深冷空分装置

技术领域

本申请涉及高纯氧制备技术领域，尤其是涉及一种深冷空分装置。

背景技术

空分装置是根据空气中不同组分沸点不同的原理，通过深冷方法，将空气中的氧气、氮气和氩气等气体从空气中分离出来；对于有色冶炼行业也有富氧空分的需求，但常规的深冷空分在产出纯氧和液氩的同时，无法在深冷空分装置的冷箱中直接产出带压（2-6bar）富氧产品，而是需要在冷箱外在纯氧产品中掺入带压空气，使二者混合后达到所需的富氧纯度（80%-98%），但导致整个工艺路线能耗较高；而现有的富氧空分装置，虽然可直接从冷箱中产出带压富氧产品，但由于富氧空分装置的特殊性，无法同时提取到纯氧和液氩产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深冷空分装置，以能够在冷箱内直接产出带压富氧，并降低装置能耗。

本发明提供了一种深冷空分装置，包括主塔和混合塔；所述主塔包括上塔、下塔以及设于所述上塔和所述下塔之间的主冷凝蒸发器；所述主冷凝蒸发器的底部设有液氧出口，所述液氧出口用于抽取液氧，所述液氧出口设有第一液氧支路，所述第一液氧支路与所述混合塔的进料口相连通，所述第一液氧支路上设有液氧泵；所述下塔的顶部设有液氮出口，所述液氮出口用于抽取液氮，所述液氮出口设有第一液氮支路，所述第一液氮支路与所述混合塔的进料口相连通；所述混合塔的塔底设有再沸器，所述混合塔的塔顶设有富氧产品出口，所述混合塔的塔底设有富氧液体出口，所述富氧液体出口与所述上塔底部的富氧液体回流口相连通。

进一步地，所述的深冷空分装置还包括混合塔换热器；所述混合塔换热器包括冷流通道，所述第一液氧支路和所述第一液氮支路分别与所述冷流通道的入口相连通，所述冷流通道的出口与所述混合塔的进料口相连通，所述混合塔换热器用于将流经所述冷流通道的液氧和液氮加热复温至预定温度。

进一步地，所述的深冷空分装置还包括主换热器和过冷器；所述富氧产品出口与所述主换热器的富氧通道相连通，所述主换热器的富氧通道的出口用于与带压富氧产品输送管道相连通；所述上塔的顶部设有低压氮气出口，所述低压氮气出口依次与所述过冷器的低压氮气通道和所述主换热器的低压氮气通道相连通，所述主换热器的低压氮气通道用于与低压氮气产品输送管道相连通；所述上塔的顶部设有污氮气出口，所述污氮气出口与所述过冷器的污氮气通道相连通，所述过冷器的污氮气通道的出口设有第一氮气支路和第二氮气支路；所述第一氮气支路与所述主换热器的第一污氮气通道相连通后用于与污氮气输送管道相连通；所述第二氮气支路与所述主换热器的第二污氮气通道相连通后用于与纯化系统再生用污氮气输送管道相连通。

进一步地，所述的深冷空分装置还包括进料单元，所述进料单元包括空压机、预冷系统、纯化系统、空气增压机和膨胀机；所述空压机、所述预冷系统和所述纯化系统依次连接，所述纯化系统的出口设有第一空气支路和第二空气支路；所述第一空气支路依次连接所述主换热器的第一空气通道和所述下塔的原料进料口；所述第二空气支路与所述空气增压机相连通，并经由所述空气增压机的末级出口连接至所述膨胀机的增压端；所述增压端的出口设有第三空气支路和第四空气支路，所述第三空气支路依次连接所述主换热器的第二空气通道、第一节流阀和所述下塔的原料进料口；所述第四空气支路依次连接所述主换热器的第三空气通道、所述膨胀机的膨胀端、所述主换热器的第四空气通道和所述下塔的原料进料口。

进一步地，所述空气增压机设置有中抽口；所述中抽口依次连接所述主换热器的第五空气通道、所述再沸器、所述混合塔换热器的热流通道和所述下塔的原料进料口。

进一步地，所述主冷凝蒸发器的液氧出口分为两路，其中一路为所述第一液氧支路，另一路为第二液氧支路；所述第二液氧支路与所述过冷器的液氧通道相连通，所述液氧通道的出口用于与液氧产品输送管道相连通。

