[发明专利]低温分离空气的方法和空气分离设备

说明书

本发明公开了一种低温分离空气的方法和空气分离设备，该方法在具有精馏塔系统的空气分离设备中低温分离空气，该精馏塔系统包括在高压塔压力水平工作的高压塔和在低压塔压力水平工作的低压塔，至少一部分第一膨胀空气经主换热器复热抽出后，经至少一冷气机再进料至第二涡轮膨胀机膨胀，膨胀后的第二膨胀空气返回主换热器回收冷量后，放空或者返回主空气压缩机的入口，从低压塔排除低温富氧液体，所述低温富氧液体在低温状态实施升压，加热和蒸发，从空气分离设备导出。

技术领域

本发明属于低温精馏领域，涉及一种在低温分离设备中低温分离空气的方法和用于实施此类方法的空气分离设备。

背景技术

现有技术例如CN108286870A中公开了一种低温精馏制取液体的方法，该方法中空气经空压机压缩，全部经预冷和纯化系统后进高温膨胀机和低温膨胀机的增压端，经增压端冷却后进主换热器，部分从主换热器抽出去低温膨胀机膨胀，膨胀后的部分空气进下塔作为下塔的上升蒸汽，其余部分返回主换热器复热到一定温度进入高温膨胀机膨胀，膨胀后的气体复热返回空压机的入口，或者膨胀后的空气去水冷塔来降低冷冻水的温度。由于高温膨胀机膨胀后的压力是常压，从而提高了膨胀机的单位制冷量，而且提高了冷量的品质，从而大大降低了循环压缩机的排压，使整个空分系统运行的压力降低。

高压空分流程可以被理解为一种空气分离方法，其中导入精馏系统的所有进料空气(这里也被称为“原料空气”)首先在主空气压缩机内被压缩至一定的压力，该压力比精馏系统内的工作压力高至少4至5巴，最多高20巴。传统的具有高压塔和低压塔的双塔系统中，精馏塔系统中的“最大工作压力”是高压塔的工作压力。高压空分流程的空气分离设备的投资成本特别的低，因为仅仅需要一个压缩机。

为了在能耗方面优化高压空分流程，可以使用所谓的节流流。此类节流流是压缩的所有进料空气的支流，其可以继续升压，冷却及经由减压装置特别是减压阀减压进入精馏塔系统或其高压塔中。在所述高压空分流程中，此类节流流可以由所有进料空气所施加的已经是高的初始压力开始，借助热的增压机继续升压。将主空气压缩机下游的空气送入相应的“热的增压机”，无需或者仅在比较低的冷却后，例如在主空气压缩机下游的水冷器中。此类热增压机的送入温度因此明显高于0℃。

传统的高压液体空分流程，主换热器中热流股是高压空气(特别的15至50巴)，冷流股主要是污氮气和低压氮气(特别的1至6巴)，至少一部分高压空气在主换热器中部分冷却后从主换热器的中部抽口处抽出进料至高压膨胀机，这种情况下主换热器接近高压空气抽口处的换热温差会大很多，而这意味着能耗的增加。所以为了满足主换热器热端的最小换热温差，平衡主换热器的热负荷，通过复热一部分从高压膨胀机出口的中压空气(特别的5至6巴)，并将从主换热器复热后的这一部分中压空气在低压膨胀机中通过进一步膨胀来制取更多的冷量。膨胀后的低压冷空气(特别的1至2巴)送入到主换热器中部同等温度水平的位置回收冷量后放空或返回空压机的入口，该方法可以缓解上述主换热器接近高压空气抽口处换热温差过大的问题，同时利于生产更多的液体产品，但这股返流的低压冷空气会抬高主换热器热端的换热温差，增加了主换热器的冷损。

有鉴于此，如何设计一种新的低温分离空气的方法和空气分离设备，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。

发明内容

由于上述返流低压冷空气的温度主要由低压膨胀机的膨胀比(即出口压力和入口压力之比)和入口温度决定，而该低压膨胀机的入口压力即中压空气的压力接近下塔压力，出口压力即低压冷空气的压力则接近大气压力，两者都相对恒定。所以，减小上述返流低压冷空气在低压膨胀机(“放空”膨胀机)的入口温度，成了减少主换热器冷损的重要因素。为了实现这一目的，缓解上述主换热器接近高压空气抽口处换热温差过大的问题，通过在该“放空”膨胀机的入口增加一个冷气机降低其入口温度，从而改变返流低压冷空气的温度，可以进一步优化主换热器热端的换热曲线，减小主换热器热端的换热温差，降低能耗。另外，空气分离设备本身也可以通过冷气机的制冷能效比(通常2)节约部分能耗，相对于传统的高压液体空分流程来说，Q/T特性的能力转换效率相对有利。