利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510940475.3
(22)申请日 2015.12.16
F25J 3/04(2006.01)
(71)申请人中国石油天然气集团公司
地址100007 北京市东城区东直门北大街9
号
申请人中国石油工程建设公司
(72)发明人谢可堃 王志刚 谢崇亮 邹大路
孙兰义 王振 尚建龙 肖立刚
王禹 李志超 徐以泉
(74)专利代理机构北京三高永信知识产权代理
有限责任公司 11138
代理人
周静(54)发明名称
利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺
(57)摘要
本发明公开了一种利用高压液化天然气冷能
的空气分离工艺，属于空气分离技术领域。

该工艺
中，饱和空气进入分馏下塔进行精馏，得到气氮及
富氧液空；富氧液空进入分馏上塔进行精馏，部
分气氮作为循环氮经主换热器复热后进入液化天
然气换热器冷却，经循环氮压缩机压缩后返回液
化天然气换热器进一步冷却，再经主换热器过冷
后返回分馏下塔；液化天然气换热器中的冷物流
为高压液化天然气；分馏上塔内部设置有竖直隔
板和水平隔板，水平隔板的一端与竖直隔板的上
端连接，水平隔板的另一端与分馏上塔的侧壁连
接；液氩产品的抽出位置位于分馏上塔与水平隔
板连接的侧壁上、水平隔板下方。

该工艺能直接从
分馏上塔获得纯度99.5％的液氩，能耗低、操作
稳定、安全。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书10页 附图1页CN 106885448 A 2017.06.23
C N 106885448
A
1.一种利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺，所述高压液化天然气的压力为1MPa ～10MPa；其特征在于，所述空气分离工艺包括：
来自主换热器(4)的饱和空气由分馏下塔(5)底部进入所述分馏下塔(5)进行精馏，得到气氮及富氧液空；
所述富氧液空由分馏上塔(6)上部进入所述分馏上塔(6)进行精馏，得到液氩产品及液氧产品，所述液氩产品从所述分馏上塔(6)侧线抽出，所述液氧产品从所述分馏上塔(6)底部抽出；
一部分气氮由分馏下塔(5)顶部抽出经过分馏上塔(6)底部的再沸冷凝器冷凝得到液氮，所述液氮抽出后作为液氮产品以及分馏上塔(6)和分馏下塔(5)的液相回流；另一部分气氮从所述分馏下塔(5)顶部抽出作为循环氮，所述循环氮经所述主换热器(4)复热后进入液化天然气换热器(10)冷却，经循环氮压缩机压缩后返回所述液化天然气换热器(10)进一步冷却，再经所述主换热器(4)过冷后返回所述分馏下塔(5)顶部作为液相回流；所述液化天然气换热器(10)中的冷物流包括所述高压液化天然气；
其中，所述分馏上塔(6)内部设置有竖直隔板(7)和水平隔板(8)，所述水平隔板(8)的一端与所述竖直隔板(7)的上端连接，所述水平隔板(8)的另一端与所述分馏上塔(6)的侧壁连接；所述液氩产品的抽出位置位于所述分馏上塔(6)与所述水平隔板(8)连接的侧壁上并且位于所述水平隔板(8)的下方。

2.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述富氧液空由所述分馏下塔(5)底部抽出后经液空液氮过冷器(18)冷却后再进入所述分馏上塔(6)进行精馏。

3.根据权利要求2所述空气分离工艺，其特征在于，所述液氮抽出后分为两部分，一部分由所述分馏下塔(5)顶部返回所述分馏下塔(5)作为所述分馏下塔(5)的液相回流，另一部分经所述液空液氮过冷器(18)冷却后再分为两部分；一部分由所述分馏上塔(6)顶部进入所述分馏上塔(6)作为所述分馏上塔(6)的液相回流，另一部分作为液氮产品输送至液氮储罐(9)。