进一步地，所述的深冷空分装置还包括液氮气液分离器；所述下塔顶部的液氮出口分为三路，依次为所述第一液氮支路、所述第二液氮支路和所述第三液氮支路；所述第二液氮支路依次连接所述过冷器的液氮通道、第二节流阀和所述液氮气液分离器的进口；所述液氮气液分离器的底部设有液氮产品出口，所述液氮产品出口用于与液氮产品输送管道相连通，所述液氮气液分离器的顶部设有闪蒸氮气出口，所述闪蒸氮气出口与所述上塔的氮气回流口相连通；所述第三液氮支路通过液氮泵与所述主换热器的液氮通道相连通，所述主换热器的液氮通道的出口用于与氮气产品输送管道相连通。

进一步地，所述的深冷空分装置还包括粗氩塔和精氩塔；所述上塔的中部设有氩馏分出口，所述氩馏分出口依次与所述粗氩塔和所述精氩塔相连通；所述粗氩塔和所述精氩塔的塔底分别设有液氩出口，所述粗氩塔的液氩出口通过粗氩输送泵与所述上塔的粗氩回流口相连通，所述精氩塔的液氩出口用于与液氩产品输送通道相连通。

进一步地，所述粗氩塔的塔顶设有粗氩冷凝器；所述精氩塔的塔底设有纯氩蒸发器，所述精氩塔的塔顶设有纯氩冷凝器；所述下塔的底部设有富氧液空出口，所述富氧液空出口依次与所述过冷器和所述纯氩蒸发器相连通后分为两路：其中一路经由所述纯氩冷凝器与所述上塔相连通，另一路经由所述粗氩冷凝器后与所述上塔相连通。

进一步地，所述下塔的中部设有液空出口，所述液空出口依次与所述过冷器的液空通道和所述上塔的液空回流口相连通，且所述过冷器的液空通道和所述上塔的液空回流口之间的管路上设有节流阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的深冷空分装置包括主塔和混合塔，主塔为深冷空分装置的核心设备，其包括上塔、下塔和主冷凝蒸发器，主冷凝蒸发器设于上塔和下塔之间，下塔设有原料进料口，原料空气能够经由该原料进料口进入下塔进行精馏，以分离出各组分，比如分离出液氧、液氮和氩馏分；主塔设有用于从主塔内抽提出液氧的液氧出口和用于抽提液氮的液氮出口，液氧出口设于主冷凝蒸发器的底部，且液氧出口设有第一液氧支路，第一液氧支路用于与混合塔的进料口相连通，第一液氧支路上设有液氧泵，以从主塔抽取部分液氧并经液氧泵加压后送入混合塔；液氮出口设于下塔的顶部，液氮出口设有第一液氮支路，第一液氮支路用于与混合塔的进料口相连通，以从主塔抽取部分液氮送入混合塔；所述混合塔的塔底设有再沸器，液氧和液氮的混合液在混合塔内经过塔内填料落入混合塔的底部，并被再沸器加热汽化，从而在混合塔的塔顶得到带压的80~98%的富氧产品，且混合塔的工作压力即为富氧产品所需的压力，通过混合塔顶部的富氧产品出口即可抽出带压富氧产品。

本申请的深冷空分装置创新地引入纯液氧与纯液氮混合塔工艺路线，在维持常规深冷空分加提氩系统的基础上，能够在冷箱内直接生产带压富氧产品；同时，混合塔的工作压力由液氧泵加压至所需压力，且混合塔的工作压力即为带压富氧产品所需的压力，无需外部设置氧压机，降低了装置的总成本，也避免了采用氧气透平压缩机带来的火灾隐患；同时，由于再沸器蒸发侧的介质为富氧液体，相较于同样压力下的纯液氧环境，碳氢更不容易积聚，而且非纯氧环境，同样碳氢含量下富氧蒸发更安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例提供的深冷空分装置的结构示意图。

