一種空氣分離製取壓力氧氣的方法及裝置的製作方法
2023-06-01 05:09:46 1
專利名稱：一種空氣分離製取壓力氧氣的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體分離的裝置及方法，特別涉及一種空氣分離製取壓力氧氣的 方法及裝置。
背景技術：
在玻璃、玻纖、有色冶煉、富氧燃燒等工業生產中經常需要大量的壓力氧氣，其壓 力為0. 7-2. 2barg，同時還需要一定量壓力的氮氣。為滿足此種工藝要求，目前，主要採用以 下三種方法一、增設空氣增壓壓縮機，氧內壓縮；二、提高空分裝置中空壓機的壓力；三、 增設氧氣壓縮機，氧氣外壓縮。對於方法一，由於與壓力液氧換熱的介質是需要有足夠高壓力的空氣，而現有空 分裝置中與液氧換熱的空氣通常壓力不高，單獨設置空氣增壓壓縮機，可以提高空氣壓力， 但是這樣會使投資費用顯著增加，空分裝置複雜，可靠性變差。對於方法二，採用提高空壓 機壓力的方法雖然流程組織相對簡單，但由於與液氧換熱的空氣不到總加工空氣的30%，即 使考慮膨脹量較大，膨脹空氣一般不會超過總加工空氣20%，也即至少50%的空氣需要經過 節流，而氣體節流會帶來很大的不可逆損失，從而造成空分裝置能耗很高。對於方法三，氧 壓機是非標準系列產品，價格高昂，會造成成本的增加，同時，氧壓機效率低，氧氣壓縮也存 在安全隱患。不少用戶也採用變壓吸附制氧，但變壓吸附不利於設備大型化，且能耗較高，不易 同時獲得高純氧和高純氮。變壓吸附真空解吸所制氧氣的壓力一般為0. 5 — 0. 7bar，若要 直接將氧氣壓力提高，則其收率降低，能耗上升顯著；若配氧氣增壓機，則粉塵相對較多，氧 氣增壓安全性相對較低；同時，該方法無液體貯存備用，無法應急供應。無法滿足生產的需 求。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中壓力氧氣製取裝置和工藝生產成本高、流程復 雜的不足，提供一種空氣分離製取壓力氧氣的方法及裝置，該方法及裝置具有流程組織優 化，設備投入成本低，能耗降低顯著的特點。為實現上述目的，本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，包括如下步驟
A、潔淨的壓縮空氣分成兩路，一路經膨脹機的增壓端增壓後進入主換熱器冷卻，再進 入氧增壓器與壓力液氧換熱冷凝成液態，然後進入精餾塔下塔距底部3 7塊理論塔板位 置參與精餾；另一路進入主換熱器低溫冷卻到145K 180K後分成兩部分，一部分經膨脹機 的膨脹端膨脹後送入精餾塔上塔參與精餾；另一部分送入精餾塔下塔，在塔內從下而上在 塔板或填料上與自上而下的液體進行傳熱傳質後，在下塔塔頂獲得氮氣，塔底獲得液空；
B、精餾塔下塔塔頂獲得的氮氣進入冷凝蒸發器冷凝成液氮後分成兩部分，一部分作為 回流液返回下塔，另一部分經過冷器過冷後分成兩股，一股作為產品液氮被引出，另一股進入精餾塔上塔的頂部；
C、精餾塔下塔下部抽取的汙液空和塔底獲得的液空，經過冷器過冷後，進入上塔再次 精餾，上塔塔頂獲得低壓純氮，上部獲得汙氮；低壓純氮經過冷器復熱後，經主換熱器進一 步復熱到常溫後分成兩部分，一部分經氮壓機增壓後作為壓力氮氣產品輸出，另一部分經 管道排出；汙氮經過冷器復熱，送入主換熱器進一步復熱到常溫後輸出；
D、冷凝蒸發器獲得液氧，液氧經自增壓或液氧泵加壓後，進入氧增壓器被蒸發成壓力 氧氣，再去主換熱器復熱後輸出。作為優選方式，在所述步驟B中，精餾塔下塔塔頂獲得的氮氣分成兩路，一路進入 冷凝蒸發器被冷凝成液氮，另一路進入主換熱器復熱後作為壓力氮產品輸出。作為優選方式，在所述步驟B中，液氮經過冷器過冷後，作為產品液氮被引出；在 所述步驟C中，精餾塔下塔上部抽取的汙液氮、下部抽取的汙液空和塔底獲得的液空，經過 冷器過冷後，進入上塔再次精餾；上塔塔頂獲得獲得汙氮，汙氮經過冷器復熱後，送入主換 熱器進一步復熱到常溫後輸出。一種空氣分離製取壓力氧氣的裝置，包括增壓膨脹機、主換熱器、精餾塔、過冷器、 氧增壓器，所述精餾塔包括上塔、下塔和冷凝蒸發器，其連接關係如下
