CN203083289U - 一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，根据用户要求能同时生产高纯压力氮、高纯低压氮及低纯压力氧的一种、两种或者最多三种产品，该设备包括下塔、上塔和辅助冷凝器，上塔内安装有上塔冷凝蒸发器。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上塔精馏，得到高纯压力氮气和液氧，液氧送入辅助冷凝器精馏制得低纯压力氧气。该设备采用双塔辅助冷凝器结构，同时生产带有压力的高纯氮和低纯氧，相比传统设备能极大提高氮气提取率，氮提取率可大于90％，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

一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备
技术领域
本实用新型涉及一种气体分离设备，尤其涉及一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备。
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。
空气中的主要气体成分为氮气和氧气，氮气和氧气体积分数分别为78.12％和20.95％，而空气作为廉价资源无处不在，因此通过分离空气来生产氮气和氧气是最为传统的方法。
深冷空分制氮技术已有近百年历史，但是该方法工艺流程复杂、基建费用高、产率低、所需操作人员多，因此人们长期以来努力寻求更为简单的空分方法，变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）技术则是这一努力的成果，但是目前为止一般企业采用PSA技术只能生产99.9％纯度的氮气，国内也只有个别企业可生产99.99％浓度的氮气，目前只有美国空气用品公司能够采用PSA技术生产≥99．999％的氮气，但是价格昂贵。因此液化精馏仍是目前常用的生产氮气的方法。
低纯氧的生产一般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/m3，能耗较高，其副产品低压氮气不能直接输送，需增加氮气压缩机，氮气纯度也不能满足高端浮法玻璃的需求。同时生产的氧气压力小于0.1MPa，而浮法玻璃、化工行业需要大量的带压力的高纯氮气、低纯氧气，氮气及氧气压力要求大于0.15MPa。同时为了达到节能减排的要求，从空分过程中直接生产高提取率、带压力的高纯氮、低纯氧是非常具有价值的。
实用新型内容
本实用新型提供了一种以空气为原料、根据需要可生产高纯压力氮，低纯氧或者同时生产高纯压力氮、高纯低压氮和低纯氧的设备，采用双塔加辅助冷凝器制氮制氧，由于上塔氮提取率可以大于90％，致使塔釜氧含量上升，所以不需要设置第三个塔来提纯氧，只需两个塔可将氮和氧从空气中分离出来，同时能让产品出塔带有一定压力，克服了传统设备的缺陷，并节省了投资、降低了能耗、提高了产品附加值，实现了循环经济效应。
本实用新型提供了一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，包括下塔、上塔和辅助冷凝器，上塔内安装有上塔冷凝蒸发器；
空气原料管道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，所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器均设有氮气进口和液氮出口，所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的氮气进口分别与所述下塔的氮气抽取口相连，所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口与所述下塔的液氮进口相连；
所述上塔顶部设有回流液进口，所述回流液进口与所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口连接；
所述下塔设有液空抽取口，所述上塔设液空进口，且所述下塔的液空抽取口与所述上塔的液空进口连接；
所述上塔的塔釜处设有液氧抽取口，所述辅助冷凝器设有液氧进口，且所述上塔的液氧抽取口与所述辅助冷凝器的液氧进口连接；
所述辅助冷凝器设有低纯氧气提取口；所述上塔的塔顶设有高纯氮气提取口。
优选地，所述下塔的塔板为45-130块，上塔的塔板为35-120块。
优选地，所述上塔的液空进口设于所述上塔上部第1至第30块塔板之间。
优选地，还包括换热器，空气原料管道通过换热器后与所述下塔的空气进口连接。
优选地，还包括透平膨胀机，所述低纯氧气提取口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机连接，使得低纯氧膨胀至大气压制冷，用于补充冷量。
优选地，还包括透平膨胀机，所述高纯氮气提取口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机连接，使得低纯氧膨胀至大气压制冷，用于补充冷量。
优选地，还包括透平膨胀机，所述上塔上端设有污氮气排出口，所述污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。
优选地，还包括一冷却器；所述上塔的回流液进口通过所述冷却器与所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口连接；和/或所述高纯氮气提取口通过所述冷却器与与所述换热器连接；和/或所述污氮气排出口通过所述冷却器与与所述换热器连接。
