深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣分離領(lǐng)域，尤其涉及一種深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著各行各業(yè)的快速發(fā)展，對工業(yè)氣體氧氣、氮?dú)獾姆N類要求也越來越多，和傳統(tǒng)行業(yè)只要求單一純度氧產(chǎn)品不用(生產(chǎn)高純度氧或低純度氧中的一種)，一些新興行業(yè)如有色冶煉，出現(xiàn)了同時(shí)要求生產(chǎn)低純度氧、高純度氧、高純度氮和少量的液氧、液氮，產(chǎn)品氧氣壓力2?3.5bar，氮?dú)鈮毫??1bar0
[0003]對于這種行業(yè)空分裝置，如果采用變壓吸附，需要設(shè)置三套變壓吸附裝置，能耗高，經(jīng)濟(jì)性差，不能生產(chǎn)液體，且變壓吸附生產(chǎn)高純度氧難度大，不宜用于大規(guī)模工業(yè)用氣；如果采用兩套深冷空分裝置，投資大、占地面積大，不科學(xué)不合理。
[0004]空分裝置的原料是大氣，其主要的消耗是能源，因此，在如何進(jìn)一步降低能量消耗顯得尤為重要?？辗盅b置的產(chǎn)品是氧氣，安全性也十分重要，提供更低能耗更合理的工藝流程，不僅可以做到降低能耗，降低生產(chǎn)成本，提高總體經(jīng)濟(jì)效益，為社會節(jié)約資源，創(chuàng)建低碳、環(huán)保的社會環(huán)境起到一定的作用。
[0005]對于冶金型空分裝置，既可以采用外壓縮流程，也可以采用內(nèi)壓縮流程，究竟采用哪種流程形式，應(yīng)根據(jù)用戶的產(chǎn)品需求，從能耗、投資、操作、安全性幾個(gè)方面綜合考慮。內(nèi)壓縮流程比外壓縮流程換熱不可逆損失增大，從這個(gè)意義上來說內(nèi)壓能耗要高，但空分裝置的壓縮機(jī)是用電大戶，壓縮機(jī)的效率對整個(gè)裝置的能耗起舉足輕重的作用。對于氧氣壓力不高的有色冶煉空分裝置，外壓縮流程國產(chǎn)氧透效率低，能耗高，氧透安全性較差，操作維護(hù)量大；而采用內(nèi)壓縮流程增壓機(jī)一級壓縮，采用進(jìn)口，效率高，能耗低，且內(nèi)壓安全性好。
[0006]目前變壓吸附設(shè)備只生產(chǎn)單一產(chǎn)品，只能獲得低純度氧氣產(chǎn)品，或采用再凈化方法獲得高純氧，且不能制取液體產(chǎn)品。采用兩套空分裝置分別制取低純度氧、高純度氧，投資大、能耗高，不科學(xué)不合理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)提供一種同時(shí)獲得不同純度的氧氣產(chǎn)品、能耗低且經(jīng)濟(jì)性安全性好的深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置及方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的積極效果如下:一種深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置，包括空氣壓縮系統(tǒng)、前端預(yù)冷純化系統(tǒng)和冷箱，所述空氣壓縮系統(tǒng)包括空壓機(jī)以及空氣增壓機(jī)，所述冷箱包括主換熱器、液氧蒸發(fā)器、液氧栗、膨脹機(jī)的膨脹端及精餾塔，所述精餾塔包括下塔、上塔、純氧塔、純氧塔蒸發(fā)器和位于上塔和下塔之間的主冷凝蒸發(fā)器；所述空壓機(jī)通過第一管道與前端預(yù)冷純化系統(tǒng)相連接，所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的氣體出口通過第二管道經(jīng)主換熱器與所述下塔相連；所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的氣體出口通過第三管道與一膨脹機(jī)的增壓端相連接，所述增壓端通過第四管道連接一水冷卻器，所述水冷卻器通過第五管道經(jīng)主換熱器連接在所述膨脹機(jī)的膨脹端；所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的氣體出口通過第六管道與所述