CN101148252A - 双塔低温精馏制备高纯氧方法 - Google Patents

双塔低温精馏制备高纯氧方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双塔低温精馏制备高纯氧方法。该方法直接用含氧量为99.6％工业液氧为原料，经过两只规整填料塔低温精馏制备电子工业级技术标准的高纯液态氧。高纯氧的指标为：氧纯度≥99.9998％。其他杂质含量为：N2≤0.5ppm；CH4≤0.1ppm；H2O≤0.1ppm；Ar≤0.5ppm。本制备高纯氧的方法，能量得到充分合理的利用，冷损小，能耗指标低，设备少，投资低，且可根据用户需要设计装置，而不依附于大型空分设备，可实现独立的高纯氧制备系统，实现大规模工业生产。

Description

双塔低温精馏制备高纯氧方法
技术领域
本发明涉及低温精馏制氧领域，具体地涉及双塔低温精馏制备高纯氧方法。
背景技术
采用低温精馏的方法制备高纯氧是已经很成熟的工业方法，但目前都是附着在大型空分设备冷箱之内，采用单塔精馏制备高纯氧，还没有独立的用普通工业氧制备纯化氧的设备。由于采用的是单塔精馏，其纯度技术指标仅能达到GB/Tl4599-93《高纯氧》的规定，氧纯度≥99.999％。其他杂质含量为：N2≤5ppm；CH4≤0.5ppm；H2O≤2.5PPm；Ar≤2ppm。这种高纯氧满足不了电子工业级对氧纯度的技术要求。
采用常温吸附法制取高纯氧，其技术指标可达到电子级用高纯氧的要求，但对原料氧要求比较高，氧含量≥99.95％，一般的工业氧是达不到的；选用的吸附材料价格很高，且产品生产规模比较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种双塔低温精馏制备高纯氧方法。直接用工业液氧(含氧量为99.6％)为原料，经过两只规整填料塔低温精馏制备电子工业级技术标准的高纯液态氧。高纯氧的指标为：氧纯度≥99.9998％。其他杂质含量为：N2≤0.5ppm；CH4≤0.1ppm；H2O≤0.1ppm；Ar≤0.5ppm。
实现本发明目的的技术方案是：一种低温精馏制备高纯氧的方法，其特征在于为双塔低温精馏制备高纯氧方法，它包括：
a、精馏塔采用顶部带冷凝器下部带蒸发器的规整填料塔。分为I精馏塔和II精馏塔，每个精馏塔分为上、中、下三个精馏段，精馏塔外设置主换热器；
b、将压力0.2MPa温度约95K的工业液氧原料直接进入精馏塔I的中段，在塔内通过低温精馏，产生的含氩7.5％的组分气从塔顶排出，产生的含CH4、C2H2等杂质的液体从塔底被排出塔外，在塔的下部获得的去除大部分CH4、C2H2、氩、氮等组分的氧馏份；
c、将氧馏分从精馏塔I导出，送入精馏塔II中部，在塔内通过进一步低温精馏，馏分中的CnHm再次被冷凝下来，浓缩后为含CnHm液馏分从塔底排出塔外，产生的含氮、氩组分气从塔顶排出，在塔的下部获得含氧量≥99.9998％，含氩量＜0.5ppm，CH4＜0.1ppm的高纯液氧；
d、将来自于主换热器B的中压饱和氮气分为两部分，分别进入I精馏塔及II精馏塔的蒸发器，与塔内的液体换热，被冷凝成液氮，该液氮引入塔顶的冷凝器冷凝塔顶的氧蒸汽，为精馏塔提供回流液体，精馏过程控制回流比在13~18范围内，该部分液氮同时被蒸发为饱和氮气，该部分饱和蒸汽在主换热器中与来自氮压机的压力氮气进行热交换，被复热后的低压氮气进入氮气压缩机中被压缩到0.5MPa的压力，经过冷却后，返回主换热器。
e、将外部液氮分为两部分，分别引入I精馏塔及II精馏塔上部的冷凝器补充系统冷损。
上述制备高纯氧的方法b中，将压力0.2MPa、温度95K的工业液氧原料直接进入精馏塔I的中段，在塔内通过低温精馏，产生的压力0.13MPa、温度93K含氩7.5％的组分气从塔顶排出，产生的压力0.14MPa、温度94K含CH4、C2H2杂质的液体从塔底排出塔外，在塔的下部获得压力0.137MPa、温度94K的去除了大部分CH4、C2H2、氩、氮组分的氧馏份。
上述制备高纯氧的方法d中，将来自于主换热器的压力0.5MPa，温度96K的中压饱和氮气，分别导入I精馏塔和II精馏塔的蒸发器，与塔内的液体换热，被冷凝成压力0.5MPa、温度96K的液氮，该液氮引入塔顶的冷凝器冷凝塔顶的氧蒸汽，为精馏塔提供回流液体，精馏过程控制回流比在13~18范围内，该部分液氮同时被蒸发为饱和氮蒸汽，此饱和氮蒸汽压力为0.25MPa，温度为89K，该部分饱和氮蒸汽在主换热器中与来自氮压机的压力0.5MPa、温度313K的氮气进行热交换，被复热后的低压氮气进入氮气压缩机中被压缩到0.5MPa的压力，经过冷却后，返回主换热器。