进一步优选地，所述上塔的回流液进口通过所述冷却器与所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口连接；所述高纯氮气提取口通过所述冷却器与与所述换热器连接；所述污氮气排出口通过所述冷却器与与所述换热器连接。
优选地，所述辅助冷凝器包含板翅式换热器和包围板翅式换热器的容器。
优选地，所述辅助冷凝器直接为板翅式换热器，下塔氮气直接与低纯液氧换热，也可以用其他具备相同功能的换热设备。
本实用新型所述带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备与传统设备相比，具有以下优点：
1）本实用新型所述带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备为双塔连续化生产设备，能够同时生产高纯氮和低纯氧，生产能力大幅提高。
2）采用本实用新型所述设备生产的高纯压力氮气的压力可达0.15-0.45MPa，纯度达99.999％（氧气含量小于5ppm），氮气提取率大于90％；同时生产的低纯氧气纯度可达到80％-95％，压力达0.02-0.25MPa，氧气提取率为80-95％。
附图说明
图1为实施例1所述带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备的示意图；
图2为实施例2所述带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备的示意图；
图3为实施例3所述带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备的示意图；
图4为实施例4所述带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备的示意图；
图中，C1为下塔，C2为上塔，V-1为辅助冷凝器，E1为换热器上段，E2为换热器下段，E3为过冷器，V5、V2、V3为节流阀，TP为透平膨胀机，K1为上塔冷凝蒸发器，K2为板翅式换热器，1为空气，2为经换热器冷却饱和后的空气，3为液态空气，4为进入上塔的液氮，5为上塔中提取的高纯压力氮气，6为液氧，8为下塔送出的液氮，10为低纯液氧，10b为辅助冷凝器中抽出的低纯氧气，11为高纯压力氮气，12为下塔中抽出的氮气，13为膨胀后的低纯氧气，14为进入辅助冷凝器的氮气，16为进入上塔冷凝蒸发器的氮气，15为辅助冷凝器冷凝后的液氮，17为上塔冷凝后的液氮，22为低纯低压氧气，23为膨胀后的高纯低压氮气，24为高纯低压氮气，25为低纯压力氧气，31为上塔中抽出的压力污氮气，32为膨胀后的污氮气，33为低压污氮气。
具体实施方式
本实用新型的带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，采用下塔、上塔和辅助冷凝器的设计，根据膨胀气体的不同，可以生产两种工艺要求的产品。根据所需氮和氧的纯度和压力的不同，双塔内塔板数和操作压力可分别从以下范围中选择：
如不做说明，以下压力表示都取绝压。
下塔塔板数量：45-130块，操作压力：0.6MPa-1.1MPa；
上塔塔板数量：35-120块，操作压力：0.15MPa-0.5MPa；
实施例1
参照图1，本实施例提供的带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，包括下塔C1、上塔C2和辅助冷凝器V-1、换热器、过冷器E3和透平膨胀机TP，上塔C2内安装有上塔冷凝蒸发器K1，辅助冷凝器V-1包含板翅式换热器K2和包围板翅式换热器K2的容器，换热器包括换热器上段E1和换热器下段E2。这些装置如下连接：
下塔C1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下塔C1的空气进口，向下塔C1中通入经换热器冷却饱和后的空气2。在下塔C1上设有氮气抽取口与液氮进口，所述的氮气抽取口与辅助冷凝器V-1的板翅式换热器K2和上塔C2的上塔冷凝蒸发器K1的氮气进口连接，而所述液氮进口与板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1的液氮出口连接，这样下塔C1中抽取的氮气12分成两股氮气14和16后分别经所述板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1冷凝成液氮15和17后回到下塔C1中精馏。
在上塔C2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E3后与板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1的液氮出口连接，将部分经所述板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1冷凝得到的液氮4经过所述过冷器E3冷却后，通入上塔C2中，参与精馏，这样可以有效提高所述上塔C2中精馏提取的氮气的浓度。
下塔C1的塔釜底设有液空抽取口，所述液空抽取口与上塔C2的液空进口连接，将液化后的液态空气3送入上塔C2中精馏。所述液空进口设于上塔C2的塔釜上方第24块塔板处。
在上塔C2的塔釜底设有液氧抽取口，所述液氧抽取口与辅助冷凝器V-1的液氧进口连接，将上塔C2内精馏得到的液氧6通入辅助冷凝器V-1中提取氧气。
在上塔C2顶端设有高纯氮气提取口，用于提取上塔C2中精馏得到的高纯度压力氮气5。所述高纯氮气提取口的管道依次通过过冷器E3和主换热器下段E2、主换热器上段E1，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、0.35MPa压力的高纯压力氮气11。
