CN115790077B - 一种制造高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法 - Google Patents

一种制造高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种制造高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法，所述装置主要包括依次连接的空气过滤系统、原料空气压缩系统、预冷系统、分子筛纯化系统、冷箱系统，所述冷箱系统由制氮冷箱和制氧冷箱组成，其中制氮冷箱中设有换热器、过冷器、高压氮塔和低压氮塔，其中换热器的一端通过管道连接有膨胀机，另一端通过管道与高压氮塔和低压氮塔依次相连接，所述高压氮塔和低压氮塔之间通过液氮泵和管道相连，并在高压氮塔和低压氮塔之间还设置有过冷器，所述制氧冷箱中设有氧塔、过冷器，其中氧塔分为塔顶和塔底，塔底设有氧塔冷凝蒸发器，所述制氮冷箱设有连接所述制氧冷箱的管道，所述制氧冷箱可通过液氧泵和管道连接制氮冷箱。

Description

一种制造高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法
技术领域
本发明属于深冷低温空气分离领域，具体涉及一种制造高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法，主要适用于高压高纯氮及超纯氧的提取。
背景技术
随着新能源、新材料、食品、电子等行业的发展，其生产工艺中应用极为广泛纯氮及纯氧，也逐渐由传统的液体汽化供应转变为纯氮和纯氧现场制取的模式。随着不同行业用户需求的不同，传统制氮及制氧流程已难以满足用户的能耗及现场无人值守的要求。
典型的制取高纯氮和超纯氧工艺，制取超纯氧需要两个氧塔，一个用于去除总烃（主要为甲烷），另一个用于去除氩。而作为氧塔冷凝蒸发器热源的高压氮气，经过氧塔后变为低压氮气。此时需要通过循环氮压机增压后，才能完成整个氮气系统的循环。该工艺较复杂，动设备和静设备较多，一次投资成本和持续运行能耗均较高，不适用于无人值守制取模式。为此设计一种制造高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有工艺的不足，提供了一种基于深冷低温空气分离原理，利用污氮气膨胀制冷，同时制取高纯氮和超纯氧的装置及其使用方法，解决了原工艺一次投资高，运行能耗高，工艺复杂的不足，具有一次投资、运行能耗低，工艺简单易实施，现场运行操作更简单的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种制造高纯氮和超纯氧的装置，所述装置主要包括依次连接的空气过滤系统、原料空气压缩系统、预冷系统、分子筛纯化系统、冷箱系统，所述冷箱系统由制氮冷箱和制氧冷箱组成，其中制氮冷箱中设有换热器、过冷器、高压氮塔和低压氮塔，其中换热器的一端通过管道连接有膨胀机，另一端通过管道与高压氮塔和低压氮塔依次相连接，所述高压氮塔和低压氮塔之间通过第一液氮泵和管道相连，并在高压氮塔和低压氮塔之间还设置有过冷器，所述制氧冷箱中设有氧塔、过冷器，其中氧塔分为塔顶和塔底，塔底设有氧塔冷凝蒸发器，所述制氮冷箱设有连接所述制氧冷箱的管道，所述制氧冷箱可通过第一液氧泵和管道连接所述制氮冷箱。
作为优选：所述高压氮塔和低压氮塔均由塔顶和塔底组成，其中在高压氮塔的塔顶设有高压氮塔冷凝蒸发器，在低压氮塔的塔顶设有低压氮塔冷凝蒸发器，在高压氮塔和低压氮塔之间布置有过冷器。
作为优选：所述制氮冷箱和所述制氧冷箱，可采用珠光砂隔热冷箱或珠光砂保温真空隔热冷箱。
作为优选：所述制氮冷箱和所述制氧冷箱安装在一个箱体中或单独安装在独立的箱体中。
一种制造高纯氮和超纯氧的装置的使用方法，所述方法包括如下步骤：
1）去杂：原料空气在所述空气过滤系统中除去了灰尘和机械杂质；
2）获压：去杂后的原料空气压缩系统压缩，获得所需压力；
