專利名稱：一種返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過液化作用進行氣體分離的方法，尤其涉及一種從空氣中分離低純氧和高純氮的方法。
背景技術(shù)：
隨著浮法玻璃、化工等行業(yè)的快速發(fā)展，對高純氮氣、帶壓低純氧需求量急劇增大，通常浮法玻璃行業(yè)在使用的高純氮氣壓力為0. 2 0. 5MPa，氮氣純度為99. 999% (O2濃度
<3ppm);由于玻璃原料的融化需要空氣或氧氣助燃，而且隨著國家節(jié)能減排政策的實施及 燃料成本的上升，氧氣助燃有著更為廣闊的應(yīng)用前景。采用氧氣助燃可以大大減少氧化亞氮、二氧化碳的排放，并可以節(jié)約燃料、提高玻璃產(chǎn)品等級，其中氧氣助燃需要的氧氣純度大于90%，最好能夠大于93%，同時壓力應(yīng)大于0. 15MPa。空氣中的主要氣體成分為氮氣和氧氣，氮氣和氧氣體積分數(shù)分別為78. 12%和20. 98%，而空氣作為廉價資源無處不在，因此通過分離空氣來生產(chǎn)氮氣和氧氣是最為傳統(tǒng)的方法。傳統(tǒng)的低純氧空分采用空氣膨脹進上塔的雙塔空分流程制取的93%02低純氧氣的設(shè)備氧氣提取可達99%以上，單因氧氣、氮氣壓力低(一般氮氣壓力< 0. 05MPa，氧氣
<0. 07MPa)，其電耗一般為0. 5 0. 55KWh/m3，能耗較高，其副產(chǎn)品低壓氮氣不能直接輸送，需增加氮氣壓縮機，氮氣純度也不能滿足高端浮法玻璃的需求。同時生產(chǎn)的氧氣壓力小于0. IMPa，而浮法玻璃、化工行業(yè)需要大量的帶壓力的高純氮氣、低純氧氣，氮氣及氧氣壓 力要求大于0. 15MPa。同時為了達到節(jié)能減排的要求，從空分過程中直接生產(chǎn)高提取率、帶壓力的高純氮、低純氧是非常具有價值的。全氧燃燒浮法玻璃生產(chǎn)線，氧氣需求量遠遠大于氮氣需求量，氧氮比一般為3:1 4:1，因此空分設(shè)備如何低成本地生產(chǎn)帶壓的低純氧氣及少量帶壓氮氣成為關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種以空氣為原料生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，采用雙塔制氮 制氧，低純液氧通過液位差增壓后在液氧蒸發(fā)器中汽化出冷箱，避免的氧氣壓縮機或液氧泵等動設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備投資、降低了能耗、提高了產(chǎn)品附加值。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，包括如下步驟
將純化、干燥的空氣冷卻至飽和狀態(tài)，一部分飽和空氣進入下塔塔釜，另一部分飽和空氣進入液氧蒸發(fā)器冷凝成液空，液空進入下塔塔釜和飽和空氣分離成氮氣和液態(tài)空氣；將下塔分離出來的氮氣送入上塔，經(jīng)冷凝蒸發(fā)器氮氣冷凝成為液氮，然后回流至下塔頂部；回流至下塔的液氮和下塔中分離出的液體空氣分別進入上塔進行精餾，分離成帶壓力的污氮氣和低純液氧。從上塔中上部抽出污氮氣，經(jīng)過復熱、膨脹至大氣壓后輸出；從上塔頂部抽取高純氮，復熱后輸出；低純液氧從上塔底部抽出進入液氧蒸發(fā)器；在液氧蒸發(fā)器和上塔底部之間存在壓力差的作用下，液氧蒸發(fā)成氣氧，經(jīng)過復熱后輸出。本發(fā)明提供的另外一種返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，包括如下步驟
