CN205773354U - 一种碳脱氧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳脱氧装置，旨在提供一种不同于配氢法脱氧装置的结构和脱氧原理的碳脱氧装置，其技术方案要点是碳脱氧装置内的反应器为碳脱氧反应塔，包括并联至气体通路内的第一反应塔与第二反应塔，吸附器为二氧化碳吸附干燥塔，包括并联至气体通路内的第一吸附塔和第二吸附塔，这种碳脱氧装置不使用氢气进行脱氧，而使用碳与氮气中的氧反应生产二氧化碳，相较于配氢法更加安全实用，适合对氢、氧具有严格控制的部门使用，并且纯氮能达到99.9995%以上的浓度，脱氧净化效果十分良好，可以定时交替开启两个反应塔，碳脱氧装置寿命较长。

Description

一种碳脱氧装置

技术领域

本实用新型涉及制氮设备领域，特别涉及一种碳脱氧装置。

背景技术

氮气通常情况下是一种无色无味的气体，在现代生产生活中用处极大，可以用作食品保护气体、灯泡填充气体、车胎内充气、化工行业合成氨、树脂、橡胶等，由于空气中的含氮量约为78%，因此氮气的制备一般是通过物理方法，将空气中的氮气和氧气分离，得到纯度较高的氮气。

这种氮气含氮量一般在99.99%以下，其中还有少量氧气，而许多行业里需要纯度在99.99%以上的氮气，因此脱氧净化装置应运而生。

目前采用的脱氧装置多使用配氢法，即在催化剂的作用下，氮气中的氧与配气设备提供的氢反应形成水，从而脱去氮气中的氧，反应方程式如下：O₂+2H₂--2H₂O。

然而这种方法制备的氮气中不可避免的含有氢，给一些不允许氮气中含有氢的部门带来了问题，并且氢气的购置、储存、使用都有极大的危险性，因此配氢法脱氧装置的使用还是有较大缺陷的。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种碳脱氧装置，其具有不同于配氢法脱氧装置的结构和脱氧原理。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种碳脱氧装置，包括依次连接构成气体通路的普氮进气端、预加热器、反应器、吸附器和纯氮出气端，反应器为碳脱氧反应塔，包括并联至气体通路内的第一反应塔与第二反应塔，预加热器与第一反应塔、第二反应塔之间均设有用于调节气体流量的针型阀，第一反应塔和第二反应塔的气体输出端均设有针型阀；

所述吸附器为二氧化碳吸附干燥塔，包括并联至气体通路内的第一吸附塔和第二吸附塔，第一吸附塔和第二吸附塔气体输出端均设有用于为气体提供动力的气动阀。

如此设置，制氮机制备的氮气从普氮进气端进入预加热器，预加热器将氮气加热至适宜的工作温度，分为两条支路进入第一反应塔和第二反应塔，在塔内反应后于气体输出端汇合，之后再分为两条支路分别与第一吸附塔和第二吸附塔相连，其间可以通过针型阀调节进入碳脱氧反应塔和二氧化碳吸附干燥塔的氮气流量大小，在碳载型催化剂的作用下，碳脱氧反应塔内氮气中的氧与碳反应，反应方程式如下：C+O₂--CO₂，如此脱去氮气中的氧，之后在二氧化碳吸附干燥塔内出去氮气中的二氧化碳和少量水，能将氮气净化到99.9995%以上浓度，达到纯化氮气的目的，如此不用配氢法进行脱氧，避免了氢气使用和存储过程中的危险性，能得到更高纯度的氮气，为磁性材料、电子元件等对氢、氧有着严格限制的行业提供高纯度氮气。

进一步设置：所述的反应器与吸附器之间设有冷却器，冷却器包括主冷却器和副冷却器，主冷却器和副冷却器由气体通路串联，主冷却器靠近反应器设置，副冷却器靠近吸附器设置。

如此设置，由于碳和氧反应需要达到碳的着火点，温度大约为300℃左右，如此高温的气体进入二氧化碳吸附干燥塔容易将塔内的吸附、干燥装置损坏，而且水在这样的温度下呈气态存在，在反应器与吸附器之间设置两个冷却器能为反应后的氮气两次降低温度，使之达到正常温度，避免损坏吸附器内的元件，并且凝结水蒸气，除去氮气中所含的水分，进一步提高氮气的纯度。

