CN102442647A - 从液氧中制取高纯氧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从液氧中制取高纯氧的方法。目的是该方法应具有投资少、高纯氧产品产量高的特点。技术方案是：从液氧中制取高纯氧的方法，同时进行以下作业：a、中压空气或中压氮气释放热量后通入第一精馏塔转换为液空或液氮；b、前述液空或液氮分为两路，分别送入第二精馏塔以及氧液化器释放冷量后出系统；c、贮槽输出的液氧送入第一精馏塔放出冷量，其中蒸发温度高于氧的组分液态排放；其余气体送入第二精馏塔冷凝器吸收冷量，其中蒸发温度低于氧的组分气态排放，剩余组分精馏后输出；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器顶端且与该蒸发器连通；第二精馏塔冷凝器固定在第二精馏塔顶端；第二精馏塔冷凝器中的吸收腔通过管路与第二精馏塔相通。

Description

从液氧中制取高纯氧的方法

技术领域

本发明涉及一种空气分离方法，具体是从液氧中制取高纯氧的方法。 

背景技术

高纯氧（含氧量≥99.999%v/v；采用GB/T14599-2008中术语）是人们通过 

多种工艺方法从化合物或混合物中分离提纯获得的液态或气态的空气，现在广泛应用于集成电路和半导体器件的生产、光电行业、标准混合气的配制、科学研究等领域。工业化批量生产高纯氧，目前主要通过以下三条途径实现：（一）水电解+化学方法；（二）变压吸附+化学方法；（三）低温精馏方法。其中：（一）、（二）两种方法其工艺过程均为气态氧的过程，其最终的产品也为气态。通过贮气罐或金属制压力容器将其贮存，实现产品的运输，因此量不大且效率低。同时，所采用化学方法也对工业生产规模形成一定制约。不太适合远距离运输，不太适合大量储存。也难适应现代化企业对高纯氧越来越大的需求。

第（三）种工艺方法是指在低温状态下将空气进行分离。其原理可简述为：将原料空气液化，然后根据空气所含组分（例如氧、氮、氩）沸点的不同，采用低温精馏的方法分离出氧、氮、氩等。该方法的工艺路线，一般均与氩提取，或氪、氙提取相结合并可直接获得液态的高纯氧。由于氩、氪、氙等均为稀有气体，所以带有这类流程的空气分离装置一般规模均较大，因而投资也大。另外，局限于空气分离装置制取冷量的能力（冷量：行业术语，一般指低于大气环境的能量值）和能量平衡，其高纯氧的产量也受到很大制约。也就是现行的低温精馏方法可直接获得液态的高纯氧，其较之（一）（二）两种方法更易贮存，运输更方便、高效。但是必须依托一个大型空分装置，投资量十分大，产量则受到空分装置制冷量的限制。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高纯氧制取方法，该方法应具有投资少、高纯氧产品产量高的特点。 

本发明提供的技术方案是： 

从液氧中制取高纯氧的方法，同时进行以下作业流程： 

a、用户提供的中压空气或中压氮气进入主换热器释放热量后通入第一精馏塔蒸发器中的吸收腔后吸收冷量，转换为液空或液氮；

b、第一精馏塔蒸发器输出的液空或液氮分为两路，第一路送入第二精馏塔冷凝器放出冷量，转换为空气或氮气后输回主换热器释放冷量，复热至常温后出系统；第二路进入氧液化器释放冷量，转换为低温空气或氮气后输回主换热器继续释放冷量，复热至常温后出系统； 

c、将贮槽输出的液氧经液体泵加压后送入第一精馏塔放出冷量，其中蒸发温度高于氧的组分以液态形式从第一精馏塔蒸发器底端的排放管进行排放；其余放出冷量后蒸发的气体送入第二精馏塔冷凝器中的吸收腔吸收冷量，其中蒸发温度低于氧的组分以气态形式从该吸收腔的排放口进入大气排放，剩余组分进入第二精馏塔进一步精馏，获得液态高纯氧产品后输出； 

第一精馏塔和第二精馏塔分开布置；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器顶端且与该蒸发器连通；第一精馏塔蒸发器内液氧的蒸发温度小于氮气的液化温度，分别通过控制液氧的压力以及控制氮气的压力实现；

第二精馏塔冷凝器固定在第二精馏塔顶端；第二精馏塔冷凝器中的吸收腔，其氧气进口以及液氧出口分别通过管路与第二精馏塔相通；第二精馏塔冷凝器内液氮的蒸发温度小于氧气的液化温度，分别通过控制液氮的压力以及控制氧气的压力实现。

第一精馏塔顶端输出口还通过管路输出低压氧气进入氧液化器吸收冷量，转换为液氧产品后输出。 

所述第二精馏塔的底端还设置有液氧排放管。 

所述主换热器为板式换热器。 

本发明的工作原理是： 

1、由于输入第一精馏塔内的液氧压力低，而输入第一精馏塔内的蒸发器的空气或氮气压力高，所以液氧的蒸发温度要低于空气或氮气的液化温度（例如：实施例中的第一精馏塔的液氧压力为0.16Mpa时，蒸发温度为-178.5℃，而系统提供的空气在压力为0.4717Mpa时，液化温度为-175.6℃，两者温差2.9℃）。这样，空气的冷凝和液氧的蒸发可同时进行。