將純化、干燥的空氣冷卻至飽和狀態(tài)，一部分飽和空氣進入下塔塔釜，另一部分飽和空氣進入液氧蒸發(fā)器冷凝成液空，液空進入下塔塔釜和飽和空氣分離成氮氣和液態(tài)空氣；將下塔分離出來的氮氣送入上塔，經(jīng) 冷凝蒸發(fā)器氮氣冷凝成為液氮，然后回流至下塔頂部；回流至下塔的液氮和下塔中分離出的液體空氣分別進入上塔進行精餾，分離成帶壓力的污氮氣和低純液氧。從上塔頂部抽出污氮氣，經(jīng)過復熱、脹機膨脹至大氣壓后輸出；從下塔頂部抽取高純氮，復熱后輸出；低純液氧從上塔底部抽出，進入液氧蒸發(fā)器；在液氧蒸發(fā)器和上塔底部之間存在壓力差的作用下，液氧蒸發(fā)成氣氧，進入復熱后輸出。在本發(fā)明中的一個優(yōu)選實施例中，所述上塔的操作壓力大于0. OSMPa0在本發(fā)明中的一個優(yōu)選實施例中，所述氣氧出主換熱器后的壓力大于0. 15MPa。在本發(fā)明中的一個優(yōu)選實施例中，所述污氮氣經(jīng)透平膨脹機膨脹至大氣壓后離開。在本發(fā)明中的一個優(yōu)選實施例中，所述冷凝蒸發(fā)器與液氧蒸發(fā)器之間的高度差大于5m。在本發(fā)明中的一個優(yōu)選實施例中，所述冷凝蒸發(fā)器、上塔和下塔為一體式結(jié)構(gòu)，冷凝蒸發(fā)器設(shè)置在下塔頂部，冷凝器頂部設(shè)有上塔。在本發(fā)明中的一個優(yōu)選實施例中，下塔的塔板數(shù)為5(T100塊，操作壓力為
0.6 I. IMPa0上塔的塔板數(shù)為40 100塊，操作壓力為0. 08 0. 25MPa。本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)相比具有以下優(yōu)點
I)本發(fā)明采用提高上塔壓力，低純液氧依靠重力自增壓生產(chǎn)帶壓氧氣，并能夠同時生產(chǎn)帶壓高純氮，裝置冷量由返流污氮膨脹提供，與傳統(tǒng)的低純液氧自增壓流程采用空氣膨脹進上塔比，所有空氣均進入了下塔精餾后進入上塔精餾分離，提高了氧氣提取率，同時達到生產(chǎn)帶壓氮氣的目的。2)本發(fā)明生產(chǎn)的氮氣壓力可達0.06、. 25MPa，純度達99. 999% (氧氣含量小于5ppm),同時生產(chǎn)的氧氣純度可達到90% 98%，壓力達0. 1 0. 25MPa;并可從下塔抽取氧氣產(chǎn)量50%以下的高壓壓力氮氣，而氧氣提取率無明顯降低，同時滿足浮法玻璃全氧燃燒所需氧氣、氮氣，不需額外的氧氣、氮氣壓縮機或液氧泵等設(shè)備。


圖I為本發(fā)明實施例I的流程圖。圖2為本發(fā)明實施例2的流程圖。其中，Cl為下塔，C2為上塔，El為主換熱器，E2為過冷器，Kl為上塔冷凝蒸發(fā)器，K2為液氧蒸發(fā)器，TP為透平膨脹機，V1、V2、V3、V4為節(jié)流閥。1、2、3為壓縮空氣，4為液態(tài)空氣，5為液態(tài)空氣，6為減壓后的液態(tài)空氣，7為液態(tài)氮氣，8為高純液氮產(chǎn)品，9為減壓后的液態(tài)氮氣，10為上塔頂帶壓氮氣，11為帶壓氮氣產(chǎn)品，12為污氮氣，13為膨脹前的污氮，14為膨脹后的污氮，15為出冷箱的污氮，16為低純液氧，17為蒸發(fā)的帶壓低純氧，18為帶壓低純氧，19為下塔頂帶壓氮氣，20為出冷箱帶壓氮氣產(chǎn)品。
具體實施例方式本發(fā)明提供的返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的裝置中，采用下塔、上塔雙塔設(shè)計，根據(jù)所需氮和氧的純度和壓力的不同，塔內(nèi)塔板數(shù)和操作壓力可分別從以下范圍中選擇下塔塔板數(shù)量為5(Tl00塊，操作壓力在0. 6M Pa^l. IMPa ;上塔塔板數(shù)量為40 100塊，操作壓力在0. 08MPa 0. 25MPa。以下通過實施例對本發(fā)明提供的生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，以便更好理解本發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)容，但實施例的內(nèi)容并不限制本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍。實施方式I
