CN104677052A

CN104677052A - 一种空分分馏塔及利用该制备低纯氧的工艺

Info

Publication number: CN104677052A
Application number: CN201510107238.9A
Authority: CN
Inventors: 段玉敏; 崔刚; 陈利永; 郑红飞; 段晶晶; 李静
Original assignee: KAIFENG DONGJING AIR SEPARATION GROUP CO Ltd
Current assignee: KAIFENG DONGJING AIR SEPARATION GROUP CO Ltd
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: CN104677052B

Abstract

本发明公开了一种空分分馏塔***及利用该***制备低纯氧的工艺，压力空气在主换热器、液氧蒸发器中换热后成为部分液化的空气，接着在分馏塔下塔分离为富氧液空和氮气，富氧液空进入分馏塔上塔；氮气在冷凝蒸发器中冷却为液氮后部分通过过冷器送入分馏塔上塔；分馏塔上塔的各物料被分离为低纯液氧和氮气，低纯液氧一方面在冷凝蒸发器中与分馏塔下塔顶部的氮气换热气化后，经冷凝蒸发器、主换热器换热作为产品送出；另一方面经液氧蒸发器、主换热器换热后作为产品送出。本发明能同时生产两种不同纯度及压力的低纯氧气及高纯氮气，操作压力低，提取率高，能耗小，设备投资低，能够很好的满足一些行业对低纯度氧气及高纯氮气的要求，适合工业化生产。

Description

一种空分分馏塔***及利用该***制备低纯氧的工艺

技术领域

本发明属于空气分离装置技术领域，具体涉及一种空分分馏塔***及利用该***制备低纯氧的工艺。

背景技术

随着我国煤化工、石化、整体煤气化联合循环发电***( IGCC) 、有色冶炼等行业的崛起, 对空分设备提出了许多新的需求。安全可靠, 节能减排, 这是对空分设备的基本要求和前提条件, 是建设资源节约型、环境友好型社会和科学发展的需要, 也是空分设备用户的共同期望。由于技术发展日新月异, 空分产业与这些行业的关系已不是简单的供应与需求的关系, 而是在技术上相互融入与联合, 空分流程与用户工艺相结合, 达到优化, 提高效率, 挖掘潜力, 节能降耗, 提高经济效益, 实现供需双赢。

当前典型空分设备生产的氧气纯度在99.6％左右，下塔的操作压力约为0.45(G)，考虑到管路及沿程设备阻力损失，空压机排气压力在0.48～0.52MPa(G)范围之间；为了满足氧气及氮气的纯度要求，上塔理论板数通常为约75块。但有色冶炼、煤化工、IGCC电站中等行业中多采用纯度95％的氧气，甚至纯度更低60%-85％的氧气。为配合这种用氧特点，在常规深冷空分工艺基础上，降低空压机排压，减少上塔高度，同时设置液氧蒸发器，增加氧气出塔压力，开发了一种新型低纯氧工艺。

整体煤气化联合循环(IGCC，Integrated Gasification Combined Cycle)发电***，是将煤气化技术和高效的联合循环工艺相结合的先进动力***，IGCC发电技术是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁净煤发电技术之一。在IGCC发电***中，氧气作为气化剂对提高气化炉的碳转化率以及IGCC电站的单机容量起关键性的作用。由于IGCC氧气需求量大，空分设备节能技术的探索成为进一步提高IGCC整体效率的重要课题。目前，IGCC电站中大多数的气化炉采用纯度95％的氧气，也有一些采用纯度为85％的氧气。理论上，各种气化炉均可以采用纯度为85％左右甚至更低的氧气，大多数气化炉采用纯度≥95％的氧气，主要是为了跟目前常规空分设备产品氧气纯度（99.6%）匹配。

煤化工行业: 煤气化、煤制油、煤制烯烃等, 都只需90%-95%O₂ 纯度的氧气。

冶金行业:高炉富氧炼铁, 鼓风中氧含量只要比空气中氧含量高3%-5% 即可, 因此用90%O₂左右纯度的氧气掺入鼓风中即可。高炉熔融还原(COREX) 法炼铁和闪速炉炼铜, 都可用纯度在70%-90%O₂左右甚至纯度更低的氧气。

将常规深冷法空分设备生产的高纯度氧（99.6%）稀释成低纯度氧不经济, 而能生产低纯氧且节能的变压吸附制氧设备氧产量有限，占地面积大，又不能同时生产氮气及液体产品。因此，一种安全可靠、节能降耗的大型化低纯度氧气的深冷法空分设备更能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空分分馏塔***，另外提供了利用该***制备低纯氧的工艺。

