CN207729907U - 通过低温精馏从空气中生产高纯氮、氧气和液氧的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种通过低温精馏从空气中生产高纯氮、氧气和液氧的设备，可以同时满足市场对氮和氧的需求，在保证产量的同时，又能实现对氮氧纯度的要求。本实用新型充分考虑了各方面因素以实现生产高纯氮、氧气和液氧设备的平稳、高效、低能耗的运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及通过低温精馏生产高纯氮、氧气和液氧的设备。
背景技术
含氮气和氧气的混合物，最常见的是空气，可经低温精馏分离成富氮和富氧的馏分以及包含稀有气体的馏分，例如氩气。在低温精馏中，将空气纯化、压缩，以去除高沸杂质(如二氧化碳)、水蒸汽以及碳氢化合物。然后将所得的纯化并压缩的空气流冷却至适于精馏的温度。精馏生成富氮和富氧馏分以及其他需要的馏分，其可以为液体和气体产物形式。存在不同的精馏塔布置以用于此目的。
近年来，在石油化工，高炉炼铁，电子产业等领域，对高纯氮和高纯氧的需求量大大增加。因此需要高效，节能，节约开支的生产高纯氮和高纯氧的方法和设备。
中国实用新型专利CN202648307U介绍了一种通过低温精馏来分离空气的设备，利用两个布置在塔顶的冷凝器在一个蒸馏塔中可产生高纯氮。但是本实用新型中只能生产高纯氮而不能生产高纯氧，无法满足对于高纯氧的需求，不具有普遍适用性。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何在高纯氮的生产不受影响的前提下，生产高纯氮的同时生产高纯氧和氧气。
为了解决上述问题，本实用新型公开了一种通过低温精馏从空气中生产高纯氮、氧气和液氧的设备，该设备包括：
将原料空气压缩、纯化的设备及将其与低温精馏生成的物流进行间接换热的与第一蒸馏塔相连的第一主热交换器和与第二蒸馏塔相连的第二主热交换器。
包含若干蒸馏区段，向第一蒸馏区段提供经压缩、纯化、冷却的第一原料空气，将其分离为在上部的第一富氮蒸气和塔底的第一富氧液体的第一蒸馏塔。
使第一部分第一富氮蒸气和第一部分第一富氧液体进行间接热交换，使第一部分第一富氮蒸气冷凝生成第一部分富氮冷凝液，使第一部分第一富氧液体至少部分气化，生成第二富氮蒸气和高氧量液体的第一冷凝器。
使至少部分的高氧量液体与第二部分第一富氮蒸气进行间接热交换，使第二部分第一富氮蒸气冷凝生成第二部分富氮冷凝液，使所述高氧量液体至少部分气化，生成第一废物流的第二冷凝器。
用以将至少部分富氮冷凝液送回第一蒸馏塔作为回流液的设备。
用以将第二富氮蒸气压缩的第一压缩机，用以冷却第一循环流，并将第一循环流送至第一蒸馏塔的第二蒸馏区段的设备，其中，第二蒸馏区段位于第一蒸馏区段下方且间隔至少一个理论塔板数。
将第二冷凝器中汽化后余下的高氧量液体作为第二富氧液体经膨胀后送入第二蒸馏塔的管路和膨胀阀。
第二蒸馏塔，第二蒸馏塔上部空间，第二蒸馏塔蒸馏区段，第二蒸馏塔下部空间及用来重沸液氧的第二蒸馏塔重沸器。
从第二蒸馏塔上部空间将第二废物流输入第二主热交换器复热，并经第二压缩机压缩后再输回第二主热交换器冷却，再输入第二蒸馏塔下部空间的管路。
将经加压、纯化的第二原料空气输入第二主热交换器冷却，再输入第二蒸馏塔下部空间的管路。
将第二蒸馏塔下部空间内的贫氧蒸汽输送入第二蒸馏塔重沸器的管路，及将冷凝后的贫氧液体输送回第二蒸馏塔下部空间的管路。
将第二蒸馏塔重沸器中的第二液氧可选择地经液氧泵增压后输送入第二主热交换器复热，并作为第二氧气产品输出的管路。
将第二蒸馏塔下部空间(43)内的贫氧液体分别输送入第二蒸馏塔上部空间的管路及与第一富氧液体汇合的管路。
位于第一蒸馏塔中，在第一蒸馏区段上方且间隔至少一个理论塔板数的第三蒸馏区段，从第三蒸馏区段抽取回流液的一部分，作为无高沸点组分的液空经过膨胀阀后输送入第三蒸馏塔的顶部的设备。
