CN105758122B - 一种制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置和方法。本发明装置包括主换热器、精馏塔、两个冷凝器、过冷器和透平膨胀机，各设备之间通过管道相连通。大气中的空气经压缩、过滤和净化后进入主换热器中降温，然后进入精馏塔中分离，分离后精馏塔顶部得到高纯氮气，底部得到富氧液空。所得高纯氮气一部分经主换热器复热至常温送出收集，剩余高纯氮气经冷凝器冷凝为液氮作为回流液。富氧液空依次经过冷器、冷凝器、膨胀机和主换热器处理后得到两种富氧气体产品。通过本发明能够获取高纯度氮气的同时，还能获得不同纯度、不同压力的具有较高氧气纯度的富氧气产品，装置还可以多个工况运行，满足多种不同纯度及压力的富氧气需求。
Description
技术领域
本发明属于气体分离方法与装置技术领域，具体涉及一种利用空气制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置和方法。
背景技术
安全可靠、节能减排，这是对空分设备的基本要求和前提条件，是建设资源节约型、环境友好型社会和科学发展的需要，也是市场期望。蓬勃发展新兴的煤化工行业与成熟的钢铁冶金等行业都需要大量低纯度的氧气。为保护环境，捕捉二氧化碳，富氧燃烧也成为了电厂发展的一个趋势。
目前的高纯氮装置，在生产高纯氮气同时，副产品是低纯度的富氧。通常情况下，由于这部分气体含氧纯度只有36%左右，利用价值不大，故此部分富氧一般在出冷箱后作为废气放空，造成了能源浪费。为了满足现有技术中对低纯度氧气的需求和避免资源浪费，迫切需要研究开发一种既能避免高纯度氮气生产过程中低浓度氧气的浪费、同时能制备出低浓度氧气的生产技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有高纯氮气装置制备过程中低浓度氧气放空造成能源浪费的不足之处，本发明提供一种利用空气制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置和方法。通过本发明技术方案，能够获取高纯度氮气的同时，还能获得不同纯度、不同压力的具有较高氧气纯度的富氧气产品，装置还可以多个工况运行，满足多种不同纯度及压力的富氧气需求。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置，所述装置包括主换热器E1、精馏塔C1、冷凝器K1、冷凝器K2、过冷器E2和透平膨胀机ET1，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
主换热器E1的进气口为经过过滤、净化后空气的输入口，其出气口通过101管道与精馏塔C1下部的空气进气口连通；精馏塔C1顶部的高纯氮气出口经201管道分两部分分别进入201A管道和201B管道，201A管道与主换热器E1高纯氮气进气口连通，高纯氮气从主换热器E1出气口排出收集；201B管道分别与冷凝器K2高纯氮气进气口和冷凝器K1高纯氮气进气口连通；冷凝器K1和冷凝器K2底部液氮出口分别经201D管道、201C管道共同进入201E管道，201E管道与精馏塔C1上部液氮进口连通；
精馏塔C1底部富氧液空出口经301管道与过冷器E2富氧液空进口连通，过冷器E2富氧液空出口经301A管道与冷凝器K1富氧液空进口连通；冷凝器K1富氧废气出口经301B管道与主换热器E1富氧废气进口连通，主换热器E1富氧废气出口经301C管道与透平膨胀机ET1富氧废气进口连通，透平膨胀机ET1富氧废气出口经301D管道与过冷器E2富氧废气进口连通，过冷器E2富氧废气出口经301E管道与主换热器E1富氧气体1进口连通，富氧气体1由主换热器E1出口排出收集；
冷凝器K1底部富氧液空出口经301F管道与冷凝器K2富氧液空进口连通，冷凝器K2富氧气体2出口经301G管道与主换热器E1富氧气体2进口连通，富氧气体2经主换热器E1出口排出收集。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置，所述精馏塔C1为板式精馏塔或填料精馏塔。
一种利用上述装置制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，所述方法包括以下步骤：
a、来自大气的空气首先经过压缩，然后采用常规方法进行过滤、净化，脱除空气中的水分和二氧化碳；净化后的空气进入主换热器E1中进行降温；
b、步骤a中经主换热器E1降温后的空气经过101管道由精馏塔C1下部进入精馏塔C1进行精馏分离，分离后精馏塔C1顶部得到高纯氮气，底部得到富氧液空；所得高纯氮气中，其中高纯氮气产品经过201管道和201A管道进入主换热器E1中，复热到常温送出收集，得到高纯氮气产品；其余高纯氮气上升气依次经201管道和201B管道分别进入冷凝器K2和冷凝器K1中，被冷凝成液氮，冷凝后的液氮由冷凝器K2下部经201C管道和由冷凝器K1下部经201D管道汇集于201E管道，返回精馏塔C1中作为回流液；
