CN210688919U - 一种空气为原料的高纯氧生产装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种空气为原料的高纯氧生产装置，包括冷箱、增压膨胀机和布置于冷箱内的主换热器、氮塔、氧塔冷凝蒸发器、氮塔冷凝蒸发器、高纯氧塔；空气膨胀机通过管道经冷却器、主换热器与空气再沸器连接；空气再沸器通过管道与主换热器连接；带压力的天然气原料通过管道经主换热器与精馏塔底部的LNG再沸器连接；以及精馏塔顶部通过管道与冷凝蒸发器底部连接；冷凝蒸发器顶部通过管道经粗氦过冷器与气液分离器连接。该高纯氧生产装置，可以空气为原料，利用氮气的返流膨胀，实现高纯氧气的生产，并且高纯氧气以液体形式产出；且其结构设计合理，操作简单，大大提高了纯氧的提取率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种生产高纯氧的装置，尤其涉及一种空气为原料、返流氮气增压膨胀制冷的高纯氧生产装置。
背景技术
随着电子、化工等行业的快速发展，对高纯氧气的需求量急剧增大，通常工业氧气纯度为99.6％，而电子工业所需的高纯氧气纯度＞99.999％。
目前普遍采用液氧为原料进行高纯氧的制取，然而其提取率偏低；而采用氪氙粗制工艺流程中，经过一次、二次纯化后的氧气，纯度达到99.5％～99.99％，其为制取高纯氧的极佳原料，其特点是产量大、纯度高，而氪氙粗制释放氧气来源较少则成为限制高纯液氧产量的原因。此两种方法对原料均有所限制，不利于偏远地区高纯氧的生产。
如已公开专利CN 205607022U一种生产高纯氧和高纯氮的装置中，采用三塔及增压膨胀机正流膨胀工艺，流程较为复杂。已公开专利CN 207365553U一种生产高纯氧和高纯氮的装置中，采用四塔工艺，膨胀机正流膨胀，流程组织也相对较为复杂。又如已公开专利CN 207649221U一种生产高纯氧的装置中，原料是从高纯氮设备塔釜底部抽出的液空，需要附近有液空产品。
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直接生产高纯氧气是最为简便的方法。因此，本领域技术人员有必要开发一种利用空气为原料生产高纯氧气的方法。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有高纯氧气生产过程中工艺复杂、原料要求高 (需要液空或者液氧)等缺陷，提供了一种以空气为原料采用返流氮气增压膨胀工艺的高纯氧生产装置。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型提供一种空气为原料的高纯氧生产装置，包括冷箱、增压膨胀机和布置于所述冷箱内的主换热器、氮塔、氧塔冷凝蒸发器、氮塔冷凝蒸发器、高纯氧塔；其中：
空气原料进气管道经所述主换热器与所述氮塔的底部连接，以将去除水和二氧化碳后的空气经所述主换热器降温至露点温度后送入所述氮塔底部参与精馏；
所述氮塔的顶部通过管道经所述氮塔冷凝蒸发器连接所述氮塔顶部，以将所述氮塔顶部聚集的部分氮气送入所述氮塔冷凝蒸发器中，并被其中的所述富氧液空液化为第一股液氮；
所述氮塔的顶部还通过管道与所述高纯氧塔底部的氧塔冷凝蒸发器连接，以将所述氮塔顶部聚集的部分氮气送入所述氧塔冷凝蒸发器中被其另一侧的液氧液化为第二股液氮，所述第二股液氮与第一股液氮通过管道汇合后回流至所述氮塔顶部；以及
所述氮塔的中部通过管道与所述高纯氧塔的顶部连接，所述高纯氧塔底部通过管道出所述冷箱与外界连通，以将所述氮塔中部积聚的富氧液空送入所述高纯氧塔作为液体进行精馏，并将所述高纯氧塔底部积聚的高纯氧通过管道送出所述冷箱。
进一步地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，所述氮塔的底部通过管道经节流阀与所述氮塔冷凝蒸发器连接，以将所述氮塔底部积聚的富氧液空经节流调压后作为冷源送入所述氮塔冷凝蒸发器冷却其另一侧的氮气。