空氣增壓機(jī)相連接，空氣增壓機(jī)末級出口通過第七管道經(jīng)主換熱器與所述液氧蒸發(fā)器相連，液化后通過第八管道及第一節(jié)流閥后進(jìn)入所述下塔中部；所述膨脹端出口設(shè)置第九管道與上塔相連；所述下塔底部液體出口處經(jīng)過一過冷器通過第十管道及第二節(jié)流閥后連接在所述上塔中部；所述下塔中部液體出口處經(jīng)過一過冷器通過第十一管道及第三節(jié)流閥后連接在所述上塔中部；所述下塔頂部的液體出口通過第十二管道經(jīng)過所述過冷器及第四節(jié)流閥后連接在所述上塔頂部；所述下塔頂部的氣體出口通過第十三管道連接在所述純氧塔蒸發(fā)器上，所述純氧塔蒸發(fā)器的液體出口通過第十四管道及第五節(jié)流閥連接在所述上塔頂部；所述下塔頂部的氣體出口通過第十五管道經(jīng)主換熱器后連接在冷箱外部作為產(chǎn)品壓力氮?dú)猓凰鲋骼淠舭l(fā)器的低純液氧側(cè)出口處通過第十六管道連接在所述純氧塔頂部；所述主冷凝蒸發(fā)器的低純液氧側(cè)出口處通過第十七管道和所述液氧栗連接，液氧栗出口通過第十八管道和所述液氧蒸發(fā)器連接，所述液氧蒸發(fā)器的氣氧通過第十九管道經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出冷箱作為產(chǎn)品送出；所述上塔頂部的污氮?dú)獬隹谔庍B接第二十管道，所述第二十管道經(jīng)過所述過冷器和主換熱器后連接在冷箱外部的純化系統(tǒng)；所述純氧塔頂部氣體出口通過第二十一管道和所述上塔底部連接；所述純氧塔底部液氧通過第二十二管道和所述液氧栗連接，液氧栗出口通過第二十三管道和所述液氧蒸發(fā)器連接，所述液氧蒸發(fā)器的氣氧通過第二十四管道經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出冷箱作為產(chǎn)品送出。
[0009]所述下塔工作壓力0.38MPa。
[0010]所述下塔為塔板數(shù)為25~40或?qū)?yīng)塔盤數(shù)為35~60盤的下塔，所述上塔為塔板數(shù)為30~40或?qū)?yīng)塔盤數(shù)為52~68盤的規(guī)整填料上塔，所述純氧塔為塔板數(shù)為20~30或?qū)?yīng)塔盤數(shù)為35~52盤的規(guī)整填料塔。
[0011]—種深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置的分離及生產(chǎn)方法，該方法如下:
出純化后的空氣分為三部分:第一部分空氣進(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻后進(jìn)入下塔；第二部分相當(dāng)于膨脹量的空氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)的增壓端增壓，經(jīng)(增壓后)冷卻器冷卻后進(jìn)入主換熱器，冷卻到一定溫度后從主換熱器中部抽出進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹后的空氣送入上塔；第三部分空氣進(jìn)入空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮，經(jīng)主換熱器冷卻后進(jìn)入液氧蒸發(fā)器作為熱源汽化液氧，出液氧蒸發(fā)器后進(jìn)入下塔中部；
下塔從上到下產(chǎn)生以下產(chǎn)品:液氮、貧液空及富氧液空；所述富氧液空節(jié)流進(jìn)入上塔，作為其回流液；貧液空經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔，作為其回流液；液氮分三部分:一部分在過冷器中過冷后送入上塔頂部作回流液，一部分作為下塔回流液，一部分液氮在液氮栗中被壓縮至所需壓力，然后送到換熱器中通過與空氣進(jìn)行熱交換而得到壓力氮?dú)狻?br>[0012]上塔從上到下產(chǎn)生以下產(chǎn)品包括:頂部產(chǎn)生污氮?dú)?、底部產(chǎn)生富液氧及上塔；污氮?dú)鈴纳纤敳砍槌龊蠼?jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱至設(shè)計(jì)溫度出冷箱，一股污氮?dú)庥糜诜肿雍Y吸附器的再生，另一股污氮?dú)馑偷剿渌λM(jìn)行冷卻，還有一小部分進(jìn)入冷箱，對冷箱充氣；富液氧從上塔底部抽出，在液氧栗中被壓縮至所需壓力，然后進(jìn)入液氧蒸發(fā)器，被空氣加熱汽化后進(jìn)入主換熱器復(fù)熱到常溫后送往用戶；從上塔底部抽出部分富液氧送到純氧塔精餾得到液氧。