參照圖I，上塔C2和下塔Cl按照圖I方式通過管道連接，其中，上塔C2內(nèi)安裝45塊塔板，操作壓力0. 12MPa ;下塔Cl內(nèi)安裝50塊塔板，操作壓力0. 65MPa。經(jīng)分子篩吸附除去二氧化碳和水的空氣I經(jīng)過主換熱器El進行冷卻成為飽和狀態(tài)，部分空氣2送入下塔Cl中，部分空氣3送入液氧蒸發(fā)器K2中被冷凝成液空4進入下塔底部以上3塊塔板的位置，進入下塔的空氣和液空與塔頂回流的液氮精餾，塔頂?shù)玫降獨夂退玫礁谎跻簯B(tài)空氣5。下塔氮氣在上塔內(nèi)的冷凝蒸發(fā)器Kl冷卻成液氮大部分回流至下塔Cl，將部分液氮7經(jīng)過冷器E2過冷后通過節(jié)流閥V3送入上塔C2的頂端，進行精餾，液態(tài)空氣5通過節(jié)流閥V2上塔上部第24塊塔板處進入上塔進行精餾，得到帶壓力的氮氣和低純液氧，從塔頂抽出氮氣10，經(jīng)過冷器E2和主換熱器El復熱，得到供用戶使用的大于99. 999%純度、0. 09MPa壓力的高純氮氣。從上塔底部抽出純度為93%、壓力為0. 13MPa的低純液氧16，經(jīng)低純液氧管路進入液氧蒸發(fā)器。由于上塔冷凝蒸發(fā)器頂部比液氧蒸發(fā)器頂部高超過7m，利用上塔冷凝蒸發(fā)器與液氧蒸發(fā)器的高度差，增加液氧壓力0. 08MPa至0. 21MPa，在液氧蒸發(fā)器中蒸發(fā)后經(jīng)主換熱器復熱后出冷箱壓力彡0. 17MPa。從上塔頂部位置抽出氮氣10，經(jīng)過冷器E2、主換熱器El復熱至常溫作為帶壓氮氣產(chǎn)品11輸出。從上塔上部15塊塔板位置抽出污氮氣12，經(jīng)過冷器E2、主換熱器El下段中復熱至-140°C _160°C進入透平膨脹機TP中膨脹至大氣壓或接近大氣壓制冷，以補充裝置冷量。實施方式2
參照圖2，上塔C2和下塔Cl按照圖2方式通過管道連接，其中，上塔C2內(nèi)安裝40塊塔板，操作壓力0. IlMPa ;下塔Cl內(nèi)安裝55塊塔板，操作壓力0. 62MPa。經(jīng)分子篩吸附除去二氧化碳和水的空氣I經(jīng)過主換熱器El進行冷卻成為飽和狀態(tài)，部分空氣2送入下塔Cl中，部分空氣3送入液氧蒸發(fā)器K2中被冷凝成液空4進入下塔底部以上3塊塔板的位置，進入下塔的空氣和液空與塔頂回流的液氮精餾，塔頂?shù)玫降獨夂退玫礁谎跻簯B(tài)空氣5。從下塔塔頂抽出壓力氮氣19，經(jīng)主換熱器El復熱出冷箱，得到供用戶使用的大于99. 999%純度、0. 6MPa的壓力高純氮氣。
下塔氮氣在上塔內(nèi)的冷凝蒸發(fā)器Kl冷卻成液氮大部分回流至下塔Cl，將部分液氮7經(jīng)過冷器E2過冷后通過節(jié)流閥V3送入上塔C2的頂端，進行精餾，液態(tài)空氣5通過節(jié)流閥V2上塔上部第24塊塔板處進入上塔進行精餾，得到帶壓力的氮氣和低純液氧。從上塔底部抽 出純度為93%、壓力為0. IlMPa的低純液氧16，經(jīng)低純液氧管路進入液氧蒸發(fā)器。由于上塔冷凝蒸發(fā)器頂部比液氧蒸發(fā)器頂部高超過7m，利用上塔冷凝蒸發(fā)器與液氧蒸發(fā)器的高度差，增加液氧壓力0. 08MPa至0. 19MPa，在液氧蒸發(fā)器中蒸發(fā)后經(jīng)主換熱器復熱后出冷箱壓力彡0. 15MPa。從上塔頂部或中上部抽出污氮氣12，經(jīng)過冷器E2、主換熱器El下段中復熱至-140°C -160°C進入透平膨脹機TP中膨脹至大氣壓或接近大氣壓制冷，以補充裝置冷量。在實施例I中，制得純度大于99. 999%、壓力為0. 09MPa的氮氣，制得純度為93%、壓力為0. 17MPa的氧氣。在實施例2中，制得純度大于99. 999%、壓力為0. 6MPa的氮氣，制得純度為93%、壓力為0. 15MPa的氧氣。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中，如實施方式I也可像實施方式2在下塔抽取壓力氮氣，進入主換熱器復熱作為產(chǎn)品輸出。