CN201867019U - 一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置 - Google Patents

一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，包括下塔、氮塔及氧塔，所述换热器与所述下塔的空气进口通过管道连接；所述冷凝系统与所述下塔通过管道连接；所述下塔设有液氮抽取口，所述液氮抽取口通过管道连接所述氮塔的顶端进口；所述下塔还设有液空抽取口，所述液空抽取口通过管道连接所述氮塔的液空进口，所述氮塔底部设有富氧液抽取口，所述富氧液抽取口通过富氧液管道连接所述氧塔上段的富氧液进口；所述氮塔顶部设有高纯氮提取口；所述氧塔下端设有低纯液氧提取口。本实用新型可实现压力氮气和低纯氧的同时制取，且能耗低；在得到低成本的、浮法玻璃等行业保护气体压力氮的同时，可为窑炉提供低成本的低纯氧助燃。

Description

一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置
技术领域
本实用新型涉及一种气体分离设备，尤其涉及一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置。
背景技术
随着浮法玻璃、化工等行业的快速发展，对高纯氮气、低纯氧需求量急剧增大，通常浮法玻璃行业在使用的高纯氮气压力为0.2～0.5MPa，氮气纯度为99.999％(O2浓度≤3ppm)；由于玻璃原料的融化需要空气或氧气助燃，而且随着国家节能减排政策的实施及燃料成本的上升，氧气助燃有着更为广阔的应用前景。采用氧气助燃可以大大减少氧化亚氮、二氧化碳的排放，并可以节约燃料、提高玻璃产品等级，其中氧气助燃需要的氧气纯度大于80％，最好能够大于90％，同时压力应大于0.1MPa。
传统空分流程中，生产带压力的高纯氮气(氮气压力为0.2MPa～0.45MPa)，采用单塔正流制氮流程(其制备的氮气压力达0.2～0.3MPa)、单塔返流制氮流程(其制备的氮气压力达0.4MPa以上)、双塔返流制氮流程(其制备的氮气压力达0.2～0.3MPa)及双塔正流制氮流程(其制备的氮气压力达0.2～0.3MPa)。这种设备只能制取氮气。
而低纯氧的生产采用全低压双塔精馏制取低压氮气及氧气，其电耗一般为0.38-0.5KWh/NM3，其副产品低压氮气不能直接输送，需增加氮气压缩机，氮气纯度不能满足高端浮法玻璃的需求，氧气压力＜0.1MPa，如需0.15MPa以上的压缩机需采用内压缩流程或加氧气压缩机，因此能耗较高。
如专利US006230519B1公开了一种生产气态氮和气态氧的低温空气分离方法，将空气低温精馏并在低压塔内分离成富氧流体和副氮流体，然后根据密度不同分别从低压塔上下部回收氮气和氧气，该方法制冷降温过程复杂。专利CN1038514A公开了一种生产高压氧和高压氮的空气分离流程，将空气压缩、吸附除杂后通过双级精馏塔进行精馏，由于氮气和氧气均在同一塔内进行精馏，生产效率低。
实用新型内容
本实用新型提供一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，采用三塔制氮、制氧流程，从空分装置中直接生产带压力的高纯氮、低纯氧。该装置提高产品附加值，产品的纯度较高、而且实现压力氮气和低纯氧回收，节省了设备投资、降低能耗，实现循环经济效应。
本实用新型一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置通过以下技术方案实现目的：
一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，包括换热器、冷凝系统和三座低压精馏塔：即氮塔、氧塔和下塔；所述换热器与所述下塔的空气进口通过管道连接；所述冷凝系统与所述下塔通过管道连接；所述下塔设有液氮抽取口，所述液氮抽取口通过管道连接所述氮塔的顶端进口；所述下塔还设有液空抽取口，所述液空抽取口通过管道连接所述氮塔的液空进口；所述氮塔底部设有富氧液抽取口，所述富氧液抽取口通过富氧液管道连接所述氧塔上段的富氧液进口；所述氮塔顶部设有高纯氮提取口；所述氧塔下端设有低纯液氧提取口。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述冷凝系统包括两个冷凝蒸发器，所述两个冷凝蒸发器分别安装在所述氮塔和氧塔中；所述两个冷凝蒸发器的进口分别与所述下塔的氮气抽取口连接，所述两个冷凝蒸发器的出口连接所述下塔的顶端进口。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，在所述氧塔中设有冷凝蒸发器，所述下塔中部设有污氮气出口与污氮气进口，所述污氮气出口、进口分别与所述氧塔的冷凝蒸发器的进口、出口通过管道连接。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述液氮抽取口通过管道连接过冷器，再通过所述过冷器连接所述氮塔和氧塔的顶端进口。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述高纯氮提取口通过管道依次连接过冷器与换热器。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述液氮抽取口通过管道连接所述氧塔的顶端进口。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述氧塔内设置有20～90块塔板，下塔内设置有50～130块塔板，氮塔内设置有45～120块塔板。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，在所述氧塔内，所述富氧液进口上方至少设有一块精馏塔板。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述氮塔液空进口设于所述氮塔的塔釜上方1～10块塔板之间，或设于所述氮塔的塔釜处。
上述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其中，所述氧塔上端设有废气排口，所述废气排口通过管道依次连接所述换热器与透平膨胀机。
采用本实用新型一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置的优点在于：