一种空分分馏塔***，包括由分馏塔上塔、冷凝蒸发器和分馏塔下塔组成的分馏塔，冷凝蒸发器顶部与分馏塔上塔底部连通，冷凝蒸发器底部与分馏塔下塔顶部连接，压力空气管道顺次连接主换热器、液氧蒸发器和分馏塔下塔，分馏塔下塔底部出口通过过冷器连接分馏塔上塔；分馏塔下塔第一出口与冷凝蒸发器相连，冷凝蒸发器第一出口一方面通过过冷器连接分馏塔上塔，另一方面连接分馏塔下塔；冷凝蒸发器底部出口通过液氧蒸发器与主换热器相连，分馏塔上塔顶部出口通过过冷器与主换热器相连，分馏塔上塔底部出口连接主换热器。

所述分馏塔下塔为填料塔或筛板塔。分馏塔上塔塔板数为35-54块，分馏塔上塔及冷箱高速随之减少，设备投资降低；分馏塔下塔底部出口通过过冷器连接分馏塔上塔第13-18块塔板处。

为了使氮气纯度更高（＞99%），分馏塔上塔的第6-9塔板处设有污氮气出口，污氮气出口通过过冷器与主换热器相连。

液氧蒸发器的位置低于冷凝蒸发器，使低纯液氧利用自身重力产生的液柱静压增压。

利用上述空分分馏塔***制备低纯氧的工艺，包括以下步骤：

（1）冷却净化后的压力空气在主换热器中被返流产品冷却至饱和温度，然后在液氧蒸发器中与低纯液氧换热后成为部分液化的空气，接着送入分馏塔下塔参加精馏；

（2）部分液化的空气在分馏塔下塔中分离为分馏塔下塔底部的富氧液空和分馏塔下塔顶部的氮气，富氧液空经过冷器送入分馏塔上塔中上部；氮气在冷凝蒸发器中与分馏塔上塔底部的液氧换热后冷却为液氮，一部分液氮通过过冷器送入分馏塔上塔；另一部分送回分馏塔下塔顶部作为回流液；

（3）进入分馏塔上塔的各物料（富氧液空、液氮及其他物料）被分离为冷凝蒸发器中的低纯液氧和分馏塔上塔顶部的高纯氮气，低纯液氧一方面在冷凝蒸发器中与分馏塔下塔顶部的氮气换热气化后，经分馏塔上塔底部出口，再在主换热器复热至常温后作为产品A送出；另一方面经液氧蒸发器、主换热器换热至常温后作为产品B送出。

上述方法步骤（1）中根据分馏塔上塔底部液氧的泡点，冷凝蒸发器取合适温度差（本领域技术人员可根据实际需求进行操作），得到与之换热的分馏塔下塔顶部氮气的露点，从而确定分馏塔下塔顶部的工作压力。

上述方法步骤（1）中，分馏塔下塔可以为填料塔或者筛板塔，根据分馏塔下塔的塔形式，确定分馏塔下塔底部的工作压力，再根据分馏塔下塔顶部和底部的工作压力及空气冷却净化所需阻力确定现有技术中空压机的排气压力。

上述方法中，产品B所能达到的压力由作为其热源的压力空气的露点、产品B的露点和液氧蒸发器的换热温差确定，低纯液氧在液氧蒸发器中达到新的相平衡，其底部液体氧纯度增加，所以本发明装置可以通过串联设置多个液氧蒸发器来得到高纯度的氧气及液氧。

本发明设计和传统技术相比具有以下优点：

（1）氧纯度降低可以降低分馏塔上塔底部温度，在主冷温差不变的情况下，分馏塔下塔顶部温度、压力可同步降低，空压机压力也可同步降低，而空压机能耗占空分装置能耗的绝大部分，即从而空分装置的整体能耗随之下降。

（2）本发明设置液氧蒸发器，位置低于冷凝蒸发器，低纯液氧由分馏塔上塔底部抽出后经自身液柱静压加压，从而在液氧蒸发器中可获得较高压力的产品B。

（3）将分馏塔上塔底部抽出的低纯液氧送入液氧蒸发器，在其中重新建立相平衡，压力空气做热源，闪蒸得到较高纯度的低纯氧气（产品B），同时又进一步降低了空压机排气压力，减小空分装置整体能耗。