附图标记：

1-空压机，2-预冷系统，3-纯化系统，4-空气增压机，5-膨胀机，6-主换热器，7-混合塔，8-再沸器，9-过冷器，10-主塔，11-主冷凝蒸发器，12-上塔，13-下塔，14-粗氩塔，15-精氩塔，16-纯氩蒸发器，17-粗氩冷凝器，18-纯氩冷凝器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照图1描述根据本申请一些实施例所述的深冷空分装置。

本申请提供了一种深冷空分装置，如图1所示，深冷空分装置包括进料单元、主换热器6、主塔10、混合塔7、过冷器9、粗氩塔14和精氩塔15。

主塔10为深冷空分装置的核心设备，其包括上塔12、下塔13和主冷凝蒸发器11，主冷凝蒸发器11设于上塔12和下塔13之间，下塔13设有原料进料口，原料空气经进料单元处理以及主换热器6的冷却后能够经由该原料进料口进入下塔13进行精馏，以分离出各组分，比如分离出液氧、液氮和氩馏分。

进料单元包括空压机1、预冷系统2、纯化系统3、空气增压机4和膨胀机5，空压机1与原料空气输送管道相连通，空压机1的出口与预冷系统2和纯化系统3依次连接，使原料空气经空压机1压缩后依次经预冷系统2和纯化系统3进行预冷和纯化。

原料空气经纯化后分为两路，即纯化系统3的出口设有第一空气支路和第二空气支路：第一空气支路依次与主换热器6的第一空气通道和下塔13的原料进料口相连通，使得第一空气支路内的空气经主换热器6冷却后进入下塔13；第二空气支路与空气增压机4相连通，并经由空气增压机4的末级出口连接至膨胀机5的增压端。

膨胀机5的增压端的出口也分为两路，即第三空气支路和第四空气支路，其中第三空气支路依次与主换热器6的第二空气通道、第一节流阀和下塔13的原料进料口相连通，使增压后的该路原料空气经主换热器6冷却后节流进入下塔13；第四空气支路依次与主换热器6的第三空气通道、所述膨胀机5的膨胀端、所述主换热器6的第四空气通道和所述下塔13的原料进料口相连通，使增压后的该路原料空气先经主换热器6冷却至一定温度后出主换热器6并进入到碰撞及的膨胀端，膨胀后再经主换热器6进一步冷却至接近饱和温度的预定温度后进入下塔13。

空气增压机4还设有中抽口，中抽口通过管路依次与主换热器6的第五空气通道、混合塔7底部的再沸器8、换热器的热流通道以及下塔13的原料进口相连通；来气空气增压机4的中抽空气经主换热器6冷却后进入到混合塔7底部的再沸器8作为热源，对混合塔7底部的釜液（液氧和液氮的混合液）进行加热使之汽化，从再沸器8出来后再进入到混合塔换热器的热流通道内，与混合塔换热器的冷流通道中的液氧和液氮换热，最后进入下塔13。

主塔10设有用于从主塔10内抽提出液氧的液氧出口、用于抽提液氮的液氮出口以及用于抽提出氩馏分的氩馏分出口。

其中液氧出口设于主塔10的主冷凝蒸发器11的底部，且液氧出口分为两路，即液氧出口设有第一液氧支路和第二液氧支路。

第一液氧支路用于与混合塔7的进料口相连通，以从主塔10抽取部分液氧送入混合塔7参与带压富氧产品的制备。

第二液氧支路则先与过冷器9的液氧通道相连通，然后连通至外部的液氧产品输送管道，使该路的液氧经过冷后作为液氧产品通过液氧产品输送管道送出冷箱，比如通过液氧产品管道送入液氧贮槽进行存储。

液氮出口设于下塔13的顶部，液氮出口分为三路，依次为第一液氮支路、第二液氮支路和第三液氮支路。

第一液氮支路用于与混合塔7的进料口相连通，以从主塔10抽取部分液氮送入混合塔7与来自第一液氧支路的液氧共同参与带压富氧产品的制备。

第二液氮支路依次与过冷器9的液氮通道、第二节流阀和液氮气液分离器的进口相连通，使该路的液氮经由过冷器9过冷后节流送入液氮气液分离器进行气液分离。

液氮气液分离器的底部设有液氮产品出口以抽取出液氮产品，液氮产品出口用于与液氮产品输送管道相连通，以将液氮产品送出冷箱；液氮气液分离器的顶部设有闪蒸氮气出口，且该闪蒸氮气出口与上塔12顶部的氮气回流口相连通，以将闪蒸出来的氮气送入上塔12顶部。