2、由于第二精馏塔内上升氧气的压力低，而提供的液空或液氮压力高，所以液空或液氮的蒸发温度要低于氧气的液化温度（例如：实施例中的第二精馏塔内的上升氧气的压力为0.145Mpa时，液化温度为-179.6℃，而系统提供的液空在压力为0.3262Mpa时，蒸发温度为-182.3℃，两者温差2.8℃）。这样，氧气的冷凝和液空或液氮的蒸发就可同时进行。 

本发明的有益效果是： 

首先，本方法无需依托大型空气分离工艺装置以及它配属的提取氩、氪、氙等稀有气体的生产流程，所以投资至少要小一个数量级，流程更高效，大大降低了液态高纯氧的生产门槛。其次，采用本工艺方法只需要依托液体贮存系统增加配套装置即可达到目的，简便易行见效快。第三，冷量充足，高纯氧产量高（从液氧中提取高纯氧的比例超过13%，剩余物料仍然为可以利用的液氧，废气排放量小于1%）。另外，还具有低温精馏方法的一切优点，而无背景技术所述的（一）（二）两种方法的局限。

附图说明

图1是本发明实施例的工艺流程示意图。 

图2是本发明中的第一精馏塔的蒸发器的结构示意图。 

图3是本发明中的第二精馏塔的冷凝器的结构示意图。 

具体实施方式

本发明具有以下特点： 

1、具有充足的冷量来源

如前所述第（三）种低温精馏方法，高纯氧的产量受到一个约束；那是因为

整套空气分离装置配套的制冷量是有限度的。在带有高纯氧的流程中，无论提取氩、提取氪、氙均要消耗足够多的冷量；因而，高纯氧部分能分配到的冷量很有限。本发明所用原料为用户液体贮存系统中的液氧，冷量非常充足，使高纯氧在产量上的瓶颈被打开。

2、必须采用精馏方法解决高纯氧的纯度问题 

由于没有提取氩或者提取氪、氙部分的重要前处理，直接采用来自液体贮存系统中的原料液氧（通常总是工业氧；其杂质组成更复杂），对其中甲烷、其它烃类、及氪、氙组分均必须采用精馏方法进行净化；特别要采用单独的精馏工艺去除甲烷至＜0.5×10^-6v/v。

以下通过实施例进一步说明， 

实施例：

a、用户提供的中压（无水）空气（即图1中的低压仪表空气）或中压氮气（即图1中的氮气）通过3号管路进入主换热器E1释放热量后再通过10号管路通入第一精馏塔蒸发器K1中的吸收腔G1后吸收冷量，转换为液空或液氮；

b、第一精馏塔蒸发器K1输出的液空或液氮分为两路，第一路通过12号管路送入第二精馏塔冷凝器K2放出冷量，转换为空气或氮气后通过9号管路输回主换热器E1释放冷量，复热至常温后通过2号管路出系统；第二路通过11号管路进入氧液化器E2释放冷量，转换为低温空气或氮气后再通过5号管路输回主换热器E1继续释放冷量，复热至常温后通过4号管路出系统； 

c、将贮槽输出的液氧经液体泵加压后通过8号管路送入第一精馏塔C1放出冷量，其中蒸发温度高于氧的组分以液态形式从第一精馏塔蒸发器底端的排放管P进行排放；其余放出冷量后蒸发的气体通过13号管路送入第二精馏塔C2，在该塔中一边上升一边精馏，并且通过K2-1号管路进入冷凝器K2中的吸收腔G2吸收冷量，其中蒸发温度低于氧的组分以气态形式从该吸收腔的排放口通过15号管路进入大气排放，剩余组分通过K2-2号管路返回至第二精馏塔C2进一步精馏，获得液态高纯氧产品后通过14号管路输出；

第一精馏塔C1和第二精馏塔C2分开布置；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器K1顶端且与该蒸发器连通；第一精馏塔蒸发器内液氧的蒸发温度小于氮气的液化温度，分别通过控制液氧的压力以及控制氮气的压力实现；

第二精馏塔冷凝器K2固定在第二精馏塔C2顶端，第二精馏塔冷凝器中的吸收腔G2，其氧气进口通过K2-1号管路与第二精馏塔相通，液氧出口通过K2-2号管路与第二精馏塔相通；第二精馏塔冷凝器内液氮的蒸发温度小于氧气的液化温度，分别通过控制液氮的压力以及控制氧气的压力实现。