3）分离水分和纯化：获得压力的原料空气在经过预冷系统中冷却分离水分，再经过所述分子筛纯化系统，除去原料空气中的水分、CO2、C2H2等碳氢化合物后，送入冷箱系统；
4）进入冷箱系统后获得高纯氮和超纯氧。
作为优选：所述步骤4）中获得高纯氮和超纯氧的具体方法为：
1）经过去杂、获压、分离水分和纯化后的原料空气送入冷箱经所述换热器冷却温度后送入所述高压氮塔参与精馏，精馏后在高压氮塔塔顶抽出一部分高压氮气作为氮气产品，经换热器复热后送往用户氮气管网；
2）所述高压氮塔塔底部的饱和富氧液空经过所述过冷器后节流进入所述高压氮塔冷凝蒸发器蒸发侧，被所述高压塔塔顶上升氮气加热为饱和气液两相态后，送入所述低压氮塔再次参与精馏，而高压塔塔顶上升氮气被冷凝为液氮返回所述高压氮塔，在所述低压氮塔冷凝蒸发器冷凝侧抽取液氮经液氮泵加压后送入所述高压氮塔顶部，而所述低压氮塔塔底的富氧液空经过所述过冷器节流后进入所述低压氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧，以冷凝所述低压氮塔顶部的上升氮气。富氧液空被加热为饱和气液两相态，气相被抽出依次经过所述过冷器、所述换热器冷端，复热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后进入换热器冷端，复热后送出冷箱，部分作为所述分子筛纯化系统再生气体，其余放空，为防止所述低压氮塔冷凝蒸发器中烃类积聚，从所述低压氮塔冷凝蒸发器蒸发侧抽取一小股液体作为废液排放；
3）低压氮塔抽取一股污氮气和污液氮送入所述氧塔冷箱中的氧塔参与精馏，污液氮经过所述过冷器过冷后节流送入所述氧塔顶部参与精馏，污氮气作为所述氧塔冷凝蒸发器热源，被送入所述氧塔冷凝蒸发器冷凝侧，被冷凝成饱和液相后，经所述过冷器过冷，节流后送入所述氧塔顶部参与精馏。所述氧塔顶部污氮气经所述过冷器复热，送入所述制氮冷箱主换热器复热后送出所述制氮冷箱放空，从所述氧塔底部抽取液氧，经所述第二液氧泵增压后进入所述制氮冷箱换热器复热后送出所述制氮冷箱，作为产品送入用户管网。
作为优选：所述制氮冷箱和所述制氧冷箱之间的连接管道上设置有多个阀门，当制氧冷箱发生故障时，能从主系统隔离。
作为优选，所述制氮冷箱和所述制氧冷箱，可并为一个冷箱，进一步降低一次投资成本。
作为优选，所述制氮冷箱和所述制氧冷箱连接管道应配置必要的切断阀门，当述制氧冷箱发生故障时，能从主系统隔离。
作为优选，所述制氮冷箱和所述制氧冷箱，可将珠光砂隔热改为珠光砂+真空隔热冷箱，大幅降低冷损，降低运行能耗。
作为优选，所述高压氮塔可抽取一定量高压液氮，所述低压氮塔可抽取一定量低压液氮。
作为优选，所述氧塔放空污氮气，可作为所述制氮冷箱和制氧冷箱的密封气，进一步降低所述空气压缩系统处理原料空气量。
作为优选，所述氧塔放空污氮气，可作为所述分子筛纯化系统再生气，进一步降低所述分子筛纯化系统再能能耗。
作为优选，所述液氧泵，可替换为增压罐，采用所述分子筛纯化系统后空气作为热源。
本发明的目的是克服现有工艺的不足，提供了一种基于深冷低温空气分离原理，利用污氮气膨胀制冷，同时制取高纯氮和超纯氧的工艺。解决了原工艺一次投资高，运行能耗高，工艺复杂的不足，具有一次投资、运行能耗低，工艺简单易实施，现场运行操作更简单的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。如图1所示，一种制造高纯氮和超纯氧的装置，所述装置主要包括依次连接的空气过滤系统1、原料空气压缩系统2、预冷系统3、分子筛纯化系统4、冷箱系统，所述冷箱系统由制氮冷箱5和制氧冷箱6组成，其中制氮冷箱5中设有换热器E1、过冷器E2、高压氮塔C1和低压氮塔C2，其中换热器E1的一端通过管道连接有膨胀机ET，换热器E1的另一端通过管道与高压氮塔C1和低压氮塔C2依次相连接，所述高压氮塔C1和低压氮塔C2之间通过第一液氮泵P1和管道相连，并在高压氮塔C1和低压氮塔C2之间还设置有过冷器E2，所述制氧冷箱6中设有氧塔C3、过冷器E3，其中氧塔C3分为塔顶和塔底，塔底设有氧塔冷凝蒸发器K3，所述制氮冷箱5设有连接所述制氧冷箱6的管道，所述制氧冷箱6可通过第二液氧泵P2和管道连接所述制氮冷箱5。
