CN202204239U - 一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置 - Google Patents

一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其包括下塔、氮塔和氧塔三座精馏塔以及冷凝蒸发系统和换热器。本实用新型在将冷却至饱和状态的空气送入下塔分离成为氮气和液态空气，然后将氮气冷却成液氮，液氮与液态空气分别送入氮塔精馏，得到高纯氮气和富氧液，富氧液送入氧塔精馏制得低纯氧，低纯氧出冷箱利用膨胀机增压端增压提高氧气压力。采用本实用新型进行空分工艺时，可将部分氮塔中的液氮通入氧塔中，从而提高氮气与氧气纯度的同时，满足氮气与氧气的高提取率。本实用新型采用三塔设计，同时生产带有压力的高纯氮和低纯氧，生产效率高，能耗低，可以连续化生产浮化玻璃等行业所需的氮气和氧气。

Description

一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置
技术领域
本实用新型涉及一种气体分离设备，尤其涉及一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置。
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）；而对于低纯氧，其纯度要求需要大于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。
还如中国专利申请号201010535961.4的专利申请文件，公开了一种生产高纯氮和低纯氧的设备，采用上述设备可以获得氮气的高提取率（＞70%）或氧气的高提取率（＞95%）；但该方法当氧气提取率达到90%以上时氮气提取会降低至60%以下，当氮气提取率高于70%以上时氧气提取率会降到80%，即氧氮不能同时达到高提取率。
实用新型内容
本实用新型提供采用空气为原料、同时生产高纯氮和低纯氧的装置，该装置采用三塔制氮、制氧流程，在直接制备高纯度氮气以及带压力低纯氧气的同时，还可保证氮气和氧气的高提取率。从而提高产品附加值，节省设备投资、降低能耗，实现循环经济效应。
本实用新型一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置通过以下技术方案实现目的：
一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，
包括换热器、冷凝系统以及三座低压精馏塔：氮塔、氧塔和下塔；
空气原料管道通过换热器后与所述下塔的空气进口连接；
所述下塔设有氮气抽取口与液氮进口；所述下塔的氮气抽取口通过管道经过所述冷凝系统后与所述液氮进口对接； 
所述下塔设有液空抽取口，所述氮塔设液空进口，且所述下塔的液空抽取口与所述氮塔的液空进口连接；
所述氮塔的塔釜处设有富氧液抽取口，所述氧塔设有富氧液进口，且所述氮塔的富氧液抽取口与所述氧塔的富氧液进口连接；
所述氮塔中段还设有污液氮抽取口，所述氧塔设有污液氮进口，且所述氮塔的污液氮抽取口与所述氧塔的污液氮进口连接；
所述氧塔的塔釜设有低纯氧提取口；所述氮塔的塔顶设有高纯氮气提取口。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，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，且设有氮气进口和液氮出口；所述两个冷凝蒸发器的氮气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液氮出口分别与所述下塔的液氮进口连接。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，所述氮塔顶部设有回流液进口，所述回流液进口与所述两个冷凝蒸发器的液氮出口连接。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，所述氧塔顶部设有回流液进口，所述回流液进口与所述两个冷凝蒸发器的液氮出口连接。上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，所述氧塔的污液氮进口位于所述氧塔上段，且所述污液氮进口上方至少设有1块塔板。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，还包括一冷却器；所述氮塔的富氧液抽取口通过所述过冷器后与所述氧塔的富氧液进口连接；所述氧塔或氮塔的回流液进口通过所述冷却器与所述的两个冷凝蒸发器的液氮出口连接。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，所述氧塔的污液氮进口设于所述氧塔顶部。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，所述氧塔设有20~90块塔板；所述氧塔的富氧液进口位于所述氧塔上段，且所述富氧液进口上方至少设有3块塔板。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，所述氮塔设有45~120块塔板；所述氮塔的液空进口设于所述氮塔的塔釜上方第1至第10块塔板之间，或设于所述氮塔的塔釜处。