4.根据权利要求3所述的空气分离工艺，其特征在于，所述分馏上塔(6)精馏过程中还得到污氮，所述污氮与来自所述液氮储罐(9)的蒸发气氮一起经所述液空液氮过冷器(18)复热后进入所述主换热器(4)，作为所述主换热器(4)的冷物流，与所述主换热器(4)中的热物流换热后排放。

5.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述循环氮压缩机的数量至少为2台；
由所述分馏下塔(5)顶部抽出的循环氮进入所述主换热器(4)，作为所述主换热器(4)的冷物流，与所述主换热器(4)中的热物流换热后进入所述液化天然气换热器(10)，与所述高压液化天然气换热后进入第一台循环氮压缩机中压缩，压缩的循环氮再次进入所述液化天然气换热器(10)，与所述高压液化天然气换热后进入下一台循环氮压缩机中压缩，重复进行上述步骤，当所述循环氮转变为液态后返回所述主换热器(4)进行过冷；
过冷后的循环氮分为两部分，一部分与来自所述分馏下塔(5)顶部的循环氮一起进入所述主换热器(4)，作为所述主换热器(4)的冷物流，另一部分由所述分馏下塔(5)顶部进入所述分馏下塔(5)。

6.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述空气分离工艺还包括：
原料空气经空气压缩机(1)压缩、空气预冷器(2)预冷以及空气净化装置(3)净化后得到净化空气，所述净化空气进入所述主换热器(4)冷却后得到所述饱和空气。

7.根据权利要求7所述的空气分离工艺，其特征在于，所述高压液化天然气经所述液化天然气换热器(10)换热后进入冷媒换热器(11)，与所述冷媒换热器(11)中的冷媒进行换热；所述冷媒用于冷却所述空气预冷器(2)中的原料空气。

8.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述高压液化天然气的流量为35～40t/h。

9.根据权利要求1所述的空气分离工艺，其特征在于，所述循环氮压缩机的出口压力为3.5MPa以上。

利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺
技术领域
[0001]本发明涉及空气分离技术领域，特别涉及一种利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺。

背景技术
[0002]空气分离简称空分，是利用空气中各组分的物理性质的差异，采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法将氧、氮、氩等以液态的形式从空气中分离出来的过程。

通过空气分离得到的液氧、液氮以及液氩等产品广泛应用于冶金、石化、机械、化肥、玻璃、军工、食品、医疗等领域。

空气分离通常需要在80～100K(-193℃～-173℃)的低温下进行，创造和维持低温需要消耗大量的能量。

如何降低空气分离过程中的能耗成为人们广泛关注的问题。

[0003]液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是天然气(Natural Gas，LNG)经净化、液化而成的液体混合物，其温度约为-162℃。

液化天然气蕴藏着巨大的冷能，当液化天然气在0.1MPa压力下从-162℃复热到5℃时所释放的冷能约为230kW·h/t。

而且由于空气分离过程中所需要达到的温度比液化天然气的温度还要低，因此，将液化天然气的冷能用于空气分离是液化天然气冷能的最佳利用方式。

在实际输送过程中，通常将液化天然气的压力提高至较高的压力(例如1MPa)以上再进行输送。

而当液化天然气的压力提高时，其一部分冷能转化为压力能，从而使其在气化过程中释放的冷能减少，因此，对于高压液化天然气来说，要保证其冷能能够得到充分利用。

[0004]美国专利US5220798A、美国专利US5137558A、中国实用新型专利CN2499774Y、中国发明专利CN101033910、中国发明专利CN101532768以及中国发明专利CN101846436等文献中都公开了利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺。

上述的空气分离工艺中：在空气分离单元的分馏塔分离得到高纯度的液氮、高纯度的液氧以及粗氩。

将一部分高纯液氮抽出作为循环氮压缩，在液化天然气换热器中与高压液化天然气换热使液化天然气气化，气化过程释放的冷能传递给循环氮，循环氮冷凝液化后返回分馏塔内提供空气分离所需的冷量。