在辅助冷凝器V-1上设有低纯氧气提取口，所述低纯氧气提取口的管道依次通过换热器下段E2、透平膨胀机TP、换热器下段E2和换热器上段E1，使得从辅助冷凝器V-1的低纯氧气提取口抽出的低纯氧气10b，在换热器下段E2复热进入透平膨胀机TP中膨胀至接近大气压制冷，补充装置的冷量，膨胀后的低纯氧气13经换热器下段E2和换热器上段E1复热导出，最终得到低纯低压氧气22。
实施例2
参照图2，本实施例提供的带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备与实施例1的不同之处在于，辅助冷凝器V-1直接为板翅式换热器K2，下塔氮气直接与低纯液氧换热。
实施例3
参照图3，本实施例提供的带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，包括下塔C1、上塔C2和辅助冷凝器V-1、换热器、过冷器E3和透平膨胀机TP，上塔C2内安装有上塔冷凝蒸发器K1，辅助冷凝器V-1包含板翅式换热器K2和包围板翅式换热器K2的容器，换热器包括换热器上段E1和换热器下段E2。这些装置如下连接：
下塔C1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下塔C1的空气进口，向下塔C1中通入经换热器冷却饱和后的空气2。在下塔C1上设有氮气抽取口与液氮进口，所述的氮气抽取口与辅助冷凝器V-1的板翅式换热器K2和上塔C2的上塔冷凝蒸发器K1的氮气进口连接，而所述液氮进口与板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1的液氮出口连接，这样下塔C1中抽取的氮气12分成两股氮气14和16后分别经所述板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1冷凝成液氮15和17后回到下塔C1中精馏。
在上塔C2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E3后与板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1的液氮出口连接，将部分经所述板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1冷凝得到的液氮4经过所述过冷器E3冷却后，通入上塔C2中，参与精馏，这样可以有效提高所述上塔C2中精馏提取的氮气的浓度。
下塔C1的塔釜底设有液空抽取口，所述液空抽取口与上塔C2的液空进口连接，将液化后的液态空气3送入上塔C2中精馏。所述液空进口设于上塔C2的塔釜上方第24块塔板处。
在上塔C2的塔釜底设有液氧抽取口，所述液氧抽取口与辅助冷凝器V-1的液氧进口连接，将上塔C2内精馏得到的液氧6通入辅助冷凝器V-1中提取氧气。
在上塔C2顶端设有高纯氮气提取口，用于提取上塔C2中精馏得到的高纯度压力氮气5。所述高纯氮气提取口的管道依次通过过冷器E3和主换热器下段E2、主换热器上段E1，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、0.35MPa压力的高纯压力氮气11。
所述高纯氮气提取口的管道还依次通过换热器下段E2、透平膨胀机TP、换热器下段E2和换热器上段E1，使得部分从上塔C2的高纯氮气提取口提取的高纯压力氮气5，在换热器下段E2复热进入透平膨胀机TP中膨胀至接近大气压制冷，补充装置的冷量，膨胀后的高纯低压氮气23经换热器下段E2和换热器上段E1复热导出，最终得到高纯低压氮气24。
在辅助冷凝器V-1上设有低纯氧气提取口，所述低纯氧气提取口的管道依次通过换热器下段E2和换热器上段E1，这样通过复热后，得到低纯压力氧气25。
实施例4
参照图4，本实施例提供的带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，包括下塔C1、上塔C2和辅助冷凝器V-1、换热器、过冷器E3和透平膨胀机TP，上塔C2内安装有上塔冷凝蒸发器K1，辅助冷凝器V-1包含板翅式换热器K2和包围板翅式换热器K2的容器，换热器包括换热器上段E1和换热器下段E2。这些装置如下连接：
下塔C1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下塔C1的空气进口，向下塔C1中通入经换热器冷却饱和后的空气2。在下塔C1上设有氮气抽取口与液氮进口，所述的氮气抽取口与辅助冷凝器V-1的板翅式换热器K2和上塔C2的上塔冷凝蒸发器K1的氮气进口连接，而所述液氮进口与板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1的液氮出口连接，这样下塔C1中抽取的氮气12分成两股氮气14和16后分别经所述板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1冷凝成液氮15和17后回到下塔C1中精馏。
在上塔C2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E3后与板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1的液氮出口连接，将部分经所述板翅式换热器K2和上塔冷凝蒸发器K1冷凝得到的液氮4经过所述过冷器E3冷却后，通入上塔C2中，参与精馏，这样可以有效提高所述上塔C2中精馏提取的氮气的浓度。