第三氮气支路则通过液氮泵与主换热器6的液氮通道相连通，且该液氮通道的出口用于与氮气产品输送管道相连通，使该路的液氮经液氮泵加压后再经主换热器6加热汽化，以作为产品氮气，并经氮气产品输送管道送出冷箱。

关于带压富氧产品的制备，具体地，深冷空分装置还包括混合塔换热器，混合塔换热器包括可进行热交换的热流通道和冷流通道，如上文所述，来气空气增压机4中抽空气依次流经主换热器6、混合塔7底部的再沸器8、该热流通道后流入下塔13，在混合塔换热器内，中抽空气用作热源对流经冷流通道的流体加热。

第一液氧支路上设有液氧泵，第一液氧支路和第一液氮支路分别与上述的冷流通道的入口相连通，具体地，可使第一液氧支路与第一液氮支路先汇合再连接至冷流通道的入口；冷流通道的出口与混合塔7的进料口相连通，使得从主冷凝蒸发器11的底部抽出的部分液氧经液氧泵加压后与来自下塔13顶部的液氮混合，并经独立换热器（即混合塔换热器）加热复温至略过冷的预定温度后送入混合塔7。

混合塔7的工作压力由液氧泵加压至所需的压力，液氧和液氮的混合液在混合塔7内经过塔内填料落入混合塔7的底部，并被混合塔7底部的再沸器8加热汽化（如前文所述再沸器8的热量由来气空气增压机4的中抽空气提供），从而在混合塔7的塔顶得到80~98%的富氧产品，混合塔7的工作压力即为富氧产品所需的压力，通过混合塔7顶部的富氧产品出口即可抽出带压富氧产品。

优选地，混合塔7顶部的富氧产品出口与主换热器6的富氧通道相连通，且该富氧通道的出口用于与带压富氧产品输送管道相连通，以通过主换热器6对带压富氧产品加热复温至预定温度后通过带压富氧产品输送管道送出冷箱。

优选地，混合塔7的底部设有富氧液体出口，上塔12的底部设有富氧液体回流口，富氧液体出口与富氧液体回流口相连通，以能够从混合塔7的底部抽取少部分富氧液体循环回上塔12，以降低碳氢积聚的风险。

在本申请的实施例中，优选地，上塔12的顶部还设有低压氮气出口，低压氮气出口用于从上塔12的顶部抽提出低压氮气，低压氮气出口依次与过冷器9的低压氮气通道和主换热器6的低压氮气通道相连通，该低压氮气通道的出口用于与低压氮气产品输送管道相连通，抽提出的低压氮气经过冷器9和主换热器6复热后作为低压氮气产品通过低压氮气产品输送管道送出冷箱。

在该实施例中，优选地，上塔12的顶部设有污氮气出口，污氮气出口与过冷器9的污氮气通道相连通，过冷器9的污氮气通道的出口设有第一氮气支路和第二氮气支路；第一氮气支路与主换热器6的第一污氮气通道相连通后用于与污氮气输送管道相连通；第二氮气支路与主换热器6的第二污氮气通道相连通后用于与纯化系统再生用污氮气输送管道相连通。通过过冷器9和主换热器6对从上塔12抽提出的污氮气进行加热复温，且污氮气被分为两路，一路通过污氮气输送管道送出冷箱，另一路用作纯化系统3的分子筛再生用，通过纯化系统再生用污氮气输送管道单独送出冷箱。

在该实施例中，优选地，下塔13的中部设有液空出口，上塔12设有液空回流口，下塔13的液口出口通过管路依次与过冷器9的液空通道、节流阀和上塔12的液空回流口相连通；使得通过下塔13的液空出口能够从下塔13抽取液空，抽取的液空经过冷器9过冷后节流进入上塔12。

