外冷式單級精餾空分裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于空分領域，具體涉及外冷式單級精餾空分裝置及方法。
【背景技術】
[0002]空分裝置是以空氣為原料制備氧氣和氮氣及氬氣等惰性氣體的分離裝置。通過對空氣進行壓縮、膨脹制冷，進而使空氣液化，利用精餾塔分離出氧氣、氮氣和惰性氣體(如氬氣)等產品。生產中使用的原料空氣，可以隨時隨地獲得。目前空分行業是屬于化工產業的一個分支行業。
[0003]現有的空分設備工藝流程固化，能耗大，空氣分離成本較高，尤其在單級精餾中不能完全分離空氣，生產高純度的氮氣和氧氣。

【發明內容】

[0004]本發明的一個目的在于提供一種外冷式單級精餾空分裝置，能夠實現單級帶壓精餾完全分離空氣，生產高純度的隊和0 2，并降低分離能耗。與傳統空分流程相比，此流程氧氮分離能耗由0.4kwh/匪302以上降至0.3kWh/匪302以下，能耗降低30%以上。
[0005]本發明的另一目的在于提供外冷式單級精餾空分方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0007]外冷式單級精餾空分裝置，包括主塔、付塔、冷凝蒸發器，換熱器、循環壓縮機、液氧栗、節流閥和輸送管道；
[0008]所述冷凝蒸發器包括主冷凝蒸發器、氬冷凝蒸發器，其中所述主冷凝蒸發器和氬冷凝蒸發器分別設置在所述主塔和氬塔的頂部；所述氬塔的底部與主塔下段的中部連通；
[0009]所述換熱器包括氧氣換熱器、氮氣換熱器、粗氬換熱器、循環換熱器；
[0010]所述主塔的中部設有原料空氣進料口，原料空氣分別通過所述氧氣換熱器、氮氣換熱器和粗氬換熱器預冷至飽和溫度后通過輸送管道從所述主塔中部的進料口進入所述主塔，所述主塔底部上設有液氧輸入口，從該液氧輸入口向所述塔釜注入液氧，原料空氣上升過程中與塔頂回流液氮進入熱質交換，分離出氮氣。氮氣從主塔的頂部引出并通過氮氣換熱器復熱至常溫后回收，液體回流至主塔底部分離出液氧。液氧經節流閥、液氧栗、輸送管道進入主塔頂部的主冷凝蒸發器以及付塔頂部的氬冷凝蒸發器，作為該兩個冷凝蒸發器的冷媒；
[0011]主塔中，部分氮氣進入主冷凝蒸發器與液氧冷進行換熱，液氧蒸發氣體進入所述循環換熱器，并通過所述循環壓縮機加壓冷卻后進入塔釜上升，冷凝液氮作為主塔的回流液與主塔底部上升的氧氣再次熱質交換，以此循環；
[0012]從主塔下段抽取的含ArS-12%的餾分進入付塔，在付塔內，氬氣精餾分離上升至付塔塔頂。一部分氬氣通過所述氬氣換熱器復熱至常溫后回收。大部分繼續冷凝回流至主塔底部。氬冷凝蒸發器中蒸發的氧氣再通過所述氧氣換熱器復熱至常溫后回收。
[0013]進一步地，所述主塔頂部上設有液氮輸入口。
[0014]進一步地，所述氬冷凝蒸發器上設有液氬輸入口。
[0015]液氮輸入口和液氬輸入口及前述液氧輸入口均作為外部冷源液氮、液氬和液氧的補充入口。液氧、液氮、液氬可單獨使用，并可組合使用補充裝置冷損。
[0016]進一步地，所述塔釜與所述主冷凝蒸發器連通的回路上設有節流閥，與氬冷凝蒸發器連通的回路上設有回流閥以及所述液氧栗。
[0017]因為主冷凝器外側壓力小于氬冷凝器外側壓力，所以，在將主塔底部的液氧通過外部的輸送管路送入主冷凝蒸發器內時，需要通過輸送管路上設置的節流閥限制液氧冷媒的流量，而將主塔底部的液氧送入付塔頂部的氬冷凝蒸發器內時，需要通過液氧栗將其增壓。同時，需要使用回流閥限制流量，保證平穩輸送。
[0018]進一步地，所述氧氣換熱器、氮氣換熱器以及氬氣換熱器均為板式換熱器。
[0019]板式換熱器為傳熱介質不相接觸，僅僅通過換熱器本身進行熱量交換，能夠達到本方案的目的。
[0020]本發明還提供了外冷式單塔精餾空分方法，包括以下步驟:
[0021]a.將預處理凈化后的原料空氣送入熱換器與返流氣體換熱后預冷至飽和溫度，并通過主塔中部的加料口送入主塔內；
[0022]b.向主塔底部的第二冷凝蒸發器內注入液氧，與該冷凝蒸發器內的液氧冷媒進行換熱，產生的氧氣上升，并與中部的飽和原料空氣中的液氮進行換熱，氮氣上升至主塔頂部，大部分被引出，經過氮氣換熱器復熱至常溫后回收，氧氣冷凝回流；同時，位于主塔下段中部的氬氣以及大部分氧氣進入付塔，其中的大部分氬氣上升至所述付塔頂部；
