CN103629894A

CN103629894A - 单级精馏设备的空气分离方法

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Publication number: CN103629894A
Application number: CN201210300535.1A
Authority: CN
Inventors: 孙克锟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明提出一种单级精馏设备的空气分离方法，适用于大规模制取含氧为98～99.5％液态氧产品的液体设备；同时还能制取含氧为100～3ppm纯氮产品；或者附设粗氩或纯氩系统制取粗氩或纯氩产品，对氧、氮、氩均有极高的提取率；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气，要求膨胀气体中含有大量的低温液态氮以冷凝精馏塔上升气体；应用了低温液体泵内压缩液氧、液氮制取压力氧氮气产品，特别适用于制取压力氧气产品，并合理组织了流程，设备的能耗极低，金属材料用量少等优点。

Description

单级精馏设备的空气分离方法

技术领域

本发明属于低温精馏空气分离的领域，应用低温精馏的原理分离空气，制取氧、氮、氩的方法。

背景技术

自1903年德国科学家通过节流和双级精馏方法，诞生了世界上第一台制氧机以来，空气分离技术的发展巳经历了一个世纪的历程；从百年的发展史看，空气分离技术的发展并未摆脱传统理论的模式；压力塔内提馏段的缺失是制约空分技术发展的根本原因，压力塔内提馏段的设置是空气分离技术的发展方向。

1903年德国科学家林德制造了世界上第一台10Nm3/h制氧机，它是通过节流和双级精馏方法取得的；1910年法国液空公司通过克劳特循环方法制造了第一台50Nm3/h制氧机，它也是通过双级精馏方法取得的；1939年苏联科学家卡皮查发明了具有高效透平膨胀机的低压液化循环流程，同样是通过双级精馏方法分离空气。

空气分离技术属于化学工程领域的范畴，是化学工程领域的重要分枝，空气分离具有一定的特殊性；传统的空气分离过程中，由于空气中还存在微量水分、二氧化碳和碳氢化合物，为了清除这些有害杂质，不得不在冷箱内与空气分离同时进行；以前曾通过冻结法在可逆式换热器清除水分和部分二氧化碳，水分和二氧化碳以固体状态存在会阻塞换热器通道、管道、阀门、塔板小孔；而乙炔和碳氢化合物则溶解在液空内，当液空中氧含量太高时，乙炔和碳氢化合物同时也被浓缩，并以固体状态存在于液空中与高浓度的含氧液体会引起化学性爆炸，因此压力塔内液空含氧量不能提得太高，一般在36％左右，就此压力塔不必设置提馏段仅有精馏段的精馏分离就能达到这一纯度，再通过液空吸附器清除液空内的乙炔及其他碳氢化合物，较清洁的液空在低压塔进行再次精馏，有害杂质的存在严重威胁空分设备的安全运行，成为压力塔分离空气的主要矛盾；因此有害杂质存在于液空中使压力塔无法设置提馏段，是制约压力塔精馏潜力的充分发挥，传统的空气精馏过程必须采用双级精馏方法分离空气以制取氧氮产品。

空分设备中的氩通常溶解在压力塔釜的液空内，因此希望压力塔顶液氮带走的氩越少越好，为了能有较高的提取率，液氮的含氧保持在1％以下和液空含氧在36％左右，当液空含氧达41％以上时，则液氮内不含氧，但液氮中含有大量的氩，不利于低压塔氩的提取；因此氧氮氩的分离必须在压力塔上部设置一只低压塔中进行。

传统的精馏塔通常以低压液氧作为冷源，通过冷凝器低压侧和压力塔之间以压力差的形式，产生一定的传热温度差冷凝压力塔的上升氮气，由于液氧的冷凝温度较高，压力塔的工作压力也较高，因此空分设备的能耗较大。