位于第三蒸馏塔下部空间的第三蒸馏塔重沸器，其中，膨胀后的无高沸点组分的液空中的液体部分，流经第三蒸馏塔的蒸馏区段，在此与从第一蒸馏塔引入的第二部分第一富氧液体间接热交换，并在第三蒸馏塔的底部生成第三液氧产品，降温后的第二部分第一富氧液体被输送回第一或第二冷凝器。
将在第三蒸馏塔的顶部生成的第三废物流，可选地，与第一废物流合并后，送至第一主热交换器与第一原料空气间接换热的设备。
将至少部分所述第一废物流和/或所述第一原料空气膨胀并为低温精馏过程提供所需的冷量的膨胀机。
其中，所述第一压缩机和膨胀机是机械相连的。
其中，上述设备中第一冷凝器、第二冷凝器和重沸器由板式换热器构成。
采用本实用新型公开的生产高纯氮、氧气和液氧的设备，可以同时满足市场对氮和氧的需求，在保证产量的同时，又能实现对氮氧纯度的要求。本实用新型充分考虑了各方面因素以实现生产高纯氮、氧气和液氧设备的平稳、高效、低能耗的运行。
附图说明
本实用新型中的附图仅作为对本实用新型的示意，供理解和解释本实用新型的精神，但不在任何方面对本实用新型加以限定。
图1是本实用新型一个实施例的示意图。
具体实施方式
在本实用新型中，术语“原料空气”意指主要包含氧和氮的混合物。术语“理论塔板”意指在其上气、液两相都充分混合，且传热和传质过程阻力均为0的理想化塔板。“蒸馏区段”是指蒸馏塔中互相有一定间隔，且每一区段皆包含若干精馏塔板的结构。
参照附图。首先经过一系列众所周知的技术干燥并净化原料空气101，所述技术可包括过滤器、变温吸附器等。例如使原料空气通过过滤器除去尘埃等固体杂质，再经过分子筛净化器或变温吸附器除去水蒸气和二氧化碳等杂质气体。随后该原料空气的至少一部分可经主空气压缩机压缩到与第一蒸馏塔的运行压力相近或相等的压力并输送入第一主热交换器1。
第一原料空气101在第一主热交换器1中被精馏过程中产生的低温物流冷却至一般低于-150℃并被输送到第一蒸馏塔2的第一蒸馏区段8，在第一蒸馏塔2中，被冷却的第一原料空气依次通过第一蒸馏区段8，第三蒸馏区段7，并与主要成分为液氮的回流液逆流接触。因此，气相中的氧气和沸点比氧气高的组分(甲烷，氪，氙等)溶解于回流液中，而在液相中的氮气和沸点比氮气低的组分(氖，氢，氦等)被蒸发并释放入气相中。结果，在蒸馏区段的顶部形成第一富氮蒸气105与114，在第一蒸馏塔2的塔底形成第一富氧液体103与135。第一部分第一富氧液体103可经节流阀膨胀后输送到第一蒸馏塔2的第一冷凝器3。
来自蒸馏区段顶部的第一部分第一富氮蒸气105经由管路输送到第一冷凝器单元4中，通过与被输送到第一冷凝器3的膨胀后的第一部分第一富氧液体103进行间接热交换而被冷凝，生成第一部分富氮冷凝液111，第一部分富氮冷凝液可返回第一蒸馏塔2的蒸馏区段的顶部作为回流液或作为液氮产品112经由管路部分取出。
在第一冷凝器3中，由于间接热交换，第一富氧液体103至少部分气化，在第一冷凝器3的壳体中产生液相的高氧量液体113和富氮的蒸汽相，即第二富氮蒸气125。高氧量液体113在膨胀后被输送到第二冷凝器5。第二富氮蒸气与原料空气相比有较高的氧含量，其氧含量一般在25～29摩尔百分数。
来自蒸馏区段顶部的第二部分第一富氮蒸气114经由管路输送到第二冷凝器单元6，通过与被输送到第二冷凝器5的高氧量液体113进行间接热交换而被冷凝，生成第二部分富氮冷凝液115，第二部分富氮冷凝液可返回第一蒸馏塔2的蒸馏区段的顶部作为回流液或作为液氮产品112经由管路部分取出。
第二冷凝器5中的高氧量液体经过间接换热至少部分气化，生成第一废物流121，分别经过第一主热交换器1升温和膨胀机30膨胀，并在第一主热交换器1中与原料空气进一步间接换热，被进一步升温作为废气流排出。第一废物流中的含氧量一般大于46摩尔百分数。
将在第一冷凝器3中形成的至少部分第二富氮蒸气125经第一压缩机31形成第一循环流131，将经过第一主热交换器1冷却的第一循环流132输送到第一蒸馏塔2的第二蒸馏区段9。其中，第二蒸馏区段9位于第一蒸馏区段8下方且间隔至少一个理论塔板数。