c、步骤b中所得富氧液空由精馏塔C1底部经301管道进入过冷器E2中进行冷却，冷却后经301A管道节流后进入冷凝器K1中，富氧液空在K1中蒸发，蒸发所得富氧废气由冷凝器K1顶部排出、经301B管道进入主换热器E1复热后抽出，然后经301C管道进入透平膨胀机ET1中膨胀制冷，膨胀后的富氧废气经301D管道进入过冷器E2进行复热、然后经301E管道进入主换热器E1进行复热，最终复温到常温后，得到富氧气体产品1，由主换热器E1送出收集，供使用；
d、步骤c中富氧液空在K1中没有被蒸发汽化的富氧液空，由冷凝器K1底部排出，经301F管道进入冷凝器K2中被汽化，汽化后得到富氧气体产品2，该部分气体由冷凝器K2顶部排出经301G管道进入主换热器E1复热到常温后，得到富氧气体产品2，由主换热器E1送出收集，供使用。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，步骤a中所述精馏塔为板式精馏塔或填料精馏塔；步骤a中经主换热器E1降温，空气被降温至-168～-174℃。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，步骤b中所述高纯氮气的纯度≥99.9995%。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为0～100%；通过调整步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率，得到不同纯度的富氧气体。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为100%时，即富氧液空在K1中全部蒸发，K2不工作；得到的富氧气体产品1的浓度为36%；此时装置即为常规的高纯氮装置。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为30%时，步骤d中得到的富氧气体产品2纯度达到42.2%，压力p达到0.25MPa；当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为50%时，步骤d中得到的富氧气体产品2纯度达到47%，压力p达到0.23MPa；当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为70%时，步骤d中得到的富氧气体产品2的纯度达到52.2%，压力p达到0.21MPa。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为0%时，即冷凝器K1不工作，此时富氧液空都在K2中蒸发，得到的富氧气体产品2的纯度为36%，此时为常规的高纯氮装置。
根据上述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，步骤c中所述得到富氧气体产品1的纯度为36～59%，压力为10～20KPa；步骤d中得到富氧气体产品2的纯度为36～59%，压力为0.02～0.25MPa。
本发明技术方案中，从精馏塔顶部排出的高纯氮气，其中占38～42%的高纯氮气作为产品气体；剩余58～62%的高纯氮气进入冷凝器冷凝为液氮，作为精馏塔的回流液。
本发明的积极有益效果：
1、通过本发明技术方案，能够获取高纯度氮气的同时，还能获得不同纯度、不同压力的具有较高氧气纯度的富氧气产品，装置还可以多个工况运行，满足多种不同纯度及压力的富氧气需求。
2、本发明技术方案，不改变既有的高纯氮气生产工艺，对高纯氮生产没有影响。
3、本发明技术方案在提供高纯氮气的同时，提供了较大纯度选择范围的富氧气体，使富氧气体的利用成为可能。
4、本发明技术方案能够同时生产两种产品，可减少设备的重复建设和投资，从而降低生产成本。
5、本发明技术方案额外提供富氧气产品的同时，不增加任何能耗，节约大量能源，经济效益客观。因此，本发明具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明：
图1 本发明制取高纯度氮气和低纯度氧气装置的结构示意图。
图1中，1为主换热器E1，2为精馏塔C1，3为冷凝器K1，4为冷凝器K2，5为过冷器E2，6为透平膨胀机ET1。
具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1：
参见附图1，本发明制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置，包括1主换热器E1、2精馏塔C1、3冷凝器K1、4冷凝器K2、5过冷器E2和6透平膨胀机ET1，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
主换热器E1的进气口为经过过滤、净化后空气的输入口，其出气口通过101管道与精馏塔C1下部的空气进气口连通；精馏塔C1顶部的高纯氮气出口经201管道分两部分分别进入201A管道和201B管道，201A管道与主换热器E1高纯氮气进气口连通，高纯氮气从主换热器E1出气口排出收集；201B管道分别与冷凝器K2高纯氮气进气口和冷凝器K1高纯氮气进气口连通；冷凝器K1和冷凝器K2底部液氮出口分别经201D管道、201C管道共同进入201E管道，201E管道与精馏塔C1上部液氮进口连通；