所述高压氮塔C1和低压氮塔C2均由塔顶和塔底组成，其中在高压氮塔C1的塔顶设有高压氮塔冷凝蒸发器K1，在低压氮塔C2的塔顶设有低压氮塔冷凝蒸发器K2，在高压氮塔C1和低压氮塔C2之间布置有过冷器E2。
所述制氮冷箱5和所述制氧冷箱6，可采用珠光砂隔热冷箱或珠光砂保温真空隔热冷箱。
所述制氮冷箱5和所述制氧冷箱6安装在一个箱体中或单独安装在独立的箱体中。
实施例二：
一种制造高纯氮和超纯氧的装置的使用方法，所述方法包括如下步骤：
1）去杂：原料空气在所述空气过滤系统中除去了灰尘和机械杂质；
2）获压：去杂后的原料空气压缩系统压缩，获得8~11barg高压空气；
3）分离水分和纯化：获得压力的原料空气在经过预冷系统中冷却分离水分，再经过所述分子筛纯化系统，除去原料空气中的水分、CO2、C2H2等碳氢化合物后，送入冷箱系统；
4）进入冷箱系统后获得5N高纯氮和9N超纯氧。高纯氮气提取率≥70%，高纯氧气提取率≥50%。
作为优选：所述步骤4）中获得高纯氮和超纯氧的具体方法为：
1）经过去杂、获压（~8.8barg并冷却至~40℃）、分离水分（冷却至~30℃）和纯化后（~38℃，去除水分和碳氢化合物）的原料空气送入冷箱，水含量≤1ppm，二氧化碳含量≤1ppm。经所述换热器冷却至-106~-107℃温度后送入所述高压氮塔参与精馏，精馏后在高压氮塔塔顶抽出一部分高压氮气作为氮气产品，经换热器复热至30~35℃后，作为7.5~8barg产品送往用户氮气管网；
2）所述高压氮塔操作压力8.3~8.4barg，操作温度为-167~-171℃，所述高压氮塔塔底部温度为-166~-167℃富氧液空经过所述过冷器过冷后节流至~4.4barg进入所述高压氮塔冷凝蒸发器蒸发侧，被所述高压塔塔顶上升氮气加热为饱和气液两相态后，送入所述低压氮塔再次参与精馏，而高压塔塔顶上升氮气被冷凝为液氮返回所述高压氮塔，在所述低压氮塔冷凝蒸发器冷凝侧抽取液氮经液氮泵加压至8.3~8.4barg后送入所述高压氮塔顶部，而所述低压氮塔塔底富氧液空经过所述过冷器冷却后节流至~1.2barg进入所述低压氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧，以冷凝所述低压氮塔顶部的上升氮气。所述低压氮塔操作压力4.3~4.4barg，操作温度为-172~-178℃。富氧液空被加热为饱和气液两相态，气相被抽出依次经过所述过冷器、所述换热器冷端，复热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后进入换热器冷端，复热至30~35℃后送出冷箱，部分作为所述分子筛纯化系统再生气体，其余放空，为防止所述低压氮塔冷凝蒸发器中烃类积聚，从所述低压氮塔冷凝蒸发器蒸发侧抽取一小股液体作为废液排放；
3）低压氮塔C2抽取一股污氮气和污液氮送入所述氧塔冷箱6中的氧塔参与精馏。所述氧塔操作压力0.4~1barg，操作温度为-179~-189℃，理论塔板数~40。污液氮经过所述过冷器E3过冷后节流至0.4~1barg送入所述氧塔C3顶部参与精馏，污氮气作为所述氧塔冷凝蒸发器K3热源，被送入所述氧塔冷凝蒸发器K3冷凝侧，被冷凝成饱和液相后，经所述过冷器E3过冷，节流至0.4~1barg后送入所述氧塔C3顶部参与精馏。所述氧塔C3顶部污氮气经所述过冷器E3复热，送入所述制氮冷箱主换热器E1复热至30~35℃后送出所述制氮冷箱5放空,从所述氧塔C3底部抽取液氧，经所述第二液氧泵P2增压至7.5~8barg后进入所述制氮冷箱换热器E1复热至30~35℃后送出所述制氮冷箱5，作为7.5barg产品送入用户管网。
所述制氮冷箱5和制氧冷箱6之间的连接管道上设置有多个阀门，当制氧冷箱6发生故障时，能从主系统隔离。