本发明的低温精馏制备高纯氧的方法中，I精馏塔及II精馏塔中的冷凝器和蒸发器采用高效主板式换热器。所述的主换热器为一台铝制板翅式换热器。
本发明制取高纯氧与其他装置的区别有以下两点：
1、采用的双塔精馏。通过两个精馏塔的精馏，不但去除了氧中存在的高沸点的氩组份，也去除了氧中存在的低沸点的甲烷等组份。也正是这样，才使得氧中氩、甲烷等杂质的含量达到了PPB的级别，而采用单塔精馏时只能去除单一的杂质组份，高沸点和低沸点组份不能同时去除。
2、精馏塔采用的是顶部带冷凝器下部带蒸发器的结构形式，该形式的优点是可以改变精馏塔的回流比，降低精馏塔的高度，提高装置的经济指标，充分保证杂质的去除，满足氧纯度的要求。
国内外采用低温精溜的方法制备高纯氧设备，都是附着在大型空分设备泠箱之内，除氧技术指标难以达到外，其制取高纯氧的冷量损失的大小，是未考虑的，而独立的制备高纯氧的设备，必须考虑该套装置的冷量损失大小，若冷量损失(即需要补充的冷量)过大，导致生产成本很高，在实际生产中是不可行的。本发明①采用了高效主板式换热器，换热效果良好，其冷端热端温差小于3℃；②冷量得到充分利用和回收，其一氧、氮均为液相进料，冷量得到充分利用；其二，外排的液体和气体均通过板式换热器回收了冷量。所以总的冷量损失很小，因而可实现独立的高氧制备系统。
本发明的优点：
1、本制备高纯氧的方法，原料氧来源广，工艺流程及操作简单，运转平稳，安全可靠，可实现全自动控制。
2、采用高效率规整填料塔，高纯氧产品纯度高。
3、本制备高纯氧的方法，可根据用户需要设计装置，而不依附于大型空分设备，可实现独立的高纯氧制备系统，实现大规模工业生产。
4、能量得到充分合理的利用，冷损小，能耗指标低。
5、设备少，投资低。
附图说明
图1是本发明的双塔低温精馏制备高纯氧的简易流程图
图中标识的含义：1工业液氧，2含氩7.5％的组分气，3含CH4、C2H2等杂质的液体，4氧馏份，5含CnHm液馏分，6含氮、氩组分气，7高纯液氧，8中压饱和氮气，9液氮，10饱和氮气，11液氮，B主换热器，C蒸发器，D冷凝器。
具体实施方式
下面参照实例附图对本发明作更详尽的讨论。现参见图1，
双塔低温精馏制备高纯氧的方法包括：
a、两个顶部带冷凝器D下部带蒸发器C的规整填料精馏塔，I精馏塔和II精馏塔，每个精馏塔分为上、中、下三个精馏段，精馏塔外设置有主换热器B；
b、将压力0.2MPa、温度95K的工业液氧1原料直接进引入I精馏塔的中段，在塔内通过低温精馏，产生的压力0.13MPa、温度约93K、含氩7.5％的组分气2从塔顶排出，产生的压力0.14MPa、温度约94K含CH4、C2H2等杂质的液体3从塔底排出塔外，在塔的下部获得压力0.137MPa、温度约94K的去除了大部分CH4、C2H2、氩、氮等组分的氧馏份4；
c、将氧馏分4从精馏塔I抽出，导入II精馏塔中部，在塔内通过进一步低温精馏，馏分中的CnHm再次被冷凝下来，浓缩后为含CnHm液馏分5从塔底排出塔外，产生的含氮、氩组分气6从塔顶排出，在塔的下部获得压力0.13MPa、温度约93K的含氧量≥99.9998％，含氩量＜0.5ppm，CH4＜0.1ppm的高纯液氧7；
d、将来自于主换热器B的压力0.5MPa，温度约96K的中压饱和氮气8，分别导入I精馏塔和II精馏塔的蒸发器C，与塔内的液体换热，被冷凝成压力0.5MPa、温度约96K的液氮9，该液氮引入塔顶的冷凝器D冷凝塔顶的氧蒸汽，为精馏塔提供回流液体，精馏过程控制回流比在13~18范围内，该部分液氮同时被蒸发为饱和氮蒸汽10(冷流体)，蒸发后的压力为0.25MPa，温度为89K，这部分饱和氮蒸汽在主换热器B中与来自氮压机的压力0.5MPa、温度约313K的氮气(热流体)进行热交换，被复热后的低压氮气进入氮气压缩机中被压缩到0.5MPa的压力，经过冷却后，返回主换热器；
e、来自外部液氮11分为两部分，分别引入I精馏塔和II精馏塔上部的冷凝器D补充系统冷损。
本实施中，I精馏塔和II精馏塔中的冷凝器D和蒸发器C采用高效主板式换热器。主换热器B为一台铝制板翅式换热器。
本实施制备的高纯氧，氧纯度≥99.9998％。其他杂质含量为：N2≤0.5ppm；CH4≤0.1ppm；H2O≤0.1ppm；Ar≤0.5ppm。超过了GB/T14599-93《高纯氧》规定的优等品指标。GB/T14599-93《高纯氧》规定的优等品指标为：氧纯度≥99.999％。其他杂质含量为：N2≤5ppm；CH4≤0.5ppm；H2O≤2.5ppm；Ar≤2ppm。