下塔C1的塔釜底设有液空抽取口，所述液空抽取口与上塔C2的液空进口连接，将液化后的液态空气3送入上塔C2中精馏。所述液空进口设于上塔C2的塔釜上方第24块塔板处。
在上塔C2的塔釜底设有液氧抽取口，所述液氧抽取口与辅助冷凝器V-1的液氧进口连接，将上塔C2内精馏得到的液氧6通入辅助冷凝器V-1中提取氧气。
在上塔C2顶端设有高纯氮气提取口，用于提取上塔C2中精馏得到的高纯度压力氮气5。所述高纯氮气提取口的管道依次通过过冷器E3和主换热器下段E2、主换热器上段E1，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、0.35MPa压力的高纯压力氮气11。
在辅助冷凝器V-1上设有低纯氧气提取口，所述低纯氧气提取口的管道依次通过换热器下段E2和换热器上段E1，这样通过复热后，得到低纯压力氧气25。
上塔C2上端还设有污氮气排出口，所述污氮气排出口通过管道依次过冷器E3、主换热器下段E2、透平膨胀机TP、换热器下段E2和换热器上段E1，使得从上塔C2的污氮气排出口抽出的压力污氮气31，在换热器下段E2复热进入透平膨胀机TP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32经换热器下段E2和换热器上段E1复热导出，得到低压污氮气33。
经测试，经过本实用新型一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，生产的高纯压力氮气的压力可达0.15-0.45MPa，纯度达99.999％（氧气含量小于5ppm），而且同时生产的低纯压力氧气的纯度可达到80％-95％，压力达0.1-0.25MPa；氮气提取率大于90％，同时氧气提取率为80-95％；能够同时生产高纯氮和低纯氧，生产能力大幅提高，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，任何对该实用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)

1.一种带辅助冷凝器生产压力氮和低纯氧的设备，其特征在于，
包括下塔、上塔和辅助冷凝器，上塔内安装有上塔冷凝蒸发器；
空气原料管道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，所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器均设有氮气进口和液氮出口，所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的氮气进口分别与所述下塔的氮气抽取口相连，所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口与所述下塔的液氮进口相连；
所述上塔顶部设有回流液进口，所述回流液进口与所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口连接；
所述下塔设有液空抽取口，所述上塔设液空进口，且所述下塔的液空抽取口与所述上塔的液空进口连接；
所述上塔的塔釜处设有液氧抽取口，所述辅助冷凝器设有液氧进口，且所述上塔的液氧抽取口与所述辅助冷凝器的液氧进口连接；
所述辅助冷凝器设有低纯氧气提取口；所述上塔的塔顶设有高纯氮气提取口。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述下塔的塔板为45-130块，上塔的塔板为35-120块。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述上塔的液空进口设于所述上塔上部第1至第30块塔板之间。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括换热器，空气原料管道通过换热器后与所述下塔的空气进口连接。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括透平膨胀机，所述低纯氧气提取口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机连接，使得低纯氧膨胀至大气压制冷，用于补充冷量。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括透平膨胀机，所述高纯氮气提取口通过管道依次与所述换热器以及所述透平膨胀机连接，使得低纯氧膨胀至大气压制冷，用于补充冷量。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括透平膨胀机，所述上塔上端设有污氮气排出口，所述污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。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的设备，其特征在于，还包括一冷却器；所述上塔的回流液进口通过所述冷却器与所述辅助冷凝器和上塔冷凝蒸发器的液氮出口连接；所述高纯氮气提取口通过所述冷却器与与所述换热器连接；所述污氮气排出口通过所述冷却器与与所述换热器连接。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辅助冷凝器包含板翅式换热器和包围板翅式换热器的容器。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辅助冷凝器为板翅式换热器。
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