精馏塔C1底部富氧液空出口经301管道与过冷器E2富氧液空进口连通，过冷器E2富氧液空出口经301A管道与冷凝器K1富氧液空进口连通；冷凝器K1富氧废气出口经301B管道与主换热器E1富氧废气进口连通，主换热器E1富氧废气出口经301C管道与透平膨胀机ET1富氧废气进口连通，透平膨胀机ET1富氧废气出口经301D管道与过冷器E2富氧废气进口连通，过冷器E2富氧废气出口经301E管道与主换热器E1富氧气体1进口连通，富氧气体1由主换热器E1出口排出收集；
冷凝器K1底部富氧液空出口经301F管道与冷凝器K2富氧液空进口连通，冷凝器K2富氧气体2出口经301G管道与主换热器E1富氧气体2进口连通，富氧气体2经主换热器E1出口排出收集。
其中精馏塔C1为板式精馏塔。
实施例2：
参见附图1，本发明利用实施例1所述装置制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，该方法的详细步骤如下：
a、来自大气的空气首先经过压缩，然后采用常规方法进行过滤、净化，脱除空气中的水分和二氧化碳；净化后的空气进入主换热器E1中进行降温，降温至-170℃；
b、步骤a中经主换热器E1降温后的空气经过101管道由精馏塔C1下部进入精馏塔C1（精馏塔采用板式精馏塔）进行精馏分离，分离后精馏塔C1顶部得到高纯氮气（高纯氮气的纯度≥99.9995%），底部得到富氧液空；所得高纯氮气中，其中高纯氮气产品经过201管道和201A管道进入主换热器E1中，复热到常温送出收集，得到高纯氮气产品（高纯氮气的纯度≥99.9995%）；其余高纯氮气上升气依次经201管道和201B管道分别进入冷凝器K2和冷凝器K1中，被冷凝成液氮，冷凝后的液氮由冷凝器K2下部经201C管道和由冷凝器K1下部经201D管道汇集于201E管道，返回精馏塔C1中作为回流液；
c、步骤b中所得富氧液空由精馏塔C1底部经301管道进入过冷器E2中进行冷却，冷却后经301A管道节流后进入冷凝器K1中，富氧液空在K1中蒸发，蒸发率为30%，蒸发所得富氧废气由冷凝器K1顶部排出、经301B管道进入主换热器E1复热后抽出，然后经301C管道进入透平膨胀机ET1中膨胀制冷，膨胀后的富氧废气经301D管道进入过冷器E2进行复热、然后经301E管道进入主换热器E1进行复热，最终复温到常温后，得到富氧气体产品1（该产品的纯度为20%，压力为11KPa），由主换热器E1送出收集，供使用；
d、步骤c中富氧液空在K1中没有被蒸发汽化的富氧液空，由冷凝器K1底部排出，经301F管道进入冷凝器K2中被汽化，汽化后得到富氧气体产品2，该部分气体由冷凝器K2顶部排出经301G管道进入主换热器E1复热到常温后，得到富氧气体产品2，所得富氧气体产品2的纯度达到42.2%，压力p达到0.25MPa，由主换热器E1送出收集，供使用。
实施例3：与实施例2基本相同，不同之处在于：
步骤c中：富氧液空在K1中蒸发，蒸发率为50%；得到富氧气体产品1（该产品的纯度为24.9%，压力为11KPa）；
步骤d中：得到富氧气体产品2，所得富氧气体产品2的纯度达到47%，压力p达到0.23MPa。
实施例4：与实施例2基本相同，不同之处在于：
步骤c中：富氧液空在K1中蒸发，蒸发率为70%；得到富氧气体产品1（该产品的纯度为29%，压力为11KPa）；
步骤d中：得到富氧气体产品2，所得富氧气体产品2的纯度达到52.2%，压力p达到0.21MPa。
实施例5：与实施例2基本相同，不同之处在于：
步骤c中：富氧液空在K1中蒸发，蒸发率为100%；得到富氧气体产品1，该富氧气体产品1的纯度为36%，压力为10-20KPa。
实施例6：与实施例2基本相同，不同之处在于：
步骤c中：富氧液空在K1中蒸发，蒸发率为0%；
步骤d中：得到富氧气体产品2，所得富氧气体产品2的纯度为36%，压力为10-20KPa。
Claims (10)
1.一种制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置，其特征在于，所述装置包括主换热器E1、精馏塔C1、冷凝器K1、冷凝器K2、过冷器E2和透平膨胀机ET1，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
主换热器E1的进气口为经过过滤、净化后空气的输入口，其出气口通过101管道与精馏塔C1下部的空气进气口连通；精馏塔C1顶部的高纯氮气出口经201管道分两部分分别进入201A管道和201B管道，201A管道与主换热器E1高纯氮气进气口连通，高纯氮气从主换热器E1出气口排出收集；201B管道分别与冷凝器K2高纯氮气进气口和冷凝器K1高纯氮气进气口连通；冷凝器K1和冷凝器K2底部液氮出口分别经201D管道、201C管道共同进入201E管道，201E管道与精馏塔C1上部液氮进口连通；