进一步优选地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，所述氮塔冷凝蒸发器的顶部通过管道经所述主换热器与所述冷箱的外界连通，以将所述氮塔冷凝蒸发器内的富氧液空经汽化后从其顶部排出，经所述主换热器复热至常温后送出冷箱。
进一步地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，所述氮塔的顶部还通过管道经所述主换热器出所述冷箱后与所述增压膨胀机的增压端连接，以将所述氮塔顶部聚集的部分氮气经所述主换热器回收冷量后送入所述增压膨胀机进行增压处理。
进一步地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，所述增压膨胀机的增压端通过管道经所述主换热器连接所述增压膨胀机的膨胀端，所述增压膨胀机的膨胀端通过管道经所述主换热器与所述冷箱的外界连通，以将增压后的氮气经所述主换热器冷却降温后送入所述增压膨胀机的膨胀端进行膨胀处理，再经所述主换热器复热后送出冷箱。
进一步优选地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，所述增压膨胀机的增压端通过管道从所述主换热器的中部抽出后连接所述增压膨胀机的膨胀端。
进一步较为优选地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，从所述主换热器中部抽出后的管道，再次从所述主换热器的中部插入，出所述主换热器后与所述冷箱的外界连通。
进一步地，在所述的空气为原料的高纯氧生产装置中，所述高纯氧塔的顶部通过管道经所述主换热器与所述冷箱的外界连通，以将所述高纯氧塔顶部聚集的富氧气经所述主换热器复热后送出所述冷箱。
本实用新型采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本实用新型提供的高纯氧生产方法，其以空气为原料，利用氮气的返流膨胀，实现高纯氧气的生产，并且高纯氧气以液体形式产出；基于该生产方法的高纯氧生产装置，结构设计合理，操作简单，大大提高了纯氧的提取率，解决了现有高纯氧气生产过程中工艺复杂、原料要求高需要液空或者液氧的缺陷。
附图说明
图1为本实用新型一种空气为原料的高纯氧生产装置的结构示意图；
其中，各附图标记为：
1-冷箱、2-增压膨胀机、3-主换热器、4-氮塔、5-氧塔冷凝蒸发器、6-氮塔冷凝蒸发器、7-高纯氧塔。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本实用新型进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本实用新型，但是下述实施例并不限制本实用新型范围。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例提供了一种空气为原料的高纯氧生产装置，包括冷箱1、增压膨胀机2和布置于所述冷箱1内的主换热器3、氮塔4、氧塔冷凝蒸发器5、氮塔冷凝蒸发器6、高纯氧塔7。为了实现本方法，去除空气中的水和二氧化碳所采用的空压机、预冷系统、纯化系统为空分已成熟系统，虽然本实用新型使用，但不再作为设备列出。
在本实施例中，如图1所示，空气原料进气管道经所述主换热器3与所述氮塔4的底部连接，以将去除水和二氧化碳后的空气经所述主换热器3降温至露点温度后送入所述氮塔4底部参与精馏，精馏工况的产生，需要有自上而下喷淋的液体，也需要有自下而上上升的气体。
在本实施例中，如图1所示，所述氮塔4的顶部通过管道经所述氮塔冷凝蒸发器6连接所述氮塔4顶部，以将所述氮塔4顶部聚集的部分氮气送入所述氮塔冷凝蒸发器6中，并被其中的所述富氧液空液化为第一股液氮。具体地，进入氮塔4的空气，是作为自下而上的气体参与精馏的，在每一块塔板上，都会发生液体与气体的物质与热量交换，轻组分主要为氮气在气体中积聚，重组分主要为氧气、氩气等在液体中积聚，所以氮塔4的塔顶会得到纯氮气产品，塔底得到的是富含氧气的液空产品。同时，空气中的甲烷作为重组分，会在氮塔4的底部积聚。