进一步设置：所述的第一反应塔与第二反应塔之间连有再生气通路，再生气通路两端设有两个针型阀，两针型阀之间与副冷却器进气端连通。

如此设置，经过反应器反应脱去氧的纯氮经过主冷却器后，一部分进入副冷却器，另一部分进入再生气通路，并且与预加热器加热后的普氮混合进入反应器，如此可以增加普氮的纯度，使反应器输出的氮气纯度更高，增加整个装置所产生的氮气浓度，而两个针型阀可以分别调整进入第一吸附塔和第二吸附塔的气体流量大小，达到调控的目的。

进一步设置：所述的副冷却器进气端分为两条支路，两条支路均同时与副冷却器和再生气通路连通，每条支路上均设有两个气动阀和一个用于限制气体输送方向的单向阀，单向阀止回端朝向再生气通路设置。

如此设置，分为两个通路更容易调节从再生气回路进入反应器的气体流量大小，利用单向阀的止回特性，达到从副冷却器进气端单向输送气体进入再生气回路的目的，每条支路上的气动阀一个为进入副冷却器的气体提供动力，另一个为进入再生气回路的气体提供动力。

进一步设置：所述的主冷却器和副冷却器之间设有串联主冷却器和副冷却器的冷却水通路，冷却水进口位于副冷却器上，冷却水出口位于主冷却器上，并分别设有两个用于调节冷却水流量的水控制阀。

如此设置，冷却水先进入副冷却器，与副冷却器内的纯氮交换热量，然后冷却水进入主冷却器，为主冷却器内的纯氮降低温度，再从冷却水出口排出，由于主冷却器内的气体为刚反应完成的纯氮，温度远远高于副冷却器内的气体温度，因此冷却水先进入副冷却器冷却较低温度的气体，再进入主冷却器冷却温度较高的气体，设计更为合理，水控制阀能调节冷却水流量大小，如此达到控温的目的。

进一步设置：所述的预加热器气体输入端设有换热器，换热器一程串联至反应器与主冷却器之间，另一程串联至普氮进气端和预加热器之间，普氮进气端设有针型阀和普氮压力表。

如此设置，由于氮气进入反应器反应需要较高的温度，反应完成后需要冷却至常温，其中的温差不加以利用会造成浪费，换热器的设置可以将反应完后的高温纯氮与反应前的常温普氮置换热量，为普氮预热、为纯氮降温，一举两得，节省了能源和资源，普氮压力表可以直观展示普氮轻轻的的压力情况，然后使用针型阀调节流量。

进一步设置：第一吸附塔和第二吸附塔气体输出端之间设有反吹管道，反吹管道上设有反吹阀。

如此设置，反吹阀是用于管路中清扫管道的阀门，吸附器出气端设置反吹阀可以将部分纯氮反方向吹回吸附器内，达到清扫管道和吸附器的效果。

进一步设置：所述的第一反应塔和第二反应塔的气体输出端设有反应塔排空口，反应塔排空口上均设有针型阀，所述的气体通路上靠近第一吸附塔和第二吸附塔气体输出端一侧设有取样口，取样口上设有取样阀。

如此设置，操作人员可以通过取样口上的取样阀门对纯氮进行样本截取，便于操作人员识别纯氮的浓度和分析纯氮的反应进程，当反应阶段完成需要清洗装置时，反应塔内剩余气体可以从排空口内排出，并且可以通过针型阀调节流量，方便操作人员清洗装置。

进一步设置：所述的取样口和纯氮出气端之间设有用针型阀、LU纯氮流量计和纯氮压力表，纯氮出气端分为氮气出口和出气端排空口，氮气出口和出气端排空口均设有针型阀。

如此设置，LU纯氮流量计的设置可将氮气流量做更精密的控制以节省成本、避免氮气流量太大导致热量补充不足，还能正确得知氮气的出量，配合纯氮压力表可以很容易得知纯氮出气端的输出情况，辅以针型阀调节，氮气出口连接氮气存储罐，排空口可以在设备需要清洗时放空设备中残余的氮气。

