CN105115244A - 一种低纯度氧空气分离的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产低纯度氧空气分离的新型装置及方法，该装置包括空气压缩系统、前端预冷纯化系统和冷箱，所述空气压缩系统包括低压力空压机、高压力空压机，所述冷箱包括主换热器、液氧蒸发器、膨胀机的膨胀端及分馏塔，所述精馏塔包括低压力下塔、高压力下塔、上塔、低压力下塔冷凝蒸发器和位于上塔和高压力下塔之间的冷凝蒸发器。本发明充分挖掘了精馏塔的精馏潜力，能耗低，比常规双塔流程低了10%以上；操作上比纯氧和空气混合简单；产品提取率高达99%以上。

Description

一种低纯度氧空气分离的装置及方法

技术领域

本发明涉及空气分离领域，尤其涉及一种低纯度氧空气分离的装置及方法。

背景技术

目前，深冷低温工艺的空气分离装置广泛应用于化工和冶金行业等行业，制氧纯度要求高，煤化工、炼钢等行业所需氧气纯度为99.6%以上。而在有些领域，不需要99.6%以上的纯氧，富氧就能满足要求，氧气纯度在70%～97%，如有色冶炼、富氧燃烧、发电等领域要求的氧纯度约为95%左右，氧气压力不高0.4bar～2bar，能满足输送过程的阻力损失即可。富氧空分在现实工业和未来有很大的市场，如200MWe富氧燃煤就需要纯度95%富氧123000Nm³/h。

空分装置的原料是大气，其主要的消耗是能源，因此，在如何进一步降低能量消耗显得尤为重要。对于采用低温精馏的成套设备，提取率和能耗成为评价成套设备经济指标和技术指标的主要参数；空分装置为用电大户，在能源日益紧张的情况下，对于不用行业不同领域的用户，为他们提供更低能耗更合理的工艺流程，研制生产出低能耗的成套装置，不仅可以做到降低能耗，降低生产成本，提高总体经济效益，对日趋紧张的能源需求也可以起到一定的缓解作用。

深冷空气分离制氧设备的最小分离功由装置制氧量和流程压力决定，在氧气量一定的情况下，氧气纯度降低，空气分离所需的最小分离功减小，制氧能耗降低。因此，对低纯度制氧设备，不能仍然按常规传统的制氧流程对待，而应该从精馏、流程组织等方面来挖潜，研究新型装置，以降低制氧功耗。

目前低纯度氧气设备采用的流程仍然是传统的双塔精馏，或者是采用高纯度氧气混合空气的方法获得。对于低纯氧设备采用以上两种方法制取，能耗高，经济性差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种能耗低、经济性好的低纯度氧空气分离的装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种低纯度氧空气分离的装置，包括空气压缩系统、前端预冷纯化系统和冷箱，所述空气压缩系统包括低压力空压机及高压力空压机，所述冷箱包括主换热器、液氧蒸发器、膨胀机的膨胀端及精馏塔，所述精馏塔包括低压力下塔、高压力下塔、上塔、低压力下塔冷凝蒸发器和位于上塔和高压力下塔之间的冷凝蒸发器，所述低压力空压机通过第一管道与前端预冷纯化系统相连接，所述前端预冷纯化系统的第一气体出口通过第二管道经主换热器与所述低压力下塔相连；前端预冷纯化系统的第二气体出口通过第三管道与一膨胀机的增压端相连接，所述增压端通过第四管道连接一水冷却器，所述水冷却器通过第五管道经主换热器连接在所述膨胀机的膨胀端；所述前端预冷纯化系统的第三气体出口通过第六管道与所述高压力空压机相连接，高压力空压机中抽出口通过第七管道经主换热器与所述高压力下塔相连；高压力空压机末级出口通过第八管道经主换热器与所述液氧蒸发器相连，所述液氧蒸发器通过第九管道及第一节流阀连接在所述高压力下塔中部入口处，所述液氧蒸发器通过第十管道及第二节流阀连接在所述低压力下塔中部入口处；所述膨胀端出口设置第十一管道与上塔相连；所述高压力下塔底部液体出口处通过第十二管道及第三节流阀后与所述低压力塔冷凝器连接，所述高压力下塔中部液体出口处连接第十三管道，所述高压力下塔顶部的液体出口处连接第十四管道，所述第十三管道经过一过冷器及第四节流阀后连接在所述上塔中部入口处，所述第十四管道经过所述过冷器及第五节流阀后连接在所述上塔顶部入口处；所述低压力下塔底部液体出口处通过第十五管道及第六节流阀与所述低压力塔冷凝器连接，所述低压力下塔顶部的液体出口处连接第十六管道，所述第十六管道经过所述过冷器及第七节流阀后连接在所述上塔的上部入口处，所述低压力下塔冷凝器的污氮气通过第十七管道与上塔中部入口相连；所述上塔顶部的污氮气出口处连接第十八管道，所述第十八管道连接所述过冷器和主换热器；所述冷凝蒸发器的液氧侧出口处通过第十九管道和所述液氧蒸发器连接，所述液氧蒸发器的气氧出口通过第二十管道与所述主换热器连接。

