使用空气分离设备进行空气低温分离的方法及空气分离设备与流程

本发明属于空气分离领域，尤其涉及一种低温分离空气的设备和方法。

背景技术：

1、通过低温空气分离生产氧气、氮气、氩气等空气产品是一种成熟的技术。低温空气分离装置一般包括主空气压缩机、空气预冷和纯化系统、主换热器和精馏塔系统，并利用空气增压机与膨胀机的组合产生低温分离所需要的冷量。精馏塔系统可包括单塔，或通过热交换的形式联接的双塔及三塔等。作为示例，双塔形式的精馏塔系统由操作压力分别相对较低和较高的低压塔和高压塔组成，并能同时生产气态及液态的氮气和氧气产品。

2、低温精馏是一种高投资、高能耗的工艺。优化各装置或步骤，降低成本或能耗，是本领域技术人员长期追求的目标。主换热器作为汽化并复热精馏塔产出的产品，回收其中的冷量，冷却进料空气的关键设备，它的设置，包括各流股压力、温度、流量的匹配，对整个精馏设备的能耗和效率都有显著的影响。

3、在us5,157,926公开的用于低温精馏的装置中，包含了两个涡轮增压器单元，经过两个增压器增压的进料空气的一部分在一个较冷的涡轮膨胀器中膨胀后，又分成至少两股，一股输入压力较高的精馏塔，另一股在主换热器中部分复热后，抽出主换热器，并在较热的涡轮膨胀器中膨胀后再次在主换热器中复热直至从热端离开。该设置虽然优化了主换热器的换热曲线，但不适用于需要汽化精馏塔产生的液态产物的情况。

4、cn101479550b公开了一种通过低温精馏分离空气的系统，其中用两个单独的涡轮膨胀机增加液体产量，一个在不高于足以对低压塔送料的压力排放，另一个在不低于足以对高压塔送料的压力排放，并且其中一个涡轮膨胀机用环境温度或适度冷却的进料空气进料，且优选根据是否需要较大量或较小量液体产物间隙操作。该设置虽然优化了主换热器的换热曲线，但是膨胀机的进口压力比较低，膨胀做功未得到最大化。

5、有鉴于此，需要设计空气的低温分离方法和低温空气分离装置，能耗低且适用于广泛的精馏塔产品。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种低温分离空气的方法以及低温空气分离装置，通过设置至少两个膨胀增压机，优化主换热器的换热曲线，节省整个工艺的能耗。

2、为了实现上述目的，在一方面，本发明公开了一种使用空气分离设备进行空气低温分离的方法。该空气分离设备包含精馏塔系统、主空气压缩机、空气预冷系统、空气纯化系统、至少一个空气增压机、第一膨胀增压机、第二膨胀增压机和主换热器，其中，向所述精馏塔系统供应进料空气，进料空气在主空气压缩机中被压缩到第一压力、被预冷和纯化后分成若干部分空气流，所述若干部分空气流被至少部分地进一步压缩、在主热交换器中被冷却、液化，被减压，然后被引入所述精馏塔系统中。所述若干部分空气流包括第一部分空气流，所述第一部分空气流在空气增压机中被压缩到高于第一压力的第二压力，在第一膨胀增压机的增压端和第二膨胀增压机的增压端依次被压缩后达到高于第二压力的第四压力，在主换热器中被部分冷却后，被引入具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端并膨胀至第五压力，至少一部分第五压力空气流在主换热器中部分冷却后，被引入具有第二入口温度的膨胀增压机的膨胀端并膨胀至精馏塔系统的进口压力后，被引入精馏塔系统，所述第一入口温度高于第二入口温度。所述若干部分空气流还包括第二部分空气流，所述第二部分空气流在空气增压机中被压缩到高于第二压力的第三压力，在主换热器中被冷却后，被减压至精馏塔系统的进口压力，被引入精馏塔系统。由精馏塔系统产生至少一种第一待汽化液体和可选的第二待汽化液体，在主换热器中汽化第一待汽化液体所需的空气流的压力不高于第三压力，但高于汽化第二待汽化液体所需的空气流的压力。