精馏塔C1底部富氧液空出口经301管道与过冷器E2富氧液空进口连通，过冷器E2富氧液空出口经301A管道与冷凝器K1富氧液空进口连通；冷凝器K1富氧废气出口经301B管道与主换热器E1富氧废气进口连通，主换热器E1富氧废气出口经301C管道与透平膨胀机ET1富氧废气进口连通，透平膨胀机ET1富氧废气出口经301D管道与过冷器E2富氧废气进口连通，过冷器E2富氧废气出口经301E管道与主换热器E1富氧气体1进口连通，富氧气体1由主换热器E1出口排出收集；
冷凝器K1底部富氧液空出口经301F管道与冷凝器K2富氧液空进口连通，冷凝器K2富氧气体2出口经301G管道与主换热器E1富氧气体2进口连通，富氧气体2经主换热器E1出口排出收集。
2.根据权利要求1所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的装置，其特征在于：所述精馏塔C1为板式精馏塔或填料精馏塔。
3.一种利用权利要求1所述装置制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a、来自大气的空气首先经过压缩，然后采用常规方法进行过滤、净化，脱除空气中的水分和二氧化碳；净化后的空气进入主换热器E1中进行降温；
b、步骤a中经主换热器E1降温后的空气经过101管道由精馏塔C1下部进入精馏塔C1进行精馏分离，分离后精馏塔C1顶部得到高纯氮气，底部得到富氧液空；所得高纯氮气中，其中高纯氮气产品经过201管道和201A管道进入主换热器E1中，复热到常温送出收集，得到高纯氮气产品；其余高纯氮气上升气依次经201管道和201B管道分别进入冷凝器K2和冷凝器K1中，被冷凝成液氮，冷凝后的液氮由冷凝器K2下部经201C管道和由冷凝器K1下部经201D管道汇集于201E管道，返回精馏塔C1中作为回流液；
c、步骤b中所得富氧液空由精馏塔C1底部经301管道进入过冷器E2中进行冷却，冷却后经301A管道节流后进入冷凝器K1中，富氧液空在K1中蒸发，蒸发所得富氧废气由冷凝器K1顶部排出、经301B管道进入主换热器E1复热后抽出，然后经301C管道进入透平膨胀机ET1中膨胀制冷，膨胀后的富氧废气经301D管道进入过冷器E2进行复热、然后经301E管道进入主换热器E1进行复热，最终复温到常温后，得到富氧气体产品1，由主换热器E1送出收集，供使用；
d、步骤c中富氧液空在K1中没有被蒸发汽化的富氧液空，由冷凝器K1底部排出，经301F管道进入冷凝器K2中被汽化，汽化后得到富氧气体产品2，该部分气体由冷凝器K2顶部排出经301G管道进入主换热器E1复热到常温后，得到富氧气体产品2，由主换热器E1送出收集，供使用。
4.根据权利要求3所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：步骤a中所述精馏塔为板式精馏塔或填料精馏塔；步骤a中经主换热器E1降温，空气被降温至-168～-174℃。
5.根据权利要求3所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：步骤b中所述高纯氮气的纯度≥99.9995%。
6.根据权利要求3所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为0～100%；通过调整步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率，得到不同纯度的富氧气体。
7.根据权利要求5所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为100%时，即富氧液空在K1中全部蒸发，K2不工作；得到的富氧气体产品1的浓度为36%；此时装置即为常规的高纯氮装置。
8.根据权利要求5所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为30%时，步骤d中得到的富氧气体产品2纯度达到42.2%，压力p达到0.25MPa；当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为50%时，步骤d中得到的富氧气体产品2纯度达到47%，压力p达到0.23MPa；当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为70%时，步骤d中得到的富氧气体产品2的纯度达到52.2%，压力p达到0.21MPa。
9.根据权利要求5所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：当步骤c中富氧液空在K1中蒸发时的蒸发率φ为0%时，即冷凝器K1不工作，此时富氧液空都在K2中蒸发，得到的富氧气体产品2的纯度为36%，此时为常规的高纯氮装置。
10.根据权利要求3所述的制取高纯度氮气和低纯度氧气的方法，其特征在于：步骤c中所述得到富氧气体产品1的纯度为36～59%，压力为10～20KPa；步骤d中得到富氧气体产品2的纯度为36～59%，压力为0.02～0.25MPa。
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