所述低压力下塔为工作压力0.2~0.22MPa，所述高压力下塔为工作压力~0.36MPa。

所述高压力下塔为塔板数为25~35或对应塔盘数为35~50盘的下塔，所述低压力下塔为塔板数为25~35或对应塔盘数为35~50盘的下塔，所述上塔为塔板数为30~40或对应塔盘数为52~68盘的规整填料上塔。

所述低压力空压机排气压力0.25~0.27MPa.所述高压力空压机带中抽两段式，中抽压力0.38，末级压力~0.65MPa，可根据不同氧气压力工况，调整末级压力。

一种低纯度氧空气分离的方法，该方法如下：

空气经低压力空压机压缩经前端预冷纯化后分为三部分：第一部分空气进入主换热器，被返流气体冷却后进入低压力下塔；第二部分相当于膨胀量的空气进入透平膨胀机的增压端增压，增压后经冷却器冷却后进入主换热器，冷却到一定温度后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后的空气送入上塔；第三部分空气进入高压力空压机压缩，抽出一部分进入主换热器冷却后进入高压力下塔，其余部分经高压力空压机进一步压缩，经主换热器冷却后进入液氧蒸发器作为热源汽化液氧，出液氧蒸发器后分成两股：一股进入高压力下塔中部，另一股进入低压力下塔中部；空气经下塔精馏后，在下塔底部获得液空，在顶部获得液氮；

其中，高压力下塔从上到下产生液氮、贫液空及富氧液空，富氧液空节流进入低压力下塔冷凝器作为冷源，贫液空经过冷器过冷后，节流进入上塔，作为其回流液，纯液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液；低压力下塔从上到下产生液氮及富氧液空，富氧液空节流进入低压力下塔冷凝器作为冷源，液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液，低压力下塔冷凝器蒸发后的液空蒸汽送入上塔中部参与精馏；在上塔从上到下产生氮气和液氧，氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱，一股污氮用于分子筛吸附器的再生,另一股送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气；液氧从上塔底部抽出进入液氧蒸发器，被空气加热汽化后进入主换热器复热到常温后送往用户。

膨胀机增压端的气体来自低压力空压机后的气体。

产品氧气纯度70%～97%，产品氧气压力0.4bar（G）～2bar（G），氧提取率99%以上。

空分装置能耗比常规双塔流程低了10%以上。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：所述低压力空压机排气压力0.25~0.27MPa，装置能耗有了质的降低。所述高压力空压机带中抽两段式，中抽压力0.38，末级压力约0.65MPa，可根据不同氧气压力工况，调整末级压力。