Claims (5)

1.一种低温精馏制备高纯氧的方法，其特征在于该方法为双塔低温精馏法，它包括：
a、精馏塔采用顶部带冷凝器(D)下部带蒸发器(C)的规整填料塔，分为I精馏塔及II精馏塔，每个精馏塔分为上、中、下三个精馏段，精馏塔外设置主换热器(B)；
b、将压力0.2MPa温度95K的工业液氧(1)原料直接引入精馏塔I的中段，在塔内通过低温精馏，产生的含氩7.5％的组分气(2)从塔顶排出，产生的含CH4、C2H2杂质的液体(3)从塔底排出塔外，在塔的下部获得去除了大部分CH4、C2H2、氩、氮组分的氧馏份(4)；
c、将氧馏份(4)从精馏塔I导出，送入精馏塔II中部，在塔内通过进一步低温精馏，馏分中的CnHm再次被冷凝下来，浓缩后为含CnHm液馏分(5)从塔底排出塔外，产生的含氮、氩组分气(6)从塔顶排出，在塔的下部获得含氧量≥99.9998％，含氩量＜0.5ppm，CH4＜0.1ppm的高纯液氧(7)；
d、将来自于主换热器(B)的压力0.5MPa，温度96K的中压饱和氮气(8)分为两部分，分别导入I精馏塔和II精馏塔的蒸发器(C)与塔内的液体换热，被冷凝成液氮(9)，该液氮引入塔顶的冷凝器(D)冷凝塔顶的氧蒸汽，为精馏塔提供回流液体，精馏过程控制回流比在13~18范围内，该部分液氮同时被蒸发为饱和氮蒸汽(10)，该部分饱和氮蒸汽在主换热器(B)中与来自氮压机的压力氮气进行热交换，被复热后的低压氮气进入氮气压缩机中被压缩到0.5MPa的压力，经过冷却后，返回主换热器；
e、将外部液氮(11)分为两部分，分别引入I精馏塔和II精馏塔上部的冷凝器(D)补充系统冷损。
2.如权利要求1所述的低温精馏制备高纯氧的方法，其特征在于所述的b中，将压力0.2MPa、温度95K的工业液氧(1)原料直接进入精馏塔I的中段，在塔内通过低温精馏，产生的压力0.13MPa、温度93K、含氩7.5％的组分气(2)从塔顶排出，产生的压力0.14MPa、温度94K、含CH4、C2H2杂质的液体(3)从塔底排出塔外，在塔的下部获得压力0.137MPa、温度94K的去除了大部分CH4、C2H2、氩、氮组分的氧馏份(4)。
3.如权利要求1所述的低温精馏制备高纯氧的方法，其特征在于所述的d中，将来自于主换热器(B)的压力0.5MPa，温度96K的中压饱和氮气(8)，分别导入I精馏塔和II精馏塔的蒸发器(C)与塔内的液体换热，被冷凝成压力0.5MPa、温度96K的液氮(9)，该液氮引入塔顶的冷凝器(D)冷凝塔顶的氧蒸汽，为精馏塔提供回流液体，精馏过程控制回流比在13~18范围内，该部分液氮同时被蒸发为饱和氮蒸汽(10)，此饱和氮蒸汽压力为0.25MPa，温度为89K，该部分饱和蒸汽在主换热器(B)中与来自氮压机的压力0.5MPa、温度313K的氮气进行热交换，被复热后的低压氮气进入氮气压缩机中被压缩到0.5MPa的压力，经过冷却后，返回主换热器。
4.如权利要求1所述的低温精馏制备高纯氧的方法，其特征在于所述的冷凝器(D)和蒸发器(C)采用高效主板式换热器。
5.如权利要求1所述的低温精馏制备高纯氧的方法，其特征在于所述的主换热器(B)为一台铝制板翅式换热器。
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