1.本实用新型一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置在制取低纯氧时，以制取带压力的高纯氮的氮塔釜中抽取的富氧液作为原料，这样在制取低纯氧的同时保证了氮气的提取率，也保证了高纯氮及低纯氧的品质。
2.本实用新型一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置可将压力氮气和低纯氧的同时从空气中分离，产品氮气压力可达0.15～0.45MPa，纯度达99.999％(氧气含量小于5ppm)，氮气提取率为63～72％；同时生产的氧气纯度可达到80％～95％，压力达0.02～0.25MPa，氧气提取率为70～95％；综合电耗低，为0.19～0.23KWh/NM3(N2+O2)。
3.本实用新型一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置相对于传统的生产带压力的高纯氮及低纯氧的设备，其大大减小了能量的输出，有利于环保。
附图说明
图1为本实用新型生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置的第一种实施方式结构示意图；
图2为本实用新型生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置的第二种实施方式结构示意图；
图3为本实用新型生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置的第三种实施方式结构示意图。
图中：1为下塔、2为氧塔、3为氮塔、4为主换热器上段、5为主换热器下段、6为过冷器、7为节流阀、8为透平膨胀机、9为氮塔冷凝蒸发器、10为氧塔冷凝蒸发器、11为纯化后的压缩空气、12为下塔氮气、13液态空气、14为进入氧塔冷凝蒸发器的氮气、15为氧塔冷凝后的液态氮气、16为进入氮塔冷凝蒸发器的氮气、17为氮塔冷凝后的液氮，18为下塔送出的液氮，19为高纯氮气、20为污氮、21为富氧液、22为低纯氧、30为高纯液氮、40为低纯液氧、181为进入氮塔的液氮，182为进入氧塔的液氮、201为膨胀后的污氮。
具体实施方式
实施例1
如图1所示一种生产带压力的高纯氮、低纯氧的装置，包括换热器其分为上段4、和下段5，以及三座低压精馏塔：氮塔3、氧塔2和下塔1。所述下塔1内设置有50～130块塔板，其操作压力为0.6MPa～1.1MPa；所述氧塔2内设置有20～90块塔板，其操作压力在0.08MPa以上；氮塔3内设置有45～120块塔板，其操作压力为0.15MPa～0.5MPa。所述换热器包括上段4和下段5。所述氮塔3中装有冷凝蒸发器10，氧塔2中装有冷凝蒸发器9。
在所述氧塔2内，所述富氧液进口上方至少设有一块精馏塔板。所述氮塔3设有液空进口，所述液空进口设于所述氮塔3的塔釜上方1～10块塔板之间或是设于所述氮塔3的塔釜处。所述氧塔2上端设有废气排口，所述废气排口依次连接所述换热器的上段4与透平8膨胀机。所述氮塔3的富氧液抽取口与所述氧塔1的富氧液进口之间、所述下塔1的液空抽取口与所述氮塔3之间、所述下塔1的液氮抽取口与所述氧塔2的顶端进口之间、所述氮塔3的富氧液抽取口与所述氧塔2的富氧液进口之间均设有节流阀7，用于控制流体流量。
纯化后的空气经压缩，纯化后的压缩空气在空气预冷系统中冷却，进入分子筛纯化系统去除二氧化碳和水分之后，纯化后的压缩空气11进入分馏塔冷箱中在主换热器上段4、下段5换热降温至饱和状态，经过节流阀通过所述下塔1的空气进口进入下塔1中，空气在下塔1中被分离成液空13和氮气12，下塔1的操作压力控制在0.6MPa以上。在所述下塔1的塔顶设有氮气抽取口，所述氮气提取口通过管道连接所述氮塔3和氧塔2的冷凝蒸发器9、10的进口，所述，氮气12分二股14及16分别进入氧塔冷凝蒸发器5被液化成液氮15，进入氮塔3冷凝蒸发器9被液化成液氮17。所述两个冷凝蒸发器9、10的出口与所述下塔1顶端进口连接，冷凝后液氮由所述下塔1的顶端进口进入下塔1中。所述下塔1还有设有液氮抽取口，其通过管道与所述氮塔3和氧塔2的顶端进口相连，部分液氮18由所述液氮抽取口抽出进入所述氮塔3和氧塔2中，进行精馏。
这样液氮18经过冷器6过冷分二股：一股液氮181在节流阀中降压后进入氮塔3顶部，另一股液氮182在节流阀中降压后进入氧塔2顶部；所述下塔1还设有液空抽取口，所述液空抽取口通过管道连接所述氮塔2下段的液空进口。富氧液空13由所述下塔1的液空抽取口抽取并在节流阀中降压后进入氮塔3下段，氮塔3的操作压力控制在0.15MPa以上。
液空、液氮在氮塔3中分离成带压力的高纯氮气19和富氧液21，在氮塔3的塔底设置富氧液抽取口，抽取富氧液21，经节流阀降压后由所述氧塔2的富氧液进口进入氧塔2；氮塔3顶部的高纯氮提取口抽出高纯氮气19，并经过冷器6、主换热器4，5复热送用户使用。
富氧液21进入到氧塔2中精馏，低纯氧22从塔釜的低纯液氧提取口抽出，并经主换热器4、5复热出冷箱。
从氧塔2的塔顶的污氮气出口抽出污氮气20，在过冷器6、换热器5中复热进入透平膨胀机8中膨胀至接近大气压制冷，补充装置的冷量，膨胀后的废氮气201经主换热器4、5复热出冷箱。
实施例2
如图2所示，所述下塔1液氮抽取口单单连接所述氮塔的顶端进口，用于补充液氮作为回流液，而氧塔顶部不再连接所述下塔1的液氮抽取口，补充液氮作为回流液，这样适当降低氧气的提取率来提高压力高纯氮的提取率。与实施例1的区别是氮塔产生的液氮181直接进入所述氮塔3顶部，作为回流液，而所述氧塔3顶部不需要补充液氮作为回流液。这样适当降低氧气的提取率来提高压力高纯氮的提取率。
实施例3
如图3所示，所述下塔1的中部设有污氮气出口与污氮气进口。所述下塔1顶端的氮气抽取口不再连接所述氧塔2的冷凝蒸发器10，而是所述污氮气出口与进口分别与所述氧塔2冷凝蒸发器10的进口、出口通过管道连接，所述污氮气通过冷凝后回到下塔中，参与回流。与实施例1的区别是所述污氮气出口与进口分别与所述氧塔2冷凝蒸发器10的进口、出口通过管道连接，所述污氮气通过冷凝后回到下塔中，参与回流。
经测试，经过本实用新型一种生产带压力的高纯氮、低纯氧的装置，生产的氮气纯度大于99.999％、压力为0.4MPa的氮气，而获得的氧气纯度达95％。
以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。