所述低压力下塔为工作压力0.2~0.22MPa，所述高压力下塔为工作压力~0.36MPa。

本发明充分挖掘了精馏塔的精馏潜力，能耗低，比常规双塔流程低了10%以上；操作上比纯氧和空气混合简单；产品提取率高达99%以上。

本发明不同于常规双塔流程空分装置，本发明充分挖掘了精馏塔的精馏潜力，通过流程的合理组织，采用三塔（一台高压力下塔、一台低压力下塔、一台上塔）流程制取低纯度氧，低压力空压机排压从0.4MPa降到了0.27MPa，而空压机是空分装置的用电大户，空压机排压的降低使得空分装置整体能耗比常规双塔流程低了近10%。该发明对降低生产成本，提高经济效益具有重要意义。

附图说明

图1为本发明生产低纯度氧空气分离的装置及方法的结构示意图。

图中标注为：1、低压力空压机；2、前端预冷纯化系统；3、高压力空压机；4、增压端；5、水冷却器；6、主换热器；7、液氧蒸发器；8、高压力下塔；9、冷凝蒸发器；10、上塔；11、过冷器；12、低压力下塔；13、低压力下塔冷凝蒸发器；14、膨胀端；15、第一节流阀；16、第二节流阀；17、第三节流阀；18、第四节流阀；19、第五节流阀；20、第六节流阀；21、第七节流阀；22、冷箱；101、第一管道；102、第二管道；103、第三管道；104、第四管道；105、第五管道；106、第六管道；107、第七管道；108、第八管道；109、第九管道；110、第十管道；111、第十一管道；112、第十二管道；113、第十三管道；114、第十四管道；115、第十五管道；116、第十六管道；117、第十七管道；118、第十八管道；119、第十九管道；120、第二十管道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例一

一种低纯度氧空气分离的装置，如图1所示，包括空气压缩系统、前端预冷纯化系统2和冷箱22，所述空气压缩系统包括低压力空压机1及高压力空压机3，所述冷箱包括主换热器6、液氧蒸发器7、膨胀机的膨胀端14及精馏塔，所述精馏塔包括低压力下塔12、高压力下塔8、上塔10、低压力下塔冷凝蒸发器13和位于上塔和高压力下塔之间的冷凝蒸发器9；所述低压力空压机通过第一管道101与前端预冷纯化系统相连接，所述前端预冷纯化系统的第一气体出口通过第二管道102经主换热器与所述低压力下塔相连；前端预冷纯化系统的第二气体出口通过第三管道103与一膨胀机的增压端4相连接，所述增压端通过第四管道104连接一水冷却器11，所述水冷却器通过第五管道105经主换热器连接在所述膨胀机的膨胀端；所述前端预冷纯化系统的第三气体出口通过第六管道106与所述高压力空压机相连接，高压力空压机中抽出口通过第七管道107经主换热器与所述高压力下塔相连；高压力空压机末级出口通过第八管道108经主换热器与所述液氧蒸发器相连，所述液氧蒸发器通过第九管道109及第一节流阀15连接在所述高压力下塔中部入口处，所述液氧蒸发器通过第十管道110及第二节流阀16连接在所述低压力下塔中部入口处；所述膨胀端出口设置第十一管道111与上塔相连；所述高压力下塔底部液体出口处通过第十二管道112及第三节流阀17后与所述低压力塔冷凝器连接，所述高压力下塔中部液体出口处连接第十三管道113，所述高压力下塔顶部的液体出口处连接第十四管道114，所述第十三管道经过一过冷器及第四节流阀18后连接在所述上塔中部入口处，所述第十四管道经过所述过冷器及第五节流阀19后连接在所述上塔顶部入口处；所述低压力下塔底部液体出口处通过第十五管道115与所述低压力塔冷凝器连接，所述低压力下塔顶部的液体出口处连接第十六管道116，所述第十六管道经过所述过冷器及第六节流阀20后连接在所述上塔的上部入口处，所述低压力下塔冷凝器的污氮气通过第十七管道117与上塔中部入口相连；所述上塔顶部的污氮气出口处连接第十八管道118，所述第十八管道连接所述过冷器和主换热器；所述冷凝蒸发器的液氧侧出口处通过第十九管道119和所述液氧蒸发器连接，所述液氧蒸发器的气氧出口通过第二十管道120与所述主换热器连接。