传统的单级精馏设备仅能制取氧或氮的单一气体，且不能提氩。

传统的中压空分设备由于入压力塔的膨胀空气温度高，膨胀气体所获得的有效能低，装置的冷量受到制约。

传统的低压空分设备由于入低压塔的膨胀空气温度较高，严重影响低压塔氧、氮、氩的分离效果，因此空分低压塔必须设计得很高，金属材料使用量大；或者膨胀氮气与主换热器热交换气体之间传热温差较大，膨胀气体所获得的有效能较低，且膨胀气量均不能太多，装置的冷量受到制约。

“化工原理”指出：多组分溶液的精馏过程应有一个完整的精馏塔，完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段，在这样的精馏塔可将一个双组分混合体连续地、高纯度地分离为轻、重两组分；在对于分离N个多组分溶液则通过用N-1个单级精馏塔的精馏分离过程，以获得所有产品。显然传统的空气分离设备从它诞生之日起至今的百年历史，由于当时科学技术水平还不够发达的原因，无法遵循“化工原理”的精馏过程。

空气分离属于氧氮氩三组份分离的过程，根据“化工原理”的三组分离原理，通过两个完整的单级精馏塔即可以达到精馏分离的目的，因此完全有可能实现精馏过程两者的统一。

空分设备采用常温分子筛吸附原理后，原料空气中的有害杂质如水份、二氧化碳以及乙炔等碳氢化合物在进入冷箱之前巳被基本清除，基本排除了严重威胁空分设备安全运行的主要矛盾，因此完全有可能采用一只单级精馏塔分离空气，在塔内设置提馏段和精馏段，把液空中含氧量大幅提高，以实现空分设备能耗大幅度降低，精馏塔内规正填料的采用进一步降低了能耗。

发明内容

1.精馏设备由换热器组、精馏塔和膨胀机系统组成：精馏塔由精馏段、提馏段和底部再沸器，以及精馏塔顶部设置复合冷凝器或不设置冷凝器二种类型组成；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气进入复合冷凝器或精馏塔作塔的冷源，引入膨胀氮气循环倍率概念N；应用压缩原料空气和被低温液体泵压缩的低温氧氮液体加热汽化后作塔釜内富氧液体的热源；二种类型的精馏塔的工作范围分别约在0.145～0.165MPa和0.125～0.140Mpa压力之间；精馏塔附设粗氩塔或精氩塔制取粗氩或精氩。

2.巳被除水器除去水分和常温分子筛吸附器净化后的压缩原料空气，经主换热器冷却后全部或部分进入塔釜再沸器作低温液氧的加热气体，塔釜内低温液氧被加热后含氧量提高的同时，原料空气被冷却液化；当有部分原料气体旁通时，被冷却液化后的原料空气出塔后与旁通部分原料空气汇合，再经过冷器冷却液化减压后进入精馏塔中部进行精馏分离；精馏塔塔釜与原料空气入口处之间设置提馏段。

3.从精馏塔塔釜获得含氧98～99.5％的部分低温液氧和从精馏塔顶部引出的部分低温液氮，分别被低温液体泵压缩到不低于压力塔塔釜内液体温度所对应的低温液体临界液化压力后，经主换热器等换热器复热汽化到不低于压力塔釜内液体温度后，进入塔釜再沸器作塔釜低温液体的热源，经塔釜低温液体冷却液化，出塔后的低温液体分别经换热器组复热汽化至常温后作压力氧氮气产品；从精馏塔下部引出含氧98～99.5％的低温氧气经主换热器复热至常温后出装置作低压氧产品气；从精馏塔顶部和塔釜分别获得部分低温液氮和液氧。

4.原料空气在塔内精馏后，精馏塔顶部引出的纯氮气和从精馏塔上部引出含氧不高于4％的不纯氮气经换热器组复至常温后，分别经循环压缩机压缩后进入增压机中增压，增压气体分别在主换热器冷却后进入膨胀机作绝热膨胀。通过旁通伐调节进入氮膨胀机入口管道气体温度。