其中，CN101033910公开的空气分离工艺中是从分馏上塔顶部引出氮气作为循环氮，该工艺中压缩级数多、物流数量多、能耗较高；CN101532768公开的空气分离工艺采用两段低温循环氮压缩，操作压力高，换热器通道数目多，流程复杂；CN101846436公开的空气分离工艺中液氮产品从与高压液化天然气换热后的循环氮处获取，增加了高压液化天然气泄露对产品造成污染的风险。

[0005]综上，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺中分馏塔内得到的氩气纯度较低，需要输送至粗氩塔进行进一步精制，使得空气分离过程能耗较高。

而且，现有的空气分离工艺不能充分利用高压液化天然气的冷能。

发明内容
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种能耗低、能充分利用冷能的利用高压液
化天然气冷能的空气分离工艺。

[0007]具体而言，包括以下技术方案：
[0008]一种利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺，所述高压液化天然气的压力为1MPa～10MPa；所述空气分离工艺包括：来自主换热器的饱和空气由分馏下塔底部进入所述分馏下塔进行精馏，得到气氮及富氧液空；所述富氧液空由分馏上塔上部进入所述分馏上塔进行精馏，得到液氩产品及液氧产品，所述液氩产品从所述分馏上塔侧线抽出，所述液氧产品从所述分馏上塔底部抽出；一部分气氮由分馏下塔顶部抽出经过分馏上塔底部的再沸冷凝器冷凝得到液氮，所述液氮抽出后作为液氮产品以及分馏上塔和分馏下塔的液相回流；另一部分气氮从所述分馏下塔顶部抽出作为循环氮，所述循环氮经所述主换热器复热后进入液化天然气换热器冷却，经循环氮压缩机压缩后返回所述液化天然气换热器进一步冷却，再经所述主换热器过冷后返回所述分馏下塔顶部作为液相回流；所述液化天然气换热器中的冷物流包括所述高压液化天然气；其中，所述分馏上塔内部设置有竖直隔板和水平隔板，所述水平隔板的一端与所述竖直隔板的上端连接，所述水平隔板的另一端与所述分馏上塔的侧壁连接；所述液氩产品的抽出位置位于所述分馏上塔与所述水平隔板连接的侧壁上并且位于所述水平隔板的下方。

[0009]进一步地，所述富氧液空由所述分馏下塔底部抽出后经液空液氮过冷器冷却后再进入所述分馏上塔进行精馏。

[0010]进一步地，所述液氮抽出后分为两部分，一部分由所述分馏下塔顶部返回所述分馏下塔作为所述分馏下塔的液相回流，另一部分经所述液空液氮过冷器冷却后再分为两部分；一部分由所述分馏上塔顶部进入所述分馏上塔作为所述分馏上塔的液相回流，另一部分作为液氮产品输送至液氮储罐。

[0011]进一步地，所述分馏上塔精馏过程中还得到污氮，所述污氮与来自所述液氮储罐的蒸发气氮一起经所述液空液氮过冷器复热后进入所述主换热器，作为所述主换热器的冷物流，与所述主换热器中的热物流换热后排放。

[0012]进一步地，所述循环氮压缩机的数量至少为2台；由所述分馏下塔顶部抽出的循环氮进入所述主换热器，作为所述主换热器的冷物流，与所述主换热器中的热物流换热后进入所述液化天然气换热器，与所述高压液化天然气换热后进入第一台循环氮压缩机中压缩，压缩的循环氮再次进入所述液化天然气换热器，与所述高压液化天然气换热后进入下一台循环氮压缩机中压缩，重复进行上述步骤，当所述循环氮转变为液态后返回所述主换热器进行过冷；过冷后的循环氮分为两部分，一部分与来自所述分馏下塔顶部的循环氮一起进入所述主换热器，作为所述主换热器的冷物流，另一部分由所述分馏下塔顶部进入所述分馏下塔。

[0013]进一步地，所述空气分离工艺还包括：原料空气经空气压缩机压缩、空气预冷器预冷以及空气净化装置净化后得到净化空气，所述净化空气进入所述主换热器冷却后得到所述饱和空气。