在本实用新型的优选实施方案中，膨胀机30与第一压缩机31是机械地相连接的，因此气体膨胀时释放出的一部分能量可直接供压缩使用。同时，由于第一冷凝器3中液体物流被排放，使得蒸发的物流中含较少的氧气，且第一冷凝器3可维持较高的压力，从而使该气体在压缩机压缩时所需作的功减低，在同等量的输入功给第一压缩机31时可有较高流量的再循环流。再循环流的高流量与高的氮浓度使第一蒸馏塔2有高的氮回收率。
可选地，至少部分第一富氮蒸气105与114可取出作为氮气产品151。
从第二冷凝器5中汽化后余下的高氧量液体113中抽取第二富氧液体160，经膨胀后送入第二蒸馏塔40，膨胀后的第二富氧液体160包含液体部分和气体部分，所述液体部分向下流动到位于第二蒸馏塔40下部的第二蒸馏塔重沸器44，所述气体部分上升并在顶部生成第二废物流164，该第二废物流经第二主热交换器33复热后，至少部分经第二压缩机32压缩后生成第二循环流165，在第二主热交换器33中，第二循环流165与经压缩纯化后的第二原料空气161，可在和高压液氧174以及第二废物流164间接换热并冷却后，输入第二蒸馏塔下部空间43。
第二蒸馏塔下部空间43含有贫氧蒸汽和贫氧液体，至少部分贫氧蒸汽166作为热源被输送入第二蒸馏塔重沸器44，与经精馏后的第二富氧液体间接换热，并至少部分冷凝生成贫氧液体167返回第二蒸馏塔下部空间43。抽取第二蒸馏塔重沸器44中剩余的第二液氧173，可经液氧泵34增压后，在第二主热交换器33中复热后作为第二氧气产品175输出。
抽取第二蒸馏塔下部空间43中的贫氧液体且分成至少两部分，第一部分贫氧液体162经膨胀后被引入第二蒸馏塔上部空间41作为回流液，第二部分贫氧液体163经膨胀后可与第一富氧液体103与135混合并被送入第一冷凝器3。
从第三蒸馏区段7抽取回流液的一部分，作为无高沸点组分的液空133经膨胀后输送到第三蒸馏塔20的顶部。其中，第三蒸馏区段7位于位于第一蒸馏区段8上方且间隔至少一个理论塔板数。
膨胀后的无高沸点组分的液空包含液体部分和气体部分，在第三蒸馏塔上部空间21部分收集气液混合物的气体部分，其液体部分作为回流液向下流动通过第三蒸馏塔蒸馏区段22，在该区段中液体释放出低沸点组分从而提高了液体的氧含量。在第三蒸馏塔下部空间23中安装有用于加热下部空间收集液体的第三蒸馏塔重沸器24，在第三蒸馏塔重沸器24中液体部分与从第一蒸馏塔2引入的第二部分第一富氧液体135间接热交换，比氧气沸点低的组分(氩，二氧化碳，氮气等)被选择性蒸发，并上升通过第三蒸馏塔蒸馏区段22。最终含有比氧气沸点低的低沸点组分的氮气收集在第三蒸馏塔上部空间21，在第三蒸馏塔底部生成超高纯度液氧，即第三液氧产品145，降温后的第二部分第一富氧液体被输送回第一3或第二冷凝器5。
在第三蒸馏塔上部空间21中收集第三废物流143(含有比氧气沸点低的低沸点组分)，经部分膨胀，可选地，与经膨胀的第一废物流合并，在第一主热交换器1中与第一原料空气间接换热，被进一步升温作为废气流。
在第三蒸馏塔重沸器24中，其热源为第一蒸馏塔2塔底形成的第二部分第一富氧液体135，进入第三蒸馏塔重沸器24中，与所述第一富氧液体135进行间接换热后而被冷却，降温后的第二部分第一富氧液体141经部分膨胀后被输送回第一或第二冷凝器。
其中，至少部分所述第一废物流和/或所述第一原料空气在膨胀机中发生膨胀，为上述过程提供所需的冷量。
实施例：
按照本实用新型提出的工艺，制造了一个氮的生产装置，它生产的氮含氧量不超过1ppm，产品氮输出的气压为9.5bar，流量为10000Nm3/h；还制造了一个高纯氧的生产装置，它生产的氧含氩量不超过100ppb，高纯氧产品输出的压力为1.5bar，流量为129Nm3/h。同时还制造了一个氧的生产装置，产品氧输出的气压为7.5bar，流量为315Nm3/h，并含有体积分数为0.5％的氩。