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，其特征在于，包括如下步驟 將純化、干燥的空氣冷卻至飽和狀態(tài)，一部分飽和空氣進入下塔塔釜，另一部分飽和空氣進入液氧蒸發(fā)器冷凝成液空，液空進入下塔塔釜和飽和空氣分離成氮氣和液態(tài)空氣；將下塔分離出來的氮氣送入上塔，經(jīng)冷凝蒸發(fā)器氮氣冷凝成為液氮，然后回流至下塔頂部；回流至下塔的液氮和下塔中分離出的液體空氣分別進入上塔進行精餾，分離成帶壓力的污氮氣和低純液氧； 從上塔中上部抽出污氮氣，經(jīng)過復熱、膨脹至大氣壓后輸出；從上塔頂部抽取高純氮，復熱后輸出；低純液氧從上塔底部抽出進入液氧蒸發(fā)器；在液氧蒸發(fā)器和上塔底部之間存在壓力差的作用下，液氧蒸發(fā)成氣氧，經(jīng)過復熱后輸出。
2.一種返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，其特征在于，包括如下步驟 將純化、干燥的空氣冷卻至飽和狀態(tài)，一部分飽和空氣進入下塔塔釜，另一部分飽和空 氣進入液氧蒸發(fā)器冷凝成液空，液空進入下塔塔釜和飽和空氣分離成氮氣和液態(tài)空氣；將下塔分離出來的氮氣送入上塔，經(jīng)冷凝蒸發(fā)器氮氣冷凝成為液氮，然后回流至下塔頂部；回流至下塔的液氮和下塔中分離出的液體空氣分別進入上塔進行精餾，分離成帶壓力的污氮氣和低純液氧； 從上塔頂部抽出污氮氣，經(jīng)過復熱、脹機膨脹至大氣壓后輸出；從下塔頂部抽取高純氮，復熱后輸出； 低純液氧從上塔底部抽出，進入液氧蒸發(fā)器；在液氧蒸發(fā)器和上塔底部之間存在壓力差的作用下，液氧蒸發(fā)成氣氧，進入復熱后輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述上塔的操作壓力大于0.OSMPa0
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述氣氧出主換熱器后的壓力大于0. 15MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述污氮氣經(jīng)透平膨脹機膨脹至大氣壓后離開。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述冷凝蒸發(fā)器頂部比液氧蒸發(fā)器頂部高，冷凝蒸發(fā)器與液氧蒸發(fā)器之間的高度差大于5m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述冷凝蒸發(fā)器、上塔和下塔為一體式結(jié)構(gòu)，冷凝蒸發(fā)器設(shè)置在下塔頂部，冷凝器頂部設(shè)有上塔。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述下塔的塔板數(shù)為5(T100塊，操作壓力為0. 6 I. IMPa0
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述上塔的塔板數(shù)為4(T100塊，操作壓力為 0. 08^0. 25MPa0
全文摘要
本發(fā)明提供一種返流膨脹制冷生產(chǎn)帶壓低純氧和高純氮的方法，采用雙塔制氮制氧，低純液氧通過液位差增壓后在液氧蒸發(fā)器中汽化出冷箱，避免的氧氣壓縮機或液氧泵等動設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備投資、降低了能耗、提高了產(chǎn)品附加值。
文檔編號F25J3/04GK102721261SQ20121012530
公開日2012年10月10日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者周大榮 申請人:上海啟元空分技術(shù)發(fā)展股份有限公司