[0014]进一步地，所述高压液化天然气经所述液化天然气换热器换热后进入冷媒换热器，与所述冷媒换热器中的冷媒进行换热；所述冷媒用于冷却所述空气预冷器中的原料空气。

[0015]进一步地，所述高压液化天然气的流量为35～40t/h。

[0016]进一步地，所述循环氮压缩机的出口压力为3.5MPa以上。

[0017]本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：
[0018]本发明实施例提供的利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺中，根据隔壁塔的工作原理，在分馏上塔内部设置竖直隔板和水平隔板，使分馏上塔同时发挥现有空气分离工艺中分馏塔和粗氩塔两个塔的分离作用，能够直接从分馏上塔侧线抽出纯度在99.5％以上的液氩产品。

由于省去了粗氩塔，因此本发明实施例提供的空气分离工艺能耗显著降低。

同时，本发明实施例提供的空气分离工艺中换热器通道数目少，换热系统效率高。

综上，本发明实施例提供的空气分离工艺能够充分利用高压液化天然气的高品位低温冷能，并且工艺流程简单、系统运行安全稳定，显著降低能耗以及设备投资和操作成本。

附图说明
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

[0020]图1为本发明实施例提供的利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺的流程图；[0021]图2为主换热器和液化天然气换热器的结构示意图。

[0022]附图标记分别表示：
[0023]1、空气压缩机；2、空气预冷器；3、空气净化装置；4、主换热器；
[0024]5、分馏下塔；6、分馏上塔；7、竖直隔板；8、水平隔板；9、液氮储罐；
[0025]10、液化天然气换热器；11、冷媒换热器；12、第一循环氮压缩机；
[0026]13、第二循环氮压缩机；14、第一节流阀；15、第二节流阀；
[0027]16、第三节流阀；17、第四节流阀；18、液空液氮过冷器；
[0028]a、原料空气；b、净化空气；c、饱和空气；d、循环氮；e、富氧液空；
[0029]f、液氧产品；g、液氩产品；h、污氮；i、蒸发气氮；j、液氮产品；
[0030]k、废氮；m、高压液化天然气；n、液态循环氮；
[0031]A1-A2、主换热器的进料空气通道；B1-B2、主换热器的气态循环氮通道；
[0032]C1-C2、主换热器的污氮通道；D1-D2、主换热器的液态循环氮通道；
[0033]E1-E2、液化天然气换热器的液化天然气通道；
[0034]F1-F2、液化天然气换热器的第二压缩氮通道；
[0035]G1-G2、液化天然气换热器的第一压缩氮通道；
[0036]H1-H2、液化天然气换热器的气态循环氮通道。

具体实施方式
[0037]为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0038]本发明实施例提供一种利用高压液化天然气冷能的空气分离工艺，利用压力为1MPa～10MPa的高压液化天然气的冷能进行空气分离；参见图1，该空气分离工艺包括：[0039]来自主换热器4的饱和空气c由分馏下塔5底部进入分馏下塔5进行精馏，得到气氮
及富氧液空e。

所得富氧液空由分馏上塔6上部进入分馏上塔6进行精馏，得到液氩产品g及液氧产品f，液氩产品g从分馏上塔6侧线抽出，液氧产品f从分馏上塔6底部抽出；所得气氮中的一部分由分馏下塔5顶部抽出经过分馏上塔6底部的再沸冷凝器冷凝得到液氮，液氮抽出后作为液氮产品j以及分馏上塔6和分馏下塔5的液相回流；另一部分气氮从分馏下塔5顶部抽出作为循环氮d，循环氮d经主换热器4复热后进入液化天然气换热器10冷却，经循环氮压缩机压缩后返回液化天然气换热器10进一步冷却，再经主换热器4过冷后返回分馏下塔5顶部作为液相回流；液化天然气换热器10中的冷物流包括高压液化天然气。