空分塔设置冷凝器的流程：膨胀气体分别进入复合冷凝器的上、下冷凝器作塔的冷源。

空分塔未设置冷凝器的流程：纯氮气膨胀气体进入精馏塔顶部作塔的冷源，不纯氮气膨胀气体经气液分离器后，分离液体进入精馏塔上部适当部位作塔的冷源。

5.引入膨胀氮气循环倍率概念N，要求膨胀氮气循环倍率N＝A/B＞1，使精馏塔内的回流比达到常规值。

6.精馏塔附设一只粗氩塔进行精馏分离制取粗氩，粗氩塔由塔体和塔顶冷凝器所组成；从空分精馏塔所设置的提馏段氩馏份富集区引出部分氩馏份气体进入粗氩塔下部作原料气；空分塔有设置冷凝器和未设置冷凝器的两种流程：从空分精馏塔顶部或上部引出部分低温纯液氮(纯氮气)或不纯液氮(不纯氮气)进入粗氩塔顶部冷凝器作粗氩塔的冷源，原料气在粗氩塔精馏后，粗氩塔底部所获得的富氧液体仍回入空分精馏塔的提馏段内，从粗氩塔顶部可获得含氩不低于99％的粗氩气体或液体，甚至直接制得纯氩液体产品。

7.精馏塔附设一只纯氩塔，纯氩塔由纯氩塔体、塔顶冷凝器以及中间的冷凝器和下部粗氩塔组成；由粗氩塔所获得的粗氩液体经低温液体泵压缩过冷后进入纯氩塔中部作原料液进行精馏；空分精馏塔设置和未设置冷凝器两种流程：从空分精馏塔顶部或上部引出部分低温纯液氮(纯氮气)或不纯液氮(不纯氮气)，分别进入纯氩塔顶部冷凝器或中间冷凝器作冷源，纯氩塔底可获得纯氩液体。

附图说明

图1(a)(b)一种单级精馏设备的空气分离设方法的实例。

图2(a)(b)一种单级精馏设备附设粗氩塔制取粗氩的空气分离方法实例

图2(c)(d)一种单级精馏设备附设粗氩塔制取粗氩的空气分离方法实例

图3(a)(b)一种单级精馏设备附设纯氩塔制取纯氩的空气分离方法实例

图3(c)(d)一种单级精馏设备附设纯氩塔制取纯氩的空气分离方法实例

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述：

图1(a)(b)一种单级精馏设备的空气分离方法的实例

巳被除去水分、二氧化碳和碳氢化合物等的压缩原料空气由管道1经主换热器2冷却后，全部或部分原料空气由管道3、伐门4、管道5进入精馏塔12塔釜再沸器13中作塔釜低温液氧的热源，进入再沸器13的原料空气被冷却液化，同时塔釜内的低温液氧被加热，液体内的含氧量迅速提高；被冷却液化的原料空气出精馏塔12后，经过冷器7被返流气体冷却液化后经管道8、减压阀9减压降温后，经管道10进入精馏塔12中部作原料气体；当有部分原料气体旁通时，旁通原料空气经伐门21、管道22与另一部分原料空气汇合后，经过冷器7冷却液化减压后进入精馏塔12中部进行精馏分离；原料空气入口处下部的精馏塔12内与塔釜之间设置的提馏段即序号12a，精馏塔内采用了规正填料。

原料空气在塔内精馏后，从精馏塔12塔釜引出含氧为98～99.5％部分低温液氧经管道30、低温液体泵31压缩到不低于压力塔塔釜内液体温度所对应的液氧临界液化压力后，经管道32、主换热器2复热汽化至一定温度后，经管道33、换热器34冷却到不低于压力塔釜内液体温度后，经管道35进入压力塔12底部的再沸器13中作加热气体，气体被再沸器13中低温液体冷却液化，经管道36、主换热器2复热至常温后，由管道37引出作压力氧气产品；被低温液体泵31压缩后的部分液氧经伐门25进入管道36内；可从管道30可获得占氧产品总量50-100％的低温液氧产品(图中未绘出)；从精馏塔12a下部引出部分含氧为98～99.5％低压气氧经管道38、主换热器2复热至常温后，经管道39获得低压氧气。