增壓膨脹機的增壓端入口連接原料空氣管路，增壓端出口連接主換熱器第一入口，主 換熱器第一出口連接氧增壓器第一入口，氧增壓器第一出口連接精餾塔下塔第一入口 ；
主換熱器的第二入口連接原料空氣管路，第二出口分別連接增壓膨脹機的膨脹端入口 和精餾塔下塔第二入口，精餾塔下塔的液空出口連接過冷器的液空入口，下塔的汙液空出 口連接過冷器的汙液空入口，下塔的氮氣出口連接冷凝蒸發器的氮氣入口，冷凝蒸發器的 液氮出口分別連接精餾塔下塔液氮入口和過冷器的液氮入口 ；
過冷器的液空出口連接精餾塔上塔的液空入口，過冷器的汙液空出口連接精餾塔上塔 的汙液空入口，過冷器的液氮出口分別連接產品液氮輸出管線和精餾塔上塔的液氮入口 ；
精餾塔上塔的低壓純氮出口連接過冷器的低壓純氮入口，過冷器的低壓純氮出口連接 主換熱器的低壓純氮入口，主換熱器的低壓純氮出口連接氮壓機入口，氮壓機出口連接壓 力氮氣輸出管線；
精餾塔上塔的汙氮出口連接過冷器的汙氮入口，過冷器的汙氮出口連接主換熱器的汙 氮入口，主換熱器的汙氮出口連接汙氮輸出管線；
冷凝蒸發器的液氧出口連接氧增壓器第二入口，氧增壓器的氧氣出口連接主換熱器的 氧氣入口，主換熱器的氧氣出口連接氧氣輸出管線。作為優選方式，所述下塔的第一入口設置在距離底部3 - 7塊理論板位置。作為優選方式，所述下塔的氮氣出口連接主換熱器的氮氣入口，主換熱器的氮氣 出口連接壓力氮氣輸出管線。作為優選方式，所述下塔還設置有汙液氮出口，該汙液氮出口連接過冷器汙液氮 入口，過冷器汙液氮出口連接上塔入口。現有工藝中，空分設備的增壓透平膨脹機主要用於製冷，提供冷量，本發明擴展利 用增壓透平膨脹機的作用，利用增壓透平膨脹端輸出的功增壓與液氧換熱的空氣，充分利 用了系統的冷能，降低了所需壓縮淨化的空氣壓力，從而降低空壓機排壓，降低了能耗。現 有工藝中，上塔再次精餾時採用純液氮，成本很高，本發明通過抽取精餾塔下塔上部的汙液氮進入上塔再次精餾，增大了上塔上段回流比，提高了上塔的分離能力，降低了成本。現有 工藝中，採用抽取低壓氮再壓縮的方法獲得氮氣產品，能耗較高，本發明通過抽出精餾塔下 塔塔頂獲得的一部分壓力氮氣(5 5. 6bara)，獲得帶壓的氮氣產品，將空分裝置的能量充 分進行回收，能耗降低。本發明 的有益效果在於本發明無需增設設備，設備投入成本低，流程組織優化， 能耗顯著降低。
本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中 圖1為實施例1的工藝流程圖2為實施例2的工藝流程圖。圖中標記CE增壓膨脹機、E膨脹端、C增壓端、Cl下塔、C2上塔、Kl主冷凝蒸發 器、K2氧增壓器、El主換熱器、E2過冷器、CB冷箱、OP氧泵、
NC氮壓機。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。實施例1 如圖1所示，一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，包括如下步驟
A、潔淨的壓縮空氣100分成兩路，一路103經膨脹機CE的增壓端增壓後進入主換熱器 El冷卻，再進入氧增壓器K2與壓力液氧換熱冷凝成液態，然後進入精餾塔下塔Cl距底部 3 7塊理論塔板位置參與精餾；另一路101進入主換熱器El低溫冷卻到145K 180K後 分成兩部分，一部分104經膨脹機CE的膨脹端膨脹後送入精餾塔上塔C2參與精餾；另一部 分102送入精餾塔下塔Cl，在塔內從下而上在塔板或填料上與自上而下的液體進行傳熱傳 質後，在下塔Cl塔頂獲得氮氣120，塔底獲得液空107 ；