上述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其中，还包括透平膨胀机；所述低纯氧提取口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机的增压端连接，用于给提取的低纯氧增压；所述氧塔上端设有废氮气排出口，所述废氮气排出口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机的膨胀端连接，使得污氮气经透平膨胀机膨胀至大气压制冷，用于补充冷量。
采用本实用新型一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置的优点在于：
1. 本实用新型采用三塔连续化生产，能够同时生产高纯氮和低纯氧，生产能力大幅提高，本实用新型通过氮塔中部抽取部分液氮改善了氧塔的回流，提高了氧气提取率，使氧氮同时达到高提取率。
2. 本实用新型采用氧气增压技术，使达到同样的氧气压力时，空气进入主换热器的压力大大降低，制备工艺中条件控制更为方便。
3. 采用本实用新型生产的氮气压力可达0.15~0.35MPa，纯度达99.999%（氧气含量小于5ppm），而且同时生产的氧气纯度可达到90%~98%，压力达0.1~0.25MPa；氮气提取率为68-76%,同时氧气提取率为90~99%；综合电耗低，为0.16~0.18KWh/NM3（N2+O2），在同时制取高纯度氮气和氧气的同时，减小能源消耗，降低成本支出。
附图说明
图1为本实用新型生产高纯氮和带压低纯氧的装置的第一种实施方式结构示意图；
图2为本实用新型生产高纯氮和带压低纯氧的装置的第二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为截止阀，81为透平膨胀机，82为透平膨胀机增压端，9为氮塔冷凝蒸发器，10为氮塔冷凝蒸发器，11为压缩空气，12为下塔中抽出的氮气，13为液态空气，14为进入氧塔冷凝蒸发器的氮气，15为出氧塔冷凝蒸发器的液氮，16为进入氮塔冷凝蒸发器的氮气，17为出氮塔冷凝蒸发器的液氮，18出氮塔冷凝蒸发器与氧塔冷凝蒸发器的部分液氮，181为进入氮塔的液氮，182为进入氧塔的液氮，19为高纯氮，20污氮气，201为膨胀后的污氮，21为富氧液，22为低纯氧，30为高纯液氮，40为低纯液氧。
具体实施方式
本实用新型的生产高纯氮和低纯氧的装置，包括下塔、氧塔和氮塔三塔设计，还包括冷凝蒸发系统以及换热器采用三塔精馏方式进行空分处理，从而得到高纯度的氮气和带低压的低纯度氧气。
根据氮气和氧气提纯的需要，本方法中采用的三座精馏塔塔板数以及操作压力可分别从以下范围中选择：
下塔：塔板数量：50~130块，操作压力：0.6MPa~1.1MPa；
氮塔：塔板数量：45~120块，操作压力：0.15MPa~0.5MPa；
氧塔：塔板数量：20~90块，操作压力：≥0.08MPa。
实施例1
如图1所示，所述冷凝蒸发系统包括两个分别安装所述氮塔3和氧塔2内的两个冷凝蒸发器9和10以及冷却器6。所述的两个冷凝蒸发器9和10通过利用所述氮塔3与氧塔2中精馏的液体（或气体）上、下温差从而实现通入所述两个冷凝蒸发器9和10中的气体进行热交换。
本实用新型还包括换热器、冷却器6和透平膨胀机81。其中所述换热器包括上段4和下段5。这些装置如下连接：
所述下塔1设有空气进口，用于通入空气，空气原料管道在通过换热器后连接所述下塔1的空气进口，向所述下塔1中通入压缩纯化后的空气11。在所述下塔1上设有氮气抽取口与液氮进口，所述的氮气抽取口与所述氧塔2和氮塔3的冷凝蒸发器10和9的氮气进口连接，而所述液氮进口与所述两个冷凝蒸发器9和10的液氮出口连接，这样所述下塔1中抽取的氮气12分成两股氮气14和16后分别经所述两个冷凝蒸发器10和9冷凝成液氮15和17后回到所述下塔1中精馏。
所述下塔1的塔釜底设有液空抽取口，所述液空抽取口与所述氮塔的液空进口连接，将液化后的空气13送入所述氮塔3中精馏。所述液空进口设于所述氮塔3的塔釜上方第1至第10块塔板之间或是设于所述氮塔3的塔釜处。在所述氮塔3的塔釜底设有富氧液抽取口，所述富氧液抽取口的管道通过所述过冷器6后与所述氧塔2的富氧液进口连接，将所述氮塔3内的精馏得到的富氧液21经所述过冷器6冷却后，通过所述氧塔2中提取氧气。在所述氮塔3顶端设有高纯氮提取口，用于提取所述氮塔3中精馏得到的高纯度氮气19。所述的高纯氮提取口的管道依次通过所述冷器6和主换热器下段5、上段4，这样通过冷却、复热过程后，可得到供用户使用的大于99.999%纯度、0.25MPa压力的高纯氮气。在所述氧塔2中，所述富氧液进口上方至少设有3块精馏塔板。
在所述氮塔3顶部还设有回流液进口，所述回流液进口的管道在通过所述过冷器6后与所述两个冷凝蒸发器9和10的液氮出口连接，将部分经所述两个冷凝蒸发器9和10冷凝得到的液氮18经过所述过冷器6冷却后，通入所述氮塔3中，参与精馏，这样可以有效提高所述氮塔3中精馏提取的氮气的浓度。
位于所述氮塔3的中段设有污液氮抽取口，而所述氧塔2顶部设有污液氮进口，所述氮塔3的污液氮抽取口与所述氧塔2的污液氮进口连接，用于将部分氮塔3中的污液氮23送入氧塔2中作为回流液参加与氧塔2内的精馏，用于同时确保氮气与氧气的纯度与提取率。
在所述氧塔2的塔釜处设有低纯氧提取口，所述低纯氧提取口的管道依次通过换热器和所述透平膨胀机81的增压端。使得在所述氧塔2提取的低纯氧在22复热后，有效提高其压力。
在所述氧塔2的顶端还设有废氮气排出口，所述废氮气排出口的连接管道依次通过所述过冷器6、换热器下段4、透平膨胀机的膨胀端82和换热器上段4，使得从氧塔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，膨胀后的污氮气201经换热器4、5复热出冷箱。