在该实施例中，优选地，上塔12的底部预留有氧气抽口。

在该实施例中，优选地，深冷空分装置还包括粗氩塔14和精氩塔15，上塔12的中部设有氩馏分出口，氩馏分出口依次与粗氩塔14和精氩塔15相连通；具体地，上塔12的氩馏分出口与粗氩塔14的氩馏分进口相连通，粗氩塔14的粗氩出口与精氩塔15的粗氩进口相连通，使得从上塔12抽取的氩馏分依次进入粗氩塔14和精氩塔15进行提纯，并在粗氩塔14的塔底获取粗液氩，在精氩塔15的塔底获取纯液氩。

粗氩塔14的底部设有液氩出口，粗氩塔14的液氩出口通过粗氩输送泵与上塔12的粗氩回流口相连通，使得粗氩塔14底部的粗液氩能够经粗氩输送泵回流至上塔12。

精氩塔15的底部也设有液氩出口，精氩塔15的液氩出口通过液氩产品输送通道与液氩贮槽相连通，使得精氩塔15底部的纯液氩能够作为液氩产品送入液氩贮槽进行收集。

在该实施例中，优选地，粗氩塔14的塔顶设有粗氩冷凝器17，精氩塔15的塔底设有纯氩冷凝器18，精氩塔15的塔底设有纯氩蒸发器16；下塔13的底部形成有富氧液空，下塔13的底部设有富氧液空出口，以能够从下塔13的底部抽出富氧液空；该富氧液空出口依次与过冷器9的富氧液空通道和精氩塔15底部的纯氩蒸发器16相连通，使下塔13底部的富氧液空经过冷器9过冷后流入精氩塔15底部的纯氩蒸发器16。

纯氩蒸发器16的出口分为两路，其中一路依次与纯氩冷凝器18和上塔12相连通，另一路依次与粗氩冷凝器17和上塔12相连通；使得来自纯氩蒸发器16的富氧液空分为两路，其中一路流入纯氩冷凝器18以为纯氩冷凝器18提供冷源，并在蒸发后进入上塔12；另一路流入粗氩冷凝器17以为粗氩冷凝器17提供冷源，并在蒸发后进入上塔12。

本申请的深冷空分装置创新地引入纯液氧与纯液氮混合塔工艺路线，在维持常规深冷空分加提氩系统的基础上，能够在冷箱内直接生产带压富氧产品，并高提取率的副产液氩产品。

同时，混合塔的工作压力由液氧泵加压至所需压力，且混合塔的工作压力即为带压富氧产品所需的压力，无需外部设置氧压机，降低了装置的总成本，也避免了采用氧气透平压缩机带来的火灾隐患。

同时，混合塔的再沸器利用中抽空气作为热源，且再沸器的蒸发侧介质为富氧液体，其饱和温度比纯液氧低，对应所需中抽空气的压力更低，从而在一定程度上节能降耗。

同时，由于再沸器蒸发侧的介质为富氧液体，相较于同样压力下的纯液氧环境，碳氢更不容易积聚，而且非纯氧环境，同样碳氢含量下富氧蒸发更安全。

同时，液氧经液氧泵加压后先经过独立设置的混合塔换热器复位至饱和态后进入混合塔，减小了单位液氧汽化所需的焓值，使得用作热源的中抽空气的量尽可能地减少。

同时，中抽空气经混合塔的再沸器冷凝为液空后，再经过独立的混合塔换热器与加压后的液氧换热后冷却至饱和温度，大大地减少了该股液空节流后进入下塔后的气化率，使得主换热器所需液化的高压液空量减少，直接进入下塔底部的正流空气量增加，优化了主换热器的换热温差，也使得整体冷箱的精馏效率提高。

同时，相较于常规的富氧空分装置，本申请的深冷空分装置的上塔仍然能够生产纯液氧，从而在上塔的中下段能够抽出氩馏分，以得到高提取率的液氩产品，满足周边高价值的市场需求。

同时，由于富氧产品为直接内压缩冷箱内换热复温，整体换热温度场分布更均匀，因而即便对于液体量稍大的该装置，仍可以采用单膨胀制冷，膨胀后空气进主换热器进一步冷却后进入下塔，相较于膨胀后直接进下塔，整体换热损失小，能耗低，装置提取率更高；相较于常规的高低温膨胀，本申请的单膨胀成本低且故障率更低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。