在确保精馏工况正常的前堤下，可从精馏塔12塔顶部液槽引出部分低温液氮经管道40、低温液体泵41加压到不低于压力塔塔釜内液体温度所对应的液氮临界液化压力，经管道42、过冷器7复热后经管道43、主换热器2复热汽化至一定温度后，经管道44、换热器34冷却到不低于压力塔釜内液体温度后，经管道45进入压力塔12底部的再沸器13中作加热气体，气体被塔釜内的低温液体冷却液化后，经管道46、主换热器2复热至常温由管道47引出作压力氮气产品；从管道43引出部分液氮经伐门49进入管道46内；从管道40可获得部分低温液氮(图中未绘出)。

本发明引入膨胀氮气循环倍率概念N，设装置的膨胀氮气量为A，出装置分离氮气总量为B时，即膨胀氮气循环倍率N＝A/B，通常装置的N＜1，为了增加膨胀气氮的含湿量，使精馏塔内的回流比达到常规值，要求膨胀氮气循环倍率N＝A/B＞1，理论上，循环倍率N应小于2。

举例说明如下：已知单位时间内进入装置的原料空气量为1MN³(标准立米)，氧气产量为0.185MN³(含氧99.5％)，氩量包含在氮气内，则出装置总氮气量为0.815MN³，纯氮气产量为0.185MN³，并按精馏塔顶回流液等于纯氮产量0.185MN³时，设膨胀氮气含湿量分别为10％，12％，15％，计算膨胀氮气循环倍率N；按图1(a)计，假设出装置总氮气量全部进入膨胀机作膨胀气体，以及冷凝器液氮可冷凝获得精馏塔顶相等的回流液，则塔顶可分别获得0.0815MN³、0.0925MN³和0.1225MN³回流液，相应循环倍率N分别为2.27、2.0和1.513倍；循环倍率N＞2时可以减少氮气产量以降低氮气循环倍率N；例如膨胀氮气内含湿量为10％，循环倍率N为2.27倍，总氮气量不变时，氮气产量减少至0.0718MN³，使循环倍率N＝2，则膨胀氮气含湿量为8.8％。塔内增加规整填料的高度有利于氧氮的分离。按图1(b)计算分析，装置取消了塔顶的冷凝蒸发器，简化了流程，装置更为紧凑，金属材料使用少。

根据上述分析：膨胀气体含湿量较高时，氮气循环倍率N降低，空分装置的能耗下降；反之膨胀气体含湿量较低时，氮气循环倍率N增大，装置的能耗增加，但膨胀机的制造精度要求降低，应该指出氮气循环倍率N不能无限提高，因为除装置的能耗增加外，装置将处于过冷状态，主换热器冷端将产生负温差而使装置无法运转；只有增加塔内精馏段规整填料的高度，有利于氧氮氩的分离，减小氮气循环倍率N，减少塔内精馏段的回流液。

同时还应指出由于没有进塔的膨胀空气，有利于塔内的精馏，因此减少了塔内精馏段的回流液。

图1(a)是精馏塔上部设置复合冷凝器的流程：原料空气在塔内精馏后，从管道19引出精馏塔12顶部的压力氮气经管道50、过冷器7、管道51、主换热器2复热至常温后，经管道52进入一台循环氮气压缩机53压缩后经增压机54中增压后，经管道55、主换热器2冷却后，经管道56、换热器34复热后，经管道57、进入膨胀机58内绝热膨胀至0.125Mpa压力，膨胀气体经管道59进入精馏塔12顶部复合冷凝器14的上冷凝器15作精馏塔12的冷源，还可通过伐门60调节进膨胀机入口管道57的气体温度，精馏塔12顶复合冷凝器14所冷凝的低温液氮则经管道20回至塔顶作回流液，膨胀气体出精馏塔后经管道80、换热器组复热至常温后由管道82、伐门83出装置作产品气；从精馏塔上部引出含氧量不高于4％的不纯氮气经管道65、过冷器7、管道66、在主换热器2复热至常温后经管道67、循环氮气压缩机68压缩后经管道69、增压机70增压后，经管道71进入主换热器2冷却后，经管道72、换热器34复热后，经管道73进入膨胀机74内绝热膨胀至0.125Mpa压力，还可通过伐门76调节进膨胀机入口管道74的气体温度，膨胀气体经管道75进入下冷凝器16作精馏塔12的冷源，所冷凝的低温液氮则经管道20回至精馏塔12顶部作回流液，下冷凝器16引出的低压不纯氮气经管道85、过冷器7、管道86、主换热器2复热器至常温后由管道87、伐门88引出装置；引出部分纯氮气和不纯氮经伐门84和伐门89分别作二台增压机53、68的补充气源；从精馏塔12塔顶部引出部分纯液氮经管道40、管道77、减压伐78、管道79进入塔顶冷凝器14的上冷凝器15的补充冷源。