（4）由于氧气纯度较低，所需上塔精馏理论塔板数减少，从而上塔高度降低，空分装置冷箱也可降低约三分之一，降低了设备投资。

（5）产品B的送出压力根据工况可至40KPa-80KPa（常规氧气空分出塔压力为约15 KPa），后续如需压缩，则氧压机机前压力提高，则压氧***的能耗随之降低，即空分装置整体能耗也可减小。

（6）本发明工艺视用户要求可同时制取两种不同纯度及压力的低纯氧气：分馏塔上塔底部由低纯液氧蒸发获得的较低压力（约15KPa）及较低纯度的低纯氧气（产品A），液氧蒸发器中获得的较高压力(40KPa -80KPa)及较高纯度的低纯氧气（产品B）。也可只生产其中的任一种。

（7）空压机排气压力降低，从而空分装置整体操作压力降低，提取率升高，设备投资减小。根据装置规模、氧气纯度要求等差异，空分装置空压机排气压力可低至0.28MPa(G)-0.45MPa(G)，氧气提取率可至95%-98%，单位制氧能耗可低至0.27-0.36kw·h/Nm³O₂，设备投资与常规高纯氧空分装置减少约12%-17%。

本发明能同时生产两种不同纯度及压力的低纯氧气及高纯氮气，操作压力降低，提取率高，能耗减少，设备投资降低，能够很好的满足煤化工行业、有色冶炼、IGCC电站等对低纯度氧气及高纯氮气的要求，适合工业化生产。

附图说明

图1为本发明空分分馏塔***结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

一种空分分馏塔***，包括由分馏塔上塔41、冷凝蒸发器6和分馏塔下塔42组成的分馏塔，冷凝蒸发器6顶部与分馏塔上塔41底部连通，冷凝蒸发器底部6与分馏塔下塔42顶部连接，压力空气管道1顺次连接主换热器2、液氧蒸发器3和分馏塔下塔42，分馏塔下塔42底部出口通过过冷器5连接分馏塔上塔41（分馏塔上塔41的塔板数为48块）的第15-18块塔板处；分馏塔下塔42的上部第一出口8与冷凝蒸发器6相连，冷凝蒸发器6第一出口9一方面通过过冷器5连接分馏塔上塔41顶部，另一方面连接分馏塔下塔42的上部，冷凝蒸发器6的底部出口通过液氧蒸发器3与主换热器2相连，分馏塔上塔41顶部出口通过过冷器5与主换热器2相连，分馏塔上塔41底部出口连接主换热器2，分馏塔上塔41的第6-9块塔板处设置有污氮气出口7，污氮气出口7通过过冷器5与主换热器2相连；所述分馏塔下塔42为筛板塔；液氧蒸发器3的位置比冷凝蒸发器6低4.6m。

利用上述***制备80%纯度的低纯氧包括以下步骤：

（1）冷却及净化后的压力空气通过压力空气管道1，经主换热器2被返流产品气冷却至饱和温度后送入液氧蒸发器3，作为热源换热后成为部分液化的空气送入分馏塔下塔42参加精馏；

（2）部分液化的空气在分馏塔下塔42中分离为分馏塔下塔42底部的富氧液空和分馏塔下塔42顶部的氮气，富氧液空经过冷器5送入分馏塔上塔41的第15-18块塔板处；氮气在冷凝蒸发器6中与液氧换热后冷却为液氮，一部分通过过冷器5送入分馏塔上塔41顶部参加精馏；另一部分送至分馏塔下塔42顶部作为其回流液；

（3）进入分馏塔上塔41的各物料（富氧液空、液氮及其他物料）被分离为冷凝蒸发器6中的80%低纯液氧和分馏塔上塔41顶部的高纯氮气，80%低纯液氧一方面经冷凝蒸发器6与分馏塔下塔42顶部的氮气换热气化后成为较低压力（30KPa）与53.5%纯度的低纯氧气A，经分馏塔上塔41底部出口，再在主换热器2复热至常温后作为产品A（纯度53.5%、压力15KPa）送出；另一方面80%低纯液氧经自身液柱静压加压后送入液氧蒸发器3，再在主换热器2换热至常温后作为产品B（纯度80%、压力57KPa）送出；污氮气通过污氮气出口7排出后，可以从分馏塔上塔41顶部得到纯度＞99%的氮气，纯度＞99%的氮气通过过冷器5，在主换热器2中换热后可进行利用。