[0023]c.將持續回流至主塔底部的液氧通過液氧栗以及節流閥分別送入所述主塔頂部的第一冷凝蒸發器和所述付塔頂部的第三冷凝蒸發器內作為液氧冷媒使用，所述第一冷凝蒸發器內的液氧冷媒與進入該冷凝蒸發器內的氮氣換熱后轉化為氧氣從第一冷凝蒸發器內排出，并經過循環蒸發器復熱后，通過循環壓縮機加壓液化后再次轉化為液氧冷媒進行所述第二冷媒蒸發器內，同時氮氣冷凝回流再次作為上升氧氣的回流液；付塔中的大部分氬氣上升至所述付塔的頂部，并被引出，通過氬氣換熱器復熱至常溫后被回收，部分氬氣進入所述第三冷凝蒸發器內，并與其內的液氧冷媒換熱冷凝回流，而液氧冷媒轉化為氧氣從所述第三冷凝蒸發器內排出，并經過氧氣換熱器復熱至常溫后被回收。
[0024]進一步地，所述第一冷凝蒸發器上設有液氮輸入口。
[0025]進一步地，所述第三冷凝蒸發器上設有液氬輸入口。
[0026]進一步地，步驟c中，所述第一冷凝蒸發器和所述第二冷凝蒸發器的連通管路上設有第一節流閥，所述節流閥設在靠近所述第二冷凝蒸發器的一端；
[0027]所述第二冷凝蒸發器和所述第三冷凝蒸發器的連通管路上復合配設有液氧栗和第二節流閥。
[0028]進一步地，所述步驟d中還包括，將回收的常溫氬氣再送入精氬塔內繼續提純。
[0029]通過本發明提供的外冷式單級精餾空分裝置，突破了單級精餾不能完全分離空氣，生產高純度隊和0 2的傳統理論。本方案通過節流閥將主塔底部的液氧作為冷媒直接送入主塔頂部以及付塔頂部的冷凝蒸發器內，液化N2回流，實現了單塔帶壓(0.5-lMPa)精餾分離空氣，生產雙高產品。不僅工藝流程大大簡化，而且使分離能耗降低30%以上。同時，本方案中直接使用液氧，液氮，液氬補冷，較傳統的空氣膨脹制冷，補冷溫度低，冷量大，可增大回流比，提高了精餾效率。
[0030]本發明還具有如下特點:
[0031]1.本方案中，摒棄了傳統空氣液化分離裝置的設計理念，將制冷和精餾兩項工藝分開，用外部冷源補償徑流過程中的冷損，擺脫了制冷和精餾之間的相互干擾和制約，變雙因素問題為單因素問題，降低了空分流程設計的難度。
[0032]2.充分發揮外冷式空分流程可靈活變化的特點，根據用戶的特點和用氣要求，進行針對性流程設計。不僅僅根據用氣量多少確定裝置生產能力，而且產品氧氣與氮氣的純度，配比，出塔壓力，精餾參數均可優化選擇，最大限度滿足用戶要求，達到最佳綜合節能效果Ο
[0033]3.經理論分析，流程重組和工業實驗證明，本發明提供的空分裝置可降低氧，氮分離能耗達到30%以上。以氧氣產量為基準的單位能耗由目前國際先進水品0.4KWh/M30j#至 0.3KWh/M302以下。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明提供的外冷式單級精餾單級精餾空分系統圖；
[0035]1.主塔，2.付塔(氬塔)，3.主冷凝蒸發器，4.塔釜，5.氬冷凝蒸發器，6.氧氣換熱器，7.氮氣換熱器，8.粗氬換熱器，9.循環換熱器，10.循環壓縮機，11.液氧栗，12.節流閥，13.回流閥，14.主塔上段，15.主塔下段，
【具體實施方式】
[0036]參照附圖對本發明的外冷式單級精餾空分裝置的實施方式進行說明。
[0037]圖1為本實施方式的外冷式單級精餾空分流程圖。
[0038]如圖1所示，本實施方式所提供的外冷式單級精餾空分裝置包括主塔1和付塔2，主塔1包括主塔上段14和主塔下段15，付塔2底部與主塔下段15的中部位置連通。
[0039]原料空氣經壓縮凈化后分別通過氧氣換熱器6、氮氣換熱器7和氬氣換熱器8分別與返流的氧氣，氮氣，氬氣進行換熱，冷卻至飽和溫度進入精餾塔的主塔1中部，具體位于主塔下段15的上端，向主塔1內加料。
[0040]此時，因為氮的沸點低于氧和氬的沸點，所以塔內液體中氮蒸發上升，氣體中氧、氬冷凝下降實現精餾分離。上升至主塔1頂部的氮氣其純度可達5N。部分氮氣其中一部分作為產品引出，其中另一部分進入主冷媒蒸發器與其內的液氧冷媒進行換熱，液化后成為液氮回流。液化回流的液氮在與從主塔1底部不斷上升的氧氣交匯過程中，由于沸點較低，會再次汽化為氮氣上升至主塔1頂部，一部分引出，一部分進入主冷凝蒸發器3進行換熱，以此循環進行。
[0041]因為在主塔1內部，回流至塔底的液氧無法自動上升至塔頂，也無法轉化為氣體蒸發出來，所以本實施方式中，在主塔1底部的外側配設了設有節流閥12的輸送管道，該輸送管道將主塔1塔底和塔頂的冷凝蒸發器連通，此時，可以將塔底的部分液氧通過節流閥減壓后輸送入塔頂的主冷凝蒸發器3內作為主冷凝蒸發器3內的冷媒參