所述低压力下塔为工作压力0.2~0.22MPa，所述高压力下塔为工作压力~0.36MPa。

所述高压力下塔为塔板数为25~35或对应塔盘数为35~50盘的下塔，所述低压力下塔为塔板数为25~35或对应塔盘数为35~50盘的下塔，所述上塔为塔板数为30~40或对应塔盘数为52~68盘的规整填料上塔。

所述低压力空压机排气压力0.25~0.27MPa.所述高压力空压机带中抽两段式，中抽压力0.38，末级压力~0.65MPa，可根据不同氧气压力工况，调整末级压力。

实施例二

一种利用实施例一中所述的低纯度氧空气分离的装置进行氧空气分离的方法，该方法如下：

空气经低压力空压机压缩经前端预冷纯化后分为三部分：第一部分空气进入主换热器，被返流气体冷却后进入低压力下塔；第二部分相当于膨胀量的空气进入透平膨胀机的增压端增压，增压后经冷却器冷却后进入主换热器，冷却到一定温度后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后的空气送入上塔；第三部分空气进入高压力空压机压缩，抽出一部分进入主换热器冷却后进入高压力下塔，其余部分经高压力空压机进一步压缩，经主换热器冷却后进入液氧蒸发器作为热源汽化液氧，出液氧蒸发器后分成两股：一股进入高压力下塔中部，另一股进入低压力下塔中部；空气经下塔精馏后，在下塔底部获得液空，在顶部获得液氮；

其中，高压力下塔从上到下产生液氮、贫液空及富氧液空，富氧液空节流进入低压力下塔冷凝器作为冷源，贫液空经过冷器过冷后，节流进入上塔，作为其回流液，纯液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液；低压力下塔从上到下产生液氮及富氧液空，富氧液空节流进入低压力下塔冷凝器作为冷源，液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液，低压力下塔冷凝器蒸发后的液空蒸汽送入上塔中部参与精馏；在上塔从上到下产生氮气和液氧，氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱，一股污氮用于分子筛吸附器的再生,另一股送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气；液氧从上塔底部抽出进入液氧蒸发器，被空气加热汽化后进入主换热器复热到常温后送往用户。

膨胀机增压端的气体来自低压力空压机后的气体。

产品氧气纯度70%～97%，产品氧气压力0.4bar（G）～2bar（G），氧提取率99%以上。

空分装置能耗比常规双塔流程低了10%以上。

本实施例中提到的低纯度氧空气分离的装置与实施例一中所述的低纯度氧空气分离的装置相同，在此不再一一赘述。

Claims (8)

1.一种低纯度氧空气分离的装置，包括空气压缩系统、前端预冷纯化系统和冷箱，所述空气压缩系统包括低压力空压机及高压力空压机，所述冷箱包括主换热器、液氧蒸发器、膨胀机的膨胀端及精馏塔，所述精馏塔包括低压力下塔、高压力下塔、上塔、低压力下塔冷凝蒸发器和位于上塔和高压力下塔之间的冷凝蒸发器，其特征在于：所述低压力空压机通过第一管道与前端预冷纯化系统相连接，所述前端预冷纯化系统的第一气体出口通过第二管道经主换热器与所述低压力下塔相连；前端预冷纯化系统的第二气体出口通过第三管道与一膨胀机的增压端相连接，所述增压端通过第四管道连接一水冷却器，所述水冷却器通过第五管道经主换热器连接在所述膨胀机的膨胀端；所述前端预冷纯化系统的第三气体出口通过第六管道与所述高压力空压机相连接，高压力空压机中抽出口通过第七管道经主换热器与所述高压力下塔相连；高压力空压机末级出口通过第八管道经主换热器与所述液氧蒸发器相连，所述液氧蒸发器通过第九管道及第一节流阀连接在所述高压力下塔中部入口处，所述液氧蒸发器通过第十管道及第二节流阀连接在所述低压力下塔中部入口处；所述膨胀端出口设置第十一管道与上塔相连；所述高压力下塔底部液体出口处通过第十二管道及第三节流阀后与所述低压力塔冷凝器连接，所述高压力下塔中部液体出口处连接第十三管道，所述高压力下塔顶部的液体出口处连接第十四管道，所述第十三管道经过一过冷器及第四节流阀后连接在所述上塔中部入口处，所述第十四管道经过所述过冷器及第五节流阀后连接在所述上塔顶部入口处；所述低压力下塔底部液体出口处通过第十五管道及第六节流阀与所述低压力塔冷凝器连接，所述低压力下塔顶部的液体出口处连接第十六管道，所述第十六管道经过所述过冷器及第七节流阀后连接在所述上塔的上部入口处，所述低压力下塔冷凝器的污氮气通过第十七管道与上塔中部入口相连；所述上塔顶部的污氮气出口处连接第十八管道，所述第十八管道连接所述过冷器和主换热器；所述冷凝蒸发器的液氧侧出口处通过第十九管道和所述液氧蒸发器连接，所述液氧蒸发器的气氧出口通过第二十管道与所述主换热器连接。