根据80%低纯液氧的泡点，冷凝蒸发器6取0.6-1.5℃温差，确定与之换热的氮气的压力，即分馏塔下塔42顶部的工作压力，数值为0.31MPa（G），再结合分馏塔下塔42的塔板阻力、空气预冷及纯化的阻力降，可以确定空压机排气压力为0.37 MPa（G）。

上述工艺中，产品B的压力确定：作为液氧蒸发器3热源的压力空气压力为：空压机排气压力-预冷纯化***的阻力-经过主换热器时的阻力，约为0.34MPa(G)，在保证液氧蒸发器3换热温差0.7-1.6℃后，确定其中氧气蒸发压力为约0.072MPa(G)即72KPa(G)，由此确定液氧蒸发器3中获得的低纯氧气纯度为80%、72KPa(G)，亦可由此确定其位置为比冷凝蒸发器6低4.6m，送出空分冷箱产品气产品B为80%、55KPa(G)。

按照上述实施方式所述的方法，本工艺可同时生产纯度53.5%、压力15KPa(G)的产品A及纯度80%、压力55KPa(G)的产品B和纯度＞99%的高纯氮气。此时空压机排气压力为0.37MPa(G)，氧气的提取率为97%，制氧单耗为0.327kw·h/Nm3O2，设备投资节省约13%。

Claims

1.一种空分分馏塔***，其特征在于，包括由分馏塔上塔、冷凝蒸发器和分馏塔下塔组成的分馏塔，冷凝蒸发器顶部与分馏塔上塔底部连通，冷凝蒸发器底部与分馏塔下塔顶部连接，压力空气管道顺次连接主换热器、液氧蒸发器和分馏塔下塔，分馏塔下塔底部出口通过过冷器连接分馏塔上塔；分馏塔下塔第一出口与冷凝蒸发器相连，冷凝蒸发器第一出口一方面通过过冷器连接分馏塔上塔，另一方面连接分馏塔下塔；冷凝蒸发器底部出口通过液氧蒸发器与主换热器相连，分馏塔上塔顶部出口通过过冷器与主换热器相连，分馏塔上塔底部出口连接主换热器。

2. 如权利要求1所述的一种空分分馏塔***，其特征在于，所述分馏塔下塔为填料塔或筛板塔。

3.如权利要求1所述的一种空分分馏塔***，其特征在于，分馏塔上塔塔板数为35-54块；分馏塔下塔底部出口通过过冷器连接分馏塔上塔第13-18块塔板处。

4.如权利要求1所述的一种空分分馏塔***，其特征在于，分馏塔上塔的第6-9塔板处设有污氮气出口，污氮气出口通过过冷器与主换热器相连。

5.如权利要求1所述的一种空分分馏塔***，其特征在于，液氧蒸发器的位置低于冷凝蒸发器。

6.利用权利要求1-5任一所述的空分分馏塔***制备低纯氧的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）压力空气在主换热器中冷却至饱和温度，然后在液氧蒸发器中换热后成为部分液化的空气，接着送入分馏塔下塔；

（2）部分液化的空气在分馏塔下塔中分离为分馏塔下塔底部的富氧液空和分馏塔下塔顶部的氮气，富氧液空经过冷器送入分馏塔上塔；氮气在冷凝蒸发器中冷却为液氮后一部分通过过冷器送入分馏塔上塔；另一部分进入分馏塔下塔；

（3）进入分馏塔上塔的各物料被分离为冷凝蒸发器中的低纯液氧和分馏塔上塔顶部的氮气，低纯液氧一方面在冷凝蒸发器中与分馏塔下塔顶部的氮气换热气化后，从分馏塔上塔的底部出口、主换热器换热作为产品送出；另一方面经液氧蒸发器、主换热器换热后作为产品送出。

7.如权利要求6所述的利用空分分馏塔***制备低纯氧的工艺，其特征在于：空气分离***中空压机的排气压力由以下步骤来确定：

（1）根据分馏塔上塔底部液氧的泡点，冷凝蒸发器取温度差，得到与之换热的分馏塔下塔顶部氮气的露点，从而确定分馏塔下塔顶部的工作压力；

（2）根据分馏塔下塔的塔形式，确定分馏塔下塔底部的工作压力，再根据分馏塔下塔顶部和底部的工作压力及空气冷却净化所需阻力即可确定空压机的排气压力。