20℃，9.8bar，19740Nm3/h的干燥和纯净空气流101(实际上无水与CO2)在进入第一蒸馏塔2的第一蒸馏区段8前，首先进入第一主热交换器1冷却到-164.3℃。
含氧量为38.2摩尔百分数、流量为15850Nm3/h的第一部分富氧液体103从第一蒸馏塔2的底部排出，35.6％体积分数的第一部分第一富氧液体103经节流阀膨胀后输送到第一蒸馏塔2的第一冷凝器3，剩下64.4％体积分数的第二部分第一富氧液体135作为热源被输送到第三蒸馏塔重沸器24，降温后的第一富氧液体141经膨胀后被输送回第一冷凝器3或第二冷凝器5。
含氧量为26.8摩尔百分数、流量为7980Nm3/h的第二富氮蒸气125在-171.2℃、6.0bar由第一冷凝器3输出，第二富氮蒸气125先经第一压缩机31压缩到9.8bar后，再经过第一主热交换器1冷却并输送到第一蒸馏塔2的第二蒸馏区段9。
送入第一冷凝器3中的余量的高氧量液体113通过膨胀后送入第二冷凝器5中，在4.7bar、-171.2℃气化。
气态的第一废物流121送入第一主热交换器1将其升温到-140.7℃，然后在膨胀机30膨胀后，可与第三蒸馏塔20顶部生成的第三废物流143合并，重新进入第一主热交换器1，在此升温到18℃。该废物流以9660Nm3/h的流量排出，其中的含氧量为39.1摩尔百分数。
由第一蒸馏塔2顶部排出的-170.0℃、9.7bar、10000Nm3/h的第一富氮蒸气151，在第一主热交换器1中升温到18℃后以9.5bar输送出去作为高纯氮产品。
从第一蒸馏塔2的第三蒸馏区段7抽取无高沸点组分的-168.3℃、9.7bar、1890Nm3/h、含氧量为11.6摩尔百分数的无高沸点组分的液空133，经过膨胀后输送入第三蒸馏塔20的上部空间。
在第三蒸馏塔20的底部抽取-178.7℃、1.5bar、129Nm3/h的高纯氧液体并作为第三液氧产品145输出。在第三蒸馏塔20的上部空间生成第三废物流143，可选地，与第一废物流121合并。
从第二冷凝器5中汽化后余下的高氧量液体113中抽取-171.2℃、4.7bar、448Nm3/h、含氧量为70.0摩尔百分数的第二高氧液体160，经膨胀后送入第二蒸馏塔40。
在第二蒸馏塔40的顶部生成-181.4℃、3.1bar、1060Nm3/h、含氧量为14.3摩尔百分数的第二废物流164，该第二废物流164流经第二主热交换器33升温到18℃，91.7％体积分数的第二废物流经过第二压缩机32压缩到9.7bar，后经过第二主热交换器33输入到第二蒸馏塔下部空间43；剩余8.3％体积分数的第二废物流净化并膨胀后作为废气排出。
20℃，20.9bar，435Nm3/h的干燥和纯净高压空气流161，首先进入第二主热交换器33冷却到-163.5℃，后输入到第二蒸馏塔下部空间43。
在第二蒸馏塔下部空间43中抽取1410Nm3/h、含氧量为16.4摩尔百分数的贫氧液体。65.9％体积分数的第一部分贫氧液体162经膨胀后被引入第二蒸馏塔上部空间41作为回流液，剩余34.1％体积分数的第二部分贫氧液体163经膨胀后可与第一部分第一富氧液体103混合并被送入第一冷凝器3。
抽取第二蒸馏塔重沸器44中-170.6℃、3.1bar、315Nm3/h的第二液氧173，可经液氧泵34升压到7.7bar，经第二主热交换器33升温后，以18℃、7.5bar作为第二氧气产品输出。
Claims (3)
1.一种通过低温精馏从空气中生产高纯氮、氧气和液氧的设备，包括：
(a)将原料空气压缩、纯化的设备及将其与低温精馏生成的物流进行间接换热的与第一蒸馏塔(2)相连的第一主热交换器(1)和与第二蒸馏塔(40)相连的第二主热交换器(33)；
(b)第一蒸馏塔(2)，包含若干蒸馏区段，向第一蒸馏区段(8)提供经压缩、纯化、冷却的第一原料空气(101)，将其分离为在上部的第一富氮蒸气(105,114)和塔底的第一富氧液体(103,135)；
