作为该两个冷凝蒸发器的冷媒；主塔中，部分氮气进入主凝蒸发器与液氧冷媒进行换热，液氧冷媒转化为气体蒸发排出后进入所述循环换热器，并通过所述循环压缩机加压，预冷后进入主塔底部塔釜上升，氮气冷凝回流与主塔底部上升的氧气循环精馏；位于主塔下段的氩馏分进入付塔，在付塔内，氩气上升至付塔塔顶，一部分引出后通过所述氩气换热器复热至常温后回收，其余继续冷凝回流。液氧在氩冷凝蒸发器内，参与换热后转化为氧气，再通过所述氧气换热器复热至常温后回收。...

【技术特征摘要】
1.外冷式单级精馏空分装置，其特征在于，包括主塔、付塔、冷凝蒸发
器，换热器、循环压缩机、液氧泵、节流阀和输送管道；
所述冷凝蒸发器包括主冷凝蒸发器、氩冷凝蒸发器，其中所述主冷凝蒸
发器和氩冷凝蒸发器分别设置在所述主塔和付塔的顶部；所述付塔的底部与
主塔下段的中部连通；
所述换热器包括氧气换热器、氮气换热器、粗氩换热器、循环换热器；
所述主塔的中部设有原料空气进料口，原料空气分别通过所述氧气换热
器、氮气换热器和粗氩换热器预冷至饱和温度后通过输送管道从所述主塔中
部进入主塔。所述主塔底部设有液氧输入口，从该液氧输入口注入液氧。氮
气从主塔的顶部引出并通过氮气换热器复热至常温后回收；液体回流至主塔
底部分离出液氧通过主塔外部配设的带有节流阀以及液氧泵的输送管道进
入主塔顶部的主凝蒸发器以及付塔顶部的氩冷凝蒸发器，作为该两个冷凝蒸
发器的冷媒；
主塔中，部分氮气进入主凝蒸发器与液氧冷媒进行换热，液氧冷媒转化
为气体蒸发排出后进入所述循环换热器，并通过所述循环压缩机加压，预冷
后进入主塔底部塔釜上升，氮气冷凝回流与主塔底部上升的氧气循环精馏；
位于主塔下段的氩馏分进入付塔，在付塔内，氩气上升至付塔塔顶，一
部分引出后通过所述氩气换热器复热至常温后回收，其余继续冷凝回流。液
氧在氩冷凝蒸发器内，参与换热后转化为氧气，再通过所述氧气换热器复热
至常温后回收。
2.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分装置，其特征在于，所述
主塔顶部设有液氮输入口。
3.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分装置，其特征在于，所述
氩冷凝蒸发器上设有液氩输入口。
4.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分装置，其特征在于，所述

\t主塔塔釜与所述主凝蒸发器连通的回路上设有节流阀，与氩冷凝蒸发器连通
的回路上设有回流阀以及所述液氧泵。
5.根据权利要求1所述的外冷式单级精馏空分装置，其特征在于，所述
氧气换热器、氮气换热器以及氩气换热器均为板式换热器。
6.外冷式单级精...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛文军，张英辰，
申请(专利权)人：新疆天辰气体有限公司，
类型：发明
国别省市：新疆;65