[0013]從上塔底部來的富液氧進(jìn)入純氧塔頂部，精餾后在底部得到99.6%以上純液氧，頂部粗氧氣返回上塔；純氧塔底部純液氧經(jīng)液氧栗加壓后送入主換熱器復(fù)熱后出冷箱得到氧氣。
[0014]膨脹機(jī)增壓端的氣體來自低壓力空壓機(jī)后的氣體。
[0015]能從下塔得到高純度氮?dú)?，氮?dú)鈮毫Φ獨(dú)鈮毫?.35MPa，或從下塔頂部抽取液氮采用液氮栗內(nèi)壓得到壓力更高的氮?dú)狻?br>[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的積極效果如下:同時(shí)得到低純度氧、高純度氧、高純度氮、低純度液氧、高純度液氧、液氮產(chǎn)品，氧氣采用內(nèi)壓縮，省去氧壓機(jī)，安全性好，特別適用于有色冶煉所配套空分，得到的低純度氧氣產(chǎn)品純度90%?95%，高純度氧氣產(chǎn)品純度彡99.6%，氮?dú)饧兌柔?9.9%ο
[0017]—套空分裝置同時(shí)獲得多種產(chǎn)品，解決了多套裝置才能實(shí)現(xiàn)的問題，不僅可以做到降低能耗，降低生產(chǎn)成本，還能節(jié)約人力資源、節(jié)省投資，科學(xué)合理。該發(fā)明對提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義，對節(jié)約社會資源，創(chuàng)建低碳、環(huán)保的社會環(huán)境起到積極的作用。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中標(biāo)注為:1、空壓機(jī)；2、前端預(yù)冷純化系統(tǒng)；3、空氣增壓機(jī)；4、透平膨脹機(jī)增壓端；5、水冷卻器；6、主換熱器；7、第一液氧蒸發(fā)器；8、下塔；9、主冷凝蒸發(fā)器；10、上塔；11、過冷器；12、純氧塔；13、純氧塔蒸發(fā)器；14、透平膨脹機(jī)膨脹端；15、第二液氧蒸發(fā)器；16、第一液氧栗；17、第二液氧栗；18、第一節(jié)流閥；19、第二節(jié)流閥；20、第三節(jié)流閥；21、第四節(jié)流閥；22、第五節(jié)流閥；23、冷箱；101、第一管道；102、第二管道；103、第三管道；104、第四管道；105、第五管道；106、第六管道；107、第七管道；108、第八管道；109、第九管道；110、第十管道；111、第十一管道；112、第十二管道；113、第十三管道；114、第十四管道；115、第十五管道；116、第十六管道；117、第十七管道；118、第十八管道；119、第十九管道；120、第二十管道；121、第二^--管道；122、第二十二管道；123、第二十三管道；124、第二十四管道。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例一
深冷分離及生產(chǎn)低純度氧、高純度氧和氮的裝置，如圖1所示，包括空氣壓縮系統(tǒng)、前端預(yù)冷純化系統(tǒng)2和冷箱24，所述空氣壓縮系統(tǒng)包括空壓機(jī)1、空氣增壓機(jī)3，所述冷箱包括主換熱器6、第一液氧蒸發(fā)器7、第二液氧蒸發(fā)器15、第一液氧栗16、第二液氧栗17、透平膨脹機(jī)膨脹端14及精餾塔，所述精餾塔包括下塔8、上塔10、純氧塔12、純氧塔蒸發(fā)器13和位于上塔和下塔之間的主冷凝蒸發(fā)器9。所述空壓機(jī)通過第一管道101與前端預(yù)冷純化系統(tǒng)相連接，所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的氣體出口通過第二管道102經(jīng)主換熱器與所述下塔相連；所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的氣體出口通過第三管