(c)第一冷凝器(3)，其中，第一部分第一富氮蒸气(105)和第一部分第一富氧液体(103)在第一冷凝器(3)间接热交换，使第一部分第一富氮蒸气(105)冷凝生成第一部分富氮冷凝液(111)，使所述第一部分第一富氧液体(103)至少部分汽化，生成第二富氮蒸气(125)和高氧量液体(113)；
(d)第二冷凝器(5)，其中，至少部分的高氧量液体(113)与第二部分第一富氮蒸气(114)在第二冷凝器(5)进行间接热交换，使第二部分第一富氮蒸气(114)冷凝生成第二部分富氮冷凝液(115)，使所述高氧量液体(113)至少部分汽化，生成第一废物流(121)；
(e)用以将至少部分富氮冷凝液(111,115)送回第一蒸馏塔(2)作为回流液的设备；
(f)用以将第二富氮蒸气(125)经第一压缩机(31)压缩，作为第一循环流(131)冷却并送至第一蒸馏塔(2)的第二蒸馏区段(9)的设备，其中，第二蒸馏区段(9)位于第一蒸馏区段(8)下方且间隔至少一个理论塔板数；
(g)将第二冷凝器(5)中汽化后余下的高氧量液体(113)作为第二富氧液体(160)经膨胀后送入第二蒸馏塔(40)的管路和膨胀阀；
(h)第二蒸馏塔(40)，第二蒸馏塔上部空间(41)，第二蒸馏塔蒸馏区段(42)，第二蒸馏塔下部空间(43)及用来重沸液氧的第二蒸馏塔重沸器(44)；
(i)从第二蒸馏塔上部空间(41)将第二废物流(164)输入第二主热交换器(33)复热，并经第二压缩机(32)压缩后再输回第二主热交换器(33)冷却，再输入第二蒸馏塔下部空间(43)的管路；
(j)将经加压、纯化的第二原料空气(161)输入第二主热交换器(33)冷却，再输入第二蒸馏塔下部空间(43)的管路；
(k)将第二蒸馏塔下部空间(43)内的贫氧蒸汽(166)输送入第二蒸馏塔重沸器(44)的管路，及将冷凝后的贫氧液体(167)输送回第二蒸馏塔下部空间(43)的管路；
(l)将第二蒸馏塔重沸器(44)中的第二液氧(173)可选择地经液氧泵(34)增压后输送入第二主热交换器(33)复热，并作为第二氧气产品输出的管路；
(m)将第二蒸馏塔下部空间(43)内的贫氧液体分别输送入第二蒸馏塔上部空间(41)的管路(162)及与第一富氧液体汇合的管路(163)；
(n)位于第一蒸馏塔(2)中，在第一蒸馏区段(8)上方且间隔至少一个理论塔板数的第三蒸馏区段(7)，从所述第三蒸馏区段(7)抽取回流液的一部分，作为无高沸点组分的液空(133)经膨胀后输送入第三蒸馏塔(20)的顶部的设备；
(o)位于第三蒸馏塔(20)下部空间的第三蒸馏塔重沸器(24)，其中，膨胀后的无高沸点组分的液空中的液体部分，流经第三蒸馏塔(20)的蒸馏区段(22)，在此与从第一蒸馏塔引入的第二部分第一富氧液体(135)间接热交换，并在第三蒸馏塔(20)的底部生成第三液氧产品(145)，降温后的第二部分第一富氧液体(141)被输送回第一冷凝器(3)或第二冷凝器(5)；
(p)将在第三蒸馏塔(20)的顶部生成的第三废物流(143)，可选地，与第一废物流(121)合并后，送至第一主热交换器(1)与第一原料空气(101)间接换热的设备；
(q)膨胀机(30)，将至少部分所述第一废物流(121)和/或所述第一原料空气膨胀并为低温精馏过程提供所需的冷量。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述的第一压缩机(31)和膨胀机(30)是机械相联的。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，第一冷凝器(3)、第二冷凝器(5)和重沸器(24,44)由板式换热器构成。
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Granted publication date: 20180814 Termination date: 20181228 |