作为优选，所述的气体通路外设有用于定时控制第一反应塔和第二反应塔交替开关的PLC控制器。

如此设置，由于用户的使用量不尽相同，第一反应塔与第二反应塔不需要同时开启的时候可以关闭一个，使用PLC控制器可以将两个反应塔定时打开和关闭，交替使用延长装置的寿命，并且满足用户所需的气体流量大小。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

碳脱氧装置不使用氢气进行脱氧，而使用碳与氮气中的氧反应生产二氧化碳，相较于配氢法更加安全实用，适合对氢、氧具有严格控制的部门使用，并且纯氮能达到99.9995%以上的浓度，脱氧净化效果十分良好，可以定时交替开启两个反应塔，碳脱氧装置寿命较长。

附图说明

图1是实施例1中碳脱氧装置的流程示意图；

图2是实施例2中碳脱氧装置的流程示意图。

图中，1、普氮进气端；2、预加热器；3、碳脱氧反应塔；4、冷却器；5、二氧化碳吸附干燥塔；6、再生气通路；7、纯氮出气端；8、冷却水通路；9、换热器；11、针型阀；12、单向阀；13、气动阀；14、反吹管道；15、反吹阀；16、普氮压力表；17、纯氮压力表；18、LU纯氮流量计；19、氮气出口；20、出气端排空口；21、取样口；31、第一反应塔；32、第二反应塔；33、反应塔排空口；41、主冷却器；42、副冷却器；51、第一吸附塔；52、第二吸附塔；81、冷却水进口；82、冷却水出口；83、第一水控制阀；84、第二水控制阀。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：一种碳脱氧装置，如图1所示，氮气从普氮进气端1进入预加热器2，经过预加热器2加热后分为两条支路，分别与碳脱氧反应塔3中的第一反应塔31和第二反应塔32连通，两条支路上均设有针型阀11，用来调节普氮进入碳脱氧反应塔3的气流量，普氮中的氧气在碳脱氧反应塔3中与碳反应，生成二氧化碳。

参见图1，经过第一反应塔31和第二反应塔32反应，含有二氧化碳的氮气经过针型阀11之后汇流，进入冷却器4，首先进入主冷却器41，与另一条通路的冷却水交换热量，从主冷却器41流出，再次分为两条支路，每条支路上设于用于为气体提供动力的气动阀13，气体经过气动阀13后，每条岔路又一次分为两条分路，一条分路与副冷却器42连通，另一条分路再一次经过气动阀13的驱动，经过单向阀12后汇流成一条再生气通路6，再生气通路6一端与碳脱氧反应塔3连接，并分为两条再生气支路，并且分别与第一反应塔31和第二反应塔32连接，每条再生气支路上设有针型阀11调节流量，再生气通路6另一端设有单向阀12和针型阀11，用来排空再生气通路6内的氮气。

如图1所示，主冷却器41和副冷却器42之间还设有一条冷却水通路8，冷却水从冷却水进口81进入，通过第一水控制阀83后进入副冷却器42，与副冷却器42内的含有二氧化碳的氮气进行第一次次换热，之后冷却水流出副冷却器42，进入主冷却器41，与刚从碳脱氧反应塔3中流出的含有二氧化碳的氮气进行二次换热，冷却水流出主冷却器41，再经过第二水控制阀84从冷却水出口82流出。

参见图1，含有二氧化碳的氮气经过副冷却器42后与二氧化碳吸附干燥塔5连通，并且分为两条支路，分别与第一吸附塔51和第二吸附塔52连通，第一吸附塔51和第二吸附塔52输出的氮气为纯氮，两条支路经过气动阀13驱动后汇合，并从纯氮出气端7输出到氮气存储装置内。

实施例2：一种碳脱氧装置,与实施例1的不同之处在于，如图2所示，普氮进气端1设有监控氮气流通情况的普氮压力表16，普氮进气端1与预加热器2之间设有换热器9，换热器9其中一程连通普氮进气端1和预加热器2，另一程连通碳脱氧反应塔3和主冷却器41，可以将反应后的高温氮气与反应前的常温氮气进行热交换，如此更为节能。