Claims (10)

1.一种生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，包括换热器、冷凝系统和三座低压精馏塔：即氮塔、氧塔和下塔；所述换热器与所述下塔的空气进口通过管道连接；所述冷凝系统与所述下塔通过管道连接；所述下塔设有液氮抽取口，所述液氮抽取口通过管道连接所述氮塔的顶端进口；所述下塔还设有液空抽取口，所述液空抽取口通过管道连接所述氮塔的液空进口；所述氮塔底部设有富氧液抽取口，所述富氧液抽取口通过富氧液管道连接所述氧塔上段的富氧液进口；所述氮塔顶部设有高纯氮提取口；所述氧塔下端设有低纯液氧提取口。
2.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述冷凝系统包括两个冷凝蒸发器，所述两个冷凝蒸发器分别安装在所述氮塔和氧塔中；所述两个冷凝蒸发器的进口分别与所述下塔的氮气抽取口连接，所述两个冷凝蒸发器的出口连接所述下塔的顶端进口。
3.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，在所述氧塔中设有冷凝蒸发器，所述下塔中部设有污氮气出口与污氮气进口，所述污氮气出口、进口分别与所述氧塔的冷凝蒸发器的进口、出口通过管道连接。
4.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述液氮抽取口通过管道连接过冷器，再通过所述过冷器分别连接所述氮塔和氧塔的顶端进口。
5.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述高纯氮提取口通过管道依次连接过冷器与换热器。
6.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述液氮抽取口通过管道连接所述氧塔的顶端进口。
7.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述氧塔内设置有20～90块塔板，下塔内设置有50～130块塔板，氮塔内设置有45～120块塔板。
8.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，在所述氧塔内，所述富氧液进口上方至少设有一块精馏塔板。
9.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述液空进口设于所述氮塔的塔釜上方1～10块塔板之间，或设于所述氮塔的塔釜处。
10.根据权利要求1所述的生产带压力的高纯氮及低纯氧的装置，其特征在于，所述氧塔上端设有废气排口，所述废气排口通过管道依次连接所述换热器与透平膨胀机。
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