[0040]其中，分馏上塔6内部设置有竖直隔板7和水平隔板8，水平隔板8的一端与竖直隔板7的上端连接，水平隔板8的另一端与分馏上塔6的侧壁连接；液氩产品g的抽出位置位于分馏上塔6与水平隔板8连接的侧壁上并且位于水平隔板8的下方。

[0041]空气分离实质上是一个多元组分体系的分离过程。

传统的多组分分离过程通常需要多个精馏塔，按照组分的相对挥发度大小，依次从各个精馏塔分离。

每个精馏塔都需要冷凝器和再沸器，这就导致传统的分离工艺耗能高，流程长，投资大。

而隔壁精馏塔的设计研发很好的解决了上述问题。

以三元混合物分离为例，典型的隔壁精馏塔是将常规精馏序列的两个塔整合进一个塔，并用一块垂直的隔板隔开，分为预分馏段、公共精馏段、公共提馏段和侧线抽出段四个部分，通过塔顶冷凝器回流液相和再沸器回流气相的合理分流，实现三组分在一个塔内的高效分离。

隔壁塔的使用可以提高过程热力学效率，降低能耗并节省投资。

[0042]根据上述隔壁塔的工作原理，本发明实施例中对分馏上塔6进行改造，在分馏上塔6中设置竖直隔板7和水平隔板8，竖直隔板7和水平隔板8组合形成倒“L”型，水平隔板8起到封顶的作用。

竖直隔板7将精馏塔分割为预分馏塔和主塔，进料侧为预分馏塔，出料侧为主塔。

水平隔板8作为封顶，将分馏上塔6顶部的液氮回流与主塔上升的氩气分隔，从而避免了回流液氮对液氩产品的污染，提高液氩的浓度。

改造后的分馏上塔6同时发挥现有空气分离工艺中分馏塔和粗氩塔两个塔的分离作用，能够直接从分馏上塔侧线抽出纯度在99.5％以上的液氩产品。

由于省去了粗氩塔，使本发明实施例提供的空气分离工艺能耗显著降低。

[0043]本发明实施例在对分馏上塔6进行优化改进的同时，对空气分离工艺中冷量回收过程也进行了优化改进。

本发明实施例中，原料空气a经过压缩、预冷、净化等前处理后，进入主换热器4，与主换热器4中冷物流换热后冷却至饱和温度(-173℃左右)，得到饱和空气c。

饱和空气c进入分馏下塔5底部进行精馏。

饱和空气c在分馏下塔5内与分馏下塔5塔顶流下的液相回流在多层塔板或填料中反复的冷凝蒸发得到纯度达到99.99％的高纯气氮以及含氧量在37％左右的富氧液空e。

其中，富氧液空e聚集在分馏下塔5的底部，而气氮则聚集在分馏下塔5的顶部。

所得气氮一部分被冷凝液化得到液氮，这部分液氮中一部分用于分馏上塔6和分馏下塔5的液相回流，其余作为液氮产品j输送至液氮储罐9进行存储。

剩余气氮则作为循环氮d由分馏下塔5顶部抽出，经主换热器4复热、液化天然气换热器10冷却、循环氮压缩机压缩、主换热器4过冷等工艺流程后返回分馏下塔5顶部，为分馏下塔5的精馏提供冷量。

所得富氧液空e则由分馏上塔6上部进入分馏上塔6进行精馏，由分馏上塔6底部抽出纯度达到99.88％的高纯液氧产品f，在分馏上塔6侧线抽出纯度99.5％的液氩产品g。

液氩产品g的抽出位置位于分馏上塔6与水平隔板8连接的侧壁上并且位于水平隔板8的下方。

[0044]采用上述空气分离工艺，能够减少换热器通道数量，提高换热系统的效率。

[0045]综上，本发明实施例提供的空气分离工艺能够充分利用高压液化天然气的高品位低温冷能，并且工艺流程简单、系统运行安全稳定，显著降低能耗以及设备投资和操作成本。