在本实施例中，如图1所示，所述氮塔4的顶部还通过管道与所述高纯氧塔 7底部的氧塔冷凝蒸发器5连接，以将所述氮塔4顶部聚集的部分氮气送入所述氧塔冷凝蒸发器5中被其另一侧的液氧液化为第二股液氮，所述第二股液氮与第一股液氮通过管道汇合后回流至所述氮塔4顶部；以及所述氮塔4的顶部还通过管道经所述主换热器3出所述冷箱1后与所述增压膨胀机2的增压端连接，以将所述氮塔4顶部聚集的部分氮气经所述主换热器3回收冷量后送入所述增压膨胀机2进行增压处理，所述增压膨胀机2的增压端通过管道经所述主换热器3连接所述增压膨胀机2的膨胀端，所述增压膨胀机2的膨胀端通过管道经所述主换热器3与所述冷箱1的外界连通，以将增压后的氮气经所述主换热器3冷却降温后送入所述增压膨胀机2的膨胀端进行膨胀处理，再经所述主换热器3复热后送出冷箱1。
在本实施例中，如图1所示，所述氮塔4的中部通过管道与所述高纯氧塔7 的顶部连接，所述高纯氧塔7底部通过管道出所述冷箱1与外界连通，以将所述氮塔4中部积聚的富氧液空送入所述高纯氧塔7作为液体进行精馏，并将所述高纯氧塔7底部积聚的高纯氧通过管道送出所述冷箱1。
作为本实施例的一个优选技术方案，如图1所示，所述氮塔4的底部通过管道经节流阀与所述氮塔冷凝蒸发器6连接，以将所述氮塔4底部积聚的富氧液空经节流调压后作为冷源送入所述氮塔冷凝蒸发器6冷却其另一侧的氮气。
作为本实施例的一个优选技术方案，如图1所示，所述氮塔冷凝蒸发器6的顶部通过管道经所述主换热器3与所述冷箱1的外界连通，以将所述氮塔冷凝蒸发器6内的富氧液空经汽化后从其顶部排出，经所述主换热器3复热至常温后送出冷箱1。所述增压膨胀机2的增压端通过管道从所述主换热器3的中部抽出后连接所述增压膨胀机2的膨胀端。以及从所述主换热器3中部抽出后的管道，再次从所述主换热器3的中部插入，出所述主换热器3后与所述冷箱1的外界连通。
也就是说，在氮塔4顶部得到的氮气经抽出后，分为三股：一股送入氮塔冷凝蒸发器6，被其中的液空液化为液氮后流回氮塔4；第二股送入氧塔冷凝蒸发器5，被另一侧的液氧液化后，与第一股液氮汇合后，送回氮塔4，作为液体参与精馏；第三股氮气，经过主换热器3回收冷量复热到常温后，进入增压膨胀机 2的增压端压缩，氮气在升压的同时，温度也会升高，可视情况增加冷却器，增压后的氮气再进入冷箱1内的主换热器3冷却后，从主换热器3中部抽出，进入增压膨胀机2的膨胀端膨胀，氮气膨胀至接近常压，温度降低，再从低温端进入主换热器3，经复热后送出冷箱1。增压膨胀机2为整个冷箱提供冷量，包含：冷损和高纯氧气以液体抽出时带走的冷量。
作为本实施例的一个优选技术方案，如图1所示，所述高纯氧塔7的顶部通过管道经所述主换热器3与所述冷箱1的外界连通，以将所述高纯氧塔7顶部聚集的富氧气经所述主换热器3复热后送出所述冷箱3。
实施例2
为了实现高纯氧的生产，空压机、预冷系统、纯化系统为空分已成熟系统，虽然本实用新型使用，但不再作为设备列出。如实施例1所述，高纯氧生产装置包括：冷箱1、增压膨胀机2和布置于所述冷箱1内的主换热器3、氮塔4、氧塔冷凝蒸发器5、氮塔冷凝蒸发器6和高纯氧塔7等。
本实施例2提供一种生产70L/h的高纯液氧产品(99.999％O2)的方法，具体包括如下步骤：
首先，将空气经空压机、预冷系统和纯化系统通过吸附去除空气中的水、二氧化碳等杂质，然后将空气通过GA-101(20℃，0.75MPaA)进入冷箱1，经过主换热器3降温至露点温度(～-169.8℃，微带液)，通过GA-102进入到氮塔4底部，参与氮塔4的精馏。氮塔4的操作压力为0.7-0.5MPaA精馏工况的产生，需要有自上而下喷淋的液体，也需要有自下而上上升的气体。进入的空气，是作为自下而上的气体参与精馏的，在每一块塔板上，都会发生液体与气体的物质与热量交换，轻组分(本专利中主要为氮气)在气体中积聚，重组分(本专利中主要为氧气、氩气等)在液体中积聚，所以氮塔4的塔顶会得到纯氮气产品，塔底得到的是富含氧气的液空产品,纯度为(O2：36.3％，N2:62.4％，Ar：1.3％)。同时，空气中的甲烷作为重组分，会在氮塔4底部积聚，积聚情况与空气中甲烷含量有关，一般在5～10ppm之间。