实施例2
如图2所示， 其与上述实施例1不同处在于，在所述氧塔2顶部也设有回流液进口，所述回流液进口通过管道与所述两个冷凝蒸发器9和10的液氮出口连接，将部分经所述两个冷凝蒸发器9和10冷凝得到的部分液氮18经过所述冷却器6冷却后，分为两股，其中一股液氮181回流至所述氮塔3顶部，参与所述氮塔3的精馏；而液氮182回流至所述氧塔3中，参与精馏，这样在提高所述氮塔3内氮气的浓度与提取率的同时，也有效提高所述氧塔2中精馏提取的氧气浓度与提取率。
而且在所述氧塔2中，所述氧塔2的污液氮进口上方至少设有1块精馏板。由所述氮塔3的中段提取的部分污液氮23由所述氧塔2上方至少一块塔板的下方进入所述氧塔2，参加与氧塔2内的精馏，用于同时确保氮气与氧气的纯度与提取率。
经测试，经过本实用新型一种高纯氮和带压低纯氧的装置，生产的氮气压力可达0.15~0.35MPa，纯度达99.999%（氧气含量小于5ppm），而且同时生产的氧气纯度可达到90%~98%，压力达0.1~0.25MPa；氮气提取率为68-76%,同时氧气提取率为90~99%；其综合电耗低，为0.16~0.18KWh/NM3（N2+O2），在同时制取高纯度氮气和氧气的同时，减小能源消耗，降低成本支出。
注：本说明书中的精馏塔“顶部”位置表示为，该精馏塔的塔顶，为该精馏塔最上端的塔板的上方。
精馏塔的“中段”，表示该精馏塔的中间部分，与精馏段或是提溜段位置无关。
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)

1.一种生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，
包括换热器、冷凝系统以及三座低压精馏塔：氮塔、氧塔和下塔；
空气原料管道通过换热器后与所述下塔的空气进口连接；
所述下塔设有氮气抽取口与液氮进口；所述下塔的氮气抽取口通过管道经过所述冷凝系统后与所述液氮进口对接； 
所述下塔设有液空抽取口，所述氮塔设液空进口，且所述下塔的液空抽取口与所述氮塔的液空进口连接；
所述氮塔的塔釜处设有富氧液抽取口，所述氧塔设有富氧液进口，且所述氮塔的富氧液抽取口与所述氧塔的富氧液进口连接；
所述氮塔中段还设有污液氮抽取口，所述氧塔设有污液氮进口，且所述氮塔的污液氮抽取口与所述氧塔的污液氮进口连接；
所述氧塔的塔釜设有低纯氧提取口；所述氮塔的塔顶设有高纯氮气提取口。
2.根据权利要求1所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，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，且设有氮气进口和液氮出口；所述两个冷凝蒸发器的氮气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液氮出口分别与所述下塔的液氮进口连接。
3.根据权利要求2所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，所述氮塔顶部设有回流液进口，所述回流液进口与所述两个冷凝蒸发器的液氮出口连接。
4.根据权利要求3所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，所述氧塔顶部设有回流液进口，所述回流液进口与所述两个冷凝蒸发器的液氮出口连接。
5.根据权利要求4所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，所述氧塔的污液氮进口位于所述氧塔上段，且所述污液氮进口上方至少设有1块塔板。
6.根据权利要求5所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，还包括一冷却器；所述氮塔的富氧液抽取口通过所述过冷器后与所述氧塔的富氧液进口连接；所述氧塔或氮塔的回流液进口通过所述冷却器与所述的两个冷凝蒸发器的液氮出口连接。
7.根据权利要求1所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，所述氧塔的污液氮进口设于所述氧塔顶部。
8.根据权利要求1所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，所述氧塔设有20~90块塔板；所述氧塔的富氧液进口位于所述氧塔上段，且所述富氧液进口上方至少设有3块塔板。
9.根据权利要求1所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，所述氮塔设有45~120块塔板；所述氮塔的液空进口设于所述氮塔的塔釜上方第1至第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所述的生产高纯氮和带压低纯氧的装置，其特征在于，还包括透平膨胀机；所述低纯氧提取口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机的增压端连接，用于给提取的低纯氧增压；所述氧塔上端设有废氮气排出口，所述废氮气排出口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机的膨胀端连接，使得污氮气经透平膨胀机膨胀至大气压制冷，用于补充冷量。
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