第一精馏塔顶端输出口还通过通过7号管路输出低压氧气进入氧液化器E2吸收冷量，转换为液氧产品后通过6号管路输出。 

所述第二精馏塔的底端还设置有液氧排放管P。 

所述第一精馏塔C1和第二精馏塔C2的结构与化工设备的精馏塔结构相同；精馏元件可采用填料+分布器，也可采用筛板结构，或填料、筛板的组合塔结构；主换热器优选板式换热器；上述设备以及元件、部件可全部外购或自制。 

蒸发器K1和冷凝器K2可根据传热温差的需要，采用板翅式换热器或管式换热器结构；也可外购或自制。

所述中压（无水）空气以及中压氮气的压力通常为0.5~0.7Mpa。 

以上所述的所有管路均分别安装有调节管路内介质压力的控制阀门（常规结构阀门，可外购获得）。 

本实施例工作流程如下： 

带压液氧节流进入第一精馏塔C1上部参与精馏，在第一精馏塔中通过精馏使得液氧中蒸发温度低于氧的组分（例如氩）浓缩于上升气体中，在第一精馏塔下部的物料中氩组分含量很低，从第一精馏塔中部抽取氩含量＜2×10-6v/v的气体去第二精馏塔C2进一步提纯，第一精馏塔顶部输出的氧气进入氧液化器E2液化成液氧产品回贮存系统，第一精馏塔蒸发器K1中液氧含较多的甲烷等化合物，需要不间断地排放至专用贮槽。第一精馏塔中部提取的气体通过13号管路从第二精馏塔底部进入，通过精馏（气体在上升过程中进行精馏）除去蒸发温度低于氧的组分（主要是氩），在第二精馏塔中部得到甲烷含量＜0.5×10-7v/v的液态高纯氧产品（通过14号管路输出）；第二精馏塔顶部气体中氩组分含量较高，可以间断排放（通过15号管路排放），底部液态碳氢化合物浓度高，需要通过17号管路不间断地排放至专用贮槽。流程中用户供的仪表空气或氮气通过主换热器E1放出热量节流后作为第一精馏塔蒸发器K1热源，从蒸发器K1出来的部分液空或液氮节流后作为第二精馏塔冷凝器K2冷源，从冷凝器K2出来的空气或氮气通过9号管路回主换热器回收剩余冷能；另一部分液空或液氮通过11号管路节流进入氧液化器E2释放冷量，氧液化器出来的空气或氮气回主换热器E1回收剩余冷能。

流程特点： 

本流程首先分离混合气体中沸点低的物质（氩等）然后再分离混合气体中沸点高的物质（碳氢化合物等）。

本实施例的各管路中的推荐数据如下： 

本发明中的第一精馏塔蒸发器K1的结构如图2所示；第二精馏塔冷凝器K2的结构如图3所示。

Claims (4)

1.从液氧中制取高纯氧的方法，同时进行以下作业流程： 

a、用户提供的中压空气或中压氮气进入主换热器（E1）释放热量后通入第一精馏塔蒸发器(K1)中的吸收腔(G1)后吸收冷量，转换为液空或液氮；

b、第一精馏塔蒸发器输出的液空或液氮分为两路，第一路送入第二精馏塔冷凝器(K2)放出冷量，转换为空气或氮气后输回主换热器释放冷量，复热至常温后出系统；第二路进入氧液化器(E2)释放冷量，转换为低温空气或氮气后输回主换热器继续释放冷量，复热至常温后出系统； 

c、将贮槽输出的液氧经液体泵加压后送入第一精馏塔(C1)放出冷量，其中蒸发温度高于氧的组分以液态形式从第一精馏塔蒸发器(K1)底端的排放管进行排放；其余放出冷量后蒸发的气体送入第二精馏塔冷凝器(K2)中的吸收腔(G2)吸收冷量，其中蒸发温度低于氧的组分以气态形式从该吸收腔的排放口进入大气排放，剩余组分进入第二精馏塔进一步精馏，获得液态高纯氧产品后输出； 

第一精馏塔(C1)和第二精馏塔(C2)分开布置；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器(K1)顶端且与该蒸发器连通；第一精馏塔蒸发器内液氧的蒸发温度小于氮气的液化温度，分别通过控制液氧的压力以及控制氮气的压力实现；

第二精馏塔冷凝器(K2)固定在第二精馏塔顶端；第二精馏塔冷凝器中的吸收腔(G2)，其氧气进口以及液氧出口分别通过管路与第二精馏塔相通；第二精馏塔冷凝器内液氮的蒸发温度小于氧气的液化温度，分别通过控制液氮的压力以及控制氧气的压力实现。

2.根据权利要求1所述的从液氧中制取高纯氧的方法，其特征在于：第一精馏塔顶端输出口还通过管路输出低压氧气进入氧液化器（E2）吸收冷量，转换为液氧产品后输出。

3.根据权利要求2所述的从液氧中制取高纯氧的方法，其特征在于：所述第二精馏塔的底端还设置有液氧排放管(P)。

4.根据权利要求3所述的从液氧中制取高纯氧的方法，其特征在于：所述主换热器为板式换热器。

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