本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种制造高纯氮和超纯氧的装置，所述装置主要包括依次连接的空气过滤系统、原料空气压缩系统、预冷系统、分子筛纯化系统、冷箱系统，其特征在于：所述冷箱系统由制氮冷箱和制氧冷箱组成，其中制氮冷箱中设有换热器、过冷器、高压氮塔和低压氮塔，其中换热器的一端通过管道连接有膨胀机，另一端通过管道与高压氮塔和低压氮塔依次相连接，所述高压氮塔和低压氮塔之间通过第一液氮泵和管道相连，并在高压氮塔和低压氮塔之间还设置有过冷器，所述制氧冷箱中设有氧塔、过冷器，其中氧塔分为塔顶和塔底，塔底设有氧塔冷凝蒸发器，所述制氮冷箱设有连接所述制氧冷箱的管道，所述制氧冷箱可通过第二液氧泵和管道连接所述制氮冷箱，所述高压氮塔和低压氮塔均由塔顶和塔底组成，其中在高压氮塔的塔顶设有高压氮塔冷凝蒸发器，在低压氮塔的塔顶设有低压氮塔冷凝蒸发器，在高压氮塔和低压氮塔之间布置有过冷器。
2.根据权利要求1所述的制造高纯氮和超纯氧的装置，其特征在于：所述制氮冷箱和所述制氧冷箱，可采用珠光砂隔热冷箱或珠光砂保温真空隔热冷箱。
3.根据权利要求2所述的制造高纯氮和超纯氧的装置，其特征在于：所述制氮冷箱和所述制氧冷箱安装在一个箱体中或单独安装在独立的箱体中。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的制造高纯氮和超纯氧装置的使用方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1）去杂：原料空气在所述空气过滤系统中除去了灰尘和机械杂质；
2）获压：去杂后的原料空气压缩系统压缩，获得所需压力；
3）分离水分和纯化：获得压力的原料空气在经过预冷系统中冷却分离水分，再经过所述分子筛纯化系统，除去原料空气中的水分、CO2、C2H2碳氢化合物后，送入冷箱系统；
4）进入冷箱系统后获得高纯氮和超纯氧。
5.根据权利要求4所述的制造高纯氮和超纯氧装置的使用方法，其特征在于：所述步骤4）中获得高纯氮和超纯氧的具体方法为：
1）经过去杂、获压、分离水分和纯化后的原料空气送入冷箱经所述换热器冷却温度后送入所述高压氮塔参与精馏，精馏后在高压氮塔塔顶抽出一部分高压氮气作为氮气产品，经换热器复热后送往用户氮气管网；
2）所述高压氮塔塔底部的饱和富氧液空经过所述过冷器后节流进入所述高压氮塔冷凝蒸发器蒸发侧，被高压塔塔顶上升氮气加热为饱和气液两相态后，送入所述低压氮塔再次参与精馏，而高压塔塔顶上升氮气被冷凝为液氮返回所述高压氮塔，在所述低压氮塔冷凝蒸发器冷凝侧抽取液氮经液氮泵加压后送入所述高压氮塔顶部，而所述低压氮塔塔底的富氧液空经过所述过冷器节流后进入所述低压氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧，以冷凝所述低压氮塔顶部的上升氮气，富氧液空被加热为饱和气液两相态，气相被抽出依次经过所述过冷器、所述换热器冷端，复热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后进入换热器冷端，复热后送出冷箱，部分作为所述分子筛纯化系统再生气体，其余放空，为防止所述低压氮塔冷凝蒸发器中烃类积聚，从所述低压氮塔冷凝蒸发器蒸发侧抽取一小股液体作为废液排放；
3）低压氮塔抽取一股污氮气和污液氮送入所述氧塔冷箱中的氧塔参与精馏，污液氮经过所述过冷器过冷后节流送入所述氧塔顶部参与精馏，污氮气作为所述氧塔冷凝蒸发器热源，被送入所述氧塔冷凝蒸发器冷凝侧，被冷凝成饱和液相后，经所述过冷器过冷，节流后送入所述氧塔顶部参与精馏，所述氧塔顶部污氮气经所述过冷器复热，送入所述制氮冷箱主换热器复热后送出所述制氮冷箱放空，从所述氧塔底部抽取液氧，经所述第二液氧泵增压后进入所述制氮冷箱换热器复热后送出所述制氮冷箱，作为产品送入用户管网。
6.根据权利要求5所述的制造高纯氮和超纯氧装置的使用方法，其特征在于：所述制氮冷箱和所述制氧冷箱之间的连接管道上设置有多个阀门，当制氧冷箱发生故障时，能从主系统隔离。
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