B、精餾塔下塔塔頂獲得的氮氣120進入冷凝蒸發器Kl冷凝成液氮121後，分成兩部 分，一部分122作為回流液返回下塔，另一部分123經過冷器過冷後，一股124作為產品液 氮被引出，另一股118進入精餾塔上塔的頂部；
C、精餾塔下塔Cl下部抽取的汙液空109和塔底獲得的液空107，經過冷器E2過冷後， 進入上塔C2再次精餾，上塔C2塔頂獲得低壓純氮126，上部獲得汙氮130，低壓純氮126經 過冷器E2復熱後，經主換熱器El進一步復熱到常溫後分成兩部分，一部分經氮壓機NC增 壓後作為壓力氮氣產品輸出，另一部分經管道排出，汙氮130經過冷器E2復熱，送入主換熱 器El進一步復熱到常溫後輸出；
D、冷凝蒸發器Kl獲得液氧203，液氧203經自增壓(利用液氧高度差產生靜液柱壓力) 或液氧泵OP加壓後，進入氧增壓器K2被蒸發成壓力氧氣204，再去主換熱器El復熱後輸 出ο本實施例的空分裝置包括增壓膨脹機、主換熱器、精餾塔、過冷器、氧增壓器，所述 精餾塔包括上塔、下塔和冷凝蒸發器，其連接關係如下
增壓膨脹機的增壓端入口連接原料空氣管路，增壓端出口連接主換熱器第一入口，主換熱器第一出口連接氧增壓器第一入口，氧增壓器第一出口連接精餾塔下塔第一入口 ；
主換熱器的第二入口連接原料空氣管路，第二出口分別連接增壓膨脹機的膨脹端入口 和精餾塔下塔第二入口，精餾塔下塔的液空出口連接過冷器的液空入口，下塔的汙液空出 口連接過冷器的汙液空入口，下塔的氮氣出口連接冷凝蒸發器的氮氣入口，冷凝蒸發器的 液氮出口分別連接精餾塔下塔液氮入口和過冷器的液氮入口 ；
過冷器的液空出口連接精餾塔上塔的液空入口，過冷器的汙液空出口連接精餾塔上塔 的汙液空入口，過冷器的液氮出口分別連接產品液氮輸出管線和精餾塔上塔的液氮入口 ；
精餾塔上塔的低壓純氮出口連接過冷器的低壓純氮入口，過冷器的低壓純氮出口連接 主換熱器的低壓純氮入口，主換熱器的低壓純氮出口連接氮壓機入口，氮壓機出口連接壓 力氮氣輸出管線；
精餾塔上塔的汙氮出口連接過冷器的汙氮入口，過冷器的汙氮出口連接主換熱器的汙 氮入口，主換熱器的汙氮出口連接汙氮輸出管線；
冷凝蒸發器的液氧出口連接氧增壓器第二入口，氧增壓器的氧氣出口連接主換熱器的 氧氣入口，主換熱器的氧氣出口連接氧氣輸出管線。
實施例2 如圖2所示，一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，包括如下步驟
A、潔淨的壓縮空氣100分成兩路，一路103經膨脹機CE的增壓端增壓後進入主換熱器 El冷卻，再進入氧增壓器K2與壓力液氧換熱冷凝成液態，然後進入精餾塔下塔Cl距底部 3 7塊理論塔板位置參與精餾；另一路101進入主換熱器El低溫冷卻到145K 180K後 分成兩部分，一部分104經膨脹機CE的膨脹端膨脹後送入精餾塔上塔C2參與精餾；另一部 分102送入精餾塔下塔Cl，在塔內從下而上在塔板或填料上與自上而下的液體進行傳熱傳 質後，在下塔Cl塔頂獲得氮氣120，塔底獲得液空107 ；
B、精餾塔下塔塔頂獲得的氮氣120分成兩路，一路進入冷凝蒸發器被冷凝成液氮121 後分成兩部分，一部分122作為回流液返回下塔，另一部分124作為產品液氮被引出，另一 路127進入主換熱器El復熱後作為壓力氮產品輸出；
C、精餾塔下塔Cl下部抽取的汙液空109、上部抽取的汙液氮117和塔底獲得的液空 107，經過冷器E2過冷後，進入上塔C2再次精餾，上塔C2塔頂獲得汙氮130，汙氮130經過 冷器E2復熱，送入主換熱器El進一步復熱到常溫後輸出；