[0046]进一步地，在上述的空气分离工艺中，竖直隔板7和水平隔板8的尺寸以及在分馏上塔6中的位置没有严格的限定，本领域技术人员可以根据实际情况确定。

例如，竖直隔板7的高度可以为分馏上塔6塔高的1/5、1/4、1/3、1/2等，水平隔板8的长度可以为分馏上塔6直径的1/5、1/4、1/3、1/2等，水平隔板8距离分馏上塔6塔顶的距离可以为分馏上塔6塔高的1/ 5、1/4、1/3、1/2等。

[0047]进一步地，在上述的空气分离工艺中，富氧液空e由分馏下塔5底部抽出后经液空液氮过冷器18冷却至-183℃左右，再经第四节流阀17减压后进入分馏上塔6上部作为液相进料。

[0048]进一步地，在上述的空气分离工艺中，由分馏下塔5顶部气氮冷凝得到的液氮由分馏下塔5顶部抽出后分为两部分，一部分由分馏下塔5顶部返回分馏下塔5作为分馏下塔5的液相回流，另一部分经液空液氮过冷器18冷却至-183℃左右后再分为两部分；一部分经第二节流阀15减压后由分馏上塔6顶部进入分馏上塔6作为分馏上塔6的液相回流，另一部分经第三节流阀16减压后作为液氮产品j输送至液氮储罐9。

[0049]进一步地，在上述的空气分离工艺中，富氧液空e在分馏上塔6精馏过程中，除了得到高纯度的液氧产品f和液氩产品g外，还得到含氮量80％左右的污氮h；同时液氮储罐9中会产生一定量的蒸发气氮j，污氮h和蒸发气氮j中也蕴藏着一定的冷能，因此将污氮h和蒸发气氮j一起输送至液空液氮过冷器18复热后，然后再进入主换热器4作为主换热器4冷物流的一部分，与主换热器4中的热物流换热，然后作为废氮k排出。

采用这样的工艺，不仅使污氮h和蒸发气氮j中蕴藏的冷能得到充分利用，还使污氮h和蒸发气氮j的温度恢复至常温，直接排放不会对环境造成影响。

[0050]进一步地，在上述的空气分离工艺中，循环氮压缩机的数量至少为2台；由分馏下塔5顶部抽出的循环氮d进入主换热器4，作为主换热器4的冷物流，与主换热器4中的热物流换热后进入液化天然气换热器10，与外供的高压液化天然气m换热后进入第一台循环氮压缩机中压缩，压缩的循环氮再次进入液化天然气换热器10，与高压液化天然气换热后进入下一台循环氮压缩机中压缩，重复进行上述步骤，直至循环氮d转变为液态后返回主换热器4进行过冷；过冷后的液态循环氮n经第一节流阀14减压后分为两部分，一部分与来自分馏下塔5顶部的循环氮一起进入主换热器4，作为主换热器4的冷物流，另一部分返回分馏下塔5顶部进入分馏下塔5。

本领域技术人员可以理解的是，每经过一台循环压缩机压缩后循环氮d的压力相应提高，经最后一级循环氮压缩机压缩后循环氮d的压力达到3.5MPa以上，即最后一级循环氮压缩机的出口压力达到3.5MPa以上。

[0051]进一步地，在上述的空气分离工艺中，分馏上塔6和分馏下塔5之间设置有再沸冷凝器；再沸冷凝器位于分馏上塔6的底部。

分馏下塔5顶部的部分气氮通过上述再沸冷凝器液化，冷凝热汽化分馏上塔6塔底的液氧。

由于在相同压力下氮气的沸点低于氧气，因此分馏下塔5在一个较高的操作压力下运行，以此为再沸冷凝器提供推动力。

[0052]进一步地，在上述的空气分离工艺中，原料空气a在进入主换热器4冷却至饱和之前，先经空气压缩机1压缩、空气预冷器2预冷以及空气净化装置3净化，从而得到净化空气。