3、可选择地，本发明还公开了又一种使用空气分离设备进行空气低温分离的方法。所述空气分离设备包含精馏塔系统、主空气压缩机、空气预冷系统、空气纯化系统、至少一个空气增压机、第一膨胀增压机、第二膨胀增压机和主换热器，其中，向所述精馏塔系统供应进料空气，该进料空气在主空气压缩机中被压缩到第一压力、被预冷和纯化后分成若干部分空气流，所述若干部分空气流被至少部分地进一步压缩、在主热交换器中被冷却、被减压，然后被引入所述精馏塔系统中。所述若干部分空气流包括第一部分空气流，所述第一部分空气流在空气增压机中被压缩到高于第一压力的第二压力，在第一膨胀增压机的增压端和第二膨胀增压机的增压端依次被压缩后达到高于第二压力的第四压力，在主换热器中被部分冷却后，被引入具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端并膨胀至第五压力，至少第一部分第五压力空气流在主换热器中部分冷却后，被引入具有第二入口温度的膨胀增压机的膨胀端并膨胀至精馏塔系统的进口压力后，被引入精馏塔系统，至少第二部分第五压力空气流在主换热器中冷却后从冷端抽出，经减压至精馏塔系统的进口压力后，输入精馏塔系统，所述第一入口温度高于第二入口温度。所述若干部分空气流还包括第二部分空气流，所述第二部分空气流在空气增压机中被压缩到高于第二压力的第三压力，在主换热器中被冷却后，减压至精馏塔系统的进口压力，被引入精馏塔系统。由精馏塔系统产生至少第一待汽化液体和第二待汽化液体，在主换热器中汽化第一待汽化液体所需的空气流的压力不高于第三压力，但高于汽化第二待汽化液体所需的空气流的压力，汽化第二待汽化液体所需的空气流的压力不高于第五压力。

4、对于上述两种方法，本发明中的空气增压机为多级空气增压机，所述第二压力为空气增压机的中抽压力，所述第三压力为空气增压机的末级压力。第一压力在5-7巴绝对压力，第二压力在20-40巴绝对压力，第三压力在40-70巴绝对压力，第四压力在30-70巴绝对压力，第五压力在14-30巴绝对压力。第一待汽化液体的压力在25-35巴绝对压力，所述第二待汽化液体的压力在7-15巴绝对压力。第五压力根据在主换热器中汽化第二待汽化液体所需的空气流的压力来设定。所述减压在减压装置中执行，所述减压装置包含减压阀和/或膨胀机。

5、具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端与第一膨胀增压机的增压端机械连接，具有第二入口温度的膨胀增压机的膨胀端与第二膨胀增压机的增压端机械连接；或者，具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端与第二膨胀增压机的增压端机械连接；具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端与第二膨胀增压机的增压端机械连接。

6、在又一方面，本发明还公开了一种进行空气低温分离的空气分离设备，适用于如上所述的分离方法，包含精馏塔系统、主空气压缩机、空气预冷系统、空气纯化系统、至少一个空气增压机、第一膨胀增压机、第二膨胀增压机、减压装置和主换热器，用于将进料空气送到主空气压缩机，预冷和纯化后送到空气增压机的设施，用于将空气增压机中级的空气移出，并依次引入串联的第一膨胀增压机和第二膨胀增压机的相应增压端的设施，用于将第二膨胀增压机的增压端的出口与主换热器的热端，主换热器的部分通路、主换热器的第一中间出口、具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端的入口流体连通的设施，用于将具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端的出口、主换热器的中间进口、主换热器的部分通路、主换热器的第二中间出口、具有第二入口温度的膨胀增压机的膨胀端的入口流体连通的设施，用于将具有第二入口温度的膨胀增压机的膨胀端的出口与精馏塔系统的进口流体连通的设施，用于将空气增压机末级的出口、主换热器的热端入口、主换热器内部通路、主换热器冷端、第一减压装置、精馏塔系统的进口流体连通的设施，以及，用于将精馏塔系统生产的第一待汽化液体引出精馏塔系统、在主换热器中汽化复热的设施。

7、进一步地，上述设备还包含用于将具有第一入口温度的膨胀增压机的膨胀端的出口、主换热器的中间进口、主换热器的部分通路、主换热器的冷端出口、第二减压装置与精馏塔系统的进口流体连通的设施，以及，用于将精馏塔系统生产的第二待汽化液体引出精馏塔系统、在主换热器中汽化复热的设施。其中的第一减压装置和/或第二减压装置分别包含膨胀机或减压阀。

8、采用本发明的设备和方法，能够优化主换热器的换热曲线，特别在需要汽化和复热液态产物的情况下。