从氮塔4底部抽出富氧液空，LRO-301经过液空节流阀V1节流至0.3～ 0.4MPaA作为冷源送入氮塔冷凝蒸发器6中冷却其另一侧的氮气，本身被汽化后，通过GRO-302抽出，进入主换热器3复热至常温后送出冷箱1。
在氮塔4顶部得到的氮气(纯度为：≤100ppm的O2，压力为塔顶压力：0.7～0.75Mpa)经GN-201抽出后，分为三股：一股GN-203送入6氮塔冷凝蒸发器，被其中的液空液化为液氮后从LN-204流回4氮塔；第二股GN-202送入5氧塔冷凝蒸发器，被另一侧的液氧液化后，与第一股液氮LN-204汇合后，送回4氮塔，作为液体参与精馏。氧塔冷凝蒸发器(5)和氮塔冷凝蒸发器(6)，因两侧压力不同和纯度不同，形成温差，进行热量交换；第三股氮气仍经GN-201，经过主换热器3回收冷量，复热到常温(～17℃)，由GN-206进入2增压膨胀机2的增压端压缩，从GN-207出来的氮气在升压的同时，温度也会升高；压力可在0.8～ 1.0MpaA之间，温度升到40～80℃，可视情况增加冷却器。增压后的氮气，由 GN-207再进入冷箱1内的主换热器3冷却后，从主换热器2中部抽出，GN-211 的温度为-125～-140℃，进入增压膨胀机2的膨胀端膨胀，氮气膨胀至接近常压 (0.1～0.15MPaA)，温度降低(-170～-190℃)，再由GN-213从低温端进入主换热器3，经复热后送出冷箱1。增压膨胀机2为整个冷箱提供冷量，包含：冷损和高纯氧气以液体抽出时带走的冷量。
从4氮塔中部，甲烷含量<0.01ppm处抽出部分富氧液空LRO-311，作为原料送入高纯氧塔顶部7。在高纯氧塔7中作为液体，自上而下沿着塔板(或填料) 流动，与上升的气体进行物质与热量的交换。高压塔的操作压力为0.1～ 0.2MpaA。在高纯氧塔7底部得到复合要求的高纯氧(≥99.999％)产品，以液体形式由液氧抽取阀V5抽出冷箱1，送入储存系统或者直接送给用户。从高纯氧塔7顶部抽出的富氧气经主换热器3复热至常温后，送出冷箱1。
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 (8)
1.一种空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，包括冷箱(1)、增压膨胀机(2)和布置于所述冷箱(1)内的主换热器(3)、氮塔(4)、氧塔冷凝蒸发器(5)、氮塔冷凝蒸发器(6)、高纯氧塔(7)；其中：
空气原料进气管道经所述主换热器(3)与所述氮塔(4)的底部连接，以将去除水和二氧化碳后的空气经所述主换热器(3)降温至露点温度后送入所述氮塔(4)底部参与精馏；
所述氮塔(4)的顶部通过管道经所述氮塔冷凝蒸发器(6)连接所述氮塔(4)顶部，以将所述氮塔(4)顶部聚集的部分氮气送入所述氮塔冷凝蒸发器(6)中，并被其中的富氧液空液化为第一股液氮；
所述氮塔(4)的顶部还通过管道与所述高纯氧塔(7)底部的氧塔冷凝蒸发器(5)连接，以将所述氮塔(4)顶部聚集的部分氮气送入所述氧塔冷凝蒸发器(5)中被其另一侧的液氧液化为第二股液氮，所述第二股液氮与第一股液氮通过管道汇合后回流至所述氮塔(4)顶部；以及
所述氮塔(4)的中部通过管道与所述高纯氧塔(7)的顶部连接，所述高纯氧塔(7)底部通过管道出所述冷箱(1)与外界连通，以将所述氮塔(4)中部积聚的富氧液空送入所述高纯氧塔(7)作为液体进行精馏，并将所述高纯氧塔(7)底部积聚的高纯氧通过管道送出所述冷箱(1)。
2.根据权利要求1所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，所述氮塔(4)的底部通过管道经节流阀与所述氮塔冷凝蒸发器(6)连接，以将所述氮塔(4)底部积聚的富氧液空经节流调压后作为冷源送入所述氮塔冷凝蒸发器(6)冷却其另一侧的氮气。