D、冷凝蒸發器Kl獲得液氧203，液氧203經自增壓(利用液氧高度差產生靜液柱壓力) 或液氧泵OP加壓後，進入氧增壓器K2被蒸發成壓力氧氣204，再去主換熱器El復熱後輸 出ο 本實施例的空分裝置包括增壓膨脹機、主換熱器、精餾塔、過冷器、氧增壓器，所述 精餾塔包括上塔、下塔和冷凝蒸發器，其連接關係如下
增壓膨脹機的增壓端入口連接原料空氣管路，增壓端出口連接主換熱器第一入口，主 換熱器第一出口連接氧增壓器第一入口，氧增壓器第一出口連接精餾塔下塔第一入口 ；
主換熱器的第二入口連接原料空氣管路，第二出口分別連接增壓膨脹機的膨脹端入口 和精餾塔下塔第二入口，精餾塔下塔的液空出口連接過冷器的液空入口，下塔的汙液空出 口連接過冷器的汙液空入口，下塔的氮氣出口連接冷凝蒸發器的氮氣入口，冷凝蒸發器的 液氮出口分別連接精餾塔下塔液氮入口和過冷器的液氮入口 ；過冷器的液空出口連接精餾塔上塔的液空入口，過冷器的汙液空出口連接精餾塔上塔 的汙液空入口，過冷器的液氮出口連接產品液氮輸出管線；
精餾塔上塔的汙氮出口連接過冷器的汙氮入口，過冷器的汙氮出口連接主換熱器的汙 氮入口，主換熱器的汙氮出口連接汙氮輸出管線；
冷凝蒸發器的液氧出口連接氧增壓器第二入口，氧增壓器的氧氣出口連接主換熱器的 氧氣入口，主換熱器的氧氣出口連接氧氣輸出管線。作為優選，所述下塔的第一入口設置在距離底部3 - 7塊理論板位置。所述下塔 的氮氣出口還連接主換熱器的氮氣入口，主換熱器的氮氣出口連接壓力氮氣輸出管線。所 述下塔還設置有汙液氮出口，該汙液氮出口連接過冷器汙液氮入口，過冷器汙液氮出口連 接上塔入口。以一套氧流量8830Nm3/h，壓力1. 8Barg氧純度97%的典型空分裝置為例，對比實 施例2、僅提高空壓機壓力的裝置和氧氣外壓縮裝置，其結果見下表 如表1所示，根據大中型空分能耗計算本發明氧的單耗僅為0. 3952KW/Nm302，常規 氧氣外壓縮方案氧的單耗為0. 4248Kff/Nm302,比本發明高7. 49%，提高空壓機排壓方案氧的 單耗為0.4364 KW/Nm302，比本發明高10.4%。若電費以0. 55元/度計算，採用本發明比常 規氧氣外壓縮方案節約電費130萬元/年；比提高空壓機排壓方案節約電耗198萬元/年。若能在全國普及，年節約電費可達數億元，經濟效益十分明顯。 本發明並不局限於前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的 新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，其特徵在於包括如下步驟A、潔淨的壓縮空氣分成兩路，一路經膨脹機的增壓端增壓後進入主換熱器冷卻，再進入氧增壓器與壓力液氧換熱冷凝成液態，然後進入精餾塔下塔距底部3～7塊理論塔板位置參與精餾；另一路進入主換熱器低溫冷卻到145K～180K後分成兩部分，一部分經膨脹機的膨脹端膨脹後送入精餾塔上塔參與精餾；另一部分送入精餾塔下塔,在塔內從下而上在塔板或填料上與自上而下的液體進行傳熱傳質後,在下塔塔頂獲得氮氣，塔底獲得液空；B、精餾塔下塔塔頂獲得的氮氣進入冷凝蒸發器冷凝成液氮後分成兩部分，一部分作為回流液返回下塔，另一部分經過冷器過冷後分成兩股，一股作為產品液氮被引出，另一股進入精餾塔上塔的頂部；C、精餾塔下塔下部抽取的汙液空和塔底獲得的液空，經過冷器過冷後，進入上塔再次精餾，上塔塔頂獲得低壓純氮，上部獲得汙氮，低壓純氮經過冷器復熱後，經主換熱器進一步復熱到常溫後分成兩部分，一部分經氮壓機增壓後作為壓力氮氣產品輸出，另一部分經管道排出；汙氮經過冷器復熱，送入主換熱器進一步復熱到常溫後輸出；D、冷凝蒸發器獲得液氧，液氧經自增壓或液氧泵加壓後，進入氧增壓器被蒸發成壓力氧氣，再去主換熱器復熱後輸出。