参见图2，二氧化碳吸附干燥塔5的氮气输出端设有反吹管道14，反吹管道14上设有反吹阀门15，用于清理管道和二氧化碳吸附干燥塔5，纯氮出气端7设有取样口21，取样口21用针型阀11调节，纯氮出气端7还设有纯氮压力表17和LU纯氮流量计18，配合使用来监控纯氮的输出情况，并通过针型阀11调控纯氮气流量，纯氮出气端7分为氮气出口19和排空口，分别用针型阀11控制，如图2所示，第一吸附塔51和第二吸附塔52氮气输出端均设有排空口，用来排空和清洗第一吸附塔51和第二吸附塔52。

碳脱氧装置外还设有PCL控制器（图中未标出，由于PLC控制器技术较为成熟，此处不做赘言，可参见郭海保等人所著的《PLC在非能动双罐交替工作装置中的应用》），PCL控制器用来交替开关第一反应塔31和第二反应塔32、第一吸附塔51和第二吸附塔52，并且可以根据客户需要调整氮气流量大小，达到节能和延长碳脱氧装置使用寿命的目的。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种碳脱氧装置，包括依次连接构成气体通路的普氮进气端（1）、预加热器（2）、反应器、吸附器和纯氮出气端（7），其特征在于：反应器为碳脱氧反应塔（3），包括并联至气体通路内的第一反应塔（31）与第二反应塔（32），预加热器（2）与第一反应塔（31）、第二反应塔（32）之间均设有用于调节气体流量的针型阀（11），第一反应塔（31）和第二反应塔（32）的气体输出端均设有针型阀（11）；

所述吸附器为二氧化碳吸附干燥塔（5），包括并联至气体通路内的第一吸附塔（51）和第二吸附塔（52），第一吸附塔（51）和第二吸附塔（52）气体输出端均设有用于为气体提供动力的气动阀（13）。

2.根据权利要求1所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的反应器与吸附器之间设有冷却器（4），冷却器（4）包括主冷却器（41）和副冷却器（42），主冷却器（41）和副冷却器（42）由气体通路串联，主冷却器（41）靠近反应器设置，副冷却器（42）靠近吸附器设置。

3.根据权利要求2所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的第一反应塔（31）与第二反应塔（32）之间连有再生气通路（6），再生气通路（6）两端设有两个针型阀（11），两针型阀（11）之间与副冷却器（42）进气端连通。

4.根据权利要求3所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的副冷却器（42）进气端分为两条支路，两条支路均同时与副冷却器（42）和再生气通路（6）连通，每条支路上均设有两个气动阀（13）和一个用于限制气体输送方向的单向阀（12），单向阀（12）止回端朝向再生气通路（6）设置。

5.根据权利要求4所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的主冷却器（41）和副冷却器（42）之间设有串联主冷却器（41）和副冷却器（42）的冷却水通路（8），冷却水进口（81）位于副冷却器（42）上，冷却水出口（82）位于主冷却器（41）上，并分别设有两个用于调节冷却水流量的水控制阀。

6.根据权利要求1所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的预加热器（2）气体输入端设有换热器（9），换热器（9）一程串联至反应器与主冷却器（41）之间，另一程串联至普氮进气端（1）和预加热器（2）之间，普氮进气端（1）设有针型阀（11）和普氮压力表（16）。

7.根据权利要求1所述的碳脱氧装置，其特征在于：第一吸附塔（51）和第二吸附塔（52）气体输出端之间设有反吹管道（14），反吹管道（14）上设有反吹阀（15）。

8.根据权利要求1所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的第一反应塔（31）和第二反应塔（32）的气体输出端设有反应塔排空口（33），反应塔排空口（33）上均设有针型阀（11），所述的气体通路上靠近第一吸附塔（51）和第二吸附塔（52）气体输出端一侧设有取样口（21），取样口（21）上设有取样阀。

9.根据权利要求8所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的取样口（21）和纯氮出气端（7）之间设有用针型阀（11）、LU纯氮流量计（18）和纯氮压力表（17），纯氮出气端（7）分为氮气出口（19）和出气端排空口（20），氮气出口（19）和出气端排空口（20）均设有针型阀（11）。

10.根据权利要求1所述的碳脱氧装置，其特征在于：所述的气体通路外设有用于定时控制第一反应塔（31）和第二反应塔（32）交替开关的PLC控制器。