图1(b)精馏塔上部未设置冷凝器的流程：原料空气在塔内精馏后，从精馏塔12顶部引出的纯氮气经管道50、过冷器7、管道51、主换热器2复热至常温后，经管道52进入一台循环氮气压缩机53压缩后经增压机54中增压后，经管道55进入主换热器2冷却后，经管道56、换热器34复热后进入膨胀机58内绝热膨胀，膨胀气体经管道59进入精馏塔12顶部作冷源，通过伐门60调节进膨胀机入口管道57的气体温度，从伐门61引出部分低压氮气作产品气，应该指出进塔顶的膨胀气体并不参与塔的精馏，仅回流液体参与了塔的精馏；从精馏塔12上部引出含氧量不高于4％的不纯氮气经管道65、过冷器7、管道66、在主换热器2复热至常温后经管道67、循环氮气压缩机68压缩后经管道69、增压机70增压后，经管道71进入主换热器2冷却后，经管道72、换热器34换热后，经管道73进入膨胀机74内绝热膨胀，膨胀气体经管道75、气液分离器76中进行气液分离，从气液分离器76底部引出的低温液体经管道77进入精馏塔12上部适当部位作塔的回流液，通过伐门78调节进膨胀机入口管道73气体温度，从气液分离器76顶部引出的不纯氮气体经管道80回入管道65内，从伐门79引出部分不纯氮气复热至常温出装置。

举例说明：当空分设备的精馏塔顶冷凝器15与精馏塔12之间的温差为2k时，则精馏塔顶工作压力约为0.155MPa时，塔釜工作压力约为0.165Mpa；当塔釜内液体空气含氧量分别为98％或99.5％时，则相对应塔釜内液体空气温度分别约为94k、94.6k，取进入再沸器为热源的压力气体平均温差取2.0k时，则相对应压力原料空气的最低液化温度分别约为96k、96.6k，相对应的压力原料空气的最低液化压力分别约为0.49MPa、0.52MPa，当取进入再沸器为热源的压力气体平均温差取1.0k时，则相对应压力原料空气的最低液化压力要低一些；当精馏塔上部未设置冷凝器的流程而言，精馏塔工作压力约在0.125-0.145MPa之间，相对应原料空气压力要低一些，这里不再复述。

在图1流路的基础上增设了粗氩系统，粗氩塔流路中的粗氩塔100顶部设有冷凝器101，从空分精馏塔12原料空气入口管道10下部所设置的提馏段12a氩富集区引出一股氩馏份气体，经管道102进入粗氩塔100下部作原料气体；粗氩塔100内上升气体中的氧被粗氩冷凝器101冷凝后，其回流液由管道103回流入空分精馏塔12的提馏段10a内。

图2(a)是精馏塔上部设置复合冷凝器的流程：从精馏塔12顶部或上部适当部位的液槽引出部分纯液氮或不纯液氮经管道90、分配伐91、管道92进入粗氩塔冷凝器101内作塔的冷源，粗氩塔冷凝器101所蒸发的不纯氮气经管道93引出回入管道85内，从粗氩塔100顶引出少量废气经管道109排出装置，粗氩气体或液体从粗氩塔100顶部的管道112引出，图中未绘出纯液氮进入粗氩塔冷凝器的流路。