2.根据权利要求1所述的一种低纯度氧空气分离的装置，其特征在于：所述低压力下塔为工作压力0.2~0.22MPa，所述高压力下塔为工作压力~0.36MPa。

3.根据权利要求1所述的一种低纯度氧空气分离的装置，其特征在于：所述高压力下塔为塔板数为25~35或对应塔盘数为35~50盘的下塔，所述低压力下塔为塔板数为25~35或对应塔盘数为35~50盘的下塔，所述上塔为塔板数为30~40或对应塔盘数为52~68盘的规整填料上塔。

4.根据权利要求1所述的一种低纯度氧空气分离的装置，其特征在于：所述低压力空压机排气压力0.25~0.27MPa.所述高压力空压机带中抽两段式，中抽压力0.38，末级压力~0.65MPa，可根据不同氧气压力工况，调整末级压力。

5.一种利用如权利要求1中所述的低纯度氧空气分离的装置进行氧空气分离的方法，其特征在于：该方法如下：

空气经低压力空压机压缩经前端预冷纯化后分为三部分：第一部分空气进入主换热器，被返流气体冷却后进入低压力下塔；第二部分相当于膨胀量的空气进入透平膨胀机的增压端增压，增压后经冷却器冷却后进入主换热器，冷却到一定温度后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后的空气送入上塔；第三部分空气进入高压力空压机压缩，抽出一部分进入主换热器冷却后进入高压力下塔，其余部分经高压力空压机进一步压缩，经主换热器冷却后进入液氧蒸发器作为热源汽化液氧，出液氧蒸发器后分成两股：一股进入高压力下塔中部，另一股进入低压力下塔中部；空气经下塔精馏后，在下塔底部获得液空，在顶部获得液氮；

其中，高压力下塔从上到下产生液氮、贫液空及富氧液空，富氧液空节流进入低压力下塔冷凝器作为冷源，贫液空经过冷器过冷后，节流进入上塔，作为其回流液，纯液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液；低压力下塔从上到下产生液氮及富氧液空，富氧液空节流进入低压力下塔冷凝器作为冷源，液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液，低压力下塔冷凝器蒸发后的液空蒸汽送入上塔中部参与精馏；在上塔从上到下产生氮气和液氧，氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱，一股污氮用于分子筛吸附器的再生,另一股送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气；液氧从上塔底部抽出进入液氧蒸发器，被空气加热汽化后进入主换热器复热到常温后送往用户。

6.根据权利要求5所述的一种低纯度氧空气分离的方法，其特征在于：膨胀机增压端的气体来自低压力空压机后的气体。

7.根据权利要求5所述的一种低纯度氧空气分离的方法，其特征在于：产品氧气纯度70%～97%，产品氧气压力0.4bar（G）～2bar（G），氧提取率99%以上。

8.根据权利要求5所述的一种低纯度氧空气分离的方法，其特征在于：空分装置能耗比常规双塔流程低了10%以上。