3.根据权利要求2所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，所述氮塔冷凝蒸发器(6)的顶部通过管道经所述主换热器(3)与所述冷箱(1)的外界连通，以将所述氮塔冷凝蒸发器(6)内的富氧液空经汽化后从其顶部排出，经所述主换热器(3)复热至常温后送出冷箱(1)。
4.根据权利要求1所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，所述氮塔(4)的顶部还通过管道经所述主换热器(3)出所述冷箱(1)后与所述增压膨胀机(2)的增压端连接，以将所述氮塔(4)顶部聚集的部分氮气经所述主换热器(3)回收冷量后送入所述增压膨胀机(2)进行增压处理。
5.根据权利要求4所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，所述增压膨胀机(2)的增压端通过管道经所述主换热器(3)连接所述增压膨胀机(2)的膨胀端，所述增压膨胀机(2)的膨胀端通过管道经所述主换热器(3)与所述冷箱(1)的外界连通，以将增压后的氮气经所述主换热器(3)冷却降温后送入所述增压膨胀机(2)的膨胀端进行膨胀处理，再经所述主换热器(3)复热后送出冷箱(1)。
6.根据权利要求5所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，所述增压膨胀机(2)的增压端通过管道从所述主换热器(3)的中部抽出后连接所述增压膨胀机(2)的膨胀端。
7.根据权利要求6所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，从所述主换热器(3)中部抽出后的管道，再次从所述主换热器(3)的中部插入，出所述主换热器(3)后与所述冷箱(1)的外界连通。
8.根据权利要求1所述的空气为原料的高纯氧生产装置，其特征在于，所述高纯氧塔(7)的顶部通过管道经所述主换热器(3)与所述冷箱(1)的外界连通，以将所述高纯氧塔(7)顶部聚集的富氧气经所述主换热器(3)复热后送出所述主换热器(3)。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201921074698.6U Withdrawn - After Issue CN210688919U (zh) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 一种空气为原料的高纯氧生产装置 |
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| CN (1) | CN210688919U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110207458A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-09-06 | 上海联风能源科技有限公司 | 一种空气为原料的高纯氧生产装置及其生产方法 |
-
2019
- 2019-07-10 CN CN201921074698.6U patent/CN210688919U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110207458A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-09-06 | 上海联风能源科技有限公司 | 一种空气为原料的高纯氧生产装置及其生产方法 |
| CN110207458B (zh) * | 2019-07-10 | 2024-04-02 | 上海联风气体有限公司 | 一种空气为原料的高纯氧生产装置及其生产方法 |
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