图2(b)是精馏塔上部未设置冷凝器的流程：从精馏塔12顶部或上部引出部分纯液氮或不纯液氮经管道90、分配伐91、管道92进入粗氩塔冷凝器101内作塔的冷源，粗氩塔冷凝器101所蒸发的废气经管道93引出回入管道65内；粗氩塔100顶引出的含氮气体经管道109排出装置，图中未绘出纯液氮进入粗氩塔冷凝器的流路。

由于从空分精馏塔12的提馏段12a氩富集区引出的氩馏份气体含氩量比传统空分低压塔所引出的氩馏份含氩要高，且比传统空分低压塔所引出的氩馏份要稳定，不受进塔的膨胀气体和过热度的影响，并可以尽量抽取含氮较少的氩馏份，粗氩塔冷凝器101用不纯液氮作塔的冷源，液氮的温度与塔内上升气体的温差较大，在塔内采用规整填料分离气体时，有可能在粗氩塔100顶获得纯氩气体或纯氩液体。

与图2(a)(b)不同的是：图2(c)(d)粗氩塔冷凝器101用不纯氮气作塔的冷源，由于不纯氮气的温度与粗氩塔内上升气体的温差较大，在塔内采用规整填料分离气体时，同样有可能在粗氩塔100顶获得纯氩气体或纯氩液体。

在图1流路的基础上增设了纯氩系统，纯氩塔由低压塔110、顶部冷凝器111、中间的冷凝蒸发器101以及底部的粗氩塔100组成，从粗氩塔100顶部来的粗氩液体经管道112、低温液体泵113压缩后经管道114、过冷器115过冷后，再经管道116进入纯氩塔110中部进行精馏除氮，纯氩液体在纯氩塔110底部获得，从纯氩塔110顶引出的含氮气体经管道128排出装置，从管道130引出装置作纯氩产品。

图3(a)是精馏塔上部设置复合冷凝器的流程：从空分精馏塔12塔上部适当部位的液槽引出部分不纯液氮管道120、伐门121减压后，再经管道122进入粗氩塔顶冷凝器101作粗氩塔100的补充冷源，蒸发气体由管道123引出回入管道80内；从空分精馏塔12塔顶部液槽引出的一部分低温液氮由管道40、管道124、分配伐125、管道126进入冷凝蒸发器111内作纯氩塔110的冷源，冷凝器111所蒸发气体经管道127回入管道80内。

图3(b)是精馏塔上部未设置冷凝器的流程：与图3(a)不同的是从精馏塔12上部适当部位的液槽引出部分低温不纯液氮经管道120、伐门121减压后再经管道122进入粗氩塔顶冷凝器101作粗氩塔100的补充冷源，蒸发气体由管道123引出回入管道65内；从精馏塔12顶部液槽引出部分低温纯液氮经管道40、伐门124、伐门125、管道126进入精氩塔顶冷凝器111作精氩塔110的冷源。

与图3(a)(b)不同的是：图3(c)(d)粗氩塔冷凝器101用不纯氮气作塔的冷源，由于不纯氮气的温度与粗氩塔内上升气体的温差较大；纯氩塔顶部冷凝器111采用纯氮气作塔的冷源，同样由于纯氮气的温度与纯氩塔内上升气体的温差较大；在塔内采用规整填料分离气体时，同样有可能在纯氩塔110底部获得获得纯氩气体或纯氩液体。

纯氩塔顶部冷凝器和粗氩塔冷凝器采用纯氮气和不纯氮气作塔的冷源时，其优点是最大限度减少空分精馏塔回流液的耗量，有利于空分塔的精馏；缺点是纯氩塔冷凝器和粗氩塔冷凝器体积较大，金属材料用量有所增加。

同理液氩经低温液体泵压缩至一定压力后经换热器组复热至一定温度，再经精馏塔釜再沸器冷却和换热器复热制取压力氩产品气体。