2.如權利要求1所述的一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，其特徵在於在所述步驟B 中，精餾塔下塔塔頂獲得的氮氣分成兩路，一路進入冷凝蒸發器被冷凝成液氮，另一路進入 主換熱器復熱後作為壓力氮產品輸出。
3.如權利要求1所述的一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，其特徵在於在所述步驟 B中，液氮經過冷器過冷後，作為產品液氮被弓I出；在所述步驟C中，精餾塔下塔上部抽取的 汙液氮、下部抽取的汙液空和塔底獲得的液空，經過冷器過冷後，進入上塔再次精餾；上塔 塔頂獲得獲得汙氮，汙氮經過冷器復熱後，送入主換熱器進一步復熱到常溫後輸出。
4.一種實施權利要求1的方法的裝置，其特徵在於包括增壓膨脹機、主換熱器、精餾 塔、過冷器、氧增壓器，所述精餾塔包括上塔、下塔和冷凝蒸發器，其連接關係如下增壓膨脹機的增壓端入口連接原料空氣管路，增壓端出口連接主換熱器第一入口，主 換熱器第一出口連接氧增壓器第一入口，氧增壓器第一出口連接精餾塔下塔第一入口 ；主換熱器的第二入口連接原料空氣管路，第二出口分別連接增壓膨脹機的膨脹端入口 和精餾塔下塔第二入口，精餾塔下塔的液空出口連接過冷器的液空入口，下塔的汙液空出 口連接過冷器的汙液空入口；下塔的氮氣出口連接冷凝蒸發器的氮氣入口，冷凝蒸發器的液氮出口分別連接精餾塔 下塔液氮入口和過冷器的液氮入口，過冷器的液氮出口分別連接產品液氮輸出管線和精餾 塔上塔的液氮入口；過冷器的液空出口連接精餾塔上塔的液空入口，過冷器的汙液空出口連接精餾塔上塔 的汙液空入口；精餾塔上塔的低壓純氮出口連接過冷器的低壓純氮入口，過冷器的低壓純氮出口連接 主換熱器的低壓純氮入口，主換熱器的低壓純氮出口連接氮壓機入口，氮壓機出口連接壓 力氮氣輸出管線；精餾塔上塔的汙氮出口連接過冷器的汙氮入口，過冷器的汙氮出口連接主換熱器的汙 氮入口，主換熱器的汙氮出口連接汙氮輸出管線；冷凝蒸發器的液氧出口連接氧增壓器第二入口，氧增壓器的氧氣出口連接主換熱器的 氧氣入口，主換熱器的氧氣出口連接氧氣輸出管線。
5.如權利要求4所述的一種空氣分離製取壓力氧氣的裝置，其特徵在於所述下塔的 第一入口設置在距離底部3 - 7塊理論板位置。
6.如權利要求4所述的一種空氣分離製取壓力氧氣的裝置，其特徵在於所述下塔的 氮氣出口還連接主換熱器的氮氣入口，主換熱器的氮氣出口連接壓力氮氣輸出管線。
7.如權利要求4所述的一種空氣分離製取壓力氧氣的裝置，其特徵在於所述下塔還 設置有汙液氮出口，該汙液氮出口連接過冷器汙液氮入口，過冷器汙液氮出口連接上塔入
全文摘要
本發明公開了一種空氣分離製取壓力氧氣的方法，壓縮空氣分成兩路，一路經增壓後進入主換熱器冷卻，再進入氧增壓器與壓力液氧換熱冷凝成液態，然後進入下塔參與精餾；另一路進入主換熱器冷卻後分成兩部分，一部分經膨脹後送入上塔參與精餾；下塔獲得的氮氣進入冷凝蒸發器冷凝成液氮後分成兩部分，一部分作為回流液返回下塔，另一部分經過冷器過冷後分成兩股，一股作為產品液氮被引出，另一股進入上塔的頂部；下塔抽取的汙液空和獲得的液空，經過冷器過冷後，進入上塔再次精餾，冷凝蒸發器獲得液氧；液氧經自增壓或液氧泵加壓後，進入氧增壓器被蒸發成壓力氧氣，再去主換熱器復熱後輸出。本發明流程組織優化，設備投入成本低，能耗降低顯著。
文檔編號F25J3/04GK101886871SQ20101024490
公開日2010年11月17日 申請日期2010年8月4日 優先權日2010年8月4日
發明者黃震宇 申請人:四川空分設備(集團)有限責任公司